２０１６笠 仪表技术与传感器 Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ ２０１６ Ｎｏ．２ 第２期 新型微气体传感器的ＡＮＳＹＳ分析与优化 刘丽丽，李守春，王连元，何越，刘 丽，王雪松，苏 畅 １３００１２） （超硬材料国家重点实验室，吉林大学物理学院。吉林长春摘要：设计了一种新型微气体传感器的结构，并利用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ对该传感器的基底和电极进行了分析与 优化。结果得出：传感器的基底设计为硅杯状基座结构，且在ＳｉＯ 绝缘层与硅基座之间另加了ｓｉ导热层和ＳｉＯ 保护层， 加热电极宽度和间距分别为５０ ｍ和６０ ｍ，此时微传感器的中心工作区域可获得高且均匀的温度分布，同时中心区域 的磁感应强度值极小，有利于传感器整体性能的提高。 关键词：微气体传感器；ＡＮＳＹＳ；结构优化；温度分布；磁场分布 中图分类号：ＴＰ２１２．２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２－１８４１（２０１６）０２－００１５－０３ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ＡＮＳＹＳ Ａｐｐｌｉｅｄ ｏｎ Ｎｏｖｅｌ Ｍｉｃｒｏ Ｇａｓ Ｓｅｎｓｏｒ ＬＩＵ Ｌｉ·ｌｉ，ＬＩ Ｓｈｏｕ－ｃｈｕｎ，ＷＡＮＧ Ｌｉａｎ—ｙｕａｎ，ＨＥ Ｙｕｅ，ＬＩＵ Ｌｉ，ＷＡＮＧ Ｘｕｅ－ｓｏｎｇ，ＳＵ Ｃｈａｎｇ （Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｓｕｐｅｒｈａｒｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｊｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００１２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｎｏｖｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｆｏｒ ｍｉｃｒｏ ｇａｓ ｓｅｎｓｏｒ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏ ｇａｓ ｓｅｎ— ｓｏｒ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｏｏ１．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ ｉｓ ｄｅ— ｓｉｇｎｅｄ ａｓ ｓｉｌｉｃｏｎ ｃｕｐ ｓｔｕｃｔｕｒｅ，ｓｉｒｌｉｃｏｎ ｌａｙｅｒ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ ｌａｙｅｒ ｏｆ ＳｉＯ２ ｂｅｉｎｇ ｓａｎｄｗｉｃｈｅｄ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｉｎｓｕ— ｌａｔｉｎｇ ｌａｙｅｒ ｏｆ ＳｉＯ２ ａｎｄ ｓｉｌｉｃｏｎ ｐｅｄｅｓｔａｌ，ａｎｄ ｔｈｅ ｈｅａｔｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｗｉｄｔｈ ａｎｄ ｓｐａｃｉｎｇ ａｒｅ ５０ ｍ ａｎｄ ６０ ｍ，ｔｈｅ ｅｅｎ￣ｅ ａｒｅａ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ ｃａｎ ｏｂｔａｉｎ ｈｉｇｈ ａｎｄ ｕｎｉｆｏｒｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ ｔｈｅ ｍｉｎｉｍｕｍ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｌｕｘ ｄｅｎｓｉｔｙ ｖａｌｕｅ ｉｓ ｆｏｕｎｄ ｉｎ ｔｈｅ ｃｅｎｔｅｒ ｒｅｇｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｈｅｌｐｆｕｌ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏ ｇａｓ ｓｅｎｓｏｒ；ＡＮＳＹＳ；ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ；ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｄｉｓｔｉｂｕｔｉｒｏｎ ０引言 极设计于同一平面，且均选用金属材料铂。２个加热电极位于 传感器的边围处，这是由于加热电极通电流时会产生一定的磁 场，尤其是加热电极处的磁感应强度值最大，因此把加热电极 位置设计到传感器边围，使远离加热电极的中心区域的磁感应 各类有毒有害或易燃易爆气体会危害人类的健康与安全， 因而作为检测及报警终端元件的气体传感器的市场需求越来 越大 ｊ。近些年来，随着微电子机械系统（ＭＥＭＳ）技术的发 展，推动了气体传感器向微型化、低功耗和集成化发展，微结构 气体传感器在此基础上应运而生并很快成为气体传感器领域 的一种主要结构形式 Ｊ。基于ＭＥＭＳ技术而制作的微结构 强度相对较小，以降低磁场对测量信号的影响。图中加热电极 上的小箭头指向为电流方向，最后汇聚于同一引脚处。 信号电极 气体传感器，拥有体积小、功耗低、灵敏度高、成本低、加工工艺 稳定、易批量生产、机械电气性强等优点，并且有助于提高气体 传感器的选择性及可靠性，促进其智能化、集成化、多功 能化 一 。 在工业、医疗、环境等各领域中，对气体传感器的精度、检 加热 电极 测下限、稳定性等性能上的要求越来越高，而气体传感器性能 的提高可以通过新型气敏材料的应用、对传统材料进行掺杂以 及器件结构的优化等途径来实现 。本文设计了一种新型微 气体传感器结构，由于气体传感器的工作性能要依赖于所选用 的敏感材料的特性，但无论气敏材料的种类是什么，其气敏特 性都与温度密切相关，因此本文利用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ 电流汇聚于该ｇｌ脚 图１传感器的电极形状图 ２传感器的基底结构优化 常见气体传感器基底结构一般为３种：第一种为常见的 ＳｉＯ：和ｓｉ组成的基底结构，两种材料分别起电热绝缘和支撑传 感器的作用；第二种由ＳｉＯ：－Ｓｉ－ＳｉＯ：３层结构组成 Ｊ，最后一层 ＳｉＯ 有绝热和保护硅基底的作用；第三种由ＳｉＯ：和ｓｉ组成，不 过不同于第一种的是体硅背面通过各向异性湿法腐蚀出一个 对传感器的温度分布进行了模拟，同时分析了其磁场分布，进 而对其基底结构和电极结构进行了优化来达到提升气体传感 器的敏感性能的目的。 １传感器的电极结构设计 本文设计的传感器为共面型微结构元件，其电极结构如图 １所示，器件平面尺寸为１．０ ｍｍ×１．５ ｍｍ，加热电极和信号电 空腔窗口形成硅杯状作为硅基座来支撑传感器。利用有限元 分析软件ＡＮＳＹＳ １２．１分别对这３种基底结构的传感器进行模 拟分析，设定电极参数均相同，功耗均为３０ ｍｗ，根据Ｗ＝１２Ｒ， 给传感器中的加热电极施加不同的电流载荷，设定模型与周围 空气的对流系数为２Ｏ ｗ／（ｍ ·ｏＣ），周围的空气温度为 基金项目：吉林省科技厅重点科技攻关项目（２Ｏ１４Ｏ２０４０２７Ｇｘ） 收稿日期：２０１５－０５－０５ 第２期 ｐ＼ 赠 刘丽丽等：新型微气体传感器的ＡＮＳＹＳ分析与优化 ５ 弘 ．６ 。 ；５ ５｝ ；５ ５｝ ∞ 船 踮 ∞ ４ ４ ４ ４ ６ ４ ２ Ｏ ８ ６ ４ ２ ｌ７ 感器进行模拟优化，获得了高且均匀的中心温度分布以及较好 的磁场分布，通过分析优化传感器基底结构为硅杯状基座结 构，且在绝缘层ＳｉＯ 与硅基座之间添加了导热层ｓｉ和保护层 ＳｉＯ ，加热电极的宽度和间距分别优化为５Ｏ ｍ和６０ ｍ，功耗 为３０ ｍｗ时，传感器中心温度为３６４．７６℃，温差仅在０．３℃ 内，同时中心的磁感应强度为最小值９．８６ｘ １０ 。Ｔ。优化后的 传感器功耗得到了降低，磁场对测量信号电路的干扰非常小， Ｏ 提高了传感器的整体性能，为微气体传感器的实际设计应用提 供了依据。 参考文献： ［１］ＪＡＮＧ Ｗ，ＫＩＭ Ｉ Ｈ，ＪＥＯＮＧ Ｙ Ｓ，ｅｔ ａ１．Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｃａｔａｌｙｔｉｃ ｃｏｍｂｕｓｔｉｂｌｅ ｍｉｃｒｏ ｇａｓ ｓｅｎｓｏｒ ｗｉｔｈ ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｆｏｒ 距离／ｎｕｎ 图５不同加热电极间距时的温度分布曲线 ４传感器的磁场分布 由于传感器的加热电极是通以恒定电流使其产生焦耳热 来进行加热的，然而稳恒电流会产生一定的静态磁场，传感器 ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｍｅｔｈａｎｅ ｌｅａｋａｇｅ ｏｆ ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ ｎａｔｕｒａｌ ｇａｓ ｂｕｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｅｒａｍｉｃｓ，２０１３，３１（３－４）：２８０—２８５． 工作的中心区域内的磁场若过大会对传感器的测量信号电路 产生一定程度的干扰，因此利用ＡＮＳＹＳ软件对传感器的磁场 分布进行了模拟分析，模拟结果如图６所示，图中的数值单位 ［２］ 张雷，尹王保，董磊，等．新型多功能矿用危险气体传感器的研究 ［Ｊ］．光电子·激光，２００７，１８（５）：５５０－５５３． ［３］施云芬，施云波，刘月华，等．基于ＭＥＭＳ叠层微结构的ｓ０２毒气 传感器［Ｊ］．光学精密工程，２００８，１６（６）：１０７５—１０８１． ［４］张洪泉，范茂军．微双桥结构氢气传感技术研究［Ｊ］．仪表技术与传 感器，２００９（Ｓ１）：１５０—１５２． ［５］ＬＩＵ Ｌ，ＺＨＡＮＧ Ｔ，ＱＩ Ｑ，ｅｔ ａ１．Ａ ｎｏｖｅｌ ｍｉｃｒｏ—ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｅｔｈａｎｏｌ ｇａｓ ｓｅｎｓｏｒ ｗｉｔｈ ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｌａ０．７ＳｒＯ．３ＦｅＯ ［Ｊ］． Ｓｏｌｉｄ—Ｓｔａｔｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００７，５１（７）：１０２９—１０３３． 为Ｔ。从图６可以看出，传感器边围的加热电极区域的磁感应 强度值最大，而传感器的中心工作区域的磁感应强度最小值 ９．８６ｘ１０ 。Ｔ，则磁场对测量信号电路的干扰也相对极小，这有 利于提高传感器的整体性能。 ［６］ 朱腾飞，李辉，李明燃，等．基于ＭＥＭＳ工艺的集成红外气体传感 器工艺研究［Ｊ］．激光与红外，２０１４，４４（５）：５３３—５３８． ［７］ ＺＨＡＯ Ｘ Ｌ，ＣＡＩ Ｂ，ＴＡＮＧ Ｑ Ｘ，ｅｔ ａ１．Ｏｎｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｆｅｌｄ—ｅｆｆｅｃｔ ｓｅｎｓｏｒｓｆｏｒ ｇａｓ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｓｅｎｓｏｒｓ，２０１４，１４（８）：１３９９９ —１４０２０． ［８］ＳＩＭＯＮ Ｔ，ＢＡＩＳＡＮ Ｎ，ＢＡＵＥＲ Ｍ，ｅｔ ａ１．Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ ｇａｓ ｓｅｎｓｏｒｓ：ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｉｅｓ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｓｅｎｓｏｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ［Ｊ］．Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ｂ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ，２００１，７３（１）：１—２６． 图６传感器的磁场分布 ［９］ 刘丽丽，王连元，郭欣，等．微气体传感器微热板电极结构的设计 与优化［Ｊ］．电子元件与材料，２０１４，３３（９）：３００—３０６． 作者简介：刘丽丽（１９９０一），硕士研究生，主要研究方向为微气体传感 器的设计与研究。Ｅ—ｍａｉｌ：３６４７７０５７９＠ｑｑ．ｅｏｍ ５结论 本文通过利用有限元软件ＡＮＳＹＳ对设计的新型微气体传 （上接第１４页） 处理［Ｊ］．仪表技术与传感器，２０１３（１０）：９７—９９． ［７］ 徐伟，李强，陈雪冬，等．基于小波降噪与最小二乘估计的石英挠性加 速度传感器模型辨识［Ｊ］．传感技术学报，２０１３，２６（１１）：１４９３—１４９８． ［８］伍宗伟，姚敏立，马红光，等．基于奇异谱分解的微机械加速度传 感器振动噪声抑制方法［Ｊ］．振动与冲击，２０１４，３３（５）：７０—７５． ［９］ 杨辉跃，涂亚庆，张海涛，等．基于ＤＦＴ的相位差估计精度与改进 方法［Ｊ］．传感技术学报，２０１５，２８（１）：９３—９８． ［１Ｏ］ 刁瑞朋，孟庆丰．基于长程泄漏补偿的迭代插值ＦＦｒ方法及应用 ［Ｊ］．振动与冲击，２０１３，３２（２２）：１—６． 『１１］ＢＡＲＲＯＳ Ｊ．ＤＩＥＧＯ Ｒ Ｉ．Ｏｎ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈａｎｎｉｎｇ ｗｉｎｄｏｗ ｆｏｒ ｈａｒ－ 参考文献： ［１］ＬＩＮＫ Ａ，ＴＡＵＢＮＥＲ Ａ，ＷＡＢＩＮＳＫＩ Ｗ，ｅｔ ａ１．Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａｃｃｅｌｅｒｏｍ— ｅｔｅｒｓ：ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ａｎｄ ｐｈａｓｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｕｐｏｎ ｓｈｏｃｋ ｅｘｅｉ— ｒａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ，２００６，１７（７）：１８８８—１８９４． ［２］ＵＭＥＤＡ Ａ，ＯＮＯＥ Ｍ，ＳＡＫＡＴＡ Ｋ，ｅｔ ａ１．Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｒｅｅ－ａｘｉｓ ａｃｃｅｌ－ ｅｒｏｍｅｔｅｒｓ ｕｓｉｎｇ ａ ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ａｎｄ ｔｈｒｅｅ ｌａｓｅｒ ｉｎｔｅｒｆｅｍｍｅｔｅｒｓ［Ｊ］．Ｓｅｎｓｏｒ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ，２００４，１１４（１）：９３—１０１． ［３］ 范锦彪，王燕，徐鹏，等．高ｇ值加速度传感器的窄带冲校准理论与 方法［Ｊ］．传感技术学报，２０１２，２５（９）：１２４２－１２４５． ［４］ ＥＩＣＨＳＴＡＤＴ Ｓ，ＬＩＮＫ Ａ，ＴＨＲＯＭＡＳ Ｂ，ｅｔ ａ１．Ｏｎ—ｌｉｎｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｅｒｒｏｒ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｏｆ ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒｓ ｂｙ ｕｎｃｅｒｔａｉｎｌｙ ｏｐｔｉｍａｌ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ［Ｊ］． Ｍｅ￣ｕｍｍｅｎｔ，２０１０，４３（５）：７０８—７１３． ｍｏｎｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｎ ｔｈｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ｆｒａｍｅｗｏｒｋ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｄｅｌｉｖｅｒｙ，２００６，２１（１）：５３８—５４０． 作者简介：张浩（１９８８一），硕士研究生，从事传感器信号处理方面的学 习研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｚｏｎｅ＠１６３．ｃｏｍ ［５］杨颖，李醒飞，李洪宇，等．基于激光自适应效应的加速度传感器 ［Ｊ］．光学学报，２０１３，３３（２）：１１—１ ７． ．通讯作者：王建林（１９６５一），教授，博士，从事复杂工业过程智能检测与 控制、智能测控系统方面研究。 Ｅ—ｍａｉｌ：ｗａｎｇｊｌ＠ｍａｉｌ．ｂｕｃｔ．ｅｄｕ．ｃｎ ［６］ 刘新厂，柴晓冬，郑树彬，等．惯性测量单元中加速度信号的去噪
