一種滴狀冷凝且自集水的微制冷器及其制造方法
【專利摘要】一種滴狀冷凝且自集水的微制冷器，具有上玻璃板、中間硅片和下玻璃板三層結(jié)構(gòu)，上玻璃板和中間硅片健合形成冷凝器、蒸發(fā)器、液體管和蒸汽管，下玻璃板與中間硅片健合形成高溫芯片傳熱區(qū)和冷卻水管。本發(fā)明采用特定的棱臺?半球型微米和納米雙層異質(zhì)結(jié)構(gòu)修飾硅冷凝表面，使蒸汽能在冷凝器中迅速的冷凝成滴狀液滴并且自發(fā)的集中到液體管附近，同時由眾多毛細管組成的液體管提供較大的毛細驅(qū)動力將送入蒸發(fā)器吸收熱量。本發(fā)明還涉及上述微制冷器的制造方法。本發(fā)明的具有結(jié)構(gòu)新穎、體積小、重量輕、穩(wěn)定性好、制冷性能優(yōu)異的優(yōu)點。
【專利說明】
一種滴狀冷凝且自集水的微制冷器及其制造方法
技術(shù)領域
[0001]本發(fā)明涉及制冷器技術(shù)領域，尤其涉及一種滴狀冷凝且自集水的微制冷器及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有的芯片級相變微型器設計方案主要采用微型毛細栗吸環(huán)路方案。該方案制作的微制冷器主要由蒸發(fā)器、冷凝器、蒸汽管、液體管、儲液槽和填充區(qū)組成。微制冷器工作時，液體首先在蒸發(fā)器中蒸發(fā)成蒸汽，帶走蒸發(fā)器熱量，蒸汽經(jīng)蒸汽管流向冷凝器，在冷凝器中凝結(jié)成液體，向外部環(huán)境放出熱量，液體經(jīng)液體管回流到蒸發(fā)器完成一個循環(huán)。填充區(qū)用來注入液體，儲液槽用來儲存多余的液體，蒸發(fā)器中產(chǎn)生的蒸汽為整個環(huán)路系統(tǒng)的連續(xù)流動提供驅(qū)動力。冷凝器和蒸發(fā)器在普通硅片層上的腔體采用MEMS工藝制作，蒸汽管和液體管的制作采用電化學刻蝕在硅片層上刻出溝槽后再與硅片蓋板健合而成。上述微制冷器穩(wěn)定傳熱功率為40W左右。
[0003]現(xiàn)有的芯片級微型毛細栗吸環(huán)路制冷器存在以下缺點:(I)冷凝面不是制定的滴狀冷凝超疏水硅表面。蒸汽冷凝時容易在簡單的硅表面上形成膜狀冷凝(蒸汽冷凝時有兩種形式，一種是膜狀冷凝，一種是滴狀冷凝，滴狀冷凝比膜狀冷凝的相變傳熱系數(shù)高五到幾十倍)，影響了冷凝時的傳熱效率。(2)冷凝面不是定制的自集水超疏水硅表面。冷凝面上的液體無法自動向冷凝器的液體管管口處匯集，需要靠蒸汽壓力將其驅(qū)動到冷凝器的液體管管口處。尤其在膜狀冷凝狀態(tài)下，由于水膜與硅表面存在很大的黏滯力，很難確保冷凝面上的液體快速送到液體管管口處，影響了液體回流速度，進而影響了熱循環(huán)效率。由于上述兩點原因，現(xiàn)有的微型毛細栗吸環(huán)路制冷器的散熱效果并不能達到最佳狀態(tài)，冷凝面需要進一步設計改進。改進的冷凝面的設計要求是液滴冷凝時呈滴狀冷凝狀態(tài)，并且冷凝液滴能僅在表面張力的作用下自動地、快速地向液體管管口處匯集(蒸汽壓力只起到加速的作用)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明目的是克服上述現(xiàn)有相變微制冷器存在的制冷效果低的缺點，提出了一種滴狀冷凝且自集水的高效傳熱相變微制冷器及其制造方法。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
[0006]—種滴狀冷凝且自集水的微制冷器，包括上玻璃板、中間硅片和下玻璃板三層結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述上玻璃板與中間硅片健合形成冷凝器、蒸發(fā)器、蒸汽管和液體管，所述冷凝器由中間硅片表面的冷凝區(qū)、集水區(qū)、填充區(qū)和上玻璃板的冷凝器玻璃罩組成，所述集水區(qū)連接液體管，所述液體管由并列的毛細管組成，所述冷凝器通過液體管連接蒸發(fā)器，所述蒸發(fā)器的兩側(cè)連接蒸汽管，所述蒸發(fā)器通過蒸汽管連接到冷凝器的冷凝區(qū)，所述填充區(qū)包含填充孔，所述填充孔與外部連接，所述冷凝區(qū)主要由棱臺-半球型微米和納米雙層異質(zhì)結(jié)構(gòu)組成，形成梯度浸潤性超疏水液滴自驅(qū)動表面，所述棱臺-半球型微米和納米雙層異質(zhì)結(jié)構(gòu)由八棱臺形狀的微米結(jié)構(gòu)和半球形狀的納米結(jié)構(gòu)組成，所述微米結(jié)構(gòu)以變間距的形式分布在冷凝區(qū)和填充區(qū)，所述納米結(jié)構(gòu)均勻分布在冷凝器和蒸發(fā)器的中間硅片表面;所述下玻璃板與中間硅片健合形成高溫芯片傳熱區(qū)和冷卻水管，所述高溫芯片傳熱區(qū)與冷卻水管相互隔離，所述冷卻水管與外界連接。
[0007]進一步，所述毛細管的橫截面是矩形;所述冷卻水管的橫截面是矩形。
[0008]進一步，所述液體管由二十根并列的毛細管組成。
[0009]進一步，所述填充孔位于填充區(qū)對應的上玻璃板的冷凝器凹槽中間。
[0010 ]進一步，所述微米結(jié)構(gòu)由娃制成;所述納米結(jié)構(gòu)由二氧化娃制成。
[0011]進一步，所述微米結(jié)構(gòu)的間距隨離集水區(qū)的距離減小而變小;所述微米結(jié)構(gòu)在填充區(qū)的間距最大。
[0012]進一步，所述冷凝器在中間硅片正面的位置與冷卻水管在中間硅片反面的位置相對應；所述蒸發(fā)器在中間硅片正面的位置與高溫芯片傳熱區(qū)在中間硅片反面的位置相對應。
[0013]本發(fā)明所述的滴狀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驟:
[0014]a)取一塊硅片作為中間硅片，雙面拋光，清洗，在正面熱氧化淀積一層Ium厚的S12;
[0015]b)正面光刻膠作掩膜光刻出冷凝器和蒸發(fā)器區(qū)域，BOE腐蝕S12,開腐蝕窗口，去除光刻膠；
[0016]c)正面KOH腐蝕Si，腐蝕出冷凝器和蒸發(fā)器區(qū)域，冷凝器區(qū)域用KOH腐蝕出八棱臺微米結(jié)構(gòu)；
[0017]d)正面光刻膠作掩膜，去除冷凝器和蒸發(fā)器區(qū)域的微納米結(jié)構(gòu)區(qū)的S12,去除光刻膠；
[0018]e)正面派射5um厚的Al膜；
[0019]f)將冷凝器和蒸發(fā)器區(qū)域置于具有一定溫度和偏置電壓的草酸溶液中，兩步陽極氧化法將Al膜氧化成多孔狀均勻有序的AAO(Al2O3)膜；
[0020]g)冷凝器和蒸發(fā)器區(qū)域繼續(xù)氧化，電解液穿過AAO膜微孔對Si襯底氧化形成S12半球，制作出半球狀納米結(jié)構(gòu)；
[0021 ] h)正面用磷酸和鉻酸混合溶液腐蝕掉AAO膜；
[0022]i)正面光刻膠作掩膜，BOE腐蝕掉微納米結(jié)構(gòu)區(qū)外的S12,去除光刻膠；
[0023]j)取一塊玻璃板作為上玻璃板，激光刻出蒸發(fā)器、冷凝器、液體管和蒸汽管的凹槽，并在填充區(qū)凹槽中間切割出一個貫穿上玻璃板的填充孔；
[0024]k)上玻璃板凹槽面與中間硅片正面健合；
[0025]I)取一塊玻璃板作為下玻璃板，激光刻出冷卻水管的凹槽和切割出貫穿下玻璃板的高溫芯片傳熱區(qū)；
[0026]m)上玻璃板凹槽面與中間硅片反面健合。
[0027]本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思是:冷凝器中的蒸汽在被棱臺-半球型微米和納米雙層異質(zhì)結(jié)構(gòu)修飾的冷凝區(qū)中放熱冷凝成為滴狀液體，冷凝形成的液滴在因梯度浸潤性產(chǎn)生的特殊表面張力作用下迅速向集水區(qū)匯集，集水區(qū)的液體通過親水的玻璃毛細管在毛細力的作用下流向蒸發(fā)器。液體在蒸發(fā)器中吸熱蒸發(fā)成蒸汽，帶走高溫芯片傳熱區(qū)的熱量，通過蒸汽管返回冷凝器。同時，下玻璃板與中間硅片反面健合形成的冷卻水管中的水帶走冷凝器的熱量，保證冷凝器處于較低溫度，完成一次熱循環(huán)。
[0028]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:(I)采用疏水-親水相反物質(zhì)二元協(xié)同結(jié)構(gòu)在微米-納米兩個尺度對硅冷凝表面進行修飾，確保蒸汽在冷凝表面呈滴狀冷凝，使冷凝表面的相變傳熱系數(shù)提高了五到幾十倍。(2)通過設計冷凝面上微納二級結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，使表面成為梯度浸潤性超疏水液滴自驅(qū)動表面。在該表面上，冷凝后的液滴能自動地、快速地匯集到液體管管口處的集水區(qū)，確保液體管中液體能連續(xù)和快速流動，加快了熱循環(huán)。
(3)液體管由上玻璃板上的微槽與中間硅板健合形成，為多根毛細管結(jié)構(gòu)，具有較大的毛細驅(qū)動力。液體管中液體僅靠毛細驅(qū)動力就可以連續(xù)流動，同時蒸汽壓力加速了液體流動，加速了熱循環(huán)。采用這種冷凝硅表面制作的新型相變微制冷器的穩(wěn)定傳熱功率將達到120W，傳熱功率比原有同類相變微制冷器傳熱功率提高3倍。
【附圖說明】
[0029]圖1是本發(fā)明的微制冷器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖2是中間硅片的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031]圖3是棱臺-半球型微米和納米雙層異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
[0032]圖4是上玻璃板正面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033]圖5是上玻璃板反面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0034]圖6是下玻璃板正面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0035]圖7是下玻璃板反面結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0036]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明了，下面結(jié)合【具體實施方式】并參照結(jié)合附圖，對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0037]如圖1所示，本發(fā)明一種滴狀冷凝且自集水的微制冷器包括上玻璃板(9)、中間硅片(10)和下玻璃板(12)三層結(jié)構(gòu)，所述上玻璃板(9)與中間硅片(10)健合形成冷凝器(2)、蒸發(fā)器(7)、蒸汽管(6)和液體管(5)，所述下玻璃板(12)與中間硅片(10)健合形成高溫芯片傳熱區(qū)(8)和冷卻水管(13)。其中，液體管(5)由二十根并列的毛細管(11)組成，多根毛細管
(11)組成的液體管大大的增加了毛細驅(qū)動力，從而加速了液體流動，加速了熱循環(huán)，提高了傳熱功率。同時，如圖2和3所示將冷凝器的硅表面設計成棱臺-半球型微米和納米雙層異質(zhì)結(jié)構(gòu)(18)，八棱臺形的疏水微米結(jié)構(gòu)(3)以變間距的形式分布在冷凝區(qū)(15)和填充區(qū)(14)，微米結(jié)構(gòu)(3)的間距從蒸汽管(6)與冷凝器(2)的接口處到液體管(5)與冷凝器(2)的接口處逐漸減小，從而產(chǎn)生梯度浸潤性，使得液滴能夠自發(fā)的聚集到液體管(5)與冷凝器(2)的接口處。半球形的親水納米結(jié)構(gòu)(4)均勻分布在冷凝器(2)和蒸發(fā)器(7)的硅表面。采用疏水-親水相反物質(zhì)二元協(xié)同結(jié)構(gòu)在微米-納米兩個尺度對硅冷凝表面進行修飾，確保蒸汽在冷凝表面呈滴狀冷凝，使冷凝表面的相變傳熱系數(shù)提高了五到幾十倍。
[0038]如圖2?圖7所示，中間硅片(10)通過化學腐蝕在硅表面制作出冷凝區(qū)(15)、集水區(qū)(16)、填充區(qū)(14)和蒸發(fā)面(17)，上玻璃板(9)通過激光刻畫出蒸汽管凹槽(19)、冷凝器凹槽(20)、蒸發(fā)器凹槽(21)、液體管凹槽(22)和填充孔(I)，下玻璃板(12)通過激光刻畫出高溫芯片傳熱區(qū)通孔(23)和冷卻水管凹槽(24)，為了降低制造難度，上玻璃板和下玻璃板上的凹槽的橫截面都為矩形。中間硅片(10)的冷凝區(qū)(15)、集水區(qū)(16)、填充區(qū)(14)與上玻璃板(9)的冷凝器凹槽(20)健合形成冷凝器(2)，蒸發(fā)面(17)與蒸發(fā)器凹槽(21)健合形成蒸發(fā)器(7)，蒸汽管凹槽(19)和液體管凹槽(22)與中間硅片(10)的光滑硅表面直接結(jié)合形成蒸汽管(6)和液體管(5)。同時，下玻璃板(12)的高溫芯片傳熱區(qū)通孔(23)和冷卻水管凹槽(24)與中間硅片(10)光滑的反面直接健合形成高溫芯片傳熱區(qū)(8)和冷卻水管(12)。冷凝器(2)在中間硅片(10)正面的位置與冷卻水管(13)在中間硅片(10)反面的位置相對應，蒸發(fā)器(7)在中間硅片(10)正面的位置與高溫芯片傳熱區(qū)(8)在中間硅片(10)反面的位置相對應，放置在高溫芯片傳熱區(qū)(8)中的芯片將熱量傳到蒸發(fā)器(7)，在蒸發(fā)器(7)內(nèi)部的液體吸熱蒸發(fā)成蒸汽，帶走高溫芯片傳熱區(qū)(8)的熱量，通過蒸汽管(6)返回冷凝器(2)，冷凝器
(2)中的蒸汽在被棱臺-半球型微米和納米雙層異質(zhì)結(jié)構(gòu)(18)修飾的冷凝區(qū)(2)中放熱冷凝成為滴狀液體，冷凝形成的液滴在因梯度浸潤性產(chǎn)生的特殊表面張力作用下迅速向集水區(qū)匯集，集水區(qū)的液體通過親水的玻璃毛細管(11)在毛細力的作用下流向蒸發(fā)器(7)。同時，冷卻水管(12)中的水帶走冷凝器(2)的熱量，保證冷凝器(2)處于較低溫度，完成一次熱循環(huán)。
[0039]如圖1?圖7所示，本發(fā)明所述的一種滴狀冷凝且自集水的微制冷器的制造方法，其特點在于所述制造方法包括以下步驟:
[0040]a)取一塊硅片作為中間硅片(10)，雙面拋光，清洗，在正面熱氧化淀積一層Ium厚的S12;
[0041]b)正面光刻膠作掩膜光刻出冷凝器(2)和蒸發(fā)器(7)區(qū)域，BOE腐蝕S12,開腐蝕窗口，去除光刻膠；
[0042]c)正面KOH腐蝕Si，腐蝕出冷凝器(2)和蒸發(fā)器(7)區(qū)域，冷凝器(2)區(qū)域用KOH腐蝕出八棱臺微米結(jié)構(gòu)(3)；
[0043]d)正面光刻膠作掩膜，去除冷凝器(2)和蒸發(fā)器(7)區(qū)域的微納米結(jié)構(gòu)區(qū)(13，14，15，16)的S12，去除光刻膠;
[0044]e)正面派射5um厚的Al膜；
[0045]f)將冷凝器(2)和蒸發(fā)器(7)區(qū)域置于具有一定溫度和偏置電壓的草酸溶液中，兩步陽極氧化法將Al膜氧化成多孔狀均勻有序的AAO(Al2O3)膜；
[0046]g)冷凝器和(2)蒸發(fā)器(7)區(qū)域繼續(xù)氧化，電解液穿過AAO膜微孔對Si襯底氧化形成S12半球，制作出半球狀納米結(jié)構(gòu)(4)；
[0047]h)正面用磷酸和鉻酸混合溶液腐蝕掉AAO膜；
[0048]i)正面光刻膠作掩膜，BOE腐蝕掉微納米結(jié)構(gòu)區(qū)(13，14,15,16)外的S12，，去除光刻膠；
[0049]j)取一塊玻璃板作為上玻璃板(9)，激光刻出蒸發(fā)器凹槽(21)、冷凝器凹槽(20)、液體管凹槽(22)和蒸汽管的凹槽(19)，并在填充區(qū)凹槽中間切割出一個貫穿上玻璃板(9)的填充孔(I);
[0050]k)上玻璃板(9)凹槽面與中間硅片(10)正面健合；
[0051 ] I)取一塊玻璃板作為下玻璃板(12)，激光刻出冷卻水管凹槽(24)和切割出貫穿下玻璃板的高溫芯片傳熱區(qū)通孔(23);
[0052]m)上玻璃板(12)凹槽面與中間硅片(10)反面健合。
[0053]本說明書實施例所述的內(nèi)容僅僅是對發(fā)明構(gòu)思的實現(xiàn)形式的列舉，本發(fā)明的保護范圍不應當被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護范圍也及于本領域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。
【主權(quán)項】
1.一種滴狀冷凝且自集水的微制冷器，包括上玻璃板(9)、中間硅片(10)和下玻璃板(12)三層結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述上玻璃板(9)與中間硅片(10)健合形成冷凝器(2)、蒸發(fā)器(7)、蒸汽管(6)和液體管(5);所述冷凝器(2)由中間硅片(10)表面的冷凝區(qū)(15)、集水區(qū)(16)、填充區(qū)(14)和上玻璃板的冷凝器凹槽(20)組成，所述集水區(qū)(16)連接液體管(5)，所述液體管(5)由并列的毛細管(11)組成，所述冷凝器(2)通過液體管(5)連接蒸發(fā)器(7)，所述蒸發(fā)器(7)的兩側(cè)連接蒸汽管(6)，所述蒸發(fā)器(7)通過蒸汽管(6)連接到冷凝區(qū)(15)，所述填充區(qū)(14)包含填充孔(I)，所述填充孔(I)與外部連接，所述冷凝區(qū)(15)主要由棱臺-半球型微米和納米雙層異質(zhì)結(jié)構(gòu)(18)組成，所述棱臺-半球型微米和納米雙層異質(zhì)結(jié)構(gòu)(18)由八棱臺形狀的微米結(jié)構(gòu)(3)和半球形狀的納米結(jié)構(gòu)(4)組成，所述微米結(jié)構(gòu)(3)以變間距的形式分布在冷凝區(qū)(15)和填充區(qū)(14)，所述納米結(jié)構(gòu)(4)均勻分布在冷凝器(2)和蒸發(fā)器(7)的中間硅片(10)表面;所述下玻璃板(12)與中間硅片(10)健合形成高溫芯片傳熱區(qū)(8)和冷卻水管(13)，所述高溫芯片傳熱區(qū)(8)與冷卻水管(13)相互隔離，所述冷卻水管(13)與外界連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的滴狀冷凝且自集水的微制冷器，其特點在于:所述毛細管(11)的橫截面是矩形，所述冷卻水管(13)的橫截面是矩形。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的滴狀冷凝且自集水的微制冷器，其特點在于:所述液體管(5)由二十根并列的毛細管(11)組成。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的滴狀冷凝且自集水的微制冷器，其特點在于:所述填充孔(I)位于填充區(qū)(14)對應的上玻璃板(9)的冷凝器凹槽(20)中間。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的滴狀冷凝且自集水的微制冷器，其特點在于:所述微米結(jié)構(gòu)(3)由硅制成，所述納米結(jié)構(gòu)(4)由二氧化硅制成。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的滴狀冷凝且自集水的微制冷器，其特點在于:所述微米結(jié)構(gòu)(3)的間距隨離集水區(qū)的距離減小而變小，所述微米結(jié)構(gòu)(3)在填充區(qū)(14)的間距最大。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的滴狀冷凝且自集水的微制冷器，其特點在于:所述冷凝器(2)在中間硅片(10)正面的位置與冷卻水管(13)在中間硅片(10)反面的位置相對應;所述蒸發(fā)器(7)在中間硅片(10)正面的位置與高溫芯片傳熱區(qū)(8)在中間硅片(10)反面的位置相對應。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的滴狀冷凝且自集水的微制冷器的制造方法，其特點在于所述制造方法包括以下步驟: a)取一塊硅片作為中間硅片(10)，雙面拋光，清洗，在正面熱氧化淀積一層Ium厚的S12; b)正面光刻膠作掩膜光刻出冷凝器(2)和蒸發(fā)器(7)區(qū)域，BOE腐蝕S12,開腐蝕窗口，去除光刻膠； c)正面KOH腐蝕Si，腐蝕出冷凝器(2)和蒸發(fā)器(7)區(qū)域，冷凝器(2)區(qū)域用KOH腐蝕出八棱臺微米結(jié)構(gòu)(3)； d)正面光刻膠作掩膜，去除冷凝器(2)和蒸發(fā)器(7)區(qū)域的微納米結(jié)構(gòu)區(qū)(13，14，15，16)的S12，去除光刻膠； e)正面派射5um厚的AI膜； f)將冷凝器(2)和蒸發(fā)器(7)區(qū)域置于具有一定溫度和偏置電壓的草酸溶液中，兩步陽極氧化法將Al膜氧化成多孔狀均勻有序的AAO(Al2O3)膜； g)冷凝器和(2)蒸發(fā)器(7)區(qū)域繼續(xù)氧化，電解液穿過AAO膜微孔對Si襯底氧化形成S12半球，制作出半球狀納米結(jié)構(gòu)(4)； h)正面用磷酸和鉻酸混合溶液腐蝕掉AAO膜； i)正面光刻膠作掩膜，BOE腐蝕掉微納米結(jié)構(gòu)區(qū)(13，14，15，16)外的S12，，去除光刻膠； j)取一塊玻璃板作為上玻璃板(9)，激光刻出蒸發(fā)器凹槽(21)、冷凝器凹槽(20)、液體管凹槽(22)和蒸汽管的凹槽(I 9 )，并在填充區(qū)凹槽中間切割出一個貫穿上玻璃板(9)的填充孔(I); k)上玻璃板(9)凹槽面與中間硅片(10)正面健合； I)取一塊玻璃板作為下玻璃板(12)，激光刻出冷卻水管凹槽(24)和切割出貫穿下玻璃板的高溫芯片傳熱區(qū)通孔(23); m)上玻璃板(12)凹槽面與中間硅片(10)反面健合。
【文檔編號】F28D15/04GK106017174SQ201610442522
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月17日
【發(fā)明人】董健, 金焱立, 龍芝劍, 孫笠, 董鶴
【申請人】浙江工業(yè)大學