有源MEMS冷却系统中的频率锁定的制作方法

有源mems冷却系统中的频率锁定
1.对其他申请的交叉引用
2.本技术要求2020年12月16日提交的标题为frequency lock via power draw measurement的美国临时专利申请第63/126，461号和2020年12月21日提交的标题为frequency lock via power draw measurement的美国临时专利申请第63/128，376号的优先权，这两个专利申请出于全部目的通过引用并入本文。


背景技术：

3.随着计算设备在速度和计算能力方面的增长，计算设备生成的热量也在增加。已经提出了各种机制来解决热量的生成。诸如风扇的有源设备可以用于驱动空气通过大型计算设备，诸如膝上型计算机或台式计算机。诸如散热器之类的无源冷却设备可以用在更小的移动计算设备中，诸如智能电话、虚拟现实设备和平板计算机。然而，这样的有源和无源设备可能无法充分冷却诸如智能电话的移动设备和诸如膝上型计算机和台式计算机的较大设备两者。因此，期望用于计算设备的附加冷却解决方案。
附图说明
4.在以下详细描述和附图中公开了本发明的各种实施例。
5.图1a-1f描绘了包括中央锚定冷却元件的有源mems冷却系统的实施例。
6.图2a-2b描绘了可用于有源mems冷却系统中的冷却元件的实施例，其包括中央锚定冷却元件。
7.图3a-3b描绘了可用于有源mems冷却系统中的冷却元件的实施例，其包括中央锚定冷却元件。
8.图4a-4b描绘了包括中央锚定冷却元件的有源mems冷却系统的实施例。
9.图5a-5e描绘了在瓦片中形成的有源mems冷却系统的实施例。
10.图6a-6e描绘了驱动包括频率控制的有源mems冷却系统的系统的实施例。
11.图7描绘了驱动包括频率控制的有源mems冷却系统的系统的实施例。
12.图8-11描绘了用于驱动有源mems冷却系统的系统的实施例，其包括接近电源的频率控制和频率感测。
13.图12是描述了用于驱动有源mems冷却系统的方法的实施例的流程图。
14.图13是描绘了用于确定驱动有源mems冷却系统的参数的方法的实施例的流程图。
15.图14是描绘了用于调整有源mems冷却系统的驱动信号频率的方法的实施例的流程图。
16.图15是描绘了用于驱动有源mems冷却系统的方法的流程图。
17.图16是描绘了用于驱动多个有源mems冷却系统的方法的流程图。
具体实施方式
18.本发明可以以多种方式实现，包括作为过程；装置；系统；物质的组成；体现在计算
机可读存储介质上的计算机程序产品；和/或处理器，诸如被配置为执行存储在耦合到处理器的存储器上和/或由其提供的指令的处理器。在本说明书中，这些实现或者本发明可以采取的任何其他形式可以被称为技术。一般而言，在本发明的范围内，所公开的过程的步骤顺序可以更改。除非另有声明，否则被描述为被配置为执行任务的诸如处理器或存储器的组件可以被实现为被临时配置为在给定时间执行任务的通用组件，或者被制造成执行该任务的特定组件。如本文所使用的，术语“处理器”指代被配置为处理诸如计算机程序指令的数据的一个或多个设备、电路和/或处理核心。
19.下面提供了本发明的一个或多个实施例的详细描述，连同说明本发明原理的附图。结合这样的实施例描述了本发明，但是本发明不限于任何实施例。本发明的范围仅由权利要求限定，并且本发明涵盖许多替代、修改和等同物。为了提供对本发明的全面理解，在以下描述中阐述了许多具体细节。这些细节是出于示例的目的而提供的，并且本发明可以根据权利要求来实践，而无需这些具体细节中的一些或全部。为了清楚的目的，没有详细描述与本发明相关的技术领域中已知的技术材料，以免不必要地模糊本发明。
20.随着半导体器件变得越来越强大，操作期间生成的热量也在增长。例如，诸如智能电话、平板计算机、笔记本和虚拟现实设备之类的移动设备的处理器可以以高时钟速度操作，但产生大量热量。由于产生的热量的量，处理器可能仅在相对较短的时间段内以全速运行。在该时间到期之后，发生节流(例如，降慢处理器的时钟速度)。尽管节流可以减少热量生成，但它也会对处理器速度造成负面影响，并且从而影响使用处理器的设备的性能。随着技术向5g和5g以上发展，这个问题预期将会加剧。
21.诸如膝上型或台式计算机之类的较大的设备包括具有旋转叶片的电风扇。可以响应于内部组件温度升高而使风扇通电。风扇驱动空气通过较大的设备来冷却内部组件。然而，这样的风扇对于诸如智能电话之类的移动设备或对于诸如平板计算机之类更薄的设备来说通常太大。由于组件表面处存在空气边界层，风扇也具有有限的功效，为流过期望冷却的热表面的气流提供有限的空速，并且可能生成过量的噪声。无源冷却解决方案可以包括诸如散热器和热管或蒸汽室之类的组件，以将热量传递到热量交换器。尽管散热器在一定程度上减轻了热点处的温度升高，但是在当前和未来的器件中产生的热量的量可能无法得到充分解决。类似地，热管或蒸汽室可能提供不足量的热量传递来移除生成的过多热量。
22.计算设备的不同配置进一步使热量管理复杂化。例如，诸如膝上型计算机的计算设备频繁地对外部环境开放，而诸如智能电话的其他计算设备一般对外部环境封闭。因此，用于开放设备(诸如风扇)的有源热量管理解决方案可能不适用于封闭设备。将加热的流体从计算设备内部驱动到外部环境的风扇对于诸如智能电话的封闭计算设备来说可能太大，并且可能提供有限的流体流。此外，即使风扇可以并入到封闭计算设备中，封闭计算设备也没有用于加热流体的出口。因此，由这样的开放设备机制提供的热量管理可能具有有限的功效。即使对于开放计算设备，入口和/或出口的位置也可以针对不同的设备进行不同的配置。例如，膝上型计算机中用于风扇驱动的流体流的出口可能期望远离用户的手或可能位于加热流体的流出物内的其他结构定位。这样的配置不仅防止用户的不适，而且还允许风扇提供期望的冷却。具有不同配置的另一移动设备可能需要不同地配置入口和/或出口，可能降低这样的热量管理系统的功效，并且可能妨碍这样的热量管理系统的使用。因此，期望用于改进计算设备中的冷却的机制。
23.计算设备中的空间和其他限制进一步限制了有源冷却系统的使用。有源冷却系统是其中使用电信号来驱动冷却的系统。常规的风扇是有源冷却系统的一个示例，而散热片是无源冷却系统的一个示例。空间和功率限制限制了向有源冷却系统提供电连接的能力。例如，如果使用多个有源冷却系统，那么到有源冷却系统的连接可能需要拟合在小区域内。此外，可能期望这样的冷却系统消耗的功率是小的，特别是对于移动设备。因此，当在诸如有源计算设备的计算设备中使用时，有源冷却系统面临特定的挑战。
24.描述了一种包括有源微电子机械系统(mems)冷却系统和驱动系统的系统。该mems冷却系统包括至少一个冷却元件，该冷却元件被配置为当被具有频率和输入电压的驱动信号驱动而振动时，将流体引向至少一个发热结构的表面。驱动系统耦合到有源mems冷却系统，并提供驱动信号。驱动系统包括用于驱动信号的电源和反馈控制器。反馈控制器具有对应于与至少一个冷却元件的谐振状态接近度的反馈信号。驱动系统被配置为基于反馈信号调整频率和/或输入电压，使得频率和输入电压对应于(一个或多个)冷却元件的谐振状态。该频率可以是(一个或多个)冷却元件的结构谐振频率和/或有源mems冷却系统的声学谐振频率。输入电压不小于冷却元件的最小期望操作电压，并且不超过冷却元件的最大安全操作电压。在一些实施例中，驱动系统被配置为将输入电压调整为冷却元件的最大安全操作电压。在一些实施例中，(一个或多个)冷却元件包括具有(一个或多个)极化方向的(一个或多个)压电体。驱动系统被配置为偏置驱动信号以自偏置(一个或多个)压电体，从而具有(一个或多个)极化方向。
25.为了调整频率以对应于谐振状态，驱动系统可以被配置为调整频率以对应于由有源mems冷却系统抽取并被有源mems冷却系统用来振动(一个或多个)冷却元件的功率被最大化。反馈控制器可以监测(一个或多个)冷却元件处的(一个或多个)电压。在这样的实施例中，驱动系统被配置为调整频率以对应于跨(一个或多个)冷却元件的最小电压。
26.反馈控制器可以监测其他和/或附加的特性。例如，反馈控制器可以监测电源输出的功率、电源输出的峰值电流、电源输出的峰间电流、电源输出的峰值电压、电源输出的平均电流、电源输出的均方根(rms)电流、电源输出的平均电压、冷却元件的位移幅度、通过(一个或多个)冷却元件的峰值电流、通过至少一个冷却元件的rms电流、(一个或多个)冷却元件处的峰值电压、通过(一个或多个)冷却元件的平均电流和/或(一个或多个)冷却元件处的平均电压。
27.在一些实施例中，该系统还包括附加的有源mems冷却系统。附加的有源mems冷却系统包括至少一个附加的冷却元件，该冷却元件被配置为当被具有附加频率和附加输入电压的附加驱动信号驱动而振动时，将流体引向至少一个发热结构的附加表面。在这样的实施例中，驱动系统耦合到附加的有源mems冷却系统，并且被配置为提供附加驱动信号，调整附加的频率和附加的输入电压中的至少一个，使得附加的频率对应于(一个或多个)附加的冷却元件的附加的谐振状态，并且调整(一个或多个)附加的冷却元件的附加的输入电压，使得输入的附加电压不超过冷却元件的附加的最大安全操作电压。驱动系统进一步被配置为调整频率和附加频率，以变化该频率和附加频率之间的差异。在一些实施例中，附加表面与至少一个发热结构的表面相同。换句话说，该有源mems冷却系统和附加的有源mems冷却系统都可以驱动流体流向同一表面和/或同一表面的不同部分。
28.还描述了一种具有包括多个瓦片和驱动系统的有源mems冷却系统的系统。每个瓦
片包括(一个或多个)mems喷口，该mems喷口被配置为当被具有频率和输入电压的驱动信号驱动时，将流体导向(一个或多个)发热结构的表面。驱动系统耦合到瓦片，并向每个瓦片提供驱动信号。该驱动系统包括用于驱动信号的(一个或多个)电源和反馈控制器，该反馈控制器具有对应于与每个瓦片的(一个或多个)mems喷口的谐振状态接近度的反馈信号。驱动系统被配置为基于反馈信号调整频率和输入电压中的至少一个，使得频率和输入电压对应于(一个或多个)mems喷口的谐振状态，并且被配置为为(一个或多个)mems喷口提供输入电压，使得输入电压不超过每个瓦片的最大安全操作电压。
29.在一些实施例中，驱动系统被配置为向多个瓦片中的每一个提供瓦片特定的频率。瓦片特定的频率可以使得每个瓦片的输入电压是每个瓦片的最大安全操作电压。驱动系统可以进一步被配置为调整多个瓦片中的每一个的频率，使得多个瓦片中的第一瓦片的第一频率和多个瓦片中的第二瓦片的第二频率之间的差异变化。
30.描述了一种用于驱动有源mems冷却系统的方法。有源mems冷却系统包括(一个或多个)冷却元件，该冷却元件被配置为当被具有频率和输入电压的驱动信号驱动而振动时，将流体引向(一个或多个)发热结构的表面。该方法包括向有源mems冷却系统提供驱动信号。提供驱动信号包括使用冷却元件的输入电压，使得输入电压不超过(一个或多个)冷却元件的最大安全操作电压。(一个或多个)冷却元件可以包括具有(一个或多个)极化方向的(一个或多个)压电体。在这样的实施例中，提供驱动信号可以进一步包括偏置驱动信号，使得(一个或多个)冷却元件被自偏置以具有(一个或多个)极化方向。该方法还包括监测有源mems冷却系统的(一个或多个)特性，以提供对应于与有源mems冷却系统的谐振状态接近度的反馈信号。基于反馈信号调整频率和/或输入电压，使得频率和输入电压对应于有源mems冷却系统的谐振状态。在一些实施例中，调整频率进一步包括调整频率以对应于如下各项中的至少一个：由有源mems冷却系统抽取并由有源mems冷却系统用来振动(一个或多个)冷却元件的功率被最大化；(一个或多个)冷却元件处的电压对于输入电压被最小化；和/或由至少一个冷却元件抽取的电流的峰间幅度对于输入电压被最小化。在一些实施例中，调整频率包括确定反馈信号是否指示(一个或多个)冷却元件的谐振状态的漂移超过阈值，并且响应于漂移超过阈值的确定来标识新频率。新频率对应于谐振状态的漂移。该方法还包括响应于新频率被标识，将新频率设置为驱动信号的频率。
31.在一些实施例中，该方法还使用扫描来标识频率。特别地，在初始频率的第一范围内的频率下，使用有源mems冷却系统的驱动信号的频率扫描来标识第一频率。扫描使用小于输入电压的初始电压。在这样的实施例中，该方法还包括在包括驱动信号的第一频率的第二范围中的第二多个频率下，使用有源mems冷却系统的微调扫描来标识频率。第二范围小于第一范围。输入电压可以被设置为冷却元件在该频率下的最大安全操作电压。
32.该方法还可以包括向附加的mems冷却系统提供附加驱动信号。附加的mems冷却系统包括(一个或多个)附加的冷却元件，该附加的冷却元件被配置为当被具有附加频率的附加驱动信号驱动而振动时，将流体引向(一个或多个)发热结构的附加表面。在这样的实施例中，提供该驱动信号和/或提供附加驱动信号包括改变频率和/或附加频率以变化该频率和附加频率之间的差异。
33.图1a-1f是描绘了可与发热结构102一起使用并包括中央锚定冷却元件120或120’的有源mems冷却系统100的示例性实施例的图。冷却元件120在图1a-1e中示出，并且冷却元
件120’在图1f中示出。为了清楚起见，仅示出了某些组件。图1a-1f不是按比例的。尽管示为对称的，但是冷却系统100不需要是对称的。
34.冷却系统100包括其中具有通风口112的顶板110、冷却元件120、其中具有孔口132的孔口板130、支撑结构(或“锚”)160以及其中形成的腔室140和150(统称为腔室140/150)。冷却元件120在其中心区域由锚160支撑。冷却元件120的更靠近并包括冷却元件周边部分(例如末端121)的区域在被致动时振动。在一些实施例中，冷却元件120的末端121包括离锚160最远的周边部分，并且在冷却元件120的致动期间经历最大的偏转。为了清楚起见，在图1a中仅标记了冷却元件120的一个末端121。
35.图1a描绘了处于中间位置的冷却系统100。因此，冷却元件120示为基本平坦的。对于同相操作，冷却元件120被驱动在图1b和1c中所示的位置之间振动。该振动运动以高速和/或高流速将流体(例如空气)抽取到通风口112，通过腔室140和150，并从孔口132出去。例如，流体冲击发热结构102的速度可以是至少每秒三十米。在一些实施例中，流体被冷却元件120以至少每秒四十五米的速度驱向发热结构102。在一些实施例中，流体被冷却元件120以至少每秒六十米的速度驱向发热结构102。在一些实施例中，其他速度可以是可能的。冷却系统100还被配置为使得很少或没有流体通过冷却元件120的振动运动经由孔口132被抽回到腔室140/150中。
36.期望发热结构102被冷却系统100冷却。在一些实施例中，发热结构102生成热量。例如，发热结构可以是集成电路。在一些实施例中，期望发热结构102被冷却，但自身不生成热量。发热结构102可以传导热量(例如，来自附近生成热量的物体)。例如，发热结构102可以是散热器或蒸汽室。因此，发热结构102可以包括(一个或多个)半导体组件，其包括单独的集成电路组件，诸如处理器、(一个或多个)其他集成电路和/或(一个或多个)芯片封装；(一个或多个)传感器；(一个或多个)光学设备；一个或多个电池；诸如计算设备的电子设备的(一个或多个)其他组件；散热器；热管；期望冷却的(一个或多个)其他电子组件和/或(一个或多个)其他设备。在一些实施例中，发热结构102可以是包含冷却系统100的模块的导热部分。例如，冷却系统100可以固定到发热结构102，发热结构102可以耦合到另一个散热片、蒸汽室、集成电路或期望冷却的其他单独的结构。
37.其中期望使用冷却系统100的设备也可能具有放置冷却系统的有限空间。例如，冷却系统100可以用在计算设备中。这样的计算设备可以包括但不限于智能电话、平板计算机、膝上型计算机、平板设备、二合一膝上型计算机、手持游戏系统、数码相机、虚拟现实耳机、增强现实耳机、混合现实耳机和其他薄的设备。冷却系统100可以是微电子机械系统(mems)冷却系统，其能够驻留在移动计算设备和/或在至少一个维度上具有有限空间的其他设备内。例如，冷却系统100的总高度(从发热结构102的顶部到顶板110的顶部)可以小于2毫米。在一些实施例中，冷却系统100的总高度不超过1.5毫米。在一些实施例中，该总高度不超过1.1毫米。在一些实施例中，总高度不超过一毫米。在一些实施例中，总高度不超过二百五十微米。类似地，孔口板130的底部和发热结构102的顶部之间的距离y可以很小。在一些实施例中，y为至少两百微米且不超过1.2毫米。例如，y可以是至少二百五十微米且不超过三百微米。在一些实施例中，y至少为五百微米且不超过一毫米。在一些实施例中，y为至少两百微米且不超过三百微米。因此，冷却系统100可用于计算设备和/或在至少一个维度上具有有限空间的其他设备中。然而，没有什么妨碍冷却系统100在对空间具有较少限制的
设备中的使用和/或用于除冷却以外的目的。尽管示出了一个冷却系统100(例如，一个冷却单元)，但是多个冷却系统100可以与发热结构102结合使用。例如，可以利用一维或二维阵列的冷却单元。
38.冷却系统100与用于冷却发热结构102的流体连通。流体可以是气体或液体。例如，流体可以是空气。在一些实施例中，流体包括来自冷却系统100所驻留在的设备外部的流体(例如，通过设备中的外部通风口提供)。在一些实施例中，流体在冷却系统所驻留在的设备内循环(例如，在封围的设备中)。
39.可以认为冷却元件120将有源mems冷却系统100的内部分成顶部腔室140和底部腔室150。顶部腔室140由冷却元件120、侧面和顶板110形成。底部腔室150由孔口板130、侧面、冷却元件120和锚160形成。顶部腔室140和底部腔室150在冷却元件120的外围连接，并且一起形成腔室140/150(例如冷却系统100的内部腔室)。
40.顶部腔室140的大小和配置可以是电池(冷却系统100)尺寸、冷却元件120运动和操作频率的函数。顶部腔室140具有高度h1。可以选择顶部腔室140的高度，以提供足够的压力来驱动流体以期望的流速和/或速度到达底部腔室150并通过孔口132。顶部腔室140也足够高，使冷却元件120在致动时不会接触顶板110。在一些实施例中，顶部腔室140的高度至少为五十微米且不超过五百微米。在一些实施例中，顶部腔室140具有至少两百微米且不超过三百微米的高度。
41.底部腔室150具有高度h2。在一些实施例中，底部腔室150的高度足以容纳冷却元件120的运动。因此，在正常操作期间，冷却元件120没有任何部分接触孔口板130。底部腔室150一般小于顶部腔室140，并且可以有助于减少流体回流到孔口132中。在一些实施例中，底部腔室150的高度是冷却元件120的最大偏转加上至少五微米且不超过十微米。在一些实施例中，冷却元件120的偏转(例如，末端121的偏转)z具有至少十微米且不超过一百微米的幅度。在一些这样的实施例中，冷却元件120的偏转幅度至少为十微米且不超过六十微米。然而，冷却元件120的偏转幅度取决于诸如通过冷却系统100的期望流速和冷却系统100的配置之类的因素。因此，底部腔室150的高度一般取决于通过的流速和冷却系统100的其他组件。
42.顶板110包括通风口112，流体可以通过通风口112被抽取到冷却系统100中。顶部通风口112可以具有基于腔室140中期望的声压选择的大小。例如，在一些实施例中，通风口112的宽度w至少为五百微米且不超过一千微米。在一些实施例中，通风口112的宽度至少为二百五十微米且不超过二千微米。在所示的实施例中，通风口112是顶板110中的中央定位的孔。在其他实施例中，通风口112可以位于其他地方。例如，通风口112可以更靠近顶板110的一个边缘。通风口112可以具有圆形、矩形或其他形状的占用区。尽管示出了单个通风口112，但是可以使用多个通风口。例如，通风口可以朝向顶部腔室140的边缘偏移，或者位于顶部腔室140的(一个或多个)侧面。尽管顶板110被示为基本平坦，但是在一些实施例中，可以在顶板110中提供沟槽和/或其他结构，以修改顶部腔室140和/或顶板110上方的区域的配置。
43.锚(支撑结构)160在冷却元件120的中心部分处支撑冷却元件120。因此，冷却元件120的周边的至少一部分未被销住并自由振动。在一些实施例中，锚160沿着冷却元件120的中心轴线延伸(例如，垂直于图1a-1e中的页面)。在这样的实施例中，冷却元件120的振动部
分(例如，包括末端121)以悬臂方式移动。因此，冷却元件120的部分可以以类似于蝴蝶翅膀(即同相)和/或类似于跷跷板(即异相)的方式移动。因此，冷却元件120以悬臂方式振动的部分在一些实施例中同相振动，而在其他实施例中异相振动。在一些实施例中，锚160不沿着冷却元件120的轴线延伸。在这样的实施例中，冷却元件120的周边的所有部分都可以自由振动(例如，类似于水母)。在所示的实施例中，锚160从冷却元件120的底部支撑冷却元件120。在其他实施例中，锚160可以以另一种方式支撑冷却元件120。例如，锚160可以从顶部支撑冷却元件120(例如，冷却元件120从锚160悬挂)。在一些实施例中，锚160的宽度a至少为0.5毫米且不超过四毫米。在一些实施例中，锚160的宽度至少为二毫米且不超过2.5毫米。锚160可以占据冷却元件120的至少百分之十并且不超过百分之五十。
44.冷却元件120具有远离发热结构102的第一侧和靠近发热结构102的第二侧。在图1a-1e中所示的实施例中，冷却元件120的第一侧是冷却元件120的顶部(更靠近顶板110)，并且第二侧是冷却元件120的底部(更靠近孔口板130)。致动冷却元件120以经历振动运动，如图1a-1e中所示。冷却元件120的振动运动将流体从远离发热结构102的冷却元件120的第一侧(例如，从顶部腔室140)驱动至靠近发热结构102的冷却元件120的第二侧(例如，至底部腔室150)。冷却元件120的振动运动也通过通风口112将流体抽取到顶部腔室140中；迫使流体从顶部腔室140流向底部腔室150；并驱动流体从底部腔室150通过孔口板130的孔口132。因此，冷却元件120可以被视为致动器。尽管在单个连续冷却元件的上下文中进行了描述，但是在一些实施例中，冷却元件120可以由两个(或更多个)冷却元件形成。每个冷却元件的一部分被销住(例如，由支撑结构160支撑)，并且相对部分未被销住。因此，单个中央支撑的冷却元件120可以由在边缘处支撑的多个冷却元件的组合形成。
45.冷却元件120具有长度l，该长度l取决于冷却元件120期望振动的频率。在一些实施例中，冷却元件120的长度至少为四毫米且不超过十毫米。在一些这样的实施例中，冷却元件120具有至少六毫米且不超过八毫米的长度。冷却元件120的深度(例如，垂直于图1a-1e中所示的平面)可以从l的四分之一到l的两倍变化。例如，冷却元件120可以具有与长度相同的深度。冷却元件120的厚度t可以基于冷却元件120的配置和/或冷却元件120期望被致动的频率而变化。在一些实施例中，对于具有八毫米长度并以至少二十千赫且不超过二十五千赫的频率驱动的冷却元件120，冷却元件的厚度为至少两百微米且不超过三百五十微米。腔室140/150的长度c接近冷却元件120的长度l。例如，在一些实施例中，冷却元件120的边缘和腔室140/150的壁之间的距离d为至少一百微米且不超过五百微米。在一些实施例中，d为至少两百微米且不超过三百微米。
46.冷却元件120可以处于或靠近顶部腔室140中的流体的压力波的声学谐振的谐振频率和冷却元件120的结构谐振的谐振频率两者的频率下被驱动。经历振动运动的冷却元件120的部分在或靠近冷却元件120的谐振(“结构谐振”)下被驱动。在一些实施例中，经历振动的冷却元件120的这部分可以是悬臂区段。结构谐振的振动频率称为结构谐振频率。在驱动冷却元件120中使用结构谐振频率降低了冷却系统100的功耗。冷却元件120和顶部腔室140也可以被配置为使得该结构谐振频率对应于被驱动通过顶部腔室140的流体中的压力波的谐振(顶部腔室140的声学谐振)。这样的压力波的频率被称为声学谐振频率。在声学谐振时，压力波节出现在通风口112附近，并且压力波腹出现在冷却系统100的外围附近(例如，冷却元件120的末端121附近以及顶部腔室140和底部腔室150之间的连接附近)。这两个
区域之间的距离是c/2。因此，c/2＝nλ/4，其中λ是流体的声学波长，并且n是奇数(例如，n＝1、3、5等)。对于最低阶模式，c＝λ/2。因为腔室140的长度(例如c)接近冷却元件120的长度，在一些实施例中，l/2＝nλ/4也近似成立，其中λ是流体的声学波长，并且n是奇数。因此，驱动冷却元件120的频率v处于或靠近冷却元件120的结构谐振频率。该频率v也处于或靠近至少顶部腔室140的声学谐振频率。顶部腔室140的声学谐振频率一般随着诸如温度和大小之类的参数变化不如随冷却元件120的结构谐振频率那么剧烈。因此，在一些实施例中，与声学谐振频率相比，冷却元件120可以在结构谐振频率下(或更接近于结构谐振频率)被驱动。
47.孔口板130在其中具有孔口132。尽管示出了孔口132的特定数量和分布，但是可以使用另一数量和/或另一分布。单个孔口板130用于单个冷却系统100。在其他实施例中，多个冷却系统100可以共享孔口板。例如，可以以期望的配置一起提供多个单元100。在这样的实施例中，单元100可以是相同的大小和配置或者(一种或多种)不同的大小和/或配置。孔口132示为具有正交于发热结构102表面定向的轴线。在其他实施例中，一个或多个孔口132的轴线可以处于另一角度。例如，轴线的角度可以从基本零度和非零锐角中选择。孔口132还具有基本平行于孔口板130表面法线的侧壁。在一些实施例中，孔口可以具有与孔口板130的表面的法线成非零角度的侧壁。例如，孔口132可以是锥形的。此外，尽管孔口位置130被示出为基本平坦的，但是在一些实施例中，可以在孔口板130中提供沟槽和/或其他结构，以修改底部腔室150和/或孔口板130与发热结构102之间的区域的配置。
48.选择孔口132的大小、分布和位置，以控制被驱动到发热结构102表面的流体的流速。孔口132的位置和配置可以被配置为增加/最大化从底部腔室150通过孔口132到喷射通道(孔口板130的底部和发热结构102的顶部之间的区域)的流体流。还可以选择孔口132的位置和配置，以减少/最小化从喷射通道通过孔口132的吸力流(例如回流)。例如，期望孔口的位置离末端121足够远，使得冷却元件120的上行冲程(末端121远离孔口板13移动)中的吸力减少，该吸力将通过孔口132将流体吸入底部腔室150中。还期望孔口的位置足够靠近末端121，使得冷却元件120的上行冲程中的吸力也允许来自顶部腔室140的较高压力将流体从顶部腔室140推入底部腔室150中。在一些实施例中，在上行冲程中，从顶部腔室140进入底部腔室150的流速与从喷射通道通过孔口132的流速的比率(“净流比率”)大于2：1。在一些实施例中，净流比率至少为85∶15。在一些实施例中，净流比率至少为90∶10。为了提供期望的压力、流速、吸力和净流比率，期望孔口132离冷却元件120的末端121至少距离r1，并且不大于距离r2。在一些实施例中，r1至少为一百微米(例如，r1≥100μm)，并且r2不超过一毫米(例如，r2≤1000μm)。在一些实施例中，孔口132离冷却元件120的末端121至少两百微米(例如，r1≥200μm)。在一些这样的实施例中，孔口132离冷却元件120的末端121至少三百微米(例如，r1≥300μm)。在一些实施例中，孔口132具有至少一百微米且不超过五百微米的宽度o。在一些实施例中，孔口132具有至少两百微米且不超过三百微米的宽度。在一些实施例中，孔口间距s至少为一百微米且不超过一毫米。在一些这样的实施例中，孔口间距至少为四百微米且不超过六百微米。在一些实施例中，还期望孔口132占据孔口板130面积的特定分数。例如，孔口132可以覆盖孔口板130的占用区的至少百分之五且不超过百分之十五，以便实现通过孔口132的流体的期望流速。在一些实施例中，孔口132覆盖孔口板130的占用区的至少百分之八且不超过百分之十二。
49.在一些实施例中，使用压电体致动冷却元件120。因此，冷却元件120可以是压电冷
却元件。冷却元件120可以由安装在冷却元件120上或集成在冷却元件120中的压电体驱动。在一些实施例中，冷却元件120以另一种方式驱动，包括但不限于在冷却系统100中的另一个结构上提供压电体。冷却元件120和类似的冷却元件在下文中被称为压电冷却元件，尽管有可能使用压电体之外的机构来驱动冷却元件。在一些实施例中，冷却元件120包括基底上的压电层。基底可以包括不锈钢、ni合金、哈氏合金、al(例如，al合金)和/或ti(例如，ti合金，诸如ti6al-4v)或由它们组成。在一些实施例中，压电层包括在基底上形成为薄膜的多个子层。在其他实施例中，压电层可以是附着到基底的主体层。这样的压电冷却元件120还包括用于激活压电体的电极。在一些实施例中，基底充当电极。在其他实施例中，底部电极可以提供在基底和压电层之间。压电冷却元件中可以包括其他层，包括但不限于种子层、覆盖层、钝化层或其他层。因此，冷却元件120可以使用压电致动。
50.在一些实施例中，冷却系统100包括烟囱(未示出)或其他管道。这样的管道为加热的流体提供了离开发热结构102的路径。在一些实施例中，管道将流体返回到顶板110远离发热结构102的一侧。在一些实施例中，管道可以替代地在平行于发热结构102的方向上或垂直于发热结构102但是在相反的方向上(例如，朝向页面的底部)引导流体远离发热结构102。对于在冷却系统100中使用设备外部的流体的设备，管道可以将加热的流体输送至通风口。在这样的实施例中，附加的流体可以从入口通风口提供。在其中设备被封围的实施例中，管道可以提供迂回路径回到靠近通风口112并远离发热结构102的区域。这样的路径允许流体在被重新用于冷却发热结构102之前散热。在其他实施例中，管道可以被省略或以其他方式配置。因此，允许流体从发热结构102带走热量。
51.冷却系统100的操作在图1a-1e的上下文中描述。尽管在特定压力、间隙大小和流动定时的上下文中进行了描述，但是冷却系统100的操作并不取决于本文的解释。图1b-1 c描绘了冷却系统100的同相操作。参考图1b，冷却元件120已经被致动，使得其末端121远离顶板110移动。因此，可以认为图1b描绘了冷却元件120的下行冲程的结束。由于冷却元件120的振动运动，底部腔室150的间隙152在大小方面已经减小，并且示为间隙152b。相反，顶部腔室140的间隙142在大小方面已经增加，并且显示为间隙142b。在下行冲程期间，当冷却元件120处于中间位置时，在外围产生较低(例如最小)的压力。随着向下冲程的继续，底部腔室150在大小方面减小，而顶部腔室140在大小方面增加，如图1b中所示。因此，流体在垂直于或接近垂直于孔口板130的表面和/或发热结构102的顶面的方向上被驱动出孔口132。流体以高速(例如超过每秒三十五米)从孔口132被驱向发热结构102。在一些实施例中，流体然后沿着发热结构102的表面并朝着发热结构102的外围行进，在那里压力低于孔口132附近的压力。同样在下行冲程中，顶部腔室140在大小方面增加，并且顶部腔室140中存在较低的压力。结果，流体通过通风口112被抽取到顶部腔室140中。流体进入通风口112、通过孔口132并沿着发热结构102的表面的运动在图1b中由未标记的箭头示出。
52.冷却元件120也被致动，使得末端121远离发热结构102并朝向顶板110移动。因此，图1c可以被认为描绘了冷却元件120的上行冲程的结束。由于冷却元件120的运动，间隙142在大小方面已经减小，并且示为间隙142c。间隙152在大小方面已经增加，并且示为间隙152c。在上行冲程期间，当冷却元件120处于中间位置时，在外围产生更高(例如最大)的压力。随着上行冲程的继续，底部腔室150在大小方面增加，并且顶部腔室140在大小方面减小，如图1c中所示。因此，流体从顶部腔室140(例如，腔室140/150的外围)被驱动至底部腔
室150。因此，当冷却元件120的末端121向上移动时，顶部腔室140用作喷嘴，用于使进入的流体加速并被驱向底部腔室150。流体进入底部腔室150的运动由图1c中未标记的箭头示出。选择冷却元件120和孔口132的位置和配置，以减少吸力，并因此减少在上行冲程期间流体从喷射通道(在发热结构102和孔口板130之间)回流到孔口132中。因此，冷却系统100能够将流体从顶部腔室140驱动到底部腔室150，而不会有来自进入底部腔室140的喷射通道的加热流体的过度量的回流。此外，冷却系统100可以操作使得在冷却元件120不接触顶板110或孔口板130的情况下，流体通过通风口112抽入并通过孔口132驱动出。因此，在腔室140和150内产生压力，其有效地打开和关闭通风口112和孔口132，使得流体被驱动通过冷却系统100，如本文所述。
53.重复图1b和1c中所示位置之间的运动。因此，冷却元件120经历图1a-1c中所指示的振动运动，将流体从顶板110的远侧通过通风口112抽取到顶部腔室140中；将流体从顶部腔室140传递到底部腔室150；并且推动流体通过孔口132并流向发热结构102。如上所讨论的，冷却元件120被驱动以在或靠近冷却元件120的结构谐振频率下振动。此外，冷却元件120的结构谐振频率被配置为与腔室140/150的声学谐振一致。结构和声学谐振频率一般选择在超声波范围内。例如，冷却元件120的振动运动可以处于从15khz到30khz的频率下。在一些实施例中，冷却元件120在至少20khz且不超过30khz的一个频率/多个频率下振动。冷却元件120的结构谐振频率在冷却系统100的声学谐振频率的百分之十以内。在一些实施例中，冷却元件120的结构谐振频率在冷却系统100的声学谐振频率的百分之五以内。在一些实施例中，冷却元件120的结构谐振频率在冷却系统100的声学谐振频率的百分之三以内。因此，可以增强效率和流速。然而，可以使用其他频率。
54.被驱向发热结构102的流体可以基本上正交于(垂直于)发热结构102的顶面移动。在一些实施例中，流体运动可以相对于发热结构102顶面的法线具有非零锐角。在任一情况下，流体可能在发热结构102处的流体边界层中变薄和/或形成孔。结果，可以改进来自发热结构102的热量传递。流体偏离发热结构102，从而沿着发热结构102的表面行进。在一些实施例中，流体在基本平行于发热结构102顶部的方向上移动。因此，来自发热结构102的热量可以被流体提取。流体可以在冷却系统100的边缘处离开孔口板130和发热结构102之间的区域。冷却系统100边缘处的烟囱或其他管道(未示出)允许流体从发热结构102被带走。在其他实施例中，加热的流体可以以另一种方式从发热结构102进一步传递。流体可以交换从发热结构102传递到另一个结构或周围环境的热量。因此，顶板110的远侧的流体可以保持相对较冷，从而允许附加的热量提取。在一些实施例中，流体被循环，在冷却后返回到顶板110的远侧。在其他实施例中，加热的流体被带走，并在冷却元件120的远侧被新的流体代替。结果，发热结构102可以被冷却。
55.图1d-1e描绘了有源mems冷却系统100的实施例，其包括中央锚定的冷却元件120，其中冷却元件被异相驱动。更具体地，冷却元件120在锚160的相对侧上(并且因此在由锚160支撑的冷却元件120的中心区域的相对侧上)的区段被驱动异相振动。在一些实施例中，冷却元件120在锚160的相对侧上的区段以一百八十度或接近一百八十度的异相被驱动。因此，冷却元件120的一个区段朝向顶板110振动，而冷却元件120的另一区段朝向孔口板130/发热结构102振动。冷却元件120朝向顶板110的区段的移动(上行冲程)驱动顶部腔室140中的流体到锚160该侧的底部腔室150。冷却元件120朝向孔口板130的区段的移动驱动流体通
过孔口132并朝向发热结构102。因此，以高速(例如，相对于同相操作描述的速度)行进的流体被交替地驱动出锚160的相对侧上的孔口132。因为流体被以高速驱动通过孔口132，所以冷却系统100可以被视为mems喷口。流体的移动由图1d和1e中未标记的箭头示出。重复图1d和1e中所示位置之间的运动。因此，冷却元件120经历图1a、1d和1e中所指示的振动运动，交替地将流体从顶板110的远侧通过通风112抽取到冷却元件120每一侧的顶部腔室140中；将流体从顶部腔室140的每一侧传递到底部腔室150的对应一侧；并且推动流体通过锚160每一侧上的孔口132并朝向发热结构102。如上所讨论的，冷却元件120被驱动以在冷却元件120的结构谐振频率下或接近结构谐振频率下振动。此外，冷却元件120的结构谐振频率被配置为与腔室140/150的声学谐振一致。结构和声学谐振频率一般选择在超声波范围内。例如，冷却元件120的振动运动可以是针对同相振动所描述的频率。冷却元件120的结构谐振频率在冷却系统100的声学谐振频率的百分之十以内。在一些实施例中，冷却元件120的结构谐振频率在冷却系统100的声学谐振频率的百分之五以内。在一些实施例中，冷却元件120的结构谐振频率在冷却系统100的声学谐振频率的百分之三以内。因此，可以增强效率和流速。然而，可以使用其他频率。
56.被驱向发热结构102以进行异相振动的流体可以以类似于上面针对同相操作描述的方式基本上正交于(垂直于)发热结构102的顶面移动。类似地，冷却系统100边缘处的烟囱或其他管道(未示出)允许流体从发热结构102带走。在其他实施例中，加热流体可以以另一种方式从发热结构102进一步传递。流体可以交换从发热结构102传递到另一个结构或周围环境的热量。因此，顶板110的远侧的流体可以保持相对较冷，从而允许附加的热量提取。在一些实施例中，流体被循环，在冷却后返回到顶板110的远侧。在其他实施例中，加热流体被带走，并在冷却元件120的远侧被新的流体代替。结果，发热结构102可以被冷却。
57.尽管在图1a-1e中在均匀冷却元件的上下文中示出，但是冷却系统100可以利用具有不同形状的冷却元件。图1f描绘了工程设计的冷却元件120’的实施例，该冷却元件120’具有定制的几何形状并且可用于冷却系统、诸如冷却系统100中。冷却元件120’包括锚定区域122和悬臂123。锚定区域122由锚160支撑在冷却系统100中(例如，保持在适当位置)。悬臂123响应于冷却元件120’被致动而经历振动运动。每个悬臂123包括阶梯区域124、延伸区域126和外部区域128。在图1f中所示的实施例中，锚定区域122中央定位。阶梯区域124从锚定区域122向外延伸。延伸区域126从阶梯区域124向外延伸。外部区域128从延伸区域126向外延伸。在其他实施例中，锚定区域122可以在致动器的一个边缘处，并且外部区域128在相对的边缘处。在这样的实施例中，致动器是边缘锚定的。
58.延伸区域126具有的厚度(延伸厚度)小于阶梯区域124的厚度(阶梯厚度)并且小于外部区域128的厚度(外部厚度)。因此，延伸区域126可以被视为凹陷的。延伸区域126也可以被视为提供了更大的底部腔室150。在一些实施例中，外部区域128的外部厚度与阶梯区域124的阶梯厚度相同。在一些实施例中，外部区域128的外部厚度不同于阶梯区域124的阶梯厚度。在一些实施例中，外部区域128和阶梯区域124各自具有至少三百二十微米且不超过三百六十微米的厚度。在一些实施例中，外部厚度比延伸厚度厚至少五十微米且不超过两百微米。换句话说，阶梯(阶梯厚度和延伸厚度的差异)至少为五十微米且不超过两百微米。在一些实施例中，外部阶梯(外部厚度和延伸厚度的差异)至少为五十微米且不超过两百微米。外部区域128可以具有至少一百微米且不超过三百微米的宽度o。在一些实施例
中，延伸区域具有从阶梯区域向外延伸的至少0.5毫米且不超过1.5毫米的长度e。在一些实施例中，外部区域128在远离锚定区域122的方向上比延伸区域126具有更高的单位长度质量。该质量差异可能是由于外部区域128的较大大小、冷却元件120的各部分之间的密度差异和/或另一种机制。
59.工程设计的冷却元件120’的使用可以进一步改进冷却系统100的效率。延伸区域126比阶梯区域124和外部区域128薄。这导致对应于延伸区域126的冷却元件1201底部的空腔。该空腔的存在有助于改进冷却系统100的效率。每个悬臂123在上行冲程中朝向顶板110振动，并且在下行冲程中远离顶板110振动。当悬臂123朝向顶板110移动时，顶部腔室140中的较高压力流体阻止悬臂123的运动。此外，在上行冲程期间，底部腔室150中的吸力也阻止悬臂123的向上运动。在悬臂123的下行冲程中，底部腔室150中增加的压力和顶部腔室140中的吸力阻止悬臂123的向下运动。然而，悬臂123中对应于延伸区域126的空腔的存在减轻了上行冲程期间底部腔室150中的吸力。在下行冲程期间，该空腔还减少了底部腔室150中的压力增加。因为吸力和压力增加的量值减小，因此悬臂123可以更容易地移动通过流体。这可以在基本上维持顶部腔室140中的较高压力的同时实现，该较高压力驱动流体流过冷却系统100。此外，外部区域128的存在可以改进悬臂123移动通过被驱动通过冷却系统100的流体的能力。外部区域128具有较高的单位长度质量，并且因此具有较高的动量。因此，外部区域128可以改进悬臂123移动通过被驱动通过冷却系统100的流体的能力。悬臂123的偏转量值也可以增加。通过使用较厚的阶梯区域124，可以在维持悬臂123的刚度的同时实现这些益处。此外，外部区域128的较大厚度可以有助于在下行冲程的底部处切断流动。因此，可以改进冷却元件120’提供防止通过孔口132回流的阀的能力。因此，可以改进采用冷却元件120’的冷却系统100的性能。
60.使用被致动用于冷却元件120和/或120’的同相振动或异相振动的冷却系统100，通过通风口112抽取进入并被驱动通过孔口132的流体可以高效地从发热结构102散热。因为流体以足够的速度(例如，至少每秒三十米)冲击发热结构，并且在一些实施例中基本上正交于发热结构，所以发热结构处的流体边界层可以变薄和/或部分移除。因此，发热结构102和移动流体之间的热量传递得到改进。因为发热结构被更高效地冷却，所以对应的集成电路可以以更高的速度和/或功率运行更长的时间。例如，如果发热结构对应于高速处理器，则这样的处理器在节流之前可以运行更长时间。因此，可以改进利用冷却系统100的设备的性能。此外，冷却系统100可以是mems设备。因此，冷却系统100可以适用于较小的和/或移动的设备中，诸如智能电话、其他移动电话、虚拟现实耳机、平板设备、二合一计算机、可穿戴设备和手持游戏，其中有限的空间是可用的。因此，可以改进这样的设备的性能。因为冷却元件120/120’可能在15khz或更高的频率下振动，因此用户可能听不到与冷却元件致动相关联的任何噪声。如果在结构和/或声学谐振频率或接近结构和/或声学谐振频率下被驱动，则用于操作冷却系统中的功率可以显著降低。在振动期间，冷却元件120/120’不与顶板110或孔口板130物理接触。因此，可以更容易地维持冷却元件120/120’的谐振。更具体地，冷却元件120/120’和其他结构之间的物理接触扰动冷却元件120/120’的谐振条件。扰动这些条件可能驱动冷却元件120/120’脱离谐振。因此，将需要使用附加的功率来维持冷却元件120/120’的致动。此外，由冷却元件120/120’驱动的流体流量可能减少。通过使用如上所讨论的压差和流体流避免这些问题。利用有限的附加功率可以实现改进的安静冷却的
益处。此外，冷却元件120/120’的异相振动允许冷却元件100的质心位置保持更稳定。尽管扭矩施加在冷却元件120/120’上，但是由于质心运动所致的力被减小或消除。结果，可以减少由于冷却元件120/120’的运动所致的振动。此外，冷却系统100的效率可以通过对冷却元件120/120’的两侧使用异相振动运动来改进。因此，可以改进并入冷却系统100的设备的性能。此外，冷却系统100可以可用于期望高流体流和/或速度的其他应用(例如，有或没有发热结构102)中。
61.图2a-2b描绘了类似于诸如冷却系统100的有源mems冷却系统的冷却系统200a和200b的实施例的平面图。图2a和2b不是按比例绘制的。为简单起见，仅分别示出了冷却元件220a和220b以及锚260a和260b的部分。冷却元件220a和220b类似于冷却元件120/120’。因此，用于冷却元件220a和/或220b的大小和/或材料可以类似于用于冷却元件120/120’的大小和/或材料。锚(支撑结构)260a和260b类似于锚160，并由虚线指示。
62.对于冷却元件220a和220b，锚260a和260b在中央定位，并分别沿着冷却元件220a和220b的中心轴线延伸。因此，被致动以振动的悬臂部分在锚260a和260b的右边和左边。在一些实施例中，(一个或多个)冷却元件220a和/或220b是连续结构，其中的两个部分被致动(例如，锚260a和260b外部的悬臂部分)。在一些实施例中，(一个或多个)冷却元件220a和/或220b包括单独的悬臂部分，每个悬臂部分分别附接到锚260a和260b，并被致动。冷却元件220a和220b的悬臂部分因此可以被配置为以类似于蝴蝶翅膀(同相)或跷跷板(异相)的方式振动。在图2a和2b中，l是冷却元件的长度，类似于图1a-1e中所描绘的。同样在图2a和2b中，指示了冷却元件220a和220b的深度p。
63.图2a-2b中的虚线还示出了压电体223。压电体223用于致动冷却元件220a和220b。在一些实施例中，压电体223可以位于另一个区域中和/或具有不同的配置。尽管在压电体的上下文中进行了描述，但是也可以利用用于致动冷却元件220a和220b的另一种机构。这样的其他机构可以在压电体223的位置处或者可以位于其他地方。在冷却元件220a中，压电体223可以固定到悬臂部分或者可以集成到冷却元件220a中。此外，尽管压电体223在图2a和2b中被示为具有特定的形状和大小，但是也可以使用其他配置。
64.在图2a中所示的实施例中，锚260a延伸冷却元件220a的整个深度。因此，冷却元件220a的周边的一部分被销住。冷却元件220a周边的未被销住部分是经历振动运动的悬臂区段的一部分。在其他实施例中，锚不需要延伸中心轴线的整个长度。在这样的实施例中，冷却元件的整个周边是未被销住的。然而，这样的冷却元件仍然具有悬臂区段，该悬臂区段被配置为以本文描述的方式振动。例如，在图2b中，锚260b没有延伸到冷却元件220b的周边。因此，冷却元件220b的周边未被销住。然而，锚260b仍然沿着冷却元件220b的中心轴线延伸。冷却元件220b仍然被致动，使得悬臂部分振动(例如，类似于蝴蝶的翅膀)。
65.尽管冷却元件220a被描绘为矩形，但是冷却元件可以具有另一形状。在一些实施例中，冷却元件220a的拐角可以是圆形的。图2b的冷却元件220b具有圆形悬臂部分。其他形状是可能的。在图2b中所示的实施例中，锚260b是中空的，并包括孔263。在一些实施例中，冷却元件220b在锚260b的区域中具有(一个或多个)孔。在一些实施例中，冷却元件220b包括多个部分，使得(一个或多个)孔存在于锚260b的区域中。结果，流体可以通过冷却元件220b和通过锚260b被抽取。因此，冷却元件220b可以用来代替顶板，诸如顶板110。在这样的实施例中，冷却元件220b中的孔和孔263可以以类似于通风口112的方式起作用。此外，尽管
冷却元件200a和200b被描绘为被支撑在中心区域中，但是在一些实施例中，冷却元件220a和/或220b的一个悬臂区段可以被省略。在这样的实施例中，冷却元件220a和/或220b可以被认为是被支撑或锚定在一个边缘处或其附近，而至少相对边缘的至少一部分自由经历振动运动。在一些这样的实施例中，冷却元件220a和/或220b可以包括经历振动运动的单个悬臂区段。
66.图3a-3b描绘了类似于诸如冷却系统100之类的有源mems冷却系统的冷却系统300a和300b的实施例的平面图。图3a和3b不是按比例的。为简单起见，仅分别示出了冷却元件320a和320b以及锚360a和360b。冷却元件320a和320b类似于冷却元件120/120’。因此，用于冷却元件320a和/或320b的大小和/或材料可以类似于用于冷却元件120/120’的大小和/或材料。锚360a和360b类似于锚160，并且由虚线指示。
67.对于冷却元件320a和320b，锚360a和360b分别被限于冷却元件320a和320b的中心区域。因此，锚360a和360b周围的区域经历振动运动。冷却元件320a和320b因此可以被配置为以类似于水母或类似于伞的打开/关闭的方式振动。在一些实施例中，冷却元件320a和320b的整个周边同相振动(例如，一起向上或向下移动)。在其他实施例中，冷却元件320a和320b的周边部分异相振动。在图3a和3b中，l是冷却元件的长度(例如直径)，类似于图1a-1e中所描绘的那样。尽管冷却元件320a和320b被描绘为圆形，但是冷却元件可以具有另一形状。此外，压电(图3a-3b中未示出)和/或其他机构可以用于驱动冷却元件320a和320b的振动运动。
68.在图3b中所示的实施例中，锚360b是中空的并且具有孔363。在一些实施例中，冷却元件320b在锚360b的区域中具有(一个或多个)孔。在一些实施例中，冷却元件320b包括多个部分，使得(一个或多个)孔存在于锚360b的区域中。结果，流体可以通过冷却元件320b和通过锚360b被抽取。流体可以通过孔363离开。因此，冷却元件320b可以用来代替顶板，诸如顶板110。在这样的实施例中，冷却元件320b中的孔和孔363可以以类似于通风口112的方式起作用。
69.诸如冷却系统100的冷却系统可以利用(一个或多个)冷却元件220a、220b、320a、320b和/或类似的冷却元件。这样的冷却系统也可以共享冷却系统100的益处。使用(一个或多个)冷却元件220a、220b、320a、320b和/或类似冷却元件的冷却系统可以更高效地将流体以高速驱向发热结构。因此，改进发热结构和移动流体之间的热量传递。因为发热结构被更高效地冷却，所以对应的设备可以表现出改进的操作，诸如以更高的速度和/或功率运行更长的时间。采用(一个或多个)冷却元件220a、220b、320a、320b和/或类似冷却元件的冷却系统可以适用于在有限空间可用的较小和/或移动设备中使用。因此，可以改进这样的设备的性能。因为(一个或多个)冷却元件220a、220b、320a、320b和/或类似的冷却元件可以在15khz或更高的频率下振动，因此用户可能听不到与冷却元件致动相关联的任何噪声。如果在或靠近(一个或多个)冷却元件220a、220b、320a、320b和/或类似冷却元件的声学和/或结构谐振频率下被驱动，则操作冷却系统中使用的功率可以显著降低。在使用期间，(一个或多个)冷却元件220a、220b、320a、320b和/或类似的冷却元件可以不物理接触板，从而允许更容易地维持谐振。利用有限的附加功率可以实现改进的安静冷却的益处。因此，可以改进并入(一个或多个)冷却元件220a、220b、320a、320b和/或类似冷却元件的设备的性能。
70.图4a-4b描绘了包括顶部中央锚定冷却元件的有源mems冷却系统400的实施例。图
4a描绘了中间位置中的冷却系统400的侧视图。图4b描绘了冷却系统400的俯视图。图4a-4b不是按比例的。为了简单起见，仅示出了冷却系统400的部分。参考图4a-10b，冷却系统400类似于冷却系统100。因此，相似的组件具有相似的标号。例如，冷却系统400与类似于发热结构102的发热结构402结合使用。
71.冷却系统400包括具有通风口412的顶板410、具有末端421的冷却元件420、包括孔口432的孔口板430、具有间隙的顶部腔室440、具有间隙的底部腔室450、流动腔室440/450和锚(即支撑结构)460，它们分别类似于具有通风口112的顶板110、具有末端121的冷却元件120、包括孔口132的孔口板130、具有间隙142的顶部腔室140、具有间隙152的底部腔室150、流动腔室140/150和锚(即支撑结构)160。因此，冷却元件420由锚460中心支撑，使得冷却元件420的周边的至少一部分自由振动。在一些实施例中，锚460沿着冷却元件420的轴线延伸(例如，以类似于锚260a和/或260b的方式)。在其他实施例中，锚460仅靠近冷却元件420的中心部分(例如，类似于锚460c和/或460d)。尽管在图4a和4b中没有明确标出，冷却元件420包括锚定区域和悬臂，悬臂包括类似于冷却元件120’的锚定区域122、悬臂123、阶梯区域124、延伸区域126和外部区域128的阶梯区域、延伸区域和外部区域。在一些实施例中，冷却元件420的悬臂被同相驱动。在一些实施例中，冷却元件420的悬臂被异相驱动。在一些实施例中，可以使用简单的冷却元件，诸如冷却元件120。
72.锚460从上方支撑冷却元件420。因此，从锚460悬挂冷却元件420。从顶板410悬挂锚460。顶板410包括通风口413。锚460侧面上的通风口412为流体流入腔室440的侧面提供了路径。
73.如上面关于冷却系统100所讨论的，冷却元件420可以被驱动在或靠近冷却元件420的结构谐振频率下振动。此外，冷却元件420的结构谐振频率可以被配置为与腔室440/1050的声学谐振一致。结构和声学谐振频率一般选择在超声波范围内。例如，冷却元件420的振动运动可以在相对于冷却系统100描述的频率下。因此，可以增强效率和流速。然而，可以使用其他频率。
74.冷却系统400以类似于冷却系统100的方式操作。冷却系统400因此共享冷却系统100的益处。因此，可以改进采用冷却系统400的设备的性能。此外，从锚460悬挂冷却元件420可以进一步增强性能。特别地，可以减少冷却系统400中可能影响其他冷却单元(未示出)的振动。例如，可以在顶板410中引发由于冷却元件420的运动所致的更少振动。因此，可以减少冷却系统400和其他冷却系统(例如，其他单元)或并入冷却系统400的设备的其他部分之间的串扰。因此，可以进一步增强性能。
75.图5a-5e描绘了有源mems冷却系统500的实施例，其包括被配置成称为瓦片或阵列的模块的多个冷却单元。图5a描绘了透视图，而图5b-5e描绘了侧视图。图5a-5e不是按比例的。冷却系统500包括四个冷却单元501a、501b、501c和501d(统称或总体称为501)，它们类似于本文所述的一个或多个冷却系统。更具体地，冷却单元501类似于冷却系统100和/或400。瓦片500因此包括四个冷却单元501(即四个mems喷口)。尽管示出了以2
×
2配置的四个冷却单元501，但是在一些实施例中，可以采用另一数量和/或另一配置的冷却单元501。在所示的实施例中，冷却单元501包括具有孔512的共享顶板510、冷却元件520、包括孔口532的共享孔口板530、顶部腔室540、底部腔室550和锚(支撑结构)560，它们类似于具有孔112的顶板110、冷却元件120、具有孔口132的孔口板130、顶部腔室140、底部腔室150和锚160。
在一些实施例中，冷却单元501可以制造在一起，并且例如通过切穿顶板510、冷却单元501之间的侧壁和孔口板530来分离。因此，尽管在共享顶板510和共享孔口板530的上下文中进行了描述，但是在制造之后，冷却单元501可以被分离。在一些实施例中，翼片(未示出)和/或诸如锚560的其他结构可以连接冷却单元501。此外，在所示实施例中，瓦片500包括发热结构(下文称为散热器)502(例如散热片、散热器、集成电路或其他结构)，该发热结构也具有侧壁或围栏。还示出了盖板506。散热器502和盖板506可以是如所示的集成瓦片500的一部分，或者在其他实施例中可以与瓦片500分离。散热器502和盖板506可以引导冷却单元501外部的流体流，提供机械稳定性，和/或提供保护。经由柔性连接器580(图5b-5e中未示出)提供到冷却单元501的电连接，柔性连接器580可以容纳驱动电子器件585。冷却元件520被异相驱动(即以类似于跷跷板的方式)。此外，如从图5b-5c和图5d-5e中可以看出的，一个单元中的冷却元件520与(一个或多个)相邻单元中的(一个或多个)冷却元件520异相驱动。在图5b-5c中，一行中的冷却元件520被异相驱动。因此，单元501a中的冷却元件520与单元501b中的冷却元件520异相。类似地，单元501c中的冷却元件520与单元501d中的冷却元件520异相。在图5d-5e中，一列中的冷却元件520被异相驱动。因此，单元501a中的冷却元件520与单元501c中的冷却元件520异相。类似地，单元501b中的冷却元件520与单元501d中的冷却元件520异相。通过异相驱动冷却元件520，可以减少冷却系统500中的振动。
76.冷却系统500的冷却单元501以类似于(一个或多个)冷却系统100、400和/或类似冷却系统的方式起作用。因此，冷却系统500可以共享本文描述的益处。因为附近单元中的冷却元件被异相驱动，所以可以减少冷却系统500中的振动。因为使用了多个冷却单元501，所以冷却系统500可以享受增强的冷却能力。此外，多个单独的冷却单元501和/或冷却系统500可以以各种方式组合，以获得冷却单元的期望占用区。
77.图6a、6b、6c、6d和6e分别描绘了用于驱动包括频率控制的有源mems冷却系统的系统600a、600b、600c和600d的实施例。为了清楚起见，没有示出所有组件。
78.图6a描绘了包括驱动系统610和有源mems冷却系统650的系统600a。冷却系统600a可以用于改进计算设备的散热和功率管理。有源mems冷却系统可以是单个冷却单元，诸如(一个或多个)系统100、400和501，或者可以包括一个或多个具有多个冷却单元的瓦片，诸如瓦片500。因此，mems冷却系统650的大小、配置和操作类似于本文针对(一个或多个)系统100、400和/或500描述的那些。例如，有源mems冷却系统650包括冷却元件，这些冷却元件可以被中央锚定并被驱动以振动。冷却元件的振动可以将流体抽取到冷却单元中并通过孔口板中的孔口出去，从而形成mems喷口。
79.驱动系统610耦合到有源mems冷却系统650，并向有源mems冷却系统650提供(一个或多个)驱动信号。驱动系统610包括电源620和反馈控制器630。电源620可以包括交流(ac)或直流(dc)电源以及将来自这样的电源的功率转换成期望频率的输入驱动信号的机构。例如，电源620(以及因此驱动系统610)可以包括电源供应(或其他能量/电源)、方波发生器以及低通滤波器和/或带通滤波器。在这样的实施例中，方波发生器耦合到电源供应和反馈控制器630。低通滤波器和/或带通滤波器耦合到方波发生器和有源mems冷却系统650。在一些实施例中，低通滤波器包括电感器。低通滤波器可以用于对到冷却元件(或致动器)的输入信号进行整形，例如移除较高频率的谐波。因此，单一频率(或有限数量的频率)的正弦(或其它)波可以作为输入驱动信号提供给有源mems冷却系统650。在一些实施例中，电感器和
冷却元件可以被配置为重新捕获提供给冷却元件的一部分功率。在一些实施例中，驱动系统610用于驱动多个冷却元件和/或多个瓦片。例如，有源mems冷却系统650可以包括一个瓦片500或多个瓦片500。对于使用电源提供给多个单元和/或多个瓦片的驱动信号，到每个冷却元件的输入驱动信号可以在时间上交错，以便降低方波发生器中的峰值电流。此外，如关于图5a-5e所讨论的，可以使用电源和反馈控制器异相驱动瓦片内的冷却单元和/或瓦片之间的冷却单元。
80.驱动系统610向有源mems冷却系统650的冷却元件提供(一个或多个)驱动信号。在一些实施例中，多个冷却元件由驱动系统610驱动。可以针对每个元件单独确定和提供驱动信号的频率和输入电压。在这样的实施例中，驱动信号的频率可以被调整以对应于(一个或多个)冷却元件的谐振状态。在一些实施例中，提供给特定冷却单元的驱动信号的频率处于针对冷却单元的冷却元件的谐振频率的阈值(例如，百分之一、百分之二或百分之五)或在该阈值内。在一些实施例中，具有特定频率的驱动信号被提供给多个冷却元件(例如，多个冷却单元501)。例如，驱动系统610可以逐个瓦片地设置驱动信号的频率和输入电压。在这样的实施例中，驱动信号的频率对应于被驱动的冷却元件中的至少一个的谐振状态或者瓦片的有效谐振频率(即，多个冷却元件和/或多个冷却单元)。因此，对应于谐振状态的频率可以包括等于被驱动的冷却元件中的至少一个的谐振频率的频率、被驱动的(一个或多个)冷却元件/单元的谐振频率的平均值(中值或其他统计度量)，或者在被驱动的(一个或多个)冷却元件/单元的一个或多个谐振频率的某个阈值内。例如，该频率可以在被驱动的一个或多个冷却元件的谐振频率的百分之一、百分之二或百分之五之内。在一些实施例中，对应于谐振状态的频率包括作为被驱动的冷却元件的谐振频率的平均值、中值、均值(或其他统计度量)的频率。例如，该频率可以在被驱动的冷却元件的一个谐振频率/多个谐振频率平均值的百分之一、百分之二或百分之五之内。驱动(一个或多个)冷却元件的频率不需要等于任何单个冷却元件的谐振频率。因此，期望由相同驱动信号驱动的冷却元件具有相似(或相同)的谐振频率。在一些实施例中，对应于谐振状态的频率针对与处于谐振的(一个或多个)冷却元件相关的某个属性中的最小值(或最大值)而出现。例如，(一个或多个)冷却元件的特定(一个或多个)电压、(一个或多个)电流或它们的某种组合的最小值或最大值可以用于标识要驱动(一个或多个)冷却元件和/或(一个或多个)瓦片的一个或多个频率。例如，由有源mems冷却系统650抽取的实际用于驱动有源mems冷却系统650的冷却元件的最大功率和/或有源mems冷却系统650中的冷却元件的压电层处的最小电压可以用作有源mems冷却系统650中的冷却元件的谐振的指示器。如上文针对频率所指示的，在属性(例如，冷却元件处的电压)的最大值或最小值的阈值内可以用作谐振状态的代表。例如，为有源mems冷却系统650的驱动系统选择的频率可以是对应于有源mems冷却系统650的电压的频率，该电压对于特定的输入电压在有源mems冷却系统650处的最小电压的百分之一、百分之二或百分之五之内。在一些实施例中，谐振状态可以被认为提供了有源mems冷却系统650的最大功耗，以及降低的音频噪声。
81.反馈控制器630被配置为监测系统600a的一个或多个特性，例如使用反馈信号提供与有源mems冷却系统650的(一个或多个)特性相关的信息，并控制电源620。在一些实施例中，反馈控制器630调整由电源620提供的驱动信号的频率和/或输入电压。因此，使用反馈信号，驱动系统610控制提供给有源mems冷却系统650的驱动信号。例如，反馈控制器630
可以感测电源620的输出、有源mems冷却系统650处的(一个或多个)电压和/或(一个或多个)电流。反馈控制器630基于输出调整(例如，设置和更新)频率和/或输入电压。反馈控制器630可以被视为感测mems冷却系统650(和/或其中的(一个或多个)冷却元件)与谐振状态的接近度。基于来自反馈控制器630的反馈信号，驱动系统610可以调整由电源620提供的驱动信号的频率，使得该频率对应于(一个或多个)冷却元件的谐振状态。在一些实施例中，反馈控制器630因此包括用于感测感兴趣的特性的感测电路以及使用反馈信号来调整由电源620提供的频率的控制器。类似地，反馈控制器630可以使用反馈信号来调整由电源620提供的输入电压。在一些实施例中，来自反馈控制器630的反馈信号用于设置和/或更新由电源620提供的频率，使得冷却元件在(或靠近)有源mems冷却系统的结构和/或声学谐振频率下被驱动(例如，使得冷却元件处于谐振状态)。
82.冷却元件的谐振频率可能由于多种因素而改变，诸如冷却元件的温度和老化。有源mems冷却系统650和其中的(一个或多个)冷却元件/(一个或多个)冷却单元可能从谐振状态漂移。驱动系统610可以使用各种机制以用于确定和更新对应于冷却元件的(一个或多个)谐振状态的一个或多个频率。例如，驱动系统610可以扫描一个或多个冷却元件的频率范围，以便确定一个或多个谐振频率的位置(例如，执行黄金比例搜索)。在一些实施例中，可以使用摆式扫描。反馈控制器630可以包括用于确定冷却元件处或附近的温度、冷却元件的年龄和/或冷却元件的历史的机构，以便缩小扫描的频率范围。此外，对于包括多个冷却单元(例如，一个或多个瓦片)的有源mems冷却系统650，驱动系统610可以选择性地激活单个冷却单元或瓦片，扫描该冷却单元的频率以标识该单元的谐振频率，并对每个剩余的冷却单元重复该过程。在一些实施例中，驱动系统610可以并行激活和确定多个冷却单元和/或多个瓦片的谐振频率。因此，冷却元件具有谐振状态，并且驱动系统610可以调整频率，使得冷却元件接近谐振状态。在一些实施例中，驱动系统610调整频率，使得提供给一个或多个冷却元件的功率增加。这种抽取功率增加可以对应于(一个或多个)冷却元件接近或达到谐振状态。在一些实施例中，驱动系统610调整频率，使得跨(一个或多个)冷却元件的(一个或多个)电压最小化。
83.除了调整频率以对应于谐振状态的频率之外，驱动系统610还可以设置输入电压。更具体地，驱动系统610可以调整(一个或多个)冷却元件的输入电压，使得输入电压不小于冷却元件的最小期望操作电压，并且不超过冷却元件的最大安全操作电压(例如，在安全操作范围内)。在一些实施例中，这通过执行扫描来实现，如下所述，以确定适当的频率，并且然后对频率进行微调扫描。在一些实施例中，输入电压被设置为冷却元件在安全操作范围内可实现的最大值(例如，等于最大安全操作电压)。例如，在一些实施例中，一旦已经通过利用与用于驱动(一个或多个)冷却元件的所抽取最大功率相对应的频率设置了频率(即，处于或靠近谐振)，反馈控制器就将输入到冷却元件的功率增加到安全操作范围内的峰值功率。在一些实施例中，反馈控制器630可以监测其他特性。例如，可以监测提供给冷却元件的电压(例如，以最小化冷却元件处的电压)、电源620输出的功率、电源620输出的峰间电流、电源620输出的峰值电压、电源620输出的平均电流、电源620输出的rms电流、电源620输出的平均电压、有源mems冷却系统650中(一个或多个)冷却元件的位移幅度、通过有源mems冷却系统650的(一个或多个)冷却元件的峰值电流、通过有源mems冷却系统650的(一个或多个)冷却元件的rms电流、(一个或多个)冷却元件处(例如，有源mems冷却系统650处)的峰
值电压、通过有源mems冷却系统650的(一个或多个)冷却元件的平均电流、有源mems冷却系统650的(一个或多个)冷却元件处的平均电压。一般而言，反馈控制器630可以被视为监测代表有源mems冷却系统650的(一个或多个)冷却元件的谐振状态的一个或多个属性。mems冷却系统650(以及其中的冷却元件)的谐振状态可以被认为对应于由mems冷却系统650提供的热耗散的最大值。
84.在上面的示例中，在有源mems冷却系统包括多个冷却单元(例如，包括一个或多个瓦片)的情况下，系统600a可以选择性地激活单个冷却单元，扫描该冷却单元的频率以标识该冷却单元的谐振频率，并且对每个剩余的冷却单元重复该过程。该过程也可以发生在瓦片级。因此，可以为mems冷却系统650(例如，瓦片)作为整体设置频率和输入电压并监测属性。在一些实施例中，该过程可以并行执行。因此，冷却元件具有谐振状态，并且驱动系统610可以调整频率，使得冷却元件处于或靠近谐振状态。换句话说，驱动系统610调整频率以对应于(一个或多个)冷却元件的谐振状态。这可以在到冷却元件的较低输入功率下实行。一旦确定了频率，驱动系统610就可以增加到冷却单元或瓦片的功率输入，直到达到安全操作范围内达到峰值。安全操作范围可以例如由冷却单元或瓦片的制造商预先确定。例如，冷却元件的压电体的矫顽电压(或其分数)可以由瓦片的制造商确定为最大安全操作电压。在一些实施例中，安全操作范围可以通过动态表征单元来确定。例如，最小和/或最大安全操作电压可以使得冷却单元、瓦片和/或有源mems冷却系统600a的振动、发热和/或其他特性在期望的容差内。
85.因此，驱动系统610可以用于在谐振或靠近谐振驱动有源mems冷却系统650的(一个或多个)冷却元件。结果，可以实现本文描述的有源mems冷却系统的益处。此外，系统600a可以用于以最高输入电压驱动(一个或多个)冷却元件，使得在安全操作范围内(至少最小期望操作电压且不超过最大安全操作电压)。换句话说，可以使用冷却元件的峰值输入电压，其也使得有源mems冷却系统在期望的操作参数内。使用更高的输入电压可以增加振动冷却元件提供的流速。因此，可以进一步改进系统600a的冷却能力。
86.图6b描绘了用频率控制驱动有源mems冷却系统650b的系统600b。系统600b包括类似于驱动系统610和有源mems冷却系统650的驱动系统610b和有源mems冷却系统650b。冷却系统600b可以用于改进计算设备的散热和功率管理。有源mems冷却系统650b包括多个冷却单元651b。因此，有源mems冷却系统650b可以是包括六个冷却单元或mems喷口的瓦片。在一些实施例中，冷却系统650b中可以存在另一数量的mems喷口。有源mems冷却系统650b可以包括多个瓦片，其中每个瓦片具有多个mems喷口/冷却单元。例如，可以驱动四个冷却单元各自的六个瓦片(例如，每个mems喷口651b一个瓦片)。
87.驱动系统610b包括电源620b和反馈控制器630b。电源620b可以被认为包括主机电池或功率管理集成电路(pmic)622、升压624b和多输出栅极驱动器和分离pi 626b。主机电池/pmic 622b用于提供功率。在一些实施例中，电源620b可以被认为耦合到而不是包括主机电池/pmic 622b。升压624b(例如升压调节器)可以用于增加由主机电池/pmic 622b提供的电压。在一些实施例中，除了升压622b之外或者代替升压622b，可以使用不同于升压624b的电源。多输出栅极驱动器和分离pi 626b可以用于将来自升压624b的dc信号转换成具有期望频率的输入驱动信号。
88.反馈控制器630b包括驱动感测632b和微控制单元(mcu)634b。驱动感测电路632b
感测电源620b的输出，并将该感测的输出提供给mcu 634b。基于该感测到的输出(例如，为了提供用于驱动mems喷口651b的冷却元件/一个或多个mems喷口651b的谐振状态而抽取的最大功率)，向mcu 634b提供反馈信号。基于反馈信号，mcu 634b控制多输出栅极驱动器和分离pi 626b，以更新由多输出栅极驱动器和分离pi 626b提供的(一个或多个)驱动信号的频率。还可以使用mcu 634b来调整提供给mems喷头651b的输入驱动电压。更新频率下的输入驱动信号被提供给有源mems冷却系统650。更新频率可以更接近mems喷口651b的一个或多个冷却元件的谐振频率。
89.在图6b中所示的实施例中，驱动感测电路632b从mems喷口651b的输出感测电源620b的输出。因此，电源620b的输出(例如升压624b和多输出栅极驱动器和分离pi 626b)被间接感测。系统600b仍可以用于最大化可用功率(例如，由电源620b提供的用于振动冷却元件的功率量)和/或处于或靠近谐振状态驱动有源mems冷却系统650b的(一个或多个)冷却元件。系统600b也可以用于以最高输入电压驱动(一个或多个)冷却元件，使得在安全操作范围内。因此，系统600b的冷却能力可以进一步改进。结果，可以实现本文描述的有源mems冷却系统的益处。
90.图6c描绘了利用频率控制驱动有源mems冷却系统的系统600c。系统600c类似于系统600b。因此，类似的组件具有相似的标记。系统600c包括类似于驱动系统610b和有源mems冷却系统650b的驱动系统610c和有源mems冷却系统650c。驱动系统610c包括类似于电源620b和反馈控制器630b的电源620c和反馈控制器630c。因此，电源620c包括主机电池/pmic 622c、升压624c和多输出栅极驱动器和分离pi 626c，它们类似于主机电池/pmic 622b、升压624b和多输出栅极驱动器和分离pi 626b。反馈控制器630c包括类似于驱动感测电路632b和mcu 634b的驱动感测电路632c和mcu 634c。然而，在系统600c中，驱动感测电路632c被连接成使得电源的输出(即升压)被直接感测。例如，可以在电源620c处或附近(例如，在升压调节器624c处)感测峰值电流和/或电压。系统600c以类似于系统600a和600b的方式操作。因此，系统600c可以用于处于或靠近谐振状态驱动有源mems冷却系统600c的(一个或多个)冷却元件。系统600c也可以用于以最高输入电压驱动(一个或多个)冷却元件，使得在安全操作范围内。因此，可以进一步改进系统600c的冷却能力。结果，可以实现本文描述的有源mems冷却系统的益处。
91.图6d描绘了利用频率控制驱动有源mems冷却系统的系统600d。系统600d类似于系统600b和600c。因此，类似的组件具有相似的标记。系统600d包括类似于驱动系统610b/610c和有源mems冷却系统650b/650c的驱动系统610d和有源mems冷却系统650d。驱动系统610d包括类似于电源620b/620c和反馈控制器630b/630c的电源620d和反馈控制器630d。因此，电源620d包括主机电池/pmic 622d、升压624d以及多输出栅极驱动器和分离pi 626d，它们类似于主机电池/pmic 622b/622c、升压624b/624c以及多输出栅极驱动器和分离pi 626b/626c。反馈控制器630d包括类似于驱动感测电路632b/632c和mcu 634b/634c的驱动感测电路632d和mcu 634d。然而，在系统600d中，驱动感测电路632d被连接成使得电源620(即升压624d)的输出在多出口栅极驱动器和分离pi 626d与有源mems冷却系统650d之间被间接感测。因此，系统600d可以用于处于或靠近谐振状态驱动有源mems冷却系统600c的(一个或多个)冷却元件。结果，可以实现本文描述的有源mems冷却系统的益处。
92.图6e描绘了用于驱动具有频率控制的有源mems冷却系统的系统600e。系统600e类
似于系统600、600b、600c和600d。因此，类似的组件具有相似的标记。系统600e包括类似于驱动系统610b/610c/610d和有源mems冷却系统650b/650c/650d的驱动系统610e和有源mems冷却系统650e。驱动系统610e包括类似于电源620b/620c/620d和反馈控制器630b/630c/630d的电源620e和反馈控制器630e。因此，电源620e包括主机电池/pmic 622e、升压624e以及多输出栅极驱动器和分离pi 626e，它们类似于主机电池/pmic 622b/622c/622d、升压624b/624c/624d以及多输出栅极驱动器和分离pi 626b/626c/626d。反馈控制器630e包括类似于驱动感测电路632b/632c/632d和mcu 634b/634c/634d的驱动感测电路632e和mcu 634e。然而，在系统600e中，反馈控制器电路被连接，使得在多出口栅极驱动器和分离pi 626d与mems喷口651d之间间接感测电源的输出(即，升压)。因此，系统600d可用于最大化用于驱动处于或靠近谐振状态的有源mems冷却系统600c的冷却元件的功率。结果，可以实现本文描述的有源mems冷却系统的益处。
93.图7描绘了系统700的一个实施例，其利用频率控制来驱动有源mems冷却系统。系统700类似于系统600a、600b、600c、600d和600e。特别地，系统700最接近类似于系统600b。系统700包括类似于驱动系统610b和有源mems冷却系统650b的驱动系统710和有源mems冷却系统750(即，包括(一个或多个)冷却单元/(一个或多个)mems喷口)。驱动信号生成720类似于电源620b。mcu 734接收感测的量(例如，vsense和vdrive)，并且可以用于更新由驱动信号生成720提供的输入驱动信号的频率。如图7中所指示的，mcu 734也执行数字滤波。驱动感测电路(未示出)感测电源(例如vdrive)的输出，并将该感测到的输出提供给mcu 734。基于该感测到的输出，mcu 734更新由多输出栅极驱动器和分离pi(未示出)或驱动信号生成720的类似组件提供的频率。更新频率下的输入驱动信号被提供给有源mems冷却系统750。例如，进行使用传感器736(例如，电容器、电阻器等)的电压测量。因此，测量驱动电压vdrive和感测电压vsense。可以应用模拟或数字滤波技术来移除噪声并解决vdrive和vsense之间的相位差。所使用的数字滤波器可以基于相关滤波器，诸如匹配滤波器、goertzel滤波器或任何类似的单点fft滤波器。可以观察到vdrive和vsense之间的(一个或多个)相位差φ。从vsense和所使用的传感器736计算电流消耗。通过p＝v i cos(φ)所消耗的功率来估计功率输出。该功率可以用于更新由驱动信号生成720提供的驱动信号的频率。功率(或其他相关量)可以被最大化(或最小化，取决于该量)以在或靠近冷却元件的谐振频率下驱动系统(例如，使得(一个或多个)冷却元件处于谐振状态)。因此，系统700可以处于或靠近谐振更高效地驱动有源mems冷却系统。mcu 734还可以使用感测到的量来增加电源驱动电压，以获得最大的冷却性能，同时确保冷却元件的输入驱动电压保持在安全操作范围内。
94.图8描绘了用于驱动具有频率控制的有源mems冷却系统的系统800的实施例。未示出由系统800向其提供驱动信号的有源mems冷却系统。这样的有源mems冷却系统可以类似于(一个或多个)有源mems冷却系统100、400、500、650、650b、650c、650d、650e和/或750。因此，系统800可以被认为类似于驱动系统610、610b、610c、610d、610e和/或710。系统800包括电源820和反馈控制器830，它们类似于电源620、620b、620c、620d、620e和/或720以及反馈控制器630、630b、630c、630d、630e和/或730。用于系统800的电源820可以被认为包括电源1821、电源2822、半桥823、栅极驱动器824和整形模块825。反馈控制器830包括瓦片峰值电压感测832、mcu 834、电源(ps)电流感测836和ps电压感测838。ps电流感测836、ps电压感测
838和瓦片峰值电压感测832可以被认为是图6b-6e的驱动感测的一部分。ps电流感测836和ps电压感测838可以用于设置频率和/或电压(例如，以对应于(一个或多个)冷却元件/有源mems冷却系统的谐振状态)。瓦片峰值电压感测832可以用于增加用于驱动瓦片中的冷却元件的输入电压，同时确保输入电压保持在安全操作范围内。mcu 834和系统800的其余部分之间的连接经由图8中标记的各种组件的输入和输出示出。在一些实施例中，mcu 834可以经由更新到电源1821的反馈信号来控制施加到冷却元件的输入电压。在一些实施例中，该反馈信号经由dac电路(未在图8中明确示出)来更新。dac电路可以集成在mcu 834中，或者可以是分立的外部组件。在其他实施例中，该反馈信号经由mcu 834外部的数字电位计电路(未示出)更新，但是由mcu 834控制。在其他实施例中，该反馈信号经由外部滤波器电路更新，该外部滤波器电路利用来自mcu 834的pwm信号驱动。
95.电源1821可以是升压调节器，而电源2822可以是降压调节器。电源1821向有源mems冷却系统提供功率。电源2822向诸如栅极驱动器824的其他组件提供功率。半桥823通过在特定频率下打开和关闭信号，将来自电源1821的dc信号转换成方波。因此，半桥823可以被认为是方波发生器。mcu 834在经由栅极驱动器824提供的特定频率下激活半桥823。整形模块825可以是带通滤波器、低通滤波器或类似组件。在一些实施例中，整形模块825包括电感器。在一些实施例中，整形模块825中的电感器被配置为从有源mems冷却系统重新捕获能量。例如，冷却元件可以包括用于驱动冷却元件振动的压电体。该压电体实际上是电容器。包括整形模块825和冷却元件的压电体的lc电路可以用于在电容器和电感器之间交换能量。因此，由压电电容器存储的至少一些能量可以返回到电感器(即，被电感器重新捕获)，并用于在随后的(一个或多个)周期期间驱动压电体。mcu 834经由adc输入接收感测的电流和电压。mcu 834向栅极驱动器824提供en和pwm频率信号。mcu 834还可以经由诸如spi和/或i2c的通信接口与主机通信。
96.在操作中，电源1821向半桥823提供功率。电流感测836和电压感测838测量电源1821的输出。电流感测836和电压感测838将来自电源1821的感测电流和电压提供给mcu 834。mcu 834利用这些量来计算由电源1821输出到有源mems冷却系统的功率。在一些实施例中，当有源mems冷却系统的冷却元件处于或靠近谐振状态时，对于给定的输入电压(例如，由半桥823输出的电压)，由电流感测836感测的电流和/或由电压感测836感测的电压被最小化。这些最小值可以被认为对应于输送到mems冷却系统的最大功率与由mems冷却系统返回的最小功率和/或用于加热mems冷却系统的最小功率(或者其以其他方式不可用)。换句话说，最小值可以被认为对应于实际用来驱动冷却元件振动的最大功率。因此，基于对应于用于实际驱动冷却元件的功率的量，mcu 834可以更新要驱动有源mems冷却系统的频率和/或输入电压，以使有源mems冷却系统达到(或更接近)谐振状态。在一些实施例中，多个冷却元件由相同的驱动信号(或具有相同频率的多个驱动信号)驱动。例如，具有一频率的驱动信号可以用于驱动瓦片中的所有冷却元件。在这样的实施例中，最小功率对应于一个或多个冷却元件的谐振状态。在这样的实施例中，少于所有的冷却元件(包括没有任何一个冷却元件)可以精确地在谐振频率下被驱动。然而，冷却元件被认为处于谐振状态，因为用于振动(一个或多个)冷却元件的总功率被最大化，并且所使用的频率足够接近每个冷却元件的谐振频率，从而认为冷却元件处于谐振状态并驱动流体，如本文所述。
97.从mcu 834向栅极驱动器824的pwm输入提供更新频率。栅极驱动器824更新半桥
823激活和去激活其输出信号的频率。因此，方波的频率被更新。整形模块825对输出进行整形，以提供更新频率下的期望信号(例如正弦波)。冷却元件因此在更新频率下被驱动。这个过程可以继续，直到所期望的谐振频率被标识并用于驱动冷却元件。在一些实施例中，谐振(以及因此驱动)频率标称地至少为23khz且不超过25khz。其他频率是可能的。此外，因为直接感测电源1821的输出，所以简化了功率和/或电流和/或电压的最小值的计算。因此，系统800可以处于或靠近谐振更高效地驱动有源mems冷却系统。vdd功率通常从pmic(未示出)提供，以供mcu 834操作。此外，一般在冷却元件和/或瓦片在对应于谐振的频率下被驱动之后，输入到(一个或多个)冷却元件/瓦片的电压增加。这种增加可以由mcu 834控制。瓦片处(例如(一个或多个)冷却元件处)的电压由瓦片峰值电压感测来感测，并作为输入返回到mcu 834。可以迭代该过程，以便提供被优化为可实现的最大的输入电压，同时既不小于最小期望操作电压又不大于最大安全操作电压。因为可以在较大的输入电压下处于或靠近谐振驱动瓦片，所以可以改进由冷却元件驱动的流体(例如空气)的效率和流速。
98.图9描绘了用于利用频率控制驱动有源mems冷却系统的系统900。这样的有源mems冷却系统可以类似于(一个或多个)有源mems冷却系统100、400、500、650、650b、650c、650d、650e和/或750。因此，系统900可以被认为类似于驱动系统610、610b、610c、610d、610e、710和/或800。系统900包括电源920和反馈控制器930，它们类似于电源620、620b、620c、620d、620e、720和/或820以及反馈控制器630、630b、630c、630d、630e、730和/或830。系统900最类似于系统800。用于系统900的电源920可以被认为包括分别类似于系统800的电源1821、半桥823、栅极驱动器824和整形模块825的电源1921、半桥923、栅极驱动器924和整形模块925。反馈控制器930可以被认为包括与瓦片峰值电压感测832、mcu 834、电流感测836和电压感测833类似的瓦片峰值电压感测932、mcu 934、电流感测936和电压感测938。mcu 934和系统900的其余部分之间的连接经由图9中标记的各种组件的输入和输出示出。
99.系统900类似于系统800。然而，电源2822(降压调节器)已经被省略。因此，电源1(升压调节器)921不仅用于经由半桥923驱动有源mems冷却系统，而且还用于驱动栅极驱动器924。在一些实施例中，电源921可以向瓦片(未示出)的操作电压提供至少3.3v到高达5v的电压。在一些实施例中，其他电压是可能的。然而，系统900以类似于系统800的方式操作。因此，系统900可以处于或靠近谐振并且在较高的输入电压下高效地驱动有源mems冷却系统。因此，可以改进流速(即冷却能力)和效率。
100.图10描绘了用于利用频率控制驱动有源mems冷却系统的系统1000。这样的有源mems冷却系统可以类似于(一个或多个)有源mems冷却系统100、400、500、650、650b、650c、650d、650e和/或750。因此，系统1000可以被认为类似于驱动系统610、610b、610c、610d、610e、710、800和/或900。系统1000包括电源1020和反馈控制器1030，它们类似于电源620、620b、620c、620d、620e、720、820和/或920以及反馈控制器630、630b、630c、630d、630e、730、830和/或930。系统1000最类似于(一个或多个)系统800和/或900。用于系统800的电源920可以被认为包括分别类似于(一个或多个)系统800和/或900的电源2822、半桥823/923、栅极驱动器824/924和整形模块825的电源21022、半桥1023、栅极驱动器1024和整形模块1025。反馈控制器1030可以被认为包括分别类似于(一个或多个)系统800和/或900的瓦片峰值电压感测832/932、mcu 834/934、电流感测836/936和电压感测838/938的瓦片峰值电压感测1032、mcu 1034、电流感测1036和电压感测1038。mcu 1034和系统1000的其余部分之
间的连接经由图10中标记的各种组件的输入和输出示出。
101.系统1000类似于系统800和/或900。然而，电源1821(升压调节器)已经被省略。因此，电源21022(降压调节器)不仅用于驱动栅极驱动器1024，而且还用于经由半桥1023驱动有源mems冷却系统(未示出)。在一些实施例中，电源21022可以提供从至少可变电池电压到近似稳定的11v的输出电压。在一些实施例中，其他电压是可能的。此外，系统1000和系统900是类似的，因为单个电源驱动栅极驱动器1024/924和有源mems冷却系统两者。因此，在一些实施例中，在系统900和/或系统1000中可以使用除升压调节器或降压调节器之外的电源。系统1000以类似于系统800的方式操作。此外，可以经由整形模块823中的电感器从有源mems冷却系统重新捕获能量，以使信号升压。因此，系统1000可以处于或靠近谐振并且在对应于较高流速的较高输入电压下高效地驱动有源mems冷却系统。
102.图11描绘了用于利用频率控制驱动有源mems冷却系统的系统1100。这样的有源mems冷却系统可以类似于(一个或多个)有源mems冷却系统100、400、500、650、650b、650c、650d、650e和/或750。因此，系统1100可以被认为类似于驱动系统610、610b、610c、610d、610e、710、800、900和/或1000。系统1100包括电源1120和反馈控制器1130，它们类似于电源620、620b、620c、620d、620e、720、820、920和/或1020以及反馈控制器630、630b、630c、630d、630e、730、830、930和/或1030。系统1100最类似于(一个或多个)系统800、900和/或100。用于系统1100的电源1120可以被认为包括电源11121、电源21122、半桥1123、栅极驱动器1124和整形模块1125，它们分别类似于(一个或多个)系统800、900和/或1000的电源1821/921、电源2822/1022、半桥823/923/1023、栅极驱动器824/924/1024和整形模块825/925/1024。反馈控制器1130可以被认为包括分别类似于(一个或多个)系统800、900和/或1000的瓦片峰值电压感测832/932/1032、mcu 834/934/1034、电流感测836/936/1036和电压感测838/938/1038的瓦片峰值电压感测1132、mcu 1134、电流感测1136和电压感测1138。反馈控制器1130还包括瓦片rms电压/电流感测1139。mcu 1134和系统1100的其余部分之间的连接经由图11中标记的各种组件的输入和输出示出。
103.系统1100类似于系统800。然而，通过瓦片rms电压/电流感测1139，还在有源mems冷却系统处(例如，在瓦片处)执行用于调整频率以对应于谐振的电流和电压感测。在一些实施例中，系统1100可以以类似于900和1000的方式重新配置。系统1100以类似于系统800的方式操作。此外，可以经由整形模块中的电感器从有源mems冷却系统重新捕获能量，以使信号升压。因此，系统1100可以处于或靠近谐振并且在对应于较高流速的较高输入电压下高效地驱动有源mems冷却系统。
104.图12是描绘了用于操作冷却系统的方法1200的示例性实施例的流程图。方法1200可以包括为了简单起见没有描绘的步骤。方法1200在系统100、500和600的上下文中描述。然而，方法1200可以与其他冷却系统一切使用，包括但不限于本文所述的系统和单元。
105.在1202，在对应于一个或多个冷却元件的谐振状态的频率和输入电压下的驱动信号被提供给有源mems冷却系统。在一些实施例中，具有对应于特定冷却元件的谐振频率的频率的驱动信号被提供给该冷却元件。在一些实施例中，驱动信号被提供给多个冷却元件。在这样的实施例中，驱动信号的频率对应于被驱动的一个或多个冷却元件的谐振状态、谐振的统计度量和/或在谐振的阈值内，如上所讨论的。在一些实施例中，在1202还控制驱动信号的输入电压，以改进性能并有助于防止损坏被驱动的(一个或多个)冷却元件。因此，输
入电压可以不小于(例如，大于)(一个或多个)冷却元件的最小期望操作电压，并且不超过(例如，小于)(一个或多个)冷却元件的最大安全操作电压。最大安全操作电压可以小于(一个或多个)冷却元件的(一个或多个)压电体矫顽电压的某个分数(例如，1/2、2/3、3/4或1/1)。输入电压可以是维持谐振状态时的最大安全操作电压。在一些实施例中，冷却元件包括压电体。在这样的实施例中，压电体用于驱动冷却元件。压电体一般在制造期间被轮询以具有特定的极化。因此，冷却元件中的(一个或多个)压电体具有(一个或多个)极化方向。在这样的实施例中，在1202提供驱动信号可以包括偏置驱动信号，使得(一个或多个)冷却元件被自偏置以具有(一个或多个)极化方向。例如，特定的理想驱动信号可以在压电体处从四十五伏变化到负四十五伏。压电体处的偏置驱动信号可以从六十伏变化到负三十伏。因此，驱动信号可以用于保持或重新捕获(一个或多个)压电体的期望极化。
106.在1204，在驱动(一个或多个)冷却元件以提供对应于与(一个或多个)冷却元件的谐振状态接近度的反馈信号的同时，监测有源mems冷却系统的(一个或多个)特性。在一些实施例中，监测每个单独冷却元件的(一个或多个)特性，以确定该冷却元件的振动频率与该冷却元件的谐振频率的偏差。被监测的(一个或多个)特性可以是谐振和/或与其偏差的代表。例如，可以监测冷却元件处的电压、冷却元件抽取的功率、电源输出的功率、电源输出的峰间电流、电源输出的峰值电压、电源输出的平均电流、电源输出的rms电流、电源输出的平均电压、至少一个冷却元件的位移幅度、通过冷却元件的rms电流、冷却元件处的峰值电压、通过冷却元件处的平均电流、至少一个冷却元件处的平均电压和/或冷却元件抽取的峰值电流。使用监测的(一个或多个)特性，可以确定与冷却元件的谐振状态的偏差(例如驱动/振动频率与谐振频率的偏差)。
107.在一些实施例中，在1204监测多个冷却元件的(一个或多个)特性。在一些这样的实施例中，可以确定该组冷却元件的振动频率与该组冷却元件的谐振状态的偏差的度量。例如，可以监测由电源输出的功率、由电源输出的峰值电流、由电源输出的峰值电压、由电源输出的平均电流、由电源输出的rms电流、由电源输出的平均电压、在该组冷却元件(例如，瓦片)处的电压、由该组冷却元件抽取的功率、在冷却元件处提供的电压、该组冷却元件的位移幅度、通过该组冷却元件的峰值电流、通过该组冷却元件的rms电流、该组冷却元件处的峰值电压、通过该组冷却元件的平均电流、冷却元件处的平均电压和/或该组冷却元件抽取的峰值电流。因此，可以监测该组冷却元件的当前状态和谐振状态之间的差异。可以考虑确定冷却元件的振动频率的平均值(或其他统计度量)与谐振频率(或平均谐振频率)的偏差。在一些实施例中，监测该组中的每个冷却元件。例如，驱动感测电路可以被切换以在一时间段内交替地和单独地监测每个冷却元件的特性。因此，可以提供对应于与(一个或多个)冷却元件的谐振状态接近度的反馈信号。在一些实施例中，反馈信号仅仅是测量的量。在其他实施例中，对应于所测量的(一个或多个)特性的数据被处理以提供反馈信号。
108.在1206，基于反馈信号调整频率和/或输入电压。更具体地，1206包括在1206基于反馈信号更新频率和/或输入电压，以对应于(一个或多个)冷却元件的(一个或多个)谐振状态。例如，驱动信号的频率可以被更新以更接近地匹配一个谐振频率/多个谐振频率。在一些实施例中，更新频率包括改变频率以对应于：与(一个或多个)冷却元件振动相对应抽取的功率被最大化、在(一个或多个)冷却元件处提供的电压被最大化、跨(一个或多个)冷却元件的电压被最小化、和/或由至少一个冷却元件抽取的电流的幅度被最小化。在一些实
施例中，1206包括确定反馈信号是否指示(一个或多个)冷却元件的谐振频率的漂移超过阈值，并且响应于漂移超过阈值的确定来标识新频率。新频率计及谐振频率的漂移。该方法还包括响应于新频率被标识，将新频率设置为驱动信号的频率。
109.例如，系统600a可以使用方法1200。在1202，电源620在一频率下向有源mems冷却系统650提供驱动信号。该频率对应于mems冷却系统650的(一个或多个)冷却元件的谐振状态。因此，冷却元件可以更高效地冷却(一个或多个)期望的结构(在图6a中未示出)。在1204，当提供驱动信号并且(一个或多个)冷却元件振动时，反馈控制器630监测有源mems冷却系统650的特性。例如，有源mems冷却系统650的(一个或多个)冷却元件的(一个或多个)输入电压可以由反馈控制器630监测。mems冷却系统630处的电压增加指示冷却元件的谐振频率已经从驱动信号的频率漂移。换句话说，mems冷却系统中的冷却元件的属性有改变，使得频率可能不对应于mems冷却系统的谐振状态。这可能由于(一个或多个)冷却元件的温度改变、(一个或多个)冷却元件的老化和/或出于其他原因而发生。在1206，驱动信号的频率被调整。例如，如果反馈信号指示谐振频率已经降低，则在1206，驱动信号的频率也可以降低。
110.因此，使用方法1200，可以高效地驱动有源mems冷却系统，诸如(一个或多个)冷却系统100、400、500、650、650b、650c、650d、650e和/或750。此外，因为mems冷却系统的(一个或多个)特性被监测，谐振频率的漂移可以被发现并被计及。因此，方法1200可以用于操作有源mems冷却系统并实现其益处。
111.图13是描绘了用于确定驱动有源mems冷却系统的参数的方法1300的实施例的流程图。方法1300可以包括为了简单起见没有描绘的步骤。方法1300在系统100、500和600的上下文中描述。然而，方法1300可以与其他冷却系统一起使用，包括但不限于本文所述的系统和单元。方法1300可以用于标识方法1200的1202中使用的驱动信号的频率。在一些实施例中，方法1300可以用于在方法1200的1206中调整频率。
112.在1302，使用驱动信号的频率搜索来标识对应于谐振状态的第一频率。在一些实施例中，使用摆式搜索。频率的摆式搜索在初始频率开始，并交替测试更高和更低的频率。这些频率可能需要在一范围内，以便防止损坏冷却元件。基于冷却元件的特性来确定初始频率。例如，初始频率可以基于用于驱动冷却元件的压电体的特性、冷却元件的几何形状、冷却元件中的其他材料(例如不锈钢)以及期望的操作频率范围来确定。例如，搜索可以在初始频率的两千赫兹范围中(例如，在近似其百分之十以内)。在一些实施例中，初始频率处于或靠近期望的操作频率范围的中间。摆式扫描可以在更远离初始频率的频率下实行，直到确定了指示谐振状态的监测属性，诸如提供给(一个或多个)冷却元件的最小电压。该属性的频率被标识为第一频率。
113.在1302执行的摆式搜索可以利用小于输入电压的初始电压。使用这样的初始电压可以有助于防止损坏(一个或多个)冷却元件的(一个或多个)压电体。例如，初始电压和输入电压小于最大安全操作电压。最大安全操作电压小于压电体的矫顽电压(即，将会改变压电体极化的电压)。在一些实施例中，最大安全操作电压小于矫顽电压的三分之二倍。在一些实施例中，最大安全操作电压小于矫顽电压的一半。初始电压也大于最小期望操作电压，该最小期望操作电压可以是足以在期望频率范围内致动(一个或多个)冷却元件的最小电压。例如，初始电压可以是预期输入电压的一半(例如三分之一到三分之二)的数量级。
114.在1304，使用输入电压处的微调扫描来标识频率。因为所施加电压的改变可能更改(一个或多个)冷却元件的操作，所以可以执行1304。在一些实施例中，1304包括在输入电压下驱动有源mems冷却系统，同时在包括1302中确定的第一频率的较小频率范围内扫描驱动信号的频率。例如，较小的频率范围可以被限于1khz的范围或者在第一频率的特定阈值内。对于输入电压，该频率可以处于(或靠近)提供给(一个或多个)冷却元件的电压的最大值。该频率对应于(一个或多个)冷却元件的谐振状态。因此，在1304处标识的频率处的输入电压可以是不大于谐振状态可以维持的最大安全操作电压的最大电压。
115.例如，方法1300可以与系统600a一起使用。假设有源mems冷却系统650的(一个或多个)冷却元件的谐振频率预期在22khz到26khz的范围内。此外，可以由反馈控制器630测量的冷却元件处提供的期望峰间电压可以是九十伏。这样的系统的预期输入电压可以是四十五伏(例如，电压在正和负四十五伏之间变化)。在1302，可以以具有二十伏的初始输入电压(显著小于预期输入电压)和24khz的初始频率(即，处于或靠近预期频率范围的中间)的驱动信号开始摆式搜索。驱动信号频率以摆式方式变化。例如，mems冷却系统650可以在二十伏下以24khz、23.9khz、24.1khz、23.8khz、24.2khz等被驱动。允许的扫描范围可以从23khz到25khz。在每个频率下，监测一个或多个特性以确定mems冷却系统650是更接近还是更远离谐振。例如，监测有源mems冷却系统650中由电源抽取的功率、由电源输出的电流和/或电压、冷却元件处的电压和/或谐振的其他代表。在1302，冷却元件处的(一个或多个)电压被最小化(或接近最小化-例如，在百分之一、百分之二或百分之五的阈值内)的频率被标识为第一频率。假设这个频率是24.3khz。对于冷却元件处四十五伏的期望输入电压，期望初始电压升高2.25倍(四十五伏除以二十伏)。因此，电源电压(用于驱动信号的来自升压624b、624c、624c或624e的电压)是四十五伏。如果期望减少冷却量，可以使用较低的电源电压。例如，输入电压可以升高到三十或三十五伏。对于未偏置的驱动信号，驱动信号输入电压可以在四十五伏和负四十五伏之间变化。在一些实施例中，驱动信号被偏置。这样的偏置可以允许压电体的自轮询。在这样的实施例中，驱动信号可以在期望的方向上偏移(例如，可以在六十五伏和负二十五伏之间变化)。
116.在1304，在四十五伏的输入电压下，在包括第一频率(24.3khz)的范围内对驱动信号执行微调扫描。该范围小于摆式扫描的允许频率范围。例如，范围可以是从24khz到25khz。执行这种微调扫描是因为(一个或多个)冷却元件的操作特性的改变可能改变谐振频率。在一些实施例中，扫描是从频率范围的一端到另一端(例如，从24khz到25khz)。在一些实施例中，可以使用摆式扫描。在(一个或多个)冷却元件处提供的电压的最小值可以再次用于标识谐振状态和对应的频率。因此，使用方法1300，可以找到对应于(一个或多个)冷却元件的谐振状态的频率。
117.使用方法1300，可以确定对应于(一个或多个)冷却元件的谐振状态的频率。因此，可以以更高效的方式驱动有源mems冷却系统。此外，可以防止对冷却元件的损坏。因此，可以改进性能和可靠性。
118.图14是描绘了用于调整有源mems冷却系统的驱动信号频率的方法1400的实施例的流程图。方法1400可以包括为了简单起见没有描绘的步骤。方法1400在系统100、500和600的上下文中描述。然而，方法1400可以与其他冷却系统一起使用，包括但不限于本文所述的系统和单元。
119.在1402，确定有源mems冷却系统的(一个或多个)特性是否指示(一个或多个)冷却元件不再处于或足够接近所用频率的谐振状态。如先前所讨论的，温度或其他参数的改变可能影响冷却元件的谐振频率。在一些实施例中，1402包括监测系统的一个或多个特性，诸如冷却元件处的电压。在一些实施例中，监测是连续的。在一些实施例中，监测可以是周期性的。在1402，可以周期性地检查该参数，以确定是否已经达到或超过阈值。例如，1402可以每分钟确定一次跨(一个或多个)冷却元件的(一个或多个)电压是否达到或超过阈值。在一些实施例中，(一个或多个)特性被连续监测，但是仅在特定的(一个或多个)间隔期满后才被检查。在一些实施例中，阈值是特定值。在一些实施例中，阈值可以表达为先前确定的值的分数。
120.响应于已经达到或超过阈值的确定，在1404，确定对应于谐振状态的新频率。在一些实施例中，可以在1404执行类似于1304的微调扫描的扫描。新频率可以被标识为(一个或多个)冷却元件处的电压最小的频率。在一些实施例中，本文描述的其他和/或附加特性(例如，(一个或多个)冷却元件处的电流和/或用于实际驱动(一个或多个)冷却元件的最大功率的其他度量)可以用于确定对应于(新)谐振状态的新频率。如果没有找到最小值(即，高于和低于该频率的一个或多个频率在冷却元件处具有较高电压的点)，则在(一个或多个)冷却元件处具有最低电压的范围的端点可以被确定为新频率。在一些实施例中，扫描被扩展到更大的频率范围，直到找到最小值。在1406，驱动信号的频率被设置为新频率。
121.例如，系统600a的频率控制器630可以监测(一个或多个)特性，诸如冷却元件处的抽取功率、电流和/或电压。在特定时间(例如，以一秒时间间隔、3秒时间间隔、一分钟时间间隔、两分钟时间间隔和/或五分钟时间间隔周期性地)，频率控制器630确定冷却元件处的抽取功率和/或电压是否已经从先前测量的值改变了多于阈值。例如，每分钟，反馈控制器630可以确定冷却元件处的电压(例如，设置为四十五伏)是否已经改变了至少和/或多于三伏或者先前测量值的分数(例如，多于百分之一、百分之三或百分之五)。如果冷却元件处的电压已经改变了多于阈值，则在1404，扫描驱动信号频率附近的频率范围，并标识新频率。例如，新频率可以是(一个或多个)冷却元件处的电压被最小化的频率。在1406，反馈控制器630控制驱动系统610将驱动信号的频率设置为新频率。
122.使用方法1400，可以计及冷却元件的谐振频率的改变。结果，有源mems冷却系统可以维持在谐振或靠近谐振。因此，可以改进冷却效率。
123.图15是描绘了用于驱动有源mems冷却系统的方法的流程图。方法1500可以包括为了简单起见没有描绘的步骤。方法1500在系统100、500和600的上下文中描述。然而，方法1500可以与其他冷却系统一起使用，包括但不限于本文所述的系统和单元。
124.在1502，确定对应于被驱动的(一个或多个)冷却元件(或mems喷口)的谐振状态的频率以及输入电压。在一些实施例中，使用方法1300执行1502。在1504，使用频率和输入电压驱动有源mems冷却系统。在一些实施例中，1504还包括偏置驱动信号。在一些实施例中，通过向连接到(一个或多个)冷却元件或并入到(一个或多个)冷却元件中的(一个或多个)压电体提供电信号来驱动(一个或多个)冷却元件。在制造期间，通常对压电体进行轮询以对准其极化。在1504处提供的驱动信号中的偏置有助于允许(一个或多个)压电体自轮询。因此，偏置可以降低(一个或多个)压电体将失去其极化的概率和/或可以有助于(一个或多个)压电体重新获得其期望的极化。
125.在1506，监测系统的一个或多个特性。在一些实施例中，监测是连续的。在一些实施例中，监测是周期性。被监测的(一个或多个)特性与(一个或多个)冷却元件的谐振状态的接近度相关。因此，(一个或多个)特性指示(一个或多个)冷却元件是否处于谐振状态。
126.在1508，确定(一个或多个)特性的改变是否达到或超过(一个或多个)阈值。因此，1508类似于方法1400的1402。(一个或多个)阈值可以用于(一个或多个)单独的特性和/或特性的某种组合。如果没有达到(或超过)阈值，则在1506继续监测，同时继续在相同的频率下驱动冷却元件。如果确定特性的(一个或多个)改变满足(或在一些实施例中超过)阈值，则在1510，标识对应于谐振状态的新频率。在一些实施例中，1510类似于方法1400的1404。在一些实施例中，在1512，标识新的(例如，更大的)输入电压。例如，1510和1512可以使用(一个或多个)摆式扫描、(一个或多个)微调扫描或摆式和微调扫描来实行，类似于方法1300的那些。在一些实施例中，在1510和1512中可以使用(一个或多个)其他技术。在1514，驱动信号的频率和(可选的)输入电压被设置为新值。在1504，(一个或多个)冷却元件因此被再次驱动。
127.使用方法1500，有源mems冷却系统可以处于或靠近谐振被驱动更长的时间段。此外，输入驱动信号可能很大。因此，可以实现(一个或多个)有源mems冷却系统(诸如100、400和500)的益处。
128.图16是描绘了用于驱动多个有源mems冷却系统的方法的流程图。方法1600可以包括为了简单起见没有描绘的步骤。方法1600在系统100、500和600的上下文中描述。然而，方法1600可以与其他冷却系统一起使用，包括但不限于本文所述的系统和单元。方法1600可以用于在不同频率下驱动的多组mems喷口。例如，方法1600可以用于两个或更多个瓦片，其中每一个可以由具有单独确定的频率的驱动信号驱动。如先前所指示的，一般期望单个瓦片中的冷却元件具有非常接近或相同的谐振频率。因此，多个瓦片可以具有相似的谐振频率。如果多个瓦片在接近的频率下(例如，在百分之五以内)被驱动并且物理上接近，则冷却元件在其谐振状态下的运动以及由此产生的瓦片运动可能干扰周围的流体(例如，空气)。因为冷却元件和瓦片的运动可能是周期性的，所以对周围流体的扰动可能是周期性的。由于瓦片所致的空气运动可以形成相长干涉的波(例如形成节拍)。在某些情况下，干扰可能是可听的。例如，用户可能听到由来自在接近的频率下驱动的两个瓦片的相长干涉产生的节拍。这是不合期望的。方法1600可以用于解决这一现象。
129.在1602，确定mems喷口(例如冷却单元)组(例如瓦片)的驱动信号的频率。在一些实施例中，使用方法1300执行1602。
130.在1604，使用具有在1602中标识的频率附近变化的频率的驱动信号来驱动mem喷口组。频率的变化使得频率之间的(一个或多个)差异发生变化。在一些实施例中，执行1604，使得频率之间的(一个或多个)差异被随机化。例如，在1604，可以周期性地向每个频率添加变化的偏移。期望偏移很小，使得每个mems冷却系统保持在谐振状态。在一些实施例中，变化的偏移不多于频率的百分之一。在一些这样的实施例中，偏移不多于频率的百分之一的一半。在一些实施例中，偏移大于零且不多于100hz。频率也足够频繁地改变，以减少或避免节拍的发生。例如，偏移可以每10毫秒、100毫秒或1秒改变一次。尽管在图16中未指示，但是也可以以类似于针对(一个或多个)方法1200、1400和/或1500所描述的方式来更新频率。因此，当变化mems喷口组之间的频率差异时，可以维持mems喷口组的谐振状态。
131.例如，假设有源mems冷却系统650包括两个瓦片500。在1602，确定对应于两个瓦片500的冷却元件的(一个或多个)谐振状态的频率。用于第一瓦片的驱动信号可以具有24khz的频率，而用于第二瓦片的驱动信号可以具有在1602处标识的24.5khz的频率。在没有方法1600的情况下，这样的接近的频率(500hz的差异)可能导致可听的节拍。在1604，在驱动mems冷却系统650期间，不多于100hz的变化的(例如，随机化的)偏移可以每十毫秒并入到每个频率中。例如，十毫秒后，频率可以是24.1khz和24.45khz；20毫秒后，频率可以是24.06khz和24.4khz。该过程可以在瓦片500的操作期间继续。
132.因此，使用方法1600，附近的冷却元件组(例如，瓦片)可以在接近的频率下被驱动，而不会产生可听的相长干涉。因此，可以实现冷却系统500的益处，而不会增加用户可听的噪声。因此，可以改进性能。
133.本文已经描述了各种配置、方法和特征。一些或所有配置、方法和/或特征可以以这里没有明确描述的方式组合。例如，方法1600可以与方法1500结合使用。因此，在一些实施例中，可以实现期望的热耗散和低音频噪声。
134.尽管为了清楚理解的目的，已经详细描述了前述实施例，但是本发明不限于所提供的细节。有许多实现本发明的替代方式。所公开的实施例是说明性的，而不是限制性的。

技术特征：
1.一种系统，包括：有源微电子机械系统(mems)冷却系统，包括至少一个冷却元件，所述冷却元件被配置为当被具有频率和输入电压的驱动信号驱动而振动时，将流体引向至少一个发热结构的表面；和耦合到有源mems冷却系统用于提供驱动信号的驱动系统，所述驱动系统包括用于驱动信号的电源和反馈控制器，所述反馈控制器具有对应于与所述至少一个冷却元件的谐振状态接近度的反馈信号，所述驱动系统被配置为基于反馈信号调整频率和输入电压中的至少一个，使得频率和输入电压对应于所述至少一个冷却元件的谐振状态，其中输入电压不超过所述至少一个冷却元件的最大安全操作电压。2.根据权利要求1所述的系统，其中所述驱动系统被配置为将所述输入电压调整为所述至少一个冷却元件的最大安全操作电压。3.根据权利要求1所述的系统，其中所述驱动系统被配置为调整所述频率，以对应于由所述有源mems冷却系统抽取并由所述有源冷却系统用来振动所述至少一个冷却元件的功率被最大化。4.根据权利要求3所述的系统，其中所述反馈控制器监测输入到所述至少一个冷却元件的至少一个电压，所述驱动系统被配置为调整频率以对应于输入到所述至少一个冷却元件的最小电压。5.根据权利要求1所述的系统，其中所述反馈控制器监测如下各项中的至少一个：电源输出的功率、电源输出的峰间电流、电源输出的峰值电压、电源输出的平均电流、电源输出的均方根(rms)电流、电源输出的平均电压、所述至少一个冷却元件的位移幅度、通过所述至少一个冷却元件的峰值电流、通过所述至少一个冷却元件的rms电流、所述至少一个冷却元件处的峰值电压、通过所述至少一个冷却元件的平均电流、以及所述至少一个冷却元件处的平均电压。6.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个冷却元件包括具有极化方向的压电体，并且其中所述驱动系统被配置为偏置所述驱动信号以自偏置所述压电体以具有所述极化方向。7.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：附加有源mems冷却系统，包括至少一个附加冷却元件，所述附加冷却元件被配置为当被具有附加频率和附加输入电压的附加驱动信号驱动而振动时，将流体引向所述至少一个发热结构的附加表面；其中所述驱动系统耦合到所述附加有源mems冷却系统，并且被配置为提供所述附加驱动信号，调整所述附加频率和所述附加输入电压中的至少一个，使得所述附加频率和所述附加输入电压对应于所述至少一个附加冷却元件的附加谐振状态，并且调整所述附加输入电压，使得所述附加输入电压不超过所述至少一个附加冷却元件的附加最大安全操作电压；并且其中所述驱动系统进一步被配置为调整所述频率和所述附加频率，以变化所述频率和所述附加频率之间的差异。8.根据权利要求7所述的系统，其中所述至少一个发热结构的附加表面是所述至少一个发热结构的表面。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述频率包括所述至少一个冷却元件的结构谐振频率和所述有源mems冷却系统的声学谐振频率中的至少一个。10.一种系统，包括：有源微电子机械系统(mems)冷却系统，包括多个瓦片，所述多个瓦片中的每一个包括至少一个mems喷口，所述至少一个mems喷口被配置为当被具有频率和输入电压的驱动信号驱动时将流体引向至少一个发热结构的表面；和耦合到所述多个瓦片并向所述多个瓦片中的每一个提供驱动信号的驱动系统，所述驱动系统包括用于驱动信号的至少一个电源和反馈控制器，所述反馈控制器具有对应于与所述多个瓦片中的每一个的所述至少一个mems喷口的谐振状态接近度的反馈信号，所述驱动系统被配置为基于反馈信号调整频率和输入电压中的至少一个，使得频率和输入电压对应于所述多个瓦片中的每一个的所述至少一个mems喷口的谐振状态，并且被配置为提供不超过所述多个瓦片中的每一个的最大安全操作电压的输入电压。11.根据权利要求10所述的系统，其中所述驱动系统被配置为向所述多个瓦片中的每一个提供瓦片特定频率。12.根据权利要求11所述的系统，其中所述多个瓦片中的每一个的输入电压是所述多个瓦片中的每一个的最大安全操作电压。13.根据权利要求10所述的系统，其中所述驱动系统进一步被配置为调整所述多个瓦片中的每一个的至少一个频率，使得所述多个瓦片中的第一瓦片的第一频率和所述多个瓦片中的第二瓦片的第二频率之间的差异变化。14.一种方法，包括：向有源微电子机械系统(mems)冷却系统提供驱动信号，所述有源mems冷却系统包括至少一个冷却元件，所述至少一个冷却元件被配置为当被具有频率和输入电压的驱动信号驱动而振动时，将流体引向至少一个发热结构的表面，所述至少一个冷却元件的输入电压不超过所述至少一个冷却元件的最大安全操作电压；监测有源mems冷却系统的特性，以提供对应于与有源mems冷却系统的谐振状态接近度的反馈信号；以及基于反馈信号调整频率和输入电压中的至少一个，使得频率对应于有源mems冷却系统的谐振状态。15.根据权利要求14所述的方法，进一步包括：在包括驱动信号的初始频率的第一频率范围内，使用有源mems冷却系统的扫描标识第一频率，所述扫描使用小于输入电压的初始输入电压；和在包括驱动信号的第一频率的第二频率范围内，使用有源mems冷却系统的微调扫描来标识频率，第二范围小于第一范围，微调扫描使用输入电压。16.根据权利要求14所述的方法，其中调整频率和输入电压进一步包括：调整所述频率以对应于如下各项中的至少一个：由所述有源mems冷却系统抽取并由所述有源mems冷却系统用来振动所述至少一个冷却元件的功率被最大化；对于所述输入电压，所述至少一个冷却元件处的电压被最小化；对于所述输入电压，由所述至少一个冷却元件抽取的电流的幅度被最小化。17.根据权利要求16所述的方法，其中所述监测进一步包括：
监测如下各项中的至少一个：由所述至少一个冷却元件抽取的功率、在所述至少一个冷却元件处的电压、由所述至少一个冷却元件抽取的电流、由提供驱动信号的电源输出的功率、由电源输出的峰值电流、由电源输出的峰值电压、由电源输出的平均电流、由电源输出的均方根(rms)电流、由电源输出的平均电压、所述至少一个冷却元件的位移幅度、通过所述至少一个冷却元件的峰值电流、通过所述至少一个冷却元件的rms电流、所述至少一个冷却元件处的峰值电压、通过所述至少一个冷却元件的平均电流以及所述至少一个冷却元件处的平均电压。18.根据权利要求14所述的方法，其中所述至少一个冷却元件包括具有极化方向的压电体，并且其中提供驱动信号进一步包括：偏置所述驱动信号，使得所述至少一个冷却元件被自偏置以具有所述极化方向。19.根据权利要求14所述的方法，进一步包括：向附加mems冷却系统提供附加驱动信号，所述附加mems冷却系统包括至少一个附加冷却元件，所述附加冷却元件被配置为当被具有附加频率的附加驱动信号驱动而振动时，将流体引向所述至少一个发热结构的附加表面；并且其中提供驱动信号和提供附加驱动信号中的至少一个包括改变频率和附加频率中的至少一个，以变化频率和附加频率之间的差异。20.根据权利要求14所述的方法，其中所述调整进一步包括：确定反馈信号是否指示谐振状态的漂移超过阈值；和使用微调扫描在包括驱动信号的当前频率的范围内标识新频率；以及响应于新频率被标识，将新频率设置为驱动信号的频率。

技术总结
一种系统包括有源微电子机械系统(MEMS)冷却系统和驱动系统。MEMS冷却系统包括(一个或多个)冷却元件，当被具有频率和输入电压的驱动信号驱动而振动时，所述冷却元件将流体引向(一个或多个)发热结构的表面。驱动系统耦合到有源MEMS冷却系统，并提供驱动信号。驱动系统包括电源和反馈控制器，该反馈控制器提供对应于与至少一个冷却元件的谐振状态接近度的反馈信号。驱动系统基于反馈信号调整频率和输入电压中的至少一个，使得频率对应于(一个或多个)冷却元件的谐振状态。输入电压不超过(一个或多个)冷却元件的最大安全操作电压。个或多个)冷却元件的最大安全操作电压。个或多个)冷却元件的最大安全操作电压。


技术研发人员：G
受保护的技术使用者：福珞尔系统公司
技术研发日：2021.12.15
技术公布日：2023/9/23