劉 航 李 洋

(吉林建筑大學電氣與電子信息工程學院，長春 130118)

微結(jié)構(gòu)氣體傳感器以其體積小，功耗低，靈敏度高，易于批量生產(chǎn)等優(yōu)點，使其在食品安全、環(huán)境監(jiān)測、航空航天、軍事國防等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用.微結(jié)構(gòu)氣體傳感器的性能依靠于其敏感材料的活性，一般敏感材料的活性達到最佳的適宜溫度都在幾十攝氏度甚至上百攝氏度，正常的室溫無法滿足，因此需要設(shè)計加熱襯底對敏感材料進行加熱.微熱板就是為了滿足敏感材料加熱而設(shè)計的，設(shè)計微熱板和分析微熱板上的熱分布至關(guān)重要.ANSYS軟件是融合了結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場、熱分析于一體的通用的有限元分析軟件[1－3]，該分析軟件在做熱分析上具有強大的功能.本文在微結(jié)構(gòu)氣體傳感器的設(shè)計中，采用ANSYS有限元分析工具中熱分析方法，通過輸入不同的數(shù)據(jù)參數(shù)，對所設(shè)計微結(jié)構(gòu)氣體傳感器加熱電極的長度、寬度、厚度等進行了穩(wěn)態(tài)熱分析，并通過對彩色云圖的分析，曲線圖的對比得出結(jié)論，為微熱板電極的設(shè)計提供理論依據(jù).

1 微熱板結(jié)構(gòu)

微結(jié)構(gòu)傳感器的微熱板由襯底、絕緣層、電極層(加熱電極和檢測電極)組成.目前，Si是一種最理想的襯底材料，選擇Si作為襯底，SiO2作為絕緣層.SiO2作為絕緣層，不僅起到了絕緣的作用，同時對Si襯底也起到了保護的作用.對于加熱器襯底材料的選擇，有的選用Al，有的選用Au作為加熱器[4].與上面提到的兩種材料相比較，Pt具有很高的熱熔率和導(dǎo)熱率，即使加熱到400℃以上時，仍然具有很好的穩(wěn)定性.用于酒精等氣體檢測的敏感材料SnO2和ln2O3最佳工作溫度300℃ ～500℃，因此選擇Pt作為電極.

2 應(yīng)用ANSYS有限元軟件建模和熱分析

2.1 ANSYS 建模方法

本文應(yīng)用ANSYS有限元工具分析在微熱板結(jié)構(gòu)不變條件下，電極采用不同的長度、寬度、厚度，分析微熱板上的溫度分布.為了使加熱電極的熱生成情況的溫度分布更加均勻有效，施加的加熱負載采用設(shè)定熱生成率和電極表面固定溫度兩種相結(jié)合的方法.具體過程如下:根據(jù)ANSYS的穩(wěn)態(tài)熱分析的功能，設(shè)置分析類型(Preferences＞Thermal)，把器件各組成部分的材料參數(shù)進行設(shè)置(Preprocessor＞Material Props＞MaterislM-odels＞Thermal＞Conductivity/Specific Heat/Density)，如表1所示材料的物理參數(shù)，從而確定各部分組成元件的功能[5]，定義相應(yīng)的單元類型(Preprocessor＞Element Type＞Add/Adit＞Delet＞Add(solid－Brick 8node 70))，利用Ansys中的PREP7處理器，采用solid 70操作(Preprocessor＞Modeling＞Create＞Volumes＞Block＞By Dimensions)建模.運用布爾運算中的GLUE(Preprocessor＞Modeling＞Operate＞Booleans＞Glue＞Volumes)命令，把各個體之間的公共面進行粘貼，使其成為一體，確保熱量在各個體之間正常傳遞.在劃分網(wǎng)格時，使用Meshing命令(Preprocessor＞Meshing＞MeshTool)，將圖形器件依次進行劃分.在進入SOLUTION處理器后，開始對器件施加載荷(Preprocessor＞Loads＞Define＞Loads＞Apply＞Thermal＞Temperature/Convection/Heat Generat)，進行熱分析.

表1 有限元模擬和分析所采用的各種材料的物理參數(shù)

2.2 應(yīng)用ANSYS有限元工具對Pt條長度的仿真

以Si為襯底，SiO2為絕緣層，在其上建立 Pt條寬度為0.05mm，厚度為0.0003mm，長度由0.15mm到2mm之間取不同數(shù)值的電極層，分別仿真器件的穩(wěn)態(tài)溫度分布.各個體之間的接觸面用GLUE命令粘接，以使溫度可以在加熱電極和底層各材料間正常傳導(dǎo)，電極外表面673K，熱生成率為6E+11W/m3，空氣對流系數(shù)為20W/m2·℃，空氣溫度為297℃(正常情況下室溫20℃).

由有限元云圖顯示，隨著電極條長度的增加，溫度分布逐漸均勻，溫度場面積變大，溫差逐漸減小.由圖1所示的不同Pt條長度與溫差的對比曲線圖可見，隨著Pt電極條長度的增大，溫差變小，作為加熱電極產(chǎn)生的熱量分布越均勻.

圖1 不同Pt條長度與溫差的對比曲線

圖2 不同Pt條寬度與溫差的對比曲線

2.3 應(yīng)用ANSYS的Pt電極條寬度的仿真

在材料、大小、形狀均不變的情況下，建立Si襯底和SiO2絕緣層，同樣采用在SiO2絕緣層上面建立Pt電極層，利用ANSYS熱分析工具進一步分析了當Pt電極長度一定，寬度改變時的熱分布.即選擇Pt長度為1.7mm，厚度0.0003mm，寬度從0.03mm～0.1mm中取不同值，建立模型仿真.施加載荷:電極外表面673K，熱生成率為6E+11W/m3，空氣對流系數(shù)為20W/m2·℃，空氣溫度為297℃(正常情況下室溫20℃).由圖2所示不同Pt條寬度與溫差的對比曲線圖可見，隨著電極寬度的增加，溫度場的高溫面積向外擴散，溫差也發(fā)生變化，在寬度為0.1mm時，溫差減小的幅度開始變得緩和，溫差最小為0.697K，溫度分布較均勻.

2.4 應(yīng)用ANSYS的Pt電極條厚度的仿真

在襯底層和絕緣層的材料、尺寸不變的情況下，建立Pt電極，長度為1.7mm，寬度為0.1mm，對Pt電極的厚度值分別取0.00015mm～0.0008mm，依次建立模型，分析在電極條厚度變化時對溫度分布的影響.施加載荷:電極外表面673K，熱生成率為6E+11W/m3，空氣對流系數(shù)為20W/m2·℃，空氣溫度為297℃(正常情況下室溫20℃).圖3所示為不同Pt條寬度與溫差的對比曲線圖可見，電極的厚度對溫度場的分布影響很小，溫差基本不變，電極厚度對熱分布無影響.

圖3 為不同Pt條寬度與溫差的對比曲線

2.5 結(jié)果分析

根據(jù)仿真得到的云圖，以及溫度變化曲線圖可知，隨著加熱電極的長度增大，寬度的增加，溫度分布云圖顯示逐漸變得分層均勻，溫差也逐漸變小，由于加熱電極都分布在襯底邊緣，因此高溫部分都集中在襯底一側(cè)的邊緣區(qū)域，溫度向遠離一側(cè)逐漸降低.由于Pt電極厚度仿真變化范圍很小，對溫度分布云圖幾乎無影響.

3 結(jié)果優(yōu)化

為了使溫度云圖分布更均勻，高溫部分溫度面積變大，故可通過改變建立Pt電極的位置，進而改變云圖的溫度分布情況和高溫區(qū)域的分布位置.襯底結(jié)構(gòu)和尺寸大小不變，在其上建立電極，電極長度、寬度、厚度分別取 1.7mm，0.1mm 和 0.0003mm，電極的位置坐標為:(x1，y1，z1)[(0.00005，0.00175)(0，0.0001)(0.0003003，0.0003006)]，(x2，y2，z2)[(0.00015，0.00185)(0.00015，0.00025)(0.0003003，0.0003006)]，施加的負載參數(shù)均不改變.

通過改變Pt加熱電極的排布位置.由溫度云圖顯示，隨著加熱電極逐漸向襯底中間位置靠近，云圖溫度帶的分布由原來的塊兒狀區(qū)域分布，變?yōu)閹顓^(qū)域分布，且高溫區(qū)域面積變大，溫度分布逐漸均勻.距離加熱電極較遠的一邊的溫度最低，接近于室溫.因此，此次優(yōu)化是合理的.

4 結(jié)論

本文應(yīng)用ANSYS有限元工具，通過對微結(jié)構(gòu)氣體傳感器Pt電極長度、寬度、厚度結(jié)構(gòu)設(shè)計的模擬分析.對微結(jié)構(gòu)氣敏元件進行了優(yōu)化，在不改變設(shè)計器件材料、尺寸和結(jié)構(gòu)的前提下，通過改變Pt電極的位置，使溫度分布均勻，呈現(xiàn)明顯的溫度分布層.以上研究成果可以為開展微熱板結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論支持.

[1]胡仁喜，徐東升，李亞東.ANSYS 13.0機械與結(jié)構(gòu)有限元分析從入門到精通[M].北京:機械工業(yè)出版社，2011:337－377.

[2]李春明.微結(jié)構(gòu)氣體傳感器的設(shè)計、模擬、制作及溫度測量[D].長春:吉林大學，2005.

[3]韓 郁.新型微結(jié)構(gòu)氣體傳感器設(shè)計分析及乙醇氣敏元件的研究[D].長春:吉林大學，2012.

[4]YAN Guizhen，TANG zhenpan，PHILIP CHC，et al.An experiment alstudy on high － temperature metallization for micro－h(huán)otplat e－based integratedgas sensor[J].Sensors and Actuators，2002，B(86):1 －11.

[5]劉 麗.硅基微結(jié)構(gòu)氣體傳感器的研制[D].長春:吉林大學，2008.