[发明专利]一种具有重心支撑结构的光热换能器

说明书

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。

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。