微納薄膜傳熱及微氣泡動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、近年來(lái)自然科學(xué)和工程技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)是朝微型化邁進(jìn)，微器件尤其是微電子機(jī)械系統(tǒng)正被應(yīng)用于各個(gè)新興行業(yè)。在器件的微型化過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了諸多宏觀流體力學(xué)和傳熱學(xué)難以解釋的現(xiàn)象，這些現(xiàn)象稱為微尺度效應(yīng)，由于微器件中存在大量的傳熱和傳質(zhì)交換，因此微尺度熱效應(yīng)是微尺度效應(yīng)的一個(gè)重要分支。 本文在微流體控制的應(yīng)用背景下，以微傳感器、微執(zhí)行器等微器件廣泛采用的薄膜微加熱器為對(duì)象，從如下三個(gè)角度探討薄膜微加熱器的微尺度效應(yīng)與微氣泡動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象

2、： 1.氣泡產(chǎn)生前薄膜微加熱器的溫度場(chǎng)研究 由于微尺度效應(yīng)薄膜微加熱器的溫度具有與常規(guī)尺度下的加熱器不同的溫度場(chǎng)分布，而目前薄膜加熱器上的溫度主要根據(jù)加熱膜的電阻一溫度校正曲線，通過(guò)獲取通過(guò)加熱膜的電阻來(lái)間接測(cè)得薄膜加熱器上的溫度，而此溫度為薄膜上的平均溫度值。本文通過(guò)數(shù)學(xué)理論推導(dǎo)，獲得了方形薄膜微加熱器上溫度的數(shù)學(xué)分析解，并據(jù)此得到了加熱膜上的三維溫度場(chǎng)分布。經(jīng)過(guò)與現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比后證明此分析解符合物理實(shí)際。

3、 2.微氣泡底層的薄液膜研究 對(duì)薄膜微加熱器表面加熱后，所產(chǎn)生氣泡與加熱膜之間存在一層薄液膜。有關(guān)薄液膜方面主要集中在對(duì)管內(nèi)產(chǎn)生的氣彈和管壁之間的液膜研究，有關(guān)微加熱膜表面受熱后產(chǎn)生氣泡和加熱膜表面之間薄液膜的研究還比較少。本文在氣泡動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)學(xué)分析，采用高階runge-kutta方法對(duì)一定加熱熱流密度下的薄液膜進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行分析，得到了較好的效果。 3.強(qiáng)制對(duì)流條件下的微氣泡動(dòng)力學(xué)研究

4、 理解和認(rèn)識(shí)微加熱器上的汽泡動(dòng)力學(xué)特性對(duì)于微流控系統(tǒng)中微汽泡執(zhí)行器的設(shè)計(jì)和運(yùn)行都具有重要的指導(dǎo)意義。目前，微加熱器上的汽泡動(dòng)力學(xué)特性研究仍是國(guó)際研究的前沿?zé)狳c(diǎn)，而對(duì)強(qiáng)制對(duì)流條件下的微氣泡動(dòng)力學(xué)方面的研究比較欠缺。本文采用MEMS工藝，設(shè)計(jì)并制作了一種尺寸為100μm×20μm的Pt薄膜微加熱器，并置于硅通道內(nèi)。對(duì)在液體工質(zhì)的沖刷和脈沖加熱條件下產(chǎn)生的氣泡型態(tài)進(jìn)行了分類，并研究了不同參數(shù)，如脈沖頻率、占空比、液體工質(zhì)流速等對(duì)微氣泡動(dòng)力