Физико-технологические основы разработки теплофизических микросистем на основе периодических тепловых процессов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат технических наук Бохов, Олег Сергеевич

• Бохов, Олег Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бохов, Олег Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

СОДДЕРЖАНИЕ

Стр.,

ГЛАВА 1 .ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ МИКРОСИСТЕМЫ

1.1 Теплофизические микросистемы. Основные направления развития и принципы работы

1.2 Особенности базовых конструкционных элементов теплофизических микросистем.

1.3 Современные подходы к проектированию устройств микросистемной техники

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Физико-технологические основы разработки теплофизических микросистем на основе периодических тепловых процессов»

Теплофизические микросистемы в рамках действующих стандартов отнесены к изделиям микросистемной техники (МСТ), и могут быть определены следующие основные направления их развития: сенсоры, актюаторы, микротурбины, микротермореакторы, микротеплообменники.

Уменьшение геометрических размеров, при> создании как устройств-МСТ различного функционального назначения^ так и элементной базы микро- и наноэлектроники, требует проведения дополнительного анализа применимости ранее известных критериев, моделей, методов оценки процессов теплообмена с учетом размерного фактора. Теоретический анализ, а также дополнительные экспериментальные оценки, необходимы для адаптации и эффективного применения известных пакетов прикладных программ моделирования* теплофизических процессов (например Со\уеп1ог\Уаге, МеШБийе, Сотво! МиШрИуБЮЗ, Апбуб) при конструировании устройств МСТ с использованием адекватных параметров, учитывающих изменение условий теплообмена при переходе к микро- и наноразмерам. Следует также отметить, что уменьшение геометрических размеров и массы чувствительных и исполнительных элементов позволяют, используя новые методические подходы и материалы, создавать теплофизические микроприборы с ранее не достижимыми характеристиками в отношении чувствительности, быстродействия и стабильности работы. На период начала данной работы в отечественной и зарубежной литературе практически отсутствовали результаты исследований в области влияния размерных и временных факторов на процесс теплообмена в устройствах микросистемной техники, несмотря на тот факт, что при переходе к микро- и наноразмерам может иметь место сверхвысокая плотность тепловыделения и возникает необходимость диссипации тепла в течение малых промежутков времени в неоднородной среде: твердое тело, жидкость, газ, вакуум.

Цель диссертационной работы:

Исследование влияния размерных факторов-- на процессы* теплообмена в устройствах микросистемной техники1 и разработка« нового поколения теплофизических датчиков на основе динамического метода измерений с использованием искусственно стимулированных периодических тепловых, процессов;

Для достижения поставленной* цели необходимо решить следующие задачи:

- провести анализ применимости классических критериев теплообмена при переходе к микро- и наноразмерам и определить доминирующие факторы и механизмы теплообмена в условиях микросистем;

- разработать конструкцию и исследовать характеристики сенсорной теплофизической микросистемы, основанной на искусственно стимулированном периодическом тепловом процессе и измерении временных параметров» тепловой волны, распространяющейся в среде между источником* и приемником тепла;

- осуществить проектирование кристалла универсального интегрального чувствительного элемента анемометрического датчика, основанного- на периодическом тепловом процессе, являющегося^ базисом для создания нового поколения различных теплофизических датчиков: температуры, потока, давления;

- разработать и реализовать технологический маршрут изготовления кристалла интегрального универсального чувствительного элемента анемометрического датчика, основанный на стандартных операциях и материалах, а для повышения стабильности и чувствительности микросенсора, исследовать возможность использования в качестве материала базовых конструктивных элементов устойчивый к воздействию высоких температур широкозонный полупроводниковый материал карбида кремния;

10 исследовать теплофизические характеристики универсального чувствительного элемента анемометрического датчика как базиса для создания теплофизических датчиков различного функционального назначения нового поколения.

Научная* новизна работы заключается в следующем:

1. Осуществлен анализ применимости классических критериев теплообмена при переходе к микро- и наноразмерам и определены доминирующие факторы и механизмы теплообмена в условиях микросистем.

2. Предложен динамический метод измерения теплофизических характеристик среды, основанный на регистрации изменения временных параметров искусственно создаваемой периодической тепловой волны, распространяющейся в среде между источником и приемником тепла (получен патент РФ на полезную модель № 59823).

Практическая значимость полученных в работе результатов:

1. Разработана конструкция универсального интегрального чувствительного элемента анемометрического датчика, основанного на периодическом тепловом процессе, являющегося базисом для создания различных теплофизических датчиков (температуры, потока, давления) нового поколения.

2. Разработан и реализован технологический маршрут изготовления кристалла интегрального универсального чувствительного элемента анемометрического датчика, основанный на стандартных операциях и материалах, а также с использованием в качестве базового материала конструкционных элементов - алмазоподобного широкозонного полупроводникового материала карбида кремния (получен патент РФ №2247442).

3. Исследованы образцы кристалла универсального чувствительного элемента анемометрического датчика и показано, что предложенная конструкция и материаловедческая база чувствительного элемента позволяют создавать сенсорную теплофизическую микросистему, отличающуюся повышенной? чувствительностью и стабильностью.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. При характеристических размерах конструкционных элементов микросистем, участвующих в-теплообмене, соизмеримых с десятками длин свободного пробега молекул окружающей среды, на процесс теплообмена доминирующее влияние оказывает не геометрия элементов микросистемы, а теплофизические свойства окружающей среды и плотность теплового потока от микросистемы.

2. Повышение чувствительности теплофизических микросенсоров и, снижение требований к точности предварительного определения теплофизических характеристик, конструкционных элементов микросистем и окружающей их среды достигается переходом от статического к динамическому методу измерений, основанному на определении временных характеристик распространяющейся в среде между микронагревательным и чувствительным элементами искусственно возбуждаемой, периодической тепловой волны.

Реализация результатов работы:

Результаты диссертационных исследований являлись составной, частью НИР и ОКР, выполненных в Центре микротехнологии и диагностики СПбГЭТУ, в том числе:

ЦМИД-105 ОКР «Ямб - ЛЭТИ»; ЦМИД-144 ОКР «Ямб-Прибор»;

ЦМИД-165 НИР «Эпитаксия - Л»; ЦМИД-201 НИР «Находка-Л»; ЦМИД-184

Экстремаль»

Получены акты об использовании результатов диссертационной работы в ФГУП «ГосНИИ прикладных проблем», ОАО «Центр технологии микроэлектроники», а также в учебном процессе СПбГЭТУ в рамках дисциплины «САПР микросистем», «Микро- и наносенсорика».

Заключение диссертации по теме «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано- электроника на квантовых эффектах», Бохов, Олег Сергеевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведен анализ особенностей проявления микро- и наноразмерных факторов при конструировании и функционировании1 микросистем* и показано, что при характеристических размерах конструкционных элементов, участвующих в. теплообмене, соизмеримых с десятками длин- свободного пробега молекул» окружающей среды, доминирующее влияние на процесс теплообмена оказывает не геометрия элементов микросистемы, а теплофизические свойства окружающей среды и плотность теплового потока от конструкционных элементов.

2. Предложен динамический метод измерения теплофизических параметров среды, основанный на регистрации измерения временных параметров ^ искусственно создаваемой периодической тепловой волны, распространяющейся в среде между нагревателем и чувствительным элементом.

3. Предложена конструкция и осуществлена разработка сенсорной теплофизической микросистемы на основе периодического теплового процесса и показано, что повышение чувствительности теплофизических микросенсоров и снижение требований к точности предварительного определения теплофизических характеристик используемой среды достигается переходом от статического к динамическому методу измерений, основанному на определении сдвига фаз искусственно создаваемой периодической тепловой волны, распространяющейся в среде между микронагревателем и чувствительным элементом

4. Реализовано (с использованием САПР «СоуеЩо^аге») проектирование кристалла интегрального универсального чувствительного элемента анемометрического датчика, основанного на периодическом тепловом процессе, включая оптимизацию конструктивно геометрических параметров и разработку комплекта фотошаблонов для практической реализации.

5. Разработан и реализован технологический маршрут изготовления кристалла интегрального универсального чувствительного элемента анемометрического датчика, основанный на стандартных операциях и материалах, а также при использовании в качестве базового материала нагревательных и чувствительных элементов алмазоподобного широкозонного полупроводникового материала - карбида кремния.

6. Проведено экспериментальное исследование теплофизических характеристик универсального чувствительного элемента анемометрического датчика, который может являться базисом для создания различных теплофизических датчиков (температуры, потока, давления) нового поколения с повышенной чувствительностью и стабильностью.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бохов, Олег Сергеевич, 2010 год

1. Janak Singh, Terence Gan, Ajay Agarwal, Mohanraj, Saxon Liw./ 3D free space thermally actuated micromirror device. Sensors and Actuators A 123124 468-47, 2005.

2. Ye Wanga, Zhihong Lia,c, Daniel T. McCormicka,b, Norman C. Tiena/

3. A micromachinedRF microrelay with'electrothermal actuation. Sensors and' Actuators A103 231-236; 2003.

4. Lena Klintberg*, Mikael Karlsson, Lars Stenmark, Greger Thornell/A thermally activated paraffin-based actuator for gas-flow controlin a satellite electrical propulsion system. Sensors and Actuators A 105 237—246, 2003:

5. T. Volden, M. Zimmermann, D. Langel, O. Brand2, H. Baltes/ Dynamics of CMOS-based thermally actuated cantilever arrays for force microscopy. Sensors and Actuators A 115 516-522, 2004.5. В

6. Si Baglio, S. Castorina, L. Fortuna, N. Savvali/Modeling and design of novel photo-thermo-mechanical microactuator. Sensors and Actuators A 101 185— 193, 2002.

7. John W. Suh, Steven F. Glander, Robert B. Darling, Christopher W. Storment , Gregory T.A. Kovacs / Organic thermal and electrostatic ciliary microactuator arrayfor object manipulation. Sensors and Actuators A 58 (t997) 51-60

8. Pierre Pennarun, Carole Rossi, Daniel Est'eve, Ren.e-David Colin/ Single use, robust, MEMS based electro-thermal microswitches-for redundancy and system reconfiguration. Sensors and Actuators A 136 (2007) 273-281.

9. M. Kohl, B. Krevet, E. Just/ SMA microgriper system. Sensors and Actuators A 101 97-98, 2002.

10. G Antonio Cabal, David S. Ross, John A. Lebens, David P. Trauernicht / Thermal actuator with optimized heater for liquid drop ejectors. Sensors and Actuators A 123-124 (2005) 531-539.

11. Zhenjun Jiao, Nam-Trung Nguyen, Xiaoyang Huang / Thermocapillary actuation of liquid plugs using a heater array. Sensors and Actuators A 2007.

12. Козлов А.Г Тепловые микросенсоры: конструктивные особенности. Нанотехнология и зондовая микроскопия. 2008 1 16-28. .

13. Ke-Min Liao*, Rongshun Chen, Bruce C.S. ChouY/ A novel thermal-bubble-based micromachined accelerometer. Sensors and Actuators A 130-131282— 289, 2006.

14. Gerlinde Bedo, Werner Kraus, Rudolf Muller/ Comparison of different micromechanical vacuum sensors, Sensors and Actuators 85 181—188, 2000.

15. Корляков A.B. Физико-технологические основы формирования базовых элементов микросистемной техники// СПб.: Технолит, 2008. - 126 с.

16. Selim Eminoglu, Deniz Sabuncuoglu Tezcan, M. Yusuf Tanrikulu, Tayfun Akin/ Low-cost uncooled infrared detectors in CMOS process. Sensors and Actuators A 109 (2003) 102-113.

17. Розанов JI: H. Вакуумная техника: Учеб. для вузов по спец. «Вакуумная техника». 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая, шк. 1990.

18. Теория тепломассообмена: Учебник для вузов/ С. И. Исаев, И. А. Кожинов, В. И: Кофанов и др.; Под ред. А. И. Леонтьева.Под5ред. А.' И: Леонтьева^ — М.: Высш. школа, 1979:

19. Кутателадзе С. С. Основы теории теплообмена. Изд. 5-е переаб. И доп. -М.: Атомиздат, 1979.20:Пехович А. И: и Жидких В. Ми Расчеты теплового режима твердых тел. Л., «Энергия», 1976.

20. Справочник по теплопроводности жидкостей ^ газов. Варгафтик Н: Б., Филиппов Л.П., Тарзиманов A.A., Тоцкий Е.Е., М.: Энергоатомиздат, 1990.

21. Теплообмен излучением: Справочник/ Блох А. Г., Журавлев1- Ю. А., Рыжиков Л.Ни -М!: Энергоатомиздат, 1991.

22. Чиркин B.C. «Теплофизические свойства материалов» Государственное издательство физико-математической литературы. Москва 1959.

23. Кутателадзе С. С. Теплопердача и гидродинамическое сопротвление: Справочное пособие. -М.: Энергоатомиздат, 1990.'

24. Олейник Б. Н., Лаздина С. И., Лаздина В. П., Жагулло О.М. Приборы и методы температурных измерений: Учебное пособие для учащихся* средних специальных учебных заведений по специальности «Электротехнические измерения». М.: Изд-во стандартов, 1987.

25. Surface Science Reports 48 (2002) 1-51 / Silicon carbide and silicon carbide-based structures. The physics of epitaxy. Pierre Masri. 2002 Elsevier Scince B.V.

26. Тартаковский Д.Ф., Ястребов A.G. Метрология, стандартизация и технические средства измерений: Учеб. для вузов. М.: высш. шк., 2001.

27. Физические величины: Справочник/ Бабичев А. П., Бабкшкина Н. А., Братковский А. М. и др.; Под ред: Григорьева И: С., Мейлихова Е. 3. М.: Энергоатомиздат, 1991.

28. Вакуумная техника. Научно технический- сборник 2-е изд. Абецидарский А. А. и др. Татарское книжное издательство Казань 1970.

29. Справочник по электротехническим-материалам /Том 3/ под редакцией Корицкого Ю.В., Пасынкова В.В., Тареева Б.М. Третье переработанное издание. Энергоатомиздат, ленинградское отделение 1988.

30. Физика неупорядоченных полупроводников: Учеб. Пособие/Ю.И. Равич., С.А. Немов; СПб. гос. техн. ун-т. С.-Петербург, 1994.

31. Дж. Фрайден современные датчики. Справочник. Москва: Перевод с английского Ю.А. Заболотной. Техносфера, 2005.

32. Frolov G. A., Grudin» О. М. / Proceedings of Eurosensors X. the 10™ European Conference on solid-state transducers. Micromechanical thermal sensor for absolute gas pressure measuremen. 1996.

33. Comsol Multiphysics User Guide ver 3.4. 2007, http://www.comsol.com/.

34. CoventorWare User Guide ver.2008. 2008, http://www.coventor.com/

35. IntelliSuite ver. 8.2 User Guide. 2008, http://www.intellisensesoftware.com/

36. Kreith F., Roop Mahajan. The MEMS Handbook Second Edition 2006.

37. Madou, Marc J. Fundamentals of microfabrication: the sceince of miniaturization. Second Edition. CRC Press LLC. 2002.

38. Niku-Lari A. Structural analysis system, (Sofware-Hardware, Capability -Compability Aplications). Pergamon Press,vol. 1-3,1986.