微气体传感器结构设计和优化*

张晓波，陕 皓，刘 丽，王连元，李守春，王国光

(吉林大学 物理学院 超硬材料国家重点实验室，吉林 长春130000)

0 引 言

如今，气体传感器已经被广泛地应用于环境、汽车、医疗等领域，并且，与人们的生活关系日益紧密。近些年来，微电子技术和微机械加工技术的发展，尤其是近20 年来，硅的微加工技术的应用，推动了气体传感器向微型化、低功耗和集成化发展。现如今微型传感器已经成为人们在微观领域认识和改造世界的一项高新技术。它具有尺寸小、质量轻、响应快、重复性好、功耗低，集成化程度高、成本低等优点，应用前景十分广泛［1］。

由于很多敏感材料通常在特定的温度下才能更好地发挥其敏感作用，所以，在气体传感器的结构设计中，微热板的设计是其中最重要的一环。对于微热板温度分布的模拟通常采用有限元分析的方法。有限元分析是利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟。利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近真实的无限未知量［2］。本文设计了一种新型微结构气体传感器的电极结构，并通过ANSYS 有限元模块分析，模拟了在新型电极形状条件下，基底的SiO2和Si 不同厚度、加热条不同宽度、信号条不同宽度和间隙距离时的微热板表面的温度分布。

1 传感器的结构设计

本文设计了一种具有共平面型结构的Si 基微结构传感器的研制方案，器件尺寸为2 mm ×1 mm ×0.3 mm，侧面效果如图1 所示。该结构将加热电极、信号电极设计在同一平面上，避免了存在于“三明治结构”中的加热电极和信号电极之间的寄生电场(即加热层、绝缘层、信号层3 层间的寄生电场)。……