Research on Thermal Field Coupling Simulation of Silicon-based Micro-hotplate CO Sensor

联轴节(管道) 材料科学 领域(数学) 热的 光电子学 物理 数学 气象学 冶金 纯数学
作者
Tianjun Ma,Na Li,Yinghao Liu,Wenjing Yue,Jianhai Sun
出处
期刊:2019 IEEE International Symposium on Olfaction and Electronic Nose (ISOEN) 卷期号:: 1-3
标识
DOI:10.1109/isoen61239.2024.10556333
摘要

In response to the increasing incidents of carbon monoxide (CO) poisoning, this study proposes a design method for a comprehensive CO sensor based on a silicon micro hotplate. Finite element software is used for thermal field coupling simulation to establish a thermal field based on the electro-thermal coupling model. The study investigates the influence of the supporting membrane type, supporting membrane thickness, and operating temperature on the thermal interference between sensor units. The research results indicate that using a composite structure as the supporting layer effectively reduces overall stress magnitude, decreases deformations generated by the micro hotplate, and improves the stability of the structure. In this study, through the optimization of the supporting layer material, it is found that setting the thickness of SiO 2 to 0.5 um and Si 3 N 4 to 1 um yields appropriate results. Additionally, regarding the width of the cantilever beam, it is found that a width of 151 um is suitable. Based on the simulation results of the micro hotplate CO gas sensor, a sensor array with multiple temperature zones is designed to achieve the detection of different gases at different temperatures by gas-sensitive materials. The simulation results show that under a 5V applied voltage, the micro hotplate can be divided into three regions: high-temperature, medium-temperature, and low-temperature, with a temperature difference of 100° C between adjacent regions. These research findings are of significant guidance for the design optimization of micro hotplates.
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