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Heat Transfer Measurement on Nanogap -Investigation of Transition from Radiation to Heat Conduction

纳米间隙传热测量 - 从辐射到热传导转变的研究

基本信息

批准号：
21H01261
负责人：
土屋智由
金额：
$ 11.4万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究ではMEMSデバイスを用い、ナノスケールの空間において伝熱が放射から熱伝導に遷移する領域を実験的に測定します。単結晶シリコンの(111)面を真空中でへき開破壊することで、数μm角の平行平滑なナノギャップを創製し、これを数nm以下の分解能で間隔を制御しようというものです。その伝熱測定には精密な局所温度測定が必要であり、顕微ラマン分光、サーモリフレクタンスを用いて、0.1K以下の分解能を実現します。これらにより固体接触面における伝熱現象という基本的でありながらいまだに明らかでない現象を解明し、様々な機械・構造における熱エネルギーの効率的な利用に応用します。MEMSナノギャップ創製デバイスはSOIウエハのデバイス層（厚さ5μm）に形成し、デバイス層の面方位は(110)で、へき開面は(111)面です。デバイスを固定する治具に組み込んだ圧電アクチュエータを駆動し、シャトル部に引張荷重を印加、へき開で分割してギャップを創製しました。この際、シャトル部を櫛歯型静電アクチュエータ駆動してへき開後のギャップの間隔を変化し、変位を平行平板型静電容量センサで計測し、ナノメートルの変位分解能を実現しました。伝熱測定については、可動部を通電により最高100K程度まで加熱し、ギャップの両端の温度を測定しています。これらを真空チャンバー中で行い、真空下かつ顕微鏡観察下での計測を進めています。研究分担者が担当するサーモリフレクタンスでは昨年度に引き続きマイクロスケール空間分解能を持つ非接触温度計測技術について検討しました。バランス型光検出器とロックインアンプを用いたレーザー光学系の基本設計が完成し，目標とする温度計測精度（0.1K）を確認しました。さらに数種の金属薄膜で実験を行った結果、理論値と同様の傾向を示す反射光強度の温度変化依存性が認められ、開発した計測技術の妥当性を確認しています。

In this study, the application of MEMS in the field of thermal radiation and thermal conduction was studied. Single crystal and (111) plane in vacuum, open and smooth, several μm angle parallel, open and smooth, open and smooth. For thermal measurement, it is necessary to measure the temperature of the laboratory accurately, and to realize the decomposition energy below 0.1K. The basic thermal phenomena of solid contact surfaces are explained, and the mechanical and structural thermal phenomena are utilized. MEMS devices are designed to form SOI layers (5μm thick) with a plane orientation of (110) and a plane orientation of (111). For example, if you want to create a new tool, you can create a new tool. When this happens, the electrostatic capacity of the parallel plate type is measured and the electrostatic capacity of the parallel plate type is realized. Heat measurement, power supply to the movable part, heating to a maximum of 100K, temperature measurement at the end The measurement is carried out under vacuum and micro-mirror. The research team is responsible for the research and development of non-contact temperature measurement technology. The basic design of the optical system of the optical detector has been completed, and the temperature measurement accuracy (0.1K) has been confirmed. The experimental results and theoretical values of several kinds of metal thin films show the temperature dependence of reflected light intensity, and the suitability of measurement techniques is confirmed.