微热板中微纳尺度气体传热特性研究

摘要

在器件设计和制作过程中，微尺度气体传热是遇到的非常基础性的物理问题，研究微尺度气体传热对提高器件的可靠性和稳定性具有很重要的意义。微尺度气体间隙作为传热和绝热机构广泛地存在于微机械电子系统中，而且一些微纳传感器件，例如流速计、皮拉尼真空传感器，都是按照气体传热的原理设计、工作的。微尺度气体表面作为传热和对流的边界在许多微机械系统的设计过程中是要着重考虑的部分。在微尺度条件下，气体传热属性出现随尺度变化的物理现象，本文选用微热板结构，研究了微热板中微尺度气体传热属性随尺寸的变化关系。
　　与标准CMOS工艺兼容，尺寸微小等是微热板结构所具有的特点，最重要的是它具有本文所研究的对象:气体间隙和表面。正是由于两种气体传热类型的共同存在，给研究带来了很大的困难，本文的研究思路是先做微尺度表面气体传热属性的研究，再将研究所获得的结果用于微尺度气体间隙传热的研究中。
　　首先，设计和制作了正面刻蚀体硅型微热板结构，建立起该结构常温常压和常温真空两种条件下的热阻模型，并结合稳态平板法的热物性测试原理，测量出微热板中表面空气自然对流传热系数。结果表明，由于比表面积的增大，微尺度表面空气自然对流换热能力远远强于常规尺度下的情况。同时，采用有限元仿真对测量方法的准确性和影响测量方法的不确定性因素做了分析，结果表明，测量方法的准确度高，微热板加热区温度分布不均是影响方法准确度的主要原因。
　　其次，基于表面牺牲层工艺，设计和制作了具有不同厚度气体间隙的微热板结构，同样建立了结构的常压和真空条件下的热阻模型，结合稳态平板法原理测试了微热板中空气传热热导，结合表面气体自然对流传热的研究结果，计算出气体间隙的热导及其间隙中空气的热导率。结果表明，在220nm-1900nm范围内，随着尺度的减小，空气热导呈现出先增加后减小的趋势，空气热导率则呈现出一直减小的趋势。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究的背景和意义

1．1．1 课题背景

1．1．2 研究意义

1．2 微尺度气体传热研究

1．2．1 气体传热理论

1．2．2 微尺度气体传热发展现状

1．3 论文研究的主要内容

2 研究方法和微热板测试结构

2．1 研究方法

2．1．1 理论研究方法

2．1．2 数值模拟仿真

2．1．3 实验研究方法

2．2 微热板测试结构

2．2．1 微热板制作工艺

2．2．2 微热板结构

2．3 本章小结

3 微热板表面自然对流换热研究

3．1 测试原理

3．1．1 测试结构

3．1．2 传热分析

3．1．3 测试方法

3．2 测试结构的设计和制作

3．3 实验

3．3．1 实验测量

3．3．2 不确定性分析

3．4 测试方法有限元仿真

3．4．1 有限元仿真分析

3．4．2 测试方法有限元仿真

3．5 结果讨论

3．6 本章小结

4 微热板气体间隙传热特性研究

4．1 测试原理

4．1．1 测试结构

4．1．2 传热分析

4．1．3 测试方法

4．2 测试结构的设计思路

4．3 220nm空气间隙微热板

4．3．1 设计

4．3．2 制作

4．3．3 测量

4．4 550nm空气间隙微热板

4．4．1 设计

4．4．2 制作

4．4．3 测量

4．5 1 900 nm空气间隙微热板

4．5．1 设计

4．5．2 制作

4．5．3 测量

4．6 结果分析

4．7 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢