高温微加热器的热电效应研究

发布时间：2020-08-03 15:34

【摘要】：对于热催化、金属氧化物半导体、甚至红外等气体传感器而言,微加热器是一个关键元件。用于热催化、金属氧化物半导体及红外气体传感器的微加热器,由于加热温度较低,其研究主要集中在微加热器的温度分布均匀性、功率优化等方面,尚未考虑热电效应对微加热器的影响。随着基于MEMS工艺的高温硅微加热器用于甲烷气体的检测传感研究获得突破,热电效应对微米尺度高温硅微加热器的特性将具有显著影响。为了全面掌握高温硅微加热器的特性、进而利用高温微加热器的特性更有效的获得气体传感信息、探索形成新型甲烷传感方法,本文使用有限元仿真与实验的方法研究了高温硅微加热器中的热电效应。首先,本文对微加热器的传热过程进行了分析,给出了简化的热传输方程。并对不同类型的高温硅微加热器进行了焦耳热仿真,初步掌握焦耳热分析过程中微加热器传热规律。其次,对于N型和P型掺杂单晶硅桥式微加热器和U型微加热器,考虑热电效应进行了热电耦合分析,重点研究了N型硅高温微加热器中的热电效应。结果表明,高温微加热器中的热电效应会使高温硅微加热器温度分布产生显著的偏移,尤其是在正弦交流激励下,微加热器上温度分布偏移随激励同频率振荡,表明正弦激励等变化激励下高温微加热器中包含更加丰富的热信息。据此设计了两种新型传感结构,且进行了仿真分析,结果显示所设计的两种传感结构均能将高温硅微加热器中热电效应造成的温度偏移转换为可测电压信号。最后,使用拉曼光谱测温法对单个微加热器中不同电流下的温度分布进行了实验测试与分析。同时,对设计的新型传感结构进行了不同直流激励下的测试。结果表明,在不同激励下高温硅微加热器温度分布发生不同程度偏移,新型传感结构能有效地将温度偏移转换为电量输出,实验结果与有限元仿真结果吻合。研究表明微加热器中的热电效应能够产生更加丰富的热信息,所设计的新型传感结构可以有效的将这种热信息转换成电信号,有望用于MEMS气体传感器进行甲烷气体检测。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN30;TP212
【图文】：

内容,微电子技术,智能传感系统,传感机理

于微电子技术的集成电路全部集约在一起，以气体传传感器集成在一起检测不同气体，结合信号处理技术共同构成一个“智能传感系统”；量生产和低成本：无论是对一个 MEMS 器件进行加工 MEMS 加工工艺同其前身微电子技术一样可以进行大提高直接降低了制造成本，低廉的价格和优良的性据发展对传感节点的迫切需求；学科交叉：MEMS 技术应用最重要的领域是传感器、S 技术就是微电子技术与微机械技术的结合，因此 MEM领域，同时，微机械致动、传感技术及传感机理的研究多个学科。件的研究角度来看，MEMS 技术的主要研究内容可以用S 设计与仿真是进行 MEMS 技术研究的第一步和重要以对设计进行合理范围内的初步研究，并为设计以及设计与仿真

温度分布,微加热器

硕士学位论文杂硅组成的薄膜加热器，如图 1-2(a)所示，掺杂区是电阻式加热器以及不同掺杂浓度硅被用来优化温度分布，通过改变不同几何区域其设计的悬臂梁微热板加热区域的温度变化在 2%~4%之间[26]。另式微加热器由于比四悬臂梁式微加热器少了两个热传导渠道，其功，两个悬臂梁足以支撑加热器，但机械的鲁棒性有一些削弱。此外构平坦，热量容易通过对流而消失，只有一小部分供应的热量有助度升高。为了解决这一问题，Xu 等人研究了一种新型的三维微加加热结构只有两根支撑梁，从而大大降低了悬臂梁的热传导损耗-2(b)所示[27]。此外，与传统的悬浮膜结构或封闭膜结构相比，三维多的传感膜的表面与体积比，使传感器具有更高的灵敏度[28]。

微加热器,悬臂梁式

图 1-3 U 型悬臂梁式微加热器Figure 1-3AU-shaped cantilever microheater晶硅为代表的硅基材料对于调整微加热更加灵活，且硅基材料制作的微加热器]。Ma 等研制了一种与 COMS 兼容的双高温下的稳定性，该微加热器最高稳定图 1-3 所示[44]。另一方面，U 型悬臂结且可以释放热应力，保证了高温硅微加器为核心元件的新型微热传导式气体下甲烷与空气热导率差异更大，传感器爆炸下限内传感器响应与甲烷浓度具有设计需要综合考虑各种因素，同时也收到当际应用过程中的制造成本等问题。对于

【参考文献】