微结构气体传感器微热板的设计与优化

【摘要】气体传感器与人们的生产生活息息相关，微结构气体传感器以其尺寸小，灵敏度高，易于实现集成化、智能化和功能化等特点，起着至关重要的作用。微热板作为微型气体传感器中重要的组成部分，一直是学者们研究的热点。本文以有限元分析软件ANSYS为平台，对微结构气体传感器微热板的结构进行了设计和优化，通过对微热板的电极和基底结构进行设计，并对其进行了热场和磁场的分析和优化，从而得到性能优良的微热板结构，主要内容如下：1.I型微热板结构的设计及优化设计了一种新型的微热板结构，其尺寸为1.5mm×1.0mm×300μm，并对微热板的结构进行了优化。利用有限元分析软件ANSYS对该结构微热板的热场和磁场进行了分析和优化，为了使I型微热板的中心温度最高且分布均匀，基底中绝缘层（SiO2）、衬底(Si)、隔热层(SiO2)的厚度分别为40μm、110μm、150μm，加热电极宽度为200μm，检测电极优化后宽度为10μm且无叉指。此时，I型微热板的中心温度能达到350.32℃，且分布均匀。另外，通过ANSYS优化可知，该微热板中央处的磁场值最小，其值为3.81×10-5A/m，且分布均匀，与该微热板的磁场最大值（Bmax=211.096A/m）相比，微热板中心区域的磁场可以忽略不计，从而极大地减小了磁场对测量信号的影响。2.II型微热板结构的设计与优化设计了一种新的版型微热板结构，并对其结构进行了优化，其尺寸为1.5mm×1.0mm×300μm。利用有限元分析软件ANSYS分析了该微热板结构的热场和磁场分布并进行了优化，为了使II型微热板的中心温度分布效果最佳，其基底中绝缘层（SiO2）、衬底(Si)、隔热层(SiO2)的厚度分别为50μm、100μm、150μm，加热电极宽度及间距均为20μm，检测电极宽度为10为μm，且为无叉指型。此时，II型微热板的中心温度能达到345.967℃，且温度分布一致性较好。通过对该微热板磁场的优化，微热板中央处的磁场分布均匀，且值最小，其值为2.19×10-7A/m，与该微热板的磁场最大值（341.771A/m）相比，微热板中心区域的磁场可以忽略，大幅地减小了磁场对测量信号的干扰。3.III型微热板结构的设计和优化设计分析了一种新的微热板结构，其尺寸为1.5mm×1.0mm×300μm。通过ANSYS软件分析优化了该微热板的热场和磁场分布，优化后其基底绝缘层（SiO2）、衬底(Si)、隔热层(SiO2)的厚度分别为26μm、124μm、150μm，加热电极宽度及间距分别为20μm和10μm，检测电极宽度为10为μm，且为无叉指型。此时III型微热板能获得最佳的温度分布，中心温度为346.445℃。优化后使得磁场最小值位于该微热板的中央，其值为4.57×10-7A/m，且分布均匀性最佳，与该微热板的磁场最大值（426.018A/m）比较，可以忽略不计，从而大大地减小了磁场对测量信号的干扰。4.IV型微热板结构的设计及优化设计优化了一种新型的微传感器微热板的结构，包括电极结构和基底结构，其外形尺寸为1.23mm×1.23mm×300μm。运用ANSYS软件对该微热板的结构进行了热场和磁场分布分析，为了使IV型微热板能获得最佳的温度分布，基底中绝缘层（SiO2）、衬底(Si)、隔热层（SiO2）的厚度分别为35μm、115μm、150μm，加热电极和检测电极的宽度分别为60μm和10μm，检测电极优化为无叉指。此时，IV型微热板的中心温度能达到336.335，且均匀性好。另外，通过磁场分析得到IV型结构微热板的中心区域磁场分布均匀，且值最小，其值为8.31×10-7A/m，同该微热板的磁场最大值（385.363A/m）比较，可以忽略，从而能有效减小磁场对测量信号的干扰。5.I型、II型、III型和IV型微热板比较在同功耗的情况下，四种结构微热板的中心区域温度分布都很均匀，而I型结构微热板的中心温度最高，其值是350.32℃，其次为III型、II型、IV型。四种结构微热板的中心区域磁场分布也都很均匀，且值最小，四种微热板结构中中心磁场分布最小的是II型，其值为2.19×10-7A/m，其次为III型、IV型、I型。
【作者】张晓波；
【导师】王国光；
【作者基本信息】吉林大学，光学工程，2014，硕士
【关键词】气体传感器；微热板；ANSYS；热场分析；

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