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

本发明专利技术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。

A structural optimization design method of metal oxide semiconductor gas sensor

【技术实现步骤摘要】
一种金属氧化物半导体气体传感器结构优化设计方法
本专利技术涉及气体传感器
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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∈[vL,vR]为约束，所构建的一维搜索模型可写成：s.t.v∈[vL,vR]与现有技术相比，本专利技术的优点在于：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是本专利技术方法的流程示意图。图2是本专利技术具体应用实例中气体传感器的结构示意图。图3是本专利技术具体应用实例中压力载荷下的有限元分析模型。图4是本专利技术具体应用实例中首次迭代输出的拓扑构型。图5是本专利技术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是本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：/n(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；/n(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；/n(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；/n(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)；/n(5)构建温变载荷下功能区应力最小化的一维搜索模型；/n(6)对所述一维搜索模型求解，输出最优体积阈值v

【技术特征摘要】
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)...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄志亮，张继文，阳同光，王中华，孙文德，
申请(专利权)人：湖南城市学院，
类型：发明
国别省市：湖南;43