CN111617502B - 超微气泡产生设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超微气泡产生设备，其通过使加热元件在液体中产生膜沸腾而产生超微气泡，包括元件基板，元件基板包括设置有多个加热元件的加热部，其中元件基板构造为抑制输入到加热部中的加热元件的能量的变化。

Description

超微气泡产生设备

技术领域

本发明涉及一种用于产生直径小于1.0μm的超微气泡的超微气泡产生设备。

背景技术

近年来，已经开发出用于应用微小气泡(例如直径为微米大小的微米气泡和直径为纳米大小的纳米气泡)的特征的技术。尤其是在各个领域中，已经确认了直径小于1.0μm的超微气泡(以下也称为“UFB”)的实用性。

日本专利No.6118544公开了一种微小气泡产生设备，其通过从减压喷嘴喷射加压液体而产生微小气泡，在所述加压液体中气体被加压并溶解。日本专利No.4456176公开了一种设备，其通过利用混合单元将混合有气体的液体流重复地分离和汇合而产生微小气泡。

发明内容

根据本发明一个方面的超微气泡产生设备是一种通过使加热元件在液体中产生膜沸腾而产生超微气泡的超微气泡产生设备，超微气泡产生设备包括元件基板，元件基板包括设置有多个加热元件的加热部，其中元件基板构造为抑制被输入到加热部中的加热元件的能量的变化。

根据以下参考附图对示例性实施例的描述，本发明的其他特征将变得显而易见。

附图说明

图1是示出UFB产生设备的示例的图；

图2是预处理单元的示意性结构图；

图3A和图3B是溶解单元的示意性结构图和用于描述液体中溶解状态的图；

图4是T﹣UFB产生单元的概略构造图；

图5A和图5B是用于描述加热元件的细节的图；

图6A和6B是用于描述加热元件上的膜沸腾状态的图；

图7A至图7D是示出由膜沸腾气泡的膨胀引起的UFB的产生状态的图；

图8A至图8C是示出由膜沸腾气泡的收缩引起的UFB的产生状态的图；

图9A至图9C是示出由液体的再加热引起的UFB的产生状态的图；

图10A和图10B是示出由膜沸腾产生的气泡消失而造成的冲击波引起的UFB的产生状态的图；

图11A至图11C是示出后处理单元的结构示例的图；

图12A和图12B是描述元件基板的布局的图；

图13A和图13B是示出等效电路的图；

图14A至图14C是描述减小布线电阻损失之间的差的示例的图；

图15A至图15F是描述元件基板的布局等的图；

图16A至图16E是描述稳定产生UFB的示例的图；

图17A至图17G是描述稳定产生UFB的示例的图；

图18A至图18C是描述稳定产生UFB的示例的图；

图19A至图19C是描述稳定产生UFB的示例的图；

图20A至图20C是描述稳定产生UFB的示例的图；

图21A至图21D是描述稳定产生UFB的示例的图；

图22A至图22D是描述稳定产生UFB的示例的图；

图23A至图23D是描述稳定产生UFB的示例的图；和

图24A至图24D是描述稳定产生UFB的示例的图。

具体实施方式

在日本专利No.6118544和No.4456176中描述的两个设备不仅产生了直径纳米大小的UFB，而且产生了相对大量的直径毫米大小的毫米气泡和直径微米大小的微米气泡。然而，因为毫米气泡和微米气泡受到浮力影响，气泡在长期存储期间可能逐渐上升到液体表面并且消失。

另一方面，直径纳米大小的UFB适合长期存储，因为它们不大可能受浮力影响并且以布朗运动在液体中浮动。然而，当UFB与毫米气泡和微米气泡一起产生或者UFB的气-液界面能较小时，UFB随时间消逝而受到毫米气泡和微米气泡消失的影响并且减少。即，为了获得即使在长期存储期间也能抑制UFB的浓度降低的含UFB液体，需要在产生含UFB液体时产生具有较大气-液界面能的高纯度高浓度的UFB。

(UFB产生设备的构造)

图1是示出适用于本发明的超微气泡产生设备(UFB产生设备)的示例的图。本实施例的UFB产生设备1包括预处理单元100、溶解单元200、T﹣UFB产生单元300、后处理单元400和收集单元500。每个单元以上述顺序对供应到预处理单元100的例如自来水的液体W进行独特处理，并且如此处理的液体W被收集单元500收集为含T﹣UFB液体。下面描述这些单元的功能和构造。尽管稍后描述细节，通过利用快速加热导致的膜沸腾而产生的UFB在本说明书中称作热超微气泡(T-UFB)。

图2是预处理单元100的示意性结构图。本实施例的预处理单元100对所供应的液体W进行脱气处理。预处理单元100主要包括脱气容器101、喷淋头102、减压泵103、液体引入通道104、液体循环通道105和排液通道106。例如，诸如自来水的液体W被从液体引入通道104经由阀109供应到脱气容器101。在该处理中，设置在脱气容器101中的喷淋头102在脱气容器101内喷出液体W的雾。喷淋头102用于促进液体W气化。但是，也可以使用离心机等代替作为产生气化促进效果的机构。

当在脱气容器101中保留一定量的液体W，然后在关闭所有阀的情况下启动减压泵103时，已经气化的气体成分被排出并且允许促进溶解在液体W中的气体成分被气化且排出。在该过程中，可以在检查压力计108的同时将脱气容器101的内部压力减压至数百至数千Pa(1.0Torr至10.0Torr)。要被预处理单元100去除的气体例如包括氮气、氧气、氩气、二氧化碳等。

通过利用液体循环通道105，可以对相同的液体W重复进行上述脱气处理。具体而言，在液体引入通道104的阀109和排液通道106的阀110关闭而液体循环通道105的阀107打开的情况下操作喷淋头102。这允许保留在脱气容器101中并且已然脱气的液体W从喷淋头102再次喷入脱气容器101中。另外，在操作减压泵103的情况下，对相同的液体W反复进行由喷淋头102实施的气化处理和减压泵103实施的脱气处理。每次重复实施利用液体循环通道105的上述处理，可以阶段性地减少液体W中所含的气体成分。一旦获得脱气至期望纯度的液体W，就在阀110打开的情况下通过排液通道106将液体W转移至溶解单元200。

图2示出了用于使气体部分减压以使溶质气化的预处理单元100；然而，使溶液脱气的方法不限于此。例如，可以采用使液体W沸腾以使溶质气化的加热沸腾法，或者使用中空纤维来增加液体和气体之间的界面的膜脱气方法。SEPAREL系列(由DIC公司生产)作为使用中空纤维的脱气模块以商业形式提供。SEPAREL系列使用聚(4﹣甲基戊烯﹣1)(PMP)作为中空纤维的原料，并且用于从主要供应给压电头的墨等中去除气泡。另外，可以一起使用抽真空法、加热沸腾法和膜脱气法中的两种以上。

图3A和3B是溶解单元200的示意性构造图和用于描述液体中的溶解状态的图。溶解单元200是用于将期望的气体溶解到从预处理单元100供应的液体W中的单元。本实施例的溶解单元200主要包括溶解容器201、设置有旋转板202的旋转轴203、液体引入通道204、气体引入通道205、排液通道206和加压泵207。

从预处理单元100供应的液体W通过液体引入通道204被供应并保留在溶解容器201中。同时，气体G通过气体引入通道205被供应到溶解容器201。

一旦预定量的液体W和气体G被保留在溶解容器201中，则启动加压泵207以将溶解容器201的内部压力增加到大约0.5MPa。在加压泵207与溶解容器201之间配置有安全阀208。通过旋转轴203使液体内的旋转板202旋转，供应至溶解容器201的气体G转化为气泡，气体G和液体W之间的接触面积增加，以促进溶解到液体W中。继续进行此操作，直到气体G的溶解度几乎达到最大饱和溶解度为止。在这种情况下，可以设置用于降低液体温度以尽可能多地溶解气体的单元。当气体的溶解度低时，也可以将溶解容器201的内部压力增加到0.5Mpa或更高。在这种情况下，为了安全起见，容器的材料等需要优化。

一旦获得其中溶解有期望浓度的气体G的成分的液体W，液体W就通过排液通道206排出并被供应到T﹣UFB产生单元300。在该处理中，背压阀209调节液体W的流动压力，以防止在供应期间压力过度增加。

图3B是示意性地示出了导入溶解容器201中的气体G的溶解状态的图。含有导入液体W中的气体G的成分的气泡2从与液体W接触的部分溶解。气泡2因此逐渐收缩，然后在气泡2周围出现溶解有气体的液体3。由于气泡2受到浮力影响，因此气泡2可以移动到远离溶解有气体的液体3的中心的位置或从溶解有气体的液体3中分离出来而成为残留气泡4。具体而言，在通过排液通道206供应到T﹣UFB产生单元300的液体W中，混合有被溶解有气体的液体3包围的气泡2、彼此分离的气泡2和溶解有气体的液体3。

附图中的溶解有气体的液体3表示“液体W的一区域，在该区域中混合的气体G的溶解浓度相对较高”。在实际溶解在液体W中的气体成分中，溶解有气体的液体3中的气体成分的浓度在气泡2周围的部分处最高。在溶解有气体的液体3与气泡2分离的情况下，溶解有气体的液体3的气体成分的浓度在该区域的中心处最高，并且浓度随着远离中心而连续降低。即，尽管为了说明起见，在图3中用虚线包围溶解有气体的液体3的区域，但实际上并不存在这样的明确边界。另外，在本公开中，可以接受不能完全溶解的气体以气泡的形式存在于液体中。

图4是T﹣UFB产生单元300的示意性构造图。T﹣UFB产生单元300主要包括腔室301、液体引入通道302和排液通道303。从液体引入通道302经腔室301流至排液通道303的流动由未示出的流量泵形成。可以将包括隔膜泵、齿轮泵和螺杆泵的各种泵用作流量泵。在从液体引入通道302引入的液体W中，混合有由溶解单元200导入的气体G的溶解有气体的液体3。

在腔室301的底部部分布置有具有加热元件10的元件基板12。在对加热元件10施加预定电压脉冲的情况下，在与加热元件10接触的区域中产生通过膜沸腾产生的气泡13(以下也称为膜沸腾气泡13)。然后，由于膜沸腾气泡13的膨胀和收缩而产生了含有气体G的超微气泡(UFB)11。结果，从排液通道303排出含有许多UFB 11的含有UFB的液体W。

图5A和图5B是用于示出加热元件10的详细构造的图。图5A示出了加热元件10的特写图，图5B示出了包括加热元件10的元件基板12的更宽区域的截面图。

如图5A所示，在本实施例的元件基板12中，将作为蓄热层的热氧化膜305和也用作蓄热层的层间膜306层压在硅基板304的表面上。SiO₂膜或SiN膜可以用作层间膜306。电阻层307形成在层间膜306的表面上，并且布线308部分地形成在电阻层307的表面上。可以将Al、Al﹣Si、Al﹣Cu等的Al合金布线用作布线308。在布线308、电阻层307和层间膜306的表面上形成由SiO₂膜或Si₃N₄膜制成的保护层309。

在保护层309的表面的一部分上和该部分周围形成用于保护保护层309免受由电阻层307发热引起的化学和物理冲击的抗气蚀膜310，所述部分对应于最终成为加热元件10的热作用部分311。电阻层307的表面上的未形成布线308的区域是电阻层307发热的热作用部分311。电阻层307的未形成布线308的加热部用作加热元件(加热器)10。如上所述，通过半导体生产技术在硅基板304的表面上依次形成元件基板12中的各层，因此在硅基板304上提供热作用部分311。

附图中示出的构造是示例，并且各种其他构造是适用的。例如，电阻层307和布线308的层叠顺序相反的构造、以及电极连接到电阻层307的下表面的构造(所谓的插塞电极结构)是适用的。换句话说，如后所述，可以采用任何构造，只要该构造允许热作用部分311加热液体以在液体中产生膜沸腾即可。

图5B是包括与元件基板12中的布线308连接的电路的区域的截面图的示例。N型阱区322和P型阱区323被部分地设置在作为P型导体的硅基板304的顶层中。在常规MOS工艺中，通过离子注入等引入和扩散杂质，在N型阱区322中形成P﹣MOS 320，在P型阱区323中形成N﹣MOS 321。

P﹣MOS 320包括通过在N型阱区322的顶层中部分引入N型或P型杂质而形成的源极区325和漏极区326、栅极布线335等。栅极布线335沉积在N型阱区322的顶表面的除了源极区325和漏极区326之外的一部分上，其中，厚度为数百

的栅极绝缘膜328介于栅极布线335和N型阱区322的顶表面之间。

N﹣MOS 321包括通过在P型阱区323的顶层中部分引入N型或P型杂质而形成的源极区325和漏极区326、栅极布线335等。栅极布线335沉积在P型阱区323的顶表面的除了源极区325和漏极区326之外的一部分上，其中厚度为数百

的栅极绝缘膜328介于栅极布线335和P型阱区323的顶表面之间。栅极布线335由通过CVD法沉积的厚度为

至

的多晶硅制成。由P﹣MOS 320和N﹣MOS321构成C﹣MOS逻辑。

在P型阱区323中，用于驱动电热转换元件(热阻元件)的N﹣MOS晶体管330形成在与包括N﹣MOS 21的部分不同的部分上。N﹣MOS晶体管330包括通过杂质的引入和扩散步骤而部分地设置在P型阱区323的顶层中的源极区332和漏极区331、栅极布线333等。栅极布线333沉积在P型阱区323的顶表面的除了源极区332和漏极区331之外的一部分上，其中，栅极绝缘膜328插入在栅极布线333和P型阱区323的顶表面之间。

在该示例中，N﹣MOS晶体管330用作用于驱动电热转换元件的晶体管。然而，用于驱动的晶体管不限于N﹣MOS晶体管330，并且可以使用任何晶体管，只要该晶体管具有单独驱动多个电热转换元件的能力并且可以实现上述精细构造即可。尽管在该示例中，电热转换元件和用于驱动电热转换元件的晶体管形成在同一基板上，但是它们可以分别形成在不同的基板上。

通过在元件之间(例如在P﹣MOS 320与N﹣MOS 321之间以及在N﹣MOS 321与N﹣MOS晶体管330之间)进行厚度为

至

的场氧化而形成氧化膜分离区域324。氧化膜分离区域324将元件分离。氧化膜分离区域324的与热作用部分311相对应的部分用作蓄热层334，该蓄热层334是硅基板304上的第一层。

通过CVD方法在诸如P﹣MOS 320、N﹣MOS 321和N﹣MOS晶体管330之类的元件的每个表面上形成包括厚度约为

的PSG膜、BPSG膜等的层间绝缘膜336。在通过热处理使层间绝缘膜336平坦之后，在穿过层间绝缘膜336和栅极绝缘膜328的接触孔中形成作为第一布线层的Al电极337。在层间绝缘膜336和Al电极337的表面上，通过等离子体CVD法形成包括厚度为

至

的SiO₂膜的层间绝缘膜338。在层间绝缘膜338的表面上，通过共溅射法在对应于热作用部分311和N﹣MOS晶体管330的部分上形成包括厚度为约

的TaSiN膜的电阻层307。电阻层307经由形成在层间绝缘膜338中的通孔与漏极区域331附近的Al电极337电连接。在电阻层307的表面上，形成作为针对每个电热转换元件的布线的第二布线层的Al布线308。在布线308、电阻层307和层间绝缘膜338的表面上的保护层309包括通过等离子体CVD法形成的厚度为

的SiN膜。沉积在保护层309的表面上的抗气蚀膜310包括厚度约为

的薄膜，该薄膜是选自Ta、Fe、Ni、Cr、Ge、Ru、Zr、Ir等的至少一种金属。可以应用除上述TaSiN以外的各种材料，例如TaN、CrSiN、TaAl、WSiN等，只要该材料可以在液体中产生膜沸腾即可。

图6A和6B是示出当将预定电压脉冲施加到加热元件10时膜沸腾的状态的图。在这种情况下，描述在大气压下产生膜沸腾的情况。在图6A中，横轴表示时间。下部曲线图中的纵轴表示施加到加热元件10的电压，上部曲线图中的纵轴表示由膜沸腾产生的膜沸腾气泡13的体积和内部压力。另一方面，图6B示出了与图6A所示的定时1至3相关联的膜沸腾气泡13的状态。下面按时间顺序描述每种状态。如后所述，通过膜沸腾产生的UFB 11主要在膜沸腾气泡13的表面附近产生。图6B所示的状态是以下状态：将由产生单元300产生的UFB11通过循环路径重新供应到溶解单元200，将含有UFB 11的液体重新供应到产生单元300的液体通道，如图1所示。

在将电压施加到加热元件10之前，在腔室301中基本上保持大气压。一旦将电压施加到加热元件10，在与加热元件10接触的液体中会产生膜沸腾，由此产生的气泡(在下文中称为膜沸腾气泡13)通过从内部作用的高压而膨胀(定时1)。在该过程中的起泡压力预计为约8至10MPa，该值接近水的饱和蒸气压。

施加电压的时间(脉冲宽度)在0.5μsec至10.0μsec左右，并且即使在施加电压之后，在定时1所获得的压力的惯性也使膜沸腾气泡13膨胀。然而，由膨胀产生的负压在膜沸腾气泡13的内部逐渐增加，并且负压在使膜沸腾气泡13收缩的方向上起作用。过一会儿，当惯性力和负压平衡时在定时2膜沸腾气泡13的体积变为最大，此后膜沸腾气泡13在负压的作用下迅速收缩。

在膜沸腾气泡13消失时，膜沸腾气泡13不在加热元件10的整个表面上消失，而是在一个或多个极小的区域内消失。因此，在加热元件10上，在膜沸腾气泡13消失的极小区域产生比定时1起泡时更大的力(定时3)。

每次向加热元件10施加电压脉冲时，都会重复如上所述的膜沸腾气泡13的产生、膨胀、收缩和消失，并且每次都会产生新的UFB 11。

参照图7A至图10B进一步详细描述在膜沸腾气泡13的产生、膨胀、收缩和消失的每个过程中UFB 11的产生状态。

图7A至图7D是示意性地示出由膜沸腾气泡13的产生和膨胀引起的UFB 11的产生的状态的图。图7A示出了向加热元件10施加电压脉冲之前的状态。混合有溶解有气体的液体3的液体W在腔室301内流动。

图7B示出了向加热元件10施加电压，并且在加热元件10与液体W接触的几乎整个区域中均匀地产生膜沸腾气泡13的状态。在施加电压时，加热元件10的表面温度以10℃/sec的速度急剧上升。在温度达到约300℃的时间点发生膜沸腾，从而产生膜沸腾气泡13。

此后，在施加脉冲期间，加热元件10的表面温度保持升高到大约600℃至800℃，并且膜沸腾气泡13周围的液体也被迅速加热。在图7B中，将在膜沸腾气泡13周围并且将被迅速加热的液体的区域表示为尚未起泡高温区域14。尚未起泡高温区域14中的溶解有气体的液体3超过了热溶解极限并且被汽化而成为UFB。这样汽化的气泡具有约10nm至100nm的直径和大的气﹣液界面能。因此，气泡独立地漂浮在液体W中而不会在短时间内消失。在本实施例中，将通过从膜沸腾气泡13的产生到膨胀的热作用而产生的气泡称为第一UFB 11A。

图7C示出了膜沸腾气泡13膨胀的状态。即使在电压脉冲施加到加热元件10之后，膜沸腾气泡13也由于其产生获得的力的惯性而继续膨胀，并且尚未起泡高温区域14也由于惯性而移动和扩散。具体地，在膜沸腾气泡13的膨胀过程中，尚未起泡的高温区域14内的溶解有气体的液体3作为新的气泡汽化并成为第一UFB 11A。

图7D示出了膜沸腾气泡13具有最大体积的状态。当膜沸腾气泡13由于惯性而膨胀时，膜沸腾气泡13内部的负压随着该膨胀而逐渐增加，并且负压起到使膜沸腾气泡13收缩的作用。当负压和惯性力平衡时，膜沸腾气泡13的体积最大，然后开始收缩。

在膜沸腾气泡13的收缩阶段中，存在通过图8A至图8C所示过程产生的UFB(第二UFB 11B)和通过图9A至图9C所示过程产生的UFB(第三UFB 11C)。认为这两个过程是同时进行的。

图8A至图8C是示出由膜沸腾气泡13的收缩引起的UFB11的产生状态的图。图8A示出了膜沸腾气泡13开始收缩的状态。尽管膜沸腾气泡13开始收缩，但是周围的液体W在膨胀方向上仍然具有惯性力。因此，在远离加热元件10的方向上作用的惯性力和由膜沸腾气泡13的收缩引起的朝向加热元件10的力作用在极其靠近膜沸腾气泡13的周围区域中，并且该区域减压。该区域在附图中表示为尚未起泡负压区域15。

尚未起泡负压区域15内的溶解有气体的液体3超过压力溶解极限并且被汽化而成为气泡。如此汽化的气泡具有约100nm的直径，并且此后独立地漂浮在液体W中而不在短时间内消失。在本实施例中，在膜沸腾气泡13的收缩期间通过压力作用而汽化的气泡被称为第二UFB 11B。

图8B示出了膜沸腾气泡13的收缩过程。通过负压来加速膜沸腾气泡13的收缩速度，并且尚未起泡负压区域15也随着膜沸腾气泡13的收缩而移动。具体地，在膜沸腾气泡13的收缩过程中，尚未起泡负压区域15的一部分内的溶解有气体的液体3逐次析出并成为第二UFB 11B。

图8C示出了在膜沸腾气泡13即将消失之前的状态。尽管通过膜沸腾气泡13的加速收缩，周围液体W的移动速度也增加了，但是由于室301中的流路阻力会发生压力损失。结果，尚未起泡负压区域15所占据的区域进一步增大，并且产生了多个第二UFB 11B。

图9A至图9C是示出在膜沸腾气泡13的收缩期间通过液体W的再加热而产生UFB的状态的图。图9A示出了加热元件10的表面被收缩的膜沸腾气泡13覆盖的状态。

图9B示出了膜沸腾气泡13的收缩已经进行并且加热元件10的一部分表面与液体W接触的状态。在这种状态中，在加热元件10的表面留有热量，即使液体W与表面接触，热量也不足以引起膜沸腾。在附图中将通过与加热元件10的表面接触而被加热的液体区域表示为尚未起泡再加热区域16。尽管未进行膜沸腾，但是尚未起泡再加热区域16内的溶解有气体的液体3超过热溶解极限并蒸发。在本实施例中，将在膜沸腾气泡13的收缩期间通过液体W的再加热而产生的气泡称为第三UFB 11C。

图9C示出膜沸腾气泡13进一步收缩的状态。膜沸腾气泡13越小，加热元件10与液体W接触的区域越大，并且产生第三UFB 11C直到膜沸腾气泡13消失。

图10A和图10B是示出由膜沸腾产生的膜沸腾气泡13消失的冲击(即，一种气蚀)引起的UFB的产生状态的图。图10A示出了在膜沸腾气泡13即将消失之前的状态。在这种状态中，膜沸腾气泡13因内部负压而迅速收缩，并且尚未气泡负压区域15包围膜沸腾气泡13。

图10B示出了膜沸腾气泡13在点P处消失之后的即时状态。当膜沸腾气泡13消失时，由于消失的冲击，声波从作为起点的点P同心波动。声波是通过任何物体(不管是气体、液体还是固体)传播的弹性波的总称。在本实施例中，作为液体W的高压面17A和低压面17B的液体W的压缩波交替传播。

在这种情况下，尚未起泡负压区域15内的溶解有气体的液体3因膜沸腾气泡13消失所产生的冲击波而共振，溶解有气体的液体3超过了压力溶解极限并且在低压表面17B通过的定时发生相变。具体地，在膜沸腾气泡13消失的同时，许多气泡在尚未起泡负压区域15中汽化。在该实施例中，由膜沸腾气泡13消失引起的冲击波产生的气泡被称为第四UFB11D。

由膜沸腾气泡13的消失引起的冲击波所产生的第四UFB 11D在极狭窄的薄膜状区域中在极短的时间内(1μS或更短)突然出现。直径远远小于第一至第三UFB，并且气﹣液界面能高于第一至第三UFB。因此，认为第四UFB 11D具有与第一至第三UFB 11A至11C不同的特性并且产生不同的效果。

另外，在同心球的传播冲击波的区域的许多部分中均匀地产生第四UFB 11D，并且第四UFB 11D从其产生开始均匀地存在于腔室301中。尽管在产生第四UFB 11D的定时已经存在许多第一至第三UFB，但是第一至第三UFB的存在不会极大地影响第四UFB 11D的产生。还认为第一至第三UFB不会由于第四UFB 11D的产生而消失。

如上所述，期望通过加热元件10的发热在从膜沸腾气泡13的产生到消失的多个阶段中产生UFB 11。在由膜沸腾产生的膜沸腾气泡的表面附近产生第一UFB 11A、第二UFB11B、第三UFB 11C。在这种情况下，附近指距膜沸腾气泡的表面约20μm以内的区域。当气泡消失时，在冲击波传播通过的区域中产生第四UFB 11D。尽管以上示例示出了直至膜沸腾气泡13消失的各阶段，但是产生UFB的方式不限于此。例如，在气泡消失之前，通过所产生的膜沸腾气泡13与大气连通，即使膜沸腾气泡13未达到消失，也能够产生UFB。

接下来，描述了UFB的其余特性。液体的温度越高，气体成分的溶解性越低，温度越低，气体成分的溶解性越高。换句话说，随着液体温度的升高，促进了溶解气体成分的相变并且UFB的产生变得更容易。液体的温度与气体的溶解度成反比关系，超过饱和溶解度的气体随着液体温度升高而转变为气泡并出现在液体中。

因此，当液体的温度从常温快速升高时，溶解性不停地降低，并且开始产生UFB。随着温度的升高，热溶解性降低，并且产生许多UFB。

相反，当液体的温度从常温降低时，气体的溶解性增加，并且产生的UFB更容易被液化。然而，这样的温度远低于常温。另外，由于一旦产生UFB就具有较高的内部压力和较大的气-液界面能，即使当液体的温度降低时，施加足够高的压力以破坏这种气-液界面的可能性也很小。换句话说，只要将液体存储在常温常压下，一旦产生UFB就不会轻易消失。

在该实施例中，参照图7A至图7C描述的第一UFB 11A和参照图9A至图9C描述的第三UFB 11C被描述为通过利用气体的这种热溶解性而产生的UFB。

另一方面，在液体的压力与溶解性之间的关系中，液体压力越高，气体的溶解性越高，并且压力越低，溶解性越低。换句话说，随着液体的压力降低，促进了在液体中溶解的溶解有气体的液体向气体的相变，并且UFB的产生变得更容易。一旦液体的压力变得低于常压，溶解性就会立刻降低，并且开始产生UFB。随着压力降低，压力溶解性降低，并且产生许多UFB。

相反，当液体的压力增加到高于常压时，气体的溶解性增加，并且产生的UFB更容易被液化。但是，该压力远高于大气压。另外，由于一旦产生UFB就具有较高的内部压力和较大的气-液界面能，即使当液体压力增加时，施加足够高的压力来破坏这种气-液界面的可能性也很小。换句话说，只要将液体存储在常温常压下，一旦产生UFB就不会轻易消失。

在该实施例中，参照图8A至图8C描述的第二UFB 11B和参照图10A至图10B描述的第四UFB 11D可以描述为通过利用气体的这种压力溶解性而产生的UFB。

上文分别描述了由不同原因产生的第一至第四UFB；但是，上述产生原因与膜沸腾同时发生。因此，可以同时产生第一至第四UFB的至少两种类型，并且这些产生原因可以协作以产生UFB。应当注意，由膜沸腾现象引起的所有产生原因都是常见的。在本说明书中，通过利用如上所述由快速加热引起的膜沸腾来产生UFB的方法被称为热超微气泡(T﹣UFB)产生方法。另外，将通过T﹣UFB产生方法产生的UFB称为T﹣UFB，将通过T﹣UFB产生方法产生的含有T﹣UFB的液体称为含T﹣UFB液体。

通过T﹣UFB产生方法产生的气泡几乎全部为1.0μm或更小，并且不太可能产生毫米气泡和微米气泡。即，T﹣UFB产生方法可以显著有效地产生UFB。另外，通过T﹣UFB产生方法产生的T﹣UFB具有比常规方法产生的UFB更大的气﹣液界面能，并且T﹣UFB只要在常温常压下存储就不会轻易消失。此外，即使通过新的膜沸腾产生了新的T﹣UFB，也可以防止由于新产生的影响而使已经产生的T﹣UFB消失。即，可以说含T﹣UFB液体中所含的T﹣UFB的数量和浓度具有滞后性，这取决于在含T﹣UFB液体中进行膜沸腾的次数。换句话说，可以通过控制设置在T﹣UFB产生单元300中的加热元件的数量和施加给加热元件的电压脉冲的数量来调节包含在含T﹣UFB液体中的T﹣UFB的浓度。

再次参考图1。一旦在T﹣UFB产生单元300中产生具有期望的UFB浓度的含T﹣UFB液体W，则将含UFB液体W供应至后处理单元400。

图11A至11C是示出本实施例的后处理单元400的构造示例的图。本实施例的后处理单元400从含UFB液体W中分阶段按照无机离子、有机物质和不溶性固体物质的顺序去除杂质。

图11A示出了去除无机离子的第一后处理机构410。第一后处理机构410包括交换容器411、阳离子交换树脂412，液体引入通道413、收集管414和排液通道415。交换容器411存储阳离子交换树脂412。由T﹣UFB产生单元300产生的含UFB液体W通过液体引入通道413注入交换容器411中并被吸附到阳离子交换树脂412中，从而去除了作为杂质的阳离子。这些杂质包括从T﹣UFB产生单元300的元件基板12剥离的金属材料，例如SiO₂、SiN、SiC、Ta、Al₂O₃、Ta₂O₅和Ir。

阳离子交换树脂412是将官能团(离子交换基团)引入具有三维网络的高聚物基体中的合成树脂，并且合成树脂的外观是约0.4mm至0.7mm的球形颗粒。一般的高聚合物基体是苯乙烯﹣二乙烯基苯共聚物，官能团可以是例如甲基丙烯酸系和丙烯酸系的官能团。然而，以上材料是示例。只要该材料可以有效地去除期望的无机离子，上述材料就可以改变为各种材料。吸附在阳离子交换树脂412中以去除无机离子的含UFB液体W由收集管414收集，并通过排液通道415转移至下一步骤。在本实施例的该处理中，并非需要去除在从液体引入通道413供应的含UFB液体W中包含的所有无机离子，只要至少一部分无机离子被去除即可。

图11B示出了去除有机物质的第二后处理机构420。第二后处理机构420包括存储容器421、滤清过滤器422、真空泵423、阀424、液体引入通道425、排液通道426和空气抽吸通道427。存储容器421的内部被滤清过滤器422分成上下两个区域。液体引入通道425连接到上下两个区域中的上方区域，空气抽吸通道427和排液通道426连接到其下方区域。一旦在阀424关闭的状态下驱动真空泵423，则存储容器421中的空气通过空气抽吸通道427排出以使存储容器421内部的压力为负压，之后从液体引入通道425引入含UFB液体W。然后，将由滤清过滤器422去除了杂质的含UFB液体W保留在存储容器421中。

被滤清过滤器422去除的杂质包括可在管或每个单元处混合的有机材料，例如包括硅的有机化合物、硅氧烷和环氧树脂。可用于滤清过滤器422的过滤器膜包括可去除细菌的亚微米目过滤器(网眼直径为1μm或更小的过滤器)和可去除病毒的纳米目过滤器。具有如此微小的开口直径的滤清过滤器可以去除大于过滤器开口直径的气泡。特别地，可能存在以下情况：过滤器被吸附到过滤器的开口(网孔)上的微小气泡堵塞，这会减慢过滤速度。然而，如上所述，通过本发明的本实施例中说明的T﹣UFB产生方法产生的大多数气泡的直径为1μm或更小，并且不太可能产生毫米气泡和微米气泡。即，由于产生毫米气泡和微米气泡的可能性极低，因此能够抑制由于气泡吸附到过滤器而导致的过滤速度降低。因此，将具有网孔直径为1μm或更小的过滤器的滤清过滤器422应用于具有T﹣UFB产生方法的系统是有利的。

可适用于该实施例的过滤的示例可以是所谓的死端过滤和错流过滤。在死端过滤中，所供应的液体的流动方向与通过过滤器开口的过滤液体的流动方向相同，具体而言，使流动方向彼此一致。相反，在错流过滤中，所供应的液体沿过滤器表面的方向流动，具体而言，所供应的液体的流动方向和通过过滤器开口的过滤液体的流动方向彼此交叉。为了抑制气泡吸附到过滤器开口，优选进行错流过滤。

在存储容器421中保留了一定量的含UFB液体W之后，真空泵423停止并且阀424被打开，以将存储容器421中的含T﹣UFB液体通过排液通道426转移到下一个步骤。尽管在此采用真空过滤法作为去除有机杂质的方法，但是例如也可以采用重力过滤法和加压过滤作为使用过滤器的过滤法。

图11C示出了去除不溶性固体物质的第三后处理机构430。第三后处理机构430包括沉淀容器431、液体引入通道432、阀433和排液通道434。

首先，在阀433关闭的状态下，通过液体引入通道432将预定量的含UFB液体W保留在沉淀容器431中，并且将其放置一会儿。同时，含UFB液体W中的固体物质由于重力而沉淀到沉淀容器431的底部上。在含UFB液体中的气泡中，相对较大的气泡(如微米气泡)通过浮力上升到液体表面，并且也从含UFB液体中除去。在经过足够长的时间后，打开阀433，从中去除了固体物质和大气泡的含UFB液体W通过排液通道434转移到收集单元500。在本实施例中示出了依次应用三个后处理机构的示例；然而不限于此，并且可以改变三个后处理机构的顺序，或者可以采用至少一个所需的后处理机构。

再次参考图1。通过后处理单元400去除了杂质的含T﹣UFB液体W可以直接转移到收集单元500，或者可以再次放回溶解单元200。在后一种情况下，由于T﹣UFB的产生而降低的含T﹣UFB液体W的气体溶解浓度可以通过溶解单元200再次被补偿为饱和状态。如果在补偿之后由T﹣UFB产生单元300产生新的UFB，就可以进一步增加具有上述特性的含T﹣UFB液体中所含的UFB的浓度。也就是说，可以凭借循环通过溶解单元200、T﹣UFB产生单元300和后处理单元400的循环次数来增加所包含的UFB的浓度，并且可以在获得包含的UFB的预定浓度之后将含UFB液体W转移到收集单元500。本实施例示出了将由后处理单元400处理的含UFB液体送回至溶解单元200并循环的方式；然而不限于此，例如在通过T﹣UFB产生单元之后的含UFB液体可以在被供应至后处理单元400之前再次放回到溶解单元200，使得在通过多次循环增加T﹣UFB浓度之后通过后处理单元400实施后处理。

收集单元500收集并保存从后处理单元400转移的含UFB液体W。由收集单元500收集的含T﹣UFB液体是移除了各种杂质的具有高纯度的含UFB液体。

在收集单元500中，可以通过执行过滤处理的某些阶段根据T﹣UFB的大小对含UFB液体W进行分类。由于期望通过T﹣UFB方法获得的含T﹣UFB液体W的温度高于常温，因此收集单元500可以设置有冷却单元。冷却单元可以被设置到后处理单元400的一部分。

上文给出了UFB产生设备1的示意性描述；然而不用说，可以改变图示的多个单元，并且不需要准备所有的单元。取决于所使用的液体W和气体G的类型以及所产生的含T﹣UFB液体的预期用途，可以省略上述单元的一部分，或者除上述单元之外可以添加另一个单元。

例如，当UFB要包含的气体是大气时，可以省略作为预处理单元100的脱气单元和溶解单元200。另一方面，当期望UFB包含多种气体时，可以添加另一个溶解单元200。

如图11A至11C所示的用于去除杂质的单元可以设置在T﹣UFB产生单元300的上游或者可以设置在其上游和下游。当要供应给UFB产生设备的液体是自来水、雨水、污水等时，液体中可能包含有机和无机杂质。如果将这样的包含杂质的液体W供应至T﹣UFB产生单元300，则存在使加热元件10劣化并引起盐析现象的危险。利用如图11A至11C所示设置在T﹣UFB产生单元300上游的机构可以预先去除上述杂质。

<<可用于含T﹣UFB液体的液体和气体>>

现在，描述可用于产生含T﹣UFB液体的液体W。在该实施例中可用的液体W例如是纯水、离子交换水、蒸馏水、生物活性水、磁性活性水、洗剂、自来水、海水、河水、清洁水和污水、湖水、地下水、雨水等等。也可以使用包含上述液体等的混合液体。也可以使用包含水和可溶性有机溶剂的混合溶剂。与水混合而使用的可溶性有机溶剂没有特别限制；然而，以下可以是其具体示例。碳数为1至4的烷基醇基团，包括甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、仲丁醇和叔丁醇。酰胺基团包括N﹣甲基﹣2﹣吡咯烷酮、2﹣吡咯烷酮、1,3﹣二甲基﹣2﹣咪唑啉酮、N,N﹣二甲基甲酰胺和N,N﹣二甲基乙酰胺。酮基团或酮醇基团包括丙酮和双丙酮醇。环状醚基团包括四氢呋喃和二恶烷。二醇基团包括乙二醇、1,2﹣丙二醇、1,3﹣丙二醇、1,2﹣丁二醇、1,3﹣丁二醇、1,4﹣丁二醇、1,5﹣戊二醇、1,2﹣己二醇、1,6﹣己二醇、3﹣甲基﹣1,5﹣戊二醇、二甘醇、三甘醇和硫代二甘醇。多元醇的低级烷基醚基团包括乙二醇单甲醚、乙二醇单乙醚、乙二醇单丁醚、二甘醇单甲醚、二甘醇单乙醚、二甘醇单丁醚、三甘醇单甲醚、三甘醇单乙醚和三甘醇单丁醚。聚亚烷基二醇基团包括聚乙二醇和聚丙二醇。三醇基团包括甘油、1,2,6﹣己三醇和三羟甲基丙烷。这些可溶性有机溶剂可以单独使用一种，也可以一起使用两种以上。

可以引入到溶解单元200中的气体组分是例如氢、氦、氧、氮、甲烷、氟、氖、二氧化碳、臭氧、氩、氯、乙烷、丙烷、空气等。气体组分可以是包含上述成分中的一些的混合气体。另外，溶解单元200不需要溶解气态的物质，并且溶解单元200可以将包含期望组分的液体或固体融合到液体W中。在这种情况下，溶解可以是自发溶解，施加压力引起的溶解，或由于水合、离子化和电解解离引发的化学反应导致的溶解。

《T﹣UFB产生方法的效果》

接下来，通过与传统的UFB产生方法比较来描述上述T﹣UFB产生方法的特性和效果。例如，在以文丘里(Venturi)法为代表的传统的气泡产生设备中，在流路的一部分中设有诸如减压喷嘴的机械减压结构。液体以预定压力流动通过减压结构，并且在减压结构的下游区域中产生各种尺寸的气泡。

在这种情况下，在产生的气泡中，由于较大的气泡(如毫米气泡和微米气泡)受到浮力的影响，因此这些气泡上升到液面并消失。即使不受浮力影响的UFB也可能随毫米气泡和微米气泡消失，这是因为UFB的气液界面能不是很大。另外，即使上述减压结构串联布置，并且相同的液体重复地流过减压结构，也不能长时间存储与重复次数相对应的数量的UFB。换句话说，通过传统的UFB产生方法产生的含UFB液体难以长时间地将所含有的UFB的浓度维持在预定值。

相比之下，在利用膜沸腾的该实施例的T﹣UFB产生方法中，在极其靠近加热元件的部分局部发生从常温到约300℃的快速温度变化和从常压到约几兆帕的快速压力变化。加热元件是矩形，其一条边为大约数十至数百微米。它大约是传统UFB产生单元大小的1/10至1/1000。另外，在膜沸腾气泡表面的极薄膜区域内的溶解有气体的液体瞬时(在几微秒以下的极短时间内)超过热溶解极限或压力溶解极限的情况下，发生相变并且溶解有气体的液体析出为UFB。在这种情况下，几乎不产生相对较大的气泡，例如毫米气泡和微米气泡，并且液体包含纯度极高的直径为约100nm的UFB。此外，由于以这种方式产生的T﹣UFB具有足够大的气﹣液界面能，因此在正常环境下T﹣UFB不容易破裂并且可以长时间保存。

特别地，本公开利用能够在液体中局部形成气体界面的膜沸腾现象，可以在不影响整个液体区域的情况下在靠近加热元件的液体的一部分中形成界面，并且热和压力作用的区域能够极其局部。结果，可以稳定地产生期望的UFB。通过液体循环对于产生液进一步赋予产生UFB的更多条件，可以另外产生新的UFB而对已经制成的UFB影响很小。结果，可以相对容易地生产期望尺寸和浓度的UFB液体。

此外，由于T﹣UFB产生方法具有上述滞后性质，可以在保持高纯度的同时将浓度增加到所需浓度。换句话说，根据T﹣UFB产生方法，可以有效地产生高纯度和高浓度的可长期存储的含UFB液体。

<<含T﹣UFB液体的具体用途>>

一般而言，含超微气泡液体的应用以含有气体的类型来区分。只要可以将大约PPM至BPM的气体量溶解在液体中，任何类型的气体都可以制成UFB。例如，含超微气泡液体可用于以下用途。

﹣含空气的含UFB液体可优选用于工业、农业和渔业以及医疗现场等的清洁，以及植物、农业和渔业产品的栽培。

﹣含臭氧的含UFB液体不仅可以优选地用于工业、农业和渔业，医疗现场等的清洁应用，而且例如还可以用于消毒、杀菌、去污、以及排水系统和受污染土壤的环境清理。

﹣含氮的含UFB液体不仅可以优选地用于工业、农业和渔业以及医疗现场等的清洁应用，而且例如还可以用于消毒、杀菌、去污、以及排水系统和受污染土壤的环境清理。

﹣含氧的含UFB液体可优选用于工业、农业和渔业以及医疗现场等的清洁应用，以及植物、农业和渔业产品的栽培。

﹣含二氧化碳的含UFB液体不仅可优选用于工业、农业和渔业以及医疗现场等的清洁应用，而且还可用于消毒、杀菌和净化。

﹣含有作为医用气体的全氟化碳的含UFB液体可优选用于超声诊断和治疗。如上所述，含UFB液体可以在医学、化学、牙科、食品、工业、农业和渔业等的各个领域中发挥作用。

在每种应用中，包含在含UFB液体中的UFB的纯度和浓度对于快速且可靠地发挥含UFB液体的作用是至关重要的。换句话说，通过利用该实施例的T﹣UFB产生方法，可以在各个领域中期待空前的效果，该方法能够产生具有高纯度和期望浓度的含UFB液体。以下是期望可优选应用T﹣UFB产生方法和含T﹣UFB液体的应用列表。

(A)液体净化应用

﹣通过将T﹣UFB产生单元设置于水净化单元，期望提高水净化效果和PH调节液的提纯效果。T﹣UFB产生单元还可以被提供给碳酸水服务器。

﹣通过将T﹣UFB产生单元设置于加湿器、香气扩散器、咖啡机等，期望增强室内的加湿效果、除臭效果和气味扩散效果。

﹣如果产生了其中由溶解单元溶解了臭氧气体的含UFB液体并且将其用于牙科治疗、烧伤治疗和使用内窥镜的伤口治疗，则预期增强医疗清洁效果和消毒效果。

﹣在将T﹣UFB产生单元设置于公寓的储水箱中的情况下，期望增强长时间存储的饮用水的水净化作用和除氯作用。

﹣如果将含有臭氧或二氧化碳的含T﹣UFB液体用于不能进行高温巴氏杀菌处理的日本清酒、烧酒、葡萄酒等的酿造过程中，则预期比利用常规液体更有效的巴氏杀菌处理。

﹣如果在用于特定健康用途的食品和具有功能要求的食品的生产过程中将含UFB液体混入食材中，则可以进行巴氏杀菌处理，因此可以提供安全的功能性食品而不会损失味道。

﹣通过将T﹣UFB产生单元设置于在诸如鱼和珍珠的水产养殖地中用于养殖的海水和淡水的供应路线，预期促使水产产卵和生长。

﹣通过将T﹣UFB产生单元设置于用于食品保存的水的净化过程中，预期改进食品的保存状态。

﹣通过在漂白单元中设置T﹣UFB产生单元以用于漂白池水或地下水，预期获得更高的漂白效果。

﹣通过使用含T﹣UFB液体来修复混凝土构件的裂缝，预期提高裂缝修复的效果。

﹣通过在用于使用液体燃料的机器(例如汽车、船舶和飞机)的液体燃料中包含T﹣UFB，预期提高燃料的能效。

(B)清洁应用

近年来，含UFB液体作为用于去除附着在衣物上的污垢等的清洁水而受到关注。如果将以上实施例中描述的T﹣UFB产生单元设置于洗衣机，并且将比传统液体具有更高纯度和更好渗透性的含UFB液体供应给洗涤桶，则预期进一步增强去污力。

﹣通过将T﹣UFB产生单元设置于淋浴器和便盆洗涤器，不仅对包括人体在内的各种动物具有清洁作用，而且还具有促进去除浴室和便盆水渍和霉菌污染的效果。

﹣通过将T﹣UFB产生单元设置于汽车的窗户清洗器、用于清洗壁构件等的高压清洗器、汽车清洗器、洗碗机、食物清洗器等，预期进一步增强其清洁效果。

﹣通过将含T﹣UFB液体用于工厂中生产零件的清洁和维护，包括压制后的去毛刺步骤，预期提高清洁效果。

﹣在半导体元件的生产中，如果将含T﹣UFB液体用作晶片的抛光水，则预期提高抛光效果。另外，如果在抗蚀剂去除步骤中使用含T﹣UFB液体，则促进难以剥离的抗蚀剂的剥离。

﹣通过T﹣UFB产生单元设置于用于清洁和净化医疗机器(例如医疗机器人、牙科治疗单元、器官保存容器等)的机器，预期增强机器清洁效果和净化效果。T﹣UFB产生单元也可用于动物的治疗。

(C)制药应用

-如果在化妆品等中含有含T-UFB液体，那么促进渗透至皮下细胞中，并且能够大大减少对于皮肤有不良影响的添加剂，例如防腐剂和表面活性剂。结果，可以提供更安全且功能更好的化妆品。

-如果含有T-UFB的高浓度纳米气泡制品用作医疗检查设备(例如CT和MRI)的造影剂，那么能够有效地使用X射线的反射光和超声波。这样可以捕获更加细节的图像，该图像可用于癌症等的初始诊断。

-如果含有T-UFB的高浓度纳米气泡水用于称作高强度聚焦超声(HIFU)的超声波治疗机，那么能够减小超声波的辐射功率，从而能够使得治疗的侵入性更小。特别地，可以减小对正常组织的损害。

-可以通过以下方式生成纳米气泡制品：使用含T-UFB的高浓度纳米气泡作为源，在气泡周围的负电荷区域中使得形成脂质体的磷脂改性，并且通过磷脂施加各种医用物质(例如DNA和RNA)。

-如果含有通过T-UFB产生获得的高浓度纳米气泡水的药物被输送到牙根管用于牙髓和牙质的再生治疗，那么药物通过纳米气泡水的渗透效应而进入牙本质小管深处，并且促进去污效应。这样可以在短时间内安全治疗感染的牙髓根管。

《元件基板的布局》

如上所述，通过向一个加热元件(下文也称作加热器)10施加预定的电压脉冲产生的膜沸腾，产生UFB 11。因此，通过增加加热元件10的数量，能够增加在预定单位时间内产生的UFB 11的数量。为了在短时间内稳定地产生期望数量的UFB 11，需要密集布置许多待驱动的加热元件。举例来说，可能考虑UFB产生设备1的一实施例，其中多个元件基板12布局成使得布置有10,000片加热元件10，每个元件基板12均包括布置在其上的多个加热元件10。在试图在更短时间内产生UFB 11的情况下，需要进一步增加加热元件10的数量。

然而，在一些情况下不可能仅通过简单增加加热元件10的数量来稳定地产生UFB11。例如，在加热元件10的数量超过10,000片的情况下，流经这些加热元件10的总电流是非常大的值。另外，例如在用于连接到加热元件10的布线中的寄生电阻损失根据加热元件10而变化。为此，输入到加热元件10的能量极大地变化。在输入到加热元件10的能量极大变化的情况下，存在超过容许范围的能量输入到加热元件10的风险。在元件基板12上密集布置多个加热元件10以稳定地产生大量UFB的情况下，输入到加热元件10的能量变化要求保持在预定范围内。在下文首先描述输入到加热元件10的能量变化的情况。

图12A和图12B示出了提取元件区域1250(也称作加热部，是元件基板12的一部分)的平面布局的示例，并且示出了在每个元件区域1250中设置多个加热元件的示例。图12A是在一个元件区域1250上布置8个加热元件1011至1018的示例，图12B是在一个元件区域1250上布置4个加热元件1061至1064的示例。为了说明，在下文描述加热元件数量较少的示例。

在图12A中，在元件区域1250中布置电极板1201和1202，用于将电能施加到8个加热元件1011至1018中的每个。换言之，元件区域1250可以理解成两个以上的加热元件的集合，通过上述一对电极板将能量输入到加热元件。区域1221a至1228a和1221b至1228b分别是连接到加热元件1011至1018的单独布线区域。区域1211和1212是将多个单独布线区域与电极板1201和1202连接的共用布线区域。在本实施例中使用的加热元件1011至1018通过半导体光刻步骤成型而被制成为具有基本相同的形状和膜厚。即，加热元件1011至1018具有基本相同的电阻值。

除非另有说明，否则在以下描述中在初始状态，产生UFB的加热元件10具有基本相同的形状并且具有基本相同的电阻值。加热元件10的形状可以不必是相同形状，构造不受限制，只要其构造成抑制能量变化即可，如下所述。例如，加热元件10的形状可以对于每个元件区域1250而不同。在需要时，通过光刻步骤中的掩模设计，能够局部改变加热元件10的形状。

通过将图6A所示的电压脉冲施加到电极板1201和1202，电流流过共用布线区域1211和1212、单独布线区域1221至1228、以及加热元件1011至1018。然后，在每个加热元件1011至1018上的液体中产生膜沸腾，从而产生UFB。

与图12A不同，图12B是在元件区域1250中布置4个加热元件1061至1064的示例。区域1241a至1244a和1241b至1244b是各自连接到对应加热元件1061至1064的单独布线区域。区域1231和1232是将多个单独布线区域与电极板1201和1202连接的共用布线区域。

发明人发现，在图12A中所示的构造中每个加热元件产生的UFB的量和在图12B中所示的构造中每个加热元件产生的UFB的量是不同的。这是因为在图12A中所示的构造中每个加热元件1011至1018消耗的能量与在图12B中所示的构造中每个加热元件1061至1064消耗的能量之间存在差异。具体地，在共用布线区域1211、1212、1231和1232中的布线电阻损失导致输入到加热元件的能量变化以及能量值之间的差异。

图13A和图13B是示出针对图12A和图12B中的构造的等效电路的图。图13A对应于图12A中的构造，图13B对应于图12B中的构造。参照图12A至图13B详细描述能量的变化。

在图13A和图13B中，图12A和12B中的单独布线区域和共用布线区域被布线电阻替代，并且加热元件被加热元件电阻替代。图13A中的rh1至rh8表示与图12A中的加热元件1011至1018对应的加热元件的电阻值，图13B中的rh61至rh64表示与图12B中的加热元件1061至1064对应的加热元件的电阻值。图13A中的rliA1至rliA8表示图12A中的单独布线区域1221a至1228a的电阻值。图13A中的rliB1至rliB8表示图12A中的单独布线区域1221b至1228b的电阻值。图13A中的rlcA1至rlcA8表示图12A中的共用布线区域1211的电阻值。图13A中的rlcB1至rlcB8表示图12A中的共用布线区域1212的电阻值。同样，图13B中的rliA61至rliA64表示图12B中的单独布线区域1241a至1244a的电阻值，rliB61至rliB64表示图12B中的单独布线区域1241b至1244b的电阻值。rlcA61至rlcA64表示图12B中的共用布线区域1231的电阻值，rlcB61至rlcB64表示图12B中的共用布线区域1232的电阻值。

在将图6A所示的电压脉冲(定时t1)施加在电极板1201和1202之间期间流经加热元件的电流在图13A中由i1至i8表示，并且电流在图13B中由i61至i64表示。在图13A和图13B中，流经加热元件的电流i1至i8和i61至i64用于表示在布线电阻区域中流动的电流。

在这种情况下，在图13A中输入到加热元件1011的能量E1能够用表达式1表述，在图13A中输入到加热元件1018的能量E2能够用表达式2表述：

加热元件1011：E1＝i1×i1×rh1×t1(表达式1)；以及

加热元件1018：E2＝i8×i8×rh8×t1(表达式2)。

另外，在图13B中输入到加热元件1061的能量E3能够用表达式3表述，在图13B中输入到加热元件1064的能量E4能够用表达式4表述：

加热元件1061：E3＝i61×i61×rh61×t1(表达式3)；并且

加热元件1064：E4＝i64×i64×rh64×t1(表达式4)。

由于在这种情况下的加热元件在光刻步骤中同时形成，加热元件的电阻值rh1、rh8、rh61和rh64基本彼此相等。另一方面，流经加热元件的电流是i1≠i8≠i61≠i64，这主要是由于布线电阻的部分rlc的影响。这导致施加到加热元件的能量变化。因此，根据加热元件而产生了不同的UFB量，并且妨碍了稳定的UFB产生。为了在短时间内稳定地产生UFB，需要减小输入到元件区域中的加热元件的能量的变化。

下面描述在包括多个加热元件10的构造中抑制施加到加热元件10的能量变化的示例。

<实施例1>

图14A至图14C是用于描述减少共用布线区域中的布线电阻损失之间的差的示例的图。图14A是与图12B的构造对应的图，示出了提取元件区域(元件基板12的一部分)的平面布局的示例。在图14A所示的构造中，用于控制流经加热元件的电流的开关(SW)1401至1404分别布置在单独布线区域1241b至1244b上。在该构造中，尽管加热元件的供应电压(24V)恒定地施加到电极板1201和1202，但是在SW切断(L)时没有电流流经加热元件。图14B是示出驱动加热元件的SW 1401至1404的逻辑信号的波形的图。利用施加到每个SW1401至1404的逻辑信号H，SW接通，由供应电压产生的电流开始通过电极板1201和1202流入对应的加热元件，并且在每个加热元件上产生膜沸腾。

图12A至图13B中所示的构造是在供应电压的施加时间期间同时驱动连接到电极板的所有加热元件的构造。另一方面，在图14A所示的构造中，通过SW 1401至1404变换驱动定时，加热元件1061至1064被分别驱动。该构造使得可以明显减少在电流同时流过图13B中的多个加热元件1061至1064的同时受影响的共用布线部分1351中的布线电阻损失。如上所述，通过布置SW 1401至1404以允许加热元件以时分方式驱动，可以抑制输入到加热元件的能量变化。

图14C是示出在元件基板12上布置图14A所示的多个元件区域的示例的图。需要布置许多加热元件以在短时间内稳定地产生UFB。尽管为了说明图14C示出了布置8个元件区域且每个元件区域设有4个加热元件的示例，但是仍然可以通过增加每个元件区域中的加热元件的数量或者增加元件区域的数量来布置许多加热元件。在T-UFB产生单元300中，设置壁1421和盖(未示出)来覆盖加热元件10而不覆盖元件基板12上的电极板1201和1202，从而形成液体腔室。尽管在本实施例中没有设置用于将液体腔室的内部分隔的壁，但可以设置用于分隔内部的壁。

<实施例2>

图15A至图15F是描述实施例2的图。尽管参照图14A至图14C所示的构造描述了在元件基板12上布置SW的实施例，但本实施例是在元件基板12外侧设置SW以降低元件基板12的成本的实施例。例如，包括多个加热元件和一对电极板的元件区域被分成多个组(块)，并且能通过SW变换待驱动的块。在实施例1中，描述了元件基板12设有将多个加热元件并联连接的共用布线区域1231和1232的实施例。在本实施例中，每个加热元件10连接到独立的单独布线1511和1512。

图15A是示出元件区域的布局的图，图15B是图15A的等效电路。在图15A中，脉冲形式的供应电压通过电极板1501和1502和对应的一对单独布线1511和1512施加到每个加热元件10，加热元件10被同时驱动。在图15A的构造中由于电流通过对应的一对单独布线1511和1512流到每个加热元件10，所以即使同时驱动加热元件10，也能抑制输入到加热元件10的能量的变化。

图15C是布局图，其中电极板1501和1502的位置与图15A中的位置不同。电极板1501和1502的位置集中在元件基板12的一侧上，从而可以提高布局自由度而且实施密集构造。由于在图15C的构造中独立的单独布线也连接到对应的加热元件10，通过该构造本身仍然可以抑制能量变化。然而，在布置更多加热元件10的情况下，连接到加热元件10的布线的长度根据加热元件10的不同位置而彼此不同，如区域1521中所示。这导致布线电阻之间的差异，从而可能发生能量变化。具体地，到远离电极板1501和1502布置的加热元件10的单独布线电阻大于到靠近电极板1501和1502布置的加热元件10的单独布线电阻。因此，根据距电极板1501和1502的距离，可能发生流经加热元件的能量变化。

图15D是用于比图15C的构造更加抑制能量变化的布局图。在图15D所示的构造中，在图15C的区域1521中所示的布线布局中发生布线电阻差的区域中的布线宽度变宽，如区域1522中所示。该布局可以抑制输入到加热元件10的能量变化。在图15D的示例中，使得连接到距电极板1501和1502较远的加热元件10的单独布线的宽度比连接到距电极板1501和1502较近的加热元件10的单独布线的宽度宽。

图15E是示出图15D的等效电路的图，具体是表示与布线宽度差对应的布线电阻的图。在图15E中布线电阻之间的关系如下：

rliA1<rliA2<rliA3<rliA4；

rliB1<rliB2<rliB3<rliB4；并且

rliA1+rliC1+rliB1+rliD1＝rliA2+rliC2+rliB2+rliD2＝rliA3+rliC3+rliB3+rliD3＝rliA4+rliC4+rliB4+rliD4.

尽管以上表达式用等号连接，但是只要每个加热元件10能够以预定水平保持产生UFB的膜沸腾的变化，电阻可以彼此基本相等。

图15F是示出图15D的变型的布局。图15F示出了在元件基板12上形成SW 1531至1534的实施例。SW 1531至1534类似于实施例1中描述的SW。通过使用SW 1531至1534以时分方式控制驱动以及使得加热元件的布线电阻彼此相等，可以进一步抑制能量的变化。

<实施例3>

与实施例1类似，本实施例具有设置将加热元件并联连接的共用布线的构造。在实施例1中，描述了通过使用SW以时分方式控制以减小寄生布线电阻效应来抑制能量变化的实施例。在本实施例中，描述了调节供应电压、加热元件电阻和布线电阻来抑制能量变化的实施例。

图16A至图16E是描述了稳定地产生UFB的示例的图。图16A是描述本实施例中使用的加热元件的图。发明人通过使用能够产生100,000次膜沸腾的加热元件来进行试验。该加热元件在达到第100,000次膜沸腾之前确保产生膜沸腾。换言之，例如如果膜沸腾产生了100,000次以上，加热元件存在产生不良膜沸腾的风险，并且加热元件的元件电阻断开。

图16A示出了发明人确认需要多少能量施加到能够形成100,000次膜沸腾的加热元件用以产生UFB的结果。图16A示出了理论上在起泡阈值能量为“1”(第一值)的情况下产生膜沸腾。如果通过改变供应电压来改变输入能量，并且一旦输入能量增加到超过设定为“1”的起泡阈值能量的3倍，那么在施加脉冲的大约100,000次施加期间加热元件的电阻值快速改变，难以产生UFB。换言之，发现如果输入到加热元件的能量是设定为“1”的起泡阈值能量的3倍以下，就可以稳定地产生UFB而不会发生预定加热元件的突然破裂等。为了通过使用具有设定为“1”的起泡阈值能量的加热元件产生膜沸腾而稳定地产生UFB，考虑到取决于环境的变化，输入到加热元件的能量的最小值设定为起泡阈值能量的1.1倍。在本实施例中，在起泡阈值能量设定为“1”的情况下，输入到加热元件的能量的变化优选落在从1.1倍起泡阈值能量到3倍起泡阈值能量的范围内。尽管在此给出的描述使用能够产生100,000次膜沸腾的加热元件为例，但可类似地应用具有不同耐久性的另一加热元件。

在本实施例中，描述了输入到加热元件的能量的变化落入上述范围的具体构造。在本实施例中，使用了在实施例1中描述的图12B和13B的布局。在本实施例的描述中，通过调节供应电压、加热元件电阻和布线电阻，将输入到加热元件的能量保持在基于起泡阈值能量的预定范围(1.1倍到3倍)内。更特别地，描述了调节布线电阻的实施例。这样通过使得围绕加热元件10的布线区域的布局紧凑，可以在密集布置加热元件的情况下稳定地产生UFB。

本实施例聚焦于图13B中的三个部分，加热元件部分1352、共用布线部分1351、以及电极板1201和1202。加热元件部分1352包括加热元件和单独布线区域。在密集布置加热元件以在短时间内产生UFB的情况下，期望用于单独布线部分的区域尽可能小。另一方面，期望将尽可能多的加热元件部分连接到共用布线部分1351以密集布置加热元件。

在图13B中，i61至i64分别是流经加热元件rh61至rh64的电流。如图13B所示，在此处输入到加热元件rh61至rh64的能量分别用i61×i61×rh61×t1、i62×i62×rh62×t1、i63×i63×rh63×t1、i64×i64×rh64×t1表述。t1是图6A所示的脉冲宽度。在本实施例中，加热元件在光刻步骤中形成，加热元件具有相同的加热电阻。从而，输入到加热元件的能量之间的差与流经每个加热元件的电流的平方成比例。

图16B示出图13B的等效电路，在图中流经加热元件的电流由i1至i4表示，每个加热元件的电阻值和各自连接到对应加热元件的布线的寄生电阻值之和由r表示，共用布线部分中的电阻值由R1至R4表示。

在图16B所示的电路中，表达式(5)基于基尔霍夫电路定律成立：

在使用表1中的值的情况下，由于输入到加热元件的能量之间的差与流经每个加热元件的电流的平方成比例，所以输入到每个加热元件的能量的比例可以如表2所示。

表1

V1	24V
		R	200Ω
R1至R4	20Ω

表2

由于布线电阻之间的差，输入到距电极板1201和1202最远的加热元件rh64的能量是最小的。在这种情况下，如上所述，确定要输入的能量，使得输入到在最远位置的加热元件rh64的能量是起泡阈值能量“1”的1.1倍，这是预定范围中的最小值。下文将输入到加热元件的能量的比例(在本示例中为起泡阈值能量的1.1倍)简称为输入能量比例。

如表1所示，V1设定为24V，作为加热元件的电阻值和单独布线的寄生电阻部分的电阻值之和的电阻值r设定为200Ω，对于共用流的部分中的电阻值R1至R4设定为20Ω。在这种情况下，rh64的输入能量比例设定为1.1，输入到rh61的能量的比例设定为2.9，其中输入到rh61的能量最大。即，在将起泡阈值能量设定为“1”的情况下，输入到每个加热元件的能量的比例能够保持在1.1倍至3倍的范围内。该构造可以通过每个加热元件产生最大100,000个热沸腾脉冲(100,000次)而产生UFB。特别地，通过将共用流布线区域中的每个电阻值R1至R4保持在包括加热元件电阻值的单独布线的对应电阻值r的1/10以下，如表1所示，可以稳定地产生UFB。

图16C是与图16B不同的示例。图16C示出了加热元件的数量为8个的示例。图16C中的电路能够表示为图13A中的电路。图16D示出了图13的等效电路，并且在图中流经加热元件的电流由i1至i8表示，每个加热元件的电阻值和各自连接到对应加热元件的布线的寄生电阻值之和由r表示，共用布线部分中的电阻值由R1至R8表示。

如上所述，例如使用表3所示的电阻值，以实施这样的构造，其中基于基尔霍夫电流定律，施加有最小加热元件输入能量的rh8的能量比例设定为1.1，并且施加有最大加热元件输入能量的rh1的能量比例设定为2.9。在这种情况下，输入到每个加热元件的能量比例可以如表4所示。

表3

V1	20V
		r	200Ω
R1至R4	4Ω

表4

如表4所示，在本示例中，加热元件的供应电压设定为20V，作为加热元件的电阻和连接到对应加热元件的单独布线的电阻之和的电阻设定为200Ω，共用布线中的寄生布线电阻均设定为4Ω。在图16B的构造中，在共用布线中的寄生布线电阻设定为20Ω(单独布线和加热元件的电阻值之和的1/10)的情况下，可以稳定地产生UFB。另一方面，在图16D所示的构造中，共用布线中的寄生布线电阻需要设定为4Ω(单独布线和加热元件的电阻值之和的1/50)以下。在图16D的构造中，共用布线部分的低电阻减少了整体损失，供应电压设定为20V，这样可以实现表4所示的预定能量比例。

尽管以两个具体示例给出了描述，但可以根据加热元件的数量考虑各种变型。在任一情况下，只要输入到加热元件的能量落入预定的输入能量比例范围(1.1倍到3倍)内，可以应用任何构造。如图16C所示，为了抑制输入到加热元件的能量的变化，可以通过加宽共用布线区域1631和1632的布线宽度而减小共用布线中的寄生布线电阻。可选地，如图16E所示，可以通过设置共用布线区域1631和1632，共用布线区域1631和1632的布线电阻层的膜厚大于共用布线区域1231和1232，从而减小共用布线中的寄生布线电阻。即，共用布线的宽度或膜厚可以设定为使得共用布线中的电阻值的大小与加热元件的电阻和各自连接到对应加热元件的布线的电阻之和成预定比例或更小。

<变型例1>

图17A至图17G是描述稳定产生UFB的各种变型的图。在图16A至图16E描述的实施例中，通过减小共用布线部分中的电阻能够抑制整体损失，从而抑制输入到加热元件的能量的变化。为了进一步密集地布置加热元件，使得各自连接到加热元件的布线区域尽可能小是有效的。

图17A至图17C是示出形成多个布线层的示例的图。图17A是平面布局图，图17B和图17C分别是沿XVIIB-XVIIB线截取的截面图和沿XVIIC-XVIIC线截取的截面图。通过形成用作共用布线区域的布线层(其与连接加热元件的上述布线层不同)，在减小共用布线电阻值的同时可以实现尺寸减小。在图17A至图17C中，布线层1701是与连接到加热元件10的共用布线区域1231的层不同的层。通孔1702将连接到加热元件10的共用布线区域1231的层与布线层1701电连接。

在图17A至图17C示出的实施例中，考虑到来自加热元件10的热应力效应，布线层1701未设置在加热元件10下方的下层部分中。然而，如果该构造包括形成在布线层顶部上的阻挡层等以抑制热应力，那么布线层1701可以延伸到加热元件10下方的下层部分中。尽管在图17A至图17C的实施例中描述了形成布线层1701作为新层的实施例，但是在设置更多加热元件以实现更高密度的情况下可以另外设置更多的布线层。通过增加直接连接到加热元件10的布线的膜厚，可以减小布线电阻，如参照图16E所述，然而在这种情况下，布置在同一层上的加热元件的形状可能在布线层的图案蚀刻期间改变。如本变型例中所述，如果除了直接连接到加热元件的布线层以外还设置单独的布线层，就可以抑制加热元件的形状改变。

<变型例2>

图17D和图17E是描述另一变型例的图。在图17A至图17C描述的实施例中，电极板1201和1202形成在基板的形成有加热元件10的同一表面上。如上所述，形成有加热元件10的表面包括与液体接触以产生UFB的区域(液体腔室)。液体腔室被壁和盖覆盖。同时，电极板1201和1202布置在液体腔室外侧。如果加热元件10和电极板1201和1202彼此电分离，像这种情况一样，那么布线的路径较长。在图17D和图17E示出的实施例中，电极板1201和1202没有设置在设置有加热元件的同一表面上，并且形成穿透至元件基板另一表面的通孔，以在元件基板的背面上设置电极板和布线层。图17E是沿图17D中的XVIIE-XVIIE线截取的截面图。

如图17D和17E所示，布线层1741形成在元件基板的背面的大部分上。元件基板的背面是形成有加热元件的表面的相反表面。由于在元件基板的背面上没有来自加热元件10的热应力效应，元件基板的背面的大部分用作布线层1741。通孔1742将形成有加热元件的表面上的布线层和背面上的布线层1741连接。布线层1741是共用布线的层，在背面的大部分上形成布线层1741可以减小共用布线中的布线电阻。在本实施例中，电极板1751形成在背面的大部分上(与图17E的示例中的布线层1741的区域相同)。图17D和图17E中的构造可以密集布置加热元件10并且减小共用布线中的布线电阻。因此，即使在密集布置加热元件10的情况下也可以稳定地产生UFB。另外，由于在背面上形成电极板，可以在形成有加热元件10的表面的大部分上提供液体腔室。因此，可以通过密集布置加热元件10而在短时间内产生UFB。

图17F是示出了元件基板12的示例的图，在元件基板12上布置多个图17D中所示的元件。由于在图17F的元件基板12中电极板未形成在形成有加热元件的同一表面上，壁1761形成至元件基板12的外周部分。尽管图17F是用于说明的简图，仍然可以通过增加加热元件的数量和元件的数量来高速产生UFB。

图17G是示出了在整个晶片1771上布置图17D所示的元件的示例的图。尽管在上述实施例中元件基板12被切割成矩形形状，对于用于产生UFB的元件基板12的形状没有限制。因而，如图17G所示，可以将整个晶片1771应用于T-UFB产生单元300而不切出形成有加热元件和布线的基板。

如参照图17D至图17G所述，在执行元件基板12的背面布线以将电极板布置在背面上的情况下，能够容易地将电极板与用于产生UFB的液体分离。在元件基板12背面上设置电极板的情况下，通过外部装置实施输出供应电压脉冲的驱动器、开关等。例如，通过驱动与图17G中的晶片1771连接的驱动器等能够稳定产生UFB。

<实施例4>

在实施例2中，描述了未使用共用布线而是使用独立的单独布线的实施例。在本实施例中，与实施例2一样使用单独布线，并且多个加热元件10连接到单独布线。

图18A至图18C是描述稳定产生UFB的实施例的图。图18A是示出平面布局的图。如上所述，需要同时驱动更多的加热元件以在短时间内产生UFB。图18A示出了设置比图15F更多的加热元件的示例。如图18A所示，SW 1821至1824分别设置在独立的布线区域中。另外，多个加热元件分别设置在每个独立布线上。在本实施例中，在通过SW 1821至1824以时分方式改变驱动定时的同时，设置在同一布线区域上的多个加热元件被同时驱动。

图18B是图18A的电路，图18C示出了SW 1821至1824的驱动定时。在加热元件1811至1814中，被同时驱动的加热元件的分支编号由“a”和“b”表示。例如，在SW 1821设定为“H”的情况下，加热元件1811a和1811b被驱动。

即使存在用于多个加热元件的共用布线部分，该构造也可以将基本相同的能量输入到被同时驱动的加热元件。因此，可以抑制输入到被同时驱动的加热元件的能量的变化。

<实施例5>

在实施例1中，通过使用设置于连接到加热元件的单独布线的SW以时分方式控制的驱动，抑制了输入到加热元件的能量的变化。如果共用布线区域收缩以实现更高的密度，那么即使在执行使用SW以时分方式控制的驱动的情况下，也可能发生输入到加热元件的能量的变化。这是因为距电极板1201和1202较远的加热元件以及距电极板1201和1202较近的加热元件在共用布线区域中具有不同的布线电阻，如实施例1中所述。

图19A至图19C是描述了稳定产生UFB的实施例的图。在本实施例中，除了以时分方式变换加热元件的驱动定时之外执行附加控制。图19A是示出布局的图。与参照图14A描述的实施例类似，在本实施例中SW 1921至1924布置在单独布线区域中。在本实施例中，根据SW 1921至1924的驱动改变加热元件的供应电压。图19B示出了图19A的电路，图19C是示出SW的驱动定时和根据驱动定时的供应电压值的图。

在本实施例中，通过使用SW 1921至1924以时分方式驱动加热元件，并且以时分方式改变电压，从而以时分方式抑制在每个定时中输入到加热元件的能量的变化。

如图19C所示，在SW 1921驱动具有最小布线电阻的加热元件1911的定时中的供应电压比在用于驱动其他加热元件1912至1914的定时中的供应电压低。另外，如图19C所示，构造使得在用于驱动其他加热元件1912至1914的定时中的供应电压随着布线电阻增加而增加。尽管在图19C示出了以时分方式改变供应电压的实施例，但可以改变用于驱动SW的控制信号的脉冲宽度代替供应电压以抑制能量变化。具体地，可以通过改变用于驱动对应SW的控制信号的脉冲宽度来改变驱动每个加热元件的时长。另外，以时分方式对供应电压的控制和脉冲宽度控制可以彼此结合。

即使在例如共用布线区域的布线宽度相同的情况下，本实施例也可以抑制输入到加热元件的能量的变化。

<实施例6>

在以上实施例中，基于以下假设进行描述：安装在元件基板12中的加热元件10在半导体的光刻步骤中制造，并且具有相同的形状和相同的电阻。另外，在实施例1中参照图12B描述的构造中，例如描述了由于流经加热元件1064的电流小于流经加热元件1061的电流，发生输入到加热元件的能量的变化。在本实施例中，根据加热元件布置的位置关系，加热元件10以不同的形状制成。

图20A至图20C是描述用于稳定产生UFB的实施例的图。图20A示出基于如图16A所示能够产生膜沸腾100,000次的加热元件，在加热元件以不同的形状制成以具有彼此不同的电阻值的情况下是否可以产生UFB。在每预定单位面积的加热元件的起泡阈值能量设定为“1”并且加热元件的形状和电阻值改变的情况下，可以以实现1.1倍起泡阈值能量至3倍起泡阈值能量的输入能量的电阻值产生膜沸腾100,000次。即，只要改变范围落在上述范围内，即使在改变加热元件的形状和电阻值的情况下也可以稳定产生UFB。在本实施例中，通过根据输入能量改变加热元件的形状而产生稳定的UFB。

图20B是示出本实施例的布局示例的图。图20C是示出图20B的电路的图。由于流经距电极板1201和1202较近的加热元件2001的能量具有较小的布线电阻损失，所以能量比流经距电极板1201和1202较远的加热元件2004的能量大。为此，加热元件的形状被确定为使得每单位面积的能量相等。具体地，使得加热元件2001的电阻图案长度(沿着长度变长而电阻增加的方向)比加热元件2004的电阻图案长度长。即，使得加热元件2001的沿电流方向的长度比加热元件2004的沿电流方向的长度长。更特别地，从远离电极板1201和1202的加热元件2004起，加热元件距电极板1201和1202越近，加热元件的电阻图案长度越长。

在加热元件10以不同形状制成的情况下，膜沸腾气泡13可形成为不同形状。即，利用具有相同形状的加热元件10更有利于产生均匀的膜沸腾气泡13。然而，如上所述产生UFB至少需要在加热元件当中产生的膜沸腾气泡13，不一定需要形成均匀的膜沸腾气泡13。本实施例聚焦于抑制输入到加热元件10的能量的变化，并且通过根据输入能量改变加热元件10的形状而稳定产生UFB。

<实施例7>

在本实施例中，监控加热元件的电阻值，并且根据被监控的加热元件的电阻值调节加热元件的供应电压或施加的脉冲宽度。

在实施例1至5中，基于加热元件具有相同形状和相同电阻的假设进行描述，并且在实施例6中，描述了加热元件的形状改变的实施例。为了在短时间内高速产生UFB，需要扩大元件基板或者在图17G所示的整个晶片上布置加热元件。在这种情况下，例如加热元件构图的膜厚的面内分布或面内变化可导致加热元件的初始设计尺寸和电阻值的变化。这可改变输入到加热元件的能量并且难以稳定产生UFB。

图21A至图21D是描述用于稳定产生UFB的实施例的图。图21A是示出布局示例的图。在本实施例中，设置加热元件的电源2101以及电阻测量仪器2102。电阻测量仪器2102监控加热元件的电阻值。然后，根据监控的电阻值调节输入到加热元件的能量。这样可以使用相当大的加热元件基板(例如整个晶片)在UFB的产生期间抑制能量的变化。图21B是根据监控的电阻值调节施加的脉冲宽度的示例。图21C是根据监控的电阻值调节加热元件的供应电压的示例。如图21B和图21C所示，可以以时分方式调节输入能量，或者在加热元件分成多个块的情况下通过块单元调节输入能量。

<变型例>

图21D是示出变型例的图。在图21A的构造示出的实施例中，以时分方式实施控制，并且以时分方式在每个定时驱动一个加热元件。图21D是在以时分方式控制期间以时分方式在每个定时驱动多个加热元件的示例。如图21D所示，在同时驱动的加热元件数量设定为相同的情况下，可以以时分方式控制电压或脉冲宽度的调节。

<实施例8>

在以上实施例中，描述了以下实施例：对应于SW的块均包括相同数量的多个加热元件，这些加热元件被对应的SW同时驱动。在本实施例中，由对应的SW同时驱动的加热元件的数量根据块而改变。

图22A至图22D是描述用于稳定产生UFB的实施例的图。图22A是描述本实施例的布局的图。一个加热元件2211布置在与SW 2221对应的块中。两个加热元件2212a和2212b布置在与SW 2222对应的块中。两个加热元件2213a和2213b布置在与SW 2223对应的块中。三个加热元件2214a、2214b和2214c布置在与SW 2224对应的块中。图22B示出了根据同时驱动的加热元件数量来调节供应电压的示例。即使在该实施例中，也可以抑制输入到加热元件的能量的变化。

<实施例9>

在以上实施例中，描述了从电极板连接的多个加热元件并联电连接的实施例。在本实施例中，描述从电极板连接的多个加热元件在同一布线上串联电连接的实施例。

图22C是描述本实施例的布局的图。如图22C所示，可以通过串联连接加热元件2231而使得电流恒定。另外，可以通过驱动多个加热元件而高速产生UFB。

<变型例>

图22D是示出变型例的图。在图22D示出的示例中，使得加热元件的电阻图案宽度比在串联连接加热元件的情况下的电阻图案长度长。在串联连接中，用于驱动加热元件的供应电压由于串联连接而较高。如果高电压作为加热元件的驱动电源不理想，那么图22D中所示的构造在保持加热元件面积的同时能够防止加热元件的供应电压较高。可以采用与此类似的实施例，其中具有较宽宽度的多个加热元件串联连接。

<实施例10>

在以上实施例中，描述了通过调节布局或调节驱动定时而抑制输入到加热元件的能量变化的实施例。在本实施例中，描述的实施例设置有将加热元件的两端或一端中的电压保持恒定的机构。

图23A至图23D是描述用于稳定产生UFB的实施例的图。在图23A的实施例中，用于使得电压恒定的电路2301和2302布置在加热元件1011至1018的两端中以保持输入到加热元件的能量恒定。通过使用用于使得电压恒定的电路2301和2302强制保持加热元件1011至1018的连接部分中的电压恒定，可以抑制输入到加热元件的能量变化。图23B是示出作为用于使得电压恒定的电路的示例的源跟随器的图。使用用于使得电压恒定的电路，可以吸收布线电阻损失之间的差，从而可以抑制输入到加热元件的能量变化。

图23C和图23D是示出布局的图，在布局中分别布置用于使得在一侧上的电压恒定的电路2301和电路2303。尽管用于使得电压恒定的电路布置在仅一侧上，仍然可以获得使得施加到加热元件的电压恒定的效果。另外，用于使得电压恒定的电路可以布置成在通向单独布线区域的分支之前，如图23C所示，并且用于使得电压恒定的电路可以布置成在通向单独布线区域的分支之后，如图23D所示。尽管在此描述了布置用于使得电压恒定的电路的实施例，也可以应用这样的构造，其中在加热元件的两端或一端中布置用于使得电流恒定的电路，其使得流经加热元件的电流恒定。

<变型例>

图24A至图24D是示出用于稳定产生UFB的变型例的图。图24A示出了布置有加热元件2401的上表面层，图24B示出了上表面层下方的第二层，图24C示出了第二层下方的第三层，图24D示出了背面层。用于使得电压恒定的电路2301和2302布置在加热元件2401两端中的连接部分中。通过设置用于使得电压恒定的电路2301和2302，可以抑制输入到多个加热元件的能量变化并且密集布置加热元件。而且，该实施例允许从背面通过通孔2402施加电力。

<其他实施例>

在以上实施例中，假设在恒温和恒定环境压力的条件下产生UFB，进行了描述。即，没有考虑可变的温度和环境压力。由于UFB产生设备通过驱动加热元件产生UFB，UFB产生设备1(具体地，设置有加热元件的UFB产生单元)的温度改变。因为在大气压下膜沸腾在约300℃产生，可以根据UFB产生单元的温度增减要施加的能量，这样可以稳定产生UFB。

为了使用期望的气体产生UFB，期望在将气体尽可能多地溶解到UFB产生液体中之后产生膜沸腾。在这种情况下，通过在将整个UFB产生设备1设定在高压(例如三倍至四倍平均气压)下的同时产生UFB，可以更有效地从期望气体稳定地产生UFB。在这种情况下，由于产生膜沸腾的温度也在高压中增加，施加的能量根据膜沸腾阈值而增加，从而可以像上述实施例一样抑制能量的变化。

根据本公开，可以有效地产生含UFB液体。

尽管已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最宽泛的解释，以涵盖所有这样的修改以及等效的结构和功能。

Claims (21)

1.一种超微气泡产生设备，其通过使得加热元件在液体中产生膜沸腾而产生超微气泡，包括：

溶解单元，其构造成将期望的气体溶解到所述液体中；

超微气泡产生单元，其构造成在所述液体中产生直径小于1.0μm的超微气泡，包括元件基板，所述元件基板包括设有多个加热元件的加热部；

其中，

所述元件基板构造成抑制输入到所述加热部中的所述加热元件的能量的变化，

所述加热元件中的至少两个以上通过所述加热部中的相同共用布线连接到电极板，并且

所述多个加热元件以时分方式被驱动。

2.根据权利要求1所述的超微气泡产生设备，其中，

所述加热部包括所述加热元件的集合，来自所述电极板的能量输入到所述加热元件。

3.根据权利要求1所述的超微气泡产生设备，其中，

所述元件基板包括多个加热部，并且

在所述多个加热部中的每个加热部中，所述多个加热元件以时分方式被驱动。

4.根据权利要求1所述的超微气泡产生设备，其中，

在所述加热部中所述加热元件的形状根据通过所述共用布线彼此连接的加热元件的位置关系而不同。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的超微气泡产生设备，其中，

以时分方式施加到每个加热元件的电压或者驱动所述加热元件的时长根据所述共用布线中的电阻之间的差而改变。

6.根据权利要求1或2所述的超微气泡产生设备，其中，

在所述加热部中，所述加热元件均连接到单独布线。

7.根据权利要求6所述的超微气泡产生设备，其中，

所述单独布线布局成使得每个单独布线的电阻值落在预定范围内。

8.根据权利要求1所述的超微气泡产生设备，其中，

所述共用布线的宽度或膜厚设定为使得在所述共用布线中的电阻值与所述加热元件的电阻和各自连接到所述加热元件的布线的电阻之和成预定比例或更小。

9.根据权利要求8所述的超微气泡产生设备，其中，

所述共用布线的宽度或膜厚设定为使得在用于通过所述加热元件产生膜沸腾的能量设定为第一值的情况下，分别输入到连接至所述共用布线的所述多个加热元件的能量设定为第一值的1.1倍以上且3倍以下。

10.根据权利要求8或9所述的超微气泡产生设备，其中，

在所述元件基板中，所述共用布线形成在与形成有所述加热元件的层不同的层上。

11.根据权利要求8所述的超微气泡产生设备，其中，

所述共用布线形成在所述元件基板的与形成有所述加热元件的表面相反的背面上。

12.根据权利要求11所述的超微气泡产生设备，其中，

所述电极板形成在背面上。

13.根据权利要求8或9所述的超微气泡产生设备，还包括：

产生单元，其中在晶片上形成多个所述元件基板。

14.根据权利要求6所述的超微气泡产生设备，其中，

以时分方式在不同的定时驱动多个组，所述多个组包括设置有至少两个以上加热元件的组，所述至少两个以上加热元件均连接到单独布线并且被同时驱动。

15.根据权利要求14所述的超微气泡产生设备，其中，

在所述加热部中，每个组包括相同数量的被同时驱动的所述加热元件。

16.根据权利要求14所述的超微气泡产生设备，其中，

均设有在所述加热部中被同时驱动的至少两个以上加热元件的多个组被以不同的时分按定时驱动，并且施加到每个加热元件的电压或者驱动所述加热元件的时长根据每个定时中被同时驱动的所述加热元件的数量而改变。

17.根据权利要求5所述的超微气泡产生设备，还包括：

监控单元，其监控所述加热部中所述加热元件的电阻，其中

以时分方式施加到每个加热元件的电压或者驱动所述加热元件的时长根据监控单元的监控结果而改变。

18.根据权利要求14所述的超微气泡产生设备，其中，

在所述加热部中，在相同布线上被同时驱动的多个加热元件串联连接。

19.根据权利要求18所述的超微气泡产生设备，其中，

在串联连接的每个加热元件中，在电流流动方向上的电阻图案长度小于电阻图案的宽度。

20.根据权利要求1或2所述的超微气泡产生设备，还包括：

用于使得能量恒定的单元，其使得在所述加热部中施加到所述多个加热元件中的每个加热元件或者预定数量的加热元件中的每个加热元件的能量恒定。

21.根据权利要求20所述的超微气泡产生设备，其中，

所述用于使得能量恒定的单元保持在每个加热元件的两端或一端中的电压或电流恒定。

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