CN112613248B - 一种改进嵌入式微流体结构设计的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种改进嵌入式微流体结构设计的方法和系统，所述方法包括：计算所述嵌入式微流体中各流道的流阻；基于流阻与电阻类似的特性，构建与所述仿真模型相似的等效电阻网络；将所述各流道的流阻和该嵌入式微流体的边界条件参数输入所述等效电阻网络，利用MATLAB对所述等效电阻网络进行仿真，优化电阻的阻值，获得所述电阻优化完成后的优化电阻；根据所述优化电阻，获得所述流道流阻的优化流阻，再根据所述优化流阻，调节所述微流体的流道设计，以减小同一时间段内通过各个散热流道的流量方差。本发明实施例提供的方法和系统，将微流体等效为电阻网络进行仿真，可以实现各类微流体的结构设计的自动改进，增强微流体的散热均匀性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，特别是涉及一种改进嵌入式微流体结构设计的方法和一种改进嵌入式微流体结构设计的系统。
背景技术
微流体是使用微小通道来处理少量流体的技术，在半导体领域中，可以利用微流体技术将主动散热微缩进更小的尺寸，以更高的散热效率，占用更小的空间来完成主动式散热，以解决芯片的散热问题。因此，针对微流体技术，如何在相同的空间内实现更好的散热均匀性和散热效率，进而实现更好的冷却效果，需要对微流体的结构进行调整，改进设计来达到提高散热性能的目的。
然而，目前嵌入式微流体的结构各异，想要精确地找到最优或相对最优的设计，只能针对特定结构的微流体建模并进行大量的仿真试验，也就是不停地调整各处的结构设计，再进行热仿真，得到每一种结构的散热性能，最后比较择优。显然，这样繁杂的建模和漫长的热仿真过程，会耗费大量的人力和时间成本。
发明内容
鉴于上述问题，本发明实施例提出了一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种改进嵌入式微流体结构设计的方法和一种改进嵌入式微流体结构设计的系统。
为了解决上述问题，本发明实施例提供了一种改进嵌入式微流体结构设计的方法，应用于具有嵌入式微流体的转接板，所述方法包括：
构建微流体的仿真模型，并计算所述嵌入式微流体中各流道的流阻；
基于流阻与电阻类似的特性，构建与所述仿真模型相似的等效电阻网络；
将所述各流道的流阻和该嵌入式微流体的边界条件参数输入所述等效电阻网络，利用MATLAB对所述等效电阻网络进行仿真，优化电阻的阻值，获得所述电阻优化完成后的优化电阻；
根据所述优化电阻，获得所述流道流阻的优化流阻，再根据所述优化流阻，调节所述微流体的流道设计，以减小同一时间段内通过各个散热流道的流量方差。
可选地，构建微流体的仿真模型，并计算所述嵌入式微流体中各流道的流阻，包括：
利用多物理场耦合仿真软件COMSOL Multiphysics，运用其中流体与传热两个物理场进行仿真建模计算，计算所述嵌入式微流体中各流道的流阻，具体步骤包括：创建几何模型、材料选择、物理场选择、网格剖分、计算与结果后处理。
可选地，构建微流体的仿真模型，并计算所述微流体中各流道的流阻，包括：
通过如下公式计算各流道的流阻R：
其中，μ为动力粘度，L为流道长度，DH为水力直径，A为流道横截面积，λ为流道截面形状修正系数。
可选地，基于流阻与电阻类似的特性，构建与所述仿真模型相似的等效电阻网络，包括：
基于定义流阻的泊肃叶定律的表达形式与电学中的欧姆定律的表达形式类似的特性，将流阻等效为电阻进行计算；
所述微流体中各段流体通道的流阻可被量化或近似量化为固定的阻值，所述微流体包括：直流道结构、歧管式结构。
可选地，基于流阻与电阻类似的特性，构建与所述仿真模型相似的等效电阻网络，包括：
根据所述仿真模型中各流道的连接属性，使等效电路中电路结构的连接与微流体流道的连接一致，使等效电路中的电流方向和微流体流道中流体流向一致；
所述连接属性包括各流道的连通属性和流体流向。
可选地，将所述各流道的流阻和该嵌入式微流体的边界条件参数输入所述等效电阻网络，利用MATLAB对所述等效电阻网络进行仿真，优化电阻的阻值，获得所述电阻优化完成后的优化电阻值，包括：
通过对所述等效电阻网络进行仿真，获取通过多个工作电阻的电流值，通过改变各等效电阻的阻值大小，使所述通过所述多个工作电阻的电流值相等或相近；
在使通过多个工作电阻的电流方差达到最小后，获得所述电阻优化完成后的优化电阻值；
其中，所述工作电阻等效于所述微流体的工作流道，所述工作流道是在微流体中起关键散热作用的散热流道。
可选地，通过对所述等效电阻网络进行仿真，获取通过所述多个工作电阻的电流值，通过改变各等效电阻的阻值大小，使所述通过多个工作电阻的电流值相等或相近，包括：
在所述等效电阻网络远离正电极的第一干路电流大于预设值时，增加远离正电极的第一干路电阻，以使远离正电极的工作电阻的电流值相等或相近于靠近正电极的工作电阻的电流值，进而减小各工作电路的电流方差。
可选地，将所述各流道的流阻和该嵌入式微流体的边界条件参数输入所述等效电阻网络，利用MATLAB对所述等效电阻网络进行仿真，优化电阻的阻值，获得所述电阻优化完成后的优化电阻值，包括：
通过对所述等效电阻网络进行仿真，获取通过所述多个工作电阻的电流值，通过改变电源负极位置，调整所述电源负极两侧的电阻值，增大所述等效电阻网络各工作电路的电流总值，和/或者，减小各工作电路的电流方差；
其中，所述工作电阻等效于所述微流体的工作流道，所述工作流道是在微流体中起关键散热作用的散热流道。
可选地，根据所述优化电阻值，获得所述流道流阻的优化流阻，再根据所述优化流阻，调节所述微流体的流道设计，以减小同一时间段内通过各个散热流道的流量方差，包括：
在各个工作电阻的阻值大小与工作电阻的数量呈正比，且各个工作电阻的电阻值始终保持相等的前提下，预设多组阻值不同和数量不同的工作电阻；
根据所述优化电阻和多组预设的工作电阻，获得对应的多组优化流阻；
将所述多组优化流阻输入利用多物理场耦合仿真软件COMSOL Multiphysics构建的仿真模型，进行热学仿真，得到多个热学仿真结果；
从多个热学仿真结果中选出散热性能最佳的结果，该结果对应的优化流阻和工作电阻即为最优流阻；
根据所述最优流阻，调节所述微流体的流道设计，增大同一时间段内各个工作流道的流量总值，和/或者，以减小同一时间段内通过各个散热流道的流量方差，使该微流体的散热性能达到最佳；
其中，所述工作电阻等效于所述微流体的工作流道，所述工作流道是在微流体中起关键散热作用的散热流道。
本发明实施例还提供了一种改进嵌入式微流体结构设计的系统，应用于具有嵌入式微流体的转接板，所述系统包括：
流阻计算模块，用于构建微流体的仿真模型，并计算所述嵌入式微流体中各流道的流阻；
电路等效模块，用于基于流阻与电阻类似的特性，构建与所述仿真模型相似的等效电阻网络；
仿真优化模块，用于将所述各流道的流阻和该嵌入式微流体的边界条件参数输入所述等效电阻网络，利用MATLAB对所述等效电阻网络进行仿真，优化电阻的阻值，获得所述电阻优化完成后的优化电阻；
流道调节模块，用于根据所述优化电阻，获得所述流道流阻的优化流阻，再根据所述优化流阻，调节所述微流体的流道设计，以减小同一时间段内通过各个散热流道的流量方差。
可选地，所述系统还包括：
流阻计算第一子模块，用于利用多物理场耦合仿真软件COMSOL Multiphysics，运用其中流体与传热两个物理场进行仿真建模计算，计算所述嵌入式微流体中各流道的流阻，具体步骤包括：创建几何模型、材料选择、物理场选择、网格剖分、计算与结果后处理。
可选地，所述系统还包括：
流阻计算第二子模块，用于通过如下公式计算各流道的流阻R：
其中，μ为动力粘度，L为流道长度，DH为水力直径，A为流道横截面积，λ为流道截面形状修正系数。
可选地，所述系统还包括：
电路等效第一子模块，用于基于定义流阻的泊肃叶定律的表达形式与电学中的欧姆定律的表达形式类似的特性，将流阻等效为电阻进行计算；
所述微流体中各段流体通道的流阻可被量化或近似量化为固定的阻值，所述微流体包括：直流道结构、歧管式结构。
可选地，所述系统还包括：
电路等效第二子模块，用于根据所述仿真模型中各流道的连接属性，使等效电路中电路结构的连接与微流体流道的连接一致，使等效电路中的电流方向和微流体流道中流体流向一致；
所述连接属性包括各流道的连通属性和流体流向。
可选地，所述系统还包括：
仿真优化第一子模块，用于通过对所述等效电阻网络进行仿真，获取通过多个工作电阻的电流值，通过改变各等效电阻的阻值大小，使所述通过所述多个工作电阻的电流值相等或相近；
仿真优化第二子模块，用于在使通过多个工作电阻的电流方差达到最小后，获得所述电阻优化完成后的优化电阻值；
其中，所述工作电阻等效于所述微流体的工作流道，所述工作流道是在微流体中起关键散热作用的散热流道。
可选地，所述系统还包括：
仿真优化第三子模块，用于在所述等效电阻网络远离正电极的第一干路电流大于预设值时，增加远离正电极的第一干路电阻，以使远离正电极的工作电阻的电流值相等或相近于靠近正电极的工作电阻的电流值，进而减小各工作电路的电流方差。
可选地，所述系统还包括：
仿真优化第四子模块，用于通过对所述等效电阻网络进行仿真，获取通过所述多个工作电阻的电流值，通过改变电源负极位置，调整所述电源负极两侧的电阻值，增大所述等效电阻网络各工作电路的电流总值，和/或者，减小各工作电路的电流方差；
其中，所述工作电阻等效于所述微流体的工作流道，所述工作流道是在微流体中起关键散热作用的散热流道。
可选地，所述系统还包括：
流道调节第一子模块，用于在各个工作电阻的阻值大小与工作电阻的数量呈正比，且各个工作电阻的电阻值始终保持相等的前提下，预设多组阻值不同和数量不同的工作电阻；
流道调节第二子模块，用于根据所述优化电阻和多组预设的工作电阻，获得对应的多组优化流阻；
流道调节第三子模块，用于将所述多组优化流阻输入利用多物理场耦合仿真软件COMSOL Multiphysics构建的仿真模型，进行热学仿真，得到多个热学仿真结果；
流道调节第四子模块，用于从多个热学仿真结果中选出散热性能最佳的结果，该结果对应的优化流阻和工作电阻即为最优流阻；
流道调节第五子模块，用于根据所述最优流阻，调节所述微流体的流道设计，增大同一时间段内各个工作流道的流量总值，和/或者，以减小同一时间段内通过各个散热流道的流量方差，使该微流体的散热性能达到最佳；
其中，所述工作电阻等效于所述微流体的工作流道，所述工作流道是在微流体中起关键散热作用的散热流道。
从上述技术方案可以看出，本发明实施例提供了一种改进嵌入式微流体结构设计的方法和系统，基于流阻与电阻类似的特性，将微流体等效为电阻网络进行仿真，通过对电路电阻的优化，仿真流道流阻的优化，以减小同一时间段内通过各个散热流道的流量方差，提高微流体散热效果的均匀分布性，可以用于实现各类微流体的结构自动优化，增强微流体的散热能力。
附图说明
图1本发明实施例提供的一种改进嵌入式微流体结构设计的方法的步骤流程图；
图2是本发明实施例提供的一种用于计算流阻的流道分割示意图；
图3是一种歧管式微流体的结构示意图；
图4是一种歧管式微流体等效的电阻网络示意图；
图5是本发明实施例提供的一种改进后的分配流道示意图；
图6是本发明实施例提供的一种负电极接入位置示例图；
图7是本发明实施例提供的一种等效电阻网络的电流分布与负电极位置的对应关系示意图；
图8是本发明实施例提供的一种等效电阻网络的总电流、电流方差与负电极位置的对应关系示意图；
图9是本发明实施例提供的一种改进后的出液口位置的示意图；
图10是本发明实施例提供的一种微流体的散热效果与工作流道宽度的对应关系示意图；
图11是本发明实施例提供的一种改进嵌入式微流体结构设计的系统的结构框图。
附图标记说明：
1-进液流道，2-分配流道，3-毛细流道，4-出液流道，5-进液口，6-出液口，7-负电极接入第一示例位置，8-负电极接入第二示例位置，9-改进后的分配流道，10-改进后的出液口位置。
具体实施方式
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
随着应用需求的迅速增加以及半导体工艺的不断进步，芯片的集成度、芯片的运算速度和整机的紧凑度在日渐提高，带来高效率、高运算能力的同时，芯片的热问题愈加不容小觑。在芯片热问题越来越严峻的情况下，外置的主动式散热器和被动式散热器已经难以解决集成电路快速发展所带来的热问题。利用更小的空间占用解决芯片的散热问题，对于便携式终端尤为重要，内嵌微流体冷却系统的转接板则是用于解决此问题值得选择的产品。
目前较为常见的微流体包括传统的直流道结构、歧管式微流道结构等，其具体的结构设计由转接板的尺寸结构决定，为了优化微流体散热性能，技术人员常常需要对其结构进行调整，针对每次调整后的尺寸结构，分别进行多次热仿真，根据热仿真结果的比对，才能为微流体选定最终的尺寸和结构，这样的方法，不仅难以穷尽所有的结构设计，也将花费大量的建模和仿真的人力和时间成本，无疑是繁琐和低效的。
但是，目前并没有一种通用的方法或软件，能够适用于多个种类的微流体结构，并快速有效地对其进行改进，来获得散热性能最优的结构和尺寸。本申请发明人想到将流体通道的结构等效为电阻网络，利用电路仿真软件来计算等效电流，对电阻网络中的电阻进行优化，来优化微流体中各流道的等效流阻，进而确定最优的微流体通道结构和尺寸，极大地简化了仿真的过程，并且，该方法适用于多个种类的微流体结构。
图1是本发明实施例提供的一种改进嵌入式微流体结构设计的方法的步骤流程图。参照图1所示，所述方法应用于具有嵌入式微流体的转接板，具体包括如下步骤：
步骤S31，构建微流体的仿真模型，并计算所述嵌入式微流体中各流道的流阻。
流阻是流体在与流道内壁做相对运动时受到的阻力，每一段流道都有各自对应的流阻。
由于本实施例在后续步骤中，需要将流体通道的结构等效为电阻电路，而建立微流体的等效电阻电路需要分别计算各个分支电路上的电阻，相应地，则需要计算每一段最小单位的流道的流阻，才能实现准确的等效和仿真，因而“各流道”是指以流道与流道之间的通道交点为端点的流道。
图2是本发明实施例提供的一种用于计算流阻的流道分割示意图。参照图2进行示例性地说明，图2中示出了一种歧管式微流体，冷却液从进液流道1中进入微流体，从分配流道2中进入各个毛细流道3，实现冷却功能，最后从出液流道4中流出微流体。图2右下角位置示例性地绘制了多段流道对应的流阻。其中，Rl21对应分配流道2上一段流道的流阻，Rl31对应毛细流道3上一段流道的流阻，Rl41对应出液流道4上一段流道的流阻。
微流体中各段流道的流阻可以由人工分别进行计算，但是考虑到嵌入式微流体中需要计算流阻的流道数量多，计算量大，为提高计算的准确性和计算效率，本实施例优先考虑使用仿真模型计算流阻。为此，本实施例提供了一种使用仿真模型计算各流道的流阻的方法，所述仿真模型通过如下流阻经验公式计算各流道的流阻R：
其中，μ为动力粘度，L为流道长度，DH为水力直径，A为流道横截面积，λ为流道截面形状修正系数。
在一种实施方式中，针对矩形截面流道，所述流道截面形状修正系数λ通过如下公式计算：
其中，E为流道的深度，W为流道的宽度。
步骤S32，基于流阻与电阻类似的特性，构建与所述仿真模型相似的等效电阻网络。
可选地，在本实施例中，基于流阻与电阻类似的特性，构建与所述仿真模型相似的等效电阻网络，包括：
基于定义流阻的泊肃叶定律的表达形式与电学中的欧姆定律的表达形式类似的特性，将流阻等效为电阻进行计算；
所述微流体中各段流体通道的流阻可被量化或近似量化为固定的阻值，所述微流体包括：直流道结构、歧管式结构。
具体地，由泊肃叶定律：
Q＝ΔP/Rl
其中，Q为流量，ΔP为两端流体压降，Rl为流阻。
由欧姆定律：
I＝U/R
其中，I为电流，U为两端电压，R为电阻。
在一种实施方式中，还提供了一种构建与仿真模型相似的等效电阻网络的方法，包括：
根据所述仿真模型中各流道的连接属性，使等效电路中电路结构的连接与微流体流道的连接一致，使等效电路中的电流方向和微流体流道中流体流向一致；
所述连接属性包括各流道的连通属性和流体流向。
参照图3，图3是一种歧管式微流体的结构示意图。参照图4，图4是一种歧管式微流体等效的电阻网络示意图。
如图3所示，冷却液从进液流道1上的进液口5进入微流体，经过进液流道1，从分配流道2中进入各个毛细流道3，实现冷却功能，最后经过出液流道4，从出液流道4上的出液口6流出微流体。
如图3和图4所示，进液流道1的流阻设计对歧管式微流体的结构优化没有明显帮助，因此，图4所示的电阻网络示意图将进液流道1对应的电阻忽略不计，将分配流道2上的各段流道等效为电阻Rd，将各个毛细流道3等效为电阻Rr，将出液流道4上的各段流道等效为电阻Rc。
如图4所示，本实施例还在等效电阻网络中添加电流计A，用于计量通过各段等效电路的电流值；并且，在等效电阻网络中为各个电流计A添加显示器D，用于显示各段等效电路的电流值。为便于理解，图4并未绘制所有添加的电流计和显示器，实际上还可以在分配流道2上的各段流道等效为电阻Rd之间添加电流计和显示器，以便实时查看并记录电流值，进而根据各电流值作出调整。
在本实施例中，将流阻等效为电阻，将流量等效为电流，将两端流体压降等效为两端电压，可以均按照统一的单位进行等效。示例性地，如将一段流道的流阻为5Pa·s·m-3，等效为5欧姆，则相应地，将流体压降和流量也可以按对应的单位分别等效为电压和电流。
如图3和图4所示，所述等效电阻网络的电路与仿真模型的流体线路结构一致，电流方向与仿真模型的流体流向一致，微流体的进液口等效为电阻网络的正电极，微流体的出液口等效为电阻网络的负电极。
步骤S33，将所述各流道的流阻和该嵌入式微流体的边界条件参数输入所述等效电阻网络，利用MATLAB对所述等效电阻网络进行仿真，优化电阻的阻值，获得所述电阻优化完成后的优化电阻。
在本实施例中，可以选用MATLAB的拓展应用Simulink，用于完成等效电阻网络仿真的设计、实现和测试。具体可以包括如下步骤：
第一步，在MATLAB工具栏中启动Simulink建立模型窗口，新建后缀名mdl的模型文件；
第二步，打开Simulink Library Browser窗口，该窗口包含按功能分类的各种模块，将功能模块由模块库窗口复制到模型窗口，包括电源、电阻、电流表，显示器等，可以对模块进行移动、复制、旋转、调整尺寸、重命名、更改颜色等操作，随后对插入模块进行参数设置；
第三步，连接模块，从而构建成需要的系统模型；
第四步，插入powergui模块，点击运行计算。
参照表1，表1示出了一种歧管式微流体的边界条件参数。不同结构的微流体可能需要不同的边界条件参数，以歧管式微流体为例，需要的边界条件包括：面热源，初始值，入口和出口，参数值包括：热流密度、环境温度、压力、冷却液温度、冷却液、压力。
表1
将所述各流道的流阻和该嵌入式微流体的边界条件参数输入所述等效电阻网络，即，将各流道的流阻等效为电阻，将边界条件参数转化为电阻网络参数。示例性地，将一段流阻为5Pa·s·m-3的流道，等效为一段电阻值为5欧姆的电路；将微流体两端压降为50Kpa进液口和出液口，等效为两端电压为50KV的正电极和负电极。
为了使各工作电阻相等或相近，在本实施例中，提供了一种获得优化电阻值的方法，包括：
通过对所述等效电阻网络进行仿真，获取通过多个工作电阻的电流值，通过改变各等效电阻的阻值大小，使所述通过所述多个工作电阻的电流值相等或相近；
在使通过多个工作电阻的电流方差达到最小后，获得所述电阻优化完成后的优化电阻值；
所述工作电阻等效于所述微流体的工作流道，工作流道是在微流体中起关键散热作用的散热流道；
其中，所述工作电阻等效于所述微流体的工作流道，所述工作流道是在微流体中起关键散热作用的散热流道。
在本实施例中，优化电阻的阻值，是指在等效电阻网络的结构不变和两端电压的前提下，通过仿真计算，对各线路上的电阻值进行调整，使电路中的支路电流总值尽可能大，和/或者，使工作电路支路中的电流值相等或相近。这里所指的工作电路，是微流体的工作流道的等效电路，微流体的工作流道是起主要冷却作用的流道，例如，歧管式微流体冷却系统和直流道微流体冷却系统中的工作流道均是毛细流道。
步骤S34，根据所述优化电阻，获得所述流道流阻的优化流阻，再根据所述优化流阻，调节所述微流体的流道设计，以减小同一时间段内通过各个散热流道的流量方差。
由于在前述实施例中，将流量等效为电流，而流量又决定了流道冷却的能力，通过本实施例，旨在使电阻网络中所有工作电路的支路电流总值更大，和/或者，使工作电路中的电流更加均匀分布，获得这种情况下对应的各电路的电阻，即可进一步获得使微流体中的工作流道总流量更大和/或工作流道中流量均匀分布的流道流阻值。
具体地，根据优化电阻获得优化流阻，其过程与将流阻等效为电阻恰好相反，如将一段电路上的电阻5欧姆，等效获得该段电路对应的流道的流阻为5Pa·s·m-3。
在获得了所有流道的优化流阻之后，同样可以根据步骤S31中的流阻经验公式，确定微流体中各流道的长度和各处通道的截面面积，例如，若流道截面形状为方形，则可通过调节流道的宽度来调节通道的截面面积，将微流体中各段流道的流阻调节为优化流阻，以减小同一时间段内通过各个散热流道的流量方差。
在本实施例中，通道的截面面积变化可以采用线性变化或者非线性变化。示例性地，如采用线性变化，则方形截面流道可以采用上下底面积不等的梯形体流道，圆形截面流道可以使用上下底面积不等的圆台状流道；非线性变化的流道则设计众多，按实际需求决定。
在一种实施方式中，提供了一种计算嵌入式微流体中各流道的流阻的方法，包括：
利用多物理场耦合仿真软件COMSOL Multiphysics，运用其中流体与传热两个物理场进行仿真建模计算，计算所述嵌入式微流体中各流道的流阻，具体步骤包括：创建几何模型、材料选择、物理场选择、网格剖分、计算与结果后处理。
其中，创建几何模型可以包括：通过导入绘制的几何结构图，来创建几何模型。
材料选择可以包括：散热器材料选择硅Si，冷却液材料选择水。
物理场选择可以包括：先选择热物理场，再选择共轭传热，最终选择层流模型。
并且，在物理场选择完成后，添加所需的边界条件，包括：在固体传热方面需要定义边界热源面、初始温度、实际环境中的空气对流换热等；在流体传热方面需要定义出入口的位置以及冷却液进入的流道的压强、流出的状态等；
网格剖分可以包括：利用COMSOL Multiphysics，根据模型中的物理场的设定自动生成所对应的网格，使用预置调试好的物理场，来加密需要大量计算的区域的网格。其中，预置调试好的物理场包括：流体流动，等离子体，半导体，普通物理等。
计算与结果后处理可以包括：选择“稳态”研究，在优化地过程中对不同的值进行大量的仿真，可以通过设置参数，并进行参数化扫描研究的方式进行求解。还可以自定义一些函数进行所需数据的计算，通过仿真可以求解冷却液的各项参数，，以及，热源表面的温度。
因此，在本实施例中，根据优化流阻调节的微流体之后，还可以使用仿真软件COMSOLTM对调节后的微流体进行热仿真，进一步确认该调节后的微流体的整体散热效果和散热效果的均匀分布性。其中，整体散热效果通过微流体在仿真环境中的表面最低温度、表面平均温度进行表征。散热效果的均匀分布性通过微流体在仿真环境中的表面温度方差、表面最高温度进行表征。
由于嵌入式微流体中的各工作流道是散热流道，而散热性能除了与流体的流量相关，还与流体与流道内壁的接触面积相关，为保证各工作流道的散热均匀性，在本实施例中，工作流道的等效的各个工作电路的电阻相等，并且，对工作流道的等效的各个工作电路的电阻的调节也是同步的。
在本实施例中，不对工作流道的等效的工作电路的电阻进行单独调节，可以仅对干路流道等效的工作电路的电阻进行调节。以上述歧管式微流体为例，不对毛细流道等效的工作电路的电阻进行单独调节，可以仅对进液分配流道、出液分配流道等效的电路的电阻进行调节。
结合上述实施例，在本实施例中，还提供了一种减小各工作电阻的电流方差的方法，包括：
在所述等效电阻网络远离正电极的第一干路电流大于预设值时，增加远离正电极的第一干路电阻，以使远离正电极的工作电阻的电流值相等或相近于靠近正电极的工作电阻的电流值，进而减小各工作电路的电流方差。
参照图3和图4所示，所述第一干路是分配流道2等效的电阻电路。
所述预设值是假设远离正电极的工作电阻的电流值相等或相近于靠近正电极的工作电阻的电流值时，计算得出的远离正电极的第一干路的电流值。
在本发明提供的一种实施例示例中，如图3和图4所示，此时若分配流道2中各段流道等效的各个电阻Rd相等，则这些电阻Rd所组成的第一干路中的电流值将沿正电极向负电极方向会先减小再增加。为了使各个工作电阻Rr中的电流尽可能的相等或相近，即，电流方差更小，可以通过沿正电极向负电极的方向，依次增加第一干路的电阻大小，获得第一干路的优化电阻值，根据第一干路的优化电阻值，即可减小各工作电路的电流方差。
参照图5，图5是本发明实施例提供的一种改进后的分配流道示意图。本实施例可以根据第一干路的优化电阻获得对应的优化流阻，即可以对微流体的流道进行改进，与上述第一干路的优化电阻值相应地，改进后的分配流道7沿进液口向出液口的方向，各段流道的流阻逐渐减小，流道的宽度也逐渐减小。
在本实施例中，还提供了一种获得优化电阻值的方法，包括：
通过对所述等效电阻网络进行仿真，获取通过所述多个工作电阻的电流值，通过改变电源负极位置，调整所述电源负极两侧的电阻值，增大所述等效电阻网络各工作电路的电流总值，和/或者，减小各工作电路的电流方差；
其中，所述工作电阻等效于所述微流体的工作流道，所述工作流道是在微流体中起关键散热作用的散热流道。
由于电源负极位置决定了第二干路电路的电阻在整个等效电路中的电阻总值，进而影响着各工作电路的电流值，本实施例通过改变电源负极位置，调整所述电源负极两侧的电阻值，即可进一步对各工作电路的电流值进行调节。如图3和图4所示，第二干路电路是出液流道4等效的电阻电路。
示例性地，如图3和图4所示，此时出液口设置于出液流道的其中一端，使得工作流道的等效电阻Rr对应的工作电路中的电流值将沿正电极向负电极方向先减小再增加。若将负电极位置向负电极方向调节，将使得出液流道4等效的电阻Rc的电阻总值下降，增大各工作电路中的电流总值，和/或者，使各工作电路中的电流方差减小。
参照图6，图6是本发明实施例提供的一种负电极接入位置示例图。本实施例将负电极接入电阻Rc组成的第二干路电路上的各个位置，包括如图6所示的负电极接入第一示例位置7、负电极接入第二示例位置8，再分别测试各个工作电阻Rr的电流值，获得种等效电阻网络的电流分布-负电极位置对应关系，以及，等效电阻网络的总电流与电流方差-负电极位置对应关系。
参照图7，图7是本发明实施例提供的一种等效电阻网络的电流分布与负电极位置的对应关系示意图。参照图8，图8是本发明实施例提供的一种等效电阻网络的总电流、电流方差与负电极位置的对应关系示意图。如图7和图8所示，N为负电极与正电极的位置距离，N越大，说明负电极接入电阻网络的位置离正电极越远，从图7和图8中可以看出，负电极在第二干路的中间位置时，可使各工作电路的电流总值较大，并且，使各工作电路的电流方差较小。
仿真软件还可以进一步地根据等效电阻网络的电流-负电极位置对应关系，以及，等效电阻网络的总电流与电流方差-负电极位置对应关系，综合考虑使各工作电路的电流总值足够大，并且，使各工作电路的电流方差足够小，确定负电极位置。示例性地，可以从0-20之间选择位置12作为负电极位置。也可以进行人为的选择。
本实施例可以根据上述确定的第二干路上的负电极位置，获得对应的出液口在出液流道4上的位置。
参照图9，图9是本发明实施例提供的一种改进后的出液口位置的示意图。如图9所示，改进后的出液口位置10位于出液流道4上3/5的位置。
结合上述实施例，由于本实施例对工作流道等效的工作电阻不作单独的调节，但工作电阻的阻值大小影响整个等效电阻网络的阻值，进而影响工作电路的电流总值，在本实施例中，为了使工作电路的电流总值更大，和/或，使各工作电路的电流方差更小，可以在保持各工作电阻的阻值相等的前提下，对各工作电阻的阻值进行统一调节。
此外，一般对线性空间的流道来说，流道截面的面积越大，流阻越小；流道截面的面积越小，流阻越大。流阻的大小影响了流量的大小，进而影响散热效果。而在同样体积的微流体内，工作流道截面的面积越大，工作流道的数量越少；工作流道截面的面积越小，工作流道的数量越多。而工作流道的数量又影响了流量的均匀分布，进而影响了散热效果的均匀分布。
也就是说，工作流道的数量与每个工作流道的流阻的大小呈正比，需要找到一个最佳的平衡点，来平衡通过工作流道的流量总值和各工作流道的流量方差，进而平衡整体散热效果和散热效果的均匀分布性。
上述实施例通过MATLAB电路仿真结果可以发现，保持出液流道4的等效电阻Rc与进液流道2的等效电阻Rd不变，随着Rr增大，整体电路电流的均匀性得到了很大的提升，但当Rr过大时，由于整体电阻过大，导致总电流大幅减小。
有鉴于此，在一种实施方式中，还提出了一种优化工作流道的方法，包括：
在各个工作电阻的阻值大小与工作电阻的数量呈正比，且各个工作电阻的电阻值始终保持相等的前提下，预设多组阻值不同和数量不同的工作电阻；
根据所述优化电阻和多组预设的工作电阻，获得对应的多组优化流阻；
将所述多组优化流阻输入利用多物理场耦合仿真软件COMSOL Multiphysics构建的仿真模型，进行热学仿真，得到多个热学仿真结果；
从多个热学仿真结果中选出散热性能最佳的结果，该结果对应的优化流阻和工作电阻即为最优流阻；
根据所述最优流阻，调节所述微流体的流道设计，增大同一时间段内各个工作流道的流量总值，和/或者，以减小同一时间段内通过各个散热流道的流量方差，使该微流体的散热性能达到最佳；
其中，所述工作电阻等效于所述微流体的工作流道，所述工作流道是在微流体中起关键散热作用的散热流道。
在本实施例中，所述散热性能最佳的结果，可以是根据热学仿真结果，综合考量整体散热效果和散热效果的均匀分布性，由仿真软件或人为选择的结果。
参照图10，图10是本发明实施例提供的一种微流体的散热效果与工作流道宽度的对应关系示意图。如图10所示，工作流道宽度为30微米时，微流体的表面最高温度最低，表面平均温度也最低，则可以进一步将工作流道宽度确认为30微米。相应地，还可以根据工作流道宽度调节工作流道的数量。
由于上述方法实施例均可由程序语言体现，且可以适用于改进各类直流道微流体和歧管式微流体的结构设计，提升微流体的整体散热能力和散热分布均匀性。因此，在一种实施方式中，可以将上述方法写入仿真模型和仿真电路，以自动化实现各类微流体的结构优化，大大提高微流体的设计和优化效率。
基于同一发明构思，本发明实施例提供一种改进嵌入式微流体结构设计的系统60。图11是本发明实施例提供一种改进嵌入式微流体结构设计的系统60的结构框图。如图11所示，该系统60应用于具有嵌入式微流体的转接板，具体包括：
流阻计算模块61，用于构建微流体的仿真模型，并计算所述嵌入式微流体中各流道的流阻；
电路等效模块62，用于基于流阻与电阻类似的特性，构建与所述仿真模型相似的等效电阻网络；
仿真优化模块63，用于将所述各流道的流阻和该嵌入式微流体的边界条件参数输入所述等效电阻网络，利用MATLAB对所述等效电阻网络进行仿真，优化电阻的阻值，获得所述电阻优化完成后的优化电阻；
流道调节模块64，用于根据所述优化电阻，获得所述流道流阻的优化流阻，再根据所述优化流阻，调节所述微流体的流道设计，以减小同一时间段内通过各个散热流道的流量方差。
可选地，所述系统还包括：
流阻计算第一子模块，用于利用多物理场耦合仿真软件COMSOL Multiphysics，运用其中流体与传热两个物理场进行仿真建模计算，计算所述嵌入式微流体中各流道的流阻，具体步骤包括：创建几何模型、材料选择、物理场选择、网格剖分、计算与结果后处理。
可选地，所述系统还包括：
流阻计算第二子模块，用于通过如下公式计算各流道的流阻R：
其中，μ为动力粘度，L为流道长度，DH为水力直径，A为流道横截面积，λ为流道截面形状修正系数。
可选地，所述系统还包括：
电路等效第一子模块，用于基于定义流阻的泊肃叶定律的表达形式与电学中的欧姆定律的表达形式类似的特性，将流阻等效为电阻进行计算；
所述微流体中各段流体通道的流阻可被量化或近似量化为固定的阻值，所述微流体包括：直流道结构、歧管式结构。
可选地，所述系统还包括：
电路等效第二子模块，用于根据所述仿真模型中各流道的连接属性，使等效电路中电路结构的连接与微流体流道的连接一致，使等效电路中的电流方向和微流体流道中流体流向一致；
所述连接属性包括各流道的连通属性和流体流向。
可选地，所述系统还包括：
仿真优化第一子模块，用于通过对所述等效电阻网络进行仿真，获取通过多个工作电阻的电流值，通过改变各等效电阻的阻值大小，使所述通过所述多个工作电阻的电流值相等或相近；
仿真优化第二子模块，用于在使通过多个工作电阻的电流方差达到最小后，获得所述电阻优化完成后的优化电阻值；
其中，所述工作电阻等效于所述微流体的工作流道，所述工作流道是在微流体中起关键散热作用的散热流道。
可选地，所述系统还包括：
仿真优化第三子模块，用于在所述等效电阻网络远离正电极的第一干路电流大于预设值时，增加远离正电极的第一干路电阻，以使远离正电极的工作电阻的电流值相等或相近于靠近正电极的工作电阻的电流值，进而减小各工作电路的电流方差。
可选地，所述系统还包括：
仿真优化第四子模块，用于通过对所述等效电阻网络进行仿真，获取通过所述多个工作电阻的电流值，通过改变电源负极位置，调整所述电源负极两侧的电阻值，增大所述等效电阻网络各工作电路的电流总值，和/或者，减小各工作电路的电流方差；
其中，所述工作电阻等效于所述微流体的工作流道，所述工作流道是在微流体中起关键散热作用的散热流道。
可选地，所述系统还包括：
流道调节第一子模块，用于在各个工作电阻的阻值大小与工作电阻的数量呈正比，且各个工作电阻的电阻值始终保持相等的前提下，预设多组阻值不同和数量不同的工作电阻；
流道调节第二子模块，用于根据所述优化电阻和多组预设的工作电阻，获得对应的多组优化流阻；
流道调节第三子模块，用于将所述多组优化流阻输入利用多物理场耦合仿真软件COMSOL Multiphysics构建的仿真模型，进行热学仿真，得到多个热学仿真结果；
流道调节第四子模块，用于从多个热学仿真结果中选出散热性能最佳的结果，该结果对应的优化流阻和工作电阻即为最优流阻；
流道调节第五子模块，用于根据所述最优流阻，调节所述微流体的流道设计，增大同一时间段内各个工作流道的流量总值，和/或者，以减小同一时间段内通过各个散热流道的流量方差，使该微流体的散热性能达到最佳；
其中，所述工作电阻等效于所述微流体的工作流道，所述工作流道是在微流体中起关键散热作用的散热流道。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
本领域内的技术人员应明白，本发明实施例的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本发明实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明实施例是参照根据本发明实施例的方法、终端设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。
最后，还需要说明的是，在本实施例中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的一种改进嵌入式微流体结构设计的方法和一种改进嵌入式微流体结构设计的系统，进行了详细介绍，本实施例中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种改进嵌入式微流体结构设计的方法，应用于具有嵌入式微流体的转接板，其特征在于，包括：
构建微流体的仿真模型，并计算所述嵌入式微流体中各流道的流阻；
基于流阻与电阻类似的特性，构建与所述仿真模型相似的等效电阻网络；
将所述各流道的流阻和该嵌入式微流体的边界条件参数输入所述等效电阻网络，利用MATLAB对所述等效电阻网络进行仿真，优化电阻的阻值，获得所述电阻优化完成后的优化电阻；
根据所述优化电阻，获得所述流道的流阻的优化流阻，再根据所述优化流阻，调节所述微流体的流道设计，以减小同一时间段内通过各个散热流道的流量方差；
其中，基于流阻与电阻类似的特性，构建与所述仿真模型相似的等效电阻网络，包括：
基于定义流阻的泊肃叶定律的表达形式与电学中的欧姆定律的表达形式类似的特性，将流阻等效为电阻进行计算；
所述微流体中各段流体通道的流阻可被量化或近似量化为固定的阻值，所述微流体包括：直流道结构、歧管式结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，构建微流体的仿真模型，并计算所述嵌入式微流体中各流道的流阻，包括：
利用多物理场耦合仿真软件COMSOL Multiphysics，运用其中流体与传热两个物理场进行仿真建模计算，计算所述嵌入式微流体中各流道的流阻，具体步骤包括：创建几何模型、材料选择、物理场选择、网格剖分、计算与结果后处理。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，构建微流体的仿真模型，并计算所述微流体中各流道的流阻，包括：
通过如下公式计算各流道的流阻R：
其中，μ为动力粘度，L为流道长度，DH为水力直径，A为流道横截面积，λ为流道截面形状修正系数。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于流阻与电阻类似的特性，构建与所述仿真模型相似的等效电阻网络，包括：
根据所述仿真模型中各流道的连接属性，使等效电路中电路结构的连接与微流体流道的连接一致，使等效电路中的电流方向和微流体流道中流体流向一致；
所述连接属性包括各流道的连通属性和流体流向。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述各流道的流阻和该嵌入式微流体的边界条件参数输入所述等效电阻网络，利用MATLAB对所述等效电阻网络进行仿真，优化电阻的阻值，获得所述电阻优化完成后的优化电阻值，包括：
通过对所述等效电阻网络进行仿真，获取通过多个工作电阻的电流值，通过改变各等效电阻的阻值大小，使所述通过所述多个工作电阻的电流值相等或相近；
在使通过多个工作电阻的电流方差达到最小后，获得所述电阻优化完成后的优化电阻值；
其中，所述工作电阻等效于所述微流体的工作流道，所述工作流道是在微流体中起关键散热作用的散热流道。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过对所述等效电阻网络进行仿真，获取通过所述多个工作电阻的电流值，通过改变各等效电阻的阻值大小，使所述通过多个工作电阻的电流值相等或相近，包括：
在所述等效电阻网络远离正电极的第一干路电流大于预设值时，增加远离正电极的第一干路电阻，以使远离正电极的工作电阻的电流值相等或相近于靠近正电极的工作电阻的电流值，进而减小各工作电路的电流方差。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述各流道的流阻和该嵌入式微流体的边界条件参数输入所述等效电阻网络，利用MATLAB对所述等效电阻网络进行仿真，优化电阻的阻值，获得所述电阻优化完成后的优化电阻值，包括：
通过对所述等效电阻网络进行仿真，获取通过多个工作电阻的电流值，通过改变电源负极位置，调整所述电源负极两侧的电阻值，增大所述等效电阻网络各工作电路的电流总值，和/或者，减小各工作电路的电流方差；
其中，所述工作电阻等效于所述微流体的工作流道，所述工作流道是在微流体中起关键散热作用的散热流道。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述优化电阻值，获得所述流道的流阻的优化流阻，再根据所述优化流阻，调节所述微流体的流道设计，以减小同一时间段内通过各个散热流道的流量方差，包括：
在各个工作电阻的阻值大小与工作电阻的数量呈正比，且各个工作电阻的电阻值始终保持相等的前提下，预设多组阻值不同和数量不同的工作电阻；
根据所述优化电阻和多组预设的工作电阻，获得对应的多组优化流阻；
将所述多组优化流阻输入利用多物理场耦合仿真软件COMSOL Multiphysics构建的仿真模型，进行热学仿真，得到多个热学仿真结果；
从多个热学仿真结果中选出散热性能最佳的结果，该结果对应的优化流阻和工作电阻即为最优流阻；
根据所述最优流阻，调节所述微流体的流道设计，增大同一时间段内各个工作流道的流量总值，和/或者，以减小同一时间段内通过各个散热流道的流量方差，使该微流体的散热性能达到最佳；
其中，所述工作电阻等效于所述微流体的工作流道，所述工作流道是在微流体中起关键散热作用的散热流道。
9.一种改进嵌入式微流体结构设计的系统，应用于具有嵌入式微流体的转接板，其特征在于，包括：
流阻计算模块，用于构建微流体的仿真模型，并计算所述嵌入式微流体中各流道的流阻；
电路等效模块，用于基于流阻与电阻类似的特性，构建与所述仿真模型相似的等效电阻网络；
仿真优化模块，用于将所述各流道的流阻和该嵌入式微流体的边界条件参数输入所述等效电阻网络，利用MATLAB对所述等效电阻网络进行仿真，优化电阻的阻值，获得所述电阻优化完成后的优化电阻；
流道调节模块，用于根据所述优化电阻，获得所述流道的流阻的优化流阻，再根据所述优化流阻，调节所述微流体的流道设计，以减小同一时间段内通过各个散热流道的流量方差；
其中，所述电路等效模块具体用于：
基于定义流阻的泊肃叶定律的表达形式与电学中的欧姆定律的表达形式类似的特性，将流阻等效为电阻进行计算；
所述微流体中各段流体通道的流阻可被量化或近似量化为固定的阻值，所述微流体包括：直流道结构、歧管式结构。
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