来源 | Chip

链接 | https://doi.org/10.1016/j.chip.2025.100163

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背景介绍

随着电子设备的功耗和微型化程度的提升，传统的液冷与风扇系统难以满足高热流密度下的散热需求，尤其是在空间受限的设备中。压电效应能够实现电能与机械能的转化，通常用于传感和制动，特别是在微尺度下，由于其高集成能力。近年来，微型压电风扇因其具有高效散热、低能耗、高性能及紧凑结构等优点而受到越来越多的关注。

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成果掠影

近日，上海交通大学张文明、易志然团队，介绍了压电微风扇或射流冷却器的工作原理，综述了它们的结构设计和性能；讨论了压电制冷器在实际应用中的优缺点，重点讨论了压电运动元件的设计、腔体设计和气流孔对制冷性能的影响，并对压电制冷器的布局优化和安装方式进行了探讨，讨论了压电制冷器的最佳使用方案。系统综述了压电冷却装置的三类核心类型（风扇型、非零净质量射流型）的工作原理，重点分析了活动部件设计（材料、激励方式、拓扑优化）、气室结构（通道优化、腔体拓扑）、气流进出风口（孔径、形状、阀门设计）及布局配置（多装置协同、与被动冷却结合）对冷却性能的影响，还探讨了MEMS 技术在微型化装置中的应用（如硅基压电 MEMS 执行器仅需 5V 驱动），指出该技术在高性能微型电子设备热管理中的巨大潜力，同时提及高频疲劳、制造良率等现存挑战。研究工作旨在为商业电子设备中压电风扇的实际设计和应用提供初步的设计指导。研究成果“Piezoelectric Active Air-Cooling Devices”为题发表在《Chip》

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图文导读

图1 压电主动冷却风扇的里程碑。

图2.三种不同类型的压电冷却装置的原理。a.压电风扇的原理。b.零净质量喷射式压电冷却装置的原理[31]。c.非零净质量喷射式压电冷却装置的原理。

图3 风机叶片特殊形状设计。a.不同结构压电风扇示意图; b.指形压电风扇示意图。

图4.提出的无阀压电阻抗微泵原理图。

图5.基于压电驱动和主动阀的新型蠕动微泵示意图。a.微泵制造工艺。b.最终封装的微泵。

图6.微泵使用标准MEMS技术通过组合硅和PZT薄膜制造。a.最终装置的倾斜图片，显示输入和输出阀以及中央泵送膜，根据蠕动原理工作。注意，每个膜具有内部和外部驱动电极。b.基于Si和PZT膜的微泵的工艺流程图。

图7. 合成射流工作原理. a.出口过程. b.入口过程。