基于ZnO的微氣體傳感器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

官修龍，劉 麗，劉 震，何 越，王連元

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基于ZnO的微氣體傳感器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

官修龍，劉 麗，劉 震，何 越，王連元

（吉林大學(xué)物理學(xué)院超硬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長(zhǎng)春 130012）

設(shè)計(jì)了一種新型ZnO微氣體傳感器的結(jié)構(gòu)，利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)該傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并對(duì)傳感器的基底三層材料的厚度、加熱電極的寬度和間距以及測(cè)量電極的寬度參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果得出：當(dāng)傳感器基底中前SiO2層、中間Si層、后SiO2層的厚度分別為10，140和150 μm，加熱電極和測(cè)量電極寬度均為30 μm，加熱電極的間距為100 μm，此時(shí)傳感器的ZnO材料工作區(qū)域可獲得最佳的溫度分布和磁場(chǎng)分布，有利于傳感器整體性能的提高。

有限元分析；ZnO；微氣體傳感器；優(yōu)化設(shè)計(jì)；溫度分布；磁場(chǎng)分布

氣體傳感器是一種把氣體中的特定成分檢測(cè)出來(lái)，并將它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件，可以用于測(cè)量某種氣體的存在及其濃度的大小。氣體傳感器的工作性能很大程度上依賴于所選用的敏感材料[1]。半導(dǎo)體金屬氧化物氧化鋅(ZnO)是一種較為常見的氣敏材料，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)、廣泛的來(lái)源渠道以及較低的成本使得ZnO在壓電材料[2-3]、光催化[4-5]、太陽(yáng)能電池[6-7]和傳感器[8-11]等眾多方面有重要應(yīng)用。在氣體傳感器方面，ZnO由于其穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)及對(duì)可燃性氣體的優(yōu)良敏感性而成為研究最早、應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體敏感材料之一[11-12]。

有限元分析法(FEA，F(xiàn)inite Element Analysis)是隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展而快速發(fā)展起來(lái)的一門現(xiàn)代計(jì)算分析技術(shù)，它是利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬。有限元分析法被廣泛用于仿真求解實(shí)際應(yīng)用中遇到的工程問(wèn)題，偏微分方程可以用來(lái)描述流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)以及電磁場(chǎng)、熱學(xué)、光學(xué)等，而有限元法可以將這些數(shù)學(xué)方程轉(zhuǎn)化為近似的直觀圖像[9]。到目前為止，已出現(xiàn)許多功能強(qiáng)大的如 ANSYS、COSMOS、SAP、ADINA等面向工程的有限元分析程序軟件，其中有限元軟件ANSYS是微傳感器設(shè)計(jì)過(guò)程中重要的模擬仿真工具[10-11]。本文設(shè)計(jì)了一種新的ZnO共平面微結(jié)構(gòu)氣體傳感器，其加熱電極與信號(hào)電極位于同一平面內(nèi)，避免了存在于“三明治結(jié)構(gòu)”[13]加熱電極與信號(hào)電極間的寄生電場(chǎng)(即加熱層、絕緣層、信號(hào)層之間的寄生電場(chǎng))，有效地克服了寄生電容和磁場(chǎng)對(duì)器件測(cè)量信號(hào)的干擾。

1 傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

半導(dǎo)體傳感器根據(jù)制作工藝的不同可分為燒結(jié)型、厚膜型和薄膜型三種，而厚膜型氣體傳感器相較于其他兩種器件具有強(qiáng)度好、特性比較均一、便于生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的傳感器屬于厚膜型微氣體傳感器。厚膜型微氣體傳感器是將具有氣敏性能的材料與適當(dāng)?shù)恼澈蟿┗旌现瞥蓾{料，然后將其涂敷在印有電極的微傳感器平面上，干燥后燒結(jié)即可。

設(shè)計(jì)的ZnO氣敏傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示，傳感器的平面尺寸為1.0 mm×1.5 mm，傳感器基底厚度為300 μm，并設(shè)計(jì)為前SiO2層、中間硅層、后SiO2層的三層狀結(jié)構(gòu)，前后兩層SiO2分別有絕緣和絕熱的作用。圖1中最上層的黑色半透明部分為氣體敏感材料ZnO，直接涂敷在傳感器上表面，蓋住加熱電極和測(cè)量電極，只露出引腳部分，敏感材料與加熱電極的直接接觸使得加熱效率有很大的提高。

圖1 ZnO微氣體傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖

2 傳感器的ANSYS分析和優(yōu)化

2.1 傳感器基底的優(yōu)化

本文設(shè)計(jì)的傳感器基底是由前SiO2層、硅層和后SiO2層三層構(gòu)成，這三層結(jié)構(gòu)各自的厚度值發(fā)生變化時(shí)，傳感器的溫度分布也會(huì)有所不同，利用有限元分析軟件ANSYS來(lái)模擬基底三層結(jié)構(gòu)的厚度不同時(shí)傳感器的溫度分布，如圖2所示。圖2依次模擬仿真了基底的三層厚度分別為E10G140B150、E100G100B100和E150G140B10時(shí)的溫度分布，其中E、G、B分別表示傳感器基底中前SiO2層、中間Si層、后SiO2層的厚度，厚度單位為mm，圖中的數(shù)值單位為℃。從圖2中可以看出，相比于其他兩種情況的溫度分布，基底厚度為E10G140B150時(shí)的ZnO材料區(qū)域的溫度較高且溫度分布也更為均勻。

圖2 基底三層結(jié)構(gòu)為不同厚度時(shí)的溫度分布圖

2.2 傳感器的加熱電極優(yōu)化

傳感器加熱電極的寬度和間距均會(huì)影響傳感器ZnO材料區(qū)域的溫度分布，而氣敏材料ZnO對(duì)工作溫度要求較高，工作溫度越均勻傳感器的選擇性越好，因此對(duì)不同的加熱電極寬度和間距時(shí)的傳感器分別進(jìn)行了模擬，然后以傳感器模型左邊緣中心點(diǎn)為起點(diǎn)，右邊緣中心點(diǎn)為終點(diǎn)的中線的溫度進(jìn)行取值，得到兩幅相應(yīng)的溫度分布曲線圖，分別如圖3、圖4所示，圖中縱坐標(biāo)字母代表溫度，橫坐標(biāo)代表中線上某點(diǎn)到傳感器左邊緣中點(diǎn)的距離。

圖3模擬的是加熱電極寬度為10，30，50 μm時(shí)的溫度曲線，其中代表加熱電極的寬度。從圖中可以看出：三種寬度的溫度分布均勻性都較好，但加熱電極寬度為30 μm的溫度曲線整體高于其他兩個(gè)，因此設(shè)定加熱電極寬度為30 μm。

圖3 不同加熱電極寬度的溫度分布曲線

圖4顯示的是不同的加熱電極間距的溫度曲線，三種加熱電極間距分別是50，100，150 μm，其中代表加熱電極的間距。由圖4可知，加熱電極間距越大，傳感器整體溫度越高，但間距從100 μm增加為150 μm時(shí)其中心點(diǎn)溫度僅提升了0.04 ℃，且考慮到空間和材料的限制，設(shè)定加熱電極間距為100 μm。此時(shí)傳感器溫度曲線的中心點(diǎn)的溫度為293.11 ℃，傳感器的橫向整體溫差在0.4 ℃以內(nèi)。

圖4 不同加熱電極間距的溫度分布曲線

2.3 傳感器的測(cè)量電極優(yōu)化

傳感器測(cè)量電極與加熱電極構(gòu)成測(cè)量回路，利用ANSYS對(duì)寬度分別為30，50，100 μm的測(cè)量電極的溫度分布進(jìn)行了模擬，結(jié)果如圖5所示，圖中代表測(cè)量電極的寬度。圖5中的三條曲線幾乎完全重合，可分析為測(cè)量電極寬度在30 μm增大到100 μm的過(guò)程中，傳感器的材料區(qū)域的溫度分布幾乎沒(méi)有變化。較之加熱電極對(duì)傳感器材料區(qū)域溫度的影響，測(cè)量電極寬度的改變幾乎沒(méi)有影響，選用測(cè)量電極寬度與加熱電極寬度相同，均為30 μm。

圖5 不同測(cè)量電極寬度的溫度分布曲線

3 傳感器的磁場(chǎng)分布

由于傳感器中加熱電極是通以電流來(lái)進(jìn)行加熱的，而電流會(huì)產(chǎn)生一定的磁感應(yīng)強(qiáng)度，但本文中傳感器的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)由于兩條反向加熱電流而相互抵消了一大部分，因此本文設(shè)計(jì)的傳感器應(yīng)該具有較小的磁場(chǎng)分布，利用ANSYS對(duì)其磁場(chǎng)進(jìn)行了模擬，結(jié)果如圖6所示，圖中的數(shù)值單位為T。如圖6所示，傳感器中磁感應(yīng)強(qiáng)度值最大的地方位于加熱電極區(qū)域，而其他區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度值都明顯很小，最小可至7.74×10–13T。

圖6 傳感器的磁場(chǎng)分布

4 結(jié)論

（1）根據(jù)有限元軟件ANSYS對(duì)微氣體傳感器基底的模擬結(jié)果，當(dāng)前SiO2層、中間Si層、后SiO2層的厚度分別為10，140，150 μm時(shí)，傳感器的ZnO材料區(qū)域具有較好的溫度分布。

（2）加熱電極寬度和間距的改變主要影響傳感器整體溫度的高低，對(duì)溫度均勻性沒(méi)有影響，最佳的加熱電極寬度和間距分別為30 μm和100 μm；而測(cè)量電極對(duì)傳感器的ZnO材料區(qū)域的溫度分布幾乎沒(méi)有影響，選用測(cè)量電極寬度為30 μm。此時(shí)傳感器ZnO材料區(qū)域的中心溫度達(dá)到293.11 ℃，橫向整體溫差在0.4 ℃以內(nèi)。

（3）利用ANSYS對(duì)微氣體傳感器的磁場(chǎng)分布進(jìn)行了分析，材料區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度值均很小，最小為7.74×10–13T。

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（編輯：陳豐）

Design and optimization of a micro gas sensor based on ZnO

GUAN Xiulong, LIU Li, LIU Zhen, HE Yue, WANG Lianyuan

(State Key Laboratory of Superhard Materials, College of Physics, Jilin University, Changchun 130012, China)

A novel structure was designed for ZnO micro gas sensor, and analyzed by using finite element analysis tool ANSYS. The substrate material thickness, the width and spacing of heating electrode, and the width of measuring electrode of the macro gas sensor were analyzed and optimized. The results show that when the thickness of the front SiO2layer, the middle Si layer and the back SiO2layer are 10 μm, 140 μm and 150 μm, respectively, both of heating electrode width and measuring electrode width are 30 μm, and the heating electrode spacing is 100 μm. The best temperature and magnetic field distributions can be obtained in the ZnO work area of the gas sensor, which is helpful to improve the whole performance of the sensor.

finite element analysis; ZnO; micro gas sensor; optimum design; temperature distribution; magnetic field distribution

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.06.012

TP212.2

A

1001-2028（2017）06-0062-04

2017-03-20

劉麗

吉林省科技廳重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目資助(No. 20140204027GX)

劉麗（1968－），女，吉林長(zhǎng)春人，博士，主要從事微納功能材料與傳感器件研究，E-mail: liul99@jlu.edu.cn ；官修龍（1988－），男，山東臨沂人，研究生，主要從事微氣體傳感器的設(shè)計(jì)，E-mail: guanxl15@mails.jlu.edu.cn 。

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2017-06-07 13:44

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170607.1344.012.html