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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:白喻丰
研究生(外文):Yu-FengPai
論文名稱:雙流體聲泳分類晶片內子聚焦現象探討
論文名稱(外文):Study of Particle Focusing in Twin-Fluid Micro Acoustophoretic Sorters
指導教授:呂宗行
指導教授(外文):Tzong-Shyng Leu
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:奈米科技暨微系統工程研究所
學門:工程學門
學類:材料工程學類
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:128
中文關鍵詞:聲輻射力雙流體粒子聚焦
外文關鍵詞:acoustic radiation forcetwin fluidparticle focusing
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以往的研究主要集中在一個單一流體中,利用聲輻射力對粒子產生聚集效果,但在之後會需要一個後續程序,將流體與粒子做一分離。本研究利用了一個雙向流體微流系統,使粒子脫離原來的流體並移動到另一種流體。在雙流體微流系統中,兩種不同的互溶流體分別經由兩個微流道入口注入,然後利用聲波駐波方法使得粒子聚集於節線處,最後再經由兩個微流道出口注出,由於流體間聲學性質的差異,會使得聲波的壓力節線不在管道的正中間處。
在聲輻射力的作用下 ,當常數A為正值時,可以使得粒子從原來的流體,重新懸浮到其他流體。本研究接著分析兩種不同的互溶流體,當其在微流道中所佔比例不同時,在聲輻射的作用下,其壓力節線會產生變化,並對此結果做一完整的探討。

Previous studies on particle focusing using acoustic radiation force have mainly focused on separation within a single fluid that needs a subsequent procedure to re-dilute separated particles into other media for cellular analysis. In this study, a twin fluid micro-flow system is proposed for separating particles from its original solvent and rediluting them into another solvent simultaneously. In this micro-flow system, two different miscible solvents flow parallel to each other through a 2-inlet-2-outlet micro-channel, where an acoustic standing wave is set up. Due to the differences in acoustic properties of these solvents, the pressure node of the acoustic wave is shifted from the middle line of the channel.
Under the action of the acoustic radiation force, particles with positive A -factors are extracted from their original solvent and re-suspended into the other solvent, wherein the pressure node resides.

摘要 I
Abstract II
誌謝 III
目錄 IV
表目錄 VI
圖目錄 VII
符號表 XII
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 聲輻射力 2
1-3 文獻回顧 2
1-4 研究動機與目的 4
第二章 基本理論 11
2-1 聲場統御方程式 12
2-1-1 狀態方程式(The equation of state) 12
2-1-2 連續方程式(The equation of continuity) 13
2-1-3 尤拉方程式(Euler’s equation) 14
2-1-4 波動方程式(The linear wave equation) 15
2-1-5 簡諧波動方程式 16
2-2 一維波動方程式及其解 16
2-3 二維波動方程式及其解21
2-4 三維波動方程式及其解 22
2-5 聲場特徵模態[8] 24
第三章 模型建立與數值方法 33
3-1 有限元素法 33
3-2 形狀函數 34
3-3 收斂條件34
3-4 分析流程35
3-4-1 建立模型與繪製幾何圖形 36
3-4-2 元素型式、統御域及材料定義 36
3-4-3 邊界條件設定 36
3-4-4 網格之產生 37
3-4-5 數值分析 38
3-4-6 結果 38
3-5 模擬分析與討論 38
3-6 網格測試 39
3-7 聲壓特徵值 39
3-8 單流體在不同頻率下之壓力節點分析 41
3-9 雙流體在不同頻率下之壓力節點分析41
3-10 雙流體界面h 與壓力節線Yp 重合之分析 43
第四章 理論公式推導 81
4-1 雙流體界面h 與壓力節線Yp 重合之情形 81
4-2 雙流體界面h 高於壓力節線Yp 之情形 82
4-3 雙流體界面h 低於壓力節線Yp 之情形 82
4-4 雙流體壓力節線之理論解(Hard-wall boundary) 83
4-5 以數值模擬驗證理論公式之正確性 85
4-6 數值模擬與理論公式之比較 86
4-7 雙流體壓力節線之理論解(Soft-wall boundary) 87
第五章 實驗方法與結果 99
5-1 微影製程流程 99
5-1-1 光罩製作 99
5-1-2 玻璃基板清潔 100
5-1-3 塗佈AZ-4620 正光阻 101
5-1-4 光阻軟烤 101
5-1-5 曝光101
5-1-6 顯影 102
5-1-7 硬烤 102
5-1-8 蝕刻 102
5-1-9 接合 103
5-1-10 訊號產生器 103
5-1-11 示波器. 103
5-2 實驗設備 103
5-3 生理食鹽水與血液之混合溶液 104
5-4 雙流體為DI Water 與丙酮(Acetone)之聚集情形 104
第六章 結論 127
參考文獻 128


[1]L. V. King, On the Acoustic Radiation Pressure on Spheres, Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, vol. 147, pp. 212-240, 1934.
[2]K. Yasuda and T. Kamakura, Acoustic radiation force on micrometer-size particles, Applied Physics Letters, vol. 71, p. 1771, 1997.
[3]A. Nilsson, F. Petersson, H. Jonsson, and T. Laurell, Acoustic control of suspended particles in micro fluidic chips, Lab Chip, vol. 4, pp. 131-5, Apr 2004.
[4]F. Petersson, A. Nilsson, C. Holm, H. Jonsson, and T. Laurell, Separation of lipids from blood utilizing ultrasonic standing waves in microfluidic channels, Analyst, vol. 129, pp. 938-43, Oct 2004.
[5]F. Petersson, L. A¡ berg, A.-M. Swärd-Nilsson, and T. Laurell, Free Flow Acoustophoresis:  Microfluidic-Based Mode of Particle and Cell Separation, Analytical Chemistry, vol. 79, pp. 5117-5123, Jul 2007.
[6]S. M. Hagsater, T. G. Jensen, H. Bruus, and J. P. Kutter, Acoustic resonances in microfluidic chips: full-image micro-PIV experiments and numerical simulations, Lab Chip, vol. 7, pp. 1336-44, Oct 2007.
[7]Y. Liu and K.-M. Lim, Particle Transport across Bi-Fluid Interface Using Acoustic Radiation Force, Modern Physics Letters B, vol. 24, p. 1397, 2010.
[8]H. Bruus, Microfluidics and ultrasound acoustophoresis, 2010.

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