Kuidas optimeerida lasermeditsiini instrumentide dioodide soojuse hajumist?
Jäta sõnum
1, materjaliuuendus: madala soojustakistusega juhtivuse rajamine
1. Kiibi substraadi liidese optimeerimine
Laserdioodide soojuse hajumise lähtepunkt on kiibi ja põhimiku vaheline kontaktliides. Traditsioonilise alumiiniumoksiidi keraamika (Al ₂ O ∝) soojusjuhtivus on vaid 20-30 W/m · K, samas kui alumiiniumnitriidkeraamika (AlN) soojusjuhtivus on üle 200 W/m · K, mistõttu on see eelistatud valik suure võimsusega{5}}meditsiiniliste laserite jaoks. Näiteks teatud tööstusliku kvaliteediga sinililla lasermoodul kasutab kolmekihilist kiibiga alumiiniumnitriidsubstraadist grafeeni vasepõhist struktuuri, mis vähendab soojustakistust traditsiooniliselt 5 kraadi / W kuni 1,2 kraadi / W ja alandab kiibi ühenduse temperatuuri 30 kraadi võrra sama võimsusega.
2. Keevituskihi materjalide uuendamine
Jootekiht on kriitiline kanal soojusülekandeks kiibilt aluspinnale. Kuld-tinajoodist (AuSn) on saanud meditsiinilaserite standardkeevitusmaterjal tänu oma kõrgele soojusjuhtivusele (58W/m · K), kõrgele sulamistemperatuurile (280 kraadi) ja väsimuskindlusele. Eksperimentaalsed andmed näitavad, et AuSn eelvormitud jootepatju kasutavad moodulid suudavad jootmise lõpule viia 30 sekundi jooksul kuumutamistemperatuuril 310 kraadi ja jootekihi paksuse ühtlus on parem kui traditsioonilisel jootepastal, kusjuures soojustakistus väheneb 40%.
3. Jahutusradiaatori materjalide valik
Vask (soojusjuhtivus 401 W/m · K) ja alumiinium (soojusjuhtivus 237 W/m · K) on tavaliselt kasutatavad jahutusradiaatorid, kuid vase tihedus (8,9 g/cm³) piirab selle kasutamist kaasaskantavates seadmetes. Toimivuse ja kaalu tasakaalustamiseks kasutavad meditsiinilaserid sageli vasemolübdeenisulami (CuW) või ränikarbiidi alumiiniumi (SiC/Al) komposiitmaterjale. Näiteks teatud 808 nm lähiinfrapuna terapeutiline seade kasutab CuW jahutusradiaatorit, millel on parem soojuspaisumise koefitsient (CTE), mis sobib laserkiibiga kui puhtal vasel, ja ristmiku temperatuuri kõikumine on 10 W võimsusel kontrollitud ± 1,5 kraadi piires.
2, konstruktsioonikujundus: suurendage termilist konvektsiooni ja kiirgust
1. Mikrokanali jahutustehnoloogia
Pideva laine (CW) suure võimsusega{0}}laserite (nt 1470 nm eesnäärme aurustamise kirurgia seadmed) jaoks on mikrokanaliga jahutid (MCC) kõige tõhusam lahendus soojuse hajutamiseks. MCC söövitab vasest substraadi sisse mikrokanalid laiusega 0,1–0,5 mm, võimaldades otsekontakti jahutusvedeliku (nt deioniseeritud vesi) ja soojusallika vahel, mille soojustakistus on kuni 0,01 kraadi /W. Uurimisrühma kujundatud koosinusekujulise mikrokanali struktuuri jahutusradiaatori temperatuuri ühtlus on parem kui 95% ja veepumba rõhunõue väheneb 30% jahutusvedeliku voolukiirusel 1 m/s 20 W võimsusel.
2. Tagurpidi kiibi pakend
Traditsioonilises formaalses kiibipakendis tuleb soojus juhtida jahutusradiaatorisse läbi kiibi aluspinna (paksusega umbes 100 μm), mille tulemusena suureneb soojustakistus. Ümberpööratud kiibi tehnoloogia kõrvaldab substraadi soojustakistuse, jootdes aktiivse ala otse jahutusradiaatori külge. Katsed on näidanud, et ümberpööratud pakendiga 980 nm laserdioodi ühendustemperatuur on 25 kraadi madalam kui tavapärasel pakendil 5 W võimsusel ja optilise väljundvõimsuse stabiilsus paraneb 15%.
3. Uimemassiivi optimeerimine
Väikese ja keskmise võimsusega meditsiiniliste laserite (nt laseriga karvade eemaldamise seadmed) jaoks on ribimassiivid kõige kuluefektiivsem lahendus{0}}soojuse hajutamiseks. ANSYSi lõplike elementide analüüsiga leiti, et iga 1 mm uime kõrguse suurenemise korral suureneb soojuse hajumise ala 12%. Kui aga kõrgus ületab 15 mm, suureneb õhuvoolu takistus oluliselt. Teatud laserkarvade eemaldamise seadme mudelil on "gradientribi" disain, mille alumise ribi kõrgus on 10 mm ja ülemise ribi kõrgus 5 mm. 20W võimsusel on loomuliku konvektsiooni soojuse hajumise efektiivsus 18% kõrgem kui ühtlastel ribidel.
3, süsteemi integreerimine: mitmetasandiline koostöökontroll
1. Pooljuhtjahuti (TEC) suletud ahela juhtimine
Meditsiinilised laserid nõuavad väga kõrget lainepikkuse stabiilsust (nt lainepikkuse triivi<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. Faasimuutusmaterjali (PCM) abiga soojuse hajutamine
Impulssmeditsiiniliste laserite (nt laserlitotripsia) puhul võivad faasimuutusmaterjalid neelata impulsivahes soojust ja tasandada temperatuurikõikumisi. Uurimisrühm integreeris parafiini/paisutatud grafiidi komposiit PCM (sulamistemperatuur 45 kraadi) laserdioodi pakendisse. Impulsi sagedusel 100 Hz suudab PCM neelata 40% hetkesoojust, vähendades ristmiku tipptemperatuuri 12 kraadi võrra.
3. Vedeliku jahutussüsteemi üleliigne disain
Suure võimsusega meditsiinilaserid (nagu kasvaja fotodünaamilise ravi seadmed) nõuavad vedelikjahutussüsteemi, kuid jahutusvedeliku lekke oht võib ohustada patsiendi ohutust. Seetõttu on üleliigne disain ülioluline. Teatud seadmemudel kasutab kahe tsirkulatsiooniga vedelikjahutussüsteemi: põhiringlus jahutab laserdioodi, sekundaarne tsirkulatsioon jahutab peamist tsirkulatsioonipumpa ja lekkeid jälgitakse reaalajas rõhuandurite kaudu. Kui põhitsirkulatsiooni rõhk langeb 10%, lülitub süsteem automaatselt ümber varupumbale, et tagada ravi järjepidevus.
