综述：压电主动式空气冷却散热器件
2025-10-13 11:14:33   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

随着电子设备的功耗和微型化程度的提升，传统的液冷与风扇系统难以满足高热流密度下的散热需求，尤其是在空间受限的设备中。压电效应能够实现电能与机械能的转化，因压电MEMS的高集成能力，通常用于传感器与执行器领域，特别是在微尺度下。近年来，微型压电风扇因其具有高效散热、低能耗、高性能及紧凑结构等优点而受到越来越多的关注。

据麦姆斯咨询报道，近期，上海交通大学易志然助理研究员、张文明教授团队在Chip期刊上发表了题为“Piezoelectric Active Air-Cooling Devices”的综述论文，概述了压电风扇、射流散热器/冷却器的工作原理，总结了其结构设计及性能表现，并探讨了其在实际应用中的优缺点，重点关注了压电可动部件设计、腔体设计以及气流进出口设计对冷却散热性能的影响。此外，该综述还探讨了压电散热器的布局优化与安装配置，讨论了其最佳应用场景。总体而言，压电冷却散热技术在未来电子设备的热管理中展现出巨大的应用潜力，尤其适用于高性能、低功耗、微型化的电子设备。

压电材料是一类典型的功能材料，具有将机械能转化为电能（正压电效应）和将电能转化为机械能（逆压电效应）的能力。它可被直接驱动（无需外部机械驱动系统），可实现高度紧凑的设计，适用于微型化电子设备。同时，压电材料响应速度快，能够以极低的能耗驱动高频振动，非常适用于需要高效率、低能耗的应用场景，例如微泵、微执行器和微传感器等。在此背景下，压电材料的独特特性逐渐被应用于电子设备的冷却散热技术中，以提升散热效率并减少空间占用。

基于压电材料的微型风扇在电子散热系统中的应用日益广泛。典型的例子是村田（Murata）公司开发的压电风扇，通过压电驱动器的振动在分离流控制和散热应用中展现出优异的性能。与传统的机械风扇相比，压电风扇具有更高的气流速度和更低的功耗，能够在更小的空间内实现显著的散热效果。此外，基于压电材料的双射流散热（DCJ）系统采用两个压电驱动器交替压缩和膨胀，产生垂直气流实现对流散热。

一些新兴公司也相继设计并推出了用于冷却散热的压电风扇产品。例如，xMEMS公司推出的压电散热风扇XMC-2400采用薄膜压电驱动技术，在9.26 × 7.6 × 1.08 mm³的封装内可提供约2.3 L/min的气流量和1000 Pa的背压，功耗约为0.03 W。据该公司介绍，该器件在可靠性、静音性以及防水性能方面均能满足要求。另一个例子是Frore Systems公司推出的AirJet产品，其封装尺寸为27.5 × 41.5 × 2.8 mm³，能够在热源温度为85°C时移除5.25 W的热量，噪声仅为21 dB，最大功耗仅1 W，可产生5.9 L/min的气流和1750 Pa的背压。

图1 压电主动式散热风扇的发展里程碑

压电散热器件的实现方式主要可分为两种类型：一种是风扇型散热器，其中压电元件驱动悬臂梁振动以直接产生气流；另一种是射流型散热器，其中压电元件与悬臂梁在腔体内振动，迫使气流通过小孔并从气腔中喷出。射流型压电散热器件又可进一步分为两类：零净质量射流型与非零净质量射流型。

压电风扇（如图2a所示）由叶片和压电元件构成。工作时，压电驱动器通过交流电驱动压电元件产生微小的几何膨胀和收缩。这种变形传递至叶片，使其产生高幅值、高频率的振动。这些振动扰动周围空气，形成涡流并推动气流，从而在风扇下游区域产生显著的风速。通过这种方式，压电风扇能够在紧凑的体积内实现强气流，提高散热与气流控制效率，同时保持高能效。

图2 三种不同类型压电散热器的工作原理

在零净质量射流型压电散热器中（如图2b所示），当施加交流电压时，压电驱动器因压电效应而发生弯曲，使腔室产生膨胀或压缩。随着交流电压极性的高频交替，压电元件产生往复耦合振荡，从而压缩空气，使空气持续从同一喷口被吸入和排出，形成用于散热的射流流动。在此过程中通常形成合成射流（synthetic jet），确保系统内无净质量增量。其产生定向气流的机制在于喷口处空气的交替吸入与喷出，带动周围流体沿喷口方向流动。其关键特征是：喷口本身没有产生净质量流动，但周围空气却形成单向气流。这一特性使该器件消除了对输入管道或复杂流体封装的需求，非常适合使用微加工技术进行低成本批量制造。

非零净质量射流型压电散热器件（如图2c所示）的主要特征在于其进气口与排气口相互独立，可产生连续射流。当施加交流电压时，压电陶瓷片发生膨胀、伸缩或弯曲变形，带动连接的薄膜振动。薄膜的往复振动使腔体通过进气口周期性吸入空气，并经排气口排出。通过腔体结构的不对称设计或进、排气口的布局，可以控制进、排气的方向。

本综述探讨了微型压电散热器件的众多设计细节：

可动部件的振动特性直接影响机械能转换效率。优化工作侧重于最大限度地提高气流输出和传热效率，这可通过多种途径实现：选择轻质且柔性的材料（例如薄塑料膜或轻金属箔）以增强振幅；调整长厚比以平衡谐振频率与振幅；采用一阶振动模式以强化涡流生成；优化叶片几何形状（例如发散型或指状设计）并进行圆边处理以改善流场；使用高模量粘合剂（例如环氧树脂）并精确控制粘合层厚度，以提高振动传递效率和结构可靠性。

腔体的结构配置决定气流的空气动力学特性。优化策略旨在提升气流性能并适应特定应用场景。方法包括：将腔体尺寸和深度与工作频率协同设计，使结构谐振与亥姆霍兹（Helmholtz）谐振匹配；选择高效的腔体类型，例如性能优于圆形射流的狭缝射流；采用阶梯状或锥形腔宽度及倒角界面以减少流动扰动；以及集成四分之一波长管以抑制逆向振动传递。

气流的进出口设计直接影响射流的强度和方向性。优化的重点在于提升流速同时减少回流，可采用的方法包括：优化喷口的直径与厚度比；采用具有高传热性能的喷口几何形状，例如矩形或尖锐的椭圆形开口；设计内部流道（例如喇叭状通道以加速气流）；利用外部结构（例如平行管道或烟囱状设计）增强散热效果；以及实施阀门机制——包括具有排量控制的虚拟阀或具有主动开闭功能的实体阀——以确保气流单向流动。

布局与安装配置可系统性地提升整体热管理性能。优化的目标在于增强流场协同与热覆盖范围，具体策略包括：在串联配置中使用异相信号驱动多射流阵列；布置具有同相振动和最小间距的多风扇阵列；根据热需求选择集中式布局（用于局部强化）或分布式布局（用于广域覆盖）；在与散热片结合时，水平对齐风扇并优化翅片参数；并严格限定从设备到热源的距离以及安装角度。

本综述进一步探讨了压电MEMS散热器，由于其具备微型化和高性能的特性，非常适用于高密度电子器件。该综述重点介绍了此类器件在微型化设计方面的最新进展及其未来前景，特别是在智能化与集成化冷却解决方案中的应用潜力。压电MEMS散热器的示例包括无阀压电阻抗微泵、基于压电驱动与主动阀的新型蠕动式微泵、压电MEMS合成射流冷却器等。

图3 无阀压电阻抗微泵示例

图4 基于压电驱动与主动阀的新型蠕动式微泵示例

图5 压电MEMS合成射流冷却器示例

本综述详细探讨了基于压电效应的冷却散热技术，该技术通过将电能转化为机械能来驱动微型风扇或射流执行器，从而实现高效散热。随着电子设备功率的增加及其微型化趋势的发展，传统散热方式在高热流密度，尤其是空间受限的应用场景中，已逐渐无法满足需求。压电冷却散热技术凭借其低能耗、高效率和结构紧凑等优势，展现出巨大的潜力，为未来的热管理提供了新的思路。

总体而言，压电散热器件为微电子设备的热管理挑战提供了一种高效、低噪声、低功耗的解决方案，具有广阔的应用潜力。然而，其实际应用仍受到若干关键问题的制约。未来的研究需聚焦于开发抗疲劳的材料、建立标准化制造流程，以及推进基于AI的动态热管理算法方面，以推动压电冷却散热技术在高性能芯片中的可扩展部署。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.chip.2025.100163

延伸阅读：

《MEMS风扇论文与专利态势分析-2025版》

《下一代MEMS技术及市场-2025版》