一种基于铂电阻的加热和测温电路的制作方法

本发明属于温度控制技术领域，特别涉及一种基于铂电阻的加热和测温电路。

背景技术：

许多小型化的电子器件，如半导体气体传感器、微型富集器、微型色谱等都需要进行温度控制，即需要一个加热器进行加热，并同时利用一个温度传感器测量加热的温度。铂电阻的电阻值随温度变化成正温度系数变化，测量精度高，性能稳定，是一种常用的温度传感器；同时，铂的电阻率与电阻温度系数(tcr)都比较大，长期稳定性好，是十分理想的加热电阻材料。

但是，现有技术中都是通过在同一块基板上的不同区域分别制作了铂加热电极和铂测温电极来实现温度场的加热和测温。例如，在2005年度journalofmicroelectromechanicalsystems报道的文章《high-performancetemperature-programmedmicrofabricatedgaschromatographycolumns》(高性能程序升温微型色谱柱)中，利用制备在硅片背面的铂薄膜加热器和铂电阻来对器件进行加热和温度测量。铂薄膜加热器共4个，分别位于硅片四条边的中心。当只有一个加热器加热时，硅片上的温差为20℃；4个加热器同时工作时，温差降低至3℃。在上述示例中，由于硅片良好的导热性和数百微米的厚度，因此即使铂薄膜加热器的尺寸都设计得较小，仅覆盖了基板的一小部面积而留出了足够多的面积供温度传感器布设，仍然获得了比较均匀的温度分布。

但是很多情况下加热器是布设在导热性很差的基板上或减薄的硅片上，如2006年度sensors报道的文章《high-temperaturememsheaterplatforms:long-termperformanceofmetalandsemiconductorheatermaterials》(高温mems加热器平台：金属和半导体加热器材料的长期性能)中就采用了soi作为基板，当将底层的硅除去后，仅留下6微米厚的器件层硅作为基板，采用电子束蒸发的方式将铂加热电极和测温电极沉积到基板表面，加热电极呈蛇形，盘绕在整个膜片基板上，中心处留有空白以安放铂测温电极。通电加热后，明显可见测温电极处的温度低于加热电极处的温度。

现有的技术方案中加热电极与测温电极独立地分布在基板上，测温电极占据了基板面积，使得相应的位置无法布设加热导线，存在着加热不均匀的技术缺点。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的测温电极(或温度传感器)占据的基板位置无法布设加热线而存在加热温度比周围低的问题，本发明提供一种基于铂电阻的加热和测温电路，该电路驱动一个铂电阻，在高电平时加热，低电平时测温，从而可以在整个基板面积进行布线，得到更加均匀的温度分布。

本发明的技术方案为：

一种基于铂电阻的加热和测温电路，包括铂电阻、加热模块、测温模块、信号发生器、第一开关电路、第二开关电路和反相器，

所述铂电阻只有一个，其一端接地，另一端分别通过第一开关电路和第二开关电路连接加热模块和测温模块；

所述信号发生器用于产生方波信号，其输出端一方面连接第一开关电路的控制端，另一方面通过反相器后连接第二开关电路的控制端。

具体的，所述铂电阻为薄膜铂电阻。

具体的，所述基于铂电阻的加热和测温电路还包括单片机，其输出端连接所述信号发生器，控制所述信号发生器产生不同频率的方波信号。

具体的，所述方波信号的频率在200hz至1khz的范围内。

具体的，所述加热模块包括直流电压源，所述直流电压源通过第一开关电路连接所述铂电阻，通过调节所述方波信号的占空比来控制所述直流电压源对所述铂电阻的加热温度。

具体的，所述测温模块测量所述铂电阻的阻值，并根据所述铂电阻的电阻值与温度的关系分析得出所述铂电阻的温度。

具体的，所述测温模块利用分压电路测量所述铂电阻的阻值，包括定值电阻、电压跟随器和模数转换器，

所述定值电阻与所述铂电阻串联，其串联点通过第二开关电路后连接所述电压跟随器的输入端，所述定值电阻的另一端接电源电压，所述铂电阻的另一端接地；

所述模数转换器的输入端连接所述电压跟随器的输出端，其输出端连接所述单片机。

具体的，所述测温模块利用惠斯通电桥测量所述铂电阻的阻值。

本发明的有益效果为：本发明提供的电路使用同一个铂电阻来作为加热电阻和测温电阻，将本发明中的铂电阻制作在基板上时，由于没有测温电极占据面积，基板表面的温度分布得更加均匀，克服了现有技术中温度分布不均匀的缺点；采用薄膜铂电阻，有更好的加热效果；加热电路和测量电路完全独立，相不干扰。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于铂电阻的加热和测温电路的整体系统框架图；

图2为实施例中本发明提供的一种基于铂电阻的加热和测温电路的具体电路示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方案进行详细阐述，同时对本发明的原理和特性做进一步的说明。以下所述的实施方案只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本实施例中选择薄膜铂电阻，薄膜电阻是直接沉积在温控对象上，没有粘接剂，无论是加热还是测温都能获得更好的效果。

本发明的核心是利用控制电路使得薄膜铂电阻在不同的时间段内分别处于加热和测温两种不同的工作状态，这样可以使加热电路和测量电路完全独立，避免其相互干扰。如图2所示为实施例中基于薄膜铂电阻的加热和测温电路，本实施例中采用单片机控制脉冲宽度调制器来代替信号发生器产生适当频率的方波信号，在电路工作过程中，产生的方波信号频率是一定的。

本实施例中的加热模块为一个直流电压源，直流电压源通过第一开关电路连接薄膜铂电阻，为薄膜铂电阻提供足够的加热功率，通过调节方波信号的占空比来调节薄膜铂电阻的加热时间，从而调节加热的温度。

方波信号分为两路，一路直接连接第一开关电路的控制端，方波信号为高电平时，第一开关电路闭合，直流电压源与薄膜铂电阻接通，直流电压源对薄膜铂电阻进行加热；方波信号变换为低电平时，第一开关电路断开，薄膜铂电阻停止加热。另一路方波信号经反相器反相后连接到第二开关电路的控制端，方波信号为高电平时，该高电平经过反相器反相后转化为低电平，第二开关电路断开，不进行测温；方波信号变换为低电平时，经反相器反相后转化为高电平，第二开关电路闭合进行测温。可见，上述电路具有互锁功能，使得薄膜铂电阻有且仅有加热和测温两种工作状态，并且薄膜铂电阻的加热和测量是完全独立进行的，即加热时不测温而测温时不加热，在时间上实现了的功能的分离。

为获得良好的加热和测温效果，信号发生器需要工作在适当的频率范围内。当频率过高时，加热关断时间很小，加热的连续性好，但是测温的采样时间就会很短，会影响测温电路的稳态建立与准确输出。因此，考虑到电子开关的工作频率及薄膜铂电阻加热的连续性，方波信号的工作频率在200hz-1khz范围内较好，本实施例中采用1khz。在该方波信号频率下，薄膜铂电阻的测温时间已足够短，由于热惯性的作用，可以认为薄膜铂电阻的温度不变，测得的温度即为薄膜铂电阻的加热温度。

本实施例中的测温模块利用分压电路测量所述薄膜铂电阻的阻值，包括定值电阻、电压跟随器和模数转换器，定值电阻与薄膜铂电阻串联，其串联点通过第二开关电路后连接电压跟随器的输入端，定值电阻的另一端接5v的电源电压，薄膜铂电阻的另一端接地；模数转换器的输入端连接电压跟随器，其输出端连接单片机。第二开关电路闭合时，即在测温阶段，电压跟随器可以从由固定电阻r0和薄膜铂电阻r构成的分压电路中采集得到薄膜铂电阻r两端的电压，模数转换器将电压跟随器采集输出的模拟电压信号转化为数字电压信号传输给单片机，然后单片机根据薄膜铂电阻温度和电阻的关系处理模数转换器输出的数字电压信号，将数字电压信号转化为温度值显示，从而完成温度测量。

一些实施例中也可使用惠斯通电桥测得薄膜铂电阻的电阻值。

本发明提供的电路，使得制作在基板上的铂电阻只有一个，既作加热电阻又作测温电阻，基板上没有测温电极占据面积，使得基板表面的温度分布得更加均匀，克服了现有技术中温度分布不均匀的缺点。

本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。