用于微通道中电场强化换热性能测试装置及其测试方法

摘要

一种微电子技术领域的用于微通道中电场强化换热性能测试装置及其测试方法，包括：一对夹板、一对玻璃盖板、一对电极、侧视窗、微加热器、电流表、电压表、驱动电源和测试电源，其中：微加热器和侧视窗位于两块玻璃盖板之间，两个电极分别位于两块玻璃盖板的下表面，两块夹板分别固定设置于两块玻璃盖板的外侧，微加热器的两端分别与电流表和驱动电源相串联，电压表并联于驱动电源两端，两个电极分别与测试电源和大地相连。本装置的电场线方向可与微加热器表面垂直，并能够实现从侧面直接观察沸腾汽泡的动态特性，而且能对观测角度进行切换，从而更全面地观测电场强化下微通道沸腾汽泡的动态特性，有利于对电场作用下沸腾汽泡运动特性的研究。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种微电子技术领域的装置及测试方法，具体是一种用于微通道中电场强化换热性能测试装置及其测试方法。

背景技术

近年来，随着电子设备组装密度越来越高，电子元件的功率越来越大，对微通道内的强化换热方法与手段提出了更高的要求，在微通道内用施加电场的方法来强化换热是一种新的强化换热手段。

Lift-off工艺是指通过在基片中制备与目标材料相同形状的牺牲层的方式实现的微机电金属制备方法，该技术优于现有的刻蚀制备方法，能够适用于制备纳米级到分米级的半导体设备。

经过对现有技术的检索发现，目前的微通道电场强化换热性能实验台，实验段是用微加工技术将上盖板玻璃片与中间层硅片键合起来，然后用湿法刻蚀技术在硅片上刻蚀出微通道，在下盖板玻璃片上溅射微电极与微加热器，再将下盖板与硅片粘合起来，从而形成集成有微电极和微加热器的微通道。但是该现有技术由于微通道侧壁为硅，因此侧面是不透光的，无法直观地从微通道侧壁观察通道内沸腾汽泡的生长、增大和脱离过程，不利于微通道内电场强化换热实验的研究；而且受湿法刻蚀技术原理的限制，所刻蚀出的微通道横截面为等腰梯形，如在微通道侧壁上溅射电极，则两侧壁电极之间并不平行，而是有一定夹角，微通道内电场方向与汽泡生长方向不一致，无法研究电场方向与汽泡生长方向相同情况下的沸腾现象。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种用于微通道中电场强化换热性能测试装置及其测试方法，结合lift-off工艺实现电场线方向与微加热器表面垂直，并能够实现从侧面直接观察沸腾汽泡的动态特性，而且能对观测角度进行切换，从而更全面地观测电场强化下微通道沸腾汽泡的动态特性，有利于对电场作用下汽泡运动特性进行研究。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种微通道中电场强化换热性能测试装置，包括：一对夹板、一对玻璃盖板、一对电极、侧视窗、微加热器、电流表、电压表、驱动电源和测试电源，其中：微加热器和侧视窗位于两块玻璃盖板之间，两个电极分别位于两块玻璃盖板的下表面，两块夹板分别固定设置于两块玻璃盖板的外侧，微加热器的两端分别与电流表和驱动电源相串联，电压表并联于驱动电源两端，两个电极分别与测试电源和大地相连。

所述的玻璃盖板尺寸为：长40mm～100mm，宽8mm～20mm，厚0.5mm～2mm，其中：一块玻璃盖板的表面设有直径为1mm～2mm的流体进出孔；

所述的电极具体通过金属溅射工艺和lift-off工艺分别制作于两块玻璃盖板的下表面，该电极的厚度为100nm～200nm；

所述的微加热器为铂元素制成，具体通过金属溅射工艺以及lift-off工艺溅射于位于下方的一块玻璃盖板的上表面，该微加热器的厚度为100nm～200nm，外形尺寸在500um×500um以内。

所述的微加热器的两端分别与电流表和驱动电源相串联具体是通过由金属溅射工艺和lift-off工艺在微加热器的两端制作出厚度在100nm～300nm之间的金属引线得以实现。

所述的侧视窗包括两块平行放置的光学玻璃，其中：每块侧视窗尺寸为：长40mm～100mm，宽3mm～10mm，高0.1mm～0.5mm，其宽度方向为观察方向，两块光学玻璃位于微加热器两侧且间隔0.2mm～0.5mm平行放置，其上下表面分别与上玻璃盖板和下玻璃盖板固定连接且构成横截面积在0.5mm×0.5mm之间的微通道腔体。

本发明涉及上述装置的测试方法，包括以下步骤：

第一步：将微通道腔体水平放置，微加热器引线两端与驱动电源相连；

第二步：通过微加热器电路中串联的电流表和并联的电压表测量经过微加热器的电流值I和所施加的电压值V，并得到微加热器的当前加热功率P＝I*V和当前电阻值R＝V/I，再根据铂微加热器的阻热曲线获得微加热器的当前电阻R所对应的温度值T；

第三步：将工质从上夹板的通道入口处注入微通道腔体并使工质流经微加热器时被加热至沸腾状态，然后再从上夹板的通道出口处流出微通道，工质温度由布置在上夹板通道入口和出口的测温装置测量；

第四步：将上侧电极与测试电源相连形成高电势极且将下侧电极通过导线接地形成零电势极，使得上下侧电极之间产生电场，该电场的电力线穿过微加热器的表面；

第五步：在侧视窗的水平方向两侧分别放置照明光源和高速CCD，利用高速CCD透过侧视窗记录微通道腔体内沸腾汽泡的动态特性，实现电场强化换热性能测试。

本发明的有益效果是，在微通道的上玻璃盖板和下玻璃盖板布置电极，电场线方向与汽泡生长方向几乎同向，侧视窗用光学玻璃制作，具有良好的透明度，可借助显微镜从微通道侧面的侧视窗直接观察电场作用下沸腾汽泡的特性，当上电极采用环形电极时，仍可从上玻璃盖板厚度方向观察沸腾汽泡，因此有利于科学实验的研究。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是本发明组装示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1和图2所示，本实施例包括：上夹板2、密封胶圈3、上玻璃盖板4、上电极5、侧视窗7、微加热器8、微加热器引线9、下玻璃盖板10、下电极11、下夹板12、电流表14、电压表15、驱动电源16、测试电源17，其中：微加热器8和侧视窗7位于两块玻璃盖板4、10之间，两个电极5、11分别位于两块玻璃盖板4、10的内侧，两块夹板2、12分别固定设置于两块玻璃盖板4、10的外侧，微加热器8的两端分别经微加热器引线9与电流表14和驱动电源16相串联，电压表15并联于驱动电源16两端，两个电极5、11分别与测试电源17相连接。

所述的侧视窗7由两块平行放置的光学玻璃组成；

所述的上下玻璃盖板4、10尺寸分别为：长40mm～100mm，宽8mm～20mm，厚0.5mm～2mm，上玻璃盖板4表面有直径为1mm～2mm的流体进出孔；

本装置通过以下方式制备得到：

首先在上玻璃盖板4下表面和下玻璃盖板10下表面通过金属溅射工艺溅射100nm～200nm的金属，再经由lift-off工艺制作出所需尺寸和外形的上电极5和下电极11；在下玻璃盖板10的上表面溅射100nm～200nm的铂，经由lift-off工艺制作出外形尺寸在500um×500um以内的铂微加热器8，再经由金属溅射工艺和lift-off工艺在微加热器的两端制作出厚度在100nm～300nm之间的金属引线9。侧视窗7是由两块平行放置的光学玻璃组成，每块侧视窗尺寸为：长40mm～100mm，宽3mm～10mm，高0.1mm～0.5mm，其中宽度方向为观察方向；两块光学玻璃位于微加热器两侧且间隔一定距离平行放置，其间距为0.2mm～0.5mm，其上下表面分别与上玻璃盖板4的下表面和下玻璃盖板10的上表面粘贴，从而形成横截面积在0.5mm×0.5mm之间的微通道腔体，微通道腔体两端分别用与侧视窗等厚的玻璃块6堵塞并密封粘牢。将组合粘贴好的微通道试验段放置在上夹板2和下夹板12之间的凹槽内，上玻璃盖板4的流体进出孔与上夹板2的流体通道间放置密封胶圈3，上下夹板的四角用螺栓1和螺帽13旋紧固定，从而形成牢固的微通道测试段。侧视窗7具有良好的透光度，以利于用显微镜对微通道内沸腾汽泡进行观察。上电极5可做成环形电极，以便从垂直于上玻璃盖板4的方向观察微通道内沸腾现象。

如图2所示，微加热器引线9两端与驱动电源16相连，电路中串联电流表14、并联电压表15用来测量经过微加热器8的电流值和所施加的电压值，以此计算微加热器8的加热功率和电阻值。上电极5与测试电源17相连，形成高电势极，下电极11通过导线19与大地相连，形成零电势极。其中上电极与下电极的连接方式可更换，这样在上下电极之间会产生电场。实验过程中，实验工质从A向经过上夹板2的通道入口进入微通道，流经微加热器8时被加热至沸腾状态，最后从上夹板2的通道出口即B向流出微通道。实验时可利用高速CCD透过侧视窗7的侧壁观察微通道内电场作用下沸腾汽泡的动态过程，也可在垂直于上玻璃盖板4的方向，透过上电极5中间的方孔观察微通道内的实验现象。