生化分析仪温度控制系统设计(共61页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上摘要在生化分析仪中，温度控制系统的精度直接影响检测结果的准确度。本文针对小型生化分析仪对温度控制的要求设计了分离式的固体直热恒温系统。该系统设计的难点主要是反应液温度的均匀性和控制精度。本设计选择了反应盘与反应杯分离的机械结构，使反应杯在反应槽中旋转，得到很好的温度均匀性。同时在单片机中利用PID组合算法进行编程，使反应液温度控制在37，其准确度为 ±0.3，波动范围±0.1摄氏度，满足了小型生化分析仪对温控系统的要求。关键词：小型生化分析仪、温度控制、铂电阻测温电路、自适应PID专心-专注-专业ABSTRACTIn the biochemical analyzer, the precision of temperature control system directly affects the accuracy of test results. According to the requirements of the temperature control system in small biochemical analyzer, this dissertation designs a separate thermostat system with solid directly heating. The main difficulties of this system are the accuracy and uniformity of the reactive liquid temperature. In order to obtain high level uniformity, the mechanical structure separates the plates and cups and the cups circle on the groove of the plates. At the same time the microcontroller is programmed using PID combination algorithm. The temperature of reactive solution was 37 and the accuracy is ± 0.3 with fluctuation range of ± 0.1 degrees Celsius. This design meets the requirements of temperature control system in small biochemical analyzer.Keywords: Biochemical analyzer，Temperature control，Platinum Resistance Temperature Sensor, Adaptive PID.目 录第1章 引言1.1课题背景临床化学实验操作步骤中的吸样、吸试剂、混合、去干扰物、保温、检测、结果计算和报告的仪器操作被称之为临床化学的自动化分析，其仪器称为自动生化分析仪1。自动生化分析仪集光学、精密机械、电子、电子计算机等技术为一体，属高技术含量的仪器设备，特别是高档大型全自动生化分析仪配套技术，包括机器人技术、集束光导纤维传播技术、条码技术、传感技术、数码技术及遥控技术等，使仪器在高速运转中多项任务、多个过程同时协调进行，每小时产生数百乃至数千的数据2。目前，自动生化分析仪主要分为三种：连续流动式自动生化分析仪（continuous flow autoanalyzer）、分立式自动生化分析仪（discrete autoanalyzer）、离心式自动生化分析仪（centrifugal autoanalyzer）3。其中，第一类仪器由于不能克服交叉感染（carryover）以及故障率高、操作繁琐等原因在80年代初已被淘汰。本文中设计的温度控制系统可以应用在后两种生化分析仪中。生化分析过程要求在恒温条件下进行，样本和试剂发生生化反应，酶的活性直接影响反应结果，而酶的活性与温度直接相关。根据辅酶Q10理论：温度每增加10，化学反应速度增加一倍。也就是说，温度波动0.1，测度结果变异1%。因此，高精度的温度控制系统是保证生化分析结果准确性和重复性的关键技术之一，它是生化分析仪的重要组成部分4。本文的主要任务是设计一个适合生化分析仪的固体直热恒温系统。1.2 生化分析仪主要温控方式目前生化分析仪中主要使用的温度控制方式有以下几种：空气浴，水浴，恒温液浴，固体干式浴，帕尔贴效应片等5。空气浴利用热空气对反应杯中的液体进行加热，通过维持绝缘容器内空气温度的稳定来实现反应杯内液体温度的稳定。水浴与空气浴相似，采用水对反应杯中的液体进行加热，通过维持水温的稳定来实现反应杯中液体的稳定。恒温液浴采用一种特殊的恒温液体，该液体为热容量高、蓄热能力强、无腐蚀的液体。比色杯和恒温液不直接接触，它们之间存在一定的空气隙。固体干式浴采用铜或者铝等导热性能良好的金属对石英反应杯中的液体进行直接加热6。空气浴与水浴如图1-1所示，恒温液浴和固体干式浴如图1-2。图1-1 空气浴与水浴示意图、图1-2 恒温液浴和固体干式浴示意图帕尔贴效应片是一种目前被广泛应用的温控方式。这种温控方式利用帕尔贴效应，利用P-N热电偶，利用帕尔贴效应片的热端和冷端，既可以加热，也可以制冷。调整电偶的工作电压，可使帕尔贴效应片（热电制冷器）在不同的热端温度下保持冷端温度恒定7。图1-3给出了热电制冷器的温度控制原理框图。图1-3 热电制冷器温度控制原理框图对于生化分析仪来讲，由于仪器本身功能较多，因此不希望在温控系统中加入过多的外加设备，因此水浴和空气浴不适用于本设计。同时，帕尔贴效应片一次只能控制一个样品，无法满足分析仪同时分析多个样品的的需要。因此，本设计采用固体浴。1.3温度传感器种类及工作方式要实现对温度的控制，首先要实现对被控环境的温度检测，这就需要温度传感器的设计。温度传感器按工作原理分可分为热电偶、电阻温度传感器、辐射温度计、光纤温度传感器、石英温度传感器等。热电偶将两种材料不同的导体串联成闭合回路，当两个结点之间存在温度差时，就会在回路中产生电流。热电偶的这种效应叫做塞贝克效应。热电偶作为温度传感器，其优点有结构简单、体积小、热容量小以及温度响应快等。电阻温度传感器利用纯金属、合金和半导体材料的电阻值随温度变化的物理特性来测量温度。由于这个特性，使得电阻温度传感器可以根据具体的测量范围，改变其起始电阻值。当利用贵金属制作敏感元件时，它的性能更加稳定，测量的精度也会进一步提高。辐射温度计是利用斯蒂芬·玻尔兹曼全辐射定理而研制出的温度计。该定理告诉我们，物体的温度越高，辐射功率就越大。因此，测量出物体所发射出来的辐射功率，就可以计算出它的温度。辐射温度计的特点是非接触测温，同时，它具有反应速度快、灵敏度高、测温范围广等优点。光纤温度传感器既可以利用被测物体表面辐射能随温度变化测温，也可以利用光在光导纤维内传输的相位随温度变化测温。由于其主要利用光的传输工作，所以它是一种电气无源系统，同时具有几何形状可随意改变、抗电磁干扰以及耐水耐腐蚀等其他传感器无法具备的优点。石英温度传感器利用石英谐振器的频率温度特性进行测温，不仅具有分辨率高、性能稳定和线性度好等特点，而且适用于数字化处理和远距离测量。为了尽量减少成本，由于生化分析仪本身不需要进行远程控制，因此光纤性、辐射性以及石英性均不适宜本设计。同时，热电偶涉及到冷端温度补偿，增加了系统设计的复杂性，因此选择电阻温度传感器作为使用对象，同时选用稳定性互换性良好同时精度高的铂电阻作为测温元件。1.4 国内外研究现状世界上第一台生化自动分析仪是由美国泰克尼康公司在1957年设计生产的，是一台单通道、连续流动式自动分析仪。此后日本、美国等国家又相继研发生产了多个系列的生化分析仪，如今相应的技术已经相当完善。其中比较具有代表性的是美国BECKMAN公司的CX9全自动生化分析仪和日本日立的7600全自动生化分析仪。CX9的检测速度可达每小时900多次，最多可以同时测量33项，它的最大特征是直接连接样品分选的输送系统，便于对应软件的全自动化处理。日立的7600全自动生化分析仪也是一套大型实验室自动化系统，它是一种采用了先进的控制技术和模块化结构开发的大型组合式分析仪，具有高度的灵活性和扩展性，用户可以根据需要配置各种功能部分。整个工作过程由中央计算机执行多线程控制，同时通过定时器设定无人状态一体化程序，在程序运行的同时也能智能检查各模块，对异常模块进行维护，真正实现了实验室全程自动化8。如图1-4所示为美国BeckmanCX9型全自动生化分析仪，如图1-5所示为日立7600型全自动生化分析仪。图1-4 美国BeckmanCX9型全自动生化分析仪图1-5 日立7600全自动生化分析仪目前国内自研生产的生化分析仪以半自动型为主。国内全自动生化分析仪的发展缓慢的原因主要是因为它涉及光、机、电、算、液路、温控、生化分析等多方面的综合技术，系统控制复杂、控制时序要求严格、运行可靠性和精度要求高等。随着国内医院要求诊断指标的增多，测试工作量不断增大，对全自动生化分析仪的要求日益增大，因此其研制和开发将有着重大的经济效益和社会效益9。1.5 课题研究内容 本文主要研究适用于生化分析仪的温度控制系统，包括以下几个部分： 1、温度检测电路的设计； 2、温度控制电路的设计； 3、温度控制算法的编程； 4、环境温度补偿的设计。整个温度控制系统由两路具有非线性校正的铂电阻测温电路、PWM控制的功率驱动电路、带温度补偿的自适应PID数字控制电路等组成。如图1-6所示：图1-6 温度控制系统原理图温度控制系统的目标是要使反应液温度恒定在37。从图1 可以看出, 反应液温度是间接控制的。它一方面受反应盘温度影响, 另一方面受环境温度的影响。为了补偿环境温度的影响, 温度控制系统增加一路环境温度测量。因此, 温度控制系统由两部分组成, 一部分是用来控制反应盘的温度, 另一部分是用来进行温度补偿。第2章 铂电阻温度传感器2.1 非线性校正本设计中温度的检测通过电阻温度传感器实现。当采用型号为PT1000、RTD型为DIN的铂电阻，即在0时阻值为1000，之后温度每上升一摄氏度阻值上升3.851。因此，需要设计温度检测电路，利用模拟电路计算出铂电阻的阻值，同时将计算结果转换为模拟电压值，传递给用于温度控制的数字电路部分。这就要求最终的模拟电压值与温度之间形成严格的线性关系，我们已经知道铂电阻的阻值与温度之间近似是一种线性关系，同时在模拟电路中，由于电路原理和元件规格的限制，也会破坏这种线性关系。因此，需要设计专门的模拟电路，来校正这种非线性关系。2.1.1产生非线性的原因铂电阻的电阻值与温度的关系，可用下式描述：式中：和分别为和0时铂电阻阻值；a、b为常数。显然式中与之间的关系是非线性的10。此外，将变化的阻值，转化为变化的电压，模拟电路的设计也会影响结果的线性性。同时，由于模拟电路的输出电压将输入到单片机的模数转换输入引脚，该引脚具有固定的输入范围。本设计选用的单片机要求输入电压在0V到参考电压之间，否则将使单片机引脚工作在极限条件下。同样的，这种对输出电压的限制也增加了校正结果线性性的难度。2.1.2 惠斯特桥式电路使用恒流供电的惠斯特桥式电路可以校正温度测量电路的非线性。首先使用MAX6235芯片为惠斯特桥式电路提供2.5V的电压输入。将此供电电压输入到OP07芯片的正向输入端，OP07芯片相当于一个集成运算放大器，在这里用作跟随器来稳定桥式电路的输入电压。然后，将桥式电路两端的输出电压，分别通过输入电阻输入给AD623芯片，AD623是一个放大倍数可调的仪表放大器，可以将桥式电路产生的差值放大。最后再通过作为跟随器的OP07芯片，将最终的输出电压输入到单片机的模数转换输入引脚。桥式电路的基本结构，如图2-1所示。图2-1 桥式电路如果用U表示电压VCC的大小，U1表示电阻R3上端的电压，则： （2-1）用U2表示电阻R4上端的电压，则： （2-2）用代表电压Vout的大小，则有： （2-3）在桥式电路中，因此将式（2-1）（2-2）代入（2-3），可以得到： （2-4）桥式电路中的值要远远大于，同时设，得： （2-5）由此建立了铂电阻阻值和输出电压的线性关系，如果选择的阻值等于铂电阻在零摄氏度时的阻值，那么测温电路就相当与从零摄氏度开始测量温度。在整个测温电路中，桥式电路的三块电阻和用于AD623编程的电阻作用重大，必须采用精度很高的精密电阻，才能满足本电路的精度要求。同时，通过对这四块电阻阻值的选择，可以使输出的电压值范围尽可能地覆盖单片机输入电压的范围，这样在模数转换过程中，可以获得最大的精度。2.2 温度检测电路阻值选择由之前的分析我们知道，温度检测电路所使用的电阻的阻值直接决定了该模拟电路输出的模拟电压的大小。由于单片机对输入电压的要求，不仅需要严格限制该电路的输出电压的最小值和最大值，还需要将其电压变化范围尽可能地和单片机允许的输入电压范围重合，增大精度。无论是对于桥式电路，还是AD623放大部分，为了实现模拟电路的精确计算，必须全部使用阻值相对精确的精密电阻。如果使用普通电阻，不仅使运算结果出现与理论计算值极大的偏差，也会由于普通电阻同一批次产品中阻值不同，导致在投入生产之后需要针对每台机器校准，这明显是非常不现实的。本设计选用Silicon Lab公司的C8051F060作为单片机，为了提高模数转换的精度，也为了方便之后算法的升级，使用了该芯片中16位的模数转换功能。该芯片实现该功能主要依靠最高可达1Msps、16位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC。这就对模拟输入端的电压值提出了要求，此电压值不能高过单片机此转换模块的参考电压值，同时也不得低于整块电路板上的零电压，否则将使单片机工作于极限条件之外，造成单片机模数转换模块烧毁，甚至可能导致整个单片机芯片烧毁，在实际应用中，如果出现此情况，将使反应盘中的加热片持续以全功率加热，在生化分析中，无疑会破坏反应液的化学性质，甚至造成事故。因此，对模拟电路的输出电压的控制，至关重要，而模拟电路中精密电阻的设计，更是重中之重。由于单片机中是逐次逼近寄存器型ADC，这就使得模拟电压输出范围要尽可能地大。因为这样转换的结果是一个模拟电压值对应一个16位二进制数，当电压可变范围扩大时，数字电路可以分辨的温度值的精度也就越大，这也对电路阻值的选定提出了要求2.2.1 桥式电路阻值选择在桥式电路中，由式（2-5）可知，若想使温度在零度时输出0V的模拟电压，则的阻值应等于铂电阻在零摄氏度时的阻值。本设计选用的铂电阻在零摄氏度时阻值为1k，所以的阻值也应为1k。本设计主要应用在室内环境中，由于室内温度一般都高于零度，因此模拟电压的输出能够保证是正电压，不会由于输出负电压而对单片机造成损坏。由上面的推导可知，桥式电路中下方的两块电阻要求阻值完全相等，同时，为了把输入桥式电路使用的OP07运放芯片作为跟随器，引入输出电压的反馈，我们希望这两块电阻的阻值，尽可能地大，如图2-2所示为电路原理图电桥部分：图2-2 电桥部分电路原理图图中，U1和U2单元分别是6325芯片和OP07芯片，PT1和PT2是两路铂电阻，分别检测反应盘温度和环境温度，图中右侧的桥式电路是用于计算PT1阻值的电路。由于精密电阻JMR2的阻值很大，将使PT1铂电阻负载的压降非常小，如果将铂电阻下端的电压反馈到OP07的反相输入端，其输入电压近似等于输出电压，形成跟随器，使输出电压稳定。在这里，桥式电路下方的两块电阻我们都选用常见的51k的精密电阻。2.2.2 AD623的运放设计AD623是一个低功耗的仪表放大器，其引脚说明如图2-3所示：图2-3 AD623引脚说明从图中可以看出，AD623是将一个差分信号进行放大，通过使用者在1脚和8脚之间连接的电阻，调整电压增益的大小，其公式为： （2-6）其中表示编程电阻的阻值，代表差分输入电压。通过式（2-5）和式（2-6）的计算，可以选择360的精密电阻，该阻值的精密电阻同样非常常见。至此，整个一路的温度检测电路中精密电阻的阻值就已经选定，理论计算证实，当温度从零度变化到40时，模拟电路的输出电压在0V到2.4V之间，即使在调试中发生局部传感器温度过热的情况，输出电压也不会高于2.5V，保护了单片的模数转换模块。 2.2.3误差分析尽量在之前的电路计算中，可以得到温度和输出电压之间的关系，然而在实际使用中，由于精密电阻本身还是存在误差，再加上在电路的分析中使用了近似的算法，必须结合具体的电路，实际测量输出的电压。测量时使用的电路板如图2-4所示：图2-4 温控用测试电路板图中电路板左侧的红色电阻为之前选定的精密电阻，四接口的插座用来连接铂电阻，可以将铂电阻置入温度可控的液体中，同时用万用表直接测量输出的电压值。如此测量获得的温度-电压关系如表2-1所示：温度/18.726.029.934.938.5电压/V1.0261.4041.5951.8211.995表2-1 非同步测温度-电压关系从表2-1可知，电压随温度的变化关系基本是线性关系，但是在反复实验中，发现测定结果总是发生波动。分析误差产生原因，硬件的物理性质和电气性质是固定的，使用的稳压电源供电也是稳定的，那么就不应该是由于实验用具的重复性差导致的误差问题。因此，误差原因应该是由于记录温度和电压值的同时性的问题上。由于是人工观察记录，所以只能是先观察温度值并记录，之后再拿起万用表进行测量，在记录电压之前的这段时间里，可能温度受到环境的扰动，已经发生了变化，由此产生了误差。为了解决这一问题，我们使用了安捷伦34970A多路采集器，可以利用计算机同时采样多路数据，解决了测量同步性的问题，如图2-5为安捷伦34970A多路采集器：图2-5 安捷伦34970A多路采集器利用该仪器测量得到的温度-电压关系如表2-2所示：温度/30.54432.33534.44536.21636.360电压/V1.5921.6721.7801.8471.867之前的实验检测的温度都是反应盘的温度，然而控制温度的最终目标是控制反应液的温度，由于加热片加热的是反应盘，因此反应盘的温度高于反应液。在实际测量中发现，反应盘与反应液之间的温度差随环境温度变化而变化。当将反应液放入恒温箱中，在相对封闭的环境中进行测试，同时测量的目标是反应液的温度，实验装置如图2-6：图2-6 反应装置放在恒温箱中使用多路采集器测得反应液温度和电压的关系如表2-3所示：温度/26.61928.43430.30132.65434.519电压/V1.6081.7401.8612.0072.073 采集到数据点之后可以利用matlab进行线性回归，得到近似的直线关系。由于在实际使用中，传感器检测的温度基本在20到40摄氏度之间，所以之前线性回归的近似计算中产生的误差可以接受。2.3 三线制铂电阻用法如果在铂电阻的两端各连接一条导线，之后接入到桥式电路中，那么两条导线的电阻就会增加测量的铂电阻的阻值。更严重的是，导线中电阻随温度的变化关系未知，当测量温度改变时，将会增加无法估计的误差。为了解决这个问题，实际应用中主要使用三线制铂电阻，其接法如图2-7所示。从图中可知，铂电阻引出的三根导线，一根的电阻作为输入电阻，另外两根分别接入到了电桥的两臂，使得两臂导线电阻的阻值相等，这样就消除了导线电阻造成的误差。图2-7 铂电阻的三线制接法2.4温度传感遇到的问题（1）要控制反应液的温度，最好的办法当然是直接测量反应液的温度，但由于反应杯中的液体要经常更换，所以不可能将铂电阻置于反应液中，这样不仅会污损铂电阻，更有可能污损反应液。所以使用铂电阻取检测反应盘的温度是一个较好的办法，在实际控制中将反应盘控制在高于目标温度的某一个值，就可以间接地控制反应液的温度。（2）铂电阻要想精确地检测反应盘的温度，就应该充分与反应盘接触，但是固体与固体很难充分接触，铂电阻的某一部分总是有可能与空气接触，因此提出在反应盘的底部开槽，将铂电阻放在槽中，上方放置反应杯，这样就使铂电阻的温度尽可能地和反应盘相等。机械结构示意图如图2-8所示，实际结构图如图2-9所示：(1)存储环境：通常情况下，LED的储存环境温度应在-40 +100 。所以在封装LED时，有时为了使封装胶快干或荧光粉快干，在温度150 保存12小时。这对LED是否有影响，可以继续展开实验来证明。(2)工作温度一般情况下，LED的工作温度是-30 +80 ，但工作温度与热阻有关系。总而言之，LED在工作时，最好将它的PN结温度保持在10 以下。(3)失效率：失效率是指一批LED器件在点亮后多长时间、有多少个出现“死灯”现象。这是衡量这批LED器件质量的关键指标。若工作10小时内无“死灯”现象出现，说明失效率较好，即失效率为0。(4)寿命：LED器件在正常工作条件下，半光衰时间越长，说明LED的寿命越长。按理论计算可达10万小时以上。但目前由于材料、制造技术等方面原因，市场上的LED器件寿命只能达到23万小时。随着技术的不断进步，LED器件的寿命会越来越长。但是如何快速测定半光衰时间，还有待于制造出通用的仪器进行测定。(5)防静电：要做好的LED器件要注意防静电。无论是在运输状态，还是在装配过程中，都可能出现静电带来的损坏，要特别注意防静电。一般LED做好后，双极开路防静电指标应在500 V之内。(6)封装结构：LED是靠环氧树脂等胶封装起来的。由于时间和化学作用，会使封装胶的透光性变差。有时会使胶体变黄变浊，影响透光；有的会使胶玻化而破碎。这些都会使LED器件的性能发生变化，因此达不到原来的技术指标，从而影响其出光效率和使用寿命。第3章 散热原理3.1 热的传导方式 热的传导方式主要包括传导、对流、辐射三种。3.1.1 传导（Conduction）传导23，指的是分子之间的动能交换，即能量较低的粒子通过碰撞来交换能量的方式，是目前散热的主要方式。单独的一片散热片时不能实现热能的传导的，传导是散热片散热的最主要的途径。热传导的基本公式是： (3-1)其中，Q：热量，及热传导产生或传导的热量；K：材料的热传导系数；Ac：热传导过程中物的横截面积；T：物体传导始末的温度差；L：传导过程中物体的传导距离。从热传导公式我们可以发现热量传递的大小同热传导系数、传热截面积成正比，同热传输距离成反比。热传导系数越高，传递面积越大，传输距离越短，热传导的能量就越高，越容易带走热量。3.1.2 对流（Convection）对流是气体或液体中较热部分和较冷部分通过循环将来交换热量，即热源被气体或者液体包围，热能透过周边分子的移动来实现。当一块热金属板与冷液体(或者气体)接触时，靠近热金属板的流体模由于流体的热传导而温度上升，流体膜温度上升造成体积膨胀，以至于发生冷热流体混合。对流分为强制对流(Forced Convection)和自然对流(Natural Convection)。如果引起热对流的原动力若为密度差(温度差引起)，则此种热对流成为自然对流。如果引起热对流的原动力是外力因素，如风扇等，则这种热对流成为强制对流。热对流的基本公式是： (3-2)其中，Q代表热量，也就是热对流所带走的热量；h是热对流系数；A代表热对流的有效接触面积；T代表固体表面与区域流体之间的温度差。根据热对流公式可以发现热量传递的数量通热对流系数、有效接触面积和温度差成正比。热对流系数越高、有效接触面积越大、温度差越高，带走的热量也越多。3.1.3 辐射（Radiation）辐射，是指热能从热源以电磁形式(或光子)直接发射出去。辐射的传热效能取决于热源的材料及表面的颜色。热辐射的基本公式是： (3-3)其中，Q：热辐射交换的能量；：物体的表面的热辐射系数，一般取5.7×10-8(W/m2K4)；A ：物体的表面积；(Ta-Tb)：表面a到b之间的温差。根据热辐射公式，我们可以看出，热辐射功率与热辐射系数、物体表面积大小以及温差的4次方成正比。热热辐射在传统光源尤其是热辐射光源的热量损失中占有很大的比重，但是LED的发光原理与传统光源有很大的区别，热辐射在其中所占的比重也很小，以一颗1W的功率型白光LED为例，取其稳定工作状态下的结温为350 K，芯片面积为1 mm2，在不考虑芯片吸热的情况下，我们可以计算其热辐射功率： (3-4)我们可以发现热辐射的功率大概是整个热耗散的功率的千分之一左右，因而，在LED灯具的散热方式选择上，热辐射方式的影响可以忽略。3.2 散热方式根据是否需要外界提供额外的能量，可以将散热分为被动散热和主动散热两种。3.2.1 被动散热被动式散热24指依靠空气的自然对流，通过散热片将热源产生的热量自然散发到空气中，其散热的效果与散热片大小相关。虽然被动式散热结构相对比较简单，很容易和灯具的机械结构结合起来，这样就比较容易达到灯具的防护等级要求。并且被动式散热整体成本相对比较低，因而是目前最广泛使用的一种散热方式。此外，被动式散热不会引入额外的动力装置，因而不会影响灯具整体的效率和寿命。因而，这种散热方式是LED灯具，尤其是道路照明灯具中最常用的一种方式。但是，这种散热方式也有缺点，就是散热效率不高，并且设计出的灯具因为有大量的散热片，导致灯具过重。同时由于鳍片的存在，使得灯具外壳比较容易集灰，会降低灯具的维护系数。 3.2.2 主动散热主动式散热，指通过风扇等散热设备强迫性地将热源产生的热量从散热片上带走，其特点是散热效率高，散热器体积小，结构紧凑，但是会增加额外的功耗，并且要考虑到灯具防护等级的要求。主动式散热包括风冷散热、液冷散热、热管散热、半导体制冷、化学制冷等等。1、风冷散热风冷散热就是在LED散热器上安装风扇，通过空气强迫对流将热量带走。因此，要在允许的温度条件下将LED耗散的热量传递到热沉(通常是大气环境)，对流散热的效果好坏是决定散热系统成败的关键。由于对流散热量的大小取决于散热面积、对流散热系数和传热温差，因此提高散热能力主要围绕这三个方面进行。风冷散热就是通过提高风速，改善气流组织，来增大对流换热系数的方法来强化传热。风冷散热虽然价格相对较低，安装方便等。但是它对环境依赖比较高，例如气温升高以及超频时其散热性能就会大受影响，而且风扇体积大，噪声明显，容易受到灰尘等杂物的影响。2、液冷散热液冷散热是通过液体在泵的带动下强制循环带走散热器的热量。出于成本及易用性的考虑，液冷散热通常采用水做为导热液体，因此液冷散热器也常常被称为水冷散热器。液冷散热器具有很好的散热效果，均衡了LED的热量，并且工作噪音低。它的最大优势是导热速度快，热容量大、降温稳定，且系统是一个循环散热系统。但使用液冷散热系统不方便，体积大，安装麻烦，而且要防止漏水和结露现象，成本也非常高。3、热管散热热管属于一种传热元件，它充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，通过在全封闭真空管内的液体的蒸发与凝结来传递热量，热管有极高的导热性，良好的等温性，冷热两侧的传热面积可任意改变，可远距离传热，可控制温度，并且由热管组成的换热器具有传热效率高、结构紧凑、流体阻损小等优点。其导热能力已远远超过任何已知金属的导热能力。但是它也存在很多限制。如：流体的流量大于毛细输送能力，会使毛细干燥，可能烧毁导管；蒸气流速过大，超过液体表面张力，则会使液滴飞散；当所有流体都达沸腾汽化时，会降低传热的能力；而蒸气流达音速时还会发生塞流现象；同时，低温的蒸气流动黏性力，使工作液体流动缓慢。4、半导体制冷半导体制冷就是利用一种特制的半导体制冷片在通电时产生温差来制冷，只要高温端的热量能有效的散发掉，则低温端就不断的被冷却。在每个半导体颗粒上都产生温差，一个制冷片由几十个这样的颗粒串联而成，从而在制冷片的两个表面形成一个温差。利用这种温差现象，配合风冷/水冷对高温端进行降温，能得到优秀的散热效果。半导体制冷具有自身体积小、制冷温度低、可靠性高等优点，冷面温度可以达到零下10以下。但是半导体制冷成本太高，而且可能会因温度过低导致CPU结露造成短路，而且现在半导体制冷片的工艺也不成熟，不够实用。5、化学制冷化学制冷，就是使用一些超低温化学物质，利用它们在融化的时候吸收大量的热量来降低温度。这方面以使用干冰和液氮较为常见。比如使用干冰可以将温度降低到零下20以下，还有一些更“变态”的玩家利用液氮将CPU温度降到零下100以下（理论上），当然由于价格昂贵和持续时间太短，这个方法多见于实验室或极端的超频爱好者。6、纳米尺度传热利用热离子发射以及热隧穿效应，通过采用独特的工艺,将两个表面的间距控制在纳米量级,能够实现两个大表面之间的电子隧穿，从而有效的降低了需要克服的势垒。如果这种技术成熟的话，可以替代目前其他任何一种散热技术。纳米传热技术，是利用量子阱结构电子隧道作为主要冷却机制，该技术特别之处在于电子是通过带隙移动，通过偏置电压，可以加强电子在一个方向上的移动，这样热量就可以从一端传到另外一端，由于两种材料之间存在一个带隙，这种带隙结构不是某一种具有热传导性能的材料，是一种很好的绝热层，这样热量一旦被捕捉在另外一端，就不会轻易产生回流的效应。该技术的难点在于如果让大量的电子通过空隙带迁移到另外一端，如何使得两种不同材料距离靠近的足够让带有热量电子从一种材料隧穿到另外一种材料。第4章 LED散热分析4.1 LED散热途径概括起来，LED散热(图4-1)主要包括3个方面：(1)芯片结到外延层；(2)外延层到封装基板；(3)封装基板到外部冷却装置。主要散热方向双层敷铜层的PCB大功率LED图4-1 LED散热途径LED芯片是发热主体，首先LED芯片的热量通过LED芯片的基片再通过固晶方式传递至封装热沉（heat sink）上面，然后热量通过热沉传递至铝基PCB上，最终铝基PCB与金属制散热器结合，将热量传递至灯具外部，到达空气化境中。一般LED芯片的热量最终到达空气需要经过25：LED封装体焊锡铝基板线路层导热绝缘层铝基板导热硅脂散热器。4.2 芯片封装结构和材料针对高功率LED的封装散热难题，国内外器件的设计者和制造者分别在结构和材料等方面对器件的热系统进行优化设计。在封装结构上，采用大面积芯片倒装结构、金属线路板结构、导热槽结构、微流阵列结构等；在材料的选取方面，选择合适的基板材料和粘帖材料，用硅树脂代替环氧树脂。为了解决高功率LED 的封装散热难题，国际上开发了多种结构。4.2.1封装结构目前主要有以下三种类型。硅基倒装芯片(FCLED) 结构。传统的LED采用正装结构, 上面通常涂敷一层环氧树脂，下面采用蓝宝石作为衬底。由于环氧树脂的导热能力很差，蓝宝石又是热的不良导体，热量只能靠芯片下面的引脚散出。因此前后两方面都造成散热的难题，影响了器件的性能和可靠性。2001 年, LumiLeds 公司研制出了AIGalnN 功率型倒装芯片结构，如图4-2所示，LED 芯片通过凸点倒装连接到硅基上。这样热量不必经由芯片的蓝宝石衬底，而是直接传到热导率更高的硅或陶瓷衬底，再传到金属底座，由于其有源发光区更接近于散热体，可降低内部热沉热阻26。这种结构的热阻理论计算最低可达到1134 K/ W，实际做到68 K/ W，出光率也提高了60 %左右。但是, 热阻与热沉的厚度成正比的，受硅片机械强度与导热性能所限，很难通过减薄硅片来进一步降低内部热沉的热阻，制约了其传热性能的进一步提高。蓝宝石衬底散热管座a.正装的芯片蓝宝石衬底硅基散热管座b.倒装的芯片图4-2 LED不同的封装结构基于金属线路板结构。金属线路板结构利用铝等金属具有极佳的热传导性质，将芯片封装到覆有几毫米厚的铜电极的PCB 板上，或者将芯片封装在金属夹芯的PCB 板上，然后再封装到散热片上来解决散热问题，如图4-3所示。芯片粘贴材料导热胶外部热沉PCB图4-3 LED金属线路板结构微泵浦结构。2006 年Sheng Liu 等人通过在散热器上安装一个微泵浦系统来解决LED 的散热问题，在封闭系统中，水在微泵浦的作用下进入LED 的底板小槽吸热，然后又回到小的水容器中，通过风扇吸热。这种微泵浦结构(图4-4)可以将外部热阻降为1192 K/ W29 。这种微泵结构的制冷性较好，但如前两种结构一样，如果内部接口热阻很大，则其热传导就会大打折扣，此外，其结构也较复杂。LED芯片基板热沉水流微泵风扇图4-4 微泵浦结构4.2.2封装材料封装结构确定后，可以通过选取不同的材料进一步的降低系统的热阻，提高系统的导热性能。目前国内外常针对基板材料、粘贴材料和封装材料进行择优。基板材料。对于大功率的LED 而言，为了解决芯片材料与散热材料之间因热膨胀失配造成电极引线断裂的问题，可以选用陶瓷、Cu/Mo 板和Cu/W板等合金作为散热材料。但这些合金生产成本过高，不利于大规模、低成本生产。选用导热性能好的铝板、铜板作为散热基板材料是当前研究的重点之一30。芯片粘结材料。选用合适的芯片衬底粘贴材料并在批量生产工