微熱管內之兩相流和熱傳實驗研究(Ⅱ)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

微熱管內之兩相流和熱傳實驗研究(Ⅱ)

計畫類別： 個別型計畫

計畫編號： NSC93-2212-E-006-052-

執行期間： 93 年 08 月 01 日至 94 年 07 月 31 日

執行單位： 國立成功大學航空太空工程學系（所）

計畫主持人： 高騏

計畫參與人員： 柯皇卲、陳弘達、王譔博

報告類型： 精簡報告

報告附件： 出席國際會議研究心得報告及發表論文

處理方式： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 94 年 10 月 31 日

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告

微熱管內之兩相流和熱傳實驗研究(Ⅱ)

Two Phase Flow Thermal Transport Processes in the Heated

Micro Channel

計畫編號：NSC93－2212－E－006－052－

執行期間：93 年 08 月 01 日至 94 年 07 月 31 日

計畫主持人：高騏 國立成功大學航空太空工程研究所

E-mail：[email protected]

摘要 本研究之主要目標在於微流道內之熱傳現 象研究，其模型建立方法為將微陣列溫度感測 器密集且等間距地埋設在微流道壁面，用以量 測底部具有加熱器之微流道內部的局部壁面溫 度。並進行不同進口雷諾數條件的局部微尺寸 熱流傳輸現象研究。另外，微流道系統晶片最 後的結構體皆使用極低熱傳導係數的材料如： SU-8 負型光阻、環氧樹脂、PMMA 及玻璃基材， 因此可非常有效地減少及控制熱系統的熱損 失，並精確地量取微加熱管道內局部詳細的熱 傳分佈資料。 關鍵字：微流道系統晶片、SU-8 負型光阻 Abstract

In this paper, the studies of thermal phenomenon in micro channel were presented. The design of model with micro heater and micro temperature sensor array for study the local micro-scale heat transfer process at different Reynolds number flow conditions. However, heat loss was main problem in heat transfer measurement; thus, the structure was fabricated successful using low conductivity materials, such as native tone photoresist (SU-8), epoxy, PMMA, and glass substrate to solve heat loss problem and measurement the local heat transfer distribution.

Keywords: Micro Channel System, Native Tone

Photoresist (SU-8) 一、 前言 微電機機械系統(MEMS)製造技術正迅速 地發展並盡可能地應用於微尺度(Micro Scales) 的流體機械控制元件，這種發展首先使得許多 傳統由巨觀所發展的理論受到嚴厲挑戰，特別 是熱流的傳遞現象，由於受到流體平均自由徑 (Mean Free Path)的作用，在微小尺寸下氣體與 液體的流動情況與物理現象原理極為不同，液 體在這些微小尺寸的流動中受到以往在巨觀理 論中忽略但確實存在於固體與液體表面之間的 作用力，如表面張力(Surface Tension)、毛細現 象(Capillary Forces) 及 電 雙 層 (Electric Double Layer)效應增強的影響，使得其內的傳遞現象變 得 更 為 複 雜 難 測 ， 在 什 麼 特 徵 尺 度(Feature Length)下連體假設(Continuum Assumption)不再 適用？在微尺度下Navier-Stokes Equations 是否 還適用？若不適用該如何修正？ 另外液體的微流道因表面摩擦力與黏滯性 遠大於氣體的情況，作動時須施以極大地進口 壓力才能驅動微通道內的流體，故微流道的結 構部分須重新且特別地考量，別於氣體微流道 之設計，藉以讓微流道結構體能承受此高壓力 差的運轉狀態，而不會發生任何變形或破裂。 於1981 年由 Tuckerman 與 Pease 首先提出 了 微 流 道 之 構 想[1] ， 利 用 矽 - 微 細 加 工 法 (Si-micromaching) 製 作 出 微 流 道 (micro-channel)，並且以水作為工作流體；當深 寬比為6，散熱能力達 790W/㎝2_{。而Peng et al.} (1994)[2]在微矩形流道之水力半徑(Hydraulic Diameters)範圍為 0.133~0.367mm、工作流體為 水做實驗量測，發現雷諾數（Re number）在 200~700 時，流場開始由層流(Laminar Flow)轉 換變成紊流(Turbulent Flow)。而完全紊流的對流 熱傳(Fully Turbulent Convective Heat Transfer) 現象發生於雷諾數400~1,500。在後續 Peng etc [3]及 Peterson[4]亦經由實驗發現，微流道中的 雷諾數過渡區間與一般巨觀下尺寸的流道不

同，並且對於雷諾數、扭賽數（Nu number）及 普朗特數（Pr number）之間的真正關係式為何 仍無定論。 Yu et al. (1995)[5]以實驗及數值模擬的方法 觀察工作流體為氮氣及水，微圓管內部直徑分 別為19、52 與 102µm，Re 範圍 250~20,000 及 普朗特數(Pr Number)範圍 0.7~5.0 的情況量測管 道摩擦係數，發現由實驗量測的結果比理論值 低。熱傳係數方面發現水在低雷諾數時實驗值 與理論值結果相近，但隨著雷諾數增加誤差愈 大，實驗值會比理論值高。

Mohiuddin Mala et al. (1996) [6] 利 用 Poisson-Boltzmann Equation 線性近似的解來描 述兩平板間微小通道內固體壁面與液體表面之 間的電雙層效應，結果發現微流道壁面黏滯性 大小受限於電雙層，微流道尺寸愈小則電雙層 效應愈強，此代表微流道壁面的黏滯性效應愈 大，因此會降低流體流動的速度晉而降低液體 藉由對流效應帶走壁面熱量的能力，大大地減 低熱傳速率。 此外，電雙層的形成起因於液體 中少量帶電的離子受壁面靜電荷(Electrostatic Charges)所吸引而蓄積於壁面的結果，故對於極 性液體(Polar Liquids)在微通道的流場及熱傳現 象將是值得探討的課題。

Linan Jiang et al. [7][8] 於 1999~2001 年間 所發表的文獻中，利用在微流道上製作微溫度 感測器，將溫度感測器以陣列方式分佈於微流 道上，並同時在矽晶片上製作加熱源於流道進 口處，藉以量測二相流於微流道內的溫度分佈 與進行各項熱傳實驗分析，並求得臨界熱通量 （Critical Heat Flux, CHF）。而微流道之水力直 徑分別為40µm 與 80µm，工作液體為去離子水 （deionized water）。實驗結果發現在不同之微 流道出口直徑下會有著相反的曲線分佈，雖然 Jiang 等人未對其作出明確解釋，但也顯示了微 流道內的溫度分佈仍有加以深入研究的必要。 而其感測器擺設位置位於微流道外壁，也就是 熱源透過了晶片才傳達至溫度感測器，因此量 測之溫度是否為流道內部的真實溫度仍有待商 確。 而在國內研究部分，2000 年淡江大學微機 電研究群所製作之微流道熱沈[9][10]，除了利用 微機電技術之體型微細加工法製作微流道熱 沈，同時利用半導體摻雜方式（doping）製作微 流道熱沈之加熱器，用以提供均勻熱源於流道 底部。其中亦利用濕蝕刻方式製作白金薄膜感 測器於玻璃上，再以陽極接合技術與矽質微流 道結合，藉以達到現地量測之目的。但由於溫 度感測器於高溫下通入流體量測時，會發生氧 化破壞的問題，以致於微溫度感測器壽命不 高，造成數據之完整性與重複性不足。另外， 製程以陽極接合方式雖然可以確保尺寸之固定 性，但此作法仍然免不掉發生感測器短路之問 題，故製作出完全無短路之感測器元件之機率 不高。 2004 年黃青峯[11]利用微機電製程技術，將 微渠道係以 LIGA-like 製程技術中的準分子微 影製程製作於聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)上，光 刻出長20 mm、寬 200μm、深為 100μm 之微 渠道。微加熱器、微溫度感測器則是採用「白 金薄膜」做為之材料，透過物理薄膜沉積(PVD) 之製程，將元件製作於玻璃晶片上。最後以光 阻膠將兩者進行裝封並進行測試。但由於製程 技術不足，以致於感測元件量率不高，無法得 知微流道詳細之熱傳情形。

二、微流道系統的設計

目前以微機電製程之微流道設計，大部分 皆以體型加工技術在矽晶圓上蝕刻出微流道主 體，接著再以陽極接合技術將Pyrex 7740 玻璃 與矽晶圓接合形成一封閉之微流道。此技術雖 為成熟，但是矽之材料在室溫300K 時具有 148 W/mK 之高熱傳導係數，易造成在實驗過程中 產生大量的熱損失，以致無法確切的瞭解微流 道之熱傳變化。故此我們選用了SU-8 負型光阻 來製作微流道主體，此光阻利於本實驗主要有 兩大之優勢：首先SU-8 光阻在室溫 300K 時僅 有0.2 W/mK 之熱傳導係數，對於實驗所產生之 熱損失能有效降低。此外，由於其為厚膜光阻 可符合實驗之需求改變光阻厚度，亦即改變流 道之高度，藉此可探討不同水力直徑下之熱傳 變化。本研究主在利用奈米實驗室之半導體設 備製造一含微陣列溫度感測器及微加熱器之微 流 道 系 統 ， 而 溫 度 感 測 器 之 量 測 範 圍 低 至 3µm，可精準量測出流道壁溫之局部熱傳變化現 象。

三、實驗量測系統

為穩定且準確地供應微流道內部固定之進 口流場條件，本研究設計建構兩套精密的流體 供應及控制系統，分別對氣體及液體實驗進行 控制。液體流供應及控制系統部分，以高壓氮 氣鋼瓶作為總壓力源，藉由高壓氣體導入液體 鋼瓶擠壓液體產生流動，而在鋼瓶出口亦接上 液體過濾器，濾掉大於 0.5µm 的污染粒子，再 次確保進入微流道的流體潔淨度，防止粒子阻 塞 或 污 染 流 道 。 接 著 利 用 液 體 流 量 控 制 器 (SERIES L30, Netherlands)精密的控制輸出流 量，而其精確度可達0.1Kg/h，最後於微通道出 口以燒杯收集流出的液體，如圖一所示。 氣體流供應及控制系統部分，以精密型訊 號控制器對微型氣體閥門(Brooks 5858E, USA) 進行即時的監控及微調，氣體閥門上游入口接 入高壓氣源，下游出口則可提供設定之氣體流

量。 加熱系統以 DC 電源供應器提供固定的加 熱 通 量 。 熱 場( 溫 度 ) 資 料 以 資 料 擷 取 器 (FLUKE-2645A, USA)連接個人電腦並收集電 阻訊，經程式即時換算為溫度值及熱傳係數並 作記錄。為確保系統內部熱流場在達穩態時才 能進行資料擷取，利用訊號監控程式作即時溫 度場的量測，當所有即時的量測點資料與上一 次量測值之變動差小於1%後，訂為溫度場平衡 狀態，隨即進行溫度資料擷取，通常約1~1.5 小 時左右。 圖一 液體實驗量測系統

四、微熱晶片的設計與製作

4.1 鉑熱電阻感測原理 本實驗溫度感測元件所採用之材料為鉑 (Platinum)金屬薄膜。此感測元件為一種「溫度-電 阻 」 式 的 (Platinum)金屬薄膜。此感測元件為一種「溫度-電 阻 式 溫 度 檢 測 器(Resistance temperature detector, RTD)，即利用隨著溫度的 上昇而電阻隨之增大的關係進行量測溫度。而 鉑金屬在溫度範圍 0℃~630℃時之電阻值與溫 度變化成線性關係，鉑電阻與溫度的關係如(1) 式、(2) 式，在 0~630.74℃之內為： 0

(1

1 2 3

)

t

R

=

R

+ ∆ + ∆ + ∆

a T

a

T

a

T

(1) 0

T

t

t

∆ = −

(2) Rt：電阻於t℃時的電阻值(Ω) R0：電阻於參考溫度t0℃時的電阻值(Ω) ∆T：相對參考溫度 0℃之溫差( )℃ t：感溫電阻溫度( )℃ t0：參考溫度( )℃ 、 a1、a2、a3：電阻溫度係數(Temperature Coefficient of Resistance, TCR=(∆R/R)/ ∆T) TCR 表示單位電阻變化量與溫度變化之關 係，此∆R 表電阻變化值，∆T 表對應之溫度變 化值。

4.2 設計與製作

微熱晶片整合微加熱器與微陣列溫度感測 器於單一晶圓上，基於考量到矽晶圓之材質具 有高熱傳導係數，其在實驗的過程中亦產生大 量的熱損失，而直接地影響實驗的準確性。因 此採用了Pyrex 7740 玻璃，可大幅地降低熱損 失之發生。主要製作之流程如圖二所示。而加 熱器與溫度感測器分別以鈦(Ti)及鉑(Pt)之金屬 作為材質。加熱器之設計分成兩部分同大小之 尺寸，長度為4990µm、寬度為 500µm，中間間 隔10µm，所採用的金屬薄膜為鈦(Titanium)。而 溫度感測器尺寸的設計為長500µm、寬 3µm 共 計有 106 個，而對於一般金屬材質之阻值可藉 由式(3)表示： L R A

ρ

= (3) R：電阻值(Ω) ρ：電阻率(Resistivity, Ω•m) L：導線長度(m) A：導線截面積(m2)

1. E-Beam Evaporator Titanium 0.18µm thickness for heater.

2. PECVD TEOS 0.3μm thickness. 3. E-Beam Evaporator Chromium 0.005µm thickness and Platinum 0.025µm thickness for temperature sensors.

4. PECVD TEOS 0.3µm thickness.

5. Contact hole open 6. Metallization.

7. PECVD TEOS 2.5µm thickness. 8. Surface Planarization. 圖二 微熱晶片製作的流程 4.3 金屬薄膜製程 在製作微加熱器與微溫度感測器時，金屬薄膜 主要是利用之電子束蒸鍍機(E-Beam Evaporator) 來進行沉積，而沉積之鍍率為1Å/S。待玻璃晶 圓沉積完鈦(Titanium)薄膜之後，在其上方旋塗 AZ5214 光阻並微影定義加熱器圖案以做後續 之蝕刻動作。而金屬薄膜為利用Lift off 製程技 術來進行製作。Lift off 技術主要是先將光阻微 影定義出圖案後，並於光阻之上方沉積金屬薄 膜。由於丙酮(Acetone)具有去除光阻之能力， 因此藉此將晶圓置入丙酮中移除光阻。同時亦 將光阻上之鈦薄膜移除，最後只留下所需的圖 案。

在 lift off 製程技術中我們選用 AZ5214 光阻 來搭配。AZ5214 光阻是屬於正光阻性質，但是 此光阻具有一特殊的現象：其在於第一次曝光 將圖形轉移至晶圓之後，不進行顯影動作而先 將光阻以90℃加熱 90 秒，此一動作可將原本是 正光阻性質的 AZ5214 光阻轉換變成負光阻性 質，接著再進行第二次的曝光動作，之後再將 晶圓顯影即可得到所需之圖案。值得注意的是 AZ5214 光阻在進行正負反轉的動作之後，會使 所有圖案形成一個上窄下寬的特殊圖形。此一 圖形對於在沉積金屬時，會使得 step coverage 變的更差，而讓光阻之上下金屬不會連接在一 起，使lift off 過程更加容易。所以，本研究在 最後以lift off 技術取代蝕刻之製程來製作微加 熱器，而溫度感測器亦以此法完成製作。圖三 為熱晶片之完成圖。 圖三 熱晶片之完成圖 一般在量測時可用儀器校正片電阻值，以 精確地測得電阻值。因此在製作完整熱晶片之 前，需分別對加熱器及溫度感測器進行測試、 封裝與溫度校正後(圖四、圖五)，方可提供等熱 通量加熱面及微流道壁面溫度分佈的感測。由 圖四、圖五亦可發現到鈦之薄膜對於溫度較不 敏感，因此十分適合用來做定功率之加熱器， 而溫度感測器部分，其對於溫度之變化可靈敏 的偵測反應，故此在兩者經由實驗證明出可符 合實驗之需求。然而雖然元件的電阻可經由幾 何設計之計算而得，然而在薄膜元件的製作過 程中，如薄膜沈積製程都會影響電阻值的誤差。 圖四 微加熱器之溫度-電阻關係圖 圖五 微陣列溫度感測器之溫度-電阻關係圖

五. 微流道的設計與製作

微流道之尺寸設計上，長、寬、高度分別 製作成 10,000µm、500µm 及 80µm，本研究之 微流道製作主要是將SU-8 厚膜光阻做為微流道 主結構。而SU-8 的製程主要分為下列五個步驟： （1）光阻塗佈 利用旋轉塗佈機(Spin coater)光阻塗佈過程 主要分為兩個轉速階段，第一階段之低轉速功 用，主要是利用離心力將光阻慢慢地旋至晶圓 的邊緣。本實驗所使用的 SU-8 負型光阻屬於 2050 型號，由於光阻本身的黏滯係數較高，若 此階段轉速過高時，會使得光阻呈現棉絮狀而 塗佈失敗；若轉速過慢或者光阻劑量不足時， 則會使得光阻無法充分地覆蓋晶圓表面，造成 塗佈不完全的情況發生。待光阻均勻旋塗至晶 圓表面時，再利用第二階段之高轉速有效地控 制光阻的厚度，接著進行軟烤步驟 （2）軟烤(Soft bake) 在SU-8 微影過程中，各光阻烘烤的處理步 驟極為重要，特別是軟烤部分。軟烤的主要目 的在於去除光阻內部的溶劑，使光阻由液態薄 膜變成固態。而有效的去除內部的溶劑，不但 可以增加光阻對晶圓的附著能力，並且也能使 曝光的解析度達到最佳狀態。在進行軟烤步驟 之前需考量到，由於SU-8 光阻在軟烤過程中， 會受到熱流動的特性而達到自我平坦化(Self- planarize)，因此在利用熱墊板(Hot plate)加熱之 前，需做水平校正，以防止光阻受熱時產生流 動現象。而軟烤升溫過程中須分兩階段，其條 件分別為兩階段，第一階段為65o_{C、15 分鐘；} 第二階段為95o_{C，30 分鐘，並控制維持 2}o_{C/ min} 之升溫速率，之後自然降至室溫。控制升降溫 速率，除了可充分地將光阻內部的溶劑去除， 並可有效地降低薄膜的硬力。 （3）曝光(Exposure) 此步驟所使用的曝光機台為南科NDL 的曝 光機，UV 光的強度同 AZ5214 所曝之光源強度

∫

= l l0 o ave Nu dx 1 Nu 相同，皆為12mw/cm2_{，波長為365nm。以 55µm} 由於SU-8 屬於厚膜光阻，若曝光劑量不足時， 在底部光阻部分無法產生充分的鍵結，以致在 顯影的過程中會有光阻殘留，無法將圖形完整 的轉換成功；若曝光過渡時，則會發生底切現 象 (Undercut)，而若發生曝光過渡時，在尚未進 行曝後烤圖案便會產生出來，因此也可藉由目 視來判別是否有過曝的情形發生。

（4）曝後烤(Post Exposure Bake)

曝後烤亦佔整個微影製程中極重要的過 程，若不足或者是過量，易造成光阻產生龜裂、 解析度便差、深寬比變小、及與晶圓表面附著 力不佳等影響。因此在進行此步驟時，控制熱 墊板的升溫速率在 2o_{C/min，並於 65}o_{C 時烘烤} 約15 分鐘，之後以自然冷卻方式降至室溫，以 增加光阻的鍵結強度。 （5）顯影(Development) 在光阻具有較高之厚度或者高深寬比時， 若以靜置於顯影液的方式進行顯影，容易使得 底部之光阻無法獲得新鮮的顯影液，造成顯影 不完全的現象發生，因此在顯影的過程中，給 予適當的攪拌是必要的。待顯影完後，可浸泡 於異丙醇(IPA)確保是否還有光阻殘存，之後再 將晶圓旋乾即完成顯影步驟。 最後，微流道外型光罩經適當設計，再次 利用環氧樹脂(Epoxy resin)以真空幫浦抽真空 後可成功地將SU-8 微流道結構與 PMMA 薄板 接合，其製作之流程如圖六所示。完成後之熱 晶片黏貼於玻璃纖維材質之電路版上，並打上 鋁線以量測訊號。而實驗之完成品如圖七所示。

(a) Spin a thick layer of SU-8 on the Pyrex glass and pattern.

(b) The Pyrex glass with integrated sensors array and micro channel structure was bonded with the PMMA plate. 圖六 微流道製作流程圖 圖七 實驗模組之完整品

六. 熱傳實驗結論

以空氣作為實驗流體，實驗結果發現局部 扭賽數(Nusselt number)隨熱通量增加而增加， 如圖八所示。而在相同的條件之下，無因次化 的扭賽數Nu/Re0.4_{亦隨著熱通量增加而增加，如} 圖九所示。另外在低雷諾數(Re=127)，其熱傳的 提升會比 Re=1015 的實驗參數還要來得大。這 結果可說明流體的熱傳導率在微觀流體加熱的 流道部分，其扮演著極重要的角色。 而為了要獲得在不同 Re number 及熱通量 下的平均熱傳的扭賽數，其可以定義成： (4) 在圖十(a)可以觀察出在增加雷諾數的條件 下，平均扭賽數增加的情形，而此趨勢與理論 的強制對流有著相同的結果。不過在當雷諾數 大於1000 時，藉由雷諾數引起的熱傳增益趨勢 會變的更小。這現象說明了當雷諾數增大時， 其影響力會逐漸變小。除此之外，隨著熱通量 的增加，平均扭賽數會有大幅度增加的現象。 如圖十(b)所示。此一情形不同於巨觀流道的理 論強制對流現象。因此，從上敘述的結果可得 知，雷諾數與熱通量特別會在微流道裡的空氣 流體對其熱傳提升產生影響，且目前流道的進 口長度也大於巨觀下之流道。

Inlet Outlet

Inlet Outlet

PMMA

Air

Re=127

H=80um

X/2H

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Nu

o

0 2 4 6 8 10 12 q=428W/m2 q=1714W/m2 q=3856W/m2 q=6855W/m2 q=10711W/m2

(a)

Air H=80um

X/2H

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Nu

o

/Re

0. 4 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 Re=1015,q=1714W/m2 Re=1015,q=3856W/m2 Re=1015,q=6855W/m2 Re=1015,q=10711W/m2 Re=127,q=428W/m2 Re=127,q=1714W/m2 Re=127,q=3856W/m2 Re=127,q=6855W/m2 Re=127,q=10711W/m2

Re

0 400 800 1200 1600 2000 2400

Nu

av e 0 1 2 3 4 5 Air H=80um q=5865W/m2 0

(a)

圖八 空氣流體在不同熱通量下之局部扭賽數 分佈 (a) Re=127 及(b) Re=1015.

圖九 不同的熱通量，空氣流體在 Re=127 及 Re=1015 下的無因次參數 Nu/Re0.4_分佈 圖十 在不同條件下空氣流體的平均扭賽數差 異(a)不同的雷諾數，及(b)不同的熱通量。 而在工作流體以去離子水的實驗中，熱對 流係數h 之計算基於牛頓冷卻定率,其計算式如 下： h = q/(Tw – Ta) (5) 於上式中，q 為加熱器藉由電流或電壓通過 所產生之熱通量，Tw 為溫度感測器沿著管導壁 面所測得之溫度，Ta 則為流體入口時之空氣溫 度，量測時利用不同之Re number 通入管內，以 求得局部之Nu number，見圖十一。其中 Nu 之 定義為h(2b)/k。由圖中可知,局部之 Nu number 於完全發展流之區域並未重疊為同一條曲線， 吾人雖試試圖將其進行熱傳係數之修正使其重 合，但仍然無法將其修正至重合於同一曲線， 且其結果與氣體流之結果相同。然而於各種不 同之Re number 所造成曲線之分離,其原因在於 電雙層對於 DI Water 之影響,薄薄的一層電雙 層，特別是在液體或低雷諾數時將明顯的降低 液體之流速以及其熱傳。然而，若能完成地將 電雙層之影響完全地排除,其熱傳導將會大大地 提高。 盡管電雙層對本實驗造成影響,但其所量測 之熱傳數據亦為一準確之值，主要在於本實驗 中已將其熱損控制在小於5%以內，因此其熱傳 導 之 數 據 之 誤 差 將 小 於 6% ， 然 將 其 由 Nu number 轉換為熱傳導係數 h，其 h 值相對於目 前微米尺度之管道而言，其值非常之高，並且 遠大於巨觀之管道。 圖十一 去離子水之局部扭賽數分佈

七. 結論

針對實驗的結果，可統納出在空氣或是去 離子水的微管內部平均熱傳係數，在固定雷諾 數的情況下，皆明顯隨著熱通量的增加而增 加。但巨觀理論對於相同雷諾數的條件，其平 均熱傳係數是不隨熱通量的改變而變化，目前 判斷以上諸現象乃由於微流道高度降至數十微 米尺度，其內部流場速度倍增，壁面速度黏滯 層瞬間變的極薄，因此在高加熱通量或是低雷 諾數的情況下，黏滯層內部的熱量不亦被帶離 開表面，內部的溫度突然間提高造成接近壁面

q(W/m

2

)

0 2500 5000 7500 10000 12500

Nu

av e 0 1 2 3 4 5 Re=127 Re=1015 Air H=80um 0

(b)

Air Re=1015 H=80um

X/2b

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Nux

0 2 4 6 8 10 12 q=1714W/m2 q=3856W/m2 q=6855W/m2 q=10711W/m2

(b)

的流體熱傳導係數增加所導致的結果。而微流 道晶片系統經測試後可獲得以下結果： (1) 微流道結構強度可承受 10 大氣壓差。 (2) 可獲得具接近垂直且高深寬比的微通道結 構。 (3) 具良好絕熱特性。 (4) 微 加 熱 器 具 有 趨 近 於 零 之 溫 度 係 數 (TCR~0)，可提供固定的熱通量。 (5) 微流道具良好光學特性，可進行通道內 流場視流觀察。

參考文獻

[1] D. B. Tuckerman, R. F. W. Pease, “High- Performance Heat Sinking for VLSI”, IEEE Electron Device Letters, Vol. EDL-2, No. 5, May, 1981.

[2] X. F. Peng, G. P. Peterson, and B. X. Wang, “Heat transfer characteristics of water flowing through microchannels”, Experimental Heat Transfer, Vol. 7, pp. 265-283, 1994.

[3] X. F. Peng, G. P. Peterson and B. X. Wang, “Frictional Flow Characteristics Of Water Flowing Through Rectangular Microchannels”, Experimental Heat Transfer, Vol. 7, pp. 249-264, 1994.

[4] X. F. Peng, G. P. Peterson, “The Effect of Thermofluid and Geometrical Parameters on Convection of Liquid Through Rectangular Microchannels”, International Journal of Heat Mass Transfer, Vol. 38, n. 4, pp. 755-758, 1995.

[5] Linan Jiang, Man Wong, Yitshak Zohar, “Transient temperature performance of an integrated micro-thermal system”, Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol 10, n3, pp. 466-476, 2000.

[6] Linan Jiang, Man Wong, Yitshak Zohar, “Forced Convection Boiling in a Microchannel Heat Sink”, IEEE. pp. 80~87, 2001.

[7] D. Yu, R. Warrington, R. Barron, and T. Ameel, “Experimental and theoretical investigation of fluid flow and heat transfer in microtubes”, ASME-JSME Thermal Engineering Joint Conference, Vol. 1, pp. 523-530, 1995.

[8] Mala, Gh. Mohiuddin, Li Dongqing, and J. D. Dale, “ Heat transfer and fluid flow in microchannels, “Micro-Electro-Mechanical Systems(MEMS), ASME DSC, Vol. 59, pp. 127-136, 1996. [9] 楊賢政，「白金薄膜感測器應用於微流道 的現地溫度量測」，碩士論文，2000 年。 [10] 蕭聰鑫，「微流道之熱流實驗分析」，碩 士論文，2000 年。 黃青峯，「微渠道之微加熱器及溫度感測器 設計製作」，碩士論文，2004