多孔介质沸腾可视化-微型加热器

实验

Pt加加热器制作流程

流程图

说明

1. 基底
   
   • 可以使用例如：P型双面抛光, <100>取向的Si晶片[1]
2. 基底：清洗 烘干即可
3. 加热器主体使用溅射得到Pt薄膜
   
   • 使用剥离（lift-off）工艺将其图案化

文献整理

备注：
d:直径；t:厚度；w:宽度；l:长度；未标出单位为μm

加热器设计

材料选择与电阻控制

Au 电阻率 $2.44\times10^{-8} \Omega\cdot m$
Pt 电阻率 $1.1 \times10^{-7} \Omega\cdot m$
考虑氧化性，故选择贵金属。
Au长度与Pt长度相当，厚度相当，宽度为Pt 2.5倍， 则电阻应相当于Pt 0.0887。

加热芯片图纸

引脚pcb设计图纸

左侧斜线阴影区域为贴片位置

外接电路与控制

加热器与控制电路的连接

• PGA（pin grid array,插针网格阵列封装） + 锡焊连接
• 问下AEMD老师有没有什么封装方面的建议
• 一家可能的企业：上海根派半导体
• 问吴惠英学生（程潇），提供一种可能的工艺：金丝焊钳。检索得到下面结果：沈阳威克创新焊接设备
• 目前（2019.7.24）暂定中科院上海微系统所，将芯片贴片于pcb版上，采用金丝球焊连接gold pad至pcb上引线，到相应焊盘即可。因此需要设计该pcb板。pcb的设计制作拟选用淘宝店KJPCB。PCB设计要领见本文档。

控制电路

方案一：电桥控制

文献[2]中设计的反馈电路，具有15kHz的温度调节频率
这一设计通过调节$V_c$（控制电压）来控制 $R_H$（heater电阻）的温度。温度与控制电压关系由标定得到。其他说明见下。

电路设计代工公司例如：芯蚁硬件开发， DC电子工作室，上海香岛设计

温控电路需要一个输入的控制电压。考虑使用外接调压器生成控制电压。
一般的调压器直接接入市电即可运行（徐老师、lamini等人使用的那种最普通的），但是精度和量程都成问题。因此考虑使用更精细的仪器。

• lamini 带我去电源实验室咨询过，那边博士推荐了一款调压器
  型号为GPS-3030D 可以咨询下客服

方案二：温控器

采样周期~100ms

电压电流的测量

精密电压变送器
代理日本MTT电压变送器MS3721
多点温度控制方案 :可实现20ms的采样周期（一般为1s）
似乎可以直接使用DAQ测量电压。

气泡长大与脱离

• 张旭浩[3]使用了100ms，300ms和1000ms的脉宽。实验中观测到最大直径约为85μm，未观测到气泡脱离。可能是因为最大气泡远小于毛细长度。其所使用的“哑铃形”加热器，在郑平2003年的文章[4]中被称为non-uniform width micro-heater。
• 全晓军[5]使用的脉宽为2ms,最大直径也在100μm以下，也未观察到气泡脱离。
• 徐进良[6]使用EE1640C系列函数信号发生器（南京新联电讯仪器有限公司）产生周期性的0~20V的方波，频率为0.2Hz到20MHz，并观察到3种不同的甲醇（空气浓度39.3~65.5g/m3,30~60min可致死）气泡产生模式。三种模式分别是(不包括气泡脱离)：
  
  • Bubble explosion and regrowth pattern，热流密度16~18MW/m2
  • Bubble breakup and attraction pattern，热流密度30~36MW/m2
  • Bubble size oscillation and large bubble formation pattern，热流密度20~22MW/m2
• 郑平2003年的文章[7]中说：
  

  No bubble departure was observed in the repeating tests in this experiment because of the short heating time(1.6ms)

• Kim 2001和2004年的文章中观察到了气泡的脱离。其2001年的工作[8]中使用了96个270*270μm的加热器，并使用频率为15kHz的的模拟反馈电路进行恒温控制(15kHz是系统自发运行的频率，并非人为设定[9]，且本文中没有使用脉冲加热。)。这篇文章的加热器和外接电路设计见其2004年的文章[10]和1999年的文章[11]。其中温度控制电路使用op-amp（运算放大器），基本结构类似热线风速仪：
  

  The temperature of each heater in the array was kept constant by feedback circuits similar to those used in constant temperature hot-wire anemometry
  
  Kim 2009年有一篇关于池沸腾中bubble传热的综述[12]，从模型到实验都有，还有一点简单的模拟。可以看一下。

AEMD反馈

• 可以加工
• 是否可以部分改用Cu
• 使用.dwg文件，在完整晶圆上绘制图纸