CN111007113A

CN111007113A - 一种金属氧化物半导体气体传感器结构优化设计方法

Info

Publication number: CN111007113A
Application number: CN201911157956.1A
Authority: CN
Inventors: 黄志亮; 张继文; 阳同光; 王中华; 孙文德
Original assignee: Hongfujin Precision Industry Shenzhen Co Ltd
Current assignee: Hongfujin Precision Industry Shenzhen Co Ltd; Hunan City University
Priority date: 2019-11-22
Filing date: 2019-11-22
Publication date: 2020-04-14
Anticipated expiration: 2039-11-22
Also published as: CN111007113B

Abstract

本发明公开了一种金属氧化物半导体气体传感器结构优化设计方法，旨在为开发高可靠度的新型金属氧化物半导体气体传感器提供潜在的设计工具。本方法选取传感器的金属氧化物半导体感应膜作为设计对象，以最小化温变载荷下感应膜功能区最大应力为设计目标。首先，通过对温变载荷的近似等效，在现有有限元分析平台上构建拓扑优化模型；其次，基于拓扑优化模型，以体积阈值作为设计变量，对最小应力展开一维搜索，从而得到具有最小热应力的感应膜构型。与常规方法比较，本方法无需设计者提供初始构型，从而大大降低了对工程经验和理论知识的依赖；设计过程所有步骤均无需繁琐、复杂的编程求解过程，易于理解、实施，具有良好的工程实用性。

Description

一种金属氧化物半导体气体传感器结构优化设计方法

技术领域

本发明涉及气体传感器技术领域，尤其涉及一种金属氧化物半导体气体传感器结构优化设计方法。

背景技术

基于金属氧化物半导体薄膜的气体传感器已经广泛应用于医疗器械、食品质量检测、空气质量监控、装修污染检测等诸多领域。相比于现有其他类型产品，此类传感器具有更小封装、更高敏感度、更快响应速度，在微机电系统(MEMS)工艺持续优化的驱动下，已经成为最具潜力的气体传感器类型之一。此类传感器通常包含两个部分：基于金属氧化物半导体的感应膜，以及用于支撑感应膜的硅基片封装结构体。感应膜是传感器的核心部分，目前通常采用悬梁-中心岛结构。中心岛为功能区，包含气敏层、加热层和绝缘层三部分。气敏层上的感应电极在与目标气体接触后电阻值发生改变，从而实现气体监测。加热层将功能区的温度提升至合适区间，以加强气敏层对目标气体的敏感度。绝缘层则用以实现气敏层和加热层之间的电路绝缘及热传导。在结构上，硅基片通过悬梁膜支撑中心岛；而中心岛上的加热电路和感应电路需要通过布置在悬梁膜上的引线，与硅基片上的电极连接，从而构建感应回路和加热回路。

尽管金属氧化物半导体感应膜在气体传感器领域深具应用潜力，然而存在关键技术难点急需解决，有效消除热应力便是其中之一。功能区工作温度通常较环境温度高几百度，大幅温升导致感应膜内部出现较大的热应力。热应力不仅会造成传感器基准波动，而导致精度上的损失；更为重要的是，反复出现的热应力还会提升感应膜的断裂风险，从而大幅降低传感器的可靠性。传统的设计方法，通常是基于工程经验对感应膜提出构型，并通过样品试制以验证其性能。然而，高昂的试制成本及时间耗费是此类方法的主要缺陷。目前，已有学者基于数值模拟技术，对已有构型进行结构优化，在一定程度上降低了设计成本。此类方法的局限性可大致归纳为两个方面。首先，结构优化基于初始构型展开，而提出一个有效的初始构型依赖于设计者的工程经验。其次，基于数值模拟的结构优化方法尽管在学术界被广泛研究，然而繁琐、复杂的数值模拟及优化求解的编程对于一般工程师仍然极具挑战。综上，开发一种既不依赖于工程经验，又无算法编程技能要求的结构优化设计方法，可以为工程师开发新型金属氧化物半导体气体传感器提供有效的可靠性设计工具，从而具有非常重要的现实意义。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供一种金属氧化物半导体气体传感器结构优化设计方法，该方法无需对金属氧化物半导体感应膜提出初始构型，从而大幅降低对工程经验及理论知识的依赖，为开发高可靠度的新型金属氧化物半导体气体传感器提供了有效的设计工具。

为实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：一种金属氧化物半导体气体传感器结构设计方法，包括以下步骤：

(1)基于待优化气体传感器，选取设计对象和设计目标，设计对象选取为气体传感器的感应膜，设计目标选取为最小化温变载荷下感应膜的功能区最大热应力S；

(2)采用压力载荷替代温变载荷，建立有限元分析模型A，压力载荷是指施加在感应膜功能区上的法向压力载荷P；

(3)基于有限元分析模型A，建立拓扑优化模型并求解得到初始拓扑构型；

(4)基于初始拓扑构型，建立温变载荷下的有限元分析模型B并求解；温变载荷根据设计要求设定，求解可输出功能区上最大应力S(v)；

(5)构建温变载荷下功能区应力最小化的一维搜索模型；

(6)对一维搜索模型求解，输出最优体积阈值v^*、应力值S(v^*)，及最优拓扑构型。

进一步地，在步骤(1)中，气体传感器包括硅基片和感应膜，硅基片为感应膜的支撑结构体，感应膜包含三个区域：功能区、支撑区和固定区，功能区包含三层：气敏层、加热层和绝缘层，气敏层上的感应电极在与目标气体接触后电阻值会改变，从而实现气体监测。

进一步地，加热层上设置有加热电路，将功能区的温度提升，以加强气敏层对目标气体的敏感度。

进一步地，温度提升至300℃。

进一步地，气敏层通过布置在支撑区的引线与固定区上的第一感应电极、第二感应电极连接，构成感应电路。

进一步地，加热层通过布置在支撑区的引线与固定区上的第一加热电极、第二加热电极连接，构成加热电路。

进一步地，在步骤(2)中，建立有限元分析模型A是对感应膜的功能区和支撑区建立基于X和Y方向对称的第一1/4有限元分析模型，第一1/4有限元分析模型的单元基于壳特征构建，设置材料的弹性模型，泊松比，对第一区域设置固支边界条件，对第二区域设置基于X方向的对称边界条件，对第三区域设置基于Y方向的对称边界条件，求解器设置为“静态，通用”。

进一步地，在步骤(3)中，建立拓扑优化模型并求解得到初始拓扑构型的过程为：

(3.1)在有限元分析模型A中，选取感应膜的支撑区为待设计区域；

(3.2)冻结施加固支边界条件的区域和施加载荷的区域；

(3.3)基于待设计区域，建立体积V的响应函数；

(3.4)基于功能区中心点的位移，建立变形D的响应函数；

(3.5)以最小化D为设计目标，以V≤v＝v₀为约束，建立如下拓扑优化模型M(v)：

(3.6)在现有有限元分析软件平台上求解输出待设计区域的初始拓扑构型。

进一步地，v＝22％。

进一步地，在步骤(4)中，有限元分析模型B为基于X和Y方向对称的第二1/4有限元分析模型，第二1/4有限元分析模型的单元基于壳特征构建，对第五区域设置固支边界条件，对第六区域设置基于X方向的对称边界条件，对第七区域设置基于Y方向的对称边界条件，对第八区域施加温变载荷，求解器设置为“温度-位移耦合”。

进一步地，在步骤(5)中，一维搜索模型的特征为：以体积阈值v为设计变量、S(v)为目标函数、v∈[v^L,v^R]为约束，所构建的一维搜索模型可写成：

s.t.v∈[v^L,v^R]

与现有技术相比，本发明的优点在于：

首先，所提方法通过构建拓扑优化模型，直接得到传感器感应膜的最优拓扑构型，大幅降低了设计者对工程经验和理论基础的依赖。其次，所提方法通过将温升载荷等效为压力载荷，克服了现有有限元分析软件无法对热力耦合问题进行拓扑优化的弊端，从而避免了设计者进行繁琐、复杂的数值模拟编程。综上，所提方法易于理解和实施，具有良好的工程实用性。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图。

图2是本发明具体应用实例中气体传感器的结构示意图。

图3是本发明具体应用实例中压力载荷下的有限元分析模型。

图4是本发明具体应用实例中首次迭代输出的拓扑构型。

图5是本发明具体应用实例中温变载荷下所得拓扑构型的有限元分析模型。

图6是本发明具体应用实例中所得拓扑构型及用于对比的两种常见构型设计。

附图标记：20、气体传感器；21、硅基片；22、感应膜；220、功能区；2201、气敏层；2202、加热层；2203、绝缘层；221、支撑区；222、固定区；2221、第一感应电极；2222、第二感应电极；2223、第一加热电极；2224、第二加热电极；30、第一1/4有限元分析模型；31、第一区域；32、第二区域；33、第三区域；34、第四区域；35、区域；36、中心点；41、拓扑构型；50、第二1/4有限元分析模型；51、第五区域；52、第六区域；53、第七区域；54、第八区域；60、最优拓扑构型；61、十字膜构型；62、连续膜构型。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步的描述，但不构成对本发明的任何限制，任何在本发明权利要求范围所做的有限次的修改，仍在本发明的权利要求范围内。

如图1—图6所示，本发明提供了一种金属氧化物半导体气体传感器结构优化设计方法，该方法包括以下处理步骤：

步骤S1：基于待优化气体传感器，选取设计对象和设计目标。如图2所示，本实施例中待优化气体传感器20是基于金属氧化物半导体微机电系统(MEMS)工艺设计制作。气体传感器20由硅基片21和感应膜22组成。硅基片21为感应膜22的支撑结构体。感应膜22的尺寸为4mm(长)*4mm(宽)*0.1mm(厚)，包含三个区域：功能区220、支撑区221、固定区222。功能区220包含三层：气敏层2201、加热层2202、绝缘层2203。气敏层2201上的感应电极在与目标气体接触后电阻值会改变，从而实现气体监测。加热层2202上设置有加热电路，将功能区220的温度提升至300℃，以加强气敏层2201对目标气体的敏感度。绝缘层2203用以实现气敏层2201和加热层2202的电路绝缘及热传导。气敏层2201通过布置在支撑区的引线与固定区222上的第一感应电极2221、第二感应电极2222连接，构成感应电路。加热层2202通过布置在支撑区的引线与固定区222上的第一加热电极2223、第二加热电极2224连接，构成加热电路。温升造成的热变形会导致功能区220内部的热应力，从而降低气体传感器的整体精度及结构可靠性。所以，选择支撑区221作为设计对象，最小化温变载荷下功能区220的最大热应力S作为设计目标。

步骤S2：采用压力载荷替代温变载荷，建立有限元分析模型。如图3所示，对感应膜22的功能区220和支撑区221建立基于X和Y方向对称的第一1/4有限元分析模型30；第一1/4有限元分析模型30的单元基于壳特征构建，材料的弹性模量设置为133GPa，泊松比为0.35；对第一区域31设置固支边界条件，第二区域32设置基于X方向的对称边界条件，第三区域33设置基于Y方向的对称边界条件；对第四区域34设置法向压力载荷P＝0.01MPa，第四区域34对应如图2中的功能区220；求解器设置为“静态，通用”。

步骤S3：基于有限元分析模型30，建立拓扑优化模型并求解得到拓扑构型。如图3所示，在有限元分析模型30中选取区域35为待设计区域，区域35对应如图2中的支撑区221；冻结施加固支边界条件的区域31和施加载荷的区域34；基于待设计区域35，建立体积V的响应函数，基于第四区域34中心点36的位移，建立变形D的响应函数；以最小化D为设计目标，以V≤v＝22％为约束，建立如下拓扑优化模型M(v)：

在ABAQUS有限元分析软件平台上求解输出待设计区域35的拓扑构型41，如图4所示。

步骤S4：基于所得拓扑构型41，建立温变载荷下的有限元分析模型。如图5所示，基于所得拓扑构型41，建立基于X和Y方向对称的第二1/4有限元分析模型50；第二1/4有限元分析模型50的单元基于壳特征构建，相关材料属性如表1所列；对第五区域51设置固支边界条件，第五区域51对应如图3中的第一区域31；对第六区域52设置基于X方向的对称边界条件，第七区域53设置基于Y方向的对称边界条件，第六区域52、第七区域53对应如图3中的第二区域32、第三区域33；对第八区域54施加0～300℃的温变载荷，第八区域54对应如图3中的第四区域34；求解器设置为“温度-位移耦合”。在ABAQUS有限元分析软件平台上求解输出第八区域54的最大应力为S(v)＝73.35MPa。

表1

步骤S5：构建温变载荷下功能区应力最小化的一维搜索模型。基于步骤S4和S5得到的第八区域54最大应力S可视作体积阈值v的一维函数。以体积阈值v为设计变量、S(v)为目标函数、v∈[v^L,v^R]为约束，构建如下一维搜索模型M1：

s.t.v∈[v^L,v^R]

其中，v^R和v^L表示设计变量v取值的上、下界。

步骤S6：对一维搜索模型M1求解，输出最优体积阈值v^*、应力值S(v^*)，及最优拓扑构型。在本实施例中，选用现有的经典牛顿法作为求解算法，经过4个迭代步后收敛，v^*＝8.2％，S(v^*)＝39.1MPa，相应的最优拓扑构型60如图6所示。

为表明所提方法的有益效果，将所得拓扑构型与常见的两种设计进行性能对比。如背景技术中所述，为提升气体传感器的敏感度，通过设置加热电路将功能区加热到一定温度，以促使气敏材料与目标气体接触后呈现更大的阻值变化。而温度大幅提升后，不可避免的导致功能区出现热应力。热应力会降低传感器的精度及结构可靠性，换言之，热应力越小，传感器的性能越佳。如图6所示的十字膜构型61和连续膜构型62是此类气体传感器两种最为常见的设计方案。类似于步骤S4，通过构建温变载荷下的有限元分析模型进行功能区的应力分析，可得十字膜构型61的功能区最大应力为S₆₁＝96.6MPa，连续膜构型62的S₆₂＝153.5MPa。从分析结果可以发现，三种构型在同等温变载荷下(0～300℃)，所得构型60具有最小的热应力(39.1MPa)，是十字膜构型61的40.5％、连续膜构型62的25.5％，在热应力消除方面具有非常明显的优势。另一方面，从本实施例整个设计过程上看，设计者无需依赖工程经验就可以得到气体传感器感应膜的最优拓扑构型，求解过程避免了繁琐、复杂的有限元建模编程，相较于常规方法具有更加的工程实用性。

Claims

1.一种金属氧化物半导体气体传感器结构优化设计方法，其特征在于：该方法包括如下处理步骤：

(1)基于待优化气体传感器，选取设计对象和设计目标，所述设计对象选取为所述气体传感器的感应膜，所述设计目标选取为最小化温变载荷下所述感应膜的功能区(220)最大热应力S；

(2)采用压力载荷替代温变载荷，建立有限元分析模型A，所述压力载荷是指施加在感应膜功能区上的法向压力载荷P；

(3)基于所述有限元分析模型A，建立拓扑优化模型并求解得到初始拓扑构型；

(4)基于所述初始拓扑构型，建立温变载荷下的有限元分析模型B并求解；所述温变载荷根据设计要求设定，所述求解可输出所述功能区上最大应力S(v)；

(5)构建温变载荷下功能区应力最小化的一维搜索模型；

(6)对所述一维搜索模型求解，输出最优体积阈值v^*、应力值S(v^*)，及最优拓扑构型。

2.根据权利要求1所述的一种金属氧化物半导体气体传感器结构优化设计方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述气体传感器(20)包括硅基片(21)和感应膜(22)，所述硅基片(21)为感应膜(22)的支撑结构体，所述感应膜(22)包含三个区域：功能区(220)、支撑区(221)和固定区(222)，所述功能区(220)包含三层：气敏层(2201)、加热层(2202)和绝缘层(2203)，所述气敏层(2201)上的感应电极在与目标气体接触后电阻值会改变，从而实现气体监测。

3.根据权利要求2所述的一种金属氧化物半导体气体传感器结构优化设计方法，其特征在于，所述加热层(2202)上设置有加热电路，将功能区(220)的温度提升，以加强气敏层(2201)对目标气体的敏感度。

4.根据权利要求2所述的一种金属氧化物半导体气体传感器结构优化设计方法，其特征在于，所述温度提升至300℃。

5.根据权利要求2所述的一种金属氧化物半导体气体传感器结构优化设计方法，其特征在于，所述气敏层(2201)通过布置在支撑区(221)的引线与固定区(222)上的第一感应电极(2221)、第二感应电极(2222)连接，构成感应电路。

6.根据权利要求2所述的一种金属氧化物半导体气体传感器结构优化设计方法，其特征在于，所述加热层(2202)通过布置在支撑区(221)的引线与固定区(222)上的第一加热电极(2223)、第二加热电极(2224)连接，构成加热电路。

7.根据权利要求1所述的一种金属氧化物半导体气体传感器结构优化设计方法，其特征在于，在步骤(2)中，建立有限元分析模型A是对感应膜(22)的功能区(220)和支撑区(221)建立基于X和Y方向对称的第一1/4有限元分析模型(30)，第一1/4有限元分析模型(30)的单元基于壳特征构建，设置材料的弹性模量，泊松比，对第一区域(31)设置固支边界条件，对第二区域(32)设置基于X方向的对称边界条件，对第三区域(33)设置基于Y方向的对称边界条件，求解器设置为“静态，通用”。

8.根据权利要求1所述的一种金属氧化物半导体气体传感器结构优化设计方法，其特征在于，在步骤(3)中，建立拓扑优化模型并求解得到初始拓扑构型的过程为：

(3.1)在所述有限元分析模型A中，选取所述感应膜的支撑区为待设计区域；

(3.2)冻结施加固支边界条件的区域和施加载荷的区域；

(3.3)基于所述待设计区域，建立体积V的响应函数；

(3.4)基于所述功能区中心点的位移，建立变形D的响应函数；

(3.6)在现有有限元分析软件平台上求解输出所述待设计区域的初始拓扑构型。

9.根据权利要求8所述的一种金属氧化物半导体气体传感器结构优化设计方法，其特征在于，v＝22％。

10.根据权利要求1所述的一种金属氧化物半导体气体传感器结构优化设计方法，其特征在于，在步骤(4)中，有限元分析模型B为基于X和Y方向对称的第二1/4有限元分析模型(50)，第二1/4有限元分析模型(50)的单元基于壳特征构建，对第五区域(51)设置固支边界条件，对第六区域(52)设置基于X方向的对称边界条件，对第七区域(53)设置基于Y方向的对称边界条件，对第八区域(54)施加温变载荷，求解器设置为“温度-位移耦合”。

11.根据权利要求1-10任意一项所述的一种金属氧化物半导体气体传感器结构优化设计方法，其特征在于，在步骤(5)中，所述一维搜索模型的特征为：以体积阈值v为设计变量、S(v)为目标函数、v∈[v^L,v^R]为约束，所构建的一维搜索模型可写成：

s.t.v∈[v^L,v^R]

所述v^R和v^L表示设计变量v取值的上、下界。