新型微气敏传感器的设计、仿真及优化

发布时间：2017-06-28 08:03

  本文关键词：新型微气敏传感器的设计、仿真及优化，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着科技的发展和社会的进步,易燃、易爆、有毒、有害气体的种类和应用范围都在持续性增加,作为监测与控制这些危害性气体的气敏传感器得到了广泛的应用,其中基于MEMS技术的微气敏传感器更是广受国内外学者的关注,成为了气敏传感器领域的研究热点之一。本文围绕微结构气敏传感器进行了一系列研究,首先设计了三种新型微气敏传感器的微热板结构,然后借助于有限元分析软件ANSYS中的热场分析和磁场分析分别对它们进行了仿真、优化和比较,最后对基于这三种微热板结构的二氧化锡微气敏传感器进行了热场分析和比较,具体工作如下:1.I型微气敏传感器微热板的设计、仿真及优化设计了一种新型微气敏传感器的微热板结构,即为I型结构,其基底采用圆柱体状,截面圆面积为1.5 mm2,厚度为300μm。利用ANSYS软件对其进行了仿真和优化,结果得出:基底结构中的SiO_2-Si-SiO_2的厚度分别为10μm、120μm、170μm,加热电极和测量电极宽度均为10μm,传感器微热板的中心获得了352.26oC的高温,且在中心区域内温差仅为0.1oC,而此时中心区域的磁感应强度值位于彩色等值线的最小数值范围段,最小为9.84×10-10 T,与加热电极处的最大值383.066 T相比可忽略不计,有效的削弱了磁场对测量信号的干扰。2.II型微气敏传感器微热板的设计、仿真及优化设计的II型微气敏传感器的微热板的器件尺寸为1mm×1.5mm×300μm,经ANSYS仿真优化后结果如下:传感器微热板的基底为硅杯状基座结构,且在SiO_2绝缘层与硅基座之间另加了Si导热层和SiO_2保护层,加热电极宽度和间距各自为50μm和60μm,测量电极宽度为50μm,微热板的中心温度为364.76oC,中心区域温差为0.3oC,同时中心区域的磁感应强度值最小为3.48×10-9 T,与最大值1×10-4 T相比影响极小,满足了中心区域高温均匀分布和磁场影响小的要求。3.III型微气敏传感器微热板的设计、仿真及优化设计了III型微气敏传感器微热板结构,其元件尺寸为1mm×1.5mm×300μm,基底结构选用硅杯状结构,加热电极的宽度和间距经仿真后分别优化为50μm和100μm,测量电极的宽度为50μm,此时微热板中心温度为361.77oC,温差在1oC左右,中心区域的磁感应强度值最小为1.38×10-12 T,与最大值1.66×10-4 T相较几乎可忽略,成功的降低了磁场对测量电路的干扰度。4.三种新型微气敏传感器微热板的比较对三种新型微气敏传感器微热板的温度分布和磁场分布进行了比较,结果表明:在功耗相同的条件下,II型结构具有最高的364.76oC的中心温度,其中心区域的温差为0.3oC;其次为III型结构的361.77oC,中心区域的温差为1oC左右;最后为I型结构的352.26oC,对应的温差为0.1oC。三种结构的中心区域的磁感应强度值均位于彩色等值线的最小范围段,III型结构为1.38×10-12 T最小,I型的9.84×10-10 T次之,最后为3.48×10-9 T的II型结构。5.二氧化锡微气敏传感器的热场分析气敏传感器的核心部分是气敏材料,文章选用的气敏材料是最为常见的二氧化锡,接着对基于三种新型微热板结构的二氧化锡微气敏传感器进行热场仿真,最后对三种结构的温度分布进行了比较,结果显示:在功耗相同的条件下,I型的二氧化锡材料区域的温度为290oC左右,温差为0.1oC,II型的二氧化锡区域的温度约为310oC,温差为0.1oC,III型为293oC左右,温差为0.6oC,因此II型结构的温度最高,III型次之,I型最低。
【关键词】：微气敏传感器 ANSYS 优化设计 二氧化锡材料
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 绪论12-23
• 1.1 传感器概述12-13
• 1.2 气敏传感器13-20
• 1.2.1 气敏传感器的研究意义13-14
• 1.2.2 气敏传感器的分类与原理14-18
• 1.2.3 气敏传感器的应用及发展18-20
• 1.3 微结构气敏传感器20-22
• 1.3.1 微电子机械系统20
• 1.3.2 基于MEMS技术的微气敏传感器20-21
• 1.3.3 微气敏传感器的发展前景21-22
• 1.4 本章小结22-23
• 第二章 ANSYS有限元分析23-29
• 2.1 ANSYS基本介绍23-24
• 2.2 ANSYS的常用功能简介24-25
• 2.3 ANSYS稳态热场分析25-27
• 2.4 ANSYS静态磁场分析27-28
• 2.5 本章小结28-29
• 第三章 新型微气敏传感器微热板的设计、仿真及优化29-46
• 3.1 Ⅰ型微气敏传感器微热板的设计、仿真及优化29-34
• 3.1.1 微热板的结构设计29-30
• 3.1.2 基底参数的优化30-31
• 3.1.3 加热电极的优化31-32
• 3.1.4 测量电极的优化32-33
• 3.1.5 微热板的磁场分析33-34
• 3.2 Ⅱ型微气敏传感器微热板的设计、仿真及优化34-40
• 3.2.1 微热板电极结构的设计34-35
• 3.2.2 基底结构的优化35-36
• 3.2.3 加热电极的优化36-38
• 3.2.4 测量电极的优化38-39
• 3.2.5 微热板的磁场分析39-40
• 3.3 Ⅲ型微气敏传感器微热板的设计、仿真及优化40-43
• 3.3.1 微热板结构设计40
• 3.3.2 加热电极的优化40-42
• 3.3.3 测量电极的优化42-43
• 3.3.4 微热板的磁场分析43
• 3.4 三种新型微气敏传感器微热板的比较43-45
• 3.5 本章小结45-46
• 第四章 二氧化锡微气敏传感器46-52
• 4.1 二氧化锡简介及其气敏特性46-48
• 4.2 Ⅰ型二氧化锡微气敏传感器的热场分析48-49
• 4.3 Ⅱ型二氧化锡微气敏传感器的热场分析49
• 4.4 Ⅲ型二氧化锡微气敏传感器的热场分析49-50
• 4.5 三种结构的二氧化锡传感器的热场比较50
• 4.6 本章小结50-52
• 第五章 总结52-54
• 参考文献54-58
• 附录 各种材料的特性参数58-59
• 作者简介及科研成果59-60
• 致谢60

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本文编号：493078