基于掺杂效应的高温微加热器设计

发布时间：2020-11-19 07:27

　　 为保障煤矿的安全生产和井下人员的生命安全,开发可随身携带的瓦斯传感器对瓦斯进行实时检测十分必要。MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)即微机电系统,是一种把现代集成电路工艺与纳米级微机械加工相结合的新兴技术,MEMS气体传感器具有热损耗小、功耗低、体积微小、响应时间短等优点,非常适合作为煤矿井下瓦斯传感器。硅微加热器是MEMS气体传感器的主要功能器件,对高温硅微加热器的研究对开发便携式井下瓦斯传感器有着显著的意义。硅微加热器的性能和功耗制约着MEMS气体传感器的小型化与便携化。为使硅微加热器在达到额定加热温度的同时降低其消耗的功率,运用有限元分析的方法对硅微加热器进行功率优化,主要工作包括:1、分析了掺杂单晶硅电阻随掺杂浓度及温度的变化趋势,设计了一种计算方法,在单一掺杂类型的条件下,已知掺杂浓度与温度即可求解掺杂硅电阻率,为使用有限元分析进行硅微加热器热电耦合分析打下了基础;编程分析了掺杂浓度对硅TCR曲线的影响;对比常见热导率计算模型的适用条件和应用范围,选取最适合在有限元分析中应用的Holland热导率模型进行MATLAB编程求解。2、对不同掺杂浓度的N型硅电阻率进行MATLAB求解计算;运用有限元分析的方法对硅微加热器的加热温度和功率进行求解,归纳总结硅微加热器功率变化的规律。实验结果表明,硅微加热器的电阻存在最大值,随着加热温度的升高先增大后减小;硅微加热器的功率随加热温度的增大单调增加,但随着温度的上升其增速逐渐放缓。3、用有限元分析的方法对硅微加热器进行了分段掺杂模拟,结果表明,分段掺杂可以降低微加热器的功率。在进行分段掺杂实验的几组数据中,运用8×10~(18)cm~(-3)和2×10~(19)cm~(-3)两种掺杂浓度时微加热器的功率值最小。4、以掺杂浓度、微加热器两臂间距与悬臂梁臂宽三个参数作为实验因素,进行了正交优化设计,用有限元分析求得三种因素对微加热器功率的影响大小顺序以及最优水平。在最优因素组合的条件下,微加热器在达到600℃的工作温度下功耗仅为60mW。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TD712.55;TP212
【部分图文】：

导探测器等 MEMS 器件当中，应用在不同的 MEMS 器件中时，功尽相同。微加热器的结构通常包括加热电阻、外层薄膜以及硅衬底微加热器工作时加热的部分，外层薄膜主要起到减小热量散失的效缘性好并具有良好机械强度的材料，如二氧化硅、氮化硅、碳化硅来支撑微加热器的功能部分。加热电阻一般有金属铂、掺杂半导体管或者硅锗合金等材料[40]。微加热器常见的结构主要有两种，一种构，一种为悬臂梁结构[41]。封闭膜式结构在衬底表面沉积绝缘薄膜刻蚀工艺刻蚀掉加热区背面的硅衬底，使之形成中空结构。这种结机械强度较高，加热时薄膜受热均匀，但消耗的功率相对来说较大微加热器采用表面牺牲层工艺、湿法腐蚀以及体硅刻蚀工艺，图形，并去掉加热区底层的硅衬底，将加热区用几条悬臂梁支撑在硅衬结构的微加热器因为加热区悬空，减小了与硅衬底间的热量传递，膜结构来说消耗功率较小。但由于仅由悬臂梁支撑加热器，其机械膜结构微加热器，且制作难度较大[42]。两种高温微加热器结构如图

构微加热器采用表面牺牲层工艺、湿法腐蚀以及体硅刻蚀工艺，图形化区，并去掉加热区底层的硅衬底，将加热区用几条悬臂梁支撑在硅衬梁结构的微加热器因为加热区悬空，减小了与硅衬底间的热量传递，故闭膜结构来说消耗功率较小。但由于仅由悬臂梁支撑加热器，其机械强闭膜结构微加热器，且制作难度较大[42]。两种高温微加热器结构如图图 1-1 封闭膜结构微加热器示意Figure 1-1 Structrure of closed membrane micro-heater

硕士学位论文封闭膜结构的微加热器最早出现在 20 世纪 80 年代。1988 年，美国密歇 C. L. Johnson 和 K. D. Wise 设计了一种背部掏空结构的微加热器[43-45]。热器首先在表面沉积了两层二氧化硅中间夹一层氮化硅的三明治结构，刻蚀把加热器下面的硅衬底去掉，这样就使微加热器在加热时减少了对传导，在加热温度为 300℃时所消耗的功率为 100mW，比之前的微加大大降低了。由于使用的技术与 IC 工艺相兼容，因此这种微加热器所MEMS 传感器可以方便地跟外部电路集成在一起进行信号的采集和处理微传感器的集成化、小型化和智能化。新型结构微加热器的出现引发了的研究人员投入到 MEMS 传感器的设计和研究中。
【参考文献】

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本文编号：2889892