硅微热板气体传感器应力调节系统设计与仿真

刘凯强，余 隽，唐祯安

(大连理工大学电子科学与技术学院，集成电路辽宁省重点实验室,辽宁大连 116024)



硅微热板气体传感器应力调节系统设计与仿真

刘凯强，余 隽，唐祯安

(大连理工大学电子科学与技术学院，集成电路辽宁省重点实验室,辽宁大连 116024)

将微热板与静电梳齿执行器结合，设计出一种恒温加热状态下调节气敏薄膜(SnO2)应力的系统结构。采用有限元软件(COMSOL Multiphysics)仿真分析了不同温度下器件的形变、气敏薄膜中的应力分布及其调节范围。仿真结果表明，气敏薄膜中的应力随着静电梳齿执行器驱动电压的升高而下降，成功实现对气敏薄膜中应力分布的调节，该结构可用于应力对薄膜气敏特性影响的研究。

静电执行器；微热板；有限元；SnO2薄膜应力

0 引言

金属氧化物半导体气体传感器通常需要工作在200～450℃的高温状态下，一般由气敏材料和加热器2个重要部分组成。微热板具有体积小、功耗低、响应快、可批量生产、易于集成等优点[1-2]，成为加热器的首选。高温情况下，由多层薄膜材料复合而成的硅微热板气体传感器会发生热膨胀形变，内部会存在较大的热应力，导致气敏薄膜或金属电极的结构蠕变、开裂、翘曲甚至断裂[3-4]，从而影响其气敏特性。

众所周知，温度对气体传感器性能的影响很大，但是应力对性能的影响还缺乏研究。为了研究应力对气体传感器性能的影响，需要在保持加热温度恒定的前提下改变器件的应力。对MEMS器件进行应力/应变调节可以利用静电力、热膨胀、电磁力、逆压电效应等[5-6]。相比于其他方法，静电梳齿执行器具有结构简单易加工、体积小等优点，近年来已广泛应用于微夹持器[7]、光学变形镜[8]、射频器件[9]等领域。由于静电梳齿执行器和微热板都可采用标准的CMOS工艺及后处理工艺制作[10-11]，并且对微热板的温度特性影响较小，因此本文将静电梳齿执行器和微热板结合，设计了一种微热板应力调节结构，利用有限元软件(COMSOL Multiphysics)分析了微热板工作在250℃、350℃、450℃和550℃时SnO2气敏薄膜中的应力调节效果。

1 器件结构设计

1.1 器件平面结构

器件基本结构设计如图1所示。为了结构简化，微热板采用双臂结构代替传统四条臂结构，支撑臂尺寸为30×50 μm2，加热区域尺寸为100×50 μm2，加热丝为3条蛇形电阻丝；2个静电梳齿执行器对称分布在微热板的两侧，梳齿长度为25 μm，移动梳齿和固定梳齿重叠长度15 μm，梳齿间间隙为3 μm，移动梳齿两端由折叠弯曲结构连接在衬底上，并且中间部分连接在微热板的外侧尖角上。图1中较粗黑线标注的边框与衬底连接。

图1 器件基本结构

1.2 器件工艺和剖面结构

器件的加工采用标准的0.5 μm CMOS工艺及CMOS后处理工艺，其剖面图如图2所示。标准的CMOS工艺包含3层铝金属(A1,A2和A3)[12]，采用CMOS工艺中的通孔材料W制作微热板的蛇形加热丝，三层金属作为静电梳齿执行器的电极，如图2所示。其加工流程可参考文献[10]。可见，悬空MHP多层结构中包括氧化硅、氮化硅、钨、黄金以及二氧化锡气敏材料。悬空多层薄膜的总厚度为5 μm。

图2 器件剖面图(沿A-B-C-D)

2 有限元仿真分析

利用COMSOL Multiphysics软件对上述器件进行热学、固体力学、静电场耦合仿真，如图3所示。首先，采用焦耳热模块进行电-热仿真，得到器件热分布；然后将该热分布作为热载荷加载到微机电模块，作为微热板热膨胀的热源；然后在静电梳齿执行器的固定梳齿上加驱动电压Vst，产生静电力并作用于微热板上，调节SnO2气敏薄膜的应力分布。由于器件的尺寸很小，热对流和热辐射散热量远小于热传导散热量[13]，热仿真的时候忽略了热对流和热辐射的影响。仿真使用的材料及属性如表1所示。

图3 仿真步骤

材料热膨胀系数/(10-6·K-1)比热容/(J·kg-1·K-1)相对介电常数密度/(kg·m-3)热导率/(W·m-1·K-1)杨氏模量/GPa泊松比SiO20.57304.222001.4700.17W4.5132-193501744110.28Si3N42.37009.73100202500.23SnO23.73719.66990291000.2Al23.1904-2700237700.35Au14.2129-19300317700.44

3 仿真结果及讨论

3.1 器件位移

图4为器件中心微热板最高温度约350 ℃时的仿真结果。图4(a)为中心长方形悬空区域加热到350 ℃时，器件的温度分布，可见中心长方形微热板上的温度分布比较均匀。由于组成微热板各层薄膜热膨胀系数差异较大，器件会发生热膨胀形变。图4(b)和图4(c)为此温度分布下驱动电压Vst为0时器件z方向和x方向位移分布云图。可见，高温条件下，微热板发生热膨胀而凸起，同时静电梳齿执行器的移动梳齿会向负z方向倾斜，因此当梳齿上加驱动电压时，在x方向和z方向都会产生静电力，该静电力作用于微热板上调节其位移及应力状态。图4(a)中左右两边的固定电极在仿真中设定为位置固定，因此在位移图中省略。

图4 温度为350 ℃，Vst =0 V时仿真结果

图5(a)和图5(b)为温度分布不变，驱动电压Vst为250 V时，器件的z方向和x方向的位移分布图，对比图4，在静电力作用下，微热板z方向的位移和x方向的位移都会发生改变。例如，图5(c)为不同电压下微热板上点P1及右侧移动梳齿上点P2在x方向位移随驱动电压Vst的变化，可见，P1和P2的位移都随着驱动电压增加而非线性增大。在温度条件不变的情况下，位移的改变意味着微热板的形变发生了改变。

3.2 SnO2薄膜应力调节范围

图6(a)所示为微热板上最高温度为350 ℃时，器件表层氧化锡薄膜的应力分布云图，可以发现支撑臂与微热板连接处、微热板与静电梳齿执行器连接臂、移动梳齿与衬底连接弯曲结构及金属条分布区域等结构变化大的区域，以及微热板上温度较高的区域，其应力较大。图6(b)为不同驱动电压Vst作用下，SnO2薄膜中沿直线A-B(表层)的应力分布曲线，由于金属丝的存在，SnO2薄膜的应力呈锯齿状分布。处在金属丝上方的SnO2薄膜应力较小，处在金属丝间隙处的SnO2薄膜应力相对较高而形成一个个的小尖峰，并且应力随着静电驱动电压Vst增大而减小，其局部放大图如图6(c)所示。在温度条件不变的情况下，静电力的施加导致了微热板上的气敏薄膜SnO2中的应力发生变化，从而实现了通过静电梳齿执行器调节气体传感器气敏材料内部应力的目标。

(a)Vst=250 V，z-方向位移分布

(b)Vst=250 V，x-方向位移分布

(c)点P1和P2的x方向位移随Vst的变化图5 温度为350℃时位移分布图

在温度为250 ℃、350 ℃、450 ℃及550 ℃时进行的仿真有相似的应力分布调节效果。图7所示为，温度为250 ℃、350 ℃、450 ℃及550 ℃时，微热板中心点P处SnO2薄膜应力随静电执行器驱动电压Vst的变化。可见，随着微热板温度的升高，SnO2薄膜中的应力增大，且SnO2薄膜的热应力在十兆帕到百兆帕量级。在不同温度下，P点的应力均随着电压的升高而减小，为了能够更准确的反应应力的调节量，将Vst=0 V和Vst=250 V时A-B截线上的应力取平均值记为σ1和σ2，图8所示为不同温度条件下SnO2薄膜中应力该变量σ1-σ2。驱动电压从0增加到250 V，对应于微热板温度为250 ℃、350 ℃、450 ℃及550 ℃，SnO2薄膜中应力分别减小了约1.8 MPa、2.42 MPa、2.37 MPa和2.34 MPa。而当驱动电压不变，仅温度发生改变时，例如驱动电压为0而对比温度分别为250 ℃和350 ℃时的SnO2薄膜应力，其应力变化约11.6 MPa。可见，Vst小于250 V时，静电力产生的SnO2薄膜应力改变量相对于SnO2薄膜本身的热应力较小。可见，本文设计的结构所产生的静电吸引力可在温度不变的情况下对SnO2薄膜应力进行一定范围的调整，并且不会改变原本的应力分布特征。

(a)温度350 ℃时3维应力分布图

(b)静电驱动电压从0～250 V时，图(a)中的A-B切线的应力分布

(c)图(b)方框中的局部应力放大图图6 温度350 ℃时应力分布图

若想进一步提高SnO2薄膜应力改变量，需要提高静电梳齿执行器的静电力。式(1)为静电梳齿执行器水平方向静电力Fex的计算公式[15]，由式(1)可知除了通过提高驱动电压来提高静电力，还可适当增加梳齿数目，增加梳齿厚度以及减小梳齿间距。

(1)

式中:N为梳齿数目；t为梳齿厚度；g为梳齿间距；ε0为真空介电常数。

(a)250℃时，P点应力随Vst变化

(b)350℃，P点应力随Vst变化

(c)450℃，P点应力随Vst变化

(d)550℃，P点应力随Vst变化

图8 不同温度下SnO2薄膜中A～B截面上的应力改变量

4 结束语

设计了一种基于静电梳齿执行器的微热板应力调节系统，并给出了器件加工工艺。仿真分析了加热状态下器件的热膨胀形变，并且在静电梳齿执行器的作用下，微热板的弯曲程度减小；分析了加热状态下气敏薄膜中的应力分布，以及在静电梳齿执行器作用下SnO2薄膜中的应力调节范围。仿真结果显示，SnO2薄膜中存在低应力点和高应力点，并且都随着驱动电压的升高而减小，微热板工作在250～550℃，驱动电压0～250 V时，静电梳齿执行器对SnO2薄膜应力调节量可达到为2.4 MPa。如果需要获得更大的应力调节量，可适当增加梳齿数目或厚度，减小梳齿间距。

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Design and Simulation of Stress Modulation System for SiliconMicrohotplate Gas Sensor

LIU Kai-qiang,YU Jun,TANG Zhen-an

(School of Electronic Science and Technology,Key Lab.of Liaoning for Integrated Circuits Technology,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China)

A system combined the microhotplate and the comb electrostatic actuator was proposed which can modulate the stress distribution in gas sensing film and maintain the same temperature at the same time.The deformation of the device,stress distribution in sensing film and the modulation range were simulated by FEA software (COMSOL Multiphysics).It is shown that the stress in sensing film decrease with the increasing of the drive voltage.The modulation of the stress in sensing film can be attained by the proposed structure,which can be used to study the influence of stress on the properties of gas sensing film.

electrostatic actuator;microhotplate;FEA;stress in film

国家自然科学基金项目(61274076,61201035);大连理工大学前沿探索与学科交叉科研专题(DUT14QY40)

2015-03-11 收修改稿日期：2015-08-31

TN303

A

1002-1841(2015)12-0004-04

刘凯强(1990—)，硕士研究生,研究方向为MEMS传感器。 E-mail:444688565@163.com

余隽(1977—)，副教授，博士，研究方向为微传感器技术。 E-mail:junyu@dlut.edu.cn