發(fā)布時(shí)間：2020-11-19 07:27

　　 為保障煤礦的安全生產(chǎn)和井下人員的生命安全,開發(fā)可隨身攜帶的瓦斯傳感器對瓦斯進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測十分必要。MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)即微機(jī)電系統(tǒng),是一種把現(xiàn)代集成電路工藝與納米級微機(jī)械加工相結(jié)合的新興技術(shù),MEMS氣體傳感器具有熱損耗小、功耗低、體積微小、響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn),非常適合作為煤礦井下瓦斯傳感器。硅微加熱器是MEMS氣體傳感器的主要功能器件,對高溫硅微加熱器的研究對開發(fā)便攜式井下瓦斯傳感器有著顯著的意義。硅微加熱器的性能和功耗制約著MEMS氣體傳感器的小型化與便攜化。為使硅微加熱器在達(dá)到額定加熱溫度的同時(shí)降低其消耗的功率,運(yùn)用有限元分析的方法對硅微加熱器進(jìn)行功率優(yōu)化,主要工作包括:1、分析了摻雜單晶硅電阻隨摻雜濃度及溫度的變化趨勢,設(shè)計(jì)了一種計(jì)算方法,在單一摻雜類型的條件下,已知摻雜濃度與溫度即可求解摻雜硅電阻率,為使用有限元分析進(jìn)行硅微加熱器熱電耦合分析打下了基礎(chǔ);編程分析了摻雜濃度對硅TCR曲線的影響;對比常見熱導(dǎo)率計(jì)算模型的適用條件和應(yīng)用范圍,選取最適合在有限元分析中應(yīng)用的Holland熱導(dǎo)率模型進(jìn)行MATLAB編程求解。2、對不同摻雜濃度的N型硅電阻率進(jìn)行MATLAB求解計(jì)算;運(yùn)用有限元分析的方法對硅微加熱器的加熱溫度和功率進(jìn)行求解,歸納總結(jié)硅微加熱器功率變化的規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,硅微加熱器的電阻存在最大值,隨著加熱溫度的升高先增大后減小;硅微加熱器的功率隨加熱溫度的增大單調(diào)增加,但隨著溫度的上升其增速逐漸放緩。3、用有限元分析的方法對硅微加熱器進(jìn)行了分段摻雜模擬,結(jié)果表明,分段摻雜可以降低微加熱器的功率。在進(jìn)行分段摻雜實(shí)驗(yàn)的幾組數(shù)據(jù)中,運(yùn)用8×10~(18)cm~(-3)和2×10~(19)cm~(-3)兩種摻雜濃度時(shí)微加熱器的功率值最小。4、以摻雜濃度、微加熱器兩臂間距與懸臂梁臂寬三個(gè)參數(shù)作為實(shí)驗(yàn)因素,進(jìn)行了正交優(yōu)化設(shè)計(jì),用有限元分析求得三種因素對微加熱器功率的影響大小順序以及最優(yōu)水平。在最優(yōu)因素組合的條件下,微加熱器在達(dá)到600℃的工作溫度下功耗僅為60mW。
【學(xué)位單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TD712.55;TP212
【部分圖文】：

導(dǎo)探測器等 MEMS 器件當(dāng)中，應(yīng)用在不同的 MEMS 器件中時(shí)，功盡相同。微加熱器的結(jié)構(gòu)通常包括加熱電阻、外層薄膜以及硅襯底微加熱器工作時(shí)加熱的部分，外層薄膜主要起到減小熱量散失的效緣性好并具有良好機(jī)械強(qiáng)度的材料，如二氧化硅、氮化硅、碳化硅來支撐微加熱器的功能部分。加熱電阻一般有金屬鉑、摻雜半導(dǎo)體管或者硅鍺合金等材料[40]。微加熱器常見的結(jié)構(gòu)主要有兩種，一種構(gòu)，一種為懸臂梁結(jié)構(gòu)[41]。封閉膜式結(jié)構(gòu)在襯底表面沉積絕緣薄膜刻蝕工藝刻蝕掉加熱區(qū)背面的硅襯底，使之形成中空結(jié)構(gòu)。這種結(jié)機(jī)械強(qiáng)度較高，加熱時(shí)薄膜受熱均勻，但消耗的功率相對來說較大微加熱器采用表面犧牲層工藝、濕法腐蝕以及體硅刻蝕工藝，圖形，并去掉加熱區(qū)底層的硅襯底，將加熱區(qū)用幾條懸臂梁支撐在硅襯結(jié)構(gòu)的微加熱器因?yàn)榧訜釁^(qū)懸空，減小了與硅襯底間的熱量傳遞，膜結(jié)構(gòu)來說消耗功率較小。但由于僅由懸臂梁支撐加熱器，其機(jī)械膜結(jié)構(gòu)微加熱器，且制作難度較大[42]。兩種高溫微加熱器結(jié)構(gòu)如圖

構(gòu)微加熱器采用表面犧牲層工藝、濕法腐蝕以及體硅刻蝕工藝，圖形化區(qū)，并去掉加熱區(qū)底層的硅襯底，將加熱區(qū)用幾條懸臂梁支撐在硅襯梁結(jié)構(gòu)的微加熱器因?yàn)榧訜釁^(qū)懸空，減小了與硅襯底間的熱量傳遞，故閉膜結(jié)構(gòu)來說消耗功率較小。但由于僅由懸臂梁支撐加熱器，其機(jī)械強(qiáng)閉膜結(jié)構(gòu)微加熱器，且制作難度較大[42]。兩種高溫微加熱器結(jié)構(gòu)如圖圖 1-1 封閉膜結(jié)構(gòu)微加熱器示意Figure 1-1 Structrure of closed membrane micro-heater

碩士學(xué)位論文封閉膜結(jié)構(gòu)的微加熱器最早出現(xiàn)在 20 世紀(jì) 80 年代。1988 年，美國密歇 C. L. Johnson 和 K. D. Wise 設(shè)計(jì)了一種背部掏空結(jié)構(gòu)的微加熱器[43-45]。熱器首先在表面沉積了兩層二氧化硅中間夾一層氮化硅的三明治結(jié)構(gòu)，刻蝕把加熱器下面的硅襯底去掉，這樣就使微加熱器在加熱時(shí)減少了對傳導(dǎo)，在加熱溫度為 300℃時(shí)所消耗的功率為 100mW，比之前的微加大大降低了。由于使用的技術(shù)與 IC 工藝相兼容，因此這種微加熱器所MEMS 傳感器可以方便地跟外部電路集成在一起進(jìn)行信號的采集和處理微傳感器的集成化、小型化和智能化。新型結(jié)構(gòu)微加熱器的出現(xiàn)引發(fā)了的研究人員投入到 MEMS 傳感器的設(shè)計(jì)和研究中。
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2889892