CN105451383A - 电磁感应微加热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种电磁感应微加热装置，包括线圈层、发热层和薄膜；所述线圈层上开设有线圈微流道，所述发热层上靠近所述线圈层的一侧开设有发热微腔道；所述薄膜位于所述线圈层和发热层之间，用于隔开所述线圈微流道和发热微腔道；所述线圈微流道和发热微腔道通过灌注填充导电液体形成产磁线圈和发热导体，所述产磁线圈在高频电流作用下产生高频磁场穿过发热微腔道，使发热导体内部形成涡流型电流；涡流型电流可使发热导体产生电阻焦耳热，升高温度作为MEMS芯片微尺度空间加热元。与现有的在MEMS芯片基底材料上通过沉积、溅射等工艺形成固态金属薄膜，通过固态金属薄膜实现电磁感应微加热相比，本发明的电磁感应微加热装置，实现工艺简单、成本较低。

Description

电磁感应微加热装置
技术领域
本发明涉及微机电系统领域，具体涉及一种电磁感应微加热装置。
背景技术
电磁感应加热(ElectromagneticInductionHeating)是一种利用电磁感应原理将电能转换为热能的加热技术。这种加热技术利用高频电流流过导体线圈产生高频磁场，该高频磁场穿过线圈中间或附近的磁性导体在其内部产生涡流型电流，进而使磁性导体在涡电流焦耳热作用下自发热升温。这种加热技术已广泛应用于电磁炉、金属冶炼炉、金属表面热处理、金属镀膜、焊接等众多工业场合。
相比传统电阻焦耳加热方式，电磁感应加热具有加热效率高速度快、控制简单、使用寿命长等优点。另外，电磁感应加热还具有能够实现设备内部狭小空间的局部精确加热能力。为此，近年来电磁感应加热技术在MEMS(微机电系统)领域得到广泛关注，已在MEMS芯片片上微尺度空间加热方面有了应用。
在MEMS应用领域，电磁感应加热通常需要将产磁线圈和导磁导体同时集成到芯片上，形成电磁感应微加热装置，以实现MEMS芯片的结构紧凑和微型化设计。在MEMS芯片中，产磁线圈和导磁导体目前多采用固态金属(如铂Pt、金Au、铜Cu、铁Fe、镍Ni等)材料制作，二者以沉积、溅射、电镀薄膜的形式集成在芯片基底两侧。但是固态金属薄膜制作工艺复杂、设备昂贵、操作耗时，大大增加了MEMS芯片利用电磁感应微加热的成本。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种电磁感应微加热装置，实现工艺简单、成本较低。
为此目的，本发明提出一种电磁感应微加热装置，包括：
线圈层、发热层和薄膜；其中，
所述线圈层上开设有线圈微流道，所述发热层上靠近所述线圈层的一侧开设有发热微腔道，所述线圈微流道和发热微腔道通过灌注填充导电液体形成产磁线圈和发热导体，所述线圈微流道中的灌注入口插入有导线，用于接入脉冲电源正极，所述线圈微流道中的灌注出口插入有导线，用于接入脉冲电源负极；所述薄膜位于所述线圈层和发热层之间，用于隔开所述线圈微流道和发热微腔道。
本发明实施例所述的电磁感应微加热装置，与现有技术中的固态金属(如铂Pt、金Au、铜Cu、铁Fe、镍Ni等)作为材料，通过沉积、溅射、电镀等昂贵且复杂工艺制作产磁线圈和发热导体相比，本发明实施例提供的电磁感应微加热装置结构紧凑、制造方便、成本较低。
附图说明
图1为为本发明实施例提供的一种电磁感应微加热装置的结构示意图(主视图)；
图2为本发明实施例提供的一种电磁感应微加热装置中线圈微流道的较佳结构示意图(俯视图)；
图3为本发明实施例提供的一种电磁感应微加热装置中发热微腔道的较佳结构示意图(俯视图)。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提供的一种电磁感应微加热装置的结构示意图，图1中：1、线圈层，11、线圈微流道，12、线圈微流道灌注入口，13、线圈微流道灌注出口，2、发热层，21、发热微腔道，22、发热微腔道灌注入口，23、发热微腔道灌注出口，3、薄膜；图2为本发明实施例提供的一种电磁感应微加热装置中线圈微流道的较佳结构示意图，A、单个圆形弧状微流道，B、单个矩形弧状微流道，C、螺旋圆形环状微流道，D、螺旋矩形环状微流道；图3为本发明实施例提供的一种电磁感应微加热装置中发热微腔道的较佳结构示意图，A、圆形微腔道，B、矩形微腔道，C、单个圆形环状微腔道，D、单个矩形环状微腔道，参看图1-3，本实施例公开一种电磁感应微加热装置，包括：
线圈层1、发热层2和薄膜3；其中，
所述线圈层1上开设有线圈微流道11，所述发热层2上靠近所述线圈层1的一侧开设有发热微腔道21，所述线圈微流道11和发热微腔21道通过灌注填充导电液体形成产磁线圈和发热导体，所述线圈微流道中的灌注入口插入有导线，用于接入脉冲电源正极，所述线圈微流道中的灌注出口插入有导线，用于接入脉冲电源负极；所述薄膜3位于所述线圈层1和发热层2之间，用于隔开所述线圈微流道11和发热微腔道21。使用时，灌注填充有导电液体的线圈微流道1中的灌注入口12和灌注出口13分别通过导线接入脉冲电源正、负极，在脉冲电源提供的高频电压或电流作用下产生高频磁场；高频磁场穿过发热微腔道21使发热微腔道21内发热导体内部产生涡流型电流；发热微腔道21内发热导体相当于微型薄膜电阻器，在涡流型电流作用下获得焦耳热温度升高，起到加热作用。
本发明实施例所述的电磁感应微加热装置，采用导电液体通过简单的灌注方式制作电磁感应线圈和发热导体，与现有技术中的固态金属(如铂Pt、金Au、铜Cu、铁Fe、镍Ni等)作为材料，通过沉积、溅射、电镀等昂贵且复杂工艺制作产磁线圈和发热导体相比，本发明实施例提供的电磁感应微加热装置结构紧凑、制造方便、成本较低。
进一步地，导电液体可选择低熔点金属、熔融盐或金属粉末悬浮液等。
具体地，低熔点金属为熔点在200℃以下的金属，如汞、镓、镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、铋铟锡合金、铋铟锡锌合金等。优先地，选择镓或镓合金作为电磁感应微加热装置线圈和发热导体的制作材料。镓对几乎所有材质微流道壁面都具有较好润湿性能，镓或镓合金也很容易采用灌注方式灌入预制好的微流道或微腔道内，形成稳定微结构。另外镓中添加微量镓氧化物(质量比为0.25％～1％氧化镓)可明显改变其电阻率，利用这一特性容易实现发热导体加热温度范围的调控，同时无需更换线圈或外置高频电源；也就是说，只需通过简单灌注方式重新灌注所需电阻率的镓或镓合金，就可以在不更换线圈或外置高频电源的情况下可获得所需温度范围的加热，这种加热调控方式操作快捷且成本低廉。
可选择地，低熔点金属中还可均匀掺入体积比为0.1％～0.5％的铁、镍或铁镍合金等纳米粉末，以增强低熔点金属导磁性，提高加热效率。
优先地，所述金属粉末悬浮液选择铁、镍或铁镍合金等粉末悬浮液，金属粉末通过超声等操作均匀混于有机易挥发试剂形成金属粉末悬浮液，悬浮液通过灌注方式注入线圈微流道11和发热微腔道21形成线圈和发热导体。悬浮液中有机易挥发试剂经加热挥发，金属粉末沉积于线圈微流道11和发热微腔道21底部形成稳定的固态金属粉末线圈和发热导体。
可选地，在本发明电磁感应微加热装置的另一实施例中，所述低熔点金属为添加有质量比为0.25％～1％的氧化镓的镓。
可选地，在本发明电磁感应微加热装置的另一实施例中，所述低熔点金属掺入有体积比为0.1％～0.5％的铁、镍或铁镍合金。
可选地，在本发明电磁感应微加热装置的另一实施例中，所述金属纳米颗粒有机易挥发溶剂悬浮液所使用的金属粉末为铁、镍或铁镍合金。
可选地，在本发明电磁感应微加热装置的另一实施例中，所述线圈微流道11、发热微腔道21和薄膜3采用MEMS微机械加工方法制作和封装，所述线圈微流道11的高度为0.5μm～500μm，所述发热微腔道21的高度为0.5μm～50μm，所述线圈微流道11、发热微腔道21和薄膜3采用等离子键合方式进行永久性封装。
具体地，线圈微流道11和发热微腔道21均可以采用刻蚀工艺制成。
进一步地，线圈微流道11可以设计成N(N为大于或等于1的整数)圈螺旋圆形或矩形环状，还可以设计成(M为大于或等于1的整数)个微流道并联形成的圆形或矩形弧状；线圈微流道11可以设计成共面的，也可以设计成非共面多层结构。优先地，线圈微流道11设计成共面螺旋圆形环状或并联圆形弧状，同时保持流道间缝隙与流道宽度相同，以使芯片结构紧凑，线圈产生的最高强度高频磁场始终处在线圈中轴线上。线圈微流道11内灌注填充导电液体后，灌注入口12和灌注出口13插入导线引入电源正负极，引线接口处由硅橡胶密封。
进一步地，发热微腔道21可以设计成圆形、长方形、矩形，也可以设计成X(X为大于或等于1的整数)圈共面螺旋圆形或矩形环状(在片外用导线将灌注入口和灌注出口串联)，还可以由Y(Y为大于或等于1的整数)个圆形或矩形环状微腔道串联构成。优先地，发热微腔道21设计成圆形或圆形环状串联形式。发热微腔道21内灌注填充导电液体后，灌注入口22和灌注出口23由硅橡胶密封。
进一步地，线圈微流道11与发热微腔道21相互平行，线圈微流道11区域大于发热微腔道21区域，同时二者中心对准，以使线圈产生的磁场最大限度地作用于发热导体。
进一步地，线圈层1、发热层2和薄膜3的材料均为PDMS(聚二甲基硅氧烷)、PMMA(超细聚甲基丙烯酸甲酯粉)、石英或硅。具体地，发热层2采用的材料优选为PMMA、石英或硅。PMMA、石英或硅的热导率较大，有利于发热导体对外部加热目标的加热。薄膜3的厚度可以根据实际需要选择设置厚度。优先地，薄膜3的材料选为低热导率柔性PDMS，以减少发热层向线圈层的热量传递，并通过旋涂工艺制作，这样可以获得2μm～100μm宽厚度范围的薄膜3。
由于金属电阻随温度变化而变化，本实施例中发热微腔道21内低熔点金属或金属粉末还可选择作为热电阻反映其自身温度，并可选择用于反馈调控电源对线圈高频电压或电流的输出大小。
本发明实施例提供的电磁感应微加热装置，不仅可以作为单独的微加热器，将上侧表面贴附于MEMS芯片需加热区域为片上微尺度空间提供加热功能，此时发热层2厚度尽可能小(略大于发热微腔道高度)，以减小发热微腔道21向MEMS芯片传递热量的热阻；还可以作为MEMS芯片的一部分集成到片内，可选择地将发热微腔道21集成设计在芯片上需加热区域(如微流控芯片内样本试剂微流道)两侧。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种电磁感应微加热装置，其特征在于，包括：
线圈层、发热层和薄膜；其中，
所述线圈层上开设有线圈微流道，所述发热层上靠近所述线圈层的一侧开设有发热微腔道，所述线圈微流道和发热微腔道通过灌注填充导电液体形成产磁线圈和发热导体，所述线圈微流道中的灌注入口插入有导线，用于接入脉冲电源正极，所述线圈微流道中的灌注出口插入有导线，用于接入脉冲电源负极；所述薄膜位于所述线圈层和发热层之间，用于隔开所述线圈微流道和发热微腔道。
2.根据权利要求1所述的电磁感应微加热装置，其特征在于，所述导电液体为熔点在200℃以下的金属、液态的盐类或金属纳米颗粒有机易挥发溶剂悬浮液。
3.根据权利要求2所述的电磁感应微加热装置，其特征在于，所述低熔点金属为添加有质量比为0.25％～1％的氧化镓的镓。
4.根据权利要求2所述的电磁感应微加热装置，其特征在于，所述低熔点金属掺入有体积比为0.1％～0.5％的铁、镍或铁镍合金。
5.根据权利要求2所述的电磁感应微加热装置，其特征在于，所述金属纳米颗粒有机易挥发溶剂悬浮液所使用的金属粉末为铁、镍或铁镍合金。
6.根据权利要求1所述的电磁感应微加热装置，其特征在于，所述线圈微流道、发热微腔道和薄膜采用MEMS微机械加工方法制作和封装，所述线圈微流道的高度为0.5μm～500μm，所述发热微腔道的高度为0.5μm～50μm，所述线圈微流道、发热微腔道和薄膜采用等离子键合方式进行永久性封装。
7.根据权利要求6所述的电磁感应微加热装置，其特征在于，所述线圈层的制作材料为PDMS、PMMA、石英或硅，所述发热层的制作材料为PMMA、石英或硅，所述薄膜采用旋涂工艺制作，制作材料为PDMS。
8.根据权利要求1所述的电磁感应微加热装置，其特征在于，所述线圈微流道与发热微腔道相互平行，所述线圈微流道区域大于所述发热微腔道区域，且二者中心对准。
9.根据权利要求1所述的电磁感应微加热装置，其特征在于，所述线圈微流道由N圈共面螺旋圆形或矩形环状微流道组成，或者由M个圆形或矩形弧状微流道并联形成，其中，N和M为大于或等于1的整数。
10.根据权利要求1所述的电磁感应微加热装置，其特征在于，所述发热微腔道由X圈共面螺旋圆形或矩形环状微腔道组成，或者由Y个同心不同径的圆形或矩形环状微腔道串联形成，其中，X和Y为大于或等于1的整数。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108185526A (zh) * 2018-01-03 2018-06-22 云南中烟工业有限责任公司 一种集成二极管温度传感器的mems发热芯片及其制造方法
CN108901095A (zh) * 2018-06-01 2018-11-27 刘志强 一种多级光伏电磁感应控制加热方法及其应用

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101547529A (zh) * 2009-05-08 2009-09-30 北京工业大学 一种微感应加热器
JP2010232066A (ja) * 2009-03-27 2010-10-14 Fuji Xerox Co Ltd 電磁誘導加熱体及びこれを用いた電磁誘導加熱装置、定着装置、画像形成装置
CN102789884A (zh) * 2012-06-21 2012-11-21 西安交通大学 一种石英材料内部的螺线管微电感的制备方法
CN103366915A (zh) * 2012-03-29 2013-10-23 中国科学院理化技术研究所 液态导体线圈装置
CN104437686A (zh) * 2013-09-18 2015-03-25 中国科学院理化技术研究所 微加热器

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010232066A (ja) * 2009-03-27 2010-10-14 Fuji Xerox Co Ltd 電磁誘導加熱体及びこれを用いた電磁誘導加熱装置、定着装置、画像形成装置
CN101547529A (zh) * 2009-05-08 2009-09-30 北京工业大学 一种微感应加热器
CN103366915A (zh) * 2012-03-29 2013-10-23 中国科学院理化技术研究所 液态导体线圈装置
CN102789884A (zh) * 2012-06-21 2012-11-21 西安交通大学 一种石英材料内部的螺线管微电感的制备方法
CN104437686A (zh) * 2013-09-18 2015-03-25 中国科学院理化技术研究所 微加热器

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108185526A (zh) * 2018-01-03 2018-06-22 云南中烟工业有限责任公司 一种集成二极管温度传感器的mems发热芯片及其制造方法
CN108185526B (zh) * 2018-01-03 2023-09-01 云南中烟工业有限责任公司 一种集成二极管温度传感器的mems发热芯片及其制造方法
CN108901095A (zh) * 2018-06-01 2018-11-27 刘志强 一种多级光伏电磁感应控制加热方法及其应用

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