（工程热物理专业论文）微纳薄膜传热及微气泡动力学研究.pdf

摘要 摘要 近年来自然科学和工程技术发展的一个重要趋势是朝微型化迈进，微器件 尤其是微电子机械系统正被应用于各个新兴行业。在器件的微型化过程中，发 现了诸多宏观流体力学和传热学难以解释的现象，这些现象称为微尺度效应， 由于微器件中存在大量的传热和传质交换，因此微尺度热效应是微尺度效应的 一个重要分支。 本文在微流体控制的应用背景下，以微传感器、微执行器等微器件广泛采 用的薄膜微加热器为对象，从如下三个角度探讨薄膜微加热器的微尺度效应与 微气泡动力学现象： 1 气泡产生前薄膜微加热器的温度场研究 由于微尺度效应薄膜微加热器的温度具有与常规尺度下的加热器不同的温 度场分布，而目前薄膜加热器上的温度主要根据加热膜的电阻一温度校正曲线， 通过获取通过加热膜的电阻来间接测得薄膜加热器上的温度，而此温度为薄膜 上的平均温度值。本文通过数学理论推导，获得了方形薄膜微加热器上温度的 数学分析解，并据此得到了加热膜上的三维温度场分布。经过与现有的实验结 果进行对比后证明此分析解符合物理实际。 2 微气泡底层的薄液膜研究 对薄膜微加热器表面加热后，所产生气泡与加热膜之间存在一层薄液膜。 有关薄液膜方面主要集中在对管内产生的气弹和管壁之间的液膜研究，有关微 加热膜表面受热后产生气泡和加热膜表面之间薄液膜的研究还比较少。本文在 气泡动力学的基础上，通过数学分析，采用高阶r u n g e - k u t t a 方法对一定加热 热流密度下的薄液膜进行了计算，并对所得结果进行分析，得到了较好的效果。 3 强制对流条件下的微气泡动力学研究 理解和认识微加热器上的汽泡动力学特性对于微流控系统中微汽泡执行器 的设计和运行都具有重要的指导意义。目前，微加热器上的汽泡动力学特性研 究仍是国际研究的前沿热点，而对强制对流条件下的微气泡动力学方面的研究 比较欠缺。本文采用m e m s 工艺，设计并制作了一种尺寸为1 0 0 , a m x 2 0 , t t m 的p t 薄膜微加热器，并置于硅通道内。对在液体工质的冲刷和脉冲加热条件下产生 的气泡型态进行了分类，并研究了不同参数，如脉冲频率、占空比、液体工质 摘要 流速等对微气泡动力学的影响；对脱离加热膜后通道内的气泡流型进行了分析； 将微加热膜上的沸腾曲线与常规沸腾曲线进行对比，并对其异同进行了归纳总 厶士 各日。 关键词：微尺度传热强制对流微气泡动力学微流控薄液膜蒸发 a b s t r a c t a b s t r a c t d e v i c e sm i n i m i z a t i o ni san e wr e s e a r c hf i e l df o rs c i e n c e sa n de n g i n e e r i n g t e c h n o l o g i e s m i c r od e v i c e ss u c ha sm e m sa r ew i d e l yu s e di nm a n yi n d u s t r i e s h o w e v e r , i ti si n v e s t i g a t e dt h a tm a n yp h e n o m e n o na r ed i f f i c u l tt ob ee x p l a i n e db y r e g u l a rp h y s i c a lm e c h a n i s m ，w h i c ha r ec a l l e dm i c r o s c a l ee f f e c t s s i n c eg r e a ta m o u n t o fh e a ta n dm a s sa r et r a n s f e r r e dt h r o u g hm i c r od e v i c e s ，m i c r o s c a l eh e a tt r a n s f e ri s c r i t i c a lf o ru n d e r s t a n d i n gt h em i c r o s c a l ee f f e c t s s i n c ed e v i c e ss u c ha sm i c r o s e n s o r sa n dm i c r o a c t u a t o r su s et h i nf i l m m i c r o h e a t e r sa s t h e h e a t i n g d r i v e nc o m p o n e n t ，i th a s b e e ns t u d i e d b ym a n y r e s e a r c h e r s i nt h i s1 5 a p e r , t h ei n v e s t i g a t i o nf o c u s e so nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 t h et e m p e r a t u r ef i e l do ft h i nf i l mm i c r o h e a t e ru n d e rp u l s eh e a t i n gb e f o r eb u b b l e n u c l e a t i o n t h et e m p e r a t u r ef i e l do n at 1 1 i i lf i l mm i c r o h e a t e rd i f f e r sf r o mt h a to fa n o r m a l s i z e df i l mh e a t e r r e g u l a r l yt h et h i nf i l mt e m p e r a t u r ei si n d i r e c t l ym e a s u r e d ， a n di ti so f t e na l la v e r a g e dv a l u e i nc h a p t e r2 ，a na n a l y t i c a ls o l u t i o ni sd e d u c e df o r t h et e m p e r a t u r eo ft h et h i nf i l mm i c r o h e a t e r ，t h u st h et h r e ed i m e n s i o n a lt e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o ni sa v a i l a b l e t h ea n a l y t i c a lr e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t ht h ee x i s t e d e x p e r i m e n t a lv a l u e sa n d a r ep r o v e dr e a s o n a b l e 2 t h et i l 洫l i q u i df i l ms t u d yu n d e r m i c r ob u b b l e a st h et h i nf i l mm i c r o h e a t e ri sh e a t e d ，b u b b l e sa r eg e n e r a t e df r o ma b o v e ，a n d t h e r ei sat h i nl i q u i df i l mb e t w e e nb u b b l ea n dt h em i c r o h e a t e ru n d e r n e a t h t h ee x i s t e d s t u d i e sm a i n l yf o c u so nt h el i q u i df i l mb e t w e e nv a p o rs l u ga n dt h eh e a t e dc h a n n e l w a l l ，a n ds e l d o mi sd i s c u s s e do nt h i nl i q u i df i l mb e t w e e nh e a t e ds u r f a c ea n db o i l i n g b u b b l e ah i g ho r d e rr u n g e k u t t am e t h o di su s e dt oc a l c u l a t et h ef i l mt h i c k n e s sa n d u n d e rg i v e nh e a tf l u x ，a n dt h ed a t aw e r ea n a l y z e dw i t hg o o dr e s u l t s 3 m i c r ob u b b l ed y n a m i c su n d e rf o r c e dc o n v e c t i o n t od e s i g nab e t t e rm i c r o a c t u a t o ri nam i c r o f l u i d i cs y s t e m ，i ti si m p o r t a n tt o u n d e r s t a n dt h eb u b b l ed y n a m i c so nt h em i c r o h e a t e r s a tp r e s e n tm i c r ob u b b l e d y n a m i c su n d e rf o r c e dc o n v e c t i o ni sn o tf u l l ys t u d i e d b a s e do nm e m st e c h n o l o g y ，a p l a t i n 岫f i l mm i c r o h e a t e rf a b r i c a t e dw i t ht h es i z eo f 10 0 p r ox2 0 t i nx4 0 n m i s i i i a b s t r a c t p l a c e di nt h es i l i c o nc h a n n e l w i t hw o r k i n gl i q u i df l o w i n gt h r o u g ht h ep u l s eh e a t e d m i c r o h e a t e r , t h eb u b b l ep a r e r n sg e n e r a t e da r ec l a s s i f i e d ，a n dt h ee f f e c to f p a r a m e t e r s s u c ha sp u l s ef f e q u e n c yf ，t l h 狮l e a sw e l la st h ew o r k i n gl i q u i df l o wr a t eo nm i c r o b u b b l ed y n a m i c si sd i s c u s s e d m o r e o v e 5t h ef l o wp a r e m sa f t e rb u b b l ed e t a c h m e n ti s a n a l y z e d ，a n dt h eb o i l i n gc u r v e sa r ec o m p a r e dw i t ht h o s ep o o lb o i l i n go n e s k e yw o r d s ：m i c r o s c a l eh e a tt r a n s f e r , f o r c e dc o n v e c t i o n ，m i c r o b u b b l ed y n a m i c s ， m i c r o f l u i d i c s ，t h i nf i l me v a p o r a t i o n i v 主要术语表 主要术语表 液体的热扩散率( m 2 s ) 薄膜微加热器的热扩散率( m 2 s ) v o f 方法中的体积比函数 薄膜微加热器的定压比热容( j ( k g k ) ) 形状因子 p l a n c l e 常数；换热系数( w ( m 2 k ) ) h e a v i s i d e 函数 当量换热系数( w ( m 2 k ) ) 当量对流换热系数( w ( m 2 k ) ) 当量辐射换热系数( w ( m 2 k ) ) 当量对流+ 辐射换热系赘c ( w ( m 2 k ) ) 当量导热换热系数( w ( m 2 k ) ) 。d ，7 加，7 k ， 液弹、拉长汽泡、蒸干区的传热系数( w ( m 2 k ) ) i j z 汽化潜热( 1 d k g ) 电流值( a ) 泡核密度( m 3 s ) 一：电流密度( a m 2 ) 分子平均自由程( m ) i x 口 m c q e 厅 所 如 如 加 主要术语表 流动的特征长度( m ) 薄膜微加热器的长度( m ) 关于b 。的范数 关于丫n 的范数 关于脚的范数 气泡内压力( e a ) 液体压力( p a ) 饱和压力( p a ) 输入功率( w ) 从加热膜向绝热层传递的热损失( w ) 总热损失( w ) 通过加热器侧面的热损失( w ) 通过加热器上表面的热损失( w ) 室温时微加热器电阻( q ) 气泡临界半径( m ) 温度( i ( ) 液体临界温度噼) 室温( 1 ( ) 微通道内的气泡核化温度( k ) 饱和温度( k ) x z 慨 删 懈 凡 b 只 q 9 岛 r 瓦 乃 瓦 主要术语表 液体过热极限温度( 1 ( ) 时间( s ) 微加热膜达到稳态需要的时间( s ) 气泡核化需要的时间( s ) 0 拥，。d ， 拉长汽泡通过的时间、液弹经过的时间、蒸干区通过的时间( s ) 薄膜微加热器的体积( m 3 ) 微加热器长、宽、高方向的坐标( m ) 微加热器长、宽、高方向的无量纲坐标 薄膜微加热器的宽度( m ) 绝热层厚度( i n ) 薄膜微加热器的厚度( m ) s i 3 n 4 的厚度( m ) s i 0 2 的厚度( m ) 电阻温度系数( 1 k ) x 方向的分离变量 y 方向的分离变量 z 方向的分离变量 发射率 无量纲时间 x i 毋 n ： 芋 ；j一乙乙，一 a 艮 即 f 主要术语表 特征无量纲时间 对流和辐射换热量与总换热量的比值 无量纲温度 从分析解获得的最大无量纲温度 从实验获得的最大无量纲温度 y = 0 与y w = 0 5 之间的无量纲薄膜温度差 绝热层的热导率( w ( m k ) ) 液体工质的热导率( w ( m k ) ) 薄膜微加热器的热导率( w ( m k ) ) s i 3 n 4 热导率( w ( m k ) ) s i 0 2 热导率( w ( m k ) ) 密度( k g m 3 ) 薄膜微加热器的电阻率( q m ) 薄膜电阻率( o s q u a r e ) 气体密度( k g m 3 1 表面张力( n m ) ；b o l t z m a n 常数，5 6 7 1 0 r 8 ( w ( m 2 - k 4 ) ) 润湿角 等值面函数 单位体积的内热源( w m 3 ) i 磊 叩 口 凹 以 山 l k k p 肋 胁 办 口 伊 矽 e 主要术语表 n u p e w e g r a s h o f 数 k n u d s e n 数 n u s s e l t 数 p e c l e t 数 p r a n d t l 数 r a l e i g h 数 瞻抛，数 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： 年月日 第l 章绪论 第1 章绪论 ( 微尺度传热及强制对流下的气泡动力学研究概论) 1 1 微尺度概念 自然界中各种物体尺寸相差悬殊，小至原子、分子和电子，大至地球、银 河系和宇宙，人类能够感知的空间尺寸覆盖了从纳米到光年这样一个十分广阔 的范围，图1 1 为g a d - e l h a k ( 1 9 9 9 ) 提出的能涵盖自然界物体空间尺度的图 谱【。 _ - _ _ _ _ - 粥p 胁商喇喇强簟 y 孵t 删脚耐 弦竹h 宙啊一 l | 妒柏r 柚一妒妒 t _ l _ f 丑一删。f 抽 图1 1 自然界物体的空间尺度划分图谱 t y p i 叫m i n b l a d e d c 订嘲 自然界的尺寸除了空间尺寸外，还包括时间尺寸，常见的衡量时间尺度的 单位除了秒、毫秒和微秒( 1 0 _ 6 秒) 和纳秒( 1 0 9 秒) 外，已经出现了更小的 时间划分单位，如皮秒p i c o s e c o n d ( 1 0 - 1 2 秒) 、飞秒f e m t o s e c o n d ( 1 0 - 1 5 秒) 第l 章绪论 等。 在空间尺度方面，以往研究的范围主要涉及人的感官所能触及的对象，针 对这个问题，f e y n m a n ( 1 9 5 9 ) 在美国物理协会的年会的会议论文“t h e r e s p l e n t yo fr o o ma tt h eb o t t o m 上就提出制作“微小的可移动机器的思想， 并首次提出微小尺度的概念，开创了微纳米科学和技术研究的新领域【2 】。 近几年来自然科学和工程技术发展的一个重要趋势是朝微型化迈进，人们 的注意力逐渐从宏观物体转向那些发生在小尺度和或快速过程中的现象及其 相应器件上，尤其是微电子机械系统( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s - m e m s ) 取得了巨大成功，并正被扩展应用于各种工业过程。这类系统指的是那些特征 尺寸在l m m 以下但又大于1 聊的器件；纳米器件n a n o d e v i c e s 则进一步推进了 微电子机械系统的小型化。由于现代制造与应用技术的持续进展，“微机械 或 “纳机械”的尺寸正以超乎寻常的速度降低，而同时其性能却得到了保持甚至 更好。发展至今，一些真正分子水平上的机器，如转子、齿轮、开关、闸门、 马达等的制作甚至已经成为可能( k o u m u r a 等，1 9 9 9 ) 【3 】。 1 1 1 微尺度效应 在微尺度下，各种物理机制的重要性与常规尺度不同，部分大尺度下可忽 略的效应如表面效应、入口效应等在微尺度下却举足轻重。在不同的物理过程 中，何种物理规律或者微尺度效应占主导地位，以及如何利用这些占主导地位 的物理规律来控制微流控系统是一个非常关键的科学问题。重要的微尺度效应 包括： 层流效应：微尺度下由于尺度小，通道内的流动一般为低雷诺数流动，粘性 项与惯性项相比较大，流动主要呈层流形态。 表面效应和毛细效应：物体的比表面积( 表面积与体积之比) 与特征尺度成 反比，尺度的减小使得比表面相对较大，因此表面效应和毛细效应表现得较 第1 章绪论 常规尺度明显。 快速热传导效应：由于比表面积的增大，微尺度下的换热增强，同时，由于 物体尺度较小，具有较小的热惯性和较快的热响应，使得微尺度下的传热控 制成为可能。 扩散效应：由于微尺度下的流动为层流，流体间的混合困难，不同流体之间 主要依靠界面的分子扩散进行混合。 端部效应：由于尺度较小，微通道内的流动许多情况下未充分发展，端部入 口效应对流动和传热影响不能忽略。 三维效应：微通道的尺度较小，周围壁面影响不能忽略，一般不能简化为二 维处理。 气体可压缩性效应：微通道尺度较小，沿程压降相对较大，气体沿程的密度 会发生变化。气体可压缩性的影响一般不能忽略。 壁面滑移效应：对于微尺度气体流动，气体流动进入滑移区，壁面附近将出 现速度滑移和温度跃变现象。 1 1 2 表征微尺度效应的无量纲数 微尺度下各种效应的相对作用取决于一组无量纲数，如r e y n o l d s 数，p e c l e t 数，c a p i l l a r y 数，g r a s h o f 数，r a y l e i g h 数，k n u d s e n 数等，其物理意义如表1 1 所示，其中p 为密度，u 为特征速度，l 为特征长度，d 为水力直径，r 为运动粘性系 数，a c 为对流换热系数，g 为重力加速度，旯为分子自由程。 第1 章绪论 表1 1 表征微尺度效应的无量纲数 p u l r e r e y n o l d sn u m b e r惯性力粘性力 刁 沈 p cp e c l e t n u m b e r 对流扩散 d o n c 舒t 仑 r a r a y le ig hn u m b e r 对流扩散 r l d r u c a c a p i1l a r yn u m b e r粘性力表面张力 仃 p u 2 l w ew e b e rn u m b e r 惯性力表面张力 盯 p 2 a 。g ot l 3 g rg r a s h o fn u m b e r 惯性力粘性力 7 7 2 p q c g 凸t e k n k n u d s e nn u m b e r对流扩散 r d 1 2 微尺度传热与流动 在所有微电子机械或纳米期间的设计及应用中，传热和流动都是非常突出 而重要的问题，因为此时任何一个物理过程中的物质和能量输运均发生在一个 受限制的微小几何结构中，这期间必然涉及到流动和或能量的转换，而任何不 可逆输运过程中能量的耗散必然有一部分是以热的形式体现的；即使对于一个 化学反应或相变过程来说，任意分子的重组都必然涉及与周围环境之间的能量 乃至热量的交换；而且，在某些特殊的微米纳米器件应用场合，微热信号正成 为其中独特而有效的用以控制器件运行的重要手段；特别地，对于微观物理机 4 第l 章绪论 制的揭示从来都是了解宏观现象的重要桥梁。正是由于能量传输和交换的普遍 性，加之微尺度科学与工程技术的兴起，小器件及其快速的热物理问题逐步得 到了广泛重视。全面了解系统及其组成单元在特定空间和时间尺度内的热行为， 已经成为提高器件性能最关键的环节之一，并对于发展高能热密度微电子、光 电器件与系统及加工某些新材料具有重要的现实意义，而其本身也是热科学向 纵深发展的必然，毫无疑问，微米纳米尺度传热学正成为热科学领域中最为激 动人心的学科之一。 1 3 微尺度传热研究的理论模型 传热与流动从来都是密不可分的，在研究过程中随着对空间尺度的不断探 讨，应用的流体模型也有所变化。图1 2 为迄今为止根据不同流体尺度所采取 的研究方法。其中微米级以上的物理问题采用经典的连续介质模型即 n a v i e r - s t o k e s 方程进行求解，这种模型忽略了气体和流体分子的特性，认为流 体是连续介质，可以用相关物理量如密度、速度、压力、温度以及其他宏观流 动量来表征。这种宏观模型只需要知道本构关系或简单的输运定律即可，因而 显得相对简单。但是这种方法在认识和解决微工程所涉及的问题方面并不能提 供足够的信息，因为这些系统往往需要了解传热的微观机制。由于通过微观途 径，可以建立起对材料传热的基本认识，它正逐渐成为发展新材料和高性能器 件的不可或缺的重要手段，虽然物理学过去已经对各种能量输运的科学问题进 行过探讨，但将其应用于微尺度工程系统时需要一个全新的视野，这也正是微 尺度传热科学兴起的原因之一。 第1 章绪论 i 流体模型 甏 锄j i l 一一黝i 黝 1 分析模型 蘑【 连续模型 】 j l l 一一一“i 蒯 釜甬享薇某凌改芏疡遗高 【 确定性模型 ，【 蔬计学模型 l 一i 一i “一j - 。勰； l 【分子动力学模型l li d s m c j 【 b 。l t z m a n n 模型 l j 适用于纳米尺度问题 图1 2 对应于各种空间时间尺度的流体输运模型 1 3 1l a t t i c e b o i t z m a n n 方法【4 ，5 】 对于介于宏观和微观尺度之间的物理问题，采用l a t t i c e b o l t z m a n n 方法 和d s m c 等统计学方法求解。其中l a t t i c e - b o l t z m a n n 方法是从8 0 年代中期发 展起来的是基于流体微观模型和介观动理论方法， b o l t z m a n n 方程描述了流体系统的粒子分布函数的演化过程。通过积分，可 以从分布函数得到流体的宏观密度、动量和能量。理论上这种方法是可行的， 但由于在处理方程的碰撞项时必须考虑分子之间的大量碰撞，需要大量的计算 资源，因此对b o l t z m a n n 方程完全求解是不现实的；l a t t i c e n 方法( l a t t i c eg a s a u t o m a t a 方法) 是一种简化的分子动力学模型，模拟的对象不是数目庞大的流 体分子个体，而是数目大大减少的流体“粒子”，即微观充分大、宏观充分小的 流体分子微团，这样就大大降低了对计算机存储量的要求。同时，l a t t i c e 方法 中流场用一个规则的格子表示，“粒子只能在格线上以相同的离散时间步长运 动，所以粒子的运动轨迹大为简化，计算量也大大减少。l a t t i c e b o l t z m a n n 方 6 第1 章绪论 法克服了l a t t i c e 方法统计噪声、碰撞算子指数复杂、不满足伽利略不变性等 不足之处，对b o l t z m a n n 方程进行简化，较好地解决了计算量大、存储量多等 问题。是目前解决介观问题的较好方法。 1 3 2 分子动力学模型【6 ，7 】 微米级以下的问题采用分析模型，其中纳米级以下的问题由于其尺度接近 分子自由程，根据k n 数的定义： k n = 等 ( 1 1 ) 其中z 五和z 分别为分子平均自由程和流动的特征长度，当砌数较小时流 体可看作是连续的，当k n 1 0 时，连续模型不再适用，此时流体呈自由分子流 动形态，分子动力学模型着眼于流体的微观分子的运动，研究流体分子的空间 位置和速度等的时间演化，并利用统计方法从分子的这些信息获得宏观流动的 特征量。其基本方法是通过确定分子间的相互作用势，对分子的运动方程进行 积分，求得每个分子在各时刻的速度和位置。这种模拟方法基于最基本的运动 规律，原则上可以用于模拟任意的流体系统，而无需对输运参数和热力学行为 作先验的假设。目前分子动力学模拟方法已经用于化学、生物学、物理学和材 料学等领域。虽然分子动力学具有上述这些优点，但要有效模拟一个流体系统， 需要模拟的分子数目往往非常庞大。同时在模拟过程中系统演化的步长必须很 小，并且在每一个时间步往往需要根据作用在每个分子上的作用力和前一时刻 的位置来计算其新位置和新速度。对在前时刻发生碰撞的任何分子，都要对 其进行判别并计算其新轨道。显然这需要非常大的计算量和存储量。所以分子 动力学模拟目前还只能用于简单的二微流动模拟，对三维复杂流动进行模拟几 乎是不可能的。 第1 章绪论 1 4 微尺度传热与微流体应用 微尺度传热和微流体科学覆盖的领域非常广泛，如液体薄膜、半导体器件、 光学器件、超导器件、芯片冷却装置、m e m s 系统、生物芯片、微传感器、燃 料电池等。下面对一些主要的的应用实例进行阐述 1 4 1 薄膜中的热传导 1 9 8 7 年，瑞士科学家发现陶瓷在3 5 k 温度以上具有超导电性，即高温超导 性，这一消息让人们认识到，自然界存在一个超导体及半导体均可工作的温度 范围，于是一种集超导体一半导体于一身的功能强大的复合器件应运而生。其基 本单元是一种沉积在硅或者稼砷化物基底上的高温超导薄膜( f l i k 和 t i e n 。1 9 9 0 ) 【引。 一系列的研究表明，f o u r i e r 定律不适于分析高温超导薄膜及介电薄膜在 一定温度和厚度区域内的热传导问题。在这方面，b o l t z m a n 方程被公认为是最 具普适性和有效性的工具。m a j u m d a r ( 1 9 9 3 ) 发展了一个基于b o l t z m a n n 理论的 声子辐射输运方程，以分析单个薄膜中的导热【9 1 。其研究表明，在微尺度区域内， 晶格振动或声子的热传导表现为辐射传热的形式。不少作者也都研究过各类情 况下薄膜中的微尺度导热问题( j e n 及c h i e n g ，1 9 9 8 ) 1 0 】。总体上，用于分析微 尺度材料中热导率的方法基本上分为三步：( 1 ) 找出反映材料电导率尺寸效应 的合适表达式；( 2 ) 确定电导率中的平均自由程；( 3 ) 应用电学一热学输运比拟关 系计算出热导率的尺寸效应。 1 4 2 微小电子器件的冷却及微型换热器 近年来，微电子工业发展的一个显著特征是个人计算机和工作站在运算速 度呈指数级别增长的同时，产生的热量也迅猛增长，在这些中小型系统中，由 于单位面积上的产热量高，需要采用强制对流空气来冷却发热器件。n a k a y a m a ( 1 9 9 7 ) 总结了电子器件产热量和元器件体积之间的关系图，发现所有系统冷 8 第1 章绪论 却数据均落入图中的两条平行线构成的宽带内【l l 】；由此带的斜率看出，系统中 的体积热耗散密度几乎独立于系统尺寸，其范围大约在3 0 0 0w m 3 到 7 0 0 0 形m 3 之间，其中笔记本电脑中的体积热耗散密度最高，达到7 0 0 0w m 3 。 如此高密度的热量输运是一个极具挑战性的课题，冷却微小系统的困难在于， 首先，冷却空气速率不能太高，以尽可能减小声学噪音；其次，器件结构紧凑 性要求仅允许保留有限的冷却流体空间；第三，同样的要求不允许在模块上安 装大容量热沉( 扩展表面) ；第四，低造价的原则要求尽可能采用塑料封装芯片， 而这又会增大芯片与模块表面之间的导热热阻，于是热量将主要聚集在基底材 料上。所以，针对各类电子器件中相当高的热源密度，寻找具有高效热输运效 能的微槽传热方法多年来一直是人们探索的主题。 为解决电子元器件日益增长的高热流密度散热问题，现代微加工制造技术 的发展使得制造紧凑型微型换热器成为可能。这种微型换热器通常由多个水力 直径介于1 0 a m 到1 0 3 朋之间的微槽道组成，这些槽道既可单独形成一个平板 换热器，也可组合在一起成为平行的顺流或逆流换热器。槽道可采用光刻技术 或者利用微型工具通过精密切割而制作在薄片上。 1 4 3 微热管 除微型换热器外，另一种具有高效热输运能力的微型换热器是微热管，微 热管是在普通热管的基础上发展起来的。微热管概念最早由c o t t e r ( 1 9 8 4 ) 在日 本举行的“第五届国际热管会议”上提出【1 2 】，为了区别于普通热管( 普通热管 如图1 3 ) ，c o t t e r 将微热管定义为“液气界面平均曲率与流动通道水力直径处 于同一量级的热管”，其水力直径为微米量级。通常微热管不含有普通热管中 常见的毛细结构来帮助冷凝后的液体返回蒸发段，而是采用管截面上尖角处的 毛细力将冷凝后的液体传送回蒸发段。 微热管在电子器件散热方面有着广泛的应用，其主要工作原理如图1 4 所 9 第1 章绪论 示。此后人们对微热管进行了大量的理论和实验研究，取得了一系列的研究成 果。诞生出许多新型微热管技术。常见的微热管有脉动热管、微槽平板型热管、 回路型热管等。脉动热管是由日本的a k a c h i 于2 0 世纪9 0 年代初提出的一种新 型热管【1 3 】，由没有毛细吸液芯的金属毛细管弯曲成蛇形结构组成，可分为回路 型、开路型两种。它的优点是结构简单、制造方便、成本低廉、性能卓越，已 应用于电力设备及微电子的冷却，并将广泛地应用于航天航空领域。微槽平板 热管采用蒸汽槽互相连通的结构，能有效地降低热管内蒸汽对液体的反向流动 所产生的界面摩擦力，从而使其性能明显提高，已广泛应用于太空的热控制， 功率器件的冷却及生物医学等领域。环路热管最早由前苏联乌拉尔科技学院 g e r a s i m o v 和m a y d a n i k 于1 9 7 2 年发明并申请专利，它利用蒸发器内的毛细芯产 生的毛细力驱动回路运行，利用工质的蒸发和冷凝，能在小温差、长距离的情 况下传递大量的热量，是一种高效的两相传热装置，最初主要应用于空间技术 热控制，目前微电子散热成为l h p 一个新的应用领域。 图1 3 常规热管工作原理 1 0 第1 章绪论 热量传入 热量输出 1 4 4 微尺度燃烧 丝么么 图1 4 微热管工作原理 目前毫瓦级到瓦级的电源在军事、航空航天、传感器、微小型日用电子产 品、便携式仪器和办公设备等方面需求广泛。已有的独立电源包括传统一次性 化学电池、高性能锂镍氢充电电池等，高效率的微型燃料电池也在快速发展 中。与它们相比，基于燃烧的微动力发电系统直接燃烧炭氢燃料，具有更高 的能量密度。从w a i t z 等( 1 9 9 8 ) 发展了一个针对微燃烧透平的燃烧室以来【1 4 1 ， 立刻成为微尺度方向的一个研究热点，其主要原理是将燃料燃烧产生的热能转 换为电能，或者通过温差热电和热光伏直接转换产生电能。目前国内外开发的 微发电系统特征尺寸从几毫米到几十毫米，输出功率范围为毫瓦到瓦的量级。 1 5 微流体控制系统 1 5 1m e m s 第1 章绪论 随着上世纪七十年代末以来硅加工技术在微型机械零部件加工的应用 2 j 。 m e m s ( 微电子机械系统) 技术逐渐形成并逐渐发展壮大。m e m s 系统由微能 源系统、微传感器、微执行器以及微电子设备组成。其中微能源系统提供系统 运行所需的能量，微传感器获得的力、声、光、电、磁等信号经过微电子设备 处理传输给微执行器，微执行器输出系统功能。 与传统微电子技术相比，m e m s 技术具有以下显著特点( 徐泰然，2 0 0 4 ) 1 5 】： 1 m e m s 技术可采用硅以外的其他材料，如石英、p d m s ( 聚二甲基硅氧 烷) 和p m m a ( 聚甲基丙烯酸甲脂) 等； 2 m e m s 器件可含有可动部件，通过输出位移来做功； 3 m e m s 器件通常包含复杂的三维结构，其特征尺寸介于微米到毫米量 级之间。 4 m e m s 技术的目标是将微机械与i c 工艺结合，面向实现各种各样功能 的器件或系统，如微马达、微泵、微透平等。 如图1 5 所示，m e m s 技术是一种典型的多学科交叉热点研究领域，它几 乎涉及到自然科学和工程科学分各个方面。 图1 5 虹m s 技术中的多学科交叉 第1 章绪论 1 5 2微流控系统 微流体控制系统( 以下简称微流控系统) 的研究起初作为m e m s 研究的一 个分支，是在m e m s 工艺技术的基础上发展起来的，它继承了m e m s 多学科交 叉的特点，同时又形成了自身的学科特色。目前，微流控技术的定义在国际学 术界也不十分统一。在国际上颇具影响力的期刊“m i c r o f l u i d i c sa n d n a n o f l u i d i c s ”中把微纳流控技术广义定义为与“在微纳米尺度下的物质传递、 动量传输、热传递、以及在传输中的反应过程”相关的技术( 方肇伦等，2 0 0 5 ) 【1 6 】。 二十世纪八十年代末期，微流控系统的研究主要集中在微流量传感器、微 泵、微阀等方面。到九十年代m a n z 等( m a n z 等，1 9 9 0 ) 首次提出微型全微分析 系统( m i n i a t u r i z e d t o t a l a n a l y s i ss y s t e m ) t r l ，将微流控系统扩展到更多的方面， 其应用涉及领域如图1 6 所示。此后，越来越多的化学家和生物学家加入到微 流控系统技术的研究领域，使得微流控系统技术的研究获得了突飞猛进的发展， 微流控概念已经重新定义为“微纳米尺度下，所有与流体相关的物质传递，动 量传输、热传递及生物化学反应相关的技术 。 图1 6 微流体控制装置 传统的微流控装置加工技术为以硅为基底材料的标准m e m s 工艺技术，此 第1 章绪论 后更逐步拓展到以聚合物材料为基底的微加工技术，其中最常用的聚合物基底 材料如p d m s ( 聚二甲基硅氧烷) 和p m m a ( 聚甲基丙烯酸甲脂) 等；主要的 微加工工艺包括：注塑法，原位聚合法和热压法等。微流控系统与m e m s 的最 大区别在于追求的系统目标不同，m e m s 追求的是功能器件或者功能系统的微 型化；而微流控系统的目标在于利用微型化带来的尺度效应，操控纳升到微升 级流体的流动、热传递、动量传输、生物化学反应等，它强调的是对微量流体 的操控而不仅仅是器件或系统的微型化。它的突出优点在于以下几个方面： ( 1 ) 系统体积小，便于携带。 ( 2 ) 系统集成化和自动化程度高。 ( 3 ) 需要的液体量小，节约反应物的消耗，降低危险性生化反应带来的可 能危害，减少废物的排放。 ( 4 ) 响应速度快 1 5 3 微流控学科的发展历程 二十世纪八十年代到九十年代中期，由于硅微加工技术的发展，科学家开 始制造并研究微流控器件，当时常见的做法是把常规尺度的器件通过m e m s 加 工工艺进行单纯的尺度缩小，使其在微型化下依然能够实现其功能。这一阶段 的研究主要集中在以硅为基底的微泵、微阀、微流量传感器等方面( s h o j i 等，1 9 9 4 ) 【1 8 】。假设微泵等微执行器的能量密度与尺度无关，微执行器的输出总能量( q ) 与器件本身尺度( ，) 存在qo c ，3 的关系，微执行器尺度的减小将导致器件能量 输出急剧减少。同时，由于器件的表面积( s ) 与体积( y ) 之比即比表面积存 在o c 厂1 的关系，尺度的减小将导致比表面积增大，器件内流体流动的粘性剪 ， 切力随之增大，因此要驱动微器件内流体的流动需要更高的能量密度，而大部 分在器件内部集成的执行器无法提供足够的能量密度实现所需力或位移的输 出，因此，多数情况下需要借助外部执行器，这使得研制人员难以达到微流控 器件微型化的目的。 1 4 第1 章绪论 由于微尺度效应、表面效应和多场多相耦合的影响，以传统流体力学为基 础单纯将宏观流体驱动与控制技术向微流控系统移植往往效果不佳。九十年代 中后期，人们对微流控的研究开始转向运用微尺度效应开发微器件。在此过程 中，无运动机械部件的微流控器件由于其低耗能和高可靠性而逐渐受到青睐。 在常规尺度下可以忽略的表面张力效应、电动效应等在微尺度下变得重要起来， 应用这些微尺度效应可以开发替代常规机械微执行器的新型无运动部件的微执 行器，如电渗泵等( h a r r i s o n 等，1 9 9 4 ) 1 9 】。 目前，微流控系统在越来越多的领域受到关注。除了在流体流动控制领域、 分析化学领域、生物诊断和药物输送领域以外，微流控系统在分布式能源系统、 分布式热管理系统、化工生产系统也展现出了广阔的应用前景。化工生产中的 微反应器研究已经获得了较大进展，使得化工新产品的快速研发成为可能( p a t r i c k 等，2 0 0 7 ) 2 0 l 。 1 5 4 热学在微流控中的典型应用背景 热学微流控系统指的是与热传递和温度变化相关微流控系统，它的研究对 象是微流控系统中与热传递和温度变化相关的现象以及利用热科学的原理操控 流体的质量输运、动量传输、热传递和生物化学反应的相关技术。热科学与技 术存在于绝大多数的微流控器件或系统中，典型的应用对象包括热式微流量传 感器、微反应器、微汽泡执行器、微燃料电池、微热管等。 在热式微流量传感器中，流量的变化引起流体与感受元件换热量变化，从 而引起感受元件上的温度变化，感受元件( 通常为多晶硅或铂薄膜) 的电阻与 温度之间存在一定的依附关系，从而可以通过其电阻变化来测定流量( n g u y e n 等，2 0 0 1 ) 【2 l 】。 微反应器中的生物化学反应通常对温度的变化比较敏感，如在p c r ( 聚合 酶链式反应) 芯片中，一个反应循环包括变性、复性、延伸三个步骤，其温度 要求分别控制在9 5 ，5 5 c 和7 2 的三个温度带水平( 章春笋等，2 0 0 5 ) 2 2 】。 第1 章绪论 微反应器的热管理也是当今微流控研究的热点课题【2 ”，其温度控制可能涉及到 微反应器内的化学反应速率、催化剂活性等。 图1 7 喷墨打印头原理示意图 微汽泡执行器是利用微加热元上产生汽液相变时，汽液界面的膨胀来输出 功。热式喷墨打印头是微汽泡执行器商业化应用的典范。如图1 7 所示，微加 热电阻由脉冲电信号控制，当脉冲信号的高电平施加在微加热器上时，微加热 器上产生高速瞬态相变，汽泡界面的膨胀将墨滴推出微喷嘴；低电平时，汽泡 破灭，新的墨水被吸进墨水腔。整个喷墨过程的微汽泡生长及溃灭周期处在微 秒量级。 在集成微汽泡执行器在微泵中，如图1 8 所示，当汽泡膨胀时，往左侧排 出的流量要大于右侧排出的流量；当汽泡溃灭时，从右侧吸入的流量大于左侧 吸入的流量，这样在气泡膨胀和溃灭两个过程中均能保证流量方向的一致。类 似的设计实现了微执行器的功能。因此，在研究人员精巧的设计下，利用汽泡 的膨胀和溃灭可以实现流体的泵送。 1 6 第1 章绪论