传热学 微尺度ppt

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
二、一些典型微热器件及其相应的热现象
• 5、微型换热器 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10³μm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1.5 及图1.6)。
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
二、一些典型微热器件及其相应的热现象
• 6、微型燃气透平用燃烧室 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
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。
微米/纳米尺度传热学
第一章 绪论
西安电子科技大学
第一章 绪论
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
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
二、一些典型微热器件及其相应的热现象
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
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。
二、一些典型微热器件及其相应的热现象
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 率的尺寸效应。
二、一些典型微热器件及其相应的热现象
• 2、颗粒和点结构 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。
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Richard 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“There’s 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。
二、一些典型微热器件及其相应的热现象
• 9、分子机器 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、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。
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
• 7、微尺度热控制 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 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(<10μm)； 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。
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
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
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
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。
二、一些典型微热器件及其相应的热现象
• 1、薄膜中的热传导 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
• 4、计算机元器件及其传热问题 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/m³ 到7000W/m³ 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
• 3、窄线及量子阱 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。
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9cm³ 到50cm³ 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。
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。
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
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
二、一些典型微热器件及其相应的热现象
• 8、微尺度生物传热 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。