武 一，苑麗靜，花中秋，邱志磊

(河北工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津 300401)

0 引言

半導(dǎo)體金屬氧化物(MOS)氣體傳感器占據(jù)了氣體傳感器很大的市場(chǎng)。其中，MEMS級(jí)別的微懸梁結(jié)構(gòu)的傳感器具有尺寸小、功耗低、響應(yīng)快、易集成等優(yōu)點(diǎn)，但受其面積影響靈敏度相對(duì)較低、價(jià)格較高、加工難度較大。常見熱板結(jié)構(gòu)的傳感器靈敏度高，測(cè)試范圍廣，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)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(cè)更是需要達(dá)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(duì)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(yīng)速率[5]。

由于簡(jiǎn)單方便、材料耗費(fèi)少、成本低、實(shí)驗(yàn)時(shí)間短等優(yōu)勢(shì)，有限元分析軟件，如COMSOL、ANSYS、MSC、ABAQUS等已經(jīng)廣泛應(yīng)用于加熱板的熱分析和熱設(shè)計(jì)。薛嚴(yán)冰等用ANSYS對(duì)具有不同結(jié)構(gòu)參數(shù)器件的熱特性進(jìn)行模擬，得到結(jié)構(gòu)參數(shù)與器件熱特性間的關(guān)系[6]；C.Tao[5]和 F.K.H.Fung[7]用ANSYS對(duì)微熱板的溫度分布進(jìn)行模擬分析，以此來設(shè)計(jì)優(yōu)化傳感器結(jié)構(gòu)，提高溫度均勻性。之前報(bào)道過的加熱板熱分析和熱設(shè)計(jì)大部分都只停留在模擬階段[8-10]，所以對(duì)加熱板的表面溫度進(jìn)行測(cè)量、驗(yàn)證模擬結(jié)果是很有必要的。本文加熱板采用傳統(tǒng)絲網(wǎng)印刷[11]的方式在氧化鋁陶瓷上制作電極，感應(yīng)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(duì)加熱電極線寬和間距進(jìn)行優(yōu)化，用有限元仿真軟件COMSOL對(duì)溫度進(jìn)行模擬，用紅外熱像儀測(cè)試加熱板的溫度分布和絕對(duì)溫度值。提出在加熱電極一側(cè)添加包覆膜來降低功耗，并對(duì)其進(jìn)行模擬分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果高度吻合，能達(dá)到預(yù)期結(jié)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(duì)傳感器的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，添加包覆膜可以提高傳感器響應(yīng)速率，這對(duì)提高傳感器性能有積極意義。

1 加熱板設(shè)計(jì)與仿真

1.1 加熱板設(shè)計(jì)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(jià)格便宜、生產(chǎn)工藝相對(duì)簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)如圖1所示。選用導(dǎo)電性好，高溫下化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的金作感應(yīng)電極材料且采用叉指電極圖案。鉑作為加熱電極具有熱導(dǎo)率高、電導(dǎo)率高、高溫下熱穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)。為降低加熱板功耗，提高溫度均勻性，對(duì)加熱電極的線寬和間距進(jìn)行優(yōu)化。先保持線寬150 μm不變，將電極間距分別設(shè)置成300、150、120 μm；再保持電極間距150 μm不變，將線寬分別設(shè)置為200、150、120 μm。電極厚度為15 μm。

(a)加熱板結(jié)構(gòu)

(b)感應(yīng)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(chǎn)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(dǎo)、熱對(duì)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(jiǎn)化如下：

Q=Qcond+Qcovn+Qrad

(1)

式中：Q為總熱損耗；Qcond為熱傳導(dǎo)損耗；Qcovn為熱對(duì)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(xué)、光學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和流體流動(dòng)等多個(gè)物理場(chǎng)，我們選用熱電耦合場(chǎng)進(jìn)行3D建模并對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析。為簡(jiǎn)化模型，仿真時(shí)忽略鍵合線只考慮加熱板，模型中用到的材料參數(shù)見表1。在加熱電極上施加500 mW恒定功率，環(huán)境溫度設(shè)置為293.15 K，需要注意的是電阻率要設(shè)置成線性電阻率，電阻溫度系數(shù)為0.0019/K(測(cè)量實(shí)驗(yàn)會(huì)在后面提到)。實(shí)驗(yàn)中加熱板有效區(qū)溫度一般不會(huì)超過693 K，當(dāng)加熱板中心溫度達(dá)到700 K時(shí)，根據(jù)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?？諝庾匀粚?duì)流換熱系數(shù)為25 W/(m2·K)。

表1 材料參數(shù)

圖3展示了加熱電極不同的加熱板的溫度分布模擬結(jié)果。其他條件相同時(shí)，隨著加熱電極線寬和間距減小(即加熱電極彎曲次數(shù)增加)，高溫區(qū)面積擴(kuò)大，溫度升高，但當(dāng)加熱電極太密集時(shí)，加熱板的中心會(huì)產(chǎn)生熱點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)中很可能會(huì)因加熱板中心溫度過高而被燒毀。

2 加熱板的制作與測(cè)試

2.1 加熱板的制作

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

2.2 電阻溫度系數(shù)測(cè)試

大多數(shù)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(shù)；R為溫度為T時(shí)的電阻；R0為溫度為T0時(shí)的電阻。

用穩(wěn)壓源(提供熱源)和紅外熱像儀(查看溫度)測(cè)試不同設(shè)定溫度下的電阻，對(duì)得到的溫度和電阻值進(jìn)行擬合，即可得到加熱板的熱特性函數(shù)。實(shí)驗(yàn)中對(duì)6個(gè)阻值不同的加熱板進(jìn)行測(cè)試。在測(cè)量范圍內(nèi)，電阻隨溫度的升高而線性變化，對(duì)多組電阻溫度系數(shù)取平均值為0.001 9/K。

2.3 溫度測(cè)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(duì)制作好的加熱電極不同的加熱板進(jìn)行溫度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。隨著加熱電極彎曲次數(shù)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?yàn)閷?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，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(dá)到450 ℃以上時(shí)極易燒毀，這和它們?cè)诜抡嬷谐霈F(xiàn)中心熱點(diǎn)是吻合的。綜合考慮，當(dāng)加熱板尺寸為4 mm×4 mm時(shí)，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(duì)功耗的影響

3 添加包覆膜

3.1 包覆膜材料對(duì)加熱板的影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室情況，為進(jìn)一步減小功耗，我們用上述方法對(duì)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(jìn)行下面的模擬及測(cè)試。在加熱板的整個(gè)傳熱過程中，熱傳導(dǎo)[7]占據(jù)著主導(dǎo)地位，但由于加熱板的面積相對(duì)較大，溫度較高，由熱對(duì)流產(chǎn)生的熱損耗在總熱損耗中占了相當(dāng)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(duì)流產(chǎn)生的熱損耗，提出在加熱電極一側(cè)添加一層熱絕緣、電絕緣的包覆膜。選擇熱導(dǎo)率較低的Al2O3、SiO2、Si3N4作為包覆膜材料，膜厚設(shè)為11 μm，模擬用到的材料參數(shù)如表1所示，模擬過程中施加550 mW功率，模擬結(jié)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(shí)驗(yàn)中，通過絲網(wǎng)印刷在加熱電極一側(cè)添加不同材料的包覆膜，后用紅外熱像儀對(duì)加熱板進(jìn)行溫度測(cè)試。測(cè)試結(jié)果與模擬結(jié)果是一致的，但模擬結(jié)果要比測(cè)試結(jié)果溫度偏高，主要是因?yàn)榉抡嬷泻雎粤随I合線和輻射散熱，仿真中材料參數(shù)與實(shí)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(shí)消耗的功率。當(dāng)加熱板的最大溫度和平均溫度達(dá)到特定值時(shí)，添加包覆膜后加熱板功耗減少。加熱板的最大溫度為400 ℃時(shí)，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(cè)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(duì)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(duì)添加不同厚度包覆膜的加熱板進(jìn)行模擬和測(cè)試。通過絲網(wǎng)印刷多次印刷的方式在加熱電極一側(cè)添加不同厚度的SiO2包覆膜，然后用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)燒結(jié)后的包覆膜厚度進(jìn)行測(cè)試，不同厚度包覆膜的SEM測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

(a)最大溫度

(b)平均溫度圖6 包覆膜材料對(duì)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(jié)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(shí)消耗的功率。當(dāng)加熱板的最大溫度和平均溫度加熱到特定值時(shí)，隨著包覆膜厚度的增加，加熱板消耗的功耗增加。當(dāng)加熱板的最大溫度為400 ℃時(shí)，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(shí)，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(duì)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(duì)氣體傳感器響應(yīng)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(wǎng)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(cè)(敏感層面積：1.05 mm×2 mm)，放入箱式電阻爐中500 ℃燒結(jié)2 h，后將該元件通過鉑線與底座連接。采用動(dòng)態(tài)傳感器氣敏測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試氣敏性能，通過MFC(mass flow controller)和計(jì)算機(jī)軟件控制氣體流量，氣體總流速為100 mL/min。傳感器電源由數(shù)字直流穩(wěn)壓電源提供，響應(yīng)輸出信號(hào)通過分壓電路轉(zhuǎn)化為電壓量，由高精度數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行實(shí)時(shí)采集記錄。響應(yīng)時(shí)間被定義為傳感器在測(cè)試氣體存在時(shí)達(dá)到其電阻穩(wěn)定值的90%所需的時(shí)間[15]，不同傳感器在不同溫度下的響應(yīng)時(shí)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(yīng)速率明顯提高。在傳感器最佳響應(yīng)溫度下，添加包覆膜可將響應(yīng)時(shí)間縮短約3 s。響應(yīng)時(shí)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(yīng)時(shí)間

4 結(jié)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(yīng)速率。為提高溫度均勻性，降低功耗，對(duì)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(duì)其進(jìn)行模擬分析，再用紅外熱像儀對(duì)加熱板表面溫度進(jìn)行測(cè)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(jìn)一步提高加熱板的熱性能，在加熱電極一側(cè)分別添加Al2O3、SiO2、Si3N4包覆膜，模擬分析后用紅外熱像儀對(duì)加熱板的溫度分布進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)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(jìn)行響應(yīng)時(shí)間測(cè)試，結(jié)果表明，在相應(yīng)材料的最佳響應(yīng)溫度下，具有包覆膜的傳感器的響應(yīng)時(shí)間比沒有包覆膜的傳感器的響應(yīng)時(shí)間短約3 s。