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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:劉庭宇
研究生(外文):Ting-yu Liu
論文名稱:研發含有奈米結構之微流道及兩相流現象研究
論文名稱(外文):Fabrication and Development of Nanostructure Based Micro-channel and the case for study of two-phase flow phenomena.
指導教授:高騏高騏引用關係
指導教授(外文):Chie 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:2009
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:94
中文關鍵詞:奈米結構兩相流微流道
外文關鍵詞:nanostructuretwo phase flowmicrochannel
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本研究之主要目標在於研發一套建構在Pyrex 7740玻璃與矽基板陽極接合之微流道系統,其中利用微機電機械系統(MEMS)與奈米成長技術(Nanotechnology)將奈米結構整合於微流道中。另外藉由氣化的方式將疏水性(Hydrophobic)-過氟庚基三氯矽烷材料沈積於微流道底部來進行表面改質。實驗將溫度感測器(thermocouple)沿著工作流體流動之方向以等間距地埋設在微流道壁面,每個感測器間距6 mm,可詳細的量測微流道底部的局部壁面溫度,並進行研究不同熱通量條件與不同流量條件下的壁面溫度分佈現象,同時藉由影像拍攝微流道中於不同表面性質下之流譜加以比較。
在製程方面,以分段式乾式蝕刻的方式成功製作出長為30mm、寬為1000μm、高為103~105μm,水力直徑Dh=186.76μm之微流道晶片並利用VLS法成功的將奈米結構成長於微流道內。陽極接合方面在含有奈米結構之微流道晶片與Pyrex 7740玻璃接合的過程中,用以提高操作溫度、電壓、接合時間可減少接合失敗率。
The goal of this study is to develop a micro-channel system which anodic bonding Pyrex 7740glass and silicon substrate, and integrate MEMS with Nanotechnology to micro-channel system. Moreover, the Hydrophobic material was deposited at the bottom of the micro-channel by gasification to improve the surface. In the experiment, the thermocouple was equidistance-embed at the bottom of the silicon, which is 6mm of each space in the micro-channel wall along the direction of the working flow, in order to measure the local temperature at the bottom of the wall of the micro-channel in detail and to study the distribution phenomenon of wall temperature in different heat flux and mass flux condition; meanwhile by recording the flow patterns of different surfaces in the micro-channel wall under boiling condition were visualized using a CCD system and analyzed.
In the processes of fabrication, the rectangular micro-channel in the (100) silicon wafer were fabricated by the Inductive Couple Plasma Etcher system. These micro-channel, a length of 30mm, a width of 1000μm and depth of 103~105μm, had on identical rectangular cross-section with a hydraulic diameter of 186.76μm and successfully use nanostructures with the VLS method grow silicon nanowire in micro-channel. In the processes with nanostructures based micro-channel of anodic bonding experiment shows that increase the operation temperature, voltage, and bonding time can reduce the failure.
目錄
摘要 I
ABSTRACT III
誌謝 V
目錄 VII
表目錄 XI
圖目錄 XII
符號說明 XV
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 文獻回顧 2
1-3 微流道中矽奈米線的生長機制 7
1-3-1 奈米線之生長方法 8
1-3-2 金觸媒粒(Au droplet)間互相遷移的影響 9
第二章 實驗設計與步驟 12
2-1 實驗環路及設備 12
2-1-1 微量注射泵浦 12
2-1-2 測試段 12
2-1-3 加熱模組 13
2-1-4 加熱電源供應器 13
2-1-6 X-Y-Z三軸平台 14
2-1-7 溫度擷取系統 14
2-1-8 個人電腦 14
2-1-9 玻璃光纖照明系統 15
2-2 實驗量測儀器 15
2-2-1 溫度量測 15
2-2-2 流量控制與量測 16
2-2-3 影像擷取與影像處理設備 16
2-3 實驗方法與步驟 16
2-3-1 實驗方法 16
2-3-2 實驗流程 17
2-4 熱傳分析計算 19
2-5 流道幾何關係 20
2-6 出口蒸汽乾度分析計算 22
第三章 含有奈米結構之矽質微流道製作流程 24
3-1 微流道製作過程 24
3-1-1 黃光微影技術 24
3-1-2 感應耦合式蝕刻系統 26
3-1-3 薄膜沉積技術 28
3-1-4 晶片清洗技術 28
3-1-5 陽極接合 29
3-2 微流道與含有奈米結構之微流道製程 32
3-2-1 光罩設計 32
3-2-2 微流道之製程步驟 33
3-2-3 奈米結構之矽質微流道製作流程 35
3-2-4 疏水性之矽質微流道製作流程 37
第四章 結果與討論 38
4-1 雙相流動型態說明 38
4-2 雙相流動型態比較結果 40
4-3 壁面溫度量測結果 41
4-3-1 壁面溫度與流譜之關係 43
4-4 出口蒸汽乾度與流譜之關係 43
4-5 臨界熱通量量測之結果比較 44
第五章 結論 45
參考文獻 47

表目錄
表 3-1 接合技術分類 50
表3-2 矽晶圓與Pyrex 7740玻璃特性比較 50
表3-3 Pyrex 7740玻璃之成份比重表 51



圖目錄
圖1-1 Au與Si 相圖 52
圖1-2 矽奈米線的 TEM 影像 52
圖1-3 加熱樣品至600℃使金聚集成顆粒狀,加熱時間分別為(a)50s,(b)150s 及(c)250s。 52
圖1-4 金觸媒粒在矽表面遷移的現象 53
圖2-1 實驗環路圖 53
圖2-2 微流道晶片之SEM剖面圖 54
圖2-3 表面輪廓儀(profile meter)量測結果 54
圖2-4 測試段之剖面示意圖 55
圖3-1 微影製程 (a)光阻塗佈於基材上,(b)對準與曝光,(c)顯影 55
圖3-2 微流道製程之步驟示意圖 56
圖3-3 含有奈米結構之微流道製程之步驟示意圖 57
圖3-4 NDL之自動化光阻塗佈及顯影系統(Track) 58
圖3-5 NDL之光罩對準曝光系統(Aligner) 58
圖3-6 NDL之感應耦合式蝕刻系統(ICP) 59
圖3-7 NDL之感應耦合式蝕刻系統(ICP) 59
圖3-8 NDL之金屬濺鍍系統(Sputter) 60
圖3-9 矽晶片與Pyrex 7740玻璃晶片之陽極接合設備照片 60
圖3-10 批次式陽極接合治具示意圖。 61
圖3-11 批次式陽極接合治具立體設計爆炸圖與組合圖 61
圖3-12 批次式陽極接合治具與組合圖 62
圖3-13 矽晶片與Pyrex 7740玻璃晶片之陽極接合示意圖 62
圖3-14 微流道之光罩圖 63
圖3-15 矽質微流道經蝕刻後之實際圖 64
圖3-16 矽質微流道經蝕刻後之OM圖 64
圖3-17 矽質微流道經蝕刻後失敗之OM圖 64
圖3-18 (a)微流道(b)含有奈米結構之微流道陽極接合成功之示意圖 65
圖3-19 Shadow mask之實際圖 65
圖3-20 Shadow mask之示意圖 66
圖3-21 微流道晶片雷射切割後之實際圖 66
圖3-22 陽極接合含有奈米結構微流道測試於相同溫度下,不同操作電壓接合結果(a)測試片(b)700V(c)800V(d)900V 67
圖3-23 疏水性微流道底部之接觸角量測 67
圖4-1 矽奈米線於微流道底部成長六十分鐘之剖面圖、上視圖。 68
圖4-2 矽奈米線於微流道底部成長九十分鐘之剖面圖、上視圖。 69
圖4-3 氣泡-長型彈狀流(Bubbly flow-Elongated Slug flow) 70
圖4-4 蛇形流(snake flow) 71
圖4-5 環狀流(anuular flow) 72
圖4-6 快速氣泡流(rapid bubble flow) 73
圖4-7 快速沸騰流(rapid boiling flow) 74
圖4-8 q”=266.334 kw/m2 , Re=35之璧面溫度分佈圖 75
圖4-9 q”=266.334 kw/m2 , Re=30之璧面溫度分佈圖 75
圖4-10 q”=266.334 kw/m2 , Re=22之璧面溫度分佈圖 76
圖4-11 q”=266.334 kw/m2 , Re=12之璧面溫度分佈圖 76
圖4-12 q”=300.995 kw/m2 , Re=35之璧面溫度分佈圖 77
圖4-13 q”=300.995 kw/m2 , Re=30之璧面溫度分佈圖 77
圖4-14 q”=300.995 kw/m2 , Re=22之璧面溫度分佈圖 78
圖4-15 q”=300.995 kw/m2 , Re=12之璧面溫度分佈圖 78
圖4-16 q”=354.864 kw/m2 , Re=35之璧面溫度分佈圖 79
圖4-17 q”=354.864 kw/m2 , Re=30之璧面溫度分佈圖 79
圖4-18 q”=354.864 kw/m2 , Re=22之璧面溫度分佈圖 80
圖4-19 q”=354.864 kw/m2 , Re=12之璧面溫度分佈圖 80
圖4-20 q”=266.334 kw/m2 , Re=35之璧面溫度分佈圖(奈米結構) 81
圖4-21 q”=266.334 kw/m2 , Re=30之璧面溫度分佈圖(奈米結構) 81
圖4-22 q”=266.334 kw/m2 , Re=22之璧面溫度分佈圖(奈米結構) 82
圖4-23 q”=266.334 kw/m2 , Re=12之璧面溫度分佈圖(奈米結構) 82
圖4-24 q”=300.995 kw/m2 ,Re=35之璧面溫度分佈圖(奈米結構) 83
圖4-25 q”=300.995 kw/m2 , Re=30之璧面溫度分佈圖(奈米結構) 83
圖4-26 q”=300.995 kw/m2 , Re=22之璧面溫度分佈圖(奈米結構) 84
圖4-27 q”=300.995 kw/m2 , Re=12之璧面溫度分佈圖(奈米結構) 84
圖4-28 q”=354.864 kw/m2 , Re=35之璧面溫度分佈圖(奈米結構) 85
圖4-29 q”=354.864 kw/m2 , Re=30之璧面溫度分佈圖(奈米結構) 85
圖4-30 q”=354.864 kw/m2 , Re=22之璧面溫度分佈圖(奈米結構) 86
圖4-31 q”=354.864 kw/m2 , Re=12之璧面溫度分佈圖(奈米結構) 86
圖4-32 微流道於相同流量下不同熱通量之週期比較圖 87
圖4-33 q”=266.334 kw/m2 , Re=12之璧面溫度分佈圖(疏水性) 87
圖4-34 q”=300.995 kw/m2 , Re=12之璧面溫度分佈圖(疏水性) 88
圖4-35 q”=354.864 kw/m2 , Re=12之璧面溫度分佈圖(疏水性) 88
圖4-36 壁面溫度與微流道流譜之分析圖 89
圖4-37 微流道流譜之週期性變化 92
圖4-38 微流道之出口蒸汽乾度與流譜關係圖 93
圖4-39 奈米結構微流道之出口蒸汽乾度與流譜關係圖 93
圖4-40 臨界熱通量之量測結果 94
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