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研究生： 顧安平
Ku, An-Ping
論文名稱： 三維匯流微流管道之流場研究
A Study of the Flow-Field on Three-Dimensional Merging Micro-Flow
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： 91
中文關鍵詞： 介面 、流場 、三維 、微流體
外文關鍵詞： interface, flow-field, microfluidic, Three-dimensional
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    • 微型擴散分離晶片為近年來生醫檢測晶片熱門的發展重點之一，其優點為在不對樣本施加任何外力之情況下，可進行不同細胞尺寸之分離。理想之擴散分離晶片，應朝向擴散距離短，擴散面積大之設計。然而在二維管道架構下，此種高深寬比(aspect ratio)之微流管道受制於微機電製程，短時間內無法以較普及之技術製造。為了達到理想之擴散分離目的，本研究欲以三維匯流之微管道設計克服上述之限制。
    本研究以CO2雷射光刻製程，以Polyethylene terephthalate(PET) , Polymethyl methacrylate(PMMA)運用堆疊方式製作三維匯流微流管道，並以螢光檢測法分析其流場。由實驗結果得知，我們發現兩道三維匯合之層流介面並不為平行分佈，而呈現一傾斜之立體分佈之流場特性。
    雖然各式三維晶片蓬勃發展，但其流場特性鮮少文獻探討；三維微管道流場特性，預計對於晶片之實驗定量數據準確性及可靠性有很大影響。使得微流道內之流場探討有其基本重要性。
    本研究藉由設計三維匯流微流道之實驗與模擬，分析探討寬深比、雷諾數、流量、曲率半徑以及入口長度等參數對三維微流場之分佈影響，使我們對三維結構的管道之流場特性與機制有進一步的了解，可做為未來三維微結構管道設計研究之新依據。

    The diffusion-based microchip for separation is an important technology for sample analysis in bio-chip science. The advantage is that bio-particle can be separated without applying any other force. The ideal design of such microchips should have less diffusion length and larger diffusion area. With traditional two dimensional configurations, it means a high aspect ratio microchannel, and it is hard to fabricate with current MEMS technology. In this study, we design three dimensional merging microchannels to achieve the goal mentioned above.
    The study employed CO2 laser fabrication technique for building microchannel by laminating PET and PMMA layers, and analyzed its flow-field by fluorescence method. We have proved that the distribution of the two laminar flows is not parallel in 3-D merging micro-flow by experiments. The interface is tilted and three dimensional. We have confirmed it is the flow-field characteristic in this 3-D configuration.
    Though the development of 3-D microchip is popular in recent years, the studies on its flow-field characteristic are few. We believe the findings in the current study will affect the data analysis and reliability of such type of microchip.
    The study discussed the effect of aspect ratio, Reynolds number, and flow rate, curvature of radius and entrance length on its flow field. By the analysis of parameters above, we have better understanding of mechanism and characteristic of 3D micro flow-field for further researches.

    摘 要 I ABSTRACT II 誌 謝 III 目 錄 V 表 目 錄 VII 圖 目 錄 VIII 符 號 說 明 XII 第一章 緒 論 1 1.1 研究背景與目的 1 1.2 研究動機 2 1.3 研究目的 3 1.4 文獻回顧 4 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 擴散分離原理 12 2.2.1 分子擴散理論 12 2.2.2 H型微流道擴散分離機制 15 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 實驗晶片製作 20 3.3 實驗系統架構 22 3.3.1 擴散分離實驗平台 22 3.3.2 定性分析系統架構 23 3.4 實驗方法 23 3.5 模擬系統建構 25 3.5.1 統御方程式 25 3.5.2 格點建立 27 3.5.3 模擬條件設立 27 3.5.4 模擬數值分析方法 28 第四章 結 果 與 討 論 29 4.1. 系統架設之探討 29 4.2.1. 雷射光刻製程之微管道產品結果探討 29 4.2.2. 微管道介面現象之探討 30 4.1.3 影像處理分析之探討 32 4.2 流體於3D微流道之初始測試 33 4.2.1 2D平行流實驗驗證 34 4.2.2 3D晶片流體分佈實驗結果 34 4.2.3 以隔板控制入口條件之流體分佈情形 35 4.3 R型3D晶片流體分佈實驗結果 36 4.3.1 r型晶片之流體分佈情形 37 4.3.2 r型晶片實驗數據分析 38 4.4 R型3D晶片模擬試驗與實驗比對 39 4.4.2 不同寬深比之r型晶片模擬結果與實驗數據比對 40 4.4.3 給定不同流量比例r型晶片模擬結果與實驗數據比對 41 4.5 3D匯流晶片幾何外型模擬延伸 42 4.5.1 曲率半徑 42 4.5.2 入口長度 43 第五章 結 論 44 5.1 總結 44 5.2 未來展望 46 參考文獻 48 表 2-1 微系統中參數與尺度關係 51 表 3-1 CO2雷射光刻參數 52 表 4-1 實驗相關設計參數關係 53 表 4-2 20℃液、固體表面張力值 54 表 4-3 晶片型式與命名 55 圖 1-1 微縮實驗室晶片結構示意圖 56 圖 1-2 離心法流程圖 56 圖 1-3 擴散分離示意圖 57 圖 1-4 以各式高分子材料薄膜疊合形成之微流晶片 57 圖 1-5 以PDMS製作各組件並疊合所形成之整合系統 58 圖 1-6 三維相切管道流體之切換效果 58 圖 2-1 不同微尺度下其應用關係圖[29] 59 圖 2-2 連續流體與分子流之區分 59 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 60 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 二維H型微流道擴散分離示意圖 61 圖 2-7 三維匯流式擴散晶片分解圖 62 圖 2-8 微管道設計圖：2D 單位（MM） 63 圖 2-9 微管道設計圖：Y 單位（MM） 63 圖 2-10 微管道設計圖：Y-SP 單位（MM） 63 圖 2-11 微管道設計圖：R 單位（MM） 64 圖 3-1 實驗設備圖 65 圖 3-2 CO2雷射光刻機 66 圖 3-3 雙面塗佈有壓感性黏膠之PET薄膜 66 圖 3-4 晶片成品 67 圖 3-5 系統架設關係 67 圖 3-6 管道截面格點設定 68 圖 3-7 匯流扇型區域格點形狀設定 68 圖 3-8 整體格點設定示意圖 69 圖 3-9 CFDVIEW 所擷取之濃等濃度線原始資料與相關設定 69 圖 4-1 利用CO2雷射光刻製程所製造之晶片 70 圖 4-2 氣泡阻塞管道影響流體分佈 70 圖 4-3 光度測量及校正示意圖 71 圖 4-4 3D管道之理想之分流狀態與分離差異示意圖 72 圖 4-5 運用新製程製作之2D分離管道流場觀測圖 73 圖 4-6 Y型晶片所觀察之流體分佈情形 74 圖 4-7 Y-SP之流場觀測結果 75 圖 4-8 R(A) 1000/60晶片之流場觀測實驗結果 76 圖 4-9 R(B) 晶片之流場觀測實驗結果 77 圖 4-10 R1(C) 晶片之流場觀測實驗結果 78 圖 4-11 R(D) 晶片之流場觀測實驗結果 79 圖 4-12 各型R型管道實驗數據 80 圖 4-13 R型實驗數據統整及比較 81 圖 4-14 R型管道模擬外型配置 82 圖 4-15 R型管道剖面 等濃度線圖 82 圖 4-16 R型管道模擬剖面等濃度線座標圖 83 圖 4-17 R型管道模擬結果─無因次化 83 圖 4-18 無因次化R型管道實驗/模擬結果比較 84 圖 4-19 R型管道500/120 不同流量比例實驗結果 85 圖 4-20 R型管道500/120 不同流量比例模擬截面圖 85 圖 4-21 R型管道500/120 不同流量比例模擬數據處理結果 86 圖 4-22 R型管道500/120 不同流量比例實驗數據/模擬結果比對 86 圖 4-23 曲率半徑示意圖 87 圖 4-24 曲率半徑測試模擬等濃度線圖 88 圖 4-25 管道中心等濃度線斜率與曲率半徑關係圖 88 圖 4-26 管道中心等濃度線斜率與DEAN NUMBER 關係圖 89 圖 4-27 同曲率半徑不同入口長度之模擬外型 89 圖 4-28 入口長度測試等濃度線圖 90

    1. A Radbruch, “Flow cytometry and call sorting”, Springer-Verlag Inc., 77-11 (1992).
    2. T.S. Paul, “Methods of cell separation”, Elsevier, 23-26 (1988).
    3. M. Berger, J. Castelino, R. Huang, M. Shah, R. H. Austin, “Design of a microfabricated magnetic cell separator”, Electrophoresis, 22, 383-3892 (2001).
    4. K. Asami, E. Gheorghiu,T. Yonezawa,”Dielectric behavior of budding yeast in cell separation”, Biochimica et Biophysica Acta, 1381, 234-239(1998).
    5. P.R.C. Gascoyne, X.B. Wang, Y.Huang, F.F. Becker, “Dielectrophoretic separation of cancer cells from blood”, IEEE Transactions on Industry Applications, 33, 670-678(1997)
    6. C. S. Effenhauser, A. Manz A., H. M. Widmer, “Glass chips for high-speed capillary electrophresis separations with submicrometer plate heights” Analytical Chemistry, 65, 2637-2642(1993).
    7. A. T. Woolley, K. Q. Lao, A. N. Glazer, R. A. Mathies, “Capillary electrophoresis chips with integrated electrochemical detection”, Analytical Chemistry, 70,684-688(1998).
    8. J. P. Brody, P. Yager, ”Diffusion-based extraction in a microfabricated device”. Sensors and Actuators A, 58, 13-18 (1997).
    9. H. A. Stone, A. D. Stroock and A. Ajdari, “Engineering flows in small devices: Microfluidics toward a Lab-on-a-chip,” Annu. Rev. Fluid Mech, 36:381-411, (2004).
    10. J. P. Brody, P. Yager, R. E. Goldstein and R. H. Austin, “Biotechnology at Low Reynolds Numbers” Biophysical Journal, 3430-3441, (1996).
    11. S. Levin, J.C. Giddings, “continuous Separation of particles from macromolecules in split-flow thin (SPLITT) Cells”, Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 50,43-56(1991).
    12. J.C. Giddings, “Field-flow fractionation : separation and characterization of macromolecular-colloidal-particulate materials”, Science, 260, 1456-1465 (1993).
    13. P.S. Willams, et al, “Continuous SPLITT fractionation based on a diffusion mechanism”, Industrail and Enginnering Chemistry Research, 31, 2172-2181 (1992).
    14. J. P. Brody, T. D. Osborn, F. K. Forster, P. Yager, “A planer microfabricated fluid filter”, Sensors and Actuators A (Physical), A5, 704-708(1996).
    15. B. H. Weigl, M. R. Holl, D. Schutte, J. P. Brody, P. Yager, ”Diiusion-based optical chemical detection in silicon flow structures”, Analytical method and instrumentation, Proceedings of μTAS’96, 174-184 (1996).
    16. A.E. Kamholz, B.H. Weigl, B.A. Finlayson, P. Yager, “Analysis of Molecular Interaction in a Microfluidic Channel: The T-Sensor”, Analytical Chemistry, 71, 5340-5347 (1999).
    17. B.H. Weigl, P. Yager, “Microfluidic diffusion-based separation and detection”, Science, 283(5400), 346-347 (1999).
    18. A. E. Kamholz, P. Yager, “Theoretical analysis of molecular diffusion in pressure-driven laminar flow in microfluidic channels”, Biophysical Journal, 80, 155-160 (2001).
    19. A. E. Kamholz, P. Yager, “Molecular diffusive scaling laws in pressure-driven microfluidec channels: deviation from one-dimensional Einstein approximations” Sensors and Actuators B, 82(1), 117-121 (2002).
    20. P. Yager,”Transverse diffusion in microfluidic systems”, Lab-on-a-chip: Chemistry in miniaturized synthesis and analysis systems. (2003).
    21. B. H. Weigl, “Lab-on-a-chip-based separation and detection technology for life science applications” American biotechnology laboratory, 20:1, 28-30
    22. B. H. Weigl, R. Bardell, T. Schulte, “Design and rapid prototyping of thin-film laminate-based microfluidic devices”, Biomedical microdevices, 3, 4, 267-274, (2001).
    23. P. Krulevitch, W. Benett, J. Hamilton, “Polymer-based packaging platform for hybrid microfluidic systems”, Biomedical microdevices, 4, 4, 301-308, (2002).
    24. R. F. Ismagilov, D. Rosmarin, P. J. A. Kenis, D. T. Chiu, W. Zhang, H. A. Stone, and G. M. Whitesides, “Pressure-Driven Laminar Flow in Tangential Microchannels: an Elastomeric Microfluidic Switch”, Analytic. Chemistry, 73, 4682-4687, (2001).
    25. H.C. Berg, E.M. Purcell, “The physics of chemoreception”, Biophysics, 20, 193-219, (1977).
    26. Steve Wereley,”Nano-bio-micro fluids tutorial”, Nanotech 2004.
    27. O. Reynolds, “An experimentsl investigation of the circumstances which determine whether the motion if water shall be direct or sinuous and the law of resistance in parallel channels”, Philosophical Transactions of the Royal Society of London A, 174-935 (1883).
    28. X. F. Peng, G. P. Peterson, B. X. Wang, “Frictional flow characteristics of water flowing through rextangular microchannel”, Experimental Heat transfer, 7, 249-264 (1994).
    29. Gad-el-Hak, “The Fluid Mechanics of Microdevices-The Freeman Scholar Lecture”, Journal of Fluids Engineering, Vol. 121 (1999).
    30. P. Wu, W. A. Little, “Measurement of friction factors for the flow of gases in very fine channels used for microminiature Joule-Thomson refrigerators”, Cryogenics, 23, 273-277 (1983).
    31. S. Levin, J.C. Giddings, “Rapid diffusion coefficient measurements using analytical SPLITT fractionation : application to proteins”, Analytical Biochemistry, 208, 80-87, (1993).
    32. B.H. Weigl, “Microfluidics-based lab-on-a-chip systems”, (2000)
    33. CRC Handbook of chemistry and physics, CRC Press.
    34. Reist、鄭福田、劉希平, “微粒導論”, 國立編譯館, 2001年.

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