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系統識別號 U0002-1208201016075600
中文論文名稱 碎形微圖案應用於被動式微混合器之研製
英文論文名稱 Study on the Application of Fractal Patterns to the Passive Micromixer
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 98
學期 2
出版年 99
研究生中文姓名 葉富文
研究生英文姓名 Fu-Wen Yeh
電子信箱 697370442@s97.tku.edu.tw
學號 697370442
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2010-06-14
論文頁數 107頁
口試委員 指導教授-楊龍杰
委員-康尚文
委員-李雨
委員-沈弘俊
委員-鍾永強
中文關鍵字 碎形圖案  混合指標  被動式微混合器 
英文關鍵字 FractalPatterns  MixingIndex  PassiveMicromixer 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本文以數值模擬與元件實作測試,研製新式Y型被動式微混合器,並罕見以碎形維度定義混合結構之特徵。為能增加流體的混合指標,在主流道內配置三種樹枝分叉狀碎形圖案,各自分叉一重、二重與三重;碎形維度依據盒子理論計算,各為1.222、1.585與1.716。數值模擬部分,計算域網格以ICEM/CFD製作進行前處理,流場計算則採用FLUENT軟體,求解微混合器內的定常流場,再以TECPLOT後處理估算混合效果,雷諾數分別為0.64、6.4與64。元件實作驗證部分,本文利用微機電技術,以SU-8厚膜光阻搭配聚二甲基矽氧烷PDMS翻模製程,成功製作本新式微混合器,並利用螢光顯像與倒立式顯微攝影術拍攝混合情形影像,經MATLAB軟體處理輸出混合指標之數據。數值模擬與實驗結果,均證實本新式微混合器具混合效果:同一種碎形結構下,較小雷諾數(0.64)之混合效果較佳;而雙重分叉之碎形圖案混合效果則優於其它案例。
英文摘要 The present work is to develop a new Y-type passive chaotic micromixer classified by fractal dimension by the numerical and experimental approaches. To enhance the mixing index, three different types of the tree-like fractal patterns were used. The fractal patterns branch for one time (model II), two times (model III), and three times (model IV) have been assigned as the embedded grooves into the main channel of the micromixer. The fractal dimensions are also calculated as 1.222, 1.585, and 1.716 by the box theory. The softwares ICEM/CFD, FLUENT, TECPLOT are used to implement the pre process, field computation, and the post process of the numerical simulation of the new micromixer’s flow field. Three Reynolds numbers of 0.64, 6.4, and 64 are considered. To verify the numerical results, the soft lithography of MEMS technology is used to fabricate the new micromixer. An inverted fluorescence microscopy is used to capture the mixing image of the micromixer, and the mixing index values are derived from the mixing images by MATLAB. Both the numerical and the experimental data show the good mixing of the new device. With the same fractal pattern, the lower Reynold number flow (0.64) has the higher mixing index. The fractal patterns branch for two times (model III) is also better than other cases with high mixing performance.
論文目次 目錄
誌謝 I
中文摘要 III
英文摘要 IV
目錄 V
圖目錄 VIII
表目錄 XIII
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 研究動機 3
1-3 文獻回顧 5
1-4 研究架構 22
第二章 混合器相關理論概述 24
2-1 布朗運動 24
2-2 Fick定律 28
2-3 雷諾數 28
2-4 貝克勒數與施密特數 29
第三章 微混合器之設計與數值模擬 31
3-1 碎形介紹 32
3-2 碎形特性 34
3-3 碎形種類 35
3-4 碎形維度 37
3-5 碎形微混合器之設計 38
3-6 數值模擬 40
3-6-1 基本假設與統御方程式 40
3-6-2 ICEM/CFD網格模型之建立 42
3-6-3 FLUENT模擬之運算、邊界條件 46
3-6-4 收斂標準測試 48
3-6-5 後處理 49
3-7 混合效率指標 49
3-8 模擬結果分析 50
第四章 碎形微圖案之被動式微混合器製程 62
4-1 光罩設計 62
4-2 光罩製作 65
4-3 高深寬比微加工製程 66
4-4 PDMS製程及氧氣電漿表面改質技術 67
4-5 基本製程技術 69
4-5-1 晶片清潔 70
4-5-2 微影製程 71
4-6 樹狀碎形被動式微混合器之製程 76
第五章 微混合器量測與結果分析 85
5-1 實驗設備架構 85
5-2 影像擷取 87
5-3 混合指標量測結果與討論 87
第六章 結論與未來方向 97
6-1 結論 97
6-2 未來方向 99
參考文獻 101
作者發表之著作 107
圖目錄
圖1-1 微混合器分類圖 8
圖1-2 混合器入口構型﹕(a)T型;(b)Y型;(c)並聯多層式型;(d)水利聚焦型 9
圖1-3低雷諾數T型微混合器 9
圖1-4高效能T型微混合器 10
圖1-5中間段流道截面積縮減之微混合器 11
圖1-6 Y型微混合器 12
圖1-7兩種直線型微混合器 12
圖1-8利用LIGA技術製作之微混合器 13
圖1-9水力聚焦型混合器 14
圖1-10 應用於病毒對於細胞感染量測之微混合器 14
圖1-11 串聯式多層化類型:(a)結合-分離-結合式;(b)分離-結合式;(c)分離-分離-結合式;(d)多重交叉式 15
圖1-12多層次化型微混合器:(a)水平多層化(horizontal lamination);(b)垂直多層化(vertical lamination) 15
圖1-13 串聯式多層化型微混合器:(a)水平注入流體-垂直分離-水平混合;(b)垂直注入流體-水平分離-垂直混合 16
圖1-14注入型微混合器 17
圖1-15圓柱形障礙物於微流道中之微混合器 18
圖1-16鋸齒型微流道之微混合器 18
圖1-17利用康達效應原理製作之二維特斯拉結構之微混合器 19
圖1-18 由上至下看,分別為Liu等製造之”C-shaped”三維彎曲微流道,中間是方波形微流道,最下方則是直線微流道 20
圖1-19混沌對流式魚脊型微混合器 21
圖1-20液滴型微混合器 22
圖1-21 論文架構圖 23
圖3-1 天然樹枝狀明膠碎形結構圖案 31
圖3-2 卡區雪花曲線 33
圖3-3樹狀碎形微混合器結構示意圖:(a)I型;(b)II型;(c)III型;(d)IV型(模擬時,流體由左側流入) 39
圖3-4 不同網格數量模擬結果 43
圖3-5 微混合器I構型 44
圖3-6 微混合器II構型 44
圖3-7微混合器II構型之樹狀碎形局部放大圖 44
圖3-8 微混合器III構型 45
圖3-9微混合器III構型之樹狀碎形局部放大圖 45
圖3-10 微混合器IV構型 46
圖3-11微混合器IV構型之樹狀碎形局部放大圖 46
圖3-12收斂標準測試 49
圖3-13 微混合器I型純流道之Z = 30 流場質量濃度分佈(Re=0.64) 52
圖3-14 微混合器II型之Z = 30 流場質量濃度分佈(Re=0.64) 52
圖3-15 微混合器III型之Z = 30 流場質量濃度分佈(Re=0.64) 52
圖3-16 微混合器IV型之Z = 30 流場質量濃度分佈(Re=0.64) 52
圖3-17 微混合器II型之Z = 10 流場質量濃度分佈(Re=0.64) 53
圖3-18 微混合器II型之混合濃度分佈截面圖(Re=0.64):(a)全貌; (b)放大圖 54
圖3-19 微混合器III型之Z = 10 流場質量濃度分佈(Re=0.64) 55
圖3-20 微混合器III型之混合濃度分佈截面圖(Re=0.64):(a)全貌; (b)放大圖 56
圖3-21 微混合器IV型之Z = 10 流場質量濃度分佈(Re=0.64) 57
圖3-22 微混合器IV型之混合濃度分佈截面圖(Re=0.64):(a)全貌;(b)放大圖 58
圖3-23 微混合器II型質量分率與主流道關係 59
圖3-24 微混合器III型質量分率與主流道關係 60
圖3-25 微混合器IV型質量分率與主流道關係 60
圖3-26 三種微混合器質量分率與主流道關係 61
圖4-1 完整之被動式微混合器 62
圖4-2 本文混合器之製程光罩:(a)第一道光罩-金屬對準點圖案;(b)第二道光罩-微流道結構 64
圖4-2(續) 本文混合器之製程光罩:(c)第三道光罩-樹狀碎形結構 65
圖4-3 三種樹狀碎形分支結構設計 65
圖4-4 聚二甲基矽氧烷之化學結構 68
圖4-5 PDMS經氧氣電漿表面處理之示意圖 68
圖4-6 旋轉塗佈機(spin coater) 74
圖4-7 紅外線雙面對準曝光機(mask aligner OAI model 200 IR) 75
圖4-8 正光阻與負光阻之製備程序。正光阻最後的明暗圖形與光罩相同,負光阻則反之 75
圖4-9 碎形微混合器製程 81
圖4-10電子束蒸鍍機 81
圖4-11 SU-8 GM1070光阻厚度相對曝光劑量之對照表 82
圖4-12 顯影完成之SU-8結構母模。 82
圖4-13 放置加熱板上固化之PDMS 83
圖4-14 左為進出口挖孔完成,右為# 19 gauge空心針頭。 83
圖4-15 反應離子蝕刻機 84
圖4-16 樹狀碎形被動式微混合器 84
圖5-1實驗設備架設示意圖 86
圖5-2 實際實驗設備架設平台 86
圖5-3 微混合器I型在Re=0.64時之混合狀況 88
圖5-4 微混合器I型在三種雷諾數下之混合指標 88
圖5-5微混合器II型(發散型)在Re=0.64時之混合狀況 89
圖5-6 微混合器II型(收斂型)在三種雷諾數下之混合指標 90
圖5-7 微混合器II型(發散型)在三種雷諾數下之混合指標 90
圖5-8微混合器III型(發散型)在Re=0.64時之混合狀況 91
圖5-9 微混合器III型(收斂型)在三種雷諾數下之混合效率 92
圖5-10 微混合器III型(發散型)在三種雷諾數下之混合指標 92
圖5-11 微混合器IV型(發散型)在Re=0.64時之混合狀況 93
圖5-12 微混合器IV型(收斂型)在三種雷諾數下之混合指標 94
圖5-13 微混合器IV型(發散型)在三種雷諾數下之混合指標 94

表目錄
表3-1 碎形種類 37
表3-2 微混合器構型及碎形維度分類 40
表3-3 數值網格 43
表4-1 氧氣電漿對PDMS處理參數之接合結果比較 69
表5-1六種微混合器之混合效率 95


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論文使用權限
  • 同意紙本無償授權給館內讀者為學術之目的重製使用,於2010-08-17公開。
  • 同意授權瀏覽/列印電子全文服務,於2010-08-17起公開。


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