行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
壓電式微電子設備冷卻系統之開發與設計
計畫編號：NSC 96-2221-E-151-064
執行期限：96 年 8 月 1 日至 97 年 7 月 31 日
主持人：黃世疇 國立高雄應用科技大學機械工程系
計畫參與人員：陳義滄 謝秋帆 范文凱
國立高雄應用科技大學機械工程系
一、中文摘要 本計畫以壓電雙晶片結合振動理論，利 用輸入不同電壓於壓電雙晶片，使壓電雙晶 片產生不同的伸長位移量，產生耦合擺動， 並帶動延伸出的葉片充當放大機構以提供足 夠的撓曲變形，增加空氣對流加速熱傳遞的 效率，達到散熱的效果。在模擬分析方面， 使用有限元素分析軟體 Ansys 做靜態分析、 模態分析與簡諧分析，然後將其分析結果透 過編碼與計算流體力學軟體 Fluent 交流，分 析壓電風扇之流場現象與散熱效率，並分別 驗證Ansys 與 Fluent 實際值與模擬值之可靠 度。在最佳化方面，先行以CAE 模擬與田口 品質規劃法得到最佳之散熱效率品質參數， 並探討參數間的交互作用影響，以減少分析 所 需 次 數 與 時 間 。 在 製 程 方 面 ， 是 使 用 UV-LIGA Like 製程來完成壓電風扇外型的 製作，利用SU-8 厚膜光阻來製作外型結構， 並探討製程中對外型厚度的影響。在控制方 面，開發一控制系統來作壓電風扇的溫度控 制，藉由 Ziegler-Nichols 法則找出系統中的 最佳 PID 參數值與 Fuzzy-PID 控制器的設 計，以改善在使用壓電風扇對發熱元件散熱 時，溫度不穩定的缺點，並避免過度冷卻造 成能量浪費，達到節能省電的效果。 最 後 ， 將 所 設 計 之 最 佳 化 外 型 結 合 Fuzzy-PID 控制器實際應用在桌上型電腦ASUS P5LD2-VM 主機板的內建 Intel®ICH7
晶片散熱，並設定溫度控制在 45℃，此時
Intel®ICH7 晶片溫度控制在 45±1℃以內。
關鍵詞：壓電風扇、冷卻系統、田口法、
Fuzzy-PID 控制器。 Abstract
This research combines piezoelectric ceramic bimorph with vibration theory. The piezoelectric ceramic bimorph causes different extension displacement with the voltage and the piezoelectric ceramic bimorph leads the extended blade as the amplifier mechanism to administer enough bending deformation to increase air convection efficiency. In simulation analysis, we work the static, modal and harmonic analysis with the finite element method software, Ansys, and then we input the result data into the fluid dynamics analysis software, Fluent, through User-Defined Function routine. We can analyze the flow field and the radiation efficiency to confirm the reliability of actual value and simulation value. In optimization, we obtain the optimum quality parameters with the CAE simulation and Taguchi Method to decrease the analysis time. In process, the UV-LIGA Like process is used to fabricate the piezoelectric fan shape. We use SU-8 thick photoresist as a material of the main structure, and discuss the influence about shape thickness. In controlling, we develop a system to improve the temperature control of piezoelectric fan. In order to find more reasonable parameters of PID controller, we use Ziegler-Nichols rule to find out the best parameter value, and design Fuzzy-PID controller in the system. It gives the improvement result of the unstable temperature by using piezoelectric fan at heater cooling to
achieve the effect of saving the electrical energy. Finally, we get the optimization contour integrated with Fuzzy-PID controller for the cooling system. We apply the cooling
system to cool the Intel®ICH7 chip in computer
ASUS P5LD2-VM main board. For the target temperature, 45℃, of the chip, we can keep the temperature of chip being in 45±1℃ by the cooling system.
Keywords: PZT fan, Cooling system, Taguchi Method, Fuzzy-PID controller. 二、緣由與目的 近年來由於高功率電子元件的發展，加 上半導體製程技術的進步，使得現今許多電 子產品都走向高性能、輕量化、小型化的趨 勢，然而電子產品微小化相對的是對元件、 系統的散熱造成重大影響，因為在晶片性能 大幅提昇但晶片面積越來越小的情況下，使 得熱通量不斷的增加，許多微電子設備在長 時間的連續運行下，造成當機或元件損壞甚 至引起重大的損失，其原因往往只因為某個 元件在長時間運作下累積熱量，進而導致元 件性能失調。因此，基於以上情況，能有效 地散熱便顯得格外的重要，所以在熱設計 上，就需要一個有效的散熱方式，使元件和 系統能在穩定的情況下操作，散熱設計一直 是系統性能好壞的重要因素，電腦的穩定 度，許多當機都是因為散熱設計不良所造成。 目前市面的散熱裝置是利用加裝散熱 片、旋轉式風扇、增大機殼的通風孔道。若 採用壓電式冷卻系統則可針對某個特定高發 熱元件進行風冷，避免散熱裝置的散熱效率 低，能量損耗高，機殼過大，產生噪音等缺 點。例如，將壓電(Piezoeletric)式冷卻系統應 用在筆記型電腦上，將可改進筆記型風扇產 生噪音的缺點，而且因為壓電式冷卻系統的 能耗低，將可延長筆記型電腦的使用時間。 此外壓電式冷卻系統也可應用在一些高發熱 的光學裝置，如投影機等。讓使用者能在安 靜的環境中欣賞動聽的樂曲與影像。 壓電材料(Piezoelectric material)顧名思 義即是一種具有機械能量與電能交換性質的 材料，可將機械力轉成電性變化，電性亦可 藉此轉成機械動作。利用這種特性在工業上 將有極大的用途，例如感測元件、量測頻率 範圍的振動加速度、超音波清洗器、應變規 (Strain gage)、聲納(Sonar)、麥克風…等應用。 壓電陶瓷因為質量輕、靈敏度高、振動 頻率響應良好，本研究使用一組雙壓電晶片 當作致動器，其結構為兩片極性方向相同的 壓電片中間置入一金屬片，使用並聯方式的 電路連接，在電場的交互作用下，其中一個 壓電片膨脹另一個壓電片收縮，因為兩壓電 片結合在一起，故產生來回的撓曲振動。在 設計上，因壓電陶瓷屬於脆性材料，所能產 生的撓度小，故以中間延伸出的Mylar葉片作 為放大機構，把壓電片產生的撓度透過Mylar 葉片放大成足夠散熱微電子元件的撓度。此 外並利用有限元素商業軟體（Ansys）做振幅 分析、共振頻率分析，與計算流體力學商業 軟體（Fluent）做速度場分析、溫度場分析。 將兩套模擬軟體做相互配合，並利用田口最 佳化法求出最佳散熱效果之壓電式冷卻系統 外型。 最後利用微影製程設備製作出最佳化之 壓電式冷卻系統外型，針對一發熱電子元件 進行實際驅動冷卻。而為因應目前世界能源 缺乏，避免過度冷卻而造成能源浪費，研究 中設計一溫度控制程式對壓電式冷卻系統進 行實際控制，以達到節能省電之效果。 三、研究報告內容 1. 文獻探討 1991 年 Smits[1]等人，研究壓電撓曲器， 如圖一所示在強電場作用下的機電特性，並 討論機械的邊界條件，然後描述出典型共軛 關係所組成的方程式。 圖一 壓電撓曲器分析圖[1] 1994 年 Schmidt[2]等人，在壓電冷卻實 驗中，針對一個垂直的表面進行位置的設定 和平均轉換係數，此壓電風扇是由二個塑膠 葉片組成，並且來回 180 度進行振動，提供 最有效冷卻位置是發生在兩風扇葉片的中
點，圖二為壓電風扇設計外型。 圖二 壓電風扇設計外型[2] 2000 年 Yoo[3]等人，測試不同金屬板的 振動分析，發現共振頻率隨著長度增加而減 少。並設計一個長 31.8 mm 的磷青銅風扇， 使用220 V, 60 Hz 驅動風扇，並且得到最大 位移 35.5 mm 和最大風速 3.1 m/s。圖三所 示為不同金屬板設計外型與驅動方式。 圖三 不同金屬板設計外型與驅動方式[3] 2000 年 Yao[4]等人，分析壓電架構和材 料參數對散熱效果的影響，並設計出一壓電 風扇結合彈性盤，如圖四所示，並在彈性盤 中加入適當荷重，探討質量、撓度、頻率的 關係，當作最佳化壓電風扇設計的一般指南。 圖四 壓電風扇結合彈性盤架構圖[4] 2001 年 Piefort[5]等人，利用組成的方程 式將有限元素公式化，並且分析壓電架構。 此研究應用在於一活潑的阻尼系統來增加振 動，如圖五所示並且使用有限元素工具設計 分析一個模擬架構的疲勞壽命。 圖五 壓電架構模擬設計圖[5] 2002 年 Acikalin[6]，設計一個壓電風 扇，並分析網格運動包括 x 方向之速度與邊 界條件，並且探討均勻分佈的網格與時間對 分析結果影響之研究，圖六為壓電風扇分析 圖。 圖六 壓電風扇實體與分析圖[6] 2003 年 Tao Wu[7]等人，使用Ansys 進 行雙壓電晶片分析，包括熱源的熱傳分析、 共振分析、振幅分析、厚度比分析。分析方 法有：靜態分析-穩定壓電結構、程式分析-使用運動方程式、諧波分析-使用系統矩陣計 算諧波響應。圖七為實驗設備裝置圖。
圖七 實驗設備裝置圖[7]
2003 年 Basak[8]等人，研究一個單壓電
片 所 組 成 的 壓 電 風 扇 ， 利 用 漢 米 敦 （Hamilton）原理的電焓公式可以精確的分 析架構的性能，並分析計算其機電的耦合係
數 （ Electromechanical coupling factor,
EMCF），利用最大的 EMCF 鑑定有限元素 模型和最佳幾何風扇，圖八為非對稱式壓電 風扇氣動現象與分析模式。 圖八 非對稱式壓電風扇氣動現象[8] 2003 年 Bürmann[9]等人，研究利用壓電 陶瓷薄片製成壓電風扇，結合易彎曲的葉片 並探討共振頻率下，所驅動壓電風扇的風 量，以達到壓電風扇之最佳化，其研究是使 用兩片對稱裝置的壓電陶瓷薄片複合樑，透 過 Bernoulli-Euler 模型，以及有限元素模型 分析。此最佳化過程提供發展出低功率，高 流動比的壓電風扇設計指南。圖九為壓電風 扇產生流動的照片。 圖九 壓電風扇的樣品構造與風扇產生流動 的照片[9] 2004 年 Halbur[10]，將壓電風扇應用在 筆記型電腦上，如圖十，並利用熱傳方程式 分析熱管和散熱器的熱對流和熱傳導效應， 如圖十一，然後使用最小平方法描述溫度特 性。並探討最佳容積流量比率，其最佳流率 將產生最大的冷卻速度。 圖十 壓電風扇結合筆記型電腦[10] 圖十一 熱管和散熱器之熱傳分析[10] 2004 年 Yaakov[11]等人，研究共振的葉
片要素(Piezoelectric Resonant Blade elements, PRB)，在這項研究過程中考慮運動波形，發 現梯形的波形似乎是最佳的。它很少會激發 更高的共振的頻率，並且容易與正弦運動相
圖十二 壓電架構設計圖[11] 2004 年 Ramana[12]等人，使用Ansys 分 析阻尼比和溫度電場，發現阻尼比增加時動 態撓度下降，溫度增加時共振頻率會先增加 再減少，位移隨著溫度增加而增加，位移也 和電場成正比。圖十三為雙壓電晶片設計外 型。 圖十三 雙壓電晶片設計外型[12] 2004 年 Aqkahn[13]等人，提出壓電風扇 作為一個可行的電子儀器熱管理，低功耗冷 卻技術、小的噪音和小結構尺寸，將風扇應 用在電子組成部分和發光二極體(LEDs)的冷 卻過程中，經由考慮不同的實驗構造，以及 改變風扇振幅的影響、風扇和熱源之間的距 離、風扇長度、共振頻率，研究出壓電風扇 冷卻的性能。最好的情況，可達到提升自然 對流 375 %的對流，導致熱源溫度降下降超 過36.4 ℃。圖十四為壓電風扇設計外型。 圖十四 壓電風扇設計外型[13] 2005 年 T. Acikalin[14]等人，分析壓電 風扇的振幅、壓電風扇和熱源間距之參數， 對熱源壁的散熱效率有相當重要的影響。並 探討壓電風扇距離熱源壁所產生不同的氣動 現象，發現熱傳速率隨著振幅減少而減少與 熱傳速率隨著距離增加而減少，圖十五為壓 電風扇熱傳速率圖。 圖十五 壓電風扇熱傳速率圖[14] 2005 年 Jih-Lian Ha[15]等人，闡述一種 粘彈性的材料與一根雙壓電懸臂樑接觸的管 理方程式，研究測量兼具黏著性與伸縮性物 質之方法。並從共振頻率的分析模式預測出 物質剛度，和阻尼系數，圖十六為壓電設計 外型。 圖十六 壓電設計外型[15] 2006 年 Kimber[16]等人，分析同時使用 兩個壓電風扇的耦合現象，其壓電風扇的尺 寸為長64.0 mm,寬 12.7 mm，輸入共振頻率 為60 Hz 的正弦波，產生的最大振幅為 12.7 mm，探討影響熱傳遞最主要的兩個參數是兩 個風扇的間距和風扇跟熱源的距離。從實驗 的結果發現風扇間距13 mm 能達到最大的熱 轉換率。圖十七為雙壓電晶片驅動實體圖。 圖十七 雙壓電晶片驅動實體圖[16]
2006 年 Sauciuc[17]等人，提出一個壓電 致動器冷卻系統，分析搭配散熱鰭片的性能 與消耗功率，如圖十八所示。經由實驗證明 壓電系統能有效的改善冷去系統，並且壓電 致動器與傳統的驅動設備相比，能有效的降 低消耗功率。 圖十八 設計型式圖[17] 2007 年 Wait[18]等人，研究壓電風扇的 共振模式，利用有限元素法和實驗阻抗量測 法量測機電能量變換，並且分析作動風扇在 瞬時和穩態時的流場現象。在研究中發現更 高的共振模式能更有有效的將電能轉換為機 械能，且在高頻率和高共振模式能增加流 速，但波腹會導致流場不穩定。下圖十九為 雙壓電晶片設計外型與驅動方式。 圖十九 雙壓電晶片設計外型與驅動方式[18] 2. 研究方法 2.1 壓電式冷卻系統驅動與外型設計 本文使用壓電風扇是由美國壓電系統公 司（Piezo Systems, Inc.）所生產之壓電風扇， 作為壓電式冷卻系統之基本外型，其幾何形 狀如圖二十所示。 圖二十 壓電風扇外型 本文以壓電風扇作為散熱系統之基本外 型，在前端黏接所設計三種不同長度之扇形 外型，最後將壓電風扇與扇形外型組合在一 起，如圖二十一所示，其最終目標是針對 ASUS 主 機 板 型 號 為 P5LD2-VM 的 內 建 Intel®ICH7 晶片上之散熱鰭片散熱，其主機 板元件配置如圖二十二[19]所示。 64.0 mm 76.7 mm 6.4 mm 2. 2 mm 7. 9 mm 12.7 mm 2 mm 3 mm (a) 3 mm 扇形外型 64.0 mm 76.7 mm 6.4 mm 2.2 mm 7. 9 m m 2 mm 6 mm 12 .7 mm (b) 6 mm 扇形外型 64.0 mm 76.7 mm 6.4 mm 2. 2 mm 7. 9 mm 2 mm 9 mm 12. 7 mm (c) 9 mm 扇形外型 圖二十一 壓電風扇與扇形外型組合圖
圖二十二 P5LD2-VM 主機板構造圖[19] 2.2 壓電式冷卻系統振動分析 2.2.1 位移理論分析 假設壓電材料與懸臂樑黏覆關係為理想 接合如圖二十三，在壓電材料上下施加正負 電壓，當彎矩情況產生時，便會使結構產生 形變。 懸臂樑 PZT + _ +_ 圖二十三 壓電懸臂樑系統圖 壓電特性和驅動電壓關係可表如式(1)所 示[20]： 31 a d V t Λ = (1) 式中Λ 為壓電特性、d31為壓電應變常數、ta 為壓電材料厚度及V 代表驅動電壓值，可以 明顯得知壓電應變與驅動電壓成正比。 結構能夠產生位移量，最大原因在於驅動電 壓時造成壓電元件產生彎矩效應，式(2)為彎 曲力的求法，式(3)為壓電材料和樑之物理性 質純量比[20] 2 6 b b t E M W ψ = Λ + (2) b b a a t E t E ψ = (3) 式中， M：壓電材料兩端之彎曲力矩 W：壓電材料寬度 ψ ：壓電材料和樑之物理性質純量比 t：厚度 E：楊氏係數 a：壓電材料 b：樑 因此，我們可以將圖二十三簡化成圖二 十四，當壓電材料受到極化後，產生的的彎 曲力矩將會集中在壓電元件兩端，故可將壓 電元件視為懸臂樑之彎曲力。 圖二十四 一般懸臂樑系統圖 當一懸臂樑受到純彎矩效應時，而此彎 矩值是由公式(2)所得到，應用材料力學懸臂 樑公式，即可以求得位移量為 2 2 ML y EI = (4) 式中， E：楊氏係數 L：懸臂樑總長 M：壓電元件極化後造成的力矩(2) I：慣性矩 2.2.2 系統自然頻率理論分析 在振動領域中，常會有模態、簡諧、暫態及 頻譜分析，而本研究針對理論求解模態為 準，參照 Haiyan[21]推導的理論公式，當單 一壓電材料是自由邊界(Free condition)，其自 然頻率如方程式(5)所示： 11 1 1 ( ) 2 r E f L ρS = (5) 式中 f ：自然頻率，L：壓電材料長度，r ρ： 壓電材料密度， 11E S ：壓電韌度常數 當單一壓電材料以懸臂樑分析時，自然頻率 如(6)式所示： 2 2 11 1 ( )( ) 2 12 r E m t f L S π ρ = (6) 式中t：壓電材料厚度，m：共振時的特徵值
(Eigenvalue of the resonant mode)
根據文獻[22]，又可以得到 m1、m2及 m3分 別為1.8751、4.6941 及 7.8548，代入(6)，即 可得到第一個自然頻率(7)式、第二個自然頻 率(8)式和第三個自然頻率(9)式： 1 2 11 1 0.1616 ( ) E t f L ρS = (7) 懸臂樑
2 2 11 1 1.0129 ( ) E t f L ρS = (8) 3 2 11 1 2.8361 ( ) E t f L ρS = (9) 2.2.3 模態分析 振動頻率和振型是承受動態荷載結構設 計中的重要參數，利用共振頻率特性使Mylar 葉片位移量增大，可以達到良好的散熱效 果。故本文首先針對壓電風扇基本外型做 0 ～600 Hz 之模態分析，發現壓電風扇基本外 型在600 Hz 以內有四組共振頻率，結果如表 一所示，而其四組共振頻率之振型如圖二十 五~圖二十八所示，本文為了使壓電風扇輸出 風量穩定而採用振動外型為平穩的彎矩變 形，故使用第一共振頻率進行往後溫度之模 擬與實際控制。 表一 壓電風扇之共振頻率 模態 共振頻率(Hz) 1 59.566 2 225.12 3 333.45 4 516.65 圖 二 十 五 壓 電 風 扇 第 一 個 共 振 頻 率 ( 59.566 Hz) 圖 二 十 六 壓 電 風 扇 第 一 個 共 振 頻 率 ( 59.566 Hz) 圖 二 十 七 壓 電 風 扇 第 三 個 共 振 頻 率 ( 333.45 Hz) 圖 二 十 八 壓 電 風 扇 第 三 個 共 振 頻 率 ( 333.45 Hz) 針對壓電風扇黏接所設計之 3 mm、6 mm、9 mm 長之扇形外型進行模態分析，得 知0 ~ 600 Hz 內之四個共振頻率，結果如表 二所示，而3 mm、6 mm、9 mm 長扇形外型 之第一振型如圖二十九~圖三十一所示。 表二 設計扇形外型之共振頻率 模態 1 st 3 mm扇形外型共振頻率(Hz) 49.424 6 mm扇形外型共振頻率(Hz) 45.206 9 mm扇形外型共振頻率(Hz) 41.378 圖二十九 壓電風扇+3 mm Trapezoid 第一個 共振頻率(49.424 Hz)
圖三十 壓電風扇+6 mm Trapezoid 第一個共 振頻率( 45.206 Hz) 圖三十一 壓電風扇+9 mm Trapezoid 第一個 共振頻率(41.378 Hz) 2.2.4 簡諧分析 經由模態分析得出壓電風扇共振頻率 後，進行簡諧分析求出施加電壓所產生共振 位移量，當壓電風扇輸入 115 伏特電壓時， 設定簡諧分析範圍為 0~600 Hz，STEP 設定 為 300，即將簡諧分析範圍分成 300 等分， 其動態響應如圖三十二。由圖可發現當頻率 在60 Hz，會產生最大的振幅響應，振幅量為 25.907 mm ， 在 此 振 幅 定 義 為 峰 對 峰 值 (peak-to-peak)，表三為振幅量比較表，將模 擬值減實際值除於模擬值比較後，誤差約在 2 ％以內。 (Hz) (m) 頻率=60 Hz 振幅=25.907 1st 圖三十二 壓電風扇動態響應圖 表三 壓電風扇頻率與位移量比較表 輸入電壓(Volt) 實驗 值 模擬 值 誤差 ％ 頻率 (Hz) 60 59.566 0.729 115 振幅 (mm) 25.4 25.907 1.957 在驗證 Ansys 對基本外型壓電風扇之模 態與簡諧分析可靠度後，針對壓電風扇黏接 所設計之3mm、6mm、9mm 長之扇形外型進 行簡諧分析，在經模態分析得知三種外型之 第一共振頻率皆落在100 Hz 以內，故設定簡 諧分析範圍為0~100 Hz，STEP 設定為 100， 以減少所分析的時間，其結果如圖三十三~ 圖三十五所示。 (Hz) (m) 1st 頻率=49 Hz 振幅=25.33 mm 圖三十三 壓電風扇+3 mm Trapezoid 動態響 應圖 (Hz) (m) 頻率=45 Hz 振幅=33.65 mm 1st 圖三十四 壓電風扇+6 mm Trapezoid 動態響 應圖
(Hz) (m) 頻率=41 Hz 振幅=72.19 mm 1st 圖三十五 壓電風扇+9 mm Trapezoid 動態響 應圖 2.3 壓電式冷卻系統流場分析 2.3.1 熱傳導理論 材料內部當具有溫度梯度存在時，會產 生熱傳導現象，其主因為溫度較高的固體分 子會具有較高的振動動能（Vibration kinetic energy），這些振動能將一部分傳遞給臨近 相接觸的低溫度分子，提昇其振動能，而產 生能量傳遞現象，如圖三十六所示，熱傳遞 由 高 溫T 流 到 低 溫1 T 。 根 據 傅 立 葉 定 理2 (Fourier law)，若此結構為等向均質性材料， 則其熱傳導方程式可以下式表示[23]：
(
T1 T2)
dT Q KA KA dx L − = − = (10) 其 中 K 為 材 料 的 熱 傳 導 係 數 ( / 3 W m ⋅ ℃)，A 為截面積，dT dx 是溫度對座標 X 的梯度。將（4.1）式兩邊對座標取微分為 2 2 d T dQ KA dx dx = − (11) 根據能量守恆定律，任一時刻材料的熱 平衡方程為 2 2 dT d T C Adx dQ KA dx dt dx ρ = = − (12) 其中C，ρ 分別為材料的比熱容和密 度，於是可得熱流方程為 2 2 dT d T D dt = dx (13) 其中D K Cρ = ，稱為熱擴張係數，(13)式 的解可把各點的溫度隨時間的變化表示出 來，具體形式取決於邊界條件。 1 T 2 T Q L 2 x 1 x 圖三十六 熱傳導效應 2.3.2 熱對流理論 對流是指流體內部的分子運動，是熱傳 與質傳的主要模式之一，如圖三十七所示。 對流換熱的強度依據牛頓冷卻定律，其基本 計算公式是[23]：(
w f)
Q=αA t −t W (14)(
)
/ 2 w f Q q t t W m A α = = − (15) 式中α ：對流換熱係數，A：介質間接 觸之表面積，tw：固體壁面溫度，tf：流體溫 度，q：熱流密度 由(15)式轉換可知α 為下列公式(
2)
/ q W m K t α = ⋅ ∆ (16) 式中∆t為固體壁面溫度 tw與流體溫度 tf 之間溫差的絕對值局部换热系数 針對x方向之換熱係數可以下列公式表 示： x x x q t α = ∆ (17) 式中αx：該處的局部對流換熱係數，qx： 換熱壁面上x 處的局部熱流密度，△tx：x 處 的局部溫差 而其平均換熱係數為 q t α = ∆ (18) q t α = ∆ (19) 對 對 流 換 熱 方 程 式 進 行 偏 微 分 可 得 (20)~ (22)式 , 0 x x y t q y λ = ⎛∂ ⎞ = − ⎜ ⎟∂ ⎝ ⎠ (20)(
)
x x w f x q =α t −t (21)(
)
, 0 x w f x y t y t t λ α = ⎛ ⎞ − ∂ = ⎜ ⎟ ∂ − ⎝ ⎠ (22) 式中λ：導熱係數(W/m·℃) 局部換熱係數在整個換熱面上的積分平 均值為該換熱面的平均換熱係數。 y 流場速度分佈 y 溫度分佈曲線 f T w T ( ) u y T y( ) 流動方向 圖三十七 熱對流效應 2.3.3 速度場分析 本文利用計算流體力學軟體 Fluent 模擬 分析壓電式冷卻系統各項參數對氣體流速、 流場之影響。模擬邊界條件為 2D 環境，假 設壓電風扇置於一個加熱器前端 6 mm 處， 使用30 cm×30 cm 的方形壓克力外殼隔絕外 界溫度干擾，空間內的流體性質設定為空 氣，如圖三十八所示。並將 Ansys 所分析之 壓 電 風 扇 振 動 特 性 ， 透 過 編 寫 UDF(User-Defined Function) 程 式 碼 方 式 與 Fluent 做結合應用。 movement state heater acrilan base support pzt mylar bed Anti-Vibration Tables 圖三十八 壓電式冷卻系統模擬架構圖 本文模擬當啟動壓電式冷卻系統，其空 氣的流動方式使用Fluent 內建之紊流模型 k-ε 與使用非穩態求解器求解，在壓電風扇施加 振幅25.4 mm、頻率 60 Hz 後，產生之最大 流速為13.7 m/s，其速度場分佈如圖三十九所 示，由圖可發現速度流場產生一組相對的渦 流現象，此現象將有利於將加熱器表面溫度 迅速擴散到空氣之中。 (m/s) 圖三十九 壓電風扇速度場分佈圖 2.3.2 溫度場分析 在 Fluent 中設定各個材料性質後，施加 能量為207200 w/m3於一7 cm×38 cm 的矩形 鋁加熱器，並訂定空間初始溫度為23 ℃後， 使用穩態求解器進行疊代運算求解，經過13 次疊代後達到收斂穩定。此時，熱源表面平 均溫度為 64.47 ℃，溫度場分佈如圖四十所 示，其溫度在自然對流之下，均勻的從熱源 表面擴散到整個空間。接下來使用 k-ε 紊流 模型與非穩態求解器求解，在壓電風扇施加 振幅25.4 mm 與頻率 60 Hz 之後，熱源之表 面平均溫度從 64.47 ℃下降至 40.14 ℃到達 穩定，其溫度場分佈如圖四十一所示。 X Y -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 temperature 336 334 332 330 328 326 324 322 320 318 316 314 312 310 308 306 304 302 300 298 (m) (m) k 圖四十 加熱器溫度場分佈圖 X Y -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 temperature 336 334 332 330 328 326 324 322 320 318 316 314 312 310 308 306 304 302 300 298 k (m) (m ) 圖四十一 啟動壓電風扇之溫度場分佈圖2.3.3 模擬環境之實現與驗證 利用 AD590 溫度感測器將熱源表面的 溫度訊號轉成電壓訊號後，透過資料擷取卡 （NI-6014）將電壓訊號輸入至個人電腦，然 後使用 Labview 控圖程式設計出一人機介 面，如圖四十二所示，以便容易觀察溫度變 化情況。首先將加熱器從從23 ℃開始加熱至 平衡穩定後，此即為加熱器之溫度上限，之 後再使用115 V 電壓啟動壓電式冷卻系統使 溫度下降至穩定，此即為加熱器之溫度下 限，如圖四十三所示。最後將實驗數據與 Fluent 模擬軟體相互比較，其結果如表四所 示，驗證其模擬軟體之準確性相當可靠。 圖四十一 溫度監測之人機介面 圖四十三 使用115V 壓電式冷卻系統實際冷 卻 表四 壓電風扇模擬溫度與實際溫度比較表 冷卻系統狀態 實驗值℃ 模擬值℃ 誤差％ 啟動前 65.85 64.47 2.14 啟動後 42.84 40.14 6.73 2.4 壓電式冷卻系統田口最佳化模擬分析 本論文利用田口最佳化法探討冷卻系統 長度、電壓、頻率及與熱源間之距離等參數 對壓電式冷卻系統散熱效率之影響。研究分 析將以發熱元件之散熱效率為品質目標，散 熱量愈大愈好，為望大特性。根據水準表和 L9 直交表進行各個實驗參數組合的流場分 析，並以望大特性將分析所得的熱源表面溫 度數據進行最佳參數之計算。 表五所示為採用之控制因子及其水準 值。A 因子為風扇長度、B 因子為風扇電壓、 C 因子為風扇頻率以及 D 因子為熱源距離， 將控制因子與水準值利用L9直交表法計算出 S/N 比，如表六所示。 表五 控制因子及其水準值 控制因子 A B C D 因子 水準 風扇長度 (mm) 風扇電壓 (voltage) 風扇頻率 (Hz) 熱源距離 (mm) Level 1 70 75 41 6 Level 2 73 95 45 8 Level 3 76 115 49 10 表六 CAE 分析 S/N 比 A B C D L9 1 2 3 4 △T(℃) S/N 1 1 1 1 1 4.831 13.681 2 1 2 2 2 9.216 19.291 3 1 3 3 3 25.971 28.290 4 2 1 2 3 26.225 28.374 5 2 2 3 1 11.423 21.156 6 2 3 1 2 10.011 20.009 7 3 1 3 2 5.615 14.988 8 3 2 1 3 27.774 28.873 9 3 3 2 1 12.099 21.655 將上表列之 S/N 比繪製出回應表及回應 圖，如表七、圖四十四所示。由回應表及回 應圗可以得知D 因子熱源距離最為顯著，其 次為B 因子風扇電壓及 A 因子風扇長度，而 C 因子風扇頻率影響最小。由回應圖以及回
應表可得到最佳之參數組合為A2B3C2D3。 表七 回應表 水準 風扇長度 風扇電壓 風扇頻率 熱源距離 1 20.42 19.01 20.85 18.83 2 23.18 23.11 23.11 18.10 3 21.84 23.32 21.48 28.51 Max-Min 2.76 4.30 2.25 10.42 顯著程度 3 2 4 1 最佳組合 風扇長度 2 風扇電壓 3 風扇頻率 2 熱源距離 3 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 A1 A2 A3 B1 B2 B3 C1 C2 C3 D1 D2 D3 數列1 圖四十四 回應圖 上述控制因子皆假設效果不互相影響， 即為因子間無交互作用，然而在實際情況下 並非如此；很可能因子之間是存有因素水準 互相影響，故本研究將分別對各因子進行交 互作用分析，表八為各因子配置表。 表八 各因子配置表 實驗次數 風扇長度 風扇電壓 風扇頻率 熱源距離 S/N 1 A1 B1 C1 D1 13.681 2 A1 B2 C2 D2 19.291 3 A1 B3 C3 D3 28.290 4 A2 B1 C2 D3 28.374 5 A2 B2 C3 D1 21.156 6 A2 B3 C1 D2 20.009 7 A3 B1 C3 D2 14.988 8 A3 B2 C1 D3 28.873 9 A3 B3 C2 D1 21.655 交互作用計算結果得到 A×C、B×A、 B×C、C×A、C×B 之間存在有交互作用，而 A×B、A×D、B×D、C×D 則無交互作用。接 著由回應表中最為顯著之控制因子即為熱源 距離之第三水準 D3 與其他各水準相配以得 到交互作用下的最佳參數組合，其交互配置 如下表表九至表表十一所示。 表九 D3 因子與 A1A2A3 因子之影響程度 交互 作用 D3 A1 28.290 A2 28.374 A3 28.873 表十 D3 因子與 B1B2B3 因子之影響程度 交互 作用 D3 B1 28.374 B2 28.873 B3 28.290 表十一 D3 因子與 C1C2C3 因子之影響程度 交互 作用 D3 C1 28.873 C2 28.374 C3 28.290 將 D3 與其他水準相配後，可以得到因 子交互作用之顯著因子組合為 A3B2C1，再 與 D3 組合後可以發現，此組交互作用下之 因子組合與L9直交表第八組配置組合相同， 其S/N 也是此 L9直交表因子組合內S/N 比最 大之參數，故可得到最佳交互作用出的最佳 化參數會出現在L9直交表因子組合內，即為 交互作用最佳參數組合。 藉由 ANOVA 分析可得到貢獻度比，也 可彌補田口式實驗之實驗參數對品質特性之 27.800 28.000 28.200 28.400 28.600 28.800 29.000 1 2 3 D3與A因子 影響程 度 值 27.800 28.000 28.200 28.400 28.600 28.800 29.000 1 2 3 D3與B因子 影響 程 度 值 27.800 28.000 28.200 28.400 28.600 28.800 29.000 1 2 3 D3與C因子 影響 程 度 值
影響，能補償誤差程度不足處。在表十二為 變異數分析配置表中，經計算得到熱源距離 貢 獻 度 78.71% 為 最 高 ， 其 次 為 風 扇 電 壓 13.71%。推定最佳因子組合當以熱源距離與 風扇電壓為優先考量，並依據回應表、回應 圖及變異數分析之結果推定最佳因子組合， 所得之最佳因子組合為A2B3C2D3。 表十二 變異數分析 因子 變動(S) 自由度(F) 變異(V) 純變動(S') 貢獻度 A.風扇長度 Sa = 11.42 2 Va = 5.71 Sa' = 11.42 4.43 % B.風扇電壓 Sb = 35.31 2 Vb = 17.65 Sb' = 35.31 13.71 % C.風扇頻率 Sc = 8.12 2 Vc = 4.06 Sc' =8.12 3.15 % D.熱源距離 Sd = 202.77 2 Vd =101.39Sd' = 202.7778.71 % e.誤差 Se = 0.00 0 0.00 eT.誤差調和 SeT = 0.00 0 VeT = 0.00 SeT '= 0.00 0.00 % ST 總和 ST = 257.62 8 ST' = 257.62 100.00 為顯示CAE 分析的可靠度與正確性，將 此參數帶回 Fluent 分析，所得溫度散熱量為 29.594℃，溫度分佈如圖四十五所示，S/N 比 值為29.424dB，雖與預測結果計算值不同， 但由最佳參數組合與直交表參數組合進行分 析之散熱量比較後可得知，由田口最佳化法 的最佳參數組合所分析結果是可以增加散熱 量的，故此組合是可達到增加散熱效率的效 果。 X Y -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 total-temperature 336 334 332 330 328 326 324 322 320 318 316 314 312 310 308 306 304 302 300 (m) (m ) k 圖四十五 最佳參數組合模擬之散熱量 2.5 壓電式冷卻系統外型之製程規劃 本計畫製程步驟如圖四十六所示，製程 是使用雙層SU-8 厚膜光阻配合犧牲層技術： 步驟一、在晶圓上濺鍍一層約3000Å 的鉻金 屬作為中介層。 步驟二、在鉻上濺鍍一層約3000Å 的銅作為 犧牲層。 步驟三、先在銅上利用塗佈機，分兩階段旋 轉塗佈厚度約 100µm 的 SU-8 厚膜光阻，靜 置後進行軟烤。 步驟四、經曝光及曝後烤，進行顯影，可在 SU-8 光阻上得到扇形外型結構，曝光方式是 使用接觸式曝光方式。 步驟五、顯影後，再以氯化鐵將犧牲層銅移 除，即可得到壓電式冷卻系統外型，其結構 如圖四十七所示。 圖四十六 壓電式冷卻系統外型製程流程圖 2 mm 圖四十七 壓電式冷卻系統外型
使用白光干涉表面輪廓儀來量測結構厚 度，利用白光干涉理論進行表面輪廓量測， 經由干涉儀量得測波面與基礎波面間的相位 差，利用相位重建技術來獲得最高點與最低 點的輪廓結構，結果如圖四十八所示，厚度 為185.10 µm。 厚度=185.10 µm 圖四十八 白光干涉表面輪廓儀量測結果 2.6 控制設計與系統實現 本 文 為 降 低 外 在 環 境 干 擾 ， 驗 證 其 Fuzzy-PID 之可行性，故針對前述之實際架構 進行溫度控制。經由控制器設計後，透過個 人電腦達到即時控制，圖四十九為實驗之硬 體架構方塊圖，使用套裝軟體 Labview 撰寫 溫度控制程式，控制壓電式冷卻系統輸出電 壓量。在類比輸出方面，採用美商國家儀器 NI-6014 介面卡，其具有 16 bit D/A 轉換器， 轉換後的類比輸出控制命令再經由功率放大 器放大之後，用以驅動壓電式冷卻系統。功 率放大器(SVR 150-3)，輸出電壓範圍為 -115 ～115V，放大倍率為 11.5 倍，回授則是藉由 AD590 量取溫度訊號，溫度訊號透過 A/D 轉 換器讀回電腦，再經由電腦運算，如此，即 完成整個閉迴路控制系統，圖五十為實驗硬 體架構實體圖。 功率放大器 A/D Card 加熱器 CCD 功率控制電路 D/A Card 壓電式風扇 顯微鏡 電腦 雷射位移計 AD 590 ℃ Labview 控制程式 數 位溫 度 計 圖四十九 實驗之硬體架構方塊圖 圖五十 實驗硬體架構實體圖(PTC 加熱器) 2.6.1 開關溫度控制 一般開關控制法，即一但超越所設定的 溫度時，壓電式冷卻系統立即以全速對熱源 進行冷卻；反之，一但偵測到溫度低於設定 值時，壓電式冷卻系統立刻關閉。此控制法 雖然能控制溫度，但溫度上下震盪幅度過 大，控制介面如圖五十一所示，其控制結果 如圖五十二所示。 溫度顯示 溫度設定 溫度警示燈 電壓輸出量 數據輸出 強制輸出電壓 圖五十一 開關控制器程式 圖五十二 開關溫度控制(PTC 加熱器) 2.6.2 PID 溫度控制 使用 Ziegler-Nichols 調整法後，得出 PID 各 個 參 數 為 KP =21.532 、 KI =0.072 、
0.018 D K = ，此時，量測出的壓電式冷卻系 統溫度訊號，相較於開關溫度控制更能精確 的控制溫度範圍，但結果需約 250 秒後溫度 才趨於穩定，控制介面如圖五十三所示，其 控制結果如圖五十四所示。 PID 參數設定 圖五十三 PID 控制器程式 圖五十四 PID 溫度控制(PTC 加熱器) (KP =21.532,KI =0.072,KD=0.018) 經由 Ziegler-Nichols 調整法並不能得到 很滿意的結果，所以必須依靠經驗再對 PID 参數作微調，使閉迴路系統得到較佳的暫態 響應。所以 Ziegler-Nichols 調整法提供一種 有經驗的猜測，並對PID 参數的調整提供一 個很好的開始。 經過對PID 參數微調後的結果，如圖五 十五所示，與 Ziegler-Nichols 法則調整結果 圖比較，可以明顯的看出，經由微調後的系 統，不論在最大超越量、穩態誤差、趨穩時 間等，都改善了原始系統的輸出響應，進而 得到較佳的PID 控制器參數設計。 圖 五十五 修正PID 溫度控制(PTC 加熱器) (KP =13.532,KI =1.275,KD =0.018) 2.6.3 Fuzzy-PID 溫度控制 當發熱元件產生熱量，使機殼內溫度升 高，則溫度檢測電路把溫度變化信號送回輸 入端和給定的溫度進行比較，再產生偏差、 偏差變化率信號，經模糊控制器進行模糊化 與解模糊化所產生控制信號，對K 、p K 、i Kd 進行調整，進而對壓電式冷卻系統進行更準 確的控制。Fuzzy-PID 溫度控制系統結構如圖 五十六所示。 de/dt Fuzzy規則 PID控制器 壓電式冷卻系統 － 輸入 e ＋ △ Kd △ Kp △ Ki 輸出 KP=kP’+△kp KI =kI’ +△ki KD=kD’+△kd 圖五十六 Fuzzy-PID 方塊圖 故本文是將溫度訊號偏差與偏差變化率 乘以一個比例因子，使之模糊量化，並訂定 △K 、△p K 、△i K 均為[-6,6]值域的模糊集d 合函數，輸入與輸出變數的語言值均分為七 個語言值：NB、NM、NS、O、PS、PM、PB， 歸屬度函數採用靈敏性強的三角函數，為增 強系統的穩健性，提高歸屬度函數的分辨 率，在 0 值附近的函數形狀取的更陡，如圖 五十七所示；依調整經驗和技術知識總結成 為IF（條件）THEN（結果）形式的 49 條模 糊規則，如表十三~表十五所示。本文控制器 解模糊化採用重心法求取輸出量的精確值。
值域 -1.5~1.5 圖五十七 模糊歸屬度函數 表十三 模糊△K 參數規則表p [24] NB NM NS O PS PM PB NB PB PB NB PM PS PS O NM PB PB NM PM PS O O NS PM PM NS PS O NS NM O PM PS O O NS NM NM PS PS PS O NS NS NM NM PM O O NS NM NM NM NB PB O NS NS NM NM NB NB E Kp Ec △ 表十四 模糊△K 參數規則表i [24] NB NM NS O PS PM PB NB O O NB NM NM O O NM O O NM NM NS O O NS O O NS NS O O O O O O NS NM PS O O PS O O O PS PS O O PM O O PS PM PM O O PB O O NS PM PB O O E Ki Ec △ 表十五 模糊△K 參數規則表d [24] NB NM NS O PS PM PB NB PS PS O O O PB PB NM NS NS NS NS O PS PM NS NB NB NM NS O PS PM O NB NM NM NS O PS PM PS NB NM NS NS O PS PS PM NM NS NS NS O PS PS PB PS O O O O PB PB E Kd Ec △ 因 PID 控制器之K ,P K ,I K 皆為一固定D 值，故對PID 參數進行及時微調將有助於溫 度更有效之控制。由於模糊控制器的輸入、 輸出變量都是精確量，模糊推理是針對模糊 量進行的，因此，控制器首先要對輸入量進 行模糊化處理。故首先從實驗中求得溫度上 下限範圍與溫度變化率大小，其值如下所示： e的基本論域為：［43℃，66℃］ ec的基本論域為：［-0.3，0.1］ △Kp的基本論域為：［－1，1］ △Ki的基本論域為：［－0.004，0.004］ △Kd 的基本論域為：［－0.001，0.001］ 以上各變量的模糊量分別為：E、EC、 △KP、△KI、△KD，其論域均為［－6，－ 5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5， 6］，由於在實際工作中,輸入量的範圍一般 不會落在[-6,6]之間，如果其實際範圍在[a,b] 之間，可透過下列公式的轉換使之落於[-6 , 6] 之間： 12 2 a b y x b a + ⎡ ⎤ = ⎢ − ⎥ − ⎣ ⎦ (23) 採用重心法求取輸出量的精確值，得出 模糊判決後的清晰量（y*）。將 y*乘於一輸 出量的比例因子，各修正參數比例因子為： * * * 1/ 6 1/1500 1/ 6000 p p i i d d k y k y k y ∆ = × ∆ = × ∆ = × (24) 輸入到 PID 控制器的參數由下列公式計 算得出： ' ' ' P P p I I i D D d k k k k k k k k k = + ∆ = + ∆ = + ∆ (25) 最後將上述所設計之 PID 參數與 Fuzzy 規則相互結合應用在壓電式冷卻系統對加熱 器散熱，控制介面如圖五十八所示。此時， 量測出的壓電式冷卻系統溫度訊號在 50±1 ℃以內，此 Fuzzy-PID 溫度控制器相較於一 般 PID 溫度控制器，不論在最大超越量、穩 態誤差、趨穩時間等有更加良好的控制能 力，其控制結果如圖五十九所示。 Fuzzy-PID 輸出量 圖五十八 Fuzzy-PID 控制器程式
圖五十九 Fuzzy-PID 控制溫度 (PTC 加熱器)
2.6.4 Fuzzy-PID 溫度控制應用在 Intel®ICH7
晶片 在證明Fuzzy-PID 比傳統 PID 有更好的 控 制 效 果 後 ， 將 其 Fuzzy-PID 應 用 在 Intel®ICH7 晶片散熱。首先將壓電式冷卻系 統黏接上所設計之 6 mm 長扇形外型並配置 田口最佳化參數，其實驗硬體架構實體如圖 六十所示。 圖六十 實驗硬體架構實體圖(Intel®ICH7 晶 片) 針對Intel®ICH7使用Z-N法則求出PID參 數 為 KP =5.287 、 KI =0.056 、 KD =0.013 後，並依據溫度誤差與誤差變化率訂定出 Fuzzy論域，其值如下所示： e的基本論域為：［36℃，53℃］ ec的基本論域為：［－0.15，0.1］ △Kp的基本論域為：［－1，1］ △Ki的基本論域為：［－0.004，0.004］ △Kd 的基本論域為：［－0.001，0.001］ 以上各變量的模糊量分別為：E、EC、 △KP、△KI、△KD，其論域均為［－6，－ 5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5， 6］。最後將上述所設計之 PID 參數與 Fuzzy 規 則 相 互 結 合 應 用 在 壓 電 式 冷 卻 系 統 對 Intel®ICH7 晶片之散熱，此時，量測出的壓 電式冷卻系統溫度訊號，如圖六十一所示。 圖六十一 Fuzzy-PID 控制溫度與輸出電壓 (Intel®ICH7 晶片) (KP =5.287、KI =0.056、KD =0.013) 3. 結果與討論 3.1 壓電式冷卻系統振動分析 經由 Ansys 分析後，得知壓電風扇之模 擬值與實驗值相當接近，其誤差產生的原因 為： (1) 壓電風扇組裝時，因為是人工組裝的關 係，造成壓電片與Mylar 葉片推進點產生 偏移或無完全貼合，使得輸出力無法完全 傳達。 (2) 夾持器固定壓電風扇基座，因基座較夾持 器短，無法緊密貼和夾緊，使壓電風扇振 動時基座產生晃動。 (3) 透過資料擷取卡(Data Acquisition，DAQ) 與功率放大器輸出電壓值與頻率，因延遲 現象使輸出訊號與電腦設定值產生誤差。 經由振動分析得知，當壓電片輸入電壓 越大所產生相對應的位移量與應力值也越 大。在黏接上所設計之SU-8 外型後，其共振 位移量會隨著外型長度增長而變大，而共振 頻率則反之。此振動分析與驗證，將可為爾 後田口最佳化法之振動實驗數據，使用Ansys 模擬數據取代，以節省實驗所花費之時間。 3.2 壓電式冷卻系統流場分析 本文將溫度模擬數據與實驗數據比較 後，發現其 Fluent 模擬軟體具有相當之準確 性，其誤差產生的原因為： (1) 所編寫 UDF 程式碼設定值與壓電風扇實 際輸出振動頻率與位移並非一致。 (2) 所架構之壓克力空間以外環境無法有效 規範，容易干擾實驗數據，如冷氣、電腦 或其它發熱電子產品等。
(3) 模擬之熱源能量與加熱器所設定輸入功 率，因外在環境導致輸入功率不一致。 (4) 加熱器尺寸誤差與內部材質缺陷，使電熱 轉換效率降低，導致無法達到與模擬相對 應之溫度。 (5) 溫度感測器與加熱器表面相互接觸不完 全，導致熱能無法完全傳遞至溫度感測 器。 此溫度之模擬分析與驗證，將可為爾後 田口最佳化法之溫度實驗數據，使用 Fluent 模擬數據取代，以節省實驗所花費之時間。 3.3 田口最佳化設計之壓電式冷卻系統 本研究以探討壓電式冷卻系統中參數相 互影響效應與模擬結果，並決定冷卻參數的 基本組，再利用田口品質規劃法與交互作用 計算得到最大冷卻效率之最佳參數組，分析 結果討論如下敘述： (1) 田口分析散熱量最佳化：由回應表、回應 圖可得到最佳因子組合為A2B3C2D3。由 變異數分析可知D因子熱源距離對散熱 量的影響最大，貢獻度為78.71 %，其次 為B因子風扇電壓，貢獻度為13.71 %，推 定最佳因子組合以熱源距離與風扇電壓 為優先考量。 (2) 交互作用對於參數之影響：由交互作用表 可得到因子間其實有交互作用產生的現 象，故若忽略因子間交互作用恐會影響最 佳化參數條件的選定。而由交互作用表中 也 得 到 最 佳 交 互 作 用 因 子 組 合 為 A3B2C1D3，此交互作用因子組合與L9直 交表第八組配置組合相同，且其S/N比也 是 此L9直 交 表 因 子 組 合 內 最 佳 之 參 數 組 ， 推 定 交 互 作 用 最 佳 因 子 組 合 A3B2C1D3無法增加散熱量，故模擬分析 結果所得到的交互作用並不會增加散熱 量，故不採用此參數組合。 (3) 模擬分析之結果：田口規劃法所得到最佳 參 數 組 合 分 析 結 果 是 可 以 增 加 散 熱 量 的，故確認此組合 A2B3C2D3 是可達到 最佳化研究目標。 3.4 SU-8 厚膜光阻微影製程 在微影製程時，由於SU-8 厚膜光阻，在 結構深寬比較一般光阻高，因此在製作的過 程中對於光阻塗佈、光罩設計、材料附著性、 曝光劑量、顯影、電鑄品質等各項參數，需 要有相當的規劃，否則將會因部分製程出問 題，導致整個結構有不完全或損壞的情形， 對後續製程成敗有極大的影響。本文結構厚 度目標為200 µm，雖一開始先排除自動塗佈 機輸送管出口處一些SU-8 光阻，但因輸送管 內還是有殘留些許小氣泡，導致 SU-8 旋開 後，厚度產生誤差，故未來可視擠出劑量多 寡，依經驗斟酌添加SU-8 光阻劑。 3.5 實際溫度控制 由實驗中可以得到，溫度無法達到更穩 定的控制，其可能造成的原因如下： (1) 在實際控制時，訊號由電腦傳出透過 DAQ卡輸入系統，再由系統藉由DAQ卡 傳入電腦，在訊號傳輸上所造成延遲的結 果。 (2) 所建構之壓克力空間與電腦機殼，無法隔 絕外界所有環境之干擾與機殼內部其他 發熱元件之干擾。 (3) 發熱元件所使用之電源輸入功率變動，導 致發熱元件表面所產生之溫度不固定。 雖然由於上述原因使溫度無法完全穩 定，達到更精確的溫度控制，但此Fuzzy-PID 控制器確實能達到控制壓電式冷卻系統，使 加熱器表面溫度維持在設定範圍內。最後， 將其壓電式冷卻系統控制程式應用在桌上型
電腦ASUS P5LD2-VM 內建 Intel®ICH7 晶片
上，也確實能達到有效控制溫度之目的。 四、結論 本文利用田口法來作為結構設計的基 礎，並針對外型做振動與流場分析，完成壓 電式冷卻系統最佳化設計，使用SU-8厚膜光 阻技術來製作冷卻系統之扇形外型，並結合 Fuzzy-PID控制器達成熱源表面有效之溫度 控制。 五、計畫成果自評 最後本研究所完成之工作如下： (1) 在外型設計部分，針對ASUS主機板型號 為P5LD2-VM的內建Intel®ICH7晶片散 熱鰭片為設計外型依據。 (2) 在壓電式冷卻系統振動分析，以有限元 素軟體Ansys分析壓電式冷卻系統在不 同的參數下對於輸出性能的影響。
(3) 在壓電式冷卻系統流場分析，以計算流 體力學軟體Fluent分析壓電式冷卻系統 在不同的參數下對發熱元件散熱效率的 影響。 (4) 驗證本實驗室所建立的壓電式冷卻系統 與有限元素分析軟體Ansys、計算流體力 學分析軟體Fluent之準確性是相當高的。 (5) 在外型最佳化方面，是利用田口最佳化 法，以Ansys軟體搭配Fluent軟體將模擬 數據取代實驗數據，減少實驗所需花費 時間；並以L9直交表法減少模擬次數， 求出最佳壓電式冷卻系統配置環境。 (6) 製程部分則是使用微影製程來完成，利 用厚膜光阻SU-8作為結構材料實作出結 構厚度均為185.10 µm。 (7) 在PID控制方面，利用Ziegler-Nichols 法 則找出系統中的最佳參數值，經由實際 控制，發現此法則可有效改善溫度控制 之誤差量，但最後需靠經驗做更進一步 的調整，使溫度達到更好的控制。 (8) 在Fuzzy-PID控制方面，利用模糊特性以 當時環境作即時微調PID各個參數，驗證 使用Fuzzy-PID控制器比單純使用PID控 制器效果更加良好，PTC加熱器之溫度 控制在50±1 ℃以內。 (9) 將完整之壓電式冷卻控制系統應用在 Intel®ICH7晶片散熱鰭片上，其結果可有 效控制溫度範圍在45±1 ℃以內。 參考文獻
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