微型制冷机及微型制冷机的加工方法与流程

本发明涉及半导体微型制冷机技术领域，具体而言，涉及一种微型制冷机及微型制冷机的加工方法。

背景技术：

制冷机是低温工作器件或系统的重要部件之一，主要有以下几类应用：

(1)冷却低功耗电子元器件，从而降低热噪声，增强带宽，并在传感器中实现超导。热噪声的降低可以改善前置放大器的信噪比。lrc滤波器中电感的寄生电阻通常为限制滤波器的质量因子，因此使用低温工作的超导材料可以显著提高质量因子。新的商业应用中特别是在无线通信系统的基站中使用高温超导体作为微波滤波器。

(2)军用红外光电探测器是制冷机(器)的一个典型应用，需要将其工作温度降低至150k甚至100k以下来保证器件工作性能。激光雷达中，例如ingaasapd(avalanchephotodiode，雪崩光电二极管)需要200k左右的低温，目前大多数使用tec(thermoelectriccooler，一种半导体制冷器)来实现制冷。

(3)太赫兹传感器。太赫兹传感器可用于隐藏非金属武器的成像以及化学和生物材料的光谱鉴定上；太赫兹成像系统中的混频器基于超导热电子辐射热测量计(htshebs)，工作在70k左右。

另一方面，电子设备(例如低噪声放大器)和传感器(例如红外探测器)由于布置的紧凑而变得越来越小，需要提供接近设备大小的片上冷却以减小整体系统尺寸，同时改善热性能并减少冷却器输入功率。另一方面，这些器件和设备自身小尺寸、低功耗、低寄生和器件负载等特点，也降低了制冷的需求，使得配备小型近端或片上低温制冷机成为可能。

而目前的制冷机体积、重量、功耗较大，远远达不到片上集成的水平，严重限制了红外探测系统的高度集成和小型化，使得其难以满足未来无人机、微纳卫星等小型化平台的应用需求。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种微型制冷机及微型制冷机的加工方法，以解决相关技术中的芯片的制冷装置的结构复杂，无法实现片上集成的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种微型制冷机，包括：第一基体，第二基体，第二基体和第一基体的表面连接，第一基体和第二基体之间设置有第一凹部和第二凹部；压缩装置，设置于第一基体远离第二基体的一侧，或者，压缩装置设置于第二基体远离第一基体的一侧；待制冷芯片，设置在第二基体背离第一基体的表面上，并对应于第二凹部；其中，在第一基体和第二基体之间还设置有第一通道和第二通道，第一通道包括相互连通的第一段和第二段，第一段和第一凹部连通，第二段和第二凹部连通，第二段的截面面积小于第一段的横截面面积；第二通道连通第一凹部和第二凹部，第二通道独立于第一通道设置。

进一步地，微型制冷机还包括安装板和外壳，外壳安装于安装板上，安装板和外壳之间形成真空空间，第一基体、第二基体以及待制冷芯片均位于真空空间内。

进一步地，压缩装置包括锆钛酸铅压电陶瓷，位于第一凹部所在的竖直空间内。

进一步地，第一通道和第二通道为弯折状，在预设面积内，第二段的长度大于第一段的长度。

进一步地，微型制冷机还包括第一微阀和第二微阀，第一微阀设置于第二段上，第二微阀设置于第二通道上。

进一步地，第一微阀和第二微阀通过刻蚀形成。

进一步地，第一基体和第二基体的材质均为半导体工艺兼容的材料。

进一步地，第一段的截面积和第二段的截面的比值在0.5至0.1之间，待制冷芯片位于第二凹部所在的竖直空间内。

进一步地，微型制冷机还包括引线，引线和压缩装置电连接。

根据本发明的另一方面，提供了一种微型制冷机的加工方法，用于加工上述的微型制冷机，其特征在于，加工方法包括以下步骤：步骤s10：在第一基体的表面上刻蚀形成第一通道、第二通道和第一凹部；步骤s20：在第二基体的朝向第一基体的表面上刻蚀形成第二凹部；步骤s30：将第一基体和第二基体进行键合，形成闭合腔体，并将工质封闭在腔体中；步骤s40：将第二基体进行减薄处理；步骤s50：在第二基体的朝向第一基体的表面上安装压缩装置；步骤s60：在第二基体背离第一基体的表面上设置待制冷芯片步骤；s70：将第一基体和第二基体封装在安装板和外壳所形成的安装空间内，并对安装空间进行抽真空处理。

应用本发明的技术方案，第一基体的表面上设置有第一凹部，第二基体设置在第一基体的一侧，第二基体上设置有第二凹部和压缩装置，第二凹部和压缩装置分别位于第二基体相对应的两个面上，第二凹部和压缩装置错位设置。压缩装置设置于第一基体远离第二基体的一侧，或者设置于第二基体远离第一基体的一侧表面上，与第一凹部对应。待制冷芯片设置在第二基体背离第一基体的表面上，待制冷芯片与第二凹部对应。第一通道设置在第一基体和第二基体之间，第一通道包括相互连通的第一段和第二段，第一段和第一凹部连通，第二段和第二凹部连通，第二段的横截面面积小于第一段的横截面面积。压缩装置启动，第一凹部中气体被压缩，形成高压介质；高压介质通过第一通道流动至第二凹部内，由于第一通道包括第一段和第二段，第二段的横截面面积小于第一段的横截面面积，介质由大截面流动至小截面处，流速降低，然后介质进入第二凹部内，迅速膨胀，温度降低，进而能够对待制冷芯片进行降温，同时第一基体和第二基体连接为一体，进而实现待制冷芯片和制冷机的一体化片上集成，同时在第二凹部内的介质又通过第二通道回流至第一凹部。通过上述的结构有效地实现了对待制冷芯片的降温，并且上述的结构简单加工方便，能够有效地实现微型制冷机制冷装置的微型化。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的微型制冷机的实施例的立体结构示意图；

图2示出了图1的微型制冷机的第二视角的立体结构示意图；

图3示出了图1的微型制冷机的第三视角的立体结构示意图；

图4示出了图1的第一基体的立体结构示意图；

图5示出了图4的微型制冷机的第一基体的俯视示意图；

图6示出了图5的第一基体的局部剖视示意图；

图7示出了图1的第二基体的立体结构示意图；

图8示出了图7的第二基体的透视示意图；以及

图9示出了根据本发明的微型制冷机的加工方法的实施例的流程示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、第一基体；11、第一凹部；20、第二基体；21、第二凹部；22、压缩装置；30、待制冷芯片；40、第一通道；41、第一段；42、第二段；50、第二通道；61、安装板；62、外壳；71、第一微阀；72、第二微阀；80、引线。

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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在相关技术中，使用外置压缩机+mems(微机电系统)换热管及冷端的方式对待制冷芯片进行降温，该方法基于石英玻璃研制了mems冷端及换热器，目标是实现96k下10mw的制冷量。如下图所示，由3层玻璃堆叠形成，每两层玻璃的间隙分别为高压通道和低压通道，在结构的一端形成蒸发腔。该制冷机使用氮气作为工质，流速为1mg/s，高压端为80bar，低压端为6bar。，测试结果在105k的温度下实现净制冷功率5mw。换热器及冷端的尺寸为28mm×2.2mm×0.8mm。但该系统使用外置的活性炭吸附式压缩机，而且需要加热来释放高压气体，这种方法能产生较高压的气体，但是功耗和体积都较大，与半导体工艺不兼容，不利于单片集成。该方案也是实现了j-t制冷机一部分组成(换热管和冷端)的芯片化，但是高压气体通过外置压缩机获得，功耗和体积都较大，与半导体工艺不兼容，无法单片集成。此外，制冷时间较长，一些应用受限。

为了解决上述的技术问题，并为了降低结构的复杂性。如图1至图8所示，在本实施例中，微型制冷机包括：第一基体10、第二基体20、待制冷芯片30、第一通道40以及第二通道50，第一基体10的表面a上设置有第一凹部11。第二基体20设置于第一基体10的一侧，第二基体20上设置有第二凹部21和压缩装置22，第二凹部21和压缩装置22分别位于第二基体20相对应的两个面上，第二凹部21和压缩装置22错位设置，压缩装置22设置于第二基体20远离第一基体10的一侧。待制冷芯片30设置在第二基体20背离第一基体10的表面b上，并对应于第二凹部21。其中，在第一基体10和第二基体20之间还设置有第一通道40和第二通道50，第一通道40包括相互连通的第一段41和第二段42，第一段41和第一凹部11连通，第二段42和第二凹部21连通，第二段42的横截面面积小于第一段41的横截面面积。第二通道50连通第一凹部11和第二凹部21，第二通道50独立于第一通道40设置。

应用本实施例的技术方案，第一基体10的表面上设置有第一凹部11，第二基体20设置在第一基体10的一侧，第二基体20上设置有第二凹部21和压缩装置22，第二凹部21和压缩装置22分别位于第二基体20相对应的两个面上，第二凹部21和压缩装置22错位设置压缩装置22位于第一凹部11的上方。待制冷芯片30设置在第二基体20背离第一基体10的表面上，待制冷芯片30与第二凹部21对应。第一通道40设置在第一基体10和第二基体20之间，第一通道40包括相互连通的第一段41和第二段42，第一段41和第一凹部11连通，第二段42和第二凹部21连通，第二段42的横截面面积小于第一段41的横截面面积。压缩装置22启动，第一凹部11中气体被压缩，形成高压介质；高压介质通过第一通道40流动至第二凹部21内，由于第一通道40包括第一段41和第二段42，第二段42的横截面面积小于第一段41的横截面面积，介质由大截面流动至小截面处，流速降低，然后介质进入第二凹部21内，迅速膨胀，温度降低，进而能够对待制冷芯片30进行降温，同时第一基体10和第二基体20连接为一体，进而实现待制冷芯片30和制冷机的一体化片上集成，同时在第二凹部21内的介质又通过第二通道50回流至第一凹部11。通过上述的结构有效地实现了对待制冷芯片的降温，并且上述的结构简单加工方便，能够有效地实现芯片制冷装置的片上集成。

需要说明的是，上述的横截面积是指第一通道40在垂直于第一通道40的中心线的面上的面积，具体如图6所示，图6是沿图5的长度方向剖开的剖视示意图。

在本实施例中，在第一基体10和第二基体20之间还设置有第一通道40和第二通道50，具体可以解释为，在第一基体10上设置第一通道40和第二通道50，或者在第二基体20上设置第一通道40和第二通道50，或者，在第一基体10和第二基体20对应的位置上挖槽后共同形成第一通道40和第二通道50，或者，第一通道40和第二通道50中的一个设置在第一基体10上，另一个设置在第二基体20上。

在图中未示出的实施例中，压缩装置设置于所述第一基体上，此时第二基体位于第一基体的下方。压缩装置22与第一凹部11对应具体是指：压缩装置22位于第一凹部11在表面b上的投影所限定出的范围内。

待制冷芯片30与第二凹部21对应具体是指：待制冷芯片30位于第二凹部21在表面b上的投影所限定出的范围内，或者是待制冷芯片30与第二凹部21在表面b上的投影重合。

在本实施例中，压缩装置22设置于第一基体10远离第二基体20的一侧，或者，压缩装置设置于第二基体20远离第一基体10的一侧，具体可以解释为，压缩装置22设置在第一基体10的下表面上，即第一基体10位于压缩装置22和第二基体20之间；或者，压缩装置22设置在第二基体20的上表面上，即第二基体20位于第一基体10和压缩装置22之间。

本实施例的技术方案的具体工作原理为：压缩装置22产生的高压气体，进入换热管中的高压管道(第一通道40的第一段41)，同相邻低压管道(第二通道50)中的低温气体进行热交换，接着进入节流元件(第一通道40的第二段42)，由于横截面积降低，流动受到阻碍，节流元件后的压力比之前的压力低得多，气压迅速降低，气体热膨胀并降温，这就是焦耳-汤姆逊(节流)效应。接着流体汽化，在蒸发腔(第二凹部21)内大量吸收冷端和环境的热量，实现对待制冷芯片30的制冷。

本实施例的技术方案，能够将制冷系统在芯片上进行集成，大大缩小了红外探测系统等应用的体积、重量、功耗；这样的设置方式使得制冷机的冷端(第二凹部21)距离待制冷芯片距离更近，所需制冷量更少，制冷效率高，减小不必要的浪费；本实施例的技术方案的加工工艺简单，采用mems工艺一次加工成型，不需要组装。

为了进一步保证制冷的效果，如图1和图2所示，在本实施例中，微型制冷机还包括安装板61和外壳62，外壳62安装于安装板61上，安装板61和外壳62之间形成真空空间，第一基体10、第二基体20以及待制冷芯片30均位于真空空间内。真空空间能够有效地隔热，进而能够进一步地保证待制冷芯片30处于温度较低的状态，这样能够提高的微型制冷机的性能。将外壳62安装到安装板61上后，采用抽真空处理，即可将外壳62和安装板61之间的空气抽出，而形成真空空间。

综合考虑压缩的性能，体积等因素，选用压电陶瓷，如图1、图2以及图5至图8所示，在本实施例中，压缩装置22包括锆钛酸铅压电陶瓷，位于第一凹部11所在的竖直空间内。本实施例的压缩装置22是基于mems工艺进行设计，易于集成，但是这也同样使得压缩装置22和微阀的设计受到了较大的限制。本实施例的技术方案采用活塞式制冷机，由mems加工的振动膜(第一凹部的表面)来实现活塞往复运动的功能，同时，芯片级封装的气密性也足够好，使得mems制冷机的实现成为可能。mems振动结构的驱动方式主要有压电驱动和静电驱动。压电驱动是利用压电材料，静电驱动是通过平板电容或梳齿电容实现静电力。由于压电驱动结构更少，本实施例的选择基于pzt(锆钛酸铅压电陶瓷)材料的压电驱动方式，使pzt(锆钛酸铅压电陶瓷)生长在硅振动膜的表面(压缩装置22)，通过对pzt的两面施加交流驱动电压，便可使膜上下振动。

如图7所示，在本实施例中，在本实施例中，pzt(压缩装置22)通电后会进行摆动，进而能够压缩第一凹部11内的介质，进而使得高压介质通过第一通道40流至第二凹部21内，这样就有效地实现了对待制冷芯片的降温。

需要说明的是上述的mems工艺是指mems制造工艺，是下至纳米尺度，上至毫米尺度微结构加工工艺的通称。

同样地，为了提高介质的冷却效果。如图3和图4所示，在本实施例中，第一通道40和第二通道50为弯折状并紧贴，在预设面积内，第二段42的长度大于第一段41的长度，这使得从冷端(第二凹部21)回流的温度较低的介质，对压缩机驱动下第一凹部11出来的高压介质进行预制冷，使得节流效应后的温度进一步降低。在预设面积内第二段42的长度大于第一段41的长度，这样能够有效地提高制冷的效果。需要说明的是上述的预设面积是指在第一基体10的表面a上的一个固定面积，首先将第一段41完全设置在预设面积内，计算此时第一段41的长度，再将第二段42完全设置在预设面积内，计算此时第二段42的长度，最后比较第一段41和第二段42的长度。为了保证介质的流向固定，如图3和图4所示，在本实施例中，微型制冷机还包括第一微阀71和第二微阀72，第一微阀71设置于第二段42上，第二微阀72设置于第二通道50上。第一微阀71和第二微阀72均为单向阀，第一微阀71能够使得介质只能通过第一通道40由第一凹部11流至第二凹部21，第二微阀72能够使得介质只能通过第二通道50由第二凹部21流至第一凹部11，这样使得介质的流动方向更加容易控制，使得微型制冷机整体的降温效果较为稳定。

具体地，第一微阀71和第二微阀72允许一个方向的流动，同时阻止另一个方向的流动。在压缩装置22的驱动下，若气流按照第一方向流动，气流的压力会作用在第一微阀71内侧向下倾斜的开口表面，从而推开右侧的第一微阀71，而且打开的程度与气流的压强成正比函数关系；而对于左侧的第一微阀71，气流的压力作用在向内向上倾斜的开口表面上，从而使阀门关闭。若气流方向相反，即按照第二方向流动，则第一微阀71和第二微阀72的工作过程相反。

如图3和图4所示，在本实施例中，第一微阀71和第二微阀72通过刻蚀形成。刻蚀的加工方式简单，能够适用于微型制冷机级的加工。

如图1至图8所示，在本实施例中，第一基体10和第二基体20的材质均为半导体工艺兼容的材料。半导体工艺兼容的材料，包括但不限于硅、玻璃和有机聚合物等。具体地，在本实施例中，第一基体10的材质为玻璃，第二基体20的材质为硅，玻璃的导热率要大大低于硅的导热率，可以降低热端到冷端的漏热，但是不利于第一通道40和第二通道50之间的换热。而本实施例的技术方案中第一通道40和第二通道50的衬底为玻璃，能够有效隔热；封装盖板为硅，又能有效换热。硅封装顶部可增加低热传导率的材料涂层来加强系统的隔热。

如图4至图6所示，在本实施例中，第一段41的截面积和第二段42的截面的比值在0.5至0.1之间，待制冷芯片30位于第二凹部21所在的竖直空间内。微型制冷机的整体尺寸较小，使得微型制冷机可应用的范围较大。上述的第一段41和第二段42的截面的比值能够有效地使得介质进行降温，具体地，在本实施例中，第一段41的截面积和第二段42的截面的比值0.25。待制冷芯片位于第二凹部21的正上方，第二凹部21为蒸发腔，这样的设置使得待制冷芯片30的降温效果较好，并且能够提高降温的效率。

如图1至图8所示，在本实施例中，微型制冷机还包括引线80，引线80和压缩装置22电连接。上述的引线80为压缩装置进行通电。

本实施例的技术方案基于焦耳-汤姆逊效应，主要包括第一基体10、第二基体20、压缩装置22、第一通道40、第二通道50等结构构成。其中压缩装置22采用基于压电陶瓷(pzt)的压电驱动方式；加工工艺拟采用mems工艺对微型制冷机级制冷机的核心部件压缩装置22、第一微阀71、第二微阀72、第一通道40、第二通道50、第一凹部11、第二凹部21和待制冷芯片30加工，主要材料基于硅和玻璃；通过充气封装后形成闭合密封腔体，不需要外加高压气瓶，密封腔体中的工质气体循环完成换热、节流过程，进而实现片上超微型制冷机。

上述的气体包括氮气、氢气或者烃类混合气体。

如图9所示，在微型制冷机加工方法的实施例中，微型制冷机的加工方法用于加工上述的微型制冷机，加工方法包括以下步骤：

步骤s10：在第一基体10的表面上刻蚀形成第一通道40、第二通道50和第一凹部11；

步骤s20：在第二基体20的朝向第一基体10的表面上刻蚀形成第二凹部21；

步骤s30：在纯氮环境下进行第一基体10和第二基体20的键合，形成闭合腔体，并将工质封闭在腔体中；

步骤s40：将第二基体20进行减薄处理；

步骤s50：在第二基体20的朝向第一基体10的表面上安装压缩装置22；

步骤s60：在第二基体20背离第一基体10的表面上设置待制冷芯片30；

步骤s70：将第一基体10和第二基体20封装在安装板61和外壳62所形成的安装空间内，并对安装空间进行抽真空处理。

在上述加工方法中，通过刻蚀的加工方式在第一基体10和第二基体20上分别加工出第一通道40、第二通道50、第一凹部11以及第二凹部21，工艺简单，容易实现。将压缩装置22设置在第二基体20上，并使得压缩装置22与第一凹部11对应，将第一基体10和第二基体20封装并且其内部充入介质，通过键合的方式使得第一基体10和第二基体20能够有效地连接在一起，保证了密封效果，避免介质流出。将第二基体20减薄设置能够使得待制冷芯片30更容易与低温气体接触，进而实现降温。将待制冷芯片30安装至与第二凹部21对应的位置，充分保证降温效果。最后将键合后的第一基体10和第二基体20封装置外壳62和安装板61形成的空间内，对该空间进行抽真空处理，进一步保证降温效果，避免外部环境的热量传递至待制冷芯片上。

在本实施例中，第一凹部11和对应的第一基体10部分构成了mems制冷机，产生高压工质气体。第一通道40的第一段41和第二通道50的前半段为换热管，其中，第一通道40的第一段41为高压管道，第二通道50的前半段为低压通道；第一通道40的第二段42和第二通道50的后半段为节流元件。第二凹部21为制冷机的蒸发腔。

制冷机产生高压气体后，依次通过高压热交换管、节流元件、蒸发腔、低压热交换管，回到制冷机内，形成闭环系统。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。