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小尺度沟槽表面减阻作用的实验研究

矿山机械 2006年第2期34卷 91-93页

作者：李新华董守平赵志勇王小军石油大学机电工程学院流体测试实验室北京102249

在低速风洞中对小尺度沟槽表面阻力进行了测量,风洞压力梯度控制为零。比较了不同沟槽面表面阻力随主流速度分布的详细信息。分析得出:沟槽无量纲槽间距与表面阻力的变化有着密切的关系;减(增)阻量的大小与沟槽面的几何形状有关,且具有... 详细信息

在低速风洞中对小尺度沟槽表面阻力进行了测量,风洞压力梯度控制为零。比较了不同沟槽面表面阻力随主流速度分布的详细信息。分析得出:沟槽无量纲槽间距与表面阻力的变化有着密切的关系;减(增)阻量的大小与沟槽面的几何形状有关,且具有尖锐槽峰的沟槽面,在一定的流动条件下获得了不同的减阻效果。

关键词：沟槽结构减阻作用小尺度实验表面生物机制鲨鱼皮适应环境科学奥秘流动方向

大鳞副泥鳅（***）体表柔性微形貌减阻特性仿生研究

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作者：温健沈阳农业大学

学位级别：硕士

水田作业机械,因其工作部件常与泥水接触,所受阻力巨大,易使工作部件产生严重磨损,同时也造成能源浪费且降低工作效率,因此水田机械工作部件的减阻研究具有重要意义。泥鳅长期生活在泥水混合物中,其生活环境与水田机械的工作环境十分类... 详细信息

水田作业机械,因其工作部件常与泥水接触,所受阻力巨大,易使工作部件产生严重磨损,同时也造成能源浪费且降低工作效率,因此水田机械工作部件的减阻研究具有重要意义。泥鳅长期生活在泥水混合物中,其生活环境与水田机械的工作环境十分类似。为了适应物竞天择的法则,泥鳅皮肤表面形成了在泥水条件下的减阻功能。其减阻功能不仅源于粘液的润滑,表面的微观形貌及柔性皮肤,对减阻功能亦发挥重要作用。本文以泥鳅皮肤为仿生原型,使用流固耦合仿真分析方法,分析了其减阻特性并优化了其表面结构,设计加工了柔性仿生结构样件并进行了减阻试验,全文主要研究内容及结论如下:(1)泥鳅表面微观形貌及柔性特征分析。使用3D超景深显微镜和扫描电子显微镜(SEM)对泥鳅鳞片进行观察,结果表明:泥鳅鳞片总体呈椭圆形结构,整体可分为基区、侧区,顶区和鳞焦区四部分。其中泥鳅鳞片顶区沟槽结构分布最为均匀。对泥鳅皮肤样本进行拉伸试验分析,获得泥鳅皮肤的弹性模量区间为2.47-9.13MPa,平均弹性模量为7.03MPa,在此基础上选择聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为试制仿生样件材料。(2)减阻性能分析。以泥鳅鳞片顶区部分沟槽结构为原型,使用Soildworks软件建立3D模型,通过ANSYS Workbench软件对该沟槽进行双向流固耦合分析。结果显示:当流体流经该表面时,柔性沟槽的形变会实时改变流场分布,并在近壁面形成低速旋涡困水区域,从而起到了减小高速流场与固体区域的接触面积,起到了一定的减阻效果。仿真结果表明在水介质流速1-10m/s的条件下,柔性仿泥鳅沟槽结构在1m/s时的减阻效果最好,减阻率为2.57%。(3)通过单因素试验和正交试验优化出该沟槽微结构模型的最优参数组合,即在1m/s时的水介质流场下,当沟槽嵴高为5μm、沟槽嵴宽为2μm、相邻嵴高间距离为4μm、仿生材料弹性模量为2.678MPa时,减阻率最高可达2.25%。(4)仿生减阻样件的试制与减阻试验。通过光刻加工工艺制造出了具有仿泥鳅体表微形貌的硅片,使用真空硅胶压印法在PDMS材料表面加工出了仿泥鳅皮肤柔性沟槽结构。设计并搭建了水洞试验台对仿生样件进行减阻性能试验。试验结果表明:仿生柔性结构样件在水介质中具有一定的减阻效果,随着来流速度的增加,阻力也随之增大,但相同速度下仿生结构样件的阻力小于光滑平面,在1m/s流速时柔性仿生样件的减阻率为3.07%。本研究以泥壤环境下善于钻泥的生物泥鳅为仿生原型,分析了具有微观形貌的柔性表面的减阻特性,设计加工了仿生减阻样件并进行了阻力测试试验。该研究为水田机械减阻研究,乃至其他水上、水下航行器的减阻研究奠定了前期基础。

关键词：泥鳅皮肤形貌沟槽结构仿生皮肤双向流固耦合减阻率

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仿生结构表面流动中的涡结构演化分析

仿生结构表面流动中的涡结构演化分析

作者：李曙光华北电力大学

学位级别：硕士

由于相干结构的发现,湍流减阻开启了新的研究浪潮,探究内部错综复杂的情况,有助于丰富减阻研究的理论体系,为湍流减阻提供一定的理论基础。本文通过Fluent软件,以探究仿生结构边界层变化为目的,研究涡结构的演化过程,分别计算带沟槽的... 详细信息

由于相干结构的发现,湍流减阻开启了新的研究浪潮,探究内部错综复杂的情况,有助于丰富减阻研究的理论体系,为湍流减阻提供一定的理论基础。本文通过Fluent软件,以探究仿生结构边界层变化为目的,研究涡结构的演化过程,分别计算带沟槽的平板与光滑平板的流场情况,探索仿生沟槽结构对湍流边界层的影响过程。本文基于横向沟槽结构,依据Liutex参数、Omega准则等对LES数值模拟的结果进行分析与探究。首先分析了Liutex矢量分布规律,沟槽内部Liutex矢量主要以展向分量为主,流向和法向分量几乎可以忽略,云图中可清晰展示“滚动轴承”的存在;沟槽近壁面的旋涡结构中,以展向轴为旋转轴的旋涡结构强度较强,且横向沟槽结构对涡结构具有抑制作用,在0.001m高度(约y+=83)以下范围内作用显著,但随着高度的上升,其影响逐渐降低。其次探究了沟槽对湍流参数的影响。在沟槽内部,存在二次涡的上抛下扫及横向沟槽本身的导流作用,研究表明其展向脉动速度略大于其他两个方向的分量,即对于脉动速度来说,其导流作用要大于沟槽内部沿展向的涡核结构的影响;湍流强度以展向为主,流向为辅,法向湍流强度忽略不计;雷诺应力均较小,且情况较为稳定。在沟槽上侧,结构的影响使流域发生改变,流向湍流强度逐渐占据主导位置,该结构使黏性底层湍流强度增大,过渡区及对数层的湍流强度有抑制作用,整体效果呈现抑制性;横向速度梯度在过渡层的抑制效果突出,但在对数层中并不理想;其流向雷诺应力和雷诺切应力整体数值均要小于平板流域,但法向雷诺应力效果并不是十分明显。而后进行了涡结构准则的识别及对比研究,针对性的探究了Omega准则对于研究模型的适应性,并且利用Liutex参数探究涡演化过程中的旋涡强度的变化情况。在光滑平板流域中,随着垂直高度的上升,过渡层内的旋涡强度逐渐上升,且波动幅度增大,反应剧烈,对数层中垂直往上,其规律与过渡层恰好相反,Liutex-m值逐渐减小,旋涡强度逐渐降低,变化较为平缓;在沟槽流域中,使紧邻的上侧流域中Liutex值急剧增大,使其底部具有一定的旋涡强度,而降低了顶部的旋涡强度,增长速率降低,使过渡层的活动更为平稳,对数层波动幅度更小,每层流体的稳定性更高,这有利于减小流体间的法向动量交换。对于部分沟槽结构的布置方式在一定程度上可以减小沟槽结构上侧的流域状态,使该结构对流域的有害影响变小,且对于其后侧的流域具有一定的有益影响,但整体来说远远达不到全沟槽布置的效果。沟槽结构在部分布置时,Liutex-m的均值与波动值的影响规律呈相反状态,平均值随着y+的增大先增加后减少,波动值随着y+的增加先减小后增加,沟槽结构对于旋涡强度较高的区域起到了较好的抑制作用。

关键词：沟槽结构涡结构演化大涡模拟 Liutex分析 Omega准则

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仿生类鱼鳍翼力学性能的数值研究

仿生类鱼鳍翼力学性能的数值研究

作者：吴丹上海交通大学

学位级别：硕士

在自然选择的过程中,鱼类为了捕食猎物和躲避追捕进化出了一系列利于运动的生理结构,例如,多数鱼类都拥有的鱼鳍。鱼鳍对鱼类运动过程中推进力的产生往往起到决定性的作用。对鱼鳍运动及其流动控制机理的研究,不仅具有科学意义,还能为... 详细信息

在自然选择的过程中,鱼类为了捕食猎物和躲避追捕进化出了一系列利于运动的生理结构,例如,多数鱼类都拥有的鱼鳍。鱼鳍对鱼类运动过程中推进力的产生往往起到决定性的作用。对鱼鳍运动及其流动控制机理的研究,不仅具有科学意义,还能为水下仿生航行器的设计提供有价值的参考。大多数鱼鳍的表面并不光滑,鱼鳍上射线状的鳍条与连接鳍条的薄膜形成了沟槽结构,但目前针对这种沟槽结构对流场以及力学性能的影响还鲜有研究。本文通过与普通翼的对比分析,研究具有沟槽结构的类鱼鳍翼在各种运动中的力学性能和流动控制机理。通过求解非定常不可压缩流动的N-S方程,数值研究了类鱼鳍翼在俯仰沉浮运动及其分解运动和C形起动中的流动特征和力学性能,并对运动参数和几何参数进行了分析。本文研究表明,在来流中静止时,类鱼鳍翼受到的阻力大于普通翼。但在俯仰沉浮运动以及C形起动中,类鱼鳍翼的力学性能均优于普通翼。在俯仰沉浮运动中,类鱼鳍翼不仅产生了展向涡,还形成了法向涡和流向涡,这些涡影响了其压强分布和尾迹射流,获得了较普通翼更高的推力和推进效率;俯仰运动中,类鱼鳍翼产生了前缘涡,其推进性能明显优于普通翼;沉浮运动中,类鱼鳍翼的推进性能略差于普通翼。俯仰沉浮运动中的拍动频率增加时,类鱼鳍翼的优势逐渐扩大,在高频拍动中的推进性能更优。不同沟槽尺寸的类鱼鳍翼在俯仰沉浮运动中的推进性能均优于普通翼,其中基于实测数据设计的类鱼鳍翼的推进效率最高。在C形起动中,类鱼鳍翼的推进性能优于普通翼,横侧力也大幅度提高。由于涡的诱导作用,类鱼鳍翼的推力和横侧力在推进阶段明显高于普通翼,但准备阶段和停留阶段对之后推进阶段有利涡干扰的形成提供了必要条件。停留阶段时间缩短,类鱼鳍翼优势减弱。去掉停留阶段时,类鱼鳍翼产生的推力略大于普通翼,而横侧力小于普通翼。在本文所选取的参数范围内,沟槽越宽,类鱼鳍翼在C形起动中产生的推力以及横侧力越大。

关键词：类鱼鳍翼沟槽结构流动机理

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液粘调速离合器油膜剪切空化与传动性能研究

液粘调速离合器油膜剪切空化与传动性能研究

作者：郑旭东江苏大学

学位级别：硕士

液粘调速离合器通过油膜粘性剪切传递动力,在风机、水泵、带式输送机等大型机械装备的调速起动过程中具有显著的节能效果。本文以液粘调速离合器摩擦副间油膜为研究对象,开展了油膜剪切空化试验与仿真研究,并分析了油膜剪切空化对液粘... 详细信息

液粘调速离合器通过油膜粘性剪切传递动力,在风机、水泵、带式输送机等大型机械装备的调速起动过程中具有显著的节能效果。本文以液粘调速离合器摩擦副间油膜为研究对象,开展了油膜剪切空化试验与仿真研究,并分析了油膜剪切空化对液粘调速离合器传动性能的影响,主要内容如下:搭建了液粘调速离合器可视化试验装置,采用高速摄像技术对油膜流动形态进行图像分析,获得了输入转速、油膜厚度和摩擦副表面形貌等对油膜剪切空化的影响规律,试验发现:油膜剪切空化现象发生在摩擦片沟槽内,且在低转速工况下,空化形态表现为单个或多个相对稳定的气泡,随着转速的增加,气泡逐渐增大,并破裂成众多小气泡。考虑摩擦副表面形貌特征,建立了油膜流场数学模型,采用有限差分算法求解了油膜的速度、压力及压力系数,并预测了不同输入转速、沟槽结构及表面粗糙度下油膜剪切空化初生位置,结果表明:油膜剪切空化初生发生在油膜沟槽区上游位置,空化初生面积与沟槽宽度、沟槽深度和表面粗糙度成正比,与沟槽截面参数α、沟槽倾斜角和膜厚比成反比。建立了油膜流场的瞬态三维CFD模型,仿真模拟了油膜剪切空化形态演变过程,分析了油膜流场速度、压力和气液质量传递速率随时间的变化规律,以及转速、入口压力、入口温度、沟槽结构等对油膜剪切空化剧烈程度的影响,研究发现:油膜剪切空化位置与试验和预测结果基本一致;空泡在0.01s内得以迅速发展,随后逐渐趋于稳定状态,且达到稳定状态的时间受转速、入口压力、沟槽结构等参数的影响。基于油膜剪切空化效应,研究了油膜流场的温度分布和传递转矩变化规律,理论与试验分析了转速、入口压力、油膜厚度、沟槽结构等对油膜传递转矩的影响,研究表明:油膜剪切空化效应使得油膜剪切层温度降低,且摩擦片沟槽内的局部高温区域变大;油膜剪切空化越剧烈,转矩降低幅度越大;试验结果与仿真结果基本一致,验证了理论研究的可靠性。

关键词：液粘调速离合器油膜沟槽结构空化效应传动性能

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大功率半导体激光器的光束特性研究

大功率半导体激光器的光束特性研究

作者：凌小涵北京工业大学

学位级别：硕士

半导体激光器在实际应用中有着重要的意义,它的体积小、功耗低、寿命长、电光转换效率高、波段覆盖范围广,并可采用简单的注入电流的方式使激光器激射。同时它的工作电压和电流与集成电路兼容,因此可用于单片集成,还可用高达GHz的频率... 详细信息

半导体激光器在实际应用中有着重要的意义,它的体积小、功耗低、寿命长、电光转换效率高、波段覆盖范围广,并可采用简单的注入电流的方式使激光器激射。同时它的工作电压和电流与集成电路兼容,因此可用于单片集成,还可用高达GHz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。基于上述优点,半导体激光器在激光引信、激光制导和测距、激光打印机、激光报警、激光微细加工以及激光手术治疗等方面都得到广泛应用。随着半导体激光器不断发展,对大功率半导体激光器的性能提出更高标准,提高半导体激光器的输出功率、改善半导体激光器的光束质量成为现阶段研究重点。尤其对大功率半导体激光器在大电流工作下,在保证其输出功率的同时还需保证其输出光束传输质量,具体表现在应用过程中,耦合到光纤的耦合效率不随注入电流的变化降低。本论文主要针对980nm大功率半导体激光器的光场特性进行研究分析。研究过程中发现,对激光器光束测量时,输出光束近场产生光斑跳动现象,并且随着注入电流的增大,光斑跳动的现象会更加明显。光斑跳动现象说明半导体激光器内部模式不稳定,严重影响半导体激光器输出光束的光束质量,导致半导体激光器输出功率的下降,光纤耦合效率下降。本论文设计一种沟槽结构,意在改善近场光斑跳动现象,稳定耦合效率。本论文的研究工作主要包括:(1)设计并制备980nm非对称大光腔单发光条大功率半导体激光器外延片,其中大光腔结构增大了激光器的出光面积,用来提高大功率半导体激光器COD(catastrophic optical damage)阈值,同时利用非对称波导结构来抑制高阶模的激射。(2)引入一种沟槽结构,即在半导体激光器的脊形条引线孔内采用了以5?m宽为周期的沟槽。沟槽结构半导体激光器可以将注入载流子有效地限制在沟槽内,减少侧向“光丝”移动,使得腔室内模式趋于稳定,进而抑制近场光斑现象。(3)采用对比方案,进行了沟槽结构激光器与普通结构激光器的比较。分别对上述两种不同结构的半导体激光器进行测试,得到其P-I曲线、耦合前后输出功率和耦合效率。通过耦合前后输出功率的一致性以及耦合效率的稳定,来说明沟槽结构能有效地抑制侧向光丝移动,进而抑制近场光斑跳动现象。(4)将封装好的180只无沟槽结构器件进行可靠性测试,其中功率基本未发生变化72只。本论文中对失效器件进行综合分析,得出镀膜后分离时产生的膜撕裂是激光器失效的主要原因。

关键词：大功率半导体激光器光束质量沟槽结构失效分析

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湿式离合器摩擦片表面结构仿真与综合优化

湿式离合器摩擦片表面结构仿真与综合优化

作者：石国强兰州交通大学

学位级别：硕士

离合器是汽车的核心部件之一,它是汽车重要的传动机构。离合器的好坏也在一定程度上决定了汽车在起步和驾驶过程中的稳定性和舒适性,离合器性能越好,车辆越平稳。限制离合器性能的主要部件是离合器中的摩擦片,本论文以摩擦片的优化为目... 详细信息

离合器是汽车的核心部件之一,它是汽车重要的传动机构。离合器的好坏也在一定程度上决定了汽车在起步和驾驶过程中的稳定性和舒适性,离合器性能越好,车辆越平稳。限制离合器性能的主要部件是离合器中的摩擦片,本论文以摩擦片的优化为目的,通过优化改进摩擦片沟槽结构,以及研究新型涂层材料,对摩擦片的工作表面进行了优化研究,并采用ABAQUS有限元仿真软件对摩擦片沟槽和涂层进行了有限元仿真模拟,获得摩擦片优化的数据,并且再次对摩擦片沟槽进行了优化。1)摩擦片的基本尺寸和摩擦片的优化是通过计算的方式得到的,因为摩擦片圆周槽和径向槽性能互补,所以结合这两种沟槽,可以有效的提高摩擦片的性能,通过国家标准,结合数据计算,可得摩擦片厚度为2.8mm、外径为125mm、内径为80mm等基本尺寸,再通过径向槽的特点,结合拉普拉斯方程,可以获得径向槽的深度为0.575mm、宽度为5.1mm、沟槽数量为12条,然后通过雷洛方程结合径向槽的数据,通过计算获得圆周槽的宽度为1.47mm、数量为5条。2)摩擦片工作表面添加优异的涂层也是一种较好的提高性能的方法,由于聚酰亚胺有很多的优异性能,尤其是摩擦磨损性能,当在聚酰亚胺中添加氧化锆/还原氧化石墨烯复合材料时可以再次提高聚酰亚胺的摩擦磨损性能,当聚酰亚胺复合材料在油液中进行摩擦磨损实验时,几乎没有磨损。通过干摩擦磨损实验可知,当氧化锆/还原石墨烯复合材料在聚酰亚胺中的含量为1%左右时,摩擦系数最低,磨损率最低,性能最佳。通过SEM扫描图可以明显的看到这时的磨痕最为平滑,几乎没有碎屑和剥离。在油摩擦实验中,压力设置为500N,实验时间设置为1小时,实验结果表明氧化锆/还原氧化石墨烯复合材料在聚酰亚胺复合材料中的比例为1%时摩擦性能表现最优,此时涂层材料的摩擦系数是0.142。通过分析实验完成以后的试样可以明显的得到,在油润滑的情况下,试样表面几乎没有磨损,所以在油润滑的情况下涂层材料的性能主要与聚酰亚胺复合材料的摩擦系数有关。分析聚酰亚胺复合材料油润滑摩擦系数,可知先增大后减小,按照国家标准的要求,摩擦系数越高,离合器传递转矩的能力越强,结合涂层材料干摩擦的表现,此次湿式离合器摩擦片设计摩擦系数选取0.142,即Zr O/r GO的含量占比为1%时涂层材料,此时湿式离合器摩擦片摩擦性能最优。3)由于只通过数据计算不能充分的解释优化以后的摩擦片性能是否提高,所以需要对优化以后的摩擦片进行仿真计算,先对摩擦片和钢片突出部分进行仿真,可知对摩擦片沟槽进行优化以后其突出部分的应力应变有了提高,而就位移云图来说,综合槽的突出部分位移为无沟槽摩擦片位移的2.98倍,这说明摩擦片的突出部分需要优化,综合槽摩擦片的应力应变都处于圆周槽摩擦片和径向槽摩擦片的中间,这说明摩擦片沟槽结构对应力有扩散作用。对摩擦副进行仿真可知,综合槽摩擦片对应钢片的应变是无沟槽摩擦片对应钢片的0.8倍,这对钢片是有益的,而温度的优化更加明显,综合槽摩擦片温度为无沟槽摩擦片的0.15倍,而综合槽摩擦片的温度是圆周槽摩擦片的0.9倍,圆周槽摩擦片温度比径向槽摩擦片温度高,这说明摩擦片的沟槽结构的优化组合确实符合预期。添加涂层以后,有涂层的摩擦片应力比无涂层摩擦片的应力下降2倍左右、应变下降了十倍以上,由于涂层的吸热和隔热,导致优化以后的摩擦片温度下降最明显,超过了数十倍。摩擦片添加涂层对于钢片也有优化,无沟槽摩擦片对应钢片的应变下降3倍以上、应力下降4倍以上,这能够提高钢片的寿命和工作效率。对摩擦片沟槽再次优化,去除多余的径向槽,对其仿真可知新摩擦片突出部分位移为旧摩擦片的0.3倍,新摩擦片突出部分的应变为旧摩擦片应变的0.78倍,说明摩擦片的再优化比较成功,能提高摩擦片的寿命和性能。

关键词：离合器摩擦片复合材料沟槽结构

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可调谐分布反馈染料激光器的研究

可调谐分布反馈染料激光器的研究

作者：张旭哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

与传统固体染料激光器相比，分布反馈（Distributed Feedback，DFB）染料激光器不需要传统激光器中的反射镜提供反馈，形成激光的反馈是分布在激光介质中的，这就使得DFB染料激光器具有小型化、易于集成、可调谐输出和窄线宽输出等优点... 详细信息

与传统固体染料激光器相比，分布反馈（Distributed Feedback，DFB）染料激光器不需要传统激光器中的反射镜提供反馈，形成激光的反馈是分布在激光介质中的，这就使得DFB染料激光器具有小型化、易于集成、可调谐输出和窄线宽输出等优点。所以DFB染料激光器在光信息技术、光学器件和医学等领域都有重要应用。在增益DFB染料激光器的研究方面，以往的实验研究都集中于以获得更大的调谐范围为目的，并没有探索液晶是否是加电压调谐的根本原因。本文用液晶与酒精分别掺杂染料，对增益DFB激光器进行了对比实验研究，这种研究方法并没有在国内外文献中见到。在实验中，采用二倍频532nm调Q的Nd:YAG激光相干光泵浦两种激光介质，输出的激光线宽小于0.2nm。改变加在介质两端的电压，观察输出波长的变化。在染料掺杂液晶的实验中获得了调谐范围9nm的ASE输出，而染料掺杂的酒精实验中并没有获得调谐输出，验证了液晶分子是导致可调谐输出的原因。在沟槽结构折射率DFB激光器的研究方面，近几年获得的最好的结果是调谐范围10nm左右，并没有更宽的范围出现。这是由于对沟槽结构的DFB激光器没有理论的研究基础，无法获得沟槽的最佳参数。本文提出了沟槽结构折射率DFB激光器的理论设计方法，国内外都没见报道。在理论计算中，改变沟槽的占空比、周期、深度和倾斜度，获得了激光输出与它们之间的关系。以此为基础，确定了沟槽的最佳参数：槽的占空比为1:1，槽的周期长度为3μm，即槽的凹面及凸面的宽度均为1.5μm，槽的深度为1μm。同时对所设计的沟槽进行了仿真研究，通过改变折射率的大小和经过沟槽结构的次数，验证了所设计的DFB激光器可调谐窄线宽的输出特性。最后通过计算禁带边缘的群速度，分析了禁带边缘形成激光的原因。

关键词： DFB激光器液晶与染料共掺沟槽结构可调谐窄线宽

一种4H-SiC基沟槽式高温氢气传感器研究

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一种4H-SiC基沟槽式高温氢气传感器研究

作者：齐永兰河南大学

学位级别：硕士

环境污染越来越影响着人类发展的进程,解决环境污染问题成为构建人类命运共同体的重要挑战。氢气作为新型清洁能源,燃烧产物无污染,广泛应用于生物医疗、新能源汽车、航空航天、燃料电池等领域。但在氢气生产、存储以及输运过程中,由于... 详细信息

环境污染越来越影响着人类发展的进程,解决环境污染问题成为构建人类命运共同体的重要挑战。氢气作为新型清洁能源,燃烧产物无污染,广泛应用于生物医疗、新能源汽车、航空航天、燃料电池等领域。但在氢气生产、存储以及输运过程中,由于设备老化、管道连接不足等原因,可能会发生氢气泄漏。如果氢气泄漏发现不及时或是处理不当,将严重危及生命财产安全。以传统硅半导体材料为基础的氢气传感器无法满足高温、高压以及强辐射等恶劣环境下氢气检测的要求,第三代宽禁带半导体碳化硅（Si C）由于具有禁带宽度大、热导率高、介电常数大以及击穿场强高等优异的性能,正在成为应用于恶劣环境的氢气传感器最佳候选材料之一。基于Si C的肖特基二极管氢气传感器具有体积较小、结构简单、易于制作的特点,因此,成为了氢气传感器的重点研究对象。本文针对高温环境中氢气检测的应用场景,设计了一种催化金属电极-缓冲层-沟槽式氮化铝（Al N）层-Si C衬底-欧姆接触电极构成的新型沟槽式氢气传感器结构,并进行了氢气敏感特性的研究;通过改变Al N界面层结构,解决传感器器件导通电压高、功耗大的问题,并且使器件的分辨率得到提高。本文主要研究了沟槽式氢气传感器的氢气敏感机理及理论模型,仿真分析了传感器针对温度以及氢气浓度的响应特性,设计了沟槽式氢气传感器的制备流程,着重研究Al N薄膜的沉积工艺,利用薄膜沉积技术进行了器件的制备以及传感器基础的测试,具体研究内容如下:（1）设计4H-SiC基沟槽式氢气传感器结构,使用铂（Pt）作为氢气敏感材料;研究传感器的氢气敏感机理;利用等效模型,在热电子发射理论、隧穿效应的基础上建立沟槽式氢气传感器的理论模型。（2）简化沟槽式氢气传感器结构模型,利用Silvaco TCAD软件中ATLAS器件仿真器,通过划分网格,定义区域、材料、电极和掺杂等参数,建立器件仿真结构模型;对传感器仿真的电流方程组以及物理模型进行详细分析,包括半导体基本方程组、禁带变窄模型、迁移率模型、隧穿模型以及载流子产生-复合模型等。（3）对比分析Pt/Si C、Pt/Al N/SiC及Pt/沟槽式Al N/SiC三种不同结构氢气传感器的传感特性。结果表明,沟槽式氢气传感器与Pt/Si C传感器相比,灵敏度相对提高;与Pt/Al N/Si C传感器的响应特性比较,沟槽式氢气传感器具有0.5V左右的低导通压降、大电流、以及高出2.5m A左右的电流分辨率。根据773K温度条件下的灵敏度确定沟槽式氢气传感器的工作电压为1.2V,通过研究温度和氢气浓度对传感器特性的影响发现:温度和氢气浓度通过改变肖特基势垒高度,从而影响到传感器的响应特性。对比分析Al N层宽度与沟槽宽度之比分别为7:3、5:5和3:7的三种不同沟槽占比的沟槽式氢气传感器发现,随着沟槽占比的增大,沟槽式氢气传感器电流分辨率增大,灵敏度减小。（4）设计沟槽式氢气传感器的制备工艺流程,着重研究Al N薄膜的沉积工艺。利用射频磁控反应溅射技术沉积Al N薄膜,利用X射线衍射仪、原子力显微镜以及扫描电子显微镜对薄膜表征。结果表明,Al N薄膜在35.522°出现高强度（002）晶向衍射峰,为高C轴择优取向,衍射峰半高宽0.093°,晶粒尺寸88.7nm,薄膜颗粒均匀,光滑且致密,平均粗糙度0.805nm,柱状生长明显,最终计算出其沉积速率约为3.73nm/min。利用直流磁控溅射技术制备了正、背面缓冲层钽（Ta）,其X射线衍射图谱表明,溅射得到的Ta薄膜由α相和β相的Ta构成,以α-Ta（211）和β-Ta（002）晶向为主,薄膜结晶程度比较好。利用射频磁控溅射技术制备氢敏感电极Pt。通过分析欧姆接触对电极的要求,确定Ni作为传感器的背面电极。通过直流磁控溅射技术沉积Ni电极,高温退火形成欧姆接触,完成沟槽式氢气传感器器件的制备。经传感器基础测试,沟槽式氢气传感器器件在150℃重复性和稳定性良好。

关键词：氢气传感器沟槽结构碳化硅磁控溅射