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研究生:陳佳惠
論文名稱:斥水性奈微結構表面之液珠驅動與操控
論文名稱(外文):Actuation and Manipulation of Droplets on Hydrophobic Textured Surfaces
指導教授:楊鏡堂楊鏡堂引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:國立清華大學
系所名稱:動力機械工程學系
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:2004
畢業學年度:92
語文別:中文
論文頁數:100
中文關鍵詞:奈微米結構斥水性液珠驅動液珠操控
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本文主旨在研究斥水性微結構表面對液珠靜態與動態行為之效應,並將這些新的物理現象應用於微流體系統或元件之新設計。表面粗糙度可以改變表面之親、疏水特性,影響液珠與表面之接觸特性,本文以表面微結構設計模擬表面粗糙度,研究液珠之靜態與動態行為與各種微結構設計參數之間關係,開發設計微結構表面之流體行為操控方式,作為各種微流體系統設計中流體控制之用途。
目前已開發一種新的液滴操控方式:由斥水表面之微結構分佈設計,使置於表面上的液滴內部產生壓力差,利用此壓力差驅動液滴,則可達成在不外加動力情形下進行液滴行為之操控,文中並針對此操控裝置之液珠運動行為進行相關的實驗設計與理論驗證,此設計除了具有不耗能、高生物相容性、製程簡單等優點,亦提供微流體操控領域一項嶄新的設計概念。此外還提出一種新的微型閥門設計構想:在疏水性微流道內之特定區域表面加上微結構設計,加強此區域之斥水強度而產生閥門效應。除了上述二項具體設計外,關於斥水性微結構表面設計對於液珠行為之效應,例如接觸角度、液滴懸浮行為、表面遲滯效應,文中亦有深入之探討。
目 錄
摘 要 I
致 謝 II
目 錄 III
圖表目錄 VII
符號說明 XI
第一章 前言 1
第二章 文獻回顧 3
2-1 接觸角 4
2-1.1 本質接觸角度(Intrinsic Contact Angle) 4
2-1.2 粗糙效應-非複合表面(Wetted Surface) 4
2-1.3 粗糙效應-複合表面(Composite Surface) 5
2-1.4 線性法(Linear Method) 6
2-2 遲滯效應(Hysteresis Effect) 7
2-2.1前進角度θA與後退角度θR 7
2-2.2 遲滯現象 7
2-2.3 邊緣效應(Edge Effect) 8
2-3 超疏水表面(Super-hydrophobic Surfaces) 9
2-3.1 蓮葉表面 9
2-3.2 不規則碎片形表面(Fractal Surface) 11
2-3.3 溶膠-凝膠法(Sol-Gel Method) 11
2-3.4 電漿法(Plasma Method) 12
2-4疏水性結構表面 13
2-4.1 結構表面-接觸角 13
2-4.2 結構表面-遲滯效應 14
2-4.3 結構表面-液滴懸浮條件 16
2-5 液滴操控 18
2-5.1 熱毛細現象 18
2-5.2 電毛細現象 19
2-5.3 表面張力梯度 19
第三章 實驗設計 24
3-1 液滴與疏水性微結構表面之接觸情形 25
3-1.1 實驗方法 25
3-1.2 參數設計 26
3-2 微結構設計於微流體操控之應用 27
3-2.1 微結構表面液滴操控裝置 27
3-2.2奈微米表面結構微閥門裝置 31
3-3 異質平面與微結構表面 32
3-4 實驗儀器 34
3-4.1 接觸角度量測儀(Dataphysics OCA20) 34
3-4.2 接觸角度分析軟體(Software SCA 20:Sessile Drop Method) 35
3-4.3 Zygo干涉儀 35
3-4.4 原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM) 36
3-4.5 掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope, SEM) 37
3-4.6 奈米級分散研磨機 37
第四章 製程分析 38
4-1 微結構表面製程 38
4-1.1 AZ 6112經ICP(Inductive Coupled Plasma)蝕刻 38
4-1.2 Plasma Polymerization Fluorocarbon(PPFC)薄膜 38
4-1.3 Parylene C 39
4-1.4 Teflon 39
4-1.5 Polydimethylsiloxane(PDMS) 39
4-2 異質表面製程 41
4-2.1 複合材質表面 41
4-2.2 奈米結構表面 42
第五章 結果與討論 45
5-1 液滴與疏水性微結構表面之接觸情形 45
5-1.1 液滴與表面之接觸角度 45
5-1.2液滴懸浮現象 53
5-1.3表面遲滯效應 54
5-2 微結構設計於液滴操控之應用 60
5-2.1 液滴移動機制 61
5-2.2 以微結構分佈進行液滴驅動 63
5-2.3 液滴定位系統 78
5-3 異質表面與微結構表面 81
5-3.1 SiO2-Teflon複合材質表面 82
5-3.2奈米結構表面 82
第六章 結論與展望 88
6-1 結論 88
6-2 未來展望 90
第七章 參考文獻 92
附錄A Cassie-Baxter equation推導 97
附錄B Teflon表面接觸角精密度分析 ( probability 95% ) 100
圖表目錄
表5.1 結構尺寸對接觸角度效應 46
表5.2 結構形狀對接觸角度效應 48
表5.3 結構分佈密度對接觸角度效應 49
表5.4 結構高度對接觸角度效應 51
表5.5 結構尺寸與對應之前進角及後退角 55
表5.6 結構尺寸對遲滯接觸角度效應 55
表5.7 結構形狀與對應之前進角及後退角 57
表5.8 結構形狀對遲滯接觸角度效應 57
表5.9 溝渠形結構分佈密度與對應之前進角及後退角 59
表5.10 溝渠形結構分佈密度對遲滯接觸角度效應 59
表5.11 結構高度與對應之前進角及後退角 60
表5.12 PPFC鏈狀排列設計之驅動力與阻滯力 75
表5.13 PPFC定位系統設計之驅動力與阻滯力 80
表5.14 液滴操控方式比較 80
圖2.1 表面張力與重力對系統尺度關係圖 3
圖2.2 液滴與固體表面之接觸情形 4
圖2.3 Johnson and Dettre 模型 5
圖2.4 液滴前進與後退角度示意圖 7
圖2.5 液滴在固體邊緣的平衡狀態 9
圖2.6 蓮葉表面階級式結構(hierarchical structure)示意圖 10
圖3.1 陣列狀結構分佈方式示意圖 26
圖3.2 微結構表面軌道上液滴行進示意圖 28
圖3.3 三種相鄰區域接觸方式示意圖 30
圖3.4 液滴操控系統示意圖 31
圖3.5 奈微米表面結構微閥裝置示意圖 31
圖3.6 微結構表面與異質平面示意圖 33
圖3.7 接觸角度量測儀 34
圖3.8 Zygo干涉儀 36
圖3.9 原子力顯微鏡 36
圖3.10 掃描式電子顯微鏡 37
圖3.11奈米級分散研磨機 37
圖4.1 斥水性(PPFC、Parylene C、Teflon)微結構表面製程 39
圖4.2 PDMS微結構表面製程 40
圖4.3 SiO2-Teflon異質表面製程 41
圖4.4 SiO2-Teflon異質表面製程 42
圖4.5 特定奈米結構圖樣製程 43
圖4.6奈米結構表面製程 43
圖4.7奈、微米階層式結構製程 44
圖5.1 PDMS表面微結構OM檢測照片 46
圖5.2 PDMS母模(SU-8)表面微結構Zygo檢測圖 47
圖5.3 PDMS母模(SU-8)表面微結構SEM檢測圖 47
圖5.4 相異形狀微結構SEM檢測圖 48
圖5.5 溝渠結構SEM檢測圖及溝渠結構在不同方向液滴接觸角 48
圖5.6不同f1之溝渠微結構表面 50
圖5.7 液滴在不同f1溝渠微結構之AZ 6112表面接觸情形 50
圖5.8 表面結構高度對液滴接觸角度效應 51
圖5.9 相同結構平面之不同產生方式液滴 53
圖5.10 懸浮液滴與結構之接觸示意圖 54
圖5.11 液滴沾黏於傾斜達90o之微結構表面 55
圖5.12 液滴於64 mm微結構區域即將產生移動情形 56
圖5.13 液滴於PPFC溝渠結構表面,恰開始移動之前進角與後退角 58
圖5.14 液滴在f1 = 0.25與f1 = 0.5交界區域移動情形 61
圖5.15 結構分佈密度0.5及0.25交界面SEM拍攝圖 61
圖5.16 液滴在兩相異斥水程度界面移動示意圖 62
圖5.17 液滴影像處理圖形 63
圖5.18 不同接觸角之液滴各量測點與對應曲率半徑關係圖 64
圖5.19 球蓋狀液滴形態示意圖 65
圖5.20 以液滴寬度推算之接觸角與曲率半徑關係圖 66
圖5.21 液滴寬度及2倍接觸角度正弦值隨接觸角度變化關係圖 67
圖5.22 以液滴高度推算之接觸角度與曲率半徑關係圖 68
圖5.23 接觸角度與曲率半徑之擬合曲線圖 68
圖5.24 與液滴移動方向正交之截面積幾何特性 70
圖5.25 阻滯力與接觸角度關係圖 71
圖5.26 阻滯力與接觸角度之擬合曲線圖 72
圖5.27 qA、qR 餘弦差值與接觸角度關係圖 73
圖5.28 鏈狀結構區域之SEM拍攝圖 73
圖5.29 液滴於鏈狀結構表面移動情形 74
圖5.30 不同相鄰區域接觸方式之SEM拍攝圖 77
圖5.31 液滴於間隔式設計軌道之運動行為 77
圖5.32 液滴定位系統之SEM拍攝圖 78
圖5.33 液滴定位系統示意圖 79
圖5.34 液滴於定位系統之運動行為 79
圖5.35 AZ 4620於Teflon表面顯影完成表面 82
圖5.36 奈米顆粒於Teflon表面之OM照片 83
圖5.37 TiO2奈米顆粒於Teflon表面之AFM檢測圖 84
圖5.38 ZnO奈米顆粒於Teflon表面之AFM檢測圖 85
圖5.39 ZnO奈米顆粒於相異表面之分佈情形 85
圖5.39 不同配製方式之ZnO奈米顆粒於AZ 6112表面分佈情形 86
圖5.40 不同溶液濃度之TiO2奈米顆粒於Teflon表面分佈情形 87
圖5.41 0.25% TiO2溶液於Teflon表面之AFM檢測圖 87
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