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系統識別號 U0002-1808201101162200
中文論文名稱 基於對稱性破壞之液體驅動器研製
英文論文名稱 Fabrication of Fluidic Actuators based on Symmetry Breaking
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 99
學期 2
出版年 100
研究生中文姓名 馮龍田
研究生英文姓名 Lung-Tien Feng
學號 698370326
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2011-06-30
論文頁數 89頁
口試委員 指導教授-楊龍杰
委員-楊龍杰
委員-吳乾埼
委員-蔡健忠
委員-吳文中
委員-黃世欽
中文關鍵字 對稱性破壞  轉子  有限元素分析  雷諾數 
英文關鍵字 Symmetry Breaking  rotor  ANSYS  Reynolds number 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本論文提出基於對稱性破壞理念於微觀尺寸下進行液體驅動器之研製。在驅動元件部分設計矽晶圓腔體與微流道,以及五種不同型態之轉子,其次加入材料自然頻率理論與ANSYS有限元素分析對轉子設計進行分析模擬,並探討在不同轉子型態條件下,對於液體驅動器驅動性能之影響,以獲得最佳之運轉結果。矽晶圓製程上,利用濕蝕刻技術對矽晶圓進行非等向性蝕刻,並加入凸角補償設計,藉此修正矽晶圓之中心軸,轉子則是使用SU-8厚膜光阻,利用其高深寬比之特性製作而成。最後將PDMS進行氧氣電漿表面改質與矽晶圓基板Bonding即可完成液體驅動器結構。經由實驗結果得知,使用3葉、4葉與5葉刀片型轉子可以使其驅動,最後量測結果顯示,當3葉、4葉與5葉的液體驅動器之進水量個別在2.44 ml/min、3.5 ml/min與4.75 ml/min時轉子開始起轉,又再進水量為2.4 ml/min、3.38 ml/min與4.72 ml/min時停止旋轉,形成了遲滯現象。最後將ANSYS模擬結果經由公式計算與文獻當中的雷諾數做比較,發現其雷諾數均小於在可動範圍400以下。
英文摘要 This paper proposed based on the concept of symmetry in the microscopic size of damage under the drive of the development of the liquid. Part of the design element in the drive cavity and silicon micro flow channel, and five different types of rotor, followed by adding the natural frequency of the theoretical material and ANSYS finite element analysis conducted on the rotor design analysis simulation, and explore different types of conditions the rotor, drive for drive performance liquid effect, to obtain the best operating results. Process on silicon wafers using wet etching of silicon wafer technology for anisotropic etching, convex corner compensation and join the design to fix the silicon wafer of the central axis, the rotor is the use of SU-8 thick photoresist, use its high aspect ratio of the features made. Finally, the PDMS to oxygen plasma surface modification and Bonding silicon wafer substrate to complete the fluid drive structure. By the experimental results revealed that the use of 3 leaves, 4 leaves and 5 leaf blade rotor can be driven to the final measurement results showed that when 3 leaves, 4 leaves and 5 leaves of liquid water into the drive of the individual in 2.44 ml/min, 3.5 ml/min and 4.75 ml/min beginning when the rotor turn again into the water 2.4 ml/min, 3.38 ml/min and 4.72 ml/min stop rotation, forming a hysteresis. Finally, the ANSYS simulation results calculated by the Reynolds number with which to compare the literature and found that its Reynolds number is less than 400 in the movable range of the following.
論文目次 目錄
中文摘要 I
英文摘要 II
目錄 III
表目錄 VI
圖目錄 VII
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 研究動機 2
1-3 研究目的與論文架構 4
第二章 文獻回顧與探討 7
2-1 液體驅動器相關回顧與比較 8
2-2 歷年研究回顧 15
第三章 有限元素模擬分析 20
3-1 SU-8轉子自然頻率推導 20
3-2 轉子模型與網格建立 25
3-3 模擬環境設置 27
3-3-1 元素選擇 27
3-3-2 材料設定 28
3-3-3 模態分析設定 30
3-4 模擬結果 31
第四章 液體驅動器之製造 37
4-1液體驅動器設計與製程規劃 37
4-1-1光罩製作 38
4-1-2 晶片清潔 39
4-1-3 微影製程 40
4-1-4 矽晶圓微流道 43
4-1-5 PDMS進出口接管 44
4-1-6 SU-8微型轉子 45
4-2 微型液體驅動器元件組裝 48
第五章 液體驅動器之實驗測試與探討 51
5-1 實驗架構 51
5-2 轉子驅動測試 57
5-3 SU-8轉子轉速測試 64
5-3-1 轉速理論分析 64
5-3-2 轉速實驗測試 65
5-4 液體驅動器振動測試 70
5-5 雷諾數結果推論 77
5-6 實驗結果與討論 79
第六章 結論與未來方向 81
6-1 結論 81
6-2未來方向 83
參考文獻 84
附錄A 88
表目錄
表2-1 本研究群歷年研究成果 19
表3-1 材料機械性質 30
表5-1 各區域轉子之內徑與高度 55
表5-2 進水量與轉速 63
表5-3 轉子參數與結果 65
表5-4 三種轉子在第一振頻之加速度值 77
表5-5 五種轉子雷諾數 78
圖目錄
圖1-1 水槽內對稱之轉子 3
圖1-2 雷諾數圖表 4
圖2-1 Stemme發表的無閥式微幫浦工作原理 9
圖2-2 Gerlach所製作的無閥門式微幫浦 10
圖2-3 附有轉子之旋轉式微幫浦腔體 10
圖2-4 包含一個吸收腔體及微流道的旋轉式微幫浦 10
圖2-5 壓電無閥式微幫浦結構 11
圖2-6 壓電式微幫浦 12
圖2-7 由20對ITO梳狀電擊製作的微型離子幫浦 12
圖2-8 微幫浦輸水量示意 13
圖2-9 螺旋微電極內嵌於SU-8圓形微流道之EHD微幫浦 14
圖2-10 幫浦和混合器之微型設計 14
圖2-11 林宏樺製作之熱挫曲微致動器 15
圖2-12 林岳正製作之低溫熱挫曲微致動微幫浦 16
圖2-13 周禹廷製作之低溫低電壓熱挫曲微致動微幫浦 16
圖2-14 熱氣動無閥門式微幫浦之3D示意 17
圖2-15 熱氣動無閥門式微幫浦 17
圖2-16 無閥門式微幫浦之3D示意 18
圖2-17 雙葉片微型轉子 18
圖3-1 五種不同形態轉子尺寸設計 21
圖3-2 受拉伸長之等截面桿件 23
圖3-3 單一懸臂梁結構 24
圖3-4 幾何模型網格化 26
圖3-5 Solid95幾何元素 28
圖3-6 模擬分析種類 31
圖3-7 頻率範圍設定 31
圖3-8 五種SU-8轉子之自然頻率分析 33
圖3-9 ANSYS模擬顯示一般2葉型頻率動態 34
圖3-10 ANSYS模擬顯示2葉刀片型頻率動態 34
圖3-11 ANSYS模擬顯示3葉刀片型頻率動態 35
圖3-12 ANSYS模擬顯示4葉刀片型頻率動態 35
圖3-13 ANSYS模擬顯示5葉刀片型頻率動態 36
圖4-1 液體驅動器之3D示意 37
圖4-2 流道寬度 38
圖4-3 光罩補償 38
圖4-4 正光阻與負光阻之製備程序 41
圖4-5 矽晶圓微流道 44
圖4-6 #19 gauge之中空針頭 45
圖4-7 PDMS微流道進出口製作 45
圖4-8 SU-8轉子 47
圖4-9 SU-9微型轉子之製作流程 47
圖4-10 清潔後的基板 48
圖4-11 以水彩筆沾取微轉子 49
圖4-12 轉子對準於中心軸 49
圖4-13 PDMS經氧氣電漿表面處理示意 50
圖5-1 矽晶圓微流道寬度 52
圖5-2 腔體中心軸 52
圖5-3 腔體深度 53
圖5-4 腔體中心軸上方寬度 53
圖5-5 腔體中心軸下方寬度 53
圖5-6 晶圓面之各區塊轉子 54
圖5-7 轉子內徑 55
圖5-8 中央轉子平均高度 55
圖5-9 在alpha-step中顯示之2葉型轉子翹曲情形 56
圖5-10 液體驅動器成品 56
圖5-11 轉子與開口方向 57
圖5-12 元件放置在超音波振洗機內 57
圖5-13 實驗儀器架設 59
圖5-14 水中振動之5葉刀片型轉子 59
圖5-15 轉子葉片與基板摩擦 61
圖5-16 PDMS上蓋與基板脫離 62
圖5-17 轉子遲滯現象曲線 63
圖5-18 高速鏡頭顯微鏡 66
圖5-19 轉子在1/500秒的位置 68
圖5-20 轉子在2/500秒的位置 68
圖5-21 轉子在3/500秒的位置 69
圖5-22 實驗架設:包含訊號產生器、加速規、電荷放大器等 70
圖5-23 元件固定於螺絲 71
圖5-24 元件注水 72
圖5-25 加速規量測之波形 72
圖5-26 光學顯微鏡拍攝之3葉轉子未啟動前之轉子位置 74
圖5-27 經過超音波振動後之轉子位置 74
圖5-28 振動器振動後之轉子位置 74
圖5-29光學顯微鏡拍攝之4葉轉子未啟動前之轉子位置 75
圖5-30 超音波振動後之轉子位置 75
圖5-31 振動器振動後之轉子位置 75
圖5-32光學顯微鏡拍攝之5葉轉子未啟動前之轉子位置 76
圖5-33 超音波振動後之轉子位置 76
圖5-34 振動器振動後之轉子位置 76
圖5-35 雷諾數範圍 78
參考文獻 參考文獻
[1] 楊龍杰,掌握微機電,滄海書局,2007年6月初版。
[2] S. Shoji, and M. Esash, “Microflow devices and systems,” Journal of Micromech Microeng, Vol. 4, pp. 157-171, 1994.
[3] N. Vandenberghe, J. Zhang, and S. Childress, “Symmetry breaking leads to forward flapping flight,” Journal of Fluid Mechanics, Vol. 506, pp. 147-155, 2004.
[4] R. P. Feynman, “There's plenty of room at the bottom,” IEEE. ASME. JMEMS, Vol. 1, pp. 60-65, 1992.
[5] 松井信行,蕭旭烈,致動器入門,複文書局,1987年初版。
[6] M.V. Sefton, et al., “Controlled release micropump for insulin administration,” Annals of Biomedical Engineering, Vol. 7, pp. 329-343, 1979.
[7] D. J. Laser, J. G. Santiago, “A review of micropumps,” Journal of Micromech Microeng, Vol. 14, pp. 35-64, 2004.
[8] P. Woias, “Micropumps-past, progress and future prospects,” Sensors and Actuators, Vol. 105, pp. 28-38, 2005.
[9] R. Zengerle, S. Kluge, M. Richter, and A. Richter, “A Bi-directional silicon micropump,” Sensors and Actuators, Vol. 50, pp. 81-86, 1995.
[10] R. Linnenmann, P. Woias, C. D. Senfft, and J. A. Ditterich, “A self-priming and bubble-tolerant piezoelectric silicon micropump for liquids and gases,” Proc. MEMS’98, pp. 532-537, 1998.
[11] Van De Pol, and S. bouwstra, “A piezoelectric micropump based on micromachining of silicon,” Sensors and Actuators, vol. 15, pp.153-16, 1988.
[12] F. C. M. Van de pol, H. T. G. Van lintel, M. Elwenspoek and J. H. J. Fluitman, “A thermopneumatic micropump based on micro-engineering techniques,” Sensors and Actuators, A21-A23, pp. 198-202, 1990.
[13] F. C. M. Van de pol, H. T. G. Van lintel, M. Elwenspoek and J. H. J. Fluitman, “A thermo-pneumatic actuation principle for a microminiature pump and other micromechanical devices,” Sensors and Actuators, Vol. 17, pp. 139-143, 1989.
[14] E. Stemme, and G. Stemme, “A valveless diffuser/nozzle-based fluid pump,” Sensors and Actuators , Vol. 39, pp. 159-167, 1993.
[15] T. Gerlach, M. Schuenemann and H. Wurmus, ” A new micropump principle of the reciprocating type using pyramidic micro flowchannels as passive valves,” Journal of Micromech Microeng, Vol. 5, pp. 199-201, 1995.
[16] C. H. Ahn, and M. G. Allen, “Fluid Micropumps Based on Rotary Magnetic Actuators,” Proc. of MEMS’95, pp. 408-412, 1995.
[17] A. Olsson, O. Larsson, J. Holm, L. Lundbladh, and O. Ohman, “Valve-less diffuser micropumps fabricated using thermoplastic replication,” Sensor and Actuator, Vol. 64, pp. 63-68, 1998.
[18] J. H. Kim, C. J. Kang, and Y. S. Kim, “A disposable polydimethylsiloxane-based diffuser micropump actuated by piezoelectricdisc,” Microelectronic Engineering, Vol. 71, pp. 119-124, 2004.
[19] L. J. Yang, J. M. Wang, and Y. L. Huang, “The micro ion drag pump using indium tin oxide (ITO) electrodes to resist aging,” Sensors and Actuators, Vol. 111, pp. 118-122, 2004.
[20] J. M. Wang and L. J. Yang, “Electro-hydro-dynamic (EHD) micropumps with electrode protection by parylene and gelatin,” Tamkang Journal of Science and Engineering, Vol. 8, pp. 231-236, 2005.
[21] L. J. Yang, J. M. Wang, K. C. Ko, W. P. Shih and C. L. Dai, “A circular microchannel integrated with embedded sprial electrodes used for fluid transportation,” Sensors and Actuators, Vol. 139, pp. 172–177, 2007.
[22] Y. C. Hung, T. H. Wu, C. J. Hsu, and H. J. Sheen, “A new reciprocating pumping and mixing device with a microro,” Asia Pacific Conference of Transducers and Micro-Nano Technology (APCOT), Taiwan, 2008.
[23] 林宏樺,”以聚-對二甲苯微機電技術製作之熱挫曲式微型制動器”,淡江大學機械與機電工程學系碩士論文,2005年6月。
[24] 林岳正,”低驅動電壓之熱致動微元件”,淡江大學機械與機電工程學系碩士論文,2007年6月。
[25] 周禹廷,”低溫及低驅動電壓之微型熱挫曲式微幫浦分析與研製”,淡江大學機械與機電工程學系碩士論文,2008年6月。
[26] 林子淵,”熱氣動無閥門式微幫浦之研製”,淡江大學機械與機電工程學系碩士論文,2008年6月。
[27] 方廷旗,”無閥門式微幫浦之研製”,淡江大學機械與機電工程學系碩士論文,2010年6月。
[28] 王允成,”小水力發電系統動態分析”,國立高雄應用科技大學電機工程系碩士論文,2005年6月。
[29] 溫炯亮,吳黎民,王派祥,張振添,材料力學,新文京開發出版股份有限公司,1996年2月初版。
[30] 康淵,陳信吉,ANSYS入門,全華圖書公司,2007年6月五版。
[31] “ANSYS tutorials,” ANSYS 9.0
[32] 科毅科技,”GerTeltec-SU-8 Property-GM1070”,2010年11月。
[33] 王信雄,”薄膜式微型壓力感測器暨熱挫曲式驅動器之設計與研製”, 淡江大學機械與機電工程學系博士論文,2007 年 6 月。
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2016-08-22公開。
  • 同意授權瀏覽/列印電子全文服務,於2016-08-22起公開。


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