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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:黃明輝
研究生(外文):Ming-HuiHuang
論文名稱:三維十字型微管道之液滴生成研究
論文名稱(外文):A Study of Droplet Formation in Three-Dimensional Crossing Microchannels
指導教授:李定智
指導教授(外文):Denz Lee
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:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:98
中文關鍵詞:混合液滴深寬比三維交錯微管道
外文關鍵詞:Mixed Dropletaspect ratio3-D cross microchannel
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微機電系統技術(MEMS)迅速發展,改變了人們對微小尺度上的了解,進而去更深入探討微小尺度下的研究,此系統具有體積小、成本低、檢測只需少量樣本、反應時間快、便於攜帶等優點,為了在有限的晶片面積上整合更多的功能,不同平面的三維結構晶片才是未來的發展潮流。
  本研究使用三維十字型微管道進行液滴生成之研究,藉著三維十字型微管道液滴生成之特殊性,來比較不同管道外型,發現在寬扁管道中其液滴生成之特殊性較為穩定,進一步去控制入口流量,比較二維管道與三維管道在液滴生成上與其特殊性是否有所差異,最後發現二維管道在液滴生成上優於三維管道,但三維管道有其二維管道所沒有之特殊液滴生成方式,在三維十字型管道交錯窗口間,能夠相互結合生成液滴,利用此特殊性來生成混合液滴,調配不同比例的濃度,來進行混合與探討,經過不同種流量的控制實驗後,油水比控制在一定的範圍下能夠較穩定生成,且在調配不同濃度之混合液滴是有一定的穩定性,利用三維管道獨特的混合機制來控制液滴混合的濃度及比例,可在液滴生成的控制上進行更廣泛的研究。

Micro-Electro-Mechanical System (MEMS) have developed rapidly in recent years. This has changed people’s understanding of small scale systems, and has resulted in more in-depth small scale research. The new systems offer several potential advantages, such as portability, low cost, small volume of samples and reagents, short reaction time, among other things. In order to integrate more functions into a limited chip area, the three-dimensional multi-plane structure of chips are a trend which should continue into the future.
In this study, we use three-dimensional crossed microchannels to research droplet formation. The purpose is to compare the appearance of different channels by the special three-dimensional cross-shaped microchannels and to find out if the special case of the droplet formation in the wide and flat pipe is more stable. Through the change of the rate of flow of the fluid at the entrance, we can compare the difference between two-dimensional and three-dimensional pipeline droplet formation and note special cases. We can find out if the two-dimensional pipeline droplet formation is more suitable than the formation in the three-dimensional pipeline. The three-dimensional pipeline has a special case in droplet formation. This special case is in the cross-shaped pipe staggered between windows, whereby the two discrete phase flows can be combined to generate droplets. The advantage of this arrangement is that it can generate mixed droplets and deploy the different proportions in the concentrations of mixed droplets. We found that the oil-water ratio controls the generation of mixed droplets more stable in a certain range. There was a certain degree of stability and accuracy in the deployment of different concentrations of mixed droplets. We can do more extensive research in droplet formation control.

目錄
摘要 I
Abstract II
目錄 IV
表目錄 VI
圖目錄 VIII
符號說明 XII

第一章 緒 論 1
1-1  前言 1
1-2  研究動機 2
1-3  研究目的 4
1-4  文獻回顧 4

第二章 基 礎 理 論 與 微 管 道 設 計 8
2-1  微尺度元件中流體力學的特性 8
2-2  理論基礎 12
2-2-1 流體阻力的影響(flow resistance) 12
2-2-2 流體轉向原理 13
2-2-3 毛細數(Capillary number, Ca) 14
2-2-4 液滴斷裂機制 15
2-3  晶片設計 16

第三章 實 驗 系 統 設 定 17
3-1  黃光微影製程 17
3-1-1 母模製作 17
3-1-2 PDMS管道製作 23
3-1-3 管道接合 24
3-2  實驗系統架構 24
3-2-1 實驗設備 24
3-2-2 實驗方法 26
3-2-3 工作流體參數 27
3-2-4 液滴生成頻率及體積計算 27
3-2-5 光度分析 28

第四章 結 果 與 討 論 29
4-1  十字型微管道生成液滴的條件 29
4-1-1 十字型微管道的特殊機制 29
4-1-2 十字型微管道對於不同AR下的影響 30
4-2  二維與三維微管道分析探討之比較 31
4-2-1 二維與三維四種管道下每秒產生的液滴數 31
4-2-2 固定水量下液滴體積與油量之關係 33
4-2-3 Ca、Re與液滴之關係 33
4-2-4 液滴生成之機制 34
4-3  墨水混合比例實驗(I) 37
4-3-1 光度的檢測方法 37
4-3-2 油水比的量測方式 38
4-3-3 油水比的實驗結果 39
4-3-4 油水比與液滴生成機制之影響 40
4-3-5 濃度與交錯窗之影響 40
4-4  墨水混合比例實驗(II) 41
4-4-1 濃度調配之量測方式 42
4-4-2 濃度調配之實驗結果 42
4-4-3 窗口與生成機制間關係 43
4-5  實驗誤差原因探討 45

第五章 結 論 47
5-1  總結 47
5-2  未來展望 49

參考文獻 50
表目錄

表2-1 微系統中參數與尺度關係 53

表3-1 晶圓污染源及可能影響 54
表3-2 濕式化學品清洗機制 54
表3-3 微影製程各種光源與其解析度之關係 55
表3-4 工作流體參數 55

表4-1 AR=0.4、AR=1.0以及AR=2.5所量測之實驗數據 56
表4-2 三維十字微管道在各流量下每秒生成之液滴數 56
表4-3 二維十字型微管道在各流量下每秒生成之液滴數 57
表4-4 三維T型微管道在各流量下每秒生成之液滴數 57
表4-5 二維T型微管道在各流量下每秒生成之液滴數 58
表4-6 二維與三維管道在各流量組合下之QR值 58
表4-7 水在各流量下管道內的Ca及Re 59
表4-8 油在各流量下之Ca 60
表4-9 QR測試,連續相與離散相各入口之流量 61
表4-10 QR測試,實驗所量測之光度值比理論上所多出的百分比 61
表4-11 濃度調配比例測試,各濃度下所占比例之流量 62
表4-12 濃度調配,實驗量測之光度值比理論上多出的百分比 62
圖目錄
圖1-1 實驗室晶片 63
圖1-2 (a)十字型微管道(b)Y型微管道[5] 63
圖1-3 T型微管道[6] 64
圖1-4 (a)二維十字型微管道(b)二維T型微管道(c)三維十字型微管道(d)三維T型微管道 64
圖1-5 在不同流率及Ca下液滴的形狀、大小及分離點[6] 65
圖1-6 (a)(b)(c)及右上圖為管道深寬比與流體轉向率之關係,右下圖為管道深寬比為0.44時流體轉向後之流場型態[7] 65
圖1-7 在不同流率及Ca下液滴的形狀、大小及分離點[8] 66
圖1-8 在管道內液滴的滾動情況與管道示意圖[10] 66
圖1-9 離散相在交錯窗口處被阻塞堆積所生成液滴的擠出模式[11] 67
圖1-10 利用壓力震盪器來保持液滴產生的頻率[12] 67
圖1-11 利用氣閥來控制液滴的混合[13] 68
圖1-12 利用十字型微管道來做分離和混合的過程 [14] 68
圖1-13 十字型微管道混合和分離液滴的範圍 [14] 69

圖2-1 不同微尺度下其應用關係圖 69
圖2-2 連續流體與分子流之區分[21] 69
圖2-3 不同尺度下流體分析模擬方法 70
圖2-4 表面張力示意圖 70
圖2-5 親水性與疏水性表面材質液體受表面張力作用示意圖 71
圖2-6 液滴受力後分離示意圖 71
圖2-7 (a)AR= 0.4外型示意圖(b) AR= 1.0外型示意圖(c) AR= 2.5外型示意圖 72
圖2-8 三維交錯十字型之應用管道 72

圖3-1 微流體晶片製作流程圖 73
圖3-2 旋轉塗佈機 73
圖3-3 紫外光照射SU8負光阻產生交連結構與酸鹼性變化[26] 74
圖3-4 駐波效應引起的光強度變化 74
圖3-5 曝後烤前後駐波效應的變化 75
圖3-6 PDMS通道晶片製作與接合 75
圖3-7 晶片管道完成圖 76
圖3-8 實驗設備圖 76

圖4-1 (a)二維十字微管道(b)二維T型微管道(c)三維十字型微管道(d)三維T型微管道之液滴生成示意圖 77
圖4-2 三維管道水量固定為0.4µl/min.,油量由0.2 ~ 0.9µl/min.,AR=0.4 77
圖4-3 三維管道水量固定為1.6µl/min.,油量由0.2 ~ 0.9µl/min.,AR=0.4 78
圖4-4 三維管道水量固定為0.4µl/min.,油量由0.2 ~ 0.9µl/min.,AR=1.0 78
圖4-5 三維管道水量固定為0.4µl/min.,油量由0.2 ~ 0.9µl/min.,AR=2.5 79
圖4-6 各管道在不同油量下每秒產生的液滴 79
圖4-7 (a)三維十字管(b)二為十字管(c)三維T型管(d)二維T型管 四種管道不穩定之情況 83
圖4-8 將QR固定,二維與三維四種微管道生成液滴之情況 83
圖4-9 每顆液滴不同油量中所含的體積 84
圖4-10 三維與二維管道俯視圖與前視圖觀察方向圖 87
圖4-11 二維十字型微管道,液滴生成俯視圖與前視圖參考圖 88
圖4-12 二維T型微管道,液滴生成俯視圖與前視圖參考圖 88
圖4-13 三維十字型微管道,液滴生成俯視圖與前視圖參考圖 89
圖4-14 三維T型微管道,液滴生成俯視圖與前視圖參考圖 89
圖4-15 光度檢測方式 90
圖4-16 光度分析圖表 90
圖4-17 光度分析結果 91
圖4-18 墨水20%時所測試之QR值 91
圖4-19 墨水30%時所測試之QR值 92
圖4-20 墨水40%時所測試之QR值 92
圖4-21 三維混合交錯管道俯視圖與前視圖觀察方向 93
圖4-22 QR=0.5時,液滴生成俯視圖 93
圖4-23 (a)(b)為QR=2.0時,液滴生成俯視圖和前視圖參考圖 94
圖4-24 不同QR時,液滴生成時交錯窗口間的現象 94
圖4-25 調控不同濃度之比較圖 95
圖4-26 8%與32%所造成的侵入現象 96
圖4-27 濃度16%時液滴生成示意圖 96
圖4-28 濃度20%時液滴生成示意圖 97
圖4-29 濃度24%時液滴生成示意圖 97
圖4-30 濃度調配時,液滴生成交錯窗口間的現象 98


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