硅微熱板氣體傳感器應(yīng)力調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

劉凱強(qiáng)，余 雋，唐禎安

(大連理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，集成電路遼寧省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧大連 116024)

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硅微熱板氣體傳感器應(yīng)力調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

劉凱強(qiáng)，余 雋，唐禎安

(大連理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，集成電路遼寧省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧大連 116024)

將微熱板與靜電梳齒執(zhí)行器結(jié)合，設(shè)計(jì)出一種恒溫加熱狀態(tài)下調(diào)節(jié)氣敏薄膜(SnO2)應(yīng)力的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。采用有限元軟件(COMSOL Multiphysics)仿真分析了不同溫度下器件的形變、氣敏薄膜中的應(yīng)力分布及其調(diào)節(jié)范圍。仿真結(jié)果表明，氣敏薄膜中的應(yīng)力隨著靜電梳齒執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)電壓的升高而下降，成功實(shí)現(xiàn)對(duì)氣敏薄膜中應(yīng)力分布的調(diào)節(jié)，該結(jié)構(gòu)可用于應(yīng)力對(duì)薄膜氣敏特性影響的研究。

靜電執(zhí)行器；微熱板；有限元；SnO2薄膜應(yīng)力

0 引言

金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器通常需要工作在200～450℃的高溫狀態(tài)下，一般由氣敏材料和加熱器2個(gè)重要部分組成。微熱板具有體積小、功耗低、響應(yīng)快、可批量生產(chǎn)、易于集成等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，成為加熱器的首選。高溫情況下，由多層薄膜材料復(fù)合而成的硅微熱板氣體傳感器會(huì)發(fā)生熱膨脹形變，內(nèi)部會(huì)存在較大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致氣敏薄膜或金屬電極的結(jié)構(gòu)蠕變、開裂、翹曲甚至斷裂[3-4]，從而影響其氣敏特性。

眾所周知，溫度對(duì)氣體傳感器性能的影響很大，但是應(yīng)力對(duì)性能的影響還缺乏研究。為了研究應(yīng)力對(duì)氣體傳感器性能的影響，需要在保持加熱溫度恒定的前提下改變器件的應(yīng)力。對(duì)MEMS器件進(jìn)行應(yīng)力/應(yīng)變調(diào)節(jié)可以利用靜電力、熱膨脹、電磁力、逆壓電效應(yīng)等[5-6]。相比于其他方法，靜電梳齒執(zhí)行器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易加工、體積小等優(yōu)點(diǎn)，近年來已廣泛應(yīng)用于微夾持器[7]、光學(xué)變形鏡[8]、射頻器件[9]等領(lǐng)域。由于靜電梳齒執(zhí)行器和微熱板都可采用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝及后處理工藝制作[10-11]，并且對(duì)微熱板的溫度特性影響較小，因此本文將靜電梳齒執(zhí)行器和微熱板結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種微熱板應(yīng)力調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，利用有限元軟件(COMSOL Multiphysics)分析了微熱板工作在250℃、350℃、450℃和550℃時(shí)SnO2氣敏薄膜中的應(yīng)力調(diào)節(jié)效果。

1 器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 器件平面結(jié)構(gòu)

器件基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。為了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，微熱板采用雙臂結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)四條臂結(jié)構(gòu)，支撐臂尺寸為30×50 μm2，加熱區(qū)域尺寸為100×50 μm2，加熱絲為3條蛇形電阻絲；2個(gè)靜電梳齒執(zhí)行器對(duì)稱分布在微熱板的兩側(cè)，梳齒長度為25 μm，移動(dòng)梳齒和固定梳齒重疊長度15 μm，梳齒間間隙為3 μm，移動(dòng)梳齒兩端由折疊彎曲結(jié)構(gòu)連接在襯底上，并且中間部分連接在微熱板的外側(cè)尖角上。圖1中較粗黑線標(biāo)注的邊框與襯底連接。

圖1 器件基本結(jié)構(gòu)

1.2 器件工藝和剖面結(jié)構(gòu)

器件的加工采用標(biāo)準(zhǔn)的0.5 μm CMOS工藝及CMOS后處理工藝，其剖面圖如圖2所示。標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝包含3層鋁金屬(A1,A2和A3)[12]，采用CMOS工藝中的通孔材料W制作微熱板的蛇形加熱絲，三層金屬作為靜電梳齒執(zhí)行器的電極，如圖2所示。其加工流程可參考文獻(xiàn)[10]?？梢姡瑧铱誐HP多層結(jié)構(gòu)中包括氧化硅、氮化硅、鎢、黃金以及二氧化錫氣敏材料。懸空多層薄膜的總厚度為5 μm。

圖2 器件剖面圖(沿A-B-C-D)

2 有限元仿真分析

利用COMSOL Multiphysics軟件對(duì)上述器件進(jìn)行熱學(xué)、固體力學(xué)、靜電場(chǎng)耦合仿真，如圖3所示。首先，采用焦耳熱模塊進(jìn)行電-熱仿真，得到器件熱分布；然后將該熱分布作為熱載荷加載到微機(jī)電模塊，作為微熱板熱膨脹的熱源；然后在靜電梳齒執(zhí)行器的固定梳齒上加驅(qū)動(dòng)電壓Vst，產(chǎn)生靜電力并作用于微熱板上，調(diào)節(jié)SnO2氣敏薄膜的應(yīng)力分布。由于器件的尺寸很小，熱對(duì)流和熱輻射散熱量遠(yuǎn)小于熱傳導(dǎo)散熱量[13]，熱仿真的時(shí)候忽略了熱對(duì)流和熱輻射的影響。仿真使用的材料及屬性如表1所示。

圖3 仿真步驟

材料熱膨脹系數(shù)/(10-6·K-1)比熱容/(J·kg-1·K-1)相對(duì)介電常數(shù)密度/(kg·m-3)熱導(dǎo)率/(W·m-1·K-1)楊氏模量/GPa泊松比SiO20.57304.222001.4700.17W4.5132-193501744110.28Si3N42.37009.73100202500.23SnO23.73719.66990291000.2Al23.1904-2700237700.35Au14.2129-19300317700.44

3 仿真結(jié)果及討論

3.1 器件位移

圖4為器件中心微熱板最高溫度約350 ℃時(shí)的仿真結(jié)果。圖4(a)為中心長方形懸空區(qū)域加熱到350 ℃時(shí)，器件的溫度分布，可見中心長方形微熱板上的溫度分布比較均勻。由于組成微熱板各層薄膜熱膨脹系數(shù)差異較大，器件會(huì)發(fā)生熱膨脹形變。圖4(b)和圖4(c)為此溫度分布下驅(qū)動(dòng)電壓Vst為0時(shí)器件z方向和x方向位移分布云圖?？梢?，高溫條件下，微熱板發(fā)生熱膨脹而凸起，同時(shí)靜電梳齒執(zhí)行器的移動(dòng)梳齒會(huì)向負(fù)z方向傾斜，因此當(dāng)梳齒上加驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，在x方向和z方向都會(huì)產(chǎn)生靜電力，該靜電力作用于微熱板上調(diào)節(jié)其位移及應(yīng)力狀態(tài)。圖4(a)中左右兩邊的固定電極在仿真中設(shè)定為位置固定，因此在位移圖中省略。

圖4 溫度為350 ℃，Vst =0 V時(shí)仿真結(jié)果

圖5(a)和圖5(b)為溫度分布不變，驅(qū)動(dòng)電壓Vst為250 V時(shí)，器件的z方向和x方向的位移分布圖，對(duì)比圖4，在靜電力作用下，微熱板z方向的位移和x方向的位移都會(huì)發(fā)生改變。例如，圖5(c)為不同電壓下微熱板上點(diǎn)P1及右側(cè)移動(dòng)梳齒上點(diǎn)P2在x方向位移隨驅(qū)動(dòng)電壓Vst的變化，可見，P1和P2的位移都隨著驅(qū)動(dòng)電壓增加而非線性增大。在溫度條件不變的情況下，位移的改變意味著微熱板的形變發(fā)生了改變。

3.2 SnO2薄膜應(yīng)力調(diào)節(jié)范圍

圖6(a)所示為微熱板上最高溫度為350 ℃時(shí)，器件表層氧化錫薄膜的應(yīng)力分布云圖，可以發(fā)現(xiàn)支撐臂與微熱板連接處、微熱板與靜電梳齒執(zhí)行器連接臂、移動(dòng)梳齒與襯底連接彎曲結(jié)構(gòu)及金屬條分布區(qū)域等結(jié)構(gòu)變化大的區(qū)域，以及微熱板上溫度較高的區(qū)域，其應(yīng)力較大。圖6(b)為不同驅(qū)動(dòng)電壓Vst作用下，SnO2薄膜中沿直線A-B(表層)的應(yīng)力分布曲線，由于金屬絲的存在，SnO2薄膜的應(yīng)力呈鋸齒狀分布。處在金屬絲上方的SnO2薄膜應(yīng)力較小，處在金屬絲間隙處的SnO2薄膜應(yīng)力相對(duì)較高而形成一個(gè)個(gè)的小尖峰，并且應(yīng)力隨著靜電驅(qū)動(dòng)電壓Vst增大而減小，其局部放大圖如圖6(c)所示。在溫度條件不變的情況下，靜電力的施加導(dǎo)致了微熱板上的氣敏薄膜SnO2中的應(yīng)力發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)了通過靜電梳齒執(zhí)行器調(diào)節(jié)氣體傳感器氣敏材料內(nèi)部應(yīng)力的目標(biāo)。

(a)Vst=250 V，z-方向位移分布

(b)Vst=250 V，x-方向位移分布

(c)點(diǎn)P1和P2的x方向位移隨Vst的變化圖5 溫度為350℃時(shí)位移分布圖

在溫度為250 ℃、350 ℃、450 ℃及550 ℃時(shí)進(jìn)行的仿真有相似的應(yīng)力分布調(diào)節(jié)效果。圖7所示為，溫度為250 ℃、350 ℃、450 ℃及550 ℃時(shí)，微熱板中心點(diǎn)P處SnO2薄膜應(yīng)力隨靜電執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)電壓Vst的變化。可見，隨著微熱板溫度的升高，SnO2薄膜中的應(yīng)力增大，且SnO2薄膜的熱應(yīng)力在十兆帕到百兆帕量級(jí)。在不同溫度下，P點(diǎn)的應(yīng)力均隨著電壓的升高而減小，為了能夠更準(zhǔn)確的反應(yīng)應(yīng)力的調(diào)節(jié)量，將Vst=0 V和Vst=250 V時(shí)A-B截線上的應(yīng)力取平均值記為σ1和σ2，圖8所示為不同溫度條件下SnO2薄膜中應(yīng)力該變量σ1-σ2。驅(qū)動(dòng)電壓從0增加到250 V，對(duì)應(yīng)于微熱板溫度為250 ℃、350 ℃、450 ℃及550 ℃，SnO2薄膜中應(yīng)力分別減小了約1.8 MPa、2.42 MPa、2.37 MPa和2.34 MPa。而當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓不變，僅溫度發(fā)生改變時(shí)，例如驅(qū)動(dòng)電壓為0而對(duì)比溫度分別為250 ℃和350 ℃時(shí)的SnO2薄膜應(yīng)力，其應(yīng)力變化約11.6 MPa。可見，Vst小于250 V時(shí)，靜電力產(chǎn)生的SnO2薄膜應(yīng)力改變量相對(duì)于SnO2薄膜本身的熱應(yīng)力較小。可見，本文設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的靜電吸引力可在溫度不變的情況下對(duì)SnO2薄膜應(yīng)力進(jìn)行一定范圍的調(diào)整，并且不會(huì)改變?cè)镜膽?yīng)力分布特征。

(a)溫度350 ℃時(shí)3維應(yīng)力分布圖

(b)靜電驅(qū)動(dòng)電壓從0～250 V時(shí)，圖(a)中的A-B切線的應(yīng)力分布

(c)圖(b)方框中的局部應(yīng)力放大圖圖6 溫度350 ℃時(shí)應(yīng)力分布圖

若想進(jìn)一步提高SnO2薄膜應(yīng)力改變量，需要提高靜電梳齒執(zhí)行器的靜電力。式(1)為靜電梳齒執(zhí)行器水平方向靜電力Fex的計(jì)算公式[15]，由式(1)可知除了通過提高驅(qū)動(dòng)電壓來提高靜電力，還可適當(dāng)增加梳齒數(shù)目，增加梳齒厚度以及減小梳齒間距。

(1)

式中:N為梳齒數(shù)目；t為梳齒厚度；g為梳齒間距；ε0為真空介電常數(shù)。

(a)250℃時(shí)，P點(diǎn)應(yīng)力隨Vst變化

(b)350℃，P點(diǎn)應(yīng)力隨Vst變化

(c)450℃，P點(diǎn)應(yīng)力隨Vst變化

(d)550℃，P點(diǎn)應(yīng)力隨Vst變化

圖8 不同溫度下SnO2薄膜中A～B截面上的應(yīng)力改變量

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一種基于靜電梳齒執(zhí)行器的微熱板應(yīng)力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，并給出了器件加工工藝。仿真分析了加熱狀態(tài)下器件的熱膨脹形變，并且在靜電梳齒執(zhí)行器的作用下，微熱板的彎曲程度減?。环治隽思訜釥顟B(tài)下氣敏薄膜中的應(yīng)力分布，以及在靜電梳齒執(zhí)行器作用下SnO2薄膜中的應(yīng)力調(diào)節(jié)范圍。仿真結(jié)果顯示，SnO2薄膜中存在低應(yīng)力點(diǎn)和高應(yīng)力點(diǎn)，并且都隨著驅(qū)動(dòng)電壓的升高而減小，微熱板工作在250～550℃，驅(qū)動(dòng)電壓0～250 V時(shí)，靜電梳齒執(zhí)行器對(duì)SnO2薄膜應(yīng)力調(diào)節(jié)量可達(dá)到為2.4 MPa。如果需要獲得更大的應(yīng)力調(diào)節(jié)量，可適當(dāng)增加梳齒數(shù)目或厚度，減小梳齒間距。

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Design and Simulation of Stress Modulation System for SiliconMicrohotplate Gas Sensor

LIU Kai-qiang,YU Jun,TANG Zhen-an

(School of Electronic Science and Technology,Key Lab.of Liaoning for Integrated Circuits Technology,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China)

A system combined the microhotplate and the comb electrostatic actuator was proposed which can modulate the stress distribution in gas sensing film and maintain the same temperature at the same time.The deformation of the device,stress distribution in sensing film and the modulation range were simulated by FEA software (COMSOL Multiphysics).It is shown that the stress in sensing film decrease with the increasing of the drive voltage.The modulation of the stress in sensing film can be attained by the proposed structure,which can be used to study the influence of stress on the properties of gas sensing film.

electrostatic actuator;microhotplate;FEA;stress in film

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61274076,61201035);大連理工大學(xué)前沿探索與學(xué)科交叉科研專題(DUT14QY40)

2015-03-11 收修改稿日期：2015-08-31

TN303

A

1002-1841(2015)12-0004-04

劉凱強(qiáng)(1990—)，碩士研究生,研究方向?yàn)镸EMS傳感器。 E-mail:444688565@163.com

余雋(1977—)，副教授，博士，研究方向?yàn)槲鞲衅骷夹g(shù)。 E-mail:junyu@dlut.edu.cn