芯片冷却用微通道散热结构热流耦合场数值研究

对4种微通道散热结构(平行结构、网格结构、螺旋结构和树型结构)在相等传热面积、相同边界条件下的流场与温度场进行数值研究。通过热流耦合场数值分析,得出了不同微通道散热结构的电子芯片温度分布和微通道内的速度场,分析了微通道拓扑结构对电子芯片散热效果的影响。使用平行微通道散热的芯片温度均低于80℃,其中有81%的面积在60℃以下;使用网格和螺旋散热结构的芯片最高温度均在90℃以上,其中温度在20～60℃之间所占比例分别约为62%和61%;使用树型微通道散热的电子芯片温度均低于70℃,其中有94%的面积在60℃以下,且温度分布最均匀。此外,芯片微通道内的流体平均流速大的微通道系统能带走更多的热量。     

PMMA微流控芯片微通道尺寸的检测

研究了一种基于光电耦合器件(CCD)及图像处理技术的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微流控芯片微通道几何尺寸的测量系统,论述了该系统的关键技术及其实现方法,包括图像的预处理、二值化、轮廓提取以及微通道尺寸的测量等。利用该系统测量的微通道几何尺寸(1~1 000 μm)与轮廓仪和万能工具显微镜的测量结果吻合很好,最大测量误差为2 μm(半深宽度),分析了测量误差产生的原因。检测实验结果表明:该检测方法提供的微通道几何尺寸评定正确可行、通用性好、应用简便,还可以避免轮廓仪在深结构测量中的误差。     

温度可控全透明PDMS微通道阵列芯片的设计

本文设计制作温度可控全透明PDMS微通道阵列芯片。采用具有光学透明的PDMS和ITO导电玻璃,分别加工微通道阵列及加热器并利用真空氧等离子实现芯片的键合。芯片的温度控制部分采用单片机AT89C51为核心,通过对PID温度控制算法进行修正,芯片的温度控制精度可达到±0.2℃。该芯片可用于DNA分析或细胞培养。     

塑料微流控芯片微通道热压成形机的研制

微通道热压成形机是大连理工大学微系统研究中心研制的塑料微流控芯片自动制造系统中的重要组成设备.文章介绍了塑料微流控芯片微通道热压成形制作工艺,对所研制的微通道热压成形机的机械结构、温度控制、压力和位移控制以及系统软件的设计特点进行了说明,给出了主要性能指标.微通道热压成形机既可以作为单独的设备使用,也可以与其他设备联成系统.     

压敏电阻的热应力分析及结构优化

为解决SOI压阻式压力传感器敏感芯片上电阻条因热应力堆积导致的断裂问题,通过在电阻条上容易堆积应力的弯折处建立平滑倒角的方式来降低热应力堆积,提高电阻条的热稳定性。利用多物理场耦合分析软件对有无倒角的2种结构进行仿真分析,仿真结果表明：在常压450℃条件下,倒角的存在使得电阻条弯折处的应力比无倒角的结构降低了50%。在300℃测试环境下无倒角电阻发生断裂,而有倒角电阻在300℃测试以及之后的温度测试中结构完好,电压输出正常,表明倒角的设计有助于提高敏感芯片的耐温性,从而提高传感器的热稳定性。     

某型靶机头罩结构热应力分析

基于有限元方法,对头罩结构进行传热计算分析,得到其温度载荷分布;将温度载荷施加于头罩结构分析模型,进行结构热应力计算和分析。热应力分析结果为某型靶机方案论证提供了一定的数据支撑,也为后续设计阶段奠定了一定基础。     

微通道传热的近似分析

本文概要地介绍了做通道传热的近似分析模型。     

多层材料结构热应力的分析研究

针对多层材料结构由温度梯度引起的热不匹配问题,建立了不依赖于材料层数的热应力解析模型,基于四层材料结构中热应力的分布情况,对比分析了解析模型和有限元分析结果,研究了温度、层厚对多层材料结构中热应力和界面应力的影响。研究结果表明:解析模型与有限元分析所得应力分布一致,温度对应力的影响呈正相关;层厚会改变材料结构中的应力分布,影响情况视应力的性质而定。     

热应力对机翼结构固有频率的影响分析

研究了热应力对飞行器机翼结构固有频率的影响。用ANSYS建立机翼结构有限元模型,计算了均匀温度场、非均匀温度场和非均匀可变温度场条件下的结构热应力分布和振动模态。根据固有振动的结构变形,分析了热应力对固有频率的影响效应。研究结果表明,热环境下机翼结构因材料属性的退化导致固有频率下降,但对于振型节线处于翼面内部的振动模态,附加热应力刚度矩阵在结构总刚度矩阵变化中起主导作用,使该阶固有频率增大。     

微通道电泳芯片系统中信号识别算法的设计与实现

信号处理与分析软件是微全分析系统的重要组成部分，也是生物信息学研究的一个重要领域。本文介绍了适用于微通道电泳芯片系统的DNA测序软件的总体流程，重点描述了其中的信号处理与识别算法。算法以激光诱导荧光检测系统所采集到的原始数据为源信号，以小波平滑和小波去噪为理论基础，将滤波算法和峰值识别算法综合在一起进行设计，从而使其适用于检测速度更快、样品量更少的微通道电泳芯片系统。将本算法应用于DNA片段的分离实验中，可以有效地达到滤波以及信号识别的目的。     

微通道结构带状电极电火花加工方法研究

针对大厚度、高深宽比金属微通道结构加工的难题,提出一种带状电极电火花加工方法,利用厚度30～100 μm的带状电极,在金属基体上高效制造微通道结构。研究了带状电极电火花加工机理,建立了带状电极在加工间隙中的运动模型,分析了影响带状电极运动的主要因素,搭建了带状电极电火花加工装置,开展了微通道结构带状电极加工实验研究,获得了带状电极电火花加工基础工艺规律。利用带状电极电火花加工方法成功加工出的具有200条微通道的反应器结构和44×45微换热器阵列结构,表明带状电极电火花加工可以实现窄宽度(100 μm以下)、大厚度(35 mm以上)、高深宽比(10以上)和高精度(缝宽标准差3 μm以内)的大批量微通道结构的高效加工,相关方法和技术有望在微模具、微散热器、微反应器等领域获得推广和应用。     

PMMA微流控芯片微通道热压成形与键合工艺研究

微流控芯片在化学分析、临床诊断等领域的应用前景广阔.聚合物材料具有低成本、良好的加工性能、可用热压等快速成形方法加工微通道、易于实现批量生产等优点,适于作为制作微流控芯片的基材.本文研究了微通道热压成形及其芯片制作工艺.以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为基材制作了微流控芯片.在加热软化的PMMA上,用带有凸起微结构的镍模具在基片上压制出开放微通道,讨论了热压过程中温度、压力对芯片微通道成形质量的影响,确立了优化的热压成形工艺.在PMMA玻璃转化点(Tg)附近,通过施加一定的压力,实现基片与盖片的直接键合,获得了密闭分离微通道,并在PMMA微流控芯片上实现了安非他明的分离检测.     

复合量程微加速度计封装热应力的研究

贴片胶的选择和贴片工艺对MEMS封装器件的可靠性和有效性影响很大.针对贴片胶固化时热效应的影响,分析复合量程微加速度计封装热应力产生的机理.从贴片胶的材料特性出发,分析贴片胶的厚度、杨式模量及热膨胀系数对硅芯片所受到封装热应力的影响.并通过有限元仿真分析,确定了适合复合量程加速度计封装的贴片胶材料及使用厚度,并用拉曼光谱仪对封装后的应力进行了测试,结果显示应力较小,封装效果良好.     

微通道内交变电场电渗流有限元分析

基于有限元方法,以粘性不可压缩流体N-S方程和双电层P-B方程为基础,建立交变电场驱动微通道电渗流模型,并进行数值模拟,分析溶液浓度、电场强度和微通道高度对电渗流的影响。结果表明,微通道内双电层滑移速度与电场强度成正比,受微通道高度影响较小,随溶液浓度的增大非线性减小。同时,微通道高度和溶液浓度的增加使双电层相对厚度减小,交变电场电渗流瞬时速度的波峰更加尖锐。该结论为微通道内交变电场电渗流精确控制提供了理论参考。     

塑料(PMMA)微流控芯片微通道热压成形工艺参数的确定

采用热压成形的方法制作塑料(PMMA)微流控芯片的微通道,其温度、压力和时间等工艺参数直接影响制作质量,而最佳的工艺参数取决于聚合物材料的流变特性。自行研制了用于塑料微流控芯片制作的热压成形机,能够对热压成形过程中的温度、压力进行精确的控制,利用该设备研究了PMMA在热压成形过程中的流变性能,通过获得的温度压力实验曲线,确定热压成形的温度,并研究了在该温度下压力对变形速率和复制精度的影响,从而确定热压工艺过程中的温度、压力和时间3个工艺参数。     

铜铝微通道热沉的三维数值结构优化

在恒定泵功0.05 W条件下,对水冷铜基和铝基微通道热沉对流换热进行详细数值模拟和结构优化。通过将数值预测结果与前人已发表的试验结果进行对比,验证所使用的数值模型的正确性。同时讨论在恒定泵功下微通道几何结构对微通道热沉中温度分布的影响。模拟结果显示水冷铜基微通道热沉最优的几何结构参数为通道深为580μm,通道宽为90μm,通道密度为100个/cm;铝基微通道热沉最优的几何结构参数为通道深为620μm,通道宽为80μm,通道密度为100个/cm。     

自相似结构微通道热沉内部流动特性及结构优化

电子设备高度集成化导致其发热功率同步大幅增加,需要更高效的冷却技术解决其散热问题。自相似微通道热沉(Self-similarity micro-channel heat sink,SSHS)是近几年提出的一种新型微通道换热结构,与一般的微通道热沉相比,具有更好的换热均匀性和更宽的适用性。利用数值方法对SSHS的一个完整工作单元内的流动过程进行了模拟计算,以进一步分析SSHS的综合性能,并在此基础上,改进和优化其结构参数。计算结果表明,SSHS内各溢流通道(微通道)间存在较严重的流量分配不均问题,改变溢流通道结构参数对其流量分配过程影响很小,流量分配不均是SSHS自身结构所决定的固有特性,通过将等截面分流通道结构设计改为渐縮式斜坡设计,可以减弱入口分流通道末端的滞止效应,从而可以大大缓解溢流通道间的流量分配不均匀性问题。优化计算结果表明,0.07～0.80 kg/h的流量范围内,当斜坡角度为5°时,可将溢流通道间的流量差由原来的数倍降至不超过35%,而平均流动阻力增加不超过10%。     

微通道对流换热系统的流动阻力分析

针对在恶劣温度条件下工作的芯片热控制系统问题,基于由微泵、微通道、热电模块、智能控制单元、散热片以及液体管道等构成的微通道对流换热设计思想,数值仿真分析了微通道结构的速度场和压力分布,计算了系统管道、微通道等部件的沿程阻力和局部阻力,给出了换热系统的最佳工况点,确定了系统必需的微泵工作性能参数。