多孔硅的I-V特性及NO2气敏特性研究

采用双槽电化学腐蚀法在p+单晶硅表面制备多孔硅层,然后在多孔硅表面沉积形成Pt薄膜电极,制备出多孔硅气敏元件样品.利用SEM技术分析多孔硅的表面形貌,研究了腐蚀条件对多孔硅的孔隙率、横向I-V特性及低浓度NO2气敏特性的影响.结果表明,多孔硅的横向I-V特性表现出非整流的欧姆接触;多孔硅的孔隙率及其对低浓度NO2的灵敏度均随腐蚀电流密度的增大而增加.当腐蚀电流密度为90 mA/cm2,腐蚀时间为30 min时,所得多孔硅气敏元件对体积分数为200×10-9的NO2的灵敏度可达到5.25,响应时间与恢复时间约分别为14 min与10 min.     

多孔硅残余应力的研究

利用电化学腐蚀的方法在p型单晶硅(100)衬底上制备了多孔硅薄膜。利用微拉曼光谱法分别测量了处于湿化—干燥—再湿化3个阶段的多孔硅薄膜的拉曼频移,对多孔硅内应变引起的频移改变量和纳米硅晶粒因声子限制效应引起的频移改变量进行分离,找到多孔硅薄膜残余应力与拉曼频移之间的关系式。利用这一关系式,对不同孔隙率的多孔硅薄膜的残余应力进行了计算,获得了和声子模型拟合方法相一致的结果。研究中发现,多孔硅表面残余应力随孔隙率的增加而线性增大,其原因为随着孔隙率的增加,多孔硅晶格常数增大,且干燥过程中残液的蒸发产生的毛细应力使多孔硅薄膜与基体硅间晶格错配程度增大造成的。     

粗糙表面的可控润湿性研究*

本文利用微机械加工技术,通过改变材料表面微观几何结构,研究材料表面微结构对于表观润湿性的影响规律.我们在以前工作的基础上,分别研究了不同设计尺寸的表面微柱阵列结构的亲水表面的表观接触角的变化,研究结果表明,通过改变材料表面的微结构,在亲水的本征表面上,粗糙表面的表观接触角更加符合Wenzel的理论预测.文章也通过在微柱表面利用化学腐蚀方法制作多孔硅结构的方法,形成了具有阶层结构的粗糙表面.具有多孔硅结构和微柱阵列的疏水表面(OTS)上,测得最大接触角是157.18°.     

多孔硅的Ⅰ-Ⅴ特性及NO2气敏特性研究

采用双槽电化学腐蚀法在p＋单晶硅表面制备多孔硅层,然后在多孔硅表面沉积形成Pt薄膜电极,制备出多孔硅气敏元件样品。利用SEM技术分析多孔硅的表面形貌,研究了腐蚀条件对多孔硅的孔隙率、横向Ⅰ-Ⅴ特性及低浓度NO2气敏特性的影响。结果表明,多孔硅的横向Ⅰ-Ⅴ特性表现出非整流的欧姆接触;多孔硅的孔隙率及其对低浓度NO2的灵敏度均随腐蚀电流密度的增大而增加。当腐蚀电流密度为90mA／cm^2,腐蚀时间为30min时．所得多孔硅气敏元件对体积分数为200×10^-9的NO2的灵敏度可达到5．25,响应时间与恢复时间约分别为14min与10min。     

硅微机械陀螺表头温度特性研究与测试

硅微机械陀螺目前已经能达到较高的精度,但温度的变化对它的性能有较大的影响.为了改善硅微机械陀螺的温度性能,从硅微机械陀螺的基本原理入手,通过分析及测量微机械表头的传递函数中各个参数随温度的变化规律以及它们对陀螺性能的影响,找到了影响陀螺温度性能的关键参数和改进方法,对陀螺的微结构设计和陀螺的温度补偿电路设计都有重要的指导意义.     

TMAH腐蚀液制作硅微结构的研究

通过各向异性腐蚀硅微结构工艺,研究了四甲基氢氧化铵(TMAH)腐蚀液的特性,包括硅(100)晶面腐蚀速率与TAMH溶液浓度、温度、pH值以及过硫酸铵添加剂的关系,并采用原子力显微镜研究了不同腐蚀条件下硅的表面形貌,研究表明:随TMAH溶液的浓度的降低和腐蚀温度的提高,腐蚀速率提高,硅腔的表面粗糙度增大;过硫酸铵添加剂明显改善了硅微腔的表面平整度.本研究所确定的最佳腐蚀工艺条件为:溶液中TMAH浓度为25%,过硫酸铵添加剂浓度为3%,腐蚀温度80℃.在此工艺条件下腐蚀出了深度为230 μm、表面粗糙度小于50 nm的硅微腔.     

有机溶剂在P型宏多孔硅电化学腐蚀中的应用研究

近年来,多孔硅以其良好的光学、热学、电学以及机械特性使其在微传感器技术领域得到广泛的应用,电化学腐蚀多孔硅的各种方法与原理引起越来越多的关注。研究了P型硅的电化学腐蚀过程中,在腐蚀溶液中使用有机溶剂对多孔硅的制备、速率、成孔机理等方面的影响。研究发现,在分别使用有机溶剂二甲基甲酰胺(DMF)和二甲基亚砜(DMSO)的氢氟酸(HF)腐蚀溶液中,可以制备出孔壁光滑、具有高深宽比的高质量P型宏多孔硅,并发现了一种快速腐蚀P型宏多孔硅的方法,得到高达1900μm/h的腐蚀速率,这有助于提高多孔硅在微传感器批量化生产应用中的效率。在涌流模型基础上,分析了有机溶剂的氧化性和质子(H)提供能力,以及在P型多孔硅快速腐蚀过程中的作用。     

微结构气体传感器的加热器设计与模拟

利用有限元分析工具ANSYS,对所设计的硅基微结构气体传感器的温度场进行了模拟.运用实体建模的方法建立了传感器衬底的多层结构模型,采用8节点等参数热单元solid70进行了分析.根据器件工作时需要的加热功率,设计了这种硅基气体传感器衬底微加热器的尺寸,确立了对流和环境温度等边界条件,从而达到气体传感器衬底的温度场分布均匀的要求.     

SU-8胶微结构的尺寸公差研究

对SU-8胶微结构的尺寸及其公差进行了定量研究.在考虑了SU-8的吸收系数和折射系数对紫外光刻尺寸精度影响的基础上,根据菲涅耳衍射理论建立了紫外曝光改进模型和尺寸公差模型,对SU-8微结构的尺寸及其公差进行数值模拟.以硅为基底,进行了SU-8胶紫外光刻的实验研究.实验中掩模的特征宽度分别取50 μm、100μm、200μm和400 μm,SU-8胶表面的曝光剂量分别取400mJ/cm2和800mJ/cm2,测量了SU-8胶微结构的顶部线宽、底部线宽和SU-8胶的厚度,数值模拟结果与实验结果基本吻合.可以用本文的模型来预测SU-8微结构的尺寸及其公差.     

双层非织造多孔材料吸声模型仿真

关于优化吸声降噪工程材料问题,传统硬质穿孔板吸声效果差.为了提高吸声性能,根据材料的重要结构参数变化和单层多孔材料吸声机理,研究了A、B两种材料的厚度、孔隙率和孔隙半径变化对吸声系数的影响.以建立的数学模型为基础,通过仿真研究了最大吸声系数与A、B两种材料结构参数的关系,为最优化双层非织造多孔吸声材料结构提供了实验基础.经仿真表明,双层非织造多孔纤维吸声材料模型具有良好的吸声效果,从而为产品研发提供了理论依据.     

MEMS微型热敏传感器的隔热结构及其性能分析

MEMS微型热敏传感器在流动测量领域有重要应用,而隔热结构对传感器性能有着决定性影响。综合六种常见的隔热结构,借助有限元计算研究对比了硅基底上不同隔热层材料、硅基底上有无隔热空腔结构、全聚合物柔性基底、全硅基底等对传感器灵敏度、热响应速度的影响情况,结合对热敏传感机理的分析进行了影响原因及其规律探讨。该研究可为微型热敏传感器的隔热结构设计及其性能优化提供参考依据。     

Fast response and recovery of nano-porous silicon based gas sensor

Fusion of the transduction mechanism in micro and macro nanopores of porous silicon (PS) was employed to fabricate an MEMS-based aliphatic alcohol impedance sensor. The presence of a nanopore network on silicon was confirmed by the SEM image. The morphology of the PS nanopores was roughly distributed in a uniform manner. The performance of the sensor was studied using Impedance spectroscopy at room temperature. Electrochemical impedance spectroscopy and an equivalent circuit analysis of the small amplitude (± 10 mV) AC impedance measurements (frequency range 0.1 Hz–1 kHz) at ambient temperature were carried out. The Sensing layer consists of nanopores (45.30–71.13 nm), micropores (0.95–5 µm), and comb type alumina electrodes with the micro PS layer having a thickness of about 0.2 µm and the macro PS layer having a thickness of about 4 µm. These results were used to assess the effect of the micro PS and macro PS of the particulate layer on the conductivity of the given aliphatic gases. The measured impedance was approximately 2.3e5 for the micro PS, and 3.22e5 macro PS for 8 ppm of gas injected into the gas chamber. The grain boundary resistance increases with an increase in the concentration of butane, benzene, and methane, which ranges from 2 to 16 ppm.

     

多孔硅基微型直接甲醇燃料电池用催化电极的制备

针对硅基微型直接甲醇燃料电池小型化的需要,提供一种新型多孔硅基催化电极的制备方法,即采用硅片阳极氧化的方法首先得到多孔硅作为催化电极的基底材料,然后采用化学镀铂及铂钌的方法分别在多孔硅上沉积出催化剂镀层,制备出阴极和阳极催化电极.多孔硅具有巨大的比表面积,使化学镀的催化剂层拥有不连续的三维结构,能显著的增加催化剂的活性面积,同时化学镀液中贵金属的利用率高达95%,可以有效地节约贵金属用量.研究中采用扫描电镜(SEM),X射线衍射(XRD),能量色散X射线分析(EDX)对多孔硅的形貌及催化剂层的物理性能进行了分析.     

Planar CMOS compatible process for the fabrication of buried microchannels in silicon, using porous-silicon technology

This work presents a new method for the fabrication of buried microchannels, covered with porous silicon (PS). The specific method is a two-step electrochemical process, which combines PS formation and electropolishing. In a first step a PS layer with a specific depth is created at a predefined area and in the following step a cavity underneath is formed, by electropolishing of silicon. The shape of the microchannel is semi-cylindrical due to isotropic formation. The method allows accurate control of the dimensions of both PS and the cavity. The formation conditions of the PS layer and the cavity were optimized so as to obtain smooth microchannel walls. In order to obtain stable structures the area underneath the PS masking layer was transformed into n-type by implantation, taking advantage of the selectivity of PS formation between n- and p-type silicon. With this technique, a monocrystalline support for the PS layer is formed on top of the cavity. Various microchannel diameters with different thickness of capping PS layer were obtained. The process is CMOS compatible and it uses only one lithographic step and leaves the surface of the wafer unaffected for further processing. A microfluidic thermal flow sensor was fabricated using this technology, the experimental evaluation of which is in progress.     

微加速度计启动漂移特性研究与实验

目前研制的基于体硅工艺的微加速度计存在着启动时间较长,启动漂移量较大的问题,难以满足某些需要快速启动的应用.为了减少微加速度计的启动时间,对微加速度计的启动漂移特性进行了研究.分析了启动过程中微加速度计表芯自身发热,驱动和检测电路的发热的热传导和电路参数漂移的影响,并建立了包括电路的微加速度计有限元模型进行热仿真分析,...     

Laser-induced etching parameters impact on optical properties of the silicon nanostructures

Porous silicon (PS) was fabricated by laser-induced etching (LIE) process. The objective of this study is to investigate the selected LIE parameters to control size and shape of nanostructures,which are considered important factors in semiconductor device applications. Photoluminescence output intensity becomes stronger due to the increase in the number of emitted photons on the porous surface. There is a dramatic increase in photoluminescence intensity due to the increase of porosity as a function of laser...     

肋板结构外保温设计方法

为合理设计肋板外保温结构2层保温材料的厚度,采用稳态热平衡理论计算初步确定厚度方案,采用Abaqus软件对外保温结构进行仿真分析,结果认为规则部位内保温层与外保温层之间的界面温度满足工程要求,验证理论计算的合理性.保温层圆角过渡部位内保温层与外保温层之间界面温度不满足设计要求,采用Abaqus优化模块对局部尺寸进行优化...     

一种AlN基陶瓷微热板NO2气体传感器研究

针对传统硅基微热板半导体气体传感器存在的热稳定性差,工艺复杂等难点,采用良好热导特性的AlN陶瓷为衬底,利用柔性机械剥离工艺和半导体材料In2O3/Nb2O5/Pt厚膜工艺制备了NO2微热板气体传感器.传感器中间加热区周围采用热隔离结构设计,降低了加热区温度分布梯度,提高了温度效率.利用ANSYS有限元工具进行了热结构仿真分析和响应测试分析,验证了热隔离结构设计的合理性.气敏测试分析表明,传感器在不同加热功率条件下,对5×10-6~100×10-6的NO2气体都具有良好的气敏响应特性,经对比分析,在功率150 mW~200 mW时稳定性最佳,且响应速率小于60 s,恢复时间在100 s左右,可实现5×10-6~100×10-6浓度的NO2气体良好检测功能.     

辐照晶体安装方式对测温影响的数值仿真研究

辐照晶体温度传感器可实现对加热过程中最高温度的测量,主要基于中子辐照缺陷随高温恢复的性质,其残余缺陷浓度与经历的最高温度存在对应关系。由于辐照晶体的体积小、测试过程无需引线连接和无需电源供电的优势,其可方便大规模安装在被测物表面。以飞行器外表面热防护层温度测量为例,分别对表面粘贴及埋入式两种安装方式下的被测温度场分布情况进行了仿真分析,得到了隔热瓦及辐照晶体在全历程下温度随时间的变化情况。通过比较二者所经历的最高温可知,表面粘贴式方案比埋入式方案的测量精度更高。研究成果为后续真实飞行试验中的安装及测试提供一定的理论支持。     

A distributed Bragg reflector porous silicon layer for optical interferometric sensing of organic vapor

In this study, we successfully demonstrated the rapid, sensitive, and reversible sensing of organic vapor using a distributed Bragg reflector (DBR) porous silicon (PS) layer. We fabricated the DBR PS layer on a p⁺-type silicon substrate and investigated its reflectance spectra before, during, and after exposure to the different concentrations of various organic vapors. When the DBR PS layer sample was exposed to methanol, acetone, ethanol, and isopropanol vapors, the maximum reflectance peak promptly shifted toward longer wavelengths by about 4.5, 23.2, 26.0, and 38.2 nm, respectively. We determined that the red-shift in the reflectance spectrum could be attributed to the changes in the refractive index induced by the capillary condensation of the organic vapor within the pores of the DBR PS layer. The DBR PS layer showed excellent sensing ability under the different concentrations and types of organic vapors. In addition, a slight hysteresis of the red-shift was observed during repeated exposure to organic vapors at different concentrations. After removing the organic vapors, the reflectance spectrum promptly returned to its original state.