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研究生: 白庭育
Pai, Ting-yu
論文名稱: 幾何外型對三維相切微管道流場之影響
A Study of Geometric Effect on the Flow-Field of Three-Dimensional Tangential Microchannels
指導教授: 李定智
Lee, Denz
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 航空太空工程學系
Department of Aeronautics & Astronautics
論文出版年: 2007
畢業學年度: 95
語文別: 中文
論文頁數: 92
中文關鍵詞: 流體交換三維微流體
外文關鍵詞: switch, three-dimensional, microfluidic
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  • 近年來微機電(MENS)技術迅速發展,並引發了微全分析系統
    (micro total analysis system)的研究,此系統具有體積小、檢測樣品少、反應時間快等優點,再結合微製程技術便可達到減少成本的效果。
    為了整合更多功能在有限的晶片面積上,不同平面的三維結構晶片是未來的發展潮流,但三維管道內的流場特性的探討在文獻上並不多見,其流場特性又足以影響數據的正確解釋,或是利用其特性來操控微管流體。
    本研究探討管道設計參數(管道寬、深)與實驗參數(流量)對上下兩道流體轉向的影響,也探討上下管道斜角交叉對流體轉向的影響。研究結果發現上下管道之深寬比(aspect ratio)為影響流體轉向的主要因素,管道之深寬比愈小,流體轉向的量會增加,而上下管道之流量比與匯流夾角也會影響流體轉向至另一管道的量。
    本研究之結果使我們對三維結構的管道其流場特性有進一步的了解,做為未來三維結構管道設計的一項新依據。

    In the past few years, microelectromechanical systems ( MEMS ) has attracted increasing interest, and it facilitates the study of micro total analysis system ( μTAS ). The system offers several potential advantages. It requires only small volumes of samples and reagents, produces little waste, offers short reaction and analysis times, is relatively cheap, and has reduced dimensions compared with other analytical devices.
    In order to integrate more capabilities into limited areas of a chip, the current trend is towards the 3D structured microchannel of different planes. However, fundamentals of the flow features of 3D microchannel are not fully understood. A better understanding of the flow mechanism is highly desired to interpret the experimental results and to provide guidance for design of microfluidic devices.
    This study explored the effects on fluidic exchange due to the dimensions (width and depth ), experimental conditions (flow rate) and geometries (the cross angle of two channels) in 3D crossing microchannels. The results indicated that the flow exchange at the crossing tangential microchannels was strongly dependent on their aspect ratio. The amount of the fluidic exchange will inversely increase with the aspect ratio (depth /width). In addition, the flow rate’s ratio and the cross angle of the two fluids did also influence the amount of the fluid exchange. The conclusions in this study will benefit the designing of 3D microchannel and its operation of experiment.

    摘要 Ⅰ Abstract Ⅱ 目錄 Ⅲ 表目錄 Ⅳ 圖目錄 Ⅶ 符號說明 XI 第一章 緒 論 1 1-1 前言 1 1-2 研究動機 2 1-3 研究目的 4 1-4 文獻回顧 5 第二章 基 礎 理 論 與 微 管 道 設 計 7 2-1 微尺度元件中流體力學特色 7 2-2 流體轉向原理 12 2-2-1 特定參數流體轉向理論 12 2-2-2 流阻(flow resistance) 13 2-3 晶片設計 17 第三章 實 驗 與 模 擬 系 統 設 定 19 3-1 實驗設備 19 3-2 微管道製程 20 3-2-1 母模製作 20 3-2-2 PDMS管道製作 27 3-2-3 管道接合 27 3-3 模擬系統架構 28 3-3-1 統御方程式 29 3-3-2 格點建立 30 3-3-3 模擬條件設定 31 3-3-4 模擬數值分析方法 31 第四章 結 果 與 討 論 33 4-1 確認CFDRC在本研究中之可靠性 33 4-1-1 CFDRC軟體模擬之驗證 34 4-1-2 管道等比例放大對AT之影響 35 4-2 CFDRC軟體之延伸模擬 36 4-2-1 SAF-AR模擬數據分析 36 4-2-2 SAF-Re模擬數據分析 37 4-2-3 SAf-AR模擬數據分析 38 4-2-4 SAf-AR流量 10:1 模擬數據分析 39 4-2-5 SAf-Re模擬數據分析 40 4-2-6 SAF匯流夾角30°、90°、150°模擬數據分析 41 4-3 三維相切微管道初步實驗測試 41 4-4 SAF匯流夾角30°、90°、150°實驗 42 4-4-1 三維相切管道氣泡問題 43 4-4-2 匯流夾角30°、90°、150°實驗結果 43 第五章 結 論 45 5-1 總結 45 5-2 未來展望 47 表2-1 微系統中參數與尺度關係 52 表2-2 SAF參數系統 53 表2-3 實驗晶片設計參數表 53 表3-1 晶圓污染源及影響 54 表3-2 濕式化學品清洗機制 55 表3-3 微影製程各種光源與其解析度之關係 55 表4-1 文獻管道外型參數表 56 表4-2 模擬參數設定表 56 表4-3 數值模擬與文獻實驗結果 57 表4-4 SAF參數設定表 57 圖1-1 微縮實驗室晶片結構示意圖 57 圖1-2 流體在管道中的切換效果 58 圖1-3 十字管道流阻關係示意圖 58 圖1-4 以PDMS製作各組件並疊合所形成之整合系統 59 圖2-1 不同微尺度下其應用關係圖 59 圖2-2 連續流體與分子流之區分 60 圖2-3 不同微尺度下其應用關係圖 60 圖2-4 表面張力示意圖 61 圖2-5 親水性與疏水性表面材質液體受表面張力作用示意圖 61 圖2-6 管道外型參數示意圖 62 圖2-7 流場分佈形態示意圖 63 圖2-8 矩形管流圖 63 圖2-9 循環分離式晶片 64 圖2-10 不同匯流夾角晶片設計圖 64 圖2-11 對準器環形陣列示意圖 64 圖2-12 多邊形外圍對準器 65 圖3-1 實驗設備圖 66 圖3-2 旋轉塗佈機 66 圖3-3 紫外光照射SU8負光阻產生交連結構與酸鹼性變化 67 圖3-4 駐波效應引起的光強度變化 68 圖3-5 曝後烤前後駐波效應的變化 68 圖3-6 PDMS通道晶片製作與接合 69 圖3-7 氧電漿機 69 圖3-8 晶片完成圖 70 圖3-9 匯流夾角90°管道格點設定 70 圖3-10 匯流區域平行四邊形網格 71 圖3-11 離開匯流區梯形網格 71 圖3-12 格點數值取法示意圖 72 圖4-1 三維相切管道示意圖 73 圖4-2 AR-QT圖 73 圖4-3 相切管道外型 74 圖4-4 濃度液轉向離開匯流區400 μm 處截圖 74 圖4-5 AR=0.44 實驗與模擬截圖比較 75 圖4-6 實驗與模擬結果之比對圖 75 圖4-7 文獻使尺寸與寬400 μm模擬AR-AT圖 76 圖4-8 SAF-AR濃度液離開匯流區400 μm處截圖 76 圖4-9 SAF AR-AT圖 77 圖4-10 SAF-Re濃度液轉向離開匯流區400 μm處截圖 77 圖4-11 SAF-Re AR-AT圖 (AR=0.1) 78 圖4-12 距離匯流區400 μm處管道中心橫切速度分佈圖 78 圖4-13 400-40 相同流量與不同流量出口截圖 79 圖4-14 SAf-AR濃度液離開匯流區400 μm處截圖 79 圖4-15 SAF-AR AR-AT圖 80 圖4-16 SAF與SAf在各個AR時的AT之比較圖 80 圖4-17 SAf-10:1濃度液離開匯流區400 μm處截圖 81 圖4-18 SAf- 10:1 AR-AT圖 81 圖4-19-a 不同流量與相同流量AR-AT圖1 82 圖4-19-b 不同流量與相同流量AR-AT圖2 83 圖4-20 SAf-Re濃度液離開匯流區400 μm處截圖 84 圖4-21 SAf-Re AR-AT圖 (AR=0.1) 84 圖4-22 SAF-Angle濃度液離開匯流區400 μm處截圖 85 圖4-23 SAF-Angle AR-AT圖 (AR=0.1) 85 圖4-24 利用CO2雷射光刻製程所製造之晶片 86 圖4-25 實驗與模擬流場分佈形態 86 圖4-26 匯流區氣泡阻塞圖 87 圖4-27 氣泡衝擊前後示意圖 87 圖4-28 三種不同匯流夾角晶片 88 圖4-29 長條狀粒子示意圖 88 圖4-30 實驗結果Angle-ATe圖 89 圖4-31 曝光時間ㄧ秒之粒子軌跡圖 89 圖4-32 實驗之粒子分佈與模擬濃度分佈比對圖 91 圖4-33 實驗ATe與模擬AT 91

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    下載圖示 校內:2008-09-07公開
    校外:2008-09-07公開
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