本實(shí)用新型涉及制冷器技術(shù)領(lǐng)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)：

現(xiàn)有的芯片級(jí)相變微型器設(shè)計(jì)方案主要采用微型毛細(xì)泵吸環(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(chǔ)液槽和填充區(qū)組成。微制冷器工作時(shí)，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(gè)循環(huán)。填充區(qū)用來(lái)注入液體，儲(chǔ)液槽用來(lái)儲(chǔ)存多余的液體，蒸發(fā)器中產(chǎn)生的蒸汽為整個(gè)環(huán)路系統(tǒng)的連續(xù)流動(dòng)提供驅(qū)動(dòng)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(xué)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。

現(xiàn)有的芯片級(jí)微型毛細(xì)泵吸環(huán)路制冷器存在以下缺點(diǎn)：(1)冷凝面不是制定的滴狀冷凝超疏水硅表面。蒸汽冷凝時(shí)容易在簡(jiǎn)單的硅表面上形成膜狀冷凝(蒸汽冷凝時(shí)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(shí)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(wú)法自動(dòng)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(dòng)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(jìn)而影響了熱循環(huán)效率。由于上述兩點(diǎn)原因，現(xiàn)有的微型毛細(xì)泵吸環(huán)路制冷器的散熱效果并不能達(dá)到最佳狀態(tài)，冷凝面需要進(jìn)一步設(shè)計(jì)改進(jìn)。改進(jìn)的冷凝面的設(shè)計(jì)要求是液滴冷凝時(shí)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(dòng)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)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型目的是克服上述現(xiàn)有相變微制冷器存在的制冷效果低的缺點(diǎn)，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。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用下述技術(shù)方案：

一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(xì)管組成，所述冷凝器通過(guò)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(guò)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(tái)-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(rùn)性超疏水液滴自驅(qū)動(dòng)表面，所述棱臺(tái)-半球型微米和納米雙層異質(zhì)結(jié)構(gòu)由八棱臺(tái)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。

進(jìn)一步，所述毛細(xì)管的橫截面是矩形；所述冷卻水管的橫截面是矩形。

進(jìn)一步，所述液體管由二十根并列的毛細(xì)管組成。

進(jìn)一步，所述填充孔位于填充區(qū)對(duì)應(yīng)的上玻璃板的冷凝器凹槽中間。

進(jìn)一步，所述微米結(jié)構(gòu)由硅制成；所述納米結(jié)構(gòu)由二氧化硅制成。

進(jìn)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。

進(jìn)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(duì)應(yīng)；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(duì)應(yīng)。

本實(shí)用新型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：

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1um厚的SiO₂；

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SiO₂，開(kāi)腐蝕窗口，去除光刻膠；

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(tái)微米結(jié)構(gòu)；

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SiO₂，去除光刻膠；

e)正面濺射5um厚的Al膜；

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(yáng)極氧化法將Al膜氧化成多孔狀均勻有序的AAO(Al₂O₃)膜；

g)冷凝器和蒸發(fā)器區(qū)域繼續(xù)氧化，電解液穿過(guò)AAO膜微孔對(duì)Si襯底氧化形成SiO₂半球，制作出半球狀納米結(jié)構(gòu)；

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)外的SiO₂，去除光刻膠；

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(gè)貫穿上玻璃板的填充孔；

k)上玻璃板凹槽面與中間硅片正面健合；

l)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)；

m)上玻璃板凹槽面與中間硅片反面健合。

本實(shí)用新型的技術(shù)構(gòu)思是：冷凝器中的蒸汽在被棱臺(tái)-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(rùn)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(guò)親水的玻璃毛細(xì)管在毛細(xì)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(guò)蒸汽管返回冷凝器。同時(shí)，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)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)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(gè)尺度對(duì)硅冷凝表面進(jìn)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(guò)設(shè)計(jì)冷凝面上微納二級(jí)結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，使表面成為梯度浸潤(rùn)性超疏水液滴自驅(qū)動(dòng)表面。在該表面上，冷凝后的液滴能自動(dòng)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(dòng)，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(xì)管結(jié)構(gòu)，具有較大的毛細(xì)驅(qū)動(dòng)力。液體管中液體僅靠毛細(xì)驅(qū)動(dòng)力就可以連續(xù)流動(dòng)，同時(shí)蒸汽壓力加速了液體流動(dòng)，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(dá)到120W，傳熱功率比原有同類(lèi)相變微制冷器傳熱功率提高3倍。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)用新型的微制冷器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是中間硅片的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是棱臺(tái)‐半球型微米和納米雙層異質(zhì)結(jié)構(gòu)。

圖4是上玻璃板正面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是上玻璃板反面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6是下玻璃板正面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7是下玻璃板反面結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明了，下面結(jié)合具體實(shí)施方式并參照結(jié)合附圖，對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1所示，本實(shí)用新型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(xì)管(11)組成，多根毛細(xì)管(11)組成的液體管大大的增加了毛細(xì)驅(qū)動(dòng)力，從而加速了液體流動(dòng)，加速了熱循環(huán)，提高了傳熱功率。同時(shí)，如圖2和3所示將冷凝器的硅表面設(shè)計(jì)成棱臺(tái)-半球型微米和納米雙層異質(zhì)結(jié)構(gòu)(18)，八棱臺(tái)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(rùn)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(gè)尺度對(duì)硅冷凝表面進(jìn)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。

如圖2～圖7所示，中間硅片(10)通過(guò)化學(xué)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(guò)激光刻畫(huà)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(1)，下玻璃板(12)通過(guò)激光刻畫(huà)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(shí)，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(duì)應(yīng)，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(duì)應(yīng)，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(guò)蒸汽管(6)返回冷凝器(2)，冷凝器(2)中的蒸汽在被棱臺(tái)-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(rùn)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(guò)親水的玻璃毛細(xì)管(11)在毛細(xì)力的作用下流向蒸發(fā)器(7)。同時(shí)，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)。

如圖1～圖7所示，本實(shí)用新型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(diǎn)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1um厚的SiO₂；

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SiO₂，開(kāi)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(tái)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SiO₂，去除光刻膠；

e)正面濺射5um厚的Al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(yáng)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(guò)AAO膜微孔對(duì)Si襯底氧化形成SiO₂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SiO₂，，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(19)，并在填充區(qū)凹槽中間切割出一個(gè)貫穿上玻璃板(9)的填充孔(1)；

k)上玻璃板(9)凹槽面與中間硅片(10)正面健合；

l)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。

本說(shuō)明書(shū)實(shí)施例所述的內(nèi)容僅僅是對(duì)實(shí)用新型構(gòu)思的實(shí)現(xiàn)形式的列舉，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍不應(yīng)當(dāng)被視為僅限于實(shí)施例所陳述的具體形式，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍也及于本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本實(shí)用新型構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。