為保障煤礦的安全生產和井下人員的生命安全,開發(fā)可隨身攜帶的瓦斯傳感器對瓦斯進行實時檢測十分必要。MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)即微機電系統(tǒng),是一種把現(xiàn)代集成電路工藝與納米級微機械加工相結合的新興技術,MEMS氣體傳感器具有熱損耗小、功耗低、體積微小、響應時間短等優(yōu)點,非常適合作為煤礦井下瓦斯傳感器。硅微加熱器是MEMS氣體傳感器的主要功能器件,對高溫硅微加熱器的研究對開發(fā)便攜式井下瓦斯傳感器有著顯著的意義。硅微加熱器的性能和功耗制約著MEMS氣體傳感器的小型化與便攜化。為使硅微加熱器在達到額定加熱溫度的同時降低其消耗的功率,運用有限元分析的方法對硅微加熱器進行功率優(yōu)化,主要工作包括:1、分析了摻雜單晶硅電阻隨摻雜濃度及溫度的變化趨勢,設計了一種計算方法,在單一摻雜類型的條件下,已知摻雜濃度與溫度即可求解摻雜硅電阻率,為使用有限元分析進行硅微加熱器熱電耦合分析打下了基礎;編程分析了摻雜濃度對硅TCR曲線的影響;對比常見熱導率計算模型的適用條件和應用范圍,選取最適合在有限元分析中應用的Holland熱導率模型進行MATLAB編程求解。2、對不同摻雜濃度的N型硅電阻率進行MATLAB求解計算;運用有限元分析的方法對硅微加熱器的加熱溫度和功率進行求解,歸納總結硅微加熱器功率變化的規(guī)律。實驗結果表明,硅微加熱器的電阻存在最大值,隨著加熱溫度的升高先增大后減小;硅微加熱器的功率隨加熱溫度的增大單調增加,但隨著溫度的上升其增速逐漸放緩。3、用有限元分析的方法對硅微加熱器進行了分段摻雜模擬,結果表明,分段摻雜可以降低微加熱器的功率。在進行分段摻雜實驗的幾組數(shù)據中,運用8×10~(18)cm~(-3)和2×10~(19)cm~(-3)兩種摻雜濃度時微加熱器的功率值最小。4、以摻雜濃度、微加熱器兩臂間距與懸臂梁臂寬三個參數(shù)作為實驗因素,進行了正交優(yōu)化設計,用有限元分析求得三種因素對微加熱器功率的影響大小順序以及最優(yōu)水平。在最優(yōu)因素組合的條件下,微加熱器在達到600℃的工作溫度下功耗僅為60mW。
【學位單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TD712.55;TP212
【部分圖文】：

導探測器等 MEMS 器件當中，應用在不同的 MEMS 器件中時，功盡相同。微加熱器的結構通常包括加熱電阻、外層薄膜以及硅襯底微加熱器工作時加熱的部分，外層薄膜主要起到減小熱量散失的效緣性好并具有良好機械強度的材料，如二氧化硅、氮化硅、碳化硅來支撐微加熱器的功能部分。加熱電阻一般有金屬鉑、摻雜半導體管或者硅鍺合金等材料[40]。微加熱器常見的結構主要有兩種，一種構，一種為懸臂梁結構[41]。封閉膜式結構在襯底表面沉積絕緣薄膜刻蝕工藝刻蝕掉加熱區(qū)背面的硅襯底，使之形成中空結構。這種結機械強度較高，加熱時薄膜受熱均勻，但消耗的功率相對來說較大微加熱器采用表面犧牲層工藝、濕法腐蝕以及體硅刻蝕工藝，圖形，并去掉加熱區(qū)底層的硅襯底，將加熱區(qū)用幾條懸臂梁支撐在硅襯結構的微加熱器因為加熱區(qū)懸空，減小了與硅襯底間的熱量傳遞，膜結構來說消耗功率較小。但由于僅由懸臂梁支撐加熱器，其機械膜結構微加熱器，且制作難度較大[42]。兩種高溫微加熱器結構如圖

構微加熱器采用表面犧牲層工藝、濕法腐蝕以及體硅刻蝕工藝，圖形化區(qū)，并去掉加熱區(qū)底層的硅襯底，將加熱區(qū)用幾條懸臂梁支撐在硅襯梁結構的微加熱器因為加熱區(qū)懸空，減小了與硅襯底間的熱量傳遞，故閉膜結構來說消耗功率較小。但由于僅由懸臂梁支撐加熱器，其機械強閉膜結構微加熱器，且制作難度較大[42]。兩種高溫微加熱器結構如圖圖 1-1 封閉膜結構微加熱器示意Figure 1-1 Structrure of closed membrane micro-heater

碩士學位論文封閉膜結構的微加熱器最早出現(xiàn)在 20 世紀 80 年代。1988 年，美國密歇 C. L. Johnson 和 K. D. Wise 設計了一種背部掏空結構的微加熱器[43-45]。熱器首先在表面沉積了兩層二氧化硅中間夾一層氮化硅的三明治結構，刻蝕把加熱器下面的硅襯底去掉，這樣就使微加熱器在加熱時減少了對傳導，在加熱溫度為 300℃時所消耗的功率為 100mW，比之前的微加大大降低了。由于使用的技術與 IC 工藝相兼容，因此這種微加熱器所MEMS 傳感器可以方便地跟外部電路集成在一起進行信號的采集和處理微傳感器的集成化、小型化和智能化。新型結構微加熱器的出現(xiàn)引發(fā)了的研究人員投入到 MEMS 傳感器的設計和研究中。
【參考文獻】

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本文編號：2889892