刘 航 李 洋

(吉林建筑大学电气与电子信息工程学院，长春 130118)

微结构气体传感器以其体积小，功耗低，灵敏度高，易于批量生产等优点，使其在食品安全、环境监测、航空航天、军事国防等领域有着广泛的应用.微结构气体传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达到最佳的适宜温度都在几十摄氏度甚至上百摄氏度，正常的室温无法满足，因此需要设计加热衬底对敏感材料进行加热.微热板就是为了满足敏感材料加热而设计的，设计微热板和分析微热板上的热分布至关重要.ANSYS软件是融合了结构、流体、电场、磁场、声场、热分析于一体的通用的有限元分析软件[1－3]，该分析软件在做热分析上具有强大的功能.本文在微结构气体传感器的设计中，采用ANSYS有限元分析工具中热分析方法，通过输入不同的数据参数，对所设计微结构气体传感器加热电极的长度、宽度、厚度等进行了稳态热分析，并通过对彩色云图的分析，曲线图的对比得出结论，为微热板电极的设计提供理论依据.

1 微热板结构

微结构传感器的微热板由衬底、绝缘层、电极层(加热电极和检测电极)组成.目前，Si是一种最理想的衬底材料，选择Si作为衬底，SiO2作为绝缘层.SiO2作为绝缘层，不仅起到了绝缘的作用，同时对Si衬底也起到了保护的作用.对于加热器衬底材料的选择，有的选用Al，有的选用Au作为加热器[4].与上面提到的两种材料相比较，Pt具有很高的热熔率和导热率，即使加热到400℃以上时，仍然具有很好的稳定性.用于酒精等气体检测的敏感材料SnO2和ln2O3最佳工作温度300℃ ～500℃，因此选择Pt作为电极.

2 应用ANSYS有限元软件建模和热分析

2.1 ANSYS 建模方法

本文应用ANSYS有限元工具分析在微热板结构不变条件下，电极采用不同的长度、宽度、厚度，分析微热板上的温度分布.为了使加热电极的热生成情况的温度分布更加均匀有效，施加的加热负载采用设定热生成率和电极表面固定温度两种相结合的方法.具体过程如下:根据ANSYS的稳态热分析的功能，设置分析类型(Preferences＞Thermal)，把器件各组成部分的材料参数进行设置(Preprocessor＞Material Props＞MaterislM-odels＞Thermal＞Conductivity/Specific Heat/Density)，如表1所示材料的物理参数，从而确定各部分组成元件的功能[5]，定义相应的单元类型(Preprocessor＞Element Type＞Add/Adit＞Delet＞Add(solid－Brick 8node 70))，利用Ansys中的PREP7处理器，采用solid 70操作(Preprocessor＞Modeling＞Create＞Volumes＞Block＞By Dimensions)建模.运用布尔运算中的GLUE(Preprocessor＞Modeling＞Operate＞Booleans＞Glue＞Volumes)命令，把各个体之间的公共面进行粘贴，使其成为一体，确保热量在各个体之间正常传递.在划分网格时，使用Meshing命令(Preprocessor＞Meshing＞MeshTool)，将图形器件依次进行划分.在进入SOLUTION处理器后，开始对器件施加载荷(Preprocessor＞Loads＞Define＞Loads＞Apply＞Thermal＞Temperature/Convection/Heat Generat)，进行热分析.

表1 有限元模拟和分析所采用的各种材料的物理参数

2.2 应用ANSYS有限元工具对Pt条长度的仿真

以Si为衬底，SiO2为绝缘层，在其上建立 Pt条宽度为0.05mm，厚度为0.0003mm，长度由0.15mm到2mm之间取不同数值的电极层，分别仿真器件的稳态温度分布.各个体之间的接触面用GLUE命令粘接，以使温度可以在加热电极和底层各材料间正常传导，电极外表面673K，热生成率为6E+11W/m3，空气对流系数为20W/m2·℃，空气温度为297℃(正常情况下室温20℃).

由有限元云图显示，随着电极条长度的增加，温度分布逐渐均匀，温度场面积变大，温差逐渐减小.由图1所示的不同Pt条长度与温差的对比曲线图可见，随着Pt电极条长度的增大，温差变小，作为加热电极产生的热量分布越均匀.

图1 不同Pt条长度与温差的对比曲线

图2 不同Pt条宽度与温差的对比曲线

2.3 应用ANSYS的Pt电极条宽度的仿真

在材料、大小、形状均不变的情况下，建立Si衬底和SiO2绝缘层，同样采用在SiO2绝缘层上面建立Pt电极层，利用ANSYS热分析工具进一步分析了当Pt电极长度一定，宽度改变时的热分布.即选择Pt长度为1.7mm，厚度0.0003mm，宽度从0.03mm～0.1mm中取不同值，建立模型仿真.施加载荷:电极外表面673K，热生成率为6E+11W/m3，空气对流系数为20W/m2·℃，空气温度为297℃(正常情况下室温20℃).由图2所示不同Pt条宽度与温差的对比曲线图可见，随着电极宽度的增加，温度场的高温面积向外扩散，温差也发生变化，在宽度为0.1mm时，温差减小的幅度开始变得缓和，温差最小为0.697K，温度分布较均匀.

2.4 应用ANSYS的Pt电极条厚度的仿真

在衬底层和绝缘层的材料、尺寸不变的情况下，建立Pt电极，长度为1.7mm，宽度为0.1mm，对Pt电极的厚度值分别取0.00015mm～0.0008mm，依次建立模型，分析在电极条厚度变化时对温度分布的影响.施加载荷:电极外表面673K，热生成率为6E+11W/m3，空气对流系数为20W/m2·℃，空气温度为297℃(正常情况下室温20℃).图3所示为不同Pt条宽度与温差的对比曲线图可见，电极的厚度对温度场的分布影响很小，温差基本不变，电极厚度对热分布无影响.

图3 为不同Pt条宽度与温差的对比曲线

2.5 结果分析

根据仿真得到的云图，以及温度变化曲线图可知，随着加热电极的长度增大，宽度的增加，温度分布云图显示逐渐变得分层均匀，温差也逐渐变小，由于加热电极都分布在衬底边缘，因此高温部分都集中在衬底一侧的边缘区域，温度向远离一侧逐渐降低.由于Pt电极厚度仿真变化范围很小，对温度分布云图几乎无影响.

3 结果优化

为了使温度云图分布更均匀，高温部分温度面积变大，故可通过改变建立Pt电极的位置，进而改变云图的温度分布情况和高温区域的分布位置.衬底结构和尺寸大小不变，在其上建立电极，电极长度、宽度、厚度分别取 1.7mm，0.1mm 和 0.0003mm，电极的位置坐标为:(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)]，施加的负载参数均不改变.

通过改变Pt加热电极的排布位置.由温度云图显示，随着加热电极逐渐向衬底中间位置靠近，云图温度带的分布由原来的块儿状区域分布，变为带状区域分布，且高温区域面积变大，温度分布逐渐均匀.距离加热电极较远的一边的温度最低，接近于室温.因此，此次优化是合理的.

4 结论

本文应用ANSYS有限元工具，通过对微结构气体传感器Pt电极长度、宽度、厚度结构设计的模拟分析.对微结构气敏元件进行了优化，在不改变设计器件材料、尺寸和结构的前提下，通过改变Pt电极的位置，使温度分布均匀，呈现明显的温度分布层.以上研究成果可以为开展微热板结构设计提供理论支持.

[1]胡仁喜，徐东升，李亚东.ANSYS 13.0机械与结构有限元分析从入门到精通[M].北京:机械工业出版社，2011:337－377.

[2]李春明.微结构气体传感器的设计、模拟、制作及温度测量[D].长春:吉林大学，2005.

[3]韩 郁.新型微结构气体传感器设计分析及乙醇气敏元件的研究[D].长春:吉林大学，2012.

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

[5]刘 丽.硅基微结构气体传感器的研制[D].长春:吉林大学，2008.