Автореферат (Проектирование и расчет химических микрореакторов для использования в технологии устройств микросистемной техники), страница 3

С целью оценить величину ошибок численного моделирования,проведено сравнение результатов расчетов на разных сетках, что показано на рисунке 3.№Средняя плотностьсеткиузлов, мкм-2116,87251,9036,5343,12Рисунок 3 – Сравнение нормированных значений переменных для различных сетокС увеличением плотности узлов повышается точность расчетов, но увеличиваются затратыресурсов на выполнение численных экспериментов. Для дальнейшего применения выбрана сетка№1, показывающая достаточную точность при приемлемой сложности вычислений.

Проверкамодели проводилась на основе сравнения получаемых результатов расчетов с опубликованнымилитературными и экспериментальными данными.В четвертой главе исследовано поведение модели, описывающей процесс локальногохимического осаждения из газовой фазы в микрореакторе с осевой симметрией и однимцентральным каналом. Схема микрореактора показана на рисунке 4.

В качестве химическойсистемы использовалась гомогенная реакция превращения исходного вещества в продукт,который далее осаждается на подложку в ходе гетерогенной реакции.Исследовано влияние изменений технологических параметров на распределение массовойдоли веществ и скорость осаждения. В качестве примера проведен эксперимент №1 приследующих параметрах: число Шмидта Sс=1; константа скорости объемной химической реакцииkv1=100 000 с-1; константа скорости поверхностной реакции ks1=10 000 с-1; массовая доляисходного вещества на входе в реактор ω0=0,01; скорость потока на входе V=1 м/с; радиусцентрального канала R =10 мкм; расстояние до подложки H =10 мкм;12Рисунок 4 – Схема микрореактора для локального химического осаждения из газовой фазыНа рисунке 5(а) показано распределение скорости осаждения DR от радиуса, выраженное вдолях от максимальной скорости осаждения DRmax(1) для эксперимента №1.

График совпадаетпо форме с зависимостью, показанной на рисунке 2(б). Значительная скорость при малых rсвидетельствует о локализации осаждения. Диффузия к подложке лимитирует процесс.Увеличение скорости потока газа от 10-6 до 20 м/с ведет к ухудшению локализации, как этопоказано на рисунке 5(б), что объясняется ростом концентрации компонентов на выходе изреактора из-за уменьшения времени пребывания. Этот же фактор ведет к росту максимальнойскорости осаждения, как показано на рисунке 6(а). При малых скоростях поток вещества кподложке определяется диффузией, что не позволяет уменьшить скорость осаждения до нуля.(а)(б)Рисунок 5 – Распределение скорости осаждения по подложке для численного эксперимента №1(а) и изменение распределения в зависимости от скорости входного потока13Увеличение константы скорости гомогенной реакции в диапазоне от kv1=10-8 до kv1=108 с-1приводит к более полному расходованию исходного вещества, росту концентрации продукта надподложкой и соответствующему увеличению скорости осаждения.

С другой стороны при оченьбольших значениях параметра kv1 наблюдается рост потребления вещества на стенкахцентрального канала, что уменьшает концентрацию реагентов над подложкой и снижаетскорость осаждения. Этим объясняется существование экстремума показанного на рисунке 6(б).По этим же причинам локализация улучшается при больших значениях kv1.

При уменьшенииэтого параметра происходит более равномерное осаждение, как показано на рисунке 7(а).(а)(б)Рисунок 6 – Зависимость максимальной скорости осаждения от скорости потока (а) и отконстанты скорости гомогенной реакции (б)При росте значения константы скорости гетерогенной реакции более ks1=105 с-1наблюдается высокая постоянная скорость осаждения, т.к. процесс лимитируется диффузиейреагентов к подложке. С уменьшением ks1 гетерогенная химическая реакция становитсялимитирующей стадией осаждения и локализации ухудшается, как показано на рисунке 7(б).(а)(б)Рисунок 7 – Распределение скорости осаждения в зависимости от константы скоростигомогенной (а) и гетерогенной (б) реакции14Увеличение расстояния между подложкой и микрореактором при фиксированном радиусеканала приводит к ухудшению локализации и уменьшению максимальной скорости осаждения,что показано на рисунке 8(а).

Уменьшение радиуса при фиксированном расстоянии улучшаетлокализацию, но ведет к значительному уменьшению максимальной скорости осаждения, какпоказано на рисунке 8(б). Условием эффективной работы микрореактора является максимальноеснижение расхода веществ в реакциях на стенках центрального канала.(а)(б)Рисунок 8 – Зависимость максимальной скорости осаждения от H (а) и R (б)В пятой главе рассмотрены модели, описывающие процессы осаждения кремния из SiH4–H2 и арсенида галлия из Ga(CH₃)₃-AsH3-H2.

Для последней системы рассмотрены микрореакторыс одним центральным каналом радиусом 10 и 5 мкм, а также система с дополнительным каналомоткачки, показанная на рисунке 9(а). Предлагаемые изменения геометрии кардинальноуменьшают скорость осаждения при больших радиусах и улучшают локализацию, как показанона рисунке 9(б). В главе также детально описаны конструкции микрореакторов и возможныеспособы их изготовления.(а)(б)Рисунок 9 – Схема микрореактора с дополнительным кольцевым каналом (а) и сравнениераспределения скорости осаждения GaAs для микрореакторов разной геометрии (б)15Применение микрореакторов позволяет решить практические задачи локальногоформированияфункциональныхпокрытийвизделияхмикросистемнойтехники:микроэлектромеханических гироскопах и акселерометрах, газовых датчиках.Технологию локального осаждения в микрореакторах можно использовать в качественового инструмента решения задачи оптимизации процесса ХОГФ.

В предлагаемом методемикрореактор передвигается относительно подложки и «точечно» производит осаждениематериала. Технологические параметры изменяются от «точки» к «точке», обеспечиваяпроведение большого числа экспериментов при разумном количестве затрачиваемых ресурсов(более 1000 опытов на 1 пластине диаметром 100 мм). Изучение профилей скорости осажденияматериала позволяет получать информацию о физико-химических особенностях процесса.В шестой главе рассматривается микрореактор, реализующий процесс жидкостногоанизотропного травления кремния.

Система представляет собой полукруглый канал в стекляннойпластине, которая герметично соединена с кремнием. Протекающий по капилляру травительформирует трапециевидный или треугольный профиль. Построена аналитическая модель,описывающая изменение геометрии канала в процессе травления. Результаты, представленныена рисунке 10(а), показывают, что гидравлический диаметр увеличивается на 50% от начальногозначения.

Технология проверена экспериментально для структуры кремний-на-стекле. Нарисунке 10(б) показан формируемый после травления профиль микроканала.(а)(б)Рисунок 10 – Изменение гидравлического диаметра канала в процессе травления (а) ифотография формируемой микроструктуры в пластине кремний на стекле после травления (б)Реакция растворения кремния является экзотермической, поэтому возможно повышениетемпературы и переход реактора в режим саморазогрева.

Построена аналитическая модель,позволяющая рассчитывать температуру микрореактора в зависимости от площади травления ипараметров окружающей среды Ta. Введены понятия критической температуры Τ’c ибезразмерной критической площади травления Sc’ – параметров, при которых система переходитв режим саморазогрева. Их зависимость от Ta показана на рисунке 11(а). Стабильное травлениеструктур с параметрами, выше критических, невозможно. В других случаях можно вести процесс16в 2-х режимах: при повышенной температуре с применение системы управления; при низкойтемпературе без неё.

На рисунке 11(б) показано изменение температуры реактора и окружающейсреды во время травления с применением системы управления.(а)(б)Рисунок 11 – Зависимость критических параметров от температуры окружающей среды (а) играфик температуры реактора при травлении с применением системы управления (б)В седьмой главе описаны области практического применения технологии анизотропноготравления кремния в микрореакторе. Предложено использовать данный процесс для созданиястатически уравновешенного микрофлюидного мостика Уинстона – функционального аналогаэлектрического измерительного мостика из четырех резисторов.

Создан прототип данногоустройства, показанный на рисунке 12(а). Расчет, моделирование и экспериментальныеисследования обнаружили свойство системы преобразовывать высокое дифференциальноедавление в низкое, с коэффициентом более 1000, что показано на рисунке 12(б).(а)(б)Рисунок 12 – Фотография внешнего вида и внутренней структуры микрофлюидного мостикаУинстона (а) и изменение коэффициента преобразования входного дифференциальногодавления в выходное в зависимости от геометрии структуры17На основе этого эффекта предложена новая архитектура датчика дифференциальногодавления. Его использование для контроля аэродинамики лопасти ветроэнергетическойустановки по расчетам позволяет повысить эффективность работы на 10-15%.Применение технологии жидкостного травления в микрореакторах решает практическиважную проблему формирования совмещенных каналов в многослойных пластинах.

Предложенновый, более простой технологический процесс изготовления теплопроводящего модуля наоснове тепловых микротрубок со сложным профилем поперечного сечения, который имеетповышенную эффективность работы. При использовании микрореактора не требуется защитаобратной стороны кремния, что позволяет формировать тепловые микротрубки на однойпластине с тепловыделяющими элементами.ЗАКЛЮЧЕНИЕВ ходе выполнения диссертационной работы получены следующие результаты:1) Разработана аналитическая модель и методика расчета осесимметричных химическихмикрореакторов с течением вдоль оси и вдоль радиуса и учетом явления проскальзывания настенках.

С её помощью найдены условия, способствующие проведению локальных гетерогенныхпроцессов.2) Исследованы основные закономерности поведения модели, описывающей процессылокального химического осаждения из газовой фазы в микрореакторе с одним центральнымканалом, построенной на основе уравнений движения вязкого химически реагирующего газа.Установлены закономерности влияния геометрии, скорости потока, диффузии, константгомогенных и гетерогенных химических реакций, начальной концентрации веществ нараспределение компонентов и скорость осаждения. Необходимым условием для локализацииявляется лимитирование процесса диффузией к поверхности.3) Предложены конструкции микрореакторов и способы их производства.