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研究生:陳香君
研究生(外文):Xiang-Jun Chen
論文名稱:以連續電濕驅動方式製作無閥式微泵浦
論文名稱(外文):The Manufacturing of Value-Less Micropump Driven by the Continuous Electrowetting Actuation
指導教授:胡毓忠胡毓忠引用關係
指導教授(外文):Yuh-Chung Hu
學位類別:碩士
校院名稱:華梵大學
系所名稱:機電工程研究所
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:2005
畢業學年度:93
語文別:中文
論文頁數:65
中文關鍵詞:無閥式微泵浦連續電濕潤噴嘴/擴散
外文關鍵詞:Value-Less MicropumpContinuous Electrowetting Actuationnozzle/diffuser
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摘要
本研究之目的在研發應用連續電濕潤驅動方式之低電壓低耗能之無閥式微泵浦。綜觀目前文獻所見的微泵浦不論在能源的應用(power consumption)、效能(performance)、可靠性(reliability)、製程(process)、成本(cost)等議題上,均仍有相當大的改善空間。就能源的議題而言,本研究之微泵浦將採用低操作電壓與低耗能之CEW驅動方式,以利於可攜式產品的應用;就效能(performance)與可靠性(reliability)的議題而言,本研究將採用無閥式泵浦的設計,以避免因可動元件(導向閥)之磨耗、疲勞破壞、堵塞、及壓降等等問題,以擴展微泵浦的應用範圍,且製程比導向閥簡單許多;就製程的簡化與成本的議題而言,本研究擬採用厚膜光阻SU-8來製作泵浦腔、擴散/噴嘴(diffuser/nozzle)元件、流道、及CEW驅動元件結構,因SU-8光阻只需UV光源作微影製程(lithography),即可做出高深寬比(high aspect ratio)的結構,硬化後非常堅固耐腐蝕可用以做為元件結構,而其本身即為非導體材料不需再沉積介電層,因此可以省去昂貴的深蝕刻製程與化學氣相沉製程,製程簡單且大幅降低製作成本,以利量產。薄膜層則可採用矽膠或Parylene-C薄膜。
According to the comprehensive survey of the present literatures about micropumps, there are still many improvements space to the issues about power consumption, performance, reliability, and process cost. This project is to develop a valve-less micropump driven by continuous electrowetting actuation for low driving voltage and low power consumption. It is especially suitable for portable devices. Considering the issue of power consumption, the continuous electrowetting (CEW) actuation has the advantage of low driving voltage and low power consumption. Considering the issues of performance and reliability, the diffuser/nozzle elements with direction dependent flow characteristic are used to replace the function of check valve. Thus, the breakdown in virtue of the wear, fatigue, and blocking of check valve can be avoided. Considering the issue of process techniques and cost, the thick photoresist SU-8 is used to form the structures of pump chamber, diffuser/nozzle elements, channels, and CEW actuator. SU-8 can easily be made to high aspect ratio structures by simply UV light photolithography and are very robust and corrosion endurance after hardening. Moreover, SU-8 is nonconductor, so the dielectric layers such as SiO2/Si3N4 by chemical vapor deposition is not required. The process techniques adopted in this project are only the photolithography to form microstructures and the sputtering to deposit electrodes. So the process equipments and cost are very cheap and is very suitable to the over 90% small & medium enterprises in Taiwan
目錄
誌謝 I
摘要 II
Abstract III
目錄 IV
圖錄 VII
表錄 XII
第1章 緒論 1
1.1. 前言 1
1.2. 研究動機與目的 1
1.3. 文獻回顧 3
1.3.1. 微流體驅動系統 4
1.3.2. 微閥門系統 11
第2章 應用連續電溼潤驅動方式之低電壓低耗能之無閥式微幫浦之原理與設計 15
2.1. 連續電溼潤驅動原理 15
2.1.1. 電毛細現象 16
2.1.2. 電雙層 17
2.1.3. 電極電位 18
2.1.4. 極化現象 18
2.2. 無閥式微泵浦理論 18
2.3. 微泵浦之設計 22
第3章 應用連續電溼潤之低電壓低耗能之微泵浦之製程 29
3.1. 電極製作 32
3.2. 以SU-8製作連續電溼潤性驅動器結構 34
3.2.1. SU-8製程步驟 34
3.2.2. CEW製程步驟: 39
3.3. 使用JSR厚膜光阻製作diffusers/nozzle微結構體 42
3.4. Parylene C薄膜沉積 47
3.5. 進水口與出水口之製作 50
第4章 微泵浦組裝與測試 54
4.1. 微泵浦之組裝 54
4.2. 微泵浦之測試 56
4.2.1. 實驗架構 56
4.2.2. 測試 57
4.2.3. 結果與討論 60
第5章 結論 63
參考文獻 64
作者簡介 66
圖錄
圖1 1 靜電式微泵浦[2]。 5
圖1 2 壓電式微泵浦[2]。 5
圖1 3 熱氣式微泵浦[2]。 6
圖1 4形狀記憶合金式微幫浦[12]。 7
圖1 5 操作低電壓和低耗能表面張力驅動微泵浦[1]。 8
圖1 6 利用電泳驅動液體之示意圖[13]。 9
圖1 7 FuhrG提出電泳法之幫浦[13]。 9
圖1 8 (a)電磁式微泵浦(b)勞倫力示意圖[12] 10
圖1 9 (a)斥力元件(b)吸力元件(c)驅動系統整合圖[13] 11
圖1 10 各類閥門示意圖:(a)電磁式微閥門(b)壓電式微閥門(c)靜電式微閥門 (d)氣動式微閥門(e)雙金屬式微閥門[10] 12
圖1 11 1999年Michael之研究團隊利用管道內尺寸變化製作被動式疏水閥門示意圖[14] 13
圖1 12 diffuser/nozzle 無閥式微幫浦[2] 13
圖2 1 (a)在沒有電流通過時,此電極電位平衡圖﹔(b)為經由電荷密度的不同可得到不同的電位差之示意圖[15] 16
圖2 2 電雙層示意圖[16] 17
圖2 3 無閥式微泵浦示意圖[4][5]。 19
圖2 4 diffuser/nozzle 結構圖[12]。 20
圖2 5 (a)驅動器立體結構圖(b)驅動器立體結構上視圖 22
圖2 6 (a)微泵浦立體結構圖(b)微泵浦立體結構上視圖 23
圖2 7 微泵浦立體爆炸圖 24
圖2 8 diffuser/nozzle pump並連設計圖[10] 25
圖2 9 Diffuser/Nozzle之構造圖[17] 25
圖2 10 diffuser/nozzle之尺寸圖[17] 25
圖2 11 diffuser/nozzle光罩設計圖 26
圖2 12 驅動器之擋板尺寸圖 27
圖2 13 電極尺寸圖 27
圖2 14 驅動器之光罩設計圖 28
圖2 15 電極光罩設計圖 28
圖3 1 電極製作流程圖 32
圖3 2 電極製作示意圖 33
圖3 3 蝕刻白金電極 34
圖3 4 不同厚度光阻在UV光譜下之穿透率[22] 35
圖3 5 SU-8製作流程圖 36
圖3 6 凸緣現象[23] 37
圖3 7 曝光劑量與光阻厚度的關係圖[22] 38
圖3 8 驅動器製程流程圖。 41
圖3 9 (a)驅動器之檔板處平面結構圖(b)CEW驅動器之整體結構圖 42
圖3 10 SU-8與Prexy7740之附著度不佳,顯影後有掀起現象 43
圖3 11 塗上HMDS後之SU-8與Prexy7740之間的附著度更糟 43
圖3 12 JSR與Prexy7740之間附著度較好 43
圖3 13 JSR製作流程圖。 44
圖3 14 微泵浦製程流程圖 46
圖3 15 (a)diffuser/nozzle 3D立體結構圖(b)diffuser/nozzle 2D平面圖 47
圖3 16 (a)Parylene N(b)Parylene C(c)Parylene D化學結構圖[20] 48
圖3 17 對二聚甲苯沈積過程圖[20] 49
圖3 18 (a)未沈積Parylene C之乾淨晶片(b)沈積Parylene C後之晶片 49
圖3 19 diffuser/nozzle氣室之高度140μm 50
圖3 20微泵浦之組裝剖示圖 50
圖3 21 雷射鑽孔因能量太大,將週圍的光阻與晶片燒焦 51
圖3 22 微銑、削工具機 52
圖3 23 RH 直徑0.5mm、刃長8.1mm的鎢鋼鑽頭 52
圖3 24 將晶片固定在一平滑的鐵塊上 52
圖3 25利用膠帶將晶片固定,再用手壓住使其降低震動量 53
圖3 26 為0.5mm之鵭鋼刀所鑽之孔徑 53
圖4 1 微泵浦diffuser/nozzle結構層、薄膜、致動器分層圖 54
圖4 2 為利用純水將Parylene C薄膜由矽晶圓上剝除 55
圖4 3 Parylene C薄膜與diffuser/nozzle結構黏接圖 55
圖4 4 薄膜沾黏在Prexy 7740 55
圖4 5 (a)置入汞球與電解液之致動器(b)組裝完成之微泵浦 56
圖 4 6 Toward DIGTAL SWEEP FUNCTON GENERATOR 8150波型產生器 57
圖 4 7 Tektronix TDS 210示波器 57
圖4 8 (a)只在致動器上方蓋上蓋玻璃時之驅動電壓與頻率圖(b)驅動電壓為0.8V;頻率為10MHz。 58
圖4 9 (a)只在致動器上方黏貼diffuser/nozzle時驅動的電壓與頻率圖(b)驅動電壓為1.3V 59
圖4 10 (a)將水注入微泵浦時的驅動電壓與頻率圖(b)驅動電壓為2V 60
圖4 11 Parylen-C薄膜沾黏底材 61
圖4 12 黏著劑之厚度不均勻,造成表面平坦度不均 61
表錄
表1—1 不同驅動方式之微泵浦效能比較[1]。 2
參考文獻
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