热电式MEMS微波功率传感器的热学特性研究

热电转换效率直接影响热电式MEMS微波功率传感器的性能。着重对衬底掏空结构的热电式微波功率传感器进行了研究。将热电式微波功率传感器分成三个区域,建立了傅里叶模型,研究背面刻蚀的长度与厚度对热电堆热端温度的影响,发现热电堆两端温差与背面刻蚀的长度、厚度成正比。利用有限元仿真软件ANSYS,对不同刻蚀长度、厚度的传感器进行热学仿真。结果表明,背面刻蚀尺寸越大,热电堆两端的温差越大,传感器的灵敏度得到提高。仿真结果与模型结果具有较高的一致性,验证了模型的准确性。     

基于介质嵌层的热电式微波功率传感器特性研究

为改善热电式MEMS微波功率传感器的电-热-电转换效率,提出了一种新型介质嵌层结构。选用Si₃N₄、新型材料石墨烯分别作为介质嵌层。建立介质嵌层结构的热学模型,采用Ansys软件对热学特性进行了仿真。结果表明,当石墨烯作为介质嵌层时,热电偶热端的温度提高了12 K,有效改善了传热效率,提高了热电堆温差。建立介质嵌层结构的电磁模型,采用Hfss软件对微波性能进行了仿真。结果表明,在8~12 GHz范围内,S参数约为-18 dB,传感器仍具有良好的匹配特性。该介质嵌层结构对热电式MEMS微波功率传感器研究有参考价值。     

热电冷却器的有限元热分析

针对热电冷却器在电子设备散热中的应用,参照冷却器的材料属性和工艺结构,在有限元软件中构建其3D模型,并根据冷却器实际工作环境加载参数,得到热电冷却器的稳态电压云分布和温度场分布图;根据仿真的热特性结果,分析热电冷却器在电子散热应用中的工作情况,并为电子设备散热中热电冷却器的结构设计和改进提供理论参考,不仅可以降低设计的成本,还能大大减少研究的时间周期.     

间接加热终端式MEMS微波功率传感器的温度模拟

在提出间接加热终端式MEMS微波功率传感器结构和工艺的基础上,用Coventorware软件和ANSYS软件对其温度分布进行了模拟,根据热电堆的放置位置不同,分别对热电堆处于终端电阻的下方(结构A)、上方(结构B)和外侧(结构C)三种结构进行了模拟和比较,最后采用了热电堆处于终端电阻下方的结构,热电堆的热端可以测得的温度范围为417.7～419.2K。     

热电式MEMS微波功率传感器的优化设计

为了提高热电式微波功率传感器的传热效率,改善传感器的性能,对热电式微波功率传感器的衬底结构进行了优化设计,得到了最优的衬底结构尺寸。首先研究衬底厚度对热电式微波功率传感器的影响,然后根据得到的最优衬底厚度,研究基底膜位置及尺寸对热电式微波功率传感器性能的影响,最后对所得最优衬底结构传感器的微波特性以及电磁场分布进行研究。结果表明,当传感器衬底的结构尺寸最优时,传感器的最高温度达到352.76 K,S参数小于-20.62 dB。该结构不仅减少了热量在衬底的堆积,提高了负载电阻到热电堆的热传输效率,而且具有良好的微波特性。     

波导耦合孔慢波线的仿真优化设计方法

以S波段N个输出的波导耦合孔慢波线设计为实例,借助于高速仿真软件Mician μWave Wizard进行仿真调试及优化,确定该慢波线的关键尺寸。     

基于有限元法的12μm微测辐射热计单元设计

基于多物理场有限元分析与理论计算相结合的方法,采用Intellisuite软件完成了12μm×12μm微测辐射热计结构的设计与仿真,具体工作包括:单元结构二维版图及工艺流程设计和单元结构三维精确建模,结合实际MEMS结构的材料参数,进行了电学与热电耦合多物理场有限元仿真模拟分析。通过仿真优化获得探测单元的主要热电参数、响应时间和响应率,分别为:热导4.31×10-8 W/K、热容2.69×10-10 J/K、电压响应率(未经后端读出电路放大)7 200V/W、热响应时间6.24ms。采用所提出的微桥设计仿真方法,可显著提高器件设计效率和设计精度,缩短研发周期,可满足超大规模小像元非致冷红外焦平面探测器的设计要求。     

一种椭圆函数微带低通滤波器的设计与实现

为克服传统微带低通滤波器结构尺寸大和过渡带衰减慢的缺点,基于椭圆函数低通滤波器原型,设计了一款结构紧凑、插损小、过渡带陡峭的高低阻抗线微带低通滤波器。给出了该滤波器结构尺寸的计算公式,并通过仿真软件ADS和HFSS对其进行了仿真优化,采用微波材料板制作出滤波器实物并进行了测试验证,实测结果与仿真结果具有较好的一致性,且验证了该设计方案的可行性。     

滤波筒式圆波导旋转关节的设计

对滤波筒式圆波导旋转关节进行了理论分析,并结合设计经验给出了各项结构尺寸的计算公式,然后,借助微波电磁场仿真软件HFSS对这些结构尺寸的数值做出修正,最后,通过一个C波段旋转关节的设计实例,验证了本文所述的仿真设计方法的有效性。     

毫米波段LTCC滤波器的小型化设计

提出一种新型宽边耦合结构的LTCC带通滤波器,在Z-维度上大大减小了电路尺寸。对该结构进行了奇偶模分析,论证了能够缩小体积的原因,并用HFSS软件进行了仿真验证。最后设计一款中心频率33GHz的毫米波滤波器,并用Ansoft’sHFSS软件来设计、调试和优化该滤波器,带外衰减达到70dB,Z方向的高度减少20%以上。仿真结果表明,该滤波器具有较强的设计灵活性、陡峭的衰减以及更小的尺寸。     

大功率CO2激光器输出窗口热性能分析

为了研究大功率CO2激光发射过程中输出窗口吸收激光能量产生热性能变化的问题,建立了输出窗口传热学和结构力学耦合非稳态模型,通过对模型进行有限元分析得到表征输出窗口变化的温度、热变形和热应力等参数分布。首先,针对大功率CO2激光特点,讨论了输出窗口材料GaAs和ZnSe的物理特性。然后,基于10 kW级大功率CO2激光器光学谐振腔结构和输出窗口材料物理特性,建立了输出窗口传热学和结构力学的有限元模型。最后,利用COMSOL软件对该模型进行求解,得到以GaAs和ZnSe为材料的输出窗口的温度、热变形和热应力等参数分布,并对比分析不同窗口材料对参数的影响。研究表明:在10 kW级激光作用下,ZnSe窗口温升小于GaAs窗口;两种输出窗口产生m量级热变形;由于GaAs材料的热导率高,GaAs窗口的热变形和热应力分布更为均匀。     

n波导层铟组分对GaN基绿光激光二极管光电性能的影响

高功率GaN基激光二极管外延结构理论仿真对提高GaN基激光二极管的光电性能具有重要的指导意义。设计了一种n侧双波导结构的绿光激光二极管外延结构，讨论了激光器外延结构中n-In_xGa_1?xN波导层中铟组分对其光电性能的影响，揭示了n-In_xGa_1?xN波导层对激光二极管光电性能的影响机制。通过调控n-In_xGa_1?xN波导层中铟组分，调控外延层中的光场分布，使光场发生了偏移。结果表明，当n侧In_xGa_1?xN波导层中铟组分最佳值为0.07时，将光子损耗降低了0.2 cm?1，阈值电流由193.49 mA降低到115.98 mA，此外，器件的光子损耗最少，阈值电流最小，工作电压最低，从而提高了激光二极管的输出功率和电光转换效率。因此，当绿光激光二极管的注入电流密度为6 kA/cm2时，功率输出达234.95 mW。n侧双波导结构设计为制备高功率绿光激光二极管提供了理论指导和数据支撑。     

DPL中热透镜的不对称性对输出光斑的影响

通过建立一个热传导理论模型,分析了激光二极管抽运固体激光器中,激光晶体热效应的不对称性。数值计算结果表明,在激光晶体散热比较好和散热不均匀两种情况下,输出光斑的形状有明显不同。因此得出,热透镜的这种不对称性是造成激光光斑畸变的重要因素。通过一组实验验证了此计算结果的正确性。     

金刚石复合热沉面发射激光器面阵热特性研究

通过设计基于金刚石微槽结构的复合热沉,利用不同材料的热导率差异改变热流传导方向,以优化垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)面阵由于温度分布不均匀导致的中心热量堆积的问题,从而改善激光器面阵整体的输出功率,提高可靠性。基于有限元分析法建立三维热电耦合模型,研究了VCSEL面阵单元排布方式对激光器热串扰效应的影响,同时还研究分析了金刚石复合热沉中微槽形状和位置的变化对半导体激光器内部温度的影响,设计最优结构对激光器的出光性能做进一步优化。采用金刚石复合热沉后的垂直腔面发射激光器面阵,与传统金刚石热沉的封装结构相比,激光器发光单元的温度差值降低了29%,为大面积半导体激光器面阵的输出功率优化提供了新思路。     

晶体热效应对激光二极管抽运调Q固体激光器转换效率的影响

研究了在考虑晶体热效应的情况下,如何最优化设计激光二极管(LD)端面抽运的固体激光器。综合考虑抽运光束分布、抽运功率、谐振腔结构以及激光介质的热效应对激光器转换效率的影响,给出设计激光器的一套仿真计算算法。结果表明,热致衍射损耗与抽运光半径、抽运功率、腔长、振荡光半径以及晶体材料有关,与输出镜透射率以及重复频率无关。在考虑热致衍射损耗的情况下,当抽运功率一定时,最佳的抽运光参数和谐振腔参数能使Nd:YAG的转换效率最大。     

掺镱大功率光子晶体光纤激光器热效应分析

数值模拟分析了大功率光子晶体光纤(PCF)激光器的温度场和热应力场.通过引入等效热传导率对光子晶体光纤结构进行简化,建立了光子晶体光纤激光器的三维温度场模型.利用有限元方法数值模拟得到了自然对流换热时光子晶体光纤中的温度场及光纤端面的热应力场,并对强制对流换热时光子晶体光纤的冷却效果进行了数值模拟分析.结果表明,对于选取的PCF,通过采取强制对流换热措施可以承受1000 W的抽运功率而不会产生热效应损伤,如果需要通过提高抽运功率以获得更大功率的激光运转,则需要改变光纤的结构.     

薄片激光器低畸变冷却技术研究

薄片激光器的导热距离短,能显著降低热透镜效应,已经成为高功率固体激光研究的热点。然而,随着泵浦口径和泵浦功率的不断增大,热效应愈发严重,其造成的热致畸变成为限制激光器出光功率和光束质量的主要因素之一。针对大尺寸薄片激光器工作时热致畸变过大的情况,提出了基于非均匀冷却的微通道复合射流冲击的流道设计思路。基于该思路完成了中心辐射结构冷却器的设计,并借助流-固-热耦合仿真,研究了不同冷却器的流道结构参数对增益介质热致畸变的影响。实验结果表明,采用中心辐射结构的冷却器能将相同条件下的增益介质的光学畸变缩小50%。     

新型辐射桥结构VCSEL的设计、制作和热特性分析

为了改善垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)的热特性,提高器件的输出功率,设计并制作了一种新型辐射桥结构VCSEL。利用有限元热分析软件ANSYS,模拟了常规结构和辐射桥结构VCSEL内部的热场分布和热矢量分布。经模拟得到,常规结构器件的热阻为4.13K/W,辐射桥结构的热阻为2.64K/W。而经实验测得,常规结构器件的热阻为4.40K/W,辐射桥结构器件的热阻为2.93K/W,实验测试结果与模拟结果吻合较好。同时测得,常规结构器件的最大输出功率为305mW,辐射桥结构器件的最大输出功率为430mW,后者的输出功率提高了40%。     

高功率轴快流CO2激光器激励源热沉结构优化设计

为了提高激励源的热稳定性,保证4kW轴快流CO₂激光器的光束质量,采用计算流体动力学的方法,理论分析了激光器激励源热沉的散热机理,对热流密度为106W/m2、面积为16cm2的激励源热沉结构进行了优化设计。结果表明,经过优化之后的热沉其表面的最高温度低于340K,完全能够满足激光器正常工作时激励源核心功率MOSFET对散热指标的要求;同时经过数值模拟得到了带凹槽微通道热沉的优化结构尺寸,分别是微通道凹槽间距P=0.6mm,微通道凹槽倾角θ=45°,微通道凹槽交错距离s=0.1mm,同时当雷诺数Re=546.9时,热沉有最优的散热效果,激光输出功率的稳定度可以控制在±2%以内。此研究为设计具有高效散热能力的微通道热沉提供了理论指导。