發(fā)布時間：2017-06-28 08:03

  本文關(guān)鍵詞：新型微氣敏傳感器的設(shè)計、仿真及優(yōu)化，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：隨著科技的發(fā)展和社會的進(jìn)步,易燃、易爆、有毒、有害氣體的種類和應(yīng)用范圍都在持續(xù)性增加,作為監(jiān)測與控制這些危害性氣體的氣敏傳感器得到了廣泛的應(yīng)用,其中基于MEMS技術(shù)的微氣敏傳感器更是廣受國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注,成為了氣敏傳感器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。本文圍繞微結(jié)構(gòu)氣敏傳感器進(jìn)行了一系列研究,首先設(shè)計了三種新型微氣敏傳感器的微熱板結(jié)構(gòu),然后借助于有限元分析軟件ANSYS中的熱場分析和磁場分析分別對它們進(jìn)行了仿真、優(yōu)化和比較,最后對基于這三種微熱板結(jié)構(gòu)的二氧化錫微氣敏傳感器進(jìn)行了熱場分析和比較,具體工作如下:1.I型微氣敏傳感器微熱板的設(shè)計、仿真及優(yōu)化設(shè)計了一種新型微氣敏傳感器的微熱板結(jié)構(gòu),即為I型結(jié)構(gòu),其基底采用圓柱體狀,截面圓面積為1.5 mm2,厚度為300μm。利用ANSYS軟件對其進(jìn)行了仿真和優(yōu)化,結(jié)果得出:基底結(jié)構(gòu)中的SiO_2-Si-SiO_2的厚度分別為10μm、120μm、170μm,加熱電極和測量電極寬度均為10μm,傳感器微熱板的中心獲得了352.26oC的高溫,且在中心區(qū)域內(nèi)溫差僅為0.1oC,而此時中心區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度值位于彩色等值線的最小數(shù)值范圍段,最小為9.84×10-10 T,與加熱電極處的最大值383.066 T相比可忽略不計,有效的削弱了磁場對測量信號的干擾。2.II型微氣敏傳感器微熱板的設(shè)計、仿真及優(yōu)化設(shè)計的II型微氣敏傳感器的微熱板的器件尺寸為1mm×1.5mm×300μm,經(jīng)ANSYS仿真優(yōu)化后結(jié)果如下:傳感器微熱板的基底為硅杯狀基座結(jié)構(gòu),且在SiO_2絕緣層與硅基座之間另加了Si導(dǎo)熱層和SiO_2保護(hù)層,加熱電極寬度和間距各自為50μm和60μm,測量電極寬度為50μm,微熱板的中心溫度為364.76oC,中心區(qū)域溫差為0.3oC,同時中心區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度值最小為3.48×10-9 T,與最大值1×10-4 T相比影響極小,滿足了中心區(qū)域高溫均勻分布和磁場影響小的要求。3.III型微氣敏傳感器微熱板的設(shè)計、仿真及優(yōu)化設(shè)計了III型微氣敏傳感器微熱板結(jié)構(gòu),其元件尺寸為1mm×1.5mm×300μm,基底結(jié)構(gòu)選用硅杯狀結(jié)構(gòu),加熱電極的寬度和間距經(jīng)仿真后分別優(yōu)化為50μm和100μm,測量電極的寬度為50μm,此時微熱板中心溫度為361.77oC,溫差在1oC左右,中心區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度值最小為1.38×10-12 T,與最大值1.66×10-4 T相較幾乎可忽略,成功的降低了磁場對測量電路的干擾度。4.三種新型微氣敏傳感器微熱板的比較對三種新型微氣敏傳感器微熱板的溫度分布和磁場分布進(jìn)行了比較,結(jié)果表明:在功耗相同的條件下,II型結(jié)構(gòu)具有最高的364.76oC的中心溫度,其中心區(qū)域的溫差為0.3oC;其次為III型結(jié)構(gòu)的361.77oC,中心區(qū)域的溫差為1oC左右;最后為I型結(jié)構(gòu)的352.26oC,對應(yīng)的溫差為0.1oC。三種結(jié)構(gòu)的中心區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度值均位于彩色等值線的最小范圍段,III型結(jié)構(gòu)為1.38×10-12 T最小,I型的9.84×10-10 T次之,最后為3.48×10-9 T的II型結(jié)構(gòu)。5.二氧化錫微氣敏傳感器的熱場分析氣敏傳感器的核心部分是氣敏材料,文章選用的氣敏材料是最為常見的二氧化錫,接著對基于三種新型微熱板結(jié)構(gòu)的二氧化錫微氣敏傳感器進(jìn)行熱場仿真,最后對三種結(jié)構(gòu)的溫度分布進(jìn)行了比較,結(jié)果顯示:在功耗相同的條件下,I型的二氧化錫材料區(qū)域的溫度為290oC左右,溫差為0.1oC,II型的二氧化錫區(qū)域的溫度約為310oC,溫差為0.1oC,III型為293oC左右,溫差為0.6oC,因此II型結(jié)構(gòu)的溫度最高,III型次之,I型最低。
【關(guān)鍵詞】：微氣敏傳感器 ANSYS 優(yōu)化設(shè)計 二氧化錫材料
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP212
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 緒論12-23
• 1.1 傳感器概述12-13
• 1.2 氣敏傳感器13-20
• 1.2.1 氣敏傳感器的研究意義13-14
• 1.2.2 氣敏傳感器的分類與原理14-18
• 1.2.3 氣敏傳感器的應(yīng)用及發(fā)展18-20
• 1.3 微結(jié)構(gòu)氣敏傳感器20-22
• 1.3.1 微電子機(jī)械系統(tǒng)20
• 1.3.2 基于MEMS技術(shù)的微氣敏傳感器20-21
• 1.3.3 微氣敏傳感器的發(fā)展前景21-22
• 1.4 本章小結(jié)22-23
• 第二章 ANSYS有限元分析23-29
• 2.1 ANSYS基本介紹23-24
• 2.2 ANSYS的常用功能簡介24-25
• 2.3 ANSYS穩(wěn)態(tài)熱場分析25-27
• 2.4 ANSYS靜態(tài)磁場分析27-28
• 2.5 本章小結(jié)28-29
• 第三章 新型微氣敏傳感器微熱板的設(shè)計、仿真及優(yōu)化29-46
• 3.1 Ⅰ型微氣敏傳感器微熱板的設(shè)計、仿真及優(yōu)化29-34
• 3.1.1 微熱板的結(jié)構(gòu)設(shè)計29-30
• 3.1.2 基底參數(shù)的優(yōu)化30-31
• 3.1.3 加熱電極的優(yōu)化31-32
• 3.1.4 測量電極的優(yōu)化32-33
• 3.1.5 微熱板的磁場分析33-34
• 3.2 Ⅱ型微氣敏傳感器微熱板的設(shè)計、仿真及優(yōu)化34-40
• 3.2.1 微熱板電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計34-35
• 3.2.2 基底結(jié)構(gòu)的優(yōu)化35-36
• 3.2.3 加熱電極的優(yōu)化36-38
• 3.2.4 測量電極的優(yōu)化38-39
• 3.2.5 微熱板的磁場分析39-40
• 3.3 Ⅲ型微氣敏傳感器微熱板的設(shè)計、仿真及優(yōu)化40-43
• 3.3.1 微熱板結(jié)構(gòu)設(shè)計40
• 3.3.2 加熱電極的優(yōu)化40-42
• 3.3.3 測量電極的優(yōu)化42-43
• 3.3.4 微熱板的磁場分析43
• 3.4 三種新型微氣敏傳感器微熱板的比較43-45
• 3.5 本章小結(jié)45-46
• 第四章 二氧化錫微氣敏傳感器46-52
• 4.1 二氧化錫簡介及其氣敏特性46-48
• 4.2 Ⅰ型二氧化錫微氣敏傳感器的熱場分析48-49
• 4.3 Ⅱ型二氧化錫微氣敏傳感器的熱場分析49
• 4.4 Ⅲ型二氧化錫微氣敏傳感器的熱場分析49-50
• 4.5 三種結(jié)構(gòu)的二氧化錫傳感器的熱場比較50
• 4.6 本章小結(jié)50-52
• 第五章 總結(jié)52-54
• 參考文獻(xiàn)54-58
• 附錄 各種材料的特性參數(shù)58-59
• 作者簡介及科研成果59-60
• 致謝60

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本文編號：493078