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Pulsed-Heating System With an Integrated Metal-Oxide Sensor Array Scheming Low-Power Temperature Modulation

材料科学 调制(音乐) 功率(物理) 光电子学 温度测量 氧化物 电气工程 电子工程 声学 工程类 物理 冶金 量子力学
作者
Yohsuke Shiiki,Shintaro Nagata,Shoo Saga,Yi Tan,Tsunaki Takahashi,Takeshi Yanagida,Hiroki Ishikuro
出处
期刊:IEEE Sensors Journal [IEEE Sensors Council]
卷期号:24 (13): 20794-20804
标识
DOI:10.1109/jsen.2024.3396376
摘要

Sensor integration and low-power operation are required to collect different molecular information. However, it is challenging to integrate different types of sensors onto a single chip. To obtain multiple molecular information, temperature modulation of metal-oxide gas sensors is highly effective since it allows for the variation of sensor molecular sensitivity based on the operating temperature. This paper covers a proposed novel system using metal-oxide gas sensors. The temperatures of the sensors are controlled by adopting self-heated sensors, which achieve local temperature increase and low-power operation. To simultaneously heat multiple sensors, we implemented a printed circuit board (PCB) for pulsed-heating scheme and streamlined intended input power with a proportional-integral-derivative (PID) controller. The performance of the implemented circuit is evaluated, maximum error rate of 1.7 % of heating accuracy and 0.68 % of average readout accuracy is ensured. As a proof-of-concept of the proposed gas sensory system, an array of 16 self-heated sensors was fabricated on a chip and tested with reactive gas molecules. The PID controller set the input power in 8 ms and kept constant power while sensor resistance changed. The proposed pulsed-heating measurement and conventional continuous-heating measurement were experimentally compared. The results of the experimental comparison suggest that while the sensitivity of the proposed pulsed-heating measurement decreases slightly, the power consumption due to heating can be reduced by up to 1/16.
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