CN104916604B - Mems热致振动自适应散热方法、激励器及加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种MEMS热致振动自适应散热方法、激励器及加工方法，该散热方法利用热驱动MEMS激励器的梁进行振动，梁的振动改变传热表面的流动特性，扩大温度梯度，从而实现散热。这种散热方法的优点是不需要外部激励，也不需要外部控制开关，而是利用热源的废热进行驱动，并进行自适应散热，结构简单，机理清晰，可为超级计算机的机箱和芯片散热提供一条新的途径。
Description
技术领域
本发明涉及一种MEMS热致振动自适应散热方法、激励器及加工方法，可广泛运用于大型机箱和芯片的散热领域。
背景技术
超级计算机的持续快速发展给诸多重大国家工程带来革命性的发展，进而影响到我们的国计民生，但同时也带来能耗的急剧增长，并且在国家能耗中占据越来越大的份量。2005年到2010年间，全世界数据中心能耗增加了56%，2010年数据中心能耗达到237TWh，占了当年总用电量的1.3%。其中冷却系统在整个数据中心能耗中所占比例高达20-50%。在国内，国防科技大学研制的“天河二号”超级计算机，成为当今世界运算速度最快、综合技术领先的超级计算机。但“天河二号”也付出了巨大能耗的代价，整机功率17.8兆瓦，在搭载水风组合冷却热系统以后，功率将达到24兆瓦，冷却系统所占能耗比例约25%。据悉，“天河二号”一年仅电费就要1亿元人民币，全速运算的话，电费更高达1.5个亿。按照总电费1亿元计算，每年花在冷却系统上的费用为2500万元。因此如何降低数据中心服务器的散热成本有着非常可观的经济效益。
同时，良好的散热设计也是提高芯片可靠性的关键途径。过高的温度会降低芯片工作的稳定性，增加出错率，同时模块内部和模块所处的外部环境所形成的热应力会直接影响到芯片的性能、工作频率、机械强度和可靠性。
宏观的合成射流激励器由于在航空航天领域的显著作用受到了国内外学者的广泛关注，并进行了大量富有成效的研究工作，但在大型计算机机箱和芯片散热方面的研究则很少。由于芯片体积小，在一定程度上限制了宏观激励器在散热上的应用。
发明内容
为了克服现有宏观合成射流激励器技术在芯片散热领域的不足，本发明提供MEMS热致振动自适应散热方法、激励器及加工方法。
一种MEMS热致振动自适应散热方法，采用热致振动散热、合成射流散热、辐射散热相结合，利用热源产生的热量驱动MEMS激励器的多条梁发生振动，而梁的振动改变热源传热表面的流动特性，扩大温度梯度，从而实现自适应散热，采用梁结构并在梁上开孔，增加了散热面积进行辐射散热。
所述的方法，不需要外部回路进行开关控制。
所述的方法，不需要外部能源进行控制。
一种采用根据所述的方法的MEMS热致振动自适应散热激励器。
所述的MEMS热致振动自适应散热激励器，在需要散热的热源上直接贴装即可实现自适应散热。
一种根据所述的MEMS热致振动自适应散热激励器的加工方法，步骤如下：
１）准备硅衬底；
２）进行干氧氧化，正面和背面形成二氧化硅；
３）对背面的二氧化硅进行涂胶保护，正面光刻，去除二氧化硅，在硅上利用湿法刻蚀加工出梁之间的间隙和梁上的孔；
４）背面进行光刻，去除二氧化硅；
５）利用等离子体干法刻蚀释放背面的硅，形成梁结构；
６）将玻璃片在硅片背面进行键合。
一种采用所述的MEMS热致振动自适应散热激励器的进行散热的机箱或芯片。
本发明的有益效果在于：第一，利用热驱动梁实现激励器的自适应工作，不需要外部回路进行开关控制；第二，利用热源产生的热量驱动MEMS激励器从而实现散热，不需要外部能源；第三，采用振动强化散热、合成射流散热、梁上开孔增加辐射散热三种散热方式结合的方法，散热效果良好；第四，MEMS激励器结构小、质量轻，可以为体积小、功率大，即功率密度大的芯片实现散热；第五，在需要散热的热源上直接贴装这种MEMS激励器即可实现自适应散热，安装简单方便。
附图说明
图1是MEMS热致振动自适应散热激励器加工工艺流程图。
具体实施方式
MEMS器件具有体积小、质量轻、功耗低等特点，给基于MEMS技术的激励器带来如下优点：（1）可批量加工获得性能一致的激励器，能满足流动控制技术的高空间分辨率、高灵敏度、高频响需求；（2）易于实现传感器、电路和执行器的系统集成，提高了系统的可靠性和稳定性；（3）易于实现激励器的阵列化，实现多个激励器的协同工作，克服单个激励器能量不高的不足。因此，基于MEMS技术的合成射流技术将会给大型计算机机箱和芯片的散热带来可观的前景。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，一种基于热驱动的MEMS激励器散热结构采用硅薄膜作结构材料、二氧化硅薄膜作牺牲层材料的湿法刻蚀和等离子体干法刻蚀相结合的方法加工主体结构，利用二氧化硅-玻璃键合的方法完成器件的加工。
具体工艺流程如图1所示。在硅衬底上（图1(a)所示）进行干氧氧化，正面和背面形成二氧化硅，如图1(b)所示（图示硅片上方记为正面，硅片下方记为背面）。对背面的二氧化硅进行涂胶保护，正面光刻，去除二氧化硅。在硅上利用湿法刻蚀加工出梁之间的间隙和梁上的孔，其俯视图如图1(c)所示。去除正面二氧化硅，如图1(d)所示。背面进行光刻，去除二氧化硅，如图1(e)所示。利用等离子体干法刻蚀释放背面的硅，形成梁结构，如图1(f)所示，图1(g)是俯视图。将玻璃片在硅片背面进行键合，如图1(h)所示。
如图1(g)所示，激励器上加工3条梁（梁的数目可以根据需要调节），在热驱动下，梁发生振动。由于结构和位置的差别，各条梁的振动不会保持同步，这就增加表明流场的湍流度，扩大温度梯度，更加有利于散热。
如图1(g)所示，梁在振动时，不断地从外围“吸气”，又不断地将芯片表面的热通过“吹气”带走，即通过射流形式进一步散热。
如图1(g)所示，采用多条梁结构，并在梁上开有孔，进一步增加了散热面积，从而更加有利于辐射散热。
MEMS热致振动自适应散热激励器的可整合入机箱或芯片进行散热；也可以在需要散热的热源上直接贴装即可实现自适应散热。
Claims (8)
1.一种MEMS热致振动自适应散热方法，其特征在于，采用热致振动散热、合成射流散热、辐射散热相结合，利用热源产生的热量驱动MEMS激励器的多条梁发生振动，而梁的振动改变热源传热表面的流动特性，扩大温度梯度，从而实现自适应散热，采用梁结构并在梁上开孔，增加了散热面积进行辐射散热。
2.根据权利要求１所述的方法，其特征在于：不需要外部回路进行开关控制。
3.根据权利要求１所述的方法，其特征在于：不需要外部能源进行控制。
4.一种采用根据权利要求１所述的方法的MEMS热致振动自适应散热激励器。
5.根据权利要求４所述的MEMS热致振动自适应散热激励器，其特征在于：在需要散热的热源上直接贴装即可实现自适应散热。
6.一种根据权利要求４所述的MEMS热致振动自适应散热激励器的加工方法，其特征在于，步骤如下：
１）准备硅衬底；
２）进行干氧氧化，正面和背面形成二氧化硅；
３）对背面的二氧化硅进行涂胶保护，正面光刻，去除二氧化硅，在硅上利用湿法刻蚀加工出梁之间的间隙和梁上的孔；
４）背面进行光刻，去除二氧化硅；
５）利用等离子体干法刻蚀释放背面的硅，形成梁结构；
６）将玻璃片在硅片背面进行键合。
7.一种根据权利要求6所述的加工方法得到的MEMS热致振动自适应散热激励器。
8.一种采用根据权利要求7所述的MEMS热致振动自适应散热激励器进行散热的机箱或芯片。
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