[发明专利]跨尺度的气体传感器敏感机理分析与结构优化的仿真方法

说明书

本发明提供一种跨尺度的气体传感器敏感机理分析与结构优化的仿真方法，涉及传感器仿真技术领域。该方法包括微观尺度建模、介观尺度建模和宏观尺度建模。在微观尺度建模中，在吸附能和电荷转移量的共同作用下，选择出气敏材料理论上具有最高响应的目标气体；在介观尺度建模中，利用格子Boltzmann方法模拟待测气体的扩散；在宏观尺度建模中，建立多层结构的传感器模型，衬底材料为硅，支撑层为SiO₂,Si₃N₄，加热电极、测试电极材料为铂。本发明通过微观，介观，宏观三种维度进行仿真建模分析，提供一种微观‑介观‑宏观的跨尺度，气体传感器气敏机理，气体传质，传感器热力优化的全流程解决方案。

技术领域

本发明涉及传感器仿真技术领域，尤其涉及一种跨尺度的气体传感器敏感机理分析与结构优化的仿真方法。

背景技术

传统气体传感器材料敏感机理分析多数基于宏观的电子转移理论，缺少微尺度下材料电子与原子核转移关系的定量计算。在介观尺度下，现有气体传感器的仿真建模理论较少。在气体传感器宏观尺度下，现有建模方法多集中于对传感器热学特性的分析，缺少对传感器的力学分析。传统气体传感器设计缺少跨尺度理论仿真建模，多为某一维度下的模拟仿真，计算繁琐，可解释性差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种跨尺度的气体传感器敏感机理分析与结构优化的仿真方法，通过微观，介观，宏观三种维度进行仿真建模分析，提供一种微观-介观-宏观的跨尺度，气体传感器气敏机理，气体传质，传感器热力优化的全流程解决方案。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种跨尺度的气体传感器敏感机理分析与结构优化的仿真方法，包括微观尺度建模、介观尺度建模和宏观尺度建模。

在微观尺度建模中，在吸附能和电荷转移量的共同作用下，选择出气敏材料理论上具有最高响应的目标气体，实现微观尺度上材料气敏机理的解释；

在介观尺度建模中，利用格子Boltzmann方法模拟待测气体的扩散；

在宏观尺度建模中，建立多层结构的传感器模型，包括衬底、支撑层、加热电极、绝缘层、测试电极和气敏材料层，衬底材料为硅，支撑层为SiO₂,Si₃N₄，加热电极、测试电极材料为铂。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的跨尺度的气体传感器敏感机理分析与结构优化的仿真方法，通过微观、介观、宏观三种维度进行仿真建模分析，提供一种微观-介观-宏观的跨尺度，气体传感器气敏机理、气体传质、传感器热力优化的全流程解决方案。在微观尺度上通过分析吸附能和电荷转移量的共同作用，选择出气敏材料理论上具有最高响应的目标气体，可以对气敏机理进行解释，提高了实验效率。在介观尺度上通过采用格子Boltzmann方法模拟待测气体的扩散，计算晶界势垒宽度，获取传感器敏感层两端电势差，进而模拟出气敏薄膜材料接触待测气体后，材料电阻的变化，实现了传感器敏感材料对待测气体气敏响应的模拟。在宏观尺度上通过热力电多物理场耦合分析，实现了对传感器的热学均匀性、力学稳定性的优化。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的微观-介观-宏观总体建模方法示意图；

图2为本发明实施例一提供的微观建模仿真方法流程图；

图3为本发明实施例一提供的介观建模仿真方法流程图；

图4为本发明实施例一提供的宏观建模仿真方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。