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研究生:曾家彥
研究生(外文):Chia-Yen Tseng
論文名稱:離心力驅動微流體系統之流道設計與分析
論文名稱(外文):Design and Analysis of Micro-channel for Centrifugal Force Driven Micro-fluid System
指導教授:陳夏宗陳夏宗引用關係
指導教授(外文):Shia-Chung Chen
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:機械工程研究所
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:2006
畢業學年度:94
語文別:中文
論文頁數:94
中文關鍵詞:突破頻率CFDRC微流體生物晶片微流道離心力
外文關鍵詞:Microfluid biochip CentrifugalMicrochannelBurst frequencyCFDRC®
相關次數:
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生物科技為二十一世紀重要的發展項目之一,而其中又以微流體生物晶片最具有發展潛力與運用價值。利用離心力驅動微流體具有設計簡單、可複雜化與節省能源等優點,因此近年來逐漸受到重視。在微流體的研究中大部份已利用電腦模擬以節省時間與減少錯誤發生,然而目前很少以電腦模擬應用於離心力驅動生物晶片之開發,因此本研究將以電腦模擬方式對離心力驅動生物晶片開發之可行性與正確性做出有系統的研究。
在本研究中,分別設計具有寬度300、400與500μm且深度為200μm微流道之離心力驅動生物晶片,以計算流體力學軟體CFDRC®作3D模擬分析,並針對不同微流道寬度以理論計算和實驗方式進行突破頻率計算與量測,藉以探討以離心力驅動微流體分析軟體模擬之可行性與正確性。而後再設計不同Kinematic Viscosity(1.0、2.0與3.0 mm2/s三種黏度)之試液與不同深度(200、225與250μm三種深度)之平衡槽,探討在不同的設計條件組合下對突破頻率的影響。
研究結果顯示,工作油不適用於毛細管開關之設計,同時突破頻率會隨著微流道管徑設計縮小而提高。而溢流道與溢流槽的設計具有精確的定量功能,可降低試液劑量的誤差,使試驗結果具有高度的再現性。研究中同時發現運用軟體模擬在突破頻率值方面之分析結果與理論計算值和實驗結果趨勢相當接近,成功的建立微流體流動與突破頻率模擬分析技術。同時由分析案例顯示,可正確模擬微流體流動情形,且突破頻率隨試液黏度降低與平衡槽深度加深而降低,此分析模擬結果可提供理論計算所無法描述的資料。本研究結果,證實分析模擬技術運用於離心式生物晶片的可行性,並可提供離心式生物晶片設計者一設計參考準則。
Biochips are the important development product in the 21st century, and the microfluid biochip has great potential. Recently, centrifugal force driven micro-fluid has been found to be an excellent fluid flow control method in biochips. Most researchers already use the computer to simulate microfluid flow behavior to save time and reduce mistakes. However, none have modelled centrifugal force driven microfluid burst frequency. Therefore this study simulates burst frequency and compares with our new experimental results.
We designed and built new chips with microchannels (300μm, 400μm, 500μm width and 200μm depth). We used computational fluid dynamic software CFDRC® to do 3D model simulation of capillary switching. Our experiments verified this simulation. We tested three liquids of different kinematic viscosity (1.0mm2/s, 2.0mm2/s, 3.0mm2/s), and reservoir depths (200μm, 225μm, 250μm) to see how design conditions influence burst frequency.
As a result, the oil is not suitable for the capillary switch, and when the reduce diameter of microchannel the burst frequency will rise. The design of overflow fix the liquid quantity accurately and the error <5%, it can reduce the error of experiment. In this study, the simulation result of burst frequency is the equal to theory and experiment result, the CFDRC® software can establish burst frequency analysis successful. As the cases result, the CFDRC® can simulate microfluid flow behavior exactly and the burst frequency reduced by reduce the liquid viscosity and reservoir is more depth. This study demonstrates the application of an advanced computational fluid dynamics model for the design analysis microchannel of centrifugal force driven microfluid system successfully.
目錄
摘要 I
ABSTRACT III
致謝 IV
目錄 V
表目錄 VIII
圖目錄 IX
第一章 緒 論 1
1-1 前言 1
1-2 生物晶片 1
1-3 離心力驅動系統 2
1-4 毛細管開關 3
1-5 生物晶片微流道製作方法 3
1-6 文獻回顧 4
1-7 研究動機與目的 5
1-8 本文架構 6
第二章 微流體驅動理論 12
2-1 雷諾數 12
2-2 表面張力 12
2-3 毛細管壓力 13
2-4 接觸角 14
2-5 水力直徑 14
2-6 離心力 15
2-7 突破頻率 15
第三章 實驗設備與實驗方法 20
3-1 實驗設備 20
3-2 實驗晶片設計 21
3-2-1 溢流道的設計 22
3-3 加工基材與加工方法 23
3-4 實驗液體與封裝材料 23
3-5 實驗步驟 24
第四章 結果與討論 33
4-1 微流道加工量測結果 33
4-2 試液定量實驗結果 33
4-3 突破頻率實驗 35
第五章 CFDRC應用於離心力驅動微流體分析 47
5-1 CFDRC處理器 47
5-2 理論模式 48
5-2-1 統御方程式 48
5-2-2 具自由表面多相流體運動計算 49
5-2-3 表面張力計算 50
5-2 分析方法 50
5-2-1 分析模型建立 50
5-2-2 邊界條件設定 51
5-3 突破頻率分析結果 52
5-4 分析與實驗結果比較 53
第六章 實驗與分析案例 62
6-1 工作油的突破頻率實驗結果驗證 62
6-2 實驗與分析模擬流動結果的比較 62
6-3 不同黏度之突破頻率分析 63
6-4 不同平衡槽深度之突破頻率分析 64
第七章 結論與未來展望 75
7-1 結論 75
7-2 未來展望 76
參考文獻 77
作者簡歷 82


表目錄
表3-1 VK-8550彩色雷射3D立體形狀量測顯微鏡規格 25
表3-2 試液接觸角/表面張力測量結果 26
表3-3 血液的接觸角實驗 26
表3-4 試液於PDMS與膠帶接觸角實驗 26
表4-1 微流道加工尺寸量測結果 38
表4-2 紅藥水突破頻率之實驗值與理論值比較 38
表4-3 紅藥水突破頻率之實驗值與理論修正值比較 38
表4-4 工作油突破頻率之實驗值與理論值比較 38
表5-1 使用試液之物理特性 55
表5-2 分析模組、環境變數及初始條件設計 55
表5-3 時間步長、慣性鬆弛與線性鬆弛設定 56
表5-4 紅藥水突破頻率的模擬值與理論值比較 56
表5-5 工作油突破頻率的模擬值與理論值比較 56
表6-1 矽晶圓實驗晶片量測結果 66
表6-2 工作油對矽晶圓接觸角/表面張力量測結果 66
表6-3 模擬試液流動之分析模型設定 66
表6-4 黏度變化之突破頻率分析模型設定 67
表6-5 黏度變化的突破頻率模擬值與理論值比較 67
表6-6 深度變化之突破頻率分析模型設定 68
表6-7 深度變化的突破頻率模擬值與理論值比較 68

圖目錄
圖1-1 半導體製程製作的靜電式微馬達 8
圖1-2 美國Caliper公司生產之DNA晶片(左)及其解讀系統(右) 8
圖1-3 德國Advalytix AG公司生產之PCR晶片 9
圖1-4 毛細管電泳晶片 9
圖1-5 毛細管開關的微流道設計 10
圖1-6 離心力驅動微流體系統 10
圖1-7 熱壓成型製程示意圖 11
圖 1-8 微結構產品 11
圖 2-1 液體分子受到周圍分子的吸引力 17
圖2-2 利用懸垂液滴法測量表面張力 17
圖2-3 毛細管壓力 18
圖2-4 接觸角 18
圖2-5 計算突破頻率之幾何關係 19
圖2-6 離心力驅動微流體流動 19
圖3-1 離心式微流體檢測平台 27
圖3-2 單面印刷式電路板 27
圖3-3 表面張力/接觸角量測儀KRUSS DSA 10 MK2 28
圖3-4 接觸角量測 28
圖3-5 表面張力量測 29
圖3-6 彩色雷射3D立體形狀量測顯微鏡VK-8550 29
圖3-7 動黏度/密度分析儀Viscometer 30
圖3-8 可調式微量吸管Microman 30
圖3-9 實驗晶片設計單元 31
圖3-10 實驗晶片尺寸設計 31
圖3-11 不同設計寬度之實驗晶片 32
圖3-12 溢流道的設計目的 32
圖4-1 寬度300μm的微流道加工情形 39
圖4-2 寬度400μm的微流道加工情形 39
圖4-3 寬度500μm的微流道加工情形 40
圖4-4 液位高度定義 40
圖4-5 1.5mL滴定液量的實驗程序 41
圖4-6 1.5mL滴定液量的液位高度變化 41
圖4-7 2mL滴定液量的實驗程序 42
圖4-8 2mL滴定液量的液位高度變化 42
圖4-9 U形平衡槽與突塊的設計 43
圖4-10 防虹吸現象的設計 43
圖4-11 紅藥水實驗值與理論值突破頻率在不同水力直徑下的變化 44
圖4-12 形狀因子計算方法 44
圖4-13 紅藥水實驗值與理論修正值之突破頻率比較 45
圖4-14 工作油實驗值與理論值突破頻率在不同水力直徑下的變化 45
圖4-15 工作油在壓克力晶片上流動情形 46
圖4-16 毛細管開關直角處加工結果 46
圖 5-1 CFDRC軟體架構 57
圖5-2 結構性網格與非結構性網格 57
圖5-3 3D實體模型正視圖與側視圖 58
圖5-4 不同寬度的微流道與網格設定 58
圖5-5 簡化後的分析模擬模型 59
圖5-6 紅藥水之模擬與理論值的突破頻率在不同水力直徑下的變化 59
圖5-7 工作油之模擬與理論值的突破頻率在不同水力直徑下的變化 60
圖5-8 紅藥水之實驗、模擬與理論值的突破頻率在不同水力直徑下的變化 60
圖 5-9 工作油之實驗、模擬與理論值的突破頻率在不同水力直徑下的變化 61
圖6-1 實驗晶片製作流程 69
圖6-2 微機電光刻技術製作之實驗晶片 69
圖6-3 工作油在矽晶圓晶片上流動情形 70
圖6-4 試液尚未驅動時之位置 70
圖6-5 試液流動至毛細管開關位置 71
圖6-6 試液突破毛細管開關向前流動 71
圖6-7 試液進入主流道後流動情形 72
圖6-8 實驗與模擬於實驗終止前流動情形 72
圖6-9 紅藥水之模擬與理論值的突破頻率在不同黏度下的變化 73
圖6-10 在不同平衡槽深度時離心力作用位置 73
圖6-11 紅藥水之模擬與理論值的突破頻率在不同平衡槽深度下的變化 74
參考文獻
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