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微加热器热传导试验与计算

光学精密工程 2011年第3期19卷 612-619页

作者：刘泽文田昊刘冲清华大学微电子学研究所北京100084 大连理工大学辽宁省微纳米技术及系统重点实验室辽宁大连116024

为了研究微加热膜下方的结构与微加热器性能的关系,利用数值计算与有限元仿真,研究了微加热膜下方空气隙厚度的变化对加热器性能的影响。首先,通过微加热器试验确定了对流换热系数等关键热学计算参数,建立了一维Fourier导热微分方程组,... 详细信息

为了研究微加热膜下方的结构与微加热器性能的关系,利用数值计算与有限元仿真,研究了微加热膜下方空气隙厚度的变化对加热器性能的影响。首先,通过微加热器试验确定了对流换热系数等关键热学计算参数,建立了一维Fourier导热微分方程组,计算了Biot数并以此为依据对模型进行了薄壁简化,使用有限差分法对微分方程进行了数值计算。然后,使用ANSYS有限元分析软件对模型进行了电热耦合仿真,并对在对流换热边界下硅衬底(无空气隙),100,200,300,400μm气隙以及加热膜(完全贯通)6种模型的瞬态温度响应及稳态热分布的结果进行了对比。计算结果表明,相比硅衬底,目前的微加热膜结构在同样边界条件下可以将最高温度提高约17%。空气隙为200μm时,在+5 V驱动电压和空气对流边界条件下,微加热器可以达到390 K,稳态功耗为134 mW,起到了改善最高温度性能,降低功耗的作用。

关键词：微加热器 Biot数 Fourier传热

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基于透明微加热器的相变材料光调制器研究

基于透明微加热器的相变材料光调制器研究

作者：肖路生杭州电子科技大学

学位级别：硕士

空间型电光调制器作为重要的光信息处理单元,能够以外电场或偏压对空间入射光的振幅、相位、偏振和传播方向等进行动态调控,在各种小型化、集成化和紧凑式光学系统中扮演着重要角色。由于电光调制器的性能本质上取决于所选可调材料自身... 详细信息

空间型电光调制器作为重要的光信息处理单元,能够以外电场或偏压对空间入射光的振幅、相位、偏振和传播方向等进行动态调控,在各种小型化、集成化和紧凑式光学系统中扮演着重要角色。由于电光调制器的性能本质上取决于所选可调材料自身的电光效应,因此发掘新型电光可调材料及其调控机制是开发高性能电光调制器的重要方向。近年来,硫系相变材料(GST)因具有晶态-非晶态可逆、可重复性高、非易失性和寿命长等特点,在可集成电光器件领域受到了广泛的关注。通常情况下,可由三种方式促使GST材料发生相变:加热退火、激光脉冲和电压脉冲,使其在高阻的非晶态和高导电的晶态之间可逆转变,并伴随着中红外波段介电常数的显著变化,表现出高效的光学调制效果。但对于空间光调制器件而言,热板加热或激光脉冲诱导相变的方式极大地限制了器件的小型化和集成化,而电致相变技术仍面临着许多技术问题,如电极材料、形状与排布方式均能对光场调控过程产生重要的影响。本文尝试以红外波段透明的微加热器驱动相变材料的晶态转变,并以此设计电光可调器件,解决常规以金属作为热电阻层的微加热器所面临的光透射限制。首先设计并验证了一种基于半金属性二维材料Pt Se热电阻的微加热器,将Pt Se热电阻片堆叠于GST纳米圆盘阵列上方,以电脉冲产热并诱导GST发生相变,从而实现在透射方向工作的电光调制。通过实验测试证明了Pt Se在红外波段的透明导电特性,并加工制备具有Pt Se微加热器的相变材料光调制器件,实测在3～5μm波段实现了高达45%的反射调制深度。但在测试过程中发现Pt Se微加热器极易熔断,导致调制器件失效,所以并没有实现预期的可逆调制。为此,本文探究了另一种可行的透明热电阻材料ITO,并对微加热器构型进行改进,即在自支撑、高应力SiN薄膜上设计悬空的透明微加热器。通过多物理场仿真方法模拟微加热器的电学与热传导过程,发现在悬空膜上微加热器的热区可在100μs内达到382.3℃,这表明悬空结构的微加热器具有极高的热效率。本文还设计了悬空ITO微加热器与GST微纳结构组成的电光调制器件,仿真优化了分别由GST纳米圆盘和纳米方块阵列组成的光调制器,理论上GST相变前后的最大调制深度可达86.3%,并实现了高达207:1的消光比。本文的实验与理论结果能够启发新型相变材料电光调制器的研制,为实现更加稳定、可控、快速和可逆的中红外波段电光调制器件提供了参考。

关键词：相变材料电光调制二维半金属透明电极微加热器

脉冲加热下微加热器在Al2O3纳米流体中的沸腾换热

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化工学报 2011年第3期62卷 678-684页

作者：徐立赖喜锐王斌徐进良中国科学院广州能源研究所微能源系统实验室中国科学院可再生能源与天然气水合物重点实验室广东广州510640 中国科学院研究生院北京100049 华北电力大学能源清洁利用与安全北京市重点实验室北京102206

以Al2O3-H2O纳米流体中的微加热器为研究对象,通过实验方法对脉冲加热条件下微加热器的温度响应曲线和气泡动力学行为进行了详细的研究。比较了在纯水及浓度为0.1%和0.2%的Al2O3-H2O纳米流体中微加热器的温度变化和气泡动力学行为。发... 详细信息

以Al2O3-H2O纳米流体中的微加热器为研究对象,通过实验方法对脉冲加热条件下微加热器的温度响应曲线和气泡动力学行为进行了详细的研究。比较了在纯水及浓度为0.1%和0.2%的Al2O3-H2O纳米流体中微加热器的温度变化和气泡动力学行为。发现在脉冲加热条件下,微加热器在不同浓度的纳米流体中将出现不同的温度响应曲线,加热膜表面的气泡动力学行为也不相同。实验表明,在脉冲加热条件下,微加热器在Al2O3-H2O纳米流体中的换热效果要明显高于纯水,纳米粒子的浓度对于加热膜表面的气泡动力学行为有明显影响,对微加热器换热的影响也很大。最后根据实验结果以及纳米粒子对气液固三相线的影响,对实验中Al2O3纳米流体的换热情况进行了合理的解释。

关键词：纳米流体沸腾换热脉冲加热微加热器

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微加热器温度场的数值求解与分析

中国科学技术大学学报 2009年第1期39卷 69-75页

作者：唐琼辉徐进良中国科学技术大学热科学和能源工程系安徽合肥230027 中国科学院广州能源研究所广东广州510640

为深入探讨微加热器表面产生周期性气泡的普遍规律,需要对微加热器的温度响应和分布进行研究.对微加热器和周围液体工质进行了无量纲固液耦合传热分析,以铂金属薄膜微加热器和液体工质水为例,通过对瞬态能量方程的理论分析和数值模拟,... 详细信息

为深入探讨微加热器表面产生周期性气泡的普遍规律,需要对微加热器的温度响应和分布进行研究.对微加热器和周围液体工质进行了无量纲固液耦合传热分析,以铂金属薄膜微加热器和液体工质水为例,通过对瞬态能量方程的理论分析和数值模拟,发现产生周期性气泡所需的无量纲加热时间与金属膜的厚度无直接关系,而与无量纲热源值密切相关;对周期性电压方波脉冲加热方式和周期性电流脉冲加热方式进行了对比,认为电压方波脉冲加热方式更符合实验需求;另外还提出了金属表面液膜的过热液层厚度和加热影响区.

关键词：微加热器无量纲数值模拟气泡生长温度响应

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用于热机械微纳加工的掺Al多晶硅加热器

光学精密工程 2011年第1期19卷 124-131页

作者：荣皓赵钢褚家如中国科学技术大学精密机械与精密仪器系合肥安徽230027

针对热机械式微纳米结构的加工,提出了一种以掺Al多晶硅为材料,集成于微悬臂梁上的加热器。采用Al诱导退火晶化(AIC)方法,在750 K对Al/a-Si∶H复合薄膜低温晶化18 h,制备出掺Al多晶硅。通过低温退火,使复合薄膜的拉曼特征峰由478 cm-1移... 详细信息

针对热机械式微纳米结构的加工,提出了一种以掺Al多晶硅为材料,集成于微悬臂梁上的加热器。采用Al诱导退火晶化(AIC)方法,在750 K对Al/a-Si∶H复合薄膜低温晶化18 h,制备出掺Al多晶硅。通过低温退火,使复合薄膜的拉曼特征峰由478 cm-1移至520 cm-1,完成由非晶硅向多晶硅的转变;由四探针仪测得室温下样品的电阻率由退火前的1010Ω.cm降至16.8×10-3Ω.cm,实现了多晶硅的Al掺杂;在扫描电镜下观测到退火后Al与a-Si∶H层的界限消失并形成一层均匀的薄膜;这些结果表明得到了晶化程度很高的Al掺杂多晶硅。继而研究了掺Al多晶硅与氮化硅悬臂梁的集成工艺,采用微加工方法将掺Al多晶硅制成微加热器。使用ANSYS软件仿真加热器的工作过程,在10 V,0.3μs脉冲驱动下,加热器升温至782.8 K,降温时间约1μs。仿真分析显示,采用AIC法制得的掺Al多晶硅具有良好的热电特性,符合用于对高分子材料进行热机械微纳加工的微加热器的性能要求。

关键词：热机械加工微加热器 Al诱导退火晶化(AIC) 多晶硅

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应用于微型PCR芯片的微加热器特性研究

半导体技术 2012年第6期37卷 442-447,455页

作者：王俊强吴次南张普郭藏燃刘泽文贵州大学理学院贵阳550025 清华大学微电子学研究所北京100084

设计制作了一种应用于微型聚合酶链式反应(PCR)芯片的微加热器。然后按照PCR循环温度的要求,利用该加热器进行了PCR温度实验。微加热器采用与MEMS工艺兼容的溅射方法在Si基上制作,微加热器材料为金属Pt。通过控制施加电压大小及时间,进... 详细信息

设计制作了一种应用于微型聚合酶链式反应(PCR)芯片的微加热器。然后按照PCR循环温度的要求,利用该加热器进行了PCR温度实验。微加热器采用与MEMS工艺兼容的溅射方法在Si基上制作,微加热器材料为金属Pt。通过控制施加电压大小及时间,进行了变性温度、退火温度和延伸温度实验。结果表明:在25 V和32 V电压控制下的温升速度分别为0.68℃/s和1.23℃/s。在断电自然冷却下的降温速度均达到1℃/s。在一个PCR循环周期中每个反应仓的平均功耗为50 mW,最大功耗80 mW,整个10 mm×10 mm芯片的最大功耗为0.96 W。完成第一次PCR温度循环需要220 s,之后的每次循环仅需要175 s。

关键词：微型PCR芯片微机电系统微加热器 Pt薄膜对流

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基于MEMS工艺的碱金属蒸气腔室微加热器

微纳电子技术 2021年第6期58卷 509-514页

作者：仲逸飞林祖德刘景全微米/纳米加工技术国家级重点实验室上海200240 上海交通大学电子信息与电气工程学院上海200240

碱金属蒸气腔室广泛用于原子钟和原级温度计等重要领域,与其相适配的微型加热器对碱金属蒸气腔室的应用有着重要的影响。设计了一种可用于双腔体蒸气腔室的微型加热器,并利用仿真估算了微加热器的加热效果。基于微电子机械系统(MEMS)薄... 详细信息

碱金属蒸气腔室广泛用于原子钟和原级温度计等重要领域,与其相适配的微型加热器对碱金属蒸气腔室的应用有着重要的影响。设计了一种可用于双腔体蒸气腔室的微型加热器,并利用仿真估算了微加热器的加热效果。基于微电子机械系统(MEMS)薄膜制备工艺,利用溅射沉积了氧化铟锡(ITO)薄膜与Cr/Au薄膜,利用剥离工艺将薄膜图形化后制备了微加热器的结构。经过光学、热学和电学测试可知,该微加热器在700~900 nm波长内能够保持80%以上的透光率;在外接电压不低于4 V时,能为碱金属蒸气腔室提供100℃以上的工作温度;在5~10 min的预热时间后,该微加热器的加热范围可以覆盖双腔体蒸气腔室75%以上的区域。该微加热器很好地满足了多腔体蒸气腔室的使用需求。

关键词：微电子机械系统(MEMS) 微加热器碱金属原子钟氧化铟锡(ITO)

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高温微加热器的热电效应研究

高温微加热器的热电效应研究

作者：秦顺利中国矿业大学

学位级别：硕士

对于热催化、金属氧化物半导体、甚至红外等气体传感器而言,微加热器是一个关键元件。用于热催化、金属氧化物半导体及红外气体传感器的微加热器,由于加热温度较低,其研究主要集中在微加热器的温度分布均匀性、功率优化等方面,尚未考虑... 详细信息

对于热催化、金属氧化物半导体、甚至红外等气体传感器而言,微加热器是一个关键元件。用于热催化、金属氧化物半导体及红外气体传感器的微加热器,由于加热温度较低,其研究主要集中在微加热器的温度分布均匀性、功率优化等方面,尚未考虑热电效应对微加热器的影响。随着基于MEMS工艺的高温硅微加热器用于甲烷气体的检测传感研究获得突破,热电效应对微米尺度高温硅微加热器的特性将具有显著影响。为了全面掌握高温硅微加热器的特性、进而利用高温微加热器的特性更有效的获得气体传感信息、探索形成新型甲烷传感方法,本文使用有限元仿真与实验的方法研究了高温硅微加热器中的热电效应。首先,本文对微加热器的传热过程进行了分析,给出了简化的热传输方程。并对不同类型的高温硅微加热器进行了焦耳热仿真,初步掌握焦耳热分析过程中微加热器传热规律。其次,对于N型和P型掺杂单晶硅桥式微加热器和U型微加热器,考虑热电效应进行了热电耦合分析,重点研究了N型硅高温微加热器中的热电效应。结果表明,高温微加热器中的热电效应会使高温硅微加热器温度分布产生显著的偏移,尤其是在正弦交流激励下,微加热器上温度分布偏移随激励同频率振荡,表明正弦激励等变化激励下高温微加热器中包含更加丰富的热信息。据此设计了两种新型传感结构,且进行了仿真分析,结果显示所设计的两种传感结构均能将高温硅微加热器中热电效应造成的温度偏移转换为可测电压信号。最后,使用拉曼光谱测温法对单个微加热器中不同电流下的温度分布进行了实验测试与分析。同时,对设计的新型传感结构进行了不同直流激励下的测试。结果表明,在不同激励下高温硅微加热器温度分布发生不同程度偏移,新型传感结构能有效地将温度偏移转换为电量输出,实验结果与有限元仿真结果吻合。研究表明微加热器中的热电效应能够产生更加丰富的热信息,所设计的新型传感结构可以有效的将这种热信息转换成电信号,有望用于MEMS气体传感器进行甲烷气体检测。

关键词：微机电系统微加热器有限元分析热电效应温度分布

基于氧化石墨烯-微纳光纤的微加热器制备及其性能研究

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华南师范大学学报（自然科学版） 2015年第4期47卷 30-34页

作者：杨剑鑫史可樟李锡均郑嘉鹏史萌蔡祥朱德斌邢晓波华南师范大学华南先进光电子研究院光及电磁波中心广州510006 华南师范大学生物光子学研究院激光生命科学教育部重点实验室广州510631 华南师范大学物理与电信工程学院广州510006 广东职业技术学院轻化工程系佛山528041

利用近红外光在微纳光纤传输时产生的强烈倏逝场效应将氧化石墨烯沉积在微纳光纤表面,组装成具有优异光热转换性能的氧化石墨烯-微纳光纤,得到一种新型的光驱动微加热器.通入较小功率的近红外光,微加热器能诱导各种液体(例如N,N-二甲基... 详细信息

利用近红外光在微纳光纤传输时产生的强烈倏逝场效应将氧化石墨烯沉积在微纳光纤表面,组装成具有优异光热转换性能的氧化石墨烯-微纳光纤,得到一种新型的光驱动微加热器.通入较小功率的近红外光,微加热器能诱导各种液体(例如N,N-二甲基甲酰胺、去离子水)产生高温相变进而产生微泡,显示了良好的光热转换效应.结果表明,在N,N-二甲基甲酰胺中,微泡按一定周期循环生长,重复搅动液体.在微流芯片中,这些微泡可用于操控微纳米颗粒、微纳米线等.在去离子水中,产生的微泡结构稳定、不易破裂,可用于聚集微粒等.该微加热器具有制备简单、尺寸小、损耗低、激发功率小、效率高等优良特性,在微机电系统、微流控芯片等领域具有良好的应用前景.

关键词：氧化石墨烯微纳光纤微加热器光热效应光热微泡