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1、微化工技术在信息领域的应用及最新进展叶德品，李 凯（浙江大学，杭州 310007）摘 要：微化工技 术是 20 世纪 90 年代初兴起的多学科交叉的科技前沿领域，是集微机电系统 设计思想和化学化工基本原理于一体并移植集成电路和微传感器制造技术的一种高新技术。微型化工设备是微化工过程的核心部分，其开发和应用为微化工 过程的实现提供了强大的支持。按其用途，微型化工设备可分为微换热器、微反应器 、微分离器、微混合器等， 本文就微换热器及其在信息领域的应用做一些介绍，并简要展示一下微分离器在分析设备及技术上的应用。关键词：微化工技术 ；微换热器 ；信息领域the application and lat
2、est progress of Micro chemical technology in the field of information Ye Depin,Li Kai(zhejiang Universit,hangzhou 310007y)Abstract：Micro chemical technology is the early nineteen ninties arisen interdisciplinary science and technology fields, is a set of micro electromechanical system design thought
3、 and the chemical principle and transplantation in one integrated circuit and fabrication of micro sensor technology is a high and new technology. Micro chemical equipment is a core part in the process of micro chemical industry, its development and application for micro chemical process implementat
4、ions provide powerful support. According to their uses, miniature chemical equipment can be divided into micro heat exchanger, microreactor, differential separator, micro mixer, the micro heat exchanger and its application in the field of information to do some introduction, and briefly show a separ
5、ator in the analysis of equipment and technology application.Keywords：Micro chemical technology; micro heat exchanger; information field20世纪 50年代末，著名的物理学家 Richard Feynman 曾预言微型化是未来科学技术的发展方向。随着社会的不断进步和人类生活水平的持续提高 ，对产品的种类与数量的需求不断增加，促进了现代过程工业飞速发展同时对环保要求日益提高，建设安全、经济、生态和实现可持续发展的要求更为迫切。21 世纪化学工业发展的一个趋势就是安
6、全、清洁、高效、节能和可持续性，尽可能地将原材料全部转化为符合要求的最终产品，实现生产过程的零排放。 微化工技术是 20世纪 90年代初兴起的多学科交叉的科技前沿领域，它是集微机电系统 设计思想和化学化工基本原理于一体并移植集成电路和微传感器制造技术的一种高新技术，涉及化学、材料、物理、化工、机械、电子、控制学等各种工程技术和学科。微化工过程有着高效、快速、灵活、轻便、易装卸、易控制、易直接放大和高度集成的特点。其系统呈模块结构、并行分布式进行，可实现就地、按需生产和供货，免除储运并且更加安全，同时也使分散资源得到充分合理的利用，这对人类生命、环境安全及资源综合利用具有十分重要的意义。同时，随
7、着微加工技术的兴起和快速发展，从小型化到微型化已不仅仅是尺寸上的改变， 更重要的是使其具有了一系列新特性。微型设备在化工、电子、医学、生物学等领域也越来越受到人们的重视。 微型化工设备是微化工过程的核心部分，其开发和应用为微化工过程的实现提供了强大的支持 。按其用途，微型化工设备可分为微换热器、微反应器 、微分离器、微混合器等， 本文就微换热器及其在信息领域的应用做一些介绍，并简要展示一下微分离器在分析设备及技术上的应用。1 微换热器的研究及应用从宏观器件的微小型化到功能化微小型器件的独立开发，结构的微型化使器件内部的物质和能量输运均受到了微小空间的限制，这使得部分高功率器件面临功率过高所带来
8、高能量及快速热输运问题。另一方面，在微电子领域，随着芯片上器件集成度的快速增长，由微电子器件温度敏感性所带来的芯片热控制问题也不断突显。而具备高效率散热优势的微通道散热器为上述微小空间内的散热问题提供了良好的解决方案。20世纪 80年代初 Tuckerman 和 Pease率先提 出了“微通道散热器”的概念，成功地解决了集成电路大规模和超大规模化所带来的“热障”问题。他们提出的在芯片衬底背面采用微矩形通道并通水冷却的结构，具有很高的散热效率，曾引起微电子和传热领域的广泛关注。1985 年，Swife Migliori和 Wheatley研制出了用于两流体热交换的微通道换热器。随着微制造技术的发
9、展,人们已经能够制造水力学直径 101000m 通道所构成的微尺寸换热器。1986 年 Cross和 Ramshaw研制了印刷电路微尺寸换热器,体积换热系数达到7MW/(m3K)；1994 年 Friedrich和 Kang研制的微尺度换热器体积换热系数达 45MW/(m3K)。美国太平洋西北国家研究所 (Pacific North west National Lab)于 90年代后期研制成功燃烧气化一体化的微型装置以及微型热泵等。 由于其通道尺寸小(一般在微米级)、比表面积大，因此较传统的换热器来讲，其温度梯度和传热系数大。微换热器的传热系数较常规换热器约大 l2 个数量级。 正是由于微换热
10、器具有许多常规尺寸设备所无可比拟的优越性 ，因而它被广泛应用于微电子、 航空航天、医学治疗、生物工程、材料科学、高温超导体冷却等诸多方面。 近几年微换热器的研究和应用发展得非常迅速。Jiang 等人通过系统的实验对比研究 了微通道换热器和微孔换热器在传热系数、压力降及流体流量方面的差异。结果表明，虽然微孔换热器在传热系数方面优于微通道换热器，但是从总体性能上看，后者具有更加全面的热力一水力性能。并且，Jiang 等提出了微热管冷却系统的概念,该微冷却系统实际上是一个微散热系统,由电子动力泵、微冷凝器、微热管组成。如果用微压缩冷凝系统替代微冷凝器,可实现主动冷却,支持高密度热量电子器件的高速运行
11、。2微通道换热器的类型、材料及加工方式微通道换热器按外形尺寸可分为微型微通道换热器和大尺度微通道换热器。21微型微通道换热器微型微通道换热器是为了满足电子工业发展的需要而设计的一类结构紧凑、轻巧、高效的换热器,其结构形式有平板错流式微型换热器、烧结网式多孔微型换热器。微型微通道换热器可选用的材料有:聚甲基丙烯酸甲酯、镍、铜、不锈钢、陶瓷、硅、Si3N4和铝等。采用镍材料的微通道换热器,单位体积的传热性能比相应聚合体材料的换热器高 5倍多,单位质量的传热性能也提高了 50%。采用铜材料,可将金属板材加工成小而光滑的流体通道,且可精确控制翅片尺寸和平板厚度,达到几十微米级,经钎焊形成平板错流式结构
12、,传热系数可达 45MW/(m3K),是传统紧凑式换热器的 20倍。 采用硅、Si3N4 等材料可制造结构更为复杂的多层结构,通过各向异性的蚀刻过程可完成加工新型换热器,使用夹层和堆砌技术可制造出各种结构和尺寸,如通道为角锥结构的换热器。随着微加工技术的提高,目前可以加工出流道深度范围为几微米至几百微米的高效微型换热器。此类微加工技术包括:平板印刷术、化学刻蚀技术、光刻电铸注塑技术(LIGA)、钻石切削技术、线切割及离子束加工技术等。烧结网式多孔微型换热器采用粉末冶金方式制作。22大尺度微通道换热器大尺度微通道换热器主要应用于传统的工业制冷、余热利用、汽车空调、家用空调、热泵热水器等。其结构形
13、式有平行流管式散热器和三维错流式散热器。由于外型尺寸较大(达 1.2m4m25.4mm),微通道水力学直径在 0.61mm以下,故称为大尺度微通道换热器。大尺度下微通道的加工与微尺度下微通道的加工方式显著不同,前者需要更高效的加工制造技术。目前,形成微通道规模化的生产技术主要是受挤压技术,受压力加工技术所限,可选用的材料也极为有限,主要为铝及铝合金。图 1 微通道换热器的结构及外形图3微通道换热器的传热特征3.1热传导效率式中:h 为热传导效率;Nu 为努赛尔数;k 为热导率;d 为通道的水力学直径。由上式可知,微通道由于其微小的水力学直径可获得较大的换热效率。3.2工质流动方式常规换热器的工
14、质流动方式为湍流微通道换热器的工质流动方式为层流 3.3压力降式中:p 为压力降;f 为摩擦因子;L 为流动长度;G 为流量; 为密度。微通道换热器采用分布流动可以提供较短的流动长度 L,因此,尽管 d有所减小,微通道换热器工质流动的压力损失仍可达到中等水平。微通道换热器与常规换热器热力特征间的比较如下表所示。表 1 微通道换热器与常规换热器热力特征比较4 微通道换热器在微电子等领域的应用前景微电子领域遵循摩尔定律飞速发展,伴随晶体管集成度的不断提高,高速电子器件的热密度已达 510MW/m2,散热已经成为其发展的主要“瓶颈”,微通道换热器取代传统换热装置已成必然趋势。因此在嵌入式技术及高性能
15、运算依赖程度较高的航空航天、现代医疗、化学生物工程等诸多领域,微通道换热器将有具广阔的应用前景。5 微分离器与传统的大型化工过程的分离机械大为不同, 微分离是伴随生命科学的迅猛发展而发展起来的一项新的技术。随着对医药、环境和生物相互作用的研究日益被重视, 人们需要一种分辨率强、检测灵敏度高和分析速度快的分析设备和方法, 以对这些相互作用的规律进行深入探索。以毛细管电泳、色谱学为主要内容的现代微分离分析技术极大地推动了这一研究领域的发展。5.1 毛细管电泳毛细管电泳( capillary electr ophor esis) 也称高效毛细管电泳 , 是从传统电泳发展而来的,它以高压(可达 30k
16、V ) 下产生的强电场为驱动力, 以小内径的石英毛细管( 常用 20100um,有效长度 5075cm) 为分离通道, 依据各组分之间的电泳淌度或分配系数的差异实现分离。该方法具有分离效率高、快速、样品用量少、灵敏度高和应用范围广等特点。Chen 等建立利用毛细管电泳和激光诱导荧光分析单细胞的装置, 分离了细胞内血红蛋白和碳酸酐酶, 每一次分析过程( 包括进样、细胞溶解、分离和检测) 仅需 4min。这种单细胞的分离技术的出现,使得单细胞中表达蛋白的测量成为当今毛细管电泳研究的热点。毛细管电泳有可能成为探索功能细胞纳米世界的重要工具。5.2 毛细管电色谱毛细管电色谱( capillary elect rochromatography ) 作为一种新兴的具有高效、高选择性的微分离技术, 它是在毛细管中填充或在毛细管壁涂布、键合色谱固定相, 用电渗流或电渗流结合压力流来推动流动相的一种液相色谱法, 是高效液相色谱和高效毛细管电泳的有机结合。赵良娟等人以 1.5um 无孔硅胶颗粒为
