CN102256390B - 液滴内部热毛细流的操控方法 - Google Patents
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Abstract
一种属于微机电技术领域的液滴内部热毛细流的操控方法，通过微机电技术在基底上加工一个尺寸微米级、加热丝部分覆盖的面积小于液滴与基底接触面的面积的微型加热器，然后将液滴放置在微型加热器上方并在微型加热器两端施加电压，使得微型加热器的加热丝产生热量并对液滴底部进行局部加热，进而在液滴中产生温度梯度，从而引起液滴内部流体的热毛细流流动，从而操控液滴内热毛细流。本发明可迅速有效调节微型加热器的温度来控制液滴温度分布从而操控液滴内部热毛细流，而且提高了热毛细流的可控范围。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种微机电系统技术领域的方法，具体是一种液滴内部热毛细流的操控方法。
背景技术
含有溶质或者颗粒的液滴在蒸干后，溶质或颗粒都会沉积在液滴所在固着物的表面，形成一定的沉积图案。二十世纪九十年代初，Deegan等发现固着在平板上的液滴在受到底部加热时，液滴内部热毛细流是造成液滴蒸干后形成环状沉积图案的主要原因，从而也解释了著名的“咖啡环”现象。液滴的蒸发沉积技术在生物医药和材料等领域有许多重要应用，如DNA/RNA的序列分析，药物输送，新型光电材料制造等。随后一系列的研究表明，通过控制液滴内部热毛细流流，可以控制液滴蒸干后所形成的沉积图案，从而能够很好实现各种应用目的，达到目标效果。
液滴内部热毛细流的产生主要是由于液滴的不均匀温度分布引起的。在液滴内部，温度分布均匀所造成的温度梯度引起了液体的密度梯度从而引起自然对流；在液滴表面，由于温度梯度引起液滴表面张力梯度从而引起Marangoni对流；同时由于液滴表面蒸发速率不均匀从而产生液滴内部蒸发驱动流。这三种形式的流动共同构成了液滴内部的热毛细流，其中液滴表面的Marangoni对流对液滴内的流场有重要影响。液滴的温度梯度是液滴内部热毛细流的主要动力，通过控制液滴温度分布可以有效控制液滴热毛细流。目前对液滴内热毛细流进行操控的专利几乎没有报道，已有的研究报道中大部分都是基于平板的全局加热方式来控制液滴蒸发沉积，平板的温度通过水浴或者电加热等方式来维持设定值，通过控制平板的设定温度来控制液滴温度，从而控制液滴蒸发速率和内部热毛细流。这种方式结构和设备都是十分简单，因此得到广泛的使用。但是，在基于平板的加热方式下，液滴与平板的接触面整体受热，而通常在实际应用中液滴的尺寸都在毫米和微米级别，这种小尺寸的液滴在受到底部全局加热时，液滴温差不明显，液滴温度梯度很小，因而液滴内部产生的热毛细流也十分微弱，这意味着平板加热的方式操控液滴内部热毛细流的可控范围不广，同时操控精度也不高。同时由于平板加热的方式需要维持一整块基板的温度稳定，因此温度响应时间会较长而且调节过程比较复杂。
经过对现有技术检索发现，Chon等人在《Langmuir》(朗缪尔)(2006年23卷第2953-2960页)上发表了(“Effect of nanoparticle sizes and number densities on the evaporation and dryoutcharacteristics for strongly pinned nanofluid droplets”)(纳米颗粒的尺寸和浓度对于强附着纳米流体液滴的蒸发和干涸特性的影响)，该文利用微机电技术成功制造了一组微型等间距排列微米级的线形加热器，研究人员通过这种微型加热器对纳米流体液滴进行了热控制，并且利用微型加热电阻与温度的关系成功测量了液滴底部局瞬态温度。若将这种微型加热器进行改进，通过对液滴采用底部局部加热，不仅可以有效迅速控制液滴底部局部温度，同时还可以增加液滴温度梯度分布，从而大大提高液滴内部热毛细流可控范围和控制效果。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种液滴内部热毛细流的操控方法，采用尺寸小于液滴尺寸的微型加热器对液滴进行局部加热，这种局部加热方式可以强化液滴内部和表面温度梯度，从而在液滴内产生密度梯度和表面产生张力梯度，形成较强的热毛细流场。通过调节微型加热器的加热功率，可以迅速有效调节微型加热器的温度来控制液滴温度分布从而操控液滴内部热毛细流，而且提高了热毛细流的可控范围。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明通过微机电技术在基底上加工一个尺寸微米级、加热丝部分覆盖的面积小于液滴与基底接触面的面积的微型加热器，然后将液滴放置在微型加热器上方并在微型加热器两端施加电压，使得微型加热器的加热丝产生热量并对液滴底部进行局部加热，进而在液滴中产生温度梯度，从而引起液滴内部流体的热毛细流流动，从而操控液滴内热毛细流。
所述的微型加热器通过采用20nm厚的钛种子层和200nm厚的铂复合制成加热丝部分，然后在加热丝部分的基础上继续复合100nm厚的金元素制成引线部分加工得到，其中：加热丝部分所覆盖面积小于液滴与基底接触面的面积，引线部分长度大于液滴尺寸以便连接外接电源的输出端，加热丝和引线部分的宽度均为20μm。
所述的加热丝部分总体覆盖面积大小是200μm(宽)×410μm(长)，其形状呈蜿蜒状，线间距为10μm，加热丝电阻值在24℃时为33.2Ω。
所述的基底为厚度500μm的玻璃或硅制成，其中采用的硅的导热系数为k硅＝150W/mK，采用的玻璃的导热系数为k玻璃＝1.38W/mK，该基底的耐温特性大于150℃。
所述的放置是指：将基底表面包括微型加热器表面清洗干净后，将液滴滴加于微型加热器的加热丝部分上方，使微型加热器的加热丝部分处于液滴与基底接触面的中心位置。
所述的施加电压是指：在微型加热器的引线部分连接外接直流电源电路，首先调整外接直流电源电压初始设定值0V并接通电路，然后测量经过微型加热器的电流值，通过改变微型加热器上所施加的电压大小，调节加热丝的加热功率从而调整加热丝的温度，进而控制液滴的温度分布操控液滴内部热毛细流。
所述的调节加热丝的加热功率是指：在0-0.31W范围内调整。
本发明中基于局部加热方式的操控液滴内部热毛细流的方法，可通过实验手段进行分析。由于液滴热毛细流是同液滴的温度梯度相关的，尤其是液滴表面的温度分布。因此可以通过红外热像仪等非接触试测量手段测量液滴表面的温度，通过液滴表面的温度分布分析实际操控效果。
本发明通过一种新的基于局部加热方式的操控液滴内部热毛细流的方法，在液滴内部产生更高的温度梯度从而产生较强热毛细流，提高了热毛细流的可控范围；同时微型加热器的尺寸很小，响应时间大大缩短，操控更加灵敏迅速，仅需调节输入电压范围即可，操作十分简单和方便。
附图说明
图1是微型加热器布置示意图。
图2是微型加热器的结构示意图。
图3是液滴布置示意图。
图4是不同加热功率下沿液滴表面的温度分布。
图中1是基底；2是微型加热器；3是微型加热器的加热丝部分；4是微型加热器引线部分；5是液滴。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
步骤一，参考图1所示，通过微机电技术在基底1上加工集成微型加热器2。微型加热器结构如图2所示，由加热丝部分3和引线部分4构成，加热丝的末端与引线部分相连。微型加热器的加热丝部分3是以20nm的钛和200nm的铂复合而成，其形状呈蜿蜒状，覆盖面积是200μm(宽)×410μm(长)，线宽20μm，线间距是10μm。微型加热器的引线部分4是在加热丝3的基础上继续复合100nm的金构成，线宽是20μm。
步骤二，将基底表面包括微型加热器表面清洗干净后，将液滴5放置在微型加热器的加热丝2上方，如图3所示，使微型加热器的加热丝3处于液滴5与基底1接触面的中心位置。
步骤三，在微型加热器两端引线5连接外接直流电源电路，调整外接直流电源电压为设定值0V，接通电路。测量经过微型加热器的电流值，改变微型加热器3上所施加电压大小，使微型加热器的加热功率分别为0W，0.08W，0.18W，0.31W。液滴在不同的加热功率下，液滴的温度梯度呈现不同的分布，从而在液滴内部产生不同强度的热毛细流，达到操控热毛细流的效果。
在此实施案例中，在加热功率分别为0W，0.08W，0.18W，0.31W时，通过红外热像仪测量的液滴表面温度分布。图4是四组加热功率下沿液滴表面的温度分布，液滴表面的顶端处温度最高，边缘处温度最低，随着加热功率增加，图4中明显可以看出液滴表面的温度梯度在不断增大，这表明在不同的加热功率的情况下，液滴内部会产生不同强度的热毛细流，控制微型加热器的加热功率可以有效的操控液滴内部热毛细流场。
Claims (7)
1.一种液滴内部热毛细流的操控方法，其特征在于，通过微机电技术在基底上加工一个尺寸微米级、加热丝部分覆盖的面积小于液滴与基底接触面的面积的微型加热器，然后将液滴放置在微型加热器上方并在微型加热器两端施加电压，使得微型加热器的加热丝产生热量并对液滴底部进行局部加热，进而在液滴中产生温度梯度，从而引起液滴内部流体的热毛细流流动，从而操控液滴内热毛细流；
所述的微型加热器通过采用20nm厚的钛种子层和200nm厚的铂复合制成加热丝部分，然后在加热丝部分的基础上继续复合100nm厚的金元素制成引线部分加工得到。
2.根据权利要求1所述的液滴内部热毛细流的操控方法，其特征是，所述的加热丝部分所覆盖面积小于液滴与基底接触面的面积，引线部分长度大于液滴尺寸以便连接外接电源的输出端，加热丝和引线部分的宽度均为20μm。
3.根据权利要求1或2所述的液滴内部热毛细流的操控方法，其特征是，所述的加热丝部分总体覆盖面积大小是200μm×410μm，其形状呈蜿蜒状，线间距为10μm，加热丝电阻值在24℃时为33.2Ω。
4.根据权利要求1或2所述的液滴内部热毛细流的操控方法，其特征是，所述的基底为厚度500μm的玻璃或硅制成，其中采用的硅的导热系数为k硅=150W/mK，采用的玻璃的导热系数为k玻璃=1.38W/mK，该基底的耐温特性大于150℃。
5.根据权利要求1所述的液滴内部热毛细流的操控方法，其特征是，所述的放置是指：将基底表面包括微型加热器表面清洗干净后，将液滴滴加于微型加热器的加热丝部分上方，使微型加热器的加热丝部分处于液滴与基底接触面的中心位置。
6.根据权利要求1所述的液滴内部热毛细流的操控方法，其特征是，所述的施加电压是指：在微型加热器的引线部分连接外接直流电源电路，首先调整外接直流电源电压初始设定值0V并接通电路，然后测量经过微型加热器的电流值，通过改变微型加热器上所施加的电压大小，调节加热丝的加热功率从而调整加热丝的温度，进而控制液滴的温度分布操控液滴内部热毛细流。
7.根据权利要求6所述的液滴内部热毛细流的操控方法，其特征是，所述的调节加热丝的加热功率是指：在0-0.31W范围内调整。
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