1、微米/纳米尺度传热学,第一章 绪论,第一章 绪论,西安电子科技大学,一 、导言,二、一些典型微热器件及其相应的热现象,三、微器件中传热问题的尺寸效应,四、微尺度传热学中的一些分析方法,五、微尺度传热学的一些研究进展,六、小结,西安电子科技大学,一、导言,自然界各种物体的尺寸可以归纳为图1.1。,图1.1 自然界各种物体的尺寸,一、导言,以往研究得最多的是人类感官所能触及的对象，近几年来自然科学和工程技术发展的一个重要趋势是朝微型化迈进，人们的注意力逐渐转向那些发生在小尺度或快速过程中的现象及其相应器件上。其中微电子机械系统(MEMS)尤其取得了巨大成功。,这类系统指的是那些特征尺寸在1mm以下
2、但又大于1m的器件，它集电子及机械元件于一身，并要通过集成电路制造中所采用的批量加工方法制成。,一、导言,微电子机械系统的尺寸比氢原子直径大四个量级，比传统人造器械尺寸小四个量级，纳米器件进一步推进了微电子机械系统的小型化。,微电子机械系统的影响遍及相当广泛的领域，如仪器、医疗、生物系统、机器人、设计、导航及计算机应用等。,一、导言,如今，认识到微电子机械系统的重要性的国家数目正在不断增加，我国也较早地投入了大量的人力物力开展这一学科的研究，并在纳米科学的某些领域，如定向碳纳米管阵型、一维纳米线等，取得了引人注目的成就。,人们通常将微电子机械系统科学及纳米技术的起源归功于诺贝尔物理学奖获得者R
3、ichard Feynman与1959年在美国物理学年会西海岸会议上宣读的一篇经典论文“Theres Plenty of Room at the Bottom”；之后他还发表了“Infinitesimal Machinery”。这两篇文章科学的预见了微米/纳米机械的许多重要特征。,一、导言,“纳米技术”的含义是指利用一些新技术，如激光束、离子束及电子束研磨，来完成的超精细材料加工技术，其定义可为“0.1100nm尺度起关键作用的技术”。,不难理解，所有微尺度科学中的一个共同特征是物质和能量的输运均发生在一个有限的微小结构内，而物质的输运和相互作用必然涉及到流动和能量的转换。据热力学第二定律可知
4、，任何不可逆过程中能量的耗散必然有一部分是以热的形式体现的；此外，化学反应和相变过程中的任意分子重构也必然涉及到与周围环境的能量交换问题。,一、导言,因此，对于所有微电子机械系统的设计及应用来说，全面了解系统在特定尺度内的微机电性质及材料的热物性、热行为等已经成了迫在眉睫的任务。然而，目前的科学和工程水平尚无法做到这一步，于是现代热科学中的一门崭新学科微米/纳米尺度传热学应运而生。,早期的微尺度传热学研究主要集中在导热问题上，之后则扩展到辐射和对流问题。,为说明微尺度传热学的主要研究内容，如下扼要地介绍一些典型例子，以开拓读者的思路，但其远远不能代表该学科的全貌，因为微尺度传热的内涵正不断扩展
5、,1、薄膜中的热传导,二、一些典型微热器件及其相应的热现象,1987年，瑞士科学家发现YBa2Cu3O7陶瓷有高温超导性，人们第一次认识到，自然界存在一个超导体及半导体均可工作的温度范围，于是一种集超导体-半导体于一身的功能强大的复合器件应运而生。,这些复合器件的基本单元是一种高温超导薄膜，其另一种潜在应用是作为液氮温区的测辐射热仪，此时超导薄膜充当一个辐射吸收器，而电阻温度计则成型到一个热沉上。测辐射热仪是具有卓越相应功能的红外辐射探测器，已经发现，高温超导测辐射热仪的噪声强度较之室温焦热电探测器小两,二、一些典型微热器件及其相应的热现象,个量级。所以，分析薄膜中的传热问题自然成为进一步提高
6、仪器性能的关键步骤。,一系列的研究表明Fourier定律不适于分析高温超导薄膜及介电薄膜在一定温度和厚度区域内的热传导问题。在这方面，Boltzmann方程被公认为是一种最具普适性和有效性的工具。Majumdar发展了一个基于Boltzmann理论的声子辐射输运方程，以分析单个薄膜中的导热。其研究表明，在微尺度区域内，晶格振动或声子的热传导表现为辐射传热的形式。,二、一些典型微热器件及其相应的热现象,总体上，用于分析微尺度材料中的热导率的方法基本分为三步：,(1) 找出反映材料电导率尺寸效应的合适表达式；,(2) 确定电导率中的平均自由程；,(3) 应用电学-热学输运比拟关系计算出热导率的尺寸
7、效应。,2、颗粒和点结构,二、一些典型微热器件及其相应的热现象,这方面的两个典型例子是单晶及多晶。当晶体的单位元胞在三维空间内重复生成，并形成一种无任何周期间断或界面的宏观物体时，即称为单晶。然而，固体通常是以多晶形式出现的，它由称为颗粒的多个单晶组成，而各单晶簇又由称作颗粒边界的界面分隔开，界面对固体的机械、化学、电学及热学性质起着非常重要的作用。除颗粒边界外，晶体缺陷也强烈地影响固体的性质。对颗粒和点结构材料热物性的测量及其传热的研究，近几年来得到了广泛的关注。,3、窄线及量子阱,二、一些典型微热器件及其相应的热现象,对建立在砷化镓基础上的量子阱结构的研究近年来进展十分迅速。量子阱结构通常
8、由嵌入高能隙介质中的一层或多层超薄(200A或更小)低能隙半导体层组成。研究发现，其热导率与相对应的宏观体材值相比甚至在室温小也要小一个量级。相当窄的金属线，如纳米线，是另一个热物性依赖于尺寸即直径的例子，而纳米线的制作与研究正成为当前的研究焦点之一。,4、计算机元器件及其传热问题,二、一些典型微热器件及其相应的热现象,近年来，微电子工业发展的一个显著特征是个人计算机和工作站呈爆炸式增长，在这些小型或中型尺寸的系统中，无一例外地要用到受迫对流空气来冷却发热器件。,图1.3示出了系统水平上的热耗散与系统体积之间的关系图。从图可见，所有气冷系统数据均落在图1.3中的两条平行线之间的带内；由此带的斜
9、率看出，气冷系统中的体积热耗散密度几乎独立于系统尺寸，其范围大约在3000W/m到7000W/m之间，其中笔记本电脑中的体积热耗散密度最高，达,二、一些典型微热器件及其相应的热现象,到7000W/m。如此高密度的热量输运是一个富有挑战性的课题。,图1.3 计算机体系内热耗散与系统体积的关系,二、一些典型微热器件及其相应的热现象,冷却微小系统的困难在于：,首先，冷却空气速率不能太高，以尽可能减小声学噪音；,其次，器件结构紧凑性要求仅允许保留有限的冷却流体空间；,第三，同样的要求不允许在模板上安装大容量热沉；,第四，低造价的原则要求尽可能地采用塑料封装芯片，而这又会增大芯片与模板表面之间的导热热阻
10、，于是热量将主要聚集在基底材料上。,二、一些典型微热器件及其相应的热现象,所以，针对各类电子器件中相当高的热源密度(图1.4)，寻求具有高效热输运效能的微槽传热方法多年来一直是人们探索的主题。,图1.4 模板上各类热源的几何结构及其设置,5、微型换热器,二、一些典型微热器件及其相应的热现象,如上所述，微型换热器最实际的应用是在微电子器件的冷却上。现代微制造技术的进展已经使得加工由多个水力学直径在10到10m之间的微型管道组成的换热器成为可能。这类流动槽道或交错肋片通常制作在硅、金属或其他合适材料的薄片上，每一薄片既可单独组成一个平板换热器，也可堆叠和焊接在一起以形成平行的顺流或逆流换热器(见图
11、1.5及图1.6)。,槽道或肋片可采用光刻技术或利用微型工具通过精密切割而制作在薄片上。,二、一些典型微热器件及其相应的热现象,除上述微槽型换热器外，如图1.7所示的微热管是另一类具有高效热输运能力的微型换热器，其内存在着诸多复杂的微尺度流动、传热及相变机理有待揭示。,图1.5 微型换热器示意图(晶片上加工有流道，其表面覆盖有耐热平板玻璃),图1.6 微型换热器横截面示意图,二、一些典型微热器件及其相应的热现象,图1.7 微热管运行示意图,6、微型燃气透平用燃烧室,二、一些典型微热器件及其相应的热现象,Waitz等新近发展了一个针对微燃气透平的燃烧室，如图1.8,图1.8 微型燃气透平发电机,
12、二、一些典型微热器件及其相应的热现象,微型和常规器件在设计上的差别大多是由于尺寸缩小引起的，但它也受燃烧室与发动机的相对尺寸、周期压比、材料温度极限等影响。微型燃烧室的一些特别之处在于：,(1) 具有更短的用于混合和燃烧的停留时间；,(2) 附加的能量损失主要由较高的比表面积决定；,(3) 采用了难熔的结构陶瓷。,微机电技术是在一些难熔结构陶瓷的微加工成为可能后才得以实现的，这些材料具有适应恶劣环境的优异的机械、热学及化学性质。它们已经成为制造某些大尺度器件的着眼点。,7、微尺度热控制,二、一些典型微热器件及其相应的热现象,图1.9所示为Lin等设计的利用微气泡作为驱动部件的装置。,图1.9
13、汽泡驱动的微型热效应管 (悬臂末端的平板可随微小汽泡的形成而朝上移动),二、一些典型微热器件及其相应的热现象,与热驱动相比，一些传统微制动技术，若要实现较大的力输出，则其位移相对较小(10m)；而双压电晶片虽可获得大的位移，但输出的力又相对较小；此外，电力驱动则对颗粒和潮湿环境非常敏感；而磁制动又不易加工到亚毫米尺度。,据报道，采用热相变驱动的效应器可以获得相对较大的力，且可实现数十微米的位移。不过，由于微热控制器较敏感于温度，它们不能在温度变动很大的状况下使用。,二、一些典型微热器件及其相应的热现象,另一个微尺度热控制的例子可在打印机工业中找到。,热喷墨打印头(或笔)封装在一种体积在9cm到
14、50cm的可替换性液滴发射腔内，它们通常由一个墨水池及制作在硅基地上的与喷墨阀门阵列相对应的微型加热电阻阵列构成。,图1.10为一个带有集成运动电子装置的热喷墨头的横截面。,二、一些典型微热器件及其相应的热现象,由于打印图像的质量强烈地依赖于墨滴重量，实现微笑液滴发射的控制技术一度成为人们追求的目标。,图1.10 集成化热喷墨芯片的横截面。该图显示出由加热电阻产生的“驱动气泡”迫使墨滴从发射腔喷出的情形，每一发射腔对应于一个N通道金属氧化物半导体晶体管,二、一些典型微热器件及其相应的热现象,图1.11反映的是一类喷墨打印机中墨滴重量随年代降低的情况，图中水平线代表人眼所能感知的最小液滴重量，低
15、于这一临界值，可以获得高精度打印图像。,图1.11 喷墨液滴重量随年代的演化情况；采用图中虚线以下的液滴重量町以获得高质量的打印图像,8、微尺度生物传热,二、一些典型微热器件及其相应的热现象,对细胞尺度范围内的传热介质问题的研究近年来逐渐成为诸多领域的研究重心。,细胞相变温度强烈地依赖于脂双层的组分、链长及饱和度，而细胞膜脂双层中发生的相变会影响到其隔离细胞内外溶液并控制质量输运的能力，因而理解和控制这一相变过程是微尺度生物传热研究最为重要的课题之一。,微尺度下的生物传热问题实际上是形形色色的，如在生命个体中，一些生物体与生俱来的天然结构就包含着独特的微质量和能量输运机理。,二、一些典型微热器
16、件及其相应的热现象,微尺度传热在一些最先进的生物技术中也得到了应用，如利用生物组织化学反应速率对温度的高度敏感性，人们设计了独立的具有高效热控性能的硅微结构。从而使得过去需长达3个小时的多聚酶链式反应现在仅需20分钟左右即可完成，这是因为硅微结构中采用了具有合适高宽比和大面积的反应容积，从而能在一个低热质交换器中得到快速的加热和冷却速率。,类似于此类生化反应器件，关于生物芯片的制造方法及其微传热传质、微控制、微信号的采集等也必将成为新一轮的研究焦点。,9、分子机器,二、一些典型微热器件及其相应的热现象,对分子水平上的机械装置进行加工的执着追求导致了一系列相应器件的产生，如转子、齿轮、开关、闸门
17、、转栅、马达，棘齿等，其中马达在生物系统中比较普遍，其制作最近在实验室中也已成为现实。,如今，对于分子机器中热控问题的研究显然已经不再是一个遥远的梦想。,三、微器件中传热问题的尺寸效应,以上介绍了一些典型微器件中的热科学问题。现在，人们普遍认为，随着尺度越来越小，器件中的热和流体行为将严重偏离传统传热学和流体力学理论所描述的规律，即微尺度区域内的热流体行为将体现出强烈的尺寸效应，而那些广泛应用于连续介质体系中的物理量，如“温度”、“压强”、“熵”、“内能”、“焓”，乃至热物性，如热导率、比热容、黏度等，在微尺度水平上均需要重新定义和解释。尺寸效应考虑与否可通过某种标准判断，例如在Flik等所提
18、出的区域图中，可以得出这样的结论，即对于平均自由程对热量载体起决定作用的情况，,三、微器件中传热问题的尺寸效应,若平板层厚度比在其层厚度方向的导热平均自由程小约7倍，或者曾厚比沿层面方向的导热平均自由程小4倍半，则认为该层中的热传导存在微尺寸效应。显然，热辐射及热对流问题中也存在用以判断尺寸效应的准则，其内容将在后文中予以讨论。,研究表明，特别薄的膜材料的物理和化学性质强烈地影响其热物性与对应体材值的偏离度，这在半导体加工工业中应引起注意，因为薄膜化学性质即使相似，其微结构也可因沉积方式的不同而相差很大。这些结果表明，需要特别了解薄膜、基底的结构，其对薄膜、基底复合材料之间,三、微器件中传热问
19、题的尺寸效应,的接触热阻影响很大。,迄今所测得的薄膜热导率值差别很大，这是因为薄膜的一些独特性质，如膜厚、膜-底材温度、薄膜的沉积方式等，均会影响热导率的大小，且其中所涉及的不确定性很难准确估计，这也恰恰成为微尺度传热学研究中最具挑战性的课题之一。,四、微尺度传热学中的一些分析方法,研究材料内的传热和流体输运特性存在两种途径，即宏观及微观途径。,宏观途径主要依赖于唯象模型，不必确知能量输运的机制及材料的微结构，主要用于分析宏观尺度下的热现象。因其只需知道本构关系或简单的输运定律即可，因而显得相对简单。但这种方法在认识和解决微工程系统所涉及的问题方面并不能提供足够的信息，因为这些系统往往需要了解
20、传热的微观机制。,由于通过微观途径，可以建立起对材料传热的基本认识，它正逐渐成为发展新材料和高性能器件的不可或缺的重要手段。,四、微尺度传热学中的一些分析方法,Kotake按照从连续介质现象到量子现象的特征尺寸，列出了相应的控制方程，如图1.14所示。,图1.14 机械热过程中所涉及的连续介质及量子动力学,四、微尺度传热学中的一些分析方法,对于连续介质现象，利用传统的连续、动量及能量方程即可求得系统所涉及到的宏观变量。分子动力学方程则用于揭示那些量子力学效应不明显的物理现象的分子特征，它们能对分子统计理论如Boltzmann方程及直接Monte-Carlo模拟法提供分子碰撞动力学方面的知识。对
21、于具有量子效应的物理过程，如光和物质的相互作用、金属材料中的热传导问题等，应采用量子分子动力学方法，并通过同时求解分子动力学方程及Schrodinger方程来加以分析。,四、微尺度传热学中的一些分析方法,此外，对一些传统流体力学、传热学理论及其相应的基本方程和界面条件、物性等作适当的修正，也可达到分析某些微系统热问题的目的。,将分子动力学方程适当积分后可导出连续方程，这是一个从微观到宏观的过程，而积分方法是认识宏观系统行为的最关键的问题。对连续方程微观化后可得到分子动力学方程，即宏观到微观，微分方法在利用微观子系统解释宏观现象时也起到十分重要的作用。但积分和微分方法仅在积累一定经验的基础上才能
22、使用，而且微观现象的加和并不能解释系统在宏观情况下的微观特性。,五、微尺度传热学的一些研究进展,对微尺度传导、对流和辐射问题的分析已获得了大量的信息。在热传导方面，许多作者利用Boltzmann方程对层厚在能量载子平均自由程量级上的薄膜进行了求解，发现膜边界的电子散射是决定热量传递的主要机制，薄膜电导率和热导率随尺寸的减小机制在许多情况下是相同的。利用Boltzmann方程作进一步分析可以获得对薄膜输运特性的有益认识。Flik等发展了一个用以定义热传导是否处在宏观或微观区域的图表，由此可得出这样的结论，即材料的纯度及缺陷结构强烈地影响微尺寸热传导的一些相关输运性质。,五、微尺度传热学的一些研究
23、进展,Vedavarz等也考虑到了这些现象，并对一定加热条件下可能引起非Fourier热传导效应的热松弛时间及特征长度的范围进行了定量化。Bai和Lavine采用修正后的双曲型热传导方程来研究固体内的热量传播，结果表明，对于层厚在载子平均自由程量级的平板，跃变边界条件强烈的影响热传导问题的求解，在此条件下由双曲型热传导方程得到的结论与传统修正情况下的结果相差很大。,五、微尺度传热学的一些研究进展,另一个非常重要的领域是发展研究微尺度传热学的实验方法。,现已提出数个新的实验技术和测量方法，其中一些方法可用以获得微尺度能量输运现象和物理图景，而另一些方法则朝各自的空间、时间、或能量分辨率极限推进。
24、此方面，光束反射测量技术已取得一定的成功，但其实验过程极易受到各种扰动的影响，采用流体作为探针介质并应用薄膜加热器件可提高光束反射观测技术的“友好性”。,五、微尺度传热学的一些研究进展,利用原子力显微镜对电子系统及器件进行热成像，是另一个非常有前途的技术。提高这一特殊方法的机制之一在于采用更精确的温度测量装置替换热偶探针，在这方面，半导体二极管、电阻温度计或石英晶体等有可能提供更准确的温度信息。,已有大量的工作旨在观察微槽道内基本的流体力学和传热学现象。,Samalam发现，肋片尺寸及槽道高宽比均为优化微槽道换热器的重要参数，且高宽比约为,五、微尺度传热学的一些研究进展,10时的结果较为理想。
25、Pfahler等发现，对于深约0.5mm的槽道内的流体，其表观黏度较之理论预测值要小。此后Choi等在实验中对这一结论进行了印证，即在直径小于10mm的管内氮气流的Reynolds数与摩擦的乘积比传统理论的预测值要小约17%。其研究还表明，微槽中所测的湍流对流换热Nusselt数是传统宏观理论预测值的7倍左右。Choi等还研究了低温下硅微尺度换热器，由于低温下硅的导热率约为其室温值的10倍，因而可以获得高达2000W/cm的热搬运率，这样便可将液氮池沸腾所能实现的热传输值提高两个数量级。,六、小结,可以说微质量和能量输运现象的研究已经成为一个非常重要的领域，而半导体工业的发展则会进一步将应用推
26、进到低温区域，此时微尺寸效应会越发变得显著。现在，除了要对已有理论进行修正外，尤其要力图发展新的理论与测试技术。,在一次会议上，Tien等在报告中归纳了微尺度热工程研究的一些重要出发点。一般而言，科学与工程的研究可广义的划分为三个范畴： (1) 器件设计、加工及运行；(2) 理论分析和计算；(3) 实验技术与测量。,六、小结,器件领域内目前的主要兴趣集中在微流体、微传热及微机械器件上；而在理论和计算研究方面，研究者们提出了一系列从量子分子动力学到连续介质模型的方法；实验技术方面则正朝几种方法的空间、时间或能量分辨率的极限推进，从而由此获得研究微米/纳米尺度能量输运的能力。,然而，这样就提出了两个基本问题：首先，任何计算均只适用于一定的长度和时间尺度，在其他范围则会失效或带来困难。其次是对计算方法，尤其是分子水平尚的计算结果如何验证。,科学家在这两方面都做了很多的工作。,六、小结,毋庸置疑，微米/纳米尺度传热学的研究范畴正不断得到扩展，其在生命科学方面的作为也初露端倪。正是满怀这种希望，微米/纳米尺度科学领域内的研究者们正在努力地将各种极限不断推进，而最为激动人心的领域将出现在各种器件、计算及实验的交叉层面上。,
