气体传感器中微加热器优化设计.pdfVIP

智能MEMS 气体传感器中微加热器的优化设计 曾增烽 中国矿业大学信电学院，江苏徐州 （221008 ） E-mail ：gdfeng@126.com 摘 要：传统的金属氧化物气体传感器通常用于测量可燃性烃类气体和其他有毒气体。但是, 他们存在两种缺陷,即(a)较高的工作温度(不小于300℃)及(b)较大的功耗(大于1 瓦) 。正在研 制的硅材料微型金属氧化物气体传感器克服了这些缺陷。微机械气体传感器的大部分功耗包 括各种通过硅衬底传导的热损失,通过所有接触面和辐射向空气中传送。微机械金属氧化物 系气敏元件的热特性要针对低功耗进行优化，通过传感层和瞬态响应适当的控制温度分布。 但是MEMS 金属氧化物气体传感器中的微加热器还没有得到优化。在本文中,我们已经研究 出一种方法(软件)用于设计和优化MEMS 气体传感器中的微加热器。使用这一软件,可以估 算达到某一温度所需功率以及活跃层的温度分布。 关键词：MEMS 金属氧化物气体传感器；微加热器；热分析；动力优化 中图分类号：TB941 1 引言 半导体金属氧化物如氧化锡,氧化锌,二氧化钛一直通过传导率的改变检测有毒( CO )和 可燃性气体( 甲烷) 。敏感气体的传感层温度提高到某个值(通常是从300-450℃)需要大量的能 量 [1 －3] 。在微型机械结构或MEMS 出现之前，气体传感器(主要是陶瓷基) 因为其过多的热量 已经具有很高的功耗(正常为500mw - 2w )[3] 。此外响应时间也非常快。应用于他们的微加热 器已经设计并优化。但随着 MEMS 与传感元件和基板间热隔离技术的发展, 这一功率消耗 [4-6] 已经缩小到只有约30-150 兆瓦 。嵌入式加热器是维持敏感金属氧化物层在某一温度(在某 特定温度传感器的金属氧化物的敏感程度是最高的) 的,从而最终导致高功耗。对于确定的热 特性,还有一些软件,如ANSYS 和Coventorware 使用的有限元方法( FEM ) 。但这些软件非常 昂贵,因此也无法广泛地应用。本文提出了一种新的设计方法来分析功耗和热特性。在本文 中,我们揭示了基于基础热力学方程的传热学理论。结果建立在此理论基础上的一些采样运 行的程序显示它的有效性,并且通过 coventorware 获得的东西已经被证实。通过这种方便和 廉价的方法,任何人都可以使某一敏感温度的功耗达到最优化(到达某一温度要求多大的功 耗) 。 2 结构描述 二氧化硅层是顶部尺寸为1cm x 1cm 的方形，厚度为1.5-2 微米。在二氧化硅层中沉积 了金属氧化物(SnO2/ZnO)敏感层。此敏感层是一个尺寸为5mm x 5mm 的方形,厚度为200 纳 米。加热器是嵌入在二氧化锡层下面的，距离二氧化硅上表面0.1 微米。加热器保持活性层 温度在摄氏350℃(典型) ,最大限度的提高气体灵敏度。大部分硅的厚度为 350μm 。硅是通 过氢氧化钾溶液刻蚀在中段,导致膜(Si)的厚度是50μm 。SnO2/ZnO 敏感层在被蚀刻的二氧化 硅层之上。这里给出的所有尺寸指明特定MEMS 传感器,根据不同有一定的限度。 - 1 - 图-1 ：MEMS 金属氧化物气体传感器 图-2 ：传感器顶部示意图(SnO2 /ZnO 和SiO2 层) 3 热量分析 在本节中,我们设计一个简单和基本理论计算总热量的损失. 3.1 热源近似值 加热器的顶部区域(嵌入到二氧化硅层中)近似为方形。为了使计算简单,我们将方形近似 为一个圆,其半径取值使得近似误差变得最小。这有助于我们将热源作为圆柱体的近似计算， 此圆柱体的半径计算方法如下，高度为二氧化硅层厚度。 为了找到正确的r0 我们令r0 = a×τ a 是正方形的一个边，τ是要计算的未知数。