微热板气体传感器低功耗工作模式研究

微热板气体传感器大多采用金属氧化物半导体气敏材料,通常需要工作在200~500℃的温度下才能获得良好的气敏特性。采用传统的直流电压加热模式时需要消耗数十毫瓦的功耗用于维持工作温度。必须进一步减小气体传感器的功耗,才能使之适用于微型无线传感网等对功耗要求苛刻的应用领域。研究了脉冲电压加热工作模式下微热板气体传感器对(20~100)×10^(-6)乙醇的气敏响应,优化了加热脉冲周期和占空比。实验证明:将微热板功耗降低1个数量级仍能获得良好的气体检测性能。

用于微热板气体传感器的EHD打印有限元仿真

为了研究通过电流体动力学(EHD)打印在微热板上涂覆气敏材料过程中各参数对锥射流形成的影响,采用多物理场有限元仿真软件分析了锥射流形成过程。高速摄像机拍摄锥射流形成过程与仿真锥射流形成过程一致,验证了仿真分析的有效性。仿真结果表明:随着针头与衬底之间距离减小,锥射流形成时间单调减小;针头内径和接触角的增大都会使锥射流直径增大。根据仿真结果优化EHD打印参数,在微热板上打印花状气敏材料,不但保留了材料的微观纳米结构,而且形成了较为均匀的薄膜。

面向微热板气体传感器的控温采集无线节点设计

微热板近年来被广泛应用到气体传感器领域。为了提高微热板式气体传感器工作的稳定性,文中设计了一种可控温WIFI采集传感器节点。它以CC3200为WIFI节点核心,结合Dut13微热板驱动芯片以及高速ADC和DAC模块实现对微热板气体传感器的无线控温和气敏信号采集。实验结果表明,在环境温度10~45℃范围内,微热板目标温度350℃以内,该节点的控温精度优于±4℃,节点平均总功耗小于350 m W。

用于气体传感器的微热板工艺流程与性能对比

微热板式气体传感器具有功耗低、体积小和灵敏度高等优点,具有良好的产业化前景,而传感器芯片批量制造成品率与单芯片加工成本是其能否产业化的关键。在传感器芯片批量制造中引入成熟标准CMOS工艺,采用四臂支撑悬空结构,以钨为加热丝,多层介质薄膜为机械支撑膜,顶层金属为气敏电极;作为对比,同时设计了MEMS工艺流程,制造了以铂为加热丝,PECVD氧化硅和氮化硅为机械支撑膜,黄金气敏电极的相同结构传感器芯片。对比了工艺成本和器件性能,CMOS微热板芯片的功耗、热响应、热稳定性以及成本等性能均达到甚至优于MEMS微热板水平。由于CMOS工艺线量产能力和加工精度均优于常见MEMS工艺线,因此单芯片成本更低,集成度更高,非常适合微热板式气体传感器阵列芯片的产业化生产制造。

微加热板气体传感器的仿真及结构优化

针对微加热板气体传感器敏感薄膜上温度分布不均的缺点,在传统的微加热板传感器中加入了硅岛结构以均匀薄膜温度分布。利用有限元分析软件ANSYS对带有不同尺寸硅岛的传感器的温度分布进行了仿真和分析,得出了最佳的硅岛尺寸,并提出了一种新型的微加热板气体传感器结构设计,该传感器结构可以在性能不受影响的情况下简化制作工艺。