微加熱器上不同工質(zhì)的氣泡動力學(xué)實驗

張旭浩，范 聰，余海洋，黃雪琴，鄧佩剛

武漢工程大學(xué)光電信息與能源工程學(xué)院，湖北 武漢 430205

隨著微機電系統(tǒng)技術(shù)（micro electro mechanical system，MEMS）的發(fā)展，對微加熱器表面沸騰的研究顯得越來越重要，尤其是微氣泡動力學(xué)的研究，微氣泡產(chǎn)生的過程中涉及到的微擾動以及微傳熱，被應(yīng)用到很多領(lǐng)域，如氣泡致動器、高能熱密度微電子、生物傳感器等。

Xu等［1］研究了不同熱通量下微加熱器的微泡行為，發(fā)現(xiàn)在靜止流體中加熱鉑膜會產(chǎn)生3種具有代表性的氣泡型態(tài)。Xing等［2］以一種新型的氧化石墨烯微加熱器為研究對象，通過實驗與理論研究分析了微加熱器表面生成氣泡的特性，發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯的光熱特性允許在微尺度上有效地產(chǎn)生熱梯度場，這對于開發(fā)新型的光熱氣泡器件非常有用。林曦鵬等［3］通過實驗研究了在水平放置的低高寬比聚二甲基硅氧烷微通道內(nèi)的局部位置生成的氣泡的氣泡動力學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)微通道內(nèi)起始沸騰需要比常規(guī)通道更大的避免過熱度，液體流量和加熱速率對氣泡的增長和運動有極大的影響。李帆等［4］通過對脈沖加熱過程中，微型加熱器表面氣泡的生長及湮滅進行三維數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)在同等條件下，數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果相比，氣泡的生長和萎縮過程具有較好的一致性。

納米流體由于在強化傳熱領(lǐng)域的潛在應(yīng)用市場，引起了研究人員的廣泛關(guān)注。Xu等［5］以Al2O3-H2O納米流體中的微加熱器為研究對象，發(fā)現(xiàn)微加熱器在Al2O3-H2O納米流體中的換熱效果要明顯高于純水。Sarafraz等［6］通過對不同濃度的氧化鋁納米流體的池沸騰進行研究發(fā)現(xiàn)，隨著納米流體濃度的增加其臨界熱通量（critical heatfluk，CHF）的增強速率也增強。Peng等［7］研究了水平管內(nèi)CuO-R113納米流體的流動沸騰，發(fā)現(xiàn)傳熱系數(shù)最大可提高29.7%。

本文采用一種特征尺寸10 μm的啞鈴結(jié)構(gòu)的Pt薄膜微加熱器，研究了在單個脈沖加熱條件下，不同工質(zhì)種類和脈寬寬度條件下的沸騰現(xiàn)象，并利用電荷藕合器件圖像傳感器（charge coupled device，CCD）攝像頭記錄了過程，然后對乙醇、除氣水和碳納米管納米流體3種工質(zhì)中微加熱器氣泡動力學(xué)行為做出了對比分析。

1 實驗部分

1.1 微加熱器及其制作工藝

實驗采用的啞鈴結(jié)構(gòu)的Pt薄膜微加熱器如圖1所示。這種微型加熱器與傳統(tǒng)寬度均勻的帶式加熱器不同，該加熱器可以將能量集中在加熱器的狹窄部分，大大增加了每單位體積產(chǎn)生的熱量，實驗中更容易生成單一氣泡。

Pt微加熱器的制造過程遵循傳統(tǒng)的MEMS技術(shù)［8］。使用 P型雙面拋光和＜100＞取向的 Si晶片（直徑10.16 cm，厚度400 μm）作為基底。首先對Si晶片進行清洗、烘干；然后利用低壓化學(xué)氣相淀積（LPCVD）工藝在Si晶片上淀積一層二氧化硅（SiO2）薄膜（厚為2 μm），作為絕緣層；接著在SiO2薄膜層上涂覆光刻膠并光刻顯影，然后濺射0.2 μm厚的Pt薄膜，并使用剝離工藝將其圖案化。采用這種技術(shù)是因為濺射過程的方向隨機性導(dǎo)致良好的顆粒結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)精確的厚度控制；最后濺射0.2 μm厚的Au薄膜，并通過濕法腐蝕形成引線圖案，Au薄膜的寬為100 μm。具體流程如圖2所示。

1.2 實驗工質(zhì)的準備

1.2.1 除氣水和乙醇 工質(zhì)除氣水：為避免水中含有的氣體對實驗現(xiàn)象造成影響，實驗用工質(zhì)水為經(jīng)過制備的除氣水。制備過程：取適量自來水加入熱水器中，經(jīng)過高溫加熱煮沸5 min，然后靜置使其自然冷卻至常溫即可用以實驗。工質(zhì)乙醇：實驗用乙醇為無水乙醇。

圖1 （a）微加熱器實物圖，（b）Pt加熱電阻顯微鏡發(fā)大圖，（c）Pt加熱電阻尺寸圖（單位：μm）Fig.1 （a）Photo of packaged microheater，（b）photo of the Pt heating unit，（c）dimension of Pt heating resistor（unit：μm）

圖2 微加熱器工藝流程圖Fig.2 Process flowchart of microheater

1.2.2 碳納米管納米流體 實驗中所用碳納米管納米流體是使用兩步法制得［9］。其制備過程為：1）首先取一定量的乙二醇作為基液，接著取適量質(zhì)量分數(shù)為0.08%的GA（阿拉伯樹膠粉）分散劑加入基液中并超聲振蕩；2）然后稱取需要的平均粒徑為30 nm的碳納米管納米粒子加入到第1步制備的溶液中，并連續(xù)攪拌振蕩，從而制備出懸浮穩(wěn)定性好的碳納米管流體，質(zhì)量分數(shù)為0.001%；3）用透射電鏡觀察，納米粒子很好地分散于乙二醇基液中，證明納米流體制備成功可用以實驗［10-11］。

1.3 實驗裝置及過程

本實驗的實驗裝置由CCD攝像頭、顯微鏡、直流電源、三極管等組成。顯微鏡實現(xiàn)對微尺度沸騰現(xiàn)象的視場放大，CCD攝像頭用于觀察和拍攝微氣泡在加熱器表面的生長過程。直流電源和三極管以及脈沖發(fā)生器提供脈沖寬度和幅值都可控的加熱脈沖，其中脈沖發(fā)生器是LabVIEW軟件編程的虛擬脈沖發(fā)生器。實驗裝置圖如圖3所示。

圖3 實驗裝置圖Fig.3 Diagram of experimental setup

加熱脈沖發(fā)生器的控制電路如圖4所示。其中脈沖發(fā)生器用于產(chǎn)生一定幅值脈寬的單個脈沖；τ為加熱脈沖寬度；Rb為串聯(lián)的定值電阻，用于保護電路；Rh為微加熱器的總電阻：包括Pt膜的電阻RPt，Au層的電阻和接觸電阻。加熱脈沖由開關(guān)電路控制，開關(guān)電路可提供短至微秒的脈沖寬度?？删幊蘈abVIEW用于產(chǎn)生脈沖序列，該脈沖序列通過采集卡NI-6111被發(fā)送到開關(guān)電路，以控制開/關(guān)加熱過程。實驗用到的脈沖寬度為：100 ms，300 ms，1 000 ms。

圖4 控制電路圖Fig.4 Diagram of control circuit

實驗時，先通過移液管分別將除氣水，乙醇以及質(zhì)量分數(shù)為0.001%的碳納米管納米流體加載到微加熱器芯片上，使得微加熱器沉浸在液體的底部。然后將一定脈寬的加熱脈沖施加在微加熱器上，逐步增加輸入電壓Ucc調(diào)節(jié)加熱脈沖的高度，直到在微加熱器上出現(xiàn)沸騰，稱為“起始”氣泡形成。實驗通過使用CCD攝像頭觀察和記錄該工質(zhì)和加熱條件下的沸騰過程，然后改變工質(zhì)及脈沖寬度，重復(fù)上述步驟。

2 數(shù)據(jù)處理和誤差分析

2.1 氣泡直徑數(shù)據(jù)的處理分析

為定量得到沸騰過程的單氣泡直徑隨時間的依變關(guān)系，使用MATLAB程序測量數(shù)字化視頻的每幀中的氣泡直徑d［12］。經(jīng)過分析得出，這種氣泡尺寸測量方法的誤差主要源于難以準確地識別氣泡幾何形狀的邊界線，實驗中通過多次測量取平均值減小此誤差。

2.2 沸騰起始電壓和起始功率的計算

實驗數(shù)據(jù)處理時，微加熱器產(chǎn)生氣泡所需的起始電壓 UPt可由公式 UPt=（Ucc-Uce）RPt/Rtotal計算所得，其中Ucc為微加熱器產(chǎn)生起始沸騰氣泡所需輸入的電壓，可直接讀?。籙ce為三極管飽和導(dǎo)通壓降，取定值0.7 V；Rtotal為微加熱器件總電阻；RPt是Pt薄膜電阻。

沸騰起始功率由公式P=I2Rpt計算所得。其中I為在一定脈寬的脈沖加熱下氣泡生成所需的起始電壓所對應(yīng)的電流，可由公式I=（Ucc-Uce）/Rtotal計算所得。

實驗中，通過多次重復(fù)實驗，得到平均的起始電壓Ucc，以減小實驗誤差。

3 結(jié)果與討論

3.1 氣泡成核的可視化

在脈沖加熱下，微加熱器表面能量不斷地聚集，溫度不斷升高，當加熱面達到一定過熱度時加熱面開始產(chǎn)生氣泡，在一定脈寬范圍持續(xù)的加熱下，更多的液體工質(zhì)達到沸點而氣化融入到生成的單個氣泡中，氣泡迅速地增長變大，直到脈沖加熱結(jié)束。

實驗過程中，用CCD攝像頭拍攝了乙醇、除氣水和碳納米管納米流體3種工質(zhì)在微加熱器上產(chǎn)生氣泡的生長過程。加熱脈寬τ為1 000 ms，3種工質(zhì)輸入功率分別為：3.11 mW、6.99 mW、111.9 mW。圖5、圖6、圖7分別展示了不同工質(zhì)中氣泡在0 ms，83 ms，167 ms，250 ms，333 ms，417 ms時的生長形態(tài)，為方便研究，取觀察到的第一個氣泡為時間上的起始記錄點。

圖5 乙醇中單氣泡的形態(tài)變化圖：（a）0 ms，（b）83 ms，（c）167 ms，（d）250 ms，（e）333 ms，（f）417 msFig.5 Shape variations of a single bubble in ethanol：（a）0 ms，（b）83 ms，（c）167 ms，（d）250 ms，（e）333 ms，（f）417 ms

圖6 除氣水中單氣泡的形態(tài)變化圖：（a）0 ms，（b）83 ms，（c）167 ms，（d）250 ms，（e）333 ms，（f）417 msFig.6 Shape variations of a single bubble in degassed water：（a）0 ms，（b）83 ms，（c）167 ms，（d）250 ms，（e）333 ms，（f）417 ms

圖7 碳納米管納米流體中單氣泡的形態(tài)變化圖：（a）0 ms，（b）83 ms，（c）167 ms，（d）250 ms，（e）333 ms，（f）417 msFig.7 Shape variations of a single bubble in carbon nano-tube nanofluids：（a）0 ms，（b）83 ms，（c）167 ms，（d）250 ms，（e）333 ms，（f）417 ms

從圖5～圖7中可以觀察到，不同工質(zhì)中微加熱器上的沸騰模式彼此基本相同：在加熱器的啞鈴結(jié)構(gòu)中間區(qū)域上精確地產(chǎn)生球形的單個氣泡，且隨著脈沖加熱時長的增加氣泡迅速的長大，直到在脈沖加熱停止時達到最大。在以往的較多的類似實驗中，隨著脈沖的加熱，氣泡并不能準確地從微加熱器的中間部分快速產(chǎn)生，影響了實驗研究的準確性。而在本實驗的結(jié)果中，觀察到氣泡能順利從微加熱器的中間部分產(chǎn)生，這跟實驗采用啞鈴型結(jié)構(gòu)的微加熱器有關(guān)。實驗前期，通過ANSYS仿真軟件模擬發(fā)現(xiàn)，在相同的加熱條件下，啞鈴型結(jié)構(gòu)的微加熱器溫度達到穩(wěn)態(tài)時溫度峰值比條形微加熱器高20 K左右，且能快速地升溫并達到溫度峰值，這體現(xiàn)了啞鈴型結(jié)構(gòu)的微加熱器顯著地聚熱效果。

在該實驗的重復(fù)測試中沒有觀察到產(chǎn)生的氣泡有脫離現(xiàn)象。應(yīng)當注意的是，由于CCD記錄速度的限制（24幀/秒），所以在這個氣泡快速增長的過程中丟失了一些信息。

3.2 氣泡動力學(xué)行為分析

為了定量地表征微加熱器在不同工質(zhì)中沸騰過程的單個氣泡動力學(xué)行為，基于CCD拍攝的圖像，使用MATLAB程序選定測量脈寬在1 000 ms時拍攝的數(shù)字化視頻中每幀圖片的氣泡直徑，通過處理測得的直徑數(shù)據(jù)，得到了氣泡直徑與加熱時間的函數(shù)關(guān)系曲線，曲線覆蓋了氣泡整個的生長過程，如圖8所示。

圖8 不同工質(zhì)沸騰過程中氣泡直徑與時間的關(guān)系曲線Fig.8 Bubble diameter versus time in different working fluids

從圖8中可知，3種工質(zhì)的氣泡直徑-時間曲線彼此有一定的差異，在同種工質(zhì)中，隨著加熱時間的增加，生成氣泡的直徑逐漸增大。觀察圖8可發(fā)現(xiàn)，每種工質(zhì)的氣泡增長過程基本都是先急劇的快速增長，然后增長變緩最后趨于穩(wěn)定，可大致分為3個階段：在0～0.2 s時間內(nèi)是氣泡迅速增長的加速增長期，0.2～0.8 s為氣泡增長速度變緩的平穩(wěn)成長期，0.8～1 s為氣泡直徑趨于穩(wěn)定的緩慢變化期。

對比發(fā)現(xiàn)，微加熱器在濃度為0.001%的碳納米管納米流體工質(zhì)中產(chǎn)生的氣泡整體直徑最大，且最大氣泡直徑是純水和酒精的氣泡最大直徑的2倍左右。在工質(zhì)純水中比工質(zhì)酒精中產(chǎn)生的整體氣泡直徑稍大。這是因為，工質(zhì)中生成氣泡直徑的這種差異與其傳熱過程，及工質(zhì)自身的表面張力等因素有關(guān)；同時由于本實驗研究的是“起始”沸騰現(xiàn)象，所以不同工質(zhì)其輸入的加熱功率也不同，在工質(zhì)碳納米管納米流體中輸入的功率為111.9 mW，而在工質(zhì)乙醇中的輸入功率為3.11 mW，輸入功率越大生成氣泡的直徑也越大，這與Sarker等［13］的研究結(jié)果一致。

3.3 微泡生成的起始電壓功率分析

在3種工質(zhì)（除氣水，乙醇，碳納米管納米流體）中，微加熱器在單個脈沖加熱下，隨著脈寬τ的不斷增加，其產(chǎn)生單氣泡所需的輸入電壓UPt的變化曲線如圖9（a）和輸入功率PPt的變化曲線如圖9（b）所示。

圖9 不同脈寬下不同工質(zhì)產(chǎn)生起始氣泡所需：（a）輸入電壓，（b）輸入功率Fig.9 （a）Input voltage and（b）input power for on-set bubble generation in different working fluids at various pulse widths

由圖9可知，在同種工質(zhì)中，隨著脈沖寬度一定范圍的增加，微加熱器產(chǎn)生氣泡所需的起始電壓和起始功率反而減小。分析其原因：由于微加熱器表面上要產(chǎn)生氣泡液體必須過熱，也就是加熱表面必須達到一定的過熱度。在脈沖加熱的過程中，當脈沖寬度增加時，液體加熱時長增長，過程中產(chǎn)生的能量不斷地聚集使得過熱度也隨之增加；當輸入的加熱功率增大時，加熱電流密度變大，能量集聚的速度加快使得過熱度也隨之增加。從上面分析知，在同種工質(zhì)中，微加熱器表面要想達到最小的成核過熱度，產(chǎn)生單一氣泡，脈沖寬度與起始功率的關(guān)系成反比例關(guān)系。

當脈沖寬度一定時，工質(zhì)不同，其所需的起始電壓和起始功率也不同。從圖9中可知，3種工質(zhì)中，微加熱器在乙醇中產(chǎn)生氣泡所需的起始電壓和起始功率最小，而在碳納米管納米流體中微加熱器產(chǎn)生氣泡所需的能量最多，起始電壓和起始功率最大，且所需起始電壓要比在乙醇中產(chǎn)生氣泡所需的起始電壓大2～3倍。產(chǎn)生這種結(jié)果是因為液體在汽化時分子間平均距離加大、體積急劇增加，且此過程要克服液體任意兩相鄰部分之間相互作用的拉力即表面張力。在293 K的溫度下乙醇和水的表面張力系數(shù)分別為22.32×10-3N·m-1和72.75×10-3N·m-1，實驗所用碳納米管納米流體的表面張力系數(shù)最大，約為312.56×10-3N·m-1。而蒸汽核形成速率與表面張力的關(guān)系為N∝exp(-σ3)［14］，相同條件下，表面張力越大液體氣化成核的速率就越慢，且表面張力越大，液體成核數(shù)越少，越難生成氣泡［15］，因此當實驗工質(zhì)的表面張力相對較大時，要想達到起始沸騰，就需要給予微加熱器更大的輸入功率。

4 結(jié) 語

本文研究了在單個脈沖加熱條件下，一種特征尺寸10 μm啞鈴結(jié)構(gòu)的Pt薄膜微加熱器在除氣水、乙醇和碳納米管納米流體中的起始沸騰現(xiàn)象和氣泡動力學(xué)行為，得到以下結(jié)論：

1）通過觀察在乙醇、除氣水和濃度為0.001%的碳納米管納米流體3種工質(zhì)中微加熱器表面產(chǎn)生的規(guī)律性單個熱氣泡的直徑變化，發(fā)現(xiàn)在碳納米管流體中產(chǎn)生的氣泡直徑整體較大，在乙醇工質(zhì)中生成的氣泡直徑整體最小。

2）結(jié)合氣泡動力學(xué)行為分析微加熱器產(chǎn)生氣泡所需的起始電壓和起始功率變化。一定尺寸的微加熱器在同種工質(zhì)中，當脈沖脈寬增大時，微加熱器沸騰所需要的起始電壓和起始功率隨之減小。

3）對比分析了一定尺寸的微加熱器在除氣水、乙醇和濃度為0.001%的碳納米管納米流體3種工質(zhì)中產(chǎn)生氣泡所需的起始電壓與起始功率變化，發(fā)現(xiàn)在3種工質(zhì)中，乙醇氣泡成核所需的加熱器起始電壓和功率最小，納米流體中氣泡成核所需輸入的加熱器起始電壓和功率最大。

4）研究結(jié)果為微尺度下的沸騰換熱研究提供了實驗依據(jù)。