微气泡在矩形铂膜加热器上的控制性生长及振动

　　1　引言

　　近年来人们对微空间内的气泡,如超声激励或微加热器加热产生的气泡,进行了广泛的研究。对于超声波激励,人们将注意力集中在气泡振荡这一显著特征上,如Iida[1],Vos^[2] ,Vander Meer^[3] 和Emmer^[4] 分别将频闪观测技术、侧视图等引入到显微镜系统中获取微气泡的振动形态,并找出了声压大小与气泡直径、振荡频率等的关系。而对于微加热器表面上的气泡,人们较多地研究了其传热机理、气泡动力学,如Xu^[5] 、Cheng[6]等对脉冲加热下浸没在液体中的微加热器表面的气泡成核、生长、合并过程做了详细的研究,发现了气泡爆炸性生长等现象。此外,加热表面也会出现温度及气泡振荡。G.Romera-Guereca等人^[7] 将亚微米铂膜加热器侵入到去离子水中,发现脉冲加热下的铂膜温度在瞬间快速升高后会进入一个稳定温度区域(假稳定温度),其温度振荡频率达到兆赫兹量级,并随着加热脉冲振幅的增大而增大。Peng等人^[8-9] 利用直径为0.1 mm的铂丝观察到了气泡横扫铂丝的现象,并对其进行了详细地描述;数值模拟结果^[10] 显示气泡运动是由于液体和铂丝上的温度分布不均匀、气泡表面的温差引起的Marangoni流推动气泡前进。综述他人工作,人们对流动沸腾时加热膜上的气泡动力学认识还有待提高。本文以5个串联的50μm×20μm的铂膜为加热元件(其上的热通量可达到10 MW/m2量级),以丙酮为流动工质,对铂膜上的气泡动力学进行研究。

　　2　实验准备

　　为了获得气泡形态特征,采用Leica MZ16显微镜和高速CCD相机对微加热器上产生的气泡放大后进行拍摄,图片拍摄速度为1万帧/秒,光学系统的空间分辨率可达到1μm/像素。采用了同步技术保证图片拍摄与数据采集同时进行,即通过一个同步器发出两个信号同时驱动光学系统(Leica显微镜和CCD相机)和DL750型高速数据采集系统工作。两个系统接收信号的时间差小于20 ns,从而保证了实验过程中良好的同步性。

　　由于金的导电性能好、电阻温度呈线性关系,因此作为加热器的电极使用。图1a为微加热器的结构图,5个串联铂膜分别对应5个并联通道,图1b为其中一个通道的示意图,微通道的水力直径为100μm。采用标准MEMS加工工艺,在玻璃上溅射钛/铂/金,然后剥离做出金导线图形,进一步采用腐蚀工艺腐蚀金就得到铂薄膜加热电阻,其尺寸为长50μm,宽20μm,厚150 nm。其次ICP刻蚀硅基得五个并联微通道,最后铂薄膜玻璃与硅基对准键合、划片就完成了实验件的制作;上盖板玻璃底部布置有微加热元转接引线;转接引线和引出电极用于连接外加电压和微加热元,其材料为Au。以丙酮为工质,其沸点和临界温度分别为56.3℃和225 .05℃。实验前先将丙酮加热至沸腾后立即断电,用来除去溶解在丙酮中的不凝性气体。