基于MEMS工藝的微型制冷器

童 欣，陳曉屏，李家鵬，夏 明，槐 陽(yáng)，陳俊元

基于MEMS工藝的微型制冷器

童 欣，陳曉屏，李家鵬，夏 明，槐 陽(yáng)，陳俊元

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

微機(jī)電系統(tǒng)MEMS（micro-electro-mechanical system）是一種集合了微電子與機(jī)械工程技術(shù)的新型高科技裝置，其制造工藝可以進(jìn)行最小至納米尺度的加工以及高度集成化的微型制造。其產(chǎn)品微小體積、高度集成化以及高性能高產(chǎn)熱的特性也決定了其需要匹配相應(yīng)的制冷解決方案，本文重點(diǎn)闡述了基于MEMS制造工藝并同時(shí)應(yīng)用于MEMS產(chǎn)品的微型制冷器的工作原理、性能及發(fā)展趨勢(shì)。分別分析了微型半導(dǎo)體制冷器以及微型節(jié)流制冷器各自的優(yōu)勢(shì)和不足，對(duì)微型制冷器的未來(lái)發(fā)展提出了建議。

微機(jī)電系統(tǒng)；微加工；微型制冷器

0 引言

微機(jī)電系統(tǒng)（micro-electro-mechanical system，MEMS）以其微小的體積，高度集成化的特性近年來(lái)在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、精密計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1-2]。而隨著MEMS集成化程度的增加和性能的提升，其單位空間內(nèi)的能量密度也顯著增加，因此如何有效地在微小空間尺度內(nèi)實(shí)現(xiàn)制冷成為了限制MEMS進(jìn)一步發(fā)展的主要問(wèn)題之一。而基于MEMS工藝的微型制冷器以其微小的體積，可靠的制冷性能成為了一種有效的解決方案。目前基于MEMS的微型制冷器主要有微型半導(dǎo)體制冷器和微型節(jié)流制冷器，其制造加工工藝主要涉及機(jī)電加工工藝、表面加工工藝、材料生長(zhǎng)工藝、薄膜工藝、刻蝕工藝、密封工藝等[3]。本文重點(diǎn)闡述了以上兩種微型制冷器的原理、制造加工工藝以及性能和應(yīng)用場(chǎng)合，并對(duì)基于MEMS工藝的微型制冷器的未來(lái)發(fā)展提出了一些建議。

1 基于MEMS工藝的微型半導(dǎo)體制冷器

半導(dǎo)體制冷器的原理是利用帕爾貼效應(yīng)，直接將電能轉(zhuǎn)化為溫度梯度從而實(shí)現(xiàn)制冷，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、反應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)[4]。與常規(guī)半導(dǎo)體制冷器不同，基于MEMS工藝的半導(dǎo)體制冷器采用微加工工藝使得制冷器尺寸大大下降從而顯著減少了制冷器的導(dǎo)熱熱阻。進(jìn)一步地，陳云飛[5]研究了尺寸效應(yīng)達(dá)到納米級(jí)時(shí)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)一步降低的機(jī)理，并且在1.2mm厚的超晶格薄膜上加工出了50mm×50mm的單級(jí)半導(dǎo)體制冷器如圖1所示。該制冷器通過(guò)MEMS工藝在若干層材料上進(jìn)行刻蝕和薄膜生長(zhǎng)、減薄等工藝制成，實(shí)現(xiàn)了制冷器的微型化和平面化，并且能夠在303K的環(huán)境溫度下提供2K的溫差。

圖1 微型半導(dǎo)體制冷器顯微照片

傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制冷器多采用Bi-Te材料，無(wú)法適用于MEMS工藝并與器件集成，隨著近年來(lái)與器件工藝更加兼容的Si/Ge/SiGeC等超晶格材料蓬勃發(fā)展，使得半導(dǎo)體制冷器能夠與MEMS工藝相結(jié)合從而更加微型化和集成化[6]，以及具有更高的熱電效率品質(zhì)無(wú)量綱指數(shù)ZT[7]。J. Christofferson等人[8-9]制造出了冷端面積為50mm2以及30mm2的微型Si/Ge超晶格半導(dǎo)體制冷器，兩制冷器分別在200℃以及室溫環(huán)境下得到了10.8K、3.5K的溫降，并且通過(guò)熱反射成像技術(shù)精確測(cè)量得到了該微型半導(dǎo)體制冷器的瞬態(tài)性能。類(lèi)似地，Z. Gehong等人[10]也采用了該成像測(cè)量技術(shù)并且使用了金屬薄膜熱電阻以及微型熱電偶對(duì)微型半導(dǎo)體制冷器的制冷溫度以及冷量密度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明微型半導(dǎo)體制冷器的制冷量和冷量密度與制冷器尺寸有關(guān)，測(cè)量得到的最大冷量密度為598W/cm2，該制冷器尺寸為40mm2，在室溫環(huán)境溫度下可提供4.1K的溫降。除了半導(dǎo)體材料的ZT性能外，接觸和導(dǎo)熱熱阻是影響微型半導(dǎo)體制冷器性能的重要因素，為了盡可能降低接觸和導(dǎo)熱熱阻D. J. Yao等人[11]提出了一種懸空結(jié)構(gòu)的微型半導(dǎo)體制冷器，如圖2所示，該結(jié)構(gòu)的制冷區(qū)域由P、N級(jí)支撐腳懸空固定，能夠顯著降低制冷器的接觸和導(dǎo)熱熱阻，然而支撐腳大大增加了制冷器厚度，不便于制冷器與被冷卻器件的集成化。

圖2 懸空結(jié)構(gòu)微型半導(dǎo)體制冷器示意圖

類(lèi)似地，L. M. Goncalves等人[12]在柔性材料基片上通過(guò)共蒸發(fā)技術(shù)分別鍍上了一層Bi2Te3和Sb2Te3的熱電薄膜，并在之上加工出了平面型微型半導(dǎo)體制冷器，如圖3所示，該制冷器在靜止空氣中以及真空腔中的冷熱端溫差可達(dá)到4K。并且由于制冷器加工于柔性表面，可在更多非平整器件表面應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)制冷。

圖3 加工于柔性基片的微型半導(dǎo)體制冷器

微型半導(dǎo)體制冷器的另一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)在于能夠十分方便地實(shí)現(xiàn)多級(jí)制冷，通過(guò)MEMS工藝可在不顯著增加制冷器體積和復(fù)雜程度的基礎(chǔ)上制造出多級(jí)微型半導(dǎo)體制冷器。Y. Ronggui等人[13]為一套10mW中紅外激光系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造了兩級(jí)微型半導(dǎo)體制冷器如圖4所示。激光系統(tǒng)輸出10mW功率時(shí)將產(chǎn)生90mW的熱量，因此該二級(jí)微型半導(dǎo)體制冷器應(yīng)至少具有90mW的制冷量。并且Y. Ronggui等人指出低導(dǎo)熱、厚度薄的制冷器基片以及相對(duì)較厚的熱電薄膜有利于改善制冷器性能。

圖4 適配中紅外激光系統(tǒng)的二級(jí)微型半導(dǎo)體制冷器

由此可見(jiàn)，基于MEMS工藝的微型半導(dǎo)體制冷器具有尺寸微小可達(dá)30mm2，與器件工藝相互兼容、易集成化，熱電效應(yīng)反應(yīng)迅速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方便多級(jí)化制造以及無(wú)運(yùn)動(dòng)部件無(wú)制冷工質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，在冷卻微型器件方面擁有廣泛應(yīng)用前景。然而微型半導(dǎo)體制冷器也有一定的局限性，其性能受半導(dǎo)體材料性能、制冷器尺寸以及工作溫度的影響較大，或?qū)е伦罴研阅芘c所需尺寸以及所需工況難以匹配，并且微型半導(dǎo)體制冷器能提供的降溫梯度較小，不適用于需要深度降溫的微型器件。

2 基于MEMS工藝的微型節(jié)流制冷器

與常規(guī)節(jié)流制冷器不同，基于MEMS工藝的微型節(jié)流制冷器多采用非金屬材料，使用微加工工藝在微小體積的材料表面或內(nèi)部加工出換熱和節(jié)流部件，并利用制冷工質(zhì)的節(jié)流效應(yīng)進(jìn)行制冷，具有制冷量大、制冷溫度較低、性能穩(wěn)定可靠性高且易于批量化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。其中較為典型的結(jié)構(gòu)為采用光刻刻蝕等微加工工藝在材料表面刻蝕出微米級(jí)的槽道，并進(jìn)行密封形成流體通道構(gòu)成的微型節(jié)流制冷器[14]。該制冷器設(shè)計(jì)最早由W. A. Little提出[15]，在一塊硅基片上刻蝕出高壓和低壓槽道，再使用另一片光平面硅基片進(jìn)行密封制成微型節(jié)流制冷器，其槽道結(jié)構(gòu)如圖5所示，然而該結(jié)構(gòu)存在硅基導(dǎo)熱系數(shù)較高，制冷器軸向漏熱嚴(yán)重等問(wèn)題。

圖5 微型節(jié)流制冷器槽道示意圖

隨著近年來(lái)刻蝕工藝的不斷發(fā)展，目前大多數(shù)微型節(jié)流制冷器的材料已經(jīng)由易硅基更換為石英玻璃，因?yàn)槭⒉ＡЬ哂休^低的導(dǎo)熱系數(shù)，能夠有效改善軸向漏熱對(duì)制冷器性能的影響，并且石英強(qiáng)度更高，能適用于更高的工作壓力以提供更大的制冷量。目前微型節(jié)流制冷器的刻蝕方法主要以濕法刻蝕為主，能夠在石英材料表面刻蝕出深度較淺光滑度較高的槽道[16]從而降低槽道內(nèi)氣體壓力損失，提升制冷器性能。微型節(jié)流制冷器的結(jié)構(gòu)形式靈活，能夠根據(jù)工況、空間需求以及制冷量以及制冷溫度需要匹配相適應(yīng)的制冷器。微型節(jié)流制冷器除了傳統(tǒng)的槽道形式換熱器外P. P. P. M. Lerou等人[17]提出了點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的換熱器如圖6所示，同時(shí)對(duì)一款30mm×2.2mm×0.5mm的微型節(jié)流制冷器進(jìn)行了測(cè)試，該制冷器從室溫降溫至100K約需1000s，該溫度下制冷量為20mW。該制冷器結(jié)構(gòu)能夠起到加強(qiáng)制冷器密封強(qiáng)度的作用，并且能夠通過(guò)調(diào)整換熱器面積大小以及節(jié)流部分的長(zhǎng)度來(lái)改變制冷器的流量、工作溫度以及制冷量。

圖6 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)微型節(jié)流制冷器

微型節(jié)流制冷器也能夠在不顯著增加體積的情況下實(shí)現(xiàn)二級(jí)節(jié)流制冷，從而達(dá)到更低的制冷溫度。H. S. Cao等人[18]提出了一種第一級(jí)采用氮?dú)獾诙?jí)采用氫氣的兩級(jí)微型節(jié)流制冷器如圖7(a)所示，該制冷器體積為85.8mm×20.4mm×0.72mm，第一級(jí)制冷量為50mW@97K，第二級(jí)制冷量為20mW@28K，從室溫降溫至28K需要約1.7h。除了使用兩種不同工質(zhì)進(jìn)行兩級(jí)節(jié)流來(lái)達(dá)到更低的制冷溫度外，對(duì)同一種工質(zhì)進(jìn)行二級(jí)節(jié)流也可以起到在一定程度上降低制冷溫度，提升制冷器性能的作用。H. S. Cao等人[19]在兩級(jí)微型節(jié)流制冷器的基礎(chǔ)上提出了平行兩級(jí)微型節(jié)流制冷器，結(jié)構(gòu)如圖7(b)所示。該制冷器使用氮?dú)庾鳛楣べ|(zhì)，對(duì)其進(jìn)行了兩級(jí)節(jié)流，該制冷器的體積為60mm×9.5mm×0.72mm，從室溫降溫至83K需要約9min，并在85K制冷溫度下?lián)碛?8mW的制冷量。由此可見(jiàn)，單級(jí)和多級(jí)制冷器整體結(jié)構(gòu)基本一致，只有在槽道加工時(shí)采用的掩模不同，其他加工和密封工藝均相同，因此微型節(jié)流制冷器能夠十分方便地實(shí)現(xiàn)多級(jí)制冷。

圖7 多級(jí)微型節(jié)流制冷器

與多級(jí)節(jié)流的原理類(lèi)似，H. S. Cao等人[20]進(jìn)一步提出了采用半導(dǎo)體制冷器來(lái)進(jìn)行預(yù)冷的微型節(jié)流/半導(dǎo)體混合制冷器的設(shè)計(jì)，其示意圖如圖8所示。該設(shè)計(jì)通過(guò)半導(dǎo)體制冷器對(duì)高壓側(cè)流體進(jìn)行預(yù)冷，進(jìn)一步降低工質(zhì)節(jié)流前的溫度，以此來(lái)提高制冷器的制冷量。研究表明增加半導(dǎo)體制冷器后該微型節(jié)流制冷器在8.8MPa的運(yùn)行壓力下，達(dá)到101K時(shí)的制冷量從21mW增加到了60mW。并且通過(guò)半導(dǎo)體制冷器將高壓側(cè)氣體從295K預(yù)冷至250K，在相同制冷溫度101K以及相同制冷量20mW工況下，工作壓力可從8.8MPa下降至5.5MPa。該設(shè)計(jì)可有效降低制冷器工作壓力，提升制冷器安全性和可靠性并且能顯著提升制冷器性能。然而半導(dǎo)體制冷器需要適配一套電路系統(tǒng)才能工作，而半導(dǎo)體制冷器的位置在高壓側(cè)進(jìn)氣區(qū)域附近距離冷端較遠(yuǎn)，無(wú)法跟冷端被冷元件進(jìn)行耦合，因此這種節(jié)流/半導(dǎo)體混合制冷器設(shè)計(jì)會(huì)在較大程度上增加制冷系統(tǒng)的復(fù)雜性。

圖8 微型節(jié)流/半導(dǎo)體混合制冷器示意圖

微型節(jié)流制冷器的制冷量通常在毫瓦級(jí)別，因此制冷器的熱負(fù)載和漏熱、導(dǎo)熱損失將對(duì)制冷器性能造成較大影響。W. A. Little[21]提出了一種加大換熱器部分，減小冷端部分的圓形快速制冷微型節(jié)流制冷器設(shè)計(jì)，如圖9所示，該設(shè)計(jì)直徑18mm，厚度為0.5mm，采用24MPa的氬氣為工質(zhì)，可在2s內(nèi)從室溫冷卻至90K。該制冷器設(shè)計(jì)能做到快速冷卻，其冷端面積較小適合冷卻體積較小的元件，然而該設(shè)計(jì)主要通過(guò)減小冷端熱負(fù)載來(lái)加快冷卻速率，其制冷量應(yīng)小于相同運(yùn)行工況下的其他微型節(jié)流制冷器。

圖9 快速啟動(dòng)微型節(jié)流制冷器

除了整體制冷器的加工制造外，MEMS的微加工工藝也可以實(shí)現(xiàn)微通道換熱器的加工，微米級(jí)的微通道可以極大地強(qiáng)化流體換熱提高換熱器效率。ZHU Weibin等人[22-25]將高效微通道換熱器與節(jié)流制冷原理相結(jié)合，設(shè)計(jì)出了一種大制冷量微型節(jié)流制冷器。該制冷器主要由微通道換熱器搭配節(jié)流元件和壓縮機(jī)等部件組成。該換熱器通過(guò)刻蝕工藝分別將硅基和石英玻璃刻蝕出換熱通道，并層層堆疊，利用硅基的高導(dǎo)熱性進(jìn)行高低溫流體間的換熱并利用石英玻璃的低導(dǎo)熱性來(lái)減少軸向漏熱，其結(jié)構(gòu)如圖10所示。該制冷器的換熱器主體部分體積為35mm×10mm×10mm，在使用乙烷作為工質(zhì)時(shí)，在0.84MPa工作壓力下能夠得到218.7K的制冷溫度，在有外部熱負(fù)載時(shí)可在239K溫度下提供1W的制冷量。該制冷器相對(duì)于其他微型節(jié)流制冷器而言，體積較大并且其制冷量也更大。由于適配了壓縮機(jī)該制冷器，可根據(jù)需求選用不同工質(zhì)和不同工作壓力，制冷量可以在100mW～1W范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)。然而該制冷器部件較多，整套系統(tǒng)較為龐大，不利于小型化和集成化，或許在未來(lái)的研究中將節(jié)流部件整合進(jìn)換熱器內(nèi)部能夠使得整套系統(tǒng)更為緊湊，進(jìn)一步提升其適用性。

綜上所述，基于MEMS的微型節(jié)流制冷器具有制冷溫度低（單級(jí)制冷溫度可達(dá)到90K，兩級(jí)制冷溫度可達(dá)到28K）、制冷量相對(duì)較高（最高可到1W）、采用光刻刻蝕工藝加工易實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)、制冷器結(jié)構(gòu)靈活、能使用不同工質(zhì)來(lái)滿足制冷溫度和制冷量的需求等優(yōu)點(diǎn)。微型節(jié)流制冷器已經(jīng)在半導(dǎo)體性能測(cè)試、CCD陣列冷卻、激光二極管冷卻等方面得到了廣泛的應(yīng)用[21]。然而由于節(jié)流制冷需不斷消耗高壓工質(zhì)，因此微型節(jié)流制冷器通常為開(kāi)放式系統(tǒng)，并且為其匹配壓縮機(jī)的難度相對(duì)較高。另外微型節(jié)流制冷器的節(jié)流區(qū)域堵塞問(wèn)題也是制約其進(jìn)一步發(fā)展的一個(gè)主要問(wèn)題[26]。

3 小結(jié)

本文主要總結(jié)了基于MEMS工藝的微型半導(dǎo)體制冷器以及微型節(jié)流制冷器的工作原理、結(jié)構(gòu)、性能以及主要應(yīng)用場(chǎng)合。分析了兩種微型制冷器的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)，并針對(duì)其特點(diǎn)提出了一些可能提升制冷器性能以及拓展制冷器應(yīng)用的建議，具體如下：

1）通過(guò)強(qiáng)化熱端導(dǎo)熱提升微型半導(dǎo)體制冷器性能

微型半導(dǎo)體制冷器在微型化后可顯著降低導(dǎo)熱損失從而提高制冷器冷量密度，在制冷器冷端面積為40mm2時(shí)其冷量密度可達(dá)到598 W/cm2，而在制冷器熱端若熱量不及時(shí)導(dǎo)出，則會(huì)使制冷溫差迅速升高從而使得制冷器工作效率降低。在傳統(tǒng)半導(dǎo)體制冷器中常使用翅片、循環(huán)流體、相變材料等方式對(duì)制冷器熱端進(jìn)行散熱[27-29]，然而針對(duì)尺寸為微米級(jí)的微型半導(dǎo)體制冷器上述方法應(yīng)用空間有限。在微小空間內(nèi)或可采用石墨烯來(lái)強(qiáng)化熱端導(dǎo)熱，石墨烯的導(dǎo)熱系數(shù)為5300W/m×K，高于碳納米管和金剛石，將石墨烯與微型半導(dǎo)體制冷器的熱端耦合能夠有效導(dǎo)出熱量，或者可進(jìn)一步與其他主動(dòng)制冷方式連接來(lái)提升微型半導(dǎo)體制冷器性能。

2）通過(guò)半導(dǎo)體-節(jié)流制冷器耦合以及閉循環(huán)方式改善微型節(jié)流制冷器堵塞

由于微型節(jié)流制冷器多數(shù)為開(kāi)放式工作，氣體工質(zhì)源源不斷進(jìn)入制冷器，其中的水分容易在節(jié)流區(qū)域處堆積凝結(jié)造成堵塞，因此若使用對(duì)工質(zhì)充分脫水的閉循環(huán)則能有效改善水分堆積堵塞的問(wèn)題。文獻(xiàn)[20]提出了將半導(dǎo)體制冷器與微型節(jié)流制冷器結(jié)合的方法，能夠在達(dá)到相同制冷量時(shí)將工質(zhì)進(jìn)氣壓力由8.8MPa降低至5.5MPa，這是一種降低壓縮機(jī)壓比的有效方式?；蛟S在一些制冷溫度不需要太低的場(chǎng)合使用半導(dǎo)體-節(jié)流制冷器耦合的方法能夠?qū)嚎s機(jī)壓比控制在壓縮機(jī)能達(dá)到的范圍，從而實(shí)現(xiàn)在閉循環(huán)工作，解決微型節(jié)流制冷器的堵塞問(wèn)題。

3）微型節(jié)流制冷器在紅外器件冷卻領(lǐng)域的應(yīng)用

目前的微型節(jié)流制冷器主要將被冷卻元件貼合在制冷器冷端，元件的電信號(hào)由導(dǎo)線或電路板連接，并且整套制冷器需要放置在真空杜瓦中才能保證穩(wěn)定工作[30]。然而該設(shè)計(jì)無(wú)法有效應(yīng)用于紅外器件冷卻領(lǐng)域，因?yàn)榧t外器件需要有光學(xué)接口并且器件的電信號(hào)通路較多，常規(guī)的真空杜瓦和導(dǎo)線、電路板均無(wú)法滿足此要求。基于MEMS工藝的微型節(jié)流制冷器比常規(guī)節(jié)流制冷器的體積更小，能夠滿足更加微小器件的制冷需求。因此通過(guò)改進(jìn)微型節(jié)流制冷器以及適配杜瓦的方式或許能夠提高其在紅外器件冷卻領(lǐng)域的適用性，具體為：將紅外器件和部分讀出電路與微型節(jié)流制冷器進(jìn)行耦合一并放入杜瓦中；將杜瓦與光學(xué)部件整合并在杜瓦內(nèi)部設(shè)計(jì)電路接口來(lái)實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)基于MEMS工藝的微型節(jié)流制冷器在紅外器件冷卻領(lǐng)域的應(yīng)用。

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Micro-coolers Based on MEMS Technology

TONG Xin，CHEN Xiaoping，LI Jiapeng，XIA Ming，HUAI Yang，CHEN Junyuan

(,650223,)

Micro-electro-mechanical systems (MEMS) are a new type of high-tech devices that combine microelectronics and mechanical engineering technology. Their manufacturing process can be highly integrated and conducted at the minimum nanometer scale. MEMS products also require corresponding refrigeration solutions because of their small volume, high integration, high performance, and high heat production. This study focuses on micro-semiconductors and Joule–Thomson (JT) coolers fabricated via MEMS technology that can also be applied to MEMS products. The working principles, performance, and development trends of the micro-coolers are discussed, and the advantages and disadvantages of micro-semiconductors and JT coolers are analyzed, respectively. Additionally, certain suggestions regarding the future development of micro-coolers are provided

MEMS，micro manufacturing，micro coolers

TP39

A

1001-8891(2021)02-0104-06

2020-02-25；

2021-01-08.

童欣（1992-），男，博士研究生，主要從事微型節(jié)流制冷器的研究。E-mail：291740057@qq.com。