采用压电微泵驱动微流道的芯片级热管理系统研究与制备

随着微电子技术的快速发展,集成电路芯片的集成度不断增加,导致芯片产生高热流密度。热流密度的急剧增加将会严重威胁电子设备的可靠性。高热流密度问题也成为了限制集成电路发展的瓶颈。因此,对于电子器件散热技术的研究变得越来越重要。微流道散热器是目前应用在高热流密度微电子芯片的一种有效散热技术。微泵是一种其将电能、热能或机械能转化为流体动能的设备,是微流控系统的重要组成部分,微泵可以作为微流道散热器的液体驱动源。压电微泵利用压电效应将电能转化为机械形变,驱动液体的流动。压电微泵具有结构简单、驱动力大、效率高,机械响应快、易于集成等优点,在生物医学、化学分析、航空航天、微电子冷却等领域得到广泛应用。根据微泵中流体控制部件的组成不同,压电微泵可以分为有阀微泵和无阀微泵。尽管无阀微泵并不能完全限制液体的回流。但其与有阀微泵相比具有高可靠性、结构简单等优点。并且在高频下有更好的性能。本文对扩张/收缩管无阀压电微泵的性能进行了研究。主要包括以下内容:1.本文建立动态有限元模型对扩张/收缩管无阀微泵进行仿真研究。仿真结果表明,无阀微泵的流量特性不仅取决于扩张/收缩管,还与整个结构有关。当流体通过收缩管时,与收缩管出口想接触的腔体被认为是一个具有180°角的扩张管。这种扩张管工作在射流区,高速流体会在收缩管和腔体的交接区域产生湍流,这些湍流相当于一个“虚拟阀”,它可以阻止回流,使微泵产生单向流动。2.研究发现,湍流程度与流体速度密切相关,而流体速度则由输入电压决定。当输入电压大于阈值电压(20V)时,“虚拟阀”被激活,湍流开始出现,并且随着输入电压的增加不断增大,微泵的流量也随之增加。3.实验结果测得圆锥型扩张/收缩管无阀微泵的输出流量可与一般的有阀微泵相比拟,其最大流量可以达到5.4ml/min。4.对圆锥型扩张/收缩管无阀压电微泵的结构参数进行仿真,具体结果如下:(1)微泵流量随泵腔高度的变化曲线呈先增大后减小的趋势。(2)微泵的流量随着两个扩张/收缩管的间距而增大,最后趋于稳定。(3)微泵流量随进/出口腔体直径的增大而增大,最终趋于平稳。5.平面扩张/收缩管无阀压电微泵的流量在一定范围内随着扩张/收缩管角度2θ的增大而增大。最优值并不是10°。因此,以前被广泛采用的最佳“10°规则”应予以纠正。6.微流道散热器的散热性能通过COMSOL Multiphysics进行仿真计算。仿真结果表明,热源温度随微泵流量的减小而减小,最终趋于稳定。最后,建立了微泵驱动微流道散热器的散热装置,仿真分析的结论通过实验得到了验证。