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研究生:施宇豪
研究生(外文):Yu-Houl Shih
論文名稱:微液流道壓力分佈之量測分析
論文名稱(外文):Pressure Drop Distribution Measurement Analysis In Micro Liquid Flow Channel
指導教授:高騏高騏引用關係
指導教授(外文):C. Gau
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:航空太空工程學系碩博士班
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:102
中文關鍵詞:微液流道
外文關鍵詞:micro liquid flow channel
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  本篇論文主要以去離子水 (DI Water) 為工作流體,探討矩形微流道的冷流場現象。微液流道分別由矽 (silicon) 與SU-8厚膜光阻兩種材料構成,微流道的寬度固定為500μm,高度依材料的不同分別約為15μm與35μm。因為本實驗的微流道其高寬比 (aspect ratios) 大於8倍以上 [16],量測分析時採用兩固定平行平板間的內流場理論。
  為了避免因實驗分析時壓力損失的估算誤差,本文建立一分析關係式,藉此可精準的得知速度完全發展區的壓力差。如此便能有利於後續相關參數的分析。
  經由微液流道實驗取值的分析之後,結果顯示質量流率 (mass flow rate) 相較於傳統理論有非常明顯的縮減,且雷諾數 (Reynolds numbers, Re) 亦縮小許多,而表面摩擦係數 (skin friction coefficient, Cf) 與摩擦因子 (friction factor, f) 均比傳統理論值還大。
  The purpose of the thesis is to use DI water as the work fluid and to investigate the cold liquid fluid flow phenomenon of the rectangular microchannel. Microchannels are constructed of the silicon and SU8 photoresist respectively. The widths of the microchannels are always 500μm, and the heights of the microchannels are about 15μm and 36μm in different materials respectively. Because the aspect ratio of our microchannel is bigger than 8[16], I take the parallel plates theory in my analysis.
  To avoid the error of the pressure loss calculation in my experiment analysis, I construct a correlation about the difference of the microchannel length and the driven pressure drop from inlet sump to outlet sump. To use the correlation I can get the pressure drop in fully velocity development region precisely. And the correlation formulation is conveniently to analysis another relative factors.
  The results of our microchannel experiment demonstrate that the mass flow rate is less than the prediction of the conventional theory. And the introduced Reynolds number is less than the prediction of the conventional theory, but the skin friction coefficient (Cf) and friction factor (f) is bigger than the prediction of the conventional theory.
目錄

致謝
中文摘要
英文摘要
目錄……………………………………………………………………..I
表目錄…………………………………………………………………..IV
圖目錄…………………………………………………………………..V
符號說明……………………………………………………………..XIV

第一章 緒論…………………………………………………………...1
1-1前言..…………………………………………………………….1
1-2文獻回顧………………………………………………………...1
1-2-1微流道現象研究領域.……………………………………...1
1-2-2接合製程研究領域…………………………………………5
1-3研究動機與目的………………………………………………...6

第二章 微流道設計與理論分析……………………………………....8
2-1微流道設計………………………………………………………8
2-2研究範圍界定……………………………………………………8
2-3理論分析..………………………………………………………..8
2-3-1內部流場[16]………………………………………………..8
2-3-1.1入口流與已發展………………….…………………….9
2-3-1.2管流特性(Poiseuille flow)……………………………...10
2-3-1.3兩固定平行板間的層流(Couette flow)………………..11
2-3-2電雙層效應(Electric Double Layer Effect)[3,7]…………....12

第三章 製程設備與微流道製作………………………………………13
3-1微流道製程設備………………………………………………....13
3-1-1國家毫微米實驗室設備規格……………………………….13
3-1-2南部微系統中心製程設備規格…………………………….15
3-2微流道製程原理…………………………………………………15
3-3接合製程測試……………………………………………………20
3-3-1低溫水玻璃接合測試…………………………………….....20
3-3-2陽極接合製程…………………………………………….....21
3-4微流道製程步驟………………………………………………....21
3-4-1矽基微流道製程步驟……………………………………….21
3-4-2 SU8微流道製程步驟……………………………………….22

第四章 實驗設備與研究方法…………………………………………24
4-1實驗設備建立與測試…………………………………………....24
4-2研究方法………………………………………………………....25
4-2-1實驗流程…………………………………………………….25
4-2-2參數分析…………………………………………………….26
4-2-3實驗量測…………………………………………………….26

第五章 結果與討論……………………………………………………28
5-1微流道結構的製程發展…………………………………………28
5-1-1矽基微流道深蝕刻問題…………………………………….28
5-1-2 SU8厚膜光阻微流道的製程改善………………………….30
5-2微流道接合技術的發展………………………………………....31
5-2-1低溫水玻璃接合測試……………………………………….31
5-2-2陽極接合技術……………………………………………….32
5-2-3 SU8厚膜光阻接合技術…………………………………….33
5-3微流道實驗技術的建立…………………………………………34
5-3-1微流道接管問題的解決…………………………………….34
5-3-2實驗設備的校正實驗……………………………………….34
5-3-3微流場行為的重複性實驗分析…………………………….35
5-4微流場分析理論的建立…………………………………………35
5-4-1內部流傳統理論分析……………………………………….35
5-4-1.1次要損失(minor loss)的計算…………………………..36
5-4-1.2 SU8厚膜光阻結構微流場特徵………………………..36
5-4-1.3矽底材微流場特徵……………………………………..38
5-4-1.4微流場「完全速度發展區間」壓力差計算關係式的推
導………………………………………………………..40
5-5 文獻比較………………………………………………………..41

第六章 結論……………………………………………………………44

參考文獻………………………………………………………………..45

表目錄

表3-1 清洗蝕刻工作台標準製程表…………………………………49
表3-2 TE 5000S Etcher Dry Etching(Etching TEOS)………………..49
表3-3 ECR Dry Etcher: (Etching Silicon)……………………………49
表3-4 水玻璃旋塗測試之參數設定………………………………....50
表3-5 SU8-50厚膜光阻微流道結構第一次製程參數測試與結果...51
表3-6 SU8-50厚膜光阻微流道結構第二次製程參數測試與結果...51
表4-1 實驗設備名稱、規格與功能…………………………………..52

圖目錄

圖2-1 微流道外型設計與立體截面示意圖(a)微流道外型設計示意圖(b)A-A`截面立體示意圖……………………………………..53
圖2-2 管道之入口層流[15]………………………………………….54
圖2-3 電雙層示意圖[10]…………………………….………………54
圖3-1 矽基微流道光罩,使用的光阻為正光阻(a)長度L=1000μm、6000μm與7000μm之矽基微流道光罩(b)長度L=2000μm與3000μm之矽基微流道光罩(c)長度L=4000μm與5000μm之矽基微流道光罩……………………………………..55
圖3-2 SU8結構微流道光罩,使用的光阻為負光阻……………...56
圖3-3 陽極接合裝置示意圖…………………………………………57
圖3-4 矽基微流道製程示意圖………………………………………58
圖4-1 微液流道實驗設備流程圖。…………………………………61
圖5-1 TE 5000 RIE蝕刻時間與TEOS蝕刻率之實驗關係圖…….62
圖5-2 ECR蝕刻時間與Silicon蝕刻率之實驗關係圖…………….62
圖5-3 以ECR蝕刻矽底材的微流道顯微觀察圖。(a):晶圓多次且長時間的蝕刻,使得部分晶圓上微流道的蝕刻線寬增大,而導致微流道的外型產生嚴重的變形。(b):以ECR蝕刻矽底材所獲得的良好微流道。…………………………………………63
圖5-4 SU8 厚膜光阻微結構顯影,於第一次測試,在第二階段轉速為2000rpm時,微流道深度約為53μm,但兩側管壁上端會產生凸起的缺陷。……………………………………………64

圖5-5 SU8厚膜光阻微結構顯影,於第一次測試,在第二階段轉速為3000rpm時,微流道深度約為48μm,但兩側管壁上端會產生凸起的缺陷。…………………………………………....64
圖5-6 SU8厚膜光阻微結構顯影,於第一次測試,在第二階段轉速為4000rpm時,微流道深度約為37μm,但兩側管壁上端會產生凸起的缺陷。…………………………………………....65
圖5-7 SU8厚膜光阻微結構顯影,於第一次測試,在第二階段轉速為5000rpm時,微流道深度約為32μm,但兩側管壁上端會產生凸起的缺陷。…………………………………………....65
圖5-8 SU8 厚膜光阻微結構顯影,於第二次測試,在第二階段轉速為2000rpm時,微流道深度約為70μm,且兩側管壁上端凸起的缺陷已獲得改善。………………………………………66
圖5-9 SU8 厚膜光阻微結構顯影,於第二次測試,在第二階段轉速為3000rpm時,微流道深度約為45μm,且兩側管壁上端凸起的缺陷已獲得改善。………………………………………66
圖5-10 SU8 厚膜光阻微結構顯影,於第二次測試,在第二階段轉速為4000rpm時,微流道深度約為35μm,且兩側管壁上端凸起的缺陷已獲得改善。……………………………………67
圖5-11 SU8厚膜光阻微結構顯影,於第二次測試,在第二階段轉速為5000rpm時,微流道深度約為30μm,且兩側管壁上端凸起的缺陷已獲得改善。………………………………………67
圖5-12 濃度100﹪水玻璃旋塗測試,時間固定為50sec之旋轉速度與水玻璃厚度關係圖。………………………………………68

圖5-13 濃度80﹪水玻璃旋塗測試,時間固定為30sec之旋轉速度與水玻璃厚度關係圖。………………………………………....68
圖5-14 濃度80﹪水玻璃旋塗測試,時間固定為50sec之旋轉速度與水玻璃厚度關係圖。…………………………………………69
圖5-15 水玻璃旋塗測試,經200℃、2小時退火後,試片表面所產生的水玻璃結晶現象。………………………………………69
圖5-16 於陽極接合過程中由於晶片表面微粒子的污染,造成污染處部分面積無法接合,而產生因光學干涉作用所形成的牛頓環。……………………………………………………………70
圖5-17 微流道第一階段外接管設計………………………………..71
圖5-18 微流道第二階段外接管設計………………………………..71
圖5-19 微流道實驗用管閥設備之校正實驗圖……………………..72
圖5-20 以長度L = 2000μm, d = 15μm之矽基微流道進行三次重複量測取值的比較結果………………………………………..72
圖5-21 由P-10所量測,微流道長度為1000μm,深度為35μm之SU8厚膜光阻微流道結構剖面圖。…………………………73
圖5-22 由P-10所量測,微流道長度為4000μm,深度為36.5μm之SU8厚膜光阻微流道結構剖面圖。……………………..73
圖5-23 由P-10所量測,微流道長度為5000μm,深度為41.2μm之SU8厚膜光阻微流道結構剖面圖。……………………..74
圖5-24 由P-10所量測,微流道長度為8000μm,深度為39μm之SU8厚膜光阻微流道結構剖面圖。…………………………74


圖5-25 長度L=1000μm,深度d=35μm,SU8厚膜光阻微流道,雷諾數(Re)對微流道進出口壓力差(△P)之實驗值與N-S平板理論值的趨勢比較圖……………………………………………..75
圖5-26 長度L=1000μm,深度d=35μm,SU8厚膜光阻微流道,雷諾數(Re)對微流道摩擦因子(f)之實驗值與N-S平板理論值的趨勢比較圖………………………………………………………..75
圖5-27 長度L=1000μm,深度d=35μm,SU8厚膜光阻微流道,雷諾數(Re)對微流道表面摩擦係數(Cf)之實驗值與N-S平板理論值的趨勢比較圖………………………………………………..76
圖5-28 長度L=4000μm,深度d=36.5μm,SU8厚膜光阻微流道,雷諾數(Re)對微流道進出口壓力差(△P)之實驗值與N-S平板理論值的趨勢比較圖…………………………………………..76
圖5-29 長度L=4000μm,深度d=36.5μm,SU8厚膜光阻微流道,雷諾數(Re)對微流道摩擦因子(f)之實驗值與N-S平板理論值的趨勢比較圖……………………………………………………..77
圖5-30 長度L=4000μm,深度d=36.5μm,SU8厚膜光阻微流道,雷諾數(Re)對微流道表面摩擦係數(Cf)之實驗值與N-S平板理論值的趨勢比較圖……………………………………………..77
圖5-31 長度L=5000μm,深度d=41.2μm,SU8厚膜光阻微流道,雷諾數(Re)對微流道進出口壓力差(△P)之實驗值與N-S平板理論值的趨勢比較圖…………………………………………..78
圖5-32 長度L=5000μm,深度d=41.2μm,SU8厚膜光阻微流道,雷諾數(Re)對微流道摩擦因子(f)之實驗值與N-S平板理論值的趨勢比較圖……………………………………………………..78
圖5-33 長度L=5000μm,深度d=41.2μm,SU8厚膜光阻微流道,雷諾數(Re)對微流道表面摩擦係數(Cf)之實驗值與N-S平板理論值的趨勢比較圖……………………………………………..79
圖5-34 長度L=8000μm,深度d=39μm,SU8厚膜光阻微流道,雷諾數(Re)對微流道進出口壓力差(△P)之實驗值與N-S平板理論值的趨勢比較圖……………………………………………..79
圖5-35 長度L=8000μm,深度d=39μm,SU8厚膜光阻微流道,雷諾數(Re)對微流道摩擦因子(f)之實驗值與N-S平板理論值的趨勢比較圖………………………………………………………..80
圖5-36 長度L=8000μm,深度d=39μm,SU8厚膜光阻微流道,雷諾數(Re)對微流道表面摩擦係數(Cf)之實驗值與N-S平板理論值的趨勢比較圖………………………………………………..80
圖5-37 由P-10所量測,微流道長度為2000μm,深度為15μm之矽基微流道結構剖面圖……………………………………..81
圖5-38 由P-10所量測,微流道長度為3000μm,深度為15μm之矽基微流道結構剖面圖…………………………………….81
圖5-39 由P-10所量測,微流道長度為6000μm,深度為15μm之矽基微流道結構剖面圖……………………………………..82
圖5-40 由P-10所量測,微流道長度為7000μm,深度為15μm之矽基微流道結構剖面圖……………………………………..82
圖5-41 由P-10所量測,微流道長度為4000μm,深度為16.5μm之矽基微流道結構剖面圖…………………………………..83
圖5-42 由P-10所量測,微流道長度為5000μm,深度為16.5μm之矽基微流道結構剖面圖…………………………………..83
圖5-43 長度L=2000μm,深度d=15μm,矽基微流道,雷諾數(Re)對微流道進出口壓力差(△P)之實驗值與N-S平板理論值的趨勢比較圖………………………………………………………..84
圖5-44 長度L=2000μm,深度d=15μm,矽基微流道,雷諾數(Re)對微流道摩擦因子(f)之實驗值與N-S平板理論值的趨勢比較圖……………………………………………………………..84
圖5-45 長度L=2000μm,深度d=15μm,矽基微流道,雷諾數(Re)對微流道表面摩擦係數(Cf)之實驗值與N-S平板理論值的趨勢比較圖…………………………………………………………..85
圖5-46 長度L=3000μm,深度d=15μm,矽基微流道,雷諾數(Re)對微流道進出口壓力差(△P)之實驗值與N-S平板理論值的趨勢比較圖………………………………………………………..85
圖5-47 長度L=3000μm,深度d=15μm,矽基微流道,雷諾數(Re)對微流道摩擦因子(f)之實驗值與N-S平板理論值的趨勢比較圖……………………………………………………………..86
圖5-48 長度L=3000μm,深度d=15μm,矽基微流道,雷諾數(Re)對微流道表面摩擦係數(Cf)之實驗值與N-S平板理論值的趨勢比較圖…………………………………………………………..86
圖5-49 長度L=6000μm,深度d=15μm,矽基微流道,雷諾數(Re)對微流道進出口壓力差(△P)之實驗值與N-S平板理論值的趨勢比較圖………………………………………………………..87
圖5-50 長度L=6000μm,深度d=15μm,矽基微流道,雷諾數(Re)對微流道摩擦因子(f)之實驗值與N-S平板理論值的趨勢比較圖……………………………………………………………..87
圖5-51 長度L=6000μm,深度d=15μm,矽基微流道,雷諾數(Re)對微流道表面摩擦係數(Cf)之實驗值與N-S平板理論值的趨勢比較圖…………………………………………………………..88
圖5-52 長度L=7000μm,深度d=15μm,矽基微流道,雷諾數(Re)對微流道進出口壓力差(△P)之實驗值與N-S平板理論值的趨勢比較圖………………………………………………………..88
圖5-53 長度L=7000μm,深度d=15μm,矽基微流道,雷諾數(Re)對微流道摩擦因子(f)之實驗值與N-S平板理論值的趨勢比較圖……………………………………………………………..89
圖5-54 長度L=6000μm,深度d=15μm,矽基微流道,雷諾數(Re)對微流道表面摩擦係數(Cf)之實驗值與N-S平板理論值的趨勢比較圖…………………………………………………………..89
圖5-55 長度L=4000μm,深度d=16.5μm,矽基微流道,雷諾數(Re)對微流道進出口壓力差(△P)之實驗值與N-S平板理論值的趨勢比較圖……………………………………………………..90
圖5-56 長度L=4000μm,深度d=16.5μm,矽基微流道,雷諾數(Re)對微流道摩擦因子(f)之實驗值與N-S平板理論值的趨勢比較圖……………………………………………………………..90
圖5-57 長度L=4000μm,深度d=16.5μm,矽基微流道,雷諾數(Re)對微流道表面摩擦係數(Cf)之實驗值與N-S平板理論值的趨勢比較圖………………………………………………………..91
圖5-58 長度L=4000μm的矽基微流道顯微觀察圖……………….91


圖5-59 長度L=5000μm,深度d=16.5μm,矽基微流道,雷諾數(Re)對微流道進出口壓力差(△P)之實驗值與N-S平板理論值的趨勢比較圖……………………………………………………..92
圖5-60 長度L=5000μm,深度d=16.5μm,矽基微流道,雷諾數(Re)對微流道摩擦因子(f)之實驗值與N-S平板理論值的趨勢比較圖……………………………………………………………..92
圖5-61 長度L=5000μm,深度d=16.5μm,矽基微流道,雷諾數(Re)對微流道表面摩擦係數(Cf)之實驗值與N-S平板理論值的趨勢比較圖………………………………………………………..93
圖5-62 微流道實驗量測,於「完全速度發展區」之分析推導示意圖。圖(a)顯示各種不同長度微流道之壓力差與雷諾數關係圖,在此令L4>L3>L2。圖(b)顯示各種長度微流道的壓力差與雷諾數標示於同一數值線之比較圖…………………………..94
圖5-63 利用長度差△L2,3=L3-L2=1000μm,深度d=15μm,矽基微流道,雷諾數(Re)對微流道「完全速度發展區間」壓力差(△P)之實驗值與N-S平板理論值的趨勢比較圖………………...95
圖5-64 利用長度差△L2,3=L3-L2=1000μm,,深度d=15μm,矽基微流道,雷諾數(Re)對微流道「完全速度發展區間」摩擦因子(f)之實驗值與N-S平板理論值的趨勢比較圖………………..95
圖5-65 利用長度差△L2,3=L3-L2=1000μm,,深度d=15μm,矽基微流道,雷諾數(Re)對微流道「完全速度發展區間」表面摩擦係數(Cf)之實驗值與N-S平板理論值的趨勢比較圖………….…96


圖5-66 利用長度差△L6,7=L7-L6=1000μm,深度d=15μm,矽基微流道,雷諾數(Re)對微流道「完全速度發展區間」壓力差(△P)之實驗值與N-S平板理論值的趨勢比較圖………………..96
圖5-67 利用長度差△L6,7=L7-L6=1000μm,,深度d=15μm,矽基微流道,雷諾數(Re)對微流道「完全速度發展區間」摩擦因子(f)之實驗值與N-S平板理論值的趨勢比較圖………………..97
圖5-68 利用長度差△L6,7=L7-L6=1000μm,,深度d=15μm,矽基微流道,雷諾數(Re)對微流道「完全速度發展區間」表面摩擦係數(Cf)之實驗值與N-S平板理論值的趨勢比較圖………….…97
圖5-69: 矽基微流道長度L=2000µm與長度L=3000μm,水力直徑Dh=29.13μm, Re對Cf*之文獻比較圖………………………98
圖5-70: 矽基微流道長度L=6000µm與長度L=7000μm,水力直徑Dh=29.13μm, Re對Cf*之文獻比較圖………………………99
圖5-71: 矽基微流道,長度差△L2,3與△L6,7,水力直徑Dh=29.13μm, Re對Cf*之文獻比較圖………………………………………...100
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[26] D. Yu, R. Warrington, R. Barron, and T. Ameel, “An experimental and theoretical investigation of fluid flow and heat transfer in microtubes, ” ASME/JSME Thermal Engineering Conference, Vol. 1, pp. 523-530, 1995.

[27]Chien-Yuh Yang, Hsin-Tang Chien, Shu-Ru Lu and Ruey-Jong Shyu,“Friction Characteristics Of Water, R-134a And Air In Small Tubes, ”pp.162-167, 2001.

[28] 莊達人,“VLSI製造技術”,高立圖書,pp. 146-367,臺北市,1998。

[29]楊金城,柯富祥,吳政三,“自動化阻劑處理系統介紹”,科儀新知,22(4),pp.46-61,90.2。
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