CN112670256A - 一种芯片热点冷却装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种芯片热点冷却装置及其使用方法，该装置基于数字微流控芯片，将纳米流体作为冷却介质，可以有效地冷却芯片堆栈中的热点，实现对芯片的精确高效冷却。所述芯片热点冷却装置，包括：相对设置的上基部层和下基部层，以及位于由所述上基部层和下基部层之间形成的密封空间内的冷却液滴。根据本发明的芯片热点冷却装置集温度检测、分析、液滴驱动为一体，通过实时获取芯片热点温度信息，输送冷却液滴至芯片热点位置完成对芯片热点的冷却。将纳米流体的高传热性能和数字微流控灵活的控制机制、可编程性、高灵敏度等特点充分应用在芯片热点冷却装置的设计上，同时采用双平面的密封结构，可以减小冷却液滴蒸发损耗，利于冷却液滴的循环利用。

Description

一种芯片热点冷却装置及其使用方法

技术领域

本发明属于热管理与液滴微流控技术领域，具体而言涉及一种芯片热点冷却装置及其使用方法。

背景技术

随着半导体工艺和集成电子技术的快速发展，集成电路(IC)，通常也被称为IC芯片或简称为芯片，它的性能和密度功率也越来越高。在过去的几十年里，晶体管发展遵循摩尔定律，即电子芯片的尺寸会随着时间呈指数趋势下降，但芯片的热通量会显著上升。温度的升高和热点的不均匀不仅会导致芯片性能下降，也可能造成芯片故障，因此通过探索新技术实现对芯片热点冷却的任务迫在眉睫。

现存在的风冷散热、热管和冷板等散热方式，由于存在体积大，功耗高等缺点，很难实现对芯片内部热点的精确高效散热。Remco van Erp等人在《Co-designingelectronics with micro-fluidics for more sustainable cooling》(Nature，Vol.585,2020年9月10日)中提出了基于微通道的嵌入式芯片冷却方式，冷却性能大大提高，这展示出嵌入式冷却方式在芯片散热领域具有极高的潜力。但这种微通道冷却装置需要外加压力泵或微流阀，增加了热管理系统的复杂性和功耗，并且不适用于非固定的冷却对象。

数字微流控是一种可以控制大量离散液滴的微流体控制技术。它基于介电润湿(EWOD)原理，通过控制电极的通断电，可实现液滴生成、传输与合并等一系列操作。目前，数字微流控主要应用于生化、医药、环境等领域，由于其具有灵活的控制机制、高灵敏度和可编程性等特点，人们开始尝试将它应用于芯片的热管理领域。K.Mohseni在《Effectivecooling of integrated circuits using liquid alloy electrowetting》(Semiconductor Thermal Measurement and Management IEEE Twenty First AnnualIEEE Symposium，2005年3月15日)中提到用液态金属冷却，但液态金属的使用仍存在着安全性问题。Hyejin Moon等人在《Digital microfluidic device using ionic liquidsfor electronic hotspot cooling》(ASME 2009 7th International Conference onNanochannels,Microchannels and Minichannels，2010年9月21日)中提出使用离子液体进行电子热点冷却的数字微流控装置，该装置通过输送离子液滴到热点上实现芯片冷却，但离子液滴由于导热性低和粘度高，其冷却性能并没有得到改善，该冷却方式仍存在缺陷。纳米流体是一种新型的高传热冷却剂，具有较高的导热性能。其作为冷却介质的潜力逐渐被广大研究人员发掘出来。

发明内容

有鉴于此，根据本发明的一个方面，本发明的一个目的在于提供一种芯片热点冷却装置及其使用方法，该装置基于数字微流控芯片，将纳米流体作为冷却介质，可以有效地冷却IC芯片堆栈中的热点，实现对电子芯片的精确高效冷却。

根据本发明的所述芯片热点冷却装置，包括：相对设置的上基部层和下基部层，以及位于由所述上基部层和下基部层之间形成的密封空间内的冷却液滴；

所述下基部层按照自下而上的顺序依次包括：

第一基板，

电绝缘层，设置在所述第一基板上，

测温传感器层，设置在所述第一基板上，并由所述电绝缘层密封，

参考电极层，设置在所述电绝缘层上，

第一疏水层，设置在所述参考电极层上；

所述上基部层按照自上而下的顺序依次包括：

第二基板，

驱动电极层，设置在所述第二基板上，

介质层，设置在所述驱动电极层上，

第二疏水层，设置在所述介质层上。

优选地，所述测温传感器层包括多个测温传感器和温度检测电路模块，所述多个测温传感器以n行m列的形式间隔设置在第一基板上，其中n≥1，m≥1，并且连接外部温度检测电路模块，实时获取芯片表面各个位置的温度信息。

优选地，所述驱动电极层包括多个驱动电极、扫描电路和信号电路，所述多个驱动电极以n行m列的形式间隔设置在第二基板上，其中n≥1，m≥1，并且连接外部所述扫描电路和信号电路，通过外部所述扫描电路和信号电路控制所述多个驱动电极通断电，从而向所述冷却液滴提供驱动力，传输所述冷却液滴至指定位置。

优选地，所述扫描电路设置在所述驱动电极的水平间隔区域，所述信号电路设置在所述驱动电极的竖直间隔区域，所述扫描电路和所述信号电路彼此相交，形成多个控制单元，所述控制单元和所述驱动电极一一对应。

优选地，所述测温传感器在所述第一基板上的位置和所述驱动电极的位置对称设置。

优选地，根据本发明的所述芯片热点冷却装置中，由所述上基部层和下基部层之间形成的密封空间的一侧连接有冷却液滴供应区，用于向所述密封空间连续或间隔地提供所述冷却液滴；所述密封空间的另一侧连接有冷却液滴回收区，用于回收流经所述密封空间的所述冷却液滴。

进一步优选地，通过在所述冷却液滴供应区和冷却液滴回收区之间设置流体冷却装置，将来自所述冷却液滴回收区的吸热后的所述冷却液进行冷却，然后输送回所述冷却液滴供应区，形成循环。

进一步优选地，所述冷却液滴供应区和所述冷却液滴回收区为同一个冷却液滴区，即所述冷却液滴在由所述上基部层和下基部层之间形成的所述密封空间流动后返回该冷却液滴区。

优选地，所述测温传感器和所述驱动电极可通过溅射、化学气相沉积或热蒸镀等工艺在电绝缘层上形成导电金属薄膜，然后刻蚀导电金属薄膜得到图案化的电极阵列。金属薄膜可为铜、铬等金属层或氧化铟锡(ITO)等金属氧化物。

进一步优选地，所述测温传感器和对应位置的所述驱动电极为同一个金属或金属氧化物电极。

进一步优选地，当所述测温传感器和对应位置的所述驱动电极为同一个金属电极时，所述测温传感器层和所述驱动电极层通过控制功能切换电路模块进行控制，温度检测和液滴驱动分时进行。

优选地，所述测温传感器可以使用光刻法和/或化学湿法刻蚀对铜、铬、金、铂、氧化铟锡(ITO)薄膜层加工得到。

再进一步优选地，根据本发明的所述芯片热点冷却装置中不包含所述测温传感器层。

优选地，所述冷却液滴包括分散相和分散介质，所述分散相选自纳米金属粒子、纳米金属氧化物粒子、碳纳米管中的一种或多种；所述分散介质选自去离子水、乙二醇、丙酮、导热油中的一种或多种。

进一步优选地，所述分散相为纳米金属氧化物粒子Al₂O₃；所述分散介质为去离子水。所述纳米金属氧化物粒子Al₂O₃平均粒径为30nm，颗粒形状为球形，颗粒纯度为99.9％；所述分散介质为去离子水；分散相的质量分数为0.4％，分散介质去离子水的质量分数为99.6％。

优选地，所述冷却液滴还包括分散剂，如表面活性剂等。

进一步优选地，所述分散剂选自表面活性剂聚乙二醇600(PEG600)，所述聚乙二醇600(PEG600)和作为分散相的所述纳米金属氧化物粒子Al₂O₃的质量分数之比为1:20。

优选地，所述冷却液滴采用常规的两步法制备。

根据本发明的另一个方面，本发明的再一个目的是提供了一种针对采用根据本发明的所述芯片热点冷却装置的控制芯片冷却的方法，包括：

1)通过检测所述测温传感器层中的多个测温传感器的电阻变化量，获取芯片表面不同位置的温度信息，并将所述温度信息传回所述温度检测电路模块；

2)所述温度检测电路模块将接收到的所述温度信息与存储在所述温度检测电路模块中的阈值进行比较分析，当所述温度信息高于阈值时，所述温度检测电路模块向所述驱动电极层发出冷却指令；

3)所述驱动电极层中的所述扫描电路和信号电路规划液滴移动路径，通过对所述多个驱动电极通断电，将冷却液滴从当前位置(例如冷却液滴供应区)移到目标位置，实现热点冷却；

4)步骤3)中冷却液滴吸收芯片热量后，所述驱动电极层进一步驱动所述冷却液滴至所述冷却液滴回收区或返回所述冷却液滴供应区，形成循环。

根据本发明的另一个方面，本发明的再一个目的是提供了一种针对采用根据本发明的所述芯片热点冷却装置的控制芯片冷却的方法，所述芯片热点冷却装置中所述测温传感器和对应位置的所述驱动电极为同一个金属或金属氧化物电极，所述方法包括：

1)由所述控制功能切换电路模块导通所述测温传感器层中的多个测温传感器，通过检测所述测温传感器层中的多个测温传感器的电阻变化量，获取芯片表面不同位置的温度信息，并将所述温度信息传回所述温度检测电路模块；

2)所述温度检测电路模块将接收到的所述温度信息与存储在所述温度检测电路模块中的阈值进行比较分析，当所述温度信息高于阈值时，所述温度检测电路模块向所述控制功能切换电路模块反馈信号；

3)所述控制功能切换电路模块接收到反馈信号后，向所述驱动电极层发出冷却指令，所述驱动电极层中的所述扫描电路和信号电路规划液滴移动路径，同时导通驱动电极层中的所述驱动电极、扫描电路和信号电路之间的连接，所述控制功能切换电路模块对冷却液滴运动路径上的电极电路做操控切换，切断移动冷却液滴当前所处位置以及前后相邻电极对应的所述温度检测电路，通过对所述多个驱动电极通断电，将冷却液滴从当前位置(例如冷却液滴供应区)移到目标位置，实现热点冷却，待冷却液滴从一个电极位置移开后，所述控制功能切换电路模块断开该电极与所述驱动电极层的所述扫描电路和信号电路之间的连接，并将所述电极与所述温度检测电路重新连接，使该电极处于测温传感器工作状态；

4)步骤3)中冷却液滴吸收芯片热量后，所述驱动电极层进一步驱动所述冷却液滴至所述冷却液滴回收区或返回所述冷却液滴供应区，形成循环。

根据本发明的另一个方面，本发明的再一个目的是提供了一种针对采用根据本发明的所述芯片热点冷却装置的控制芯片冷却的方法，所述芯片热点冷却装置中不含所述测温传感器层，所述方法包括：

1)由外部检测模块检测芯片内部模块工作状态，通过串口通信，将芯片内部模块的工作状态信息发送给所述驱动电极层中的所述扫描电路和信号电路，所述扫描电路和信号电路通过数据对比确定芯片热点位置；

2)然后所述扫描电路和信号电路规划液滴移动路径，通过对所述多个驱动电极通断电，将冷却液滴从当前位置(例如冷却液滴供应区)移到目标位置。

3)步骤2)中冷却液滴吸收芯片热量后，所述驱动电极层进一步驱动所述冷却液滴至所述冷却液滴回收区或返回所述冷却液滴供应区，形成循环。

有益效果

根据本发明的芯片热点冷却装置，集温度检测、分析、液滴驱动为一体，通过测温传感器实时获取芯片热点温度信息，温度检测电路模块分析热点信息，由驱动电极层输送冷却液滴，完成对芯片热点的冷却。将数字微流控灵活的控制机制、可编程性、高灵敏度等特点充分应用在芯片热点冷却装置的设计上。创造性地将纳米流体应用在芯片热点冷却装置中，利用数字微流控芯片通过电极驱动液滴的特性，使纳米流体冷却液滴在移动的过程中，所述纳米流体冷却液滴内部会产生内涡流，提高了纳米流体的分散性。采用双平面的密封结构，可以减小冷却液滴蒸发损耗，利于冷却液滴的循环利用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本发明的冷却液滴的制备流程图；

图2为根据本发明实施例1的芯片热点冷却装置结构的横截面图；

图3为根据本发明实施例1的芯片热点冷却装置结构俯视图；

图4为根据本发明的芯片热点冷却装置的驱动电极层的结构示意图；

图5为根据本发明的芯片热点冷却装置的测温传感器层的结构示意图；

图6为根据本发明的芯片热点冷却装置控制驱动液滴的示意图；

图7为根据本发明实施例2的芯片热点冷却装置结构的横截面图；

图8为根据本发明实施例2的芯片热点冷却装置中由所述控制功能切换电路模块25控制所述测温传感器层18和对应位置的所述驱动电极层14的简略示意图；

图9为根据本发明实施例2的芯片热点冷却装置的ITO电极的温度和电阻的关系曲线；

图10为根据本发明实施例3的所述芯片热点冷却装置和芯片结构的简略示意图。

附图标记

10-第一基板；11-第二基板；12-第一疏水层；13-第二疏水层；14-驱动电极层；141-驱动电极；15-参考电极层；16-介质层；17-电绝缘层；18-测温传感器层；181-测温传感器；19-冷却液滴；20-温度检测电路模块；21-扫描电路；22-信号电路；23-冷却液滴供应区；24-冷却液滴回收区；25-控制功能切换电路模块。

具体实施方式

在下文中，将参照附图详细地描述本公开的优选的实施方式。在描述之前，应当了解在说明书和所附权利要求中使用的术语，并不应解释为局限于一般及辞典意义，而是应当基于允许发明人为最好的解释而适当定义术语的原则，基于对应于本发明技术层面的意义及概念进行解释。因此，在此的描述仅为说明目的的优选实例，而并非是意指限制本发明的范围，因而应当了解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以做出其他等同实施和修改。

本文所使用的术语“第一”、“第二”等是用来解释各种构成元件，并且它们仅用于将一种构成元件与另一种构成元件区分的目的。

并且，本文中所使用的术语仅用于解释示例性实施例，且并不旨在限制本发明。单数表达也包括其复数表达，除非在上下文中另有明确表示。在本文中所使用的“包含”、“配备有”或“具有”之类的术语用于指定实践特性、数目、步骤、构成元件或其组合的存在，并且应当理解为不排除一个或多个其他特性、数目、步骤、构成元件或其组合的添加或存在的可能。

并且，如果一个层或一个元件被提及为形成于“层”或“元件”的“上面”或“上方”，这意味着每一个层或元件被直接形成在该层或元件上，或者在层、主体或基材之间可形成其他的层或元件。

为了阐明本发明，在附图中省略了与描述无关的部分，并且在整个说明书中，相同或相似的部件由相同的附图标记表示。

另外，为了便于说明，任意地示出了附图中所示的每个部件的尺寸和厚度，因此本发明不必限于附图中所示的那些。

在整个说明书中，当提到某个元件“连接”到另一个元件时，它不仅包括“直接连接”，还包括其他构件之间的“间接连接”。另外，当提到某个元件“包括”某个部件时，这意味着该元件可以进一步包括其他部件而不是排除其他部件，除非相反地明确描述。

以下实施例仅是作为本发明的实施方案的例子列举，并不对本发明构成任何限制，本领域技术人员可以理解在不偏离本发明的实质和构思的范围内的修改均落入本发明的保护范围。除非特别说明，以下实施例中使用的试剂和仪器均为市售可得产品。除非另有说明，纳米金属氧化物粒子Al₂O₃购自上海超威纳米，表面活性剂聚乙二醇600(PEG600)购自西格玛奥德里奇(Sigma-Aldrich)。氧化铝纳米颗粒通过使用Sartorius的BSA224S电子天平系列测量；纳米流体溶液通过使用IKA的RCT B S25磁力搅拌器搅拌；并且通过使用SCIENTZ的JY92-IIN细胞破碎仪进行超声处理。纯度以纳米金属氧化物粒子Al₂O₃的质量分数％计算。

制备实施例1

图1是用于根据本发明的所述芯片热点冷却装置中的冷却液滴的制备的流程图，具体制备步骤如下：

1)使用精密电子天平称量纳米金属氧化物粒子Al₂O₃，置于烧杯内；

2)向烧杯内添加去离子水和PEG600，将烧杯放置在磁力搅拌器上，以600r/min的转速搅拌15min，去离子水的加入量为保证纳米金属氧化物粒子Al₂O₃的质量分数为0.4％，所述去离子水的质量分数为99.6％；基于纳米金属氧化物粒子Al₂O₃，表面活性剂聚乙二醇600(PEG600)的加入量为确保所述聚乙二醇600(PEG600)和所述纳米金属氧化物Al₂O₃的质量分数之比为1:20；

3)使用细胞破碎仪对纳米流体超声30min，通过冰水浴的方法，每隔10min对冷却液滴进行降温，实时监测冷却液滴温度不超过30℃；将配置好的冷却液滴抽真空30min，将搅拌和超声过程中冷却液滴中的气泡除尽，放置备用。

其中作为分散相的纳米金属氧化物粒子Al₂O₃平均粒径为30nm，颗粒形状为球形，颗粒纯度为99.9％。作为分散剂的表面活性剂聚乙二醇600(PEG600)可以包裹纳米颗粒。向冷却液滴内加入表面活性剂后，表面活性剂会附着在纳米金属氧化物粒子Al₂O₃表面，使得粒子之间存在排斥力，粒子之间不能接触，可以防止纳米颗粒团聚。

实施例1

结合图2至图5，根据本实施例的所述芯片热点冷却装置，包括：相对设置的上基部层和下基部层，以及位于由所述上基部层和下基部层之间形成的密封空间内的冷却液滴19，所述冷却液滴19为制备实施例1中获得的冷却液滴。

所述下基部层按照自下而上的顺序依次包括：

第一基板10，该基板由导热性良好的硅片形成；

设置在所述第一基板10上的电绝缘层17，

在所述第一基板10上通过光刻和化学湿法刻蚀镀好的氧化铟锡(ITO)层形成所述测温传感器层18中的多个测温传感器181，

电绝缘层17通过PECVD沉积二氧化硅制成，在制备时，可以通过磁控溅射在所述电绝缘层17表面上涂覆一层透明的金属氧化物(氧化铟锡，ITO)作为参考电极层15；以及

设置在所述参考电极层15上的第一疏水层12；

所述上基部层按照自上而下的顺序依次包括：

第二基板11，该基板由导热性良好的硅片形成；

设置在所述第二基板11上的驱动电极层14，所述驱动电极层14中的驱动电极141可通过刻蚀镀好的铜制造.，

设置在所述驱动电极层14上的介质层16选用介电常数高、抗击穿能力强的有机高分子材料，如Parylene等涂覆制备，以及

设置在所述介质层16上的第二疏水层13。

所述第一疏水层12和第二疏水层13通过旋涂一层聚四氟乙烯制备。

其中，根据图5，所述测温传感器层18包括多个测温传感器181和温度检测电路模块20，所述多个测温传感器181以5行5列的形式均匀间隔设置在所述第一基板10上，通过检测所述多个测温传感器181的电阻变化量，获取芯片表面不同位置的温度信息，并且将所述温度信息传回外部连接的所述温度检测电路模块20。

根据图4，所述驱动电极层14包括多个驱动电极141、扫描电路21和信号电路22，所述多个驱动电极141以5行5列的形式均匀间隔设置在所述第二基板11上，并且通过电连接的方式连接至外部所述扫描电路21的扫描接口和信号电路22的信号接口，通过外部所述扫描电路21和信号电路22控制所述多个驱动电极141通断电，从而向所述冷却液滴19提供驱动力，传输所述冷却液滴19至指定位置。其中所述扫描电路21和信号电路22可以彼此垂直相交设置，形成多个控制单元。

图6为所述冷却液滴19在移动过程中的内部状态图。参考图6，通过对所述驱动电极141施加电压(通断电)，改变了所述纳米流体冷却液滴在疏水层上的局部表面张力，促使所述液滴向右移动。所述驱动过程会使所述液滴内部流层发生微小的波动，并在横向压差与切应力的综合作用下，构成顺时针方向的力矩，促使所述液滴内部产生漩涡。

具体地，所述冷却液滴19以紊流的流动状态进行移动。在紊流中所述冷却液滴19内部会形成大小不一，方向不同的漩涡。所述漩涡有利于改善作为分散相的纳米颗粒的分散性，一定程度上提高了所述冷却液滴19的稳定性，同时通过涡旋扰动强化对流换热，提高冷却效能。

所述测温传感器181与所述驱动电极141一一对应。

由所述上基部层和下基部层之间形成的密封空间的一侧连接有冷却液滴供应区23，用于向所述密封空间连续或间隔地提供所述冷却液滴19，另一侧连接有冷却液滴回收区24，用于回收流经所述密封空间的所述冷却液19。在所述冷却液滴供应区23和冷却液滴回收区24之间设置流体冷却装置，对来自所述冷却液滴回收区24的吸热后的所述冷却液19进行冷却，然后输送回所述冷却液滴供应区23。

采用根据本实施例的芯片热点冷却装置对芯片热点进行冷却时，方法如下：

1)通过检测所述测温传感器层18中的多个测温传感器181的电阻变化量，获取芯片表面不同位置的温度信息，并将所述温度信息传回所述温度检测电路模块20。

2)所述温度检测电路模块20将接收到的所述温度信息与存储在所述温度检测电路模块20中的阈值进行比较分析，当所述温度信息高于阈值时，所述温度检测电路模块20向所述驱动电极层14发出冷却指令。

3)所述扫描电路21和信号电路22规划液滴移动路径，通过对所述多个驱动电极141通断电，将冷却液滴19从当前位置(例如冷却液滴供应区23)移到目标位置，实现热点冷却。

4)步骤3)中冷却液滴19吸收芯片热量后，所述驱动电极层14进一步驱动所述冷却液滴19至所述冷却液滴回收区24，通过设置在所述冷却液滴供应区23和冷却液滴回收区24之间的流体冷却装置，将来自所述冷却液滴回收区24的吸热后的所述冷却液19进行冷却，然后输送回所述冷却液滴供应区23，形成循环。

实施例2

根据本实施例的所述芯片热点冷却装置结构与实施例1中类似，不同点在于所述测温传感器181和对应位置的所述驱动电极141为同一个金属电极，并且还包括控制功能切换电路模块25，即所述测温传感器层18和所述驱动电极层14共用同一套电极阵列。所述测温传感器层18和所述驱动电极层14通过所述控制功能切换电路模块25进行控制，温度检测和液滴驱动分时进行。

图7为根据本发明实施例2的芯片热点冷却装置结构的横截面图，其中所述测温传感器和对应位置的所述驱动电极为同一个电极。

图8为根据本实施例的芯片热点冷却装置中由所述控制功能切换电路模块25控制所述测温传感器层18和对应位置的所述驱动电极层14的简略示意图。

图9为用于本实施例的ITO电极的温度和电阻的关系曲线，从图中可以看出同时作为所述测温传感器181和所述驱动电极141的ITO电极的温度和电阻呈线性关系。

参考图7和图8，采用根据本实施例的芯片热点冷却装置对芯片热点进行冷却时，方法如下：

1)由所述控制功能切换电路模块25导通所述测温传感器层18中的多个测温传感器181，通过检测所述测温传感器层18中的多个测温传感器的电阻变化量，获取芯片表面不同位置的温度信息，并将所述温度信息传回所述温度检测电路模块20；

2)所述温度检测电路模块20将接收到的所述温度信息与存储在所述温度检测电路模块20中的阈值进行比较分析，当所述温度信息高于阈值时，所述温度检测电路模块20向所述控制功能切换电路模块25反馈信号；

3)所述控制功能切换电路模块25接收到反馈信号后，向所述驱动电极层14发出冷却指令，所述驱动电极层14中的所述扫描电路21和信号电路22规划液滴移动路径，同时导通驱动电极层14中的所述驱动电极141、扫描电路21和信号电路22之间的连接，所述控制功能切换电路模块25对所述冷却液滴19运动路径上的电极电路做操控切换，切断移动所述冷却液滴19当前所处位置以及前后相邻电极对应的所述温度检测电路，通过对所述多个驱动电极141通断电，将所述冷却液滴19从冷却液滴供应区23移到目标位置，实现热点冷却，

其中所述控制功能切换电路模块25可以按照一定频率自主切换接收所述温度检测电路模块20的反馈信号和对所述驱动电极层14发出冷却指令；或者，待冷却液滴从一个电极位置移开后，所述控制功能切换电路模块25断开该电极与所述驱动电极层14的所述扫描电路21和信号电路22之间的连接，并将所述电极与所述温度检测电路20重新连接，使该电极处于测温传感器181工作状态；

4)步骤3)中所述冷却液滴19吸收芯片热量后，所述驱动电极层14进一步驱动所述冷却液滴19至所述冷却液滴回收区24，通过设置在所述冷却液滴供应区23和冷却液滴回收区24之间的流体冷却装置，将来自所述冷却液滴回收区24的吸热后的所述冷却液19进行冷却，然后输送回所述冷却液滴供应区23，形成循环。

实施例3

根据本实施例的所述芯片热点冷却装置结构与实施例1中类似，不同点在于所述芯片热点冷却装置包含所述测温传感器层18，其它结构部分相同。图10为根据本实施例的所述芯片热点冷却装置和芯片结构的简略示意图。

如图10所示，要被冷却的芯片中包含多个模块，通过串口通信的方式，由外部检测模块检测芯片内部各个模块工作状态，将芯片内部模块的工作状态信息发送给所述驱动电极层14中的所述扫描电路21和信号电路22，所述扫描电路21和信号电路22通过数据对比确定芯片热点位置。

然后所述驱动电极层14中的所述扫描电路21和信号电路22规划液滴移动路径，通过对所述多个驱动电极141通断电，将所述冷却液滴19从冷却液滴供应区23移到目标位置，实现热点冷却。

所述冷却液滴19吸收芯片热量后，所述驱动电极层14进一步驱动所述冷却液滴19至所述冷却液滴回收区24，通过设置在所述冷却液滴供应区23和冷却液滴回收区24之间的流体冷却装置，将来自所述冷却液滴回收区24的吸热后的所述冷却液19进行冷却，然后输送回所述冷却液滴供应区23，形成循环。

Claims (9)

1.一种芯片热点冷却装置，包括：相对设置的上基部层和下基部层，以及位于由所述上基部层和下基部层之间形成的密封空间内的冷却液滴；

所述下基部层按照自下而上的顺序依次包括：

第一基板，

电绝缘层，设置在所述第一基板上，

测温传感器层，设置在所述第一基板上，并由所述电绝缘层密封，

参考电极层，设置在所述电绝缘层上，

第一疏水层，设置在所述参考电极层上；

所述上基部层按照自上而下的顺序依次包括：

第二基板，

驱动电极层，设置在所述第二基板上，

介质层，设置在所述驱动电极层上，

第二疏水层，设置在所述介质层上。

2.根据权利要求1所述的芯片热点冷却装置，其特征在于，所述测温传感器层包括多个测温传感器和温度检测电路模块，所述多个测温传感器以n行m列的形式间隔设置在第一基板上，其中n≥1，m≥1，并且连接外部温度检测电路模块，实时获取芯片表面各个位置的温度信息。

3.根据权利要求1所述的芯片热点冷却装置，其特征在于，所述驱动电极层包括多个驱动电极、扫描电路和信号电路，所述多个驱动电极以n行m列的形式间隔设置在第二基板上，其中n≥1，m≥1，并且连接外部所述扫描电路和信号电路，通过外部所述扫描电路和信号电路控制所述多个驱动电极通断电，从而向所述冷却液滴提供驱动力，传输所述冷却液滴至指定位置；

优选地，所述扫描电路设置在所述驱动电极的水平间隔区域，所述信号电路设置在所述驱动电极的竖直间隔区域，所述扫描电路和所述信号电路彼此相交，形成多个控制单元，所述控制单元和所述驱动电极一一对应；

优选地，所述测温传感器在所述第一基板上的位置和所述驱动电极的位置对称设置。

4.根据权利要求1所述的芯片热点冷却装置，其特征在于，由所述上基部层和下基部层之间形成的密封空间的一侧连接有冷却液滴供应区，用于向所述密封空间连续或间隔地提供所述冷却液滴；所述密封空间的另一侧连接有冷却液滴回收区，用于回收流经所述密封空间的所述冷却液滴；

进一步优选地，通过在所述冷却液滴供应区和冷却液滴回收区之间设置流体冷却装置，将来自所述冷却液滴回收区的吸热后的所述冷却液进行冷却，然后输送回所述冷却液滴供应区，形成循环；

进一步优选地，所述冷却液滴供应区和所述冷却液滴回收区为同一个冷却液滴区，即所述冷却液滴在由所述上基部层和下基部层之间形成的所述密封空间流动后返回该冷却液滴区。

5.根据权利要求1所述的芯片热点冷却装置，其特征在于，所述测温传感器和所述驱动电极通过溅射、化学气相沉积或热蒸镀工艺在电绝缘层上形成导电金属薄膜，然后刻蚀导电金属薄膜得到图案化的电极阵列，所述金属薄膜为铜、铬、金和铂金属或氧化铟锡(ITO)金属氧化物。

6.根据权利要求1所述的芯片热点冷却装置，其特征在于，所述测温传感器和对应位置的所述驱动电极为同一个金属或金属氧化物电极；

进一步优选地，当所述测温传感器和对应位置的所述驱动电极为同一个金属电极时，所述测温传感器层和所述驱动电极层通过控制功能切换电路模块进行控制，温度检测和液滴驱动分时进行。

7.根据权利要求1所述的芯片热点冷却装置，其特征在于，所述芯片热点冷却装置中不包含所述测温传感器层。

8.根据权利要求1所述的芯片热点冷却装置，其特征在于，所述冷却液滴包括分散相和分散介质，所述分散相选自纳米金属粒子、纳米金属氧化物粒子、碳纳米管中的一种或多种；所述分散介质选自去离子水、乙二醇、丙酮、导热油中的一种或多种；

优选地，所述分散相为纳米金属氧化物粒子Al₂O₃；所述分散介质为去离子水。所述纳米金属氧化物粒子Al₂O₃平均粒径为30nm，颗粒形状为球形，颗粒纯度为99.9％；所述分散介质为去离子水；分散相的质量分数为0.4％，分散介质去离子水的质量分数为99.6％；

优选地，所述冷却液滴还包括分散剂；

进一步优选地，所述分散剂选自表面活性剂聚乙二醇600(PEG600)，所述聚乙二醇600(PEG600)和作为分散相的所述纳米金属氧化物粒子Al₂O₃的质量分数之比为1:20。

9.一种采用根据权利要求1至8中任意一项所述芯片热点冷却装置的控制芯片冷却的方法，所述方法选自以下三种方法之一：

方法一，包括：

1)通过检测所述测温传感器层中的多个测温传感器的电阻变化量，获取芯片表面不同位置的温度信息，并将所述温度信息传回所述温度检测电路模块；

2)所述温度检测电路模块将接收到的所述温度信息与存储在所述温度检测电路模块中的阈值进行比较分析，当所述温度信息高于阈值时，所述温度检测电路模块向所述驱动电极层发出冷却指令；

3)所述驱动电极层中的所述扫描电路和信号电路规划液滴移动路径，通过对所述多个驱动电极通断电，将冷却液滴从当前位置(例如冷却液滴供应区)移到目标位置，实现热点冷却；

4)步骤3)中冷却液滴吸收芯片热量后，所述驱动电极层进一步驱动所述冷却液滴至所述冷却液滴回收区或返回所述冷却液滴供应区，形成循环；

方法二，包括：

1)由所述控制功能切换电路模块导通所述测温传感器层中的多个测温传感器，通过检测所述测温传感器层中的多个测温传感器的电阻变化量，获取芯片表面不同位置的温度信息，并将所述温度信息传回所述温度检测电路模块；

2)所述温度检测电路模块将接收到的所述温度信息与存储在所述温度检测电路模块中的阈值进行比较分析，当所述温度信息高于阈值时，所述温度检测电路模块向所述控制功能切换电路模块反馈信号；

3)所述控制功能切换电路模块接收到反馈信号后，向所述驱动电极层发出冷却指令，所述驱动电极层中的所述扫描电路和信号电路规划液滴移动路径，同时导通驱动电极层中的所述驱动电极、扫描电路和信号电路之间的连接，所述控制功能切换电路模块对冷却液滴运动路径上的电极电路做操控切换，切断移动冷却液滴当前所处位置以及前后相邻电极对应的所述温度检测电路，通过对所述多个驱动电极通断电，将冷却液滴从当前位置(例如冷却液滴供应区)移到目标位置，实现热点冷却，待冷却液滴从一个电极位置移开后，所述控制功能切换电路模块断开该电极与所述驱动电极层的所述扫描电路和信号电路之间的连接，并将所述电极与所述温度检测电路重新连接，使该电极处于测温传感器工作状态；

4)步骤3)中冷却液滴吸收芯片热量后，所述驱动电极层进一步驱动所述冷却液滴至所述冷却液滴回收区或返回所述冷却液滴供应区，形成循环；

方法三，包括：

1)由外部检测模块检测芯片内部模块工作状态，通过串口通信，将芯片内部模块的工作状态信息发送给所述驱动电极层中的所述扫描电路和信号电路，所述扫描电路和信号电路通过数据对比确定芯片热点位置；

2)然后所述扫描电路和信号电路规划液滴移动路径，通过对所述多个驱动电极通断电，将冷却液滴从当前位置(例如冷却液滴供应区)移到目标位置；

3)步骤2)中冷却液滴吸收芯片热量后，所述驱动电极层进一步驱动所述冷却液滴至所述冷却液滴回收区或返回所述冷却液滴供应区，形成循环。

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