【摘要】：對于熱催化、金屬氧化物半導(dǎo)體、甚至紅外等氣體傳感器而言,微加熱器是一個關(guān)鍵元件。用于熱催化、金屬氧化物半導(dǎo)體及紅外氣體傳感器的微加熱器,由于加熱溫度較低,其研究主要集中在微加熱器的溫度分布均勻性、功率優(yōu)化等方面,尚未考慮熱電效應(yīng)對微加熱器的影響。隨著基于MEMS工藝的高溫硅微加熱器用于甲烷氣體的檢測傳感研究獲得突破,熱電效應(yīng)對微米尺度高溫硅微加熱器的特性將具有顯著影響。為了全面掌握高溫硅微加熱器的特性、進而利用高溫微加熱器的特性更有效的獲得氣體傳感信息、探索形成新型甲烷傳感方法,本文使用有限元仿真與實驗的方法研究了高溫硅微加熱器中的熱電效應(yīng)。首先,本文對微加熱器的傳熱過程進行了分析,給出了簡化的熱傳輸方程。并對不同類型的高溫硅微加熱器進行了焦耳熱仿真,初步掌握焦耳熱分析過程中微加熱器傳熱規(guī)律。其次,對于N型和P型摻雜單晶硅橋式微加熱器和U型微加熱器,考慮熱電效應(yīng)進行了熱電耦合分析,重點研究了N型硅高溫微加熱器中的熱電效應(yīng)。結(jié)果表明,高溫微加熱器中的熱電效應(yīng)會使高溫硅微加熱器溫度分布產(chǎn)生顯著的偏移,尤其是在正弦交流激勵下,微加熱器上溫度分布偏移隨激勵同頻率振蕩,表明正弦激勵等變化激勵下高溫微加熱器中包含更加豐富的熱信息。據(jù)此設(shè)計了兩種新型傳感結(jié)構(gòu),且進行了仿真分析,結(jié)果顯示所設(shè)計的兩種傳感結(jié)構(gòu)均能將高溫硅微加熱器中熱電效應(yīng)造成的溫度偏移轉(zhuǎn)換為可測電壓信號。最后,使用拉曼光譜測溫法對單個微加熱器中不同電流下的溫度分布進行了實驗測試與分析。同時,對設(shè)計的新型傳感結(jié)構(gòu)進行了不同直流激勵下的測試。結(jié)果表明,在不同激勵下高溫硅微加熱器溫度分布發(fā)生不同程度偏移,新型傳感結(jié)構(gòu)能有效地將溫度偏移轉(zhuǎn)換為電量輸出,實驗結(jié)果與有限元仿真結(jié)果吻合。研究表明微加熱器中的熱電效應(yīng)能夠產(chǎn)生更加豐富的熱信息,所設(shè)計的新型傳感結(jié)構(gòu)可以有效的將這種熱信息轉(zhuǎn)換成電信號,有望用于MEMS氣體傳感器進行甲烷氣體檢測。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN30;TP212
【圖文】：

于微電子技術(shù)的集成電路全部集約在一起，以氣體傳傳感器集成在一起檢測不同氣體，結(jié)合信號處理技術(shù)共同構(gòu)成一個“智能傳感系統(tǒng)”；量生產(chǎn)和低成本：無論是對一個 MEMS 器件進行加工 MEMS 加工工藝同其前身微電子技術(shù)一樣可以進行大提高直接降低了制造成本，低廉的價格和優(yōu)良的性據(jù)發(fā)展對傳感節(jié)點的迫切需求；學(xué)科交叉：MEMS 技術(shù)應(yīng)用最重要的領(lǐng)域是傳感器、S 技術(shù)就是微電子技術(shù)與微機械技術(shù)的結(jié)合，因此 MEM領(lǐng)域，同時，微機械致動、傳感技術(shù)及傳感機理的研究多個學(xué)科。件的研究角度來看，MEMS 技術(shù)的主要研究內(nèi)容可以用S 設(shè)計與仿真是進行 MEMS 技術(shù)研究的第一步和重要以對設(shè)計進行合理范圍內(nèi)的初步研究，并為設(shè)計以及設(shè)計與仿真

碩士學(xué)位論文雜硅組成的薄膜加熱器，如圖 1-2(a)所示，摻雜區(qū)是電阻式加熱器以及不同摻雜濃度硅被用來優(yōu)化溫度分布，通過改變不同幾何區(qū)域其設(shè)計的懸臂梁微熱板加熱區(qū)域的溫度變化在 2%~4%之間[26]。另式微加熱器由于比四懸臂梁式微加熱器少了兩個熱傳導(dǎo)渠道，其功，兩個懸臂梁足以支撐加熱器，但機械的魯棒性有一些削弱。此外構(gòu)平坦，熱量容易通過對流而消失，只有一小部分供應(yīng)的熱量有助度升高。為了解決這一問題，Xu 等人研究了一種新型的三維微加加熱結(jié)構(gòu)只有兩根支撐梁，從而大大降低了懸臂梁的熱傳導(dǎo)損耗-2(b)所示[27]。此外，與傳統(tǒng)的懸浮膜結(jié)構(gòu)或封閉膜結(jié)構(gòu)相比，三維多的傳感膜的表面與體積比，使傳感器具有更高的靈敏度[28]。

圖 1-3 U 型懸臂梁式微加熱器Figure 1-3AU-shaped cantilever microheater晶硅為代表的硅基材料對于調(diào)整微加熱更加靈活，且硅基材料制作的微加熱器]。Ma 等研制了一種與 COMS 兼容的雙高溫下的穩(wěn)定性，該微加熱器最高穩(wěn)定圖 1-3 所示[44]。另一方面，U 型懸臂結(jié)且可以釋放熱應(yīng)力，保證了高溫硅微加器為核心元件的新型微熱傳導(dǎo)式氣體下甲烷與空氣熱導(dǎo)率差異更大，傳感器爆炸下限內(nèi)傳感器響應(yīng)與甲烷濃度具有設(shè)計需要綜合考慮各種因素，同時也收到當(dāng)際應(yīng)用過程中的制造成本等問題。對于

【參考文獻】

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本文編號：2779833