1、低功耗微热板 ZnO 甲烷传感器仿真及性能研究李加明1,2)，焦明之1,2)，钱晨1,2)1)矿山互联网应用技术国家地方联合工程实验室，徐州2211162)中国矿业大学信息与控制工程学院，徐州221116通信作者，E-mail:摘要随着微机电系统(MEMS)的发展，运用该技术的半导体传感器也跟着迅速发展，逐渐走向微型化、集成化和智能化.基于 MEMS 的微加热板(MHP)的金属氧化物甲烷传感器具有功耗小、响应快等优点，广泛应用于甲烷检测.其中，氧化锌(ZnO)甲烷敏感材料因其灵敏度高、中毒效应小、工作温度低等优点，广受关注.但是，该敏感材料制备的传感器响应性能依然受加热温度及热量分布的强烈影响
2、.使用有限元分析(FEA)软件 COMSOL 中的 Multiphysics 模块对物理场中的温度进行仿真分析与比较，揭示了在相同工作条件下加热电极结构对温度分布的影响，优选的微加热板达到 300 时需要 75mW 左右的功率.在商用微加热板的叉指电极上采用无遮挡全表面溅射氧化锌敏感材料构建 ZnO 薄膜甲烷传感器，并使用合肥微纳公司 HIS9010 测试了气体传感器的响应.采用静态测量的方法向 1L 的气体腔内注射甲烷气体，经过测试，与现在不同形貌的 ZnO 相比，本课题组使用的磁控溅射制备的氧化锌薄膜气体传感器，在(100010000)106甲烷浓度区间内响应线性度比较好，对浓度为 100
3、00106的甲烷响应值达到了 30.与国内外商用甲烷传感器的甲烷响应性能进行了对比，结果表明本课题组制作传感器响应更高，更具有应用优势.关键词甲烷；微加热板；有限元分析；磁控溅射；氧化锌分类号TG712Simulationandperformancestudyoflow-powermagnetronsputteredZnOmethanesensorLI Jia-ming1,2)，JIAO Ming-zhi1,2)，QIAN Chen1,2)1)National&LocalJointEngineeringLaboratoryofInternetApplicationTechnologyonMin
4、e,Xuzhou221116,China2)SchoolofInformationandControlEngineering,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou221116,ChinaCorrespondingauthor,E-mail:ABSTRACTWiththedevelopmentoftheindustryofsemiconductorintegratedcircuits,microelectromechanicalsystem(MEMS)productshavemaderapidprogress.ThedevelopmentofMEMS
5、andthecombinationofsensortechnologyhaveyieldedcompactsensorswith increased functions and intelligence levels.MEMS-based microhotplate(MHP)-type metal oxide methane sensors have theadvantagesoflowpowerconsumptionandfastresponseandhavebeenwidelyusedinmethanedetectionapplications.Inparticular,ZnOmethan
6、e-sensitivematerialshaveattractedsignificantattentionduetotheirhighsensitivity,smallpoisoningeffect,andlowoperatingtemperature.Notably,theresponseperformanceofsensorspreparedfromthesesensitivematerialsisstillsignificantlyaffectedbytheheatingtemperatureandthermaldistributionoftheMEMS-basedMHP.Thepurp
7、oseofourexperimentistooptimizetheheatgenerationoftheheatingelectrodesofMHP,optimizethethermaldistributionofMHP,andfurtherreducethepowerconsumptionofMHPsensors.TheheatingelectrodesofMHParemadeofplatinummaterialsthathavehighthermalconductivityandstableperformance.Inthisstudy,weusetheMultiphysicsmodule
8、inthefiniteelementanalysissoftwareCOMSOLtosimulateandanalyzethetemperatureinthephysical收稿日期:20220410基金项目:国家自然科学基金资助项目（52174222）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（2020QN69）；国家自然科学基金青年基金资助项目（62204260）工程科学学报，第45卷，第6期：987994，2023年6月ChineseJournalofEngineering,Vol.45,No.6:987994,June2023https:/doi.org/10.13374/j.issn2
9、095-9389.2022.04.10.002;http:/fieldforthetwostructuresofserpentineplatinumheatingelectrodesofMHP.Bycomparison,thestructureoftheheatingelectrodesaffectsthetemperaturedistributionunderthesameworkingconditions.Thestructurewithalargerwidthinthemiddleoftheheatingplateelectrodeandgraduallynarrowingtoboths
10、idesgeneratesmoreheatthanthatwiththesamewidth.Whentheheatingplatereaches300,itneedsabout75mWofpower.Next,ZnOthinfilmmethanesensorswereconstructedbysputteringZnOmethane-sensitivematerialsontheinterdigitalelectrodeofacommercialMHP,andtheresponseofthegassensorwastestedusingtheHIS9010ofHefeiMicro-NanoCo
11、mpany.Thestaticmeasurementmethodwasusedtoinjectmethanegasintoa1-Lgaschamber.Inordertoverifythesuperiorresponseofoursensor,ithasbeencomparedthatperformanceofcommercialmethanesensorsandZnOmethanesensorsmadeby.Theresponselinearityintheintervalisrelativelygood,andtheresponsevaluefor10000106methanereache
12、s30.Theresponseofourfabricatedsensorishigherthanthoseofexistingdomesticandforeigncommercialmethanesensors,showingsignificantpotentialinrelatedapplications.KEYWORDSmethanesensor；microhotplate；finiteelementanalysis；magnetronsputtering；zincoxide我国煤矿资源虽然丰富，但是每年消耗体量巨大，而且开采难度逐渐增大，安全生产更需要关注1.制约煤矿安全的主要灾害之一是
13、瓦斯灾害，瓦斯中有体积分数约为 90%的甲烷(CH4)气体2，空气中甲烷体积分数在 4.9%15.4%内就能引起爆炸3，不但会造成经济损失，而且可能造成人员伤亡，因此，实时监测甲烷浓度有利于预防瓦斯爆炸，保证人民健康与生产安全.煤矿常用甲烷传感器有催化燃烧型、光干涉型、热导型和激光型等.催化燃烧型和热导型甲烷传感器工作温度比较高，功耗高4；光干涉型用于人工测量，难以接入监测系统5；激光型甲烷传感器性能稳定，但成本高6；此外，目前矿下所用的甲烷传感器都是有线供电，难以实现危险区域全覆盖监测.使用分布式低功耗甲烷传感器实时监测，是未来甲烷监测的发展趋势.金属氧化物(MOS)半导体气体传感器具有体积
14、小、容易集成、成本低、性能稳定和价格低廉等优点，市场应用比较广泛7.传感器作为物联网的感知端，使用分布式低功耗甲烷传感器实时监测，是未来甲烷监测的发展趋势.如果能进一步降低传感器的功耗，也有利于物联网的发展8.MOS 传感器检测气体种类和浓度的原理为：敏感材料被待测气体氧化或还原反应，表现为电阻值变化.敏感材料通常在 200 以上才表现出良好活性，有些材料在 400500 才能有效检测甲烷浓度9.合适的工作温度可以优化传感器的选择性、灵敏性，进一步影响响应时间；均匀的温度分布还有利于解决 MOS 传感器交叉响应的缺陷.此外，进一步降低功耗、尺寸(微型化)、响应时间有利于物联网分布式无线甲烷传感
15、器在煤矿井下的应用10.随着技术的发展，具有功耗低、微型化、响应灵敏等优点的微机电系统(MEMS)传感器受到关注.微热板(MHP)是 MEMS 气体传感器中重要的结构之一，它基于硅微加工技术，基本结构包括硅基片衬底、悬空分布的支撑薄膜以及加热器电极.电流通过加热器电极时，电阻产生的焦耳热一部分用于加热微热板，另外一部分以传导、对流和辐射的方式耗散于周围环境.评估 MEMS 气体传感器性能，功耗是一个重要参数，而微热板结构对MEMS 气体传感器的功耗有着巨大的影响.据报道，通过优化微加热板(MHP)的结构和传感材料的形态能够提高气体传感器的性能11.例如，对早期气体传感器的研究证明，MEMS 气
16、体传感器比传统气体传感器功耗低12.MHP 支撑结构有封闭膜式和悬挂膜式之分：封闭膜式 MHP 制作简单，机械结构稳定，但是热量传导损失大；悬挂式 MHP，在保证机械强度的同时也能减少传导热损失13从而进一步降低功耗，微加热板加热电极呈蛇形折线分布，其几何形状、布局、材料均影响热量的产生与分布14.目前市面上微热板有很多不同的铂电极结构，其热学与机械性能各不相同，因此本研究对不同微热板铂电极结构进行了有限元分析，以便选择合适的微热板构建 MEMS甲烷传感器.常见的有限元分析软件有 ANSYS、MSC、ABAQUS、COMSOL 等，本文使用 COMSOLMultiphysics5.4 进行热分析.氧化锌(ZnO)是一种典型的宽带隙 n 型半导体金属氧化物(禁带宽度值 Eg=3.37eV)，电子迁移率高、电学性能和化学稳定性优异，因此被认为是最有前途的 MOS 气体传感器敏感材料之一15.Yu等16制造了基于二氧化锡条形薄膜的微热板 MOS甲烷传感器，在 300 工作时功耗仅为 17.3mW，最高测试浓度为 4000106.Bhattacharyya 等17研究了基于纳米晶氧化锌薄膜的
