吳波

（航空工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，西安710068）

0 引 言

隨著微處理器的晶體管的密度和速度持續(xù)提升，使得芯片上產(chǎn)生的熱量急劇增加，為了保證芯片工作在允許的溫度，電子設(shè)備所需要疏散的熱流密度同樣急劇增加。傳統(tǒng)的風(fēng)冷散熱器的散熱能力已經(jīng)達(dá)到了個(gè)人電腦和中、小型服務(wù)器的處理器散熱需求的極限。為了解決這個(gè)問題，出現(xiàn)了很多新型的冷卻方式，例如噴霧冷卻、熱電冷卻、微射流冷卻、薄膜蒸發(fā)冷卻及微通道液體冷卻等。微通道液體冷卻是一種非常有前景的冷卻方案[1]。

用來驅(qū)動(dòng)冷卻劑在微通道熱沉中流動(dòng)的泵，需要使得流體產(chǎn)生高流量以便能及時(shí)疏散芯片上的高熱流。另外，這種泵還必須具有高壓頭，以便克服流體流經(jīng)微通道的阻力。除此之外，這種泵還必須具有體積小、質(zhì)量輕、噪聲低、功耗低、成本低，以及可靠性高的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的泵不僅僅在體積和成本上達(dá)不到要求，還有噪聲高的問題。

微型泵則是一種非常具有吸引力的選擇。微型泵相比傳統(tǒng)流體泵在提供相同流量的時(shí)候體積卻小了一個(gè)數(shù)量級。不僅如此，微型泵還具有價(jià)格低、噪聲低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。

在便攜型和可靠型電子設(shè)備的發(fā)展過程中，電子元件的熱管理越來越引起關(guān)注。一方面電子設(shè)備的功能越來越強(qiáng)大，另一方面要求其總體的質(zhì)量和體積越來越小，這樣的需求在近年來引起了越來越多的關(guān)注。在電子系統(tǒng)中可供選擇的熱管理的策略中，微通道中的液體冷卻這種方式，具有很強(qiáng)的散熱能力，同時(shí)又能具有較小的體積。將微通道直接集成到芯片的背面，這種方式可以減小接觸熱阻和導(dǎo)熱熱阻[2]。同時(shí)，通過液冷循環(huán)，產(chǎn)熱元件和散熱元件可以相互獨(dú)立，解除了終端散熱元件與環(huán)境的對流換熱面積受微處理器面積的限制。驅(qū)動(dòng)液體流動(dòng)需要的大型泵和大功率泵限制了微通道散熱在空間受限電子設(shè)備中的應(yīng)用。因而，新型的微型泵解決方案對于推進(jìn)液體冷卻方式在電子設(shè)備中的廣泛應(yīng)用是非常關(guān)鍵的[3]。

1 機(jī)械位移式微型泵

機(jī)械位移微型泵定義為通過運(yùn)動(dòng)的固-液邊界或液-液邊界在流體工質(zhì)表面施加振動(dòng)或旋轉(zhuǎn)作用的泵。它利用固體或液體的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的壓差來驅(qū)動(dòng)液體。機(jī)械位移微型泵可分為隔膜位移泵和流體位移泵。

其中隔膜泵的運(yùn)用最為普遍，并且可以采用多種不同的激勵(lì)原理來激勵(lì)隔膜產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。這種泵還可以結(jié)合一些閥門裝置來校正流體運(yùn)動(dòng)方式。

隔膜位移泵由泵腔體連接校正流體的進(jìn)口出口閥門組成。在擴(kuò)張階段，由于隔膜的彎曲導(dǎo)致泵腔體內(nèi)的壓力相應(yīng)地下降。當(dāng)進(jìn)口的壓力比腔體內(nèi)的壓力高時(shí)，進(jìn)口的閥門就會打開，流體就會充滿膨脹的腔體內(nèi)。在壓縮階段，隨著隔膜的運(yùn)動(dòng)腔體的體積減小，引起腔體內(nèi)壓力升高，這樣液體通過出口閥排出。

有很多的激勵(lì)原理可以使隔膜產(chǎn)生振動(dòng)，如壓電原理、靜電原理、電磁原理、氣動(dòng)原理及熱聚合物原理是最普遍的方式。

壓電原理驅(qū)動(dòng)隔膜是利用壓電材料在施加電壓的情況下可以產(chǎn)生內(nèi)生機(jī)械壓力，反之亦然。這個(gè)原理在激勵(lì)隔膜式微型泵中運(yùn)用得最為廣泛。壓電材料附著、沉積，或嵌入在隔膜中用于激勵(lì)，施加交變電壓來驅(qū)動(dòng)擴(kuò)張和壓縮沖程。這種激勵(lì)方式的優(yōu)點(diǎn)在于可獲得較大的位移量值和作用力。不同的壓電材料，不同的腔體幾何形狀、閥門的類型等可組合成不同的壓電式微型泵。

靜電原理是利用電極間產(chǎn)生的靜電力來驅(qū)動(dòng)隔膜的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)在一個(gè)反電極和隔膜之間施加電壓時(shí)，它們組成一個(gè)可變電容，靜電力可引起隔膜進(jìn)出反電極。從而使泵腔體內(nèi)壓力降低，流體進(jìn)入腔體。當(dāng)去除電壓時(shí)，隔膜彈回，壓力增大，流體排出。

電磁原理和磁原理是通過電場力或洛倫茲力來驅(qū)動(dòng)隔膜。熱原理是利用熱聚合材料和記憶金屬材料的特性來驅(qū)動(dòng)隔膜。氣動(dòng)原理是通過氣體壓力的變化來驅(qū)動(dòng)隔膜。

蠕動(dòng)泵通過對泵的彈性輸送軟管交替進(jìn)行擠壓和釋放來泵送流體。就像用手指擠壓一根充滿流體的軟管，隨著手指向前滑動(dòng)，管內(nèi)流體也隨之向前移動(dòng)。

流體位移泵的特點(diǎn)是工質(zhì)液體直接被另一種二次流體控制，而不使用隔膜。驅(qū)動(dòng)流體與工質(zhì)流體是直接接觸的，因而它們應(yīng)該是不相溶的。在液體驅(qū)動(dòng)液體的例子中，鐵磁流體廣泛用于激勵(lì)的機(jī)制中；在氣體驅(qū)動(dòng)液體的例子中，激勵(lì)原理包括相變和氣體邊界。

鐵磁流體機(jī)制通過外部永磁體的線性周期運(yùn)動(dòng)使鐵磁流體形成鐵磁流體活塞，從而直接驅(qū)動(dòng)液體。

相變微型泵利用相變時(shí)的體積變化來驅(qū)動(dòng)流體。通常采用的相變方式為液體蒸發(fā)相變，因?yàn)檫@個(gè)過程中體積會急劇增加。氣泡泵和電化學(xué)泵都屬于這一類。氣泡泵是靠熱能驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的蒸汽泡的升力在系統(tǒng)中產(chǎn)生流體流的熱輸送裝置。

2 電磁動(dòng)力微型泵

這種泵定義為直接提供能量傳遞來驅(qū)動(dòng)液體，并由于作用力在體積上的連續(xù)性而產(chǎn)生穩(wěn)定的流動(dòng)。

電磁動(dòng)力的微型泵直接將電磁形式的能量轉(zhuǎn)換成流體的運(yùn)動(dòng)。由于這種形式的驅(qū)動(dòng)過程呈現(xiàn)連續(xù)作用方式，驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的流動(dòng)通常比較穩(wěn)定。電動(dòng)力泵通常利用電場推動(dòng)泵通道中的離子，進(jìn)而通過黏性力帶動(dòng)整個(gè)流體實(shí)現(xiàn)動(dòng)量傳遞。磁動(dòng)力泵通常利用施加在整個(gè)流體上的洛倫茲力來驅(qū)動(dòng)通道中的流體。

電液力泵（EHD）是利用作用在電介質(zhì)液體上的靜電力產(chǎn)生流動(dòng)，根據(jù)電荷產(chǎn)生原理的不同可以分為感應(yīng)式電液力泵、注入式電液力泵和極化式電液力泵三種類型。感應(yīng)式電液力泵要求工質(zhì)具有電導(dǎo)率或電容率的梯度。這種梯度可以通過各向異性流體的加熱或物性的不連續(xù)獲得。物性的不連續(xù)可出現(xiàn)在分層流體混合、粒子懸浮流體等。在流體通道邊界的電極上施加有交變電流，電壓隨時(shí)間變化，將產(chǎn)生在工質(zhì)流體中產(chǎn)生移動(dòng)電場波，這種移動(dòng)電場波將在電導(dǎo)率或電容率出現(xiàn)梯度的地方感應(yīng)出電荷，電荷隨空間和時(shí)間變化感生或消散，同時(shí)由于黏性力帶動(dòng)整個(gè)流體運(yùn)動(dòng)。顧名思義，注入式電液力泵和極化式電液力泵分別靠外部注入電荷和極化產(chǎn)生電荷來產(chǎn)生靜電力。

電滲泵是利用電解質(zhì)溶液在外加電場作用下的電滲現(xiàn)象驅(qū)動(dòng)液體。對于硅基的通道而言，當(dāng)電解質(zhì)流對通道壁面時(shí)，將產(chǎn)生電荷的重新分配?？煞譃橹绷餍秃徒涣餍?。

磁流體動(dòng)力泵利用電流在磁場中受到洛倫茲力作為驅(qū)動(dòng)工質(zhì)的動(dòng)力。電浸潤泵應(yīng)用在特殊場合，其原理為溶液中液態(tài)金屬在電壓作用下表面張力改變，利用表面張力作為動(dòng)力。

3 微型泵在芯片熱管理中的應(yīng)用

當(dāng)微型泵用在電子設(shè)備的熱管理場合中，通常需要泵提供較大的流量來適應(yīng)高熱流密度。由于翅片和微通道用于增大可用的換熱面積，因而在這種場合中，要求泵能克服較高的壓降。要設(shè)計(jì)出同時(shí)滿足這兩個(gè)要求的泵是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。同時(shí)，在這種場合中，泵需要有較長的使用壽命。

液冷微通道散熱器是一項(xiàng)新興的有效冷卻技術(shù)。微通道散熱器熱沉包含了平行的矩形、梯形或三角形通道。水力直徑一般為100～1000 μm。在微通道散熱器中可以利用單相流動(dòng)對流換熱將熱量帶走，也可以利用液氣相變過程中的汽化潛熱帶走熱量。相比其他方式具有噪聲低、效率高和成本低的優(yōu)勢。

用在微通道散熱器驅(qū)動(dòng)冷卻劑的微型泵需要提供較高的流量和壓頭。同時(shí)需要泵體積較小，質(zhì)量較輕，無噪聲，節(jié)能，低成本和高可靠性。傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械泵無法滿足這些要求。

微型泵在這種微通道散熱器散熱器中有兩種應(yīng)用方式：一種為外部式，另一種為集成式。外部微型泵的微通道冷卻系統(tǒng)的原理如圖3所示，其缺點(diǎn)在于單獨(dú)一個(gè)泵不能同時(shí)提供所需的較大流量和較大壓頭，往往需要多個(gè)泵串聯(lián)起來，這種設(shè)計(jì)增大了泵的體積。

集成式微型泵的微通道冷卻系統(tǒng)的原理如圖4所示，微型泵集成在微通道里面，占用同一部分空間。泵和通道可采用壓電原理泵和電磁原理泵構(gòu)建局部結(jié)構(gòu)。這種一體式的設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊，且驅(qū)動(dòng)效果更為理想。

4 結(jié)語

本文對各類微型泵的原理進(jìn)行了介紹，并對各種微型泵在微型電子設(shè)備中的適用性進(jìn)行了可行性分析。同時(shí)介紹了微型泵在電子設(shè)備熱管理中的應(yīng)用情況。