微尺度传热的实验研究进展

吴敏

摘要：由于纳米材料、微电子机械系统、生物芯片等技术的诞生和深入发展，器件的尺寸已经进入到微/纳米尺度。由于量子效应、界面效应，使得微尺度传热的机理与传统尺度传热的机理有明显的不同。人们通过大量的理论研究和实验研究，发展了波尔兹曼传输方程，分子动力学等方法，取得了一定的效果。本文着重从实验研究的角度出发，对微尺度传热研究的进展做总结。

关键词：微尺度;传热;热导率

1 引言

进入90年代以来，微/纳米技术的发展很快随着器件的构件尺寸的进一步减小，微/纳米激光加工的特征时间缩短，都进一步对传统的流体力学和传热学提出了挑战，迫切要求弄清空间和时间微细尺度条件下流动和传热的特点和规律，因此国际上逐步形成了一个微细尺度传热的新的分支学科。例如，1997年，国际传热传质中心首次召开微传热的国际会议（International Symposium On Molecular and Microscale Heat Transfer in Materials Processing and Other Applications）[5]， 1998年7月欧洲在法国召开了微尺度传热的学术讨论会。1997年1月美国还出版了以为Professor C.L.Tien主编的微尺度热物理工程的学术刊物。这些都表明了世界正在形成微细传热这个新的学科分支。进入21世纪，世界经济的发展将在很大程度上建立在微小器件的基础之上，因此微尺度传热的研究愈加重要，其研究成果将直接影响世界的经济发展。

2 微尺度传热的特點

微尺度当尺度微细化后，其流动和传热的规律已明显不同于常规尺度条件下的流动和传热现象，即会出现了流动和传热的尺度效应。微细尺度的流动和传热与常规尺度的流动和传热的不同的原因可以分为两大类：（1）当物体的特征尺寸缩小至与载体粒子（分子、原子、电子、光子等）的平均自由程同一量级时，基于连续介质概念的一些宏观概念和规律就不再适用，粘性系数、导热系数等概念要重新讨论，Navier-Stokes方程和导热方程等也不再适用。（2）物体的特征尺寸远大于载体粒子的平均自由程，即连续介质的假定仍能成立，但是由于尺度的微细，使原来的各种影响因数的相对重要性发生了变化，从而导致流动和传热规律的变化。

3 微尺度传热的主要研究方向[6，7]

微细尺度传热研究的主要方向有如下几样：

（1）热传导：介电材料薄膜内的热传导、金属薄膜内的导热与膜厚度的关系、边界电子散射的影响、超导材料薄膜导热率与材料种类、膜厚、温度的关系等等。众所周知， 导热系数是物质的一种输运性质，它与物体的尺寸大小无关。现有实验和理论研究表明， 当物体尺寸减小，例如薄膜的厚度小到一定程度时，其导热系数就会降低，有的甚至可降低个数量级，导热体甚至变成绝热体。导热系数尺度效应的物理机制来自于两个方面，一是与导热问题中的特征长度有关，二是导热能力与材料中晶粒大小有关，当尺寸减小时，由于工艺等方面的因素，晶粒尺寸也随之减小，由于晶粒界面增大，所以输运能力差，导热能力也就下降。

（2）对流换热：微细结构表面及微槽管和微孔隙多孔材料中的流动和有/无相变时的传热传质，薄液膜流动单相与蒸发传热传质及稳定性的研究，相变过程界面传输特性与两相流、相间分布特性的微细研究，微尺度换热与微加热器、微型热管、超高紧凑换热器等的应用基础研究与技术开发等等。

（3）热辐射：辐射性质与微尺度的关系，几何光学区、电磁微尺度区、电子传输微尺度区、量子尺寸区的辐射特性，微尺度辐射与传统几何光学区辐射的偏离，薄膜、微槽表面的热辐射特性及其制造过程中的热控制，微多孔材料内的辐射热传输等等。

（4）相变传热：壁面上蒸发液滴内部的微对流现象，液体表面蒸发与凝结分子动力学，生物材料的微冷冻过程等。

（5）微重力传热传质：微、零重力环境下的流动与对流换热，微、零重力环境下相变（沸腾、凝结和熔化、凝固）换热机理，微、零重力环境下传热传质的地面模拟实验方法与实验技术。

4 微尺度传热的实验研究

4.1 热导率的测量

近些年来，人们已经通过实验发现并证实了薄膜的热导率与其他材料相比有很大的不同。目前已经发展了多种薄膜热导率的测量方法：静态法[8]，法[9]，瞬态反射测量法，扫描热显微镜技术，光热偏转法，红外成像技术及全息干涉法，微分光声法，热波延迟法等等。1994年，Griffin等人在100温度下，测量了CVD氮化硅薄膜导热率。实验中，薄膜的导热率随着膜厚的增加而增加。然而1995年，Xiang Zhang等人对厚度为1.4和0.6的氮化硅薄膜采用静态法测量，结果却是厚度为0.6的薄膜热导率要比1.4的热导率要大。1997年Govorkov等人利用微分光声法研究了电子束蒸发薄膜热导率和膜厚的关系，也出现了热导率随膜厚的增大而增大的现象。同年，Lee等人利用法测量了PECVD生成的不同厚度的薄膜的纵向热导率。实验表明薄膜的热导率均随着薄膜的厚度增大而增大，但在薄膜厚度大于100nm的时候，热导率无明显变化。 Bhusari等人利用热波延迟法测量了玻璃、硅和铜薄膜的热导率，出现了热导率随薄膜增大而增大的现象。

4.2 热物性参数测量

（1）交流量热法：以调制激光作为热源，采用热电偶作为测温元件的交流量热法已广泛用于测量薄膜的热扩散率。按加热方式可分为均匀光照法、线形光照法和点光照法，其中均匀光照法使用较多。在测量超薄薄膜垂直方向的热扩散率时，由于薄膜很薄，在厚度方向上的热扩散时间很短（级），要求测温器的响应要足够快。Chen等于1994年改进了交流量热，他们以高响应速度的温敏电阻取代了常用的热电偶作测温器来测量温度波幅度和相位，因而能分别得到薄膜平行和垂直方向的热扩散率，这有利于观察由表面效应和边界效应引起的热扩散率的各向异性。

（2）量热法：Cahill等人将量热法应用于薄膜的纵向热导率测量，并验证了该方向的可靠性。法以直接沉积于待测薄膜样品表面的金属条作为加热器和测温器。对金属条加电流，将产生角频率为的温度波，因而金属条电阻也以频率变化，电压U=IR，角频率则为，测电阻电压的三次谐波就能得到温度波的幅度与相位，从而求出样品的热导率以及热容。

（3）扫描热探针显微镜：扫描热探针显微镜（SThM ）通过将温敏器件制作在高分辨率的显微镜的探针末端，可以同时观测样品的形貌和温度分布。例如，用微型温敏电阻作为原子力显微镜（AFM）的探针针尖，温敏电阻既是加热器又是量热器，再结合法，可以得到样品的热导率，空间分辨率可达30 nm。

4.3 微尺度传热的实验研究

4.3.1 金属纳米薄膜微尺度热输运的实验研究

这一实验就中国科学院工程热物理研究所，韩鹏，唐大伟等人做的。他们采用飞秒激光泵浦-探测技术对金属纳米薄膜微尺度能量输运过程进行了研究。在泵浦一探测系统中，两束激光一起对测量样品进行照射，其中一束光用来加热样品，叫做泵浦光;另外一束激光用来探测信号，叫做探测光。探测光相对泵浦光有一个精确设定的时间延迟。图1是他们的实验系统图片。

脉冲激光从激光器出后，首先经过一个起偏器，使本来水平方向的激光在垂直方向上有一定的分量。通过调节起偏器的角度，来实现两个分量强度之比。经过偏振分光梭镜，激光分为两束方向垂直的偏振光，其中光强较强的一束激光用来加热样品，为泵浦光。它经过声光调制器，被频率为1MHz，占空比为5：5的方波信号调制，剩余能量约为20mW。最后经过聚焦透镜聚焦在样品表面上，光斑直径在100左右。另外光强较弱的那束激光用来探测样品表面反射率的微弱变化，为探测光其强度大约只有泵浦光的1/10，相对泵浦光很弱，所以不会干扰泵浦光的加热过程。测光被安置在移动平台上的反射镜所反射，这样一来， 通过移动平台改变反射镜的位置就可以实现探测光和泵浦光之间光程差的变化。两者之间光程差的变化， 就可以导致探测光相对于泵浦光的滞后时间的变化。他们利用这套实验设备测量了纳米金属薄膜在一个脉宽为140fs的激光脉冲作用后，其非平衡电子温度在几个皮秒内随时间的变化。其后分别用一步抛物模型、两步抛物模型以及双相滞模型和实验结果相比较，结果表明，实验结果与模型模拟结果吻合良好。

4.3.2 矩形微槽乙醇水溶液传热特性

这一实验研究是由北京航空航天大学航空科学与工程学院的席有民等人完成的，在实验中，他们采用有限体积法对如图2所示的矩形微槽[10]中体积浓度为30%的乙醇水溶液传热特性进行了三维数值模拟。

矩形微槽采用两种不同对称结构和热边界条件，进口采用流动完全发展边界条件。对不同对称结构和物性条件（常物性和变物性）的计算结果进行了比较，并与实验结果进行了对比。 研究表明，对所研究微槽结构和工质，采用流动完全发展进口条件，以及随温度变化的热物性参数，数值计算结果与实验结果基本吻合。实验的壁温换热系数与壁温热流密度曲线如图3，图4所示，实验结果与计算结果仍然在不确定结果范围内。

4.3.3 其他关于微尺度传热的实验研究

前人已经在微尺度传热领域做了大量的实验研究，王补宜等人对甲醇沿刻有矩形微槽表面的平板流动沸腾特性进行了实验研究，获得了单相对流直到临界沸腾的特性曲线，分析了流速、过冷度和微槽结构对传热特性、沸腾状态以及临界热负荷的影响。李世岗等[11]研究了不同间隙尺寸下浸没深度对弦月形狭缝微膜蒸发通道内液氮的热虹吸沸腾换热特性的影响，结果表明通道内流体流量随浸没度的变化而变化，并影响其换热性能。狭缝通道内的热虹吸沸腾传热不同于大空间池沸腾传热，也有别于通常管道内的受迫流动沸腾传热。通道内的传热与流动过程是耦合的，传热因素如热流密度、气泡生成频率及脱离直径等均会影响两相流流体进口流量、空隙率及流型。姜明健[12]等通过试验研究流动阻力和换热强度获得了水在微尺度槽道中的单相换热特性，发现在微尺度槽道中流体单相流动换热性能明显高于常规尺度槽道，而阻力系数低于常规槽道。得到了微尺度槽道的尺寸、结构形状和流体流动均匀性对流动和换热的影响规律。

5 总結与展望

21世纪世界经济的基石将在很大程度上建立在微小器件的基础之上，而微细尺度传热学正是微尺度科学中最新和重要的学科分支之一，它具有广阔的工程应用背景，并备受众多领域专家的关注。微细尺度传热学是交叉于热科学、物理、电子、器件、机械、材料、化工、生物医学工程、仪表、生物信息与控制等诸多领域的一个新成长点。目前微细尺度传热的研究重点主要集中在：不同材料间界面热阻热导率的计算、硅薄膜及相关结构的传热计算、模拟一维纳米结构的声子输运性质、计算各种纳米尺度聚合物、无定型材料、多孔材料以及超晶格结构的热导率等方面。虽然微细尺度传热的理论研究和实验研究已经受到了大家的重视。但仍需要各国的专家学者去研究和探讨，并将理论研究成果应用到工程实践中去。

参考文献：

[1] 周兆英， 尤政.微型系统和微型制造技术.微米纳米科学与技术.1996.2（1）：1～11

[2] Tanasawa I Nishio S，Editors.Proceedings of International Symposium On Molecular and Microscale Heat Transfer in Materials Processing and Other Applications.Japan，1997

[3] 李淑芬等.对我国“细微尺度传热学”发展战略的建议.中国科学基金，1996;3：108-111

[4] 辛明道.微传输现象与微传热学基础理论的确立.国际学术动态，1997;2：43-44，58

[5] Kieiner M B，Kuhn S A，Weber W.IEEE Trans.Electron Devices，1996，43：1602-1609

[6] Song D W，Liu W L.Zeng T，et al.Appl.phys.Lett，2000，77（23）：3854-3856

[7] 姜明健，罗晓惠，刘伟力.水在微尺度槽道中单相流动和换热研究[ J ]. 北京联合大学学报， 1998， 12 （1） ： 71 – 75

[8] 李世岗，陈流芳，张华等.微膜蒸发通道中液氮的热虹吸沸腾传热特性.西安交通大学学报，1999;33（4）：1-6

[9] 姜明健等.水在微尺度槽道中单相流动和换热研究.北京联合大学学报，1998;12（1）：71-75