微氣體傳感器結構設計和優化*

張曉波，陜 皓，劉 麗，王連元，李守春，王國光

(吉林大學 物理學院 超硬材料國家重點實驗室，吉林 長春130000)

0 引 言

如今，氣體傳感器已經被廣泛地應用于環境、汽車、醫療等領域，并且，與人們的生活關系日益緊密。近些年來，微電子技術和微機械加工技術的發展，尤其是近20 年來，硅的微加工技術的應用，推動了氣體傳感器向微型化、低功耗和集成化發展。現如今微型傳感器已經成為人們在微觀領域認識和改造世界的一項高新技術。它具有尺寸小、質量輕、響應快、重復性好、功耗低，集成化程度高、成本低等優點，應用前景十分廣泛［1］。

由于很多敏感材料通常在特定的溫度下才能更好地發揮其敏感作用，所以，在氣體傳感器的結構設計中，微熱板的設計是其中最重要的一環。對于微熱板溫度分布的模擬通常采用有限元分析的方法。有限元分析是利用數學近似的方法對真實物理系統進行模擬。利用簡單而又相互作用的元素，即單元，就可以用有限數量的未知量去逼近真實的無限未知量［2］。本文設計了一種新型微結構氣體傳感器的電極結構，并通過ANSYS 有限元模塊分析，模擬了在新型電極形狀條件下，基底的SiO2和Si 不同厚度、加熱條不同寬度、信號條不同寬度和間隙距離時的微熱板表面的溫度分布。

1 傳感器的結構設計

本文設計了一種具有共平面型結構的Si 基微結構傳感器的研制方案，器件尺寸為2 mm ×1 mm ×0.3 mm，側面效果如圖1 所示。該結構將加熱電極、信號電極設計在同一平面上，避免了存在于“三明治結構”中的加熱電極和信號電極之間的寄生電場(即加熱層、絕緣層、信號層3 層間的寄生電場)。該Si 基微結構器件結構相對簡單，它不僅對工藝設備要求不致十分嚴苛，而且使得本項研究中所開展的模擬計算和分析以及實驗對比測量工作變得可行。該結構不僅具有進一步縮小尺寸向微型化方向進一步發展的空間，而且由于它能與Si 平面集成化工藝兼容，具有進一步向集成化智能化方向發展的潛力。

2 傳感器電極的設計

圖1 膜式微結構氣體傳感器結構示意圖Fig 1 Structure diagram of film type microstructure gas sensor

微熱板是采用微電子技術和微機械加工技術在Si襯底上制成的一種微型平板式加熱器。可以用于制造多種類型的半導體微型傳感器，事實上，研究微熱板的目的就是為了滿足集成氣體傳感器對加熱器的要求而研制的。微結構氣體傳感器的微熱板電極排布多采用蛇形分布［3］。目前，微結構氣體傳感器一般有2 種結構，懸浮式結構［4］和膜式結構，為降低制作工藝，本設計選擇膜式結構。本文設計了一種新的電極排布形狀:將加熱電極與信號電極分離單獨排布，加熱電極位于襯底上下兩側取直線形，通以同方向的電流，這種電極結構消除了加熱電流所產生的磁場對測量信號的干擾，并且在不降低加熱效果的前提下降低了制作的難度，有效減小了傳感器的總體尺寸。信號電極為2 個相對稱的四叉指電極，排布在襯底中央，兩側引腳為方形，整體布局如圖2 所示。

圖2 襯底與加熱、檢測電極的分布示意圖Fig 2 Distribution diagram of substrate and heating，detecting electrodes

3 傳感器電極結構的優化

3.1 基底的優化

從表1 中可以看出:空氣是最好的阻熱物質，其次是SiO2。在設計中，襯底是由〈100〉晶向的單晶硅經各向異性腐蝕而成;由于SiO2的導熱性差，所以，它在保護Si 襯底的同時還有效地減少了熱量的散失，并且還能起到電絕緣的作用，所以，本文選用SiO2和Si 作為基底材料，改變SiO2和Si 的厚度，不同的SiO2和Si 的厚度會有不同的溫度分布。傳感器的理想狀態是使中心高溫部分的溫度能均勻分布，這對敏感材料的活性發揮是否均勻有著重要意義［5］。將 SiO2和 Si 的厚度依次分別設定為 20，280 μm;50，250 μm;100，200 μm;200，100 μm，以傳感器中心為基點，上下兩邊各0.5 mm 的溫度分布進行模擬，得到相應溫度場分布如圖3 所示。圖中E 和G 分別表示SiO2和Si 的厚度，從圖3(a)的模擬分析可以看出:當SiO2和Si 的厚度分別設定為20，280 μm 時，整個器件的溫度相差不大，這樣器件的功耗就會加大。所以，將 SiO2和Si 的厚度分別設為50，250 μm時，中心溫度較高并且中心溫度分布相對均勻，器件的功耗相對也比較低。

圖3 不同SiO2 和Si 的厚度下的溫度分布Fig 3 Temperature distribution with different thickness of si and SiO2

3.2 加熱電極的優化

加熱條寬度的不同，傳感器中心溫度的分布也會不同。將微傳感器基底的SiO2和Si 的厚度分別設為50，250 μm，信號Pt 條的寬度和間距設為 15，60 μm，利用 ANSYS 有限元分析軟件分別模擬加熱條寬度為100，150 μm 時的溫度場分布，結果如圖4 所示。圖中H 表示加熱條寬度，S 表示信號Pt 條寬度，D 表示信號Pt 條間隙距離。從圖4 中可以看出:加熱條為150 μm 時中心溫度更高，對提高敏感材料的活性發揮更為有利，由于空間和材料的限制，加熱條太寬對微傳傳感器也是不利的，所以，加熱條寬設為150 μm 比較合理。

圖4 加熱條寬度為100，150 μm 時的溫度場分布曲線Fig 4 Temperature field distribution curves with widths of the heating electrode are 100，150 μm

3.3 測量電極的優化

為了研究不同的信號電極Pt 條寬度和Pt 條間隙距離對溫度分布的影響，將基底的SiO2和Si 的厚度分別設為50，250 μm，加熱條設為 150 μm，將信號電極的寬度和間距依次分別設定為 60，15 μm;35，35 μm;15，60 μm，得到相應溫度場分布如圖5 所示，從圖5 中可以看出:信號電極 Pt 條寬度為 15 μm、間距為 60 μm 時，傳感器中心溫度最高，溫度均勻分布的有效面積最大，優于其余2 種設計方式。

圖5 不同電極寬度和間距時的溫度場分布Fig 5 Temperature field distribution with different width and spacing of electrodes

對圖5(c)所示的器件正面中心點瞬時熱響應溫度變化記錄，結果如圖6 所示。從圖中可以看出:在加熱電極的作用下，中心點溫度由室溫293 K 加熱到最高溫度667.605 K耗時28 ms，在30 ms 之后基本上溫度穩定，說明加熱速度非常快。

圖6 器件正面中心點瞬時熱響應圖Fig 6 Transient thermal response diagram of sensor frontage center point

4 結 論

本文設計了一種新型微結構氣體傳感器的電極結構，這種共平面型電極結構消除了加熱電極所產生的磁場對測量信號的干擾，并用ANSYS 軟件對該微氣體傳感器基底的SiO2和Si厚度、加熱電極的寬度、信號電極的寬度及間距進行了分析優化，當 SiO2，Si 的厚度分別為 50，250 μm，加熱電極的寬度、信號電極的寬度和間距分別為150，15，60 μm時，傳感器獲得的中心溫度較高，并且中心溫度分布比較均勻，提高了微傳感器的整體性能。

［1］ 劉 麗.硅基微結構氣體傳感器的研制［D］.長春:吉林大學，2008:1 －6.

［2］ 李春明.微結構氣體傳感器設計、模擬、制作及溫度測量［D］.長春:吉林大學，2005:6 －16.

［3］ Wang Jing，Zhang Peng，Qi Jinqing.Silicon－based micro－gas sensors for detecting formaldehyde［J］.Sensors and Actuators B，2009，136:399 － 404.

［4］ 劉 鑫.MEMS 微型NO2氣體傳感器的研究［J］.傳感器與微系統，2009，28(2):49 －52.

［5］ Wang Jing，Zhang Peng，Qi Jinqing，et al.Silicon－based micro－gas sensors for detecting formaldehyde［J］.Sensors and Actuators B，2009，136:399 － 404.