新型气体传感器微热板的设计与优化

迟　霄，张晓波，刘　丽，何　越，王连元

(超硬材料国家重点实验室，吉林大学物理学院，吉林长春　130012)

0　引言

基于微电子系统(MEMS)技术的气体传感器由于采用了传统的半导体制作技术[1]。在这种新型的气体传感器中，微热板的设计是很重要的一个环节，微热板在传感器中起到加热敏感膜使其达到最佳工作温度的作用[4-6]。在微热板的设计中，应使其温度场分布尽量均匀，否则会降低器件的敏感特性和选择性[7]。微热板的结构、材料及尺寸参数的设置对气体传感器的灵敏度等指标有着重要影响[3，8]。

ANSYS中的Multiphysics模块可分析各种结构的温度分布[9-10]。文中通过有限元分析的方法，设计了一种新型的具有3个引脚的微热板结构，并模拟出新型微热板的温度分布。

1　微热板的结构设计

新型微热板结构如图1所示，微热板具有三引脚电极结构，这种结构降低了微热板的制作难度。微热板的平面尺寸为1．0 mm × 1．5 mm．Si衬底是由(100)晶向的单晶硅经各向异性腐蚀而成，在Si衬底上生长前后两层SiO2，前SiO2层既是绝缘层，也是隔热层。后SiO2层能起到防止热量散失的作用[11]。图1中加热电极上的箭头表示加热电流的方向。加热电极宽度为50 μm．测量电极的宽度和间距分别为20 μm和500 μm．

图1　新型微热板的结构示意图

2　微热板的结构优化

2．1基底结构的优化

微热板中基底由不同材料构成，分别为前SiO2层、中间Si层、后SiO2层，它们厚度的改变对传感器的温度分布有着重要的影响[11]。为了方便起见，用E、G、B分别表示微热板基底中前SiO2层、中间Si层、后SiO2层的厚度。当功耗为50 mW时，对E100G100B100、E50G200B50、E50G150B100时微热板的温度分布进行了模拟，结果如图2所示。从图2可以看出，E50G150B100时微热板中心能获得较均匀的温度分布。所以新型微热板基底中前SiO2层、中间Si层、后SiO2层的厚度分别设定为50 μm、150μm、100 μm．

图2　新型微热板的基底中各种材料为不同厚度时的温度分布

2．2测量电极结构的优化

在微热板的设计中，不仅基底的改变会影响温度场的改变，测量电极的结构变化也会对温度分布产生影响。为了分析测量电极的结构对微热板中心温度的影响，利用有限元分析工具ANSYS分别模拟了测量电极为2个叉指、一个叉指和不放叉指时微热板的温度分布，如图3所示。从图3中可以看出，当测量电极不放叉指的时候，微热板的中心温度最高，测量电极不放叉指的结构不仅能降低微热板制作的难度，节省了制作原料，而且微热板的中心温度也得到了提高。优化后的微热板测量电极不放叉指，结构既简单，又能提高传感器的性能。

(a)测量电极为两个叉指时的温度分布

(b)测量电极为一个叉指时的温度分布

(c)测量电极不放叉指时的温度分布

3　结束语

文中设计了一种新型气体传感器的微热板结构，通过有限元分析软件模拟了基底中不同材料厚度的变化对微热板温度分布的影响，确定了新型微热板基底中前SiO2层、中间Si层、后SiO2层的厚度分别设定为50 μm、150 μm、100 μm时，该微热板的中心温度分布最均匀。并对微热板中测量电极的结构进行了优化设计，得到了无叉指的测量电极结构．这种新型的微热板结构使衬底中央大部分区域获得了高而均匀的温度分布，有助于提高传感器的整体性能。

参考文献：

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[3]王竹萍，丁英涛，刘汝卿．MEMS 微型热敏传感器数值模拟．北京理工大学学报，2011，31(12)：1435-1438．

[4]杨广立，张彤，李春明．硅基微结构气体传感器结构的有限元模拟分析．吉林大学学报(理学版)，2003，41(4)：510-512．

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[9]张彤，杨广立，李春明，等．微结构气体传感器的加热器设计与模拟．测控技术，2004，23(5)：12-13．

[10]刘红，阮灵伟，蒋兰芳，等．基于 ANSYS 的热板温度场模拟与优化设计．模具工业，2010，36(9)：18-21．

[11]张晓波，陕皓，刘丽，等．微气体传感器结构设计和优化．传感器与微系统，2013，32(1)：128-130．