温度控制芯片、其制备方法及包含其的温度控制芯片系统

摘要

本发明公开了一种基于FPGA实现PID调节的温度控制芯片系统，包括温度控制芯片、四线式放大电路、A/D采样模块、FPGA、开关电源，PWM调节电子开关。本发明利用FPGA采集一路或同时采集多路的温度传感信号，通过PID控制程序输出逻辑控制的PWM调制信号，控制用于芯片加热的开关电源的接入与否，实现温度的控制。本发明系统组成精简，成本较低，同时由于利用了FPGA实现的PID控制器来调控PWM电子开关，进而控制芯片控温的方法，使控制速度与精度大幅提高，便于对环境进行精确的温度控制。

权利要求

1.一种温度控制芯片，其特征在于，包括衬底、形成在所述衬底上温控区域内的加热电阻线和测温电阻线、以及覆盖所述加热电阻线、测温电阻线和所述衬底上的钝化保护层，其中，所述衬底为绝缘衬底或者具有绝缘层的硅片，所述加热电阻线和测温电阻线的材料均为铝，且所述加热电阻线和测温电阻线直接形成于所述衬底上，所述温控区域包括不同温度控制下的多个区域，用于生化实验过程中的温度控制。

2.根据权利要求1所述的温度控制芯片，其中，所述绝缘衬底为氧化硅片，所述绝缘层与所述钝化保护层为二氧化硅材料或者氮化硅材料。

3.根据权利要求1所述的温度控制芯片，其中，所述温度控制芯片包括一个或多个温控区域，并且每个温控区域中加热电阻线和测温电阻线的数量独立地为一个或多个。

4.根据权利要求1所述的温度控制芯片，其中，所述测温电阻线由所述加热电阻线环绕包围。

5.根据权利要求1所述的温度控制芯片，其中，所述测温电阻线和所述测温电阻线独立地为蛇形或环形。

6.一种权利要求1-5中任一项所述温度控制芯片的制备方法，其特征在于，包括：在硅片上形成绝缘层，在所述绝缘层上利用金属材料形成电热控制层，或者在绝缘衬底上直接利用金属材料形成电热控制层；

图形化所述电热控制层形成加热电阻线和测温电阻线；

在加热电阻线和测温电阻线之上形成钝化保护层。

7.一种温度控制芯片系统，其特征在于，包括权利要求1-5中任一项所述温度控制芯片、四线端信号放大电路、A/D采样模块、FPGA、PWM调节电子开关和开关电源；

其中所述四线端信号放大电路用于产生流经测温电阻线的基准电流，并放大温控区域的温度信号；

所述A/D采样模块用于将所述温度信号转换成数字信号，并送入到FPGA中；

所述FPGA用于生成PID控制器，处理接收的表征温度的所述数字信号，产生调制信号；

所述PWM调节电子开关用于接收所述FPGA的调制信号，并控制所述开关电源是否接入所述加热电阻线进行加热；

所述开关电源用于在所述加热电阻线上施加电流产生焦耳热。

8.根据权利要求7所述的温度控制芯片系统，其中，所述四线端信号放大电路包括OPA277运算放大器，所述A/D采样模块包括AD7606芯片，FPGA包括搭载Spartan6系列芯片的开发板，PWM调节电子开关为搭载AOD2810大功率MOS管的电子开关驱动板模块，所述开关电源为输出电压为12V的SD-100B-12开关电源。

说明书

温度控制芯片、其制备方法及包含其的温度控制芯片系统

技术领域

[0001] 本发明属于温度控制领域，具体涉及一种温度控制芯片、其制备方法及包含其的温度控制芯片系统，该系统可用于生物或化学等实验过程中，对实验体系的精确的温度控制。

背景技术

[0002] 温度控制器在人类的日程生活和生产作业中处处可见，在诸多的实验室工作中，也可以见到温度控制器的身影，并且扮演着至关重要的角色。例如大多微量体系的生物实验和化学实验对环境温度的要求十分苛刻，例如生物实验中的PCR(Polymerase Chain Reaction，聚合酶链式反应)实验和基因测序等酶促实验，温度对酶的活性和双链DNA的解旋等过程起着至关重要的作用，以PCR实验为例，该实验分三个步骤，变性(DNA双链解旋)要求温度为93℃左右，退火(引物与单链结合)要求温度55℃左右，延伸(聚合酶作用下，单链DNA半保留复制成双链)要求温度72℃左右。

[0003] 现如今业者对于实验设备的便携式、低成本、实验样本的小体系有着越来越高的追求。同时，如今的温度控制体系多为较大的控制设备，体积大成本高，高功耗，难以在同一设备内实现多区域不同温度的控制。目前温控仪的测温方式多为热电偶或PT100，难以与加热组件集成到一起，设备难以简化。针对目前现有设备及需要之间的矛盾，促成了对本发明的温控芯片的研究。

[0004] 目前针对温度控制仪器的控制多采用PID(比例-积分-微分)控制器来实现，由比例单元、积分单元、微分单元组成，分别对应当前误差，过去累计误差和未来误差，通过Kp，Ki，Kd三个参数来设定。在工业控制的应用中十分的常见，主要作为反馈回路的组件。当前工程应用中，模糊PID控制器多用以ARM为架构的单片机软件编程来实现，由于单片机的程序为顺序执行，没有较好的实时性，同时对于软件来说，易受外界的干扰，因此对于需要精确温度控制的要求来说，并不适用。而对于FPGA来说，其信号均为时钟控制，模块程序是并行的，从而可以显著提高温度控制的速度与实时性。同时，通过FPGA内部硬件实现PID控制器可以很好的提高抗干扰能力，提高稳定性。

发明内容

[0005] 针对上述现有的主流设备与需求之间的矛盾，以及现有应用技术中的缺陷，本发明提出了一种温度控制芯片、其制备方法及包含其的温度控制芯片系统，该温度控制芯片系统基于FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)实现PID调节。该系统具有体积小，成本低，响应速度快，芯片工艺制备简便等优点，极大的提升了温度控制体系的稳定性与实时性，大大降低了成本。

[0006] 为实现上述目标，本发明公开了如下的技术方案：

[0007] 一方面，本发明提供了一种温度控制芯片，包括衬底、形成在所述衬底上温控区域内的加热电阻线和测温电阻线、以及覆盖所述加热电阻线、测温电阻线和所述衬底上的钝化保护层，其中所述衬底为绝缘衬底或者具有绝缘层的硅片。

[0008] 优选地，所述绝缘衬底为氧化硅片。

[0009] 优选地，所述绝缘层与所述钝化保护层为二氧化硅材料或者氮化硅材料。

[0010] 优选地，所述加热电阻线和测温电阻线的材料选自电阻率随温度变化的金属材料，优选地，所述金属材料为铝、铜或者镍铬合金。

[0011] 优选地，所述加热电阻线和测温电阻线的材料相同。

[0012] 优选地，所述温度控制芯片包括一个或多个温控区域，优选地，每个温控区域中加热电阻线和测温电阻线的数量独立地为一个或多个。

[0013] 优选地，所述测温电阻线由所述加热电阻线环绕包围。

[0014] 优选地，所述测温电阻线和所述测温电阻线独立地为蛇形或环形。

[0015] 另一方面，本发明提供了一种所述温度控制芯片的制备方法，包括：

[0016] 在硅片上形成绝缘层，在所述绝缘层上利用金属材料形成电热控制层，或者在绝缘衬底上直接利用金属材料形成电热控制层；

[0017] 图形化所述电热控制层形成加热电阻线和测温电阻线；

[0018] 在加热电阻线和测温电阻线之上形成钝化保护层。

[0019] 又一方面，本发明提供了一种温度控制芯片系统，包括所述温度控制芯片、四线端信号放大电路、A/D采样模块、FPGA、PWM调节电子开关和开关电源，

[0020] 其中所述四线端信号放大电路用于产生流经测温电阻线的基准电流，并放大温控区域的温度信号；

[0021] 所述A/D采样模块用于将所述温度信号转换成数字信号，并送入到FPGA中；

[0022] 所述FPGA用于生成PID控制器，处理接收的表征温度的所述数字信号，产生调制信号；

[0023] 所述PWM调节电子开关用于接收所述FPGA的调制信号，并控制所述开关电源是否接入所述加热电阻线进行加热；

[0024] 所述开关电源用于在所述加热电阻线上施加电流产生焦耳热。

[0025] 优选地，所述四线端信号放大电路包括OPA277运算放大器，所述A/D采样模块包括AD7606芯片，FPGA包括搭载Spartan6系列芯片的开发板，PWM调节电子开关为搭载AOD2810大功率MOS管的电子开关驱动板模块，所述开关电源为输出电压为12V的SD-100B-12开关电源。

[0026] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

[0027] 1、加热与测温采用同一种材料，在工艺实现上可以通过一步图形化实现，避免了多次光刻显影图形化的过程，大大简化之制备流程。同时，采用铝材料作为电热控制层材料，与传统的采用铂金属材料的方案相比，铝材料价格更为低廉，可以大大的降低了成本。

[0028] 2、利用FPGA内部硬件实现离散PID控制器来进行对温度信号的处理并加以控制的方式，充分利用了FPGA并行处理运算和信号时钟控制的优势，提高了处理温度信号的速度和稳定性，从而提高了温度控制的响应速度和精度。

附图说明

[0029] 图1是根据本公开实施例一个温度控制芯片的截面示意图；

[0030] 图2是根据本公开实施例一个温度控制芯片的平面俯视示意图；

[0031] 图3A-3D是根据本公开实施例制备图1和图2中温度控制芯片的工艺流程中的不同步骤的截面图；

[0032] 图4是根据本公开实施例另一个温度控制芯片实的平面俯视示意图；

[0033] 图5是根据本公开实施例实现的四线端信号放大电路；

[0034] 图6是根据本公开实施例的基于FPGA实现PID调节的温度控制芯片系统的工作流程图。

具体实施方式

[0035] 上述说明仅是对于本设计方案的概述，下文结合附图阐述了某些具体的细节与实施例以便于更透彻的理解本发明的技术方案。在某些不具备这些具体细节的情况下，仍可以实现本发明的内容。

[0036] 除上下文另有要求，否则在说明书和所附权利要求书全文中，词语“包括”将解释为“包括但不限于”。

[0037] 在附图中，相同标号标识相似特征或者元件。特征在附图中的尺寸和相对位置并未按比例绘图。

[0038] 图1展示了根据本公开内容所制备的一个具体的实施例的温度控制芯片100的截面图。该示意图并未展示出外接的PAD焊盘，互联金线等其他常规的封装元件与结构，可用现用已知的成熟加工技术与结构来解决。概括而言，在图1中，控制芯片100包括衬底101，用于承载电热控制层103。电热控制层103包括加热电阻线104、测温电阻线105、连接线与接触焊盘(图中未示出)。温度控制芯片也包括电绝缘层106和钝化保护层107。电绝缘层106形成于衬底101与电热控制层103之间，钝化保护层107形成于电热控制层103之上。

[0039] 电绝缘层106实现下层衬底101与电热控制层103之间的电学隔离，避免在加热电阻线104和测温电阻线105等金属部件发生短路。电绝缘层106可通过使用常规的热氧生长氧化硅或PECVD的方式生长氧化硅或氮化硅的方式形成。也可使用其他绝缘介电材料替代。

[0040] 如图1所示电热控制层103中加热电阻线104、测温电阻线105、连接线与接触焊盘(图中未示出)并排形成于电热绝缘层106之上。在图1中所示的实施例中，温度传感器由测温电阻线105充当，与加热电阻线104位于同一层。更具体而言，在图1中，测温电阻线105由加热电阻线104环绕包围。测温电阻线105由电阻率随温度变化而变化的金属材料制成(比如铝材料)，加热电阻线104由与测温电阻线相同的金属材料(铝材料)形成并且在外加电源的驱动下产生焦耳热，释放热量。

[0041] 如图1所示，电热控制层103由钝化保护层107覆盖，该钝化保护层由比如氮化硅此类的惰性介质材料形成。用于将电热控制层103与外界环境隔离，保护加热电阻线104和测温电阻线105等金属部件。

[0042] 如图2所示，展示了一个具体的实施例的温度控制芯片的平面俯视示意图，包含了加热电阻线104、测温电阻线105、连接线108和接触焊盘109(电绝缘层与钝化保护层未示出)。加热电阻线104和测温电阻线105为蛇形结构，测温电阻线105由加热电阻线104环绕包围，可更精准的表征区域温度。加热电阻线104和测温电阻线105均通过同种材料(比如铝材料)形成的连接线108与接触焊盘109相连，接触焊盘109采用同种材料(比如铝材料)。

[0043] 图3A-图3D示出了根据本发明的一个具体的实施例的温度控制芯片的制备方法。如图3A所示，温度控制芯片形成于硅衬底101上，使用常规成熟的技术如热氧或PECVD等方式在硅衬底101上形成电绝缘层106(氧化硅)。

[0044] 如图3B所示，在电绝缘层106上先光刻显影图形化所需的加热电阻线、测温电阻线、连接线与接触焊盘的窗口。之后利用PVD等方式在热电阻线、测温电阻线、连接线与接触焊盘的窗口处以及光刻胶上形成电热控制层103。最后，通过丙酮浸泡等方式去除光刻胶及光刻胶上的金属，实现金属剥离，留下所需的金属图形(铝金属材料)。

[0045] 如图3C所示，利用PECVD或磁控溅射等方式在电热控制层103上形成钝化保护层107(氮化硅)。

[0046] 如图3D所示，利用光刻显影打开接触焊盘109的窗口，并通过ICP刻蚀等技术将接触焊盘109上的钝化保护层去除，使之可以与外部PAD口进行金线互联。

[0047] 图4示出了温度控制芯片的另一实施例的平面俯视示意图。其中，由多个加热电阻线104与测温电阻线105的结合构成，可实现片上多区域不同温度。上文参照图1-图3提供的对于温度控制芯片的实施方案同样适用于本实施例。

[0048] 本发明当中制备的温度控制芯片可利用黑胶等粘接剂粘合到定制的PCB上，通过金线与PCB板上的PAD焊盘通过金线互联。

[0049] 图5示出了本公开内容中涉及到的四线端信号放大电路与A/D采样模块，包括基准电压-基准电流回路与信号放大电路。其中基准电压由A/D采样芯片提供，经由四线端信号放大电路产生基准电流，针对表征温度的RTD信号采用四线端测量方式，以实现相处接线电阻的影响。通过建立多路四线端信号放大电路可实现同时针对多个测温电阻的信号放大(未示出)。四线端信号放大电路产生的基准电流为1mA左右，放大电路放大倍数为10倍。

[0050] 图6示出了本公开内容涉及的基于FPGA实现PID调节的温度控制芯片系统的工作流程图。系统工作时，四线端信号放大电路对测温电阻提供基准电流，并放大RTD温度信号，A/D采样模块接收来自四线端信号放大电路的放大信号转换后送入到FPGA当中，预先编写代码，在FPGA当中实现硬件构成的离散PID控制器，接收到A/D采样模块的信号后启动PID控制器，对信号进行运算，并将运算结果转换成PWM逻辑控制信号。控制信号作用于PWM调节电子开关，实现高速开关，电子开关的关合代表开关电源是否与加热电阻连通。当设立多路四线端信号放大电路和多通道A/D采样模块时，可实现多个区域的不同温度的精确控制。

[0051] 本公开内容涉及的一个实施例中，四线端信号放大电路中使用到OPA277运算放大器，A/D采样模块使用8通道16位的AD7606芯片，FPGA使用搭载Spartan6系列芯片的AX516开发板，开关电源为输出电压为12V的SD-100B-12开关电源，PWM调节电子开关为搭载AOD2810大功率MOS管的电子开关驱动板模块。

[0052] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。