為保障煤礦的安全生產(chǎn)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(duì)瓦斯進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)十分必要。MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)即微機(jī)電系統(tǒng),是一種把現(xiàn)代集成電路工藝與納米級(jí)微機(jī)械加工相結(jié)合的新興技術(shù),MEMS氣體傳感器具有熱損耗小、功耗低、體積微小、響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn),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(duì)高溫硅微加熱器的研究對(duì)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(dá)到額定加熱溫度的同時(shí)降低其消耗的功率,運(yùn)用有限元分析的方法對(duì)硅微加熱器進(jìn)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(shì),設(shè)計(jì)了一種計(jì)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(jìn)行硅微加熱器熱電耦合分析打下了基礎(chǔ);編程分析了摻雜濃度對(duì)硅TCR曲線的影響;對(duì)比常見熱導(dǎo)率計(jì)算模型的適用條件和應(yīng)用范圍,選取最適合在有限元分析中應(yīng)用的Holland熱導(dǎo)率模型進(jìn)行MATLAB編程求解。2、對(duì)不同摻雜濃度的N型硅電阻率進(jìn)行MATLAB求解計(jì)算;運(yùn)用有限元分析的方法對(duì)硅微加熱器的加熱溫度和功率進(jìn)行求解,歸納總結(jié)硅微加熱器功率變化的規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(diào)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(duì)硅微加熱器進(jìn)行了分段摻雜模擬,結(jié)果表明,分段摻雜可以降低微加熱器的功率。在進(jìn)行分段摻雜實(shí)驗(yàn)的幾組數(shù)據(jù)中,運(yùn)用8×10~(18)cm~(-3)和2×10~(19)cm~(-3)兩種摻雜濃度時(shí)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(gè)參數(shù)作為實(shí)驗(yàn)因素,進(jìn)行了正交優(yōu)化設(shè)計(jì),用有限元分析求得三種因素對(duì)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(dá)到600℃的工作溫度下功耗僅為60mW。
【學(xué)位單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TD712.55;TP212
【部分圖文】：

導(dǎo)探測(cè)器等 MEMS 器件當(dāng)中，應(yīng)用在不同的 MEMS 器件中時(shí)，功盡相同。微加熱器的結(jié)構(gòu)通常包括加熱電阻、外層薄膜以及硅襯底微加熱器工作時(shí)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(jī)械強(qiáng)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(dǎo)體管或者硅鍺合金等材料[40]。微加熱器常見的結(jié)構(gòu)主要有兩種，一種構(gòu)，一種為懸臂梁結(jié)構(gòu)[41]。封閉膜式結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。這種結(jié)機(jī)械強(qiáng)度較高，加熱時(shí)薄膜受熱均勻，但消耗的功率相對(duì)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(jié)構(gòu)的微加熱器因?yàn)榧訜釁^(qū)懸空，減小了與硅襯底間的熱量傳遞，膜結(jié)構(gòu)來說消耗功率較小。但由于僅由懸臂梁支撐加熱器，其機(jī)械膜結(jié)構(gòu)微加熱器，且制作難度較大[42]。兩種高溫微加熱器結(jié)構(gòu)如圖

構(gòu)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(jié)構(gòu)的微加熱器因?yàn)榧訜釁^(qū)懸空，減小了與硅襯底間的熱量傳遞，故閉膜結(jié)構(gòu)來說消耗功率較小。但由于僅由懸臂梁支撐加熱器，其機(jī)械強(qiáng)閉膜結(jié)構(gòu)微加熱器，且制作難度較大[42]。兩種高溫微加熱器結(jié)構(gòu)如圖圖 1-1 封閉膜結(jié)構(gòu)微加熱器示意Figure 1-1 Structrure of closed membrane micro-heater

碩士學(xué)位論文封閉膜結(jié)構(gòu)的微加熱器最早出現(xiàn)在 20 世紀(jì) 80 年代。1988 年，美國密歇 C. L. Johnson 和 K. D. Wise 設(shè)計(jì)了一種背部掏空結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(shí)減少了對(duì)傳導(dǎo)，在加熱溫度為 300℃時(shí)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(shù)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(jìn)行信號(hào)的采集和處理微傳感器的集成化、小型化和智能化。新型結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)和研究中。
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2889892