压电风扇、包含其的冷却装置及冷却微电子器件的方法

摘要

本发明公开“压电风扇、包含其的冷却装置及冷却微电子器件的方法”。压电风扇包含压电致动器片(110，210，310)以及附连于该压电致动器片的叶片(120，220，320)。叶片具有孔(121，127，221)，邻近于该孔设有门(122，128，222)，门附连于叶片(如通过铰链(123，129，223))以使门能够开闭。

说明书

技术领域

本发明公开的实施例一般涉及微电子器件的热学管理，尤其涉及压电冷却风扇。

背景技术

微电子器件在其运行期间会产生热量，并且必须将此热量安全消散以改善可靠性和性能，并防止过早失效。一种散热方法是使空气流过温度升高区域。该气流将受热的空气从高温区域带走，并将其放置在其效应将不会成为问题的较冷区域，并吸入较冷空气至高温区域以取代移走的受热空气。

发明内容

本发明的第一方面是一种压电风扇，其中包括压电致动器片和与所述压电致动器片附连的叶片，其中所述叶片包括孔和与所述孔邻近的门，所述门通过容许所述门开闭的铰链附连于所述叶片。

或者，所述压电风扇中：所述叶片具有长轴和短轴，并且所述铰链实质上平行于所述短轴。

或者，所述压电风扇中：所述孔是所述叶片中多个孔中的第一孔；所述门是附连于所述叶片的多个门中的第一门；与所述第一门一样，所述多个门中的每个门均邻近于所述多个孔中的一个孔；并且，与所述第一门一样，所述多个门中的每个门通过容许所述门开闭的铰链附连于所述叶片。

或者，所述压电风扇中：多个门的第一门用第一材料制成，并且多个门的第二门用第二材料制成。

或者，所述压电风扇中：所述叶片具有邻近于所述压电致动器片的基部和与所述基部相对的端部；所述第一孔和所述第一门邻近于所述端部，且多个孔中没有其它孔且多个门中没有其它门比所述第一孔和所述第一门更邻近所述端部；并且，所述第一孔比多个孔中的其它孔大，并且所述第一门比多个门中的其它门大。

或者，所述压电风扇中：所述叶片具有长轴和短轴，并且所述铰链实质上平行于所述长轴。

或者，所述压电风扇中：所述门具有第一长度，且所述铰链具有第二长度；并且所述第二长度不超过所述第一长度的三分之一。

或者，所述压电风扇中：所述门用橡胶制成。

或者，所述压电风扇中：所述门用织物制成。

或者，所述压电风扇中：所述门用塑料制成。

本发明的第二方面是一种冷却装置，其中包括具有基部以及从所述基部伸出的多个翅片的热沉和压电风扇，其中所述压电风扇包括：压电致动器片；以及附连于所述压电致动器片的多个叶片，所述多个叶片中的每个叶片包括：孔；以及与所述孔邻近的门，所述门通过容许所述门开闭的铰链附连于多个叶片中的一个叶片，并且所述多个翅片和多个叶片以彼此交替的关系设置。

或者，所述冷却装置中：所述多个叶片中的每个叶片具有长轴和短轴；并且所述铰链中的每个铰链实质上平行于所述短轴。

或者，所述冷却装置中：所述孔是多个叶片中的每个叶片中的多个孔中的第一孔；所述门是附连于多个叶片中的每个叶片的多个门中的第一门；与所述第一门一样，多个门中的每个门邻近于多个孔中的一个孔；并且，与所述第一门一样，多个门中的每个门通过容许所述门开闭的铰链附连于多个叶片中的一个叶片。

或者，所述冷却装置中：每个叶片中的所述第一门用第一材料制成；并且每个叶片中的多个门中的第二门用第二材料制成。

或者，所述冷却装置中：所述多个叶片中的每个叶片具有长轴和短轴；并且所述铰链实质上平行于所述长轴。

或者，所述冷却装置中：所述门用一种从由橡胶、织物及塑料组成的组中选出的材料制成。

本发明的第三方面是一种冷却微电子器件的方法，所述方法包含如下步骤：提供压电风扇，其中包括：压电致动器片和附连于所述压电致动器片的叶片，其中所述叶片包含孔和与所述孔邻近的门，并且所述门通过容许所述门开闭的铰链附连于所述叶片；将所述压电风扇邻近所述微电子器件而设置；以及以这样的方式操作所述压电风扇，即当所述叶片沿第一方向移动时门打开，当所述叶片沿第二方向移动时门关闭。

或者，所述方法中：操作所述压电风扇的步骤包含在其共振频率上驱动所述叶片。

或者，所述方法中还包括：调整所述叶片以使所述叶片的共振频率低于100赫兹。

或者，所述方法中：调整所述叶片的步骤包含选取用以制造门的材料。

附图说明

通过结合附图阅读下面的详细描述将更好地理解所公开的实施例，附图中：

图1是根据本发明一实施例的压电风扇的平面图；

图2是根据本发明另一实施例的压电风扇的平面图；

图3是根据本发明一实施例的包含压电风扇的冷却装置的正视图；

图4是说明根据本发明一实施例的微电子器件冷却方法的流程图；

图5是根据本发明一实施例的操作图1的压电风扇的侧视图；以及

图6是根据本发明一实施例的操作图2的压电风扇的侧视图。

为了简单并清楚地说明，附图示出了结构的主要样式，并省略了众所周知的特征及技术的描述和细节，以避免无谓地使对本发明描述的实施例的讨论模糊不清。此外，没有必要按尺寸绘制附图中的要素。例如，可以相对于其它要素而夸张地放大图中一些要素的尺寸，以帮助增加对本发明实施例的理解。不同图中的相同附图标记表示相同要素。

若说明书和权利要求中出现“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等等用语，则是用于相似要素之间的区别，并不必然用于描述特别连续或按时间排列的顺序。应当理解，在合适环境下，这样使用的术语是可以互换的，以致文中描述的本发明实施例能够以与在此描述或说明的那些顺序不同的顺序操作。类似地，如果文中描述的一种方法包含一系列步骤，在此出现的这些步骤的顺序不一定是执行这些步骤的唯一顺序，并且某些提到的步骤可忽略和/或可将没有在此描述的某些其它步骤加入该方法中。此外，术语“包含”、“包括”、“具有”及其任意变形，用来涵盖非排他性的包含，这样包含一系列要素的一种过程、方法、物件或装置不一定仅限制于那些要素，而是可包含没有特别列出的或这些过程、方法、物件或装置所固有的其它要素。

若说明书和权利要求中出现“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“上”、“下”等等用语，则是用于描述的目的，并不一定用于描述固定的相对位置。应当理解，在合适环境下，这样使用的术语是可以互换的，以致在此描述的本发明实施例能够以与这里示意或描述的方位不同的其它方位进行操作。如文中使用的术语“耦合”，定义为以电或非电方式进行的直接或间接附连。文中描述的彼此“邻近”的物体可以是彼此物理接触、彼此很接近或彼此大体在相同区域或地方，这与使用此短语的上下文相适应。文中出现的用语“在一个实施例中”不必一定都指同一实施例。

具体实施方式

在本发明一个实施例中，压电风扇包含压电致动器片以及附连于该压电致动器片的叶片。叶片上有孔，并且有一门邻近于该孔并固定于该叶片(如用铰链)，以致该门能够开闭。

压电风扇通过将所施加的电场转换为固定于叶片的压电材料中的应力或应变来产生气流。压电材料中的应变产生使叶片移动一个振幅的偏转，该振幅取决于所施加电场的频率和电压。此动作在传统压电风扇中会产生局部旋涡，从而导致邻近风扇叶片处的空气再循环，因此限制了风扇冷却潜力。这样的局部旋涡从移动空气中夺取能量和动力，因此影响了风扇效率。本发明的一些实施例可减少或消除了该气流再循环，并能够因此增加净空气流速，得到更好的冷却性能。本发明的一些实施例在小尺寸装置中具有特殊价值，因为这些实施例提供了在需要时去除系统风扇的可能性。

现在参看图，图1是根据本发明一实施例的压电风扇100的俯视图。如图1所示，压电风扇100包含压电致动器片110以及附连于压电致动器片110并包含孔121和与孔121邻近的门122的叶片120。门122通过容许门122开闭的铰链123附连于叶片120。叶片120具有长轴125和短轴126。如在图1中所见，铰链123的最长尺寸基本上平行于短轴126。

在一个实施例中，叶片120包含多个孔，其中包括孔121，每个孔与其自己的门关联并邻近，该门与叶片120附连。这些门中的每个，如门122，用容许门开闭的铰链附连于叶片120。在图示的实施例中，叶片120还包括位于孔121附近的孔127以及通过铰链129附连于叶片120的门128。作为一例，孔127、门128和铰链129可分别与孔121、门122和铰链123类似。

图1示出了门122和128处于打开位置，就像它们直接伸出纸面朝向观察者。因此，只有它们的前端是可见的。注意，门122和128分别比孔121和127大，这样门不能穿过孔。这在图1中通过这样的事实示出，门122和128(沿着铰链123和129)延伸而越过孔121和127周边，即门比孔宽。门122和128也可比孔长，尽管这不能根据观察图1来确定，或者，在未图示的实施例中，门122和128可比孔121和127长但不比孔121和127宽。

根据一个实施例，门122用第一材料制成，而门128由不同材料制成。在至少一个实施例中，门122和128可以很薄——比叶片120薄。叶片120频率可通过选择具有特殊密度、质量和其它性质的门122和128材料来调节。用由不同材料制成的门可使叶片120能够被加工成其共振频率低于100赫兹，这是一个低于该值将听不到叶片振动的近似阈值。在另一不同的可能不需要这种频率调节的实施例中，门122和128均可用相同或相似材料制成。

作为示例，一个或多个门122和128(或其它未示出的)可由橡胶、织物、塑料或类似材料制成。橡胶材料可提供宽范围的尺寸、质地、厚度、硬度及其它特性。橡胶还具有非常高的弹性模量并因此使门具有低共振频率，并具有上面描述的附带优点。如果使用塑料，在一个实施例中它可以比叶片120薄。无论使用什么材料，一般应当是薄的、轻的并具柔韧性，这样不需要在最小重量上增加多少就可以随着叶片120而弯曲。

如果像门122(和/或门128)那样用塑料制作叶片120，那么可以通过简单溶剂粘合工艺来形成铰链123(和/或铰链129)，在溶剂粘合工艺中叶片和门的表面一起用溶剂溶解并被按压。当溶剂蒸发时，这两部分固化并成为一体而用作铰链。也就是说，溶剂粘合工艺将门122(和/或门128)附连于叶片120，并且门一端的重叠区域将成为铰链123(和/或铰链129)。如果叶片是金属的，仍可用织物或塑料来构成门，但是可能需要用胶或其它粘结剂来附连(因为金属不溶解于溶剂中)。

仍参看图1，叶片120具有邻近压电致动器片110的基部131以及与基部131相对的端部132。孔127以及门128和铰链129均邻近于端部132，并且比叶片120的任何其它孔或门更接近于端部132。孔127和门128也比叶片120的其它的门孔大。其原因是它比叶片120其它部分移动得更快，因为它必须在给定的时间段内端部132移动更大的距离。因为与更快速移动的端部132临近，门128因叶片120的运动而经受比远离端部132的其它门更大的力，并且该更大的力足以关闭更大(且更重)的门。

图2是根据本发明一实施例的压电风扇200的平面图。如图2中示出的，压电风扇200包含压电致动器片210以及附连于压电致动器片210的叶片220。叶片220包含孔221和邻近于孔221的门222。门222比孔221大(例如更宽和/或更长)，这意味着孔221在图2(但是，以相关数字和箭头显示出它的存在)中是看不到的。虽然只有单个门被示出，但是未示出的实施例可具有不止一个门。空间限制、制造细节以及其它因素将限制可使用的门的数量。

门222通过容许门222开闭的铰链223附连于叶片220。作为一例，压电致动器片210、叶片220、孔221和门222可分别与图1中示出的所有压电致动器片110、叶片120、孔121和门122类似。在某些方面，铰链223也可与图1中示出的铰链123类似，但是，至少一些实施例可能会有某些区别，如相对于风扇叶片的方位，下面对此更全面描述。

叶片220具有长轴225和短轴226。如在图2中可见，铰链223的最长尺寸基本上平行于长轴225。铰链223的这种方位意味着门222从叶片220一侧向另一侧摆动(而不是如压电风扇100的门122那样从一端到另一端(即从基部到端部或从端部到基部)的摆动)。

在一些实施例中，压电风扇200还包含额外的铰链224，其与铰链223一起将门222附连到叶片220。在各种不同的实施例采用一个或多个铰链223和224，并将它们沿着门222设置在各种位置，无论是位于图2所示铰链223处或其附近的门222的中心，还是朝向位于图2所示铰链224处或其附近的门222的端部，或位于一些其它位置(如在孔221另一侧上)。

在图示的实施例中，门222具有第一长度，并且铰链223具有不超过第一长度的三分之一的第二长度，而在一些例中更短。这样的一个原因是因为图2结构中的簧片(spring)长度易使叶片220变得刚硬，由于在其运动期间它们与叶片120的弯曲方向一致，更长的簧片可增大此效果。因此，对于压电风扇200的至少一些实施例中(或根据本发明其它实施例的其它压电风扇)，可优选采用较短的簧片。

图3是根据本发明一实施例的包含压电风扇的冷却装置300的正视图。如在图3中示出的，冷却装置300包含具有基部302以及从基部302伸出的多个翅片303的热沉301。冷却装置300还包含压电风扇305，压电风扇包含与多个叶片320附连的压电致动器片310。(应当理解，尽管压电风扇305包含多个风扇叶片，本发明其它实施例，例如包括图1和图2所示的那些实施例，可具有或不具有多个叶片。在一些实施例中，这样的风扇可只示出单个叶片。)

邻近于致动器片310的颈部340设置在叶片320和压电致动器片310之间。每个叶片320与图1中示出的叶片120相似。因此，每个叶片320包含孔以及邻近于该孔的门，并且门用容许门开闭的铰链附连于叶片。图3中没有示出叶片320的孔、门和铰链，但是它们与图1中示出的所有孔121、门122和铰链123相似。如在图3中可看出的，多个翅片303和多个叶片320以彼此交替的关系设置。

从图3的视角看，多个叶片320的运动将会是进入和移出纸面。在一未图示的实施例中，可使相邻的风扇叶片以这样方式振动，即使得叶片彼此离开之后又彼此靠拢，这样当它们彼此接近时空气快速地从它们之间压出。

图4是说明根据本发明一个实施例的冷却微电子器件的方法400的流程图。方法400的步骤410是提供包含压电致动器片以及附连于压电致动器片的叶片的压电风扇，其中叶片包含孔以及邻近于孔的门，并且门用容许门开闭的铰链附连于叶片。作为一例，压电致动器片、叶片、孔、门和铰链可分别与图1中示出的压电致动器片110、叶片120、孔121、门122和铰链123相似。

方法400的步骤420是将压电风扇设置在微电子器件附近。在本上下文中，“附近”意味着充分接近而足以影响微电子器件的温度。

方法400的步骤430是以这样的方式操作压电风扇，即当叶片沿第一方向移动时门打开，当叶片沿第二方向移动时门关闭。在一个实施例中，步骤430包含以其共振频率驱动叶片。当风扇在一个方向时开门而在另一方向移动时不开门，这样降低了被拉回到叶片附近的空气量，因此增加了从叶片移走的热空气量，结果，增强了冷却性能。

方法400的步骤440是操作叶片使共振频率低于100赫兹。在一个实施例中，步骤440包含选取制造门的材料，该材料是一种当与叶片的其它材料结合时将产生所要求值的共振频率的材料。

图5是根据本发明一实施例的操作压电风扇100的侧视图。如图5中示出的，在时间t＝0时，叶片120是静止的并且平行于压电致动器片110。重力将门122和128保持在对着叶片120的位置，这样它们各自覆盖孔121和127(在图5中均不可见)。在时间T₁时，叶片120响应来自压电致动器片110的激励而向下摆动，并使门122和128因摆动而打开，这样容许空气流入孔121和127。在时间T₂时，叶片120开始响应来自压电致动器片110的激励而向上摆动，并使门122和128对着叶片120摆动而闭合，于是关闭孔121和127。

为了更清楚起见，时间T₁时的门122和128以及铰链123和129的扭曲被夸大。应当理解，如果叶片120的运动是从一侧到另一侧，那么来自门122和128的类似响应将会发生。一般来说，当叶片在门的相反侧(图5中的下侧)方向移动时门将摆动而打开，当叶片在设有门的一侧(图5中的上侧)方向移动时门将因摆动而闭合。

图6是根据本发明一实施例的操作压电风扇200的侧视图。如图6中示出，在时间t＝0时，叶片220是静止的并且平行于压电致动器片210。重力使门222保持在对着叶片220的位置，这样它覆盖孔221(孔在图6中不可见)。在时间T₁时，叶片220响应来自压电致动器片210的激励而向下摆动，并使门222摆动而打开这样容许空气流入孔221。为了更清楚起见，在时间T1时门222以及铰链223和224的扭曲被夸大。在另一些实施例中，门222以及铰链223和224可以不被扭曲，而代之以叶片220被扭曲。在又一些实施例中，在操作压电风扇期间，门、铰链和叶片均可被一定程度地扭曲。

在时间T₂时，叶片220响应来自压电致动器片210的激励而开始向上摆动，并使门222对着叶片220摆动而闭合，于是将孔221关闭。应当理解，如果叶片220的运动是从一侧到另一侧，那么将会发生来自门222的类似响应。一般来说，当叶片在门的相反侧(图6中的下侧)方向移动时门将摆动开，而当叶片在设有门的一侧(图6中的上侧)方向移动时门将摆动而闭合。

虽然已经根据具体实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应理解，在不脱离本发明精神或范围的情况下可进行各种变形。因此，本发明公开的实施例是用于说明本发明的范围，并不是用于限制本发明范围。本发明的范围应当仅由附加权利要求所要求限定。显然，对于本领域技术人员来说，在此讨论的压电风扇以及相关方法可以通过各种实施例进行实施，并且前文讨论的某些这些实施例不必代表对所有可能实施例的完整描述。

此外，以上结合具体实施例描述了益处、其它优点以及问题的解决方法。这些益处、优点、问题的解决方法以及可使任何益处、优点或解决方法显现或变得更加明显的任一要素或多个要素，不能解释为任一或所有权利要求的关键、必需、实质性的特征或要素。

而且，若这里公开的实施例和/或限定(1)未在权利要求中明确主张，并且(2)是或可能是根据等同原则的权利要求内的表述要素和/或限定的等同物，则这些实施例或限定不在奉献原则下奉献给公众。