溫度分布及應(yīng)力可調(diào)的微熱板式氣體傳感器.pdf

1、微熱板(MHP)式氣體傳感器具有低功耗、體積小、可集成等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的研究。溫度是影響氣體傳感器靈敏度的重要因素;殘余應(yīng)力及熱應(yīng)力，對(duì)微熱板式氣體傳感器的可靠性至關(guān)重要。因此，本文首先設(shè)計(jì)制作了一種多電阻絲型微熱板，實(shí)現(xiàn)微熱板溫度分布均勻性的優(yōu)化，及其溫度分布的調(diào)節(jié);其次，設(shè)計(jì)制作了一種基于靜電梳齒執(zhí)行器的微熱板式氣體傳感器應(yīng)力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在不影響微熱板溫度分布的前提下，實(shí)現(xiàn)氣敏材料的應(yīng)力調(diào)節(jié)，為實(shí)驗(yàn)探究應(yīng)力對(duì)氣體傳感器的性能影響提供

2、一個(gè)新的平臺(tái)。
　　首先，為了研究溫度分布對(duì)MHP氣體傳感器的影響，將MHP的加熱絲從一條擴(kuò)展到三條，并采用有限元軟件COMSOL Multiphysics仿真了不同電阻絲加熱時(shí)MHP的溫度分布。仿真結(jié)果顯示，采用不同電阻絲加熱，微熱板上縱向和橫向溫度梯度都可獲得有效的調(diào)節(jié)。采用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝和后處理工藝成功實(shí)現(xiàn)了此溫度分布可調(diào)MHP氣體傳感器的加工。
　　其次，對(duì)三電阻加熱型MHP式氣體傳感器進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，不

3、同電阻絲加熱到MHP最高溫度為300℃時(shí)，外圍雙電阻組合加熱方式測(cè)得縱向溫度梯度0.18℃/μm，具有較好的溫度均勻性，熱功耗為19mW;僅中心電阻加熱獲得縱向溫度梯度0.57℃/μm，熱功耗略低，為15.5mW;僅一側(cè)電阻加熱會(huì)達(dá)到最大溫度梯度1.57℃/μm，熱功耗為14.7mW，最易燒毀。在最優(yōu)溫度分布下，650℃熱膨脹形變約為1.5μm。氣敏測(cè)試結(jié)果表明，傳感器對(duì)乙醇的響應(yīng)主要受中心敏感區(qū)溫度的影響，該區(qū)域溫度分布梯度在較小范圍

4、內(nèi)變化，氣敏響應(yīng)無(wú)顯著差異。測(cè)試了器件的超高溫特性，溫度高于700℃，加熱絲阻值發(fā)生漂移，燒毀極限溫度約為900℃。
　　然后，設(shè)計(jì)了基于靜電梳齒執(zhí)行器的微熱板應(yīng)力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，并采用有限元仿真了器件的熱電力學(xué)特性。仿真結(jié)果表明，微熱板工作在200～500℃時(shí)，靜電梳齒執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)電壓在0～250V范圍內(nèi)變化，氣敏薄膜中應(yīng)力隨著驅(qū)動(dòng)電壓升高而減小，應(yīng)力調(diào)節(jié)量在5％～10％之間，并且與工作溫度相關(guān)，該器件能夠調(diào)節(jié)氣敏材料中應(yīng)力。