Теплофизические свойства микросистем на основе структур "карбид кремния на изоляторе"

• Автор: Никитин, Илья Владимирович
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 176 с. : ил

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.
ГЛАВА 1. ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ СВЯЗЬ С ЭФФЕКТАМИ МАСШТАБИРОВАНИЯ. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СЕНСОРЫ И АКТЮАТОРЫ

1.1. Процессы теплопередачи и их проявления на микроуровне.

1.1.1. Теплопроводность в твердых телах

1.1.2. Теплопроводность и конвекция в газах

1.1.3. Тепловое излучение

1.2. Аналогия электрических и тепловых процессов.

1.3. Критерии эффективности работы датчиков и актюаторов и их связь эффектами масштабирования

1.4. Обзор существующих тепловых датчиков и актюаторов.

1.4.1. Терморезистивный датчик температуры.

1.4.2. Тепловой датчик потока термоанемометр.
1.4.3. Тепловой датчик давления
1.4.4. ИКмикроизлучатель
1.4.5. Тепловой микрореактор для аналишкотсхнологических систем
1.4.6. Термомеханический актюатор
1.5 Постановка задачи работы.
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ЭЛЕМЕНТОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ СТРУКТУР КАРБИД КРЕМНИЯ НА ИЗОЛЯТОРЕ ДЛЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СЕНСОРОВ И
АКТЮАТОРОВ.
2.1. Разработка базовых вариантов технологического процесса получения структур карбид кремния на изоляторе для теплофизических микроприборов
2.1.1. Требования к материалам.
2.1.2. Микронагреватель на мембране
2.1.3. Микронагреватель на балках
2.2. Исследование характеристик и способов управления электрофизическими свойствами слоев карбида кремния
2.3. Исследование оптических свойств слоев 5Ю.
2.4. Исследование радиационной стойкости слоев БЮ.
ГЛАВА 3. РАСЧЕТ И АНАЛИЗ ТЕПЛОВЫХ МИКРОСИСТЕМ.
3.1. Механизмы преобразования тепловой энергии
3.1.1. Преобразование тепловая энергия механическая энергия.
3.1.2. Преобразование тепловая энергия электрическая энергия.
3.1.3. Преобразование тепловая энергия энергия излучения
3.2. Аналитический вывод системы уранений ВАХ микронагревательной структуры.
3.3. Электротепловая модель микронагревательной структуры.
3.4. Размерный эффект теплоотдачи.
3.5. Тепловые эффекты масштабирования.
3.6. Расчет динамических параметров микронагревательной структуры.
3.7. Моделирование тепловых полей и механических напряжений в микронагревательной структуре.
3.7.1. Распределение температуры и термомеханических напряжений в тонкой мембране.
3.7.2. Распределение температуры и термомеханических напряжений в структуре на балках.
ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ МИКРОСИСТЕМ.
4.1. Анализ вольтамперных характеристик тепловых микросистем
4.2. Определение удельного коэффициента латеральной теплопроводности тонких слоев карбида кремния
4.3. Экспериментальная проверка размерною эффекта теплоотдачи
4.4. Измерение частотных параметров микронагревателей.
4.5. Определение частотных параметров микронагревательной
системы
4.6. Исследование термомеханических свойств микронагреватсльных
систем на основе карбида кремния.
ГЛАВА 5. ПРИБОРНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ТЕПЛОВЫХ ДАТЧИКОВ И АКТЮАТОРОВ.
5.1. Терморезистивный преобразователь температуры
5.2. Чувствительные элементы датчиков потока и вакуума.
5.3. Инфракрасный микроизлучатель
5.4. Скальпель с нагреваемой режущей кромкой.
5.5. Тепловой микрореактор для аналитических целей.
5.6. Термомеханический микроактюатор.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


При проектировании тепловых датчиков и акпоаторов важно правильно рассчитывать процессы передачи тепла в твердых телах, а также при их контакте с жидкостями и газами, в том числе движущимися. Физически теплопередача может осуществляться тремя способами теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением 8. Теплопроводность перенос теплоты в сплошной среде, обусловленный наличием градиента температур. Я Л. Втм2 к коэффициент теплопроводности, Втм К УТ градиент температуры, Км. Уравнение Фурье справедливо для небольших значений градиента температуры и когда средняя длина свободною пробега частиц, участвующих в теплоперсносе, мала по сравнению с размерами системы. В твердых телах этими частицами являются электроны проводимости и фононы. В диэлектриках и слаболегированных полупроводниках преобладает вклад фононной составляющей теплопроводности. До 2. Ттемпература материала. Тепловые колебания решетки определяются характеристической температура Дебая В. Ниже этой температуры становится существенным квантовый характер упругих колебаний решетки, в то время как выше температуры Дебая квантовые эффекты не проявляются. Для большинства полупроводников О 0. К. При повышении температуры от 0 до . К наблюдается резкое увеличение теплопроводности за счет возникновения фононов, при этом рассеяние на тепловых колебаниях решетки практически отсутствует и наблюдаются очень высокие значения теплопроводности до 0 Втм К. При дальнейшем возрастании температуры увеличивается рассеяние па тепловых колебаниях решетки фоионфононнос взаимодействие и происходит снижение теплопроводности 8. Кристаллическая структура материала, а также состояние поверхности, размеры кристалла, деформации, оказывают существенное влияние на теплопроводность в области низких и комнатных температур 0, где сказывается фононный характер теплопроводности. Теплопроводность гонких пленок и структур может быть существенно ниже теплопроводности объемного материала. В работе показано, что удельная теплопроводность тонких пленок диэлектриков и полупроводников пропорциональна II , г де И толщина пленки. Отжиг в вакууме увеличивает значение удельной теплопроводности тонких пленок . Следует отметить, что экспериментальное определение теплопроводности тонких пленок и структур малых размеров представля собой сложную задачу. Аналитическое решение задачи теплопроводности на границе твердое телогаз может быть получено только для случаев стационарных случаев и низких температурных перегревов, те. Критерий Грасгофа, определяющий интенсивность свободной конвекции, прямо пропорционален третьей степени характерного геометрического размера тела, поэтому при снижении размеров источников тепла наблюдается значительное снижение теплообмена посредством конвекции . Если произведение в г и Рг находится в диапазоне от до 5 , то коэффициент конвективного теплообмена Н с удовлетворительной точность можно определить по формуле
Т ЬУ , Л 0. РгГ Втм7мК,
где к безразмерный коэффициент к 1. Тт 0. У0. Значение параметра А для воздуха при нормальном давлении в зависимости от средней температуры Тт приведены в табл. Таблица 1. Втм7А1К 1. Из табл. А равным 1. Втм7У1КА. I ттл1А т Г II . Приведенные выше соотношения соответствуют стационарному случаю теплопередачи, когда профиль распределения температуры в окружающей среде постоянен и тепловое сопротивление нс изменяется во времени. Однако, большинство тепловых актюаторов работают в циклическом режиме, чередующим быстрые нагрев и охлаждение, когда осуществляется нестационарный режим теплопередачи. Вопросы теплоотдачи для микрообъектов в настоящее время еще недостаточно изучены. В работе описывается эффект гигантской теплоотдачи телами с характерными размерами менее 1 мм. Этот эффект объясняется естественной конвекцией, вызванной разницей температур. Предполагается преобладание молекулярного режима теплопередачи и отсутствие вокруг точечного источника теплового и динамического пограничных слоев. Однако позднее, достоверность полученных результатов ставилась под сомнение самими исследователями.