CN105914189A - 微流控芯片散热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种微流控芯片散热装置，包括：半导体制冷结构及散热结构，半导体制冷结构包括依次设置的冷端液态金属层液态金属层、半导体制冷片以及热端液态金属层，其中，冷端液态金属层液态金属层包括第一腔室，热端液态金属层包括第二腔室，第一腔室以及第二腔室内均填充有液态金属，冷端液态金属层液态金属层以及热端液态金属层均与半导体制冷片紧密贴合。该装置利用液态金属作为导热介质将微流控芯片的热量导出，再经由散热结构将热量散发到外部环境中，相比于现有的导热介质，利用液态金属可以降低冷热两端热传导热阻，实现微流控芯片局部产热的快速冷却。且装置结构紧凑、热稳定性好、能源利用率高，具有很强的实用性。
Description
技术领域
本发明涉及微流控技术领域，特别是涉及一种微流控芯片散热装置。
背景技术
在微全分析应用中，微流控芯片上常集成有微泵、微阀、微混合器、微分离器、微反应器等样本试剂输运、混合、分离、反应等操作元器件。在目前电控占主导的微流控芯片操作中，芯片内部产热就在所难免。并且随着微流控技术的发展，这些元执行器件在芯片上的集成度越来越高，这就使得芯片产热问题愈发突出。
半导体制冷片由于具有尺寸小、重量轻、冷热调控快捷方便且无运动部件、无需制冷剂的优点，目前广泛应用于微流控芯片散热。在冷却实施装置中，半导体制冷片多布置在微流控芯片产热区域正下方，其冷端液态金属层与微流控芯片基底直接接触冷却产热区域，同时其热端液态金属层通过散热片将热量散发至环境中。为强化半导体制冷片冷、热两端分别与芯片和散热片之间的热传导能力，半导体制冷片冷端液态金属层与芯片中间、半导体制冷片热端液态金属层与散热片中间通常会利用导热浆、导热硅脂或导热胶作为热界面层。但是这些导热界面材料普遍存在热导率低、体积热容大、热稳定性差、易变质等问题，使得半导体制冷片制冷效率偏低，功耗大、散热速度慢。
发明内容
本发明的目的是提出一种微流控芯片散热装置，利用高热导率液态金属强化半导体制冷片冷热两端传热，实施微流控芯片内局部高产热区域(热点)的快速冷却。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种微流控芯片散热装置，包括：半导体制冷结构及散热结构，
所述半导体制冷结构包括依次设置的冷端液态金属层、半导体制冷片以及热端液态金属层，其中，所述冷端液态金属层包括第一腔室，所述热端液态金属层包括第二腔室，所述第一腔室以及第二腔室内均填充有液态金属，所述冷端液态金属层以及热端液态金属层均与所述半导体制冷片紧密贴合，在冷端液态金属层、半导体制冷片以及热端液态金属层的两端还设有用于支持所述半导体制冷结构的热绝缘支撑保护层；所述冷端液态金属层的外表面与待散热微流控芯片的基底贴合，贴合的位置与待散热微流控芯片的发热区域相对应，所述热端液态金属层的外表面与所述散热结构贴合；
冷端液态金属层第一腔室中的液态金属吸收待散热微流控芯片发热区域的热量，再经由半导体制冷片传递给所述热端液态金属层的第二腔室中的液态金属，所述第二腔室中的液态金属再将热量传递给散热结构，最后由所述散热结构将热量散发到环境中。
优选地，所述散热结构为梳状结构散热器，
所述梳状结构散热器的柄部与所述热端液态金属层的外表面贴合；
所述梳状结构散热器吸收热端液态金属层第二腔室中的液态金属携带的热量，并通过梳状结构散热器的散热齿片进行散热。
优选地，所述散热结构包括强迫对流散热器以及散热齿片，
所述强迫对流散热器包括两个热端导热腔，腔室中填充有液态金属，两个热端导热腔的两端通过连接管连通，连接管上还设置有电磁泵，用于带动两个热端导热腔的腔室中的液态金属循环流动；所述强迫对流散热器的其中一个热端导热腔与所述热端液态金属层的外表面贴合，另一个热端导热腔连接散热齿片；
与所述热端液态金属层的外表面贴合的热端导热腔吸收热端液态金属层中液态金属携带的热量，电磁泵带动两个热端导热腔的液态金属循环流动，使吸收的热量随着循环的液态金属传递至连接散热齿片的热端导热腔，再通过散热齿片进行散热。
优选地，所述散热结构还包括风扇，用于向散热齿片吹风从而加速散热。
优选地，所述散热结构还包括水浴，用于在内部盛有冷水时将散热齿片浸泡在冷水中从而加速散热。
优选地，所述冷端液态金属层21液态金属层以及热端液态金属层的厚度范围为0.5～5mm。
优选地，所述液态金属为室温下为液态的镓、镓铟合金、镓铟锡合金或镓铟锡锌合金。
优选地，所述液态金属中掺有纳米颗粒材料，所述纳米颗粒材料为铜、铝、银、镍或碳纳米管。
优选地，所述热端液态金属层中第二腔室外壁的材料为铜或铝，所述外壁的厚度不大于1mm，腔内厚度的范围为0.5～5mm。
优选地，所述装置包括多个半导体制冷结构，
最靠近所述待散热微流控芯片的半导体制冷结构的冷端液态金属层的外表面与待散热微流控芯片的基底贴合，最靠近所述散热结构的半导体制冷结构的热端液态金属层的外表面与所述散热结构贴合；
相邻两个半导体制冷结构中其中一个的冷端液态金属层和另一个的热端液态金属层相互贴合。
本发明提供的微流控芯片散热装置在半导体芯片两端设置有填充了液态金属的冷端液态金属层21液态金属层和热端液态金属层，通过冷端液态金属层21液态金属层和热端液态金属层中的液态金属将微流控芯片的热量导出，再经由散热结构将热量散发到外部环境中，相比于现有的导热浆、导热硅脂或导热胶，液态金属具有优异的热传导性能，用作半导体制冷片冷热两端热界面材料，可大大降低半导体制冷片冷热两端热传导热阻，实现微流控芯片局部产热的快速冷却。且装置结构紧凑、热稳定性好、能源利用率高，具有很强的实用性。
附图说明
图1是本发明提供的微流控芯片散热装置实施例结构示意图；
图2为本发明提供的微流控芯片散热装置又一实施例结构示意图；
图3为本发明提供的微流控芯片散热装置又一实施例结构示意图；
图4为本发明提供的微流控芯片散热装置又一实施例结构示意图；
图5为本发明提供的微流控芯片散热装置又一实施例结构示意图。
具体实施方式
以下实施方式进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属于本发明的范围。
本发明提供了一种微流控芯片散热装置实施例，如图1所示，包括：半导体制冷结构以及散热结构。
所述半导体制冷结构包括依次设置的冷端液态金属层21、半导体制冷片1以及热端液态金属层22，其中，所述冷端液态金属层21包括第一腔室，所述热端液态金属层22包括第二腔室，所述第一腔室以及第二腔室内均填充有液态金属，所述冷端液态金属层21以及热端液态金属层22均与所述半导体制冷片1紧密贴合，在冷端液态金属层21、半导体制冷片1以及热端液态金属层22的两端还设有用于支持所述半导体制冷结构的热绝缘支撑保护层3；所述冷端液态金属层21的外表面与待散热微流控芯片41的基底42贴合，贴合的位置与待散热微流控芯片的发热区域43相对应，所述热端液态金属层22的外表面与所述散热结构5贴合；
冷端液态金属层21第一腔室中的液态金属吸收待散热微流控芯片发热区域43的热量，再经由半导体制冷片1传递给所述热端液态金属层22的第二腔室中的液态金属，所述第二腔室中的液态金属再将热量传递给散热结构5，最后由所述散热结构5将热量散发到环境中。
本发明实施例提供的微流控芯片散热装置在半导体芯片两端设置有填充了液态金属的冷端液态金属层21液态金属层和热端液态金属层，通过冷端液态金属层21液态金属层和热端液态金属层中的液态金属将微流控芯片的热量导出，再经由散热结构将热量散发到外部环境中，相比于现有的导热浆、导热硅脂或导热胶，液态金属具有优异的热传导性能，用作半导体制冷片冷热两端热界面材料，可大大降低半导体制冷片冷热两端热传导热阻，实现微流控芯片局部产热的快速冷却。且装置结构紧凑、热稳定性好、能源利用率高，具有很强的实用性。
在具体实施时，本发明实施例提供的散热结构可以通过以下多种方式实现，从而能够针对不同的芯片产热情况，选择合适的散热结构。
(1)第一种实现方式
当微流控芯片中局部产热区域43的温度低于40℃时，散热结构5可以为如图2所示的梳状结构散热片51。
具体来说，产热微流控芯片内部存在局部产热区域43；液态金属强化的半导体制冷片散热部件布置在微流控芯片中局部产热区域43正下方，其冷端液态金属层21与微流控芯片基底42直接接触，冷却微流控芯片局部产热区域43。在液态金属强化的半导体制冷片散热部件中，冷端液态金属层21和热端液态金属层22分别布置在半导体制冷片1上、下两侧，与半导体制冷片1冷端液态金属层21和热端液态金属层22紧密接触，以强化半导体制冷片冷端液态金属层21和热端液态金属层22界面导热；半导体制冷片1的热端液态金属层22直接通过梳状结构散热片51自然地对流向环境散发热量。具体地，梳状结构散热片51的梳柄部与热端液态金属层22的外表面贴合，通过第二腔室中的液态金属将热量传递给梳状结构散热片的梳柄部，并通过梳状结构散热片的齿片进行散热。可以理解的是，采取这种散热结构能够在芯片发热量较少的情况下对芯片进行有效散热，且整个装置结构紧凑、热稳定性好、能源利用率高，具有很强的实用性，具有很强的实用性。
(2)第二种实现方式
当微流控芯片中局部产热区域43的温度低于60℃时，如图3所示，散热结构5可以包括强迫对流散热器52以及散热齿片53，
强迫对流散热器52包括两个热端导热腔521，腔室中填充有液态金属，两个热端导热腔521的两端通过连接管522连通，连接管522上还设置有电磁泵523，用于带动两个热端导热腔的腔室中的液态金属循环流动；强迫对流散热器的其中一个热端导热腔521与热端液态金属层22的外表面贴合，另一个热端导热腔521连接散热齿片53；
具体来说，液态金属强化的半导体制冷片散热部件布置在微流控芯片中局部产热区域43正下方，其冷端液态金属层21与微流控芯片基底42直接接触，冷却微流控芯片局部产热区域43。在液态金属强化的半导体制冷片散热部件中，冷端液态金属层21和热端液态金属层22分别布置在半导体制冷片1上、下两侧，与半导体制冷片1冷端液态金属层21和热端液态金属层22紧密接触，以强化半导体制冷片冷端液态金属层21和热端液态金属层22界面导热；半导体制冷片1热端液态金属层22先通过强制对流散热的液态金属流动将热量快速传递至强迫对流散热器52。强迫对流散热器52与热端液态金属层22的外表面贴合的热端导热腔521吸收热端液态金属层22中液态金属携带的热量，接着电磁泵523带动两个热端导热腔521的液态金属循环流动，从而使吸收的热量随着循环的液态金属传递至连接散热齿片的热端导热腔521，再通过散热齿片53进行散热。
本实施例提供的装置的散热结构中既包括与第一种实现方式类似的散热齿片，还包括强迫对流散热器，进一步加强了散热能力，使装置能够对产热量较高的芯片进行散热。此外，同样采用液态金属作为导热的媒介，可大大降低半导体制冷片冷热两端热传导热阻。相比空气、水、油等介质，液态金属用作半导体制冷片热端液态金属层热量强迫对流散热工质，可直接采用无声电磁泵驱动，实现快速消除芯片产热的目的。
(3)第三种实现方式
当微流控芯片中局部产热区域43的温度高于60℃时，为了进一步加强装置的散热能力，在第二种实现方式的基础上，如图4所示，散热结构5可以包括强迫对流散热器52以及散热齿片53，还包括风扇54，用于向散热齿片吹风从而加速散热。
具体来说，液态金属强化的半导体制冷片散热部件布置在微流控芯片中局部产热区域43正下方，其冷端液态金属层21与微流控芯片基底42直接接触，冷却微流控芯片局部产热区域43。在液态金属强化的半导体制冷片散热部件中，冷端液态金属层21和热端液态金属层22分别布置在半导体制冷片1上、下两侧，与半导体制冷片1冷端液态金属层21和热端液态金属层22紧密接触，以强化半导体制冷片冷端液态金属层21和热端液态金属层22界面导热；半导体制冷片1热端液态金属层22先通过强制对流散热的液态金属流动将热量快速传递至强迫对流散热器52。强迫对流散热器52与热端液态金属层22的外表面贴合的热端导热腔521吸收热端液态金属层22中液态金属携带的热量，接着电磁泵523带动两个热端导热腔521的液态金属循环流动，从而使吸收的热量随着循环的液态金属传递至连接散热齿片的热端导热腔521，再通过散热齿片53进行散热。风扇54位于散热齿片53散热部位，用于向该部分吹风从而加快散热齿片53的散热，进一步提升散热效果。
(4)第四种实现方式
同样地，当微流控芯片中局部产热区域43的温度高于60℃时，为了进一步加强装置的散热能力，在第二种实现方式的基础上，如图5所示，散热结构5可以包括强迫对流散热器52以及散热齿片53，还包括水浴55，用于向散热齿片吹风从而加速散热。
具体来说，液态金属强化的半导体制冷片散热部件布置在微流控芯片中局部产热区域43正下方，其冷端液态金属层21与微流控芯片基底42直接接触，冷却微流控芯片局部产热区域43。在液态金属强化的半导体制冷片散热部件中，冷端液态金属层21和热端液态金属层22分别布置在半导体制冷片1上、下两侧，与半导体制冷片1冷端液态金属层21和热端液态金属层22紧密接触，以强化半导体制冷片冷端液态金属层21和热端液态金属层22界面导热；半导体制冷片1热端液态金属层22先通过强制对流散热的液态金属流动将热量快速传递至强迫对流散热器52。强迫对流散热器52与热端液态金属层22的外表面贴合的热端导热腔521吸收热端液态金属层22中液态金属携带的热量，接着电磁泵523带动两个热端导热腔521的液态金属循环流动，从而使吸收的热量随着循环的液态金属传递至连接散热齿片的热端导热腔521，再通过散热齿片53进行散热。水浴54位于散热齿片53散热齿片53的下方，为了加速散热，将散热齿片53浸泡在盛有冷水的水浴54中，从而进一步提升散热效果。
通过上述四种方式，均可以实现对芯片的散热，且可以针对不同的芯片产热情况选择合适的散热结构进行散热。不难理解的是，上述实施例中的举例说明只是为了便于更好地理解本发明实施例提供的方法，并不能构成对本发明的具体限定。且上述的各个优选实施方式之间不会相互影响，各个优选实施方式之间的任意组合所得到的方案均应该落入本发明的保护范围。
在具体实施时，本发明实施例提供的微流控芯片散热装置可以包括多个半导体制冷结构。具体来说，最靠近所述待散热微流控芯片的半导体制冷结构的冷端液态金属层的外表面与待散热微流控芯片的基底贴合，最靠近所述散热结构的半导体制冷结构的热端液态金属层的外表面与所述散热结构贴合；相邻两个半导体制冷结构中其中一个的冷端液态金属层和另一个的热端液态金属层相互贴合。应当理解的是，通过将多级相同半导体制冷结构串联叠加，半导体制冷片中间依然用液态金属作粘附热界面层，也可实施微流控芯片散热装置。由于多级半导体制冷片的串联叠加，制冷能力大大提高，微流控芯片的散热能力也将会大大提升。
在具体实施时，所述液态金属为室温下为液态的镓、镓铟合金、镓铟锡合金或镓铟锡锌合金。优选地，所述液态金属中掺有纳米颗粒材料，所述纳米颗粒材料为铜、铝、银、镍或碳纳米管。镓或镓合金液态金属温变过程中体积变化极小，热稳定性极好。镓在空气中还可微弱氧化掺入少量氧化镓，这种氧化镓对芯片基底表面、半导体制冷片冷热两端表面、铜铝金属表面具有良好浸润性能，液态金属填充用作热界面层或散热流动工质不易混入气泡或空隙，有利于降低热阻、增强传热。
在实际应用时，所述冷端液态金属层以及热端液态金属层的厚度范围为0.5～5mm。所述热端液态金属层中第二腔室外壁的材料为铜或铝，所述外壁的厚度不大于1mm，腔内厚度的范围为0.5～5mm。所述半导体制冷片冷端液态金属层21液态金属层和半导体制冷片热端液态金属层厚度范围为0.5～5mm。所述自然空气冷却或强迫空气冷却或水浴冷却均在室温状态下进行。所述热端液态金属层22导热腔为高热导率铜或铝材质，腔壁厚度不超过1mm，腔内高度设定在0.5～5mm范围内。所述热端液态金属层22散热片为高热导率铜片或铝片，导热端液态金属层22厚度为2～5mm，所述散热齿片的长度为5～10mm，厚度0.5～1mm。所述热绝缘支撑保护层为绝热性能优异的硅橡胶封装材料，绝热保护层厚度不小于2mm。此外，所述微流控芯片流道层可为硅、石英、玻璃、PDMS、PMMS等材质。所述微流控芯片基底由导热性能良好的硅、石英或玻璃制作，基底厚度不超过1mm。可以理解的是，上述对于装置各个部件尺寸的说明只是一种优选的方式，并不构成对本发明的限定。
应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种微流控芯片散热装置，其特征在于，包括：半导体制冷结构及散热结构，
所述半导体制冷结构包括依次设置的冷端液态金属层、半导体制冷片以及热端液态金属层，其中，所述冷端液态金属层包括第一腔室，所述热端液态金属层包括第二腔室，所述第一腔室以及第二腔室内均填充有液态金属，所述冷端液态金属层以及热端液态金属层均与所述半导体制冷片紧密贴合，在冷端液态金属层、半导体制冷片以及热端液态金属层的两端还设有用于支持所述半导体制冷结构的热绝缘支撑保护层；所述冷端液态金属层的外表面与待散热微流控芯片的基底贴合，贴合的位置与待散热微流控芯片的发热区域相对应，所述热端液态金属层的外表面与所述散热结构贴合；
冷端液态金属层第一腔室中的液态金属吸收待散热微流控芯片发热区域的热量，再经由半导体制冷片传递给所述热端液态金属层的第二腔室中的液态金属，所述第二腔室中的液态金属再将热量传递给散热结构，最后由所述散热结构将热量散发到环境中。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述散热结构为梳状结构散热器，
所述梳状结构散热器的柄部与所述热端液态金属层的外表面贴合；
所述梳状结构散热器吸收热端液态金属层第二腔室中的液态金属携带的热量，并通过梳状结构散热器的散热齿片进行散热。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述散热结构包括强迫对流散热器以及散热齿片，
所述强迫对流散热器包括两个热端导热腔，腔室中填充有液态金属，两个热端导热腔的两端通过连接管连通，连接管上还设置有电磁泵，用于带动两个热端导热腔的腔室中的液态金属循环流动；所述强迫对流散热器的其中一个热端导热腔与所述热端液态金属层的外表面贴合，另一个热端导热腔连接散热齿片；
与所述热端液态金属层的外表面贴合的热端导热腔吸收热端液态金属层中液态金属携带的热量，电磁泵带动两个热端导热腔的液态金属循环流动，使吸收的热量随着循环的液态金属传递至连接散热齿片的热端导热腔，再通过散热齿片进行散热。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述散热结构还包括风扇，用于向散热齿片吹风从而加速散热。
5.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述散热结构还包括水浴，用于在内部盛有冷水时将散热齿片浸泡在冷水中从而加速散热。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述冷端液态金属层以及热端液态金属层的厚度范围为0.5～5mm。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述液态金属为室温下为液态的镓、镓铟合金、镓铟锡合金或镓铟锡锌合金。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述液态金属中掺有纳米颗粒材料，所述纳米颗粒材料为铜、铝、银、镍或碳纳米管。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述热端液态金属层中第二腔室外壁的材料为铜或铝，所述外壁的厚度不大于1mm，腔内厚度的范围为0.5～5mm。
10.如权利要求1-9所述的装置，其特征在于，所述装置包括多个半导体制冷结构，
最靠近所述待散热微流控芯片的半导体制冷结构的冷端液态金属层的外表面与待散热微流控芯片的基底贴合，最靠近所述散热结构的半导体制冷结构的热端液态金属层的外表面与所述散热结构贴合；
相邻两个半导体制冷结构中其中一个的冷端液态金属层和另一个的热端液态金属层相互贴合。
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