CN114383326A - 一种具有重心支撑结构的光热换能器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种具有重心支撑结构的光热换能器，属于光热转换和微纳加工领域。本发明公开的光热换能器主要由多个小单元A组成阵列组成，小单元A包括衬底、重心支撑层和光热转换层；衬底主要用于承载和增加机械稳定性，重心支撑层主要用于重心支撑及调控散热速率，光热转换层主要起光热转换的作用。本发明通过调控重心支撑层的支撑高度、横截面积，改变光热换能器的散热性能和稳态温度。本发明结构简单，加工工艺成熟，能够根据多种调控需求对衬底、支撑层和光热转换层的材料和结构进行设计、制作。本发明还公开所述光热换能器的微纳加工方法。本发明通过对重心支撑层和光热转换层进行优化，能够实现超大的阵列规模和较高的光热转换性能。

Description

一种具有重心支撑结构的光热换能器

技术领域

本发明涉及一种具有重心支撑结构的光热换能器，属于光热转换和微纳加工领域。

背景技术

光能是自然界中取之不尽的清洁能源，高效利用和开发光能是无数科研工作者的共同心愿。目前常见的光能开发技术有：光电转换、光热转换、光催化等。其中，光热转换技术主要通过聚焦系统和集热系统将光能高效地转换为热能，被转换的热能可以被直接应用，也可以转换为辐射能被进一步使用。近年来，辐射能的选择性吸收和发射在工业、民用、军事等领域得到了广泛的关注和应用。因此，对于一些具有调控辐射能需求的领域而言，能够实现光-热-辐射转换的器件十分重要。

目前能够实现光-热-辐射转换、生成可调控辐射场的器件主要有MEMS红外转换薄膜、光学下转换芯片等，这些器件能够实现的最大像元阵列为2000×2000，最高表面平均温度不超过550K。对于光-热-辐射转换器件而言，在有限的基底上实现更大的像元阵列和更高的表面平均温度有助于提高器件的集成度和光能的转换效率。然而对于现有的器件来说，像元阵列和表面平均温度由于结构设计和材料本身的限制，已经很难实现大的突破。

要解决现有光-热-辐射转换器件面临的瓶颈，必须从器件的结构设计和材料选择层面做出新的创新和改变。出于上述目的，本发明提出了一种具有重心支撑结构的光热换能器。与前述的MEMS红外转换薄膜相比，本发明提出的光热换能器采用衬底和支撑结构相结合，可以大幅度提高光热换能器的机械稳定性。与光学下转换芯片相比，本发明提出的重心支撑结构改变了传统的多腿支撑和微腔支撑的模式，将支撑点从边缘转移到重心，将支撑模式由多个支撑腿或围墙式环绕结构变为单个支撑结构，这种支撑结构可以大大减少结构设计的难度以及实际加工的复杂度。传统的MEMS红外转换薄膜和光学下转换芯片的光热转换层为了增加面内热阻，图案设计一般为镂空结构或者长条结构，由于掩膜图形存在镂空图案和长条图案，所以在实际加工中很难形成重心支撑的单腿结构。并且为了兼具光热转换和面内热调控的功能，这些光热转换层的图案设计和加工一般都较为复杂，因此成品率较低。

发明内容

本发明的目的主要目的是提供一种具有重心支撑结构的光热换能器及其制备方法，该换能器不仅结构简单，还能通过调控重心支撑层的支撑高度、横截面积，改变光热换能器的散热性能和稳态温度，实现超大的阵列规模和较高的光热转换性能。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的具有重心支撑结构的光热换能器，主要由多个小单元A组成阵列，其中小单元A包括衬底、重心支撑层和光热转换层。重心支撑层的底部固定在衬底上，光热转换层固定在重心支撑层的顶部，固定点位于光热转换层重心位置。衬底主要起承载作用和增加机械稳定性的作用，支撑层主要起重心支撑的作用及调控散热速率的作用；光热转换层主要起光热转换的作用。

所述重心支撑层：

(1)材料：具有较好的导热系数(＞20W/(m·K))和机械稳定性，选与衬底材料相同或不同材料均不受限制。若支撑层和衬底为相同材料，支撑层能够直接在衬底上刻蚀形成。

(2)结构：主要为顶部窄、底部宽的结构，包括圆锥结构、圆台结构、棱锥结构、凹面结构、球体结构。支撑层的顶部位于光热转换层的重心位置，并且支撑宽度不小于10nm。

(3)作用：一、支撑作用。重心支撑层顶部与光热转换层紧密相连，连接位置位于光热转换层的重心区域，稳固支撑光热转换层不掉落；重心支撑层底部与衬底紧密相连，相邻支撑柱之间具有间隙。二、调控散热速率作用。通过调控重心支撑层的支撑高度、横截面积，实现对散热性能的调控；在无内热源的稳定态下，重心支撑层可视为只在径向存在温度梯度的一维系统，热流方向为重心支撑层的径向方向，将重心支撑层沿着径向分解为多个厚度为dx的柱状微元。对于单个柱状微元来说，其热阻R_i为：

式中，R_i为单个柱状微元的热阻，k为重心支撑层的热导率，A_i为单个柱状微元垂直热流方向的横截面积，dx为每个柱状微元的高度。重心支撑层的总热阻R_t与单个微元热阻R_i的关系为：

R_t＝∑R_i (i＝1,2,…) (2)

由(1)(2)式中知，重心支撑层的横截面积越小，R_t越大；重心支撑层的支撑高度越大，分解的微元个数越多，R_t越大。R_t影响重心支撑的导热速率，R_t数值越大，其导热速率越慢，反之亦然。因此通过调控重心支撑层的支撑高度、横截面积，改变光热换能器的散热性能和稳态温度。

所述光热转换层：

(1)材料：具有较高的光热转换效率(＞30％)的材料，可选：氧化硅、氮化硅、碳纳米管、聚酰亚胺、金属薄膜等单层薄膜或复合薄膜。

(2)结构：图形设计包括圆形、长方形、正方形、平行四边形、三角形、梯形、多边形，单个图形最小面积不小于4μm²，相邻图形之间的距离不小于1μm。

(3)作用：实现高效的光热转换，光热换能器的表面平均温度和光热转换效率能够通过改变光热转换层的材料、厚度、单个图形尺寸和图案实现。通过在光热转换层设计单个图形的尺寸和阵列个数可以实现较大的阵列规模，例如在4英寸硅基底上实现4000×4000的阵列规模，光热转换层的的单个图形可设计为边长和间隙之和不超过22μm的尺寸。

所述衬底：具有较好的导热系数(＞30W/(m·K))和机械稳定性，可选为硅衬底。

本发明公开的一种重心支撑结构的光热换能器的制作方法，包括步骤如下：

一、选定合适衬底，对衬底进行清洁处理。例如选择四英寸硅片，对硅片使用丙酮、酒精、去离子水依次超声清洗15min，或使用氧等离子清洁法。

二、若支撑层和衬底不是同一材料，需要制备一层支撑层材料。制备工艺可为：磁控溅射、电子束蒸发、旋涂法、电镀、化学气相沉积等。若支撑层和衬底为相同的材料，则只需在后续工艺中对衬底使用刻蚀工艺制备出支撑层的结构即可。

三、制备光热转换层。根据光热转换层的材料可选择不同的制备工艺，如：磁控溅射、电子束蒸发、旋涂法、电镀、化学气相沉积等。

四、在光热转换层上制备出图形。在光热转换层上使用光刻工艺制备出设计好的图形，然后用具有图形的光刻胶层作为掩膜使用刻蚀工艺在光热转换层上制备出相同的图形。光刻工艺包括：紫外曝光、电子束曝光等；刻蚀工艺包括：湿法刻蚀、干法刻蚀等。

五、制备支撑层结构。使用光热转换层的图形作为掩膜，对支撑层材料进行刻蚀，根据所设计的支撑层高度和顶部宽度来选择刻蚀的时间和条件。刻蚀工艺包括：湿法刻蚀、干法刻蚀等。

有益效果：

1、本发明公开的一种具有重心支撑结构的光热换能器，由于支撑结构位于重心因此光热转换层的图案能够设计成简单的非镂空图形，图形占空比和光吸收效率能得到进一步提高，支撑结构和光热转换层的设计都能够显著降低加工复杂度，因此能够提高光热换能器微纳加工的成品率。由于光热转换层图形的占空比得到提高，因此能够将单个图形的尺寸缩小，整体阵列规模能够进一步扩大，能够在四英寸基底上实现超过4000×4000的阵列规模，在增大基底尺寸或减小单个图形尺寸的情况下还能够实现更大规模的阵列设计和加工。本发明在光热转换领域和辐射场调控应用中具有非常大的潜力。

2、本发明公开的一种具有重心支撑结构的光热换能器，结构简单，加工工艺成熟，能够根据多种调控需求对衬底、重心支撑层和光热转换层的材料和结构进行设计。

3、本发明公开的一种具有重心支撑结构的光热换能器，若衬底与支撑层为同一材料，加工工艺只需使用光刻和刻蚀相结合，减少加工难度和工艺步骤。

4、本发明公开的一种具有重心支撑结构的光热换能器，通过调控重心支撑层的支撑高度、横截面积，改变光热换能器的散热性能和稳态温度，机械稳定性好，结合光热转换层的优化能够大幅提高表面最高的平均温度。

附图说明

图1为支撑层可选用的多种结构(圆锥结构、圆台结构、四棱锥结构、凹面结构、球体结构、六棱锥结构)；

图2为光热转换层单个图形可选用的多种图案(三角形、圆形、正方形、多边形)；

图3为实施例1的光热换能器的示意图；

图4为实施例1中单个支撑单元的扫描电镜截面图；

图5为实施例2的光热换能器的示意图；

图6为实施例2中单个支撑单元的扫描电镜截面图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，结合以下具体实例与附图对本发明进一步详细说明。

实施例1

一种具有重心支撑结构、衬底和支撑层材料相同的光热换能器

衬底为四英寸硅片，支撑层材料为硅，光热转换层材料为二氧化硅与铝的复合薄膜。支撑层为双曲凹面结构，顶部接触宽度为2.64μm，底部接触宽度为8.42μm，支撑高度为4.31μm。光热转换层为正方形结构，边长为7.75μm，底层的二氧化硅厚度为0.8μm，顶层的铝厚度为1.51μm，相邻方向的间距为10μm。支撑单元遍布以相同的大小和间距遍布整个四英寸硅片，阵列个数超过4000×4000，该光热换能器的示意图如图3所示。图4为单个支撑单元的扫描电镜截面图。

该光热换能器的制备方法如下：

一、选择单面抛光的四英寸硅片，晶向为P<100>，电阻率为0.001Ω·cm，使用丙酮、酒精、去离子水依次对硅片进行超声清洗15min，取出后使用氮气枪吹干净硅片表面后备用。

二、由于支撑层材料和衬底相同，所以无需额外制备支撑层材料，后续对硅衬底使用刻蚀工艺制备出支撑层结构即可。

三、制备光热转换层。使用磁控溅射的方法制备厚度为0.8μm的氧化硅层，其中基底真空为9×10^-4Pa，溅射功率为200W，靶材纯度为99.99％，起辉气压为10Pa。溅射完成后在氧化硅层上使用热蒸发的方法制备出1.51μm的铝层，基底真空为9×10^-4Pa，加热电流为30A，铝丝纯度为99.99％。

四、在光热转换层上制备出设计好的单元图形。首先使用旋涂法在光热转换层上制备一层光刻胶，随后依次使用紫外曝光、显影、定影工艺制备出设计好的图形阵列。用制备好的光刻胶层作为掩膜，对铝层使用湿法腐蚀工艺进行刻蚀，使用碱液作为腐蚀液，控制腐蚀的时间使得制备出的图形与光刻胶层保持一致。随后使用干法刻蚀工艺对光热转换层底部的氧化硅层进行刻蚀，使用氧气和氟基气体作为反应气体，气体比例为1:3，刻蚀功率300W，控制刻蚀时间使得最后制备的氧化硅层具有和铝层一样的图形阵列。

五、制备支撑层结构。使用光刻胶和光热转换层的图形阵列作为掩膜，使用反应离子刻蚀工艺对硅基底进行各向同性刻蚀，使用氧气和氟基气体作为反应气体，气体比例为1:5，刻蚀功率为200W，控制反应时间使得基底被刻蚀出高度为4.31μm的支撑层。刻蚀结束后将衬底浸泡在丙酮溶液中除去剩余的光刻胶，去胶完成后取出衬底再依次放入酒精和去离子水中浸泡除去残余的丙酮。最后将衬底从去离子水中取出，放在加热台上加热烘干剩余的水分，水分烘干后即完成了该光热换能器的制备步骤。

在给定30W激光功率下，该光热换能器的最高表面平均温度可达430.38K，测试结果与仿真结果误差小于10％。本发明提出的具有重心支撑结构的光热换能器，不仅可以实现较高的表面平均温度，还能在四寸衬底上实现超过4000×4000的阵列。

实施例2

一种具有重心支撑结构、衬底和支撑层材料不同的光热换能器

衬底为四英寸硅片，支撑层材料为氧化硅，光热转换层材料为氮化硅与铝的复合薄膜。支撑层为双曲凹面结构，顶部接触宽度为200nm，底部接触宽度为7.14μm，支撑高度为4.14μm。光热转换层为正方形结构，边长为6.37μm，底层的氮化硅厚度为0.71μm，顶部的铝厚度为1.18μm，相邻方向的间距为14μm。支撑单元遍布以相同的大小和间距遍布整个四英寸硅片，阵列个数超过4000×4000，该光热换能器的示意图如图5所示。图6为单个支撑单元的扫描电镜截面图。

该光热换能器的制备方法如下：

一、选择单面抛光的四英寸硅片，晶向为N<110>，电阻率为0.001Ω·cm，使用丙酮、酒精、去离子水依次对硅片进行超声清洗15min，取出后使用氮气枪吹干净硅片表面后备用。

二、制备支撑层材料。使用磁控溅射的方法制备4.14μm的氧化硅层，其中基底真空为9×10^-4Pa，溅射功率为200W，靶材纯度为99.99％，起辉气压为10Pa。

三、制备光热转换层。使用磁控溅射的方法制备0.71μm的氮化硅层，其中基底真空为9×10^-4Pa，溅射功率为200W，靶材纯度为99.99％，起辉气压为10Pa。溅射完成后在氮化硅层上使用热蒸发方法制备出1.18μm的铝层，基底真空为9×10^-4Pa，加热电流为30A，铝丝纯度为99.99％。

四、在光热转换层上制备出设计好的单元图形。首先使用旋涂法在光热转换层上制备一层光刻胶，随后依次使用紫外曝光、显影、定影工艺制备出设计好的图形阵列。用制备好的光刻胶层作为掩膜，对铝层使用湿法腐蚀工艺进行刻蚀，使用碱液作为腐蚀液，控制腐蚀的时间使得制备出的图形与光刻胶层保持一致。随后使用干法刻蚀工艺对光热转换层底部的氮化硅层进行刻蚀，使用氩气和氟基气体作为反应气体，气体比例为1:4，刻蚀功率200W，控制刻蚀时间使得最后制备的氮化硅层具有和铝层一样的图形阵列。

五、制备支撑层结构。用光刻胶和光热转换层的图形阵列作为掩膜，使用反应离子刻蚀工艺对氧化硅支撑层进行各向同性刻蚀，使用氧气和氟基气体作为反应气体，气体比例为1:3，刻蚀功率为300W，控制反应时间使得基底被刻蚀出高度为4.14μm的支撑层。刻蚀结束后将衬底浸泡在丙酮溶液中除去剩余的光刻胶，去胶完成后取出衬底再依次放入酒精和去离子水中浸泡除去残余的丙酮。最后将衬底从去离子水中取出，放在加热台上加热烘干剩余的水分，水分烘干后即完成了该光热换能器的制备步骤。

在给定30W激光功率下，测量该光热换能器的最高表面平均温度为593.18K，测试结果与仿真结果误差小于10％。在无内热源的稳定态下，重心支撑层可视为只在径向存在温度梯度的一维系统，热流方向为重心支撑层的径向方向，将重心支撑层沿着径向分解为多个厚度为dx的柱状微元。对于单个柱状微元来说，其热阻R_i为：

式中，R_i为单个柱状微元的热阻，k为重心支撑层的热导率，A_i为单个柱状微元垂直热流方向的横截面积，dx为每个柱状微元的高度。重心支撑层的总热阻R_t与单个微元热阻R_i的关系为：

R_t＝∑R_i (i＝1,2,…) (2)

由(1)(2)式中可知，重心支撑层的横截面积越小，R_t越大；重心支撑层的支撑高度越大，分解的微元个数越多，R_t越大。R_t影响重心支撑的导热速率，R_t数值越大，其导热速率越慢，反之亦然。因此可以通过调控重心支撑层的支撑高度、横截面积，改变光热换能器的散热性能和稳态温度。

本实施例2的重心支撑层高度(4.14μm)与实施例1的重心支撑层(4.31μm)高度相近，但顶部横截面积(0.04μm²)与底部横截面积(50.98μm²)远远小于实施例1的顶部横截面积(6.97μm²)和底部横截面积(70.90μm²)；另外实施例2的重心支撑层为氧化硅，热导率为1.4W/m·K，而实施例1的重心支撑层材料为硅，热导率为148W/m·K；由式(1)和(2)可知，实施例2的重心支撑层的横截面积和材料热导率都小于实例1，因此实施例2的重心支撑层热阻大于实例1的热阻，因此最后得到的最高表面平均温度(593.18K)也高于实施例1的最高表面平均温度(430.38K)。

由此可以说明，本发明提出的具有重心支撑结构的光热换能器，不仅可以实现超过4000×4000的阵列，还可以通过优化材料和改进结构设计对光热性能进行调控，从而实现较高的表面平均温度。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有重心支撑结构的光热换能器，其特征在于：由多个小单元A组成阵列，能够实现较大的阵列规模；所述小单元A由衬底、重心支撑层和光热转换层构成；重心支撑层的底部固定在衬底上，光热转换层固定在重心支撑层的顶部，固定点位于光热转换层重心位置。

2.如权利要求1所述的一种具有重心支撑结构的光热换能器，其特征在于：通过调控重心支撑层的支撑高度、横截面积，实现对散热性能的调控；在无内热源的稳定态下，重心支撑层可视为只在径向存在温度梯度的一维系统，热流方向为重心支撑层的径向方向，将重心支撑层沿着径向分解为多个厚度为dx的柱状微元；对于单个柱状微元来说，其热阻R_i为：

式中，R_i为单个柱状微元的热阻，k为重心支撑层的热导率，A_i为单个柱状微元垂直热流方向的横截面积，dx为每个柱状微元的高度；重心支撑层的总热阻R_t与单个微元热阻R_i的关系为：

R_t＝∑R_i (i＝1,2,…) (2)

由(1)(2)式中知，重心支撑层的横截面积越小，R_t越大；重心支撑层的支撑高度越大，分解的微元个数越多，R_t越大；R_t影响重心支撑的导热速率，R_t数值越大，其导热速率越慢，反之亦然；因此能够通过调控重心支撑层的支撑高度、横截面积，改变光热换能器的散热性能和稳态温度。

3.如权利要求2所述的一种具有重心支撑结构的光热换能器，其特征在于：所述重心支撑层为顶部窄、底部宽的结构；顶部的支撑宽度不小于10nm。

4.如权利要求3所述的一种具有重心支撑结构的光热换能器，其特征在于：所述重心支撑层的材料具有较好的和机械稳定性，所述导热系数＞20W/(m·K)。

5.如权利要求4所述的一种具有重心支撑结构的光热换能器，其特征在于：所述重心支撑层选与衬底材料相同或不同材料不受限制；若支撑层和衬底为相同材料，支撑层能够直接在衬底上刻蚀形成。

6.如权利要求5所述的一种具有重心支撑结构的光热换能器，其特征在于：所述光热转换层的材料具有较高的光热转换效率的材料，所述光热转换效率＞30％。

7.如权利要求6所述的一种具有重心支撑结构的光热换能器，其特征在于：所述光热转换层选用材料包括氧化硅、氮化硅、碳纳米管、聚酰亚胺、金属薄膜，所述光热转换层选用膜层结构包括单层薄膜或复合薄膜。

8.如权利要求7所述的一种具有重心支撑结构的光热换能器，其特征在于：所述光热转换层的最小面积不小于4μm²，组成阵列时相邻图形之间的距离不小于1μm。

9.如权利要求8所述的一种具有重心支撑结构的光热换能器，其特征在于：所述衬底具有较好的导热系数和机械稳定性，所述导热系数＞30W/(m·K)。

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