MEMS微热敏器件中多孔硅绝热性能研究及模拟

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近几年来,随着微电子机械系统(MEMS)的发展,多孔硅优良的机械性能和热学性能逐渐为人们所关注。本文主要针对多孔硅材料在MEMS微热传感器中作为绝热层的应用进行了研究及模拟。本论文以多孔硅基热电偶式MEMS微热传感器为研究对象,研究了传热学、薄膜传热、有限元以及热电偶等基础理论知识;实验测量了在不同多孔硅基底上沉积金属薄膜电阻条的功率—温度曲线,进而对比验证多孔硅的绝热性能,为微传感器制作做好准备;用ANSYS软件进行建模来模拟多孔硅绝热性能验证实验,模拟中采用实验和数值计算结合的方法对有限元分析的载荷进行确定,结果表明所建立的有限元模型以及参数(特别是热生成率载荷大小)取值比较合理,模拟结果与实验相符合。实验提出热电偶式微热传感器模型,按照一定的工艺步骤完成传感器雏形,并通过给热端电阻条通电流加热的方式代替温度场,对热电偶的冷热端温差进行测量说明了传感器的可行性;利用ANSYS软件建立有限元模型,采用平面、三维直接、拉伸法以及壳单元等方法尝试建模,分别模拟电阻自加热和热端施加恒定温度场两种情况下热电偶式微热传感器的温度分布,特别是冷热端温度分布进行模拟,与实验值对比接近;最后以增加温差为目的,对多孔硅基热电偶式微热传感器进行了热学设计,得出扩大温差的要素和最终设计方案。模拟出最终设计的方案冷热端温差效果,给热端施加恒定100℃温度场,热电偶冷热端温差可达12℃左右,而瞬态分析结果在最初的12秒内温差可达30℃。
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