一种基于MEMS热桥器件的热三级管

一种基于mems热桥器件的热三级管
技术领域
1.本发明涉及到一种热学逻辑器件，特别是基于mems热桥器件的热三级管。


背景技术：

2.在电子电路学中对电流的基本控制之一是对电流方向的控制，即不对称的单向导电性。在此基础上构建出的电二极管等一系列电流控制发明极大推动了电子科技技术的进步。由此人们希望能像电流一样对热流操纵以达到利用声子处理信息的目的。与电二极管，电三极管相类比的及热二极管，热三极管。，但热二极管难度大得多，因为声子不是一种真实粒子，而是一种量子化的准粒子，外加电场和磁场都不会影响声子运输。1930年，starr等人首次在铜-氧化铜界面发现不对称热传导现象，这种宏观尺度的不对称热传导通常由界面接触情况改变造成。随着集成电路的发展，器件尺寸越来越小，在微纳米尺度实现热学逻辑器件对芯片散热有利影响。21世纪初，terraneeo等人基于共振理论和非线性系统中能谱随温度变化的特性，在晶格模型上实现了热整流。此后许多学者从晶格角度对实现热整流和热三级管的必要条件和影响因素进行探究。实验上，有寥寥在低维材料上实现了热整理。如zhang等人应用质量分布非对称的纳米管实现了微观尺度固体热整流等。
3.2006年，李保文课题组从晶格模型角度提出了热三级管理论模型，可以线场效应管一样实现热流的开关和放大，同时提出了构建热三级管重要因素是负微分热阻(ndtr)。由此众多学者对负微分热阻进行了理论研究。2020年yang等人提出了在宏观尺度构建负微分热阻的原理并对其进行了仿真。本专利基于先前研究提出了一种基于mems热桥器件的热三级管实现方法，从而为热三级管的实际应用做出一部分贡献。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明的目的在于基于理论研究提出了一种基于mems热桥器件的热三级管。填补了目前国内外热三级管只在晶格模型上构建而没有实际应用的空缺。本实施例的测试结构包括其结构包括硅基底和氮化硅支撑膜，硅基底中部为中空结构，上面有源极悬空平台、漏极悬空平台、栅极悬空平台和热电偶悬空平台。源极、漏极、栅极悬空平台上面是源极热电阻温度传感器、漏极热电阻温度传感器、栅极热电阻温度传感器，用于加热和测温。热电偶悬空平台上面是一对热电偶温度传感器，用于测温，热界面材料和部分源极材料、漏极材料、栅极材料也与热电偶悬空平台上表面相接触。三极管材料由源极材料、漏极材料、栅极材料和热界面材料组成，整体呈t型摆放，其中源极材料左端与源极衬底上表面相接触，漏极材料右端与漏极衬底上表面相接触，栅极材料下端与栅极衬底上表面相接触。热界面材料分别连接源极材料右端、漏极材料左端、栅极材料上端。热电偶温度传感器热端与热界面材料相近，用于测量此区域的温度。
5.测试时，源极、漏极和栅极热电阻温度传感器分别施加一定直流电流用于加热和测温，使得源极温度ts《栅极温度tg《漏极温度td，在此温度范围内改变栅极温度，同时通过热电偶温度传感器测量热界面材料温度tc＝td＝ti，可获得源极、栅极、漏极热流曲线，从而
获取热三级管开关温度点。
6.有益效果
7.首次实现了热三级管的器件模型，能与电学三极管器件一样实现对热流的调控，包括放大热流和控制热流开关。所用源极材料、漏极材料和栅极材料和热界面材料简单易得，选择广泛。基于mems热桥器件能更方便进行低维热学测量，也可置于真空腔进行原位测量，且制造工艺相对简单，实现难度低。相比先前研究基于原子链、纳米结构或小量子系统构建ndtr，利用界面热效应实现了负微分热阻现象，可以更好应用在经典体系中。采用热电阻和热电偶进行测温，其所产生的信号便于测量，测量精准度高。本专利能为热学逻辑器件的在实际应用上提供参考价值。有望应用在以声学逻辑器件构建的声子计算机中。
附图说明
8.图1是基于mems热桥器件的热三极管模型的结构示意图；
9.图2是基于mems热桥器件的热三极管模型的结构剖面示意图
10.图3是基于mems热桥器件的热三级管原理图；
11.图4是基于mems热桥器件的热三极管模型的热流变化图；
12.图5是基于mems热桥器件的热三级管中漏极材料构建ndtr的温度仿真图；
13.图6是基于mems热桥器件的热三级管中漏极材料构建ndtr的应力仿真图；
14.图7是基于mems热桥器件的热三级管的漏极材料同质结/异质结两端界面温度变化曲线图；
15.图8是基于mems热桥器件的热三级管的漏极材料同质结/异质结两端界面压强变化曲线图；
16.图9是是基于mems热桥器件的热三级管的漏极热流变化曲线图；
具体实施方式
17.如图1结构示意图所示，图2为图1虚线处结构截面图。本实施例的测试结构包括其结构包括硅基底15和氮化硅支撑膜8，硅基底中部为中空结构，上面有源极悬空平台16、漏极悬空平台17、栅极悬空平台18和热电偶悬空平台3。源极、漏极、栅极悬空平台上面是源极热电阻温度传感器4、漏极热电阻温度传感器10、栅极热电阻温度传感器14，用于加热和测温。热电偶悬空平台上面是一对热电偶温度传感器(2、3)，用于测温。三极管材料由源极材料5、漏极材料(11、12、13)、栅极材料6和热界面材料9组成，整体呈t型摆放。热界面材料和部分源极材料、漏极材料、栅极材料也与热电偶悬空平台上表面相接触。漏极材料由左漏极材料13、右漏极材料11以及中间的形成的界面12组成。源极材料左端与源极衬底上表面相接触，漏极材料右端与漏极衬底上表面相接触，栅极材料下端与栅极衬底上表面相接触。热界面材料分别连接源极材料右端、漏极材料左端、栅极材料上端。热电偶温度传感器热端与热界面材料相近，用于测量此区域的温度。
18.测试时，源极、漏极和栅极热电阻温度传感器分别施加一定直流电流用于加热和测温，使得源极温度ts《栅极温度tg《漏极温度td，在此温度范围内改变栅极温度，同时通过热电偶温度传感器测量热界面材料温度tc＝td＝ti，可获得源极、栅极、漏极热流曲线，从而获取热三级管开关温度点。
19.本实施例，所述基于mems热桥器件的热三级管整体处于真空环境中，可以忽略真空的热传导，仅有悬臂向环境传导热量，从而可以维持冷热结的同时，有效提高了传感器的灵敏度。所用氮化硅支撑导热系数小，可视为热绝缘材料。
20.本实施例的实施方法具体如下：
21.图3为基于mems热桥器件的热三级管的原理图。ab段表示源极材料(a-c段)与热源的接触段，其平均温度为ts。gh段表示漏极材料(d-h段)与热源的接触段，其平均温度为td。jk段表示栅极材料(i-k段)与热源的接触段，其平均温度为tg。cd段与ci段分别表示源极材料与漏极材料和栅极材料之间的热界面材料(thermal interface materials,ti-ms)，具有高热导系数、低体积热阻的特点。从而可以认为c、d、i点温度一致(tc＝td＝ti)。源极与栅极材料均为单一匀质材料，漏极材料由两段材料(d-e段和g-h段)组成，ef段仅用来描述两段材料所形成的同质结/异质结界面，实际长度几乎不计，具有温度依赖性。
22.固定源极的温度ts＝t-为低温，漏极的温度td＝t
+
为高温，ts《tc＝td＝ti《td，由此温差产生的由漏极流向c、d、i点的源极热流js和由c、d、i点流向漏极热流jd。其源极热阻和漏极热阻(等效热阻)变化分别为：
[0023][0024][0025]
在通常情况下，温差越大，热流越大，因此rs》0,rd》0。当通过控制栅极的温度tg可以控制栅极热流jg进而控制ti、tc、td，当c、d、i点温度发生变化时，js和jd的变化为：
[0026][0027][0028]
由能量守恒得：
[0029]
djg＝dj
s-djd[0030]
由电三极管工作原理可得，当栅极电流非常小时，通过控制栅极电压就可以控制从漏极到源极的电流。为了达到类似的效果，只有当漏极热流jd与源极热流js相等时，此时栅极热流jg近似于零,类似于电三极管的放大区。热三级管放大倍数可定义为：
[0031][0032]
为使热三极管具有放大效应，即α》1，因此rs和rd必须有一个小于零，也就是必须有一个是负微分热阻，即热导体两边的温差越大。通过体系的热流越小。
[0033]
源极和漏极的热流由傅里叶定律可得：
[0034]
[0035][0036]
l
bc
，l
de
，l
fg
分别为bc段、de段、fg段的长度。tc，ts，te，td，tg，tf分别为c、s、e、d、g、f点的温度，κs(t)，κ
dl
(t)，κ
dr
(t)分别为源极材料(b-c段)、漏极左半段材料(d-e段)、漏极右半段材料(f-g段)热导率与温度有关的函数，ri(te,tf)为ef段的界面热阻，与e和f点的温度有关。
[0037]
当tc温度由低温到高温时，bc之间的温差增大，从而使js增大。dg段利用界面热阻的温度依赖性构建了负微分热阻，当dg之间的温差减小时，由于两段材料的平均温度增大，ef两端界面平均温度增大，且两段材料均为热膨胀材料，因此ef两端界面由于膨胀应力导致压强增大，由于界面非本征热阻(extrinsic itr)是由于材料在界面不完全接触引起的，随压强增大而递减，而本征热阻(kapitza itr)是由构成载流子散射界面的不同材料振动特性推导出的，随温度的升高而降低，因此总界面热阻ri(te,tf)降低。而漏极两段材料长度l
de
，l
fg
几乎不变，因此热流增大。当由界面压强变化导致的热流增大的促进作用大于由温差减小导致的热流减小的阻碍作用时，就产生了负微分热阻现象，从而使三极管具有放大和开关作用。
[0038]
图4所示为基于mems热桥器件的热三极管模型的热流变化图。当tg由ts低温逐渐增大到td高温时，引起热流jd和js的变化，当调节到t
on
和tg两个温度时，js＝jd,jg＝0，即栅极不取热流，此时漏极热流和源极热流js＝jd在此两点相差较大，可以作为一个良好的热开关，即通过栅极温度tg实现热三极管的导通或关断功能。此外，通过调节栅极热流jg，其微小的变化可实现js和jd大的变化，即实现了热三级管具有放大热流的功能。
[0039]
图5和图6分别为基于mems热桥器件的热三极管模型中漏极材料构建ndtr的温度仿真图和应力仿真图。五段材料左端温度固定为100k，五段材料右边由上到下温度依次为100k、105k、110k、115k、120k。每一段材料由左漏极材料、右漏极材料和中间的界面组成，均采用材料库中的硅材料，中间端仅用来模拟界面热阻，其热导率随应力增大减小。由温度和应力仿真可以看出，随着两端温差增大，左漏极材料和右漏极材料的温差也逐渐增大，界面收缩效应越明显，界面的应力越大。这表明由于界面平均温度升高导致收缩应力增大从而使界面热阻增大。
[0040]
图7和图8分别为基于mems热桥器件的热三级管的漏极材料同质结/异质结两端界面温度和应力变化曲线图；从图中可看出随着漏极材料右端温度的升高。由于热膨胀作用，界面左右端的应力随之增大。界面右端温度升高，而界面左端温度先升高后下降。这表明由于界面平均温度升高导致界面应力增大而带来的热阻升高对热流的阻碍作用超过了由于温差增大对热流的促进作用。从而出现了负微分热阻现象。
[0041]
图9是是基于mems热桥器件的热三级管的漏极热流变化曲线图；从图中可看出，在曲线后半段，温差增大热流随之减小，即出现负微分热阻现象。可用于构建出图3所示的漏
极热流，从而构建出具有热流放大而开关作用的热三级管。

技术特征：
1.一种基于mems热桥器件的热三级管，其结构特征在于，其结构包括硅基底和氮化硅支撑膜，硅基底中部为中空结构，上面有源极悬空平台、漏极悬空平台、栅极悬空平台和热电偶悬空平台。源极、漏极、栅极悬空平台上面是源极热电阻温度传感器、漏极热电阻温度传感器、栅极热电阻温度传感器，用于加热和测温。热电偶悬空平台上面是一对热电偶温度传感器，用于测温，热界面材料和部分源极材料、漏极材料、栅极材料也与热电偶悬空平台上表面相接触。三极管材料由源极材料、漏极材料、栅极材料和热界面材料组成，整体呈t型摆放，其中源极材料左端与源极衬底上表面相接触，漏极材料右端与漏极衬底上表面相接触，栅极材料下端与栅极衬底上表面相接触。热界面材料分别连接源极材料右端、漏极材料左端、栅极材料上端。热电偶温度传感器热端与热界面材料相近，用于此区域的温度。2.根据权利要求1所述的一种基于mems热桥器件的热三级管，其特征在于：所述的源极悬空平台、漏极悬空平台、栅极悬空平台和热电偶悬空平台，均由氮化硅制成，具有热导率低、电绝缘的特点，用作多晶硅层的支撑衬底。热电阻温度传感器，由铂电阻制成，连接到铂金属焊盘用于加电流和测量电信号。热电偶温度传感器由p型多晶硅和n型多晶硅制成，利用塞贝克效应测量温度，精准度高且与cmos工艺兼容。3.根据权利要求1所述的一种基于mems热桥器件的热三级管，其特征在于：热界面材料由高热导率的聚合物基材料组成，具有轻质、电绝缘和高机械强度等特点，能使源极、漏极、栅极三端温度一致。4.根据权利要求1所述的一种基于mems热桥器件的热三级管，其特征在于：漏极材料由左漏极材料和右漏极材料以及构成的界面同质结/异质结(如硅-硅同质结)组成。两段材料热膨胀系数较高，当漏极材料整体平均温度发生变化时会产生收缩/膨胀效应，引起界面同质结/异质结热阻发生变化，从而影响漏极材料热流大小。5.根据权利要求1所述的一种基于mems热桥器件的热三级管，其特征在于：源极材料为二氧化硅，热膨胀系数低，热导率随温度变化小，其热流大小随两端温差增大而线性增大。其次硅材料热膨胀系数低，其长度与界面压力几乎不随平均温度变化而变化。6.根据权利要求1所述的一种基于mems热桥器件的热三级管，其特征在于：栅极材料为陶瓷基材料，具有低热导率，高热阻的特点，当两端温度变化时所引起的热流变化很小。7.根据权利要求1所述的一种基于mems热桥器件的热三级管，其特征在于：测试时，源极、漏极和栅极热电阻温度传感器分别施加一定直流电流用于加热和测温，使得源极温度t
s
<栅极温度t
g
<漏极温度t
d
，在此温度范围内改变栅极温度，同时通过热电偶温度传感器测量热界面材料温度t
c
＝t
d
＝t
i
，可获得源极、栅极、漏极热流曲线，从而获取热三级管开关温度点。8.根据权利要求1所述的一种基于mems热桥器件的热三级管，其特征在于：首次实现了热三级管的器件模型，所用源极材料、漏极材料和栅极材料和热界面材料简单易得，选择广泛。基于mems热桥器件能更方便进行低维热学测量，也可置于真空腔进行原位测量，且制造工艺相对简单，实现难度低。9.根据权利要求1所述的一种基于mems热桥器件的热三级管，其特征在于，能与电学三极管器件一样实现对热流的调控，包括放大热流和控制热流开关。有望应用在以声学逻辑器件构建的声子计算机中。10.根据权利要求9所述的一种透射电镜原位参数测试的稳、瞬态热导率测试环形悬空
mems热桥器件，用于低维材料的原位透射热学测试方法，其特征在于，测试时，源极、漏极和栅极热电阻温度传感器分别施加一定直流电流用于加热和测温，使得源极温度t
s
<栅极温度t
g
<漏极温度t
d
，在此温度范围内改变栅极温度，同时通过热电偶温度传感器测量热界面材料温度t
c
＝t
d
＝t
i
，可获得源极、栅极、漏极热流曲线，从而获取热三级管开关温度点。

技术总结
本发明公开了一种基于MEMS热桥器件的热三级管，其结构包括硅基底和氮化硅支撑膜，硅基底中部为中空结构，上面有源极悬空平台、漏极悬空平台、栅极悬空平台和热电偶悬空平台。源极、漏极、栅极悬空平台上面是源极热电阻温度传感器、漏极热电阻温度传感器、栅极热电阻温度传感器，用于加热和测温。热电偶悬空平台上面是一对热电偶温度传感器，用于测温，热界面材料和部分源极材料、漏极材料、栅极材料也与热电偶悬空平台上表面相接触。三极管材料由源极材料、漏极材料、栅极材料和热界面材料组成，整体呈T型摆放，其中源极材料左端与源极衬底上表面相接触，漏极材料右端与漏极衬底上表面相接触，栅极材料下端与栅极衬底上表面相接触。触。触。


技术研发人员：尹奎波 何诗琪 聂萌
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2023.04.23
技术公布日：2023/9/7