超微小的矽壓阻式熱引擎

工業革命是從對熱與動力的關係開始，因為發現了怎麼把熱有系統的轉成機械能，於是熱機開始推動了各種機器，把人從勞力中解放，才讓人類的社會進入了一個新的時代。傳統的熱機基本原理是經由熱機中介質的膨脹收縮，把能量由熱的流動中擷取能轉換成機械能的部分來使用。但是這樣的熱流動跟機械能的轉換其實發生在更多地方，不是只有像引擎那樣的設計才能做到。其中有一類的運動是因為不均勻加熱而讓物體表面產生流體的運動，當這樣的效應以微觀層次來看的時候，只有一個粒子放在流體裡，溫度梯度讓小粒子開始跟表面的流體有相對堆進，就會看到所謂的熱泳動現象－粒子會在溫度梯度中運動 －這個過程同樣是由熱流來產生機械能。

利用這樣的原理，影片中設計出一種單邊鍍金的玻璃小球，大小只有萬分之一公分。因為照射光之後，鍍金的那邊會因為吸收光而被加熱（就像陽光下金屬會很燙一樣），所以會讓周圍的液體開始往鍍金那方向流動，粒子自己則往沒有鍍金的方向跑。利用這種效應，只要把兩顆這樣的粒子接在一起，就變成了一個小旋轉引擎，只要一照光就不停的旋轉。影片中可以看到旁邊沒有固定的粒子正在做布朗運動，而被固定住的小馬達（有一半黑黑的粒子）也因為布朗運動而不停的前後擺。當一照光之後，固定的粒子開始旋轉，因為熱梯度產生的液體流動也把那些晃動的粒子吹開。這實驗證實了這樣的效應存在，只要好好設計也有很大的效果。這研究雖然設計簡單，但卻是貨真價實的熱引擎，或許一些微小機械設計有一天都能基於這樣的熱功原理被做出來。其實在自然界的生物中，各種生物分子也不停的消耗能量並轉換成各種分子運動，或許是細胞骨骼的變動，許是酵素的催化震動。也許過不了多久，熱機的概念跟粒子的非平衡運動就會走到跟生物分子相遇的那天了！

八月紀念特集: 屬於scimage的故事 – 非平衡軟物質 目錄

本文原發表於科學影像Scimage

[Original publish date:Jan 23, 2011]

編輯 HCC 報導

荷蘭物理學家利用矽壓阻材料［piezoresistive silicon］設計了超小的熱引擎，可能應用於鐘錶機構或機械感應器。原始論文：“Piezoresistive heat engine and refrigerator”，Nature Physics　(2011) , doi:10.1038/nphys1871

熱引擎一般依賴液體或氣體的膨脹與收縮而運作，當元件體積變的更小，工程師發現若需要獲得合理的功率輸出，要設計能處理高壓與流體速度的結構是相當的困難。由卡諾熱機方程式得知，效率需要極大的溫差，所以元件變小時，效率跟著降低，所以液體或氣體驅動的熱引擎體積很少會小於10的7次方 立方微米。

荷蘭NXP Semiconductors公司的Peter Steeneken與其同僚使用以結晶矽製作的壓阻塊克服了上述限制。壓阻材料的電阻隨著外加壓力而變化，受壓時，電阻增加，材料膨脹時，電阻降低。

Peter Steeneken研製的微小熱引擎包含一個平坦的結晶矽共振器，體積為1125 立方微米，於一端帶有兩支平行樑，體積很小，僅0.34 立方微米。共振器外觀很像附有一個重底座的音叉。因為兩支平行樑根部固定在基底上，所以當其中的一支樑以毫安培直流電加熱時，整個元件會上下撓曲。

元件操作的關鍵點為樑的溫度、壓縮與電阻之間的相互作用。當元件受壓時的電阻最大，電阻隨之增加溫度。不過升溫讓樑延伸，電阻跟著下降，溫度也往下落。低溫再次讓樑受壓，整個過程以超過1.2 MHz的頻率進行振盪運動。

Steeneken認為機械元件較單純的電子震盪器更為穩定，所以此元件可以替代鐘錶裏的石英震盪器與電子放大器，Steeneken也相信由於震盪頻率隨著質量大幅改變，因此該元件可以當作感應器。

甚至此熱引擎可以兼作致冷機［refrigerator］，此時兩支平行樑不與電流源連接，而接上電壓，所以經由布朗運動施加在元件上的震盪被減弱，因此能冷卻週遭環境。一個微小的致冷機能用來冷卻其他的機械感應器或鏡面，降低熱噪音，從而提高精度。

Steeneken的熱引擎係以電流加熱，Oregon State University工程師Richard Peterson認為若Steeneken能以熱源驅動震盪器，論文將更有見地。

參考來源：

• Physics World : Heat engine may be world’s smallest