基於MEMS技術的不等寬鍍膜微槽道平板熱管傳熱特性研究

《基於MEMS技術的不等寬鍍膜微槽道平板熱管傳熱特性研究》是依託大連理工大學,由閆衛平擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於MEMS技術的不等寬鍍膜微槽道平板熱管傳熱特性研究
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：閆衛平

項目摘要

晶片散熱問題已成為制約電子器件套用的瓶頸，本項目開展適於晶片套用的矽基不等寬鍍膜微槽道平板熱管的研究。利用流體力學、熱力學和分子動力學模型，開展不等寬鍍膜微槽道微型平板熱管傳熱特性的理論分析及仿真計算，根據計算結果確定微型溫度和流量感測器及加熱器在微型平板熱管內外的空間分布，完成其性能、結構及版圖和製作工藝的最佳化設計。利用MEMS技術和微電子製作工藝，研製內置溫度和汽體流量感測器的矽基不等寬鍍膜微槽道平板熱管，通過直接測量熱管內部的蒸汽流量及熱管內外的溫度分布，利用熱管實時運行的工作狀態參數深入分析不等寬鍍膜微槽道平板熱管的傳熱特性，據此研製面向晶片套用的具有強化散熱功能的微槽道平板熱管。本項目提出的不等寬鍍膜微槽道結構，以及在熱管內集成溫度和汽體流量感測器測量熱管內物理參數的研究方案，目前在國內外尚未見到相關報導，具有較強的創新性。利用前期積累的較好研究基礎，可以保證本項目的順利實施。

結題摘要

IC晶片集成度的快速增長導致單位面積上的熱流密度急劇增加，晶片散熱問題已成為制約微電子工業發展的技術瓶頸，本課題開展用於晶片套用的微型平板熱管研究。 （1）不等寬微槽道平板熱管傳熱特性仿真分析及其結構最佳化設計 根據 Laplace-Young方程提出不等寬微槽道平板熱管的結構設計，利用FLUENT和ANSYS軟體開展矽基等寬與不等寬微槽道平板熱管的熱分布及流體狀態對比分析，採用分子動力學(MD)方法研究納米尺度下系統溫度和薄膜厚度對液-汽相變蒸發率的影響。分析結果表明，不等寬微槽道內液態工質在張力作用下形成的彎月面半徑不再是一個固定數值，冷凝段的彎月面半徑大於蒸發段，液態工質的彎月面半徑沿軸向呈現連續梯度變化，增大了管內的汽液壓力梯度，從而比常規等寬槽道熱管更有利於液體回流及提高相變蒸發率。根據仿真結果，設計了多種結構參數的V形和矩形槽道微熱管進行對比研究。 （2）用於微熱管傳熱性能分析的熱溫差式微流量感測器結構設計及其製作 針對平板微熱管體積較小、氣液交換空間有限、體內溫度較高的特點，利用ANSYS軟體對不同形狀、尺寸、位置的加熱器和溫度感測器進行仿真分析，並通過三維模型分析了液體沿軸向變化溫度場的流動狀態，設計了加熱器兩側對稱分布多溫度感測器的熱溫差式流量感測器版圖。採用MEMS技術在玻璃基片上製作Pt金屬薄膜流量感測器，乾法刻蝕技術製作矽基微槽道晶片，利用玻璃環進行三明治結構封裝，自行研製的檢測系統進行標定。基於測量結果進行結構最佳化後，研製出可用於微熱管傳熱特性分析的熱溫差式流量感測器。 （3）不等寬微槽道平板微熱管的傳熱特性仿真分析和試驗測試結果表明： ① 矩形槽道微熱管具有更好的徑向傳熱性能。 ② 不等寬槽道微熱管對工質回流有更強的促進作用，傳熱性能優於等寬槽道。 ③ 矽基蓋片微熱管比玻璃蓋片微熱管具有更好的傳熱特性。 ④ 增加槽道深度和寬度可加強液態工質與矽基體間的熱量交換，具有更好的傳熱性能。 ⑤ 較大尺度的蒸汽腔利於蒸發段液態工質充分汽化及移動，提高了微熱管的傳熱性能。 ⑥ 微熱管結構參數與最佳充液率相關，微熱管的最佳充液率對應較高的傳熱特性。本課題的研究結果，為微槽道平板微熱管的深入和實用化研究提供了較有價值的數據、方法和結論，為微結構和較高環境溫度下微流量傳感測器的研製提供了可借鑑的方法和數據。