来源 | IEEE Transactions on Electron Devices

链接 | 10.1109/TED.2025.3536337

01

“芯片越强越热”：毫米级设备为何难以主动散热？

在智能手机、VR眼镜、可穿戴设备等紧凑型电子产品日益普及的今天，芯片计算能力的提升早已不仅靠频率和架构，更仰赖晶体管密度的飞跃。然而，随着单位面积上“电路密度”的疯狂增长，热流密度也随之飙升，带来了前所未有的散热挑战。

研究表明，超过 50% 的电子元器件失效与过热直接相关——轻则系统降频、响应变慢，重则导致芯片寿命缩短甚至崩溃宕机。一个高性能SoC的热通量，往往能在指甲盖大小（1cm²）上释放超过1W的热量，而手机壳内可用于散热的空间，却仅有数毫米厚，几乎无“空间冗余”。

目前主流的被动散热技术（如自然对流）在热流密度低时仍有效，但一旦超过0.05 W/cm²，其换热能力迅速失效。相比之下，主动散热技术（如风扇）可以显著提升散热效率，但代价是“体积+能耗”双高：哪怕是笔记本电脑中最轻薄的风扇，其尺寸也达到了67.5×54×4.6 mm³，功耗动辄数百毫瓦到数瓦，显然无法嵌入到毫米级电子产品中。

尽管行业已尝试多种微型化散热方案：

Frore Systems 推出的 AirJet Mini 集成了压电气泵与喷流结构，适用于超薄笔电，但其尺寸（27.5 × 41.5 × 2.8 mm）仍难装入手机；

GE 推出的 双压电冷却射流（DCJ） 实现了薄型化（1 mm厚），却因平面尺寸达40×40 mm，无法适配更微型设备；

Najafi 团队提出的 静电驱动MEMS射流冷却器（e-jet） 尽管体积仅 16×16×1 mm³，但受限于位移幅度和环境稳定性，冷却性能未能满足实用标准。

这使得整个行业面临一道看似无法两全的难题：如何在毫米级空间内，实现高效、低功耗、可量产的主动散热？

当前解决方案，不是散热能力妥协了，就是功耗或尺寸超标了，始终未能打破“只能靠被动散热”的技术边界。

02

微米尺度下的“气动心脏”：压电MEMS冷却芯片是如何工作的？

近期，天津大学精密测试技术及仪器全国重点实验室庞慰/张孟伦课题组在微型主动散热技术上取得突破性进展。研究成果以“Energy-Efficient Piezoelectric MEMS Cooling Chip for Compact Electronics Based on a Partially Mechanical Decoupled Actuator”为题发表在《IEEE Transactions on Electron Devices》期刊。

提出了一种突破性的解决方案：基于压电MEMS致动器的合成射流冷却芯片（Piezoelectric MEMS Synthetic Jet, 简称 PMSJ），尺寸仅为6 × 6.7 × 2.1 mm³，功耗低至69 mW，足以嵌入智能手机、VR眼镜等移动终端中，为紧凑电子设备提供真正意义上的主动式微型散热能力。

图1. 压电MEMS SJ冷却器示意图（a）应用场景（b）结构（c）横截面。

相比传统风扇将空气从侧面“扫过”发热器件表面，这种芯片通过合成射流技术，让气流垂直冲击热源，主动扰动热边界层，显著提升对流换热效果。而实现这一过程的“发动机”，正是集成于芯片之中的压电致动器。

图2. PMSJ的工作机制。

这类喷流不同于传统风扇产生的持续风速，更像是“子弹型”的空气弹丸，其冲击力强、方向集中、扰动边界层能力更强，特别适用于在极小的空间内实现局部高效换热。而由于使用的是压电驱动（非静电或电磁），其位移幅度更大、响应速度更快、对灰尘/湿度不敏感，非常适合移动设备等非理想环境下的应用。

03

比薄还要灵活：部分机械解耦结构，让MEMS致动器突破极限

在微尺度器件中，想让压电致动器在极小空间内实现大位移振动，是一项极具挑战的任务。传统夹持式结构下，致动器必须在固定边界条件中变形，不仅应力集中、位移有限，而且容易发生非线性响应，导致性能下降。

图3.（a） 三种不同执行器设计的结构图，（b）设计原理图。

为了解决这个问题，研究团队在PMSJ中提出了一种创新性的设计：部分机械解耦结构（Partially Mechanically Decoupled, PMD），它结合了两种思路的优点：

解耦灵活性 —— 通过在压电驱动器边缘引入狭缝（slits），让一端“自由”，像悬臂梁一样，可以实现更大幅度的运动；

保持气密性 —— 在结构上覆盖一层极软的PDMS薄膜，阻止空气从狭缝泄漏，保障“喷气”过程的完整性。

模拟与实测结果清晰表明，PMD结构的体积位移比传统结构提高了10倍以上，其喷气速度和有效输出流量也显著提升。

图4. 有限元模拟结果（a）在35Vp驱动下，三个结构在4mm处的体积位移、共振频率、体积速度和射流速度。（b）在喷射阶段，FMD狭缝周围的Z轴速度分布。（c）t=3.24ms时孔口上方流速场的分布。

此外，通过调节PDMS膜厚度，PMD结构还能在振动幅度与机械稳定性之间灵活权衡，为量产提供了设计空间。这种巧妙结构设计，让微型MEMS致动器首次兼顾了“能量转换效率”与“结构完整性”，从而成为PMSJ实现高效合成射流的关键突破点。

04

从“吹风”到“降温”：毫米级冷却芯片能否实战？数据给出答案

结构再好，如果无法实际降温，终究只是纸上谈兵。为了验证 PMSJ 芯片的冷却能力，研究团队进行了系统的气流测试与热源冷却实验，结果令人振奋。首先，在空气喷流测试中，芯片通过热敏风速仪（Testo-405）测得其脉冲射流速度可达 3.4 m/s，并且具有良好的电压控制响应性。

图5. 气流特征（a）FMD和PMD的射流速度比较（孔板：3×3-350µm）（b）在共振频率下，喷射速度为7.5mm，驱动电压变化（c）18Vrms正弦信号的射流速度与射流到表面距离之间的关系。

不仅如此，借助施密特可视化技术，实验还直观展示了冷却芯片开启前后热流场的巨大差异。

图6. 施密特可视化。

最终也是最关键的实验证据：热源温度变化测试。在环境温度 26°C 下，将 PMSJ 对准一块10×10×1mm的金属陶瓷电热片进行测试。当PMSJ关闭时，热源在自然对流下稳定于 85°C；而当 PMSJ 启动后，热源温度迅速下降并最终稳定在 55.4°C，降温幅度高达 29.6°C。

图7. 冷却器运行前后热源的瞬态温度变化。

在仅仅 69mW 功耗下，能带来如此大幅度降温，已经不仅是“可用”，而是“高效”。

05

比风扇更节能，PMSJ性能数据实测

首先是评估主动冷却能力的核心指标——强制对流换热系数（hfc）。在输入电压从 5 Vrms提升至27 Vrms 的过程中，hfc 从 26 W/m²K 持续爬升至 72 W/m²K，约为自然对流的3倍。

图8. 温度降和强制对流传热系数hfc随（a）冷却器驱动电压和（b）射流到表面距离的变化。

与此同时，其换热增强因子（Enhancement Factor, EF）也保持了良好的稳定性——在 70°C至115°C热源温度范围内，EF始终稳定在2.8~3.1区间，说明其对高温区同样具备强冷却能力。

图9. 温度对冷却性能的影响。

而在最关键的能源效率指标——COP（Coefficient of Performance）方面，PMSJ表现更是亮眼。在115°C热源条件下，其满载 COP 高达 12.7，远超目前市场上主流微型主动冷却器。

图10. COP和冷却器驱动电压之间的关系。

最后，研究团队还整理了目前市面上代表性微型主动冷却器（AirJet Mini、DCJ、e-jet等）与 PMSJ 的核心参数对比。

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下一代主动散热，不再只是“吹风”：毫米级冷却芯片的产业前夜

回顾这项成果，从结构设计（PMD）、致动方式（压电MEMS）、气流控制（合成射流）到系统集成（封装+PDMS密封），每一个细节都指向一个共同目标：让主动散热真正走进微型电子设备内部。在毫米尺度上实现稳定、高效、可控的气动冷却，这曾是行业多年未解的技术痛点，而 PMSJ 的出现，打破了“体积-功耗-性能三难困境”。

PMSJ的最大意义在于：首次实现了真正适配于手机、AR/VR眼镜、便携仪器的微型主动冷却模块。它不仅具有主动冷却的高效能，更有MEMS结构带来的微型化潜力与高可靠性，极有望打破被动散热“一统江湖”的局面。更值得关注的是：PMSJ功耗低、封装灵活、形状可变，未来甚至可以集成进SoC封装内部、用于异构计算模块热斑调控，进一步推动3D封装、高功率微系统的发展。

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关于研究团队

张孟伦，天津大学北洋学者，英国剑桥大学访问学者研究员，IEEE Senior Member。专注MEMS传感芯片研究十余年，研究方向包括麦克风、扬声器、超声换能器、谐振式传感器以及频率器件等，广泛应用于智能手机、耳机等消费电子设备以及工业、医疗等领域。以第一作者/通讯作者身份发表国际学术论文50余篇，并将研究成果出版英文专著。坚持产学研一体化，申请和授权中国发明专利及PCT专利150余项，实现专利成果转让10余项，与数家高科技公司合作进行成果孵化与转化。

庞慰，毕业于清华大学，并在美国南加州理工大学获得了硕士和博士学位。2018年6月12日从天津大学获悉，该校精密测试技术及仪器国家重点实验室庞慰团队在柔性电子设备实现高速无线通讯能力方面取得突破性进展，成功开发出柔性射频滤波器，可直接应用于柔性电子无线射频通讯。他的研究领域包括各类声波频率器件、超声成像和测距、声流体、液滴喷射和操控、红外传感、压力和惯性传感、气体和颗粒物传感、汗液传感。已撰写/合著了超过110篇SCI期刊论文，70篇国际会议论文，在MEMS领域申请和授权国内外发明专利350余项。他开创了压电MEMS器件的研发和商业化，开发了超过400种体声波（BAW）滤波器产品（其频率范围从600 MHz到10 GHz、带宽范围从0.01%到>20%），向著名OEM厂商提供了数亿颗AlN MEMS芯片。