当今社会,伴随着随着互联网通信技术的发展,物联网时代即将来临,人民的生活向着数字化、信息化发展,而传感器是实现信息数字化的重要手段,特别是随着MEMS技术越来越成熟^[1-2],微热板式微气体传感器应用越来越广泛,由于其具有体积小、低功耗以及可集成的优点,使得微结构气体传感器比传统的烧结型的传感器更具优势,因而气体传感器的微型化是必然的趋势,因此,研究开发微热板式传感器具有深远的意义^[3-5]。本文主要设计了三种新型微热板式微气体传感器,利用有限元法对传感器的底座、加热电极、信号电极、磁场分布以及气敏材料进行了分析与优化,得到了最佳设计参数,使得传感器获得最佳综合性能。具体内容如下:1.A型微热板式气体传感器的设计及优化设计的A型微热板式微气体传感器的基底尺寸为1.0mm×1.5mm×0.3mm,加热电极为蛇形结构,利用ANSYS软件对传感器的基底三层材料的厚度、加热电极的宽度和间距以及测量电极的宽度参数进行了模拟及优化,结果显示,当传感器基底中绝缘层Si、导热层SiO₂、保护支撑层Si的厚度分别为5μm、220μm、75μm,加热电极和信号电极宽度均为20μm,加热电极的间距为20μm,此时微热板中心工作区域可获得最佳的温度分布,温差为0.221^℃,其中心工作温度能达到351.905 ^℃,该区域的磁场强度为1.22×10^-10 T,其值是加热电极处磁场强度最大值3.84×10^-2 T的1/3×10⁸。因此,该传感器中心工作区域的磁场几乎可以忽略,减小了传感器的系统误差,有利于传感器整体性能的提高。2.B型微热板式气体传感器的设计及优化设计的B型微热板式气体传感器的基底形状为长方体结构,其尺寸为1.225mm×1.225mm×300nm,以有限元ANSYS为平台对其进行了分析和优化,该传感器微热板基底为三层结构,即SiO₂-Si-SiO₂结构,尺寸分别为1μm、189μm、110μm,加热电极宽度和间距均为20μm,信号电极宽度为40μm,微热板中心工作区域的温度为353.019^℃,其温差为0.220^℃,温度分布均匀,工作区域的磁场大小为2.4×10^-1111 T,与加热电极处的磁场最强值7.8×10^-3T相比,该传感器的工作区的磁场较小,这样对测量信号的干扰极少。因此,这样的设计有利于提升传感器的性能。3.C型微热板式气体传感器的设计及优化设计了一种新型微热板式气体传感器的结构,微热板的工作平面的面积约为1.5mm²,基底厚度为300μm.通过有限元分析软件ANSYS对传感器的基底进行了模拟和优化,并对传感器的基底三层材料的厚度、加热电极的宽度、间距以及测量电极的宽度等参数进行了分析,研究表明,微热板三层基底的厚度分别为5μm、235μm、60μm,加热电极宽度和间距分别为30μm和20μm,信号电极的宽度为20μm,此时微热板工作区域的温度温度高达351.936^℃,温度值较高,工作区域的温差是0.125 ^℃,温度分布均匀,而其磁场亦均匀分布,其值为1.68×10^-11T,是磁场最大值(1.06×10^-3T)的1/6×10⁷,该值是整个微热板磁场强度最小的区域,其对测量影响很小,有利于提高传感器的性能。4.三种微热板式气体传感器对比分析A型和B型传感器基底均为长方体,体积约为0.45mm³,前者加热电极类似蛇形结构,中心工作区域温度为351.905 ^℃,中心区域温差为0.221^℃,磁感应强度为1.22×10^-10T,而后者加热电极为‘回’字形结构,采用双回路四周型布局,中心工作区域温度为353.019 ^℃,中心温差为0.220^℃,磁感应强度为2.4×10^-11T,C型传感器的基底为一个圆柱体,截掉上下两个对称的圆弧后剩下部分,体积约为0.45mm³,加热电极同样采用双回路四周型,其中心区域工作温度为351.936^℃,中心温差为0.125^℃,磁感应强度为1.68×10^-11 T。在加热功率相同的条件下,B型结构传感器具有最高的工作温度,而C型传感器虽然中心工作温度稍低,但其温度分布均匀,温差最小,且其工作区域磁场强度亦最小。5.基于氧化锌的三种微热板式气体传感器比较微热板是传感器的核心加热器件,为ZnO气敏材料提供合适的工作温度,敏感材料在特定的温度下对特定气体有较高的气敏特性,因而,传感器微热板温度场分布的均匀性对传感器的选择性有较大影响。在加热功率相同条件下,A型传感器的ZnO气敏材料工作区域的温度为315.328^℃左右,其温差为0.336^℃,B型传感器的ZnO气敏材料工作区域的温度约为317.688^℃,其温差为0.217^℃,温度分布最均匀,C型传感器气敏材料工作区域的温度为315.956 ^℃左右,其温差为0.230^℃,因此B型传感器的气敏材料工作区域温度最高,C型次之,A型最低。