新型氣體傳感器微熱板的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

遲　霄，張曉波，劉　麗，何　越，王連元

(超硬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林大學(xué)物理學(xué)院，吉林長(zhǎng)春　130012)

0　引言

基于微電子系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的氣體傳感器由于采用了傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制作技術(shù)[1]。在這種新型的氣體傳感器中，微熱板的設(shè)計(jì)是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，微熱板在傳感器中起到加熱敏感膜使其達(dá)到最佳工作溫度的作用[4-6]。在微熱板的設(shè)計(jì)中，應(yīng)使其溫度場(chǎng)分布盡量均勻，否則會(huì)降低器件的敏感特性和選擇性[7]。微熱板的結(jié)構(gòu)、材料及尺寸參數(shù)的設(shè)置對(duì)氣體傳感器的靈敏度等指標(biāo)有著重要影響[3，8]。

ANSYS中的Multiphysics模塊可分析各種結(jié)構(gòu)的溫度分布[9-10]。文中通過有限元分析的方法，設(shè)計(jì)了一種新型的具有3個(gè)引腳的微熱板結(jié)構(gòu)，并模擬出新型微熱板的溫度分布。

1　微熱板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型微熱板結(jié)構(gòu)如圖1所示，微熱板具有三引腳電極結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)降低了微熱板的制作難度。微熱板的平面尺寸為1．0 mm × 1．5 mm．Si襯底是由(100)晶向的單晶硅經(jīng)各向異性腐蝕而成，在Si襯底上生長(zhǎng)前后兩層SiO2，前SiO2層既是絕緣層，也是隔熱層。后SiO2層能起到防止熱量散失的作用[11]。圖1中加熱電極上的箭頭表示加熱電流的方向。加熱電極寬度為50 μm．測(cè)量電極的寬度和間距分別為20 μm和500 μm．

圖1　新型微熱板的結(jié)構(gòu)示意圖

2　微熱板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2．1基底結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

微熱板中基底由不同材料構(gòu)成，分別為前SiO2層、中間Si層、后SiO2層，它們厚度的改變對(duì)傳感器的溫度分布有著重要的影響[11]。為了方便起見，用E、G、B分別表示微熱板基底中前SiO2層、中間Si層、后SiO2層的厚度。當(dāng)功耗為50 mW時(shí)，對(duì)E100G100B100、E50G200B50、E50G150B100時(shí)微熱板的溫度分布進(jìn)行了模擬，結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，E50G150B100時(shí)微熱板中心能獲得較均勻的溫度分布。所以新型微熱板基底中前SiO2層、中間Si層、后SiO2層的厚度分別設(shè)定為50 μm、150μm、100 μm．

圖2　新型微熱板的基底中各種材料為不同厚度時(shí)的溫度分布

2．2測(cè)量電極結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

在微熱板的設(shè)計(jì)中，不僅基底的改變會(huì)影響溫度場(chǎng)的改變，測(cè)量電極的結(jié)構(gòu)變化也會(huì)對(duì)溫度分布產(chǎn)生影響。為了分析測(cè)量電極的結(jié)構(gòu)對(duì)微熱板中心溫度的影響，利用有限元分析工具ANSYS分別模擬了測(cè)量電極為2個(gè)叉指、一個(gè)叉指和不放叉指時(shí)微熱板的溫度分布，如圖3所示。從圖3中可以看出，當(dāng)測(cè)量電極不放叉指的時(shí)候，微熱板的中心溫度最高，測(cè)量電極不放叉指的結(jié)構(gòu)不僅能降低微熱板制作的難度，節(jié)省了制作原料，而且微熱板的中心溫度也得到了提高。優(yōu)化后的微熱板測(cè)量電極不放叉指，結(jié)構(gòu)既簡(jiǎn)單，又能提高傳感器的性能。

(a)測(cè)量電極為兩個(gè)叉指時(shí)的溫度分布

(b)測(cè)量電極為一個(gè)叉指時(shí)的溫度分布

(c)測(cè)量電極不放叉指時(shí)的溫度分布

3　結(jié)束語

文中設(shè)計(jì)了一種新型氣體傳感器的微熱板結(jié)構(gòu)，通過有限元分析軟件模擬了基底中不同材料厚度的變化對(duì)微熱板溫度分布的影響，確定了新型微熱板基底中前SiO2層、中間Si層、后SiO2層的厚度分別設(shè)定為50 μm、150 μm、100 μm時(shí)，該微熱板的中心溫度分布最均勻。并對(duì)微熱板中測(cè)量電極的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了無叉指的測(cè)量電極結(jié)構(gòu)．這種新型的微熱板結(jié)構(gòu)使襯底中央大部分區(qū)域獲得了高而均勻的溫度分布，有助于提高傳感器的整體性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]張彤，李春明，劉麗，等．利用有限元分析工具優(yōu)化設(shè)計(jì)微氣體傳感器結(jié)構(gòu)．儀表技術(shù)與傳感器，2005(2)：426．

[2]張子立，殷晨波，陶春，等．微加熱板氣體傳感器的仿真及結(jié)構(gòu)優(yōu)化．儀表技術(shù)與傳感器，2010(8)：1-3．

[3]王竹萍，丁英濤，劉汝卿．MEMS 微型熱敏傳感器數(shù)值模擬．北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31(12)：1435-1438．

[4]楊廣立，張彤，李春明．硅基微結(jié)構(gòu)氣體傳感器結(jié)構(gòu)的有限元模擬分析．吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(理學(xué)版)，2003，41(4)：510-512．

[5]HWANG，Woo-Jin，Kyu-Sik Shin，Ji-Hyoung Roh，et al．Development of micro-heaters with optimized temperature compensation design for gas sensors．Sensors，2011，11(3)：2580-2591．

[6]BRUAND D A，KRAUSS B VAN der Schoot，et al．Design and fabrication of high-temperature micro-hotplates for drop-coated gas sensors．Sensors and Actuators B：Chemical，2000，68(1)：223-233．

[7]韓郁，劉麗，陜皓，等．一種新型微結(jié)構(gòu)氣體傳感器電極設(shè)計(jì)分析．儀表技術(shù)與傳感器，2012(12)：6-8．

[8]WANG，Jing，ZHANG Peng，QI Jin-Qing，et al．Silicon-based micro-gas sensors for detecting formaldehyde．Sensors and Actuators B：Chemical，2009，136(2)：399-404．

[9]張彤，楊廣立，李春明，等．微結(jié)構(gòu)氣體傳感器的加熱器設(shè)計(jì)與模擬．測(cè)控技術(shù)，2004，23(5)：12-13．

[10]劉紅，阮靈偉，蔣蘭芳，等．基于 ANSYS 的熱板溫度場(chǎng)模擬與優(yōu)化設(shè)計(jì)．模具工業(yè)，2010，36(9)：18-21．

[11]張曉波，陜皓，劉麗，等．微氣體傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化．傳感器與微系統(tǒng)，2013，32(1)：128-130．