Thermal Science & Engineering Vol.15 No.1 (2007)

シリコン基板上の沸騰伝播現象を利用したマイクロポンプ
金 政焄†

奥山 邦人‡

森昌司‡

Micropump Using Boiling Propagation Phenomena on a Silicon Substrate
Jeong-Hun KIM†, Kunito OKUYAMA‡and Shoji MORI‡

Abstract
Micropump using boiling propagation as the actuation mechanism is proposed. A film heater on a silicon (Si)substrate placed facing a microchannel is powered pulsewise. Boiling propagation is triggered at a high wall superheat
by generating a vapor bubble at the end of the heater. The repetition of unidirectional propagation over the heater length
produces continuous pumping action in the microchannel. The propagation configuration, propagation velocity,
propagating bubble size, maximum allowable repetition frequency and the wall superheat range for the occurrence of
propagation are investigated under pool boiling conditions using ink for a thermal inkjet printer. The results obtained for
Si substrate are compared with those on a quartz glass (SiO2). No significant difference in the propagation behaviors
and the pumping head is observed between the Si and SiO2 substrates for a given pulse period, wall superheat andrepetition frequency. However, a larger pulse power is required for the Si substrate because of its higher heat diffusion
property. The resulting larger heat storage in the substrate before the boiling onset causes the delay of bubble collapse
after the pulse heating. The gradual increase in the temperature of the thin Si substrate during the repetition of the pulse
heating results in a lower allowable repetition frequency and therefore in lower pumping performance compared withthose for the SiO2 substrate.
Key Words: Micropump, Boiling propagation, Pulse heating, Silicon substrate

記

号

ΔTsat

: 伝熱面過熱度

[K]

[Hz]

ΔTsat,B.I.

: 沸騰開始時伝熱面過熱度[K]: 繰り返し加熱可能最大周波数[Hz]

ΔTsat,p: 伝播開始時の伝熱面過熱度

[K]

Δh

: 細管内液柱ヘッド差[mm]

ΔTsat,trig: トリガ気泡発生時の伝熱面過熱度 [K]hb,av: 平均気泡高さ[mm]t: パルス加熱開始後の時間k: 熱伝導率[W/(m･K)]

Vp,av: 平均伝播速度[m/s]

Q: 半球面での熱移動速度

[W]

xtip

: 伝播気泡先端位置移動距離

[m]

F

: 流量

f

: 繰り返し加熱周波数

fmax[μl/min]

[s]

2

Q"

: パルス発熱量[MW/m ]

Qtrig": トリガパルス発熱量[MW/m2]ql": 液体への伝達熱流束[MW/m2]r: ヒータ有効発熱部等価円半径[m]s: ヒータ有効発熱部面積

[m2]

Tw

: 伝熱面温度

[K]

１

緒 言

沸騰気泡を利用したマイクロポンプは，構造が単純で小型化に適し，大きな変位が得られることから，
MEMS (Micro-electromechanical Systems)における液輸送方法として多様な分野への応用が期待されてい受付日: 2006 年 8 月 9 日, 担当エディター: 河村 洋
佐賀大学 海洋エネルギー研究センター (〒849-4256 佐賀県伊万里市山代町久原字平尾 1-48)‡
横浜国立大学 工学研究院 機能の創生部門 (〒240-8501 神奈川県横浜市保土ヶ谷区常盤台 79-1)†-1-© 2007 The Heat Transfer Society of Japan

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る．一般に沸騰気泡は加熱毎に発生，成長，収縮，消滅を繰り返すだけなので，微小な流路内で一方向の正味流れを生じさせるには，(1)ノズル，デフュー
ザなど流路の非対称構造，(2)流路に沿う複数のヒー
タの時系列加熱などが必要になる[1-5]．
一方，伝熱面との濡れが良い液体あるいは極めてれ 300 K で 1.38 W/(m･K), 0.85 mm2/s)の場合より大平滑な伝熱面を用いた場合など，沸騰開始時の伝熱することも考えられる．

きくなるものの，繰り返し加熱時のヒータ付近の基板の定常的温度上昇は顕著に抑えられることが報告されている．一方で伝熱面上の過熱液の崩壊過程である沸騰伝播現象そのものに基板の熱伝導性が影響

面過熱度が定常核沸騰のそれに比べかなり高くなる

そこで本報告では，基板がシリコンの場合の薄膜(水や有機液体では約 50 K 以上の) 場合には，初気

ヒータ面上の沸騰伝播挙動を実験により調べ，石英

泡発生直後に加熱面に沿って沸騰領域が急速に広がガラス基板の場合と比較するとともに，マイクロ流

る特異な「沸騰の伝播現象」が生じることが知られ路内において繰り返し伝播現象を生起させた際のポている[6-8]．著者らは，マイクロ流路内で同現象をンプ能力に与える基板物性の影響を検討した．

一方向へ繰り返し発生させることによる液体輸送法
２ 実験装置及び方法を提案し，断面積一定の流路に沿って細長い薄膜ヒータを配置した U 字型マイクロ流路を用いて本現象

図 1 に試験部発熱体の概略を示す．表面に厚さにポンプ作用が生じることを初めて実験的に明らかにした[7]．しかし，短い周期で加熱を繰り返すと，1μm の絶縁層(SiO2)をもつ厚さ 0.65 mm の Si 基板上

ヒータ付近の基板(石英ガラス)の温度が徐々に上昇に厚さ 0.25μm の白金薄膜が蒸着されヒータ部がパし，沸騰現象の再現性が失われ，ポンプ作用も得ら

ターンニングされている．有効発熱区間は，試験片れなくなった．より安定した動作には，基板や液体

1 では 0.2 mm×2 mm，試験片 2 は 0.5 mm×5 mm でに速やかに放熱がなされ，繰り返し加熱に伴う温度あり，前者は伝播現象の観察とポンプ実験，後者

上昇が十分小さく抑えられる必要がある．

は局所の伝熱挙動を調べるのに用いた．有効発熱区

繰り返しパルス発熱する薄膜ヒータから半無限間には温度測定用の電圧タップが複数本設けられて基板への放熱に関する数値解析[9]によれば，熱伝導おり(試験片 1 は 2 mm 間隔で 2 本，試験片 2 は 1 mm性に優れたシリコン (Si,熱伝導率と熱拡散率はそれ間隔で 6 本)，左端の 1 本の先端縮小部(図中○で囲ぞれ 300 K で 148 W/(m･K), 88.0 mm /s)を基板に用いんだ 0.1 mm×0.1 mm の区間)をヒータ上の沸騰を誘れば，高過熱度への昇温に必要なパルス発熱量は基発するための気泡発生用トリガ部としても用いた．

2

板が石英ガラス(SiO2,熱伝導率と熱拡散率はそれぞFig. 2 Test section of micropump.

Fig. 1 Test film heater.

-2-© 2007 The Heat Transfer Society of Japan

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SiO2 基板試験片については，その厚さ(1.0mm)を除る左右ガラス細管内液柱高さの差(ヘッド差)及び流きヒータのパターン・寸法とも Si 基板試験片と同じ量(メニスカスの移動による)を測定した．ヒータのである．伝播現象観察と伝熱測定は各試験片を室温

発熱量は両端のタップ間電位差と加熱電流より，ヒの試料液プールに浸した状態で行い，またポンプ実ータの温度(タップ間平均温度)は電気抵抗の温度変験は厚さ 5mm の黄銅製支持基板に固定した試験片化より求めた．温度測定誤差は± 7 K 以内である．

上に，図 2 に示すようにゴムシート(ヒータ直上部分

現象の観察は 35 mm カメラによるストロボ撮影まは幅 0.25mm のスリット状にくり抜かれている)，ア

たはハイスピードビデオカメラ(27000 f/s)により行

クリル板，ガラス細管を順に積層して U 字型マイクった．

ロ流路を形成し，シリンジで室温の試料液を満たして行った．試料液にはサーマルインクジェット(TIJ)

３ 実験結果及び考察

プリンタ用のインク(主成分水(80%以上)，エチレン
グリコール及びイソプロピルアルコール)を用い，気3.1 沸騰開始過熱度

泡が観察できるよう染料抜きのものを使用した．TIJ

図 4 に，トリガー気泡を発生させない場合のパルインクは，単一成分液体に比べ加熱後速やかに気泡

ス加熱時の沸騰開始過熱度ΔTsat,B.I. (ただし試料液のが完全消滅するので後続のパルス加熱沸騰に影響を飽和温度は 100℃を仮定)を発熱量 Q" (熱流束換算

及ぼし難い．実験では，図 3 に示す“Main”回路によ値)に対して示す．沸騰開始時刻は高速ビデオの画像

り矩形パルス信号を電力増幅し，図 1 の加熱電流用において最初に気泡を捕捉した時刻とした．沸騰が端子間に通電することにより薄膜のヒータ部全体を生じない発熱量範囲では加熱し続け定常状態に達し

ステップ状に発熱させ，所定の過熱度(ΔTsat,trig)に達たときの過熱度をプロットしている(Si 基板では●した時，“Trigger”回路により図 1 における左端の加印，SiO2 基板では▲印で表示)．Si 基板の場合，沸騰

熱電流用端子と左端の電圧タップ間に矩形のパルス

は 約 10 MW/m2 以 上 で 生 じ (SiO2 基 板 で は 約 3

電流を流し，トリガ部を短時間高発熱させて気泡をMW/m2 以上)，ΔTsat,B.I.は約 100 K 程度と高く，発熱発生させ，ヒータ面に沿う一方向への伝播を誘起さ量の増加とともに少しずつ増加する．

せる．伝播が他端に達した直後に加熱を停止する．
3.2 沸騰伝播の様相

このシーケンスを一定の周期で繰り返した際に生じ図 5 には，Si 基板試験片でトリガ気泡により一方向への伝播を生じさせた際の沸騰様相を，SiO2 基板
試験片の場合とともに示す．パルス時間幅(2.2 ms)
並びにトリガ時のヒータ過熱度ΔTsat,trig (= 90 K)が両者でほぼ同一になるように発熱量を調節した．このΔTsat,B.I.

K

150

100
Si substrate
SiO 2 substrate
50

Naturalconvection Boiling
Naturalconvection0
1

Boiling

5

10

Q"

MW/m

50

100

2

Fig. 4 Wall superheat at boiling incipience at pulse
heating without triggering bubble as afunction of heat generation rate.

Fig. 3 Schematic diagram of experimental apparatus.
-3-© 2007 The Heat Transfer Society of Japan

Thermal Science & Engineering Vol.15 No.1 (2007)

ため熱伝導率と熱拡散率が大きい Si 基板では，SiO2

熱面上に気泡が発生し，高過熱度にある右側の領域

基板の場合の 7 倍以上の発熱量が必要になったが，に向かって成長・伝播し，他端に達して停止する．

沸騰開始前に液体側に伝わる熱流束 ql"は一次元熱伝播気泡の後部は速やかに凝縮・消滅するので，あ伝導を仮定し液体の物性は水のそれとみなして試算

たかも伝播気泡が伝熱面をすべって移動しているよ2

してみるとほぼ同じ 6.4 MW/m であった．いずれのうに見える．伝播気泡の先端部は高過熱液の自己蒸基板の場合もトリガ部に気泡が発生すると同時に伝発により液体を前方に押しのけ，後端部は凝縮によ(a) Si substrate(b) SiO2 substrate

Fig. 5 Photographs of boiling propagation triggered at left end potential tap on Si substrate and SiO2 substrate.

Fig. 6 Photographs of boiling propagation triggered at left end potential tap on Si substrate.
-4-© 2007 The Heat Transfer Society of Japan

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り周囲から液を引き込むのでマイクロ流路内では液3.3 伝播速度と気泡高さを前方に輸送する効果が得られるものと考えられる．

図 7 にΔTsat,trig を変化させた際の平均伝播速度 Vp,av

伝播の様相には基板による大きな差異は見られないと伝播開始時過熱度ΔTsat,p の関係を示す．トリガ気が，Si 基板では伝播気泡通過後に多くの気泡が残存泡を付与することで付与しない場合の沸騰開始過熱(または新たに発生)している．これは，後述するよ

度よりかなり低い過熱度でも沸騰伝播が生じ，Si 基

うに沸騰開始前に基板に蓄積されていた熱の影響と板と SiO2 基板のいずれにおいても Vp,av はΔTsat,p とと考えられるが，伝播完了後(加熱終了後)の気泡消滅もに顕著に増加すること，また伝播速度に与えるこの遅れはマイクロポンプでは繰り返し加熱可能周波

れら基板材料の影響は小さいことがわかる．なお，数の低下につながる．

過熱度 48 K 以下では伝播は観察されなかった．

図 6 は，Si 基板試験片でΔTsat,trig が図 5(a)と異なる

図 8 に側面からの観察による伝播気泡高さ hb,av

場合の伝播の様相を示す．過熱度が比較的小さい図(各撮影時刻における最大高さの伝播開始から終了

6(a)の場合，伝播気泡が前方隣接部の気泡核を次々までの時間平均値)とΔTsat,trig の関係を示す．気泡高と活性化させ巻き込みながら進んでいるような様相さはマイクロポンプの流路高さを設定する上で重要が見られる．過熱度が高くなると，図 6(b)のようにとなる．図から，hb,av は 0.1〜0.4 mm 程度であり，伝播気泡と速度は顕著に大きくなり輪郭がなめらか

過熱度や基板材料による差は小さく，主にパルス発になる．これらの傾向は SiO2 基板における水の沸騰

熱量に依存している．発熱量が大きいほど小さくな伝播の場合[8]と同様であった．

るのは，沸騰開始までの加熱時間が短くなり，液体With triggeringに蓄積される過熱エネルギーが小さくなるためである．

Si substrate
2

2

2

2

Q" = 85.7 MW/m ( q"l=6.1 MW/m )Vp,av m/s

Q" = 47.4 MW/m ( q"l=3.9 MW/m )3.4 伝播時の局所熱伝達

20 SiO2 substrate

Q" = 12.5 MW/m2 ( q"l=6.4 MW/m2)
2
2
Q" = 7.5 MW/m ( q"l=3.9 MW/m )

図 9 には，試験片 2 でヒータ長さ方向 1 mm ごとに分割測定した局所温度 T1〜T5 の時間変化を伝播気

Without triggering2

10Q" = 3～107 MW/m

泡先端位置 xtip(図中○印で表示)と対応させて示す．
図中 t=6.25ms に記された矩形波はトリガーパルス(図の条件ではトリガー部単位面積当たりの発熱量

0
40

60

80

100

120

209MW/m2，時間幅 0.1ms)を表す．約 100 K もの高140

過熱度での急激な沸騰開始にもかかわらず乾燥面のΔTsat,pK

出現による伝熱の低下は観測されず，むしろ伝播気

Fig. 7 Average propagation velocity as a functionof wall superheat at inception of propagation.

泡の通過した直後から壁温が順次降下して定常(核沸騰)値に近づく．しかし，Si 基板の場合，SiO2 基板

Si substrate
2

0.5
0.4

2

Q" = 88.5 MW/m ( q"l=6.4 MW/m )Q" = 48.2 MW/m2 ( q"l=3.9 MW/m2)
SiO2 substrate
Q" = 12.5 MW/m2( q"l=6.4 MW/m2)
2

101

2

mm

0.3

hb,av

Q" = 7.5 MW/m ( q"l=3.9 MW/m )

0.2
0.1
0
50

209

60

70

80

90

100

110

ΔTsat,trig K
Fig. 8 Average bubble height during propagation as
a function of wall superheat at triggering of
boiling.

Fig. 9 Time traces of local wall temperature duringboiling propagation at stepwise heating.

-5-© 2007 The Heat Transfer Society of Japan

Thermal Science & Engineering Vol.15 No.1 (2007)に比べ大きなヒータ発熱量が必要になるため沸騰す

3.5 繰り返し加熱許容周波数

る前に多量の熱が基板内に蓄積しており，沸騰開始

上述のパルス加熱による沸騰伝播現象を高い頻後はこの熱が温度降下とともにヒータ面に流出して度で繰り返すと，トリガ気泡が付与される前にヒーくるので，加熱終了後気泡が完全に消滅するまで時

タ面の不特定な位置で沸騰が開始したり次のパルス間がかかるようになるものと考えられる．

の前に気泡が完全に消滅しないなど，直前のパルス

80

fmax Hzによる沸騰の影響が出てくる．一方向への沸騰伝播

Si substrate
Q" = 88.5 MW/m2 ( q"l=6.3 MW/m2)
2
2
Q" = 47.2 MW/m ( q"l=3.9 MW/m )現象を再現性よく起こすことのできる繰り返し加熱
可能最大周波数 fmax を，試験片を試料液プールに浸SiO2 substrate2
2
Q" = 12.5 MW/m ( q"l=6.4 MW/m )60

2

漬した状態で調べた．図 10 に示すように，同一基板

2

Q" = 7.5 MW/m ( q"l=3.9 MW/m )で比較すると，fmax はΔTsat,trig が小さくまた発熱量が大きいほど高く，SiO2 基板の場合，最大 70 Hz まで

40可能であったが，当初の予測とは反対に Si 基板よりも高い値となった．

20

図 11 は，試料液プール中でパルス加熱を 10 Hz
0
50

60

70

80

90

100

で 60 秒間繰り返したときのヒータ温度波形の経時110変化を示す．10 秒経過するごとに波形全体に高温側ΔTsat,trig K
Fig. 10にシフトしているが，これは繰り返し加熱によりヒMaximum allowable repetition frequency
for propagation as a function of wall
superheat at triggering of boiling.

ータ付近の基板温度が次第に上昇するためである．
SiO2 基板では 60 秒でほぼ飽和しているが，Si 基板
ではまだ上昇し続ける傾向があり十分な放熱がなされていない．一方，薄膜ヒータから半無限基板への2 [×103 ]

Tw ℃

200
150

2

Q" = 88.5 MW/m2(ql" = 6.3 MW/m )ΔTsat,trig = 100 K

1st pulse
100th pulse
300th pulse
600th pulse(f = 10 Hz)

100

1

放熱に関する数値解析 [9]によれば，ヒータ付近の基板の定常的温度上昇は，Si 基板の場合 SiO2 基板の約

Qtrig" MW/m2

250

1/7 (ただし繰り返し加熱周波数，パルス加熱時間幅，
トリガ時過熱度が等しい場合)と見積もられ，図 11の結果はこの予測と全く逆の傾向を示している．このことについて以下に考察する．

50

いま微小薄膜ヒータから半無限基板への放熱を

T∞

0

0

1

2

0

半径 r0 = s / π (s:ヒータ有効発熱部面積)の半球面

t msから半径方向一次元の定常熱伝導と近似的にみなせ(a) Si substrate

るとすると，中心から距離 r の位置における温度の2 [×10 3 ]250

無限遠点の温度との差ΔT は次式で表される．

2

Tw ℃

200
150

1

1st pulse
100th pulse
300th pulse
600th pulse(f = 10 Hz)

10050

Qtrig" MW/m2

Q" = 12.5 MW/m2(ql" = 6.4 MW/m )ΔTsat,trig = 100 K

ΔT(r) =

0

1

(1)

ここで，Q は半球面全体における熱の移動速度(r に依らない一定値)，k は基板の熱伝導率を表す．ΔT が
r=r0 における値の 1/100 になる位置までを熱浸透厚

T∞

0

Q
2πrk

2

さと定義すると，試験片 1 のヒータの大きさに対す

0

る熱浸透厚さは，基板材料の熱伝導率によらず約 40

t ms

mm 程度と見積もられ，基板厚さ(Si : 0.65 mm, SiO2 :(b) SiO2 substrate

1.0 mm)並びに試験片の支持基板(黄銅製)の厚さ(5Fig. 11 Variation of time trace of heater temperatureduring repetition of pulse heating(comparison between SiO2 and Si
substrates).

mm)よりかなり大きい．式(1)で同じΔT を得る Q の値は k の大きさに比例することも考え合わせると，
Si 基板の場合基板の総厚が足りないため十分な放熱-6-© 2007 The Heat Transfer Society of Japan

Thermal Science & Engineering Vol.15 No.1 (2007)性が得られず，反対に SiO2 基板では(SiO2 に比べ熱以上の結果から，実験に用いた大きさのヒータに伝導率の高い)黄銅基板がヒートシンクとなり放熱

対して Si 基板の高い放熱性を活かして繰り返し可性が向上したため，予測とは逆の結果になったもの

能周波数を増大させるには基板を数 10 mm 以上にと考えられる．

厚くする必要があるが，それは実用上からも現実的でなく，また Si 基板の場合 SiO2 基板に比べ非常に大きなパルス発熱量が必要になることも考えると，

3.6 ポンプにおける液輸送能力
図 12 は，マイクロ流路内で一方向への伝播を繰

むしろ SiO2 基板の背面にヒートシンクを配し，基板り返し生じさせた際の細管内液柱ヘッド差Δh と繰

厚さをパルス加熱時の温度変化が SiO2 層内のみにり返し加熱周波数 f の関係を示す．パルス加熱時間限られる最小厚さにすれば，パルス発熱量は小さく

幅は 2.2 ms，ΔTsat,trig = 100 K，流路幅は 0.25mm，駆て済み，また次のパルスまでの比較的長い休止時間

動部流路高さは図 8 の結果から 0.35 mm とした．ヘの放熱はヒートシンクになされるので，結果としてッド差は両基板とも f とともに同様に増加したが，繰り返し可能周波数は高く保てるものと考えられる．

SiO2 基板の場合，20 Hz までポンプ作用が得られた

なお，上述の議論は基板材料として Si を用いるこのに対し，Si 基板では最大 10 Hz で限界となった．

とを否定するものではない．ヒータ面積が本実験よ

これに関して，Si 基板において 20 Hz でパルス加熱

りさらに小さく，例えば幅 10 μm，長さ 50 μm 程度を行った際のヒータ温度波形の経時変化を図 13 にの微小ヒータの場合を考えると，3.5 節で述べた基板示す．繰り返し加熱を続けると基板の温度上昇によの熱浸透厚さは Si 基板の場合 1mm 程度となり，本3り沸騰開始前の波形全体が高温側にシフトしており，実験で用いた厚さ(0.65mm)の基板内の温度変化は半10 秒以上経つとトリガパルスを加える前に沸騰が200
無限基板のそれに近づく．このとき，文献[9]によれ始まっている(壁温の降下)．このとき沸騰は伝熱面

ば，パルス発熱量を加熱時の温度変化がSi 基板上
1st pulse

上の不特定な場所で始まることから，一方向への流1200th pulseの SiO2 絶縁層(1μm)内に限定されるような高い値
1

れは生じなくなり，ポンプ作用が失われる．繰り返

100を選ぶことにより，温度変化が Si 基板まで及ぶ場合

し可能な加熱周波数が低くなったのは前節で述べたに比べ小発熱量で高い繰り返し加熱可能周波数が得
ΔTsat,trig = 100 K

基板からの放熱性によるもの，すなわち Si 基板と黄T∞られることが示唆されている．パルス発熱量の増加

銅支持基板の総厚がヒータに加えた熱を放散させるとともに気泡は小さくなるものの(図8 参照)，より
00のに十分な厚さより小さかったためと考えられる．

高温での沸騰伝播が可能になり伝播速度が増大する
t ms
ことも考え合わせると，より小さなヒータと小さなFig. 13 Variation of time trace of wall superheat
during repetition of pulse heating (Sisubstrate).

2 [×10 ]150

200th pulse

Q" = 88.5 MW/m50

パラメータとして示す．Si 基板の場合，10 Hz において最大約 50 μl/min の流量が得られたが，これは2(f = 20 Hz)

0図 14 は，ヘッド差Δh と流量 F の関係をΔTsat,trig を

Qtrig" MW/m2

Tw ℃

250

1

2

SiO2 基板における最大流量の約 50%であった．
Si substrate

Δh mm

8
6

10

Si substrate
Q" = 47.8 MW/m 2(ql" = 3.9 MW/m2)

SiO 2 substrate
Q" = 7.5 MW/m 2(ql" = 3.9 MW/m2)

ΔTsat,trig = 100 K

4
2

0

6

SiO 2 substrate

f

10 Hz

20 Hz

Q"

47.8 MW/m 2

7.5 MW/m 2

100 K
80 K
60 K

100 K
80 K
60 K

ΔTsat,trig

8

ΔTsat,trig = 100 K

Δh mm

10

Channel height 0.35 mm

4
2

10

20

0
0

f Hz

50

100

F μl/minFig. 12 Head difference produced during repetition ofboiling propagation in a microchannel as afunction of repetition frequency of pulse
heating.

Fig. 14 Head difference produced during repetitionof boiling propagation in a microchannel asa function of flow rate.

-7-© 2007 The Heat Transfer Society of Japan

Thermal Science & Engineering Vol.15 No.1 (2007)

くなった．しかしながら，さらに小さなヒータに対しては繰り返し加熱可能周波数とポンプ能力が向上する可能性がある．

の熱浸透厚さは Si 基板の場合 1 mm 程度となり，本実験で用いた厚さ(0.65 mm)の基板内の温度変化は
半無限基板のそれに近づく．このとき，文献[9]によれば，パルス発熱量を加熱時の温度変化が Si 基板

参考文献

上の SiO2 絶縁層(1μm)内に限定されるような高い値[1] Gravesen, P., Branebjerg, J. and Jensen, O. S.,を選ぶことにより，温度変化が Si 基板まで及ぶ場合“Microfluidics - a Review”, J. Micromech.

に比べ小発熱量で高い繰り返し加熱可能周波数が得

Microeng., 3 (1993), 168-182.

られることが示唆されている．パルス発熱量の増加[2] Ozaki, K., “Pumping Mechanism Using Periodic

とともに気泡は小さくなるものの(図 8 参照)，よりPhase Changes of a Fluid”, Proc. IEEE MEMS,

高温での沸騰伝播が可能になり伝播速度が増大する(1995), 31-36.

ことも考え合わせると，より小さなヒータと小さな[3] Jun, T. K. and Kim, C. J., “Valveless Pumping

流路の系において Si 基板上の沸騰伝播現象を利用

Using Traversing Vapor Bubbles in Microchannels”,

したマイクロポンプの高い液輸送能力が得られる可J. Appl. Phys., 83-11 (1998), 5658-5664.

能性のあるものと考えられ，今後検討していく必要[4] Yuan, H. and Prosperetti, A., “The Pumping Effectがある．

of Growing and Collapsing Bubbles in a Tube”, J.
Micromech. Microengng., 9 (1999), 402-413.

４ 結 論[5] Tsai, J. H. and Lin, L., “A Thermal Bubble
Actuated

シリコン基板に設けた微小薄膜ヒータ上の沸騰

MicroNozzle-Diffuser

Pump”,J.

Microelectro- mechanical Systems, 11-6 (2002),

伝播現象とこれを利用したマイクロポンプにおける665-671.

液輸送能力を，石英ガラス基板の場合と比較しつつ[6] Avksentyuk, B. P., “Non-equilibrium Model of an

調べた結果，以下の結論を得た．

Evaporation

1. パルス加熱時間幅と伝播時の伝熱面過熱度がほ

Thermophysics, 5 (1995), 1-8.

Front”,

RussianJ.

Engng.

ぼ同一の条件の場合，気泡が伝熱面をすべるよう[7] Okuyama, K., Kim, J. H., Takehara, R. and Iida, Y.,に移動していく伝播の様相や伝播速度の過熱度“Pumping Action by Boiling Propagation in a

依存性に基板材質による相違は見られない．

Microchannel”, Microscale Thermophys. Engng.,

2. 伝播気泡通過後直ちに伝熱が良好になるが，シリ9-2 (2005), 119-135.

コン基板の場合，石英ガラス基板に比べ大きなヒ[8] Okuyama, K., Kim, J. H., Mori, S. and Iida, Y.,

ータ発熱量が必要になり，多量の熱が基板内に蓄“Boiling Propagation of Water on a Smooth Film

積する結果，気泡の消滅が遅れる．
3. 実験に用いた0.2 mm×2 mmの大きさのヒータに対して，基板(厚さ0.65 mm)はシリコンの高い熱伝導性を活かした十分な放熱を得ることのできる厚さよりかなり薄いため，繰り返し加熱によるヒータ付近の基板の温度上昇が顕著となる結果，伝播の繰り返し可能周波数が小さくなり，石英ガ
ラス基板の場合に比べかえってポンプ能力は低Heater Surface”, Int. J. Heat & Mass Transf.,-8-49-13,14 (2006), 2207-2214.
[9] Kim, J. H., Okuyama, K. and Iida, Y., “Allowable
Repetition

Frequency

of

Pulse

HeatinginMicroactuators Using Rapid Boiling (Effect ofElectrical Insulation Layer beneath Heater)”, J.
Thermal Sci. & Technol., 1-1 (2006), 20-30.

© 2007 The Heat Transfer Society of Japan