微加热器热传导试验与计算

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1、万方数据第19卷第3期2011年3月光0pticsand学精密工程PrecisionEngineeringV01．19No．3Mar．20ll文章编号1004—924X(2011)03-0612-08微加热器热传导试验与计算刘泽文1，田昊2，刘冲2(1．清华大学微电子学研究所，北京100084；2．大连理工大学辽宁省微纳米技术及系统重点实验室，辽宁大连116024)摘要：为了研究微加热膜下方的结构与微加热器性能的关系，利用数值计算与有限元仿真，研究了微加热膜下方空气隙厚度的变化对加热器性能的影响

2、。首先，通过微加热器试验确定了对流换热系数等关键热学汁算参数，建记了一维Fourier导热微分方程组，计算了Biot数并以此为依据对模型进行了薄壁简化，使用有限差分法对微分方程进行了数值计算。然后，使用ANSYS有限元分析软件对模型进行了电热耦合仿真，并对在对流换热边界F硅衬底(无空气隙)，100，200，300，400肛m气隙以及加热膜(完全贯通)6种模型的瞬态温度响应及稳态热分布的结果进行了对比。计算结果表明，相比硅衬底。目前的微加热膜结构在同样边界条件下可以将最高温度提高约17％。空气隙为

3、200iLm时，在+5V驱动电压和空气对流边界条件下，微加热器可以达到390K，稳态功耗为134mw，起到r改善最高温度性能，降低功耗的作用。关键词：微加热器；Biot数；Fourier传热中图分类号：0551．3：TP212文献标识码：Adoi：10．3788／OPE．20111903．0612ExperimentandthermalcalculationofmicroheaterLIUZe—wenl。TIANHa02，I．IUChon92(1．InstituteofMicroelectron

4、ics，TsinghuaUniversity，Beijing100084，China；2．KeyLaboratoryforMicro／NanoTechnologyandSystemoJ’LiaoningProvince，DalianUniversityofTechnology，Dalian116024，China)Abstract：ByutilizingthenumericalsolutionandFiniteElementAnalysis(FEA)approach，theeffectofthe

5、airgapbeneathaheatingmembraneontheperformemceofamicroheaterwascalculatedandsimulated．Thethermalconvectioncoefficientwasacquiredfromaheatingexperiment．Then，a1DFourierheattransferequationwasderived．ByusingtheBiotnumbercalculatedandthelumped—capac-ityso

6、lution，themodelwassimplifiedintoamulti—layerthinslabone．Furthermore，thetransienttem—peratureresponseandstablethermaldistributionoftheairgapinthicknessof0(pureSisubstrate)．100，200，300，400肛mandcompletelythrough(heatingmembrane)werecomparedunderthecondi

7、-tionsofheatconvectionandheattransfer．Calculationresultsshowtheclimaxtemperaturehasin—creasedapproximately17％byutilizingtheheatingmembranestructure．Theresultsofsteadystateandtransientthermal-electricalcoupledfieldFEArevealthat200弘mairgapstructureinde

8、edenhancestheclimaxtemperatureto390KandreducesthepowerconsumptiontO134mW．whichiscoherent收稿日期：2010—04—06；修订日期：2010—06—02．基金项目：国家自然科学基金资助项目(No．60576048)；国家重点基础研究发展计划资助项目(No．2007CB310504)万方数据第3舰刘泽文等：微加热器热传导试骑与¨算with1henumericalcalculaTionr⋯ItHandcxperie