近日，上海交通大学集成电路学院（信息与电子工程学院）臧法珩副教授团队在仿生非对称微结构阵列增强薄膜蒸发领域取得新进展。通过三维微纳加工技术将微纹理毛细结构与非对称设计结合，为热管理与相变传热器件的高效稳定运行提供了新的结构设计路径。相关成果以“Thin-film evaporators enhanced by asymmetric microstructure arrays with cuticle-like sidewall textures”为题发表于《Cell Press》旗下期刊《Device》。

研究背景

随着电子与功率器件集成度不断提高，系统中的局部热流密度持续上升，对高效热管理技术提出了更高要求。相较于传统沸腾换热，基于相变的薄膜蒸发因具有较低热阻和较高换热效率，被广泛应用于热管和均热板等相变换热器中。通过在微结构表面构建蒸发区域，可在气液界面形成较高毛细压力，促进液体补给并提高蒸发效率。然而，现有蒸发微结构系统仍存在毛细驱动力不足、有效蒸发面积有限以及热阻较高等问题，限制了其在高热流密度散热中的应用。为此，本研究通过三维微纳加工技术将微纹理毛细结构与非对称设计结合，通过调控几何形貌增强毛细输运并稳定液体弯月面，从而促进薄膜蒸发过程，为高效微尺度相变散热结构的设计提供新的思路。

研究亮点

本研究围绕稳态补液、抑制回缩及扩展薄膜面积三部分提出关键创新点：仿生微纹理提升毛细驱动液体输运稳定性；通过引导向上润湿爬升并抑制薄膜回缩促进连续薄膜形成；非对称结构实现定向液体补给，扩大有效薄膜蒸发面积，薄膜利用效率提升至传统对称结构的2.68倍。

正向利用3D打印的微纹理毛细结构并与非对称设计结合提升薄液膜蒸发能力

研究内容

研究团队通过三维微纳加工技术，在微柱侧壁构建了侧壁纹理结构（HHCLST）。该微纹理一方面能增强界面钉扎效应，另一方面为液体提供了更可控的向上输运路径，从而在微结构表面维持更稳定、更连续的薄膜区域，并显著抑制弯月面回缩引发的薄膜退化。在此基础上，团队进一步引入非对称微结构阵列：利用结构的不对称性实现定向液体补给，从而能够从液体供给区持续向蒸发区域输运液体，进而扩大有效薄膜蒸发面积，提升薄膜蒸发在宏观器件中的可持续贡献。

相较于对称结构，本研究提出的非对称设计将有效薄膜利用效率提升了2.68倍，体现出结构调制在毛细驱动传热过程中的关键作用。这种三维微米级制造技术诱导微纹理与非对称结构的组合设计，为增强薄膜蒸发、提升相变散热器件性能提供了可迁移的设计思路，并可进一步拓展到毛细驱动微流控与热过程调控等方向。此外，可以探索多种可规模化的制造路径，例如利用灰度光刻构建三维微结构形貌，通过电镀或电铸技术制备高强度金属微结构，以及利用金属增材制造实现快速原型制造和器件集成。

用于增强薄膜蒸发的非对称HH-CLST结构设计与制备

研究团队

蒋丽（左）、臧法珩（右）

上海交通大学集成电路学院（信息与电子工程学院）博士生蒋丽为论文第一作者，集成电路学院臧法珩副教授为论文通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海交通大学“深蓝计划”基金、上海交通大学—阿德莱德大学联合种子基金等项目资助。

臧法珩副教授为集成电路学院（信息与电子工程学院）MEMS多元兼容集成制造技术团队核心成员。课题组长期从事MEMS集成微系统、纳米光学器件、微纳生化传感器以及面向高功率芯片与极端工况的微流控强化散热与相变传热技术研究。在微流控和芯片散热方向，重点围绕毛细驱动液体输运调控、薄膜蒸发强化机制、微结构界面稳定性设计等关键科学问题开展应用基础研究，并拥有一系列专利技术。

课题组网页：https://gpmems.sjtu.edu.cn/

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2666998625003618