基于MEMS工艺微尺度流动换热高精度集成测试方法技术

基于MEMS工艺的微尺度流动换热高精度集成测试方法，包括：基于MEMS工艺的实验件加工；测试系统的集成；本发明专利技术通过玻璃激光打孔和硅晶圆的等离子体刻蚀技术，完成测压点的原位引出测量，避免了局部压力损失；利用金属电阻温度系数特性，通过电阻变化测量当前薄膜热电阻处的温度大小，将薄膜热电阻置于加热膜上方，使其更加贴近通道壁面，获得的温度数据更加准确；通过多层晶圆键合技术，将带测压孔的玻璃片、带微通道及测温热电阻的上硅片、带加热膜的下硅片进行分别依次进行多晶圆依次键合，保证微通道的密封性以及带金属薄膜硅表面的精确对准键合，结合测试系统的集成最终实现了测压、测温、加热与可视化的一体化设计。压、测温、加热与可视化的一体化设计。

【技术实现步骤摘要】
with hydrophobic and hydrophilic surfaces[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2009,52(1
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2):260
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270.)的恒壁温加热方案，加热器是10mm
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20mm铝制带式微加热器位于通道上表面，通道下表面用冰块作为恒壁温冷却，单个通道沿程布置10个测点进行加热，如图4所示。
[0007]常规的微流动的可视化测量以Micro
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PIV测试为主，仅考虑微流体流动情况时，可以直接用Micro
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PIV进行辅助观测，如果涉及到微流体换热方面，则一般采用实验热损失修正的方法进行标定。
[0008]在现有的微尺度流动换热测试方案中，这四种测试方法均被大量采用，分别用来测量实验所需要获得的不同参数，通过这些试验测试方法，众多学者得到了许多研究结论来分析微尺度流动换热的各项机理。然而同时采用上述四种测试方法的集成测试方案并不多见，被广泛认可的高精度测试方案更是有待于进一步开发和探索。
[0009]现有技术存在如下缺陷
[0010]在当前的微尺度流动换热测试方案中，主要存在两大问题。首先是测试精度不足，实验数据依赖传统的经验关系式修正，这就必定会导致测试存在一定偏差。其次是集成化测量难以实现，在某一实验测试中，最多实现两到三种的测试手段，上节中所提到的四种方案同时存在的集成化测量尚未实现，使得实验获取到的信息量不足。
[0011]现有的微流动压降实验中，传统的压力测量方案其测压点一般位于管路接头处，利用三通接头或者其他连接手段实现测压点的引出。这种方案中，测压点往往距离微通道入口存在一定距离，甚至由于进出口密封连接的设计，与微通道之间存在不可避免的转折、突扩、突缩等结构。这种间接测压的方式导致差压变送器所测量的压降除了所关注的微通道内摩擦损失之外，还存在有转折、突扩、突缩和管路连接等局部压力损失，这些局部压力损失和研究对象无关，需要根据传统的经验关系式进行修正。针对微尺度流动的修正关系式尚未明确，而经验修正关系式本身存在一定误差，因此当前微流动中压力的测量存在间接测量、修正模糊的缺陷。
[0012]现有的微流动换热实验中，实验边界和温度监测的设计尤为重要，根据最新的文献研究来说，当前微流动换热实验的测试方法仍然沦于传统测试方法的窠臼。首先是实验边界设计，主要分为两部分，第一部分是实验边界的选取。为了便于数据处理和规律探究，实验通常采用的恒热流、恒壁温边界，恒热流边界以市面上的加热膜为主，恒壁温边界通常以冰块或者其他恒温物体作为恒壁温壁面。对于市面上购买的加热膜，如常用的PI电热膜，是由高温环保阻燃型材料与金属铂制作的发热芯复合而成，其温度有一定的不均匀性。加热膜的发热电阻丝一般是蛇形缠绕布置，同时由于绝缘材料和导电材料的导热系数不同、金属的电阻温度系数的存在，加热膜本身必然有一定的温度不均匀性。若采用恒温物体作为恒壁温边界，由于环境换热、物理化学性质变化等因素也难以保证物体的温度实现绝对的均一。第二部分是实验边界的布置，实验中的恒热流和恒壁温边界往往不是直接位于通道下表面，和测试通道有一定距离，这段距离引起的温度再分布、纵向热流以及和周围环境换热等因素，其共同作用会导致恒热流边界的存在热流分布不均匀、恒壁温边界存在温度分布不均匀的问题。其次是温度监测的设计，现有的测温以市场中销售的热电偶为主，直接布置在实验件的底面。这种温度监测的测试方案存在的主要误差是热电偶所测得的温度并不是通道的壁温，热电偶布置的位置往往和通道的底面有一定的距离，这就导致测得的温
度和真实壁温之间存在一定差距，这也是实验数据和数值模拟的结果很难统一的重要原因之一。
[0013]现有的微流动可视化实验中，Micro
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PIV是可视化测量的重要组成部分，能够在微尺度下测量流体瞬时速度场，并以图像方式予以直观显示的新技术。Micro
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PIV是借助匀布于流场中示踪粒子的位移来提取微通道内流体速度场信息的。与传统的激光多普勒测速仪和热线风速仪相比，Micro
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PIV技术在对被测流场不产生扰动的情况下可实现速度场的全局与局部细节的同时测量与显示。但是Micro
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PIV的可视化测量涉及到光路的搭建和专门实验台的设计，这就导致Micro
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PIV技术往往是单独进行实验测试，很难与其他测试技术同时进行，这对于保证实验工况的实时性、统一性以及原位测量造成了一定的困难。

技术实现思路

[0014]本专利技术是为了提出一种相比于现有的测试方法集成化程度更高、测试精度更高的微尺度流动换热测试技术，实现微尺度流动换热测试的集成化、原位化、同步化、实时化、标准化测量要求。依托于激光切割技术，实现测压点的原位引出，消除传统测试方案中的附加局部压力损失。依托于当前微机电系统的MEMS加工技术，将加热膜、测温热电阻从传统的毫米级布置精度达到上升到微米级，布置方式更加合理，实现通道的精准加热、原位测量，并给出MEMS加工的工艺设计方案。自主设计真空保温实验台，优化传统的Micro
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PIV实验布局，并给出集成测试实验台的整体布局，使得可视化测量和压力测量、温度测量一同进行，实现各项测试技术的实时同步测量，将各类不可估计误差降到最低，其技术方案如下：
[0015]基于MEMS工艺的微尺度流动换热高精度集成测试方法，其特征为：包括如下部分：
[0016]第一部分：基于MEMS工艺的实验件加工；
[0017]第二部分：测试系统的集成。
[0018]本专利技术还公开一种将基于MEMS工艺的微尺度流动换热高精度集成测试方法应用于微尺度单通道流动换热测试过程中。
[0019]有益效果：
[0020]本专利技术将微通道内加热、测温、测压以及Micro
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PIV可视化测量系统进行有机结合，得到了高精度集成测试技术，其中真空系统使得在引入Micro
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PIV可视化测量系统的同时，减小周围环境的热损失。
[0021]本专利技术通过玻璃的激光打孔技术和硅晶圆的等离子体刻蚀技术，完成了测压点的原位引出测量，避免了转折、突扩、突缩和管路连接等局部压力损失。
[0022]本专利技术通过薄膜热电阻和加热膜的集成化布置和精准布置，实现了和理想恒壁温加热方式的高度吻合。其中利用金属的电阻温度系数特性，通过电阻的变化来测量当前薄膜热电阻处的温度大小，将薄膜热电阻置于加热膜上方，使其更加贴近通道壁面，获得的温度数据更加准确。
[0023]本专利技术通过多层晶圆键合技术，将带测压孔的玻璃片、带微通道及测温热电阻的上硅片、带加热膜的下硅片进行阳极键合、辅助键合两种键合方式的多晶圆依次键合，其中阳极键合的高键合强度保证了微通道的密封性，辅助键合的低表面不平度要求保证了带金属薄膜硅表面的对准键合，两种键合方式的集成保证了实验件测压、测温、加热本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于MEMS工艺的微尺度流动换热高精度集成测试方法，其特征为：包括如下部分：第一部分：基于MEMS工艺的实验件加工；第二部分：测试系统的集成。2.根据权利要求1所述的基于MEMS工艺的微尺度流动换热高精度集成测试方法，其特征为：所述实验件包括三层晶圆键合，该三层晶圆从上到下依次为玻璃片、上硅片和下硅片，键合方式分别为硅
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玻璃阳极键合、硅
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硅辅助键合。3.根据权利要求2所述的基于MEMS工艺的微尺度流动换热高精度集成测试方法，其特征为：所述玻璃片采用激光打孔；所述上硅片设置微通道、引线通孔和底部磁控溅射的薄膜热电阻；所述下硅片中主要为上部磁控溅射的加热膜。4.根据权利要求3所述的基于MEMS工艺的微尺度流动换热高精度集成测试方法，其特征为：上硅片中的微通道尺寸为300μm
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300μm
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3.5cm，薄膜热电阻的衬底采用Ti作为粘附层，厚度70nm，线宽参数为16μm，蛇形环绕的长度为564μm，厚度为600nm，薄膜热电阻大小约为80μm
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100μm，预估阻值为6.3Ω，在引线焊盘(Pad)部分，再次磁控溅射金属金，其薄膜厚度为600nm。5.根据权利要求3所述的基于MEMS工艺的微尺度流动换热高精度集成测试方法，其特征为：下硅片中的加热膜衬底采用第一层采用Ti作为粘附层，厚度70nm，磁控溅射铂薄膜300μm
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35mm
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300nm，加热膜预计13.8Ω，数量3，其分为三段的主要原因是减小由于加热膜的电阻随温度的变化，导致与恒热流加热假设的偏离。6.根据权利要求2所述的基于MEMS工艺的微尺度流动换热高精度集成测试方法，其特征为：所述实验件首先对上、中、下三层结构分别加工，之后再进行硅
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玻璃阳极键合，硅
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硅辅助键合，最后切割成单个实验件。7.根据权利要求1所述的基于MEMS工艺的微尺度流动换热高精度集成测试方法，其特征为：所述试验件加工包括：玻璃片的加工流程；上硅片的加工流程；下硅片的加工流程；多层晶圆依次键合；所述玻璃片的加工流程包括如下内容：将玻璃片行激光切割打孔，加工下硅片的引线通孔、微通道进出口、测压孔，对加工完成的玻璃片用去离子水
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丙酮
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异丙醇
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酒精超声清洗
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去离子水，清洗玻璃片表面的切割残留颗粒、灰尘以及有机物；所述上硅片的加工流程包括如下内容：步骤一：将双抛氧化本征高阻硅片，氧化层厚度为2um用酒精
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丙酮
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酒精
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去离子水，来清洗硅片表面的灰尘和有机物；对清洗后的硅片进行增粘剂涂覆，以增强光刻胶的粘附性；硅片背面旋涂光刻胶2μm，进行前烘和背面曝光，在湿法台上用显影液进行显影，下一步后烘；用BOE溶液全部去除硅片正面氧化层选择性去除背面通孔、对准标记处氧化层；在湿法台上用酒精
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丙酮
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酒精
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去离子水
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Piranha溶液
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去离子水，清洗硅片表面的光刻胶、灰尘和有机物；步骤二：对清洗后的硅片进行增粘剂涂覆，以增强光刻胶的粘附性；硅片背面旋涂光刻胶8μm，进行前烘和背面曝光，在湿法台上用显影液进行显影，下一步后烘；图案化磁控溅射Ti粘附层，厚度70nm，以增强Pt薄膜的粘附性，图案化磁控溅射Pt薄膜，厚度600nm，作为上硅片下表面的薄膜热电阻；Lift
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off工艺完成金属图形化；丙酮
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酒精
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去离子水，以清洗硅
片表面的光刻胶和杂质；步骤三：对清洗后的硅片进行增粘剂涂覆，增强光刻胶的粘附性；硅片背面旋涂光刻胶8μm，进行前烘和背面曝光，在湿法台上用显影液进行显影，下一步后烘；图案化磁控溅射Au薄膜，厚度600nm，作为薄膜热电阻的引线部分；Lift
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off工艺完成金属图形化；丙酮
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酒精
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去离子水，以清洗硅片表面的光刻胶和其他杂质；步骤四：低真空或氮气环境高温退火，升温速率300℃/h，温度600℃，保温时间4h，自然冷却，通过金属再结晶，使薄膜的电学性能更加稳定，同时减小薄膜应力；步骤五：在湿法台上用酒精
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丙酮
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酒精
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去离子水
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BOE溶液30s
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去离子水，以清洗硅片表面灰尘和自然氧化层；硅片正面旋涂光刻胶8μm，进行前烘和正面曝光，在湿法台上用显影液进行显...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐天彤，李海旺，方卫东，陶智，吴瀚枭，李沐润，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：