Lazerli tibbiy asboblarda diodlarning issiqlik tarqalishini qanday optimallashtirish mumkin?

1, Materiallar innovatsiyasi: past issiqlik qarshiligini o'tkazish yo'lini qurish
1. Chip substrat interfeysini optimallashtirish
Lazerli diodlar uchun issiqlik tarqalishining boshlang'ich nuqtasi chip va substrat o'rtasidagi aloqa interfeysidir. An'anaviy alumina keramikasi (Al ₂ O ∝) atigi 20-30 Vt/m · K issiqlik o'tkazuvchanligiga ega, alyuminiy nitridili keramika (AlN) esa 200 Vt/m · K dan ortiq issiqlik o'tkazuvchanligiga ega va bu ularni yuqori quvvatli tibbiy lazerlar uchun afzalroq tanlovga aylantiradi. Misol uchun, ma'lum bir sanoat darajasidagi ko'k binafsha rangli lazer moduli "chip alyuminiy nitridli substratli grafen mis asosidagi" uch qatlamli strukturani qabul qiladi, bu an'anaviy dizayndan 5 daraja / Vt dan 1,2 daraja / Vt gacha issiqlik qarshiligini pasaytiradi va bir xil quvvatda chip birlashma haroratini 30 darajaga pasaytiradi.

2. Payvandlash qatlami materiallarini yangilash
Lehim qatlami chipdan substratga issiqlik o'tkazish uchun muhim kanaldir. Oltin qalay lehim (AuSn) yuqori issiqlik o'tkazuvchanligi (58W / m · K), yuqori erish nuqtasi (280 daraja) va charchoqqa chidamliligi tufayli tibbiy lazerlar uchun standart payvandlash materialiga aylandi. Eksperimental ma'lumotlar shuni ko'rsatadiki, AuSn oldindan shakllangan lehim prokladkalaridan foydalanadigan modullar 310 daraja isitish haroratida 30 soniya ichida lehimlashni yakunlashi mumkin va lehim qatlami qalinligining bir xilligi an'anaviy lehim pastasiga qaraganda yaxshiroq, termal qarshilik 40% ga kamayadi.

3. Issiqlik moslamasi materiallarini tanlash
Mis (issiqlik o'tkazuvchanligi 401 Vt / m · K) va alyuminiy (issiqlik o'tkazuvchanligi 237 Vt / m · K) odatda issiqlik qabul qiluvchi materiallardan foydalaniladi, ammo misning zichligi (8,9 g / sm ³) uni portativ qurilmalarda qo'llashni cheklaydi. Ishlash va vaznni muvozanatlash uchun tibbiy lazerlar ko'pincha mis molibden qotishmasi (CuW) yoki silikon karbid alyuminiy (SiC / Al) kompozit materiallardan foydalanadi. Misol uchun, ma'lum bir 808 nm yaqin{6}}infraqizil terapevtik qurilma CuW issiqlik qabul qilgichdan foydalanadi, u sof misga qaraganda lazer chipiga yaxshiroq mos keladigan termal kengayish koeffitsientiga (CTE) ega va ulanish haroratining o'zgarishi 10 Vt quvvatda ± 1,5 daraja ichida nazorat qilinadi.

2, Strukturaviy dizayn: termal konvektsiya va radiatsiyani kuchaytiring
1. Mikrokanalli sovutish texnologiyasi
Uzluksiz to'lqinli (CW) yuqori quvvatli lazerlar (masalan, 1470 nm prostata bug'lanishi jarrohlik uskunasi) uchun mikrokanal sovutgichlar (MCC) issiqlik tarqalishining eng samarali yechimidir. MCC mis substrat ichida 0,1-0,5 mm kenglikdagi mikrokanallarni o'chiradi, bu esa sovutish suyuqligi (masalan, deionizatsiyalangan suv) va issiqlik manbai o'rtasida 0,01 daraja / Vt dan past termal qarshilik bilan to'g'ridan-to'g'ri aloqa qilish imkonini beradi. Tadqiqot guruhi tomonidan ishlab chiqilgan kosinus shaklidagi mikrokanal strukturasi issiqlik moslamasi haroratining bir xilligi 95% dan yuqori va suv nasosining bosimiga bo'lgan talab 20 Vt quvvat ostida 1 m / s sovutish suyuqlik oqimi tezligida 30% ga kamayadi.

2. Invertli chipli qadoqlash
An'anaviy rasmiy chip qadoqlashda issiqlik chip substrati (qalinligi taxminan 100 m m) orqali issiqlik qabul qiluvchiga o'tkazilishi kerak, bu esa termal qarshilikning oshishiga olib keladi. Inverted chip texnologiyasi faol maydonni issiqlik qabul qiluvchiga to'g'ridan-to'g'ri lehimlash orqali substratning termal qarshiligini yo'q qiladi. Tajribalar shuni ko'rsatdiki, teskari qadoqlangan 980 nm lazerli diodning ulanish harorati 5 Vt quvvatda an'anaviy qadoqlashdan 25 daraja pastroq va optik chiqish quvvatining barqarorligi 15% ga yaxshilanadi.

3. Fin massivlarini optimallashtirish
Lazerli epilasyon asboblari kabi past va oʻrta quvvatli tibbiy lazerlar uchun fin massivlari issiqlik tarqalishining-eng tejamkor yechimidir. ANSYS chekli elementlar tahlili natijasida ma'lum bo'ldiki, qanot balandligining har 1 mm o'sishi uchun issiqlik tarqalish maydoni 12% ga oshadi. Biroq, balandligi 15 mm dan oshganda, havo oqimining qarshiligi sezilarli darajada oshadi. Sochni lazer bilan olib tashlash moslamasining ma'lum bir modeli "gradient fin" dizaynini qabul qiladi, pastki qanot balandligi 10 mm va yuqori qanot balandligi 5 mm. 20 Vt quvvatda tabiiy konveksiya issiqlik tarqalish samaradorligi bir xil qanotlarga qaraganda 18% yuqori.

3, Tizim integratsiyasi: Ko'p darajali hamkorlikni boshqarish
1. Yarimo'tkazgichli sovutgichning (TEC) yopiq pastadir boshqaruvi
Tibbiy lazerlar juda yuqori to'lqin uzunligi barqarorligini talab qiladi (masalan, to'lqin uzunligi drifti).<1nm for 650nm epidermal repair lasers), and the wavelength change rate with temperature can reach 0.3nm/℃. Therefore, TEC has become the core component for precise temperature control. A multifunctional beauty device adopts a closed-loop system of "TEC+NTC thermistor". When the chip temperature exceeds the set value (such as 25 ℃), TEC cools at a rate of 0.1 ℃/s, and dynamically adjusts the driving current through PID algorithm to make the power fluctuation less than ± 1%.

2. Fazani o'zgartirish materiali (PCM) issiqlik tarqalishiga yordam beradi
Impulsli tibbiy lazerlar uchun (masalan, lazerli litotripsiya) fazani o'zgartirish materiallari impuls oralig'ida issiqlikni o'zlashtirishi va harorat o'zgarishini yumshata oladi. Tadqiqot guruhi kerosin/kengaytirilgan grafit kompozit PCMni (erish nuqtasi 45 daraja) lazerli diodli qadoqlarga birlashtirdi. 100 Gts impuls chastotasida PCM bir lahzali issiqlikning 40% ni o'zlashtirishi mumkin, bu esa cho'qqilarni ulash haroratini 12 darajaga kamaytiradi.

3. Suyuq sovutish tizimining ortiqcha dizayni
Yuqori quvvatli tibbiy lazerlar (masalan, o'simta fotodinamik davolash uskunasi) suyuqlik sovutish tizimini talab qiladi, ammo sovutish suvi oqishi xavfi bemor xavfsizligini xavf ostiga qo'yishi mumkin. Shuning uchun ortiqcha dizayn juda muhimdir. Uskunaning ma'lum bir modeli ikki aylanma suyuqlik sovutish tizimini qabul qiladi: asosiy sirkulyatsiya lazer diodini sovutadi, ikkilamchi aylanish asosiy sirkulyatsiya pompasini sovutadi va qochqinlar bosim sensorlari orqali real vaqtda nazorat qilinadi. Asosiy aylanma bosimi 10% ga tushganda, tizim davolashning uzluksizligini ta'minlash uchun avtomatik ravishda zaxira nasosga o'tadi.