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基于流动沸腾换热的微通道热沉具有所需泵功小、换热系数高、温度分布均匀等优点,是一种适用于高热流密度微电子器件的极具应用前景的散热技术。然而随着电子器件朝微小型化和高度集成化的方向发展,单位面积功耗也愈加增大,导致发热强度的不断攀升,这给微通道冷却技术带来了极大的挑战。为了应对该问题,微尺度针肋结构开始被引入到微通道换热器中,旨在强化通道内的流动沸腾换热性能。另一方面,热流密度不断攀升引发的流动沸腾不稳定性也成为制约微通道冷却技术发展的重要因素,其引发的流量、压降振荡和壁面热点会导致一系列控制和安全问题。为此,本文提出了一种底部带微柱阵列的硅基腔槽热沉,腔槽通道底部的微柱阵列仅为腔槽深度的1/9,这在强化流动沸腾的同时给予了气泡更大的生长空间,以延缓和抑制流动沸腾不稳定性的发生。本文采用标准的MEMS工艺,设计并加工了两类腔槽热沉。第一类为常规入口型光滑表面（SMC）腔槽热沉和常规入口型大直径微柱阵列（LMPA）腔槽热沉;第二类为分叉结构入口型大直径微柱阵列（LMPA）腔槽热沉和分叉结构入口型小直径微柱阵列（SMPA）腔槽热沉。同时,设计构建了一套适用于研究低质量流率下（88.1-176.2 kg/（m~2·s））腔槽热沉内流动沸腾换热特性的实验系统。主要内容和结果如下:（1）基于高速可视化技术和红外测温技术,记录并分析了常规入口型SMC腔槽热沉与常规入口型LMPA腔槽热沉内的流动沸腾行为和背部壁温,研究了不同工况下两种热沉内的流动沸腾特性,对比分析了微柱阵列对流动沸腾特性的影响。研究发现,常规入口型SMC腔槽热沉的光滑表面无法提供充足数量的有效核化穴,导致工质相变所需的壁面过热度过高（约为15.1℃）。沸腾发生后,处于高度亚稳定状态的工质直接由单相流动状态转变为不稳定流动沸腾状态。常规入口型LMPA腔槽热沉内的微柱阵列显著降低了工质沸腾所需的壁面过热度（降低了约9.9℃）,工质可由单相流动状态平稳过渡至稳定流动沸腾。但当受限大气塞出现并发生返流时,热沉内仍出现了不稳定流动沸腾。（2）考虑到腔槽热沉上游的可压缩性容积对不稳定流动沸腾的影响,提出了一种分叉导流结构的入口段形式,对分叉结构入口型LMPA腔槽热沉内的流动沸腾特性进行了系统研究,对其热沉内部工质的流型进行了观测。实验过程中观察到了泡状流、受限气泡流、受限气塞流和搅混流四种典型流型,且没有观察到受限气塞的返流现象,说明分叉结构有效地增加了入口段的刚度,抑制受限气塞向上游膨胀,显著削弱了流动沸腾不稳定性;在实验过程中依然监测到了腔槽热沉内温度随时间的周期波动,表明分叉结构入口型腔槽热沉内仍然会发生不稳定流动沸腾。分析认为腔槽内出现的两种交替出现的流型（受限气塞流和搅混流）所引起的换热能力和局部压力波动是诱发流动沸腾不稳定性的主要原因。另外,采用小直径的微柱阵列（SMPA）替代大直径的微柱阵列（LMPA）,旨在适当地减少汽化核心数,在不过度恶化腔槽热沉换热性能的同时,延缓受限气塞的生成,从而延缓流动沸腾不稳定性。研究表明,小直径微柱阵列（SMPA）可以更好地延缓和抑制腔槽热沉内的不稳定流动沸腾的发生。大直径微柱阵列（LMPA）的设计可以显著降低不稳定流动沸腾模式下腔槽壁面温度的波动幅度,从而提高了腔槽热沉运行的可靠性。（3）对三种底部带微柱阵列腔槽热沉的沸腾换热性能进行了研究。结果表明,稳定流动沸腾模式下两种LMPA腔槽热沉内的换热性能非常接近,较SMPC腔槽热沉的换热系数增加了约8.5%。当流动沸腾不稳定性发生后,分叉结构入口型SMPA腔槽热沉的换热系数由22.9降至21.2 k W/（m~2·K）,而分叉结构入口型LMPA腔槽热沉的换热系数由21.6增至22.7 k W/（m~2·K）)。基于这一发现,研究了两种分叉结构入口型腔槽热沉的局部换热特性,并对其局部液膜的演变行为进行观测。研究表明,分叉结构入口型SMPA腔槽热沉下游的局部换热系数在受限气泡流出现后开始波动,并在发生不稳定流动沸腾后由30.7降至21.6 k W/（m~2·K）,分叉结构入口型LMPA腔槽热沉下游的局部换热系数随着热流密度的增加稳步提高,在发生不稳定流动沸腾后最高由28.3增至31.1 k W/（m~2·K）。分析认为LMPA具备较强的吸液能力,有利于液相的储存和补充,维持了腔槽下游区域的液膜蒸发和沸腾,从而强化了沸腾换热性能。