电流体动力泵和包括电流体动力泵的冷却装置的制作方法

专利名称：电流体动力泵和包括电流体动力泵的冷却装置的制作方法
电流体动力泵和包括电流体动力泵的冷却装置 相关申请上述现有技术教导了令人关注的思想，但将它们应用到有 效的散热器结构上还存在问题。理想的是具有一种散热器设计，其相 对于传统的风扇或被动技术来说具有改进的气流特性，并具有能支持 并有效利用更先进的气流技术的结构。

发明内容
在一些实施例中，第 一 电极在机械性方面可以不是很坚固， 尤其是对于微尺度电晕电极来说。为了锚定这些电极、提供稳定性以 及确保可靠的操作，它们可以由适当的结构比如基底来支承。图7A、 7B以及7C示出了电极分别位于基底730的上游壁、侧壁以及下游壁 上的优选实施例。应该明显地看出，基底和电极相对于流向可采取其 它方位和角度。
[0058在第一电极与基底直接接触的实施例中，电极优选地是终 止在基底表面的边缘处，或延伸超出该表面一定距离。在图7B和7C 中，通过使电极端部与基底成一角度地延伸，可实现相同的优点。图 7D示出了第一电极相对于基底730而言的各种构造。如图7D所示， 电极端714A被构造成与基底730接触但不延伸到基底730的边缘。 电极端714B被构造成延伸到与基底730边缘齐平。电极端714C被构 造成延伸出基底730的边缘，而电极端714D被构造成相对于基底730 成一角度地延伸。
0059在其它实施例中，电极端不与基底直接接触。这些实施例 改进了电场增强。
[0060J图8示出了一替换优选实施例，其可用于给要不然机械不 稳定的第一电极结构提供机械稳定性。如图8所示，第一电极设置在 基底820上，其有效地将间隔件和基底组合成单个构件。该实施例还 消除了流动阻塞，当第一电极元件位于流道110的中心时会出现流动 阻塞。
交流电压
[0061原型装置是根据本发明的微尺度电晕技术的尺寸构造的， 与图8所示的相似。这些装置是利用直流电压在空气中操样的。这些 装置的测试表明当电极保持在恒定电位时，通过流道的气体流量随 时间逐渐减小。经发现，在直流电操作情况下，对于所有类型的泵吸 而言，表面电荷在任何电介质表面上积累。该电荷阻碍了第一电极处 的电场增强，从而阻止了电晕放电和离子的形成。
00621本发明认识到， 一种解决该问题的方式是将交变的(AC) EHD母线电位用作电压源(例如电压源108)。交变母线电位的形状 不局限于正弦曲线，而可以是方形或脉冲形及其变型。交变电流在电 极之间移动双极离子。由于正电荷和负电荷都存在于流道中，因此没 有哪一种电荷能在电介质表面上积累。这些表面仍基本为中性，且因 此不阻碍第一电极处的电场。图ll是一图表，示出了如图8所示且采 用了微尺度电晕风EHD泵吸技术的结构中典型的热阻对施加频率的 依赖关系。如该实例所示，当冷却系统在1到100kHz的频率范围操 作时热阻最低。交流电的最佳操作频率由此位于该范围内。
具有微流道大阵列的冷却系统
[00631根据本发明，优选的一类与EHD泵机构结合的散热器结 构是具有相对短微流道的大平行阵列的那种，尽管可使用许多其它类 型的散热器。不过，依照散热片宽度和流道宽度，通过将第一电极元 件安放在相邻的散热片上，会降低电场增强，由此降低泵吸性能。解 决该问题的一优选实施例在图9中示出，其中，单个第一电极元件902 用于给多个流道IIO-A和IIO-B提供泵吸。这就增大了相邻电极之间 的有效空间并提高了冷却性能。
[0064一个优选的散热器结构已描述在共同待审的名称为"微流 道散热器，，的美国专利申请No.11/181106中，其内容在此并入以供参 考。EHD电极可位于该类型结构中的流道的顶侧或底侧。

图10示出 了具有总体散热器结构(比如描述在共同待审的美国专利申请 No.ll/181106中的)的本发明的一优选实施例。如图10所示，第一电 极元件1002的阵列横跨流道阵列110的入口分布。第一电极阵列与施 加有电压的中央电晕母线1040电连接。
[00651应该注意的是，图10示出了一个冷却系统的实施例，其 将热管1050用作从热源向散热器流道壁输送热量的部件。在包括电晕 式EHD泵吸系统的实施例中，热管1050还可充当第二电极。应该注 意到，在其它实施例中，散热器结构可更直接地与热源热耦接，而不 是通过热管远程耦接。
利用控制击穿来产生离子的冷却系统
0066如上所述，尽管可采用相同的总体散热器结构和离子产生 电极，但图1至IO所示的实施例还会需要附加的电极和结构来实现描 述在共同待审的美国专利申请No.ll/271092中的EHD泵吸方法。图
情况。图12A和12B的实施实例包含与电晕风实施例相似的第一电极 1202和第二电极1204。此外，该实施例包括第三电极1206 (应该注 意，所标示的"第二"和"第三"电极在本申请与共同待审的申请之 间是相反的)。图12A示出了典型冷却流道的横截面图。图12B示出 了附加电极1206可以怎样包含在比如上面结合图8描述的散热器结构 中的情况的一实例。
[00671第三电极1206的材料可以是铝或任何导体，厚度约为 500nm，并且可以由厚度约为1微米的例如是聚酰亚胺的薄电介质 1208覆盖。电压源1210大约为IOOOV，且如共同待审的申请中描述 的那样暂时受控，以首先使电极1202、 1206之间的气隙开始击穿。当 电荷聚积在覆盖电极1206的电介质1208的表面上时，过程停止。因 此，电介质覆层充当电容器。不过，薄电介质1208容许电荷自该表面 緩慢地漏泄离开而到达电极。因此，电介质覆层还充当电阻，即容许 电荷漏过电容器并给电容器放电。离子形成在流道入口 1212，并被由 保持在地电位的第二电极1204形成的二次场吸引。
具有远程热耗散的冷却系统
00681图10所示的冷却系统是能够设置成远离热源的本发明系统 的一个实施例。如上所述，该装置通过一个或多个热管与热源热耦接。 在图IO所示的实例中，热管的走向是沿着散热器的中心，尽管几种其 它结构也是可行的。热量从热管传递到形成散热器流道的每个散热片 的基部。该简单的传导通路容许散热器比没有热管情况下的制得更薄。 短的传导通路还能允许散热器使用许多不同的材料(铝、硅、碳纤维、 钢、氧化铝等)，因为高导热性不是必要的材料要求。
0069图13示出了供膝上型计算机用的本发明完整冷却系统的一
可行应用。该完整系统具有热管1302，其把热量从中央处理单元1304 输送到EHD气流散热器1306。热管可以是标准的、可购得的由两相 流体和管内芯子构成的装置，但本发明不局限于此类特定装置。通过 使流体从管的一端蒸发并使其在另一端冷凝，该热管装置有效地输送 热量。散热器位于有通风口 1308的侧壁附近，于是热气在该实例中就 排出计算机。电源1310提供了交流电以驱动EHD气流单元。
[00701本发明的冷却系统还可应用于其它电子设备，比如台式计 算机、服务器、通信设备、电缆顶置盒、视频游戏机、数字模拟电视 和显示器、手持式个人数码伴倡、手机等。
构造
0071用于构造具有EHD气流的樣"危道散热器的制造过程本身 是独特的，并且是本发明的另一个方面，正如现在将要结合图14A到 14D所示的一优选实施例更详细描述的那样。
[0072如图14A所示，制造过程是从基底材料1402开始的，比如 由硅、铝、掺杂SiC、碳纤维或铜组成的导电晶片。接下来，在图14B 中，在表面1404上沉积或生长介电材料(例如，热氧化物可生长在硅 上，铝可作阳极化处理，或者可沉积厚膜光致抗蚀剂)。介电材料片也 可与基底结合(例如，玻璃、石英、borofloat硼硅酸盐玻璃或plexiglas 有机玻璃的片可与基底附接)。接下来，在图14C中，可采用光刻技 术在电介质的表面上使第一电极1406和母线1408图案化。图14D所 示的最后步骤是利用金刚石划片机或线静电放电机(EDM)来机械地 切割微流道1410，或利用干法和湿法蚀刻技术来化学腐蚀掉多余的材 料。还可将机械和化学技术结合起来使用。
[0073尽管已特别参照其优选实施例对本发明作了描述，但对于 本领域的普通技术人员来说，显而易见的是，可作出形式和细节上的 变化和改进而不脱离本发明的精神和范围。随附权利要求意在涵盖此 类变化和改进。
权利要求
1、一种电流体动力(EHD)泵，包括以小于1cm的气隙与第二电极隔开的第一电极，其中，第一电极具有有效直径，并且，气隙相对于有效直径的比大于6∶1。
2、 如权利要求1所述的EHD泵，其中，第一电极由具有橫截面 形状的线构成。
3、 如权利要求2所述的EHD泵，其中，所述横截面形状为圆形。
4、 如权利要求1所迷的EHD泵，其中，所述有效直径小于100微米。
5、 如权利要求1所述的EHD泵，还包括，与第一电极和第二电 极耦接的电压源，以在电极之间实现电晕放电。
6、 如权利要求5所述的EHD泵，其中，所述电压源提供频率范 围为l-100kHz的交流电。
7、 如权利要求5所述的EHD泵，其中，所述电压源提供直流电。
8、 如权利要求1所述的EHD泵，其中，所述气隙小于5mm。
9、 一种冷却装置，包括 一流道；与流道耦接的一电流体动力(EHD)泵，其促使气体流经流道。
10、 如权利要求9所述的装置，其中，EHD泵包括第一和第二电 极，并且，流道由分隔的散热片限定，至少其中一个电极是一体地形 成在散热片中的。
11、 如权利要求9所述的装置，其中，流道是由散热器的分隔散 热片限定的。
12、 如权利要求ll所述的装置，还包括与散热器热接触的热管。
13、 如权利要求12所述的装置，其中，EHD泵包括第一和第二 电极，至少其中一个电极是一体地形成在散热片中的，热管与散热片 电接触。2
14、 如权利要求9所迷的装置，其中，EHD泵包括由气隙隔开的 第一和第二电极，以及电压源，电压源在第一和第二电极之间形成电 场，从而产生流动于第一和第二电极之间的离子。
15、 如权利要求14所述的装置，其中，离子是采用电晕风技术产 生的。
16、 如权利要求14所述的装置，其中，离子是采用微尺度电晕风 技术产生的。
17、 如权利要求14所述的装置，其中，离子是采用暂时受控的电 介质击穿技术产生的。
18、 如权利要求14所述的装置，其中，第一电极是由具有横截面 形状的线构成的。
19、 如权利要求18所述的装置，其中，所述横截面形状为圆形。
20、 如权利要求18所述的装置，其中，流道是由散热器的分隔散 热片限定的，并且，第二电极一体地形成在散热片中。
21、 如权利要求18所述的装置，其中，第一电极的有效直径小于 lmm。
22、 如权利要求14所述的装置，还包括，与第一电极附接的基底。
23、 如权利要求14所述的装置，其中，第一电极由主元件和若干 从主元件突伸的辅助端构成。
24、 如权利要求23所述的装置，还包括，与第一电极附接的基底。
25、 如权利要求24所述的装置，其中，第一电极相对于流道中气 流的方向与基底的上游侧附接。
26、 如权利要求24所述的装置，其中，笫一电极相对于流道中气 流的方向与基底的下游侧附接。
27、 如权利要求24所述的装置，其中，第一电极相对于流道中气 流的方向与垂直于基底上游侧和下游侧的侧壁附接。
28、 如权利要求24所述的装置，其中，第一电极相对于流道中气 流的方向与和基底上游侧和下游侧成倾斜角度的侧壁附接。
29、 如权利要求24所述的装置，其中，所述辅助端延伸到基底的 边缘。
30、 如权利要求24所述的装置，其中，所述辅助端延伸出基底的 边缘。
31、 如权利要求30所述的装置，其中，所述辅助端的延伸出基底 边缘的部分相对于没有延伸出基底边缘的其它部分成角度。
32、 如权利要求14所述的装置，其中，所述电压源提供交流电。
33、 如权利要求32所述的装置，其中，交流电的频率范围为 l画100kHz。
34、 如权利要求14所述的装置，其中，所述电压源提供直流电。
35、 如权利要求14所述的装置，还包括，至少部分地包围气隙的 间隔件。
36、 如权利要求35所述的装置，其中，所述间隔件包括导电材料。
37、 如权利要求35所述的装置，其中，所述间隔件包括介电材料。
38、 如权利要求37所述的装置，其中，第一电极与间隔件附接。
39、 如权利要求9所述的装置，其中，EHD泵包括第一和第二电 极，并且，流道由第一和第二散热片限定，第二电极一体地形成在第 二散热片中且由邻近流道入口的第一间隙与第一电极间隔开，该装置 还包括由第一散热片和第三散热片限定的第二流道，还包括第二EHD 泵，该笫二 EHD泵包括第一电极和另一第二电极，该另一第二电极 一体地形成在第三散热片中且由邻近第二流道入口的第二间隙与第一 电极间隔开。
40、 一种冷却装置，包括 包括若干流道的散热器；以及若干与流道耦接的电流体动力(EHD)泵，它们分别促使气体流 经流道。
41、 如权利要求40所述的冷却装置，其中，EHD泵由若千第一 电极和若干第二电极构成，该若干第一电极与第二电极之间分别形成 有电场，从而产生推动气流的离子，并且， 一些第一电极被两个或更 多个EHD泵共同使用。
42、 如权利要求41所述的冷却装置，其中，第二电极一体形成在 散热器中。
43、 如权利要求40所述的冷却装置，其中，EHD泵由若千第一 电极和若干第二电极构成，该若干第一电极与第二电极之间分别形成 有电场，从而产生推动气流的离子，并且， 一些EHD泵包括两个或更多个第一电极。
44、 如权利要求43所述的冷却装置，其中，第二电极一体形成在 散热器中。
45、 如权利要求40所述的冷却装置，其中，EHD泵由若干第一 电极和若干第二电极构成，该装置还包括与第一电极耦接的电母线。
46、 如权利要求45所述的冷却装置，其中，第二电极一体形成在 散热器中。
47、 如权利要求40所述的冷却装置，其中，每个流道的宽度小于 5mm，长度小于100mm。
48、 如权利要求40所述的冷却装置，其中，EHD泵釆用电晕风 技术产生离子。
49、 如权利要求40所述的冷却装置，其中，EHD泵釆用微尺度 电晕风技术产生离子。
50、 如权利要求40所述的冷却装置，其中，EHD泵采用暂时受 控电介质击穿技术产生离子。
51、 一种制造冷却装置的方法，包括采用单一过程来共同形成电流体动力泵结构和散热器结构。
52、 如权利要求51所述的方法，其中，该过程包括 准备晶片；在晶片的表面上添加介电层； 在介电层中把用于电流体动力泵结构的电极图案化； 切割晶片和已图案化的介电层，以形成用于散热器结构和电流体 动力泵结构的流道。
53、 如权利要求52所述的方法，其中，添加介电层的步骤包括在 晶片上生长氧化层。
54、 如权利要求52所述的方法，其中，添加介电层的步骤包括在 晶片上沉积介电材料。
55、 如权利要求52所述的方法，其中，添加介电层的步骤包括使 介电材料片与晶片结合。
56、 如权利要求52所述的方法，其中，图案化介电层的步骤包括 采用光刻技术。
57、 如权利要求52所述的方法，其中，切割步骤是采用金刚石划 片机执行的。
58、 如权利要求52所述的方法，其中，切割步骤是采用线静电放 电才几执4亍的。
59、 如权利要求52所述的方法，其中，切割步骤包括干法或湿法 蚀刻。
全文摘要
本发明涉及冷却系统，尤其涉及提供强制对流气流的冷却系统。根据一个方面，冷却系统采用散热器与比如电晕风或微尺度电晕风或通过暂时受控的离子产生技术的EHD泵吸机制相结合。散热器可采用流道阵列结构。EHD泵位于散热器流道的入口或出口。本发明的冷却系统实现了许多优点，包括整个系统的性能可相似于或优于传统的散热器和风扇系统，但体积和重量却是其的十分之一，且操作安静。本发明还涉及一种制造采用EHD气流的微流道散热器的方法。
文档编号F04B17/00GK101107444SQ200680003074
公开日2008年1月16日 申请日期2006年1月23日 优先权日2005年1月24日
发明者丹尼尔·J·施利茨 申请人:索恩微技术公司