ANSYS有限元分析軟件在微結(jié)構(gòu)氣敏元件電極設(shè)計(jì)的問題研究*

劉 航 李 洋

(吉林建筑大學(xué)電氣與電子信息工程學(xué)院，長春 130118)

微結(jié)構(gòu)氣體傳感器以其體積小，功耗低，靈敏度高，易于批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，使其在食品安全、環(huán)境監(jiān)測、航空航天、軍事國防等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用.微結(jié)構(gòu)氣體傳感器的性能依靠于其敏感材料的活性，一般敏感材料的活性達(dá)到最佳的適宜溫度都在幾十?dāng)z氏度甚至上百攝氏度，正常的室溫?zé)o法滿足，因此需要設(shè)計(jì)加熱襯底對敏感材料進(jìn)行加熱.微熱板就是為了滿足敏感材料加熱而設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)微熱板和分析微熱板上的熱分布至關(guān)重要.ANSYS軟件是融合了結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場、熱分析于一體的通用的有限元分析軟件[1－3]，該分析軟件在做熱分析上具有強(qiáng)大的功能.本文在微結(jié)構(gòu)氣體傳感器的設(shè)計(jì)中，采用ANSYS有限元分析工具中熱分析方法，通過輸入不同的數(shù)據(jù)參數(shù)，對所設(shè)計(jì)微結(jié)構(gòu)氣體傳感器加熱電極的長度、寬度、厚度等進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)熱分析，并通過對彩色云圖的分析，曲線圖的對比得出結(jié)論，為微熱板電極的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù).

1 微熱板結(jié)構(gòu)

微結(jié)構(gòu)傳感器的微熱板由襯底、絕緣層、電極層(加熱電極和檢測電極)組成.目前，Si是一種最理想的襯底材料，選擇Si作為襯底，SiO2作為絕緣層.SiO2作為絕緣層，不僅起到了絕緣的作用，同時(shí)對Si襯底也起到了保護(hù)的作用.對于加熱器襯底材料的選擇，有的選用Al，有的選用Au作為加熱器[4].與上面提到的兩種材料相比較，Pt具有很高的熱熔率和導(dǎo)熱率，即使加熱到400℃以上時(shí)，仍然具有很好的穩(wěn)定性.用于酒精等氣體檢測的敏感材料SnO2和ln2O3最佳工作溫度300℃ ～500℃，因此選擇Pt作為電極.

2 應(yīng)用ANSYS有限元軟件建模和熱分析

2.1 ANSYS 建模方法

本文應(yīng)用ANSYS有限元工具分析在微熱板結(jié)構(gòu)不變條件下，電極采用不同的長度、寬度、厚度，分析微熱板上的溫度分布.為了使加熱電極的熱生成情況的溫度分布更加均勻有效，施加的加熱負(fù)載采用設(shè)定熱生成率和電極表面固定溫度兩種相結(jié)合的方法.具體過程如下:根據(jù)ANSYS的穩(wěn)態(tài)熱分析的功能，設(shè)置分析類型(Preferences＞Thermal)，把器件各組成部分的材料參數(shù)進(jìn)行設(shè)置(Preprocessor＞Material Props＞MaterislM-odels＞Thermal＞Conductivity/Specific Heat/Density)，如表1所示材料的物理參數(shù)，從而確定各部分組成元件的功能[5]，定義相應(yīng)的單元類型(Preprocessor＞Element Type＞Add/Adit＞Delet＞Add(solid－Brick 8node 70))，利用Ansys中的PREP7處理器，采用solid 70操作(Preprocessor＞Modeling＞Create＞Volumes＞Block＞By Dimensions)建模.運(yùn)用布爾運(yùn)算中的GLUE(Preprocessor＞Modeling＞Operate＞Booleans＞Glue＞Volumes)命令，把各個(gè)體之間的公共面進(jìn)行粘貼，使其成為一體，確保熱量在各個(gè)體之間正常傳遞.在劃分網(wǎng)格時(shí)，使用Meshing命令(Preprocessor＞Meshing＞MeshTool)，將圖形器件依次進(jìn)行劃分.在進(jìn)入SOLUTION處理器后，開始對器件施加載荷(Preprocessor＞Loads＞Define＞Loads＞Apply＞Thermal＞Temperature/Convection/Heat Generat)，進(jìn)行熱分析.

表1 有限元模擬和分析所采用的各種材料的物理參數(shù)

2.2 應(yīng)用ANSYS有限元工具對Pt條長度的仿真

以Si為襯底，SiO2為絕緣層，在其上建立 Pt條寬度為0.05mm，厚度為0.0003mm，長度由0.15mm到2mm之間取不同數(shù)值的電極層，分別仿真器件的穩(wěn)態(tài)溫度分布.各個(gè)體之間的接觸面用GLUE命令粘接，以使溫度可以在加熱電極和底層各材料間正常傳導(dǎo)，電極外表面673K，熱生成率為6E+11W/m3，空氣對流系數(shù)為20W/m2·℃，空氣溫度為297℃(正常情況下室溫20℃).

由有限元云圖顯示，隨著電極條長度的增加，溫度分布逐漸均勻，溫度場面積變大，溫差逐漸減小.由圖1所示的不同Pt條長度與溫差的對比曲線圖可見，隨著Pt電極條長度的增大，溫差變小，作為加熱電極產(chǎn)生的熱量分布越均勻.

圖1 不同Pt條長度與溫差的對比曲線

圖2 不同Pt條寬度與溫差的對比曲線

2.3 應(yīng)用ANSYS的Pt電極條寬度的仿真

在材料、大小、形狀均不變的情況下，建立Si襯底和SiO2絕緣層，同樣采用在SiO2絕緣層上面建立Pt電極層，利用ANSYS熱分析工具進(jìn)一步分析了當(dāng)Pt電極長度一定，寬度改變時(shí)的熱分布.即選擇Pt長度為1.7mm，厚度0.0003mm，寬度從0.03mm～0.1mm中取不同值，建立模型仿真.施加載荷:電極外表面673K，熱生成率為6E+11W/m3，空氣對流系數(shù)為20W/m2·℃，空氣溫度為297℃(正常情況下室溫20℃).由圖2所示不同Pt條寬度與溫差的對比曲線圖可見，隨著電極寬度的增加，溫度場的高溫面積向外擴(kuò)散，溫差也發(fā)生變化，在寬度為0.1mm時(shí)，溫差減小的幅度開始變得緩和，溫差最小為0.697K，溫度分布較均勻.

2.4 應(yīng)用ANSYS的Pt電極條厚度的仿真

在襯底層和絕緣層的材料、尺寸不變的情況下，建立Pt電極，長度為1.7mm，寬度為0.1mm，對Pt電極的厚度值分別取0.00015mm～0.0008mm，依次建立模型，分析在電極條厚度變化時(shí)對溫度分布的影響.施加載荷:電極外表面673K，熱生成率為6E+11W/m3，空氣對流系數(shù)為20W/m2·℃，空氣溫度為297℃(正常情況下室溫20℃).圖3所示為不同Pt條寬度與溫差的對比曲線圖可見，電極的厚度對溫度場的分布影響很小，溫差基本不變，電極厚度對熱分布無影響.

圖3 為不同Pt條寬度與溫差的對比曲線

2.5 結(jié)果分析

根據(jù)仿真得到的云圖，以及溫度變化曲線圖可知，隨著加熱電極的長度增大，寬度的增加，溫度分布云圖顯示逐漸變得分層均勻，溫差也逐漸變小，由于加熱電極都分布在襯底邊緣，因此高溫部分都集中在襯底一側(cè)的邊緣區(qū)域，溫度向遠(yuǎn)離一側(cè)逐漸降低.由于Pt電極厚度仿真變化范圍很小，對溫度分布云圖幾乎無影響.

3 結(jié)果優(yōu)化

為了使溫度云圖分布更均勻，高溫部分溫度面積變大，故可通過改變建立Pt電極的位置，進(jìn)而改變云圖的溫度分布情況和高溫區(qū)域的分布位置.襯底結(jié)構(gòu)和尺寸大小不變，在其上建立電極，電極長度、寬度、厚度分別取 1.7mm，0.1mm 和 0.0003mm，電極的位置坐標(biāo)為:(x1，y1，z1)[(0.00005，0.00175)(0，0.0001)(0.0003003，0.0003006)]，(x2，y2，z2)[(0.00015，0.00185)(0.00015，0.00025)(0.0003003，0.0003006)]，施加的負(fù)載參數(shù)均不改變.

通過改變Pt加熱電極的排布位置.由溫度云圖顯示，隨著加熱電極逐漸向襯底中間位置靠近，云圖溫度帶的分布由原來的塊兒狀區(qū)域分布，變?yōu)閹顓^(qū)域分布，且高溫區(qū)域面積變大，溫度分布逐漸均勻.距離加熱電極較遠(yuǎn)的一邊的溫度最低，接近于室溫.因此，此次優(yōu)化是合理的.

4 結(jié)論

本文應(yīng)用ANSYS有限元工具，通過對微結(jié)構(gòu)氣體傳感器Pt電極長度、寬度、厚度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的模擬分析.對微結(jié)構(gòu)氣敏元件進(jìn)行了優(yōu)化，在不改變設(shè)計(jì)器件材料、尺寸和結(jié)構(gòu)的前提下，通過改變Pt電極的位置，使溫度分布均勻，呈現(xiàn)明顯的溫度分布層.以上研究成果可以為開展微熱板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論支持.

[1]胡仁喜，徐東升，李亞東.ANSYS 13.0機(jī)械與結(jié)構(gòu)有限元分析從入門到精通[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011:337－377.

[2]李春明.微結(jié)構(gòu)氣體傳感器的設(shè)計(jì)、模擬、制作及溫度測量[D].長春:吉林大學(xué)，2005.

[3]韓 郁.新型微結(jié)構(gòu)氣體傳感器設(shè)計(jì)分析及乙醇?xì)饷粼难芯縖D].長春:吉林大學(xué)，2012.

[4]YAN Guizhen，TANG zhenpan，PHILIP CHC，et al.An experiment alstudy on high － temperature metallization for micro－h(huán)otplat e－based integratedgas sensor[J].Sensors and Actuators，2002，B(86):1 －11.

[5]劉 麗.硅基微結(jié)構(gòu)氣體傳感器的研制[D].長春:吉林大學(xué)，2008.