官修龙，刘 丽，刘 震，何 越，王连元



基于ZnO的微气体传感器的设计与优化

官修龙，刘 丽，刘 震，何 越，王连元

（吉林大学物理学院超硬材料国家重点实验室，吉林长春 130012）

设计了一种新型ZnO微气体传感器的结构，利用有限元分析软件ANSYS对该传感器的结构进行了分析，并对传感器的基底三层材料的厚度、加热电极的宽度和间距以及测量电极的宽度参数进行了优化，结果得出：当传感器基底中前SiO2层、中间Si层、后SiO2层的厚度分别为10，140和150 µm，加热电极和测量电极宽度均为30 µm，加热电极的间距为100 µm，此时传感器的ZnO材料工作区域可获得最佳的温度分布和磁场分布，有利于传感器整体性能的提高。

有限元分析；ZnO；微气体传感器；优化设计；温度分布；磁场分布

气体传感器是一种把气体中的特定成分检测出来，并将它转换成电信号的器件，可以用于测量某种气体的存在及其浓度的大小。气体传感器的工作性能很大程度上依赖于所选用的敏感材料[1]。半导体金属氧化物氧化锌(ZnO)是一种较为常见的气敏材料，其独特的结构和性质、广泛的来源渠道以及较低的成本使得ZnO在压电材料[2-3]、光催化[4-5]、太阳能电池[6-7]和传感器[8-11]等众多方面有重要应用。在气体传感器方面，ZnO由于其稳定的物理化学性质及对可燃性气体的优良敏感性而成为研究最早、应用最广泛的半导体敏感材料之一[11-12]。

有限元分析法(FEA，Finite Element Analysis)是随着计算机的发展而快速发展起来的一门现代计算分析技术，它是利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。有限元分析法被广泛用于仿真求解实际应用中遇到的工程问题，偏微分方程可以用来描述流体力学、结构力学以及电磁场、热学、光学等，而有限元法可以将这些数学方程转化为近似的直观图像[9]。到目前为止，已出现许多功能强大的如 ANSYS、COSMOS、SAP、ADINA等面向工程的有限元分析程序软件，其中有限元软件ANSYS是微传感器设计过程中重要的模拟仿真工具[10-11]。本文设计了一种新的ZnO共平面微结构气体传感器，其加热电极与信号电极位于同一平面内，避免了存在于“三明治结构”[13]加热电极与信号电极间的寄生电场(即加热层、绝缘层、信号层之间的寄生电场)，有效地克服了寄生电容和磁场对器件测量信号的干扰。

1 传感器的结构设计

半导体传感器根据制作工艺的不同可分为烧结型、厚膜型和薄膜型三种，而厚膜型气体传感器相较于其他两种器件具有强度好、特性比较均一、便于生产等优点。本文设计的传感器属于厚膜型微气体传感器。厚膜型微气体传感器是将具有气敏性能的材料与适当的粘合剂混合制成浆料，然后将其涂敷在印有电极的微传感器平面上，干燥后烧结即可。

设计的ZnO气敏传感器结构如图1所示，传感器的平面尺寸为1.0 mm×1.5 mm，传感器基底厚度为300 µm，并设计为前SiO2层、中间硅层、后SiO2层的三层状结构，前后两层SiO2分别有绝缘和绝热的作用。图1中最上层的黑色半透明部分为气体敏感材料ZnO，直接涂敷在传感器上表面，盖住加热电极和测量电极，只露出引脚部分，敏感材料与加热电极的直接接触使得加热效率有很大的提高。

图1 ZnO微气体传感器的结构示意图

2 传感器的ANSYS分析和优化

2.1 传感器基底的优化

本文设计的传感器基底是由前SiO2层、硅层和后SiO2层三层构成，这三层结构各自的厚度值发生变化时，传感器的温度分布也会有所不同，利用有限元分析软件ANSYS来模拟基底三层结构的厚度不同时传感器的温度分布，如图2所示。图2依次模拟仿真了基底的三层厚度分别为E10G140B150、E100G100B100和E150G140B10时的温度分布，其中E、G、B分别表示传感器基底中前SiO2层、中间Si层、后SiO2层的厚度，厚度单位为mm，图中的数值单位为℃。从图2中可以看出，相比于其他两种情况的温度分布，基底厚度为E10G140B150时的ZnO材料区域的温度较高且温度分布也更为均匀。

图2 基底三层结构为不同厚度时的温度分布图

2.2 传感器的加热电极优化

传感器加热电极的宽度和间距均会影响传感器ZnO材料区域的温度分布，而气敏材料ZnO对工作温度要求较高，工作温度越均匀传感器的选择性越好，因此对不同的加热电极宽度和间距时的传感器分别进行了模拟，然后以传感器模型左边缘中心点为起点，右边缘中心点为终点的中线的温度进行取值，得到两幅相应的温度分布曲线图，分别如图3、图4所示，图中纵坐标字母代表温度，横坐标代表中线上某点到传感器左边缘中点的距离。

图3模拟的是加热电极宽度为10，30，50 µm时的温度曲线，其中代表加热电极的宽度。从图中可以看出：三种宽度的温度分布均匀性都较好，但加热电极宽度为30 µm的温度曲线整体高于其他两个，因此设定加热电极宽度为30 µm。

图3 不同加热电极宽度的温度分布曲线

图4显示的是不同的加热电极间距的温度曲线，三种加热电极间距分别是50，100，150 µm，其中代表加热电极的间距。由图4可知，加热电极间距越大，传感器整体温度越高，但间距从100 µm增加为150 µm时其中心点温度仅提升了0.04 ℃，且考虑到空间和材料的限制，设定加热电极间距为100 µm。此时传感器温度曲线的中心点的温度为293.11 ℃，传感器的横向整体温差在0.4 ℃以内。

图4 不同加热电极间距的温度分布曲线

2.3 传感器的测量电极优化

传感器测量电极与加热电极构成测量回路，利用ANSYS对宽度分别为30，50，100 µm的测量电极的温度分布进行了模拟，结果如图5所示，图中代表测量电极的宽度。图5中的三条曲线几乎完全重合，可分析为测量电极宽度在30 µm增大到100 µm的过程中，传感器的材料区域的温度分布几乎没有变化。较之加热电极对传感器材料区域温度的影响，测量电极宽度的改变几乎没有影响，选用测量电极宽度与加热电极宽度相同，均为30 µm。

图5 不同测量电极宽度的温度分布曲线

3 传感器的磁场分布

由于传感器中加热电极是通以电流来进行加热的，而电流会产生一定的磁感应强度，但本文中传感器的电流产生的磁场由于两条反向加热电流而相互抵消了一大部分，因此本文设计的传感器应该具有较小的磁场分布，利用ANSYS对其磁场进行了模拟，结果如图6所示，图中的数值单位为T。如图6所示，传感器中磁感应强度值最大的地方位于加热电极区域，而其他区域的磁感应强度值都明显很小，最小可至7.74×10–13T。

图6 传感器的磁场分布

4 结论

（1）根据有限元软件ANSYS对微气体传感器基底的模拟结果，当前SiO2层、中间Si层、后SiO2层的厚度分别为10，140，150 µm时，传感器的ZnO材料区域具有较好的温度分布。

（2）加热电极宽度和间距的改变主要影响传感器整体温度的高低，对温度均匀性没有影响，最佳的加热电极宽度和间距分别为30 µm和100 µm；而测量电极对传感器的ZnO材料区域的温度分布几乎没有影响，选用测量电极宽度为30 µm。此时传感器ZnO材料区域的中心温度达到293.11 ℃，横向整体温差在0.4 ℃以内。

（3）利用ANSYS对微气体传感器的磁场分布进行了分析，材料区域的磁感应强度值均很小，最小为7.74×10–13T。

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（编辑：陈丰）

Design and optimization of a micro gas sensor based on ZnO

GUAN Xiulong, LIU Li, LIU Zhen, HE Yue, WANG Lianyuan

(State Key Laboratory of Superhard Materials, College of Physics, Jilin University, Changchun 130012, China)

A novel structure was designed for ZnO micro gas sensor, and analyzed by using finite element analysis tool ANSYS. The substrate material thickness, the width and spacing of heating electrode, and the width of measuring electrode of the macro gas sensor were analyzed and optimized. The results show that when the thickness of the front SiO2layer, the middle Si layer and the back SiO2layer are 10 µm, 140 µm and 150 µm, respectively, both of heating electrode width and measuring electrode width are 30 µm, and the heating electrode spacing is 100 µm. The best temperature and magnetic field distributions can be obtained in the ZnO work area of the gas sensor, which is helpful to improve the whole performance of the sensor.

finite element analysis; ZnO; micro gas sensor; optimum design; temperature distribution; magnetic field distribution

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.06.012

TP212.2

A

1001-2028（2017）06-0062-04

2017-03-20

刘丽

吉林省科技厅重点攻关项目资助(No. 20140204027GX)

刘丽（1968－），女，吉林长春人，博士，主要从事微纳功能材料与传感器件研究，E-mail: liul99@jlu.edu.cn ；官修龙（1988－），男，山东临沂人，研究生，主要从事微气体传感器的设计，E-mail: guanxl15@mails.jlu.edu.cn 。

网络出版时间：2017-06-07 13:44

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170607.1344.012.html