CN101381006A - 片上离子射流装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种航空航天技术领域和微电子技术领域的片上离子射流装置，包括单级加速电极，所述加速电极由镂空电极、极化电极阵列、流道侧壁、极化电极阵列连线、镂空电极连线五个部分组成，五个部分全部设置于基片表面之上，该结构由片上大长径比电极阵列作为气体分子电离装置，由片上薄壁结构作为流压控制装置并构建流道，由镂空电极作为离子射流方向和加速幅度的控制装置并可组成多级累积加速的连续式多级镂空电极。整个结构可完全由微电子加工技术所具有的片上化制造技术加工实现，因此非常利于阵列化、集成化、微型化，可大幅度提高电离效率、稳定性、工作寿命等核心性能指标，并非常适用于在微型飞行器、芯片冷却装置中使用。

Description

片上离子射流装置

技术领域

本发明涉及的是一种航空航天技术领域和微电子技术领域的装置，具体地说，涉及的是一种片上离子射流装置。

背景技术

在微电子技术领域，半导体芯片的冷却问题已经成为制约该领域中高性能处理芯片发展的一个重要技术瓶颈。被动冷却技术现在还无法满足中央处理器的冷却要求，因此主动冷却技术仍是主流。常规的主动冷却技术依靠风扇，其缺点是噪音大、体积大、功耗大、效率低下，而替代性的水冷、油冷等技术，由于需要液泵，噪音大、系统体积大、构建复杂，并且存在相当的安全隐患，因此只有比较狭窄的应用前景。利用离子射流在芯片表面的散热片上形成等离子体风，可以极大地缩小冷却部件体积、实现无噪音，并可以提高效率、降低功耗。而且离子风冷却还具有另外两个特征：可以在微沟槽结构底部制造气流，以及能够去除热沉与气流之间的高粘滞系数边界层，使其适用于散热片微气道尺寸在一百到几十微米时高密度热沉鳍片的情形，在这样的热沉结构中，风扇送风无法再如宏观气道一样的顺畅，边界层效应会急剧降低相同风速下的强制对流系数。但目前的离子射流装置存在电压过高、难于集成制造的工艺问题，并且其电离气体分子的效率问题也是一个重要技术瓶颈。

本发明的应用背景并不限于芯片冷却装置，也可以用于制造片上化的微飞行器的推进装置，或者用于其他需要微纳尺度离子射流装置的领域中。

经对现有技术的文献检索发现，文献1：N.E.Jewell-Larsen等发表的“用于对流冷却的静电流体耦合模型”(″Coupled-physics modeling ofelectrostatic fluid accelerators for forced convection cooling″，IAA/ASMEJoint Thermophysics and Heat Transfer Conference，June 2006)，该文提出将离子风作为微尺度下的气体抽送方法，从而可在芯片表面制造气流，通过加大芯片或芯片表面热沉的对流系数，增加散热效率，降低芯片温度，构成与风扇类似的冷却装置，其结构设计基于微机电系统技术中常见的悬臂梁模型，经研究证明了微悬臂梁作为尖端电极所产生的电晕放电，能够产生1-8m/s的离子风，该装置能够使得芯片表面悬臂梁下方区域温度下降10-25摄氏度。

文献2：F.Yang等发表的“用于芯片冷却的电晕放电致离子风”(″Coronadriven air propulsion for cooling of electronics″)第八届国际高压工程会议，荷兰，ISBN90-77017-79-8，第1-4页(XIIIth International Symposiumon High Voltage Engineering，Netherlands 2003)，该文采用一种喇叭口状的流道设计，并采用两个球状电极作为放电电极，对离子风的一些基本特性进行了实验研究，测得其风速在1-4m/s范围内。上述文献证明了离子风可以达到风扇的风速，但是，其操作电压均在几千伏的水平。其中，文献2并没有提供一种适用于MEMS技术的离子射流装置结构，而文献1的结构方案显然不能充分发挥离子风流场可以由放电电极结构灵活调制的特征，处于芯片上方的悬臂梁将离子风由上向下吹送，并不能充分发挥离子风去除高粘滞系数边界层的作用。

文献3：David B.Go，Suresh V.Garimella，and Timothy S.Fisher，用于增强冷却效果的离子风，(Ionic winds for locally enhanced cooling)，应用物理学报，(Journal of Applied Physics)，第102卷，第053302页，2007，该文献3将离子风作为风扇冷却的辅助装置，该文是利用理论模型的数值解法，在硅基片表面设置一对非对称微小电极作为离子射流泵，模拟了由局部放电产生的离子风对有外部强制对流存在的情况下，存在局部热源芯片的辅助散热效果。结果表明，由于位于表面的片上离子射流装置的辅助对流作用，风扇的散热效果可以提高近6倍。但是，该文献的实验部分提出的离子射流装置结构，属于一种常规的电晕放电结构，其实施效果也并没有克服需要高压操作的缺点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种片上离子射流装置，它使用一维纳米材料或者准一维纳米材料作为电极材料，由于此类纳米材料的电场收敛效应远大于常规电晕放电系统中的极化电极，因此，能够极大地降低局部自持放电的工作电压，增加电离效率。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括单级加速电极，所述加速电极由镂空电极、极化电极阵列、流道侧壁、极化电极阵列连线、镂空电极连线五个部分组成，五个部分全部设置于基片表面之上；

极化电极阵列包括数量大于二的多个分立的平面极化电极组成，每两个平面极化电极之间，存在气体间隙使其相互隔离，其中每一个分立的平面极化电极的电极材料，是导体性或者半导体性的、长径比大于10的大长径比电极材料，电极材料具有带状、针状、管状或者条状的形状特征，其长度方向平行于基片；

流道侧壁位于极化电极阵列的两侧，设置于基片之上，流道侧壁必须与极化电极阵列和镂空电极相互绝缘；

极化电极阵列连线与极化电极阵列中每个平面极化电极的一端相连，使得每个平面极化电极的电极材料可以通过极化电极阵列连线与外部电路实现电连接，极化电极阵列连线与镂空电极和流道侧壁不接触；

镂空电极设置必须满足四个特征：一、镂空电极设置于极化电极阵列的一端，这一端没有与极化电极阵列连线相互连接，并且，镂空电极与极化电极阵列的末端之间存在气体间隙，二、镂空电极具有薄壁特征，镂空电极垂直于基片表面的薄壁平面与极化电极阵列中电极材料的长度方向相互垂直，三、当极化电极阵列末端邻近的气体间隙中发生气体电离，荷电的气流必须能够部分地通过镂空电极的镂空部分，四、镂空电极与流道侧壁相互绝缘；

镂空电极连线使得镂空电极与外电路实现电连接。

当本发明包含上述的两个以上的单级加速电极，可以构成多级片上离子射流装置，两个以上的单级加速电极在基片上依次排列，每两个相邻的单级加速电极各个部件的结构设置必须具有如下特征：一、通过其中一个单级加速电极的镂空电极的镂空部分，可以实现荷电气流向相邻的另一个单级加速电极中的流动，二、在每个单级加速电极中，极化电极阵列的电极材料的长度方向是相互平行的，并且，每个单级加速电极的镂空电极薄壁平面均相互平行，三、在垂直于极化电极阵列的电极材料长度方向的投影图上，其中一个单级加速电极的极化电极阵列中任何一个分立的平面极化电极的投影图形，都必须不能处于另一个单级加速电极的镂空电极的镂空部分之中。

所述的大长径比电极材料，包括一维纳米材料和准一维纳米材料，如果电极材料不是由原位制造工艺制备的，则电极材料与基片之间布置有单层或多层的金属层。

所述的一维纳米材料，包括碳纳米管、碳化硅纳米线、金属纳米线、金属氮化物纳米线或者金属氧化物纳米线中一种。

所述的基片上可以设置流道，流道具有凹槽结构，并且必须满足如下特征：在垂直于镂空电极薄壁表面的方向上，对于任何一个位置的截面，极化电极阵列、镂空电极、流道侧壁、极化电极连线和镂空电极连线，均处于凹槽结构的顶部。

所述的基片，如果是导体材料或者是半导体材料，必须与基片上离子射流装置的所有组件之间相互绝缘。

所述的镂空电极或者是半导体材料、导体材料，或者是表面覆盖有导体材料薄膜的绝缘材料，同时，至少在面向极化电极阵列一侧的表面，必须设置有绝缘层。

所述的镂空电极的镂空部分，与极化电极阵列中的每一个分立的平面极化电极必须满足下述关系：在从垂直于镂空电极薄壁表面的平面上，镂空电极的镂空部分的投影图形，必须能够把每一个与其对应的分立的极化电极的投影图形完全包括，两种投影图形的外轮廓必须不相交、不相切，而是两者之间存在间隙。

所述的流道侧壁，可以由两个完整的薄壁结构组成，也可以由两个部分镂空的薄壁结构组成，可以是绝缘材料，或者是表面覆盖有绝缘层的导体材料或者半导体材料，如果基片是半导体或者导体，必须与基片也相互绝缘。

本发明所提供的离子射流装置，可以构成单级和多级两种具体结构，在单级结构的条件下，极化电极阵列和镂空电极通过相应的电极连线被施以电压，当所产生的电场强度超过电极间隙中的气体局部自持放电的临界电场强度时，由极化电极阵列邻近区域的离子射流效应产生离子风，流道侧壁的平面形状和高度都可以作为调节离子风流场的方式，在芯片冷却应用中，流道侧壁也可以作为热沉的鳍片。由于离子风可以穿过镂空电极的孔洞，因此，如果在单级离子射流单元的基础上，在其镂空电极邻近区域再加入结构类似的另一个射流单元，就可以将离子风进一步加速，其方法是在该单元的极化电极阵列和镂空电极之间，施加电压使得电场矢量与离子风流向存在相同方向的分量，这样，离子风一方面可以继续被这一级单元的电场加速，一方面可以继续被这一单元的极化电极阵列电离，从而达到增加离子风荷电量和加速距离的双重效果。因此，本发明所提供的技术方案，既可以构成单级的片上离子射流装置，又可以构成多级的离子射流装置。

与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：

首先，本发明使用一维纳米材料或者准一维纳米材料作为电极材料，由于此类纳米材料的电场收敛效应远大于常规电晕放电系统中的极化电极，因此，能够极大地降低局部自持放电的工作电压，增加电离效率。

其次，本发明提供一种平面化的装置结构，其特征也有利于使用MEMS工艺加工制造，在离子风散热装置中，该结构特征更适于与具有微型沟槽特征的散热鳍片集成，并适合于起到降低热沉与气流边界层粘滞系数的作用；在其他领域中，利于与其他类型的微结构集成制造，例如在一个柔性基片上制造微型飞行器结构的同时，将离子射流推进器集成制造于飞行器的表面。

最后，本发明可以通过设置多级式的离子射流结构，使得电场能量的使用效率提高，起到在相同电压、相同装置尺寸条件下，同时提高离子射流流速和离子射流质量流量的重要效果，这对于冷却装置抑或推进装置而言，都是很重要的。

附图说明

图1为本发明所提供装置结构的三维45度视角结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为图1的前视图；

图中：1为基片，102为极化电极阵列，103为镂空电极，104为流道侧壁，105为极化电极阵列连线，106为镂空电极连线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例实现了12个制作于柔性基片上的、多级片上离子射流装置，共包括六个单级加速电极，每两个相邻的单级加速电极的结构如图1、图2、图3所示意。

所述的单级加速电极，由镂空电极103、极化电极阵列102、流道侧壁104、极化电极阵列连线105、镂空电极连线106五个部分组成，五个部分全部设置于基片1的表面之上；

极化电极阵列102包括数量大于二的多个分立的平面极化电极组成，每两个平面极化电极之间，存在气体间隙使其相互隔离，其中每一个分立的平面极化电极的电极材料，是导体性或者半导体性的、长径比大于10的大长径比电极材料，电极材料具有带状、针状、管状或者条状的形状特征，其长度方向平行于基片；

流道侧壁104位于极化电极阵列102的两侧，设置于基片1之上，可以由两个完整的薄壁结构组成，也可以由两个部分镂空的薄壁结构组成，流道侧壁104必须与极化电极阵列102和镂空电极103相互绝缘，同时，如果基片1是半导体或者导体，必须与基片1也相互绝缘；

极化电极阵列连线105与极化电极阵列102中每个平面极化电极的一端相连，使得每个平面极化电极的电极材料可以通过极化电极阵列连线105与外部电路实现电连接，极化电极阵列连线105与镂空电极102和流道侧壁104不接触；

镂空电极103的设置必须满足四个特征：一、镂空电极103设置于极化电极阵列102的一端，这一端没有与极化电极阵列连线105相互连接，并且，镂空电极103与极化电极阵列102的末端之间存在气体间隙，二、镂空电极103具有薄壁特征，镂空电极103垂直于基片1表面的薄壁平面与极化电极阵列102中电极材料的长度方向相互垂直，三、当极化电极阵列102末端邻近的气体间隙中发生气体电离，荷电的气流必须能够部分地通过镂空电极103的镂空部分，四、镂空电极103与流道侧壁104相互绝缘；

镂空电极连线106使得镂空电极103与外电路实现电连接；

所述的多级加速电极包括数量至少大于二的多个单级加速电极，这些单级加速电极在基片1上依次排列，每两个相邻的单级加速电极各个部件的结构设置必须具有如下特征：一、通过其中一个单级加速电极的镂空电极103的镂空部分，可以实现荷电气流向相邻的另一个单级加速电极中的流动，二、在每个单级加速电极中，极化电极阵列102的电极材料的长度方向是相互平行的，并且，每个单级加速电极的镂空电极103薄壁平面均相互平行，三、在垂直于极化电极阵列102的电极材料长度方向的投影图上，其中一个单级加速电极的极化电极阵列102中任何一个分立的平面极化电极的投影图形，都必须不能处于另一个单级加速电极的镂空电极103的镂空部分之中。

其中，基片1为一种柔性的绝缘树脂；极化电极阵列102的电极材料为长径比约等于2000的Cr准纳米线，每两个Cr准纳米线之间都是由氧化铝填充，准纳米线的长度方向与基片表面平行，对于相邻的两个单级加速电极，其中一个单级加速电极中分立的平面极化电极共有四个，与其相邻的另一个单级加速电极中分立的平面极化电极共有五个，分立的平面极化电极端部面积均为30μm(宽度)×5μm(高度)；镂空电极103镂空部分的设置，使得被局部电离的气体能够在两种加速电极之间流通，镂空电极为Cu，表面有约为几百纳米厚度的氧化层，其高度为300μm，厚度为45μm；流道侧壁104也是由Cu组成，表面氧化层厚度约为几百纳米，其高度为300μm，厚度为85μm。

该装置在常压空气中进行了放电测试，并进行了推力测试。推力的测试方法是将该射流装置和若干个0.5g的轻质塑料片共同放在天平的一个托盘上，然后将柔性基片垂直地立在其中一个塑料片上，使得离子射流的方向垂直向下，在天平托盘的另一端放置砝码，使得轻质塑料片和射流装置的总质量为5g，亦即另一端的砝码总重5g，这样，当射流装置产生推力，就会使得有砝码一端的天平托盘质量大于另一端，并可以换算出推力的大小。在六级加速电极的极化电极阵列102和镂空电极103之间施加相同的电压降，均为120V，并使得六级加速电极上的加载电压由高到低单调下降。测试结果表明，放电为暗放电，放电过程稳定，总放电电流为127μA，所产生的推力约为192mN。

实验结果表明，本发明所提供的技术方案，能够应用于柔性、轻质基片上，因此在制造工艺兼容于微电子加工技术的微飞行器技术领域中，应用前景十分广阔。其放电过程稳定、工作电压比现有同类技术低一个数量级。

实施例2

本实施例描述了一个以流道侧壁104为散热鳍片的冷却装置，多级片上离子射流装置(包括用作鳍片的流道侧壁)设置于硅基片的表面，同时包括六个单级加速电极，构成多级式片上离子射流装置，任意两个相邻的加速电极的电极结构如图1、图2、图3所示意，具体说明如实施例1所述。

其中，基片1表面有一层约2微米厚度的氧化硅绝缘层，与基片1上离子射流装置的所有组件之间相互绝缘，基片1上设置有流道沟槽104，沟槽宽度为300μm，深度为30μm。极化电极阵列102的结构和材料设置与实施例1相同。流道侧壁104高度为420μm，厚度为50μm，材料为单晶硅，表面覆盖有2μm厚度的氧化硅。镂空电极103镂空部分的设置，使得被局部电离的气体能够在任意两个相邻的单级加速电极之间流通，电极材料为硅，表面氧化层厚度为2μm，其高度为420μm，厚度为50μm。电极间隙平均约为23μm。

在工作时，在六个单级加速电极的极化电极阵列102和镂空电极103之间施加相同的电压降，均为120V，并使得六个单级加速电极上的加载电压由高到低单调下降。测试结果表明，放电为暗放电，放电过程稳定，总放电电流为127μA，通过对芯片表面温度进行测量，发现在存在风扇作为另一个空气的强制对流源的条件下，本发明所提供方案使得整个冷却装置的降温效果提高了约9倍。与使用常规双极结构的情况相比，工作电压下降了一个数量级，并大大提高了效率、节省了能耗。

实施例3

本实施例描述了一个以流道侧壁为散热鳍片的冷却装置，与实施例2的不同在于设置了单级的片上离子射流装置。

在该单级射流装置的极化电极阵列102与镂空电极103之间施加300V的电压降，通过对芯片表面温度进行测量，发现在存在风扇作为另一个空气的强制对流源的条件下，本发明所提供方案使得整个冷却装置的降温效果提高了约2倍。与实施例2的效果对比，说明了多级式结构的离子射流效率更高，能够产生更大的风速和离子质量流速，但是单级设置结构更简单、更微小，更能够适用于对冷却装置所占用空间大小非常敏感的领域之中。

Claims (10)

1.一种片上离子射流装置，其特征在于，包括单级加速电极，所述加速电极由镂空电极、极化电极阵列、流道侧壁、极化电极阵列连线、镂空电极连线五个部分组成，五个部分全部设置于基片表面之上，其中：

极化电极阵列包括数量大于二的多个分立的平面极化电极组成，每两个平面极化电极之间，存在气体间隙使其相互隔离，其中每一个分立的平面极化电极的电极材料，是导体性或者半导体性的、长径比大于10的大长径比电极材料，电极材料具有带状、针状、管状或者条状的形状特征，其长度方向平行于基片；

流道侧壁位于极化电极阵列的两侧，设置于基片之上，流道侧壁必须与极化电极阵列和镂空电极相互绝缘；

极化电极阵列连线与极化电极阵列中每个平面极化电极的一端相连，使得每个平面极化电极的电极材料可以通过极化电极阵列连线与外部电路实现电连接，极化电极阵列连线与镂空电极和流道侧壁不接触；

镂空电极设置于极化电极阵列的一端，这一端没有与极化电极阵列连线相互连接，且镂空电极与极化电极阵列的末端之间存在气体间隙；镂空电极具有薄壁特征，镂空电极垂直于基片表面的薄壁平面与极化电极阵列中电极材料的长度方向相互垂直，当极化电极阵列末端邻近的气体间隙中发生气体电离，荷电的气流能够部分地通过镂空电极的镂空部分，镂空电极与流道侧壁相互绝缘；

镂空电极连线使得镂空电极与外电路实现电连接。

2、根据权利要求1所述的片上离子射流装置，其特征是，所述单级加速电极数目为两个以上时，构成多级片上离子射流装置，单级加速电极在基片上依次排列，每两个相邻的单级加速电极各个部件的设置具有如下特征：

一、通过其中一个单级加速电极的镂空电极的镂空部分；

二、在每个单级加速电极中，极化电极阵列的电极材料的长度方向是相互平行的，并且，每个单级加速电极的镂空电极薄壁平面均相互平行；

三、在垂直于极化电极阵列的电极材料长度方向的投影图上，其中一个单级加速电极的极化电极阵列中任何一个分立的平面极化电极的投影图形，都处于另一个单级加速电极的镂空电极的镂空部分之外。

3、根据权利要求1所述的片上离子射流装置，其特征是，所述的大长径比电极材料，包括一维纳米材料和准一维纳米材料，如果电极材料不是由原位制造工艺制备的，则电极材料与基片之间布置有单层或多层的金属层。

4、根据权利要求1所述的片上离子射流装置，其特征是，所述的一维纳米材料，包括碳纳米管、碳化硅纳米线、金属纳米线、金属氮化物纳米线或者金属氧化物纳米线中一种。

5、根据权利要求1所述的片上离子射流装置，其特征是，所述的基片上设置流道，流道具有凹槽结构，并且必须满足如下特征：在垂直于镂空电极薄壁表面的方向上，对于任何一个位置的截面，极化电极阵列、镂空电极、流道侧壁、极化电极连线和镂空电极连线，均处于凹槽结构的顶部。

6、根据权利要求1或5所述的片上离子射流装置，其特征是，所述的基片，如果是导体材料或者是半导体材料，必须与基片上离子射流装置的所有组件之间相互绝缘。

7、根据权利要求1所述的片上离子射流装置，其特征是，所述的镂空电极是半导体材料、导体材料，或者是表面覆盖有导体材料薄膜的绝缘材料，同时，至少在面向极化电极阵列一侧的表面，设置有绝缘层。

8、根据权利要求1所述的片上离子射流装置，其特征是，所述的镂空电极的镂空部分，与极化电极阵列中的每一个分立的平面极化电极必须满足下述关系：在从垂直于镂空电极薄壁表面的平面上，镂空电极的镂空部分的投影图形，必须能够把每一个与其对应的分立的极化电极的投影图形完全包括，两种投影图形的外轮廓之间存在间隙。

9、根据权利要求1所述的片上离子射流装置，其特征是，所述的流道侧壁，由两个完整的薄壁结构组成，或由两个部分镂空的薄壁结构组成。

10、根据权利要求1或9所述的片上离子射流装置，其特征是，所述的流道侧壁，是绝缘材料，或者是表面覆盖有绝缘层的导体材料或者半导体材料，如果基片是半导体或者导体，必须与基片也相互绝缘。

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