MOS型氣體傳感器加熱板的結構優(yōu)化

武 一，苑麗靜，花中秋，邱志磊

(河北工業(yè)大學電子信息工程學院，天津 300401)

0 引言

半導體金屬氧化物(MOS)氣體傳感器占據了氣體傳感器很大的市場。其中，MEMS級別的微懸梁結構的傳感器具有尺寸小、功耗低、響應快、易集成等優(yōu)點，但受其面積影響靈敏度相對較低、價格較高、加工難度較大。常見熱板結構的傳感器靈敏度高，測試范圍廣，結構簡單，價格低廉，但功耗較高，所以降低功耗顯得尤為重要。敏感材料的活性需要在200 ℃以上才能發(fā)揮作用，甲烷氣體的檢測更是需要達到500 ℃[1]，所以MOS型氣體傳感器需工作在均勻高溫下，這樣，高溫穩(wěn)定性極好的陶瓷成為高溫氣體傳感器的首選材料。加熱板是氣體傳感器中重要的一部分[2-3]，好的加熱板能在相對較低的功耗下提供均勻高溫，這有利于提高傳感器的選擇性、靈敏度[4]和反應速率[5]。

由于簡單方便、材料耗費少、成本低、實驗時間短等優(yōu)勢，有限元分析軟件，如COMSOL、ANSYS、MSC、ABAQUS等已經廣泛應用于加熱板的熱分析和熱設計。薛嚴冰等用ANSYS對具有不同結構參數器件的熱特性進行模擬，得到結構參數與器件熱特性間的關系[6]；C.Tao[5]和 F.K.H.Fung[7]用ANSYS對微熱板的溫度分布進行模擬分析，以此來設計優(yōu)化傳感器結構，提高溫度均勻性。之前報道過的加熱板熱分析和熱設計大部分都只停留在模擬階段[8-10]，所以對加熱板的表面溫度進行測量、驗證模擬結果是很有必要的。本文加熱板采用傳統(tǒng)絲網印刷[11]的方式在氧化鋁陶瓷上制作電極，感應電極采用叉指電極，加熱電極采用常見的折線型。為給加熱板提供均勻高溫，對加熱電極線寬和間距進行優(yōu)化，用有限元仿真軟件COMSOL對溫度進行模擬，用紅外熱像儀測試加熱板的溫度分布和絕對溫度值。提出在加熱電極一側添加包覆膜來降低功耗，并對其進行模擬分析和實驗測試，得到的實驗結果和模擬結果高度吻合，能達到預期結果。制備不同敏感材料，將其印刷在有包覆膜和無包覆膜的加熱板上，在不同溫度下對傳感器的響應時間進行測試，結果表明，添加包覆膜可以提高傳感器響應速率，這對提高傳感器性能有積極意義。

1 加熱板設計與仿真

1.1 加熱板設計與加熱電極優(yōu)化

目前，加熱板基板常用的材料有Al2O3、AlN、SiC、SnO2等。本文選用價格便宜、生產工藝相對簡單的Al2O3作加熱板基板材料，尺寸為4 mm×4 mm×0.25 mm，加熱板結構如圖1所示。選用導電性好，高溫下化學性質穩(wěn)定的金作感應電極材料且采用叉指電極圖案。鉑作為加熱電極具有熱導率高、電導率高、高溫下熱穩(wěn)定性好等優(yōu)勢。為降低加熱板功耗，提高溫度均勻性，對加熱電極的線寬和間距進行優(yōu)化。先保持線寬150 μm不變，將電極間距分別設置成300、150、120 μm；再保持電極間距150 μm不變，將線寬分別設置為200、150、120 μm。電極厚度為15 μm。

(a)加熱板結構

(b)感應電極

(c)加熱電極

(d)傳感器

1.2 加熱板的熱仿真分析

研究加熱板熱特性主要是為了降低功耗，提供更好的熱均勻性。給加熱板施加電壓后產生的焦耳熱一部分用來給加熱板提供熱量，另一部分以熱傳導、熱對流、熱輻射的方式耗散到周圍環(huán)境中，加熱板的熱損耗情況如圖2所示，理論方程簡化如下：

Q=Qcond+Qcovn+Qrad

(1)

式中：Q為總熱損耗；Qcond為熱傳導損耗；Qcovn為熱對流損耗；Qrad為熱輻射損耗。

圖2 加熱板的熱損耗示意圖

有限元分析軟件COMSOL集合了傳熱、電化學、光學、結構力學和流體流動等多個物理場，我們選用熱電耦合場進行3D建模并對其進行穩(wěn)態(tài)熱分析。為簡化模型，仿真時忽略鍵合線只考慮加熱板，模型中用到的材料參數見表1。在加熱電極上施加500 mW恒定功率，環(huán)境溫度設置為293.15 K，需要注意的是電阻率要設置成線性電阻率，電阻溫度系數為0.0019/K(測量實驗會在后面提到)。實驗中加熱板有效區(qū)溫度一般不會超過693 K，當加熱板中心溫度達到700 K時，根據斯特藩-玻爾茲曼定律可估算出加熱區(qū)表面的輻射功耗為0.104 mW，可忽略。空氣自然對流換熱系數為25 W/(m2·K)。

表1 材料參數

圖3展示了加熱電極不同的加熱板的溫度分布模擬結果。其他條件相同時，隨著加熱電極線寬和間距減小(即加熱電極彎曲次數增加)，高溫區(qū)面積擴大，溫度升高，但當加熱電極太密集時，加熱板的中心會產生熱點，實驗中很可能會因加熱板中心溫度過高而被燒毀。

2 加熱板的制作與測試

2.1 加熱板的制作

在氧化鋁陶瓷片的一側通過絲網印刷的方式刷一層Pt電極，在干燥箱內干燥10 min，然后將其放在箱式電阻爐內900 ℃高溫下燒結。從爐內取出后在陶瓷片另一側同樣用絲網印刷的方式刷一層金電極，干燥箱內干燥10 min，然后將其放入箱式電阻爐內850 ℃高溫下燒結。爐內取出后在各個電極引腳用金漿粘上鉑線，放入箱式電阻爐中850 ℃燒結。最后，將燒結后的加熱板通過鉑線與底座相連接，實物如圖1(b)-圖1(d)所示。

2.2 電阻溫度系數測試

大多數材料的電阻率都隨溫度的變化而變化，Pt電阻的熱敏特性可描述為

(a)線寬150 μm,間距300 μm

(b)線寬150 μm,間距150 μm

(c)線寬150 μm,間距120 μm

(d)線寬200 μm，間距150 μm

(e)線寬150 μm，間距150 μm

(f)線寬120 μm，間距150 μm

R=R0[1+α(T-T0)]

(2)

式中：α為電阻溫度系數；R為溫度為T時的電阻；R0為溫度為T0時的電阻。

用穩(wěn)壓源(提供熱源)和紅外熱像儀(查看溫度)測試不同設定溫度下的電阻，對得到的溫度和電阻值進行擬合，即可得到加熱板的熱特性函數。實驗中對6個阻值不同的加熱板進行測試。在測量范圍內，電阻隨溫度的升高而線性變化，對多組電阻溫度系數取平均值為0.001 9/K。

2.3 溫度測試與分析

用紅外熱像儀(optris PI200,上海儀途電子科技有限公司)對制作好的加熱電極不同的加熱板進行溫度測試，測試結果如圖4所示。隨著加熱電極彎曲次數增加，得到特定溫度所需要的功耗減小。即便如此，加熱電極的線寬和間距卻不能太小，因為實驗中發(fā)現，線寬150 μm，間距120 μm和線寬120 μm，間距150 μm的兩種加熱板在最大溫度達到450 ℃以上時極易燒毀，這和它們在仿真中出現中心熱點是吻合的。綜合考慮，當加熱板尺寸為4 mm×4 mm時，加熱電極的最佳線寬和間距均為150 μm。

(a)最大溫度

(b)平均溫度圖4 加熱電極對功耗的影響

3 添加包覆膜

3.1 包覆膜材料對加熱板的影響

根據實驗室情況，為進一步減小功耗，我們用上述方法對3 mm×3 mm×0.25 mm加熱板的加熱電極線寬和間距做了優(yōu)化，選用效果最理想的線寬120 μm，間距150 μm的加熱電極進行下面的模擬及測試。在加熱板的整個傳熱過程中，熱傳導[7]占據著主導地位，但由于加熱板的面積相對較大，溫度較高，由熱對流產生的熱損耗在總熱損耗中占了相當大的一部分，這也是尺寸很小的MEMS氣體傳感器功耗很小[12]的原因之一。為減少對流產生的熱損耗，提出在加熱電極一側添加一層熱絕緣、電絕緣的包覆膜。選擇熱導率較低的Al2O3、SiO2、Si3N4作為包覆膜材料，膜厚設為11 μm，模擬用到的材料參數如表1所示，模擬過程中施加550 mW功率，模擬結果如圖5所示。同一功耗下，添加包覆膜后加熱板溫度升高，其中添加SiO2包覆膜的加熱板的最大溫度是最高的，比沒加包覆膜的加熱板的最大溫度高33 ℃。另外，添加包覆膜后中心高溫區(qū)的面積明顯比不加包覆膜的高溫區(qū)面積大，可見添加包覆膜后加熱板的溫度均勻性更好。

(a)無包覆膜

(b)Al2O3包覆膜

(c)Si3N4包覆膜

(d)SiO2包覆膜

實驗中，通過絲網印刷在加熱電極一側添加不同材料的包覆膜，后用紅外熱像儀對加熱板進行溫度測試。測試結果與模擬結果是一致的，但模擬結果要比測試結果溫度偏高，主要是因為仿真中忽略了鍵合線和輻射散熱，仿真中材料參數與實際有一定誤差。

圖6為不同加熱板的最大溫度和平均溫度在不同值時消耗的功率。當加熱板的最大溫度和平均溫度達到特定值時，添加包覆膜后加熱板功耗減少。加熱板的最大溫度為400 ℃時，沒有包覆膜的加熱板功耗為697 mW，比添加SiO2包覆膜的加熱板高52 mW。圖6(b)所示的平均溫度中，這種降低功耗變得更加明顯。所以，在加熱電極一側添加包覆膜可降低加熱板功耗，提高溫度均勻性，其中SiO2包覆膜的效果最好。

3.2 包覆膜厚度對加熱板的影響

添加SiO2包覆膜的加熱板功耗最小，溫度均勻性最好，且SiO2粘合度很好，不易脫落，所以選擇SiO2作為包覆膜材料對添加不同厚度包覆膜的加熱板進行模擬和測試。通過絲網印刷多次印刷的方式在加熱電極一側添加不同厚度的SiO2包覆膜，然后用掃描電子顯微鏡(SEM)對燒結后的包覆膜厚度進行測試，不同厚度包覆膜的SEM測試結果如圖7所示。

(a)最大溫度

(b)平均溫度圖6 包覆膜材料對功耗的影響

模擬過程中施加550 mW的功耗，包覆膜厚度分別為27、50、56 μm，添加不同厚度SiO2包覆膜的加熱板的溫度模擬結果如圖8所示。隨著包覆膜厚度的增加，加熱板溫度下降，中心高溫區(qū)面積減小。

圖9為添加不同厚度包覆膜的加熱板的最高溫度和平均溫度在不同值時消耗的功率。當加熱板的最大溫度和平均溫度加熱到特定值時，隨著包覆膜厚度的增加，加熱板消耗的功耗增加。當加熱板的最大溫度為400 ℃時，包覆膜厚度分別為27、50、56 μm的加熱板功耗分別為665、694、699 mW。平均溫度在400 ℃時，包覆膜厚度分別為27、50、56 μm的加熱板功耗分別為704、737、751 mW。綜上，包覆膜厚度對加熱板功耗影響很大,膜越薄加熱板功耗越小。

(a)27 μm

(b)50 μm

(c)56 μm

(a)27 μm

(b)50 μm

(c)56 μm

(a)最大溫度

(b)平均溫度

3.3 包覆膜對氣體傳感器響應速率的影響

制作WO3[13]，PdO-WO3[14]和SnO2敏感材料，將制作的漿體材料用絲網印刷的方式分別印刷在有SiO2包覆膜和沒有包覆膜的加熱板金電極一側(敏感層面積：1.05 mm×2 mm)，放入箱式電阻爐中500 ℃燒結2 h，后將該元件通過鉑線與底座連接。采用動態(tài)傳感器氣敏測試系統(tǒng)測試氣敏性能，通過MFC(mass flow controller)和計算機軟件控制氣體流量，氣體總流速為100 mL/min。傳感器電源由數字直流穩(wěn)壓電源提供，響應輸出信號通過分壓電路轉化為電壓量，由高精度數據采集卡進行實時采集記錄。響應時間被定義為傳感器在測試氣體存在時達到其電阻穩(wěn)定值的90%所需的時間[15]，不同傳感器在不同溫度下的響應時間如圖10所示。添加包覆膜后，由同種敏感材料制成的傳感器的響應速率明顯提高。在傳感器最佳響應溫度下，添加包覆膜可將響應時間縮短約3 s。響應時間的縮短主要是由于涂覆SiO2膜的加熱板的溫度分布更均勻。

圖10 不同溫度下傳感器的響應時間

4 結論

MOS型氣體傳感器需工作在均勻高溫下來提高它的靈敏度和響應速率。為提高溫度均勻性，降低功耗，對常見的折線形加熱電極的線寬和間距做了優(yōu)化，先用有限元分析軟件COMSOL對其進行模擬分析，再用紅外熱像儀對加熱板表面溫度進行測試，得到4 mm×4 mm加熱板的加熱電極的最佳線寬和間距均為150 μm。為進一步提高加熱板的熱性能，在加熱電極一側分別添加Al2O3、SiO2、Si3N4包覆膜，模擬分析后用紅外熱像儀對加熱板的溫度分布進行測試，發(fā)現添加包覆膜(越薄越好)后加熱板的功耗降低，溫度均勻性提高，其中添加SiO2包覆膜的效果最好。最后，制作不同敏感材料的傳感器，在不同溫度下進行響應時間測試，結果表明，在相應材料的最佳響應溫度下，具有包覆膜的傳感器的響應時間比沒有包覆膜的傳感器的響應時間短約3 s。