基于MEMS的微介电液滴冲击冷却系统建模及其实施技术研究

论文摘要

随着电子元器件集成度的不断提高,微电子系统的热控制问题越来越严重,成为急需解决的难题之一。本文在分析传统的冷却方法的基础上提出了基于MEMS的微介电液滴冲击系统,并对该系统的建模及其实施技术开展研究。本论文主要研究内容如下:1、冷却系统的研究。提出一种压电微喷嘴,分析微液滴的产生过程、微液滴冲击固体表面的模式以及冲击液滴与热表面热传导过程,冲击液滴的泡状沸腾换热,影响换热系数的因素以及冷却剂的选择。2、微机电系统MEMS器件的建模基础。介绍了微机电系统MEMS的建模层级,提出了集总参数建模方法、节点分析法和行为建模语言VHDL-AMS三种MEMS建模方法,重点讨论了MEMS多物理耦合场的建模分析。3、动力系统的研究。提出了静电无阀微泵的设计方案,建立了微泵膜片的有限元模型,采用直接耦合法模拟分析了微泵膜片在静电驱动下产生的形变和由此引起的微泵腔体体积的变化,得出了膜片厚度、半径、电极间隙和驱动电压对微泵腔体体积变化的影响。微泵膜片的动态特性与微泵的工作效率密切相关,本文得出了膜片振动的固有频率与膜片厚度之间的关系,并进行了模态分析、谐响应分析、瞬态动力学分析。微泵的流量和压力是微泵的重要工作参数,应用有限元流固耦合分析对流体进行模拟,并模拟出流量随时间的变化情况,从而较为全面的认识了微泵系统的流体特性。4、设计了微液滴冲击冷却系统实验结构,从所需测量数据及观察现象入手设计实验平台的辅助设备,从一个控制系统的构成入手设计了实验平台的控制系统,并拟定实验方案,包括开放系统单向传热的实验方案和封闭式系统的两相传热实验方案。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 微芯片热控制的重要性
• 1.1.1 微芯片的发展趋势
• 1.1.2 微芯片的耗能与散热
• 1.2 微冷却技术概述
• 1.2.1 微芯片冷却技术的发展趋势
• 1.2.2 微芯片冷却技术的种类
• 1.2.3 液冷的主要方式
• 1.3 微液滴冲击冷却的国内外研究现状
• 1.3.1 微液滴冲击冷却机理研究现状
• 1.3.2 微泵研究现状
• 1.4 课题简介
• 1.4.1 理论来源介绍
• 1.4.2 基本工作原理
• 1.5 论文研究的主要内容
• 1.6 本章小结
• 第二章 微液滴的形成机制与传热过程
• 2.1 液滴发生器
• 2.2 液滴的产生
• 2.3 液滴与壁面的相互作用
• 2.3.1 韦伯数对液滴的影响
• 2.3.2 液滴冲击固体表面的模式
• 2.3.3 液滴在壁面的铺展
• 2.4 液滴冲击的接触热传导过程
• 2.4.1 液滴冲击壁面的流动与传热
• 2.4.2 影响换热系数的因素
• 2.4.3 冲击液滴的泡状沸腾换热
• 2.5 冷却剂的选择
• 2.6 本章小结
• 第三章 微机电系统MEMS器件的建模基础
• 3.1 微机电系统建模
• 3.1.1 MEMS建模概念
• 3.1.2 微机电系统建模层级
• 3.2 MEMS器件建模方法
• 3.2.1 集总参数建模
• 3.2.2 节点分析法
• 3.2.3 VHDL-AMS
• 3.3 MEMS耦合场分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 静电微泵的设计及建模分析
• 4.1 微型泵简介
• 4.2 静电微泵的设计
• 4.2.1 静电无阀微泵结构
• 4.2.2 静电无阀微泵工作原理
• 4.2.3 静电微泵参数的设计原则
• 4.3 静电微泵泵膜的模态分析
• 4.3.1 模态分析步骤
• 4.3.2 模态分析结果与讨论
• 4.4 静电微泵泵膜的谐态分析
• 4.4.1 谐态分析步骤
• 4.4.2 谐态分析结果与讨论
• 4.5 静电微泵泵膜的非线性瞬态分析
• 4.5.1 非线性瞬态分析步骤
• 4.5.2 非线性瞬态分析结果与讨论
• 4.6 静电微泵流固耦合分析
• 4.6.1 建立微泵模型
• 4.6.2 流量分析
• 4.7 本章小结
• 第五章 基于MEMS的微介电液滴冲击冷却系统实验平台的设计
• 5.1 微液滴冲击冷却系统工作原理
• 5.2 实验平台设计
• 5.3 控制系统的设计
• 5.4 实验方案拟定
• 5.4.1 开放系统单相传热的实验方案
• 5.4.2 封闭系统两相传热的实验方案
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢