基于MEMS工艺微尺度流动换热高精度集成测试方法

技术领域

本发明涉及一种测试方法，尤其是，涉及一种基于MEMS工艺的微尺度流动换热高精度集成测试方法。

背景技术

科技进步带来了各种器件集成化、微小化、紧凑化发展，微机电系统成为了一个新兴的技术领域并表现出极大的优越性，在能源动力、生物医疗、信息通讯等各方面获得了广泛的应用。其中微通道是微机电系统的关键组成部分，为满足高效传热、传质和各种化学反应的要求，众多学者进行了对微通道的各种效应如水力直径、宽高比、粗糙度、表面结构和表面改性等进行了大量的研究，但是不同研究结果之间存在较大差异，许多学者的结论甚至存在矛盾之处。

这一现象很大程度上是由于微尺度流动换热领域测试方法不够完善，传统测试方法对于微流动的实验测试存在较大误差。因此，一套以MEMS工艺为基础的微尺度流动换热的集成测试技术的开发和建立显得尤为重要，标准完备的测试技术才能够带来标准化实验数据，得到统一的符合科学规律的研究结论，产生先进实用的科研成果。

常见的微尺度流动压降测试方法为从进出口管路中引出测压管路，流体进出口可能存在的转弯和通道的突扩突缩所带来的的附加压差根据传统的经验关系式来修正。例如Ling等人(Ling W,Zhou W,Yu W,et al.Experimental investigation on thermal andhydraulic performance of microchannels with interlaced configuration[J].Energy Conversion and Management,2018,174(OCT.):439-452)在《交错结构微通道流动换热性能的实验研究》一文中，所采用的压力测试方法如图1所示，这其中压力点的布置就在进出口的管路上，这就导致差压变送器所测量的压降包括以下几个部分：(1)微通道内的摩擦损失。(2)进/出口歧管通道突然收缩和膨胀造成的压力损失。(3)进/出口歧管通道弯曲造成的局部压力损失。其中第二和第三部分的压力损失都是由于安装管路不可避免造成的，但都不属于文章的研究范围，作者采用传统的经验关系式加以修正。

Spizzichino M等人(Spizzichino M,Sinibaldi G,Romano G P.ExperimentalInvestigation on Fluid Mechanics of Micro-Channel Heat Transfer Devices[J].Experimental Thermal and Fluid Science(EXP THERM FLUID SCI),2020,118:110141.)将传感器放置在液体输送管道上的每个单元的相同位置，以便测量不同结构的微通道的压力负荷，作为注射泵的阻力，具体布置方式如图2所示。最后利用经验关系式得到所需的微通道流动阻力。

常见的微尺度换热测试方法主要包括两个部分，加热部分和测温部分。对于加热部分来说，可分为恒热流和恒壁温两种，恒热流加热方案仍见于Spizzichino M的上述测温方案，采用热板Stuart US-150维持测温方案的恒定热流，实验处于开放环境中，其测温点布置在铝板深度0.5mm处，共三个测点，由K型热电偶采集，如图3所示。恒壁温加热方案见于Hsieh S S(Hsieh S S,Lin C Y.Convective heat transfer in liquid microchannelswith hydrophobic and hydrophilic surfaces[J].International Journal of Heatand Mass Transfer,2009,52(1-2):260-270.)的恒壁温加热方案，加热器是10mm×20mm铝制带式微加热器位于通道上表面，通道下表面用冰块作为恒壁温冷却，单个通道沿程布置10个测点进行加热，如图4所示。

常规的微流动的可视化测量以Micro-PIV测试为主，仅考虑微流体流动情况时，可以直接用Micro-PIV进行辅助观测，如果涉及到微流体换热方面，则一般采用实验热损失修正的方法进行标定。

在现有的微尺度流动换热测试方案中，这四种测试方法均被大量采用，分别用来测量实验所需要获得的不同参数，通过这些试验测试方法，众多学者得到了许多研究结论来分析微尺度流动换热的各项机理。然而同时采用上述四种测试方法的集成测试方案并不多见，被广泛认可的高精度测试方案更是有待于进一步开发和探索。

现有技术存在如下缺陷

在当前的微尺度流动换热测试方案中，主要存在两大问题。首先是测试精度不足，实验数据依赖传统的经验关系式修正，这就必定会导致测试存在一定偏差。其次是集成化测量难以实现，在某一实验测试中，最多实现两到三种的测试手段，上节中所提到的四种方案同时存在的集成化测量尚未实现，使得实验获取到的信息量不足。

现有的微流动压降实验中，传统的压力测量方案其测压点一般位于管路接头处，利用三通接头或者其他连接手段实现测压点的引出。这种方案中，测压点往往距离微通道入口存在一定距离，甚至由于进出口密封连接的设计，与微通道之间存在不可避免的转折、突扩、突缩等结构。这种间接测压的方式导致差压变送器所测量的压降除了所关注的微通道内摩擦损失之外，还存在有转折、突扩、突缩和管路连接等局部压力损失，这些局部压力损失和研究对象无关，需要根据传统的经验关系式进行修正。针对微尺度流动的修正关系式尚未明确，而经验修正关系式本身存在一定误差，因此当前微流动中压力的测量存在间接测量、修正模糊的缺陷。

现有的微流动换热实验中，实验边界和温度监测的设计尤为重要，根据最新的文献研究来说，当前微流动换热实验的测试方法仍然沦于传统测试方法的窠臼。首先是实验边界设计，主要分为两部分，第一部分是实验边界的选取。为了便于数据处理和规律探究，实验通常采用的恒热流、恒壁温边界，恒热流边界以市面上的加热膜为主，恒壁温边界通常以冰块或者其他恒温物体作为恒壁温壁面。对于市面上购买的加热膜，如常用的PI电热膜，是由高温环保阻燃型材料与金属铂制作的发热芯复合而成，其温度有一定的不均匀性。加热膜的发热电阻丝一般是蛇形缠绕布置，同时由于绝缘材料和导电材料的导热系数不同、金属的电阻温度系数的存在，加热膜本身必然有一定的温度不均匀性。若采用恒温物体作为恒壁温边界，由于环境换热、物理化学性质变化等因素也难以保证物体的温度实现绝对的均一。第二部分是实验边界的布置，实验中的恒热流和恒壁温边界往往不是直接位于通道下表面，和测试通道有一定距离，这段距离引起的温度再分布、纵向热流以及和周围环境换热等因素，其共同作用会导致恒热流边界的存在热流分布不均匀、恒壁温边界存在温度分布不均匀的问题。其次是温度监测的设计，现有的测温以市场中销售的热电偶为主，直接布置在实验件的底面。这种温度监测的测试方案存在的主要误差是热电偶所测得的温度并不是通道的壁温，热电偶布置的位置往往和通道的底面有一定的距离，这就导致测得的温度和真实壁温之间存在一定差距，这也是实验数据和数值模拟的结果很难统一的重要原因之一。

现有的微流动可视化实验中，Micro-PIV是可视化测量的重要组成部分，能够在微尺度下测量流体瞬时速度场，并以图像方式予以直观显示的新技术。Micro-PIV是借助匀布于流场中示踪粒子的位移来提取微通道内流体速度场信息的。与传统的激光多普勒测速仪和热线风速仪相比，Micro-PIV技术在对被测流场不产生扰动的情况下可实现速度场的全局与局部细节的同时测量与显示。但是Micro-PIV的可视化测量涉及到光路的搭建和专门实验台的设计，这就导致Micro-PIV技术往往是单独进行实验测试，很难与其他测试技术同时进行，这对于保证实验工况的实时性、统一性以及原位测量造成了一定的困难。

发明内容

本发明是为了提出一种相比于现有的测试方法集成化程度更高、测试精度更高的微尺度流动换热测试技术，实现微尺度流动换热测试的集成化、原位化、同步化、实时化、标准化测量要求。依托于激光切割技术，实现测压点的原位引出，消除传统测试方案中的附加局部压力损失。依托于当前微机电系统的MEMS加工技术，将加热膜、测温热电阻从传统的毫米级布置精度达到上升到微米级，布置方式更加合理，实现通道的精准加热、原位测量，并给出MEMS加工的工艺设计方案。自主设计真空保温实验台，优化传统的Micro-PIV实验布局，并给出集成测试实验台的整体布局，使得可视化测量和压力测量、温度测量一同进行，实现各项测试技术的实时同步测量，将各类不可估计误差降到最低，其技术方案如下：

基于MEMS工艺的微尺度流动换热高精度集成测试方法，其特征为：包括如下部分：

第一部分：基于MEMS工艺的实验件加工；

第二部分：测试系统的集成。

本发明还公开一种将基于MEMS工艺的微尺度流动换热高精度集成测试方法应用于微尺度单通道流动换热测试过程中。

有益效果：

本发明将微通道内加热、测温、测压以及Micro-PIV可视化测量系统进行有机结合，得到了高精度集成测试技术，其中真空系统使得在引入Micro-PIV可视化测量系统的同时，减小周围环境的热损失。

本发明通过玻璃的激光打孔技术和硅晶圆的等离子体刻蚀技术，完成了测压点的原位引出测量，避免了转折、突扩、突缩和管路连接等局部压力损失。

本发明通过薄膜热电阻和加热膜的集成化布置和精准布置，实现了和理想恒壁温加热方式的高度吻合。其中利用金属的电阻温度系数特性，通过电阻的变化来测量当前薄膜热电阻处的温度大小，将薄膜热电阻置于加热膜上方，使其更加贴近通道壁面，获得的温度数据更加准确。

本发明通过多层晶圆键合技术，将带测压孔的玻璃片、带微通道及测温热电阻的上硅片、带加热膜的下硅片进行阳极键合、辅助键合两种键合方式的多晶圆依次键合，其中阳极键合的高键合强度保证了微通道的密封性，辅助键合的低表面不平度要求保证了带金属薄膜硅表面的对准键合，两种键合方式的集成保证了实验件测压、测温、加热的一体化标准化测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1Ling等人的交错结构微通道测压方案；

图2Spizzichino M等人的蛇形微通道测压方案；

图3Spizzichino M等人的蛇形微通道测温方案；

图4Lin C Y.等人的阵列微通道测温方案；

图5为本发明在阐述微尺度流动换热高精度集成测试技术设计方案所需要的示意图；

图6为本发明在阐述基于MEMS的高精度集成加热测温实验件侧面工艺图；

图7为本发明在阐述基于MEMS的高精度集成加热测温实验件概念图；

图8为本发明实施例提供的实例中实验件玻璃片加工工艺流程图；

图9为本发明实施例提供的实例中玻璃片步骤一加工部分俯视图；

图10为本发明实施例提供的实例中实验件上硅片加工工艺流程图；

图11为本发明实施例提供的实例中实验件上硅片步骤一加工部分底视图；

图12为本发明实施例提供的实例中实验件上硅片步骤二加工部分底视图；

图13为本发明实施例提供的实例中实验件上硅片步骤三加工部分底视图；

图14为本发明实施例提供的实例中实验件上硅片步骤五加工部分底视图；

图15为本发明实施例提供的实例中实验件下硅片加工工艺流程图；

图16为本发明实施例提供的实例中实验件下硅片步骤一加工部分正面、背面步骤一俯视图；

图17为本发明实施例提供的实例中实验件下硅片步骤二加工部分俯视图；

图18为本发明实施例提供的实例中实验件下硅片步骤三加工部分俯视图；

图19为本发明实施例提供的实例中实验件下硅片步骤五加工部分底视图；

图20为本发明实施例提供的实例中实验件下硅片步骤六加工部分俯视图；

图21为本发明实施例提供的实例中上层硅和玻璃进行阳极键合；

图22为本发明实施例提供的实例中上层硅-玻璃和下层硅进行辅助键合；

图23为本发明实施例提供的实例中选用的Honeywell STD820差压变送器示意图；

图24为本发明实施例提供的实例中的自研接头工程视图，其中a为正视图，b为底视图，c为顶视图，d为等轴测图；

图25为本发明实施例提供的实例中的测压系统部分安装示意图；

图26为本发明实施例提供的实例中选用的微流体科式流量计BFS3；

图27为本发明实施例提供的实例中的测压系统及质量流量系统整体安装示意图；

图28为本发明实施例提供的实例中的实验件加热部分引线示意图；

图29为本发明实施例提供的实例中的实验件测温部分引线示意图；

图30为本发明实施例提供的实例中的实验件加热测温系统整体示意图；

图31为本发明实施例提供的实例中的实验件保温系统整体示意图；

图32为本发明实施例提供的实例中的实验件可视化系统安装示意图；

附图5标记：

1-高精密压力泵；

2-储液池；

3-质量流量计；

4-MicroPIV系统；

5-实验件；

6-精密电源

7-真空系统；

8-差压变送器；

9-数据采集系统；

10-排液池

11-多通道低功率精密电阻测试仪

12-数据处理终端

附图6标记：

1-玻璃盖板；

2-上层硅晶圆；

3-薄膜热电阻；

4-薄膜热电阻-Au引线Pad；

5-下层硅晶圆；

6-薄膜热电阻-引线通孔；

7-测压孔

8-微通道；

9-加热膜；

10-加热膜-Au引线Pad；

11-加热膜-Au引线通孔

附图7标记：

1-加热膜-Au引线Pad；

2-微通道进口；

3-微通道；

4-测压孔；

5-薄膜热电阻-Au引线Pad；

6-微通道出口；

附图9标记：

1-加热膜-Au引线通孔；

2-微通道进口；

3-微通道出口；

4-测压孔；

附图11标记

1：背面引线通孔氧化层图案化去除；

附图12标记

1：Ti粘附层/Pt薄膜热电阻

附图13标记

1：薄膜热电阻Au引线Pad

附图14标记

1-正面通道；

2-引线通孔；

图16标记

1：正面、背面通孔氧化层图案化去除

图17标记

1：Ti粘附层/Pt加热膜

图18标记

1：加热膜Au引线Pad

图19标记

1：下硅片引线通孔

图20标记

1：PECVD未覆盖部分

附图25标记

1-自研接头；

2-硅胶圈；

3-实验件；

4-微通道进口；

5-测压孔(高压)；

6-测压孔(低压)；

7-微通道出口；

附图27标记

1-质量流量计；

2-实验件；

3-外径3mm软管；

4-软硬对接鲁尔接头；

5-Honeywell STD820差压变送器；

6-外径3mm转外径4mm的卡套直通变径接头；

附图28标记

1-PCB电路板；

2-加热膜-Au引线Pad；

3-PCB电路板上焊盘；

4-外接导线；

5-引线键合导线；

附图29标记

1-PCB电路板；

2-薄膜热电阻-Au引线Pad；

3-PCB电路板上焊盘；

4-外接导线；

5-引线键合导线；

附图31标记

1-真空箱；

2-抽气管路；

3-外接导线孔；

4-外接管路孔及其密封件；

5-上箱体；

6-下箱体；

附图32标记

1-载物台；

2-真空箱；

3-实验件；

4-自研接头；

5-底部显微镜物镜；

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

依据专利发明方案，提出一例基于MEMS工艺的微尺度流动换热高精度集成测试技术设计方案，并给出各自对应的加工方案。设计方案方面，本测试技术是由两个部分组成，第一部分是基于MEMS工艺的实验件加工(如图5所示)，第二部分是测试系统的集成(如图6所示)。

本实验件的加工设计是由三层晶圆键合完成，三层晶圆从上到下依次为玻璃片(如图5中1所示)、上硅片(如图5中2所示)和下硅片(如图5中5所示)，键合方式分别为硅-玻璃阳极键合(如图21所示)，硅-硅辅助键合(如图22所示)。玻璃片中主要进行激光打孔(如图9所示)，上硅片中主要为上部的微通道(如图5中8所示)、引线通孔(如图5中11所示)和底部磁控溅射的薄膜热电阻(如图5中3所示)，下硅片中主要为上部磁控溅射的加热膜(如图5中9所示)。查阅资料得铂电阻率为10.7μΩ·cm，金电阻率为2.26μΩ·cm；铂电阻温度系数(TCR)为3.9×10

本发明基于MEMS工艺的微尺度流动换热高精度集成测试方法第一部分是基于MEMS工艺的实验件加工，具体包括如下内容：

1.玻璃片的加工流程(如图8)

将4英寸200μm厚的玻璃片(如图8所示)进行激光切割打孔，加工下硅片的引线通孔(如图8中1所示，如图9中1所示)、微通道进出口(如图9中2、3所示)、测压孔(如图8中2所示，如图9中4所示)，对加工完成的玻璃片用去离子水-丙酮-异丙醇-酒精超声清洗(5min)-去离子水，清洗玻璃片表面的切割残留颗粒、灰尘以及有机物。

2.上硅片的加工流程(如图10)

步骤一：将4英寸340μm厚的双抛氧化本征高阻硅片(如图10所示)，氧化层厚度为2um。用酒精-丙酮-酒精-去离子水，来清洗硅片表面的灰尘和有机物；对清洗后的硅片进行增粘剂涂覆，以增强光刻胶的粘附性；硅片背面旋涂光刻胶2μm，进行前烘和背面曝光，在湿法台上用显影液进行显影，下一步后烘；用BOE溶液全部去除硅片正面氧化层选择性去除背面通孔、对准标记处氧化层(如图10中步骤一和标记3所示，如图11中1所示)；在湿法台上用酒精-丙酮-酒精-去离子水-Piranha溶液-去离子水，清洗硅片表面的光刻胶、灰尘和有机物。

步骤二：对清洗后的硅片进行增粘剂涂覆，以增强光刻胶的粘附性；硅片背面旋涂光刻胶8μm，进行前烘和背面曝光，在湿法台上用显影液进行显影，下一步后烘；图案化磁控溅射Ti粘附层，厚度70nm，以增强Pt薄膜的粘附性，图案化磁控溅射Pt薄膜，厚度600nm(如图10中步骤二和标记4所示，如图12中1所示)，作为上硅片下表面的薄膜热电阻(如图10中步骤二和标记5所示，如图12中1所示)；Lift-off工艺完成金属图形化；丙酮-酒精-去离子水，以清洗硅片表面的光刻胶和其他杂质。

步骤三：对清洗后的硅片进行增粘剂涂覆，增强光刻胶的粘附性；硅片背面旋涂光刻胶8μm，进行前烘和背面曝光，在湿法台上用显影液进行显影，下一步后烘；图案化磁控溅射Au薄膜，厚度600nm，作为薄膜热电阻的引线部分(如图10中步骤三和标记6所示，如图13中1所示)；Lift-off工艺完成金属图形化；丙酮-酒精-去离子水，以清洗硅片表面的光刻胶和其他杂质。

步骤四：低真空或氮气环境高温退火，升温速率300℃/h，温度600℃，保温时间4h，自然冷却，通过金属再结晶，使薄膜的电学性能更加稳定，同时减小薄膜应力。

步骤五：在湿法台上用酒精-丙酮-酒精-去离子水-BOE溶液30s-去离子水，以清洗硅片表面灰尘和自然氧化层；硅片正面旋涂光刻胶8μm，进行前烘和正面曝光，在湿法台上用显影液进行显影，下一步后烘；等离子体刻蚀300μm，完成正面通道的刻蚀(如图10中步骤五和标记7所示，如图14中1所示)，之后刻蚀引线通孔结构(如图10中步骤五和标记8所示，如图14中2所示)；丙酮-酒精-去离子水，以清洗硅片表面的光刻胶和其他杂质。

3.下硅片的加工流程(如图15)

步骤一：将4英寸500μm厚的双抛氧化本征高阻硅片(如图15所示)，氧化层厚度为2um。用酒精-丙酮-酒精-去离子水，来清洗硅片表面的灰尘和有机物；对清洗后的硅片进行增粘剂涂覆，以增强光刻胶的粘附性；硅片背面旋涂光刻胶2μm，进行前烘和背面曝光，在湿法台上用显影液进行显影，下一步后烘；用BOE溶液选择性去除硅片正面、背面通孔以及对准标记处的氧化层(如图15中步骤一和标记3所示，如图16中1所示)；在湿法台上用酒精-丙酮-酒精-去离子水-Piranha溶液-去离子水，清洗硅片表面的光刻胶、灰尘和有机物。

步骤二：对清洗后的硅片进行增粘剂涂覆，以增强光刻胶的粘附性；硅片正面旋涂光刻胶8μm，进行前烘和正面曝光，在湿法台上用显影液进行显影，下一步后烘；图案化磁控溅射Ti粘附层，厚度70nm(如图15中步骤二和标记4所示，如图17中1所示)，以增强Pt薄膜的粘附性，图案化磁控溅射Pt薄膜，厚度600nm(如图15中步骤二和标记5所示，如图17中1所示)，作为下硅片上表面的加热膜部分；Lift-off工艺完成金属图形化；丙酮-酒精-去离子水，以清洗硅片表面的光刻胶和其他杂质。

步骤三：对清洗后的硅片进行增粘剂涂覆，增强光刻胶的粘附性；硅片正面旋涂光刻胶8μm，进行前烘和正面曝光，在湿法台上用显影液进行显影，下一步后烘；图案化磁控溅射Au薄膜，厚度600nm，作为加热膜的引线部分(如图15中步骤三和标记6所示，如图18中1所示)；Lift-off工艺完成金属图形化；丙酮-酒精-去离子水，以清洗硅片表面的光刻胶和其他杂质。

步骤四：低真空或氮气环境高温退火，升温速率300℃/h，温度600℃，保温时间4h，自然冷却，通过金属再结晶，使薄膜的电学性能更加稳定，同时减小薄膜应力。

步骤五：在湿法台上用酒精-丙酮-酒精-去离子水-BOE溶液30s-去离子水，以清洗硅片表面的灰尘和自然氧化层；硅片背面旋涂光刻胶8μm，进行前烘和背面曝光，在湿法台上用显影液进行显影，下一步后烘；等离子体刻蚀通孔，完成引线通孔的刻蚀(如图15中步骤五和标记7所示，如图19中1所示)；丙酮-酒精-去离子水，以清洗硅片表面的光刻胶和其他杂质。

步骤六：对清洗后的硅片进行增粘剂涂覆，增强光刻胶的粘附性；硅片正面旋涂光刻胶8μm，进行前烘和正面曝光，在湿法台上用显影液进行显影，下一步后烘；PECVD图案化沉积氧化层SiO

4.多层晶圆依次键合

步骤一：在完成玻璃片、上硅片、下硅片的结构加工之后，在湿法台上用酒精-丙酮-酒精-去离子水-BOE溶液30s-去离子水，以清洗上硅片表面的灰尘和自然氧化层；用酒精-丙酮-酒精-去离子水，以清洗玻璃片表面的灰尘；采用键合机进行对上硅片和玻璃进行硅-玻璃阳极键合(如图21所示)。

步骤二：在湿法台上用酒精-丙酮-酒精-去离子水，以清洗下硅片表面的灰尘；采用键合机进行对玻璃-上硅片和下硅片进行辅助键合(如图22所示)；加工完成后对晶圆进行切割，得到单个实验件。

本发明测试技术的第二部分是测试系统的集成(如图6所示)，根据测试系统的功能进行划分，具体包括如下内容：

1.测压系统的安装流程

测压系统的主体由差压变送器(本实例中选用Honeywell STD820，如图23所示)、自研接头(如图24所示，加工方式为耐高温光敏树脂3D打印)、上述加工完成的单个实验件(如图22所示，如图25中3所示)和相关管路。

步骤一：将自研接头套上对应购买的硅胶圈(如图25中2所示)，采用环氧树脂系胶结剂分别和微通道进口(如图25中4所示)、测压孔(高压)(如图25中5所示)、测压孔(低压)(如图25中6所示)、微通道出口(如图25中7所示)粘接，连接方式如图25所示。

步骤二：将上述连接完成的实验件(如图25所示)和差压变送器(如图23所示)及质量流量计(如图26所示，如图27中1所示)进行管路连接，其中差压变送器的过程接头选用1/4NPT转外径4mm硬管快插，与实验件之间的管路连接采用自研接头-外径3mm软管(如图27中3所示)-外径3mm软管转外径3mm硬管的软硬对接鲁尔接头(如图27中4所示)-外径3mm硬管转外径4mm硬管的卡套直通变径接头(如图27中6所示)-4mm硬管-差压变送器(如图27中5所示)，自研接头的管路连接部分为标准的宝塔接头，因此可以采用上述外径3mm软管连接。

2.质量流量系统的安装流程

步骤一：质量流量计(本实例中选用微流体科式流量计BFS 3，如图26所示，如图27中1所示)的过程接头选用3mm卡套接头，因此管路连接方式为质量流量计-外径3mm硬管-外径3mm软管转外径3mm硬管的软硬对接鲁尔接头(如图27中4所示)-3mm软管(如图27中3所示)-自研接头，从而完成质量流量系统的管路安装。

3.加热测温系统的安装流程

步骤一：在第一部分实验件的加工过程中，已经在单通道底部布置了精确的加热膜和测温热电阻，并且给出了引线的Pad(如图28中2所示)，因此首先将实验件安装到PCB电路板(如图28中1所示)上并进行正面引线，利用引线键合的方法(如图28中5所示)将PCB电路板上的焊盘(如图28中3所示)和实验件正面的加热膜-Au引线Pad(如图28中2所示)进行连接，之后将外接导线(如图28中4所示)焊接到邻近焊盘上(设计的PCB电路板中对应的焊盘导通，以保证外接导线与对应的加热膜-Au引线Pad导通)，一共三组，正负极如图28所示。

步骤二：正面引线完毕后，对安装好的实验件进行背面引线，利用引线键合的方法(如图29中5所示)将PCB电路板(如图29中1所示)上的焊盘(如图29中3所示)和实验件背面的薄膜热电阻-Au引线Pad(如图29中2所示)进行连接，之后将外接导线(如图29中4所示)焊接到邻近焊盘上(设计的PCB电路板中对应的焊盘导通，以保证外接导线与对应的薄膜热电阻-Au引线Pad导通)，一共八组，正负极如图29所示，安装完毕后整体示意图如图30所示。

4.保温系统的安装流程

步骤一：首先将初步安装完毕的实验件放入真空箱(如图31中1所示)中，其中真空箱上箱体(如图31中5所示)为透明箱体，能够透过Micro-PIV系统的激光，下箱体(如图31中6所示)为不透明箱体，一定程度上减少外部光源对图像的干扰，之后将上箱体和下箱体合拢，注意将外接导线放置于外接导线孔(如图31中3所示)中，将自研接头放置于外接管路孔(如图31中4所示)中，并且安装上管路孔密封件(管路孔由左右两个密封件进行密封)，连接处使用真空箱引线所需的航空接头，真空密封处可以使用超高真空密封胶(本实例中选用安捷伦真空AB真空密封胶)，实验前通过抽气管路(如图31中2所示)对真空箱进行抽气维持低真空，安装完成后如图31所示。

5.可视化系统的安装流程

步骤一：实验件及其各系统的附属配件基本安装完成后，如图31所示，将实验件安装在Micro-PIV系统的底部显微镜的载物台(如图32中1所示)上，考虑到不同实验件之间尺寸的多样性和附属配件如管路接头等的干涉，可能需要对载物台进行尺寸的重新设计，这里不再赘述。注意安装时透光的部分朝下以便底部的物镜镜头(如图32中5所示)能够观测到通道内的流动状况，完成可视化系统的安装，如图32所示。

6.集成测试系统整体安装流程

步骤一：放置好实验件和各个设备的位置(如压力泵(如图6中1所示)、流量计(如图6中3所示)、差压变送器(如图6中8所示)、Micro-PIV系统(如图6中4所示)、真空系统(如图6中7所示)、精密电源(如图6中6所示)、多通道低功率精密电阻测试仪(如图6中11所示)、数据采集系统(如图6中9所示)和数据处理终端(如图6中12所示)等)，其次连接好流体流经实验件的管路，固定实验件和管路的位置，利用真空系统(如图6中7所示)进行实验件密闭环境的抽真空，完成测试系统的搭建后打开电源进行实验。

步骤二：将上述加工完成的实验件和各个设备(如压力泵(如图6中1所示)、流量计(如图6中3所示)、差压变送器(如图6中8所示)、Micro-PIV系统(如图6中4所示)、真空系统(如图6中7所示)、精密电源(如图6中6所示)、多通道低功率精密电阻测试仪(如图6中11所示)、数据采集系统(如图6中9所示)和数据处理终端(如图6中12所示)等)按照合适位置摆放，连接好流体管路，固定管路的位置，利用真空系统进行实验件密闭环境的抽真空，期间，管路和电路会通过真空箱，这就需要利用航空接头等可以进行真空密封的相应接头进行连接，为了和Micro-PIV可视化系统进行集成，真空箱设计为局部透光(可视化系统为Micro-PIV系统的荧光粒子+激光激发，为减小外部光源对图像的干扰，同时保证观测区域的透光性，故为局部透光)，完成真空箱内外管路、电路的连接之后进行实验(如图6所示)。

综上所述，本发明通过以上实例体现了为实现基于MEMS工艺的微尺度流动换热高精度集成测试方法所需要的实验件加工流程和测试系统安装流程。在实验件加工过程中，采用等离子体干法刻蚀技术实现了微通道的精密加工，采用图案化磁控溅射的方法实现了加热膜的精确布置和测温点尺寸和位置的高精度控制，采用激光切割打孔技术实现了测压点的原位引出，采用辅助键合和硅-玻璃阳极键合实现了实验件的整体封装等等，最终完成了本专利中微尺度流动换热高精度集成测试方法所需的实验件加工。在测试系统的集成中，采用3D打印的自研接头辅助实现了测压点的原位引出，采用引线键合和焊接技术实现了加热和测温的电路连接，采用真空箱的自主设计实现了保温系统和可视化系统的设计，通过设备安装、管路连接等实现了测试系统的集成。因此，本发明中的上述实例通过第一部分实验件的加工和第二部分测试系统的集成实现了基于MEMS工艺的微尺度流动换热高精度集成测试方法。

在微尺度流动换热整体实验台的布局上，本发明的方案采用以显微镜光学测试系统为基础的真空实验台，由于Micro-PIV可视化测量系统的集成使得接触式保温(如保温材料包裹等)不可取，引入真空系统起到保温的作用，测压、测温、图形信号等外部输出和电压、电流等信号的外部输入可以采用真空接头的方式连接对应的线路，根据仪器设备在真空条件下操控的便利性可以选择是否置于真空实验台中

在微流动的测压技术上，本发明的方案采用原位引出式测压技术，将通道上侧玻璃盖板利用激光打孔技术切割小孔作为测压点，孔的大小可以根据通道尺寸和实验条件等确定，加工完成后再和通道部分硅片进行阳极对准键合。测压点通过管路连接到差压变送器中，管路内是不可压缩流体，对于压力脉动的传播是实时响应的。同时测量时流体处于静止状态，测压管路中存在的突扩、突缩、转折等不会造成附加的压力损失，可以实现高精度的原位测量，实验数据和理论模型吻合良好。

在微流动的加热测温技术上，采用MEMS集成的加热测温技术，在通道下表面磁控溅射Pt薄膜热电阻，距离通道底面的距离在微米量级，依据最新键合和磁控溅射工艺，甚至可以直接在通道底面直接实现薄膜热电阻的集成布置，做到高精度的原位测量，利用ICP等离子体刻蚀技术，加工复杂结构的微通道，同时刻蚀通孔来预留加热膜的引线点。同时也利用键合技术和磁控溅射薄膜工艺，在通道下表面布置加热膜，与通道底面的距离在微米量级，利用ICP等离子体刻蚀技术，预留薄膜测温热电阻的引线点，实现理论模型中给定的恒热流边界条件，做到标准化实验边界设计。

在微流动的可视化测量技术上，根据上述的实验台的整体布局和管路连接，将Micro-PIV的光路系统和测温测压技术集成在真空实验台中，最终实现集成化、原位化、同步化、实时化、标准化的微尺度流动换热测试技术。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。