CN111432596A - 一种用于铌酸锂基声表面波器件的水冷平台、水冷散热装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于铌酸锂基声表面波器件的水冷平台，水冷平台包括由上至下依次设置的上盖板、热电偶支撑层、隔板、散热层和下基板，水冷平台包括设置在中心的聚焦区和设置在聚焦区***的***区；热电偶支撑层上设有与聚焦区对应设置的聚焦区热电偶和与***区对应设置的***区热电偶，***区热电偶及聚焦区热电偶通过导线口与外部的控制电路电连接以用于监测聚焦区及***区的温度；***区冷液口与聚焦区冷液口与外部的供水装置连接，散热层上设有位于聚焦区的聚焦循环通道和位于***区的***循环通道。分别对聚焦区与***区进行循环冷却，并且其聚焦区循环通路与***区循环通路相对独立，不会相互影响，有效避免由于铌酸锂去遇见温差大而导致芯片断。

Description

一种用于铌酸锂基声表面波器件的水冷平台、水冷散热装置 及其使用方法

技术领域

本发明属于散热器技术领域，尤其是涉及一种用于铌酸锂基声表面波器件的水冷平台、水冷散热装置及其使用方法。

背景技术

在微流体芯片中，声学操控是实现芯片级微流体操控的重要技术之一，特别是基于声表面波的微流体芯片***具有巨大的优势，具有非破坏、可控性强、易于集成、频率可调等特点。声表面波器件由在压电材料上沉积插指电极而成，利用逆压电效应将电信号转化为机械振动，十点对微流体和微纳粒子的精确控制，在细胞或微粒的分选、分离、俘获和收集以及液滴的生成、驱动、混合及喷射等方面有大量的研究与应用。

传统上，为了获得更好的压电转换效率，声表面波微流控器件通常选用Y128°切X向铌酸锂晶体作为压电材料，在粒子操控和液滴喷射的应用中，铌酸锂基声表面波器件极易因产生热量而发生断裂或烧损，降低了声表面波器件的可靠性，限制了声表面波器件的发展及推广。

铌酸锂具有压电性，压电振动产生热量，同时它也具有弱热电性，部分电能转化为热能，因此温度会不可避免地升高。铌酸锂的热膨胀系数非常高(27～33x 10-6/K，对比下石英玻璃为4～11.3x 10-6/K)，快速的升温与降温俱易使其断裂。在采用聚焦型插指电极结构是，在焦点区域与电极的其他区域温度不均匀，铌酸锂在受热不均时也会导致断裂。。

因此，亟需设计一种能够解决上述技术问题，对铌酸锂基声表面波器件具有散热作用的结构，有效降低铌酸锂基声表面波器件的工作温度。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、有效控制声表面波器件各个区域温度平衡、降低铌酸锂基声表面波器件断裂的用于铌酸锂基声表面波器件的水冷平台。

本发明的技术方案如下：

一种用于铌酸锂基声表面波器件的水冷平台，所述水冷平台包括由上至下依次设置的上盖板、热电偶支撑层、隔板、散热层和下基板，所述上盖板、热电偶支撑层、隔板、散热层及下基板的边缘均形成有2个向外凸出的连接板，所述水冷平台包括设置在中心的聚焦区和设置在所述聚焦区***的***区；

所述热电偶支撑层上设有与聚焦区对应设置的聚焦区热电偶和与***区对应设置的***区热电偶，以用于通过聚焦区热电偶11和***区热电偶分别测量聚焦区7及***区8的温度，所述热电偶支撑层的连接板下表面与隔板的连接板上表面之间形成聚焦导线口和***导线口，所述聚焦区热电偶通过导线与聚焦导线口电连接，所述***区热电偶通过另一导线与***导线口电连接以用于所述聚焦区热电偶及***区热电偶通过两个导线口与外部的控制电路电连接；

所述散热层的连接板上表面与隔板的连接板下表面之间分别形成有***区冷液口和聚焦区冷液口，所述***区冷液口与聚焦区冷液口与外部的供水装置连接，所述散热层上设有位于聚焦区的聚焦循环通道和位于***区的***循环通道，所述***区冷液口与所述***循环通道连通以用于向***输入和/或输出冷液，所述聚焦循环通道与所述聚焦区冷液口连通以用于向聚焦区输入和/或输出冷液。

在上述技术方案中，所述聚焦循环通道与***循环通道之间不连通，以用于分别对所述聚焦区及***区进行散热。

在上述技术方案中，所述聚焦循环通道包括第一聚焦循环通道和第二聚焦循环通道，所述第一聚焦循环通道为圆形，所述第二聚焦循环通道为矩形，所述第二聚焦循环通道的一端与第一聚焦循环通道连通，另一端与散热层上的聚焦区冷液口连通。

在上述技术方案中，所述聚焦区冷液口包括聚焦区进液口和聚焦区出液口，所述第二聚焦循环通道的中间设有分隔条以用于形成聚焦进液通路与聚焦出液通路，聚焦进液通路与聚焦区进液口连通，聚焦出液通路与聚焦区出液口连通，冷液从聚焦区进液口输入后再先后依次经过聚焦进液通路、第一聚焦循环通道、聚焦出液通路和聚焦区出液口而实现冷液循环。

在上述技术方案中，所述***循环通道为设置在所述散热层上除最内侧的聚焦循环通路以外的其余通路，所述***循环通道呈相对称的2个半环的***进液通路及***出液通路，***进液通路与***出液通路之间通过分隔条独立分离设置，***进液通路与***出液通路均为蛇形盘绕，所述***进液通路、***出液通路和聚焦循环通道构成一个圆形，所述***进液通路与***出液通路沿圆形的径向对称设置，所述第一聚焦循环通道位于***进液通路所在半圆形的圆心位置，第二聚焦循环通道位于***出液通路与***进液通路之间并与聚焦冷液口连通，***进液通路和***出液通路最靠近第一聚焦循环通道的相连通。

在上述技术方案中，所述***区冷液口包括***区进液口和***区出液口，所述***进液通路与***区进液口连通，***出液通路与***区出液口连通，冷液从***区进液口输入再先后经过***进液通路、***出液通路及***区出液口而实现冷液循环。

在上述技术方案中，所述水冷平台的厚度为4mm，所述上盖板与下基板的厚度相同，所述厚度为0.8-1mm，所述隔板、散热层的厚度小于上盖板及下基板的厚度，所述隔板及散热层的厚度为0.3-0.5mm。

本发明的另一个目的是提供一种基于所述的水冷平台的水冷散热装置，包括所述的水冷平台，水管和水泵；

所述水冷平台的聚焦区冷液口及***区冷液口分别通过水管与水泵连接以用于向所述水冷平台的散热层输送或输出冷液而进行散热。

在上述技术方案中，所述水冷散热装置还包括控制电路，所述控制电路通过导线经所述聚焦导线口及***导线口与聚焦区热电偶及***区热电偶电连接。

本发明的另一个目的是提供一种基于所述的水冷散热装置的使用方法，包括以下步骤：

(1)聚焦区热电偶、***区热电偶监测水冷平台上的聚焦区与***区的温度；

(2)当聚焦区与***区的温差大于预设阈值时，控制电路向水泵发出指令，降低***区的介质循环流速，以使***区温度升高，缩小聚焦区与***区的温差；直至该温差在预设阈值范围内；

(3)当聚焦区与***区的温差小于预设阈值时，控制电路向水泵发出指令，增加***区的介质循环流速，以使***区温度降低，增大聚焦区与***区的温差，直至该温差在预设阈值范围内。

本发明具有的优点和积极效果是：

1.分别对聚焦区与***区进行循环冷却，并且其聚焦区循环通路与***区循环通路相对独立，不会相互影响，有效避免由于铌酸锂去遇见温差大而导致芯片断裂。

2.***区循环通路能够全部覆盖***区域，使得冷液循环直接大面积声表面波器件产生的热量，有效提高散热效率。

3.本发明的水冷平台的厚度仅为4mm，既能保证液冷的循环速度，也利于声表面波的微流体芯片在显微镜下观察。

4.本发明的水冷散热装置能够通过控制电路控制输送冷液的速度，并通过热电偶的温度反馈有效准确地控制***区及聚焦区的温度差在30℃以内，避免两个区域的温差而导致的铌酸锂的断裂。

附图说明

图1是本发明中水冷平台的***图；

图2是本发明中水冷平台的组装结构示示意图；

图3是本发明中热电偶支撑层的结构示意图；

图4是本发明中散热层的结构示意图；

图5是本发明的水冷散热装置的电路示意图；

图6是实施例2中控制电路的电路示意图；

图7是实施例2中放大器的电路原理图。

图中：

1、上盖板 2、热电偶支撑层 3、隔板

4、散热层 5、下基板 6、***区冷液口

601、***区进液口 602、***区出液口 7、聚焦区

8、***区 9、聚焦区冷液口 901、聚焦区进液口

902、聚焦区出液口 10.水冷平台 11、聚焦区热电偶

12、***区热电偶

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明，决不限制本发明的保护范围。

实施例1

如图所示，本发明的用于铌酸锂基声表面波器件的水冷平台10，所述水冷平台10包括由上至下依次设置的上盖板1、热电偶支撑层2、隔板3、散热层4和下基板5，所述上盖板1、热电偶支撑层2、隔板3、散热层4及下基板5的边缘均形成有2个向外凸出的连接板，所述水冷平台10包括设置在中心的聚焦区7和设置在所述聚焦区7***的***区8；

所述热电偶支撑层2上设有与聚焦区7对应设置的聚焦区热电偶11和与***区8对应设置的***区热电偶12，以用于通过聚焦区热电偶11和***区热电偶分别测量聚焦区7及***区8的温度，所述热电偶支撑层2的连接板下表面与隔板3的连接板上表面之间形成聚焦导线口和***区导线口，所述聚焦区热电偶11通过导线与聚焦导线口电连接，所述***区热电偶12通过另一导线与***导线口电连接，以用于所述聚焦区热电偶11及***区热电偶12通过两个导线口与外部的控制电路电连接；

所述散热层4的连接板上表面与隔板3的连接板下表面之间分别形成有***区冷液口6和聚焦区冷液口9，所述***区冷液口6与聚焦区冷液口9与外部的供水装置连接，所述散热层4上设有位于聚焦区7的聚焦循环通道和位于***区8的***循环通道，所述***区冷液口6与所述***循环通道连通以用于向***区输入和/或输出冷液，所述聚焦循环通道与所述聚焦区冷液口9连通以用于向聚焦区7输入和/或输出冷液。

进一步地说，所述聚焦循环通道与***循环通道之间不连通，以用于分别对所述聚焦区7及***区8进行散热。

进一步地说，所述聚焦循环通道包括第一聚焦循环通道和第二聚焦循环通道，所述第一聚焦循环通道为圆形，所述第二聚焦循环通道为矩形，所述第二聚焦循环通道的一端与第一聚焦循环通道连通，另一端与聚焦区冷液口9连通；所述聚焦区冷液口9包括聚焦区进液口901和聚焦区出液口902，所述第二聚焦循环通道的中间设有分隔条以用于形成聚焦进液通路与聚焦出液通路，聚焦进液通路与聚焦区进液口901连通，聚焦出液通路与聚焦区出液口902连通，冷液从聚焦区进液口901输入后再先后依次经过聚焦进液通路、第一聚焦循环通道、聚焦出液通路和聚焦区出液口902而实现冷液循环。

进一步地说，所述***循环通道为设置在所述散热层上除最内侧的聚焦循环通道外的其余通道，所述***循环通道呈相对称的2个半环的***进液通路及***出液通路，***进液通路与***出液通路之间通过分隔条独立分离设置，***进液通路与***出液通路均为蛇形盘绕，所述***区冷液口6包括***区进液口601和***区出液口602，所述***进液通路与***区进液口601连通，***出液通路与***区出液口602连通，冷液从***区进液口输入再先后经过***进液通路、***出液通路及***区出液口602而实现冷液循环。

进一步地说，所述***进液通路、***出液通路和聚焦循环通道构成一个圆形，所述***进液通路与***出液通路沿圆形的径向对称设置，所述第一聚焦循环通道位于***进液通路所在半圆形的圆心位置，第二聚焦循环通道位于***出液通路与***进液通路之间并与聚焦冷液口连通，***进液通路和***出液通路最靠近第一聚焦循环通道的相连通。

进一步地说，所述水冷平台10的厚度为4mm，所述上盖板1与下基板5的厚度相同，所述厚度为1mm，所述隔板3、散热层4的厚度小于上盖板1及下基板5的厚度，所述隔板3及散热层4的厚度为0.5mm，所述热电偶支撑层2的厚度为1mm。

在此应当说明，2个半环形设置的***循环通道为最佳设置方式，余下的设置方式在本实施例中不详细赘述。

实施例2

在实施例1的基础上，本发明基于所述实施例1的水冷平台10的水冷散热装置，包括所述的水冷平台10，用于供水的2组水管和水泵；

所述水冷平台10的聚焦区冷液口9通过一组水管与水泵连接以用于向所述水冷平台10的聚焦循环通路输送冷液而进行散热，所述水冷平台10的***区冷液口6通过另一组水管与水泵连接以用于向所述水冷平台10的***循环通路输冷液而进行散热。

在上述技术方案中，所述水冷散热装置还包括控制电路，所述控制电路通过导线经所述导线口与聚焦区热电偶11及***区热电偶12电连接。

如图6、图7所示，所述控制电路包括放大器和单片机，所述单片机与外部的2组水泵电连接，所述放大器采用OP07高性能运算放大器，当R1/R2＝R3/R4时，该放大器即构成差分放大器，聚焦区热电偶11放置在聚焦区7，***区热电偶12放置在***区8，通过聚焦区热电偶11和***区热电偶12实时采集聚焦区7及***区8的温度信号，以电势形式比较并放大输出，输出信号会被模数转换，传送到单片机进行处理，生成控制指令，在水泵得到控制指令后降低流速，从而控制聚焦区7与***区8之间的温差，有效保护铌酸锂基声表面波器件的不易断裂。

采用OP07高性能运算放大器具有低噪声，超稳定性和宽电压范围等优点。

实施例3

本发明的基于实施例2的水冷散热装置在聚焦型声表面波器件的应用，其使用方法包括以下步骤：

(1)聚焦区热电偶11、***区热电偶12监测水冷平台10上的聚焦区7与***区8的温度；

(2)当聚焦区7与***区8的温差大于预设阈值(预设阈值为30℃)时，控制电路向与***区连接的水泵发出指令，降低***区8的介质循环流速，以使***区8温度升高，缩小聚焦区7与***区8的温差；直至该温差在预设阈值范围内；

(3)当聚焦区7与***区8的温差小于30℃时，控制电路向水泵发出指令，增加***区8的介质循环流速，以使***区8温度降低，增大聚焦区7与***区8的温差，直至该温差在预设阈值范围内。

进一步地说，对于铌酸锂材料来说，急速升温与降温和受热不均会使铌酸锂发生断裂。具体的原理详见参考文献[1]。

[1]Darmawan M,Byun D.Focused surface acoustic wave induced jetformation on superhydrophobic surfaces[J].Microfluidics and Nanofluidics,2015,18(5):1107-1114.

分别对聚焦区7与***区8进行循环冷却，并且其聚焦区循环通路与***区循环通路相对独立，不会相互影响，有效避免由于铌酸锂基温差大而导致芯片断裂。

通过控制电路的两个热电偶分别监测***区8与聚焦区7的温度，实时采集两个区域的温度信号，通过比较后放大输出至单片机，并在单片机的控制下向水泵发送命令，从而有效控制聚焦区7与***区8的温度差，有效防止温差过大而造成铌酸锂基声表面波器件的断裂，保护器件的正常运行，延长使用寿命。

实施例4

本发明的基于实施例2所述的水冷散热装置在低功率或标准型插指电极声表面波器件的应用，与其不同之处在于，所述水冷装置中只需要一套水泵水管，所述水冷平台10的聚焦区7与***区8只采用一个热电偶采集温度，并且在水冷平台10的聚焦区7与***区8通过1套水泵水管进行液冷循环，其使用方法包括以下步骤：

(1)热电偶检测水冷平台10的实际温度；

(2)当实际温度大于预设阈值时，控制电路的单片机向水泵发出指令，增加***区8和聚集区的介质循环流速，降低温度；

(3)当实际温度小于预设值时，控制电路向水泵发出指令，降低***区8和聚集区的介质循环流速，升高温度。

使用本实施例中的水冷散热装置，其重量轻，组装更加方便。

为了易于说明，实施例中使用了诸如“上”、“下”、“左”、“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位(旋转90度或位于其他方位)，这里所用的空间相对说明可相应地解释。

而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的等同变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种用于铌酸锂基声表面波器件的水冷平台，其特征在于：所述水冷平台包括由上至下依次设置的上盖板、热电偶支撑层、隔板、散热层和下基板，所述上盖板、热电偶支撑层、隔板、散热层及下基板的边缘均形成有2个向外凸出的连接板，所述水冷平台包括设置在中心的聚焦区和设置在所述聚焦区***的***区；

所述热电偶支撑层上设有与聚焦区对应设置的聚焦区热电偶和与***区对应设置的***区热电偶，以用于通过聚焦区热电偶11和***区热电偶分别测量聚焦区7及***区8的温度，所述热电偶支撑层的连接板下表面与隔板的连接板上表面之间形成聚焦导线口和***导线口，所述聚焦区热电偶通过导线与聚焦导线口电连接，所述***区热电偶通过另一导线与***导线口电连接以用于所述聚焦区热电偶及***区热电偶通过两个导线口与外部的控制电路电连接；

所述散热层的连接板上表面与隔板的连接板下表面之间分别形成有***区冷液口和聚焦区冷液口，所述***区冷液口与聚焦区冷液口与外部的供水装置连接，所述散热层上设有位于聚焦区的聚焦循环通道和位于***区的***循环通道，所述***区冷液口与所述***循环通道连通以用于向***输入和/或输出冷液，所述聚焦循环通道与所述聚焦区冷液口连通以用于向聚焦区输入和/或输出冷液。

2.根据权利要求1所述的水冷平台，其特征在于：所述聚焦循环通道与***循环通道之间不连通，以用于分别对所述聚焦区及***区进行散热。

3.根据权利要求2所述的水冷平台，其特征在于：所述聚焦循环通道包括第一聚焦循环通道和第二聚焦循环通道，所述第一聚焦循环通道为圆形，所述第二聚焦循环通道为矩形，所述第二聚焦循环通道的一端与第一聚焦循环通道连通，另一端与散热层上的聚焦区冷液口连通。

4.根据权利要求3所述的水冷平台，其特征在于：所述聚焦区冷液口包括聚焦区进液口和聚焦区出液口，所述第二聚焦循环通道的中间设有分隔条以用于形成聚焦进液通路与聚焦出液通路，聚焦进液通路与聚焦区进液口连通，聚焦出液通路与聚焦区出液口连通，冷液从聚焦区进液口输入后再先后依次经过聚焦进液通路、第一聚焦循环通道、聚焦出液通路和聚焦区出液口而实现冷液循环。

5.根据权利要求4所述的水冷平台，其特征在于：所述***循环通道为设置在所述散热层上除最内侧的聚焦循环通路以外的其余通路，所述***循环通道呈相对称的2个半环的***进液通路及***出液通路，***进液通路与***出液通路之间通过分隔条独立分离设置，***进液通路与***出液通路均为蛇形盘绕，所述***进液通路、***出液通路和聚焦循环通道构成一个圆形，所述***进液通路与***出液通路沿圆形的径向对称设置，所述第一聚焦循环通道位于***进液通路所在半圆形的圆心位置，第二聚焦循环通道位于***出液通路与***进液通路之间并与聚焦冷液口连通，***进液通路和***出液通路最靠近第一聚焦循环通道的相连通。

6.根据权利要求5所述的水冷平台，其特征在于：所述***区冷液口包括***区进液口和***区出液口，所述***进液通路与***区进液口连通，***出液通路与***区出液口连通，冷液从***区进液口输入再先后经过***进液通路、***出液通路及***区出液口而实现冷液循环。

7.根据权利要求6所述的水冷平台，其特征在于：所述水冷平台的厚度为4mm，所述上盖板与下基板的厚度相同，所述厚度为0.8-1mm，所述隔板、散热层的厚度小于上盖板及下基板的厚度，所述隔板及散热层的厚度为0.3-0.5mm。

8.一种基于权利要求7所述的水冷平台的水冷散热装置，其特征在于：包括权利要求7所述的水冷平台，水管和水泵；

所述水冷平台的聚焦区冷液口及***区冷液口分别通过水管与水泵连接以用于向所述水冷平台的散热层输送和/或输出冷液而进行散热。

9.根据权利要求8所述的水冷散热装置，其特征在于：所述水冷散热装置还包括控制电路，所述控制电路通过导线经所述聚焦导线口和***导线口与聚焦区热电偶及***区热电偶电连接。

10.一种基于权利要求9所述的水冷散热装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)聚焦区热电偶、***区热电偶监测水冷平台上的聚焦区与***区的温度；

(2)当聚焦区与***区的温差大于预设阈值时，控制电路向水泵发出指令，降低***区的介质循环流速，以使***区温度升高，缩小聚焦区与***区的温差；直至该温差在预设阈值范围内；

(3)当聚焦区与***区的温差小于预设阈值时，控制电路向水泵发出指令，增加***区的介质循环流速，以使***区温度降低，增大聚焦区与***区的温差，直至该温差在预设阈值范围内。

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