超微小的矽壓阻式熱引擎

[Original publish date:Jan 23, 2011]

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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