重力與表面親疏水性對薄膜加熱器熱氣泡成長行為影響之實驗分析

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國立交通大學

機械工程學系

碩士論文

重力與表面親疏水性對薄膜加熱器熱氣泡成長

行為影響之實驗分析

Experimental Analysis of the Effect of Gravity

and Liquid Hydrophobicity on Thermal Bubble

Growth Behavior on Thin Film Heater

研究生：藍順隆

指導教授：林振德

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重力與表面親疏水性對薄膜加熱器熱氣泡成長行為影響之實驗分析 Experimental Analysis of the Effect of Gravity and Liquid Hydrophobicity on Thermal Bubble Growth Behavior on Thin Film

Heater 研究生：藍順隆 Student：Shun-Lung Lan 指導教授：林振德 Advisor：Jenn-Der Lin 國立交通大學機械工程學系碩士論文 A Thesis

Submitted to Department of Mechanical Engineering College of Engineering

National Chiao Tung University

In partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of

Master In Mechanical Enginerring July 2009 Hsinchu,Taiwan,Republic of China 中華民國九十八年七月

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重力與表面親疏水性對薄膜加熱器熱氣泡成長行為影響之實驗分析研究生:藍順隆指導教授: 林振德

中文摘要

本研究的目的在於運用實驗方法來分析薄膜加熱器於面向上或向下方位時汽泡成長之情形。在浮力作用下，分析汽泡的成長期間，受到功率變化、兩板間距以及表面粗糙度等參數變化的影響。研究過程中我們利用高速攝影機捕捉其現象，使之可視化。藉由改變加熱器方位、侷限與非侷限、兩板間距、加熱器表面親疏水性以及功率大小來分析熱汽泡隨著時間變化成長的物理行為，並深入探討各種不同的參數下對於氣泡形狀變化的熱力行為。實驗結果顯示出，改變加熱器的方位會使得熱對流會因浮力進而導致汽泡成長行為受到明顯影響，汽泡體積與成長在加熱器面向下方位相較於面向上方位會較小且緩慢；而改變侷限與非侷限、兩板間距，會使汽泡因空間改變，使其形狀呈現偏扁平狀，體積縮小的情況；而改變加熱器表面親疏水性，會使得熱汽泡的接觸直徑與高度有不同的變化，當加熱器表面為親水性，汽泡的形狀會呈現近似球體，而當加熱器表面為疏水性，汽泡的形狀會呈現扁平狀實驗並發現當加熱器表面塗佈鐵氟龍溶液，汽泡成長期間會有位移現象，其位移的程度則跟加熱器表面粗糙度有關。

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Analysis of Thermal Bubble Growth Behavior on Thin Film Heater Under Gravity and Liquid Hydrophobicity Student:Su-Lung Lan Advisor:Jenn-Der Lin

Abstract

The present study purposes to analyze the bubble growth behavior on both upward and downward thin film heaters. The physical behavior of the thermal bubbles which is subject to the parameters effects such as variation of power,gap sizes and surface roughness under growth period is experimentally analyzed through the bubble of image by the CCD camera.By changing heater

orientation ,confinement situation,gap sizes,surface roughness and variation of input power,we analyze the thermal bubble growth variation with time and discuss the thermodynamic behavior of thermal bubble shape variation at various values of parameters.

The experimental results show the obvious influences of bubble growth by changing the orientation of heater, the volumes and growth of the bubble is smaller and slower on the downward heater than on the upward heater, due to thermal convection by buoyancy.

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Changing space leads to different bubble shape of flat and also the shrinkage of bubble volumes. The contact diameter and height of the thermal bubble are different for various hydrophilic conditions.When the surface of the thin film heater is hydrophilic, the form of the bubble is found to be approximately spherical and when the thin film heater is hydrophobic,the shape of the bubble is more flat.Bubble growth on the heater which is coated by teflon will be associated with displacement, which is related to surface roughness of the thin film heater.

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誌謝

誠摯地感謝我的指導教授林振德老師，在老師的細心指導下，得以使本論文能完整呈現。另外也感謝國家同步輻射研究中心的林劉恭博士，提供了設備以及製程上相關的保貴意見與觀念、以及口試委員吳志陽教授、傅武雄教授對於論文的嚴厲指正與建議，促使本文內容更加充實與嚴謹。交大實驗室裡的這些日子，感謝一起奮鬥的同學們，曾經一起互相研究與探討，彼此提供有效的意見；感謝學長文福、志銘、昌彥、志豪不厭其煩的糾正我研究中的缺失，在困惑中，巧妙地解決研究中的疑慮以及學弟泰碩、文錚、駿傑的幫忙，以致實驗順利進行；另外，感謝國同步輻射研究中心元浩、益群在實驗製程中給予指導，這一段實驗室的美麗時光，我將難以忘懷，銘記在心。我真的很感謝我的家人，讓我在研究所的這段日子能無後顧之憂的專心於學業上，以及關心我求學生涯的朋友們，謝謝大家。最後，僅以本論文獻給所有關心我的人。

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目錄

中文摘要 ... i 英文摘要 ... ii 誌謝 ... iv 目錄 ... v 表目錄 ... vii 圖目錄 ... viii 符號說明 ... xx 一、緒論... 1 1.1 背景... 1 1.2 文獻回顧... 1 1.3 研究目的... 4 二、實驗原理... 6 2.1 汽泡成核機制... 6 2.2 無因次參數... 6 三、實驗設計及製程步驟... 9 3.1 實驗製程... 9 3.1.1 塗佈... 9 3.1.2 軟烤... 10

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3.1.4 顯影... 10 3.1.5 硬烤... 11 3.1.6 濺鍍... 11 3.1.7 掀離(lift-off)... 11 3.2 製程步驟... 12 3.3 加熱器操作參數... 12 3.4 實驗設備儀器... 13 3.5 實驗系統架構... 14 四、實驗結果與討論... 15 4.1 加熱器表面靜態接觸角量測結果... 15 4.2 漸縮式加熱器汽泡成長結果與討論... 16 4.2.1 加熱器在侷限與未侷限的熱汽泡行為... 16 4.2.2 面向下與面向上的汽泡行為... 19 4.2.3 改變表面親疏水性的汽泡行為... 20 4.2.4 表面粗糙度量測結果... 22 五、結論... 24 參考文獻... 26

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表目錄

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圖目錄

圖1.1 加熱器與噴孔之方位形式[18,19]... 31 圖2.1 池沸騰時汽泡的脫離與力量平衡[15]... 32 圖2.2 I-Da Yang等人以電壓7.5V，4μs的加熱脈衝寬度下觀察汽泡成長過程[6]... 32 圖2.3 侷限空間與非侷限空間[20]... 33 圖2.4 對流形態... 33 圖3.1 光阻掀離方法(lift-off) ... 34 圖3.2 加熱器形狀... 34 圖3.3 兩板間距... 34 圖3.4 左為下拍與側向拍攝架構圖;右為上拍與側向拍攝架構圖. 35 圖4.1 幾何參數示意圖... 35 圖4.2 未經任何處理的加熱器表面靜態接觸角量測... 36 圖4.3 塗佈潑水劑溶液的加熱器表面靜態接觸角量測... 36 圖4.4 塗佈鐵氟龍液體的加熱器表面靜態接觸角量測... 37 圖4.5 球蓋體體積示意圖... 37 圖4.6 向上方位在侷限、高度=1mm，表面未經過處理的加熱器，輸入功率=0.7w，側向拍攝... 38 圖4.7 向上方位在侷限、高度=1mm，表面未經過處理的加熱器，輸入功率=1w，側向拍攝... 38

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圖 4.8 向上方位在侷限、高度=1mm，表面未經過處理的加熱器，輸入功率=1.3w，側向拍攝... 39 圖 4.9 向上方位在侷限、高度=2mm，表面未經過處理的加熱器，輸入功率=0.7w，側向拍攝... 39 圖 4.10 向上方位在侷限、高度=2mm，表面未經過處理的加熱器，輸入功率=1w，側向拍攝... 40 圖 4.11 向上方位在侷限、高度=2mm，表面未經過處理的加熱器，輸入功率=1.3w，側向拍攝... 40 圖 4.12 向上方位在侷限、高度=3mm，表面未經過處理的加熱器，輸入功率=0.7w，側向拍攝... 41 圖 4.13 向上方位在侷限、高度=3mm，表面未經過處理的加熱器，輸入功率=1w，側向拍攝... 41 圖 4.14 向上方位在侷限、高度=3mm，表面未經過處理的加熱器，輸入功率=1.3w，側向拍攝... 42 圖 4.15 向上方位在未侷限、高度=1mm，表面未經過處理的加熱器，輸入功率=0.7w，側向拍攝... 42 圖 4.16 向上方位在未侷限、高度=1mm，表面未經過處理的加熱器，輸入功率=1w，側向拍攝... 43 圖 4.17 向上方位在未侷限、高度=1mm，表面未經過處理的加熱器，輸入

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功率=1.3w，側向拍攝... 43 圖 4.18 向上方位在未侷限、高度=2mm，表面未經過處理的加熱器，輸入功率=0.7w，側向拍攝... 44 圖 4.19 向上方位在未侷限、高度=2mm，表面未經過處理的加熱器，輸入功率=1w，側向拍攝... 44 圖 4.20 向上方位在未侷限、高度=2mm，表面未經過處理的加熱器，輸入功率=1.3w，側向拍攝... 45 圖 4.21 向上方位在未侷限、高度=3mm，表面未經過處理的加熱器，輸入功率=0.7w，側向拍攝... 45 圖 4.22 向上方位在未侷限、高度=3mm，表面未經過處理的加熱器，輸入功率=1w，側向拍攝... 46 圖 4.23 向上方位在未侷限、高度=3mm，表面未經過處理的加熱器，輸入功率=1.3w，側向拍攝... 46 圖 4.24 向上方位在侷限、高度=1mm，表面塗佈潑水劑的加熱器，輸入功率=0.7w，側向拍攝... 47 圖 4.25 向上方位在侷限、高度=1mm，表面塗佈潑水劑的加熱器，輸入功率=1w，側向拍攝... 47 圖 4.26 向上方位在侷限、高度=1mm，表面塗佈潑水劑的加熱器，輸入功率=1.3w，側向拍攝... 48

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圖 4.27 向上方位在侷限、高度=2mm，表面塗佈潑水劑的加熱器，輸入功率=0.7w，側向拍攝... 48 圖 4.28 向上方位在侷限、高度=2mm，表面塗佈潑水劑的加熱器，輸入功率=1w，側向拍攝... 49 圖 4.29 向上方位在侷限、高度=2mm，表面塗佈潑水劑的加熱器，輸入功率=1.3w，側向拍攝... 49 圖 4.30 向上方位在侷限、高度=3mm，表面塗佈潑水劑的加熱器，輸入功率=0.7w，側向拍攝... 50 圖 4.31 向上方位在侷限、高度=3mm，表面塗佈潑水劑的加熱器，輸入功率=1w，側向拍攝... 50 圖 4.32 向上方位在侷限、高度=3mm，表面塗佈潑水劑的加熱器，輸入功率=1.3w，側向拍攝... 51 圖 4.33 向上方位在未侷限、高度=1mm，表面塗佈潑水劑的加熱器，輸入功率=0.7w，側向拍攝... 51 圖 4.34 向上方位在未侷限、高度=1mm，表面塗佈潑水劑的加熱器，輸入功率=1w，側向拍攝... 52 圖 4.35 向上方位在未侷限、高度=1mm，表面塗佈潑水劑的加熱器，輸入功率=1.3w，側向拍攝... 52 圖 4.36 向上方位在未侷限、高度=2mm，表面塗佈潑水劑的加熱器，輸入

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功率=0.7w，側向拍攝... 53 圖 4.37 向上方位在未侷限、高度=2mm，表面塗佈潑水劑的加熱器，輸入功率=1w，側向拍攝... 53 圖 4.38 向上方位在未侷限、高度=2mm，表面塗佈潑水劑的加熱器，輸入功率=1.3w，側向拍攝... 54 圖 4.39 向上方位在未侷限、高度=3mm，表面塗佈潑水劑的加熱器，輸入功率=0.7w，側向拍攝... 54 圖 4.40 向上方位在未侷限、高度=3mm，表面塗佈潑水劑的加熱器，輸入功率=1w，側向拍攝... 55 圖 4.41 向上方位在未侷限、高度=3mm，表面塗佈潑水劑的加熱器，輸入功率=1.3w，側向拍攝... 55 圖 4.42 向上方位在侷限、高度=1mm，表面塗佈鐵氟龍的加熱器，輸入功率=0.7w 熱汽泡過程於上方與側方同步攝視觀測... 56 圖 4.43 向上方位在侷限、高度=1mm，表面塗佈鐵氟龍的加熱器，輸入功率=1w 熱汽泡過程於上方與側方同步攝視觀測... 57 圖 4.44 向上方位在侷限、高度=1mm，表面塗佈鐵氟龍的加熱器，輸入功率=1.3w 熱汽泡過程於上方與側方同步攝視觀測... 58 圖 4.45 向上方位在侷限、高度=2mm，表面塗佈鐵氟龍的加熱器，輸入功率=0.7w 熱汽泡過程於上方與側方同步攝視觀測... 59

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圖 4.46 向上方位在侷限、高度=2mm，表面塗佈鐵氟龍的加熱器，輸入功率=1w 熱汽泡過程於上方與側方同步攝視觀測... 60 圖 4.47 向上方位在侷限、高度=2mm，表面塗佈鐵氟龍的加熱器，輸入功率=1.3w 熱汽泡過程於上方與側方同步攝視觀測... 61 圖 4.48 向上方位在侷限、高度=3mm，表面塗佈鐵氟龍的加熱器，輸入功率=0.7w 熱汽泡過程於上方與側方同步攝視觀測... 62 圖 4.49 向上方位在侷限、高度=3mm，表面塗佈鐵氟龍的加熱器，輸入功率=1w 熱汽泡過程於上方與側方同步攝視觀測... 63 圖 4.50 向上方位在侷限、高度=3mm，表面塗佈鐵氟龍的加熱器，輸入功率=1.3w 熱汽泡過程於上方與側方同步攝視觀測... 64 圖 4.51 向上方位在未侷限、高度=1mm，表面塗佈鐵氟龍的加熱器，輸入功率=0.7w 熱汽泡過程於上方與側方同步攝視觀測... 65 圖 4.52 向上方位在未侷限、高度=1mm，表面塗佈鐵氟龍的加熱器，輸入功率=1w 熱汽泡過程於上方與側方同步攝視觀測... 66 圖 4.53 向上方位在未侷限、高度=1mm，表面塗佈鐵氟龍的加熱器，輸入功率=1.3w 熱汽泡過程於上方與側方同步攝視觀測... 67 圖 4.54 向上方位在未侷限、高度=2mm，表面塗佈鐵氟龍的加熱器，輸入功率=0.7w 熱汽泡過程於上方與側方同步攝視觀測... 68 圖 4.55 向上方位在未侷限、高度=2mm，表面塗佈鐵氟龍的加熱器，輸入

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功率=1w 熱汽泡過程於上方與側方同步攝視觀測... 69 圖 4.56 向上方位在未侷限、高度=2mm，表面塗佈鐵氟龍的加熱器，輸入功率=1.3w 熱汽泡過程於上方與側方同步攝視觀測... 70 圖 4.57 向上方位在未侷限、高度=3mm，表面塗佈鐵氟龍的加熱器，輸入功率=0.7w 熱汽泡過程於上方與側方同步攝視觀測... 71 圖 4.58 向上方位在未侷限、高度=3mm，表面塗佈鐵氟龍的加熱器，輸入功率=1w 熱汽泡過程於上方與側方同步攝視觀測... 72 圖 4.59 向上方位在未侷限、高度=3mm，表面塗佈鐵氟龍的加熱器，輸入功率=1.3w 熱汽泡過程於上方與側方同步攝視觀測... 73 圖 4.60 向下方位在高度=1mm，表面未經過處理的加熱器，輸入功率 =0.7w，側向拍攝... 74 圖 4.61 向下方位在高度=1mm，表面未經過處理的加熱器，輸入功率=1w，側向拍攝... 74 圖 4.62 向下方位在高度=1mm，表面未經過處理的加熱器，輸入功率 =1.3w，側向拍攝... 75 圖 4.63 向下方位在高度=2mm，表面未經過處理的加熱器，輸入功率 =0.7w，側向拍攝... 75 圖 4.64 向下方位在高度=2mm，表面未經過處理的加熱器，輸入功率=1w，側向拍攝... 76

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圖 4.65 向下方位在高度=2mm，表面未經過處理的加熱器，輸入功率 =1.3w，側向拍攝... 76 圖 4.66 向下方位在高度=3mm，表面未經過處理的加熱器，輸入功率 =0.7w，側向拍攝... 77 圖 4.67 向下方位在高度=3mm，表面未經過處理的加熱器，輸入功率=1w，側向拍攝... 77 圖 4.68 向下方位在高度=3mm，表面未經過處理的加熱器，輸入功率 =1.3w，側向拍攝... 78 圖 4.69 向下方位在高度=1mm，表面塗佈潑水劑的加熱器，輸入功率 =0.7w，側向拍攝... 78 圖 4.70 向下方位在高度=1mm，表面塗佈潑水劑的加熱器，輸入功率=1w，側向拍攝... 79 圖 4.71 向下方位在高度=1mm，表面塗佈潑水劑的加熱器，輸入功率 =1.3w，側向拍攝... 79 圖 4.72 向下方位在高度=2mm，表面塗佈潑水劑的加熱器，輸入功率 =0.7w，側向拍攝... 80 圖 4.73 向下方位在高度=2mm，表面塗佈潑水劑的加熱器，輸入功率=1w，側向拍攝... 80 圖 4.74 向下方位在高度=2mm，表面塗佈潑水劑的加熱器，輸入功率

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=1.3w，側向拍攝... 81 圖 4.75 向下方位在高度=3mm，表面塗佈潑水劑的加熱器，輸入功率 =0.7w，側向拍攝... 81 圖 4.76 向下方位在高度=3mm，表面塗佈潑水劑的加熱器，輸入功率=1w，側向拍攝... 82 圖 4.77 向下方位在高度=3mm，表面塗佈潑水劑的加熱器，輸入功率 =1.3w，側向拍攝... 82 圖 4.78 向下方位在高度=1mm，表面塗佈鐵氟龍的加熱器，輸入功率=0.7w 熱汽泡過程於上方與側方同步攝視觀測... 83 圖 4.79 向下方位在高度=1mm，表面塗佈鐵氟龍的加熱器，輸入功率=1w 熱汽泡過程於上方與側方同步攝視觀測... 84 圖 4.80 向下方位在高度=1mm，表面塗佈鐵氟龍的加熱器，輸入功率=1.3w 熱汽泡過程於上方與側方同步攝視觀測... 85 圖 4.81 向下方位在高度=2mm，表面塗佈鐵氟龍的加熱器，輸入功率=0.7w 熱汽泡過程於上方與側方同步攝視觀測... 86 圖 4.82 向下方位在高度=2mm，表面塗佈鐵氟龍的加熱器，輸入功率=1w 熱汽泡過程於上方與側方同步攝視觀測... 87 圖 4.83 向下方位在高度=2mm，表面塗佈鐵氟龍的加熱器，輸入功率=1.3w 熱汽泡過程於上方與側方同步攝視觀測... 88

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圖 4.84 向下方位在高度=3mm，表面塗佈鐵氟龍的加熱器，輸入功率=0.7w 熱汽泡過程於上方與側方同步攝視觀測... 89 圖 4.85 向下方位在高度=3mm，表面塗佈鐵氟龍的加熱器，輸入功率=1w 熱汽泡過程於上方與側方同步攝視觀測... 90 圖 4.86 向下方位在高度=3mm，表面塗佈鐵氟龍的加熱器，輸入功率=1.3w 熱汽泡過程於上方與側方同步攝視觀測... 91 圖 4.87 加熱器表面溫度的分布... 92 圖 4.88 加熱器表面位置與熱對流係數關係曲線圖... 92 圖 4.89 雷利數與紐賽特數... 93 圖 4.90 汽泡位移偏左機率曲線圖... 93 圖 4.91 汽泡位移偏右機率曲線圖... 93 圖 4.92 加熱器 A 的汽泡位移機率... 93 圖 4.93 加熱器 B 的汽泡位移機率... 93 圖 4.94 加熱器 C 的汽泡位移機率... 94 圖 4.95 加熱器 D 的汽泡位移機率... 94 圖 4.96 加熱器 E 的汽泡位移機率... 94 圖 4.97 加熱器 F 的汽泡位移機率... 94 圖 4.98 表面未經處理的加熱器在面向上方位侷限與非侷限、高度=1mm 之體積成長圖... 94

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圖 4.99 表面未經處理加熱器在面向上方位侷限空間與非侷限空間之體積成長圖，(a)間距高度=2mm；(b)間距高度=3mm... 95 圖 4.100 表面塗佈潑水劑的加熱器在面向上方位侷限空間與非侷限空間之體積成長圖，(a)間距高度=1mm；(b)間距高度=2mm.... 95 圖 4.101 表面塗佈潑水劑的加熱器在面向上方位侷限與非侷限、高度 =3mm 之體積成長圖... 96 圖 4.102 表面未經處理的加熱器在面向上方位與面向下方位時之體積成長圖，(a)間距高度=1mm；(b)間距高度=2mm... 96 圖 4.103 表面未經處理的加熱器在面向上方位與面向下方位=3mm 之體積成長圖... 97 圖 4.104 表面未經處理的加熱器在面向上方位與面向下方位之接觸直徑與高度比值，(a)間距高度=1mm；(b)間距高度=2mm... 97 圖 4.105 表面未經處理的加熱器在面向上方位與面向下方位=3mm 之接觸直徑與高度比值... 98 圖 4.106 表面經塗佈潑水劑的加熱器在面向上方位與面向下方位之體積成長圖，(a)間距高度=1mm；(b)間距高度=2mm... 98 圖 4.107 表面經塗佈潑水劑的加熱器在面向上方位與面向下方位=3mm 之體積成長圖... 99 圖 4.108 表面經塗佈潑水劑的加熱器在面向上方位與面向下方位之接觸

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直徑與高度比值，(a)間距高度=1mm；(b)間距高度 =2mm... 99 圖 4.109 表面經塗佈潑水劑的加熱器在面向上方位與面向下方位=3mm 之接觸直徑與高度比值... 100 圖 4.110 表面經塗佈鐵氟龍的加熱器在面向上方位與面向下方位=3mm 之體積成長圖... 100 圖 4.111 表面經塗佈鐵氟龍的加熱器在面向上方位與面向下方位，(a) 間距高度=3mm 之體積成長圖；(b)間距高度=1mm 之接觸直徑與高度值曲線圖... 101 圖 4.112 表面經塗佈鐵氟龍的加熱器在面向上方位與面向下方位之接觸直徑與高度比值，(a)間距高度=2mm；(b)間距高度 =3mm... 101 圖 4.113 分別為加熱器 A 之左右邊表面粗糙度... 102 圖 4.114 分別為加熱器 B 之左右邊表面粗糙度... 102 圖 4.115 分別為加熱器 C 之左右邊表面粗糙度... 102 圖 4.116 分別為加熱器 D 之左右邊表面粗糙度... 103 圖 4.117 分別為加熱器 E 之左右邊表面粗糙度... 103 圖 4.118 分別為加熱器 F 之左右邊表面粗糙度... 103

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符號說明

a 熱氣泡氣固界面接觸半徑 D 熱氣泡氣固界面接觸直徑 g 重力加速度 h 熱氣泡頂端高度 P 壓力 t 時間 V 熱汽泡體積 H 間距高度 ρ 密度 μ 液體黏滯係數 σ 表面張力下標 b 汽泡 l 液體 v 氣體

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第一章緒論

1.1背景微機電系統是一種結合機械、電子、材料、控制、物理、生醫、化學、光學等多重技術整合的研發，已經廣泛地應用在各個方面，例如電腦的中央處理器、光碟、液晶銀幕、噴墨頭等，為人們生活帶來相當大的便利。其特色為兼具微小化、可量產之新製造技術，不僅可以有效協助製造業改進製程，使產品提高品質、性能與可靠度，進而提高附加價值，同時可以降低製造成本及能源消耗。噴墨印表機上的熱汽泡式噴墨頭中所使用的微型薄膜加熱器就是其中一項成熟的技術發展，它的作動原理是依據微電子半導體製程的特性，施以較小的電壓使得薄膜加熱器產生較高的能量密度輸出，瞬間加熱至高溫，將加熱器置於池子中使產生汽泡，藉由氣泡的產生與成長以及墨水室的空間限制進而透過噴孔片將液滴擠出。 1.2文獻回顧探討薄膜加熱器的特性，可從其本身材料、尺寸大小、表面粗糙度以及厚度等加以改變，其對汽泡成長會造成不同的變化。對於加熱器材料的影響之相關研究，Iida 等人[1]使用白金薄膜加熱器(0.1mm×0.25 mm ×0.25μm)施以快速加熱率(最大為 93×10 K/s)，發現加熱器溫度和加熱6

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器的電阻值有關。Avedisian 等人[2]使用商業用噴墨印表機內的鉭化鋁 (Ta-Al)加熱器(64.5μm×64.5μm×0.2μm)施以短脈衝週期加熱，結果顯示具有非常高的加熱率(2.5×108_{K/s)，並得知當加熱率增加，汽泡成核} 溫度會隨之增加。Zhao 等[3]人同樣使用鉭化鋁(Ta-Al)薄膜加熱器(100 μm×110μm)探討核沸騰現象。將加熱器置於一層水下，施以短脈衝周期快速加熱(約 13×10 K/s)，他們用壓力變換器將測量汽泡擴散的體積轉換，得到汽泡內部壓力最大值為 7bar。以上提到的加熱器材料都可提供相當高的加熱率。 6 Henry等人[4]研究白金陣列式加熱器的尺寸變化(0.65mm2_、 2.62mm 、7.29mm2_{)、於次冷態以及不同重力大小在核沸騰熱傳中的影} 響，由加熱器尺寸與汽泡大小得以決定熱傳效率；壁面過熱、加熱器尺寸、工作流體的溫度狀況以及熱毛細對流等都會影響汽泡大小的形成。 Deng等人[5]則在白金薄膜加熱器上，針對加熱器的特徵尺寸由0.5μm到 70μm、在1.66ms的脈衝寬度下觀察分析，他們發現當特徵尺寸小於10μ m時汽泡之形成會有單一球狀汽泡產生，大於10μm則會產生扁圓的汽泡附著於表面。Yang等人[6]比較不同微小加熱器的長寬比，在高熱通量下觀察汽泡生長的變化，包含汽泡生長過程的體積、接觸角變化，與加熱器的三軸向汽泡尺寸成長速率與加熱器不同長寬比的影響。針對親疏水性方面的影響之研究，Gnyloskurenko等人[7]利用實驗方式、探討改變 2

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表面親疏水性之影響，他們將其沉浸在水中，其中並鑽以一孔洞，一邊施以一低流速的空氣氣流，經由此孔洞內，觀察由此孔洞所產生汽泡成長的變化。此篇論文中提到，汽泡體積會受到表面親疏水性的影響，當表面由親水性變成疏水性時，汽泡體積在同一成長時間下會增加。為探討面下方的加熱器方位的影響，Nishikawa等人[8]將加熱器置於去離子水中，加熱器從水平向上加熱(Θ=0°)逐漸增加傾斜角度，直到面向下方位(Θ=175°)，他們發現熱傳係數會隨著加熱器角度增加而增加。Nishikawa等人解釋此熱傳增強的效應是自然對流邊界層增加，而允許汽泡成核可在較低過熱表面上發生。Peng等人[9]研究面向下表面接觸汽泡的傳輸現象，他們分析觀察期間有三種不同的熱傳模式存在:單相熱傳、噴流沸騰現象、完全發展核沸騰模式。2004年Passos等人[10]將加熱板面向下置於次冷態以及飽和氟化物溶液中觀察侷限沸騰，液體溫度狀態會影響侷限中熱傳係數的變化。2005年Passos等人[11]在FC72氟化物中侷限沸騰的觀察實驗中，察覺狹窄空間中的沸騰結果引起有些小汽泡以及一些合併後和變形的汽泡；當侷限高度為0.2mm和0.5mm時，在介於經過小汽泡變形相繼合併後的汽泡和壁面之間，會有微液層的蒸發導致汽泡會一直附著於表面，而在侷限高度為1mm和13mm時，會有獨立的汽泡產生以及合併後的汽泡會從加熱器邊緣滑開。Savino等人[12]探討浮力和表面張力對汽泡周圍的對流影響，發現在汽泡附近的對流會因為浮

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力影響而有所限制，假使又有熱毛細力對流，汽泡初期會呈現震盪般的不穩定現象。2007年Su等人[13]將不銹鋼加熱板置於大氣壓力下，將其水平向下進行研究，他們的論文中提到：浮力在面向下的水平加熱板在侷限空間中，對自然對流而言是當作一種阻力，然而加熱器在侷限空間和非侷限空間中，其周圍液體的流動又會產生不一樣的情形。2007 年 Barthes 等人[14]探討汽泡向下方位成長時於次冷態溶液的影響，發現汽泡成長時會在周圍產生震盪波動現象，如圖 1.1，因此得知在汽泡周圍的熱狀況和重力有關。 1.3研究目的噴墨印表機上的噴墨頭噴出液滴是因為薄膜加熱器經均勻加熱後，產生的汽泡經空間擠壓、通過噴孔所形成，所以液滴的品質和汽泡成長行為有相當大的關聯性。對大部分噴墨印表機而言，噴墨頭噴出液滴方向和加熱器汽泡成長方向有所區別，分為roof-shooter、side-shooter 和back-shooter，如圖1-2所示。其中以roof-shooter較被普遍使用，其液滴方向和汽泡成長方向相同，在印表機上的噴墨頭裝置，亦有改變噴墨方位的狀況。 Nishikawa等人[8]將加熱板從0度改變至175度下觀察沸騰熱傳情形，發現汽泡會因為在面向下方位，而導致汽泡成長期間在其附近的熱邊界層會增加，可在較低的過熱壁面成核，增強汽泡與壁面之間微液層

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的汽化。又Su等人[13]在2007年發表一篇＂大氣壓力下水平不銹鋼圓盤以面向下方位的自然對流熱傳現象＂中則提到汽泡在加熱板面向下時，浮力扮演阻力的角色，影響汽泡行為。上述文獻中僅就加熱器在方位、侷限空間的高度以及輸入功率的變化，進行較完整的分析；至於表面親疏水性影響的探討，以及它與前述參數之交互作用均欠缺完整之研究。其中的加熱器皆是屬於面積較大且是呈現矩形，本研究擬探討的薄膜加熱器為較小且是非矩形，研究中擬對其施以連續電壓，改變重力方向、不同的表面親疏水性以及間距大小下，有系統的分析各項參數對熱汽泡成長行為的影響。

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第二章實驗原理

2.1汽泡成核機制汽泡成長過程可分為汽泡成核、汽泡成長、蒸汽層、汽泡最大體積、以及萎縮過程，如圖2.1所示。汽泡初始成核時其周圍的作用力，包括慣性力、浮力、表面張力及阻力。在汽泡成長期間，以上的作用力分別交互作用，主宰熱汽泡成長之物理行為，其中慣性力及浮力促使汽泡脫離表面，表面張力及阻力則使汽泡附著於表面。以下分別做說明:

(1)慣性力與浮力(Inertia force and buoyancy):慣性力導源於汽泡的成長推動鄰近液體的運動。而慣性力隨著汽泡半徑及其變化率之增加而增加。通常，慣性力只有在汽泡快速成長才重要。作用於汽泡的浮力與汽泡的體積成正比，浮力的大小可以下列公式表示F_b ∝ D_b3(

ρ

_l −

ρ

_v)g。式中Db為汽泡直徑，ρl為液體密度，ρ 為氣體密度，g為重力加速度。在地表重力下，若汽泡成長的速率不是很快，則浮力為促使汽泡離開熱表面的主要力量。 v

(2)表面張力與阻力(surface tension and drag force)：表面張力與汽

泡在熱表面的三相接觸線之圓周長成正比，亦即與 sinθ成正比，如圖 2.2所示。真正阻止汽泡脫離的力量為表面張力在垂直表面的分力，分力大小表示為，其中σ為表面張力。表面張力是使汽泡附 b R

θσ

2 sin b b D F ∝

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著於表面的主要力量。在池沸騰的情況中，汽泡成長速率相當於汽泡與鄰近液體有一相對速率而形成液體給汽泡的阻力。其公式為 dt dD D F b b D ∝μ1 ，式中μ1為液體黏滯係數。以改變加熱器面的方位來看，其汽泡成長在面向下和一般面向上的汽泡成長有什麼不同?一般探討多針對加熱器的方位均面向上時之汽泡成長，在Nishikawa等人[11]的研究發現當改變加熱器的方位從0°到175° 時，熱傳係數會隨著加熱器角度增加而增加；Su等人[13]提到浮力為正對著面向下之加熱器表面，因而對汽泡來說具有阻力。所以當汽泡成長時，隨著體積增加至大汽泡時，並不是和一般的汽泡一樣迅速地從表面脫離，而是呈扁平狀地延著加熱器的邊緣滑離。另外，面向上的加熱器工作，其液體空間可分為侷限空間和非侷限空間(圖2.3)。所謂非侷限空間，為液體於開放的流通道或儲漕中，液體流經或臨近加熱器表面，當加熱器表面向下時，因為液體會滴落，導致無法觀測;而對於侷限空間來說，加熱器表面附近的液體為靜止狀態，液體受到加熱器加熱，其密度變小而會往上浮，遠離加熱器，而遠處未受到加熱的液體會向下沉，接近加熱器，因此空間會形成對流，如圖2.4所示。 2.2無因次參數

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數，分別為葛拉秀夫數(Grashof number，Gr= 2 3 ) (

ν

β

T T gL _s − )、邦德數(Bond number，Bo= L s _{)，其中 L 為毛細長度，L=} ) ( _v g ρ ρ σ − 。葛拉秀夫數為浮力和黏滯力的比值，為一重要參數用以表示主導自由對流的無因次參數，若 ₂ Re Gr >>1，強制對流可忽略;邦達數通常是定義重力和表面張力的比值，在此我們考慮邦德數(Bond number)為侷限長度對毛細長度的比值，Bo>1 時，為單一汽泡成長，Bo<1，此時的汽泡狀態與侷限空間有關聯，實驗設計時可將侷限長度改變，以進行詳細探討侷限空間或邦德數之影響。

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第三章實驗設計與製程步驟

3.1 實驗製程實驗所需要的薄膜加熱器，我們使用微機電製程製作；我們以 Ta-Al 為此次實驗製作加熱器的重要材料，因為該材料阻值受到溫度影響較低，且可以較低的電壓驅動，並承受具有 7次數之脈衝加熱。 10 另外，本研究實驗所使用的光阻皆為正光阻，主要原因是正光阻具有較佳的解析度(resolution)及較明顯的對比(contrast)，因而可得到較細的線寬(line width)，但製程中需要在相對溼度為45﹪~ 50﹪之環境下才能獲得良好之黏附性（adhesion），否則就容易剝落。它可以用於製作微型結構。有關於薄膜加熱器的製程，我們採用微影製程，以製作微型結構，製程主要可分為塗佈、軟烤、曝光、顯影、硬烤、濺鍍以及掀離(lift-off)，以下分別作詳細的介紹[17]： 3.1.1 塗佈將高分子材料的光阻利用旋轉塗佈機或是壓膜機塗佈至已生成為加熱器結構的晶片上，若是光阻材料已包覆在塑膠膜內者，做成滾筒狀者，稱為乾式光阻，可直接利用壓模機壓在晶片上；若是光阻材料能為液體狀，且裝置於瓶中者，便使用旋轉塗佈機將光阻劑均勻分佈在晶片上，

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而光阻塗佈厚度與 W 1 成正比，其中w為旋轉轉速。 3.1.2 軟烤或稱為曝光前烘烤，使光阻由原來的液態，經過軟烤後，成為固態的薄膜，以增加光阻劑在晶片表面附著力，以便後續製程。 3.1.3 曝光因為光阻劑是屬於一種感光材料，對紫外線(ultraviolet)有反應，所以全部製程都是在黃光室內製作，不可與外部的一般光作直接接觸，以免光阻遭到全曝光。而曝光機使用的光源是具有強烈紫外線的汞燈，可以加速光阻曝光；曝光的程序是將上面具有光阻材料的晶片放置於曝光機上，接著在晶片上放置光罩，光罩是一片上面具有金屬，厚度為4mm 的玻璃，玻璃上的金屬排列成圖案，讓曝光機的光源只能通過沒有金屬的部份，令金屬所排列的圖案可以轉印到光阻上。 3.1.4 顯影其主要目的，便是將光阻上轉印的圖案顯現出來，為避免光阻因其他可能的副反應(side reaction)而改變其化學結構，進行圖案顯影時須盡速，以免因延遲顯影而影響結果；其顯影的原理是因為曝光後的光阻會變成一種酸類，這種酸加入鹼後會被中和(Neutralized)，而溶解在鹼性溶液裡。

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3.1.5 硬烤光阻經過顯影後，於進行下一個製程之前，必須經過最後一次烘烤，除了可以更進一步將光阻內殘留的溶劑含量，藉著蒸發而降到最低，也可以藉以強化光阻的強度，增加對於蝕刻的阻擋能(Resistance)。 3.1.6 濺鍍其原理乃是在輝光放電(glow discharge)的環境下，利用動量傳遞的方式，荷能正離子(Ar )飛向陰極，轟擊陰極的靶材表面，使得靶材的原子或分子被轟擊出，沉積在上方的基板上形成薄膜。在低真空度及高電壓下，如持續供給能量給工作氣體，將導致氣體離子化，形成電漿 (Plasma)態。而當氣體分子被電子激發至不穩定高階能態，基於能量平衡原理，將隨之降階至基本態，而降階所產生的能量將以光之形式放出，產生發光現象，稱為輝光。因此濺鍍時，將欲鍍的材料靶材置於陰極，利用電極間的高電位差將真空腔內的氬氣游離，氬氣離子即向陰極撞極，將靶材原子撞擊出來，沉積在陽極的樣品上形成薄膜。 + 3.1.7 光阻掀離(lift-off) 此製程技術是在晶片上構成金屬圖案，和一般蝕刻方法所需得到的金屬圖案是屬於不同的技術。在矽晶片上塗佈一層光阻，經由黃光微影製程定義，藉由蒸鍍系統沉積金屬層後，再將整個晶片放入光阻去除液，而覆蓋在光阻上的金屬層會隨著光阻而一起掀離表面，最後殘留在晶片

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上的金屬層，就是所定義的金屬圖案，如圖3.1。 3.2製程步驟: 我們首先將一 4 吋<100>矽晶片表面先經過沉積一層氧化層後，再經 RCA 清潔後，上面塗上一層 primer80/20，以增加附著性，之後再將矽晶片放進光阻旋佈機中塗佈。其中所謂的 RCA清潔為一般矽晶片清潔的前置工作，我們使用硫酸加雙氧水，以 3:1 的比例在 130℃的溫度下加熱 15 分鐘，主要應用於有機物之去除，而 primer80/20 的功能是增加光阻的附著性，其主要成分為 20%的六甲基二矽氮烷(HMDS) 和 80%的單甲基醚丙二醇.(PM/Acetate)，六甲基二矽氮烷(HMDS)對於光阻附著於氧化層、玻璃、石英是具有很好的預處理效果，單甲基醚丙二醇(PM/ Acetate)可把晶片表面預濕。我們將塗佈好的晶片經過曝光機的第一道光罩曝光，以適當的顯影液，把加熱器圖案顯出來，然後將晶片置入真空濺鍍機，把Ta-Al 沉積在所要的圖案上面。已沉積的 Ta-Al 放入光阻掀離溶液中，將不要的部份掀離，只留下加熱器部分，圖 3.2所示為加熱器整個圖案，最窄的部份為汽泡成核位置。 3.3 加熱器操作參數本研究主要針對加熱器方位、上下板之間距以及表面親疏水性對熱汽泡的影響進行深入分析。為配合加熱器改變方位之實驗，我們把製作

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好的加熱器，置於用蓋玻片作好的侷限空間(圖 3.3)之上方，此裝置蓋玻片組成的四邊之邊界區域，其高度為 18mm，工作流體為去離子水，對整個系統觀測可減少外來的影響，實驗之加熱器其形狀為一漸縮式，最寬的部位為40um，最窄的部位為6um，全長為80um，所以屬於非均勻性加熱器，最窄的中間部位產生汽泡，將水用微量滴管滴入製作好的侷限空間，首先滴入 1mm 的空間高度中，並施以適當的電壓進行加熱。改變上下板間距方面，此裝置可將其高度分別為 1mm、2mm、3mm做改變，毛細長度為 2.71mm，其邦德數(Bond number)對應之分別為 0.37、0.73、 1.1。 3.4 實驗設備儀器

a.CCD 攝影機(X-stream VISION High speed camera)

本實驗使用之CCD攝影機其型號為XS-4，解析度(pixel數)為512 × 512，其記憶體大小為4G，頻率在感光解析數為512×512的條件下可達5000Hz，且雙曝光間隔可達 100nsec，最高速率為一秒鐘拍攝 10萬張。 b.質點影像分析軟體此軟體為(IDT)公司發展，可用作於控制雷射Q-swich延遲時間和攝影機曝光量、快門等。另可存取影像，擷取影像中質點計算流場中的速度向量。

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c.曝光機(UV/DUV Mask Aligner)

對於晶片與光罩採用接觸式曝光，使用500W的汞燈炮，並使用雙筒顯微物鏡作為對準微結構之用。

d.真空濺鍍機(Sputter Machine)

為一磁控濺鍍機，可提供兩種靶材在真空腔體內，工作靶材為3 吋，可分DC GUN和 RF GUN，DC GUN功率最高可達1KW，RF GUN功率可達600W，可對金屬和陶瓷材質做濺鍍。

3.5實驗系統架構

本研究之實驗系統如圖3.4所示，本實驗將基礎PIV系統配合實驗室現有之變焦單統顯微鏡，以側向拍攝方式或是正向拍攝方式，觀測汽泡之用。

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第四章實驗結果與討論

為了探討熱汽泡的成長行為，本論文之實驗中我們給定不同功率、不同的表面親疏水性、改變兩板間距、改變加熱器的方位與不同表面粗糙度，詳細分析這些參數對熱汽泡成長速率、汽泡體積與形貌的影響。關鍵的參數有:輸入功率、表面親疏水性(靜態接觸角)、兩板間距高度、疏水性加熱器的表面粗糙度以及熱汽泡從底部到頂端的高度距離，實驗結果的呈現將明顯的反應在熱汽泡體積以及熱汽泡接觸在加熱器表面的接觸直徑如圖 4.1 所示。 4.1 加熱器表面靜態接觸角量測結果加熱器表面之親疏水性反應在靜態接觸角方面，為充分了解本實驗中各加熱器之親疏水性，我們首先針對 Ta-Al 合金表面在未經任何處理，以去離子水珠滴在其表面，得到靜態接觸角約為 47 度，屬於親水性表面，如圖 4.2 所示。針對表面改質之加熱器表面，所以我們將潑水劑塗佈於 Ta-Al 合金加熱器表面，以去離子水珠滴於加熱器表面，經過量測可得到其表面接觸角約為 82 度，是屬於弱親水性表面，如圖 4.3 所示；如果將鐵氟龍液體塗佈於 Ta-Al 合金加熱器表面，我們得到其表面接觸角約為 110 度，是屬於疏水性表面，如圖 4.4 所示。 4.2 漸縮式加熱器汽泡成長結果與討論本實驗所觀測的加熱器，其尺寸為固定，我們採用一極長脈衝之連

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續式電壓輸入給定固定功率，來探討加熱器位在面向上和面向下方位、不同的兩板間距距離、表面粗糙度與表面親疏水性等對熱汽泡生成與成長過程的影響。首先，我們分析表面未經處理的加熱器處於面向上方位，改變間距大小、功率大小之熱汽泡物理行為。 4.2.1 加熱器在位於面向上方位-侷限與未侷限的熱汽泡行為為了計算熱汽泡成長過程的體積變化，我們採用球蓋體體積計算公式來求得，其球蓋體形狀如圖 4.5 所示，而體積公式如下所示:

)

3 (

6

1

2 2

h

a

h

V

_cap

=

π

+

其中 a 為熱汽泡的固體界面接觸半徑，h 為熱汽泡從接觸底部到頂端的高度。針對未經任何處理的微小加熱器在面向上方位時，我們首先就加熱器所受到的影響分為侷限空間與非侷限空間二部份陳述。所謂侷限空間是指在微小加熱器上多加一層上蓋，形成所謂平行板狀之密閉空間，反之，非侷限空間就是未加上蓋，液體上表面為自由液面。實驗的結果，分別以汽泡成長圖與汽泡成長曲線圖呈現，其中的誤差值為實驗的三次誤差範圍，在侷限空間的狀況如圖 4.6 至圖 4.8、圖 4.15 至圖 4.17，圖 4.98 所示，非侷限空間的結果如圖 4.33 至圖 4.35 所表示，前述結果仍針對空間為 1mm 之汽泡成長圖與汽泡成長曲線圖，功率變化從 0.7w 至 1.3w。從圖中我們可明顯看出在同一間距與相同功率下，在表面未做任

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何處理的加熱器上，於低功率下，非侷限空間的熱汽泡行為比侷限空間的熱汽泡行為，其成長期間具有明顯的差別，汽泡隨著空間增長，其成長行為與形狀也越來越明顯以致於可區別侷限與非侷限之間的效應。在小間距範圍為 1mm 時，因為受到空間限制，使得熱對流效應大為銳減，汽泡體積小；當空間擴充到 2mm 時，圖 4.9 至圖 4.11 的汽泡成長圖以及圖 4.99(a)的汽泡成長曲線圖之結果，和圖 4.36 至圖 4.38 的非侷限空間結果互相比較，其侷限空間的影響漸漸趨緩，直到間距高度為 3mm 時，由圖 4.12 至圖 4.14 的汽泡成長圖以及圖 4.99(b)的汽泡成長曲線圖可知此時上蓋的侷限效果甚小，熱對流效應得以展開，因此當兩板間距越大，上蓋的侷限效應就不那麼的強烈，此由拍攝得到圖中的汽泡成長行為與體積成長曲線圖可看出來，其結果和圖 4.39 至圖 4.41 以及圖 4.99(b) 中，非侷限空間的汽泡成長變化非常接近。綜而言之，當空間間距為 1mm 時，汽泡成長受到空間的限制，會影響此時的對流狀態，阻礙汽泡成長，使得汽泡體積變的較小。當兩板間距為 3mm 時與兩板間距為 1mm 時，在相同功率下比較，間距為 3mm 的汽泡體積比間距 1mm 的汽泡體積還要大。所以當間距空間越大，汽泡在成長時所受到的壓迫相對的減少，熱對流現象相對來講比較強烈，所以形成的汽泡體積較大。此種現象，亦可由論文[20]中的論述得到，以及從圖 4.87 中改變間距大小對加熱器表面溫度變化影響之分析，其間距大小

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分別為∞、30mm、20mm、15mm、10mm，其中第一個無限大的符號表示不加上蓋的非侷限空間。在圖 4.87 中的邊緣黑色區域(實際上為暗紅色)夾帶著白線，此區代表低溫區，而在圖 4.87 中的(b)~(e)接近中間區域的黑暗區域(實際上為藍色)，此區代表高溫區，亦即當無上蓋的時候，加熱器表面溫度普遍是屬於低溫，所以根據h_x =q_x /(T_wx −T_∞)公式，當無加上蓋或是間距較大時，加熱器表面普遍是屬於低溫，和周圍的水溫互相比較下，溫差相差甚小，造成熱對流係數較大，形成熱對流強烈，使得汽泡的熱對流旺盛；反之，當間距小時，加熱器表面普遍是屬於高溫，和周圍水溫互相比較下，溫差相差大，造成熱對流係數變小，整個汽泡的熱對流現象較薄弱。由無因次參數如圖 4.88 與圖 4.89 所呈現之曲線分佈圖看來，我們更容易看出之間的差異，當空間侷限增大時，雷利數增加，紐塞特數也會隨之增加，此時汽泡成長的熱對流情形是屬於自然對流，以促進熱對流係數大增；反觀，當間距空間小時，熱對流係數小，造成對流情形差，又加上汽泡受到空間壓迫，導致熱對流效果大為減少，亦導致汽泡體積較小。經過本實驗分析，我們可得到：當空間受到侷限，會使汽泡在成長時會受到明顯的影響，熱對流顯得薄弱，造成汽泡體積較小，當間距增加到 3mm 時，施以功率 0.7w 至 1.3w，對於整個熱對流的情形漸漸就不受侷限空間的影響，汽泡在侷限與非侷限下的成長情形，漸漸地越來越接

(41)

近，亦即在間距較大時，侷限效應不再影響到汽泡的成長。至於非侷限空間下之實驗結果顯示，在非侷限的間距小時，間距變化仍然會輕微地影響汽泡成長。 4.2.2 面向下與面向上的熱汽泡行為前面所探討的都是面向上的汽泡行為，針對加熱器面向下的汽泡行為，首先我們探討的是表面未過任何處理的加熱器在面向下並位於侷限空間的情況，其中所呈現曲線圖的誤差值為三次的誤差範圍。我們可從圖 4.60 至 4.62 中看出，在間距 1mm 時，施以不同功率 0.7w~1.3w，汽泡的呈現相較於加熱器於面向上時，其比較偏扁平的形狀，雖然因汽泡體積較小，不容易看出。我們將體積成長曲線中的汽泡接觸直徑和汽泡高度做成比值，如圖 4.104(a)所示，此時更容易看出汽泡在面向上與面向下的底高比值來推測汽泡形狀。汽泡會呈現扁平狀，是因為汽泡正面對著向上的浮力影響，使得汽泡在成長時，一方面受到侷限空間的影響，另一方面受到向上的浮力，促使汽泡成長受到很大的影響，熱對流效果變的較差，所以整個形狀會比向上的汽泡體積較小形狀也較扁平，如果將間距改變為 2mm 及 3mm，其汽泡變化分別如圖 4.63 至圖 4.65 與圖 4.66 至圖 4.68 所示，同樣施以功率 0.7w 至 1.3w，在間距分別為 2mm 與 3mm 時，相較於 1mm 時，汽泡漸漸變的較大，但仍受到侷限空間以及浮力影響，和面向上的汽泡體積比較仍是屬於偏小。換句話說，當加熱器在面

(42)

向下的方位時，整個汽泡成長受到空間以及浮力的雙重影響，使得熱對流行為變差，汽泡體積與形狀相較於加熱器在面向上時變得較小以及扁平。 4.2.3 改變表面親疏水性的熱汽泡行為這一部份我們可分為加熱器在侷限與非侷限、面向上與向下並且改變功率來探討，首先，我們從表面經過潑水劑處理的加熱器在侷限與非侷限下來探討，汽泡成長如圖 4.24 至 4.26 所示，在侷限空間 1mm 下，施以功率從 0.7w 至 1.3w，在低功率下的汽泡仍是受到空間壓迫，形狀會趨近扁平帽蓋狀，而在非侷限空間下，其形狀會呈現偏帽蓋狀，這是因為受到表面親疏水的變化，所以才會呈現偏帽蓋狀，當在同樣間距為 1mm 的侷限空間與非侷限空間，施以相同功率下，結果顯示汽泡成長仍會受到空間侷限的影響，其體積會較小，如汽泡成長曲線圖 4.100(a)所示。當侷限空間漸漸增大為 2mm 與 3mm 時，汽泡體積也逐漸增大，如圖 4.100(b) 和圖 4.101 所示；和非侷限空間的間距互相比較下，低功率時汽泡體積仍是屬於較小。如將塗佈潑水劑的加熱器在面向下方位與在面向上方位的結果做比較，同樣在間距在 1mm，施以功率從 0.7w 至 1.3w，如圖 4.69 至 4.71 所示，我們發現在面向下的汽泡比面向上的汽泡還要來的小且較扁平，如圖 4.106(a)所示，這是因為浮力是正對著汽泡的正向力，會抑制汽泡成長，進而使得汽泡變的較扁平，當間距增加至 2mm 與 3mm 時，

(43)

雖說汽泡體積有增加的情形，但由於面向下的汽泡仍受浮力影響，相較於面向上仍是偏小，如圖 4.106(b)以及圖 4.107 所示。接下來我們針對表面經過塗佈鐵氟龍的加熱器。在間距為 1mm 的侷限空間與非侷限空間並且改變功率從 0.7w 至 1.3w 下探討，我們發現在成長期間汽泡會產生位移現象，而在侷限空間下，間距高度為 1mm 時，施以低功率，漸漸會產生位移現象，如圖 4.42 至圖 4.44 所示，和非侷限空間之間距高度為 1mm 時的汽泡成長圖比較，如圖 4.51 至圖 4.53 所示，非侷限空間的汽泡成長會產生位移，由此可知侷限空間之間距高度為 1mm 時，仍受著空間侷限的影響，但在間距高度為 2mm 時，如圖 4.45 至圖 4.47 所示，汽泡開始有位移現象，因為塗佈鐵氟龍的表面其表面附著力的影響大於空間侷限的影響，和非侷限空間的汽泡成長，如圖 4.54 至圖 4.56 所示，同樣具有位移現象，將間距提高至 3mm，如圖 4.48 至圖 4.50 所示，和非侷限空間的 3mm 的汽泡成長圖，如圖 4.57 至圖 4.59 所示，施以功率，汽泡不論功率的大小，都會產生位移現象，所以既使空間有無侷限，都會使得汽泡產生位移。塗佈鐵氟龍的加熱器表面上之汽泡成長，在間距小時，輕空間影響的範圍相當輕微，仍舊會產生位移現象；反之，當間距變大時，無論有沒有侷限空間，都會有位移現象，就已和空間侷限的影響無關。在加熱器面向上與面向下的情形來探討，由圖 4.110 至圖 4.111(a)

(44)

可看出，在不同間距下，改變功率從 0.7w~1.3w，汽泡成長過程同樣受到表面張力的影響，不受間距改變和浮力的影響，都會產生位移現象，而從圖 4.111(b)至圖 4.112 所示，表示汽泡形狀從接觸直徑和汽泡高度比值來觀看，可更容易看出，汽泡因為表面張力加上浮力的影響，而有較扁平的形狀。 4.2.4 表面粗糙度量測結果針對塗佈鐵氟龍的加熱器上汽泡成長行為，我們觀察熱汽泡行為時，發現在微小加熱器表面置於一小水池中，並施以固定功率，熱汽泡成長到一定程度會開始位移現象，有時氣泡會位移加熱器的左邊，而有些的氣泡會位移加熱器的右邊，所以我使用側向和正向拍攝熱汽泡的形狀以及位移情形，並利用原子力顯微鏡來量測加熱器上的表面粗糙度，以分析位移與因表面微結構的關連性，造成汽泡形狀如同親水性的形狀如圖 4.42 所示，所以用以來判斷氣泡底部接觸在加熱器表面的面積較大，易受到加熱器表面以及其周圍的微結構影響，造成汽泡成長時產生位移現象。本實驗分別選擇 6 個加熱器，分別為 A 至 F，在加熱器兩旁距離為 20um，選擇 5x5um 的區域之表面粗糙度來觀測氣泡偏移的情形如圖 113 所示，其表面粗糙度分別位於 2.04nm 至 34.94nm 之間，如圖 4.113 至圖 4.118 所示。 2 汽泡位移的方位會有偏移左右方向，而每次偏移的方向並不只是在

(45)

同一邊，所以重覆實驗操作兩百次，分析實驗結果是否和表面微結構有關。經由兩百次實驗後的汽泡位移機率整理如表一所示。由表一的位移機率可看出，當加熱器的表面粗糙度相對地較大者，汽泡位移方向受到其影響較大；反之，汽泡位移方向則影響較小。後面，我們以各別加熱器來一一探討如下：以加熱器 A，D，E 的位移曲線圖和表面粗糙度之間關係，如圖 4.72、圖 4.75 與圖 4.76，可看出：當加熱器左右兩邊的表面粗糙度相差 3nm 以內，也就是說，當左右兩邊的表面粗糙度很接近時，汽泡位移的機率很平均，由曲線圖中的曲線跳動可看出，汽泡並不是只會往表面粗糙度較大的地方位移，也是有相當的機率往較低的表面粗糙度位移。至於加熱器 B，C，F 的汽泡位移曲線圖，如圖 4.73、圖 4.74 與圖 4.77 所示，由於其左右兩邊表面粗糙度之間誤差在 5nm 以上，所以汽泡在成長期間，往表面粗糙度大的方向位移機率大增，且位移曲線不會交錯，很明顯的是表面粗糙度之間的差越大，其位移機率往相對較大的表面粗糙度則較大，反之，則較小。由本實驗的結果看來，汽泡的位移現象係因汽泡的形貌是呈現親水狀態，汽泡底部受到表面微結構的影響，當加熱器左右兩邊誤差在 3nm 以內，汽泡除了會往表面粗糙度大的一方位移外，也是有機率會往粗糙度小的一方位移。而加熱器的左右兩邊的表面粗糙度誤差大於 5nm，其位

(46)

移機率可看出，汽泡受到表面粗糙度的影響甚鉅，其位移機率相較於低的表面粗糙度高許多。

第五章結論

在熱汽泡位於向下方位成長的實驗過程中，本研究得到以下結論: 當加熱器在侷限空間下，熱汽泡的成長行為會受到空間的影響，相較於未侷限時的小間距下，汽泡體積會較小，隨著間距越來越大，汽泡受到空間影響就越小，從間距為 3mm 時可看出，侷限的影響已不明顯。而塗佈潑水劑之加熱器上的汽泡行為和未處理之加熱器上的汽泡行為是相同的，以塗佈潑水劑的加熱器在侷限空間為 1mm 時，仍會受到影響，只是影響不大，當空間逐漸展開至 3mm，在侷限與非侷限空間上，汽泡成長行為相當近似，此時侷限空間已無影響。而塗佈鐵氟龍的加熱器上的汽泡行為則受到侷限空間的影響則較小，因為表面附著力的影響大於空間的侷限效應，所以不管空間是否侷限，汽泡成長過程仍會產生位移現象。當加熱器處於面向下方位時，會受到浮力作用正對著汽泡成長方向促使熱對流效果差，整個汽泡的體積比向上方位加熱器的汽泡體積小，且從汽泡體積的接觸直徑與高度之比值可看出受浮力的壓迫，當間距逐漸增大，汽泡也會隨之較大，但仍受到浮力影響，在塗佈潑水劑與鐵氟

(47)

龍溶液的加熱器上都有相同情形，其中以塗佈鐵氟龍溶液的加熱器在面向下的方位時，處於小間距時，汽泡仍舊會產生位移現象，到空間展開至 3mm 時，位移現象相當強烈，所以對於塗佈鐵氟龍加熱器的汽泡成長，不會受到浮力的影響。在塗佈鐵氟龍溶液的加熱器上，汽泡成長期間會有位移現象，而此現象與不同表面粗糙度有明顯的關係，從位移的方向的比率可看出，當表面粗糙度大時，汽泡偏移的機率就會比較大，反之，就較小。而當兩個表面粗糙度誤差很小時，汽泡位移的機率也有相當之機會會偏向表面粗糙度小的一方。

(48)

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(52)

附表

heater Surface roughness Rate(%) left right L R A 4.3nm 2.0nm 54 46 B 24.7nm 19.7nm 85 15 C 34.9nm 21.8nm 88.5 11.5 D 8.6nm 11.9nm 45.5 54.5 E 6.7nm 3.9nm 54.5 45.5 F 2.1nm 9.6nm 32.5 67.5 表 4.1 各個加熱器的表面粗糙度與位移機率

(53)

附圖

圖 1.1 汽泡成長期間周圍流動情形(a)汽泡成長時的靜止情形，(b) 汽泡成長時水平震盪情形(c)汽泡成長時向下震盪情形[17] (a)roof-shooter (b)side-shooter (c)back-shooter

(54)

圖 2.1 池沸騰時汽泡的脫離與力量平衡[15]

圖 2.2 Yang 等人[6]以電壓 7.5V，4μs 的加熱脈衝寬度下觀察汽泡成長過程

(55)

圖 2.3 侷限空間與非侷限空間[20]

(56)

圖 3.1 光阻掀離方法(lift-off)

圖 3.2 加熱器形狀

(57)

圖3.4 左為下拍與側向拍攝架構圖;右為上拍與側向拍攝架構圖

(58)

圖 4.2 未經任何處理的加熱器表面靜態接觸角量測

(59)

圖 4.4 塗佈鐵氟龍液體的加熱器表面靜態接觸角量測

(60)

100μm (a)1sec (b)2sec (c)3sec (d)4sec 圖 4.6 向上方位在侷限、高度=1mm，表面未經過處理的加熱器，輸入功率=0.7w，側向拍攝 100μm (a)1sec (b)2sec (c)3sec (d)4sec 圖 4.7 向上方位在侷限、高度=1mm，表面未經過處理的加熱器，輸入功率=1w，側向拍攝

(61)

100μm (a)1sec (b)2sec (c)3sec (d)4sec 圖 4.8 向上方位在侷限、高度=1mm，表面未經過處理的加熱器，輸入功率=1.3w，側向拍攝 100μm (a)1sec (b)2sec (c)3sec (d)4sec 圖 4.9 向上方位在侷限、高度=2mm，表面未經過處理的加熱器，輸入功率=0.7w，側向拍攝

(62)

100μm (a)1sec (b)2sec (c)3sec (d)4sec 圖 4.10 向上方位在侷限、高度=2mm，表面未經過處理的加熱器，輸入功率=1w，側向拍攝 100μm (a)1sec (b)2sec (c)3sec (d)4sec 圖 4.11 向上方位在侷限、高度=2mm，表面未經過處理的加熱器，輸入功率=1.3w，側向拍攝

(63)

100μm (a)1sec (b)2sec (c)3sec (d)4sec 圖 4.12 向上方位在侷限、高度=3mm，表面未經過處理的加熱器，輸入功率=0.7w，側向拍攝 100μm (a)1sec (b)2sec (c)3sec (d)4sec 圖 4.13 向上方位在侷限、高度=3mm，表面未經過處理的加熱器，輸入功率=1w，側向拍攝

(64)

100μm (a)1sec (b)2sec (c)3sec (d)4sec 圖 4.14 向上方位在侷限、高度=3mm，表面未經過處理的加熱器，輸入功率=1.3w，側向拍攝 100μm (a)1sec (b)2sec (c)3sec (d)4sec 圖 4.15 向上方位在未侷限、高度=1mm，表面未經過處理的加熱器，輸入功率=0.7w，側向拍攝

(65)

100μm (a)1sec (b)2sec (c)3sec (d)4sec 圖 4.16 向上方位在未侷限、高度=1mm，表面未經過處理的加熱器，輸入功率=1w，側向拍攝 100μm (a)1sec (b)2sec (c)3sec (d)4sec 圖 4.17 向上方位在未侷限、高度=1mm，表面未經過處理的加熱器，輸入功率=1.3w，側向拍攝

(66)

(a)1sec (b)2sec (c)3sec (d)4sec 圖 4.18 向上方位在未侷限、高度=2mm，表面未經過處理的加熱器，輸入功率=0.7w，側向拍攝 100μm 100μm (a)1sec (b)2sec (c)3sec (d)4sec 圖 4.19 向上方位在未侷限、高度=2mm，表面未經過處理的加熱器，輸入功率=1w，側向拍攝

(67)

(a)1sec (b)2sec (c)3sec (d)4sec 圖 4.20 向上方位在未侷限、高度=2mm，表面未經過處理的加熱器，輸入功率=1.3w，側向拍攝 100μm 100μm (a)1sec (b)2sec (c)3sec (d)4sec 圖 4.21 向上方位在未侷限、高度=3mm，表面未經過處理的加熱器，輸入功率=0.7w，側向拍攝

(68)

(a)1sec (b)2sec (c)3sec (d)4sec 圖 4.22 向上方位在未侷限、高度=3mm，表面未經過處理的加熱器，輸入功率=1w，側向拍攝 100μm 100μm (a)1sec (b)2sec (c)3sec (d)4sec 圖 4.23 向上方位在未侷限、高度=3mm，表面未經過處理的加熱器，輸入功率=1.3w，側向拍攝

(69)

100μm (a)1sec (b)2sec (c)3sec (d)4sec 圖 4.24 向上方位在侷限、高度=1mm，表面塗佈潑水劑的加熱器，輸入功率=0.7w，側向拍攝 100μm (a)1sec (b)2sec (c)3sec (d)4sec 圖 4.25 向上方位在侷限、高度=1mm，表面塗佈潑水劑的加熱器，輸入功率=1w，側向拍攝

(70)

100μm (a)1sec (b)2sec (c)3sec (d)4sec 圖 4.26 向上方位在侷限、高度=1mm，表面塗佈潑水劑的加熱器，輸入功率=1.3w，側向拍攝 100μm (a)1sec (b)2sec (c)3sec (d)4sec 圖 4.27 向上方位在侷限、高度=2mm，表面塗佈潑水劑的加熱器，輸入功率=0.7w，側向拍攝

(71)

100μm (a)1sec (b)2sec (c)3sec (d)4sec 圖 4.28 向上方位在侷限、高度=2mm，表面塗佈潑水劑的加熱器，輸入功率=1w，側向拍攝 100μm (a)1sec (b)2sec (c)3sec (d)4sec 圖 4.29 向上方位在侷限、高度=2mm，表面塗佈潑水劑的加熱器，輸入功率=1.3w，側向拍攝

(72)

100μm (a)1sec (b)2sec (c)3sec (d)4sec 圖 4.30 向上方位在侷限、高度=3mm，表面塗佈潑水劑的加熱器，輸入功率=0.7w，側向拍攝 100μm (a)1sec (b)2sec (c)3sec (d)4sec 圖 4.31 向上方位在侷限、高度=3mm，表面塗佈潑水劑的加熱器，輸入功率=1w，側向拍攝

(73)

100μm (a)1sec (b)2sec (c)3sec (d)4sec 圖 4.32 向上方位在侷限、高度=3mm，表面塗佈潑水劑的加熱器，輸入功率=1.3w，側向拍攝 100μm (a)1sec (b)2sec (c)3sec (d)4sec 圖 4.33 向上方位在未侷限、高度=1mm，表面塗佈潑水劑的加熱器，輸入功率=0.7w，側向拍攝

(74)

100μm (a)1sec (b)2sec (c)3sec (d)4sec 圖 4.34 向上方位在未侷限、高度=1mm，表面塗佈潑水劑的加熱器，輸入功率=1w，側向拍攝 100μm (a)1sec (b)2sec (c)3sec (d)4sec 圖 4.35 向上方位在未侷限、高度=1mm，表面塗佈潑水劑的加熱器，輸入功率=1.3w，側向拍攝

(75)

100μm (a)1sec (b)2sec (c)3sec (d)4sec 圖 4.36 向上方位在未侷限、高度=2mm，表面塗佈潑水劑的加熱器，輸入功率=0.7w，側向拍攝 100μm (a)1sec (b)2sec (c)3sec (d)4sec 圖 4.37 向上方位在未侷限、高度=2mm，表面塗佈潑水劑的加熱器，輸入功率=1w，側向拍攝

(76)

100μm (a)1sec (b)2sec (c)3sec (d)4sec 圖 4.38 向上方位在未侷限、高度=2mm，表面塗佈潑水劑的加熱器，輸入功率=1.3w，側向拍攝 100μm (a)1sec (b)2sec (c)3sec (d)4sec 圖 4.39 向上方位在未侷限、高度=3mm，表面塗佈潑水劑的加熱器，輸入功率=0.7w，側向拍攝

(77)

100μm (a)1sec (b)2sec (c)3sec (d)4sec 圖 4.40 向上方位在未侷限、高度=3mm，表面塗佈潑水劑的加熱器，輸入功率=1w，側向拍攝 100μm (a)1sec (b)2sec (c)3sec (d)4sec 圖 4.41 向上方位在未侷限、高度=3mm，表面塗佈潑水劑的加熱器，輸入功率=1.3w，側向拍攝

(78)

100μm 100μm (a)1sec (b)2sec (c)3sec (d)4sec 圖 4.42 向上方位在侷限、高度=1mm，表面塗佈鐵氟龍的加熱器，輸入功率=0.7w 熱汽泡過程於上方與側方同步攝視觀測

(79)

100μm 100μm (a)1sec (b)2sec (c)3sec (d)4sec 圖 4.43 向上方位在侷限、高度=1mm，表面塗佈鐵氟龍的加熱器，輸入功

(80)

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(82)

100μm 100μm (a)1sec (b)2sec (c)3sec (d)4sec 圖 4.46 向上方位在侷限、高度=2mm，表面塗佈鐵氟龍的加熱器，輸入功率=1w 熱汽泡過程於上方與側方同步攝視觀測

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(85)