CN113841018A - 中心锚定的基于mems的主动冷却系统 - Google Patents

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Abstract

描述了一种冷却系统。该冷却系统包括具有中心区域和周边的冷却元件。冷却元件在中心区域处被锚定。周边的至少一部分是未固定的。冷却元件与流体连通。冷却元件被致动以引起振动运动，从而将流体朝向发热结构驱动。

Description

中心锚定的基于MEMS的主动冷却系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年12月6日提交的名称为“CENTRALLY PINNED COOLING ELEMENTSIN A MEMS-BASED COOLING SYSTEM”的美国临时专利申请No. 62/945,001的优先权，该申请以引用方式并入本文以用于所有目的。
背景技术
随着计算设备的速度和计算能力的增长，由计算设备产生的热量也在增加。已经提出了各种机制来应对热量的产生。诸如风扇的主动设备可用于驱动空气通过诸如膝上型计算机或台式计算机的大型计算设计。诸如均热器的被动冷却设备可用于诸如智能手机、虚拟现实设备和平板计算机的较小的移动计算设备。然而，这种主动和被动设备可能无法充分地冷却诸如智能手机的移动设备和诸如膝上型计算机或台式计算机的较大的设备两者。因此，需要用于计算设备的另外的冷却解决方案。
附图说明
在以下详细描述和附图中公开了本发明的各种实施例。
图1A至图1C描绘了包括中心锚定的冷却元件的主动冷却系统的实施例。
图2A至图2B描绘了可用于包括中心锚定的冷却元件的主动冷却系统中的冷却元件的实施例。
图3A至图3B描绘了可用于包括中心锚定的冷却元件的主动冷却系统中的冷却元件的实施例。
图4A至图4E描绘了包括中心锚定的冷却元件的主动冷却系统的实施例。
图5描绘了包括中心锚定的冷却元件和折叠的顶部腔室的主动冷却系统的实施例。
图6A至图6C描绘了包括多个冷却元件的主动冷却系统的实施例。
图7A至图7C描绘了包括多个中心锚定的冷却元件的主动冷却系统的实施例。
图8A至图8E描绘了包括中心锚定的冷却元件和弹性结构的主动冷却系统的实施例。
图9A至图9B描绘了包括异相驱动的中心锚定的冷却元件的主动冷却系统的实施例。
图10A至图10C描绘了包括中心锚定的冷却元件的主动冷却系统的实施例。
图11A至图11D描绘了包括堆叠的中心锚定的冷却元件的冷却系统的实施例。
图12描绘了包括堆叠的中心锚定的冷却元件的冷却系统的实施例。
图13描绘了包括多个冷却单元的冷却系统的实施例的俯视图。
图14A至图14B描绘了压电冷却元件的实施例。
图15是描绘用于驱动主动冷却元件的技术的实施例的流程图。
图16是描绘用于驱动主动冷却元件的技术的实施例的流程图。
具体实施方式
本发明可以多种方式实现，包括作为：过程；装置；系统；物质的组成；计算机程序产品，其体现在计算机可读存储介质上；和/或处理器，诸如配置成执行存储在联接到处理器的存储器上和/或由该存储器提供的指令的处理器。在本说明书中，这些实施方式或者本发明可采取的任何其它形式可被称为技术。通常，在本发明的范围内，可改变所公开的过程的步骤的顺序。除非另有说明，描述为配置成执行任务的诸如处理器或存储器的部件可被实现为被临时配置成在给定时间执行任务的通用部件或者被制造成执行任务的特定部件。如本文所用，术语“处理器”是指配置成处理诸如计算机程序指令的数据的一个或多个设备、电路和/或处理核心。
下面提供了本发明的一个或多个实施例的详细描述以及示出本发明的原理的附图。结合这样的实施例描述了本发明，但是本发明不限于任何实施例。本发明的范围仅由权利要求书限定，并且本发明涵盖许多替代、修改和等同物。为了提供对本发明的全面理解，在以下描述中阐述了许多具体细节。这些细节是出于示例的目的而提供的，并且本发明可根据权利要求书来实施，而不需要这些具体细节中的一些或全部。为了清楚起见，没有详细描述与本发明相关的技术领域中已知的技术材料，以便不会不必要地模糊本发明。
随着半导体设备变得功率越来越大，在操作期间产生的热量也在增加。例如，诸如智能手机、平板计算机、笔记本电脑和虚拟现实设备的移动设备的处理器可以高时钟速度操作，但会产生大量热量。由于产生的热量的量，处理器可能仅在相对较短的时间段内全速运行。在该时间到期后，发生节流(例如，处理器的时钟速度变慢)。尽管节流可减少热量产生，但它也会负面地影响处理器速度，并且因此影响使用处理器的设备的性能。随着技术向5G及5G以外发展，预计这一问题将会加剧。
诸如膝上型计算机或台式计算机的较大设备包括具有旋转叶片的电风扇。风扇能够响应于内部部件的温度升高而通电。风扇驱动空气通过较大的设备来冷却内部部件。然而，对于诸如智能手机的移动设备或诸如平板计算机的较薄设备来说，这种风扇通常太大。由于在部件的表面处存在的空气的边界层，风扇也可能具有有限的功效，为横跨需要冷却的热表面的气流提供有限的空速，并且可能产生过量的噪音。被动冷却解决方案可包括诸如均热器和热管或蒸气腔室的部件，以将热量传递到热交换器。尽管均热器在一定程度上缓解了热点处的温度升高，但当前和未来设备中产生的热量可能无法充分地处理。类似地，热管或蒸气腔室可能提供的热传递量不足以移除产生的过多热量。因此，需要能够用于较小移动设备以及较大设备的另外的冷却解决方案。
描述了一种冷却系统。该冷却系统包括支撑结构和具有中心区域和周边的冷却元件。冷却元件在中心区域处由支撑结构支撑。冷却元件的周边的至少一部分是未固定的。冷却元件被构造成当被致动时经历振动运动以朝向发热结构驱动流体。在一些实施例中，冷却元件具有靠近发热结构的第一侧和远离发热结构的第二侧。振动运动将流体从第二侧驱动到冷却元件的第一侧。冷却系统还可包括其中具有至少一个通气孔的顶板。冷却元件在顶板和发热结构之间。顶部腔室形成在冷却元件和顶板之间。在一些实施例中，顶部腔室具有对应于奇数乘以波长除以4的从冷却元件的中心到周边的长度。波长是振动运动的频率的声学波长。振动运动的频率也对应于冷却元件的结构共振和具有该波长的顶部腔室的声共振。在一些实施例中，顶部腔室是折叠的顶部腔室。
在一些实施例中，冷却系统包括其中具有至少一个孔口的孔板。孔板设置在冷却元件和发热结构之间。冷却元件被致动以驱动流体通过(多个)孔口。在一些实施例中，(多个)孔口位于距离周边至少100微米处，并且距离周边的一部分不超过1毫米。在一些实施例中，孔板包括比(多个)孔口更靠冷却元件的周边的该部分的凸棱。在一些实施例中，孔板包括在其中的(多个)沟槽。(多个)沟槽包括在其中的(多个)孔口。
在一些实施例中，冷却元件的振动运动是异相振动运动。在一些实施例中，冷却单元内的单个冷却元件的部分被异相致动。在一些实施例中，多个冷却元件可异相操作。例如，单个冷却单元内的多个冷却元件被异相致动。在一些实施例中，不同单元中的冷却元件被异相致动。例如，相邻单元中的冷却元件可被异相180度致动。
冷却系统可包括联接到冷却元件的弹性结构。例如，弹性结构可联接单元中的多个冷却元件和/或可联接单个冷却元件的多个部分。冷却元件可为长度不超过8毫米的压电冷却元件。在一些实施例中，冷却元件具有不超过10毫米的长度。振动运动可以至少30米/秒的速度将流体朝向发热结构驱动。在一些实施例中，振动运动驱动流体，使得流体基本上平行于发热结构的表面的法线入射到该表面上，并且然后被偏转以沿着发热结构的表面移动，从而从发热结构提取热量，孔板距离发热结构的表面至少不超过200微米。
冷却系统可包括多个冷却单元。冷却单元中的每一个可类似于上面描述的那些。在一些实施例中，冷却单元共享(多个)孔板和/或(多个)顶板。例如，单个顶板可用于冷却单元。这样的顶板包括用于每个冷却单元的(多个)通气孔。类似地，孔板可包括用于每个冷却单元的一组孔口。
描述了一种冷却发热结构的方法。该方法包括驱动冷却元件以在某一频率下引起振动运动。冷却元件具有中心区域和周边。冷却元件在中心区域处由支撑结构支撑。周边的至少一部分是未固定的。因此，一个冷却元件被致动以引起振动运动运动，从而将流体朝向发热结构驱动。在一些实施例中，驱动冷却元件包括以振动运动的频率驱动冷却元件。该频率对应于冷却元件的结构共振。此外，冷却元件在顶板和发热结构之间。顶板具有在其中的至少一个通气孔。冷却元件和顶板形成在冷却元件和顶板之间的顶部腔室。顶部腔室具有长度。振动力矩的频率对应于声共振，该声共振的波长对应于长度乘以4并除以奇数。
图1A至图1C是描绘主动冷却系统100的示例性实施例的图，主动冷却系统100可与发热结构102一起使用，并且包括中心锚定的冷却元件120。为了清楚起见，仅示出了某些部件。图1A至图1C未按比例绘制。尽管示出为对称的，但是冷却系统100不一定是对称的。
冷却系统100包括其中具有通气孔112的顶板110、冷却元件120、其中具有孔口132的孔板130、支撑结构(或“锚”)160以及其中形成的腔室140和150(统称为腔室140/150)。冷却元件120在其中心区域处由锚160支撑。当被致动时，冷却元件120的更靠近并包括冷却元件的周边的部分(例如尖端121)的区域振动。在一些实施例中，冷却元件120的尖端121包括最远离锚160的周边的一部分，并且在冷却元件120的致动期间经历最大的偏转。为了清楚起见，在图1A中仅标记了冷却元件120的一个尖端121。
图1A描绘了处于中立位置的冷却系统100。因此，冷却元件120示出为基本上平坦的。在操作中，冷却元件120被驱动在图1B和图1C所示的位置之间振动。这种振动运动将流体(例如空气)以高速和/或高流量吸入通气孔112，通过腔室140和150并流出孔口132。例如，流体撞击发热结构102的速度可为至少30米/秒。在一些实施例中，流体由冷却元件120以至少45米/秒的速度朝向发热结构102驱动。在一些实施例中，流体由冷却元件120以至少60米/秒的速度朝向发热结构102驱动。在一些实施例中，其它速度也是可能的。冷却系统100还被构造成使得很少或没有流体通过冷却元件120的振动运动通过孔口132被吸回到腔室140/150中。
希望发热结构102被冷却系统100冷却。在一些实施例中，发热结构102产生热量。例如，发热结构可为集成电路。在一些实施例中，希望发热结构102被冷却，但是其本身不产生热量。发热结构102可传导热量(例如，来自产生热量的附近物体)。例如，发热结构102可能是均热器。因此，发热结构102可包括：(多个)半导体部件，其包括单独的集成电路部件，诸如处理器、(多个)其它集成电路和/或(多个)芯片封装；(多个)传感器；(多个)光学设备；一个或多个电池；诸如计算设备的电子设备的(多个)其它部件；均热器；热管；(多个)其它电子部件和/或需要冷却的(多个)其它设备。
希望使用冷却系统100的设备也可具有有限的空间来放置冷却系统。例如，冷却系统100可在计算设备中使用。这样的计算设备可包括但不限于智能手机、平板计算机、膝上型计算机、手写板、二合一膝上型计算机、手持游戏系统、数码相机、虚拟现实耳机、增强现实耳机、混合现实耳机和其它轻薄设备。冷却系统100可为能够驻留在移动计算设备和/或在至少一个维度上具有有限空间的其它设备内的微机电系统(MEMS)冷却系统。例如，冷却系统100的总高度(从发热结构102的顶部到顶板110的顶部)可小于2毫米。在一些实施例中，冷却系统100的总高度不超过1.5毫米。在一些实施例中，总高度不超出250微米。在一些实施例中，该总高度不超过1.1毫米。在一些实施例中，总高度不超出1微米。类似地，孔板130的底部和发热结构102的顶部之间的距离y可为很小。在一些实施例中，y为至少200微米且不超过1毫米。在一些实施例中，y为至少200微米且不超过300微米。因此，冷却系统100是可用的计算设备和/或在至少一个维度上具有有限空间的其它设备。然而，没有什么阻止冷却系统100在对空间具有较少限制的设备中的使用和/或用于除了冷却之外的目的。尽管示出了一个冷却系统100(例如，一个冷却单元)，但是多个冷却系统100可与发热结构102结合使用。例如，可利用一维或二维阵列的冷却单元。
冷却系统100与用于冷却发热结构102的流体连通。流体可为气体或液体。例如，流体可为空气。在一些实施例中，流体包括来自冷却系统100所驻留在的设备外部的流体(例如，通过设备中的外部通气孔提供)。在一些实施例中，流体在冷却系统所驻留在的设备内循环(例如，在封闭的设备中)。
冷却元件120可被认为将主动冷却系统100的内部分成顶部腔室140和底部腔室150。顶部腔室140由冷却元件120、侧部和顶板110形成。底部腔室150由孔板130、侧部、冷却元件120和锚160形成。顶部腔室140和底部腔室150在冷却元件120的外围处连接，并且一起形成腔室140/150(例如，冷却系统100的内部腔室)。
顶部腔室140的大小和构造可随单元(冷却系统100)尺寸、冷却元件120运动和操作的频率而变化。顶部腔室140具有高度h1。顶部腔室140的高度可选择成提供足够的压力来驱动流体以期望的流量和/或速度到达底部腔室140并通过孔口132。顶部腔室140也足够高，使得冷却元件120在被致动时不接触顶板140。在一些实施例中，顶部腔室140的高度为至少50微米且不超过500微米。在一些实施例中，顶部腔室140具有至少200微米且不超过300微米的高度。
底部腔室150具有高度h2。在一些实施例中，底部腔室150的高度足以容纳冷却元件120的运动。因此，在正常操作期间，冷却元件120的任何部分都不接触孔板130。底部腔室150通常小于顶部腔室140，并且可有助于减少流体回流到孔口132中。在一些实施例中，底部腔室150的高度是冷却元件120的最大偏转加上至少5微米且不超过10微米。在一些实施例中，冷却元件120的偏转(例如尖端121的偏转)具有至少10微米且不超过100微米的幅度。在一些这样的实施例中，冷却元件120的偏转的幅度为至少10微米且不超过60微米。然而，冷却元件120的偏转的幅度取决于诸如通过冷却系统100的期望流量和冷却系统100的构造的因素。因此，底部腔室150的高度通常取决于通过冷却系统100和冷却系统100的其它部件的流量。
顶板110包括通气孔112，流体可通过该通气孔被吸入冷却系统100。顶部通气孔112可具有基于腔室140中的期望的该声压选择的大小。例如，在一些实施例中，通气孔112的宽度w为至少500微米且不超过1000微米。在一些实施例中，通气孔112的宽度为至少250微米且不超过2000微米。在所示的实施例中，通气孔112是居中地位于顶板110中的小孔。在其它实施例中，通气孔112可位于其它地方。例如，通气孔112可更靠近顶板110的边缘之一。通气孔112可具有圆形、矩形或其它形状的覆盖区。尽管示出了单个通气孔112，但是也可使用多个通气孔。例如，通气孔可朝向顶部腔室140的边缘偏移，或者位于顶部腔室140的(多个)侧部上。
锚(支撑结构)160在冷却元件120的中心部分处支撑冷却元件120。因此，冷却元件120的周边的至少一部分未被固定并且自由振动。在一些实施例中，锚160沿着冷却元件120的中心轴线延伸(例如，垂直于图1A至图1C中的页面)。在这样的实施例中，冷却元件120振动的部分(例如包括尖端121)以悬臂方式移动。因此，冷却元件120的部分可以类似于蝴蝶的翅膀的方式移动。冷却元件120以悬臂方式振动的部分在一些实施例中同相振动，并且在其它实施例中异相振动。在一些实施例中，锚160不沿着冷却元件120的轴线延伸。在这样的实施例中，冷却元件120的周边的所有部分都自由振动(例如类似于水母)。在所示的实施例中，锚160从冷却元件120的底部支撑冷却元件120。在其它实施例中，锚160可以另一种方式支撑冷却元件120。例如，锚160可从顶部支撑冷却元件120(例如，冷却元件120悬挂在锚160上)。在一些实施例中，锚160的宽度a为至少0.5毫米且不超过4毫米。在一些实施例中，锚160的宽度为至少2毫米且不超过2.5毫米。锚160可占据冷却元件120的至少10%且不超过50%。
冷却元件120具有远离发热结构102的第一侧和靠近发热结构102的第二侧。在图1A至图1C所示的实施例中，冷却元件120的第一侧是冷却元件120的顶部(更靠近顶板110)，并且第二侧是冷却元件120的底部(更靠近孔板130)。冷却元件120被致动以经历振动运动，如图1A至图1C所示。冷却元件120的振动运动将流体从远离发热结构102的冷却元件120的第一侧(例如，从顶部腔室140)驱动到靠近发热结构102的冷却元件120的第二侧(例如，到底部腔室150)。冷却元件120的振动运动也将流体通过通气孔112吸入顶部腔室140；迫使流体从顶部腔室140流向底部腔室150；并且驱动流体从底部腔室140通过孔板130的孔口132。
冷却元件120具有长度L，该长度取决于希望冷却元件120振动的频率。在一些实施例中，冷却元件120的长度为至少4毫米且不超过10毫米。在一些这样的实施例中，冷却元件120具有至少6毫米且不超过8毫米的长度。冷却元件120的深度(例如，垂直于图1A至图1C所示的平面)可从L的四分之一变化到L的两倍。例如，冷却元件120可具有与长度相同的深度。冷却元件120的厚度t可基于冷却元件120的构造和/或希望冷却元件120被致动的频率而变化。在一些实施例中，对于长度为8毫米并且以至少20千赫且不超过25千赫的频率驱动的冷却元件120，冷却元件厚度为至少200微米且不超过350微米。腔室140/150的长度C接近冷却元件120的长度L。例如，在一些实施例中，冷却元件120的边缘和室140/50的壁之间的距离d为至少100微米且不超过500微米。在一些实施例中，d为至少200微米且不超过300微米。
冷却元件120可以这样的频率被驱动，该频率等于或接近顶部腔室140中的流体的压力波的声共振的共振频率和冷却元件120的结构共振的共振频率两者。冷却元件120经历振动运动的部分在冷却元件120的共振(结构共振)处或附近被驱动。结构共振的振动的频率称为结构共振频率。在驱动冷却元件112时使用结构共振频率降低了冷却系统100的功耗。冷却元件120和顶部腔室140也可被构造成使得该结构共振频率对应于被驱动通过顶部腔室140的流体中的压力波的共振(顶部腔室140的声共振)。这种压力波的频率称为声共振频率。在声共振时，压力中的波节出现在通气孔112附近，并且压力中的波腹出现在冷却系统100的外围附近(例如，冷却元件120的尖端121附近以及顶部腔室140和底部腔室150之间的连接部附近)。这两个区域之间的距离是C/2。因此，C/2 = nλ/4，其中λ是流体的声学波长，并且n是奇数(例如，n=1、3、5等)。对于最低阶模式，C = λ/2。因为腔室140的长度(例如C)接近冷却元件120的长度，所以在一些实施例中，L/2 = nλ/4也是近似正确的，其中是λ流体的声学波长，并且n是奇数。因此，冷却元件120被驱动的频率v等于或接近冷却元件120的结构共振频率。频率v也等于或接近至少顶部腔室140的声共振频率。与冷却元件120的结构共振频率相比，顶部腔室140的声共振频率通常随诸如温度和大小的参数较不剧烈地变化。因此，在一些实施例中，冷却元件120可以(或更接近)结构共振频率而不是声共振频率被驱动。
孔板130具有在其中的孔口132。尽管示出了特定数量和分布的孔口132，但是也可使用其它数量和/或其它分布。单个孔板130用于单个冷却系统100。在其它实施例中，多个冷却系统100可共享孔板。例如，多个单元100可以期望的构造一起提供。在这样的实施例中，单元100可为相同的大小和构造或者不同的(多个)大小和/或(多个)构造。孔口132示出为具有正交于发热结构102的表面定向的轴线。在其它实施例中，一个或多个孔口132的轴线可成另一个角度。例如，轴线的角度可从基本上零度和非零锐角中选择。孔口132还具有基本上平行于孔板130的表面的法线的侧壁。在一些中，孔口可具有与孔板130的表面的法线成非零角度的侧壁。例如，孔口132可为圆锥形的。
孔口132的大小、分布和位置被选择以控制驱动到发热结构102的表面的流体的流量。孔口132的位置和构造可被构造成增加/最大化从底部腔室150通过孔口132到喷射通道(孔板130的底部和发热结构102的顶部之间的区域)的流体流。孔口132的位置和构造可被选择成减少/最小化从喷射通道通过孔口132的吸入流(例如，回流)。例如，希望孔口的位置离尖端121足够远，使得冷却元件120的向上行程(尖端121远离孔板13移动)中的吸力减小，该吸力将通过孔口132将流体拉入底部腔室150中。也希望孔口的位置足够靠近尖端121，使得冷却元件120的向上行程中的吸力也允许来自顶部腔室140的更高压力将流体从顶部腔室140推入底部腔室150中。在一些实施例中，在向上行程中，从顶部腔室140进入底部腔室150的流量与从喷射通道通过孔口132的流量的比率(“净流量比”)大于2:1。在一些实施例中，净流量比为至少85:15。在一些实施例中，净流量比为至少90:10。为了提供期望的压力、流量、吸力和净流量比，希望孔口132离尖端121至少距离r1，并且不超过离冷却元件120的尖端121的距离r2。在一些实施例中，r1为至少100微米(例如，r1 ≥ 100μm)，并且r2为不超过1毫米(例如，r2 ≤ 1000μm)。在一些实施例中，孔口132离冷却元件120的尖端121至少200微米(例如，r1 ≥ 200μm)。在一些这样的实施例中，孔口132离冷却元件120的尖端121至少300微米(例如，r1 ≥ 300μm)。在一些实施例中，孔口132具有至少100微米且不超过500微米的宽度。在一些实施例中，孔口132具有至少200微米且不超过300微米的宽度。在一些实施例中，孔口间距s为至少100微米且不超过1毫米。在一些这样的实施例中，孔口间距为至少400微米且不超过600微米。在一些实施例中，也希望孔口132占据孔板130的面积的特定份数。例如，孔口132可覆盖孔板130的覆盖区的至少5%且不超过15%，以便获得通过孔口132的流体的期望流量。在一些实施例中，孔口132覆盖孔板130的覆盖区的至少8%且不超过12%。
在一些实施例中，冷却元件120使用压电体致动。因此，冷却元件120可为压电冷却元件。冷却元件120可由安装在冷却元件120上或集成在冷却元件120中的压电体驱动。在一些实施例中，冷却元件120以另一种方式被驱动，包括但不限于在冷却系统100中的另一结构上提供压电体。冷却元件120和类似的冷却元件在下文中被称为压电冷却元件，尽管有可能使用除压电体之外的机构来驱动冷却元件。在一些实施例中，冷却元件120包括在衬底上的压电层。衬底可为不锈钢、镍合金和/或哈氏合金衬底。在一些实施例中，压电层包括在衬底上形成为薄膜的多个子层。在其它实施例中，压电层可为附连到衬底的本征层。这样的压电冷却元件120也包括用于激活压电体的电极。在一些实施例中，衬底用作电极。在其它实施例中，底部电极可设置在衬底和压电层之间。在压电冷却元件中可包括其它层，包括但不限于种子层、封盖层、钝化层或其它层。因此，冷却元件120可使用压电体致动。
在一些实施例中，冷却系统100包括烟囱(未示出)或其它管道。这样的管道为加热的流体提供了远离发热结构102流动的路径。在一些实施例中，管道将流体返回到顶板110远离发热结构102的一侧。在一些实施例中，管道可替代地在平行于发热结构102或垂直于发热结构102的方向上引导流体远离发热结构102，但是在相反方向上(例如，朝向页面的底部)。对于在冷却系统100中使用设备外部的流体的设备，管道可将加热的流体导引至通气孔。在设备被封闭的实施例中，管道可提供迂回路径回到靠近通气孔112和远离发热结构102的区域。这样的路径允许流体在被再利用来冷却发热结构102之前耗散热量。在其它实施例中，管道可省略或以其它方式构造。因此，允许流体从发热结构102带走热量。
冷却系统100的操作在图1A至图1C的上下文中描述。尽管在特定压力、间隙大小和流动定时的上下文中进行了描述，但是冷却系统100的操作不依赖于这里的解释。参考图1B，冷却元件120已经被致动，使得其尖端121远离顶板110移动。因此，可认为图1B描绘了冷却元件120的向下行程的结束。由于冷却元件120的振动运动，底部腔室150的间隙152的大小已经减小，并且显示为间隙152B。相反，顶部腔室140的间隙142的大小已经增加，并且显示为间隙142B。在向下行程期间，当冷却元件120处于中立位置时，在外围处产生较低(例如，最小)的压力。随着向下行程的继续，底部腔室150的大小减小，并且顶部腔室140的大小增加，如图1B所示。因此，流体在与孔板130的表面和/或发热结构102的顶表面垂直或接近垂直的方向上被驱出孔口132。流体从孔口132朝向发热结构102以例如超过35米/秒的高速被驱动。在一些实施例中，流体然后沿着发热结构102的表面并朝向发热结构102的外围行进，在那里压力比孔口132附近更低。同样在向下行程中，顶部腔室140的大小增加，并且顶部腔室140中存在较低的压力。结果，流体通过通气孔112被吸入顶部腔室140中。流体进入通气孔112、通过孔口132以及沿着发热结构102的表面的运动在图1B中由未标记的箭头示出。
冷却元件120也被致动，使得顶部121远离发热结构102并朝向顶板110移动。因此，可认为图1C描绘了冷却元件120的向上行程的结束。由于冷却元件120的运动，间隙142的大小已经减小，并且显示为间隙142C。间隙152的大小已经增加，并且显示为间隙152C。在向上行程期间，当冷却元件120处于中立位置时，在外围处产生较高(例如，最大)的压力。随着向上行程的继续，底部腔室150的大小增加，并且顶部腔室140的大小减小，如图1C所示。因此，流体被从顶部腔室140(例如，腔室140/150的外围)驱动到底部腔室150。因此，当冷却元件120的尖端121向上移动时，顶部腔室140用作进入流体的喷嘴，以加速并被朝向底部腔室150驱动。流体进入底部腔室150的运动由图1C中未标记的箭头示出。冷却元件120和孔口132的位置和构造选择成减少吸力，并且因此减少在向上行程期间流体从喷射通道(在发热结构102和孔板130之间)回流到孔口132中。因此，冷却系统100能够将流体从顶部腔室140驱动到底部腔室150，而不会有来自喷射通道的加热流体的过量的回流进入底部腔室10。
重复图1B和图1C所示位置之间的运动。因此，冷却元件120经历图1A至图1C中指示的振动运动，将流体从顶板110的远侧通过通气孔112吸入顶部腔室140；将流体从顶部腔室140转移到底部腔室150；并将流体通过孔口132并朝向发热结构102推动。如上文所讨论的，冷却元件120被驱动以在冷却元件120的结构共振频率或接近该频率的频率下振动。此外，冷却元件120的结构共振频率被构造成与腔室140/150的声共振一致。结构和声共振频率大体上选择在超声波范围内。例如，冷却元件120的振动运动可在从15kHz至30kHz的频率下。在一些实施例中，冷却元件120以至少20kHz且不超过30kHz的一种或多种频率振动。冷却元件120的结构共振频率在冷却系统100的声共振频率的10%内。在一些实施例中，冷却元件120的结构共振频率在冷却系统100的声共振频率的5%内。在一些实施例中，冷却元件120的结构共振频率在冷却系统100的声共振频率的3%内。因此，可提高效率和流量。然而，可使用其它频率。
朝向发热结构102驱动的流体可基本上正交(垂直)于发热结构102的顶表面移动。在一些实施例中，流体运动可相对于发热结构102的顶表面的法线具有非零锐角。在任一情况下，流体可变薄和/或在发热结构102处的流体边界层中形成小孔。结果，可改善来自发热结构102的热传递。流体偏转离开发热结构102，沿着发热结构102的表面行进。在一些实施例中，流体在基本上平行于发热结构102的顶部的方向上移动。因此，来自发热结构102的热量可被流体提取。流体可在冷却系统100的边缘处离开孔板130和发热结构102之间的区域。在冷却系统100的边缘处的烟囱或其它管道(未示出)允许流体从发热结构102被带走。在其它实施例中，加热的流体可以另一种方式从发热结构102进一步转移。流体可交换从发热结构102传递到另一个结构或周围环境的热量。因此，在顶板110的远侧的流体可保持相对较冷，从而允许额外的热量提取。在一些实施例中，流体循环，在冷却后返回顶板110的远侧。在其它实施例中，加热的流体被带走，并在冷却元件110的远侧被新的流体替代。结果，发热结构102可被冷却。
使用冷却系统100，通过通气孔112吸入并驱动通过孔口132的流体可高效地从发热结构102耗散热量。因为流体以足够的速度(例如，至少30米/秒)撞击发热结构，并且在一些实施例中基本上正交于发热结构，所以在发热结构处的流体边界层可变薄和/或被部分地去除。因此，发热结构102和移动的流体之间的热传递得到改善。因为发热结构被更高效地冷却，相应的集成电路可以更高的速度和/或功率运行更长的时间。例如，如果发热结构对应于高速处理器，则这样的处理器在节流之前可运行更长时间。因此，利用冷却系统100的设备的性能可得到改善。此外，冷却系统100可为MEMS设备。因此，冷却系统100可适用于可用空间有限的较小设备和/或移动设备，诸如智能电话、其它移动电话、虚拟现实耳机、手写板、二合一计算机、可穿戴设备和手持游戏机。因此，这样的设备的性能可得到改善。因为冷却元件120可以15kHz或更高的频率振动，所以用户可能听不到与冷却元件的致动相关联的任何噪声。如果以结构和/或声共振频率或接近结构和/或声共振频率的频率驱动，则在操作冷却系统中使用的功率可显著降低。在振动期间，冷却元件120不物理接触顶板110或孔板130。因此，冷却元件120的共振可更容易地维持。更具体地，冷却元件120和其它结构之间的物理接触扰乱了冷却元件120的共振条件。扰乱这些条件可驱动冷却元件120脱离共振。因此，需要使用额外的功率来维持冷却元件120的致动。此外，由冷却元件120驱动的流体流量可减少。通过使用如上文所讨论的压差和流体流量，避免了这些，问题。改进的安静冷却的益处可通过有限的额外功率来实现。因此，结合了冷却系统100的设备的性能可得到改善。此外，冷却系统100可用于需要高流体流量和/或速度的其它应用(例如，具有或不具有发热结构102)。
图2A至图2B描绘了类似于诸如冷却系统100的主动冷却系统的冷却系统200A和200B的实施例的平面图。图2A和图2B未按比例绘制。为简单起见，仅分别示出了冷却元件220A和220B以及锚260A和260B的部分。冷却元件220A和220B类似于冷却元件120。因此，用于冷却元件220A和/或220B的大小和/或材料可类似于用于冷却元件120的大小和/或材料。锚(支撑结构)260A和260B类似于锚160，并由虚线指示。
对于冷却元件220A和220B，锚260A和260B居中地定位，并且分别沿着冷却元件220A和220B的中心轴线延伸。因此，被致动以振动的悬臂部分在锚260A和260B的右侧和左侧。在一些实施例中，(多个)冷却元件220A和/或220B是连续结构，其两个部分被致动(例如，锚260A和260B外侧的悬臂部分)。在一些实施例中，(多个)冷却元件220A和/或220B包括单独的悬臂部分，这些悬臂部分中的每一个分别附接到锚260A和260B并被致动。冷却元件220A和220B的悬臂部分因此可被构造成以类似于蝴蝶的翅膀的方式振动。在图2A和图2B中，L是冷却元件的长度，类似于图1A至图1C中描绘的长度。同样在图2A和图2B中，冷却元件220A和220B的深度P被指示。
在图2A至图2B中也用虚线示出了压电体223。压电体223用于致动冷却元件220A和220B。尽管在压电体的上下文中进行了描述，但是可利用用于致动冷却元件260A和260B的另一种机构。这样的其它机构可在压电体223的位置处，或者可位于其它地方。在冷却元件260A中，压电体223可附连到悬臂部分，或者可集成到冷却元件220A中。此外，尽管压电体223在图2A和图2B中示出为具有特定的形状和大小，但是也可使用其它构造。
在图2A所示的实施例中，锚260A延伸冷却元件220A的整个深度。因此，冷却元件260A的周边的一部分被销接。冷却元件260A的周边的未固定部分是经历振动运动的悬臂区段的一部分。在其它实施例中，锚不需要延伸中心轴线的整个长度。在这样的实施例中，冷却元件的整个周边都是未固定的。然而，这样的冷却元件仍然具有构造成以本文描述的方式振动的悬臂区段。例如，在图2B中，锚260B没有延伸到冷却元件220B的周边。因此，冷却元件220B的周边未被固定。然而，锚260B仍然沿着冷却元件220B的中心轴线延伸。冷却元件220B仍然被致动，使得悬臂部分振动(例如，类似于蝴蝶的翅膀)。
尽管冷却元件220A被描绘为矩形，但是冷却元件可具有另一种形状。在一些实施例中，冷却元件220A的拐角可被倒圆。图2B的冷却元件220B具有倒圆的悬臂区段。其它形状是可能的。在图2B所示的实施例中，锚260B是中空的，并且包括小孔263。在一些实施例中，冷却元件220B在锚260B的区域中具有(多个)小孔。在一些实施例中，冷却元件220B包括多个部分，使得(多个)小孔存在于锚260B的区域中。结果，流体可通过冷却元件220B并通过锚260B被抽吸。因此，冷却元件220B可用来代替顶板，诸如顶板110。在这样的实施例中，冷却元件220B中的小孔和小孔263可以类似于通气孔112的方式起作用。
图3A至图3B描绘了类似于诸如冷却系统100的主动冷却系统的冷却系统300A和300B的实施例的平面图。图3A和图3B未按比例绘制。为简单起见，仅分别示出了冷却元件320A和320B以及锚360A和360B。冷却元件320A和320B类似于冷却元件120。因此，用于冷却元件320A和/或320B的大小和/或材料可类似于用于冷却元件120的大小和/或材料。锚360A和360B类似于锚160，并由虚线指示。
对于冷却元件320A和320B，锚360A和360B分别限于冷却元件320A和320B的中心区域。因此，围绕锚360A和360B的区域经历振动运动。冷却元件320A和320B因此可被构造成以类似于水母或类似于伞的打开/关闭的方式振动。在一些实施例中，冷却元件320A和320B的整个周边同相振动(例如，一起向上或向下移动)。在其它实施例中，冷却元件320A和320B的周边的部分异相振动。在图3A和图3B中，L是冷却元件的长度(例如，直径)，类似于图1A至图1C中描绘的长度。尽管冷却元件320A和320B被描绘为圆形，但是冷却元件可具有另一种形状。此外，压电体(图3A至图3B中未示出)和/或其它机构可用于驱动冷却元件320A和320B的振动运动。
在图3B所示的实施例中，锚360B是中空的，并且具有小孔363。在一些实施例中，冷却元件320B在锚360B的区域中具有(多个)小孔。在一些实施例中，冷却元件320B包括多个部分，使得(多个)小孔存在于锚360B的区域中。结果，流体可通过冷却元件320B并通过锚360B被抽吸。流体可通过小孔363离开。因此，冷却元件320B可用来代替顶板，诸如顶板110。在这样的实施例中，冷却元件320B中的小孔和小孔363可以类似于通气孔112的方式起作用。
诸如冷却系统100的冷却系统可利用(多个)冷却元件220A、220B、320A、320B和/或类似的冷却元件。这样的冷却系统也可共享冷却系统100的益处。使用(多个)冷却元件220A、220B、320A、320B和/或类似的冷却元件的冷却系统可更高效地将流体朝向发热结构高速驱动。因此，发热结构和移动的流体之间的热传递得到改善。因为发热结构被更高效地冷却，相应的设备可表现出改善的操作，诸如以更高的速度和/或功率运行更长的时间。采用(多个)冷却元件220A、220B、320A、320B和/或类似的冷却元件的冷却系统可适用于可用空间有限的较小设备和/或移动设备。因此，这样的设备的性能可得到改善。因为(多个)冷却元件220A、220B、320A、320B和/或类似的冷却元件可以15kHz或更高的频率振动，所以用户可能听不到与冷却元件的致动相关联的任何噪声。对于(多个)冷却元件220A、220B、320A、320B和/或类似的冷却元件，如果以声和/或结构共振频率或接近声和/或结构共振频率的频率驱动，则在操作冷却系统中使用的功率可显著降低。(多个)冷却元件220A、220B、320A、320B和/或类似的冷却元件在使用期间可不与板物理接触，从而允许更容易保持共振。改进的安静冷却的益处可通过有限的额外功率来实现。因此，结合了(多个)冷却元件220A、220B、320A、320B和/或类似的冷却元件的设备的性能可得到改善。
图4A至图4E描绘了包括中心锚定的冷却元件的主动冷却系统400A、400B、400C、400D和400E的实施例。图4A至图4E未按比例绘制，并且仅示出了中立构造。为了简单起见，仅示出了冷却系统400A、400B、400C、400D和400E的部分。特别地，冷却系统400A、400B、400C、400D和400E类似于冷却系统100。因此，类似的部件具有相似的标记。例如，冷却系统400A、400B、400C、400D和400E与类似于发热结构102的发热结构402结合使用。
冷却系统400A包括具有通气孔412的顶板410、冷却元件420A、包括孔口432A的孔板430A、具有间隙442的顶部腔室440、具有间隙452的底部腔室450和锚(即支撑结构)460，它们分别类似于具有通气孔112的顶板110、冷却元件120、包括孔口132的孔板130、具有间隙142的顶部腔室140、具有间隙152的底部腔室150和锚(即支撑结构)160。因此，冷却元件420A由锚460居中地支撑，使得冷却元件420A的周边的至少一部分自由振动。在一些实施例中，锚460沿着冷却元件420A的轴线延伸(例如，以类似于锚260A和/或260B的方式)。在其它实施例中，锚460仅靠近冷却元件420A的中心部分(例如，类似于锚360A和/或360B)。
孔板430A也包括围绕孔口432A的沟槽434A。在一些实施例中，沟槽434A为至少25微米且不超过150微米深。沟槽434A被构造成使得孔口432A位于沟槽434A的底部处。沟槽434A的侧壁示出为垂直于孔板430A的顶表面。在一些实施例中，沟槽434A的侧壁与孔板430A的顶表面成不同的角度。在一些实施例中，沟槽434A延伸横跨孔板430A(例如，平行于孔板430A的顶表面)，使得与冷却元件420A对齐的孔板430A的表面的高达50%是沟槽434A的一部分。此外，孔口432A的横截面是圆锥形的。因此，孔口432A的侧壁不垂直于孔板430的表面。相反，孔口432A的侧壁成角度，使得孔口432A更靠冷却元件420A的部分比孔口432A更靠近发热结构402的部分宽。
冷却系统400A以类似于冷却系统100的方式操作，并且共享冷却系统100的(多个)益处。此外，沟槽434A的使用允许更好地控制间隙452。在一些实施例中，希望间隙452不超过5微米，以获得最接近孔板430A的通道(例如，在冷却元件420A的向下行程的底部处)。因此，可进一步减少流体通过孔口432A到底部腔室450中的回流。成角度的孔口432A的使用可改善离开孔口432A的流体小滴的形成。因此，冷却系统400A的性能可进一步改善。
图4B的冷却系统400B包括具有通气孔412的顶板410、冷却元件420A、包括孔口432B的孔板430B、具有间隙442的顶部腔室440、具有间隙452的底部腔室450和锚(即支撑结构)460，它们分别类似于具有通气孔112的顶板110、冷却元件120、包括孔口132的孔板130、具有间隙142的顶部腔室140、具有间隙152的底部腔室150和锚(即支撑结构)160。因此，冷却元件420B由锚460居中地支撑，使得冷却元件420B的周边的至少一部分自由振动。在一些实施例中，锚460沿着冷却元件420B的轴线延伸(例如，以类似于锚260A和/或260B的方式)。在其它实施例中，锚460仅靠近冷却元件420B的中心部分(例如，类似于锚360A和/或360B)。
孔板430B也包括靠近孔口432B的凸棱434B。在一些实施例中，凸棱434B为至少25微米且不超过150微米高。在一些实施例中，凸棱434B通过向孔板430B添加材料而形成。在其它实施例中，凸棱434B可通过使类似于沟槽434A的沟槽延伸横跨孔板430B的底部而形成。凸棱434B示出为垂直于孔板430B的顶表面。在一些实施例中，凸棱434B与孔板430B的顶表面成不同的角度。凸棱434B被构造成使得孔口432B位于比凸棱434B的顶表面更低处。在所示的实施例中，孔口432B的横截面是圆柱形的。换句话说，孔口432B的侧壁垂直于孔板430B的表面。然而，其它形状是可能的。
冷却系统400B以类似于冷却系统100的方式操作，并且共享冷却系统100的(多个)益处。此外，凸棱434B的使用允许更好地控制间隙452。因此，可减少流体通过孔口432B到底部腔室450中的回流。在一些实施例中，希望间隙452不超过5微米，以获得最接近孔板430B的通道(例如，在冷却元件420B的向下行程的底部处)。因此，冷却系统400B的性能可进一步改善。
图4C的冷却系统400C包括具有通气孔412的顶板410、冷却元件420C、包括孔口432C的孔板430C、具有间隙442的顶部腔室440、具有间隙452的底部腔室450和锚(即支撑结构)460，它们分别类似于具有通气孔112的顶板110、冷却元件120、包括孔口132的孔板130、具有间隙142的顶部腔室140、具有间隙152的底部腔室150和锚(即支撑结构)160。因此，冷却元件420C由锚460居中地支撑，使得冷却元件420C的周边的至少一部分自由振动。在一些实施例中，锚460沿着冷却元件420C的轴线延伸(例如，以类似于锚260A和/或260B的方式)。在其它实施例中，锚460仅靠近冷却元件420C的中心部分(例如，类似于锚360A和/或360B)。
孔板430C也类似于孔板430A，因为孔板430C包括沟槽434C。在所示的实施例中，孔口432C类似于孔口434B，并且因此横截面为圆柱形。换句话说，孔口432C的侧壁垂直于孔板430C的表面。然而，其它形状是可能的。
冷却元件420C包括顶部凸棱422C。孔板430C包括沟槽434C，沟槽434C被构造成使得当被致动时顶部凸棱422C在沟槽434C内。例如，顶部凸棱422C可为至少10微米且不超过75微米高。类似地，沟槽434C可具有至少25微米且不超过150微米的深度。在一些实施例中，孔板430C可包括凸棱，而不是沟槽434C。在这样的实施例中，顶部凸棱422C可延伸到锚460。
冷却系统400C以类似于冷却系统100的方式操作，并且共享冷却系统100的(多个)益处。此外，顶部凸棱422C与沟槽434C结合使用允许更好地控制间隙452，并因此更好地控制回流。因此，冷却系统400C的性能可进一步改善。
图4D的冷却系统400D包括具有通气孔412的顶板410、冷却元件420D、包括孔口432D的孔板430D、具有间隙442的顶部腔室440、具有间隙452的底部腔室450和锚(即支撑结构)460，它们分别类似于具有通气孔112的顶板110、冷却元件120、包括孔口132的孔板130、具有间隙142的顶部腔室140、具有间隙152的底部腔室150和锚(即支撑结构)160。因此，冷却元件420D由锚460居中地支撑，使得冷却元件420D的周边的至少一部分自由振动。在一些实施例中，锚460沿着冷却元件420D的轴线延伸(例如，以类似于锚260A和/或260B的方式)。在其它实施例中，锚460仅靠近冷却元件420D的中心部分(例如，类似于锚360A和/或360B)。冷却元件420D包括顶部凸棱422D。在一些实施例中，顶部凸棱422C为至少10微米且不超过75微米高。
冷却系统400D以类似于冷却系统100的方式操作，并且共享冷却系统100的(多个)益处。此外，顶部凸棱422D的使用允许更好地控制间隙452，并因此更好地控制回流。因此，冷却系统400D的性能可进一步改善。
图4D描绘了冷却系统400E的平面图孔板430E。冷却系统400E类似于冷却系统100。因此，包括孔口432E的孔板430E类似于包括孔口132的孔板130。冷却系统400E的其余部分类似于(多个)冷却系统100、400A、400B、400C和/或400D中的对应结构。例如，尽管在图4E中未示出，但是孔板430E可包括类似于(多个)沟槽430A和/或430B或凸棱430B的沟槽或凸棱。
孔板430E包括具有椭圆形覆盖区的孔口430E。例如，在一些实施例中，孔口430E的次(短)轴线为至少100微米且不超过300微米。在一些实施例中，孔口430E的主(长)轴线为至少200微米且不超过400微米。其它长度是可能的。此外，在一些实施例中，并非所有孔口430E都具有相同的形状和/或大小。尽管在图4E中未指示，但是孔口432E可为圆锥形的(例如，类似于孔口432A)或具有另一种形状。因为孔口430E不是圆形的，所以孔口430E在给定的区域中可不同地堆积。例如，孔口432E在x方向上偏移，并且孔口432E的列的边缘重叠。因此，与孔口432E是圆形的情况相比，孔板430中可包括更高密度的孔口432E。因此，可定制孔口的形状、位置和分布。
冷却系统400E以类似于冷却系统100的方式操作，并且共享冷却系统100的(多个)益处。此外，可设计孔口的形状、位置和分布。可实现通过孔口432E的期望流量。因此，冷却系统400E的性能可进一步改善。此外，冷却系统400A、400B、400C、400D和/或400E可用于需要高流体流量和/或速度的其它应用(例如，具有或不具有发热结构402)。
图5描绘了包括中心锚定的冷却元件和折叠的顶部腔室的主动冷却系统500的实施例。图5未按比例绘制，并且仅示出了中立构造。为了简单起见，仅示出了冷却系统500的部分。冷却系统500类似于冷却系统100。冷却系统500包括具有通气孔512和514的顶板510A和510B(统称为顶板510)、冷却元件520、包括孔口532的孔板530、具有间隙542的顶部腔室540A和540B(统称为顶部腔室540)、具有间隙552的底部腔室550和锚(即支撑结构)560，它们分别类似于具有通气孔112的顶板110、冷却元件120、包括孔口132的孔板130、具有间隙142的顶部腔室140、具有间隙152的底部腔室150和锚(即支撑结构)160。因此，冷却元件520由锚560居中地支撑，使得冷却元件520的周边的至少一部分自由振动。在一些实施例中，锚560沿着冷却元件520的轴线延伸(例如，以类似于锚260A和/或260B的方式)。在其它实施例中，锚560仅靠近冷却元件520的中心部分(例如，类似于锚360A和/或360B)。此外，孔板530、孔口532和/或冷却元件520可以类似于(多个)孔板430A、430B、430C、430D和/或430E、孔口432A、432B、432C、432D和/或432E和/或(多个)冷却元件420A、420B、420C和/或420D中的一个或多个的方式被构造。
顶部腔室540类似于顶部腔室140，但是是包括两个部分(顶部腔室540A和顶部腔室540B)的折叠腔室。顶部腔室540和冷却元件520仍可被构造成使得顶部腔室540的声共振频率等于或接近冷却元件520的结构共振频率。然而，顶部腔室540的长度包括顶部腔室540A的部分和顶部腔室540B的部分。特别地，流体通过通气孔514进入顶部腔室540，横穿顶部腔室540B的一部分到达通气孔512，穿过通气孔512，横穿顶部腔室540A的一部分到达冷却元件520的外围，被转移到底部腔室550并被驱出孔口532。该路径由图5中未标记的箭头描绘。因此，在通气孔514处进入顶部腔室540和在冷却元件520的外围附近被转移到底部腔室550之间，流体行进大约C的距离(腔室540/550的整个宽度)。这是图1所描绘的冷却系统100的顶部腔室140行进距离的两倍。
希望冷却元件520以对应于其结构共振的频率被驱动(例如，等于或接近结构共振频率)。也希望该频率对应于(例如，等于或接近于)冷却系统500/顶部腔室540的声共振频率。此外，在声共振中，压力中的波节出现在通气孔514处，并且在冷却元件520的外围处形成压力中的波腹。因此，C = 顶部腔室540的有效长度 = nλ/4，其中λ是流体的声学波长，并且n是奇数(例如，n=1、3、5等)。因此，对于大致相同的声共振频率，冷却元件520和冷却系统500可被制造成一半长。冷却元件520被驱动的频率v不仅是冷却元件520的结构共振频率，而且至少对于顶部腔室540来说等于或接近声共振频率。在一些实施例中，冷却元件520以对应于最低阶声学模(C=λ/4)的频率被驱动。在一些实施例中，冷却元件520以对应于下一阶声学模(C = 3λ/4)的频率被驱动。
冷却系统500以类似于冷却系统100的方式操作，并且共享冷却系统100的(多个)益处。此外，冷却系统500利用折叠的顶部腔室540。结果，对于大约相同的驱动(和共振)频率，冷却系统500、腔室540/550和冷却元件520可被制造成比冷却系统100更窄。因此，冷却系统500也可具有比冷却系统100更小的覆盖区。冷却系统500也可用于需要高流体流量和/或速度的其它应用(例如，具有或不具有发热结构502)。
图6A至图6C描绘了包括多个冷却元件620和610的主动冷却系统600的实施例。图6A至图6C未按比例绘制。图6A描绘了中立构造。图6B描绘了冷却元件620的向下行程的结束和冷却元件610的向上行程的结束。图6C描绘了冷却元件620的向上行程的结束和冷却元件610的向下行程的结束。为了简单起见，仅示出了冷却系统600的部分。冷却系统600类似于冷却系统100。冷却系统600包括冷却元件620、包括孔口632的孔板630、顶部腔室640、底部腔室650和锚(即支撑结构)660，它们分别类似于冷却元件120、包括孔口132的孔板130、顶部腔室140、底部腔室150和锚(即支撑结构)160。因此，冷却元件620由锚660居中地支撑，使得冷却元件620的周边的至少一部分自由振动。在一些实施例中，锚660沿着冷却元件620的轴线延伸(例如，以类似于锚260A和/或260B的方式)。在其它实施例中，锚660仅靠近冷却元件620的中心部分(例如，类似于锚360A和/或360B)。此外，孔板630、孔口632和/或冷却元件620可以与本文中描绘的(多个)其它孔板和/或(多个)冷却元件中的一个或多个类似的方式被构造。
在冷却系统600中，顶板被冷却元件610代替。冷却元件610因此具有通气孔612，并且在其外围处被支撑或锚定。因此，冷却元件610的最大偏转可能发生在中心附近(例如，通气孔612附近)。尽管示出了单个居中地定位的通气孔612，但是可使用位于其它地方(包括侧壁上)的多个通气孔和/或(多个)通气孔。冷却元件610和620也被异相驱动。在一些实施例中，冷却元件610和620的振动运动异相180度或接近180度。因此，当冷却元件620经历向下行程时，冷却元件610经历向上行程，反之亦然。这在图6B和图6C中描绘。
也希望冷却元件610和620在其结构共振频率下被驱动。因此，冷却元件610和620的结构共振频率被选择为接近。在一些实施例中，希望冷却元件610和620的共振频率彼此在100赫兹以内。在一些实施例中，反馈用于将冷却元件610和620保持在共振或接近共振。例如，可周期性地测量用于驱动冷却元件610和620的电流，并且调节冷却元件610和620的驱动频率以保持共振。在一些实施例中，(多个)冷却元件610和/或620在一个或多个共振频率的几百赫兹内被驱动，以优化性能。然而，其它频率是可能的。也可调节冷却元件610和620的驱动频率，以保持冷却元件异相180度或接近180度。此外，希望冷却元件610和620的结构共振频率以及它们的驱动频率等于或接近冷却系统600的顶部腔室640的声共振频率。
在操作中，冷却元件610经历向上行程，而冷却元件620经历向下行程，如图6B中所指示。因此，冷却元件620以高速驱动流体流出孔口632，诸如关于冷却系统100所讨论的那样。此外，流体经由通气孔612被吸入顶部腔室640中。这种流体运动由图6B中未标记的箭头示出。当冷却元件620经历上行程并且冷却元件610经历向下行程时，流体被从顶部腔室640驱动到底部腔室650中。这种流体运动由图6C中未标记的箭头示出。孔板620、孔口632和/或冷却元件620也被构造成减少或消除吸力，该吸力将导致流体通过孔口632回流到底部腔室650中。因此，冷却系统600以与冷却系统100类似的方式操作。因此，可实现冷却系统100的益处。此外，冷却系统600可用于需要高流体流量和/或速度的其它应用(例如，具有或不具有发热结构602)。
图7A至图7C描绘了包括多个中心锚定的冷却元件720和770的主动冷却系统700的实施例。图7A至图7C未按比例绘制。图7A描绘了中立构造。图7B描绘了冷却元件720的向下行程的结束和冷却元件770的向上行程的结束。图7C描绘了冷却元件720的向上行程的结束和冷却元件770的向下行程的结束。为了简单起见，仅示出了冷却系统700的部分。冷却系统700类似于冷却系统100。冷却系统700包括具有通气孔712的顶板710、冷却元件720、包括孔口732的孔板730、顶部腔室740、底部腔室750和锚(即支撑结构)760，它们分别类似于具有通气孔112的顶板110、冷却元件120、包括孔口132的孔板130、顶部腔室140、底部腔室150和锚(即支撑结构)160。因此，冷却元件720由锚760居中地支撑，使得冷却元件720的周边的至少一部分自由振动。在一些实施例中，锚760沿着冷却元件720的轴线延伸(例如，以类似于锚260A和/或260B的方式)。在其它实施例中，锚760不沿着冷却元件720的轴线延伸(例如，以类似于锚360A和/或360B的方式)。此外，孔板730、孔口732和/或冷却元件720可以与本文中描绘的(多个)其它孔板和/或(多个)冷却元件中的一个或多个类似的方式被构造。
冷却系统700也包括冷却元件770、支撑结构(例如，锚)772和上部腔室780。冷却元件770由锚772居中地支撑，使得冷却元件770的周边的至少一部分自由振动。在一些实施例中，锚772沿着冷却元件770的轴线延伸(例如，以类似于锚260A和/或260B的方式)。在一些实施例中，锚772不沿着冷却元件770的轴线延伸(例如，以类似于锚360A和/或360B的方式)。
在一些实施例中，冷却元件720和770被异相驱动。在一些实施例中，冷却元件720和770的振动运动异相180度或接近180度。因此，当冷却元件720经历向下行程时，冷却元件770经历向上行程，反之亦然。也希望冷却元件720和770在其结构共振频率下被驱动。因此，冷却元件720和770的结构共振频率被选择为接近。在一些实施例中，希望冷却元件720和770的共振频率彼此在100赫兹以内。在一些实施例中，反馈用于将(多个)冷却元件保持在共振或接近共振。例如，可周期性地测量用于驱动冷却元件720和770的电流，并且调节冷却元件720和770的驱动频率以保持共振。在一些实施例中，(多个)冷却元件720和/或770在一个或多个共振频率的几百赫兹内被驱动，以优化性能。然而，其它频率是可能的。也可调节冷却元件720和770的驱动频率，以保持冷却元件异相180度或接近180度。此外，希望冷却元件720和770的结构共振频率以及它们的驱动频率等于或接近冷却系统700的声共振频率。
在操作中，冷却元件770经历向上行程，而冷却元件720经历向下行程，如图7B中所指示。因此，冷却元件720以高速驱动流体流出孔口732，诸如关于冷却系统100所描述的那样。同样，在冷却元件770的向上行程中，流体被从上部腔室780驱动到顶部腔室740中。在所示的实施例中，锚772和冷却元件770中的小孔(未示出)允许流体从上部腔室780通过锚772流入腔室740。这种流体运动由图7B中未标记的箭头指示。在锚772和冷却元件770中不存在小孔的其它实施例中，流体从上部腔室780流到冷却系统700的外围处的顶部腔室740。当冷却元件720经历上行程并且冷却元件770经历向下行程时，流体被从顶部腔室740驱动到底部腔室750中。流体也通过通气孔712被吸入上部腔室780中。流体运动由图7C中未标记的箭头指示。孔板720、孔口732和/或冷却元件720也被构造成减少或消除吸力，该吸力将导致流体通过孔口732回流到底部腔室750中。
因此，冷却系统700以与冷却系统100类似的方式操作。因此，可实现冷却系统100的益处。此外，使用多个致动器720和770可允许冷却系统700甚至在喷射通道(发热结构702和孔板730之间的区域)中更高的背压下操作。因此，可增加可利用冷却系统700的应用范围。此外，冷却系统700可用于需要高流体流量和/或速度的其它应用(例如，具有或不具有发热结构702)。
图8A至图8E描绘了包括中心锚定的冷却元件和弹性结构890D和890E的主动冷却系统800A、800B、800C的实施例。图8A至图8E未按比例绘制。图8A描绘了利用一个冷却元件820A和弹性结构890A的冷却系统800A。冷却系统800A类似于冷却系统100。冷却系统800包括具有通气孔812的顶板810、冷却元件820、包括孔口832的孔板830、顶部腔室840、底部腔室850和锚(即支撑结构)860，它们分别类似于具有通气孔112的顶板110、冷却元件120、包括孔口132的孔板130、顶部腔室140、底部腔室150和锚(即支撑结构)160。因此，冷却元件820A由锚860居中地支撑，使得冷却元件820A的周边的至少一部分自由振动。在一些实施例中，锚860沿着冷却元件820A的轴线延伸(例如，以类似于锚260A和/或260B的方式)。此外，孔板830、孔口832和/或冷却元件820A可以与本文中描绘的(多个)其它孔板和/或(多个)冷却元件中的一个或多个类似的方式被构造。
图8A还示出了冷却元件820A的压电体823和弹性结构890A。弹性结构890A驻留在冷却元件820A和顶板810之间。弹性结构890A用来耦合冷却元件820A的相对区段的振动运动。例如，如果同相振动(两个区段都经历向上行程或两个区段都经历向下行程)，则弹性结构890A有助于保持冷却元件820A的这些部分的振动同相。对于其中锚860仅靠近冷却元件820A的中心部分的实施例(例如，类似于锚360A和/或360B)，弹性结构890A可被不同地构造。
因此，冷却系统800A以与冷却系统100类似的方式操作。因此，可实现冷却系统100的益处。此外，弹性结构890A的使用可允许冷却元件820A的部分的振动保持在期望的相位。因此，冷却系统800A的性能可进一步改善。
图8B描绘了利用冷却元件820B和弹性结构890B的冷却系统800B的一部分的平面图。冷却系统800B类似于冷却系统100和冷却系统800A。为了简单起见，仅示出了冷却元件820B、弹性结构890B和锚860B。弹性结构890B驻留在冷却元件820B的侧部处。弹性结构890B用来耦合冷却元件820B的相对区段的振动运动。例如，如果同相振动(两个区段都经历向上行程或两个区段都经历向下行程)，则弹性结构890B有助于保持冷却元件820B的这些部分的振动同相。对于其中锚860仅靠近冷却元件820B的中心部分的实施例(例如，类似于锚360A和/或360B)，弹性结构890B可被不同地构造。
冷却系统800B以与冷却系统100类似的方式操作。因此，可实现冷却系统100的益处。此外，弹性结构890B的使用可允许冷却元件820B的部分的振动保持在期望的相位。因此，冷却系统800B的性能可进一步改善。
图8C描绘了包括多个冷却元件820C和870的冷却系统800C的中立构造。冷却系统800C类似于冷却系统100和冷却系统700。冷却系统800C包括具有通气孔812的顶板810、冷却元件820C、包括孔口832的孔板830、顶部腔室840、底部腔室850和锚(即支撑结构)860，它们分别类似于具有通气孔112的顶板110、冷却元件120、包括孔口132的孔板130、顶部腔室140、底部腔室150和锚(即支撑结构)160。冷却系统800C也包括附加的冷却元件870、锚(支撑结构)872和上部腔室880，它们分别类似于冷却元件770、锚772和上部腔室780。因此，冷却元件820C和870分别由锚860和872居中地支撑，使得冷却元件820C和870的周边的至少一部分自由振动。在一些实施例中，锚860和872沿着冷却元件820C和870的轴线延伸(例如，以类似于锚260A和/或260B的方式)。此外，孔板830、孔口832和/或冷却元件820C可以与本文中描绘的(多个)其它孔板和/或(多个)冷却元件中的一个或多个类似的方式被构造。
图8C中还示出了弹性结构890C。弹性结构890C驻留在冷却元件820C和870之间。弹性结构890C用来耦合冷却元件820C和870的振动运动。例如，如果异相振动，则弹性结构890C有助于保持这些冷却元件820C和870的振动的相位。图8D和图8E描绘了可在冷却系统800C中使用的弹性结构890D和890E的实施例。
因此，冷却系统800C以与冷却系统100和/或700类似的方式操作。因此，可实现(多个)冷却系统100和/或700的益处。此外，弹性结构890C、890D和/或890E的使用可允许振动冷却元件820C和870保持在期望的相位。因此，冷却系统800C的性能可进一步改善。此外，冷却系统800A、800B和/或800C可用于需要高流体流量和/或速度的其它应用(例如，具有或不具有发热结构802)。
图9A至图9B描绘了包括中心锚定的冷却元件920的主动冷却系统900的实施例。图9A至图9B未按比例绘制。图9A和图9B描绘了冷却元件920的行程的结束。中立构造由图9A和图9B中的虚线表示。为了简单起见，仅示出了冷却系统900的部分。
冷却系统900类似于冷却系统100。冷却系统900包括具有通气孔912的顶板910、冷却元件920、包括孔口932的孔板930、顶部腔室940、底部腔室950和锚(即支撑结构)960，它们分别类似于具有通气孔112的顶板110、冷却元件120、包括孔口132的孔板130、顶部腔室140、底部腔室150和锚(即支撑结构)160。因此，冷却元件920由锚960居中地支撑，使得冷却元件920的周边的至少一部分自由振动。在一些实施例中，锚960沿着冷却元件920的轴线延伸(例如，以类似于锚260A和/或260B的方式)。此外，孔板930、孔口932和/或冷却元件920可以与本文中描绘的(多个)其它孔板和/或(多个)冷却元件中的一个或多个类似的方式被构造。
在图9A至图9B所示的实施例中，冷却元件920被异相驱动。更具体地，在锚960的相对侧上(并且因此在由锚960支撑的冷却元件920的中心区域的相对侧上)的冷却元件920的区段被驱动成异相振动。在一些实施例中，在锚960的相对侧上的冷却元件920的区段被以等于或接近180度的异相驱动。因此，冷却元件920的一个区段朝向顶板910振动，而冷却元件920的另一个区段朝向孔板930/发热结构902振动。冷却元件920的区段朝向顶板910的移动(向上行程)将顶部腔体940中的流体驱动到在锚960的该侧上的底部腔体950。冷却元件920的区段朝向孔板930的移动将流体通过孔口932并朝向发热结构902驱动。因此，以高速(例如，关于冷却系统100描述的速度)行进的流体被交替地从锚960的相对侧上的孔口932驱出。
因此，冷却系统900以与冷却系统100类似的方式操作。因此，可实现冷却系统100的益处。此外，冷却元件920的异相振动允许冷却元件900的质量中心的位置保持更稳定。尽管扭矩施加在冷却元件920上，但是由于质量中心的运动而产生的力被减小或消除。结果，可减少由于冷却元件920的运动而引起的振动。此外，通过对冷却元件920的两侧使用异相振动运动，可提高冷却系统900的效率。因此，冷却系统900的性能可进一步改善。此外，冷却系统900可用于需要高流体流量和/或速度的其它应用(例如，具有或不具有发热结构902)。
图10A至图10C描绘了分别包括多个冷却单元1001A、1001B和1001C的主动冷却系统1000A、1000B和1000C的实施例。每个冷却单元1001A、1001B和1001C分别具有中心锚定的冷却元件1020A、1020B和1020C。图10A至图10C未按比例绘制。图10A至图10C描绘了相同的几何构造，但是其中单元1001A、1001B和1001C以不同的相位驱动。因此，尽管指示为不同的系统，但是冷却系统1000A、1000B和1000C可为由不同输入信号驱动的相同物理系统。为了简单起见，仅示出了冷却系统1000A、1000B和1000C的部分。
参考图10A，冷却系统1000A的每个单元1001A类似于冷却系统100。冷却系统1000A包括具有通气孔1012的顶板1010、冷却元件1020A、包括孔口1032的孔板1030、顶部腔室1040、底部腔室1050和锚(即支撑结构)1060，它们分别类似于具有通气孔112的顶板110、冷却元件120、包括孔口132的孔板130、顶部腔室140、底部腔室150和锚(即支撑结构)160。因此，冷却元件1020A由锚1060居中地支撑，使得冷却元件1020A的周边的至少一部分自由振动。在一些实施例中，锚1060沿着冷却元件1020A的轴线延伸(例如，以类似于锚260A和/或260B的方式)。在其它实施例中，锚1060仅靠近冷却元件1020A的中心部分(例如，类似于锚360A和/或360B)。此外，孔板1030、孔口1032和/或冷却元件1020A可以与本文中描绘的(多个)其它孔板和/或(多个)冷却元件中的一个或多个类似的方式被构造。
每个冷却元件1020A被驱动，使得其同相振动。因此，冷却元件1020A未被锚1060支撑的部分一起朝向顶板1010或一起朝向孔板1030振动。然而，相邻单元1001A中的冷却元件1020A异相振动。因此，如果一个冷却元件1020A正经历向下行程，则相邻冷却元件1020A正经历向上行程。
冷却系统1000A的冷却单元1001A以与冷却系统100类似的方式操作。因此，对于每个冷却单元1001A，可实现冷却系统100的益处。使用多个单元可增加冷却系统1000A的冷却能力。此外，相邻单元中的冷却元件1020A的异相振动可减少由于冷却元件1020A的运动而引起的冷却系统1000A中的振动。因此，冷却系统1000A的性能可进一步改善。此外，冷却系统1000A可用于需要高流体流量和/或速度的其它应用(例如，具有或不具有发热结构)。
图10B描绘了冷却系统100B，其中每个单元1001B类似于冷却系统100和900。冷却系统1000B包括具有通气孔1012的顶板1010、冷却元件1020B、包括孔口1032的孔板1030、顶部腔室1040、底部腔室1050和锚(即支撑结构)1060，它们分别类似于具有通气孔112的顶板110、冷却元件120、包括孔口132的孔板130、顶部腔室140、底部腔室150和锚(即支撑结构)160。因此，冷却元件1020B由锚1060居中地支撑，使得冷却元件1020B的周边的至少一部分自由振动。在一些实施例中，锚1060沿着冷却元件1020B的轴线延伸(例如，以类似于锚260A和/或260B的方式)。在其它实施例中，锚1060仅靠近冷却元件1020B的中心部分(例如，类似于锚360A和/或360B)。此外，孔板1030、孔口1032和/或冷却元件1020B可以与本文中描绘的(多个)其它孔板和/或(多个)冷却元件中的一个或多个类似的方式被构造。
冷却元件1020B被驱动，使得其同相振动。因此，未被锚1060支撑的冷却元件1020B的一些部分一起朝向顶板1010振动，而冷却元件1020B的其它部分朝向孔板1030振动。此外，在所示的实施例中，相邻单元1001B中的冷却元件1020B异相振动。在其它实施例中，相邻单元1001B中的冷却元件1020B可同相振动(例如，所有单元1001B的冷却元件1020B的右侧部分一起朝向顶板1010振动)。
冷却系统1000B的冷却单元1001B以与冷却系统900和100类似的方式操作。因此，对于每个冷却单元1001B，可实现冷却系统100和900的益处。冷却系统1000B可通过使用多个冷却单元1001B来提高冷却能力。此外，单个单元1001B中的冷却元件1020B的异相振动可允许减少由于冷却元件1020B的运动而引起的冷却系统1000B中的振动。因此，冷却系统1000B的性能可进一步改善。此外，冷却系统1000B可用于需要高流体流量和/或速度的其它应用(例如，具有或不具有发热结构)。
参考图10C，描绘了冷却系统1000C，其中1001C类似于冷却系统100。冷却系统1000C包括具有通气孔1012的顶板1010、冷却元件1020C、包括孔口1032的孔板1030、顶部腔室1040、底部腔室1050和锚(即支撑结构)1060，它们分别类似于具有通气孔112的顶板110、冷却元件120、包括孔口132的孔板130、顶部腔室140、底部腔室150和锚(即支撑结构)160。因此，冷却元件1020C由锚1060居中地支撑，使得冷却元件1020C的周边的至少一部分自由振动。在一些实施例中，锚1060沿着冷却元件1020C的轴线延伸(例如，以类似于锚260A和/或260B的方式)。在其它实施例中，锚1060仅靠近冷却元件1020C的中心部分(例如，类似于锚360A和/或360B)。此外，孔板1030、孔口1032和/或冷却元件1020C可以与本文中描绘的(多个)其它孔板和/或(多个)冷却元件中的一个或多个类似的方式被构造。
冷却元件1020C被驱动，使得其同相振动。因此，冷却元件1020C未被锚1060支撑的部分一起朝向顶板1010或一起朝向孔板1030振动。此外，相邻单元1001C中的冷却元件1020C同相振动。因此，所有单元10001C中的冷却元件1020C一起经历向下行程和向上行程。
因此，冷却系统1000C的冷却单元1001C以与冷却系统100类似的方式操作。因此，对于每个冷却单元1001C，可实现冷却系统100的益处。使用多个冷却单元1001C可进一步增加冷却系统1000的冷却能力。因此，冷却系统1000A的性能可进一步改善。然而，相邻单元中的冷却元件1020C的同相振动可允许增加由于冷却元件1020A的运动而引起的冷却系统1000C中的振动。冷却系统1000C也可用于需要高流体流量和/或速度的其它应用(例如，具有或不具有发热结构)。
图11A至图11D描绘了包括多个冷却元件1110和1120的主动冷却系统1100A和1100D的实施例。图11A至图11D未按比例绘制。图11A至图11D描绘了相同的几何构造，但是其中冷却元件以不同的方式驱动。
图11A描绘了具有多个中心锚定的冷却元件1110和1120的冷却系统1100的中立构造。冷却系统1100类似于冷却系统700，但是具有交错的冷却元件1110和1120。冷却系统1100包括冷却元件1120和1110、包括孔口1132的孔板1130、顶部腔室1140、底部腔室1150和锚(即支撑结构)1160，它们分别类似于冷却元件120(和冷却元件710和770)、包括孔口132的孔板130、顶部腔室140、底部腔室150和锚(即支撑结构)160。还示出了类似于顶部凸棱422E和422D的顶部凸棱1114。在一些实施例中，可省略顶部凸棱1114。因此，每个冷却元件1120和1110由锚1160居中地支撑，使得冷却元件1120和1110的周边的至少一部分自由振动。在一些实施例中，锚1160沿着冷却元件1110和/或1120的轴线延伸(例如，以类似于锚260A和/或260B的方式)。在其它实施例中，锚1160仅靠近冷却元件1110和/或1120的中心部分(例如，类似于锚360A和/或360B)。此外，孔板1130、孔口1132和/或冷却元件1110和1120可以与本文中描绘的(多个)其它孔板和/或(多个)冷却元件中的一个或多个类似的方式被构造。
图11B至图11C描绘了当每个冷却元件1110和1120被驱动以使得其同相振动时的冷却系统1100。因此，每个冷却元件1120未被锚1160支撑的部分一起朝向顶板1110或一起朝向孔板1130振动。类似地，冷却元件1110未被锚1160支撑的部分一起朝向顶板1110或一起朝向孔板1130振动。然而，相邻冷却元件1110和1120异相振动。因此，如果一个冷却元件1120正经历向下行程，则相邻冷却元件1110正经历向上行程，反之亦然。备选地，冷却系统1100D描绘了每个冷却元件1110和1120被异相驱动的情况。因此，未被锚1060支撑的冷却元件1110和冷却元件1120的一些部分一起朝向顶板1110振动，而冷却元件1110和1120的其它部分分别朝向孔板1130振动。因此，根据冷却元件1110和1120如何被致动，可使用同相或异相振动。
冷却系统1100/1100D以与冷却系统100类似的方式操作。因此，可实现冷却系统100的益处。使用多个冷却元件可增加冷却系统1100/1100D的冷却能力。此外，堆叠冷却元件1110和1120可允许支撑更高的背压。因此，冷却系统1100/1100D的性能可进一步改善。此外，冷却系统1100和/或1100D可用于需要高流体流量和/或速度的其它应用(例如，具有或不具有发热结构)。
图12描绘了包括多个冷却元件1210、1220和1280的主动冷却系统200的实施例。图12未按比例绘制。冷却系统1200类似于冷却系统700和1100。冷却系统1200包括冷却元件1220和1210、包括孔口1232的孔板1230、顶部腔室1240、底部腔室1250和锚(即支撑结构)1260，它们分别类似于冷却元件120(和冷却元件710和770)、包括孔口132的孔板130、顶部腔室140、底部腔室150和锚(即支撑结构)160。还示出了类似于凸棱422E和422D的顶部凸棱1214。在一些实施例中，可省略顶部凸棱1214。
冷却元件1220和1210各自由锚1260居中地支撑，使得冷却元件1220和/或1210的周边的至少一部分自由振动。在一些实施例中，锚1260沿着冷却元件1210和1220的轴线延伸(例如，以类似于锚260A和/或260B的方式)。在其它实施例中，锚1260仅靠近冷却元件1210和/或1220的中心部分(例如，类似于锚360A和/或360B)。此外，孔板1230、孔口1232和/或冷却元件1210、1220和1280可以与本文中描绘的(多个)其它孔板和/或(多个)冷却元件中的一个或多个类似的方式被构造。
此外，冷却系统1200具有冷却元件1280和上部腔室1270的附加层。冷却元件1280以类似于冷却元件1210和/或1220的方式起作用。此外，冷却元件1210、1220和1280可同相或异相驱动。
因此，冷却系统1200以与冷却系统100类似的方式操作。因此，可实现冷却系统100的益处。使用多个冷却元件可增加冷却系统1200的冷却能力。此外，堆叠冷却元件1210、1220和1280可允许支撑更高的背压。因此，冷却系统1200的性能可进一步改善。此外，冷却系统1200可用于需要高流体流量和/或速度的其它应用(例如，具有或不具有发热结构)。
图13描绘了包括多个冷却单元1301的冷却系统1300的实施例的俯视图。图13未按比例绘制。冷却单元1301类似本文描述的冷却系统中的一个或多个，诸如冷却系统100、400A、400B、400C、400D。400E、500、600、700、800A、800B、800C、900、1000A、1000B、1000C、1100、1100D和/或1200。如在冷却系统1300中所指示，冷却单元1301可布置成所需大小和构造的二维阵列。因此，冷却单元1301的构造可适应期望的应用。此外，冷却系统1300可用于需要高流体流量和/或速度的其它应用(例如，具有或不具有发热结构)。
图14A至图14B分别描绘了冷却元件1400A和1400B的实施例。图14A和图14B未按比例绘制。冷却元件1400A和1400B是压电冷却元件，其可用作或包括在本文描述的冷却元件中。参考图14A，冷却元件1400A包括在衬底1402上的压电层1404。在一些实施例中，衬底1402包括不锈钢、镍和/或哈氏合金。在一些实施例中，压电层1404包括多个子层。在一些实施例中，使用沉积技术在衬底1402上制造压电层1404。在一些实施例中，压电层1404包括或者是附连到衬底1402的本征层。压电冷却元件1400A也包括顶部电极1406。在一些实施例中，底部电极可由不锈钢衬底1402形成。在其它实施例中，底部电极(未示出)可设置在衬底1402和压电体1404之间。在压电冷却元件1400中可包括其它层(未示出)，包括但不限于种子层、封盖层、钝化层或其它层。冷却元件1400A的厚度和宽度可在针对本文讨论的其它冷却元件描述的范围内。
图14B描绘了类似于冷却元件1400A的冷却元件1400B。冷却元件1400B包括在衬底1402B上的压电层1404B。在一些实施例中，衬底1402B包括不锈钢、镍和/或哈氏合金。在一些实施例中，每个压电层1404B包括多个子层。在一些实施例中，使用沉积技术在衬底1402B上制造每个压电层1404B。在一些实施例中，每个压电层1404B包括或者是附连到衬底1402B的本征层。压电冷却元件1400B也包括用于每个压电冷却元件1404B的顶部电极1406B。因此，压电冷却元件1400B的各部分可单独地致动。在一些实施例中，底部电极可由衬底1402B形成。在其它实施例中，底部电极(未示出)可设置在衬底1402B和压电体1404B之间。在压电冷却元件1400B中可包括其它层(未示出)，包括但不限于种子层、封盖层、钝化层或其它层。冷却元件1400B的厚度和宽度可在针对本文讨论的其它冷却元件描述的范围内。
图15是描绘用于操作冷却系统的方法1500的示例性实施例的流程图。方法1500可包括为了简单起见而未描绘的步骤。方法1500在压电冷却系统100的上下文中进行描述。然而，方法1500可用于其它冷却系统，包括但不限于本文描述的系统和单元。
在1502，冷却系统中的(多个)冷却元件中的一个或多个被致动以振动。在1502，使用具有期望频率的电信号来驱动(多个)冷却元件。在一些实施例中，在1502，冷却元件在等于或接近结构和/或声共振频率的频率下被驱动。驱动频率可为15kHz或更高。如果在1502多个冷却元件被驱动，则冷却元件可被异相驱动。在一些实施例中，冷却元件基本上被异相180度驱动。此外，在一些实施例中，各个冷却元件被异相驱动。例如，冷却元件的不同部分可被驱动以在相反方向上振动。
在1504，来自(多个)压电冷却元件的反馈用于调节驱动电流。在一些实施例中，调节用于将频率保持在等于或接近(多个)冷却元件和/或冷却系统的声和/或结构共振频率的频率。特定冷却元件的共振频率可能会漂移，例如由于温度的变化。在1504进行的调节允许考虑共振频率的漂移。
例如，在1502，压电冷却元件120可在其一个或多个结构共振频率下被驱动。该共振频率也可等于或接近顶部腔室140的声共振频率。在1504，反馈用于将冷却元件120保持在共振，并且在驱动多个冷却元件的一些实施例中，保持180度异相。因此，可保持冷却元件120在驱动流体流过冷却系统100并流到发热结构102时的效率。在一些实施例中，1504包括对通过冷却元件120的电流进行采样和调节电流以保持共振和低输入功率。
在另一个示例中，在1502，压电冷却元件720和770可在其一个或多个结构共振频率下被驱动。这些结构共振频率也可等于或接近顶部腔室740的声共振频率。因为多个冷却元件720和770被驱动，所以在共振频率和因此驱动频率中可能存在小的差异。因此，冷却元件720和770可在稍微不同的频率下被驱动。此外，冷却元件720和770被致动以异相振动(例如，异相180度)。
在1504，反馈用于将冷却元件720和770保持在共振，并且在一些实施例中，保持180度异相。例如，驱动电流可被采样和调节，以减少相同量值的偏转或流体流量的功率输入。功率的减少发生在共振时。利用反馈，冷却元件720和770可保持共振或接近共振。因此，可保持冷却元件720和770在驱动流体流过冷却系统700并流到发热结构702时的效率。
因此，诸如(多个)冷却元件120、720和/或770的冷却元件可如上所述操作。方法1500因此提供用于使用本文描述的压电冷却系统。因此，压电冷却系统可以较低的功率更高效和安静地冷却半导体设备。
图16是描绘用于操作冷却系统的方法1600的示例性实施例的流程图。方法1600可包括为了简单起见而未描绘的步骤。方法1600在压电冷却系统100的上下文中进行描述。然而，方法1600可用于其它冷却系统，包括但不限于本文描述的系统和单元。方法1600在(多个)驱动电流已经被提供以致动一个或多个冷却元件之后开始。因此，使用具有期望频率的(多个)电信号来驱动(多个)冷却元件。在一些实施例中，冷却元件在等于或接近结构和声共振频率的频率下被驱动。
在1602，测量在驱动(多个)冷却元件过程中使用的(多个)测量电流。在1604，调节(多个)电流的驱动频率。例如，在1604，驱动电流频率可增加。此外，可调节电流以在频率改变后保持相同的流量或偏转幅度。在1606，测量用于驱动(多个)冷却元件的新电流。
在1608，确定驱动电流是否已经响应于驱动频率的变化而减小。如果没有，则在1610，在相反的方向上调节驱动电流的频率。如果驱动电流已经减小，则在1612，在相同方向上调节电流。
在1614，迭代地重复过程1606、1608、1610和/或1612，直到测量的电流指示(多个)冷却元件的驱动频率在结构和/或声共振频率的公差内。因此，重复这些过程，直到测量的电流在最小驱动电流的公差内。在1616，该电流被用于驱动(多个)冷却元件。
例如，压电冷却元件120可在等于或接近其结构共振频率的频率下被驱动。随着时间的推移，冷却系统100的结构和/或声共振频率可能漂移。因此，在1602，测量用于驱动冷却元件120的电流。在1604，可调节驱动信号的频率。驱动信号中使用的电流的量值也被调节，以提供期望的流量和/或冷却元件偏转。在1606，测量用于在具有期望幅度的新频率下驱动冷却元件120的电流。在1608，确定驱动电流是否已经减小。如果新的驱动频率比先前的驱动频率更远离(漂移的)结构/声共振频率，则驱动电流增加。如果新的驱动频率更接近(漂移的)结构/声共振频率，则驱动电流减小。因此，基于在1606中的确定，驱动信号的频率在1612在相同方向上被调节，或者在1610在相反方向上被调节。在1614和1616，迭代地重复测量(1606)、差异确定(1608)和调节(1610或1612)，直到冷却元件120以结构和/或声共振频率的期望公差被驱动。
因此，诸如元件120的冷却元件可如上所述操作。方法1600因此提供用于使用本文描述的压电冷却系统。因此，压电冷却系统可以较低的功率更高效和安静地冷却半导体设备。
本文已经描述了各种构造、方法和特征。一些或所有的构造、方法和/或特征可以这里没有明确描述的方式组合。
尽管为了清楚理解的目的已经在一定程度上详细描述了前述实施例，但是本发明不限于所提供的细节。存在许多实现本发明的备选方式。所公开的实施例是说明性的，而不是限制性的。

Claims (20)

1.一种冷却系统，包括：
支撑结构；
冷却元件，其具有中心区域和周边，所述冷却元件在所述中心区域处由所述支撑结构支撑，所述周边的至少一部分未被固定，所述冷却元件被构造成当被致动时经历振动运动以朝向发热结构驱动流体。
2.根据权利要求1所述的冷却系统，其中，所述冷却元件具有靠近所述发热结构的第一侧和远离所述发热结构的第二侧，所述振动运动将所述流体从所述第二侧驱动到所述冷却元件的所述第一侧。
3.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，还包括：
顶板，其具有在其中的至少一个通气孔，所述冷却元件在所述顶板和所述发热结构之间，在所述冷却元件和所述顶板之间形成顶部腔室。
4.根据权利要求3所述的冷却系统，其特征在于，所述顶部腔室具有对应于奇数乘以波长除以4的长度，所述波长是所述振动运动的频率的声学波长，所述振动运动的频率对应于所述冷却元件的结构共振和具有所述波长的所述顶部腔室的声共振。
5.根据权利要求4所述的冷却系统，其中，所述顶部腔室是折叠的顶部腔室。
6.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，还包括：
孔板，其具有在其中的至少一个孔口，所述孔板设置在所述冷却元件和所述发热结构之间，所述冷却元件被致动以驱动所述流体通过所述至少一个孔口。
7.根据权利要求6所述的冷却系统，其中，所述至少一个孔口位于距离所述周边至少100微米且距离所述周边不超过1毫米处。
8.根据权利要求6所述的冷却系统，其中，所述孔板包括凸棱和在所述孔板中的至少一个沟槽中的至少一者，所述至少一个沟槽包括在其中的所述至少一个孔口，所述凸棱比所述至少一个孔口更靠近所述冷却元件的所述周边。
9.根据权利要求1所述的冷却系统，其中，所述振动运动是异相振动运动。
10.根据权利要求9所述的冷却系统，其中，在所述中心区域的第一侧上的所述冷却元件的第一部分和在所述中心区域的第二侧上的所述冷却元件的第二部分振动，所述第二侧与所述第一侧相对，所述冷却元件的所述第一部分和所述第二部分经历异相振动运动。
11.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，还包括：
弹性结构，其联接到所述冷却元件。
12.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，还包括：
附加的冷却元件，所述冷却元件在所述附加的冷却元件和所述发热结构之间。
13.根据权利要求1所述的冷却系统，其中，所述冷却元件是长度不超过10毫米的压电冷却元件，并且其中，所述振动运动以至少30米/秒的速度朝向所述发热结构驱动所述流体。
14. 一种冷却系统，包括：
多个冷却单元，所述多个冷却单元中的每一个包括支撑结构和具有中心区域和周边的冷却元件，所述冷却元件在所述中心区域处由所述支撑结构支撑，所述周边的至少一部分未被固定，所述冷却元件被构造成当被致动时经历振动运动以朝向发热结构驱动流体；和
孔板，其具有在其中的多个孔口，所述多个孔口的一部分对应于所述多个冷却单元中的每一个，所述孔板设置在所述冷却元件和所述发热结构之间。
15.根据权利要求14所述的冷却系统，其特征在于，还包括：
顶板，其具有在其中的用于所述多个冷却单元中的每一个的至少一个通气孔，所述冷却元件在所述顶板和所述发热结构之间，在所述冷却元件和所述顶板之间形成用于所述多个冷却单元中的每一个的顶部腔室，所述顶部腔室具有构造成提供对应于奇数乘以波长除以4的声共振的长度，所述波长是所述振动运动的频率的声学波长，所述振动运动的频率处于所述冷却元件的结构共振。
16.根据权利要求15所述的冷却系统，其中，在所述多个冷却单元中的每一个中，所述多个孔口的所述部分位于距离所述冷却元件的所述周边至少100微米并且距离所述冷却元件的所述周边不超过1毫米处。
17.根据权利要求14所述的冷却系统，其中，对于所述多个冷却单元中的相邻冷却单元，所述振动运动是异相振动运动。
18.根据权利要求17所述的冷却系统，其中，在所述中心区域的第一侧上的所述冷却元件的第一部分和在所述中心区域的第二侧上的所述冷却元件的第二部分振动，所述第二侧与所述第一侧相对，所述冷却元件的所述第一部分和所述第二部分经历异相振动运动。
19.一种冷却发热结构的方法，包括：
驱动冷却元件以在某一频率下引起振动运动，所述冷却元件具有中心区域和周边，所述冷却元件在所述中心区域处由支撑结构支撑，所述周边的至少一部分未被固定，所述冷却元件被构造成当被致动时经历振动运动以朝向发热结构驱动流体。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述驱动还包括：
以用于所述振动运动的频率驱动所述冷却元件，所述频率对应于所述冷却元件的结构共振，所述冷却元件在顶板和所述发热结构之间，所述顶板具有在其中的至少一个通气孔，所述冷却元件和所述顶板形成在所述冷却元件和所述顶板之间的顶部腔室，所述顶部腔室具有构造的长度，所述频率也对应于声共振，所述声共振具有对应于所述长度乘以4并除以奇数的波长。
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