一种新型MEMS器件中的近场辐射传热现象研究

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

对于任何处于热平衡的物体，其内部电荷或离子处在无规则的热运动状态。这种热运动会辐射出电磁波。-部分电磁波离开物体表面辐射到 自由空间中，成为传播波；另-部分电磁波沿着物体表面传播，在离开物体表面的方向上电磁场迅速衰减，成为表面波。表面波不会向自由空间辐射能量，但是-个物体进入到另-个物体的表面波范围内的时候，表面波能够被该物体吸收，形成能量传递，这种现象被称为近场热辐射 j。热辐射-般发生在很微小的距离下，对于黑体而言，这个距离可以用维恩位移定理确定：在常温下，黑体 的主波波长约为 9.6Ixm 7 J，当两物体间距离小于 9.6 m时，就开始出现近场辐射传热，并且距离越小，辐射传热越多。

近几年来，-些研究人员提出了利用近场辐射传热作用增加光电器件转换效率的思路：先利用近场辐射效应将光电器件中光电转换单元吸收的热传导到-层热电单元上，再通过热生电的原理将热能转换为电能，从而增加光电器件的转换效率 。

项目来源：国家 自然科学基金项 目(60806038，61 131004，61274076)收稿日期：2012-12-06 修改日期：2013-01-25172传 感 技 术 学 报atransducers.eom 第 26卷在MEMS工艺过程结束时，器件的剖面如图 1(b)贩示。

器件中悬空薄膜的释放过程包括湿法腐蚀和烘干两个过程：首先，用水将烧杯中磷酸腐蚀液加热到50 oC；然后，将器件放入腐蚀液 中，时间约为 3Omin；当牺牲层腐蚀干净后，用去离子水清洗器件；最后，将器件置于140℃的烘箱中，烘干30 rain。悬空薄膜释放后的器件剖面如图 1(c)所示。

在器件设计中虽然采用了二氧化硅-氮化硅-二氧化硅复合结构，但是，在薄膜释放后仍然存在残余应力，所以仍需要采用后续热处理工艺～器件在350 oC、氮气保护下退火2 h。退火后器件的扫描电镜照片如图2(a)所示。

为了判断上方结构和下方结构之间是否粘附，需要用探针在显微镜下将上方薄膜挑去。如图2(b)所示的为两个薄膜结构间不存在粘附的器件，图中上方结构完全剥除，而下方结构完好。

- - (a)双悬空薄膜结构 (b)单悬空薄膜结构图 2 扫描 电镜 照片2 近场辐射测量由于在 MEMS工艺过程中，上方结构中的白金电阻与黄金连线间的通孔刻蚀出现问题，导致上方结构中的电阻没有成功引出，只能用下方结构来完成近场辐射传热的测量。因此，本文将加热下方薄膜，使其作为热辐射的发射单元，利用上方薄膜作为热辐射的吸收单元来设计近场辐射测量实验。对于具有双悬空薄膜结构的器件而言，上方薄膜的存在使热发射单元会通过该辐射吸收单元向衬底散热。

而在挑去上方薄膜后，器件变为单悬空薄膜结构，对于热发射单元而言，就除去了经由吸收单元到衬底的热损失。这样，加热热辐射单元到相同的温度时，在挑去上方薄膜结构前后会存在加热功率差，该功率差即为测得的两个薄膜间的辐射热功率。

2.1 温阻系数近场辐射传热的测量实验中，具有相同温度的热发射器是-个基本条件，热发射器的温度可以通过白金电阻的阻值和其温阻系数求出。因此，首先要标定白金电阻的温阻系数。白金电阻温阻系数的标定实验是在本实验室的测试系统中进行的。实验系统由JANIS公司的真空控温系统和KEITHLEY2400电流源表组成 。标定过程中，实验系统真空腔内的气压为10 mbar。通过真空控温系统的温控器控制器件的温度从233 K升高到 393 K，间隔为 20 K。电阻值用KEITHLEY2400由四点法测量。通过线性拟合实验数据，得到白金电阻的阻值与薄膜结构温度间的关系为：R(T)0.27011 T25.922 (1)其中， 为电阻的温度。由此得出温阻系数为2.7%0。

2.2 薄膜间的近场辐射传热测量薄膜间辐射传热测量实验同样在前述设备中进行，具体的实验过程如下：首先，向下方薄膜中的白金电阻输入加热电流使该悬空薄膜升温，在达到稳定状态的时候记录电阻的阻值及电流值；然后，利用探针挑去上方的薄膜结构；最后，再次加热下方的薄膜结构，记录白金电阻的阻值和加热电流值。加热实验在白金电阻温阻系数标定实验设备中进行，环境温度设定为293 K，真空腔中的气压为 10-mbar。实验数据如图3所示，其中，去除上方薄膜前器件的结构为双层结构，去除上方薄膜后器件的结构变为单层结构。

图3 升温 买验 中对去除上方薄膜结构前后 的实验数据采用以下步骤处理实验数据：首先，将实验数据表示成电流平方和电阻值之间的关系，变换后的数据如图4所示～双悬空薄膜结构的实验数据拟合成函数关系如下：12-10. 530.0099R (2)然后，将单悬空结构的实验数据中的电阻值代入式(2)中，计算出对应的电流 该电流值如图4中计算数据”标记的点所示。

垂牝面电阻，Q图4 升温实验中双层结构和单层结构下电流的平方值与微热板的 电阻值 之间的关 系第2期 冯 冲，唐祯安等：-种新型 MEMS器件中的近场辐射传热现象研究 173最后，计算出 相同时的功率差(，2- 。)R，即当下方薄膜温度相同时，对应存在和不存在薄膜间近场辐射传热两种情况下的功率差。为了便于比较，可以定义辐射传热系数为 J：G：lim (3)△ 1根据实验数据计算出的近场辐射传热系数(G )、远场辐射传热系数(G )和黑体辐射传热系数(G )分别显示在图5中。

O温度图5 实验测量薄膜间近场辐射系数与理论值的比较2.3 近场辐射传热引起的薄膜温升本文设计的器件中，下方薄膜是准备用来完成热电转换的结构。温度发生变化是利用热电效应的- 个前提条件。尽管前文已经计算出下方薄膜向上方薄膜的近场辐射热功率，但是，相同的热功率由上方薄膜向下方薄膜辐射时可以使薄膜温度变化多少需要进-步的研究。下方薄膜的散热制约其温升，其散热主要由支撑臂的热传导特性决定。

支撑臂的热传导系数如下 ：Gco.4× io2 AP 1 (4) 、 N SiO2 - n ，其中，A表示支撑腿中相应材料薄膜的截面积；L表示支撑腿中相应材料薄膜的长度；A表示支撑腿中相应材料薄膜的热导率；SiN表示氮化硅薄膜；SiO表示二氧化硅薄膜；Pt表示白金薄膜。

根据图 1(a)中标注的器件支撑梁的尺寸、图1(e)中标注的器件支撑臂各组成薄膜的厚度，以及表 1中列出的材料的热导率，可以通过式(4)计算出下方结构的热传导系数为2.8910～W/K。

但是，体材料热导率和薄膜材料热导率存在差异的。另外，器件支撑臂的实际尺寸与加工工艺参数有关，也会存在偏差。因此，需要对支撑臂的热导率进行实验测量。我们采用热延迟法进行测量实验，加热电流为频率为5 Hz的脉冲信号，信号的幅值为0.6 mA和0.7 mA，实验数值如图6所示。

图 6 热延 迟 买验 数 据当仅考虑支撑臂的传导特性，下方悬空结构的热动态特性为 ： xp (G (5)其中，G为支撑臂的热传导系数，t为时间，C为薄膜结构的热容。

利用公式 5对图 6中的数据进行拟合，可以得到对应0.6 mA和0.7 mA两个电流的热传导系数分另0为2.38×10 W/K和 2.33×10-。W/K。因止匕，实际的热传导系数约为 2.355×10～W/K。通过观察图1(c)可知，下方薄膜结构与衬底间的距离也为1 m，所以，该拟合结果中也包括了薄膜与衬底间的近场辐射传热以及薄膜本身的远场辐射。

2.4 结果如图5所示，近场辐射传热系数、远场辐射传热系数和黑体辐射系数均随着温度的增加而线性增大，并且，对于同-温度，近场辐射系数的数值远大于远场传热，除第-个温度点外的各个温度上，近场辐射传热强度也大于黑体辐射。这说明在 1微米间隙下薄膜间存在近场辐射传热，并可以通过近场辐射传热方式将上层薄膜的热传递到下层薄膜中。

经过热延迟法标定薄膜结构支撑臂的实际热传导系数约为2.355×10～W/K，该值接近理论计算的2.89x10～W/K。由近场实验数据可知，当上方薄膜的温度为 317.2 K，而下方薄膜的初始温度为293 K时，近场辐射热功率为2.9x10～W，该功率可以是下方薄膜结构的温度升高 1.2 K。同样，当上方薄膜温度为365.6 K时，下方薄膜的温度升高 14.1 K。而相同条件下的远场辐射可以是下层结构温度升高分别为0.029 K和 1.34 K↑场辐射传热可以促进下方结构温度的升高，为热电转换提供有利条件。

3 结论本文以新型的热光电转换思想为指导，利用5 O 5 0 5 O 5 0 5 O i 勰越