マイクロ熱流体システムにおける多孔質構造と超微細加熱

• Project/Area Number: 14702029
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Thermal engineering
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 高橋 厚史 九州大学, 大学院・工学研究院, 助教授 (10243924)
• Project Period (FY): 2002 – 2004
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2004)
• Budget Amount: ¥30,030,000 (Direct Cost: ¥23,100,000、Indirect Cost: ¥6,930,000); Fiscal Year 2004: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2003: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000); Fiscal Year 2002: ¥20,150,000 (Direct Cost: ¥15,500,000、Indirect Cost: ¥4,650,000)
• Keywords: マイクロチャンネル / ポーラスシリコン / ナノヒーター / 濡れ性 / 断熱性能 / マイクロマシン / 電子線直接描画 / マイクロヒーター

Research Abstract

医療、化学分析、動力源など物質や熱の移動が性能を支配するシステムの高度化・小型化・機能化を図るべく、MEMS技術を用いて製作したマイクロチャンネル中の気液二相系の熱流体現象を、壁面構造や熱制御方法など設計の立場から探求した。
壁面構造については多孔質面に着目し、その断熱性能と撥水性能に関する研究をさらに進展させた。断熱に関しては、多孔質部の厚さを増すことがなによりも肝要である。そこで、昨年までは表からの光照射によって数ミクロンのポーラスシリコンが形成されていたが、今年度は裏面から照射することで約8時間で厚さ120ミクロンのポーラス化に成功した。また、シリコン基板を用いたMEMS技術では各種の酸化シリコンを積層して利用するため、その酸化シリコン間の熱抵抗について詳しく調べた。結果としては酸化シリコンの成膜方法によって大きく熱抵抗が異なり、上層が低温プロセスであることが断熱性能強化には有効であることなどがわかった。
また、昨年度に接触角150度の超撥水性を達成したポーラスシリコンであるが、そのメカニズムが十分わからなかったため、今年度は電子線リソグラフィーを用いてナノオーダーの微細構造と接触角との関係を調べた。境界線の跡を電子顕微鏡で観測して、その場合の接触線付近では表面張力の作用が強く働いていることが明らかになった。
超微細な加熱については、同じく電子線リソグラフィーを用いて1ミクロンより細い白金線を基板から0.2ミクロン程度浮かしたものを製作してその物性を調べた。ナノ熱線特有の物性変化の発見とともに、ヒーターとしての実用化手法を確立することができた。

Research Products

• [Journal Article] MEMS技術と宇宙用推進機 (2004)
  • Author(s): 高橋厚史
  • Journal Title: 日本航空宇宙学会誌 52-609 Pages: 262-266
  • NAID: 10013650795
• [Journal Article] Nano Heater-Fabrication and Application- (2004)
  • Author(s): Koji Takahashi, et al.
  • Journal Title: Proc.1st Int.Forum Heat Transfer, Nov.24-26,2004,Kyoto Japan Pages: 217-218
• [Journal Article] Explosive Powders for Further Miniaturization of MEMS Rocket (2004)
  • Author(s): T.Okada, Y.Yamada, H.Ebisuzaki, T.Ikuta, K.Takahashi
  • Journal Title: Technical Digest of PowerMEMS 2004,Nov.28-30,2004,Kyoto Japan Pages: 56-59
• [Journal Article] MEMS-BASED CATALYTIC MICRO-REACTOR FOR DECOMPOSITION OF FLUIDS (2004)
  • Author(s): Y.Dan, M.Kishida, T.Ikuta, K.Nagayama, K.Takahashi
  • Journal Title: Micro Total Analysis Systems 2004 2 Pages: 70-72
• [Journal Article] MEMS Chemical Propulsion Research Activities in Kyushu University (2004)
  • Author(s): Koji Takahashi
  • Journal Title: Proc.24th Intl.Symp.on Space Technology and Science, May 30-June 6,2004,Miyazaki, Japan (Selected Papers) Pages: 240-245
• [Journal Article] POROUS SILICON AS A SUPERHYDROPHOBIC MICROCHANNEL SURFACE (2004)
  • Author(s): Koji Takahashi
  • Journal Title: The 1st Intl.Symp.Micro & Nano Technology, March 14-17,2004.Honolulu, Hawaii, USA (CD-ROM)
• [Publications] K.Takahashi: "Modeling of Surface Tension in Fluidic MEMS Using the Level-Set Method"Technical Proceedings of 2003 Nanotechnology Conference and Trade Show, San Francisco, 2003. 182-185 (2003)
• [Publications] Sotowa, Miyagawa, Zhao, Kusakabe, Morooka, Takahashi: "Fabrication of a Microevaporator Equipped with a Piezoelectrically-Driven Diaphragm Pump"J.CHEMICAL ENGINEERING OF JAPAN. 36-1. 7-13 (2003)
• [Publications] K.Takahashi, T.Ikuta, K.Nagayama: "MICROHEATER-TRIGGERED MICROPUMP BY THERMAL ENERGY RECYCLING"FLUCOME'03, Seventh Triennial International Symposium on Fluid Control, Measurement and Visualization, Sorrento, Italy, 2003. (CD-ROM). (2003)
• [Publications] 尾崎靖彦, 高橋厚史: "超小型人工衛星用液体燃料型マイクロスラスタの熱流体現象"電気学会論文誌E. 123-10. 436-441 (2003)
• [Publications] K.Takahashi, Ikuta, Nagayama, Takaka, Asano: "SIMPLE FABRICATION OF HYDROPHOBIC SURFACE FOR HIGH-TEMPERATURE MICROSYSTEMS"Micro Total Analysis Systems 2003. 1. 503-506 (2003)
• [Publications] H.Ebisuzaki, K.Takahashi: "DESIGN AND TESTING OF MULTI-PULSE MEMS SOLID ROCKET"Technical Digest Power MEMS 2003. 149-152 (2003)
• [Publications] 古賀光, 土井原良次, 高橋厚史: "マイクロチャンネル中での気液界面のダイナミクスに関する数値解析"日本機械学会論文集B編. 68巻669号. 1344-1351 (2002)
• [Publications] Koji TAKAHASHI, et al.: "Thermal Micropump Using Surface Tension Imbalance in Microchannels"Micro Total Analysis Systems 2002. Vol.1. 130-132 (2002)
• [Publications] Koji TAKAHASHI, et al.: "Design and Testing of a Micro Bubble-Pumped Heat Pipe"Proc. 2002 ASME Int. Mechanical Eng. Cong. Exposition. 2002-33648. 1-6 (2002)
• [Publications] Yasuhiko OSAKI, Koji TAKAHASHI et al.: "Vaporizing Liquid Microthruster in Space Environment"Proc. Twenty-third International Symposium on Space Technology and Science. Vol.1. 290-294 (2002)
• [Publications] 高橋厚史: "MEMSのトレンドと微小気泡のダイナミクス"混相流. 16巻3号. 198-206 (2002)