本发明专利技术公开了可控型喷雾液滴高效冷却换热实验平台，包括液滴发生装置，多组压电式液滴发生器可实现液滴串阵列；位于压电式液滴发生器工艺下游端的薄膜加热器，薄膜加热器采用磁控溅射工艺制备，所述薄膜加热器以500μm后的双抛硅片为基材，并在基材上以磁控溅射工艺磁控溅射金属铂膜；以及光学成像及测温系统。本发明专利技术的实验平台基于多组压电式液滴发生器而设计，从温场流场都可以进行捕捉和精准测量，先进的液滴发生器实现了现有单组液滴所不具备的液滴流量同时还可以兼顾精度和调控性，通过设计的微芯片薄膜加热器减小了电阻误差和实验误差，热损低于1％，该实验平台对于探究液滴物理场以及连续液滴高效换热领域有重要影响。影响。影响。
【技术实现步骤摘要】
可控型喷雾液滴高效冷却换热实验平台
[0001]本专利技术涉及微流控技术、高效换热技术、mems微机电加工技术的多学科交叉
，尤其涉及一种基于高精度液滴发生器、高精度薄膜加热器(微芯片)、光学高速拍摄技术及高精度红外测温技术于一体的可控型喷雾液滴高效冷却换热实验平台。
技术介绍
[0002]近些年来，由于超级计算机等电子设备的性能化和芯片逐步微型化增加了高热流密度情况下散热的难度，连续液滴较射流具有更高效的冷却并比喷雾更可控，经过详细研究在定热流实验条件下从单组液滴到阵列式液滴撞击加热表面流体动力学以及传热过程，由于电子设备的不断微型化以及性能化，热负荷的增长极为迅速以至于电子设备的热管理问题依然严峻。
[0003]较高的热流会导致电子系统的安全性和寿命都将面临挑战，现阶段许多前沿研究依赖于在很小的区域消除大量的热量，未来高热流密度通量量级在102‑
103W/cm2在一些超导电路中热流密度也达到600w W/cm2左右。因此，对于更创新的冷却技术的需求也更为迫切。
[0004]过去几十年对于喷雾和射流的研究逐渐趋于成熟，并且射流冲击冷却和喷雾冷却在高效冷却领域均较为广泛.射流和喷雾都是流体通过小孔产生的，喷雾是在撞击表面之前被破碎成分散的较小的微液滴并且覆盖在换热表面。相较于射流，喷雾冷却的均匀性和换热能力有显著优势，因此喷雾也被认为是未来应用于高热流场景下的最佳冷却方式喷雾冷却在具有较多优点的同时，也有自身的弊端。比如喷雾冷却较射流覆盖面积无法确定；液滴大小和数量无法精确控制；液滴碰撞产生的随机性等问题。
[0005]虽然有部分研究关注可控连续液滴的换热性能但还是基于单组的液滴串测试，由于液滴发生器技术受限并未推广到大数量和规则型阵列连续液滴串对换热的影响。
[0006]所以，基于现有技术的授权公告号为CN1147749219B的中国专利技术专利的集成压电式多组均匀液滴发生器，本领域的技术人员亟需研发一种基于高精度液滴发生器、高精度薄膜加热器(微芯片)、光学高速拍摄技术及高精度红外测温技术于一体的可控型喷雾液滴高效冷却换热实验平台。
技术实现思路
[0007]本专利技术的目的是提供一种可控型喷雾液滴高效冷却换热实验平台，该平台基于高精度液滴发生器、高精度薄膜加热器(微芯片)、光学高速拍摄技术及高精度红外测温技术于一体，通过多列液滴发射器的精准微流控为高精度可控喷雾冷却提供技术保证。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0009]本专利技术的可控型喷雾液滴高效冷却换热实验平台，该实验平台包括：
[0010]液滴发生装置，所述液滴发生装置包括恒温水浴箱、以及与该恒温水浴箱连通的压电式液滴发生器，多个所述压电式液滴发生器阵列排布；
[0011]位于所述压电式液滴发生器工艺下游端的薄膜加热器，所述薄膜加热器采用磁控溅射工艺制备，所述薄膜加热器以500μm后的双抛硅片为基材，并在基材上以磁控溅射工艺磁控溅射金属铂膜；以及
[0012]光学成像及测温系统；
[0013]所述光学成像及测温系统通过红外照相机采集薄膜加热器的温度数据，并将采集的照片传输至计算机得出时间平均温场，通过Matlab代码进行时间平均温场后处理以得到温场云图。
[0014]进一步的，所述恒温水浴箱通过蠕动泵和流量计与所述压电式液滴发生器连接；
[0015]所述恒温水浴箱向所述压电式液滴发生器输送的冷却液体为纯净流体，且所述纯净流体选用去离子水。
[0016]进一步的，所述压电式液滴发生器电连接有信号发生器，所述信号发生器通过功率放大器与所述压电式液滴发生器电连接；
[0017]所述信号发生器发出方波信号、该方波信号通过所述功率放大器放大、并驱动压电式液滴发生器壁面的压电模块高频振动以产生连续液滴。
[0018]进一步的，所述压电式液滴发生器通过垂直自动升降台调节相对于所述薄膜加热器的高度。
[0019]进一步的，所述薄膜加热器的磁控溅射加热层的工艺流程主要包括以下步骤如图7：
[0020]S101、切割出尺寸为14mm*14mm的双抛硅片，将上下两边用棕膜进行掩膜，形成为14mm*10mm的金属溅射区域；
[0021]S102、开启冷却水，将腔室大门锁扣倒置，然后开启放气阀放气，开启流量计面板通道“ON”，开启导气阀并清洗导气管，等待真空抽到5.0*101pa后，打开电磁阀，打开挡板控制器，等到真空抽到1.9*101pa后运行分子泵，待分子泵面板显示转速后关闭粗抽阀，开高阀到最大位置，真空普遍抽到5.0*10
‑3pa或3.0*10
‑3pa开始镀膜实验；
[0022]S103、开启转盘，首先要镀金属铬薄膜，开启热控制器设置80℃的基板温度，铬金属靶材直径为10cm，溅射气压设置为0.2pa，在对应的靶上部安装磁控溅射电源，开启磁控溅射电源，保持挡板关闭，通过旋钮调节功率值，进行预溅射，功率值设置为200
‑
400w以采用高功率溅射，溅射时间为50
‑
120s，在硅片上得到50nm以下厚的铬膜铬膜为连接层；
[0023]S104、铬膜为连接铂金和半导体硅的关键结合膜，在完成铬膜沉积后溅射气压不变，基板温度不变，功率改为150
‑
300w，溅射时间为90s，完成后用四探针测量法测得电阻为7Ω/cm2，测量值同批电阻值误差在0.05Ω以内；
[0024]S105、将基片再次进行掩膜，掩膜遮住中心铂金区域10mm*10mm，进行S103步骤进行磁控溅射金薄膜，溅射气压设置为0.3pa，功率设置为50
‑
150w，时间为10min，薄膜厚度为500nm。
[0025]进一步的，所述薄膜加热器具有PCB电路板；
[0026]所述PCB电路板整体尺寸为1.8cm*1.8cm，且所述PCB电路板中间采用V型切割以形成尺寸为1.3cm*1.3cm的切割槽；
[0027]所述PCB电路板具有四条长方形pad，两条靠近所述PCB电路板外侧的所述pad的宽度为500μm，两条靠近所述PCB电路板内侧的所述pad的宽度为200μm，所述pad覆铜厚度为
1oz以上。
[0028]进一步的，所述PCB电路板和经过磁控溅射工艺制备的硅片的焊接封装工艺为：
[0029]将PCB电路板先与磁控溅射工艺的硅片用导电银胶粘结，然后采用金线键合工艺进行硅片与PCB的封装，两遍各多根25μm金线进行封装。
[0030]进一步的，该实验平台还设置有与所述计算机连接的高速相机；
[0031]相对于所述高速相机一侧设置有LED光源和散光片，所述高速相机配置AF nikon变焦镜头，且所述高速相机的放大倍率为1:1以拍摄压电式液滴发生器的流场情况、拍摄排布液滴串连续液滴破碎情况以及低热流密度下对应的撞击状态。
[0032]进一步的，该实验平台的光学成像光路布置方法为：
...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.可控型喷雾液滴高效冷却换热实验平台，其特征在于，该实验平台包括：液滴发生装置，所述液滴发生装置包括恒温水浴箱(1)、以及与该恒温水浴箱(1)连通的压电式液滴发生器(4)，多个所述压电式液滴发生器(4)阵列排布；位于所述压电式液滴发生器(4)工艺下游端的薄膜加热器(9)，所述薄膜加热器(9)采用磁控溅射工艺制备，所述薄膜加热器(9)以500μm后的双抛硅片为基材，并在基材上以磁控溅射工艺磁控溅射金属铂膜；以及光学成像及测温系统；所述光学成像及测温系统通过红外照相机(11)采集薄膜加热器(9)的温度数据，并将采集的照片传输至计算机(15)得出时间平均温场，通过Matlab代码进行时间平均温场后处理以得到温场云图。2.根据权利要求1所述的可控型喷雾液滴高效冷却换热实验平台，其特征在于，所述恒温水浴箱(1)通过蠕动泵(2)和流量计(3)与所述压电式液滴发生器(4)连接；所述恒温水浴箱(1)向所述压电式液滴发生器(4)输送的冷却液体为纯净流体，且所述纯净流体选用去离子水。3.根据权利要求2所述的可控型喷雾液滴高效冷却换热实验平台，其特征在于，所述压电式液滴发生器(4)电连接有信号发生器(13)，所述信号发生器(13)通过功率放大器(12)与所述压电式液滴发生器(4)电连接；所述信号发生器(13)发出方波信号、该方波信号通过所述功率放大器(12)放大、并驱动压电式液滴发生器(4)壁面的压电模块高频振动以产生连续液滴。4.根据权利要求1至3中任一项所述的可控型喷雾液滴高效冷却换热实验平台，其特征在于，所述压电式液滴发生器(4)通过垂直自动升降台(5)调节相对于所述薄膜加热器(9)的高度。5.根据权利要求1所述的可控型喷雾液滴高效冷却换热实验平台，其特征在于，所述薄膜加热器(9)的磁控溅射加热层的工艺流程主要包括以下步骤如图7：S101、切割出尺寸为14mm*14mm的双抛硅片，将上下两边用棕膜进行掩膜，形成为14mm*10mm的金属溅射区域；S102、开启冷却水，将腔室大门锁扣倒置，然后开启放气阀放气，开启流量计面板通道“ON”，开启导气阀并清洗导气管，等待真空抽到5.0*101pa后，打开电磁阀，打开挡板控制器，等到真空抽到1.9*101pa后运行分子泵，待分子泵面板显示转速后关闭粗抽阀，开高阀到最大位置，真空普遍抽到5.0*10
‑3pa或3.0*10
‑3pa开始镀膜实验；S103、开启转盘，首先要镀金属铬薄膜，开启热控制器设置80℃的基板温度，铬金属靶材直径为10cm，溅射气压设置为0.2pa，在对应的靶上部安装磁控溅射电源，开启磁控溅射电源，保持挡板关闭，通过旋钮调节功率值，进行预溅射，功率值设置为200
‑
400w以采用高功率溅射，溅射时间为50
‑
120s，在硅片上得到50nm以下厚的铬膜铬膜为连接层；S10...
【专利技术属性】
技术研发人员：高轩，李雨航，李海旺，陶智，撖天宇，高旭，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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