基于三维流道的液氮温区高效芯片级JT制冷机理研究

Cryocooling technologies at liquid nitrogen temperature are the important guarantee for cryogenic electronic devices and cryogenic nanotechnologies. However, the problem that the mature cryocooling technologies are relatively large and inefficient has become the obvious bottleneck for microminiaturizing the systems of cryogenic electronic chips, microfluidic chips, nanofabrication, etc. .A novel three-dimensional (3D) channel structure is proposed in this project to realize a compact and efficient chip-level JT cryocooler working at liquid nitrogen temperature. Based on the theories of thermodynamics, heat transfer, hydromechanics and solid mechanics, the finite element simulation method will be applied to design and optimize the structure of a chip-level JT cryocooler with 3D channel, finding the effective way for further microminiaturization. The function mechanism and parameter optimization of an ejector applied in the chip-level JT cryocooler will be researched for achieving lower cooling temperature with lower pressure ratio. The chip-level JT cryocoolers with 3D channel will be fabricated with an advanced nanofabrication technology, 3D femtosecond laser direct writing. An experimental system will be developed to measure the performance of the cryocoolers to verify the simulation results and the feasibility of the new method..The achievements will provide a solid foundation for the developments of the highly integrated micro cryogenic systems and the chip-level cryocoolers at liquid hydrogen, liquid helium or even lower temperatures. It will be of great significance in promoting the intercross of disciplines.

液氮温区制冷技术是低温电子器件和低温纳米科技的重要保障。但成熟低温制冷技术体积相对庞大且效率低下的问题已成为低温电子芯片、微流控分析芯片和微纳加工等系统微型化的突出瓶颈。.本项目提出新型三维流道结构以实现紧凑和高效的液氮温区芯片级JT制冷机。基于热力学、传热学、流体力学和固体力学相关理论，采用有限元模拟方法，着重研究三维流道芯片级JT制冷机结构的设计和优化，寻求芯片级JT制冷机进一步微型化的有效途径。探索喷射器在芯片级JT制冷机内的作用机理及参数优化方法，以达到同时降低制冷温度和所需压比的效果。利用先进的微纳加工方法——飞秒激光三维直写技术制备三维流道芯片级JT制冷机。建立制冷机实验测试系统，进一步验证模拟结果和新型方案的可行性。.研究成果将为高度集成化的微型低温系统以及液氢、液氦甚至更低温度芯片级制冷技术的发展奠定坚实基础，具有学科交叉的重要意义。

以半导体材料为基础的微电子技术正面临尺寸极限和功耗的双重挑战与发展瓶颈，低温电子学已成为突破上述瓶颈的新兴应用研究学科之一。众多半导体芯片在低温下能够展现出远超常温工作环境下的性能，在国防军事、空间科学和生物医疗等重要领域具有广泛应用，例如红外探测器、低噪声放大器、超导量子干涉仪、量子计算等。芯片级JT制冷机结构简单，无冷端运动部件，振动及噪声干扰小，是目前唯一实现芯片级尺寸的低温（<100K）制冷技术。围绕芯片级JT制冷机，本项目开展了一系列的工作：结合光刻、激光刻蚀和熔融键合等微纳加工技术实现了基于BF33硼硅玻璃的芯片级JT制冷机的批量化制备，最低温度可达88 K。针对芯片级JT制冷机所需的压缩技术，研究了线性压缩机、无油浮动涡旋压缩机驱动预冷型液氦温区JT制冷机系统可行性，并获得了稳定的低温制冷性能。而面向芯片级JT制冷机，该类压缩机的压比和效率仍有待提升。针对芯片级JT制冷机所需多目标优化方法，以Collins循环氦液化系统为例进行了多目标优化，获得了以效率和总成本为优化目标的Pareto前沿，为实际工程的设计提供了更大的选择空间。这对芯片级JT制冷机在最低制冷温度和最大制冷量等目标的取舍提供了解决思路。为开发芯片级JT制冷机在深低温下使用的新流程，提出了直接节流流程方案，搭建了液氢温区直接节流JT制冷机实验样机，具有结构简单紧凑和降温过程无需旁通等优点，实现了室温至液氢温区的降温，为深低温芯片级JT制冷机的实现提供了新思路。基于实验室现有平台，开展面向三维微纳光电子器件的冰刻加工系统研制工作，为芯片级JT制冷机提供了应用场景，已成功将芯片级JT制冷机集成于冰刻设备之中冷却样品。项目研究从理论、实验和应用三方面开展了芯片级JT制冷机的系统化研究，为芯片级JT制冷机的集成化应用奠定了良好的基础，并已获得国家自然科学基金的进一步支持。