共面式MEMS氣體傳感器微熱板設(shè)計(jì)與仿真

周曉斌 王玫 王旭丹

摘 要：【目的】常見(jiàn)膜式結(jié)構(gòu)和懸浮式結(jié)構(gòu)的MEMS氣體傳感器在垂直方向上存在寄生電場(chǎng)，會(huì)對(duì)氣體傳感器的檢測(cè)信號(hào)造成一定影響。為了降低寄生電場(chǎng)對(duì)氣體傳感器性能的影響，提出了一種共面結(jié)構(gòu)的MEMS氣體傳感器，并對(duì)其微熱板進(jìn)行了建模仿真及優(yōu)化?！痉椒ā坷肧olidWorks對(duì)共面式MEMS氣體傳感器進(jìn)行建模，并通過(guò)有限元分析方法從熱穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性等方面對(duì)微熱板進(jìn)行了仿真。【結(jié)果】仿真結(jié)果表明：共面結(jié)構(gòu)的微熱板可以在整個(gè)氣體傳感器的測(cè)量區(qū)域內(nèi)提供穩(wěn)定、均勻的熱分布，并且可以避免高溫工作時(shí)微熱板加熱電極和氣體傳感器測(cè)量電極之間相互連通，為MEMS氣體傳感器提供優(yōu)異的測(cè)量環(huán)境?！窘Y(jié)論】共面式MEMS氣體傳感器不僅可以有效降低垂直方向上的寄生電場(chǎng)對(duì)傳感器性能的影響，而且可以簡(jiǎn)化氣體傳感器的工藝流程。仿真結(jié)果也證明了共面結(jié)構(gòu)的可行性，為實(shí)際MEMS氣體傳感器的設(shè)計(jì)和制備提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：共面結(jié)構(gòu)；MEMS；氣體傳感器；微熱板；有限元仿真

中圖分類號(hào)：TN303???? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A???? 文章編號(hào)：1003-5168（2024）08-0018-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.08.004

Design and Simulation of Micro heater for Coplanar MEMS Gas Sensors

ZHOU Xiaobin1 WANG Mei2 WANG Xudan3

（1.Zhengzhou University of Light Industry College of Software Engineering，Zhengzhou 450002， China;

2.Zhengzhou University of Light Industry School of Electronics and Information，Zhengzhou 450002， China;

3.Zhengzhou University of Light Industry School of Computer Science and Technology，Zhengzhou 450002， China）

Abstract： [Purposes] Traditional MEMS gas sensors with membrane and suspension structures have parasitic electric fields in the vertical direction， which can affect the detection of the gas sensors. In order to reduce the impact of parasitic electric fields on the performance of gas sensors， a MEMS gas sensor with coplanar structure was proposed， and the micro heater of the gas sensor with coplanar structure was modeled， simulated， and optimized. [Methods] SolidWorks was used to model the MEMS gas sensor with coplanar structure， and finite element analysis （FEA） was used to simulate the micro heater from the aspects of thermal stability， mechanical stability， etc. [Findings] The finite element simulation results show that the micro heater of the gas sensor with coplanar structure can provide a stable and uniform heat distribution throughout the measurement area of the gas sensor， and can avoid interconnection between the heating electrodes of the micro heater and the measurement electrodes of the gas sensor during high-temperature operation， providing an excellent detection environment for MEMS gas sensors. [Conclusions] MEMS gas sensors with coplanar structure can effectively reduce the impact of parasitic electric fields in the vertical direction on the performance of gas sensors and simplify the technique processes of MEMS gas sensors. The simulation results also demonstrate the feasibility of coplanar structures， providing a basis for the design and preparation of actual MEMS gas sensors.

Keywords： Coplanar structure; MEMS; gas sensors; micro heater; finite element analysis （FEA）

0 引言

氣體傳感器是一種可以將特定環(huán)境中氣體的成分、濃度、體積分?jǐn)?shù)等信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的轉(zhuǎn)換元件，在現(xiàn)代工業(yè)及居民生活的很多領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，如環(huán)境保護(hù)、工業(yè)生產(chǎn)、公共安全、個(gè)人健康監(jiān)測(cè)等。根據(jù)工作原理的不同，氣體傳感器分為很多種類，其中金屬氧化物半導(dǎo)體（Metal oxide semiconductor，MOS）氣體傳感器以其靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)成為研究的熱點(diǎn)［1-2］。當(dāng)MOS氣體傳感器置于目標(biāo)氣體氤氳時(shí)，目標(biāo)氣體會(huì)在敏感材料表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)，從而使MOS氣體傳感器的電阻阻值發(fā)生改變，通過(guò)阻值的變化量可以反映出目標(biāo)氣體的濃度。SnO2、ZnO、In2O3等半導(dǎo)體氧化物材料都是常見(jiàn)的MOS氣體傳感器中的敏感材料。由于這些半導(dǎo)體氧化物材料的性質(zhì)受溫度影響較大，且對(duì)目標(biāo)氣體的最佳響應(yīng)溫度通常在200～500 ℃之間，因此在MOS氣體傳感器工作時(shí)通常需要增加額外的加熱元件來(lái)提高敏感材料來(lái)對(duì)待測(cè)氣體的響應(yīng)［3-4］。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，氣體傳感器作為信息采集的終端，也在向微型化、集成化、智能化方向發(fā)展。微機(jī)電系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical System，MEMS）為氣體傳感器的微型化和集成化提供了可能，因此近年來(lái)基于MEMS技術(shù)的氣體傳感器得到了快速發(fā)展。MEMS氣體傳感器是將氣體傳感器的測(cè)量電極和加熱元件——微熱板集成在同一片硅片上［5-6］，當(dāng)氣體傳感器工作時(shí)，通過(guò)在微熱板上施加固定的電壓，利用電流帶來(lái)的熱效應(yīng)使得微熱板的溫度升高，熱量通過(guò)隔離層傳遞到上方的氣敏材料，從而保證氣體傳感器能夠工作在合適的溫度狀態(tài)［7-8］。

膜式結(jié)構(gòu)、懸浮式結(jié)構(gòu)、穿孔膜結(jié)構(gòu)是MEMS氣體傳感器的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)［9］。膜式結(jié)構(gòu)中，微熱板中間的加熱平臺(tái)與隔離層作為整體和襯底相連，機(jī)械穩(wěn)定性較好，但由于襯底材料硅的熱導(dǎo)率較高，從而導(dǎo)致其熱損失較大，功耗較高［10-11］。懸浮式結(jié)構(gòu)利用幾個(gè)懸臂梁作為微熱板的機(jī)械支撐及加熱平臺(tái)與隔離層的鏈接，微熱板邊緣通過(guò)背硅工藝進(jìn)行腐蝕鏤空處理，利用空氣的絕熱效應(yīng)，使微熱板的熱量集中在有源區(qū)，從而提高微熱板的熱響應(yīng)，降低器件的功耗，但其機(jī)械穩(wěn)定性較差［12-14］。穿孔膜結(jié)構(gòu)結(jié)合了膜式結(jié)構(gòu)和懸浮式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)正面蝕刻犧牲層形成封閉膜結(jié)構(gòu)，可以在較低的功耗下獲得比懸浮式結(jié)構(gòu)更優(yōu)異的機(jī)械性能，在低功耗集成式系統(tǒng)中取得了廣泛的應(yīng)用［15］。傳統(tǒng)的膜式結(jié)構(gòu)、懸浮式結(jié)構(gòu)、穿孔膜結(jié)構(gòu)在層與層之間都是沿著垂直方向排列，自下而上依次由襯底、支撐層、微熱板、絕緣層、氣體傳感器測(cè)量電極組成。這種垂直結(jié)構(gòu)的MEMS氣體傳感器由于微熱板和測(cè)量電極位于不同的層面，垂直方向上會(huì)產(chǎn)生寄生電場(chǎng)［16］，對(duì)氣體傳感器的檢測(cè)信號(hào)造成一定的干擾，降低氣體傳感器的性能。并且，垂直結(jié)構(gòu)的MEMS氣體傳感器在加工時(shí)，需要通過(guò)多次的光刻、濺射、Lift-off工藝分別制備MEMS氣體傳感器的測(cè)量電極和微熱板，使得其工藝流程相對(duì)復(fù)雜，不利于降低器件的生產(chǎn)成本及提高批量產(chǎn)品加工的成品率。

為了避免垂直方向上的寄生電場(chǎng)對(duì)氣體傳感器性能的影響，優(yōu)化MEMS氣體傳感器的工藝流程，降低制造成本，本研究提出了一種共面結(jié)構(gòu)的MEMS氣體傳感器，將氣體傳感器測(cè)量電極與微熱板設(shè)計(jì)在同一平面上，并利用絕緣層對(duì)微熱板加熱電極及氣體傳感器測(cè)量電極進(jìn)行隔離。共面式MEMS氣體傳感器可以有效降低垂直方向的寄生電場(chǎng)對(duì)傳感器性能的影響，并簡(jiǎn)化氣體傳感器的工藝流程。利用有限元仿真軟件對(duì)共面式MEMS氣體傳感器微熱板從熱穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性等方面進(jìn)行了仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以為MEMS氣體傳感器的設(shè)計(jì)提供依據(jù)和參考。

1 共面式MEMS氣體傳感器結(jié)構(gòu)

共面式MEMS氣體傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，自下而上依次為襯底、支撐層及由微熱板、測(cè)量電極、絕緣層組成的共面層。襯底對(duì)氣體傳感器起到支撐的作用，要求材料的機(jī)械穩(wěn)定性好，在MEMS微加工工藝中，襯底材料通常為硅。支撐層用于增強(qiáng)傳感器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及減小微熱板熱量向襯底的傳導(dǎo)，因此材料的選擇要兼具穩(wěn)定的機(jī)械性能和優(yōu)異的絕熱性能。在實(shí)際的MEMS微加工工藝中為了平衡內(nèi)應(yīng)力，支撐層通常采用氧化硅和氮化硅的復(fù)合膜結(jié)構(gòu)。微熱板和氣體傳感器測(cè)量電極被制作在同一層上，中間利用氮化硅絕緣層進(jìn)行隔離，防止發(fā)生短路。共面層電極結(jié)構(gòu)如圖2所示（圖中1和4為微熱板加熱電極的pad，2和3為氣體傳感器測(cè)量電極的pad）。氣體傳感器測(cè)量電極和微熱板加熱電極的材料均要具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和穩(wěn)定的化學(xué)性，因此常見(jiàn)的惰性金屬材料鉑、金等通常被用作電極材料。

共面式MEMS氣體傳感器只需要一次的光刻、濺射、Lift-off工藝就可以同時(shí)形成氣體傳感器的測(cè)量電極和微熱板加熱電極，而傳統(tǒng)的垂直結(jié)構(gòu)則需要兩次的光刻、濺射、Lift-off工藝來(lái)分別形成氣體傳感器的測(cè)量電極和微熱板加熱電極。共面式結(jié)構(gòu)能夠簡(jiǎn)化MEMS氣體傳感器的工藝流程，從而降低器件生產(chǎn)的成本，提高加工產(chǎn)品的成品率。

2 微熱板建模及仿真

2.1 微熱板建模

通過(guò)SolidWorks對(duì)共面式MEMS氣體傳感器進(jìn)行建模，建模使用的材料及參數(shù)依照實(shí)際MEMS氣體傳感器的材料及參數(shù)確定。對(duì)于氣體傳感器測(cè)試電極和微熱板加熱電極，本研究中均選用鉑，材料具體參數(shù)見(jiàn)表1。模型中襯底尺寸為1.5 mm×1.5 mm×0.4 mm，氧化硅和氮化硅層的厚度分別為300 nm和200 nm，氣體傳感器有源區(qū)的面積為0.3 mm×0.3 mm，氣體傳感器測(cè)量電極的寬度為0.03 mm，微熱板加熱電極的寬度是0.02 mm，間距為2.5 μm。

鉑的電阻率隨著溫度變化呈現(xiàn)線性關(guān)系，當(dāng)微熱板工作時(shí)，在加熱電極上施加一定的電壓，使微熱板升溫，從而對(duì)同一平面上的氣體傳感器測(cè)量電極進(jìn)行加熱，使氣體傳感器能夠保持在合適的工作溫度，獲得優(yōu)良的靈敏度。這個(gè)過(guò)程中，微熱板加熱電極所產(chǎn)生的熱量不可避免地會(huì)有一定損失，這不僅會(huì)影響氣體傳感器測(cè)量電極熱分布的均勻性，也會(huì)使微熱板的功耗增加，對(duì)于設(shè)計(jì)低功耗的氣體傳感器不利。因此本研究利用有限元分析軟件COMSOL仿真了共面式MEMS氣體傳感器微熱板的熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性，優(yōu)化了共面式MEMS氣體傳感器微熱板的設(shè)計(jì)。微熱板的熱損失機(jī)制主要有熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射。在氣體傳感器的工作溫度范圍內(nèi)，熱輻射帶來(lái)的損失較小，主要的熱損失機(jī)制是熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流，因此本研究在仿真過(guò)程中也忽略熱輻射所帶來(lái)的熱損失。

2.2 熱分布仿真

熱分布是影響MEMS氣體傳感器性能的重要因素。本研究使用COMSOL Multiphysics軟件對(duì)共面式MEMS氣體傳感器進(jìn)行了熱分析。仿真溫度設(shè)置為氣體傳感器的常用工作溫度400 ℃，仿真結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，在微熱板和MEMS氣體傳感器測(cè)試電極的整個(gè)有源區(qū)內(nèi)溫度分布較為均勻，基本都在400 ℃左右；只在加熱平臺(tái)與懸臂梁結(jié)構(gòu)的連接處溫度有所下降，在350 ℃左右。而在有源區(qū)外部，由于空氣的絕熱作用，微熱板熱量不易傳導(dǎo)過(guò)去，因此溫度較低，使得共面式MEMS氣體傳感器微熱板的功耗較低。根據(jù)仿真結(jié)果，共面結(jié)構(gòu)的微熱板功耗僅為5.01 mW。熱分布結(jié)果表明，共面結(jié)構(gòu)的微熱板可以在較低的功耗下，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)同一平面上氣體傳感器溫度的有效控制，進(jìn)而提高氣體傳感器的性能。

2.3 熱應(yīng)力仿真

對(duì)于懸臂梁式的支撐結(jié)構(gòu)而言，機(jī)械穩(wěn)定性是影響氣體傳感器穩(wěn)定性和壽命的重要因素。在氣體傳感器工作時(shí)，微熱板加熱所產(chǎn)生的高溫會(huì)導(dǎo)致有源區(qū)產(chǎn)生熱應(yīng)力和形變，當(dāng)熱應(yīng)力和形變過(guò)大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致懸臂梁結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂，致使氣體傳感器失效。本研究對(duì)共面式MEMS氣體傳感器的共面層在400 ℃的工作溫度下進(jìn)行了von Mises應(yīng)力分析，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，共面式MEMS氣體傳感器共面層的最大熱應(yīng)力為4.3×109 N/m2，通常出現(xiàn)在微熱板加熱電極與懸臂梁結(jié)構(gòu)的連接處。這個(gè)結(jié)果說(shuō)明微熱板加熱電極與懸臂梁結(jié)構(gòu)的連接處是共面式MEMS氣體傳感器機(jī)械穩(wěn)定性最差、最易發(fā)生斷裂的地方。在實(shí)際傳感器的設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該采取一定的措施對(duì)這個(gè)部位進(jìn)行保護(hù)，以便保證MEMS氣體傳感器的機(jī)械穩(wěn)定性。

2.4 熱位移仿真

在垂直結(jié)構(gòu)的MEMS氣體傳感器中，微熱板加熱電極與MEMS氣體傳感器測(cè)量電極之間存在絕緣層，不容易出現(xiàn)短路現(xiàn)象。而在共面式MEMS氣體傳感器結(jié)構(gòu)中，由于微熱板加熱電極和MEMS氣體傳感器測(cè)量電極在同一平面，當(dāng)氣體傳感器工作時(shí)，電極材料存在熱膨脹，導(dǎo)致氣體傳感器測(cè)量電極和微熱板加熱電極之間可能產(chǎn)生相應(yīng)的熱位移，從而使得電極短路，破壞共面式MEMS氣體傳感器的結(jié)構(gòu)，這是共面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該著重考慮的地方。本研究利用有限元方法在氣體傳感器工作溫度400 ℃下，對(duì)模型共面層的最大位移進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，微熱板加熱電極和氣體傳感器測(cè)量電極所產(chǎn)生的最大位移為32.1 nm。而模型中微熱板加熱電極和氣體傳感器的測(cè)量電極之間的間距為2.5 μm，最大位移與間距的比值僅為1.28%，可以保證氣體傳感器在長(zhǎng)期高溫工作時(shí)的電極絕緣要求。

3 微熱板布局優(yōu)化

穩(wěn)定的熱分布是影響氣體傳感器性能的關(guān)鍵因素。為了進(jìn)一步優(yōu)化共面結(jié)構(gòu)MEMS氣體傳感器的溫度分布，在相同的有源區(qū)面積條件下，對(duì)共面結(jié)構(gòu)的微熱板電極布局進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)采用中間寬、邊緣窄的漸變式布局。在有源區(qū)面積不變的條件下，寬電極部分可以提供更大的加熱面積，保證加熱的均勻性。同時(shí)，窄電極的部分可以降低邊緣部位的熱量損失，確保熱量更有效地聚焦在有源區(qū)內(nèi)。電極優(yōu)化前后，沿微熱板電極連線方向上的溫度分布對(duì)比如圖6所示。由圖6可知，電極優(yōu)化后，微熱板在有源區(qū)邊緣位置的溫度均勻性有了明顯改善，在整個(gè)有源區(qū)的熱分布更加均勻。

4 結(jié)論

本研究提出了一種共面結(jié)構(gòu)的MEMS氣體傳感器，并利用有限元分析方法從熱穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性等多方面對(duì)氣體傳感器微熱板進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明共面結(jié)構(gòu)的微熱板可以在整個(gè)氣體傳感器的測(cè)量區(qū)域內(nèi)提供穩(wěn)定均勻的熱分布，且可以避免高溫工作時(shí)微熱板加熱電極和氣體傳感器測(cè)量電極之間相互連通。而對(duì)微熱板加熱電極布局的優(yōu)化則使得共面結(jié)構(gòu)中MEMS氣體傳感器有源區(qū)的溫度分布均勻性進(jìn)一步提高，保證了MEMS氣體傳感器的整個(gè)有源區(qū)都能夠保持在合適的工作溫度，提高了MEMS氣體傳感器的性能。

參考文獻(xiàn)：

［1］KUMAR V. MOS sensor for detection of NH3 and H2 gases ［J］. Journal of the Indian Chemical Society， 2019（96）：543-546.

［2］LI Y，SONG X Y，LI L L，et al.Low concentration co gas sensor constructed from mos2 nanosheets dispersed sno2 nanoparticles at room temperature under uv light［J］.Ceramics International，2023，49（7）：10249-10254.

［3］TAO C，HE M，TU S.Thermal analysis and design of a micro-hotplate for Si-substrated micro-structural gas sensor ［C］//Proceedings of the IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems，2008：284-287.

［4］SONG H L，ZHANG J Q，CHEN D B，et al.Superfast and high-sensitivity printable strain sensors with bioinspired micron-scale cracks.［J］.Nanoscale，2017，9（3）：1166-1173.

［5］HSUEH T J，PENG C H，CHEN W S. A transparent ZnO nanowire MEMS gas sensor prepared by an ITO micro heater ［J］. Sensors and Actuators B-Chemical，2020（304）：127319.

［6］XIE D C，CHEN D L，PENG S F，et al.A low power cantilever-based metal oxide semiconductor gas sensor［J］.IEEE Electron Device Letters，2019，40（7）：1178-1181.

［7］CHEN Y L，LI M J，YAN W J，et al.Sensitive and low-power metal oxide gas sensors with a low-cost microelectromechanical heater.［J］.ACS Omega，2021，6（2）：1216-1222.

［8］田昕，陶繼方，龐子瑞，等. MEMS氣體傳感器微熱板芯片熱均勻性設(shè)計(jì)及性能［J］. 微納電子技術(shù)，2023，60（11）： 1834-1841.

［9］沈偉強(qiáng)，楊俊超，馬薇，等. MEMS微熱板研究進(jìn)展［J］. 傳感器與微系統(tǒng)，2023，42（11）：6-10.

［10］官修龍，劉麗，何越，等. 新型共平面微氣體傳感器微熱板的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］. 儀表技術(shù)與傳感器，2017（9）： 17-19，23.

［11］ROY S，SARKAR C K，BHATTACHARYYA P.A highly sensitive methane sensor with nickel alloy microheater on micromachined si substrate［J］.Solid State Electron，2012，76：84-90.

［12］張偉巖，岳宏，劉繼江，等. MEMS氣體傳感器微熱板仿真設(shè)計(jì)及氣敏性能研究［J］. 傳感器與微系統(tǒng)，2022，41（5）： 36-38，43.

［13］TOMMASI A，COCUZZA M，PERRONE D，et al.Modeling，fabrication and testing of a customizable micromachined hotplate for sensor applications［J］.Sensors，2016，17（1）：62-62.

［14］沈偉強(qiáng)，楊俊超，馬薇，等. 基于MEMS的微熱板結(jié)構(gòu)仿真優(yōu)化研究［J］. 傳感器與微系統(tǒng)，2021，40（12）： 17-21.

［15］LAHLALIA A，Neel O L，SHANKAR R，et al.Electro-thermal simulation and characterization of a microheater for smo gas sensors［J］.Journal of Microelectromechanical Systems，2018，27（3）：529-537.

［16］COPPETA R，LAHLALIA A，KOZIC D，et al. Electro-Thermal-Mechanical Modeling of Gas Sensor Hotplates ［M］. Sensor Systems Simulations：from Concept to Solution，2020：17-72.

（欄目編輯：孫 焱）

收稿日期：2024-01-24

基金項(xiàng)目：河南省重點(diǎn)研發(fā)與推廣專項(xiàng)（科技攻關(guān)）項(xiàng)目（242102210216）。

作者簡(jiǎn)介：周曉斌（1986—），男，本科，助理實(shí)驗(yàn)師，研究方向：計(jì)算機(jī)建模與仿真；王旭丹（1997—），女，碩士，研究方向：微納器件建模與仿真。

通信作者：王玫（1986—），女，博士，副教授，研究領(lǐng)域：傳感器與檢測(cè)技術(shù)。