微纳器件的热特性表征技术

1、微纳器件的热特性测量技术摘 要：本文将现有的微纳米尺度热特性测量技术分为接触式及非接触式两类分别进行了介绍。详细陈述了每种方法的原理、优缺点，并从时间分辨率、空间分辨率、温度分辨率对几种方法做了比较。关键词：微纳米尺度；温度特性测量技术；接触式；非接触式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 引言随着半导体集成电路微细加工技术的成熟和机械超精密加工技术的开发，微米/纳米技术这一研究领域应运而生。然而，目前微米/纳米技术的发展，特别是微型传感、微机械和微机电系统技术的发展， 要求人们提供实时检测的新方法、新手段。热特性的测量作为微纳器件功能测试的一个方面，它可以为微纳器件的设计改进提供依据。由于微纳米材料的热特性与宏观尺度材料存在很大差距1，且宏观尺度下用于表征温度场分布的分析方法和测试手段在微纳米尺度下不再适用，因此微纳米尺度热特性测量已成为

4、关键技术之一。为了准确测量材料的温度、热流、热阻、热导率和热扩散率等热特性参数，已经发展了多种热特性测试方法和量热技术2-3。目前普遍采用光、电和力三种原理来实现对温度和热量的测量。常用的方法包括红外热像仪4、Raman光谱5、激光表面反射6、光热传感器7、光声法8、光电二极管9、近场光学温度测量10、扫描热显微镜11、荧光法12、热电偶13、电阻温度计13以及其他方法1416。本文将其中可用于微纳器件温度测量的技术按照工作时传感器是否与被测物体接触，分为接触式和非接触式。并详细介绍了每种方法的测量原理、优缺点。最后从温度分辨率、空间分辨率、时间分辨率上对各种方法做了一下对比。1 接触式测量技

5、术通过物理接触来测量器件的方法包括单点接触(热电偶和扫描探针)和多点接触(热色液晶)。这些都依靠于热交换。从要测温的器件到接触它的包含温度计的物体。空间分辨率由接触探针或者覆盖在器件上的材料决定。优势在于可以获得高的空间分辨率,可以达到100nm或者更小；同时也可以获得温度的二维图像。劣势在于被测温的器件必须是可以接触的，并且考虑到热探针的响应时间，可能会对器件的实时温度测定有滞后的现象。1.1 热色液晶液晶是介于固体晶体和各向同性液体之间的一种各向异性的物质存在形态。它同时具有晶体和液体的某些特性。其外形类似流体，具有流动性和粘滞性。而分子结构又类似晶体，具有规则的分子排列，呈现光学各向异性

6、。液晶依据其不同的分子结构可以分为近晶型、向列型和胆甾型，其中的胆甾型和向列型液晶具有热敏效应，即能够以色彩的变化反应温度的变化。液晶测温技术就是基于此原理发展起来的一种以不同颜色显示全场温度分布的测量技术。其测温范围在-20120之间，测温带宽在0.530。测量温度之前，要先对液晶进行标定（图1）。测温时，将液晶薄膜贴在被测物体上，或者将液晶墨水喷在器件上。用CCD摄取液晶颜色变化的图片，然后进行数据处理，就可以得到被测物的温度场。它的解析度可以达到1m17，精确度可以达到0.118。此外，在此基础上，还发展出来一种测量流体温度场的技术19。它使用录像PIV技术，记录下来流场中分布的热色液晶

7、颗粒的颜色来得到整个流体的温度场分布。热色液晶测温的一个缺点是液晶涂层可能会对被测器件的温度产生影响。图1 热色液晶标定实验装置示意图1.2 扫描热显微镜扫描热显微镜（图2）是在扫描探针显微镜的基础上发展起来的。它将原子力扫描显微镜的探针改造为温度敏感元件，通过传感器与样品之间的热交换来测量表面的温度和热物性分布。图2 扫描热显微镜装置示意图热探针（图3）是扫描热显微镜的关键器件，有两种主要类型：热敏电阻型和热电偶型。它们都是使用原子力显微镜的探针针尖利用微细加工技术来制作的。这种方法优点是测温范围比较宽且空间分辨率高2023。但其缺点就是对传感器的校准较困难，并且整套设备比较复杂昂贵。图3

8、（a）扫描热探针示意图及（b）SEM照片1.3 热电偶热电偶是平时最常用的温度检测元件之一，热电偶工作原理是基于赛贝克(seeback)效应，即将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路。当导体A和B的两个着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势，在回路中形成一个电流，这种现象也称为热电效应。现在商用的热电偶的最小直径在25-50m，测温精度在0.01。热电偶测温的缺点在于单个传感器只能获得单点的温度。不利于对器件整体温度分布进行分析。除上述三种方法外，接触式测温还有热敏电阻、半导体二极管等方法。在此，不一一赘述。2 非接触式测量技术非接触式测量方法大多数基于光学的原理

9、。例如，物体自发辐射的强度及光谱都与温度有关；物体对于入射的辐射的吸收、反射和受激辐射,也全部与温度有关。通过探测这些差异量，就可以得到被测物体的温度。基于这些原理发展起来的测温方法有荧光粒子法、热反射法、拉曼散射、红外及光学干涉量度法等。2.1 纳米荧光颗粒纳米荧光颗粒测温法分为荧光寿命及荧光强度比测温两种方式。荧光颗粒的荧光强度和衰减时间常数是温度的一个函数。在此基础上发展的纳米荧光颗粒测温法已用于MEMES器件24温度的测量及单个细胞（图4）25温度的测量。常用的荧光粒子有半导体量子点、无机荧光体、有机染料或其他纳米粒子26-28。图4 单个宫颈癌细胞的光学图像（含荧光粒子）2.2 热反

10、射法瞬态热反射法就是将超短脉冲激光分成两束脉冲激光，其中一束激光作为抽运光对样品进行加热，使之产生瞬态的热响应，这相当于给样品一个激励；另外一束激光则作为探测光，探测样品表面被激励后的响应。通过一个可控制的位移平台实现探测光相对于抽运光的时间延迟，从而测得样品表面温度随时间的变化曲线，其测量原理图如图5所示。该方法主要用来研究瞬时非平衡热过程。图5 热反射测温法2.3 红外一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关系。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测

11、温所依据的客观基础。图6 商业化的红外热显微成像仪红外辐射可能是使用的最广泛的一种技术。也是目前唯一商业化了的微纳尺度的测温仪器（图6、7）。图7 MEMES器件的红外热成像2.4 拉曼散射图8 用拉曼散射法测石墨烯薄膜热特性当光子与晶体发生非弹性碰撞时会发生拉曼散射（图8）29,30，伴随者一个或者多个光子的产生与湮灭。散射光子的波长与入射光子的波长不同，其差异与物体的温度有关。Si-MOSFETs31,32、GaAs和其他复合半导体器件32,33已经见于文献报道，空间分辨率可达0.5m33。3 结语本文对现有的一些微纳米尺度测温方法做了介绍。各种方法的比较可见表1。在实际应用中我们应当权衡

12、各方面条件来选择合适的测量方法。如现有设备、温度精度、是单点还是需要获得温度分布图、空间分辨率等。表1 微纳尺度高分辨率温度测量技术总结测量方法原理分辨率是否可得温度分布图空间/m温度/K时间/s接触式测量热色液晶液晶的热敏效应2-50.1100是扫描热显微镜原子力扫描显微镜与热探针联用0.050.110-100扫描热电偶赛贝克效应500.0110-100否半导体二极管半导体器件的自身特性100.0010.01否热敏电阻半导体的热敏效应200.0010.005否非接触式测量红外普朗克黑体模型3-100.02-120是纳米荧光粒子荧光衰减0.30.01200扫描热反射法光反射与温度相关0.3-0

13、.50.016-100n是拉曼散射拉曼散射原理0.512m是磁共振34质子共振频率化学位移3001是参考文献1Tien C L, Majumdar A, Gerner F M. Microscale energy transport. Washington DC: Taylor&Francis, 1998.2陈则韶,葛新石,顾毓沁.量热技术与热物性测定.合肥: 中国科学技术大学出版社, 1990.3曹玉章,邱绪光.实验传热学.北京: 国防工业出版社, 1998.4王喜世,伍小平,秦俊等.用红外热成像方法测量火焰温度的实验研究.激光与红外,2001(3): 101-104.5郁曾期, M

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