本發(fā)明屬于微型制冷領(lǐng)域,具體是涉及一種可切換模式的渦旋型節(jié)流制冷芯片及加工方法。
背景技術(shù):
1、面對(duì)信息時(shí)代的海量需求,半導(dǎo)體器件正在以高性能、小型化和高集成度的趨勢(shì)集成于芯片中。相應(yīng)地,高密度的器件排布會(huì)帶來更大的散熱需求,微型器件的集成需要匹配高效的冷卻部件。
2、在低溫領(lǐng)域,微型節(jié)流制冷芯片因其結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、冷端無運(yùn)動(dòng)部件、振動(dòng)低等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于軍事、電子、能源和化學(xué)等領(lǐng)域。針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景,節(jié)流制冷芯片的材料有多種選擇,而對(duì)于低溫半導(dǎo)體領(lǐng)域,玻璃材料因其易微納加工、強(qiáng)度高、漏熱小、與半導(dǎo)體材料適配等特點(diǎn),作為加工材料被成熟應(yīng)用于節(jié)流制冷芯片的制備工藝。
3、目前基于玻璃的節(jié)流制冷芯片大部分由三層玻璃基板鍵合而成,在鍵合之前在兩塊基板上刻蝕加工出高壓氣體流道、低壓氣體流道、節(jié)流通道和蒸發(fā)器流道等部件。工作過程中室溫高壓氣體經(jīng)過高壓氣體流道,在節(jié)流通道發(fā)生節(jié)流效應(yīng),節(jié)流后的低溫低壓氣體在蒸發(fā)器流道冷卻器件后,在低壓氣體流道中通過玻璃基板與高壓氣體流道中的入流高壓氣體換熱,在降溫過程中,返流低溫氣體不斷冷卻節(jié)流前的高壓氣體,最終在氣體出入口和蒸發(fā)器建立從室溫到低溫的溫度梯度,達(dá)到冷卻器件的效果。
4、目前這類節(jié)流制冷芯片加工成本較高,為了實(shí)現(xiàn)節(jié)流效應(yīng),節(jié)流通道的尺寸需要遠(yuǎn)小于高低壓氣體流道的尺寸,這就要求加工微流道時(shí)刻蝕不同的深度,加工需要引入光刻套刻工藝,過程涉及多次鍍膜、曝光、顯影工藝,對(duì)晶圓對(duì)準(zhǔn)要求高;除此之外,節(jié)流制冷芯片的節(jié)流器件為一組狹長的矩形微流道陣列,基板鍵合后微流道的尺寸便隨之固定,無法像大尺寸節(jié)流制冷系統(tǒng)中的節(jié)流閥一樣通過調(diào)節(jié)開度的方式實(shí)現(xiàn)兼顧快速降溫、高效率運(yùn)行等性能,限制了其應(yīng)用場(chǎng)景。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明提供了一種兼顧快速降溫與高效制冷性能以及加工更加簡單的微型制冷器件。
2、一種節(jié)流制冷芯片,包括集成本體,集成本體上設(shè)有多個(gè)高壓入口和一個(gè)低壓出口,集成本體內(nèi)設(shè)有若干組依次由高壓氣體流道、節(jié)流通道、蒸發(fā)器流道和低壓氣體流道組成的單相工質(zhì)流道,所述高壓氣體流道入口端與對(duì)應(yīng)高壓入口導(dǎo)通,所述低壓氣體流道出口端與所述低壓出口導(dǎo)通。
3、作為一種選擇,本發(fā)明的節(jié)流制冷芯片包括集成本體,集成本體底面設(shè)有多個(gè)高壓入口和一個(gè)低壓出口,集成本體內(nèi)設(shè)有若干組由高壓氣體流道、節(jié)流通道、蒸發(fā)器流道和低壓氣體流道組成的單相工質(zhì)流道,多組流道除蒸發(fā)器共用外,其余均不連通。
4、作為一種選擇,所述集成本體包括相互固定的蓋板和底板,所述多個(gè)高壓入口和一個(gè)低壓出口設(shè)置在底板底面,所述高壓氣體流道、節(jié)流通道、蒸發(fā)器流道和低壓氣體流道設(shè)置在底板頂面。
5、作為一種選擇,所述底板為晶圓結(jié)構(gòu)。本發(fā)明中將全部微流道集成在一枚晶圓上,用以降低微納加工的成本,過程中無需進(jìn)行對(duì)準(zhǔn),良品率更高。
6、作為一種選擇,所述高壓氣體流道、低壓氣體流道均為渦旋式結(jié)構(gòu),同時(shí)多個(gè)高壓氣體流道和低壓氣體流道交錯(cuò)設(shè)置。本發(fā)明中換熱器部分的若干組高低壓氣體流道采用渦旋式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),以此增加換熱器的有效長度,同時(shí)高低壓氣體流道交錯(cuò)設(shè)計(jì),提高單位面積晶圓的換熱效率。
7、相鄰兩個(gè)高壓氣體流道和低壓氣體流道通過設(shè)置在兩者之間的薄壁進(jìn)行換熱。
8、作為一種選擇,相鄰渦旋線間設(shè)有若干通孔結(jié)構(gòu)的隔熱間隙。隔熱間隙的設(shè)置,進(jìn)一步降低換熱器內(nèi)外圈沿玻璃的導(dǎo)熱漏熱;實(shí)際加工時(shí),可以通過激光燒蝕在相鄰渦旋線間加工若干橢圓形的通孔作為隔熱間隙,形成絕熱。
9、作為一種選擇,所述高壓氣體流道、低壓氣體流道的螺旋直徑相同。
10、作為一種選擇,所述高壓氣體流道、低壓氣體流道、蒸發(fā)器流道內(nèi)均設(shè)有多組微納米柱。
11、作為一種選擇,所述高壓氣體流道內(nèi),每組微納米柱由兩個(gè)或兩個(gè)以上具有同一軸截面的微納米柱組成,且其共用的軸截面與高壓氣體流道對(duì)應(yīng)的螺旋直徑不重合。
12、本發(fā)明中,所述集成本體為長方體或者圓柱形結(jié)構(gòu)或者近似長方體或者近似圓柱形結(jié)構(gòu)。作為一種選擇,所述集成本體為圓柱形結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步,所述集成本體為晶圓結(jié)構(gòu)。
13、作為一種選擇,所述蒸發(fā)器流道的大小和形狀與需要制冷的電子器件形狀一致。進(jìn)一步的,本發(fā)明中蒸發(fā)器為圓形結(jié)構(gòu),節(jié)流通道沿蒸發(fā)器邊緣均勻分布,其中蒸發(fā)器邊緣處每兩個(gè)節(jié)流通道中間有一個(gè)低壓氣體流道入口,所有低壓氣體流道從一個(gè)低壓出口流出。
14、本發(fā)明中節(jié)流通道為若干矩形狹縫組成,其中不同節(jié)流通道狹縫尺寸可根據(jù)需求進(jìn)行不同設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)流量的大范圍調(diào)節(jié)。
15、一種上述任一項(xiàng)技術(shù)方案所述的可切換模式的渦旋型節(jié)流制冷芯片的加工方法,包括在底板進(jìn)行微流道加工、高低壓出入口加工后,獲得所述高壓氣體流道、節(jié)流通道、蒸發(fā)器流道和低壓氣體流道以及高壓入口和低壓出口,然后將底板直接與頂板晶圓進(jìn)行熔融鍵合,隨后通過激光在相應(yīng)位置加工隔熱間隙,實(shí)現(xiàn)渦旋型節(jié)流制冷芯片的制造。
16、本發(fā)明的節(jié)流制冷芯片在工作過程中,室溫高壓工質(zhì)自多個(gè)高壓入口進(jìn)入高壓氣體流道,流經(jīng)節(jié)流通道后形成低溫低壓工質(zhì),流回低壓氣體流道與高壓氣體流道的入流工質(zhì)進(jìn)行換熱,不斷降低芯片整體的溫度;降溫過程中,全部高壓入口處于開啟狀態(tài),工質(zhì)流量大,實(shí)現(xiàn)快速降溫;溫度趨于穩(wěn)定時(shí),選擇性關(guān)閉部分高壓入口,降低工質(zhì)流量,一方面提供與電子器件熱負(fù)荷對(duì)應(yīng)的制冷量,提高運(yùn)行效率,同時(shí)可以減小低壓氣體流道的壓降,降低蒸發(fā)器工質(zhì)的兩相流溫度,使器件獲得更低的溫度。本發(fā)明的高壓氣源可由壓縮機(jī)或高壓氣瓶提供。以純氮?dú)庾鳛橹评涔べ|(zhì),節(jié)流制冷芯片可在蒸發(fā)器處提供液氮溫區(qū)的制冷量。本發(fā)明中高壓入口與高壓氣體流道、節(jié)流通道一一對(duì)應(yīng),通過調(diào)節(jié)流道開啟的數(shù)目來實(shí)現(xiàn)操作過程中主動(dòng)控制流量的目的。
17、本發(fā)明的高壓氣源可由壓縮機(jī)或高壓氣瓶提供。進(jìn)一步的,本發(fā)明中,所述高壓入口和低壓出口既可以與匹配的壓縮機(jī)形成閉合回路。也可以將高壓入口連接高壓工質(zhì)罐,同時(shí)在低壓出口處直接排空。以氮?dú)鉃槔?,以純氮?dú)庾鳛橹评涔べ|(zhì),節(jié)流制冷芯片可在蒸發(fā)器處提供液氮溫區(qū)的制冷量。
18、本發(fā)明提出加工兩層玻璃基板的多通道協(xié)同工作的節(jié)流制冷芯片設(shè)計(jì),具有以下特點(diǎn):
19、通過飛秒激光在一塊玻璃基材上同時(shí)加工高壓氣體流道、低壓氣體流道、節(jié)流通道和蒸發(fā)器流道,其中通過改變激光加工的劑量實(shí)現(xiàn)不同高度微流道的加工,省去復(fù)雜的套刻和對(duì)準(zhǔn)步驟;同時(shí)加工多組渦旋式高壓-節(jié)流-低壓微流道,結(jié)合控制閥門,多路氣體在降溫過程中同時(shí)開啟進(jìn)行快速降溫,而在溫度穩(wěn)定后關(guān)閉部分通道,實(shí)現(xiàn)降低耗氣量,提高制冷效率的目的。
20、本發(fā)明的渦旋型節(jié)流芯片的突出優(yōu)勢(shì)在于:加工工藝簡單,效率高,成本低。解決了傳統(tǒng)玻璃節(jié)流制冷芯片加工后流量無法調(diào)控的問題,可兼顧快速降溫和高效運(yùn)行兩種模式,拓寬了節(jié)流制冷芯片的應(yīng)用場(chǎng)景。
1.一種節(jié)流制冷芯片,其特征在于,包括集成本體,集成本體上設(shè)有多個(gè)高壓入口和一個(gè)低壓出口,集成本體內(nèi)設(shè)有若干組依次由高壓氣體流道、節(jié)流通道、蒸發(fā)器流道和低壓氣體流道組成的單相工質(zhì)流道,所述高壓氣體流道入口端與對(duì)應(yīng)高壓入口導(dǎo)通,所述低壓氣體流道出口端與所述低壓出口導(dǎo)通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的節(jié)流制冷芯片,其特征在于,所述集成本體包括相互固定的蓋板和底板,所述多個(gè)高壓入口和一個(gè)低壓出口設(shè)置在底板底面,所述高壓氣體流道、節(jié)流通道、蒸發(fā)器流道和低壓氣體流道設(shè)置在底板頂面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的節(jié)流制冷芯片,其特征在于,所述高壓氣體流道、低壓氣體流道均為渦旋式結(jié)構(gòu),同時(shí)多個(gè)高壓氣體流道和低壓氣體流道交錯(cuò)設(shè)置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的節(jié)流制冷芯片,其特征在于,相鄰渦旋線間設(shè)有若干通孔結(jié)構(gòu)的隔熱間隙。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的節(jié)流制冷芯片,其特征在于,所述高壓氣體流道、低壓氣體流道的螺旋直徑相同。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的節(jié)流制冷芯片,其特征在于,所述高壓氣體流道、低壓氣體流道、蒸發(fā)器流道內(nèi)均設(shè)有多組微納米柱。
7.根據(jù)權(quán)利要求7所述的節(jié)流制冷芯片,其特征在于,所述高壓氣體流道內(nèi),每組微納米柱由兩個(gè)或兩個(gè)以上具有同一軸截面的微納米柱組成,且其共用的軸截面與高壓氣體流道對(duì)應(yīng)的螺旋直徑不重合。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的節(jié)流制冷芯片,其特征在于,所述集成本體為晶圓結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的節(jié)流制冷芯片,其特征在于,所述蒸發(fā)器流道的大小和形狀與需要制冷的電子器件形狀一致;所述節(jié)流通道由若干矩形狹縫組成。
10.一種加工權(quán)利要求1~9任一項(xiàng)所述的節(jié)流制冷芯片的方法,其特征在于,包括在底板進(jìn)行微流道加工、高低壓出入口加工后,獲得所述高壓氣體流道、節(jié)流通道、蒸發(fā)器流道和低壓氣體流道以及高壓入口和低壓出口,然后將底板直接與頂板晶圓進(jìn)行熔融鍵合,隨后通過激光在相應(yīng)位置加工隔熱間隙,實(shí)現(xiàn)渦旋型節(jié)流制冷芯片的制造。