共面式MEMS氣體傳感器微熱板設計與仿真

周曉斌 王玫 王旭丹

摘 要：【目的】常見膜式結構和懸浮式結構的MEMS氣體傳感器在垂直方向上存在寄生電場，會對氣體傳感器的檢測信號造成一定影響。為了降低寄生電場對氣體傳感器性能的影響，提出了一種共面結構的MEMS氣體傳感器，并對其微熱板進行了建模仿真及優化。【方法】利用SolidWorks對共面式MEMS氣體傳感器進行建模，并通過有限元分析方法從熱穩定性、機械穩定性等方面對微熱板進行了仿真。【結果】仿真結果表明：共面結構的微熱板可以在整個氣體傳感器的測量區域內提供穩定、均勻的熱分布，并且可以避免高溫工作時微熱板加熱電極和氣體傳感器測量電極之間相互連通，為MEMS氣體傳感器提供優異的測量環境。【結論】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對傳感器性能的影響，而且可以簡化氣體傳感器的工藝流程。仿真結果也證明了共面結構的可行性，為實際MEMS氣體傳感器的設計和制備提供參考依據。

關鍵詞：共面結構；MEMS；氣體傳感器；微熱板；有限元仿真

中圖分類號：TN303???? 文獻標志碼：A???? 文章編號：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境中氣體的成分、濃度、體積分數等信息轉換成電信號的轉換元件，在現代工業及居民生活的很多領域中有著廣泛的應用，如環境保護、工業生產、公共安全、個人健康監測等。根據工作原理的不同，氣體傳感器分為很多種類，其中金屬氧化物半導體（Metal oxide semiconductor，MOS）氣體傳感器以其靈敏度高、響應時間短、成本低廉等優點成為研究的熱點［1-2］。當MOS氣體傳感器置于目標氣體氤氳時，目標氣體會在敏感材料表面發生氧化還原反應，從而使MOS氣體傳感器的電阻阻值發生改變，通過阻值的變化量可以反映出目標氣體的濃度。SnO2、ZnO、In2O3等半導體氧化物材料都是常見的MOS氣體傳感器中的敏感材料。由于這些半導體氧化物材料的性質受溫度影響較大，且對目標氣體的最佳響應溫度通常在200～500 ℃之間，因此在MOS氣體傳感器工作時通常需要增加額外的加熱元件來提高敏感材料來對待測氣體的響應［3-4］。

隨著物聯網技術的飛速發展，氣體傳感器作為信息采集的終端，也在向微型化、集成化、智能化方向發展。微機電系統（Micro Electro Mechanical System，MEMS）為氣體傳感器的微型化和集成化提供了可能，因此近年來基于MEMS技術的氣體傳感器得到了快速發展。MEMS氣體傳感器是將氣體傳感器的測量電極和加熱元件——微熱板集成在同一片硅片上［5-6］，當氣體傳感器工作時，通過在微熱板上施加固定的電壓，利用電流帶來的熱效應使得微熱板的溫度升高，熱量通過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［7-8］。

膜式結構、懸浮式結構、穿孔膜結構是MEMS氣體傳感器的常見結構［9］。膜式結構中，微熱板中間的加熱平臺與隔離層作為整體和襯底相連，機械穩定性較好，但由于襯底材料硅的熱導率較高，從而導致其熱損失較大，功耗較高［10-11］。懸浮式結構利用幾個懸臂梁作為微熱板的機械支撐及加熱平臺與隔離層的鏈接，微熱板邊緣通過背硅工藝進行腐蝕鏤空處理，利用空氣的絕熱效應，使微熱板的熱量集中在有源區，從而提高微熱板的熱響應，降低器件的功耗，但其機械穩定性較差［12-14］。穿孔膜結構結合了膜式結構和懸浮式結構的優點，通過正面蝕刻犧牲層形成封閉膜結構，可以在較低的功耗下獲得比懸浮式結構更優異的機械性能，在低功耗集成式系統中取得了廣泛的應用［15］。傳統的膜式結構、懸浮式結構、穿孔膜結構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、氣體傳感器測量電極組成。這種垂直結構的MEMS氣體傳感器由于微熱板和測量電極位于不同的層面，垂直方向上會產生寄生電場［16］，對氣體傳感器的檢測信號造成一定的干擾，降低氣體傳感器的性能。并且，垂直結構的MEMS氣體傳感器在加工時，需要通過多次的光刻、濺射、Lift-off工藝分別制備MEMS氣體傳感器的測量電極和微熱板，使得其工藝流程相對復雜，不利于降低器件的生產成本及提高批量產品加工的成品率。

為了避免垂直方向上的寄生電場對氣體傳感器性能的影響，優化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構的MEMS氣體傳感器，將氣體傳感器測量電極與微熱板設計在同一平面上，并利用絕緣層對微熱板加熱電極及氣體傳感器測量電極進行隔離。共面式MEMS氣體傳感器可以有效降低垂直方向的寄生電場對傳感器性能的影響，并簡化氣體傳感器的工藝流程。利用有限元仿真軟件對共面式MEMS氣體傳感器微熱板從熱穩定性、機械穩定性等方面進行了仿真及優化設計，可以為MEMS氣體傳感器的設計提供依據和參考。

1 共面式MEMS氣體傳感器結構

共面式MEMS氣體傳感器的結構如圖1所示，自下而上依次為襯底、支撐層及由微熱板、測量電極、絕緣層組成的共面層。襯底對氣體傳感器起到支撐的作用，要求材料的機械穩定性好，在MEMS微加工工藝中，襯底材料通常為硅。支撐層用于增強傳感器的結構強度以及減小微熱板熱量向襯底的傳導，因此材料的選擇要兼具穩定的機械性能和優異的絕熱性能。在實際的MEMS微加工工藝中為了平衡內應力，支撐層通常采用氧化硅和氮化硅的復合膜結構。微熱板和氣體傳感器測量電極被制作在同一層上，中間利用氮化硅絕緣層進行隔離，防止發生短路。共面層電極結構如圖2所示（圖中1和4為微熱板加熱電極的pad，2和3為氣體傳感器測量電極的pad）。氣體傳感器測量電極和微熱板加熱電極的材料均要具有優異的導電性和穩定的化學性，因此常見的惰性金屬材料鉑、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工藝就可以同時形成氣體傳感器的測量電極和微熱板加熱電極，而傳統的垂直結構則需要兩次的光刻、濺射、Lift-off工藝來分別形成氣體傳感器的測量電極和微熱板加熱電極。共面式結構能夠簡化MEMS氣體傳感器的工藝流程，從而降低器件生產的成本，提高加工產品的成品率。

2 微熱板建模及仿真

2.1 微熱板建模

通過SolidWorks對共面式MEMS氣體傳感器進行建模，建模使用的材料及參數依照實際MEMS氣體傳感器的材料及參數確定。對于氣體傳感器測試電極和微熱板加熱電極，本研究中均選用鉑，材料具體參數見表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，氣體傳感器有源區的面積為0.3 mm×0.3 mm，氣體傳感器測量電極的寬度為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線性關系，當微熱板工作時，在加熱電極上施加一定的電壓，使微熱板升溫，從而對同一平面上的氣體傳感器測量電極進行加熱，使氣體傳感器能夠保持在合適的工作溫度，獲得優良的靈敏度。這個過程中，微熱板加熱電極所產生的熱量不可避免地會有一定損失，這不僅會影響氣體傳感器測量電極熱分布的均勻性，也會使微熱板的功耗增加，對于設計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定性和機械穩定性，優化了共面式MEMS氣體傳感器微熱板的設計。微熱板的熱損失機制主要有熱傳導、熱對流、熱輻射。在氣體傳感器的工作溫度范圍內，熱輻射帶來的損失較小，主要的熱損失機制是熱傳導和熱對流，因此本研究在仿真過程中也忽略熱輻射所帶來的熱損失。

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軟件對共面式MEMS氣體傳感器進行了熱分析。仿真溫度設置為氣體傳感器的常用工作溫度400 ℃，仿真結果如圖3所示。由圖3可知，在微熱板和MEMS氣體傳感器測試電極的整個有源區內溫度分布較為均勻，基本都在400 ℃左右；只在加熱平臺與懸臂梁結構的連接處溫度有所下降，在350 ℃左右。而在有源區外部，由于空氣的絕熱作用，微熱板熱量不易傳導過去，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。根據仿真結果，共面結構的微熱板功耗僅為5.01 mW。熱分布結果表明，共面結構的微熱板可以在較低的功耗下，可以實現對同一平面上氣體傳感器溫度的有效控制，進而提高氣體傳感器的性能。

2.3 熱應力仿真

對于懸臂梁式的支撐結構而言，機械穩定性是影響氣體傳感器穩定性和壽命的重要因素。在氣體傳感器工作時，微熱板加熱所產生的高溫會導致有源區產生熱應力和形變，當熱應力和形變過大時，會導致懸臂梁結構發生斷裂，致使氣體傳感器失效。本研究對共面式MEMS氣體傳感器的共面層在400 ℃的工作溫度下進行了von Mises應力分析，結果如圖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力為4.3×109 N/m2，通常出現在微熱板加熱電極與懸臂梁結構的連接處。這個結果說明微熱板加熱電極與懸臂梁結構的連接處是共面式MEMS氣體傳感器機械穩定性最差、最易發生斷裂的地方。在實際傳感器的設計過程中應該采取一定的措施對這個部位進行保護，以便保證MEMS氣體傳感器的機械穩定性。

2.4 熱位移仿真

在垂直結構的MEMS氣體傳感器中，微熱板加熱電極與MEMS氣體傳感器測量電極之間存在絕緣層，不容易出現短路現象。而在共面式MEMS氣體傳感器結構中，由于微熱板加熱電極和MEMS氣體傳感器測量電極在同一平面，當氣體傳感器工作時，電極材料存在熱膨脹，導致氣體傳感器測量電極和微熱板加熱電極之間可能產生相應的熱位移，從而使得電極短路，破壞共面式MEMS氣體傳感器的結構，這是共面結構的設計過程中應該著重考慮的地方。本研究利用有限元方法在氣體傳感器工作溫度400 ℃下，對模型共面層的最大位移進行了分析，結果如圖5所示。由圖5可知，微熱板加熱電極和氣體傳感器測量電極所產生的最大位移為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期高溫工作時的電極絕緣要求。

3 微熱板布局優化

穩定的熱分布是影響氣體傳感器性能的關鍵因素。為了進一步優化共面結構MEMS氣體傳感器的溫度分布，在相同的有源區面積條件下，對共面結構的微熱板電極布局進行了優化設計。該設計采用中間寬、邊緣窄的漸變式布局。在有源區面積不變的條件下，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，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內。電極優化前后，沿微熱板電極連線方向上的溫度分布對比如圖6所示。由圖6可知，電極優化后，微熱板在有源區邊緣位置的溫度均勻性有了明顯改善，在整個有源區的熱分布更加均勻。

4 結論

本研究提出了一種共面結構的MEMS氣體傳感器，并利用有限元分析方法從熱穩定性、機械穩定性等多方面對氣體傳感器微熱板進行了仿真。結果表明共面結構的微熱板可以在整個氣體傳感器的測量區域內提供穩定均勻的熱分布，且可以避免高溫工作時微熱板加熱電極和氣體傳感器測量電極之間相互連通。而對微熱板加熱電極布局的優化則使得共面結構中MEMS氣體傳感器有源區的溫度分布均勻性進一步提高，保證了MEMS氣體傳感器的整個有源區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。

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（欄目編輯：孫 焱）

收稿日期：2024-01-24

基金項目：河南省重點研發與推廣專項（科技攻關）項目（242102210216）。

作者簡介：周曉斌（1986—），男，本科，助理實驗師，研究方向：計算機建模與仿真；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，研究領域：傳感器與檢測技術。