近期，华为官网最新上架了一款微泵液冷手机壳引起了大家的关注，这款壳采用高品质的PC材质制作而成，同时后背设计了科技背透视窗，实时观察相变材料的流动效果，给用户呈现出极具未来感的视觉和使用体验。本文以作者观点浅析液冷微泵手机壳背后相关技术：
技术一：高性能PCM
华为官方提出壳体内侧的高性能相变材料 PCM，内含两亿颗微胶囊，可在使用过程中持续吸收热量，有效延缓手机温升，实时维持清爽好手感。通俗地讲，就是当手机温度升高时，PCM材料发生固-液相变并吸收热量；而当手机温度低于PCM相变温度时，PCM材料由液-固相变释放热量，从而使手机保持在最佳工作温度的范围内。
技术二：智能启动+无线充电
另外，微泵液冷手机壳能够根据手机使用温度及场景，智能启停液冷功能；该款手机壳并不支持充电功能，它的电力来源是来自于搭配的华为Mate60Pro系列手机的无线充电技术。只要打开手机的反向无线充电功能，手机壳就会自动开始工作。另外值得注意的是，微泵液冷手机壳的功耗非常微小，因此整体的耗电量也不会太大。既提升了使用的便捷性，又无需担心对续航有影响。
技术三：液冷散热
液体的比热容往往比固体更大，利用这个原理，给手机加了个便携微型“水冷”装置，让手机的散热变得更优秀。液冷系统的关键部件为驱动液体流动的驱动泵。大尺寸的驱动泵很常见，但是当驱动泵的尺寸缩小时，会带来各种问题：驱动力大大减小，加工难度和精度要求大大增加，泵本体强度减弱等问题。毫米级微泵的概念在几十年前已经提出，但是一直没有在终端产品实现量产，华为成功实现了量产落地。
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该款手机壳加装2颗60立方毫米级的微泵，而且该款微泵提供的驱动压力能够达到100kPa以上，然后通过芯片来控制冷却液的流动速度。这样内部的冷却液就可以持续地循环，确保手机壳的热量分散到整个壳体，可以成功的避免了局部SoC过热的问题。
01 微射流冷却技术—驱动泵
通常来说液冷系统的微型化，一方面依赖微型热沉换热性能的提高，另一方面则依赖微型流体驱动泵的性能改善。在环路液冷系统中，流体在一定温度波动范围内，要求微型流体驱动泵的驱动性能在温度波动时具备稳定性。此外，微型环路液冷系统中，微型热沉的压降阻力较大，这要求微型流体驱动泵具有较大的驱动能力。
微型流体驱动泵的种类繁多，按是否具有运动部件的标准，可分为有运动部件驱动泵和无运动部件驱动泵。无运动部件的微泵，主要包括电流体驱动泵、磁流体驱动泵、气泡驱动泵等。而有运动部件的微泵，主要包括旋转式微泵和隔膜振动微泵两种。
振动隔膜泵根据改变腔体容积的驱动部件类型，可分为热驱动微泵、静电驱动微泵、形状记忆合金驱动微泵和压电驱动微泵这几类。
压电微泵是由压电振子、泵阀和泵体组成，示意图如下图所示。压电振子利用压电陶瓷的逆压电效应特性，可将电能转换为机械能，而作为压电泵的驱动源，压电振子的工作特性对压电泵能否正常工作以及输出流体能力的高低有着举足轻重的影响。
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在实际工作中，当压电振子两端施加交流电时，压电振子在电场作用下径向压缩，内部产生拉应力，从而使压电振子弯曲变形。当压电振子正向弯曲时，压电振子伸长，泵腔容积增大，腔内流体压力减小，泵阀打开，液体进入泵腔；当压电振子向反向弯曲时，压电振子收缩，泵腔容积减小，腔内流体压力增大，泵阀关闭，泵腔液体被挤压排出，形成平缓的连续不断的定向流动。
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压电微泵其中核心的零部件就是压电陶瓷，压电陶瓷的优异的电学性能和机械性能与微泵的驱动力有着密不可分的关系。
02 关于压电陶瓷
压电效应就是可以实现电信号和机械信号之间的耦合，在能量相互转化的过程中根据能量不同的转换方法可以把压电效应分为两类，分别是正压电效应和逆压电效应。具有这种压电效应的材料可以被称作为压电材料。正压电效应如图(a)所示，给压电材料沿着某个特定方向施加一个外力的作用，压电材料除了产生形变之外还会产生电信号。逆压电效应如图(b)所示，给压电材料施加一个电信号，由于外电场的作用会使得压电材料表现出形变。
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压电效应是由居里兄弟在一八八零年的时候在石英单晶中发现的。压电效应被成功的发现之后引起了该领域的研究热潮，并且吸引到了各个国家的科学家的重大关注。
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压电材料作为一种新兴的功能材料在微电子和航空航天领域等高端领域有非常大的应用潜力，因此压电材料得到了各个国家投入了大量的精力研究。利用压电材料所特有的压电效应，研究人员可以把压电材料制备成医用超声换能器、滤波器、压电能量采集器、 医用B超探头、铁电存储器等已经成功实现了广泛的应用在国防领域、医学、航天以及 人类生产和生活的各个领域。
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根据压电陶瓷的化学元素组成中是否包含铅元素的分类方法可以把压电陶瓷分为两类，分别是含铅压电陶瓷和无铅压电陶瓷。含铅压电陶瓷在制备的过程中的由于铅熔点低，易挥发还有毒，所以环保性方面与无铅陶瓷相比处于劣势。在压电陶瓷领域也有很大一部分科学家致力于研究无铅陶瓷，希望能够开发出具有优异的电学性能的同时还是无铅陶瓷。但是目前对于这两类陶瓷来说，含铅陶瓷的电学性能比无铅陶瓷优异，所以目前市场上应用为主的还是PZT系列的含铅压电陶瓷。PZT材料不仅可作为一种性能优异的驱动材料，同时也是非常理想的传感材料。如今，PZT块体陶瓷材料被广泛的应用于各种传感器、致动器和换能器，如压电超声马达、压电微泵、医用超声换能器和线性致动器等。通过压电陶瓷制成的压电微泵具有体积小、没有复杂旋转部件、驱动性能好等优势，可在微型环路液冷系统中得到良好应用。
03 压电陶瓷制备流程
工艺流程图如下：配料--球磨--预烧--二次球磨--造粒--成型--排塑--烧结成瓷--外形加工--被电极--高压极化--老化测试。
配料：进行料前处理，除杂去潮，然后按配方比例称量各种原材料，注意少量的添加剂要放在大料的中间。
混合磨细：目的是将各种原料混匀磨细，为预烧进行完全的固相反应准备条件，一般采取干磨或湿磨的方法。小批量可采取干磨，大批量可采取搅拌球磨或气流粉碎的方法，效率较高。
预烧：目的是在高温下，各原料进行固相反应，合成压电陶瓷.此道工序很重要。会直接影响烧结条件及最终产品的性能。
二次细磨：目的是将预烧过的压电陶瓷粉末再细振混匀磨细，为成瓷均匀性能一致打好基础。
造粒：目的是使粉料形成高密度的流动性好的颗粒。方法可以手工进行但效率较低，高效的方法是采用喷雾造粒，此过程要加入粘合剂。
成型：目的是将制好粒的料压结成所要求的预制尺寸的毛坯。
排胶：目的是将制粒时加入的粘合剂从毛坯中除掉。
烧结成瓷：将毛坯在高温下密封烧结成瓷。此环节相当重要。
外形加工：将烧好的制品磨加工到所需要的成品尺寸。
被电极：在要求的陶瓷表面设置上导电电极。一般方法有银层烧渗、化学沉积和真空镀膜。
高压极化：使陶瓷内部电畴定向排列，从而使陶瓷具有压电性能。
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老化测试：陶瓷性能稳定后检测各项指标，看是否达到了预期的性能要求。
04 压电陶瓷微观结构
目前研究的压电陶瓷主要都是以 ABO3型钙钛矿结构为主，具有钙钛矿结构的铅基弛 豫铁电体也是目前研究最广泛的压电陶瓷之一。如下图所示的是ABO3型钙钛矿 结构的示意图，从图中可以看出该结构可以被简单的看做一个简单立方，顶点位置的 A 代 表的是离子半径较大的阳离子，体心位置的 B 代表的是离子半径小的小的阳离子，面心 位置的是O2-。常见的 A 位填充的离子有 Li+、Na2+、Pb2+、Ca2+等离子。B 位置通常为离 子半径较小阳离子，填充八面体的空穴，常见的 B 位离子有 Ti4+、Zr4+、Nb5+等离子。
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从图中可以看出 B 位的离子是在八面体的中心，A 位离子在八面体的孔隙处。从图 中可以看出钙钛矿结构是通过许多氧八面体构成的。钙钛矿结构的压电材料发展 到现在，已经明确了电学性能与结构有密切关系，也就是说钙钛矿结构的铁电材料的结构 也是会随温度的变化而发生变化。例如，当温度超过居里温度的时候该结构就会变成立方结构的顺电相，此时它的晶胞参数就是为 a=b=c，此时就会发生正负电荷中心重合的现象， 所以不会对外显示压电性。相反，如果温度低于居里温度的时候，就会维持铁电相结构， 例如四方相或者三方相等，这时就会导致晶胞参数不相等。例如四方相 c>a=b，此时正负电荷的中心就会发生相对位移，此时B位的离子会偏移氧八面体中心，这个时候材料就会在这个方向呈现出极性，也可以把这个称为自发极化。
05 结语
压电微泵是集机械、电子、材料以及流体等诸多学科于一体的综合性研究课题，研究机构遍布世界十几个国家，研究的重点也由以前的结构原理型向实用化方向转变 ,研究内容包括：仿真分析、优化设计，加工方法，以及适于规模化生产的新型压电材料(硅复合压电薄膜)。压电泵总的发展趋势是向着高压、大流量，以及结构尺寸微型化、低能耗、输出流量高精度方向发展。同其他国家相比，我国压电微泵研究较晚，有关的理论与试验尚处于起步阶段，在未来应该着重解决压电泵的实用性研究方面的问题，主要包括 : (1) 结构分析及参数优化设计：主要包括腔体、阀及管道尺寸因素分析与设计 ,多腔体压电泵的联接特性等 ; (2)产品部件化：开发耗能低 (低电压、高频率或可用直流电驱动) 、集成化的便携式控制系统，如便携式医用点滴注射器、内植式自动给药系统等；(3)开发压电控制主动阀，实现高频下流量的精确控制。
