TWI829010B - 冷卻系統及用於驅動冷卻系統之方法 - Google Patents

冷卻系統及用於驅動冷卻系統之方法 Download PDF

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馬克 米格納德
夏克哈爾 哈拉卡蒂
蘇吉特拉 瑞米希
瑟亞普瑞卡許 甘堤
賽夏吉里 若伊 梅德哈維佩迪
普拉伯胡 莎斯亞摩西
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Abstract

本發明描述一種包含複數個冷卻單元及一切換及控制模組之系統。該等冷卻單元包含經構形以致動以誘發振動運動以朝向一熱發生結構驅動一流體之冷卻元件。該切換及控制模組耦合至該等冷卻元件且基於至少一個驅動信號輸入而將信號驅動至該等冷卻元件。該等驅動信號之各者具有對應於一冷卻元件之一頻率。該驅動信號之該頻率對應於該冷卻元件之一諧振狀態。

Description

冷卻系統及用於驅動冷卻系統之方法
本申請案係關於基於微機電系統之主動冷卻系統之控制。
隨著計算裝置之速度及計算能力增長，由計算裝置產生之熱亦增加。已提出各種機構來解決熱之產生。主動裝置(諸如風扇)可用於驅動空氣通過大型計算裝置(諸如膝上型電腦或桌上型電腦)。被動冷卻裝置(諸如散熱片)可用於較小行動計算裝置(諸如智慧型電話、虛擬實境裝置及平板電腦)中。然而，此等主動及被動裝置可不能夠適當冷卻行動裝置(諸如智慧型電話)及較大裝置(諸如膝上型電腦及桌上型電腦)兩者。因此，期望用於計算裝置之額外冷卻解決方案。
本發明描述一種包含複數個冷卻單元及一切換及控制模組之系統。該等冷卻單元包含經構形以致動以誘發振動運動來朝向一熱發生結構驅動一流體之冷卻元件。該切換及控制模組耦合至該等冷卻元件且基於至少一個驅動信號輸入而將信號驅動至該等冷卻元件。該等驅動信號之各者具有對應於一冷卻元件之一頻率。該頻率可因此對應於該冷卻元件之一結構諧振頻率及/或該冷卻元件之一聲學諧振頻率。
在一些實施例中，將一驅動信號提供至至少兩個冷卻元件。因此，可使用相同驅動信號驅動多個冷卻元件。例如，在一些實施例中，該切換及控制模組基於各冷卻元件之該諧振狀態之一諧振頻率而將該等冷卻元件組織成箱。將對應於一箱之該驅動信號提供至該箱中之各冷卻元件。在一些實施例中，該箱之該驅動信號之該頻率在該箱中之該複數個冷卻元件之一部分之各者之該諧振頻率之10%以內。在一些實施例中，該切換及控制模組基於一單一驅動信號輸入而提供至少兩個驅動信號。
該切換及控制模組可進一步包含該等冷卻元件之電流監控器。各電流監控器之一輸出指示該驅動信號之該頻率與該冷卻元件之一諧振頻率之一偏差。該等驅動信號基於該等偏差而調整。因此，來自該等電流監測器之回饋可用於控制該等驅動信號。在一些實施例中，(若干)處理器用於基於該複數個電流監控器之各者之該輸出而判定該諧振頻率。
該冷卻元件之該振動運動包含一驅動階段及一鬆弛階段。因此，在一些實施例中，該系統進一步包含與該等冷卻元件及與該切換及控制模組耦合之至少一個能量再生器，該至少一個能量再生器經構形以歸因於該振動運動之該鬆弛階段而自該複數個冷卻元件接收電力。
本發明描述一種包含複數個冷卻單元及一切換及控制模組之系統。該等冷卻單元包含經構形以致動以誘發振動運動來朝向一熱發生結構驅動一流體之冷卻元件。該切換及控制模組包含用於接收至少一個驅動信號輸入之至少一個信號輸入、至少一個控制輸入及耦合至該複數個冷卻元件之輸出。該等輸出基於該至少一個驅動信號輸入及基於提供至該(等)控制信號輸入之一控制信號而提供驅動信號至該等冷卻元件。該複數個驅動信號之各者具有對應於一冷卻元件之一諧振狀態之一頻率。
本發明描述一種方法。該方法包含接收至少一個驅動信號輸入。基於(若干)驅動信號輸入而將驅動信號提供至冷卻元件。該等驅動信號之各者具有對應於一冷卻元件之一頻率。冷卻單元包含該等冷卻元件。該等冷卻元件經構形以致動以誘發振動運動來朝向一熱發生結構驅動一流體。該頻率對應於該冷卻元件之一諧振狀態。
可將一驅動信號提供至至少兩個冷卻元件。例如，在一些實施例中，基於各冷卻元件之該諧振狀態之一諧振頻率而將該等冷卻元件組織成箱。對應於一箱之該驅動信號提供至該箱中之各冷卻元件。在一些實施例中，該箱之該驅動信號之該頻率在該箱中之該複數個冷卻元件之一部分之各者之該諧振頻率之10%以內。在一些實施例中，基於一單一驅動信號輸入而提供至少兩個驅動信號。
可量測各冷卻元件之該驅動信號。經量測之驅動信號指示該頻率與該冷卻元件之一諧振頻率之一偏差。因此，可基於該偏差而調整該等驅動信號。
該冷卻元件之該振動運動包含一驅動階段及一鬆弛階段。因此，在一些實施例中，該方法進一步包含歸因於該振動運動之該鬆弛階段而自該等冷卻元件接收電力且儲存該電力。
100:主動冷卻系統
102:熱發生結構
110:頂板
112:通風口
120:中心錨定冷卻元件
120’:中心錨定冷卻元件
121:尖端
122:錨定區域
123:懸臂
124:台階區域
126:延伸區域
128:外區域
130:孔口板
132:孔口
140:頂部腔室/流動室
142:間隙
142B:間隙
142C:間隙
150:底部腔室/流動室
152:間隙
152B:間隙
152C:間隙
160:錨
200A:冷卻系統
200B:冷卻系統
220A:冷卻元件
220B:冷卻元件
223:壓電元件
260A:錨
260B:錨
263:孔徑
300A:冷卻系統
300B:冷卻系統
320A:冷卻元件
320B:冷卻元件
360A:錨
360B:錨
363:孔徑
400:冷卻系統
402:熱發生結構
410:頂板
412:通風口
413:通風口
420:冷卻元件
421:尖端
430:孔口板
432:孔口
440:頂部腔室/流動室
450:底部腔室/流動室
460:錨
500:主動冷卻系統
501A:冷卻單元
501B:冷卻單元
501C:冷卻單元
501D:冷卻單元
510:頂板
512:孔徑
520:冷卻元件
530:孔口板
532:孔口
540:頂部腔室
550:底部腔室
560:錨
600:方法
602:接收冷卻元件之一個或多個驅動信號輸入
604:基於(若干)驅動信號輸入，將一個或多個驅動信號提供至多個單元及因此多個冷卻元件
606:量測冷卻單元之冷卻元件之驅動信號、振動之振幅或(若干)其他特性
700:方法
702:針對一校準(或自動調諧)相位中之各種頻率量測用於驅動(若干)冷卻元件中之(若干)電流
704:判定(若干)驅動信號輸入之驅動頻率、振幅、相位及/或其他特性
705:接收驅動信號輸入
706:基於驅動信號輸入而將驅動信號提供至冷卻單元
708:可自鬆弛冷卻元件接收能量
710:儲存此能量以待稍後使用
712:量測用於驅動冷卻元件之(若干)電流或電壓
714:可重複704、705、706、708、710及712/在操作期間，回饋可用於動態更新驅動信號
800:系統
810:切換及控制模組/切換及控制矩陣
820:驅動信號輸入
830:驅動信號
840:控制信號
900:系統
901:冷卻元件/微磚
902:驅動信號1
904:負載電流監控器
906:高增益放大器
908:峰值偵測器
910:低通濾波器/處理器/處理單元
1000:能量再生器系統
1002:升壓切換轉換器
1004:儲存電容器
1006:H橋
1008:濾波電感器
1020:冷卻元件
1030:運動圖表
1040:能量供應圖表
1060:錨
a:寬度
C:長度
d:距離
e:長度
h:高度
h1:高度
h2:高度
L:長度
o:寬度
P:深度
r1:距離
r2:距離
s:孔口離距
t:厚度
w:寬度
x:距離
y:距離
以下詳細描述及附圖中揭示本發明之各種實施例。
圖1A至圖1F描繪中包含一中心錨定冷卻元件之一主動冷卻系統之一實施例。
圖2A至圖2B描繪可在包含中心錨定冷卻元件之主動冷卻系統中使用之冷卻元件之實施例。
圖3A至圖3B描繪可在包含中心錨定冷卻元件之主動冷卻系統中使用之冷卻元件之實施例。
圖4A至圖4B描繪包含一中心錨定冷卻元件之一主動冷卻系統之一實施例。
圖5A至圖5E描繪形成於一微磚中之一主動冷卻系統之一實施例。
圖6係描繪用於驅動包含多個冷卻元件之主動冷卻系統之一方法之一實施例之一流程圖。
圖7係描繪用於驅動包含多個冷卻元件之主動冷卻系統之一方法之一實施例之一流程圖。
圖8描繪用於驅動一冷卻系統之一實施例中之冷卻元件之一系統之一實施例。
圖9描繪用於判定一冷卻元件或微磚之諧振頻率之一系統之一實施例。
圖10描繪利用冷卻元件之運動之能量之一系統之一實施例。
其他申請案之交叉參考
本申請案主張2020年9月17日申請之名稱為「SYSTEM LEVEL CONTROL OF MEMS-BASED COOLING SYSTEMS」之美國臨時專利申請案第63/079,923號之優先權，該案為了所有目的以引用的方式併入本文中。
本發明可以多種方式實施，包含作為一程序；一設備；一系統；物質之一成分；體現在一電腦可讀儲存媒體上之一電腦程式產品；及/或一處理器，諸如經構形以執行儲存於耦合至處理器之一記憶體上及/或由耦合至處理器之一記憶體提供之指令之一處理器。在本說明書中，此等實施方案或本發明可採取之任何其他形式可稱為技術。一般而言，在本發明之範疇內，可更改所揭示之程序之步驟之順序。除非另有說明，否則被描述為經構形以執行一任務之一組件(諸如一處理器或一記憶體)可實施為暫時經構形以在一給定時間內執行任務之一一般組件或經製造以執行任務之一特定組件。如本文所使用，術語「處理器」係指經構形以處理資料(諸如電腦程式指令)之一個或多個裝置、電路及/或處理核心。
下文連同繪示明本發明之原理之附圖提供本發明之一個或多個實施例之一詳細描述。連同此等實施例描述本發明，但本發明不受限於任何實施例。本發明之範疇僅由申請專利範圍限制且本發明涵蓋許多替代方案、修改及等效物。為提供對本發明之一透徹理解，在以下描述中闡述許多具體細節。為了實例而提供此等細節且可根據申請專利範圍實踐本發明而不需要部分或全部此等具體細節。為清楚起見，未詳細描述在與本發明相關之技術領域中已知之技術材料使得本發明並未不必要地不清楚。
隨著半導體裝置變得越來越強大，操作期間產生之熱增加。例如，行動裝置(諸如智慧型電話、平板電腦、筆記型電腦及虛擬實境裝置)之處理器可以高時鐘速度操作，但產生大量熱。由於產生之熱之數量，處理器可僅在一相對短時間週期內全速運行。在此時間失效之後，發生節流(例如處理器之時鐘速度減慢)。儘管節流可減少熱產生，但其亦對處理器速度及因此使用處理器之裝置之效能產生不利影響。隨著技術移 動至5G及以上，此問題預期惡化。
較大裝置(諸如膝上型電腦或桌上型電腦)包含具有旋轉葉片之電風扇。風扇可回應內部組件之溫度之增加而通電。風扇驅動空氣通過較大裝置以冷卻內部組件。然而，對於行動裝置(諸如智慧型電話)或對於較薄裝置(諸如平板電腦)，此等風扇通常太大。由於組件之表面處存在之空氣之邊界層，風扇亦可具有有限效用，針對跨期望被冷卻之熱表面之氣流提供一有限空速且可產生過量雜訊。被動冷卻解決方案可包含組件(諸如一散熱片及一熱管或蒸氣室)以將熱轉移至一熱交換器。儘管一散熱片略減輕熱點處之溫度增加，但可不適當解決當前及未來裝置中產生之熱之量。類似地，一熱管或蒸氣室可提供一不充分之熱轉移以移除所產生之過量熱。
計算裝置之變化構形使熱管理進一步複雜。例如，計算裝置(膝上型電腦)頻繁對外部環境開放而其他計算裝置(諸如智慧型電話)通常對外部環境閉合。因此，開放裝置(諸如風扇)之主動熱管理解決方案可不適於閉合裝置。將加熱流體自計算裝置內部驅動至外部環境之一風扇對於閉合計算裝置(諸如智慧型電話)可太大且可提供有限流體流量。另外，即使風扇可併入閉合計算裝置中，閉合計算裝置不具有用於加熱流體之出口。因此，由此一開放裝置機構提供之熱管理可具有有限效用。即使對於開放計算裝置，入口及/或出口之位置可針對不同裝置不同地構形。例如，一膝上型電腦中之風扇驅動之流體流動之一出口可期望定位為遠離使用者之手或可位於加熱流體之外流內之其他結構。此一構形不僅防止使用者之不適亦允許風扇提供所要冷卻。具有不同構形之另一行動裝置可要求入口及/或出口不同地構形，可降低此等熱管理系統之效用且可防止使用 此等熱管理系統。因此，期望用於改良計算裝置中之冷卻之機構。
計算裝置中之空間及其他限制進一步限制主動冷卻系統之使用。主動冷卻系統係其中一電信號用於驅動冷卻之系統。一習知風扇係一主動冷卻系統之一實例，而一散熱器係一被動冷卻系統之一實例。空間及電力限制限制至主動冷卻系統之電連接之能力。例如，若使用多個主動冷卻系統，則可需要將至主動冷卻系統之連接安裝於一小區域內。另外，由此一冷卻系統消耗之電力可期望小，尤其對於行動裝置。因此，主動冷卻系統在用於計算裝置(諸如主動計算裝置)時面臨特定挑戰。
圖1A至圖1F係描繪可與熱發生結構102一起使用且包含一中心錨定冷卻元件120或120’之主動冷卻系統100之一例示性實施例之圖。冷卻元件120展示於圖1A至圖1F中且冷卻元件120’展示於圖1F中。為清楚起見，圖中僅展示某些組件。圖1A至圖1F未按比例。儘管展示為對稱，但冷卻系統100不需要對稱。
冷卻系統100包含其中具有通風口112之頂板110、冷卻元件120、其中具有孔口132之孔口板130、支撐結構(或「錨」)160及形成於其中之腔室140及150(統稱為腔室140/150)。冷卻元件120由錨160支撐於其中心區域處。當致動時，較靠近且包含冷卻元件之周邊之部分(例如尖端121)之冷卻元件120之區域振動。在一些實施例中，冷卻元件120之尖端121包含距離錨160最遠之周邊之一部分且在冷卻元件120之致動期間經歷最大偏轉。為清楚起見，圖1A中僅標記冷卻元件120之一個尖端121。
圖1A描繪位於一中性位置中之冷卻系統100。因此，冷卻元件120展示為實質上扁平。對於同相操作，驅動冷卻元件120以在圖1B 及圖1C中所展示之位置之間振動。此振動運動將流體(例如空氣)以高速及/或流率透過腔室140及150吸入通風口112中且自孔口132引出。例如，流體衝擊熱發生結構102之速度可為至少每秒30米。在一些實施例中，流體由冷卻元件120以至少每秒45米之一速度朝向熱發生結構102驅動。在一些實施例中，透過冷卻元件120以至少每秒60米之速度將流體驅動至熱發生結構102。在一些實施例中，其他速度可行。冷卻系統100亦經構形使得藉由冷卻元件120之振動運動，較少或無流體透過孔口132回流至腔室140/150中。
期望熱發生結構102由冷卻系統100冷卻。在一些實施例中，熱發生結構102產生熱。例如，熱發生結構可為一積體電路。在一些實施例中，期望熱發生結構102被冷卻但其本身不產生熱。熱產生結構102可傳導熱(例如來自產生熱之一附近物件)。例如，熱發生結構102可為一散熱片或一蒸氣室。因此，熱發生結構102可包含具有個別積體電路組件(諸如處理器、(若干)其他積體電路及/或晶片封裝；(若干)感測器；(若干)光學裝置；一個或多個電池；一電子裝置(諸如一計算裝置)之(若干)其他組件；散熱片；熱管；期望冷卻之(若干)其他電子組件及/或其他裝置之(若干)半導體組件。在一些實施例中，熱發生結構102可為含有冷卻系統100之一模組之一熱傳導部分。例如，冷卻系統100可貼附於可耦合至另一散熱器、蒸氣室、積體電路或期望被冷卻之其他單獨結構之熱發生結構102。
其中期望使用冷卻系統100之裝置亦可具有其中放置之一冷卻系統之有限空間。例如，冷卻系統100可用於計算裝置中。此等計算裝置可包含(但不限於)智慧型電話、平板電腦、膝上型電腦、平板電腦、 二合一膝上型電腦、手持遊戲系統、數位攝影機、虛擬實境頭戴組件、擴增實境頭戴組件、混合實境頭戴組件及較薄之其他裝置。冷卻系統100可為能夠駐留於行動計算裝置及/或在至少一個維度上具有有限空間之其他裝置內之一微機電系統(MEMS)冷卻系統。例如，冷卻系統100之總高度(自熱發生結構102之頂部至頂板110之頂部)可小於2毫米。在一些實施例中，冷卻系統100之總高度不大於1.5毫米。在一些實施例中，此總高度不大於1.1毫米。在一些實施例中，總高度不超過1毫米。在一些實施例中，總高度不超過250微米。類似地，孔口板130之底部與熱發生結構102之頂部之間的距離y可較小。在一些實施例中，y係至少200微米但不大於1.2毫米。在一些實施例中，y係至少500微米但不超過1毫米。在一些實施例中，y係至少200微米但不超過300微米。因此，冷卻系統100可用於在至少一個維度中具有有限空間之計算裝置及/或其他裝置中。然而，無任何東西防止在具有較少空間限制及/或為了除冷卻之外之目的之裝置中使用冷卻系統100。儘管圖中展示一個冷卻系統100(例如一個冷卻單元)，但多個冷卻系統100可連同熱發生結構102一起使用。例如，可利用冷卻單元之一一維或二維陣列。
冷卻系統100與用於冷卻熱發生結構102之一流體連通。流體可為一氣體或一液體。例如，流體可為空氣。在一些實施例中，流體包含來自冷卻系統100駐留於其中之裝置外部之流體(例如透過裝置中之外部通風口提供)。在一些實施例中，流體在冷卻系統駐留於其中之裝置內循環(例如在一閉合裝置內)。
冷卻元件120可被視為將主動冷卻系統100之內部劃分為頂部腔室140及底部腔室150。頂部腔室140由冷卻元件120、側及頂板110形 成。底部腔室150由孔口板130、面、冷卻元件120及錨160形成。頂部腔室140及底部腔室150連接於冷卻元件120之週邊處且一起形成腔室140/150(例如冷卻系統100之一內部腔室)。
頂部腔室140之大小及構形可為單元(冷卻系統100)尺寸、冷卻元件120運動及操作頻率之一函數。頂部腔室140具有一高度h1。可選擇頂部腔室140之高度以提供充分壓力以以所要流率及/或速度將流體驅動至底部腔室150及通過孔口132。頂部腔室140亦足夠高使得冷卻元件120在致動時不接觸頂板110。在一些實施例中，頂部腔室140之高度係至少50微米但不大於500微米。在一些實施例中，頂部腔室140具有至少200微米但不大於300微米之一高度。
底部腔室150具有一高度h2。在一些實施例中，底部腔室150之高度足以適應冷卻元件120之運動。因此，在正常操作期間，冷卻元件120之任何部分均不接觸孔口板130。底部腔室150通常小於頂部腔室140且可有助於減少流體回流至孔口132中。在一些實施例中，底部腔室150之高度係冷卻元件120之最大偏轉加上至少5微米但不大於10微米。在一些實施例中，冷卻元件120之偏轉(例如尖端121之偏轉)z具有至少10微米但不大於100微米之一振幅。在一些此等實施例中，冷卻元件120之偏轉之振幅係至少10微米但不大於60微米。然而，冷卻元件120之偏轉之振幅取決於因數(諸如透過冷卻系統100之所要流率及冷卻系統100之構形)。因此，底部腔室150之高度通常取決於透過及冷卻系統100之其他組件之流率。
頂板110包含流體可透過其吸入冷卻系統100中之通風口112。頂部通風口112可具有基於腔室140中之所要聲壓選擇之一大小。例 如，在一些實施例中，通風口112之寬度w係至少500微米但不大於1000微米。在一些實施例中，通風口112之寬度係至少250微米但不大於2000微米。在所展示之實施例中，通風口112係頂板110中之一中央定位孔徑。在其他實施例中，通風口112可位於其他位置中。例如，通風口112可更靠近頂板110之邊緣之一者。通風口112可具有一圓形、矩形或其他形狀之佔據面積。儘管圖中展示一單一通風口112，但亦可使用多個通風口。例如，通風口可朝向頂部腔室140之邊緣偏移或位於頂部腔室140之(若干)側上。儘管頂板110展示為實質上扁平，但在一些實施例中，可在頂板110中提供溝渠及/或其他結構以修改頂部腔室140及/或頂板110上方之區域之構形。
錨(支撐結構)160支撐冷卻元件120之中心部分處之冷卻元件120。因此，冷卻元件120之周邊之至少部分未固定且可自由振動。在一些實施例中，錨160沿冷卻元件120之一中心軸線延伸(例如垂直於圖1A至圖1E中之頁面)。在此等實施例中，冷卻元件120之振動部分(例如包含尖端121)以一懸臂方式移動。因此，冷卻元件120之部分可依類似於一蝴蝶之翅膀(即，同相)及/或類似於一蹺蹺板(即，異相)之一方式移動。因此，以一懸臂方式振動之冷卻元件120之部分在一些實施例中同相振動而在其他實施例中異相振動。在一些實施例中，錨160不沿冷卻元件120之一軸線延伸。在此等實施例中，冷卻元件120之周邊之所有部分可自由振動(例如類似於一水母)。在圖中所展示之實施例中，錨160自冷卻元件120之底部支撐冷卻元件120。在其他實施例中，錨160可以另一方式支撐冷卻元件120。例如，錨160可自頂部支撐冷卻元件120(例如冷卻元件120自錨160懸掛)。在一些實施例中，錨160之寬度a係至少0.5毫米但不大於4毫 米。在一些實施例中，錨160之寬度係至少2毫米但不大於2.5毫米。錨160可佔據至少10%但不大於50%之冷卻元件120。
冷卻元件120具有遠離熱發生結構102之一第一側及接近熱發生結構102之一第二側。在圖1A至圖1E中所展示之實施例中，冷卻元件120之第一側係冷卻元件120之頂部(靠近頂板110)且第二側係冷卻元件120之底部(靠近孔口板130)。冷卻元件120經致動以經受如圖1A至圖1E中所展示之振動運動。冷卻元件120之振動運動將流體自遠離熱發生結構102之冷卻元件120之第一側(例如自頂部腔室140)驅動至接近熱發生結構102之冷卻元件120之第二側(例如至底部腔室150)。冷卻元件120之振動運動亦將流體透過通風口112吸入頂部腔室140中；迫使流體自頂部腔室140流動至底部腔室150；且驅動流體自底部腔室150通過孔口板130之孔口132。因此，冷卻元件120可被視為一致動器。儘管在一單一、連續冷卻元件之上下文中描述，但在一些實施例中，冷卻元件120可由兩個(或更多個)冷卻元件形成。冷卻元件之各者作為固定(例如由支撐結構160支撐)之一個部分及未固定之一相對部分。因此，一單一、中央支撐冷卻元件120可由在一邊緣處支撐之多個冷卻元件之一組合形成。
冷卻元件120具有取決於冷卻元件120期望振動之頻率之一長度L。在一些實施例中，冷卻元件120之長度係至少4毫米但不大於10毫米。在一些此等實施例中，冷卻元件120具有至少6毫米但不大於8毫米之一長度。冷卻元件120之深度(例如垂直於圖1A至圖1E中所展示之平面)可自L之四分之一至兩倍之L變動。例如，冷卻元件120可具有相同於長度之深度。冷卻元件120之厚度t可基於冷卻元件120之構形及/或期望致動冷卻元件120之頻率而變動。在一些實施例中，對於具有8毫米之一長度且以 至少20千赫但不大於25千赫之一頻率驅動之冷卻元件120，冷卻元件厚度係至少200微米但不大於350微米。腔室140/150之長度C接近冷卻元件120之長度L。例如，在一些實施例中，冷卻元件120之邊緣與腔室140/50之壁之間的距離d係至少100微米但不大於500微米。在一些實施例中，d係至少200微米但不大於300微米。
冷卻元件120可以或接近頂部腔室140中之流體之一壓力波之一聲學諧振之諧振頻率及冷卻元件120之一結構諧振之諧振頻率兩者之一頻率驅動。經歷振動運動之冷卻元件120之部分在冷卻元件120之諧振(「結構諧振」)處或附近驅動。在一些實施例中，經歷振動之冷卻元件120之此部分可為一懸臂區段。結構諧振之振動頻率稱為結構諧振頻率。在驅動冷卻元件120時使用結構諧振頻率降低冷卻系統100之電力消耗。冷卻元件120及頂部腔室140亦可經構形使得此結構諧振頻率對應於透過頂部腔室140驅動之流體中之一壓力波中之一諧振(頂部腔室140之聲學諧振)。此一壓力波之頻率稱為聲學諧振頻率。在聲學諧振時，壓力中之一節點出現在通風口112附近且壓力中之一波腹出現在冷卻系統100之周邊附近(例如冷卻元件120之尖端121附近及頂部腔室140與底部腔室150之間的連接附近)。此等兩個區域之間的距離係C/2。因此，C/2=nλ/4，其中λ係流體之聲波波長且n係奇數(例如n=1、3、5等)。對於最低階模式，C=λ/2。由於腔室140之長度(例如C)接近冷卻元件120之長度，因此在一些實施例中，L/2=nλ/4亦係近似正確，其中λ係流體之聲波波長且n係奇數。因此，驅動冷卻元件120之頻率υ係或接近冷卻元件120之結構諧振頻率。頻率υ亦係或接近至少頂部腔室140之聲學諧振頻率。頂部腔室140之聲學諧振頻率隨參數(諸如溫度及大小)之變動通常不如冷卻元件120之結 構諧振頻率明顯。因此，在一些實施例中，冷卻元件120可在(或更接近)一結構諧振頻率而非聲學諧振頻率下驅動。
孔口板130中具有孔口132。儘管圖中展示孔口132之一特定數目及分佈，但可使用另一數目及/或另一分佈。一單一孔口板130用於一單一冷卻系統100。在其他實施例中，多個冷卻系統100可共用一孔口板。例如，多個單元100可以一所要構形一起提供。在此等實施例中，單元100可為相同大小及構形或(若干)不同大小及/或構形。孔口132展示為具有垂直於熱發生結構102之一表面之一軸線。在其他實施例中，一個或多個孔口132之軸線可處於另一角度。例如，可自實質上零度及一非零銳角選擇軸線之角度。孔口132亦具有實質上平行于孔口板130之表面法線之側壁。在一些實施例中，孔口可具有與孔口板130之表面法線成一非零角度之側壁。例如，孔口132可為錐形。此外，儘管孔口位置130展示為實質上扁平，但在一些實施例中，可在孔口板130中提供溝渠及/或其他結構以修改底部腔室150之構形及/或孔口板130與熱發生結構102之間的區域。
選擇孔徑口132之大小、分佈及位置以控制驅動至熱發生結構102之表面之流體之流率。孔口132之位置及構形可經構形以增加/最大化自底部腔室150透過孔口132至噴射通道(孔口板130底部與熱發生結構102頂部之間的區域)之流體流量。亦可選擇孔徑口132之位置及構形以減少/最小化自噴射通道透過孔口132之吸取流量(例如回流)。例如，期望孔口之位置距離尖端121足夠遠使得減少將透過孔口132將流體拉入底部腔室150中之冷卻元件120(尖端121自孔口板13移開)之上行衝程中之吸力。孔口之位置亦期望足夠靠近尖端121使得冷卻元件120之上行衝程中 之吸力亦允許來自頂部腔室140之一較高壓力將流體自頂部腔室140推入底部腔室150中。在一些實施例中，自頂部腔室140至底部腔室150中之流率與自噴射通道通過上行衝程中之孔口132之流率之比(「淨流量比」)大於2：1。在一些實施例中，淨流量比係至少85：15。在一些實施例中，淨流量比係至少90：10。為提供所要壓力、流率、吸力及淨流量比，孔口132期望與尖端121相距至少一距離r1且不大於與冷卻元件120之尖端121相距之一距離r2。在一些實施例中，r1係至少100微米(例如r1
Figure 110134427-A0305-02-0017-23
100μm)且r2不大於1毫米(例如r2
Figure 110134427-A0305-02-0017-24
1000μm)。在一些實施例中，孔口132與冷卻元件120之尖端121相距至少200微米(例如r1
Figure 110134427-A0305-02-0017-25
200μm)。在一些此等實施例中，孔徑132與冷卻元件120之尖端121相距至少300微米(例如r1
Figure 110134427-A0305-02-0017-26
300μm)。在一些實施例中，孔口132具有至少100微米但不大於500微米之一寬度o。在一些實施例中，孔徑132具有至少200微米但不大於300微米之一寬度。在一些實施例中，孔口離距s係至少100微米但不大於1毫米。在一些此等實施例中，孔口離距係至少400微米但不大於600微米。在一些實施例中，亦期望孔口132佔據孔口板130之面積之一特定分率。例如，孔口132可覆蓋至少5%但不大於15%之孔口板130之佔據面積以達成透過孔口132之一所要流率。在一些實施例中，孔口132覆蓋至少8%但不大於12%之孔口板130之佔據面積。
在一些實施例中，使用一壓電致動冷卻元件120。因此，冷卻元件120可為一壓電冷卻元件。冷卻元件120可由安裝於冷卻元件120上或整合於冷卻元件120中之一壓電驅動。在一些實施例中，冷卻元件120以另一方式驅動，包含(但不限於)在冷卻系統100中之另一結構上提供一壓電。冷卻元件120及類似冷卻元件在下文中稱為壓電冷卻元件，但除 壓電元件之外之一機構亦可用於驅動冷卻元件。在一些實施例中，冷卻元件120包含基板上之一壓電層。基板可為一不銹鋼、Ni合金及/或赫史特合金基板。在一些實施例中，壓電層包含在基板上形成為薄膜之多個子層。在其他實施例中，壓電層可為貼附於基板之一主體層。此一壓電冷卻元件120亦包含用於啟動壓電之電極。在一些實施例中，基板充當一電極。在其他實施例中，可在基板與壓電層之間提供一底部電極。包含(但不限於)晶種層、封蓋層、鈍化層或其他層之其他層可包含於壓電冷卻元件中。因此，可使用一壓電以致動冷卻元件120。
在一些實施例中，冷卻系統100包含煙囪(圖中未展示)或其他導管。此導管提供加熱流體之一路徑以自熱發生結構102流出。在一些實施例中，導管使流體返回至頂板110遠離熱發生結構102之側。在一些實施例中，導管可替代地在平行於熱發生結構102之一方向上或垂直於熱發生結構102但在相反方向上(例如朝向頁面之底部)引導流體遠離熱發生結構102。對於其中裝置外部之流體用於冷卻系統100中之一裝置，導管可將加熱流體引導至一通風口。在此等實施例中，可自一入口通風口提供額外流體。在其中裝置閉合之實施例中，導管可提供一迂迴路徑以返回通風口112附近且遠離熱發生結構102之區域。此一路徑允許流體在再次用於冷卻熱發生結構102之前消散熱。在其他實施例中，導管可省略或可依另一方式構形。因此，允許流體自熱發生結構102帶走熱。
在圖1A至圖1E之上下文中描述冷卻系統100之操作。儘管在特定壓力、間隙大小及流動之順序之上下文中描述，但冷卻系統100之操作不取決於本文之闡釋。圖1B至圖1C描繪冷卻系統100之同相操作。參考圖1B，已致動冷卻元件120使得其尖端121遠離頂板110。因此，圖1B 可被視為描繪冷卻元件120之一下行衝程之結束。由於冷卻元件120之振動運動，底部腔室150之間隙152已減小大小且展示為間隙152B。相反地，頂部腔室140之間隙142已增加大小且展示為間隙142B。在下行衝程期間，當冷卻元件120位於中性位置處時，在周邊處開發一較低(例如最小)壓力。隨著下行衝程繼續，底部腔室150之尺寸減小且頂部腔室140之尺寸增加，如圖1B中所展示。因此，流體以在垂直於或接近垂直於孔口板130之表面及/或熱發生結構102之頂面之一方向上自孔口132驅出。流體以一高速(例如超過35米每秒)自孔口132朝向熱發生結構102驅動。接著，在一些實施例中，流體沿熱發生結構102之表面且朝向熱發生結構102之周邊行進，其中壓力低於孔口132附近之壓力。另外，在下行衝程中，頂部腔室140之尺寸增大且頂部腔室140中存在一較低壓力。因此，流體透過通風口112吸入頂部腔室140中。流體透過孔口132至通風口112且沿熱發生結構102之表面運動由圖1B中之未標記之箭頭展示。
亦致動冷卻元件120使得尖端121遠離熱發生結構102且朝向頂板110移動。因此，圖1C可被視為描繪冷卻元件120之一上行衝程之結束。由於冷卻元件120之運動，間隙142之尺寸減小且展示為間隙142C。間隙152之尺寸增加且展示為間隙152C。在上行衝程期間，當冷卻元件120位於中性位置處時，在周邊處形成一較高(例如最大)壓力。隨著上行衝程繼續，底部腔室150之尺寸增加且頂部腔室140之尺寸減小，如圖1C中所展示。因此，流體自頂部腔室140(例如腔室140/150之周邊)驅動至底部腔室150。因此，當冷卻元件120之尖端121向上移動時，頂部腔室140充當用於使進入流體加速且朝向底部腔室150驅動之一噴嘴。進入底部腔室150中之流體之運動由圖1C中之未標記之箭頭展示。選擇冷卻 元件120及孔口132之位置及構形以減少吸力及因此在上行衝程期間流體自噴射通道(在熱發生結構102與孔口板130之間)至孔口132中及回流。因此，冷卻系統100能夠將流體自頂部腔室140驅動至底部腔室150而無來自噴射通道之不當量之加熱流體之回流進入底部腔室10。再者，冷卻系統100可操作使得流體透過通風口112吸入且通過孔口132驅出而無需冷卻元件120接觸頂板110或孔口板130。因此，在腔室140及150內開發壓力以有效地打開及關閉通風口112及孔口132使得驅動流體通過冷卻系統100，如本文所描述。
重複圖1B及圖1C中所展示之位置之間的運動。因此，冷卻元件120經歷圖1A至圖1C中所指示之振動運動以透過通風口112將流體自頂板110之遠側吸入頂部腔室140中；將流體自頂部腔室140轉移至底部腔室150；及推動流體通過孔口132且朝向熱發生結構102。如上文所討論，驅動冷卻元件120以依或接近冷卻元件120之結構諧振頻率振動。此外，冷卻元件120之結構諧振頻率經構形以與腔室140/150之聲學諧振對準。結構及聲學諧振頻率通常選擇在超音波範圍內。例如，冷卻元件120之振動運動可在自15kHz至30kHz之頻率下。在一些實施例中，冷卻元件120以至少20kHz但不大於30kHz之一頻率/若干頻率振動。冷卻元件120之結構諧振頻率在冷卻系統100之聲學諧振頻率之10%以內。在一些實施例中，冷卻元件120之結構諧振頻率在冷卻系統100之聲學諧振頻率之5%以內。在一些實施例中，冷卻元件120之結構諧振頻率在冷卻系統100之聲學諧振頻率之3%以內。因此，可增強效用及流率。然而，可使用其他頻率。
朝向熱發生結構102驅動之流體可實質上垂直(垂直)於熱發 生結構102之頂面移動。在一些實施例中，流體運動可具有相對於熱發生結構102之頂面之法線具有一非零銳角。在任一情況中，流體可在熱發生結構102處之流體之邊界層中變薄及/或形成孔徑。因此，可改良熱自熱發生結構102之轉移。流體自熱發生結構102偏轉以沿熱發生結構102之表面行進。在一些實施例中，流體在實質上平行於熱發生結構102之頂部之一方向上移動。因此，來自熱發生結構102之熱可由流體提取。流體可離開孔口板130與冷卻系統100之邊緣處之熱發生結構102之間的區域。冷卻系統100之邊緣處之煙囪或其他導管(圖中未展示)允許流體自熱發生結構102帶走。在其他實施例中，加熱流體可依另一方式自熱發生結構102進一步轉移。流體可將自熱發生結構102轉移之熱交換至另一結構或周圍環境。因此，頂板110之遠側之流體可保持相對較冷以允許熱之額外提取。在一些實施例中，流體循環以在冷卻之後返回頂板110之遠側。在其他實施例中，加熱流體被帶走且由冷卻元件120之遠側之新流體替換。因此，可冷卻熱發生結構102。
圖1D至圖1E描繪包含其中冷卻元件被異相驅動之中心錨定冷卻元件120之主動冷卻系統100之一實施例。更具體而言，驅動錨160之相對側上(及因此在由錨160支撐之冷卻元件120之中心區域之相對側上)之冷卻元件120之區段以異相振動。在一些實施例中，錨160之相對側上之冷卻元件120之區段以或接近180度異相驅動。因此，冷卻元件120之一個區段朝向頂板110振動，而冷卻元件120之另一區段朝向孔口板130/熱發生結構102振動。冷卻元件120之一區段朝向頂板110之移動(一上行衝程)將頂部腔室140中之流體驅動至錨160之該側之底部腔室150。冷卻元件120之一區段朝向孔口板130之移動驅動流體通過孔口132且朝向熱發生結 構102。因此，高速(例如相對於同相操作所描述之速度)行進之流體交替地驅出錨160之相對側上之孔口132。流體之運動由圖1D及圖1E中之未標記之箭頭展示。
重複圖1D及圖1E中展示之位置之間的運動。因此，冷卻元件120經歷圖1A、圖1D及圖1E中指示之振動運動以交替地將流體自頂板110之遠側透過通風口112吸入冷卻元件120之各側之頂部腔室140中；將流體自頂部腔室140之各側轉移至底部腔室150之對應側；及推動流體通過錨160之各側上之孔口132且朝向熱發生結構102。如上文所討論，驅動冷卻元件120以依或接近冷卻元件120之結構諧振頻率振動。此外，冷卻元件120之結構諧振頻率經構形以與腔室140/150之聲學諧振對準。結構及聲學諧振頻率通常選擇在超音波範圍內。例如，冷卻元件120之振動運動可在對於同相振動描述之頻率下。冷卻元件120之結構諧振頻率在冷卻系統100之聲學諧振頻率之10%以內。在一些實施例中，冷卻元件120之結構諧振頻率在冷卻系統100之聲學諧振頻率之5%以內。在一些實施例中，冷卻元件120之結構諧振頻率在冷卻系統100之聲學諧振頻率之3%以內。因此，可增強效用及流率。然而，可使用其他頻率。
為了異相振動而朝向熱發生結構102驅動之流體可依類似於上文對於同相操作所描述之方式之一方式實質上垂直於(垂直)熱發生結構102之頂面移動。類似地，冷卻系統100之邊緣處之煙囪或其他導管(圖中未展示)允許流體自熱發生結構102帶走。在其他實施例中，加熱流體可依另一方式自熱發生結構102進一步轉移。流體可將自熱發生結構102轉移之熱交換至另一結構或周圍環境。因此，頂板110之遠側之流體可保持相對較冷以允許熱之額外提取。在一些實施例中，流體循環以在冷卻之後 返回頂板110之遠側。在其他實施例中，加熱流體被帶走且由冷卻元件120之遠側之新流體替換。因此，可冷卻熱發生結構102。
儘管在圖1A至圖1E中在一均勻冷卻元件之上下文中展示，但冷卻系統100可利用具有不同形狀之冷卻元件。圖1F描繪具有一調整幾何形狀且可用於一冷卻系統(諸如冷卻系統100)中之工程冷卻元件120’之一實施例。冷卻元件120’包含一錨定區域122及懸臂123。錨定區域122在冷卻系統100中由錨定160支撐(例如固持在適當位置)。懸臂123回應於經致動之冷卻元件120’而經歷振動運動。各懸臂123包含台階區域124、延伸區域126及外區域128。在圖1F中所展示之實施例中，錨定區域122中心定位。台階區域124自錨定區域122向外延伸。延伸區域126自台階區域124向外延伸。外區域128自延伸區域126向外延伸。在其他實施例中，錨定區域122可位於致動器之一個邊緣處且外區域128可位於相對邊緣處。在此等實施例中，致動器被邊緣錨定。
延伸區域126具有小於台階區域124之厚度(台階厚度)且小於外區域128之厚度(外厚度)之一厚度(延伸厚度)。因此，延伸區域126可被視為凹陷。延伸區域126亦可被視為提供一較大底部腔室150。在一些實施例中，外區域128之外厚度相同於台階區域124之台階厚度。在一些實施例中，外區域128之外厚度不同於台階區域124之台階厚度。在一些實施例中，外區域128及台階區域124各具有至少320微米但不大於360微米之一厚度。在一些實施例中，外厚度比延伸厚度厚至少50微米但不大於200微米。換言之，台階(台階厚度及延伸厚度中之差異)係至少50微米但不大於200微米。在一些實施例中，外台階(外厚度及延伸厚度中之差異)係至少50微米但不大於200微米。外區域128可具有至少100微米但不大於 300微米之一寬度o。在一些實施例中，延伸區域具有自台階區域向外延伸之至少0.5毫米但不大於1.5毫米之一長度e。在一些實施例中，在自錨定區域122之方向上，外區域128具有比延伸區域126高之一每單位長度質量。此質量差可歸因於外區域128之較大尺寸、冷卻元件120之部分之間的一密度差及/或其他機構。
使用工程冷卻元件120’可進一步改良冷卻系統100之效用。延伸區域126比台階區域124及外區域128薄。此導致對應於延伸區域126之冷卻元件120’之底部中之一腔穴。此腔穴之存在有助於改良冷卻系統100之效用。各懸臂123在一上行衝程中朝向頂板110振動且在一下行衝程中遠離頂板110。當一懸臂123朝向頂板110移動時，頂部腔室140中之較高壓流體抵抗懸臂123之移動。此外，底部腔室150中之吸力亦在上行衝程期間抵抗懸臂123之向上運動。在懸臂123之下行衝程中，底部腔室150中之增加壓力及頂部腔室140中之吸力抵抗懸臂123之向下運動。然而，對應於延伸區域126之懸臂123中之腔穴之存在減輕一上行衝程期間底部腔室150中之吸力。在一下行衝程期間，腔穴亦減小底部腔室150中之壓力增加。因為吸力及壓力增加之量值減小，因此懸臂123可更容易地透過流體移動。此可在實質上維持頂部腔室140中之一較高壓力時達成，其驅動流體流動通過冷卻系統100。再者，外區域128之存在可改良懸臂123移動通過透過冷卻系統100驅動之流體之能力。外區域128具有一較高每單位長度質量且因此具有一較高動量。因此，外區域128可改良懸臂123移動通過透過冷卻系統100驅動之流體之能力。懸臂123之偏轉之量值亦可增加。透過使用較厚台階區域124，可在維持懸臂123之剛度時達成此等益處。此外，外區域128之較大厚度可助於一下行衝程之底部處之擠 壓流量。因此，冷卻元件120’提供防止透過孔口132回流之一閥之能力可改良。因此，可改良採用冷卻元件120’之冷卻系統100之效能。
使用針對冷卻元件120及/或120’之同相振動或異相振動而致動之冷卻系統100，透過通風孔徑112吸入且透過孔口132驅動之流體可有效地自熱發生結構102消散熱。因為流體以足夠速度(例如至少30米每秒)衝擊熱發生結構且在一些實施例中實質上垂直於熱發生結構，因此熱發生結構處之流體之邊界層可變薄及/或部分地移除。因此，改良熱發生結構102與移動流體之間的熱轉移。因為熱發生結構更有效地冷卻，因此對應積體電路可以較高速度及/或電力運行較長時間。例如，若熱發生結構對應於一高速處理器，則在節流之前，此一處理器可運行較長時間。因此，可改良利用冷卻系統100之一裝置之效能。此外，冷卻系統100可為一MEMS裝置。因此，冷卻系統100可適合於用於其中有限空間可用之較小及/或行動裝置(例如智慧型電話、其他行動電話、虛擬實境頭戴組件、平板電腦、二合一電腦、可穿戴裝置及手持遊戲)中。因此，可改進此等裝置之效能。因為冷卻元件120/120’可以15kHz或更高之頻率振動，因此使用者可聽不見與冷卻元件之致動相關聯之任何雜訊。若以或接近結構及/或聲學諧振頻率驅動，則用於操作冷卻系統之電力可顯著降低。在振動期間，冷卻元件120/120’不與頂板110或孔口板130實體接觸。因此，冷卻元件120/120’之諧振可更容易地維持。更具體而言，冷卻元件120/120’與其他結構之間的實體接觸干擾冷卻元件120/120’之諧振狀況。干擾此等狀況可驅動冷卻元件120/120’脫谐。因此，額外電力將需要用於維持冷卻元件120/120’之致動。此外，由冷卻元件120/120’驅動之流體之流量可減少。如上文所討論，透過使用壓力差動及流體流量，避免此等問題。改 良、安靜冷卻之益處可使用有限額外電力達成。此外，冷卻元件120/120’之異相振動允許冷卻元件100之質心位置保持更穩定。儘管一扭矩施加於冷卻元件120/120’上，但歸因於質心之運動之力減小或消除。因此，歸因於冷卻元件120/120’之運動之振動可減少。再者，冷卻系統100之效用可透過針對冷卻元件120/120’之兩側使用異相振動運動來改良。因此，可改良併入冷卻系統100之裝置之效能。此外，冷卻系統100可用於其中期望高流體流量及/或速度之其他應用(例如具有或無熱發生結構102)。
圖2A至圖2B描繪類似於主動冷卻系統(諸如冷卻系統100)之冷卻系統200A及200B之實施例之平面圖。圖2A及圖2B未按比例。為簡單起見，僅分別展示冷卻元件220A及220B及錨260A及260B之部分。冷卻元件220A及220B類似於冷卻元件120/120’。因此，用於冷卻元件220A及/或220B之大小及/或材料可類似於用於冷卻元件120/120’之大小及/或材料。錨(支撐結構)260A及260B類似於錨160且用虛線指示。
對於冷卻元件220A及220B，錨260A及260B中心定位且分別沿冷卻元件220A及220B之一中心軸線延伸。因此，經致動以振動之懸臂部分位於錨260A及260B之右側及左側。在一些實施例中，(若干)冷卻元件220A及/或220B係連續結構，其兩個部分被致動(例如錨260A及260B外部之懸臂部分)。在一些實施例中，(若干)冷卻元件220A及/或220B包含單獨懸臂部分，其各者分別附接至錨260A及260B且被致動。因此，冷卻元件220A及220B之懸臂部分可經構形以依類似於一蝴蝶之翅膀(同相)或一蹺蹺板(異相)之一方式振動。在圖2A及圖2B中，L係冷卻元件之長度，類似於圖1A至圖1E中所描繪。亦在圖2A及圖2B中，指示冷卻元件220A及220B之深度P。
壓電223亦由圖2A至圖2B中之虛線展示。壓電元件223用於致動冷卻元件220A及220B。在一些實施例中，壓電元件223可位於另一區域中及/或具有一不同構形。儘管在一壓電之上下文中描述，但可利用用於致動冷卻元件220A及220B之另一機構。此等其他機構可位於壓電223之位置處或位於其他位置處。在冷卻元件220A中，壓電元件223可貼附於懸臂部分或可整合至冷卻元件220A中。此外，儘管壓電223在圖2A及圖2B中展示為具有特定形狀及大小，但亦可使用其他構形。
在圖2A中所展示之實施例中，錨260A延伸冷卻元件220A之整個深度。因此，固定冷卻元件220A之周邊之一部分。冷卻元件220A之周邊之未固定部分係經歷振動運動之懸臂區段之部分。在其他實施例中，錨不需要延伸中心軸線之整個長度。在此等實施例中，冷卻元件之整個周邊未固定。然而，此一冷卻元件仍具有經構形以依本文所描述之一方式振動之懸臂區段。例如，在圖2B中，錨260B不延伸至冷卻元件220B之周邊。因此，冷卻元件220B之周邊未固定。然而，錨260B仍沿冷卻元件220B之中心軸線延伸。仍致動冷卻元件220B使得懸臂部分振動(例如類似於一蝴蝶之翅膀)。
儘管冷卻元件220A被描繪為矩形，但冷卻元件可具有另一形狀。在一些實施例中，冷卻元件220A之角可為圓形。圖2B之冷卻元件220B具有圓形懸臂區段。其他形狀亦可行。在圖2B中所展示之實施例中，錨260B係中空的且包含孔徑263。在一些實施例中，冷卻元件220B在錨260B之區域中具有(若干)孔徑。在一些實施例中，冷卻元件220B包含多個部分使得(若干)孔徑存在於錨260B之區域中。因此，流體可透過冷卻元件220B及透過錨260B吸入。因此，可使用冷卻元件220B替代一頂 板，諸如頂板110。在此等實施例中，冷卻元件220B中之孔徑及孔徑263可依類似於通風口112之一方式起作用。此外，儘管冷卻元件200A及200B被描繪為支撐在一中心區域中，但在一些實施例中，冷卻元件220A及/或220B之一個懸臂區段可省略。在此等實施例中，冷卻元件220A及/或220B可被視為支撐或錨定於一個邊緣處或附近，而至少相對邊緣之至少部分可自由經歷振動運動。在一些此等實施例中，冷卻元件220A及/或220B可包含經歷振動運動之一單一懸臂區段。
圖3A至圖3B描繪類似於主動冷卻系統(諸如冷卻系統100)之冷卻系統300A及300B之實施例之平面圖。圖3A及圖3B未按比例。為簡單起見，僅分別展示冷卻元件320A及320B及錨360A及360B。冷卻元件320A及320B類似於冷卻元件120/120’。因此，用於冷卻元件320A及/或320B之大小及/或材料可類似於用於冷卻元件120/120’之大小及/或材料。錨360A及360B類似於錨160且由虛線指示。
對於冷卻元件320A及320B，錨360A及360B分別受限於冷卻元件320A及320B之一中心區域。因此，包圍錨360A及360B之區域經歷振動運動。因此，冷卻元件320A及320B可經構形以依類似於一水母或類似於一傘之打開/關閉之一方式振動。在一些實施例中，冷卻元件320A及320B之整個周邊同相振動(例如所有元件一起向上或向下移動)。在其他實施例中，冷卻元件320A及320B之周邊之部分異相振動。在圖3A及圖3B中，L係類似於圖1A至圖1E中所描繪之冷卻元件之長度(例如直徑)。儘管冷卻元件320A及320B被描繪為圓形，但冷卻元件可具有另一形狀。此外，一壓電(圖3A至圖3B中未展示)及/或其他機構可用於驅動冷卻元件320A及320B之振動運動。
在圖3B中所展示之實施例中，錨360B係中空的且具有孔徑363。在一些實施例中，冷卻元件320B在錨360B之區域中具有(若干)孔徑。在一些實施例中，冷卻元件320B包含多個部分使得(若干)孔徑存在於錨360B之區域中。因此，流體可透過冷卻元件320B及透過錨360B吸入。流體可透過孔徑363離開。因此，可使用冷卻元件320B替代一頂板，諸如頂板110。在此等實施例中，冷卻元件320B中之孔徑及孔徑363可依類似於通風口112之一方式起作用。
冷卻系統(諸如冷卻系統100)可利用(若干)冷卻元件220A、220B、320A、320B及/或類似冷卻元件。此等冷卻系統亦可共用冷卻系統100之益處。使用(若干)冷卻元件220A、220B、320A、320B及/或類似冷卻元件之冷卻系統可更有效地以高速朝向熱發生結構驅動流體。因此，改良熱發生結構與運動流體之間的熱轉移。因為熱發生結構被更有效地冷卻，因此對應裝置可展現改良操作，諸如以較高速度及/或電力運行較長時間。採用(若干)冷卻元件220A、220B、320A、320B及/或類似冷卻元件之冷卻系統可適合於用於其中有限空間可用之較小及/或行動裝置中。因此，可改良此等裝置之效能。因為(若干)冷卻元件220A、220B、320A、320B及/或類似冷卻元件可以15kHz或更高之頻率振動，因此使用者可聽不見與冷卻元件之致動相關聯之任何雜訊。若以或接近(若干)冷卻元件220A、220B、320A、320B及/或類似冷卻元件之聲學及/或結構諧振頻率驅動，則用於操作冷卻系統之電力可顯著降低。(若干)冷卻元件220A、220B、320A、320B及/或類似冷卻元件在使用期間可不實體接觸板以允許更容易地維持諧振。改良、安靜冷卻之益處可使用有限額外電力達成。因此，可改良併入(若干)冷卻元件220A、220B、320A、 320B及/或類似冷卻元件之裝置之效能。
圖4A至圖4B描繪包含一頂部中心錨定冷卻元件之主動冷卻系統400之一實施例。圖4A描繪一中性位置中之冷卻系統400之一側視圖。圖4B描繪冷卻系統400之一俯視圖。圖4A至圖4B未按比例。為簡單起見，圖中僅展示冷卻系統400之部分。參考圖4A至圖10B，冷卻系統400類似於冷卻系統100。因此，類似元件具有類似標籤。例如，冷卻系統400結合類似於熱發生結構102之熱發生結構402一起使用。
冷卻系統400包含分別類似於具有通風口112之頂板110、具有尖端121之冷卻元件220、包含孔口132之孔口板130、具有間隙142之頂部腔室140、具有間隙152之底部腔室150、流動室140/150及錨(即，支撐結構)160之具有通風口412之頂板410、具有尖端421之冷卻元件420、包含孔口432之孔口板430、具有一間隙之頂部腔室440、具有一間隙之底部腔室450、流動室440/450及錨(即，支撐結構)460。因此，冷卻元件420由錨460集中支撐使得冷卻元件420之周邊之至少一部分可自由振動。在一些實施例中，錨460沿冷卻元件420之軸線延伸(例如以類似於錨260A及/或260B之一方式)。在其他實施例中，錨460僅靠近冷卻元件420之中心部分(例如類似於錨460C及/或460D)。儘管未在圖4A及圖4B中明確標記，但冷卻元件420包含類似於冷卻元件120’之錨定區域122、懸臂123、台階區域124、延伸區域126及外區域128之一錨定區域及包含台階區域、延伸區域及外區域之懸臂。在一些實施例中，同相驅動冷卻元件420之懸臂。在一些實施例中，異相驅動冷卻元件420之懸臂。在一些實施例中，可使用一簡單冷卻元件，諸如冷卻元件120。
錨460自上方支撐冷卻元件420。因此，冷卻元件420自錨 460懸吊。錨460自頂板410懸吊。頂板410包含通風口413。錨460側上之通風口412提供一路徑以使流體流動至腔室440之側中。
如上文相對於冷卻系統100所討論，可驅動冷卻元件420以依或接近冷卻元件420之結構諧振頻率振動。此外，冷卻元件420之結構諧振頻率可經構形以與腔室440/1050之聲學諧振對準。結構及聲學諧振頻率通常選擇在超音波範圍內。例如，冷卻元件420之振動運動可在相對於冷卻系統100所描述之頻率下。因此，可改良效率及流率。然而，可使用其他頻率。
冷卻系統400依類似於冷卻系統100之一方式操作。因此，冷卻系統400共用冷卻系統100之益處。因此，可改良採用冷卻系統400之一裝置之效能。此外，自錨460懸吊冷卻元件420可進一步增強效能。特定言之，可減少可影響其他冷卻單元(圖中未展示)之冷卻系統400中之振動。例如，歸因於冷卻元件420之運動，頂板410中可誘發較少振動。因此，可減少冷卻系統400與其他冷卻系統(例如其他單元)或併入冷卻系統400之裝置之其他部分之間的串擾。因此，可進一步增強效能。
圖5A至圖5E描繪包含構形為一微磚或陣列之多個冷卻單元之主動冷卻系統500之一實施例。圖5A描繪一俯視圖，而圖5B至圖5E描繪側視圖。圖5A至圖5E未按比例。冷卻系統500包含四個冷卻單元501A、501B、501C及501D(統稱為501)，其等類似於本文所描述之冷卻系統之一或多者。更具體而言，冷卻單元501類似於冷卻系統100及/或400。儘管以一2×2構形展示四個冷卻單元501，但在一些實施例中，可使用冷卻單元501之另一數目及/或另一構形。在圖中所展示之實施例中，冷卻單元501包含類似於具有孔徑112之頂板110、冷卻元件120、具有孔口 132之孔口板130、頂部腔室140、底部腔室150及錨160之具有孔徑512之共用頂板510、冷卻元件520、包含孔口532之共用孔口板530、頂部腔室540、底部腔室550及錨(支撐結構)560。在一些實施例中，冷卻室501可一起製造及分離，例如藉由切穿頂板510、冷卻單元501之間的側壁及孔口板530。因此，儘管在一共用頂板510及共用孔口板530之上下文中描述，但製造之後冷卻單元501可分離。在一些實施例中，突片(圖中未展示)及/或其他結構(諸如錨560)可連接冷卻單元501。此外，微磚500可貼附於可為包含微磚500或可與微磚500分離之一整合系統之部分之一熱發生結構(例如一散熱器、積體電路或其他結構)。另外，亦可包含用於引導冷卻室501外部之流體流量、機械穩定性或保護之一罩或其他機構。冷卻單元501之電氣連接亦未在圖5A至圖5E中展示。異相驅動冷卻元件520(即，依類似於一蹺蹺板之一方式)。此外，如圖5B至圖5C及圖5D至圖5E中可見，一個單元中之冷卻元件520與(若干)相鄰單元中之(若干)冷卻元件520異相驅動。在圖5B至圖5C中，異相驅動一列中之冷卻元件520。因此，單元501A中之冷卻元件520與單元501B中之冷卻元件520異相。類似地，單元501C中之冷卻元件520與單元501D中之冷卻元件520異相。在圖5D至圖5E中，異相驅動一行中之冷卻元件520。因此，單元501A中之冷卻元件520與單元501C中之冷卻元件520異相。類似地，單元501B中之冷卻元件520與單元501D中之冷卻元件520異相。藉由異相驅動冷卻元件520，可減少冷卻系統500中之振動。
冷卻系統500之冷卻單元501以類似於(若干)冷卻系統100、400及/或一類似冷卻系統之一方式起作用。因此，本文所描述之益處可由冷卻系統500共用。因為異相驅動附近單元中之冷卻元件，因此可 減少冷卻系統500中之振動。因為使用多個冷卻單元501，因此冷卻系統500可享受增強冷卻能力。此外，可以各種方式組合多個個別冷卻單元501及/或冷卻系統500以獲得冷卻單元之所要佔據面積。
圖6係描繪用於操作一冷卻系統之方法600之一例示性實施例之一流程圖。方法600可包含為簡單起見而未描繪之步驟。方法600在壓電冷卻系統(微磚)500之上下文中描述。然而，方法600可與其他冷卻系統(包含(但不限於)本文所描述之系統及單元)一起使用。例如，方法600可用於控制多個微磚500。因此，方法600可用於驅動8個、12個或16個冷卻元件之冷卻元件。在一些實施例中，方法600可用於冷卻單元之另一構形。例如，方法600可用於10個冷卻單元(圖中未展示)之一三角形陣列。
在602處，接收冷卻元件之一個或多個驅動信號輸入。在一些實施例中，可獨立地控制各驅動信號輸入之相位、頻率及振幅。此外，當使用多個驅動信號輸入時，至少個別驅動信號輸入之頻率及/或相位可不同。可在冷卻單元之校準期間或經由自動調諧來判定驅動信號輸入之頻率、振幅及相位。例如，可針對各冷卻單元執行一電流對頻率掃掠。
在604處，基於(若干)驅動信號輸入，將一個或多個驅動信號提供至多個單元及因此多個冷卻元件。例如，冷卻單元可組織成微磚，諸如微磚500。在一些此等實施例中，將一單一驅動信號提供至各微磚。換言之，一單一驅動信號引起微磚中之所有冷卻元件振動。因此，一驅動信號使各微磚500之所有冷卻單元501中之冷卻元件520通電。在一些實施例中，可將多個驅動信號提供至一微磚。微磚500中之各冷卻元件520(或微磚500中之冷卻元件520之子集)可由一單獨驅動信號驅動。驅動信號可為電流、電壓或經構形以誘發冷卻元件中之振動之其他電信號。驅動信號 可引起冷卻元件中、上或附近之(若干)壓電層移動。因此，冷卻元件可被致動以經歷振動運動，諸如冷卻元件120、220、420及/或520中所描述之運動。因為可將一特定驅動信號提供至多個冷卻元件，因此可使用一有限數目個驅動信號輸入在604處對大量冷卻元件通電。
在一些實施例中，在604處，各驅動信號輸入僅路由至適當冷卻單元。在一些實施例中，在604處進一步處理驅動信號輸入以調整相位、頻率及/或振幅且提供不同於驅動信號輸入之一驅動信號。在一些實施例中，提供至一特定冷卻元件之一驅動信號之頻率對應於冷卻元件之諧振狀態。一冷卻元件之諧振狀態由一諧振頻率特徵化。諧振頻率可為一結構諧振頻率及/或一流體諧振頻率。其中之冷卻單元及冷卻元件可經設計使得流體諧振頻率及結構諧振頻率相同或具有一特定容限，諸如3%、5%、10%或20%。因此，如本文所使用，一冷卻元件之諧振頻率可為結構及/或流體諧振頻率。在一些實施例中，驅動信號之頻率等於冷卻元件之諧振頻率。在一些實施例中，驅動信號之頻率在諧振頻率之一臨限值內。例如，頻率可在冷卻元件之一諧振頻率之10%以內。在一些實施例中，頻率在對應冷卻元件之一諧振頻率之3%、5%或20%以內。類似地，若一驅動信號用於驅動一微磚中之多個(例如所有)冷卻元件，則驅動信號之頻率在微磚中之後部分或所有冷卻元件之諧振頻率/(若干)頻率之一臨限值內。例如，頻率可在微磚之(若干)冷卻元件之一諧振頻率/(若干)頻率之10%以內。在一些實施例中，頻率在對應微磚之(若干)冷卻元件之諧振頻率/(若干)頻率之3%、5%或20%以內。因此，在604處，多個冷卻單元中之多個冷卻元件以或接近諧振驅動。亦在604處，控制驅動信號之相位。因此，可控制不同冷卻元件之振動運動之間的關係。例如，可選擇相位使 得相鄰之冷卻元件異相驅動。在一些實施例中，在604處控制驅動信號之振幅以確保冷卻元件之運動使得冷卻元件不接觸頂板或孔口板。
在一些實施例中，在606處量測且使用(若干)冷卻單元(或(若干)冷卻元件)之特性來控制驅動信號。因此，可在606處經由回饋動態地控制驅動信號。例如，在一些實施例中，量測用於驅動一個或多個冷卻元件之電流。在一些實施例中，驅動信號可為一電壓信號。在此等實施例中，量測驅動一個或多個冷卻元件之電壓。當驅動信號之頻率接近冷卻元件之諧振頻率時，對於一給定振動振幅，可減小驅動電流。因此，由冷卻元件汲取之量測電流或電壓中之一變化指示冷卻元件更接近諧振。可更新驅動信號使得經驅動之冷卻元件保持或接近諧振。
例如，方法600可用於以圖5B至圖5C中所展示之方式驅動冷卻元件520。單元501中之冷卻元件520通常期望具有相同諧振狀態。然而，由於處理或其他變動，冷卻元件可具有不同諧振頻率。此外，在使用期間，一冷卻元件520之諧振頻率可改變。假設冷卻單元501A及501C中之冷卻元件520具有一第一諧振頻率，而冷卻單元501B及501D中之冷卻元件520具有一第二諧振頻率。另外，冷卻單元501A之冷卻元件520期望與冷卻單元501B之冷卻元件520異相振動近似180度。類似地，冷卻單元501C之冷卻元件520需要與冷卻單元501D之冷卻元件520異相振動近似180度。冷卻元件520之頻率及相位可經由自動調諧來判定。例如，可驅動各冷卻元件，量測電流或(若干)其他特性，且判定諧振頻率。此外，兩個驅動信號輸入可用於四個單元501。
在602處，接收具有特定頻率、振幅及相位之兩個驅動信號輸入。例如，假設兩個驅動信號輸入異相180度且一第一驅動信號輸入 具有等於或接近冷卻單元501A及501C之諧振頻率之一頻率，而第二個驅動信號輸入具有等於或接近冷卻單元501B及501D之諧振頻率之一頻率。在604處，第一驅動信號輸入作為一驅動信號提供至冷卻單元501A及501C，而第二驅動信號輸入作為一驅動信號提供至冷卻單元501B及501D。
在606處，量測冷卻單元500之冷卻元件520之驅動信號、振動振幅或(若干)其他特性。經量測之(若干)特性中之變化指示(若干)冷卻元件520偏離諧振。606處進行之調整允許解釋諧振頻率之漂移。例如，在606處，可掃掠驅動信號之頻率且量測所汲取之電流。(若干)冷卻元件520之最大驅動電流對應於諧振。可將驅動信號輸入及/或驅動信號調整為處於此頻率之臨限值或臨限值內且重複方法600。因此，可維持冷卻元件520驅動流體流動通過冷卻單元501且流動至熱發生結構上之效用。
在另一實例中，方法600可用於將一單一驅動信號提供至微磚500中之所有冷卻元件520。此外，可驅動多個微磚500。因此，方法600可將不同驅動信號提供至不同微磚500。
在602處，接收具有特定頻率及相位之驅動信號輸入。各微磚500之初始頻率可經由自動調諧來判定。因此，各微磚500最初可以各種頻率(例如通一頻率掃掠)單獨(例如順序)驅動，量測所汲取之電流或(若干)其他特性，及判定對應於各微磚500之諧振之適當頻率。因此，判定驅動信號之初始頻率。此等對應於在602處接收之驅動信號輸入。在604處，將具有適當頻率之一驅動信號提供至各微磚500。在一些實施例中，604可包含僅將適當驅動信號輸入路由至對應微磚500。在其他實施例中，604包含一些額外信號處理以將驅動信號提供至適當微磚。
在606處，量測微磚500之驅動信號、振動振幅或(若干)其他特性。在一些實施例中，微磚500依序個別驅動且對應驅動信號由一電流監控器或一電壓監控器量測。在一些實施例中，可使用多個電流或電壓監控器且可平行驅動微磚500。例如，可掃掠一微磚500之驅動信號之頻率、量測電流且判定所汲取之最大電流之頻率。在606處將頻率調整為此頻率之臨限值或臨限值內。606處進行之調整允許解釋諧振頻率之漂移。因此，可維持微磚500驅動流體之效用。
因此，冷卻元件(諸如(若干)冷卻元件520)可在或接近諧振操作。因此，方法600提供包含多個冷卻單元之壓電冷卻系統之用途。因此，壓電冷卻系統可更有效且更安靜地以較低電力冷卻半導體裝置。此外，減少數目個驅動信號輸入可用於將取得信號提供至冷卻單元。例如，驅動信號輸入之數目可小於被驅動之冷卻單元之數目。因此，可簡化提供電力至冷卻單元之互連件及其他結構之設計同時維持對單元之控制。
圖7係描繪用於操作一冷卻系統之方法700之一例示性實施例之一流程圖。方法700可包含為簡單起見而未描繪之步驟。方法700在壓電冷卻系統500之上下文中描述。然而，方法700可與其他冷卻系統一起使用，包含(但不限於)本文所描述之系統及單元。
在702處，針對一校準(或自動調諧)相位中之各種頻率量測用於驅動(若干)冷卻元件中之(若干)電流。在704處，判定(若干)驅動信號輸入之驅動頻率、振幅、相位及/或其他特性。例如，在704處，可選擇驅動信號輸入之頻率以匹配冷卻元件或微磚之子集之諧振頻率。可選擇驅動信號之振幅以確保冷卻元件之最大偏轉使得冷卻元件不接觸單元之部分，諸如孔口板或頂板。在705處，接收驅動信號輸入。在706處，基於驅動 信號輸入而將驅動信號提供至冷卻單元。可使用706處之一電流或電壓驅動冷卻單元。因此，705及706類似於方法600之602及604。在一些實施例中，藉由基於其諧振頻率將冷卻元件或微磚組織成箱來執行706。各箱對應於具有一特定頻率及在一些實施例中具有一特定相位之一驅動信號。因此，具有類似諧振頻率之冷卻元件/微磚放置於相同箱中。在706處，使用對應於箱之驅動信號驅動各箱之冷卻元件/微磚。
在冷卻元件之操作期間，致動器經歷振動運動。振動運動包含一驅動階段及一鬆弛階段。在驅動階段中，能量輸入至一冷卻元件使得冷卻元件偏轉。在鬆弛階段中，冷卻元件朝向、且有時透過中性位置偏轉。因此，在708處，可自鬆弛冷卻元件接收能量。在710處，儲存此能量以待稍後使用。替代地，在708處接收之一些或所有能量可在710處實質上立即使用。例如，所儲存之能量可用於驅動冷卻元件。
在712處，量測用於驅動冷卻元件之(若干)電流或電壓。在一些實施例中，在712處量測冷卻元件之其他特性。在714處，可重複704、705、706、708、710及712。因此，可使用704處之量測電流、所接收之驅動信號輸入、在705及706處提供以對冷卻單元通電之驅動信號、在708及710處再循環之冷卻元件中之一些能量及重新量測之驅動(若干)冷卻元件之電流來更新驅動信號輸入。因此，在714處，在操作期間，回饋可用於動態更新驅動信號。冷卻元件可在或接近諧振操作。
因此，提供方法700以使用包含多個冷卻單元之主動冷卻系統。冷卻元件(諸如(若干)冷卻元件520)亦可在或接近諧振操作。因此，冷卻系統可更有效且更安靜地以較低電力冷卻半導體裝置。此外，減少數目個驅動信號輸入可用於將驅動信號提供至冷卻單元。因此，可簡化將電 力提供至冷卻單元之互連件及其他結構之設計同時維持對單元之控制。冷卻元件之運動亦可用於在驅動冷卻元件時重新捕獲輸入至冷卻系統之能量之一些部分。再者，方法700之708及710可連同用於驅動冷卻元件之(若干)其他方法(圖中未展示)一起使用。換言之，自冷卻元件之運動重新捕獲能量可延伸至用於驅動冷卻元件之其他技術。因此，可進一步改良利用方法700(或僅708及710)之一系統之效率。
可(例如)使用方法600及/或700，利用與冷卻單元耦合之電路系統來驅動冷卻元件。圖8描繪在一冷卻系統之一實施例中用於驅動冷卻元件之系統800之一實施例。系統800包含用於冷卻單元/系統(圖8中未展示)之冷卻元件之切換及控制模組810、驅動信號輸入820、控制信號840及驅動信號830。因此，切換及矩陣控制模組810可被視為經由驅動信號830之線與冷卻單元中之冷卻元件(諸如一微磚)耦合。切換及矩陣控制亦可經由驅動信號輸入820與一電源耦合。例如，切換及控制模組810可與冷卻系統100、400及/或500(例如冷卻單元501)及其中所使用之冷卻元件120、120’、420及/或520連接。在一些實施例中，切換及控制模組810包括切換矩陣及控制。
切換及控制模組810展示為與n個負載耦合且針對n個負載提供驅動信號830(在圖8中指示為「負載之驅動信號」，其中n係負載之數目，例如冷卻元件或微磚)。因此，可使用切換及控制模組810來驅動n個冷卻元件或n個微磚。例如，對於冷卻系統500，n=4。因此，四個冷卻元件520可個別驅動。在一些實施例中，可使用系統800驅動多個微磚500。在此等實施例中，對於n=4，可個別驅動四個微磚。亦展示m個驅動信號輸入820。在一些實施例中，m=4。然而，在其他實施例中，可使用另一數目個驅動信號輸入。提供至冷卻元件/微磚之驅動信號830之各 者具有一微磚之一對應冷卻元件或(若干)冷卻元件之一頻率、振幅及相位。在一些實施例中，頻率在(若干)對應冷卻元件之一諧振頻率之10%以內。在一些實施例中，頻率在(若干)對應冷卻元件之一諧振頻率之5%以內。在其他實施例中，所提供之驅動信號830之頻率可不同。此外，至冷卻元件之驅動信號830之相位可不同。例如，相鄰冷卻元件可期望由異相差180度之信號驅動。亦可驅動個別冷卻元件使得懸臂異相振動(例如如圖1D至圖1E中所展示)。提供至冷卻元件之驅動信號之頻率及相位可經由提供至切換及控制矩陣810之一控制信號判定。更具體而言，控制信號可用於選擇一特定冷卻元件之頻率(或(若干)頻率)及(若干)相位。在一些實施例中，可基於在冷卻元件之校準期間獲得之電流對頻率掃掠資料來判定頻率及相位。在一些實施例中，系統800可自動調諧頻率且可利用自動調諧作為切換及控制模組810之控制信號。
切換及控制模組810亦接收驅動信號輸入820。在圖中所展示之實施例中，接收m個驅動信號輸入。例如，在一些實施例中，m=4。各驅動信號輸入820可獨立且允許振幅、頻率及相位控制。因此，可單獨控制各驅動信號輸入820之振幅、頻率及相位。此外，可控制提供至冷卻元件之驅動信號830之振幅、頻率及相位。因此，亦可控制冷卻元件之振幅、頻率及相位。
在一些實施例中，切換及控制模組810亦選擇m個驅動信號輸入之哪個輸入作為一驅動信號提供至n個冷卻元件之各者。驅動信號輸入820至輸出驅動信號830之此路由可由控制信號840判定。因此，在一些實施例中，切換及控制模組810對驅動信號之各者執行頻率之分箱。基於冷卻單元之聲學及/或結構諧振頻率而分箱冷卻單元或其微磚。具有類似 諧振頻率之冷卻單元經分箱以由對應於相同驅動信號輸入之一驅動信號驅動。例如，驅動信號輸入1可針對一第一箱中之所有冷卻單元提供接近驅動信號輸入1頻率之類似頻率之驅動信號。驅動信號輸入2可針對一第二箱中之所有冷卻單元提供具有接近驅動信號輸入2之頻率之驅動信號。對於驅動信號輸入3至驅動信號輸入m，冷卻單元類似地分箱。對於其中每微磚提供驅動信號之實施例，可基於其中之冷卻元件之諧振頻率類似地將微磚分箱。在一些實施例中，一微磚之諧振頻率對應於一頻率掃掠期間由微磚汲取之最大電流。此分箱之最佳化可減少振動能量自冷卻元件至其中利用冷卻系統之裝置之轉移。例如，可減少或防止振動自冷卻元件至其中併入冷卻元件之系統之主機板之傳輸。因此，可控制冷卻元件且達成本文所描述之益處而不會對其中併入(若干)冷卻元件之裝置產生顯著不利影響。
例如，一些實施例包含8個冷卻單元之4個驅動信號輸入(m=4)(n=8，例如對於兩個微磚500)。驅動信號輸入1可針對第一箱中之兩個冷卻單元提供驅動信號。驅動信號輸入2可針對第二箱中之一個冷卻單元提供驅動信號。驅動信號輸入3可針對第三箱中之兩個冷卻單元提供驅動信號。驅動信號輸入4可針對第四箱中之三個冷卻單元提供驅動信號輸入。一特定箱之冷卻單元可，但不需要係相同微磚之部分。驅動信號輸入1、2、3及4可由提供至切換矩陣及控制801之控制信號進一步操縱。例如，(若干)特定驅動信號輸入之相位可由切換矩陣及控制810操縱。將經操縱之驅動單一輸入由切換矩陣及控制801路由至適當負載/冷卻元件。因此，藉由切換一控制矩陣810來輸出8個微磚之各者之適當驅動信號。因此，可以適當頻率、振幅及相位驅動各微磚之各單元(及其中之(若干)冷卻元件)。可增強冷卻單元及因此被冷卻之系統之效能。
圖9描繪用於判定一冷卻元件或微磚之諧振頻率之系統900之一實施例。因此，系統900可併入系統800中。例如，負載電流監控器904可為切換矩陣及控制810之部分。亦可存在額外電路系統(圖中未明確展示)。系統900可用於一特定驅動信號及/或一特定冷卻元件或微磚。因此，在驅動信號1之上下文中展示系統900。然而，系統900或一類似系統可用於剩餘驅動信號輸入、微磚及/或冷卻元件之各者或驅動信號、微磚及/或冷卻元件之各者可選擇性地連接至系統900。
將可對應於圖8之一驅動信號830(例如對於負載1驅動)之驅動信號1 902提供至負載電流監控器904。負載電流監控器904監控提供至冷卻元件/微磚901之驅動信號中之電流。冷卻室/微磚901可類似於冷卻單元100、400及/或501或微磚500。此外，亦可針對負載(冷卻元件等)執行阻抗匹配以改良效能。將驅動電流提供至冷卻元件/微磚901(即，系統900之負載)。因此，冷卻元件可以所要頻率驅動。負載電流監控器904之輸出亦提供至高增益放大器906，且接著峰值偵測器908及低通濾波器910。負載電流監控器904之輸出指示與對應冷卻元件/微磚901之一諧振頻率之一偏差。處理器910(即，處理單元)藉由追蹤負載電流監控器904之輸出來偵測冷卻元件/微磚901之諧振頻率。在一些實施例中，諧振頻率發生在由負載電流監控器904偵測之最大電流處。對於最大流量，冷卻單元/微磚901之間可存在一輕微相位差。因此，可調整此等相位差。修改取決於因數，諸如冷卻單元之品質因數及對應電路中之有效阻抗。因此，可在使用期間偵測冷卻元件/微磚901之諧振頻率及與該諧振頻率之偏差。因此，可調整用於驅動冷卻元件之信號之頻率。因此，在圖中所展示之實施例中，處理單元910可用於控制驅動信號輸入(例如系統800之驅動信號輸 入820)及/或控制信號(例如系統800之控制信號840)。因此，可解釋冷卻元件之諧振頻率中之變化(例如歸因於使用期間之溫度或結構變化)。
圖10描繪利用冷卻元件之運動來獲得能量之能量再生器系統1000之一實施例。能量再生器系統1000可併入系統800中或結合系統800一起利用。亦可存在額外電路系統(圖中未明確展示)。能量再生器系統1000在一特定冷卻元件之上下文中描述。然而，能量再生器系統1000或一類似系統可用於各/所有冷卻元件。圖10中亦展示冷卻元件1020，其在錨1060上且可使用其懸臂區段同相或異相驅動。
能量再生器系統1000用於重新捕獲用於驅動冷卻元件1020之能量之一些部分。能量再生器系統1000亦可用於驅動冷卻元件1020。為此，能量再生器系統1000包含濾波電感器1008、H橋1006、用於儲存能量之(若干)儲存電容器1004及一升壓切換轉換器1002。圖中亦展示脈衝寬度調變(PWM)控制輸入。如可由運動圖表1030及能量供應圖表1040所見，針對冷卻元件之運動之部分供應能量。因此，來自儲存電容器1004(及視情況另一源)之能量經由H橋1006及濾波電感器1008提供至冷卻元件1020。此可被視為一驅動信號。自儲存電容器1004透過H橋1006及濾波電感器1008至冷卻元件之能量流由箭頭展示。由驅動信號供應之能量使壓電(PZT)/冷卻元件1020偏轉且引起冷卻元件1020之懸臂區段振動遠離中性位置(例如自中性位置在正y或負y方向上移動)。此可被視為一驅動階段且在圖10中展示於圖表1030及1040之實線/上半部分中。
當冷卻元件1020鬆弛回中性位置時，在循環之負半部分，能量可被重新捕獲。此可被視為鬆弛階段且由圖表1040之虛線/圖表1030之下半部分展示。能量可被視為由濾波電感器1008接收，其可減少重新 捕獲之能量之高頻分量。重新捕獲之能量提供至H橋1006，其解釋能量流之極性中之變化。在一些實施例中，重新捕獲之能量儲存於(若干)儲存電容器1004中。然而，能量可另一方式儲存。此能量流由自冷卻元件1020之區域透過濾波電感器1008至H橋1006及儲存電容器1004之箭頭展示。使用能量再生系統1000，可重新捕獲用於驅動冷卻元件1020中之一些能量。可改良冷卻元件及因此冷卻單元及/或其中使用冷卻元件之系統之操作之效率。
儘管為了清楚理解，已對詳細描述前述實施例，但本發明不受限於所提供之細節。存在實施本發明之許多替代方法。所揭示之實施例係繪示性而非限制性。
600:方法
602:接收冷卻元件之一個或多個驅動信號輸入
604:基於(若干)驅動信號輸入，將一個或多個驅動信號提供至多個單元及因此多個冷卻元件
606:量測冷卻單元之冷卻元件之驅動信號、振動之振幅或(若干)其他特性

Claims (17)

  1. 一種冷卻系統，其包括：複數個冷卻單元，其等包含經構形以致動以誘發振動運動來朝向一熱發生結構驅動一流體之複數個冷卻元件；及一切換及控制模組，其耦合至該複數個冷卻元件且基於至少一個驅動信號輸入而將複數個信號驅動至該複數個冷卻元件，該複數個驅動信號之各者具有對應於該複數個冷卻元件之一冷卻元件之一頻率，該頻率對應於該冷卻元件之一諧振狀態；其中該切換及控制模組經進一步構形以基於該複數個冷卻元件之各者之該諧振狀態之一諧振頻率將該複數個冷卻元件組織成複數個箱，將該複數個驅動信號之一驅動信號提供至該複數個箱之一箱中之各冷卻元件。
  2. 如請求項1之冷卻系統，其中將該複數個驅動信號之一驅動信號提供至該複數個冷卻元件之至少兩個冷卻元件。
  3. 如請求項1之冷卻系統，其中該複數個冷卻單元分離成至少一個微磚，該複數個驅動信號之一驅動信號提供至該至少一個微磚之一微磚中之所有冷卻單元。
  4. 如請求項1之冷卻系統，其中該切換及控制模組基於該至少一個驅動信號輸入之一驅動信號輸入而提供該複數個驅動信號之至少兩個驅動信號。
  5. 如請求項1之冷卻系統，其中該箱之該驅動信號之該頻率在該箱中之該複數個冷卻元件之一部分之各者之該諧振頻率之10%以內。
  6. 如請求項1之冷卻系統，其中該切換及控制模組進一步包含：用於該複數個冷卻元件之至少一個電流監控器，該至少一個電流監控器之一輸出指示該頻率與該冷卻元件之一諧振頻率之一偏差使得基於該偏差調整該複數個驅動信號。
  7. 如請求項1之冷卻系統，其中該振動運動包含一驅動階段及一鬆弛階段，該系統進一步包括：至少一個能量再生器，其與該複數個冷卻元件及該切換及控制模組耦合，該至少一個能量再生器經構形以歸因於該振動運動之該鬆弛階段而自該複數個冷卻元件接收電力。
  8. 如請求項1之冷卻系統，其中該頻率對應於該冷卻元件之一結構諧振頻率及該冷卻元件之一聲學諧振頻率之至少一者。
  9. 一種冷卻系統，其包括：複數個冷卻單元，其等包含經構形以致動以誘發振動運動來朝向一熱發生結構驅動一流體之複數個冷卻元件；及一切換及控制模組，其包含用於接收至少一個驅動信號輸入之至少一個信號輸入、至少一個控制輸入及耦合至該複數個冷卻元件之複數個輸 出，該複數個輸出基於該至少一個驅動信號輸入及基於提供至該至少一個控制輸入之一控制信號而提供複數個驅動信號至該複數個冷卻元件，該複數個驅動信號之各者具有對應於該複數個冷卻元件之一冷卻元件之一諧振狀態之一頻率；其中該切換及控制模組進一步包含：至少一個電流監控器，該至少一電流監控器之各者之一輸出指示該頻率與該冷卻元件之一諧振頻率之一偏差使得基於該偏差而調整該複數個驅動信號。
  10. 如請求項9之冷卻系統，其中該複數個冷卻單元分離成至少一個微磚，該複數個驅動信號之一驅動信號提供至該至少一個微磚之一微磚中之所有冷卻單元。
  11. 一種冷卻系統，其包括：複數個冷卻單元，其等包含經構形以致動以誘發振動運動來朝向一熱發生結構驅動一流體之複數個冷卻元件；及一切換及控制模組，其包含用於接收至少一個驅動信號輸入之至少一個信號輸入、至少一個控制輸入及耦合至該複數個冷卻元件之複數個輸出，該複數個輸出基於該至少一個驅動信號輸入及基於提供至該至少一個控制輸入之一控制信號而提供複數個驅動信號至該複數個冷卻元件，該複數個驅動信號之各者具有對應於該複數個冷卻元件之一冷卻元件之一諧振狀態之一頻率；其中該振動運動包含一驅動階段及一鬆弛階段，該系統進一步包括： 至少一個能量再生器，其與該複數個冷卻元件及該切換及控制模組耦合，該至少一個能量再生器經構形以歸因於該振動運動之該鬆弛階段而自該複數個冷卻元件接收電力。
  12. 一種用於驅動一冷卻系統之方法，其包括：接收至少一個驅動信號輸入；基於至少一個驅動信號輸入而將複數個驅動信號提供至複數個冷卻元件，該複數個驅動信號之各者具有對應於一冷卻元件之一頻率，複數個冷卻單元包含經構形以致動以誘發振動運動來朝向一熱發生結構驅動一流體之該複數個冷卻元件，該頻率對應於該冷卻元件之一諧振狀態；基於該複數個冷卻元件之各者之該諧振狀態之一諧振頻率而將該複數個冷卻元件組織成複數個箱；及其中提供該複數個驅動信號進一步包含將該複數個驅動信號之一驅動信號提供至該複數個箱之一箱中之各冷卻元件。
  13. 如請求項12之方法，其中提供該複數個驅動信號進一步包含：將該複數個驅動信號之一驅動信號提供至該複數個冷卻元件之至少兩個冷卻元件。
  14. 如請求項12之方法，其中該複數個冷卻單元分離成複數個微磚，其中提供該複數個驅動信號進一步包含：將該複數個驅動信號之一驅動信號提供至該複數個微磚之一微磚之所有冷卻單元。
  15. 如請求項12之方法，其中該箱之該驅動信號之該頻率在該箱中之該複數個冷卻元件之一部分之各者之該諧振頻率之10%以內。
  16. 如請求項12之方法，其進一步包括：量測該複數個冷卻元件之各冷卻元件之該驅動信號，該經量測之驅動信號指示該頻率與該冷卻元件之一諧振頻率之一偏差使得基於該偏差而調整該複數個驅動信號。
  17. 如請求項12之方法，其中該振動運動包含一驅動階段及一鬆弛階段，該方法進一步包括：歸因於該振動運動之該鬆弛階段，自該複數個冷卻元件接收電力；及儲存該電力。
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11043444B2 (en) 2018-08-10 2021-06-22 Frore Systems Inc. Two-dimensional addessable array of piezoelectric MEMS-based active cooling devices
US11802554B2 (en) 2019-10-30 2023-10-31 Frore Systems Inc. MEMS-based airflow system having a vibrating fan element arrangement
US11796262B2 (en) 2019-12-06 2023-10-24 Frore Systems Inc. Top chamber cavities for center-pinned actuators
KR20230075503A (ko) * 2020-10-02 2023-05-31 프로리 시스템스 인코포레이티드 능동 방열판
US20230413471A1 (en) * 2022-06-17 2023-12-21 Frore Systems Inc. Mems based cooling systems having an integrated spout

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW498933U (en) * 2001-10-18 2002-08-11 Ind Tech Res Inst Negative pressure balance maintaining device for micropump
CN101415945A (zh) * 2006-03-29 2009-04-22 株式会社村田制作所 微型泵
TWM404496U (en) * 2009-11-06 2011-05-21 Opus Microsystems Corp Two-dimensional micromechanical actuator with multiple-plane comb electrodes
TW201345135A (zh) * 2011-11-09 2013-11-01 Johnson Matthey Catalysts Germany Gmbh 彎曲轉換器及包含彎曲轉換器之微型泵
US20200053905A1 (en) * 2018-08-10 2020-02-13 Frore Systems Inc. Mobile phone and other compute device cooling architecture
CN110914610A (zh) * 2017-06-23 2020-03-24 菲力尔系统公司 Mems低温冷却器系统和方法
CN210218057U (zh) * 2019-04-04 2020-03-31 常州威图流体科技有限公司 一种高性能微型压电泵

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8659896B2 (en) 2010-09-13 2014-02-25 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Cooling apparatuses and power electronics modules
US20170292537A1 (en) * 2016-04-06 2017-10-12 Menashe Barak Mems-based active cooling system
US20210183739A1 (en) * 2019-12-17 2021-06-17 Frore Systems Inc. Airflow control in active cooling systems

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW498933U (en) * 2001-10-18 2002-08-11 Ind Tech Res Inst Negative pressure balance maintaining device for micropump
CN101415945A (zh) * 2006-03-29 2009-04-22 株式会社村田制作所 微型泵
TWM404496U (en) * 2009-11-06 2011-05-21 Opus Microsystems Corp Two-dimensional micromechanical actuator with multiple-plane comb electrodes
TW201345135A (zh) * 2011-11-09 2013-11-01 Johnson Matthey Catalysts Germany Gmbh 彎曲轉換器及包含彎曲轉換器之微型泵
CN110914610A (zh) * 2017-06-23 2020-03-24 菲力尔系统公司 Mems低温冷却器系统和方法
US20200053905A1 (en) * 2018-08-10 2020-02-13 Frore Systems Inc. Mobile phone and other compute device cooling architecture
CN210218057U (zh) * 2019-04-04 2020-03-31 常州威图流体科技有限公司 一种高性能微型压电泵

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