Применение оптических методов для исследования управляемого распада метастабильной жидкости

УДК 536.42

В.В. Кузнецов, И.А. Козулин ИТ СО РАН, Новосибирск

Новосибирский государственный университет, Новосибирск

ПРИМЕНЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ УПРАВЛЯЕМОГО РАСПАДА МЕТАСТАБИЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ

В данной работе с помощью оптического метода, основанного на измерении интенсивности отраженного света, экспериментально исследована начальная стадия управляемого распада метастабильной воды и этилового спирта при их импульсном нагреве на поверхности плоского микронагревателя, покрытого субмикронным карбидокремниевым слоем. Измеренная температура начала кипения показала, что сверхвысокая плотность теплового потока и скорость роста температуры поверхности обеспечивают условия для возникновения фазового взрыва. Получены данные по динамике заполнения поверхности нагревателя паром, измерено время начала кипения и время жизни паровой полости.

V.V. Kuznetsov, I.A. Kozulin

Institute of Thermophysics Siberian Branch Russian Academy of Science

1 Academisian Lavrentyev Av., Novosibirsk, 630090, Russian Federation Novosibirsk State University

2 Pirogova Str., Novosibirsk, 630090, Russian Federation

APPLICATION OF THE OPTICAL METHODS FOR STUDY OF THE CONTROLLED DISINTEGRATION OF METASTABLE LIQUID

Using the optical method of reflected laser beam recording the initial stage of controlled disintegration of metastable water and alcohol under pulsed liquid heating on the surface of flat microheater coated by submicron silicon carbide layer was studied in this paper. The data on nucleation temperature showed that super high heat flux density and high rate of surface temperature growth provide for the conditions for phase explosion initiation and its properties were studied experimentally including surface coverage time history, the time of nucleation and lifetime of the main bubble.

Введение

Современные микроэлектронномеханические системы

изготавливают с помощью технологии, идентичной технологии изготовления однокристальных интегральных микросхем. Типичные размеры

микромеханических элементов лежат в диапазоне от 1 микрометра до 100 микрометров. В ряде МЭМС систем используют принцип управляемого распада

микрообъемов метастабильной жидкости для быстрого изменения ее фазового состава. К ним относятся оптические переключатели и затворы, метатели капель в технологии струйной печати [1]. На рис. 1 показана камера струйного принтера, в которой перевод жидкости в метастабильное состояние производится путем подачи напряжения на нагреватель, в результате чего происходит вскипание чернил и их выброс через сопло из камеры. Управляемый распад метастабильной жидкости используют также при паровой лазерной очистке поверхности [2] и лазерной хирургии [3]. Для успешного применения таких систем необходимо развитие основ взрывного вскипания и фазового взрыва жидкости на микромасштабе в условиях высокой внешней плотности энергии. Критерием перехода к фазовому взрыву является достижение при нагреве жидкости температуры жидкости при нагреве термодинамической спинодали, близкой к 0.9^ [4]. Проблемой достижение этой температуры является экспоненциальный рост тепловых флуктуаций и резкое уменьшение времени ожидания вскипания в окрестности термодинамической спинодали. Для перехода к фазовому взрыву необходимо использовать очень быстрый нагрев и свободные от готовых центров кипения очень малые объемы жидкости, что можно реализовать только при использовании микросистем.

Nozzle

Firing Chamber Silicon Substrate

Рис. 1. Микрокамера пузырькового принтера

Вскипание жидкости на плоских микронагревателях и тонких проволочках рассмотрено в работах [5,6]. Хотя эти исследования были направлены на различные аспекты взрывного вскипания, начальная стадия фазового перехода жидкость-пар и характеристики пузырькового распада слабо изучены. Это связано с тем, что времена фазового перехода не превышают сотен наносекунд и традиционные методы исследования кипения жидкости здесь не применимы. Высокую эффективность при исследовании взрывного кипения имеет оптический метод, предложенный в [7].

В данной работе экспериментально исследован управляемый распад метастабильной воды и этилового спирта при импульсном нагреве в неоднородном поле температур на поверхности плоского микронагревателя,

покрытого субмикронным карбидокремниевым слоем. С использованием оптического метода регистрации доли поверхности нагревателя, занятой паром, исследована начальная стадия фазового перехода жидкость-пар, и получены характеристики пузырькового распада жидкости при высоких скоростях наброса тепловой мощности. Получены данные по динамике заполнения поверхности нагревателя паровой фазой, времени жизни основного парового пузыря и пузыря-сателлита, зависимости температуры вскипания от скорости роста температуры нагревателя.

1. Экспериментальная установка

Схема экспериментальной установки показана на рис. 2. В качестве микронагревателя 1 использован многослойный тонкопленочный резистор печатающей головки струйного принтера Hewlett Packard ThinkJet [8]. Резистор с размером 100x110 мкм представляет собой четырехслойную пленку, последовательно напыленную методом PECVD на плоской подложке из стекла. Первый слой толщиной 1.1 мкм выполнен из окиси кремния, затем расположен тепловыделяющий слой сплава ТаА1, который имеет слабую зависимость электрической проводимости от температуры, слой Si3N4 толщиной 0.5 мкм и слой SiC толщиной 0.25 мкм. Сэндвичевая структура нагревателя обеспечивает высокие скорости роста температуры жидкости при импульсном нагреве. Микрочип с нагревателем погружался в кювету (2) с рабочей жидкостью на глубину от 0.4 до 2 мм. Одиночные прямоугольные импульсы тока подавались на микронагреватель для нагрева жидкости до температуры взрывного кипения. Плотность теплового потока в жидкость достигала 400 МВт/м , что дает время нагрева до температуры взрывного кипения воды меньше 1.4 мкс. Соответствующая скорость роста температуры поверхности микронагревателя составляла около 182 МК/с. Опыты проводились при атмосферном давлении.

Рис. 2. Схема экспериментальной установки

Для изучения управляемого распада жидкости была развита оптическая методика регистрации зародышеобразования, вскипания и динамики образующейся паровой полости, предложенная в [7]. Она основана на измерении интенсивности лазерного пучка, зеркально отражённого от

поверхности нагревателя. При возникновении микропузырьков интегральный коэффициент зеркального отражения начинает падать, и инвертированный сигнал с фотоприёмника дает динамику заполнения поверхности нагревателя паровыми пузырьками. Микроскоп с фото-насадкой (4) создаёт изображение микрогревателя в свете гелий-неонового лазера (3), отражённого от поверхности нагревателя. Прямоугольная диафрагма (5), находящаяся в плоскости изображения, вырезает необходимую область изображения резистора, которая затем проецируется на фотоприемник (6) и обрабатывается быстрым АЦП.

Для фотографирования различных стадий процесса использовался импульсный твердотельный лазер с характерной длительностью светового импульса 8 нс и фотокамера, сопряженная с микроскопом.

Тепловой поток от нагревателя в жидкость определялся при численном решении одномерного уравнения теплопроводности для многослойного нагревателя [8] с учетом выделения тепла в слое ТаА1. В расчетах определялась скорость роста температуры жидкости на нагревателе, достигнутая температура и передаваемый в жидкость тепловой поток в зависимости от выделяемой в нагревающем слое тепловой мощности.

2. Результаты экспериментов

На рис. 3 приведена фотография поверхности нагревателя после 2.19 мкс и 2.24 мкс от начала нагрева воды при плотности теплового потока, подводимого

Л

к жидкости, qw=310 МВт/м . Пузырьковый распад воды имеет взрывной характер и происходит за время меньше 350 нс. На начальной стадии взрывного кипения пузырьки неравномерно распределены по поверхности нагревателя, их число мало, и в момент зарождения пузырьков наблюдается излучение расходящихся волн давления. По мере роста температуры нагревателя число пузырьков растет, и на заключительной стадии пузырькового распада поверхность нагревателя равномерно покрыта облаком пузырьков, которые в дальнейшем объединяются, формируя паровую пленку и переход к пленочному кипению. На этой стадии теплообмен между нагревателем и жидкостью ухудшается, и возникает кризис теплоотдачи. Для исключения термического разрушения микронагревателя тепловыделение в нагревателе должно быть отключено до момента достижения кризиса, что увеличивает ресурс работы МЭМС устройств на основе взрывного кипения жидкости. Для таких устройств необходимо точно знать момент начала пузырькового распада и его длительность в зависимости от тепловой мощности, которые были определены экспериментально в данной работе.

1=2.19 мкс

t=2.24 мкс

Рис. 3. Динамика зарождения пузырьков на микронагревателе при плотности

л

теплового потока qw = 310 МВт/м

На рис. 4 показана динамика заполнения поверхности нагревателя паровыми пузырьками, зарегистрированная с использованием оптического метода, при приведенной на единицу поверхности плотности тепловыделения 619,3 МВт/м , и нормализованное напряжение на нагревателе. Приведенная плотность тепловыделения определена как полная выделяемая тепловая мощность, деленная на поверхность нагревателя. Она отличается от плотности теплового потока, подводимого к жидкости, так как выделяемое тепло не только передается в жидкость, но и переходит в подложку нагревателя. Относительное время вскипания хг равно отношению времени начала зародышеобразования к времени отключения тепловой мощности. Времена отсчитываются от переднего фронта импульса нагрева. Пузырьковый распад жидкости на рис. 4 происходит при высокой плотности теплового потока на границе жидкость-нагреватель, это обеспечивает подвод тепла, необходимый для полного испарения пристенного слоя жидкости, и пузырьковый распад характеризуется высокой повторяемостью.

Рис. 4. Зависимость нормализованного напряжения на микронагревателе и доли поверхности нагревателя, покрытой паровыми пузырьками, от времени при приведенной плотности тепловыделения 619,3 МВт/м и хг=0.964

На рис. 5 показано развитие взрывного вскипания воды при приведенной плотности тепловыделения 618-619 МВт/м для различных относительных времен нагрева хг. Время начала вскипания в этих опытах изменялось от 3.65 до 3.67 мкс.

Взрывное вскипание жидкости характеризуется временем пузырькового распада, временем жизни основного парового пузыря, получаемого при расширении паровой пленки, и временем жизни пузыря-сателлита, образующегося после схлопывания основного парового пузыря. Все эти стадии хорошо видны на рис. 5. Так как в представленных экспериментах диафрагма вырезала световой пучок, отраженный только от поверхности нагревателя, стадия расширения основного пузыря вне пределов нагревателя показана на рис. 5 полным заполнением поверхности нагревателя паром. При хг меньше

0.926 вскипание характеризуется хорошей повторяемостью, как по времени пузырькового распада, так и времени жизни основного пузыря пара. При значениях хг близких к 1 уменьшается не только время жизни пузыря, но и увеличивается время пузырькового распада, так как его заключительная стадия происходит при отключенном тепловыделении. При хг больше 1.07 диаметр основного пузыря не превышает размеров нагревателя, пузырьковый распад в этих условиях переходит в стадию конденсации пузырьков в переохлажденной жидкости.

эсЛпп

1.4-------------------------------------------------------- -

I I I I + тг=1,070; 46^=617.9 МШт2 I

- [ | | [ О г 1=1,014; 4^=618.6 МШт2 |

I I \ \ I  тг=0,926; яеТГ=618 MW/m2 _ I

- I I ' ' I х Тг=0'800; ЧеП=618-1 МИ/Ли* |

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

т, тсэ

Рис. 5. Зависимость интенсивности отраженного света от времени для различных времен нагрева при приведенной плотности тепловыделения 618619 МВт/м2

На рис. 6 приведена зависимость времени нагрева жидкости до начала взрывного кипения от приведенной плотности тепловыделения для двух толщин слоя воды на микронагревателе (а) и спирта (б). Время начала кипения воды уменьшается с ростом скорости подвода тепла и становится меньше 1.5 мкс при приведенной плотности тепловыделения больше 1500 МВт/м . Время начала взрывного кипения не зависит от толщины слоя жидкости, так как

толщина прогретого слоя остается существенно меньше толщины слоя воды. Время начала взрывного кипения этилового спирта существенно меньше, чем для воды. Расчеты температуры и скорости изменения температуры нагревателя показали, что при скоростях роста температуры до 180 МК/с пузырьковый распад воды на поверхности карбида кремния наблюдается при температуре несколько меньше, чем температура спинодального распада. Это связано, по-видимому, не с наличием слабых мест на нагревателе, количество которых ограничено и не может вызвать пузырьковый распад, а со снижением работы зародышеобразования вблизи плохо смачиваемой поверхности карбида кремния. Для спирта взрывное кипение происходит при температуре, близкой к температуре термодинамической спинодали. Это показывает, что пузырьковый распад воды и этилового спирта на карбидокремниевой поверхности происходит в виде фазового взрыва метастабильной жидкости.

12

10

о вода 400мкм  вода 800мкм

О *

о О §

ч

х

* я * 3 « по

б)

Л дг_15ор

А й

а А

1" й А м..

500 1000 1500

цеЯ, М№/т2

2000

500 1000

дю. М№т*

1500

Рис. 6. Зависимость времени начала взрывного кипения воды (а) и этилового спирта (б) от плотности теплового потока

Заключение

С использованием оптического метода, основанного на измерении интенсивности лазерного пучка, зеркально отражённого от поверхности нагревателя, при появлении паровых пузырьков, экспериментально исследовано взрывное вскипание воды и этилового спирта при импульсном нагреве в неоднородном поле температур на поверхности плоского микронагревателя, покрытого субмикронным карбидокремниевым слоем. Опыты показали, что данный метод имеет высокую чувствительность и позволяет измерить динамику доли поверхности нагревателя, занятой паровыми пузырьками, на начальной стадии взрывного кипения. Полученные данные по динамике заполнения поверхности нагревателя паровой фазой, времени жизни основного парового пузыря и пузыря-сателлита и температуры начала кипения показывают, что сверхвысокие плотности теплового потока обеспечили переход к фазовому взрыву воды и спирта. В этих условиях пузырьковый распад жидкости имеет взрывной характер и происходит за времена меньше 350 нс. На начальной стадии фазового взрыва пузырьки неравномерно распределены по

8

6

4

2

0

0

поверхности нагревателя, их число мало, и в момент зарождения пузырьков наблюдается излучение расходящихся волн давления. По мере роста температуры нагревателя число пузырьков растет, и на заключительной стадии пузырькового распада поверхность нагревателя равномерно покрыта облаком пузырьков, которые в дальнейшем объединяются, формируя паровую пленку и переход к пленочному кипению.

Работа выполнена при финансовой поддержке интеграционного проекта №54 СО РАН.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Allen R.R., Meyer J.D. and Knight W.R. Thermodynamics and Hydrodynamics of Thermal Ink Jets // Hewlett-Packard J. - 1985. - Vol. 36. - P. 2127.

2. Lang F., Mosbacher M. and Leiderer P. Near field induced defects and influence of the liquid layer thickness in Steam Laser Cleaning of silicon wafers // Appl. Phys. A. -2003. - Vol. 77.- P. 117-123.

3. Neumann J. and Brinkmann R. Boiling nucleation on melanosomes and microbeads transiently heated by nanosecond and microsecond laser pulses // J. Biomed. Opt. - 2005. - Vol. 10 (2). -P. 024001(1-12).

4. Lienhard, J.H. Corresponding states correlations of the spinodal and homogeneous nucleation limits // J. Heat Transfer. - 1982. - V. 104. - P. 379-381.

5. Павлов П.А. и Никитин Е.Д. Кинетика зародышеобразования в перегретой воде // Теплофизика высоких температур. - 1980. - Т. 18. - №2.- С. 354-358.

6. Zhao Z., Glod S. and Poulikakos D. Pressure and Power Generation during Explosive Vaporization on a Thin-Film Microheater // Int. J. Heat Mass Transfer. -2000. - Vol. 43. - P. 281-296.

7. Kuznetsov V.V., Vasserman E.S. Explosive vaporization dynamics on a flat microheater // Proc. 3-rd International Symposium on Two-Phase Flow Modeling and Experimentation. - 2004. - Pisa. - Paper ven 04.

8. Bhaskar E.V. and Aden J.S. Development of the thin-film structure for the ThinkJet printhead // Hewlett-Packard Journal. - 1985. - Vol. 36. - N5. - P. 27-33.

© В.В. Кузнецов, И.А. Козулин, 2011