微氣體傳感器微熱板的優(yōu)化設(shè)計

劉麗麗，何 越，劉 震，王連元，劉 麗，蘇 暢，薄小慶，張曉波

(超硬材料國家重點實驗室，吉林大學物理學院，吉林長春 130012)

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微氣體傳感器微熱板的優(yōu)化設(shè)計

劉麗麗，何 越，劉 震，王連元，劉 麗，蘇 暢，薄小慶，張曉波

(超硬材料國家重點實驗室，吉林大學物理學院，吉林長春 130012)

基于鉑的熱敏熱阻特性和SiO2的絕熱絕緣特性，設(shè)計了一種以鉑作為電極材料，SiO2作為隔熱層和絕緣層材料的微氣體傳感器的硅基微熱板結(jié)構(gòu)。利用有限元分析工具對微熱板的基底和電極分別進行了設(shè)計和優(yōu)化，并分析了微熱板的熱場和磁場分布。當基底設(shè)計為前SiO2層、中間Si層、后SiO2層3層結(jié)構(gòu)且厚度分別為25 μm、100 μm、175μm，加熱電極寬度為150 μm時，微熱板能夠獲得高且均勻的中心溫度。該電極結(jié)構(gòu)有助于消除磁場對測量信號的干擾，提高了傳感器的整體性能。

微熱板；結(jié)構(gòu)設(shè)計；溫度分布；磁場分布

0 引言

微電子機械系統(tǒng)(MEMS)是近年來發(fā)展起來的一種新型多學科交叉的技術(shù)，它是指運用微制造技術(shù)在一塊普通的硅片基體上制造出集機械零件、傳感器執(zhí)行元件及電子元件于一體的系統(tǒng)，具有尺寸小、質(zhì)量輕、響應(yīng)快、可集成控制、成本低等優(yōu)點[1]。而基于微電子系統(tǒng) (MEMS) 技術(shù)的微結(jié)構(gòu)氣體傳感器將加熱單元、敏感芯片、測量電極等集成于一體，相較于傳統(tǒng)傳感器具有功耗低、一致性好、集成化程度高等優(yōu)點，現(xiàn)已逐漸成為氣體傳感器領(lǐng)域的主要結(jié)構(gòu)形式[2-4]。

自1962年以來，金屬氧化物半導體材料已越來越多地用于氣體檢測[5-7]，但半導體材料需要一定的溫度才可以與氣體發(fā)生反應(yīng)，而在微結(jié)構(gòu)氣體傳感器中，微熱板是起到加熱敏感材料使其達到工作溫度的作用，因此微熱板的設(shè)計是至關(guān)重要的。在設(shè)計微熱板結(jié)構(gòu)時，應(yīng)考慮使其溫度場分布盡量均勻一致，功耗最低[1,8]。研究結(jié)果表明:微熱板的結(jié)構(gòu)、材料及尺寸參數(shù)的設(shè)置對氣體傳感器的靈敏度等指標有著重要影響[9-10]。有限元分析(FEA)軟件ANSYS是當今各科研領(lǐng)域必備的FEA工具，ANSYS中的Multiphysics模塊可對各種結(jié)構(gòu)的熱場分布和磁場分布進行模擬和分析[11]，本研究就是采用ANSYS12.1中的Multiphysics模塊對微熱板的熱場和磁場進行了模擬和分析，進而對微熱板的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化。

1 微熱板的結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化

本文所設(shè)計的微熱板結(jié)構(gòu)如圖1所示，該器件的平面尺寸為1.0 mm × 1.5 mm。微熱板的Si襯底是由晶向為<100>的單晶硅經(jīng)各向異性腐蝕而成，它保證了傳感器的機械強度。在Si襯底上生長前后兩層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[7]。在前SiO2層上是鉑加熱電極和鉑信號電極，將加熱電極、信號電極設(shè)計于同一平面上，不僅避免了存在于“三明治”結(jié)構(gòu)中的寄生電場(即加熱層、絕緣層、信號層3層間的寄生電場)對測量信號的影響，同時降低了工藝復(fù)雜度[12]。

圖1 微熱板結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 基底結(jié)構(gòu)設(shè)計

基底一般是由Si襯底和上層SiO2絕緣層2層構(gòu)成，Si襯底下表面直接接觸空氣，由于Si的導熱系數(shù)過大，容易分散熱量，因此會有較大的熱損耗，所以文中基底結(jié)構(gòu)設(shè)計為3層結(jié)構(gòu)，即在Si襯底下方多加上一層SiO2隔熱層，SiO2較低的導熱能力可使得熱量損耗變小[7]。為了比較2種基底結(jié)構(gòu)的微熱板的熱場分布，在功耗為30 mW時，將微熱板中加熱電極和信號電極的寬度分別設(shè)為150 μm和30 μm，利用有限元分析軟件ANSYS對兩種基底結(jié)構(gòu)的溫度分布進行仿真和分析，分別找到了2種基底結(jié)構(gòu)各自最佳的溫度分布，結(jié)果如圖2(a)和圖2(b)所示。并以傳感器中心為基點，對上下兩邊各0.5 mm 的溫度分布進行模擬，得到相應(yīng)溫度場分布如圖2(c)所示。

(a) 兩層基底結(jié)構(gòu)的溫度分布

(b) 三層基底結(jié)構(gòu)的溫度分布

(c) 兩種基底結(jié)構(gòu)微熱板的中心位置溫度分布圖2 兩種基底結(jié)構(gòu)的微熱板的溫度分布

從圖2(a)和圖2(b)可以看出：兩層基底結(jié)構(gòu)的微熱板中心區(qū)域溫度為最低溫處，三層基底結(jié)構(gòu)的微熱板中心區(qū)域溫度屬于高溫區(qū)。從圖2(c)可以看出：盡管三層基底的微熱板的最高溫低于兩層基底的最高溫，但是三層基底的中心區(qū)域溫度高于兩層基底的中心溫度。傳感器的理想狀態(tài)是中心高溫區(qū)的溫度均勻分布 ,而中心以外區(qū)域溫度相對較低。因此三層基底結(jié)構(gòu)的微熱板具有較理想的溫度分布。此時基底結(jié)構(gòu)中前SiO2層、中間Si層、后SiO2層厚度分別為25 μm、100μm、175 μm。

1.2 加熱電極寬度優(yōu)化

不同的加熱電極寬度會產(chǎn)生不同的溫度分布情況。當功耗為30 mW時，設(shè)定基底為三層結(jié)構(gòu)，其中前SiO2層、中間Si層、后SiO2層厚度分別為25 μm、100 μm、175 μm，信號電極寬度設(shè)為30 μm，利用ANSYS對加熱電極寬度為100 μm、150 μm、200 μm的微熱板的熱場進行了分析，結(jié)果如圖3所示，圖中H代表加熱電極的寬度。從圖3可以看出：加熱電極寬度為100 μm時，微熱板的溫度分布均勻但整體溫度較低；加熱電極寬度為150 μm時，微熱板的中心溫度明顯提高且分布均勻；加熱電極寬度為200 μm時，微熱板中心溫度有所提高但溫度均勻性較差。所以，加熱條寬度設(shè)為150 μm比較合理。

(a)H=100 μm

(b)H=150 μm

(c)H=200 μm圖3 加熱電極不同寬度時微熱板的溫度分布

2 微熱板的磁場分布

利用ANSYS12.1分析微熱板的磁場分布,結(jié)果如圖4所示。此時微熱板的各尺寸參數(shù)如下：加熱電極寬度為150 μm，信號電極寬度為30 μm，基底三層結(jié)構(gòu)從前往后厚度依次為25 μm、100 μm、175 μm。從圖4可以看出，微熱板中加熱電極區(qū)域的磁場強度較強，最大值可達243.714 A/m；微熱板的中心敏感區(qū)域磁場強度最小，為2.62×10-4A/m。與磁場強度最大值相比，微熱板中心區(qū)域的磁場強度可以忽略不計，因此，這種電極結(jié)構(gòu)有效消除了磁場對測量信號的干擾，這有利于傳感器的整體性能的提高。

圖4 微熱板的磁場分布

3 結(jié)論

本研究采用有限元分析方法，分析了微熱板中基底結(jié)構(gòu)、加熱電極寬度對溫度分布的影響，經(jīng)過模擬仿真確定了基底結(jié)構(gòu)為前SiO2層、中間Si層、后SiO2層三層結(jié)構(gòu)且厚度分別為25 μm、100 μm、175 μm，加熱電極寬度為150 μm時，傳感器可以獲得較理想的溫度分布。并且模擬仿真了微熱板的磁場分布，得出這種電極結(jié)構(gòu)有效消除了磁場對測量信號的干擾。這種優(yōu)化的氣體傳感器微熱板結(jié)構(gòu)極大提高了傳感器的性能。

[1] 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.吉林大學學報(理學版),2003,41(4):510-512.

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Optimizing Design of Micro-hotplate for Micro Gas Sensor

LIU Li-li,HE Yue,LIU Zhen,WANG Lian-yuan,LIU Li,SU Chang,BO Xiao-qing,ZHANG Xiao-bo

(National Key Laboratory of Superhard Materials，College of Physics,Jilin University，Changchun 130012，China)

Due to the thermal resistant and sensitive characteristics of metal platinum,as well as the heat and electricity insulating characteristics of SiO2,a kind of the Si-substrated micro-hotplate structure was designed for micro gas sensor,in which platinum was used as electrode material and SiO2was used as thermal and electricity insulation layer material.The substrate and the heating electrode of the micro-hotplate were optimized by using finite element analysis tool,and the thermal field distribution and magnetic field distribution of the micro-hotplate were also analyzed.When the substrate was composed of three layers and the thickness of front SiO2,Si and rear SiO2were 25 μm,100 μm,175 μm respectively and the heating electrode width was 150 μm,the micro-hotplate can obtain high and uniform central temperature distribution.The electrode structure helps to eliminate the interference on the measurement signal from magnetic field,which is helpful to improve the whole performance of the sensor.

micro-hotplate;structure design;temperature distribution;magnetic field distribution

吉林省科技廳重點科技攻關(guān)項目(20140204027GX)

2014-04-01 收修改稿日期：2014-11-14

TP212.2

A

1002-1841(2015)04-0013-02