基于mems的微介电液滴冲击冷却系统建模及其实施技术研究

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1、浙江人学硕j：学位论文10。C，系统可靠性将降低50％t41；器件的工作温度每升高10。C，其失效率增加1倍巧1。超过55％的电子设备的失效是由于温度过高引起的‘61。为保证电子元器件J下常有效的工作，必须将电子元器件工作时产生的大量热量及时带走，保证元器件的内核与表面温度维持在相对较低的水平。研究表明微电子器件的温度每降低10。C，其性能就能提高3％141)电子元器件使用温度的降低不仅可以更好地发挥其性能，而且能够产生可观的经济效益，因而对电子元器件散热的研究就成为国内外学者竞相研究的课题。因此，在极其有限的空间内实现有

2、效的散热成为电子设备设计中亟待解决的一个关键技术。1．2微冷却技术概述1．2．1微芯片冷却技术的发展趋势微机电系统(MEMS)是20世纪末兴起并得到迅猛发展的军民两用的交叉性的高技术领域，欧美及日本等发达国家对此都投入了相当多的人力和财力进行研究1710据美国国防部的相关部门估计，进入21世纪以来，全球对MEMS的投资将以近乎成倍的速度递增邛1。MEMS是指基于(但不限于)IC工艺设计并制造、可批量生产、集电子元件与机械器件于一体的微小系统。MEMS主要具有如下的优点：尺寸小、质量轻、响应快、准确度高、性能好、可以集成控制

3、、感应和执行等多种功能，生产成本低，生产周期短，能耗低，对环境的损害小等。基于以上优点，MEMS在发展不到20年的时间里已经广泛应用于化工工业、能源动力、信息通讯、国防产业、航空航天和医药及生物工程等领域，而且在家庭服务、人体研究及环境治理等方面也有巨大的应用前景，因此甚至有人把MEMS称为“机械复兴"。以MEMS技术制造的微冷却器，具有体积小，散热面积大，消耗功率低，批量制作成本低廉等优点，受到普遍关注。如果能在工艺上有所突破，微冷却器将成为未来冷却系统的主流。美国在这方面的研究处于领先地位，但在近10年的研究还仅处于实

4、验室研究阶段，直到2003年10月6日，由斯坦福大学机械工程学院的肯·杜德桑、汤姆·肯尼和胡安·圣地亚哥3位教授创办的Cooligy公司宣布研制成商品化的主动式微通道冷却器，散热潜力高达1000W／cm2(当前最高端的处理器的热输出量约为250W／cm2)‘91，这将是微冷却器发展史上的一个里程碑，标志着这一技术开始步入商业化运作。国内从事MEMS研究的科研院所很多，但进行微冷却器研究却仅有少数几家。清华大学、重庆师范学院等单位在微冷却器的传热理论研究方面进行了有益探索。其中，重庆师范学院研究人员任广恒等，探讨了微通道平板

5、堆叠式结构冷却器的散热模型t10l。目前在研的新型2浙江人学硕l二学位论文微冷却器方案有数十种，按照制冷机理，可以分为两大类：热电冷却和强制液冷。热电冷却的原理是：两种不同材料组成的电回路在有直流电通过时，两个接头处分别发生了吸放热现象。热电冷却早已被用于在体积和重量上有较高限制的航空航天领域。但热电制冷器的产冷量一般很小，所以不宜大规模和大制冷量使用。目前的研究主要是侧重于MEMS工艺的引入，使其小型化，并在有限的范围内提高散热功率。强制液冷方面的研究相对比较活跃。主体由散热板、泵和换热器构成。散热板吸收芯片上的热量，通

6、过液体循环将热量输送到换热器，再由换热器将热量传给外界。水箱和过滤器属于辅助装置。各种方案的不同之处主要是散热板和泵。泵可采用普通泵和微泵。对于台式电脑，空间限制不是太苛刻，可用普通泵。但有些场合空间有限，如笔记本电脑，就须考虑用微泵。Cooligy公司的微冷却器，就采用了电渗泵。微泵也是MEMS的一个重要研究领域。散热板是微冷却器的核心部件，也是产生实质性差异和最具创新价值的一个部件。微流动系统是MEMS的一个重要分支，近年来已经成为热门的研究领域。微泵作为一个重要的微流动系统的执行器件，是其发展水平的重要标志。将MEM

7、S技术应用于微电子器件的热控制已经引起广泛关注。池浸没冷却方式可以使整个芯片的温度保持在一个稳定的范围，但是对冷却液的相变机制难以掌握也造成应用困难，并存在着温度过调、沸腾初始滞后作用等问题。热管和蒸气腔冷却不要求额外的电能提供且其工作液存在于一个封闭腔内，但是这种毛细驱动设备对于产生上百瓦能量的芯片来说就不适应了，最近关于在硅片上全微加工毛细驱动循环的研究能够改善芯片的热传播，这种方法能够解决热点问题，但没有解决把热量转移到外围环境。热电冷却由于可与超大规模集成电路工艺集成受到欢迎，近期的研究产生一种新型超晶格材料改善了

8、热电冷却效果，然而固态制冷增加了加热速度且限制了液体冷却。目前，科研人员更多地是关注活动流体技术，例如能够通过微槽道快速运输液体的微泵。举个例子，由蒋力男Ⅲ1等人提出的闭环两相微槽道冷却系统利用电渗泵输送液体。同样，一个基于MEMS微毛细泵送循环已被提出，该系统把蒸气腔、冷凝器、储存器和液体流道集成在一