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研究生:尤宏仁
研究生(外文):Hung-Jen Yu
論文名稱:多孔矽毛細結構微迴路式熱管之研製
論文名稱(外文):Fabrication of Micro Loop Heat Pipe with Porous Silicon Wick Structure
指導教授:康尚文
指導教授(外文):Shung-Wen Kang
學位類別:碩士
校院名稱:淡江大學
系所名稱:機械與機電工程學系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2003
畢業學年度:91
語文別:中文
論文頁數:66
中文關鍵詞:二相流多孔矽迴路式熱管微機電
外文關鍵詞:Two phase flowporous siliconloop heat pipeMEMS
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本研究製作多孔矽毛細結構之微迴路式熱管,其由蒸發端、汽相流道、冷凝端以及液相流道所組成。多孔矽毛細結構使用陽極電化學蝕刻方式在面積11mm×10mm的晶片上製作,圖形為4μm×4μm的方孔陣列,間距為10μm,而孔隙度為8.15%。蒸發端結構由矽晶片與7740玻璃以陽極接合構成。汽相流道、液相流道使用透明的太空管,方便於做視流觀察。冷凝端則以維持16℃之冷卻循環水通過內徑3mm、長度40mm之紅銅管構成。以去離子水當工作流體。多孔矽毛細結構微迴路式熱管從加熱功率為6瓦時啟動產生蒸汽,啟動後熱阻從10.94℃/W下降為0.27℃/W。

A micro loop heat pipe(MLHP)with porous silicon wick structure has been fabricated and characterized. Porous silicon was fabricated by anodic electrochemical etching on a 11mm×10mm wafer area, had a pore diameter of 4μm, pore pitch of 10μm and wick porosity of 8.15%. The evaporator was realized by bonding a 7740 glass wafer to the silicon substrate. Transparent tygon tube was used as vapor line、liquid line for two phase flow visualization. The condenser with a 3mm×40mm copper tube was maintained the temperature to 16℃ by pumping flow of cooling water. Water was used as the working fluid. MLHP started up when heat load is at 6 W and had a thermal resistance of 0.27℃/W.

總目錄
中文摘要……………………………………………………. .Ⅰ
英文摘要……………………………………………………...Ⅱ
總目錄………………………………………………………...Ⅲ
圖目錄.……………………………………..…………………Ⅵ
表目錄.…………………………...……………...……………Ⅷ
符號說明…………………………………………………….. Ⅸ
第一章 緒論……..….………………………………………………… 1
1-1 研究動機………………………………………………… 1
1-2 研究背景…..…….……………………………………… 2
1-3 研究目的…..…………………………………….………6
第二章 理論簡介……....…………………………………………7
2-1 矽陽極電化蝕刻…………………………………………7
2-1.1 矽陽極電化蝕刻成形機制……………………….7
2-1.2 矽電化學的特性…………….……………………9
2-2 迴路式熱管作動原理………..…………..…………..13
2-2.1 LHP毛細壓差....………………………………..15
2-2.2 LHP啟動機制…………………………………...16
2-2.3 LHP補償室過冷度…………………………...…17
2-3 MLHP壓力降關係…..….…………………..………….18
2-4 操作溫度與飽和壓力差…………………..……………19
2-5 微熱管之熱傳限制…………………………………..…20
第三章 設計與製程………………...……………………………...23
3-1 微迴路式熱管設計...…………….……………….……23
3-2 多孔矽毛細結構備製…………......……………….……25
3-2.1 試片前置處理……………………….…………..25
3-2.2 陽極電化蝕刻….………………….…………….27
3-2.3 試片觀察與切割….……………….…………….28
3-3 蒸發端結構製程7740蝕刻….…………………………30
3-3.1 光微影製程……….……………….…………….30
3-4 封裝………………...……………………………………33
3-4.1 陽極接合……….……………….……………….34
3-4.2 管路接合……….……………….……………….35
3-5 工作流體充填…………………………………………37
3-5.1 加熱排氣法…….……………….……………….37
第四章 性能測試與觀察…………………………………..39
4-1 性能評估……….…………………………….…………39
4-2 測試設備…………..……………..………………...…40
4-3 MLHP性能測試…….…………………………………..42
4-4 MLHP視流觀察…….…………………………………..43
4-5 MLHP充填量……….…………………………………..44
第五章 實驗結論與討論…………………………………..45
5-1 MLHP啟動機制………..……………….………………45
5-2 工作溫度與壓力……..………………….………………48
5-3 MLHP性能分析…………………………………………49
5-4 MLHP視流觀察現象……………………………………51
5-4.1 熱洩漏…….……………….………..…………….52
5-4.2 工作流體的連續性.……….………..…………….52
第六章 結論……………………………………………….54
6-1 總結……………………………………………………..54
6-2未來研究與建議………………………………………...55
參考文獻……………………………………….…………56
附錄一……………………………………………………59
附錄二……………………………………………………60
附錄三……………………………………………………61
附錄四……………………………………………………62
附錄五……………………………………………………66
圖目錄
圖1.1 微小型CPL………………………………….…………..….……4
圖1.2 MEMS-Based Micro-CPL…………………………………….…..4
圖1.3小型LHP………………………………………………………….5
圖1.4 微型迴路式熱管厚度跟一便士硬幣的比較…………………….5
圖2.1 矽陽極電化學反應機制………………………………………….8
圖2.2 蝕刻型態與偏壓關係圖…………………………………...……..9
圖2.3 孔的形狀與偏壓關係圖……………………...…………………..9
圖2.4 矽在氫氟酸電解液中的電流-電壓﹙I-V﹚特性…..…………..10
圖2.5(a)低摻雜濃度試片(b)高摻雜濃度試片…………………..12
圖2.6 迴路式熱管(LHP)作動示意圖……………………………….14
圖2.7 LHP溫度與各元件壓力降關係示意圖………...……………..14
圖2.8 操作溫度與飽和壓力關係圖………….………………………..20
圖3.1 MLHP蒸發端結構示意圖………………...…………………….24
圖3.2 多孔矽製作流程……………………...…………………………27
圖3.3 陽極電化反應蝕刻槽………………...…………………………28
圖3.4 蝕刻裝置示意圖…………………………...……………………28
圖3.5 多孔矽表面SEM圖……….………...………………………….29
圖3.6 多孔矽剖面…………………………………………..………….29
圖3.7 蒸發端結構之膠片光罩…………………..…………………….30
圖3.8 矽蝕刻深度……………………………………...………………32
圖3.9 雷射加工表面(500X)…………...………………………………33
圖3.10 7740玻璃蝕刻深度……………...……………..………………33
圖3.11 7740玻璃與矽陽極鍵合示意圖…………….…………………34
圖3.12 陽極接合完成圖……………………………………………….35
圖3.13 MLHP完成圖………………………………………………….36
圖3.14 多孔矽毛細結構蒸發端……………….………..……………..36
圖3.15 微流道毛細構結蒸發端………….……………………………36
圖3.16 加熱排氣法………………….…………………………………38
圖4.1 測試平臺示意圖…………….…………………….…………….40
圖4.2 MLHP實驗架構………………………………...……………….41
圖4.3 恆溫槽與熱源電源供應器圖………….…….………………….41
圖4.4 MLHP溫度量測點示意圖…………….……...…………………43
圖5.1 飽和蒸汽產生……………………...……………………………45
圖5.2 工作流體未充填,多孔矽毛細結構加熱功率與量測點溫度關係圖…………………………………………………………….…..46
圖5.3 工作流體充填,多孔矽毛細結構加熱功率與量測點溫度關係圖………………………………………..……………..………...46
圖5.4 工作流體未充填,微流道毛細結構加熱功率與量測點溫度關係圖...…………………..…………………………………….…….47
圖5.5 工作流體充填,微流道毛細結構加熱功率與量測點溫度關係圖………………………….………………………….…..……..47
圖5.6 壓力過大,7740玻璃爆裂現象……….…….…………………49
圖5.7 多孔矽毛細結構之熱阻與加熱功率關係圖…….………….….50
圖5.8 微流道毛細結構之熱阻與加熱功率關係圖.…..………………50
圖5.9 迴路式熱管啟動情形……………..……………………….……51
圖5.10 飽和蒸汽阻礙液相流道……………………...………………..52
圖5.11工作流體連續之時間與溫度暫態關係圖………..……………53
圖5.12 工作流體不連續之時間與溫度暫態係圖……..….…………53
表目錄
表2.1 P型及N型在HF電解液的電化學特性……………….….…10
表2.2 毛細結構等效毛細半徑…………………….…………………18
表4.1 實驗量測之毛細結構……………….…………………………42

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