一种基于MEMS热桥器件的热三级管

本发明涉及到一种热学逻辑器件，特别是基于mems热桥器件的热三级管。

背景技术：

1、在电子电路学中对电流的基本控制之一是对电流方向的控制，即不对称的单向导电性。在此基础上构建出的电二极管等一系列电流控制发明极大推动了电子科技技术的进步。由此人们希望能像电流一样对热流操纵以达到利用声子处理信息的目的。与电二极管，电三极管相类比的及热二极管，热三极管。，但热二极管难度大得多，因为声子不是一种真实粒子，而是一种量子化的准粒子，外加电场和磁场都不会影响声子运输。1930年，starr等人首次在铜-氧化铜界面发现不对称热传导现象，这种宏观尺度的不对称热传导通常由界面接触情况改变造成。随着集成电路的发展，器件尺寸越来越小，在微纳米尺度实现热学逻辑器件对芯片散热有利影响。21世纪初，terraneeo等人基于共振理论和非线性系统中能谱随温度变化的特性，在晶格模型上实现了热整流。此后许多学者从晶格角度对实现热整流和热三级管的必要条件和影响因素进行探究。实验上，有寥寥在低维材料上实现了热整理。如zhang等人应用质量分布非对称的纳米管实现了微观尺度固体热整流等。

2、2006年，李保文课题组从晶格模型角度提出了热三级管理论模型，可以线场效应管一样实现热流的开关和放大，同时提出了构建热三级管重要因素是负微分热阻(ndtr)。由此众多学者对负微分热阻进行了理论研究。2020年yang等人提出了在宏观尺度构建负微分热阻的原理并对其进行了仿真。本专利基于先前研究提出了一种基于mems热桥器件的热三级管实现方法，从而为热三级管的实际应用做出一部分贡献。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的在于基于理论研究提出了一种基于mems热桥器件的热三级管。填补了目前国内外热三级管只在晶格模型上构建而没有实际应用的空缺。本实施例的测试结构包括其结构包括硅基底和氮化硅支撑膜，硅基底中部为中空结构，上面有源极悬空平台、漏极悬空平台、栅极悬空平台和热电偶悬空平台。源极、漏极、栅极悬空平台上面是源极热电阻温度传感器、漏极热电阻温度传感器、栅极热电阻温度传感器，用于加热和测温。热电偶悬空平台上面是一对热电偶温度传感器，用于测温，热界面材料和部分源极材料、漏极材料、栅极材料也与热电偶悬空平台上表面相接触。三极管材料由源极材料、漏极材料、栅极材料和热界面材料组成，整体呈t型摆放，其中源极材料左端与源极衬底上表面相接触，漏极材料右端与漏极衬底上表面相接触，栅极材料下端与栅极衬底上表面相接触。热界面材料分别连接源极材料右端、漏极材料左端、栅极材料上端。热电偶温度传感器热端与热界面材料相近，用于测量此区域的温度。

2、测试时，源极、漏极和栅极热电阻温度传感器分别施加一定直流电流用于加热和测温，使得源极温度ts<栅极温度tg<漏极温度td，在此温度范围内改变栅极温度，同时通过热电偶温度传感器测量热界面材料温度tc＝td＝ti，可获得源极、栅极、漏极热流曲线，从而获取热三级管开关温度点。

3、有益效果

4、首次实现了热三级管的器件模型，能与电学三极管器件一样实现对热流的调控，包括放大热流和控制热流开关。所用源极材料、漏极材料和栅极材料和热界面材料简单易得，选择广泛。基于mems热桥器件能更方便进行低维热学测量，也可置于真空腔进行原位测量，且制造工艺相对简单，实现难度低。相比先前研究基于原子链、纳米结构或小量子系统构建ndtr，利用界面热效应实现了负微分热阻现象，可以更好应用在经典体系中。采用热电阻和热电偶进行测温，其所产生的信号便于测量，测量精准度高。本专利能为热学逻辑器件的在实际应用上提供参考价值。有望应用在以声学逻辑器件构建的声子计算机中。

技术特征：

1.一种基于mems热桥器件的热三级管，其结构特征在于，其结构包括硅基底和氮化硅支撑膜，硅基底中部为中空结构，上面有源极悬空平台、漏极悬空平台、栅极悬空平台和热电偶悬空平台。源极、漏极、栅极悬空平台上面是源极热电阻温度传感器、漏极热电阻温度传感器、栅极热电阻温度传感器，用于加热和测温。热电偶悬空平台上面是一对热电偶温度传感器，用于测温，热界面材料和部分源极材料、漏极材料、栅极材料也与热电偶悬空平台上表面相接触。三极管材料由源极材料、漏极材料、栅极材料和热界面材料组成，整体呈t型摆放，其中源极材料左端与源极衬底上表面相接触，漏极材料右端与漏极衬底上表面相接触，栅极材料下端与栅极衬底上表面相接触。热界面材料分别连接源极材料右端、漏极材料左端、栅极材料上端。热电偶温度传感器热端与热界面材料相近，用于此区域的温度。

2.根据权利要求1所述的一种基于mems热桥器件的热三级管，其特征在于：所述的源极悬空平台、漏极悬空平台、栅极悬空平台和热电偶悬空平台，均由氮化硅制成，具有热导率低、电绝缘的特点，用作多晶硅层的支撑衬底。热电阻温度传感器，由铂电阻制成，连接到铂金属焊盘用于加电流和测量电信号。热电偶温度传感器由p型多晶硅和n型多晶硅制成，利用塞贝克效应测量温度，精准度高且与cmos工艺兼容。

3.根据权利要求1所述的一种基于mems热桥器件的热三级管，其特征在于：热界面材料由高热导率的聚合物基材料组成，具有轻质、电绝缘和高机械强度等特点，能使源极、漏极、栅极三端温度一致。

4.根据权利要求1所述的一种基于mems热桥器件的热三级管，其特征在于：漏极材料由左漏极材料和右漏极材料以及构成的界面同质结/异质结(如硅-硅同质结)组成。两段材料热膨胀系数较高，当漏极材料整体平均温度发生变化时会产生收缩/膨胀效应，引起界面同质结/异质结热阻发生变化，从而影响漏极材料热流大小。

5.根据权利要求1所述的一种基于mems热桥器件的热三级管，其特征在于：源极材料为二氧化硅，热膨胀系数低，热导率随温度变化小，其热流大小随两端温差增大而线性增大。其次硅材料热膨胀系数低，其长度与界面压力几乎不随平均温度变化而变化。

6.根据权利要求1所述的一种基于mems热桥器件的热三级管，其特征在于：栅极材料为陶瓷基材料，具有低热导率，高热阻的特点，当两端温度变化时所引起的热流变化很小。

7.根据权利要求1所述的一种基于mems热桥器件的热三级管，其特征在于：测试时，源极、漏极和栅极热电阻温度传感器分别施加一定直流电流用于加热和测温，使得源极温度ts<栅极温度tg<漏极温度td，在此温度范围内改变栅极温度，同时通过热电偶温度传感器测量热界面材料温度tc＝td＝ti，可获得源极、栅极、漏极热流曲线，从而获取热三级管开关温度点。

8.根据权利要求1所述的一种基于mems热桥器件的热三级管，其特征在于：首次实现了热三级管的器件模型，所用源极材料、漏极材料和栅极材料和热界面材料简单易得，选择广泛。基于mems热桥器件能更方便进行低维热学测量，也可置于真空腔进行原位测量，且制造工艺相对简单，实现难度低。

9.根据权利要求1所述的一种基于mems热桥器件的热三级管，其特征在于，能与电学三极管器件一样实现对热流的调控，包括放大热流和控制热流开关。有望应用在以声学逻辑器件构建的声子计算机中。

10.根据权利要求9所述的一种透射电镜原位参数测试的稳、瞬态热导率测试环形悬空mems热桥器件，用于低维材料的原位透射热学测试方法，其特征在于，测试时，源极、漏极和栅极热电阻温度传感器分别施加一定直流电流用于加热和测温，使得源极温度ts<栅极温度tg<漏极温度td，在此温度范围内改变栅极温度，同时通过热电偶温度传感器测量热界面材料温度tc＝td＝ti，可获得源极、栅极、漏极热流曲线，从而获取热三级管开关温度点。

技术总结本发明公开了一种基于MEMS热桥器件的热三级管，其结构包括硅基底和氮化硅支撑膜，硅基底中部为中空结构，上面有源极悬空平台、漏极悬空平台、栅极悬空平台和热电偶悬空平台。源极、漏极、栅极悬空平台上面是源极热电阻温度传感器、漏极热电阻温度传感器、栅极热电阻温度传感器，用于加热和测温。热电偶悬空平台上面是一对热电偶温度传感器，用于测温，热界面材料和部分源极材料、漏极材料、栅极材料也与热电偶悬空平台上表面相接触。三极管材料由源极材料、漏极材料、栅极材料和热界面材料组成，整体呈T型摆放，其中源极材料左端与源极衬底上表面相接触，漏极材料右端与漏极衬底上表面相接触，栅极材料下端与栅极衬底上表面相接触。技术研发人员：尹奎波,何诗琪,聂萌受保护的技术使用者：东南大学技术研发日：技术公布日：2024/1/15