遲　霄，張曉波，劉　麗，何　越，王連元

(超硬材料國家重點實驗室，吉林大學(xué)物理學(xué)院，吉林長春　130012)

0　引言

基于微電子系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的氣體傳感器由于采用了傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制作技術(shù)[1]。在這種新型的氣體傳感器中，微熱板的設(shè)計是很重要的一個環(huán)節(jié)，微熱板在傳感器中起到加熱敏感膜使其達(dá)到最佳工作溫度的作用[4-6]。在微熱板的設(shè)計中，應(yīng)使其溫度場分布盡量均勻，否則會降低器件的敏感特性和選擇性[7]。微熱板的結(jié)構(gòu)、材料及尺寸參數(shù)的設(shè)置對氣體傳感器的靈敏度等指標(biāo)有著重要影響[3，8]。

ANSYS中的Multiphysics模塊可分析各種結(jié)構(gòu)的溫度分布[9-10]。文中通過有限元分析的方法，設(shè)計了一種新型的具有3個引腳的微熱板結(jié)構(gòu)，并模擬出新型微熱板的溫度分布。

1　微熱板的結(jié)構(gòu)設(shè)計

新型微熱板結(jié)構(gòu)如圖1所示，微熱板具有三引腳電極結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)降低了微熱板的制作難度。微熱板的平面尺寸為1．0 mm × 1．5 mm．Si襯底是由(100)晶向的單晶硅經(jīng)各向異性腐蝕而成，在Si襯底上生長前后兩層SiO2，前SiO2層既是絕緣層，也是隔熱層。后SiO2層能起到防止熱量散失的作用[11]。圖1中加熱電極上的箭頭表示加熱電流的方向。加熱電極寬度為50 μm．測量電極的寬度和間距分別為20 μm和500 μm．

圖1　新型微熱板的結(jié)構(gòu)示意圖

2　微熱板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2．1基底結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

微熱板中基底由不同材料構(gòu)成，分別為前SiO2層、中間Si層、后SiO2層，它們厚度的改變對傳感器的溫度分布有著重要的影響[11]。為了方便起見，用E、G、B分別表示微熱板基底中前SiO2層、中間Si層、后SiO2層的厚度。當(dāng)功耗為50 mW時，對E100G100B100、E50G200B50、E50G150B100時微熱板的溫度分布進(jìn)行了模擬，結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，E50G150B100時微熱板中心能獲得較均勻的溫度分布。所以新型微熱板基底中前SiO2層、中間Si層、后SiO2層的厚度分別設(shè)定為50 μm、150μm、100 μm．

圖2　新型微熱板的基底中各種材料為不同厚度時的溫度分布

2．2測量電極結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

在微熱板的設(shè)計中，不僅基底的改變會影響溫度場的改變，測量電極的結(jié)構(gòu)變化也會對溫度分布產(chǎn)生影響。為了分析測量電極的結(jié)構(gòu)對微熱板中心溫度的影響，利用有限元分析工具ANSYS分別模擬了測量電極為2個叉指、一個叉指和不放叉指時微熱板的溫度分布，如圖3所示。從圖3中可以看出，當(dāng)測量電極不放叉指的時候，微熱板的中心溫度最高，測量電極不放叉指的結(jié)構(gòu)不僅能降低微熱板制作的難度，節(jié)省了制作原料，而且微熱板的中心溫度也得到了提高。優(yōu)化后的微熱板測量電極不放叉指，結(jié)構(gòu)既簡單，又能提高傳感器的性能。

(a)測量電極為兩個叉指時的溫度分布

(b)測量電極為一個叉指時的溫度分布

(c)測量電極不放叉指時的溫度分布

3　結(jié)束語

文中設(shè)計了一種新型氣體傳感器的微熱板結(jié)構(gòu)，通過有限元分析軟件模擬了基底中不同材料厚度的變化對微熱板溫度分布的影響，確定了新型微熱板基底中前SiO2層、中間Si層、后SiO2層的厚度分別設(shè)定為50 μm、150 μm、100 μm時，該微熱板的中心溫度分布最均勻。并對微熱板中測量電極的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，得到了無叉指的測量電極結(jié)構(gòu)．這種新型的微熱板結(jié)構(gòu)使襯底中央大部分區(qū)域獲得了高而均勻的溫度分布，有助于提高傳感器的整體性能。

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