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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:林直慶
研究生(外文):Jr-Ching Lin
論文名稱:微機電式熱電效應致冷器之設計與製作
論文名稱(外文):Design and Fabrication of Thermoelectric Coolers Using MEMS Technology
指導教授:黃瑞星黃瑞星引用關係
指導教授(外文):Ruey-Shing Huang
學位類別:碩士
校院名稱:國立清華大學
系所名稱:電子工程研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:61
中文關鍵詞:熱電效應微機電致冷器
外文關鍵詞:MEMSCoolerThermoelectricPeltierSeebeck
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致冷器(Cooler)對許多大功率元件或是產生高熱量的電子晶片、微處理器等,可說是不可或缺的。降低電子產品的工作溫度除了可以延長產品的使用壽命,也能讓產品的工作特性維持在當初設計的規範裡,不至於因為溫度劇烈的變化而產生電性的飄移。利用材料的熱電效應所製作出的主動式熱電致冷器具有可精確、快速控溫以及高耐久性等優點,甚至在有需要時,可以改變電流方向將冷卻效應變成加熱效果,確保電子元件能夠運作在我們所希望的溫度。本篇論文的焦點主要是放在積體式熱電效應致冷器(Integrated Thermoelectric Cooler)結構的設計與製作,思考如何降低現今已發表之論文裡提到的非理想性因素(Non-idealities)-電導與熱導。並使用本實驗室發展出的成熟面型微機電技術(Surface MEMS Technology)實做出Thermoelectric Cooler的立體結構,利用懸空的Bridge做成Peltier Element,而不必再使用熱絕緣佳的薄膜當底材,如此一來, 就可以避免不必要的熱傳導路徑, 進而提高積體式熱電致冷器的效能。並設計一個效能測試用結構,以利於致冷器元件效能的量測。同時,用HSpice軟體建立的熱電模型來模擬橋式熱電致冷器的工作效能與特性,以作為實地量測時的參考依據。積體式熱電致冷器除了可應用在某些對溫度變化極敏感的感測元件,例如CCD、紅外線偵測器等,對現今流行的生物晶片裡微量生物試劑的冷卻與加熱或許也能有其發揮的空間。

Cooler is an important element for many power devices and chips which will generate large thermal energy. Lower the temperature of electrical devices not only making the device life time longer, but also maintaining the properties of devices within the design specifications. The active coolers which have the advantages of precise control and longer life time can be fabricated using the thermoelectric effects of materials. Moreover, we can change the direction of current to make cooling becoming heating if needed. This thesis presents the fabrication of integrated thermoelectric cooler which can cool small and specific area using surface micromachining technology. We have improved the integrated TE cooler by using bridge structure to reduce the undesired thermal conductivity. A test structure that will facilitate the measurement of the efficiency of TE cooler is also designed and fabricated.

第一章 序論……………………………………………………. 1
第二章 積體式熱電致冷器的工作原理與結構設計…………. 6
2-1 熱電效應(Thermoelectric Effects)…………. 6
2-1-1 Seebeck Effect……………………………... 6
2-1-2 Seebeck Voltage的量測方法……………... 7
2-1-3 Peltier Effect………………………………. 8
2-1-4 Peltier Element…………………………….. 9
2-2 積體式熱電致冷器之效能影響因素…………... 10
2-3 積體式熱電致冷器之結構設計………………... 12
2-3-1 接觸電阻之改善…………………………. 12
2-3-2 額外熱傳導之抑制………………………. 12
2-3-3 橋式熱電致冷器之設計…………………. 14
2-4 HSpice模擬…………………………………….. 15
2-4-1 HSpice的Peltier Element模型………….. 15
2-4-2 熱電元件之模擬方式與模擬結果……….. 17
2-4-2-1 模擬方式……………………………... 17
2-4-2-2 Cooler模式…………………………... 17
2-4-2-3 Heater模式…………………………... 18
2-4-2-4 串聯模式……………………………... 19
2-4-2-5 模擬結果討論………………………... 20
第三章 橋式熱電致冷器之製程與實驗………………………. 23
3-1 前言……………………………………………… 23
3-2 Tsuprem-4擴散製程模擬……………………….. 23
3-3 製程流程圖……………………………………… 30
3-3-1 橋式熱電致冷器之製程流程圖…………... 31
3-3-2 測試結構之製程流程圖………………….. 34
3-4 橋式熱電致冷器與測試結構之製程實驗……… 37
3-4-1 接地與絕緣層…………………………….. 37
3-4-2 犧牲層…………………………………….. 38
3-4-3 Pattern及蝕刻犧牲層…………………….. 39
3-4-4 沈積多晶矽……………………………….. 41
3-4-5 沈積Mask-Oxide…………………………. 42
3-4-6 Boron與Phosphorus擴散……………….. 43
3-4-7 Pattern多晶矽……………………………. 44
3-4-8 沈積金屬(Lift-ff)…………………………. 44
3-4-9 去除犧牲層(Release)……………………... 46
第四章 橋式致冷器之結構與量測……………………………. 48
4-1 前言…………………………………………….... 48
4-2 橋式致冷器與測試結構完成圖……………….... 48
4-3 橋式致冷器與測試結構的工作方式…………… 51
4-3-1 橋式致冷器………………………………... 51
4-3-2 測試結構…………………………………... 52
4-4 橋式致冷器與測試結構的阻值量測…………… 52
4-5 橋式致冷器的紅外線熱像儀量測……………… 54
4-5-1 Cooler模式之熱像儀影像………………... 55
4-5-2 Heater模式之熱像儀影像………………... 56
4-5-3 Cooler模式與Heater模式之比較……….. 57
4-5-4 結構Release前之熱像儀影像………….... 59
第五章 結論……………………………………………………. 61

1. “Thermoelectric Thermal Regulation Systems”
Robert DeVilbiss and Sathya Rajasubramanian, ThermoTek, Inc.
2. “Electronic Materials” Prof. Dr. Helmut Föll, http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/elmat_en/makeindex.html
3. “Design and fabrication of on-chip integrated polySiGe and polySi Peltier devices”
D.D.L. Wijngaards, S.H. Kong, M. Bartek, R.F. Wolffenbuttel
4. “Thermoelectricity: Science and Engineering”
Robert R. Heiken and Roland W.Ure, Jr..
5. “SPICE Model of Thermoelectric Elements Including Thermal Effects”
J. A. Chavez, J. A. Ortega, J. Salazar, A. Turo, M. J. Garcia
6. “Modeling of integrated Peltier Elements”
D.D.L. Wijngaards, E. Cretu, S.H. Kong and R.F. Wolffenbuttel
7. “微電子工程” 黃惠良 著, 國立編譯館 主編

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