CN106017174B - 一种滴状冷凝且自集水的微制冷器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种滴状冷凝且自集水的微制冷器，具有上玻璃板、中间硅片和下玻璃板三层结构，上玻璃板和中间硅片健合形成冷凝器、蒸发器、液体管和蒸汽管，下玻璃板与中间硅片健合形成高温芯片传热区和冷却水管。本发明采用特定的棱台‑半球型微米和纳米双层异质结构修饰硅冷凝表面，使蒸汽能在冷凝器中迅速的冷凝成滴状液滴并且自发的集中到液体管附近，同时由众多毛细管组成的液体管提供较大的毛细驱动力将送入蒸发器吸收热量。本发明还涉及上述微制冷器的制造方法。本发明的具有结构新颖、体积小、重量轻、稳定性好、制冷性能优异的优点。
Description
技术领域
本发明涉及制冷器技术领域，尤其涉及一种滴状冷凝且自集水的微制冷器及其制造方法。
背景技术
现有的芯片级相变微型器设计方案主要采用微型毛细泵吸环路方案。该方案制作的微制冷器主要由蒸发器、冷凝器、蒸汽管、液体管、储液槽和填充区组成。微制冷器工作时，液体首先在蒸发器中蒸发成蒸汽，带走蒸发器热量，蒸汽经蒸汽管流向冷凝器，在冷凝器中凝结成液体，向外部环境放出热量，液体经液体管回流到蒸发器完成一个循环。填充区用来注入液体，储液槽用来储存多余的液体，蒸发器中产生的蒸汽为整个环路系统的连续流动提供驱动力。冷凝器和蒸发器在普通硅片层上的腔体采用MEMS工艺制作，蒸汽管和液体管的制作采用电化学刻蚀在硅片层上刻出沟槽后再与硅片盖板健合而成。上述微制冷器稳定传热功率为40W左右。
现有的芯片级微型毛细泵吸环路制冷器存在以下缺点：(1)冷凝面不是制定的滴状冷凝超疏水硅表面。蒸汽冷凝时容易在简单的硅表面上形成膜状冷凝(蒸汽冷凝时有两种形式，一种是膜状冷凝，一种是滴状冷凝，滴状冷凝比膜状冷凝的相变传热系数高五到几十倍)，影响了冷凝时的传热效率。(2)冷凝面不是定制的自集水超疏水硅表面。冷凝面上的液体无法自动向冷凝器的液体管管口处汇集，需要靠蒸汽压力将其驱动到冷凝器的液体管管口处。尤其在膜状冷凝状态 下，由于水膜与硅表面存在很大的黏滞力，很难确保冷凝面上的液体快速送到液体管管口处，影响了液体回流速度，进而影响了热循环效率。由于上述两点原因，现有的微型毛细泵吸环路制冷器的散热效果并不能达到最佳状态，冷凝面需要进一步设计改进。改进的冷凝面的设计要求是液滴冷凝时呈滴状冷凝状态，并且冷凝液滴能仅在表面张力的作用下自动地、快速地向液体管管口处汇集(蒸汽压力只起到加速的作用)。
发明内容
本发明目的是克服上述现有相变微制冷器存在的制冷效果低的缺点，提出了一种滴状冷凝且自集水的高效传热相变微制冷器及其制造方法。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种滴状冷凝且自集水的微制冷器，包括上玻璃板、中间硅片和下玻璃板三层结构，其特征在于：所述上玻璃板与中间硅片健合形成冷凝器、蒸发器、蒸汽管和液体管，所述冷凝器由中间硅片表面的冷凝区、集水区、填充区和上玻璃板的冷凝器玻璃罩组成，所述集水区连接液体管，所述液体管由并列的毛细管组成，所述冷凝器通过液体管连接蒸发器，所述蒸发器的两侧连接蒸汽管，所述蒸发器通过蒸汽管连接到冷凝器的冷凝区，所述填充区包含填充孔，所述填充孔与外部连接，所述冷凝区主要由棱台-半球型微米和纳米双层异质结构组成，形成梯度浸润性超疏水液滴自驱动表面，所述棱台-半球型微米和纳米双层异质结构由八棱台形状的微米结构和半球形状的纳米结 构组成，所述微米结构以变间距的形式分布在冷凝区和填充区，所述纳米结构均匀分布在冷凝器和蒸发器的中间硅片表面；所述下玻璃板与中间硅片健合形成高温芯片传热区和冷却水管，所述高温芯片传热区与冷却水管相互隔离，所述冷却水管与外界连接。
进一步，所述毛细管的横截面是矩形；所述冷却水管的横截面是矩形。
进一步，所述液体管由二十根并列的毛细管组成。
进一步，所述填充孔位于填充区对应的上玻璃板的冷凝器凹槽中间。
进一步，所述微米结构由硅制成；所述纳米结构由二氧化硅制成。
进一步，所述微米结构的间距随离集水区的距离减小而变小；所述微米结构在填充区的间距最大。
进一步，所述冷凝器在中间硅片正面的位置与冷却水管在中间硅片反面的位置相对应；所述蒸发器在中间硅片正面的位置与高温芯片传热区在中间硅片反面的位置相对应。
本发明所述的滴状冷凝且自集水的微制冷器的制造方法，所述制造方法包括以下步骤：
a)取一块硅片作为中间硅片，双面抛光，清洗，在正面热氧化淀积一层1um厚的SiO2；
b)正面光刻胶作掩膜光刻出冷凝器和蒸发器区域，BOE腐蚀SiO2，开腐蚀窗口，去除光刻胶；
c)正面KOH腐蚀Si，腐蚀出冷凝器和蒸发器区域，冷凝器区域 用KOH腐蚀出八棱台微米结构；
d)正面光刻胶作掩膜，去除冷凝器和蒸发器区域的微纳米结构区的SiO2，去除光刻胶；
e)正面溅射5um厚的Al膜；
f)将冷凝器和蒸发器区域置于具有一定温度和偏置电压的草酸溶液中，两步阳极氧化法将Al膜氧化成多孔状均匀有序的AAO(Al2O3)膜；
g)冷凝器和蒸发器区域继续氧化，电解液穿过AAO膜微孔对Si衬底氧化形成SiO2半球，制作出半球状纳米结构；
h)正面用磷酸和铬酸混合溶液腐蚀掉AAO膜；
i)正面光刻胶作掩膜，BOE腐蚀掉微纳米结构区外的SiO2，去除光刻胶；
j)取一块玻璃板作为上玻璃板，激光刻出蒸发器、冷凝器、液体管和蒸汽管的凹槽，并在填充区凹槽中间切割出一个贯穿上玻璃板的填充孔；
k)上玻璃板凹槽面与中间硅片正面健合；
l)取一块玻璃板作为下玻璃板，激光刻出冷却水管的凹槽和切割出贯穿下玻璃板的高温芯片传热区；
m)上玻璃板凹槽面与中间硅片反面健合。
本发明的技术构思是：冷凝器中的蒸汽在被棱台-半球型微米和纳米双层异质结构修饰的冷凝区中放热冷凝成为滴状液体，冷凝形成的液滴在因梯度浸润性产生的特殊表面张力作用下迅速向集水区汇 集，集水区的液体通过亲水的玻璃毛细管在毛细力的作用下流向蒸发器。液体在蒸发器中吸热蒸发成蒸汽，带走高温芯片传热区的热量，通过蒸汽管返回冷凝器。同时，下玻璃板与中间硅片反面健合形成的冷却水管中的水带走冷凝器的热量，保证冷凝器处于较低温度，完成一次热循环。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：(1)采用疏水-亲水相反物质二元协同结构在微米-纳米两个尺度对硅冷凝表面进行修饰，确保蒸汽在冷凝表面呈滴状冷凝，使冷凝表面的相变传热系数提高了五到几十倍。(2)通过设计冷凝面上微纳二级结构的几何参数，使表面成为梯度浸润性超疏水液滴自驱动表面。在该表面上，冷凝后的液滴能自动地、快速地汇集到液体管管口处的集水区，确保液体管中液体能连续和快速流动，加快了热循环。(3)液体管由上玻璃板上的微槽与中间硅板健合形成，为多根毛细管结构，具有较大的毛细驱动力。液体管中液体仅靠毛细驱动力就可以连续流动，同时蒸汽压力加速了液体流动，加速了热循环。采用这种冷凝硅表面制作的新型相变微制冷器的稳定传热功率将达到120W，传热功率比原有同类相变微制冷器传热功率提高3倍。
附图说明
图1是本发明的微制冷器的结构示意图。
图2是中间硅片的结构示意图。
图3是棱台‐半球型微米和纳米双层异质结构。
图4是上玻璃板正面结构示意图。
图5是上玻璃板反面结构示意图。
图6是下玻璃板正面结构示意图。
图7是下玻璃板反面结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照结合附图，对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明一种滴状冷凝且自集水的微制冷器包括上玻璃板(9)、中间硅片(10)和下玻璃板(12)三层结构，所述上玻璃板(9)与中间硅片(10)健合形成冷凝器(2)、蒸发器(7)、蒸汽管(6)和液体管(5)，所述下玻璃板(12)与中间硅片(10)健合形成高温芯片传热区(8)和冷却水管(13)。其中，液体管(5)由二十根并列的毛细管(11)组成，多根毛细管(11)组成的液体管大大的增加了毛细驱动力，从而加速了液体流动，加速了热循环，提高了传热功率。同时，如图2和3所示将冷凝器的硅表面设计成棱台-半球型微米和纳米双层异质结构(18)，八棱台形的疏水微米结构(3)以变间距的形式分布在冷凝区(15)和填充区(14)，微米结构(3)的间距从蒸汽管(6)与冷凝器(2)的接口处到液体管(5)与冷凝器(2)的接口处逐渐减小，从而产生梯度浸润性，使得液滴能够自发的聚集到液体管(5)与冷凝器(2)的接口处。半球形的亲水纳米结构(4)均匀分布在冷凝器(2)和蒸发器(7)的硅表面。采用疏水-亲水相反物质二元协同结构在微米-纳米两个尺度对硅冷凝表面进行修饰，确保蒸汽在冷凝表面呈滴状冷凝，使冷凝表面的相 变传热系数提高了五到几十倍。
如图2～图7所示，中间硅片(10)通过化学腐蚀在硅表面制作出冷凝区(15)、集水区(16)、填充区(14)和蒸发面(17)，上玻璃板(9)通过激光刻画出蒸汽管凹槽(19)、冷凝器凹槽(20)、蒸发器凹槽(21)、液体管凹槽(22)和填充孔(1)，下玻璃板(12)通过激光刻画出高温芯片传热区通孔(23)和冷却水管凹槽(24)，为了降低制造难度，上玻璃板和下玻璃板上的凹槽的横截面都为矩形。中间硅片(10)的冷凝区(15)、集水区(16)、填充区(14)与上玻璃板(9)的冷凝器凹槽(20)健合形成冷凝器(2)，蒸发面(17)与蒸发器凹槽(21)健合形成蒸发器(7)，蒸汽管凹槽(19)和液体管凹槽(22)与中间硅片(10)的光滑硅表面直接结合形成蒸汽管(6)和液体管(5)。同时，下玻璃板(12)的高温芯片传热区通孔(23)和冷却水管凹槽(24)与中间硅片(10)光滑的反面直接健合形成高温芯片传热区(8)和冷却水管(12)。冷凝器(2)在中间硅片(10)正面的位置与冷却水管(13)在中间硅片(10)反面的位置相对应，蒸发器(7)在中间硅片(10)正面的位置与高温芯片传热区(8)在中间硅片(10)反面的位置相对应，放置在高温芯片传热区(8)中的芯片将热量传到蒸发器(7)，在蒸发器(7)内部的液体吸热蒸发成蒸汽，带走高温芯片传热区(8)的热量，通过蒸汽管(6)返回冷凝器(2)，冷凝器(2)中的蒸汽在被棱台-半球型微米和纳米双层异质结构(18)修饰的冷凝区(2)中放热冷凝成为滴状液体，冷凝形成的液滴在因梯度浸润性产生的特殊表面张力作用 下迅速向集水区汇集，集水区的液体通过亲水的玻璃毛细管(11)在毛细力的作用下流向蒸发器(7)。同时，冷却水管(12)中的水带走冷凝器(2)的热量，保证冷凝器(2)处于较低温度，完成一次热循环。
如图1～图7所示，本发明所述的一种滴状冷凝且自集水的微制冷器的制造方法，其特点在于所述制造方法包括以下步骤：
a)取一块硅片作为中间硅片(10)，双面抛光，清洗，在正面热氧化淀积一层1um厚的SiO2；
b)正面光刻胶作掩膜光刻出冷凝器(2)和蒸发器(7)区域，BOE腐蚀SiO2，开腐蚀窗口，去除光刻胶；
c)正面KOH腐蚀Si，腐蚀出冷凝器(2)和蒸发器(7)区域，冷凝器(2)区域用KOH腐蚀出八棱台微米结构(3)；
d)正面光刻胶作掩膜，去除冷凝器(2)和蒸发器(7)区域的微纳米结构区(13,14,15,16)的SiO2，去除光刻胶；
e)正面溅射5um厚的Al膜；
f)将冷凝器(2)和蒸发器(7)区域置于具有一定温度和偏置电压的草酸溶液中，两步阳极氧化法将Al膜氧化成多孔状均匀有序的AAO(Al2O3)膜；
g)冷凝器和(2)蒸发器(7)区域继续氧化，电解液穿过AAO膜微孔对Si衬底氧化形成SiO2半球，制作出半球状纳米结构(4)；
h)正面用磷酸和铬酸混合溶液腐蚀掉AAO膜；
i)正面光刻胶作掩膜，BOE腐蚀掉微纳米结构区(13,14,15,16) 外的SiO2，去除光刻胶；
j)取一块玻璃板作为上玻璃板(9)，激光刻出蒸发器凹槽(21)、冷凝器凹槽(20)、液体管凹槽(22)和蒸汽管的凹槽(19)，并在填充区凹槽中间切割出一个贯穿上玻璃板(9)的填充孔(1)；
k)上玻璃板(9)凹槽面与中间硅片(10)正面健合；
l)取一块玻璃板作为下玻璃板(12)，激光刻出冷却水管凹槽(24)和切割出贯穿下玻璃板的高温芯片传热区通孔(23)；
m)上玻璃板(12)凹槽面与中间硅片(10)反面健合。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (8)
1.一种滴状冷凝且自集水的微制冷器，包括上玻璃板(9)、中间硅片(10)和下玻璃板(12)三层结构，其特征在于：所述上玻璃板(9)与中间硅片(10)健合形成冷凝器(2)、蒸发器(7)、蒸汽管(6)和液体管(5)；所述冷凝器(2)由中间硅片(10)表面的冷凝区(15)、集水区(16)、填充区(14)和上玻璃板的冷凝器凹槽(20)组成，所述集水区(16)连接液体管(5)，所述液体管(5)由并列的毛细管(11)组成，所述冷凝器(2)通过液体管(5)连接蒸发器(7)，所述蒸发器(7)的两侧连接蒸汽管(6)，所述蒸发器(7)通过蒸汽管(6)连接到冷凝区(15)，所述填充区(14)包含填充孔(1)，所述填充孔(1)与外部连接，所述冷凝区(15)主要由棱台-半球型微米和纳米双层异质结构(18)组成，所述棱台-半球型微米和纳米双层异质结构(18)由八棱台形状的微米结构(3)和半球形状的纳米结构(4)组成，所述微米结构(3)以变间距的形式分布在冷凝区(15)和填充区(14)，所述纳米结构(4)均匀分布在冷凝器(2)和蒸发器(7)的中间硅片(10)表面；所述下玻璃板(12)与中间硅片(10)健合形成高温芯片传热区(8)和冷却水管(13)，所述高温芯片传热区(8)与冷却水管(13)相互隔离，所述冷却水管(13)与外界连接。
2.根据权利要求1所述的滴状冷凝且自集水的微制冷器，其特点在于：所述毛细管(11)的横截面是矩形，所述冷却水管(13)的横截面是矩形。
3.根据权利要求1所述的滴状冷凝且自集水的微制冷器，其特点 在于：所述液体管(5)由二十根并列的毛细管(11)组成。
4.根据权利要求1所述的滴状冷凝且自集水的微制冷器，其特点在于：所述填充孔(1)位于填充区(14)对应的上玻璃板(9)的冷凝器凹槽(20)中间。
5.根据权利要求1所述的滴状冷凝且自集水的微制冷器，其特点在于：所述微米结构(3)由硅制成，所述纳米结构(4)由二氧化硅制成。
6.根据权利要求1所述的滴状冷凝且自集水的微制冷器，其特点在于：所述微米结构(3)的间距随离集水区的距离减小而变小，所述微米结构(3)在填充区(14)的间距最大。
7.根据权利要求1所述的滴状冷凝且自集水的微制冷器，其特点在于：所述冷凝器(2)在中间硅片(10)正面的位置与冷却水管(13)在中间硅片(10)反面的位置相对应；所述蒸发器(7)在中间硅片(10)正面的位置与高温芯片传热区(8)在中间硅片(10)反面的位置相对应。
8.根据权利要求1所述的滴状冷凝且自集水的微制冷器的制造方法，其特点在于所述制造方法包括以下步骤：
a)取一块硅片作为中间硅片(10)，双面抛光，清洗，在正面热氧化淀积一层1um厚的SiO2；
b)正面光刻胶作掩膜光刻出冷凝器(2)和蒸发器(7)区域，BOE腐蚀SiO2，开腐蚀窗口，去除光刻胶；
c)正面KOH腐蚀Si，腐蚀出冷凝器(2)和蒸发器(7)区域， 冷凝器(2)区域用KOH腐蚀出八棱台微米结构(3)；
d)正面光刻胶作掩膜，去除填充区(14)、冷凝区(15)、集水区(16)和蒸发面(17)的SiO2，去除光刻胶；e)正面溅射5um厚的Al膜；
f)将冷凝器(2)和蒸发器(7)区域置于具有一定温度和偏置电压的草酸溶液中，两步阳极氧化法将Al膜氧化成多孔状均匀有序的AAO膜；
g)冷凝器(2)和蒸发器(7)区域继续氧化，电解液穿过AAO膜微孔对Si衬底氧化形成SiO2半球，制作出半球状纳米结构(4)；
h)正面用磷酸和铬酸混合溶液腐蚀掉AAO膜；
i)正面光刻胶作掩膜，BOE腐蚀掉填充区(14)、冷凝区(15)、集水区(16)和蒸发面(17)外的SiO2，去除光刻胶；
j)取一块玻璃板作为上玻璃板(9)，激光刻出蒸发器凹槽(21)、冷凝器凹槽(20)、液体管凹槽(22)和蒸汽管的凹槽(19)，并在填充区凹槽中间切割出一个贯穿上玻璃板(9)的填充孔(1)；
k)上玻璃板(9)凹槽面与中间硅片(10)正面健合；
l)取一块玻璃板作为下玻璃板(12)，激光刻出冷却水管凹槽(24)和切割出贯穿下玻璃板的高温芯片传热区通孔(23)；
m)下玻璃板(12)凹槽面与中间硅片(10)反面健合。
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