Kaip optimizuoti diodų šilumos sklaidą lazeriniuose medicinos instrumentuose?

1, Medžiagų naujovės: mažos šiluminės varžos laidumo kelio kūrimas
1. Mikroschemos substrato sąsajos optimizavimas
Lazerinių diodų šilumos išsklaidymo pradžios taškas yra kontaktinė sąsaja tarp lusto ir pagrindo. Tradicinės aliuminio oksido keramikos (Al ₂ O ∝) šilumos laidumas yra tik 20-30 W/m · K, o aliuminio nitrido keramikos (AlN) šilumos laidumas yra didesnis nei 200 W/m · K, todėl jie yra tinkamiausias pasirinkimas didelės galios medicininiams lazeriams. Pavyzdžiui, tam tikras pramoninės klasės mėlynos violetinės spalvos lazerio modulis turi trijų sluoksnių struktūrą, pagamintą iš aliuminio nitrido pagrindo grafeno vario pagrindu, kuris sumažina šiluminę varžą nuo tradicinio dizaino 5 laipsnių /W iki 1,2 laipsnio /W ir sumažina lusto jungties temperatūrą 30 laipsnių tuo pačiu galingumu.

2. Suvirinimo sluoksnių medžiagų atnaujinimas
Litavimo sluoksnis yra svarbus kanalas šilumos perdavimui iš lusto į pagrindą. Auksinis alavo lydmetalis (AuSn) tapo standartine medicininių lazerių suvirinimo medžiaga dėl didelio šilumos laidumo (58 W/m · K), aukštos lydymosi temperatūros (280 laipsnių) ir atsparumo nuovargiui. Eksperimentiniai duomenys rodo, kad moduliai, naudojantys AuSn iš anksto suformuotas litavimo trinkeles, gali užbaigti litavimą per 30 sekundžių esant 310 laipsnių šildymo temperatūrai, o litavimo sluoksnio storis yra vienodesnis nei tradicinė litavimo pasta, o šiluminė varža sumažėja 40%.

3. Šilumos šalinimo medžiagų parinkimas
Varis (šilumos laidumas 401 W/m · K) ir aliuminis (šilumos laidumas 237 W/m · K) yra dažniausiai naudojamos šilumos šalinimo medžiagos, tačiau vario tankis (8,9 g/cm³) riboja jo naudojimą nešiojamuose įrenginiuose. Siekiant subalansuoti našumą ir svorį, medicinos lazeriuose dažnai naudojamos vario molibdeno lydinio (CuW) arba silicio karbido aliuminio (SiC/Al) kompozicinės medžiagos. Pavyzdžiui, tam tikrame 808 nm artimo-infraraudonųjų spindulių terapinio prietaiso naudojama CuW šiluminė kriauklė, kurios šilumos plėtimosi koeficientas (CTE) atitinka lazerio lustą geriau nei grynas varis, o sankryžos temperatūros svyravimai valdomi ± 1,5 laipsnio ribose esant 10 W galiai.

2, konstrukcinis dizainas: padidinkite šiluminę konvekciją ir spinduliuotę
1. Mikrokanalinio aušinimo technologija
Nepertraukiamos bangos (CW) didelės galios{0}}lazeriams (pvz., 1470 nm prostatos garinimo chirurgijos įrangai) mikrokanaliniai aušintuvai (MCC) yra efektyviausias šilumos išsklaidymo sprendimas. Vario pagrindo viduje MCC išgraviruoja 0,1–0,5 mm pločio mikrokanalus, leidžiančius tiesiogiai susisiekti tarp aušinimo skysčio (pvz., dejonizuoto vandens) ir šilumos šaltinio, o šiluminė varža yra tik 0,01 laipsnio /W. Tyrėjų komandos suprojektuotos kosinuso formos mikrokanalų struktūros tolygumas yra geresnis nei 95 %, o vandens siurblio slėgio poreikis sumažintas 30 %, kai aušinimo skysčio srautas yra 1 m/s, esant 20 W galiai.

2. Apversta drožlių pakuotė
Tradicinėje formalioje drožlių pakuotėje šiluma turi būti nukreipta į šilumos šalintuvą per lusto pagrindą (kurio storis apie 100 μm), todėl padidėja šiluminė varža. Apverstos drožlių technologija pašalina pagrindo šiluminę varžą, tiesiogiai prilituojant aktyviąją zoną prie šilumos kriauklės. Eksperimentai parodė, kad 980 nm lazerinio diodo su apversta įpakavimu jungties temperatūra yra 25 laipsniais žemesnė nei įprastos pakuotės esant 5 W galiai, o optinės išėjimo galios stabilumas pagerinamas 15%.

3. Fin masyvo optimizavimas
Mažos ir vidutinės galios medicininiams lazeriams, pvz., plaukų šalinimo lazeriu prietaisams, plaukelių matricos yra ekonomiškiausias{0}}šilumos išsklaidymo sprendimas. Atlikus ANSYS baigtinių elementų analizę, buvo nustatyta, kad kas 1 mm padidėjus peleko aukščiui, šilumos išsklaidymo plotas padidėja 12%. Tačiau kai aukštis viršija 15 mm, oro srauto pasipriešinimas žymiai padidėja. Tam tikro modelio plaukų šalinimo lazeriu prietaisas turi „gradiento peleko“ dizainą, o apatinio peleko aukštis – 10 mm, o viršutinio – 5 mm. Esant 20 W galiai, natūralios konvekcijos šilumos išsklaidymo efektyvumas yra 18% didesnis nei vienodų pelekų.

3, sistemos integravimas: kelių lygių bendradarbiavimo valdymas
1. Puslaidininkinio aušintuvo (TEC) uždarojo ciklo valdymas
Medicininiams lazeriams reikalingas itin didelis bangos ilgio stabilumas (pvz., bangos ilgio poslinkis).<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. Fazių keitimo medžiaga (PCM) padedama šilumos išsklaidyti
Impulsiniams medicininiams lazeriams (pavyzdžiui, lazerinei litotripsijai) fazių keitimo medžiagos gali sugerti šilumą impulsų tarpelyje ir išlyginti temperatūros svyravimus. Mokslininkų komanda į lazerinio diodo pakuotę integravo parafino / išsiplėtusio grafito kompozitinį PCM (lydymosi temperatūra 45 laipsnių). Esant 100 Hz impulsų dažniui, PCM gali sugerti 40% momentinės šilumos, sumažindamas didžiausią sandūros temperatūrą 12 laipsnių.

3. Skysčio aušinimo sistemos perteklinė konstrukcija
Didelės galios medicininiams lazeriams (pvz., naviko fotodinaminės terapijos įrangai) reikalinga aušinimo skystis sistema, tačiau aušinimo skysčio nutekėjimo rizika gali kelti pavojų paciento saugumui. Todėl perteklinis dizainas yra labai svarbus. Tam tikrame įrangos modelyje įdiegta dvigubos cirkuliacijos skysčio aušinimo sistema: pagrindinė cirkuliacija aušina lazerinį diodą, antrinė cirkuliacija – pagrindinį cirkuliacinį siurblį, o nuotėkiai stebimi realiu laiku per slėgio jutiklius. Kai pagrindinės cirkuliacijos slėgis sumažėja 10%, sistema automatiškai persijungia į atsarginį siurblį, kad būtų užtikrintas gydymo tęstinumas.