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研究生: 羅珮瑄
Lo, Pei-Hsuan
論文名稱: 管道構型對微混合器的影響
The effect of geometry on mixing efficiency in a micromixer
指導教授: 李定智
Li, 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: 2010
畢業學年度: 98
語文別: 中文
論文頁數: 79
中文關鍵詞: 三維交錯微管道深寬比
外文關鍵詞: 3-D crossing microchannel, aspect ratio
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  • 三維交錯微管道具有許多應用的可能,例如流體轉換、混合等。此論文主要目的為延續前人的研究,詳細探討管道之不同參數(參數包括角度、深寬比、l參數)對微混合器混合功能的影響,並找出最佳參數組合,使混合效能提高。
    本研究利用CFD-RC 數值模擬軟體來確認此三維結構中的流場與混合特性,再以墨水、螢光染劑、螢光顆粒進行實驗,比對數值模擬結果與實驗結果是否有一致性。實驗的後處理方法是使用ImageJ 影像處理軟體對螢光顆粒計數及染料光強度的結果進行分析,得知混合效能的好壞。相信經過這些參數測試後,能對相關元件中的流體控制特性提供一些有用的參考。
    結果顯示,角度90度、l參數為25 μm、深寬比第一到第四截面為0.4的混合器具備了分離合併(SAR)的多層板流與混沌的混合機制,展現了相當優異的混合效能,未來具有流體輸送、控制、混合應用的可能。

    Three-dimensional crossing microchannel can be applied in many ways, such as liquid switching and mixing. To extend previous studies, this thesis investigates the effects of different parameters―angles, aspect ratio, and l parameter on the efficiency of micromixer. Attempts have been made to find out the optimized combination of parameters so as to enhance the mixing efficiency.
    This thesis utilized CFD-RC simulation software to calculate the flow and mixing characteristics―followed by experiments using ink dye and fluorescent dye to examine the consistency between the results of the simulation and experiments. The post-processing software ImageJ was used to analyze particle counting and light intensity so as to quantify the mixing efficiency. This thesis aims to provide useful guidelines for the control of flow in microfluidic after the comprehensive investigation of these parameters.
    As the results showed, microchannel with the crossing angle of 90 degrees, l parameter equal to 25 μm, and aspect ratio of 0.4 enhanced mixing efficiency significantly. In this regard, microchannel with 3-D crossing structure features a simple but robust mixing device.

    目錄 摘要 Ⅰ Abstract Ⅱ 誌謝 Ⅲ 目錄 IV 表目錄 VII 圖目錄 VIII 符號說明 X 第一章 緒 論 1 1-1 前言 1 1-2 研究動機 2 1-3 研究目的 3 1-4 文獻回顧 4 1-5 微混合器介紹 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 擴散分離原理 11 2-2-1 分子擴散理論 11 2-2-2 微流道擴散分離機制 14 2-3 流體轉向原理[22] 15 2-4 晶片設計 16 第三章 實 驗 與 模 擬 系 統 設 定 18 3-1 黃光微影製程 18 3-1-1 母模製作 18 3-1-2 PDMS管道製作 24 3-1-3 管道接合 25 3-2 實驗系統架構 25 3-2-1 實驗設備 25 3-2-2 實驗方法 26 3-3 模擬系統架構 27 3-3-1 統御方程式 28 3-3-2 模型與格點建立 29 3-3-3 基本假設與模擬條件設定 30 3-3-4 模擬結果後處理 31 第四章 結 果 與 討 論 32 4-1 數值模擬結果 32 4-1-1 格點獨立測試 32 4-1-2 模擬結果探討 32 4-2 實驗結果 35 4-2-1 染劑與光度關係 35 4-2-2 墨水實驗 36 4-2-3 Rhodamine 6G實驗 37 4-2-4 螢光顆粒實驗 38 4-3 微混合器加強型設計 38 4-4 誤差原因探討 39 第五章 結 論 41 5-1 總結 41 5-2 未來展望 41 參考文獻 44 自述 79 表目錄 表2-1 微系統中參數與尺度關係 47 表3-1 晶圓污染源及影響 48 表3-2 濕式化學品清洗機制 49 表3-3 微影製程各種光源與其解析度之關係 49 表4-1 格點獨立測試 50 表4-2 不同角度管道之mixing index 50 表4-3 不同AR組合之mixing index 51 表4-4 不同l參數管道之mixing index 52 表4-5 顆粒計數法管道兩出口顆粒數比值 52 表4-6 加強型管道之參數設計與mixing index關係 53 表4-7 顆粒計數法結果 53 圖目錄 圖1-1 微縮實驗室晶片結構示意圖 54 圖1-2 Schwesinger et al.提出薄層擴散混合的概念[7] 54 圖1-3 Strook et al.所提出的交錯魚骨式混合器[8] 55 圖1-4 Liu et al.利用一個三微的蜿蜒形流道類似”c-shaped”[9]55 圖1-5 Yu-Tzu Chen研究之標準型三維立體交錯管道[10、11] 56 圖2-1 不同微尺度下其應用關係圖 57 圖2-2 連續流體與分子之區分[19] 57 圖2-3 不同尺度下流體分析模擬方法 58 圖2-4 表面張力示意圖 58 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 59 圖2-6 擴散分離示意圖 59 圖2-7 矩形管流圖[23、24] 60 圖2-8 流場分佈形態示意圖[24] 60 圖3-1 旋轉塗佈機 61 圖3-2 紫外光照射SU8負光阻產生交連結構與酸鹼性變化[26] 61 圖3-3 駐波效應引起的光強度變化 62 圖3-4 曝後烤前後駐波效應的變化 62 圖3-5 PDMS通道晶片製作與接合 63 圖3-6 晶片完成圖 63 圖3-7 實驗設備圖 64 圖3-8 CFD-GEOM建立的管道模型 65 圖3-9 網格格點配置 65 圖4-1 角度不同的管道外型 66 圖4-2 角度與轉彎比例關係圖[23、24] 67 圖4-3 AR為0.4的管道外型67 圖4-4 標準型管道l參數示意圖68 圖4-5 l參數與mixing index關係圖 69 圖4-6 l參數與△P關係圖 69 圖4-7 標準型管道與l參數為25µm管道的濃度分布圖 70 圖4-8 標準型管道與l參數為25µm管道的濃度分布圖 71 圖4-9 Xia-A管道l參數示意圖[29、30] 72 圖4-10 龐佳萊截面圖結果73 圖4-11 光度量測 73 圖4-12 光度分析結果(每5%一個單位) 74 圖4-13 Rhodamine 6G光度分析結果 74 圖4-14 角度墨水實驗光度分析結果 75 圖4-15 l參數墨水實驗光度分析結果 75 圖4-16 角度Rhodamine 6G實驗光度分析結果 76 圖4-17 l參數Rhodamine 6G實驗光度分析結果 76 圖4-18 螢光顆粒實驗示意圖 77 圖4-19 參數最佳化管道外型 77 圖4-20 Rhodamine 6G實驗結果(於管道第四截面拍攝) 78 圖4-21 Rhodamine 6G實驗光度分析結果 78

    1. M.S. Talary, J.P.H. Burt and P. Pethig, “Future trends in diagnosis using laboratory-on-a-chip technologies”, Parasitology, 117, 191-203, 1998.
    2. L.W. van H. Nicole, V. Oscar, M.M.L. van H. Adele, J.K. Esther, P. Ad, A. Aharoni, J. van T. Arjen, K. Jaap, “The application of DNA microarrays in gene expression analysis”, Journal of Biotechnology, 78, 271-280, 2000.
    3. F. Vinet, P. Chaton, Y. Fouillet, “Microarrays and microfluidic devices: miniaturized systems for biological analysis”, Microelectronic Engineering, 61-62, 41-47, 2002.
    4. H.A. Stone, A.D. Stroock and A. Ajdari, “Engineering flows in small devices: Microfluidics toward a Lab-on-a-chip”, Annual Review of Fluid Mechanics, 36, 381-411, 2004.
    5. J.P..Brody, P. Yager, R.E. Goldstein, and.R.H. Austin, “Biotechnology at low Reynolds numbers”, Biophysical Journal, 71, 3430-3441, 1996.
    6. C. Yang and D. Li, “Electrokinetic effects on pressure-driven liquid fows in rectangular microchannels”, Colloid and Interface Science, 194, 95-107, 1997.
    7. N. Schwesinger, T. Frank, and H. Wurmus, “A modular microfluid system with an integrated micromixer” , J. Micromech. Microengr. 6, 99-102, 1996
    8. A.D. Strook, K.W. Stephan Dertinger, Armand Ajdari, Igor Mezic, “Chaotic mixer for microchannel”, Science , 647-651, 2002
    9. R.H. Liu, M.A. Stremler, K.V. Sharp, M.G. Olsen, J.G. Santiago , R.J Adrian, and H. Aref , “Passive mixing in a three-dimensional serpentine microchannel”, J. Microelectromech. Syst., 9, 190-197, 2000.
    10. 陳佑慈,「三維交錯微管道流場分析與應用」, 國立成功大學航空太空工程研究所博士論文,民國98年7月。
    11. D. Lee and Y.T. Chen, ”Mixing in tangentially crossing micro-channels”, AIChE J., DOI 10.1002/aic.12299, 2010.
    12. V. Hessel, H. Lowe, and F. Schonfeld, “Micromixers—a review on passive and active mixing principles”, Chemical Engineering Science , 18-20, D-55129, 2004.
    13. N. T. Nguyen and Z. Wu, “Micromixers-a review,” J. Micromech. Microeng., 15, R1-R16, 2005.
    14. J. M. Ottino, “The kinematics of mixing: stretching, chaos, and transport”, New York: Cambridge University Press, 1989.
    15. H.C. Berg, E.M. Purcell, “The physics of chemoreception”, Biophysics, 20, 193-219, 1997.
    16. S. Wereley, “Nano-Bio-Micro fluids tutorial”, Nanotech, 2004.
    17. 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.
    18. 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.
    19. Gad-el-Hak, “The Fluid Mechanics of Microdevices-The Freeman Scholar Lecture”, Journal of Fluids Engineering, Vol. 121, 1999.
    20. 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.
    21. Reist、鄭福田、劉希平, “微粒導論”, 國立編譯館, 2001年.
    22. 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”, Analytical Chemistry, 73, 4682-4687, 2001.
    23. D. Lee, Y.T. Chen, and T.Y. Bai, ”A study of flows in tangentially crossing micro-channels”, Microfluid Nanofluid, 7, 169-179, 2009.
    24. 白庭育,「幾何外型對三維相切微管道流場之影響」, 國立成功大學航空太空工程研究所碩士論文,民國96年7月。

    25. W. Kern, D.A. Poutinen, “Cleaning Solution Based on Hydrogen Peroxide for Use in Semiconductor Technology”, RCA Rev., 187-190, 1970.
    26. G.W. Rubloff, “Defect Microchemistry in SiO2 /Si Structures”, Journal of Vacuum Science & Technology A Vacuum Surface and Films, 8, 1857, 1990.
    27. N. LaBianca, J. Delorme, “High aspect ratio resist for thick film application”, Proceedings of SPIE, 2438, 846-852, 1995.
    28. 張珮郁,「微流元件內表面張力驅動之流體流動現象的實驗探討」,國立成功大學航空太空工程研究所碩士論文,民國92年7月。
    29. H.M. Xia, C. Shu, S.Y.M. Wan, and Y.T. Chew, “Influence of the Reynoldsnumber on chaotic mixing in a spatially periodic micromixer and its characterizationusing dynamical system techniques,” J. Micromech. Microeng., 16, 53-61, 2006.
    30. H.M. Xia, S.Y.M. Wan, C. Shu, and Y.T. Chew,“Chaotic micromixers using two-layer crossing channels to exhibit fast mixing at low Reynolds numbers,” Lab Chip, 5, 748-755, 2005.

    無法下載圖示 校內:2013-07-14公開
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