微尺度热科学及其在MEMS中的应用

　　1引言

　　微电子机械系统(Micro一Electrv一Mechanical一Systems)是20世纪末兴起并得到迅猛发展的军民两用的交叉性的高技术领域，欧美及日本等发达国家此都投入了相当多的人力和财力进行研究，据美国国防部的相关部门估计，进入21世纪以来，全球对MEMS的投资以近乎成倍的速度递增。具体来说，MEMS是指基于(但不限于)IC工艺设计并制造、可批量生产、集电子元件与机械器件于一体的微小系统。

　　MEMS的优点主要有:尺寸小，重量轻，响应快;精度高，性能好;可以集成控制、感应和执行等多种功能;生产成本低，生产周期短，能耗低;对环境的损害小等。基于以上优点，MEMS在发展不到20年的时间里已经广泛应用于化工、能源动力、信息通讯、国防产业、航空航天和医药及生物工程等领域，而且在家庭服务、人体研究及环境治理等方面也有巨大的应用前景，因此甚至有人把MEMS称为“机械复兴”。

　　MEMS的飞速发展引起了传统机械各学科的革命，研究表明，当尺度减小到一定程度以后，人们基于传统尺度上对力、热、电、光等现象的认识需要有所改变，而且由于目前人们在这方面知识的不足限制了MEMS进一步的高速发展。各国政府、高等院校和科研机构开始把研究的重点逐渐从加工技术转移到内部机理的研究上来，先后建立了微流体力学、微传热学、微光学等新兴学科。

　　微尺度传热学最早是20世纪80年代中期对微电子器件冷却间题的研究中提出来的，一直是国际微电子界和国际传热界关注的热点。1997年国际传热传质中心首次召开了微传热的国际会议成为这一学科正式建立的标志。微尺度传热学奠定了微尺度热科学的基础。微尺度热科学的另一重要分支—微尺度热动力学的研究也有近1D年的历史了，虽然一直没有被独立的提出来，但已经广泛地应用于各种徽动力器件的研究中。

　　总之，对微尺度下热现象的研究主要需要解决两个问题:消除热障碍和发展热动力。所谓的消除热障碍是指解决徽小系统中严重影响系统功能和效率的散热间题，所谓的发展热动力是指充分利用徽小尺度下工作介质的热特性产生高效的动力源。本文将主要介绍近30年以来对微尺度热科学应用研究的一些新进展。

　　2微尺度热现象中的尺度效应

　　在徽尺度条件下，热现象出现了一些与常规尺度下不同的新特点，主要可以归结为以下两点:

　　2.1热流密度大

　　MEM5技术使得器件和系统的尺寸越来越小，已经从徽米份级进入到了亚徽米蚤级。众所周知，器件的表面积是随器件特征尺度的平方成反比关系。尽管随着器件或系统尺寸的减小，消耗功率也会有所减小，但为了完成一定的工作任务，可减小的余地非常小。这使得徽系统内的热流密度非常大，据报道可达lfl}W/m}贫级，远远高出航天飞行器回归地球与大气摩擦时产生的惊人的高热流密度[E870