微加熱器上不同工質(zhì)的氣泡動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)

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(jī)電系統(tǒng)技術(shù)（micro electro mechanical system，MEMS）的發(fā)展，對(duì)微加熱器表面沸騰的研究顯得越來(lái)越重要，尤其是微氣泡動(dòng)力學(xué)的研究，微氣泡產(chǎn)生的過(guò)程中涉及到的微擾動(dòng)以及微傳熱，被應(yīng)用到很多領(lǐng)域，如氣泡致動(dòng)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(huì)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(duì)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(chǎng)，這對(duì)于開發(fā)新型的光熱氣泡器件非常有用。林曦鵬等［3］通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(guò)熱度，液體流量和加熱速率對(duì)氣泡的增長(zhǎng)和運(yùn)動(dòng)有極大的影響。李帆等［4］通過(guò)對(duì)脈沖加熱過(guò)程中，微型加熱器表面氣泡的生長(zhǎng)及湮滅進(jìn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，氣泡的生長(zhǎng)和萎縮過(guò)程具有較好的一致性。

納米流體由于在強(qiáng)化傳熱領(lǐng)域的潛在應(yīng)用市場(chǎng)，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(duì)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(guò)對(duì)不同濃度的氧化鋁納米流體的池沸騰進(jìn)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(qiáng)速率也增強(qiáng)。Peng等［7］研究了水平管內(nèi)CuO-R113納米流體的流動(dòng)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(gè)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(guò)程，然后對(duì)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(dòng)力學(xué)行為做出了對(duì)比分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 微加熱器及其制作工藝

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中更容易生成單一氣泡。

Pt微加熱器的制造過(guò)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(duì)Si晶片進(jìn)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?yàn)闉R射過(guò)程的方向隨機(jī)性導(dǎo)致良好的顆粒結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)精確的厚度控制；最后濺射0.2 μm厚的Au薄膜，并通過(guò)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(shí)驗(yàn)工質(zhì)的準(zhǔn)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(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象造成影響，實(shí)驗(yàn)用工質(zhì)水為經(jīng)過(guò)制備的除氣水。制備過(guò)程：取適量自來(lái)水加入熱水器中，經(jīng)過(guò)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(shí)驗(yàn)。工質(zhì)乙醇：實(shí)驗(yàn)用乙醇為無(wú)水乙醇。

圖1 （a）微加熱器實(shí)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(shí)驗(yàn)中所用碳納米管納米流體是使用兩步法制得［9］。其制備過(guò)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?jǐn)?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?jǐn)?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(shí)驗(yàn)［10-11］。

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置及過(guò)程

本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置由CCD攝像頭、顯微鏡、直流電源、三極管等組成。顯微鏡實(shí)現(xiàn)對(duì)微尺度沸騰現(xiàn)象的視場(chǎng)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(zhǎng)過(guò)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(shí)驗(yàn)裝置圖如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)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(gè)脈沖；τ為加熱脈沖寬度；Rb為串聯(lián)的定值電阻，用于保護(hù)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。可編程LabVIEW用于產(chǎn)生脈沖序列，該脈沖序列通過(guò)采集卡NI-6111被發(fā)送到開關(guān)電路，以控制開/關(guān)加熱過(guò)程。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)時(shí)，先通過(guò)移液管分別將除氣水，乙醇以及質(zhì)量分?jǐn)?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(shí)驗(yàn)通過(guò)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(guò)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(guò)程的單氣泡直徑隨時(shí)間的依變關(guān)系，使用MATLAB程序測(cè)量數(shù)字化視頻的每幀中的氣泡直徑d［12］。經(jīng)過(guò)分析得出，這種氣泡尺寸測(cè)量方法的誤差主要源于難以準(zhǔn)確地識(shí)別氣泡幾何形狀的邊界線，實(shí)驗(yàn)中通過(guò)多次測(cè)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(jì)算

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時(shí)，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(jì)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，可直接讀取；Uce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(jì)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(duì)應(yīng)的電流，可由公式I=（Ucc-Uce）/Rtotal計(jì)算所得。

實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，得到平均的起始電壓Ucc，以減小實(shí)驗(yàn)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(dāng)加熱面達(dá)到一定過(guò)熱度時(shí)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(dá)到沸點(diǎn)而氣化融入到生成的單個(gè)氣泡中，氣泡迅速地增長(zhǎng)變大，直到脈沖加熱結(jié)束。

實(shí)驗(yàn)過(guò)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(zhǎng)過(guò)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(shí)的生長(zhǎng)形態(tài)，為方便研究，取觀察到的第一個(gè)氣泡為時(shí)間上的起始記錄點(diǎn)。

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(gè)氣泡，且隨著脈沖加熱時(shí)長(zhǎng)的增加氣泡迅速的長(zhǎng)大，直到在脈沖加熱停止時(shí)達(dá)到最大。在以往的較多的類似實(shí)驗(yàn)中，隨著脈沖的加熱，氣泡并不能準(zhǔn)確地從微加熱器的中間部分快速產(chǎn)生，影響了實(shí)驗(yàn)研究的準(zhǔn)確性。而在本實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)采用啞鈴型結(jié)構(gòu)的微加熱器有關(guān)。實(shí)驗(yàn)前期，通過(guò)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(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)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(dá)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(shí)驗(yàn)的重復(fù)測(cè)試中沒(méi)有觀察到產(chǎn)生的氣泡有脫離現(xiàn)象。應(yīng)當(dāng)注意的是，由于CCD記錄速度的限制（24幀/秒），所以在這個(gè)氣泡快速增長(zhǎng)的過(guò)程中丟失了一些信息。

3.2 氣泡動(dòng)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(guò)程的單個(gè)氣泡動(dòng)力學(xué)行為，基于CCD拍攝的圖像，使用MATLAB程序選定測(cè)量脈寬在1 000 ms時(shí)拍攝的數(shù)字化視頻中每幀圖片的氣泡直徑，通過(guò)處理測(cè)得的直徑數(shù)據(jù)，得到了氣泡直徑與加熱時(shí)間的函數(shù)關(guān)系曲線，曲線覆蓋了氣泡整個(gè)的生長(zhǎng)過(guò)程，如圖8所示。

圖8 不同工質(zhì)沸騰過(guò)程中氣泡直徑與時(shí)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(shí)間曲線彼此有一定的差異，在同種工質(zhì)中，隨著加熱時(shí)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(zhǎng)過(guò)程基本都是先急劇的快速增長(zhǎng)，然后增長(zhǎng)變緩最后趨于穩(wěn)定，可大致分為3個(gè)階段：在0～0.2 s時(shí)間內(nèi)是氣泡迅速增長(zhǎng)的加速增長(zhǎng)期，0.2～0.8 s為氣泡增長(zhǎng)速度變緩的平穩(wěn)成長(zhǎng)期，0.8～1 s為氣泡直徑趨于穩(wěn)定的緩慢變化期。

對(duì)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?yàn)椋べ|(zhì)中生成氣泡直徑的這種差異與其傳熱過(guò)程，及工質(zhì)自身的表面張力等因素有關(guān)；同時(shí)由于本實(shí)驗(yàn)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(gè)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?xì)馀菟瑁海╝）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(guò)熱，也就是加熱表面必須達(dá)到一定的過(guò)熱度。在脈沖加熱的過(guò)程中，當(dāng)脈沖寬度增加時(shí)，液體加熱時(shí)長(zhǎng)增長(zhǎng)，過(guò)程中產(chǎn)生的能量不斷地聚集使得過(guò)熱度也隨之增加；當(dāng)輸入的加熱功率增大時(shí)，加熱電流密度變大，能量集聚的速度加快使得過(guò)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(dá)到最小的成核過(guò)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(dāng)脈沖寬度一定時(shí)，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?yàn)橐后w在汽化時(shí)分子間平均距離加大、體積急劇增加，且此過(guò)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(shí)驗(yàn)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(dāng)實(shí)驗(yàn)工質(zhì)的表面張力相對(duì)較大時(shí)，要想達(dá)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(yǔ)

本文研究了在單個(gè)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(dòng)力學(xué)行為，得到以下結(jié)論：

1）通過(guò)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(gè)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(dòng)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(dāng)脈沖脈寬增大時(shí)，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(duì)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?xì)馀莩珊怂璧募訜崞髌鹗茧妷汉凸β首钚。{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(shí)驗(yàn)依據(jù)。