微納器件的熱特性表征技術(shù)

1、微納器件的熱特性測量技術(shù)摘 要：本文將現(xiàn)有的微納米尺度熱特性測量技術(shù)分為接觸式及非接觸式兩類分別進行了介紹。詳細陳述了每種方法的原理、優(yōu)缺點，并從時間分辨率、空間分辨率、溫度分辨率對幾種方法做了比較。關(guān)鍵詞：微納米尺度；溫度特性測量技術(shù)；接觸式；非接觸式Thermal characterization techniques for MEMS devicesAbstract: In this paper we review various microscale and nanoscale thermal characterization techniques which are divided

2、into two types, contact and non-contact. For each technique, the physical principle is presented, and both the merits and drawbacks are discussed with regard to the accuracy including temporal resolution, spatial resolution, and temperature resolution.Key words: microscale and nanoscale; thermal cha

3、racterization techniques; contact techniques; non-contact techniques 0 引言隨著半導(dǎo)體集成電路微細加工技術(shù)的成熟和機械超精密加工技術(shù)的開發(fā)，微米/納米技術(shù)這一研究領(lǐng)域應(yīng)運而生。然而，目前微米/納米技術(shù)的發(fā)展，特別是微型傳感、微機械和微機電系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展， 要求人們提供實時檢測的新方法、新手段。熱特性的測量作為微納器件功能測試的一個方面，它可以為微納器件的設(shè)計改進提供依據(jù)。由于微納米材料的熱特性與宏觀尺度材料存在很大差距1，且宏觀尺度下用于表征溫度場分布的分析方法和測試手段在微納米尺度下不再適用，因此微納米尺度熱特性測量已成為

4、關(guān)鍵技術(shù)之一。為了準(zhǔn)確測量材料的溫度、熱流、熱阻、熱導(dǎo)率和熱擴散率等熱特性參數(shù)，已經(jīng)發(fā)展了多種熱特性測試方法和量熱技術(shù)2-3。目前普遍采用光、電和力三種原理來實現(xiàn)對溫度和熱量的測量。常用的方法包括紅外熱像儀4、Raman光譜5、激光表面反射6、光熱傳感器7、光聲法8、光電二極管9、近場光學(xué)溫度測量10、掃描熱顯微鏡11、熒光法12、熱電偶13、電阻溫度計13以及其他方法1416。本文將其中可用于微納器件溫度測量的技術(shù)按照工作時傳感器是否與被測物體接觸，分為接觸式和非接觸式。并詳細介紹了每種方法的測量原理、優(yōu)缺點。最后從溫度分辨率、空間分辨率、時間分辨率上對各種方法做了一下對比。1 接觸式測量技

5、術(shù)通過物理接觸來測量器件的方法包括單點接觸(熱電偶和掃描探針)和多點接觸(熱色液晶)。這些都依靠于熱交換。從要測溫的器件到接觸它的包含溫度計的物體?？臻g分辨率由接觸探針或者覆蓋在器件上的材料決定。優(yōu)勢在于可以獲得高的空間分辨率,可以達到100nm或者更??；同時也可以獲得溫度的二維圖像。劣勢在于被測溫的器件必須是可以接觸的，并且考慮到熱探針的響應(yīng)時間，可能會對器件的實時溫度測定有滯后的現(xiàn)象。1.1 熱色液晶液晶是介于固體晶體和各向同性液體之間的一種各向異性的物質(zhì)存在形態(tài)。它同時具有晶體和液體的某些特性。其外形類似流體，具有流動性和粘滯性。而分子結(jié)構(gòu)又類似晶體，具有規(guī)則的分子排列，呈現(xiàn)光學(xué)各向異性

6、。液晶依據(jù)其不同的分子結(jié)構(gòu)可以分為近晶型、向列型和膽甾型，其中的膽甾型和向列型液晶具有熱敏效應(yīng)，即能夠以色彩的變化反應(yīng)溫度的變化。液晶測溫技術(shù)就是基于此原理發(fā)展起來的一種以不同顏色顯示全場溫度分布的測量技術(shù)。其測溫范圍在-20120之間，測溫帶寬在0.530。測量溫度之前，要先對液晶進行標(biāo)定（圖1）。測溫時，將液晶薄膜貼在被測物體上，或者將液晶墨水噴在器件上。用CCD攝取液晶顏色變化的圖片，然后進行數(shù)據(jù)處理，就可以得到被測物的溫度場。它的解析度可以達到1m17，精確度可以達到0.118。此外，在此基礎(chǔ)上，還發(fā)展出來一種測量流體溫度場的技術(shù)19。它使用錄像PIV技術(shù)，記錄下來流場中分布的熱色液晶

7、顆粒的顏色來得到整個流體的溫度場分布。熱色液晶測溫的一個缺點是液晶涂層可能會對被測器件的溫度產(chǎn)生影響。圖1 熱色液晶標(biāo)定實驗裝置示意圖1.2 掃描熱顯微鏡掃描熱顯微鏡（圖2）是在掃描探針顯微鏡的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它將原子力掃描顯微鏡的探針改造為溫度敏感元件，通過傳感器與樣品之間的熱交換來測量表面的溫度和熱物性分布。圖2 掃描熱顯微鏡裝置示意圖熱探針（圖3）是掃描熱顯微鏡的關(guān)鍵器件，有兩種主要類型：熱敏電阻型和熱電偶型。它們都是使用原子力顯微鏡的探針針尖利用微細加工技術(shù)來制作的。這種方法優(yōu)點是測溫范圍比較寬且空間分辨率高2023。但其缺點就是對傳感器的校準(zhǔn)較困難，并且整套設(shè)備比較復(fù)雜昂貴。圖3

8、（a）掃描熱探針示意圖及（b）SEM照片1.3 熱電偶熱電偶是平時最常用的溫度檢測元件之一，熱電偶工作原理是基于賽貝克(seeback)效應(yīng)，即將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B焊接起來，構(gòu)成一個閉合回路。當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個著點1和2之間存在溫差時，兩者之間便產(chǎn)生電動勢，在回路中形成一個電流，這種現(xiàn)象也稱為熱電效應(yīng)?，F(xiàn)在商用的熱電偶的最小直徑在25-50m，測溫精度在0.01。熱電偶測溫的缺點在于單個傳感器只能獲得單點的溫度。不利于對器件整體溫度分布進行分析。除上述三種方法外，接觸式測溫還有熱敏電阻、半導(dǎo)體二極管等方法。在此，不一一贅述。2 非接觸式測量技術(shù)非接觸式測量方法大多數(shù)基于光學(xué)的原理

9、。例如，物體自發(fā)輻射的強度及光譜都與溫度有關(guān)；物體對于入射的輻射的吸收、反射和受激輻射,也全部與溫度有關(guān)。通過探測這些差異量，就可以得到被測物體的溫度?；谶@些原理發(fā)展起來的測溫方法有熒光粒子法、熱反射法、拉曼散射、紅外及光學(xué)干涉量度法等。2.1 納米熒光顆粒納米熒光顆粒測溫法分為熒光壽命及熒光強度比測溫兩種方式。熒光顆粒的熒光強度和衰減時間常數(shù)是溫度的一個函數(shù)。在此基礎(chǔ)上發(fā)展的納米熒光顆粒測溫法已用于MEMES器件24溫度的測量及單個細胞（圖4）25溫度的測量。常用的熒光粒子有半導(dǎo)體量子點、無機熒光體、有機染料或其他納米粒子26-28。圖4 單個宮頸癌細胞的光學(xué)圖像（含熒光粒子）2.2 熱反

10、射法瞬態(tài)熱反射法就是將超短脈沖激光分成兩束脈沖激光，其中一束激光作為抽運光對樣品進行加熱，使之產(chǎn)生瞬態(tài)的熱響應(yīng)，這相當(dāng)于給樣品一個激勵；另外一束激光則作為探測光，探測樣品表面被激勵后的響應(yīng)。通過一個可控制的位移平臺實現(xiàn)探測光相對于抽運光的時間延遲，從而測得樣品表面溫度隨時間的變化曲線，其測量原理圖如圖5所示。該方法主要用來研究瞬時非平衡熱過程。圖5 熱反射測溫法2.3 紅外一切溫度高于絕對零度的物體都在不停地向周圍空間發(fā)出紅外輻射能量。物體的紅外輻射能量的大小及其按波長的分布與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系。因此，通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準(zhǔn)確地測定它的表面溫度，這就是紅外輻射測

11、溫所依據(jù)的客觀基礎(chǔ)。圖6 商業(yè)化的紅外熱顯微成像儀紅外輻射可能是使用的最廣泛的一種技術(shù)。也是目前唯一商業(yè)化了的微納尺度的測溫儀器（圖6、7）。圖7 MEMES器件的紅外熱成像2.4 拉曼散射圖8 用拉曼散射法測石墨烯薄膜熱特性當(dāng)光子與晶體發(fā)生非彈性碰撞時會發(fā)生拉曼散射（圖8）29,30，伴隨者一個或者多個光子的產(chǎn)生與湮滅。散射光子的波長與入射光子的波長不同，其差異與物體的溫度有關(guān)。Si-MOSFETs31,32、GaAs和其他復(fù)合半導(dǎo)體器件32,33已經(jīng)見于文獻報道，空間分辨率可達0.5m33。3 結(jié)語本文對現(xiàn)有的一些微納米尺度測溫方法做了介紹。各種方法的比較可見表1。在實際應(yīng)用中我們應(yīng)當(dāng)權(quán)衡

12、各方面條件來選擇合適的測量方法。如現(xiàn)有設(shè)備、溫度精度、是單點還是需要獲得溫度分布圖、空間分辨率等。表1 微納尺度高分辨率溫度測量技術(shù)總結(jié)測量方法原理分辨率是否可得溫度分布圖空間/m溫度/K時間/s接觸式測量熱色液晶液晶的熱敏效應(yīng)2-50.1100是掃描熱顯微鏡原子力掃描顯微鏡與熱探針聯(lián)用0.050.110-100掃描熱電偶賽貝克效應(yīng)500.0110-100否半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體器件的自身特性100.0010.01否熱敏電阻半導(dǎo)體的熱敏效應(yīng)200.0010.005否非接觸式測量紅外普朗克黑體模型3-100.02-120是納米熒光粒子熒光衰減0.30.01200掃描熱反射法光反射與溫度相關(guān)0.3-0

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