硅微熱板氣體傳感器應力調節系統設計與仿真

劉凱強，余 雋，唐禎安

(大連理工大學電子科學與技術學院，集成電路遼寧省重點實驗室,遼寧大連 116024)

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硅微熱板氣體傳感器應力調節系統設計與仿真

劉凱強，余 雋，唐禎安

(大連理工大學電子科學與技術學院，集成電路遼寧省重點實驗室,遼寧大連 116024)

將微熱板與靜電梳齒執行器結合，設計出一種恒溫加熱狀態下調節氣敏薄膜(SnO2)應力的系統結構。采用有限元軟件(COMSOL Multiphysics)仿真分析了不同溫度下器件的形變、氣敏薄膜中的應力分布及其調節范圍。仿真結果表明，氣敏薄膜中的應力隨著靜電梳齒執行器驅動電壓的升高而下降，成功實現對氣敏薄膜中應力分布的調節，該結構可用于應力對薄膜氣敏特性影響的研究。

靜電執行器；微熱板；有限元；SnO2薄膜應力

0 引言

金屬氧化物半導體氣體傳感器通常需要工作在200～450℃的高溫狀態下，一般由氣敏材料和加熱器2個重要部分組成。微熱板具有體積小、功耗低、響應快、可批量生產、易于集成等優點[1-2]，成為加熱器的首選。高溫情況下，由多層薄膜材料復合而成的硅微熱板氣體傳感器會發生熱膨脹形變，內部會存在較大的熱應力，導致氣敏薄膜或金屬電極的結構蠕變、開裂、翹曲甚至斷裂[3-4]，從而影響其氣敏特性。

眾所周知，溫度對氣體傳感器性能的影響很大，但是應力對性能的影響還缺乏研究。為了研究應力對氣體傳感器性能的影響，需要在保持加熱溫度恒定的前提下改變器件的應力。對MEMS器件進行應力/應變調節可以利用靜電力、熱膨脹、電磁力、逆壓電效應等[5-6]。相比于其他方法，靜電梳齒執行器具有結構簡單易加工、體積小等優點，近年來已廣泛應用于微夾持器[7]、光學變形鏡[8]、射頻器件[9]等領域。由于靜電梳齒執行器和微熱板都可采用標準的CMOS工藝及后處理工藝制作[10-11]，并且對微熱板的溫度特性影響較小，因此本文將靜電梳齒執行器和微熱板結合，設計了一種微熱板應力調節結構，利用有限元軟件(COMSOL Multiphysics)分析了微熱板工作在250℃、350℃、450℃和550℃時SnO2氣敏薄膜中的應力調節效果。

1 器件結構設計

1.1 器件平面結構

器件基本結構設計如圖1所示。為了結構簡化，微熱板采用雙臂結構代替傳統四條臂結構，支撐臂尺寸為30×50 μm2，加熱區域尺寸為100×50 μm2，加熱絲為3條蛇形電阻絲；2個靜電梳齒執行器對稱分布在微熱板的兩側，梳齒長度為25 μm，移動梳齒和固定梳齒重疊長度15 μm，梳齒間間隙為3 μm，移動梳齒兩端由折疊彎曲結構連接在襯底上，并且中間部分連接在微熱板的外側尖角上。圖1中較粗黑線標注的邊框與襯底連接。

圖1 器件基本結構

1.2 器件工藝和剖面結構

器件的加工采用標準的0.5 μm CMOS工藝及CMOS后處理工藝，其剖面圖如圖2所示。標準的CMOS工藝包含3層鋁金屬(A1,A2和A3)[12]，采用CMOS工藝中的通孔材料W制作微熱板的蛇形加熱絲，三層金屬作為靜電梳齒執行器的電極，如圖2所示。其加工流程可參考文獻[10]?？梢?，懸空MHP多層結構中包括氧化硅、氮化硅、鎢、黃金以及二氧化錫氣敏材料。懸空多層薄膜的總厚度為5 μm。

圖2 器件剖面圖(沿A-B-C-D)

2 有限元仿真分析

利用COMSOL Multiphysics軟件對上述器件進行熱學、固體力學、靜電場耦合仿真，如圖3所示。首先，采用焦耳熱模塊進行電-熱仿真，得到器件熱分布；然后將該熱分布作為熱載荷加載到微機電模塊，作為微熱板熱膨脹的熱源；然后在靜電梳齒執行器的固定梳齒上加驅動電壓Vst，產生靜電力并作用于微熱板上，調節SnO2氣敏薄膜的應力分布。由于器件的尺寸很小，熱對流和熱輻射散熱量遠小于熱傳導散熱量[13]，熱仿真的時候忽略了熱對流和熱輻射的影響。仿真使用的材料及屬性如表1所示。

圖3 仿真步驟

材料熱膨脹系數/(10-6·K-1)比熱容/(J·kg-1·K-1)相對介電常數密度/(kg·m-3)熱導率/(W·m-1·K-1)楊氏模量/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 仿真結果及討論

3.1 器件位移

圖4為器件中心微熱板最高溫度約350 ℃時的仿真結果。圖4(a)為中心長方形懸空區域加熱到350 ℃時，器件的溫度分布，可見中心長方形微熱板上的溫度分布比較均勻。由于組成微熱板各層薄膜熱膨脹系數差異較大，器件會發生熱膨脹形變。圖4(b)和圖4(c)為此溫度分布下驅動電壓Vst為0時器件z方向和x方向位移分布云圖?？梢?，高溫條件下，微熱板發生熱膨脹而凸起，同時靜電梳齒執行器的移動梳齒會向負z方向傾斜，因此當梳齒上加驅動電壓時，在x方向和z方向都會產生靜電力，該靜電力作用于微熱板上調節其位移及應力狀態。圖4(a)中左右兩邊的固定電極在仿真中設定為位置固定，因此在位移圖中省略。

圖4 溫度為350 ℃，Vst =0 V時仿真結果

圖5(a)和圖5(b)為溫度分布不變，驅動電壓Vst為250 V時，器件的z方向和x方向的位移分布圖，對比圖4，在靜電力作用下，微熱板z方向的位移和x方向的位移都會發生改變。例如，圖5(c)為不同電壓下微熱板上點P1及右側移動梳齒上點P2在x方向位移隨驅動電壓Vst的變化，可見，P1和P2的位移都隨著驅動電壓增加而非線性增大。在溫度條件不變的情況下，位移的改變意味著微熱板的形變發生了改變。

3.2 SnO2薄膜應力調節范圍

圖6(a)所示為微熱板上最高溫度為350 ℃時，器件表層氧化錫薄膜的應力分布云圖，可以發現支撐臂與微熱板連接處、微熱板與靜電梳齒執行器連接臂、移動梳齒與襯底連接彎曲結構及金屬條分布區域等結構變化大的區域，以及微熱板上溫度較高的區域，其應力較大。圖6(b)為不同驅動電壓Vst作用下，SnO2薄膜中沿直線A-B(表層)的應力分布曲線，由于金屬絲的存在，SnO2薄膜的應力呈鋸齒狀分布。處在金屬絲上方的SnO2薄膜應力較小，處在金屬絲間隙處的SnO2薄膜應力相對較高而形成一個個的小尖峰，并且應力隨著靜電驅動電壓Vst增大而減小，其局部放大圖如圖6(c)所示。在溫度條件不變的情況下，靜電力的施加導致了微熱板上的氣敏薄膜SnO2中的應力發生變化，從而實現了通過靜電梳齒執行器調節氣體傳感器氣敏材料內部應力的目標。

(a)Vst=250 V，z-方向位移分布

(b)Vst=250 V，x-方向位移分布

(c)點P1和P2的x方向位移隨Vst的變化圖5 溫度為350℃時位移分布圖

在溫度為250 ℃、350 ℃、450 ℃及550 ℃時進行的仿真有相似的應力分布調節效果。圖7所示為，溫度為250 ℃、350 ℃、450 ℃及550 ℃時，微熱板中心點P處SnO2薄膜應力隨靜電執行器驅動電壓Vst的變化?？梢?，隨著微熱板溫度的升高，SnO2薄膜中的應力增大，且SnO2薄膜的熱應力在十兆帕到百兆帕量級。在不同溫度下，P點的應力均隨著電壓的升高而減小，為了能夠更準確的反應應力的調節量，將Vst=0 V和Vst=250 V時A-B截線上的應力取平均值記為σ1和σ2，圖8所示為不同溫度條件下SnO2薄膜中應力該變量σ1-σ2。驅動電壓從0增加到250 V，對應于微熱板溫度為250 ℃、350 ℃、450 ℃及550 ℃，SnO2薄膜中應力分別減小了約1.8 MPa、2.42 MPa、2.37 MPa和2.34 MPa。而當驅動電壓不變，僅溫度發生改變時，例如驅動電壓為0而對比溫度分別為250 ℃和350 ℃時的SnO2薄膜應力，其應力變化約11.6 MPa?？梢?，Vst小于250 V時，靜電力產生的SnO2薄膜應力改變量相對于SnO2薄膜本身的熱應力較小?？梢?，本文設計的結構所產生的靜電吸引力可在溫度不變的情況下對SnO2薄膜應力進行一定范圍的調整，并且不會改變原本的應力分布特征。

(a)溫度350 ℃時3維應力分布圖

(b)靜電驅動電壓從0～250 V時，圖(a)中的A-B切線的應力分布

(c)圖(b)方框中的局部應力放大圖圖6 溫度350 ℃時應力分布圖

若想進一步提高SnO2薄膜應力改變量，需要提高靜電梳齒執行器的靜電力。式(1)為靜電梳齒執行器水平方向靜電力Fex的計算公式[15]，由式(1)可知除了通過提高驅動電壓來提高靜電力，還可適當增加梳齒數目，增加梳齒厚度以及減小梳齒間距。

(1)

式中:N為梳齒數目；t為梳齒厚度；g為梳齒間距；ε0為真空介電常數。

(a)250℃時，P點應力隨Vst變化

(b)350℃，P點應力隨Vst變化

(c)450℃，P點應力隨Vst變化

(d)550℃，P點應力隨Vst變化

圖8 不同溫度下SnO2薄膜中A～B截面上的應力改變量

4 結束語

設計了一種基于靜電梳齒執行器的微熱板應力調節系統，并給出了器件加工工藝。仿真分析了加熱狀態下器件的熱膨脹形變，并且在靜電梳齒執行器的作用下，微熱板的彎曲程度減??；分析了加熱狀態下氣敏薄膜中的應力分布，以及在靜電梳齒執行器作用下SnO2薄膜中的應力調節范圍。仿真結果顯示，SnO2薄膜中存在低應力點和高應力點，并且都隨著驅動電壓的升高而減小，微熱板工作在250～550℃，驅動電壓0～250 V時，靜電梳齒執行器對SnO2薄膜應力調節量可達到為2.4 MPa。如果需要獲得更大的應力調節量，可適當增加梳齒數目或厚度，減小梳齒間距。

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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

國家自然科學基金項目(61274076,61201035);大連理工大學前沿探索與學科交叉科研專題(DUT14QY40)

2015-03-11 收修改稿日期：2015-08-31

TN303

A

1002-1841(2015)12-0004-04

劉凱強(1990—)，碩士研究生,研究方向為MEMS傳感器。 E-mail:444688565@163.com

余雋(1977—)，副教授，博士，研究方向為微傳感器技術。 E-mail:junyu@dlut.edu.cn