一种用于冷却微电子芯片的气凝胶电渗泵的制作方法

本发明具体涉及微流体输送技术领域，具体涉及一种用于冷却微电子芯片的气凝胶电渗泵。

背景技术：

在微机电系统(MEMS)高速发展的时代，微电子芯片已广泛应用到航空航天、汽车、生物医学、环境监测和国防军事等多个领域。微电子芯片正迅速地向高集成度、高组装密度、高运行速度及体积微型化的方向发展，但是与此同时，微电子芯片的功率越来越高，产生的热量越来越多。若电子器件的散热效率低下，将造成微电子芯片有源区温度上升、结温升高，严重影响电子器件的稳定性和可靠性。因此，如何高效散热已成为制约微电子芯片向高性能发展的瓶颈问题。

早期如微热管冷却、以空气为介质的强迫对流冷却、喷雾冷却等散热方式，不仅散热效率低，且难以满足微电子器件的微型化需求。目前，以电渗泵作为流体驱动装置的微通道冷却系统具有理想的散热效率，是微电子芯片的首选散热方式。

现有用于冷却微电子芯片的电渗泵存在的主要技术问题是泵送流量较低，严重影响散热效率。传统的填床多孔介质电渗泵将介电微粒填充到毛细管中，采用多孔玻璃填充毛细管两端，烧结形成毛细管的柱塞。这类电渗泵介电微粒间的孔隙极小，泵送流量仅为每分钟几十纳升或几微升。为解决这一问题，有些论文或专利采用多孔介质膜电渗泵，即采用多孔介质膜取代填充微粒介质，但受限于多孔介质膜孔隙率较低，高电压驱动微流体可一定程度上提高泵送流量。为进一步提高泵送流量，有学者提出串联多个单级多孔介质膜电渗泵，即多级输出电渗泵。这种方法固然能有效提高泵送流量，但是串联电渗泵工作的稳定性极差，其高流量泵送仅能维持120-180秒。重要的是，上述几种电渗泵均需要极高的驱动电压，微流体流经泵送通道的过程中将产生很高的焦耳热，焦耳热将通过多孔介质膜或微通道部分反馈给急需散热的微电子芯片，必然降低散热效率。传统电渗泵泵送通道如多孔微晶玻璃，其热传导系数为0.11～0.183Wm^-1K^-1，孔隙率为29.95～50.07％，对于这种孔隙率较低热传导系数较高的泵送通道，泵送流量较低，泵送过程中产生的焦耳热必将严重影响散热效率。因此，微电子芯片的散热亟待研发一种新型电渗泵，既能满足高流量泵送的需求，同时降低高电压泵送产生的焦耳热对散热效率的影响。

技术实现要素：

针对现有技术的局限，本发明提出一种用于冷却微电子芯片的气凝胶电渗泵，采用气凝胶材料代替传统电渗泵中多孔介质膜作为微流体的泵送通道，由于气凝胶材料孔隙率(＞80％)远高于多孔介质膜，且孔径分布极宽(0.3～100nm)，可有效提高电渗泵泵送流量。另外，气凝胶具有极低的导热系数，常温下导热率为0.012～0.020W m^-1K^-1，是理想的纳米多孔超级隔热材料。将其用作电渗泵的泵送通道，可将高电压泵送产生的焦耳热限制在泵送通道内，有效减少焦耳热对散热效率的影响。因此，本发明提出一种采用气凝胶材料作为泵送通道的新型电渗泵，可用于冷却微电子芯片，既满足高流量泵送的需求，同时可显著降低焦耳热对散热效率的影响。

本发明采用的技术解决方案是：一种用于冷却微电子芯片的气凝胶电渗泵，包括电渗泵上壳体和电渗泵下壳体，所述的电渗泵下壳体的底部设有与需散热的微电子芯片接触的导热板，所述的电渗泵上壳体和电渗泵下壳体之间设有出口腔室和入口腔室，所述的出口腔室和入口腔室内还分蘖设有正电极和相应的负电极，所述的出口腔室与入口腔室之间还设有气凝胶泵送通道，所述的出口腔室与入口腔室之间通过气凝胶泵送通道分隔。

所述的正电极和负电极分别置于入口腔室和出口腔室边壁位置。

所述的出口腔室和入口腔室内分别还设有入口流道和出口流道，长度为100μm～0.5cm、高度为30～800μm。

所述的电渗泵上壳体和电渗泵下壳体之间还设有起到密封作用，防止冷却液渗出的密封层。

所述的正电极和负电极采用惰性金属、合金或导电复合材料制成，宽度为0.07～1.4cm，高度为70～1300μm，厚度为50～300μm。

所述的气凝胶泵送通道为二氧化硅气凝胶材料制成，孔隙率为80％～90％，宽度为0.05～1.2cm、厚度为50μm～0.3cm、高度为80～1300μm。

所述的电渗泵上壳体和电渗泵下壳体为绝缘刚性材料制成。

所述的导热板为高导热绝缘复合高分子材料制成。

所述的气凝胶泵送通道采用二氧化硅气凝胶材料通过溶胶-凝胶法或3D打印冷凝干燥法制备得到。

所述的气凝胶电渗泵采用强度为30-1000V的驱动电场驱动。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种用于冷却微电子芯片的气凝胶电渗泵，本发明所述的用于冷却微电子芯片的气凝胶电渗泵采用二氧化硅气凝胶材料作为电渗泵泵送通道。相比于传统电渗泵所采用的多孔介质膜通道，二氧化硅气凝胶具有极高的孔隙率，且孔径分布极宽，可显著提高电渗泵泵送流量。对于微电子芯片冷却而言，提高电渗泵泵送流量可有效提高冷却效率，这对于微电子芯片的工作稳定性和可靠性至关重要，另外，电渗泵在工作时，电场作用驱动冷却液流经泵送通道，在高驱动电压情况下，必然产生大量焦耳热，这一部分热量将通过导热板反馈给需要冷却的微电子芯片，严重影响电渗泵散热效率。本发明中采用二氧化硅气凝胶泵送通道，具有极低的导热系数，可将泵送过程中产生的焦耳热有效限制在泵送通道中，减少热量向微电子芯片传递，可显著提高电渗泵散热效率，对于微电子芯片的冷却具有重要意义。

附图说明

图1为本发明用于冷却微电子芯片的气凝胶电渗泵的结构示意图。

图2为本发明用于冷却微电子芯片的气凝胶电渗泵驱动电压与泵送流量的关系。

图中1-入口流道，2-密封层，3-正电极，4-电渗泵下壳体，5-导热板，6-入口腔室，7-气凝胶泵送通道，8-出口腔室，9-负电极，10-出口流道，11-电渗泵上壳体。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明用于冷却微电子芯片的气凝胶电渗泵的具体实施方式，但是，本发明不限于以下的实施例。

如图1所示，一种用于冷却微电子芯片的气凝胶电渗泵，包括电渗泵上壳体(11)和电渗泵下壳体(4)，所述的电渗泵上壳体(11)和电渗泵下壳体(4)为绝缘刚性材料FR-4环氧玻璃布纤维板制成，具体尺寸依据电渗泵整体尺寸而定，电渗泵整体尺寸为：长度900μm、宽度900μm、高度200μm。所述的电渗泵下壳体(4)的底部设有与需散热的微电子芯片接触的导热板(5)，所述的导热板(5)为高导热绝缘复合高分子材料制成，为经硅油处理后的氮化铝AlN晶须填充聚四氟乙烯，长度700μm、宽度700μm。所述的电渗泵上壳体(11)和电渗泵下壳体(4)之间设有出口腔室(8)和入口腔室(6)，所述的出口腔室(8)和入口腔室(6)内还设有正电极(3)和负电极(9)，所述的正电极(3)和负电极(9)采用惰性金属、合金或导电复合材料制成，宽度为0.07～1.4cm，高度为70～1300μm，厚度为50～300μm。所述的正电极(3)和负电极(9)分别置于入口腔室(6)和出口腔室(8)边壁位置。所述的出口腔室(8)和入口腔室(6)内分别还设有入口流道(1)和出口流道(10)，长度为300μm～0.5cm、高度为30～800μm。所述的出口腔室(8)与入口腔室(6)之间还设有气凝胶泵送通道(7)，所述的出口腔室(8)与入口腔室(6)之间通过气凝胶泵送通道(7)分隔。所述的气凝胶泵送通道(7)为二氧化硅气凝胶材料制成，孔隙率为80％～90％，宽度为0.05～1.2cm、厚度为50μm～0.3cm、高度为80～1300μm。所述的气凝胶泵送通道(7)通过二氧化硅气凝胶材料采用溶胶-凝胶法或3D打印冷凝干燥法制备得到。冷却液从入口流道1流入入口腔室6，在电场驱动下通过气凝胶泵送通道7流入出口腔室8，经出口流道10流出电渗泵。

所述的电渗泵上壳体(11)和电渗泵下壳体(4)之间还设有起到密封作用，防止冷却液渗出的密封层(2)。

若选用纯水作为冷却液，当驱动电场强度为300～700V时，电渗泵泵送流量如图2所示，泵送流量明显高于传统电渗泵。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。