一种自适应热流控芯片及其制造方法

1.本发明涉及热流控微结构芯片技术领域，尤其是涉及一种自适应热流控芯片及其制造方法。


背景技术：

2.由于人们对微流控芯片的使用需求量日益增加，而大多数的芯片是在结构外部进行散热，需要设置额外的驱动力驱使微流体流动以及设置额外的散热系统，为了实现芯片结构微小化的特点，需要一种能够在结构内部进行自适应散热的芯片，以满足市场需求。
3.为解决现有技术中存在的技术问题，即芯片散热问题。本发明提供了一种自适应热流控芯片及其制造方法，目的在于使散热工质能在芯片结构内部自适应流动，使芯片能够在不需要设置外部散热系统的情形下独立散热。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种自适应热流控芯片及其制造方法，目的在于使散热工质能在芯片内部自适应流动，使芯片能够在不需要设置外部散热系统的情形下独立散热。
5.本发明提供一种自适应热流控芯片，包括：上壳体、下壳体和硅片基底，所述上壳体和所述下壳体适配安装，并形成一密封的流体通道腔体，所述硅片基底封装于所述流体通道腔体内；
6.所述硅片基底表面设有粗糙亲水区域，所述粗糙亲水区域内设置有呈阵列分布的v型沟槽，所述v型沟槽的一端到其另一端深度逐渐增大或减小，相邻的所述v型沟槽间形成由一端到另一端表面逐渐变窄或增宽的楔形结构，所述v型沟槽和所述楔形结构组成具有梯度润湿性的微通道。
7.优选地，其特征在于，所述硅片基底具有疏水性。
8.优选地，所述上壳体和所述下壳体的中部均设有镂空区域，使所述上壳体和所述下壳体适配形成回形的所述流体通道腔体。
9.优选地，所述上壳体和所述下壳体的中部镂空区域的边缘分别设有一圈插接槽和插接凸起，所述插接凸起和所述插接槽适配安装。
10.优选地，所述上壳体和所述下壳体的外侧设置有外置接头，所述外置接头的一端穿过所述上壳体或所述下壳体，并与所述硅片基底固定连接。
11.本发明同时提供了上述自适应热流控芯片的制造方法，包括以下步骤：
12.步骤一、选取规格合适的具有疏水性的硅片基底；
13.步骤二、在所述硅片基底表面进行激光刻蚀，加工出粗糙的表面结构，对粗糙的表面结构进行亲水处理，形成所述粗糙亲水区域；
14.步骤三、使用砂轮在所述粗糙亲水区域表面进行精密磨削，加工出呈阵列分布的且由起始端到末端深度逐渐增加的所述v型沟槽，使相邻的所述v型沟槽间形成表面逐渐变窄的所述楔形结构，间隔布置的所述v型沟槽和所述楔形结构组成具有梯度润湿性的微通
道；
15.步骤四、采用铣床分别加工出可适配安装的所述上壳体和所述下壳体的外轮廓和内部结构，使所述上壳体和所述下壳体适配安装后能够形成所述流体通道腔体；
16.步骤五、采用耐高温胶或通过焊接方式将经步骤三加工后的所述硅片基底封装到所述流体通道腔体内，然后将所述上壳体和所述下壳体适配密封安装，得到自适应热流控芯片。
17.优选地，步骤二中采用紫外激光器发射的波长300-400nm的紫外激光对所述硅片基底进行表面微纳结构的诱导，其中微纳孔隙为20-100nm，重复频率为20～100khz，脉宽设置为10～20ns，扫描1～2次，加工出粗糙的表面结构。
18.优选地，步骤二中采用去离子水对粗糙的表面结构进行亲水处理。
19.优选地，经步骤二亲水处理后的所述硅片基板在步骤三中装夹于精密磨削机台的工作台表面，通过控制砂轮的行走路线能够调节砂轮的进给参数，在所述硅片基板表面磨削出深度逐渐增大的所述v型沟槽。
20.优选地，所述步骤四中的内部结构包括开设于所述上壳体和所述下壳体中部的矩形镂空区域以及分别位于各矩形镂空区域边缘的相适配的一圈插接凸起和插接槽。
21.本发明的技术方案通过在硅片基底表面加工深度渐变的v型沟槽，使相邻的v型沟槽间形成对液体具有毛细作用楔形结构的微通道，能够对液体工质进行运输，避免了在微流控中对液体工质额外设置驱动力来驱动液体工质流动。液体工质在楔形微结构表面的定向自流动可减少流动阻力及压降，从而提升水动力热运输和加强循环散热速度，其整流作用使得热量按需有序运输。液体工质正向流动时阻力小，液体工质易自流动，吸收芯片工作时产生的热量，从而迅速带走热量，降低芯片温度，反方向的流动阻力大，液体工质难以回流，导致通道内流体热循环无法持续进行，从而阻断热量回流。本发明自适应热流控芯片的制造方法，简化了微流控芯片散热技术的制作工艺，具有正向高效传热散热循环的特点，有利于短时间内快速制造散热微流控芯片，以满足市场对微流控芯片散热的需求。
附图说明
22.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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，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。
23.图1为本发明自适应热流控芯片拆开状态的结构示意图；
24.图2为本发明中硅片基底的结构示意图；
25.图3为本发明中硅片基底的侧右视示意图；
26.图4为本发明中采用精密磨削机台对硅片基底加工示意图；
27.图5为本发明中砂轮加工v型沟槽的走线路径示意图；
28.图6为本发明芯片内液体工质定向流动传热示意图。
29.附图标记说明：
30.1：上壳体；11：插接槽；2：下壳体；21：插接凸起；3：硅片基底；31：粗糙亲水区域；32：v型沟槽；33：楔形结构；4：流体通道腔体；5：外置接头；6：微通道；7：精密磨削机台；8：砂
轮。
具体实施方式
31.下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
32.在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为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，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
33.此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
34.如图1-3所示，本发明提供了一种自适应热流控芯片，包括上壳体1、下壳体2和硅片基底3，上壳体1和下壳体2适配安装，并形成一密封的流体通道腔体4，硅片基底3封装于流体通道腔体4内。
35.硅片基底3采用具有疏水性的基材，其表面设有经处理形成的粗糙亲水区域31，在粗糙亲水区域31内设置有呈阵列分布的v型沟槽32，v型沟槽32沿硅片基底3的长度方向设置，v型沟槽32的一端到其另一端深度逐渐增大或减小，相邻的v型沟槽32间形成由一端到另一端表面逐渐变窄或增宽(梯度逐渐增大或减小)的楔形结构33，v型沟槽32和楔形结构33组成具有梯度润湿性的微通道6。
36.在本实施例中，上壳体1和下壳体2均采用耐高温材料制成，上壳体1和下壳体2的中部均设有矩形的镂空区域，镂空区域的边缘设有可适配安装的结构，其中，在下壳体2的镂空区域边缘处设有一圈插接凸起21，在上壳体1的镂空区域边缘处设有一圈插接槽11，通过插接凸起21和插接槽11适配，使上壳体1和下壳体2适配密封安装，在二者间形成回形的流体通道腔体4。
37.在本实施例中，下壳体2的外侧设置有外置接头5，外置接头5的一端穿过下壳体2，并与硅片基底3的侧面一体固定连接，通过外置接头5可将芯片与其他设备相接。
38.本发明同时提供了上述自适应热流控芯片的制造方法，其包括以下步骤：
39.步骤一、选取规格合适的具有疏水性的硅片基底3，在本实施例中，采用10mm
×
20mm
×
5mm规格的未处理的具有疏水性的硅片作为待加工的基底；
40.步骤二、将硅片基底3安装在紫外激光器上，选用波长300-400nm的紫外激光对硅片1进行表面微纳结构的诱导，其中微纳孔隙为20-100nm，重复频率为20～100khz，脉宽设
置为10～20ns，激光扫描范围设置为20mm
×
8mm
×
1mm，扫描1～2次，在其表面加工出粗糙表面结构，然后对粗糙的表面结构使用去离子水进行亲水处理10min，形成粗糙亲水区域31。
41.步骤三、如图4、5所示，将处理好表面结构的硅片基底3装夹在精密磨削机台7的工作台上进行加工，通过控制精密磨削机台7的传动系统可控制砂轮8的行走路线，在粗糙亲水区域31表面进行精密磨削，,加工出在硅片基底3的横向方向相间的v型沟槽32和纵向相间的楔形结构33，从而得到二者组合而成的微通道6。其中，v型沟槽32由砂轮8的起始端(起始磨削位置，靠近硅片基底3的短边边沿)到末端(与硅片基底3的另一短边边沿齐平)深度逐渐增加的v型沟槽32，v型沟槽32末端开口位于硅片基底3侧面，v型沟槽32呈阵列分布，相邻的v型沟槽32间形成表面逐渐变窄而纵向梯度逐渐增大的楔形结构33，间隔布置的v型沟槽32和楔形结构33组成具有梯度润湿性的微通道6。由于硅片基底3是具有疏水性的，激光加工后的粗糙表面经过去离子水处理后是亲水性的，使得位于硅片基底3表面的的液体受到微通道6疏水性的排斥力，有利于液体工质在芯片表面上流动运输。
42.使用精密磨削机台7对硅片基底3表面加工微通道6时，根据需要实现的润湿条件来确定加工所需要的楔形结构3的梯度大小，其可以通过控制磨削加工用的砂轮8加工时，持续增加的进给参数f来实现。精密磨削加工使用v型砂轮进行加工，v型砂轮的微磨切削尖端的圆弧半径r不大于5μm，砂轮8的v型角度α为60
°
，设置砂轮8的行走路径沿着工件不断加深切削深度的斜线运动，具体如图4所示，其进给速度为100-400mm/min，v型沟槽32的结构设计为：深度d为10～100μm(在起始端最浅为10μm，在末端最深为100μm)，梯度β为2～10
°
，砂轮8的进给深度根据预设的楔形深度及梯度的不同设置对应的斜线行走路径。本实施例设置加工路径斜线角度β为10
°
，进给深度最大值d为100μm，砂轮8尖端圆弧半径r为5μm，进给速度为400mm/min，砂轮8的线速度为50m/s，加工后得到单个v型沟槽32的结构。重复上述步骤，通过控制相邻的v型沟槽32的间距进行重复加工，控制间距h为500μm左右，加工出包含纵向相间的楔形结构33及横向的v型沟槽32的芯片。
43.微通道6对液体具有更好的毛细作用，有利于对液体工质进行运输，避免了在微流控中对液体工质额外设置驱动力来驱动液体工质流动。液体工质在楔形结构33表面上的润湿性不同，使得液体定向自流动，流动阻力减少及压力降低，从而提升水动力热运输和加强循环散热速度，其整流作用使得热量按需有序运输。
44.步骤四、选取耐高温材料作为上壳体1和下壳体2的原材料，在本实施例中，选用硬质合金，然后采用铣床分别加工出可适配安装的上壳体1和下壳体2的外轮廓和内部结构，其中内部结构包括镂空区域以及上壳体1镂空区域边缘处一圈插接槽11和下壳体2镂空区域边缘处插接凸起21，插接凸起21和下壳体2间加工出回形的下半腔，插接槽11和上壳体1间加工出回形的上半腔，通过插接凸起21和插接槽11使上壳体1和下壳体2适配安装，二者安装密封后上半腔和下半腔组合可形成供液体工质流通的流体通道腔体4。
45.步骤五、采用耐高温胶或通过焊接方式将经步骤三加工后的硅片基底3封装到流体通道腔体4内，然后将上壳体1和下壳体2适配密封安装，得到自适应热流控芯片，然后向流体通道腔体4内填充液态的散热工质。
46.如图6所示，v型沟槽32间形成对液体具有毛细作用楔形结构33，二者组成微通道6，能够对液体工质进行运输，避免了在微流控中对液体工质额外设置驱动力来驱动液体工质流动。液体工质在楔形微结构表面的定向自流动可减少流动阻力及压降，从而提升水动
力热运输和加强循环散热速度，其整流作用使得热量按需有序运输。液体工质沿流体通道腔体4正向工作时，微尺度孔道的毛细力可将液体填充在微通道内部，在一定压力下迅速开启形成通路，实现气液多相分离，流体通道腔体内部液体工质沿自流动的方向流动阻力小，液体工质易自流动，流动过程中液体工质吸收芯片工作时产生的热量，从而迅速带走热量，降低芯片温度；在流体通道腔体的另一端设置冷凝工质，作为冷凝端，往复传热散热循环，实现正向的高效传热散热。反向工作时，由于反方向的流动阻力大，液体工质难以回流，导致通道内流体热循环无法持续进行，从而阻断热量回流。在制备的自适应热流控芯片的过程中，对芯片表面进行亲水处理，从而提高液体运输的能力。
47.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。