一种基于微纳加工工艺的热膨胀双晶片热开关及其制造方法

本发明涉及一种基于微纳加工工艺的热膨胀双晶片热开关及其制造方法，属于热开关。

背景技术：

1、随着环保意识的增强和能源问题的日益突出，以电动汽车为核心的新能源汽车逐渐成为汽车产业备受瞩目的焦点。锂电池作为电动汽车的核心组成部分，在炎热和寒冷气候下表现出的性能不佳，成为制约电动汽车进一步发展的重要因素。在高温环境下，电池易发生热失控，可能引发严重的安全事故；而在低温环境下，电池的容量、功率和效率均会受到显著影响。这些问题的存在，不仅影响了电动汽车的性能表现，也对其可靠性和安全性提出了严峻挑战，因此迫切需要寻求解决方案以克服这一障碍。一般而言，锂电池的最佳工作温度范围为15~50℃，超过这一范围将会极大程度影响电池的寿命和安全性。

2、因此，电池设备的热管理所需要的往往不是一个固定的散热通路，而是控制温度在一个合理的温度范围内，即在温度较高时及时散出热量，温度较低时能够保持温度较少热量散失。

3、热开关在这种场景下应运而生，所谓热开关是指在温度、电场、磁场等环境刺激下，自身导热系数发生较大变化的材料或器件。目前，应用较为广泛的是界面接触式热开关，其原理为：在静电场、磁场、温度场、压力等效应下，促使材料发生形变，产生部件的相对位移，从而改变热开关活动/固定部件的接触状态，调控热传导、对流、辐射三种传热模式的占比来实现传热通路的导通和关闭，即两个导热表面在接近直至接触过程中，传热模式从对流和辐射转变为热传导为主，使传热热阻大幅降低。

4、现有热开关中，热膨胀驱动的金属柱热开关存在体积、质量较大，结构复杂，响应慢等缺点，石蜡、低熔点金属合金热开关封装困难，对密封性要求很高，并且受重力影响较大，静电驱动表面接触型热开关需要高电压（~300v），耗能较大，气体缝隙流体型热开关需要高真空，气泵系统复杂，加工难度较大，调节表面发射率的辐射型热开关表面容易污染影响性能，并且造价和成本较高。

技术实现思路

1、目的：为了克服现有热开关存在的不足，本发明提供一种基于微纳加工工艺的热膨胀双晶片热开关及其制造方法，基于界面接触式热开关的驱动机制，结合mems（微机电系统）的双晶片结构，热膨胀双晶片既作为驱动单元也作为传热单元，以实现热开关的开闭功能。

2、技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

3、第一方面，一种基于微纳加工工艺的热膨胀双晶片热开关，包括：上层导热盖板，下层导热盖板，双晶片悬臂，支撑层，所述下层导热盖板的顶面与支撑层的底面相连接，所述下层导热盖板的顶面还排列设置有多个双晶片悬臂，所述支撑层的顶面与上层导热盖板的底面相连接。

4、进一步地，所述支撑层用于连接上层导热盖板与下层导热盖板，并使上层导热盖板与下层导热盖板之间产生间隔。

5、进一步的，所述双晶片悬臂呈矩阵排列分布在下层导热盖板的顶面。

6、进一步的，所述双晶片悬臂的一端与下层导热盖板的顶面相连接，当温度变化超过阈值时，双晶片悬臂产生变形位移，双晶片悬臂的另一端与上层导热盖板的底面相接触，当温度变化未超过阈值时，双晶片悬臂不产生变形位移，双晶片悬臂的另一端与上层导热盖板的底面不接触。

7、进一步的，所述上层导热盖板与下层导热盖板采用单晶硅片制成。

8、进一步的，所述双晶片悬臂包括：氧化硅层、铝层，所述铝层顶部设置有氧化硅层，所述铝层底部一端与下层导热盖板的顶面相连接。

9、进一步的，所述支撑层采用光刻胶材料制成。

10、第二方面，一种基于微纳加工工艺的热膨胀双晶片热开关的制造方法，包括如下步骤：

11、在上层导热盖板上加工支撑层。

12、在下层导热盖板上加工双晶片悬臂。

13、将上层导热盖板与下层导热盖板通过支撑层相连接。

14、其中，所述在上层导热盖板上加工支撑层，具体加工工艺步骤如下：

15、步骤1.1：使用rca清洗工艺清洗第一单晶硅片后烘干，将第一单晶硅片作为上层导热盖板。

16、步骤1.2：使用匀胶机在第一单晶硅片上旋涂正性光刻胶，前烘后利用支撑层掩模版进行曝光，后烘后显影，去离子水漂洗、烘干，完成两层导热盖板之间用于隔距的支撑层的加工。

17、其中，所述在下层导热盖板上加工双晶片悬臂，具体加工工艺步骤如下：

18、步骤2.1：使用rca清洗工艺清洗第二单晶硅片后烘干，将第二单晶硅片作为下层导热盖板。

19、步骤2.2：使用匀胶机在第二单晶硅片上旋涂负性光刻胶，前烘后利用双晶片悬臂掩模版进行曝光，后烘后显影，去离子水漂洗、烘干。

20、步骤2.3：完成步骤2.2后，在第二单晶硅片上使用直流磁控溅射镀覆al结构层。

21、步骤2.4：完成步骤2.3后，在丙酮中超声去除第二单晶硅片上光刻胶，将光刻胶上覆盖的al结构层剥离。

22、步骤2.5：采用rie刻蚀气体，使用反应离子刻蚀设备，各向同性刻蚀si基底，释放al悬臂结构。

23、步骤2.6：采用pecvd技术，第一工艺温度下在al结构层上沉积氧化硅，形成sio2/al双晶片，完成下层导热盖板上双晶片悬臂结构的加工。

24、其中，将上层导热盖板与下层导热盖板通过支撑层相连接，具体加工工艺步骤如下：

25、步骤3.1：将完成步骤1.2后的第一单晶硅片附着支撑层一侧与完成步骤2.6的第二单晶硅片加工有双晶片悬臂结构一侧对齐粘接，置于第二温度热板上加热烘烤t分钟，使得支撑层硬化，完成热膨胀双晶片热开关的制造。

26、进一步的，所述rie刻蚀气体采用sf6。

27、进一步的，所述第一工艺温度设置为30℃。

28、进一步的，所述第二温度设置为120℃。

29、进一步的，所述t分钟设置为10min。

30、有益效果：本发明提供的一种基于微纳加工工艺的热膨胀双晶片热开关及其制造方法，利用热膨胀双晶片随温度变化产生翘曲变形的特性，使得导热表面的热膨胀双晶片在温度升高时产生位移向另一导热表面靠近直至贴上，传热模式从对流和辐射转变为热传导，实现传热热阻的自适应调控，从而将电池等设备温度控制在合适的范围内。

31、本发明所述基于微纳加工工艺的热膨胀双晶片热开关，通过使用双晶片随温度的弯曲变形来实现两个界面的接触与否，最终实现热开关的断开与闭合，从而实现散热和保温两种形式的切换，热开关结构简单，易于加工，且使用过程中完全处于被动状态，无需提供额外能量，也无需干预，低碳环保。

技术特征：

1.一种基于微纳加工工艺的热膨胀双晶片热开关，其特征在于：包括：上层导热盖板（1），下层导热盖板（2），双晶片悬臂（3），支撑层（4），所述下层导热盖板（2）的顶面与支撑层（4）的底面相连接，所述下层导热盖板（2）的顶面还排列设置有多个双晶片悬臂（3），所述支撑层（4）的顶面与上层导热盖板（1）的底面相连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于微纳加工工艺的热膨胀双晶片热开关，其特征在于：所述支撑层（4）用于连接上层导热盖板（1）与下层导热盖板（2），并使上层导热盖板（1）与下层导热盖板（2）之间产生间隔。

3.根据权利要求1所述的一种基于微纳加工工艺的热膨胀双晶片热开关，其特征在于：所述双晶片悬臂（3）呈矩阵排列分布在下层导热盖板（2）的顶面。

4.根据权利要求1所述的一种基于微纳加工工艺的热膨胀双晶片热开关，其特征在于：所述双晶片悬臂（3）的一端与下层导热盖板（2）的顶面相连接，当温度变化超过阈值时，双晶片悬臂产生变形位移，双晶片悬臂（3）的另一端与上层导热盖板（1）的底面相接触，当温度变化未超过阈值时，双晶片悬臂不产生变形位移，双晶片悬臂（3）的另一端与上层导热盖板（1）的底面不接触。

5.根据权利要求1所述的一种基于微纳加工工艺的热膨胀双晶片热开关，其特征在于：所述上层导热盖板（1）与下层导热盖板（2）采用单晶硅片制成。

6.根据权利要求1所述的一种基于微纳加工工艺的热膨胀双晶片热开关，其特征在于：所述双晶片悬臂（3）包括：氧化硅层（5）、铝层（6），所述铝层（6）顶部设置有氧化硅层（5），所述铝层（6）底部一端与下层导热盖板（2）的顶面相连接。

7.根据权利要求1所述的一种基于微纳加工工艺的热膨胀双晶片热开关，其特征在于：所述支撑层（4）采用光刻胶材料制成。

8.根据权利要求1至7任一项所述的热膨胀双晶片热开关的制造方法，其特征在于：包括如下步骤：

9.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于：所述rie刻蚀气体采用sf6。

10.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于：所述第一工艺温度设置为30℃，所述第二温度设置为120℃，所述t分钟设置为10min。

技术总结本发明公开了一种基于微纳加工工艺的热膨胀双晶片热开关及其制造方法，利用热膨胀双晶片随温度变化产生翘曲变形的特性，使得导热表面的热膨胀双晶片在温度升高时产生位移向另一导热表面靠近直至贴上，传热模式从对流和辐射转变为热传导，实现传热热阻的自适应调控，从而将电池等设备温度控制在合适的范围内。本发明通过使用双晶片随温度的弯曲变形来实现两个界面的接触与否，最终实现热开关的断开与闭合，从而实现散热和保温两种形式的切换，热开关结构简单，易于加工，且使用过程中完全处于被动状态，无需提供额外能量，也无需干预，低碳环保。技术研发人员：郝梦龙,袁梦洲,魏阳兵,孙一苇受保护的技术使用者：东南大学技术研发日：技术公布日：2024/6/23