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研究生: 陳永翰
Chen, Yung-Han
論文名稱: 以AC電滲流驅動流體觀點分析平行板收集器於不同收集窗口形狀下影響效率之多因子最適組合設計
The best combination design of multi-factors for efficiency on the parallel plate collector with various window shapes through the AC electroosmotic driving fluid concept
指導教授: 陳榮盛
Chen, Rong-Sheng
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 工程科學系
Department of Engineering Science
論文出版年: 2011
畢業學年度: 99
語文別: 中文
論文頁數: 165
中文關鍵詞: 平行板電極收集器AC電滲流流體最高流速
外文關鍵詞: parallel plate electrodes of particle collector, AC electro-osmotic flow, maximum value of flow velocity
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  • 由於微流體晶片,有操作容易、攜帶便利、低製造成本、操作步驟簡化與微量檢測,是台灣近年來主要發展的產業。本文研究平行板電極粒子收集器,以不改變實驗流體為考量,選取幾何尺寸與物理性質參數,進行單一因子分析,以提升流體的最高流速,並作為提升收集效率的依據。
    本文使用COMSOL Multiphysics 3.5 有限元素分析軟體,分析平行板電極收集器單一收集窗口在外加交流電場作用下,AC電滲流驅動流體流動的流速分佈情形,並改變收集窗口的幾何形狀,分析在窗口角落所發生的向心加速度。
    在三種收集窗口的穩態分析中,可得到流體的最高流速大小順序為圓形窗口<正五邊形窗口<正方形窗口。以單一因子分析可知,提升流體最高流速,可增加收集窗口尺寸縮放率、外加交流電壓、外加交流頻率與流體導電度,及減少光阻層之相對介電常數與流體平均離子濃度。且正方形窗口在因子變動時,流體最高流速變化最顯著,而圓形窗口則最為穩定。最後,選取單一因子分析對流體流速提升之最適因子組合,進行多因子分析,得到流體最高流速之值為9.45μm,所提升之流體最高流速約為原設定的2.23倍

    With the micro-fluid chip of easy in operation, portable convenience, low manufacture cost, steps to simplify and micro-volume detection is the major development of industries in Taiwan in recent year. This study researches for parallel plate electrodes of particle collector. In consideration, not to change experimental fluid selects geometric size and physical character parameters as one-factor-at-a-time analysis to enhance the maximum value of fluid flow, and improve collection efficiency as a basis.

    This study uses Finite Element Analysis software COMSOL Multiphysics 3.5 to analysis fluid flow velocity distribution of driven by AC electro-osmotic flow in parallel plate electrode collector single collect window under external AC electric field. And to change the geometry shape of collect window analyzes centripetal acceleration at the corner of the window.

    In steady-state analysis of three collect window can obtain the result of maximum value of flow velocity, the circle window is smaller than the pentagon window and the pentagon window is smaller than the square window. Under one-factor-at-a-time analysis, to enhance the maximum value of flow velocity can increase the rate of window size change, the external AC voltage, the external AC frequency, fluid conductivity, and can reduce the relative dielectric of photo-resist layer also average ion concentration of fluid. The square window under the factor change has the most significant change of maximum flow velocity. The circle window is the most stable. Finally, to select the best combination for improving flow velocity of one-factor-at-a-time analysis into multi-factor analysis obtains the maximum value of flow fluid is 9.45μm and about 2.23 times than original set.

    中文摘要 I ABSTRACT II 誌 謝 IV 目錄 V 表目錄 X 圖目錄 XII 符號說明 XXII 第一章 緒論 1 1-1前言 1 1-2研究動機與目的 2 1-3 文獻回顧 2 1-4 研究方法 4 1-5 章節提要 5 第二章 理論基礎 6 2-1 平行板電極收集器之製程簡介 6 2-1-1 微流體晶片下電極之製程 6 2-1-2 ITO上電極之製程 7 2-1-3 橡膠隔板之製程 7 2-2 研究主題 8 2-3 介電泳理論 8 2-3-1 誘導電偶極 8 2-3-2 介電泳力 9 2-4 電滲流理論 10 2-4-1 電雙層 10 2-4-2直流電場中之電滲現象[7] 11 2-4-3電雙層分佈之Poisson-Boltzmann 方程式[9] 12 2-4-4交流電場中之電滲現象 14 第三章 粒子收集器與數值模擬 23 3-1 平行板電極收集器 23 3-1-1平行板電極介紹 23 3-1-2平行板電極收集器之結構與材料之物理性質 23 3-2 平行板電極收集器之模型建立 24 3-2-1模擬運動情況時之基本假設 24 3-2-2 2D模型之建立 25 3-3 2D(瞬態)收集器模擬分析 25 3-3-1 2D電場分析 25 3-3-2 2D流場分析 28 3-3-3 2D(瞬態)網格與求解設定 30 3-3-4 2D(瞬態)收集器流動分析之結果 30 3-4 2D收集器網格收斂分析 30 3-5 2D(瞬態)收集器模擬之評估 31 3-5-1 2D外加電場分佈 31 3-5-2 2D電雙層分佈 31 3-5-3 2D流場分佈 32 3-5-4 無光阻絕緣層之電場與流場分析 32 3-6 2D(穩態)收集器模擬分析 33 3-6-1 平均時間法 34 3-6-2 2D(穩態)電場分析與流場分析 36 3-6-3 2D(穩態)網格與求解設定 37 3-6-4 2D(穩態)收集器流動分析之結果 37 3-7 2D(穩態)收集器模擬之差異分析 38 3-8 3D(穩態)收集器模擬分析 38 3-8-1 3D模型建立 39 3-8-2 3D電場分析 39 3-8-3 3D流場分析 40 3-8-4 3D(穩態)網格與求解設定 41 3-8-5 3D網格收斂分析 41 3-8-6 3D(穩態)收集器流動分析之結果 42 3-9 3D(穩態)收集器模擬之評估與2D(穩態)收集器之比較 42 第四章 對各種不同收集窗口形狀之單因子實驗設計與分析 79 4-1 收集窗口幾何形狀探討 79 4-1-1 3D(穩態)收集器之圓形收集窗口模型建立 79 4-1-2 3D(穩態)收集器之圓形收集窗口網格收斂分析 80 4-1-3 3D(穩態)收集器之圓形收集窗口流動分析之結果 80 4-1-4 3D(穩態)收集器之正五邊形收集窗口模型建立 80 4-1-5 3D(穩態)收集器之正五邊形收集窗口網格收斂分析 81 4-1-6 3D(穩態)收集器之正五邊形收集窗口流動分析之結果 81 4-1-7 3D(穩態)收集器之三種收集窗口電場比較分析 82 4-1-8 3D(穩態)收集器之三種收集窗口流場比較分析 82 4-2 單一因子分析 83 4-2-1 實驗調整因子與實驗誤差因子 83 4-2-2 各因子之模擬結果與數據分析 84 4-2-3 收集窗口尺寸縮放 84 4-2-4 光阻絕緣層厚度之改變 85 4-2-5 光阻絕緣層之相對介電常數 86 4-2-6流體平均離子濃度 86 4-2-7 外加交流電壓 87 4-2-8 外加交流電頻率 88 4-2-9 流體之導電度 88 4-2-10 流體之相對介電常數 89 4-2-11流體之黏滯係數 90 4-2-12流體之工作溫度 90 4-3 結果與討論 91 4-3-1實驗調整因子之比較與討論 91 4-3-2實驗誤差因子之比較與討論 92 第五章 多因子最適組合之設計與分析 145 5-1 控制因子與水準值之選定 145 5-1-1 對切線電場影響顯著之控制因子設定 145 5-1-2對平均時間下zeta電位勢影響顯著之控制因子設定 146 5-1-3對流體流速影響顯著之控制因子設定 146 5-2 對切線電場影響顯著之因子組合模擬分析 146 5-3 對平均時間下zeta電位勢影響顯著之因子組合模擬分析 147 5-4 對流體流速影響顯著之因子組合模擬分析 148 5-5最適組合結果與討論 148 第六章 結論與未來研究方向 160 6-1結論 160 6-2 未來研究方向 162 參考文獻 163

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