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系統識別號 U0002-2908201810593800
中文論文名稱 具突張出口微流道之顆粒流動與應用
英文論文名稱 Particle Flow of a Microchannel with Abrupt Exit and Its Application
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 106
學期 2
出版年 107
研究生中文姓名 黃鼎翔
研究生英文姓名 Huang Ting Hsiang
學號 605370161
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2018-06-29
論文頁數 90頁
口試委員 指導教授-楊龍杰
委員-李其源
委員-鄭元良
中文關鍵字 生物晶片  雷諾數  渦旋  微流道 
英文關鍵字 Biochip  Reynolds number  Vortex  microfluidic 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本文針對具突張出口微流道之顆粒流動,使用 COMSOL Multiphysics的粒子流動計算模組,進行動態數值模擬,方便與2012年呂傑文之肝癌HepG2細胞灌流黏貼實驗結果進行比較。單一長直微流道寬15μm,高8μm,長500μm ,微顆粒大小1μm與5μm,流速1.39m/s,以水力直徑特徵長度依據,雷諾數範圍14.439。
純粹液體(水)模擬顯示,在雷諾數14.439,突張出口兩側出現渦漩迴流區,一般認為有利於微顆粒之黏貼。故使用粒子流動模組,依照(一)同時施放1000顆1μm粒子;(二)同時施放1000顆5μm 粒子;(三)同時施放粒徑1μm與5μm粒子各500顆;(四)分10次,每次施放100顆1μm粒子; (五) 分10次,每次施放100顆5μm粒子;(六) 分10次,每次施放每次施放1μm與5μm粒子各50顆,進行時間全長6000μs之動態數值模擬。
上述數值模擬與呂傑文實驗結果定性比較顯示:方式(二)、(五)的模擬較為逼真。
本文並製作聚二甲基矽氧烷微流道,進行方式(三)、(六)之灌流實驗與模擬比對,以明顯顆粒貼附外,分辨顆粒大小之能力。
英文摘要 This work used COMSOL Multiphysics particle flow module for dynamic numerical simulation of a microchannel with abrupt exit, which is convenient for comparison with Lu Jiewen's HepG2 cell perfusion and adhesion experiment results in 2012. The single long and straight microchannels are 15 μm wide, 8 μm high, 500 μm long, and the sizes of micro particle are 1 μm and 5 μm, and the flow velocity is 1.39 m/s. The characteristic length is based on the hydraulic diameter, and the Reynolds number is 14.439.

Pure liquid (water) simulations showed that at Reynolds number 14.439, vortex recirculation zones appeared on both sides of the outburst outlet, which is generally considered to be beneficial to the adhesion of microparticles. Therefore, the particle flow module is used in the following 6 methods of particle releasing: (1) to apply 1000 particles of 1μm at the same time; (2) to apply 1000 particles of 5μm at the same time; (3) to simultaneously apply 500 particles of particle size of 1μm and 5μm (triple) to 10 times 100 particles of 1μm each time; (4) 10 times; 100 particles of 1μm each time; (5) 10 times; 100 particles of 5μm each time, (6) 10 times; Fifty particles of 1 μm and 5 μm particles were each used to perform a dynamic numerical simulation of a total time of 6000 μs.

The qualitative comparison between the above numerical simulation and Lu Jiewen's experimental results shows that the simulations of methods (2) and (5) are more realistic.

In this work, fabrication process by polydimethylsiloxane(PDMS) microchannel were succeed, and the perfusion experiments and simulations of methods (3) and (6) were performed to check the situation of particle attachment and particle sorting capability.
論文目次 目錄
中文目錄…………………………………………...……………….………I
英文摘要………………………………………………………………….II
目錄……….……………………………….………………………………IV
圖目錄……………………..…………………………………………….VI
表目錄………………………………………………………..…………XII
第一章 緒論 ............................................................................................... 1
1-1研究背景與目的................................................................................1
1-2研究動機………………………………………..…………………. 2
1-3文獻回顧............................................................................................3
1-4實驗目的............................................................................................7
第二章 具有突張出口的微流道模擬………………………………......... 8
2-1微流道外型、控制方程式與基本理論解..........................................8
2-2突張出口的設計與相關流動條件的設定......................................11
2-3使用 COMSOL-Multiphysics求解無粒子流動………….………16
2-4使用 COMSOL-Multiphysics流體粒子交互作用.........................28
2-5使用 COMSOL-Multiphysics求解流體多次釋放粒子交互作….33
2-6使用 COMSOL-Multiphysics求解釋放兩種大小不同粒子之微流
道模擬…………………………………………....………………..35
2-7 與先前粒子灌流實驗之比較......................................................36
2-8 模擬粒子軌跡……………...…………………………….……..51
2-9 模擬收斂性…………………………..…………………………55
第三章 具有突張出口的微流道實驗……………………………..........58
3-1光罩製造........................................................................................58
3-2基本製造技術………………………………….………..…...…..59
3-2-1 晶片清潔…………………………………………...………59
3-2-2微影製程…………………………………….….….…..……60
3-3 PDMS微流道製程………………………………………..……..65
3-3-1矽晶圓微流道製作………………………….…….………..65
3-3-2 PDMS 翻模………………………………………….……67
3-3-3 PDMS清潔步驟………………………………….…….…..69
3-3-4使用電漿進行結合…………………………………..…….72
3-3-5微流道防漏黏合…………………………………….………73
3-4動態實驗設備……………………………………………...…….74
第四章 結論………………………………………………..……………76
參考文獻 ................................................................................................... 81
附錄A- APP模組功能介紹與建立- COMSOL Multiphysics …...……….85
附錄B-APP使用功能介紹- COMSOL Multiphysics………….…………89
圖目錄
圖1-1不同流速的比較….……………………………..…………………4
圖1-2 微球體動態實驗於未蝕刻之微流道內灌流120分鐘….…..….5
圖1-3微球體動態實驗於蝕刻CF4:O2=1:1, 15min之微流道內灌流120
分鐘….…………………………………………………………..6
圖2-1原始微流道全部進出口外型……………………………………10
圖2-2取進出口半徑250m圓周範圍進行模擬………………………10
圖2-3計算流體力學 COMSOL 模組分類………………………………12
圖2-4流體粒子交互作用….……………………………………………12
圖2-5載入模型…………………………………...………....……..13
圖2-6設定入口以及流速……………………….……………...…….13
圖2-7設定出口………………………………………………………...14
圖2-8設定粒子釋放入口、粒子條件以及粒子數……………………..14
圖2-9粒子出口………………………………………………………….15
圖2-10網格設置…………………………………………………………15
圖2-11研究時間及時間單位設定…………………………………...…16
圖2-12流速:0.0027(m/s),單一長直流道流場表示…………………….18
圖2-13流速:0.0027(m/s),單一長直流道之速度流線場……………….18
圖2-14流速:0.0027(m/s),單一長直流道之壓力…………………….......19
圖2-15流速:0.027(m/s),單一長直流道流場表示…………………….…19
圖2-16流速:0.027(m/s),單一長直流道之速度流線場……………….…20
圖2-17流速:0.027(m/s),單一長直流道之壓力………………………….20
圖2-18流速:0.27(m/s),單一長直流道流場表示………………………...21
圖2-19流速:0.27(m/s),單一長直流道之速度流線場………………...…21
圖2-20流速:0.27(m/s),單一長直流道之壓力…………………………...22
圖2-21流速:2.7(m/s),單一長直流道流場表示………………………….22
圖2-22流速:2.7(m/s),單一長直流道之速度流線場…………………….23
圖2-23流速:2.7(m/s),單一長直流道之壓力………………………….…23
圖2-24流速:27(m/s),單一長直流道流場表示………………………......24
圖2-25流速:27(m/s),單一長直流道之速度流線場…………………..…24
圖2-26流速:27(m/s),單一長直流道之壓力……………………………..25
圖2-27各流速流場及壓力比較……………………………………….…26
圖2-28流速:0.0027(m/s),黏滯顆粒:0個………………………………30
圖2-29流速:0.027(m/s),黏滯顆粒:5個………………………………..30
圖2-30流速:0.27(m/s),黏滯顆粒:4個……………………………...….31
圖2-31流速:2.7(m/s),黏滯顆粒:16個……………………………..…..31
圖2-32流速:27(m/s),黏滯粒子:19個…………………………….……32
圖2-33流速:0.27(m/s)粒子軌跡……………………………………....….32
圖2-34流速:0.27(m/s)釋放粒子總數:100(個)……………………......….34
圖2-35流速:0.27(m/s)釋放粒子總數:1000(個)…………………….........34
圖2-36流速:0.27(m/s)不同大小粒子同時釋放………………………….35
圖 2-37 流場圖……………………………………………..................…39
圖 2-38 壓力圖……………………………………………………….….39
圖 2-39 一次釋放1000顆1μm…………………………………………..40
圖 2-40 一次釋放1000顆5μm…………………………………………..40
圖 2-41 一次釋放1μm、5μm各500顆……………………………….….41
圖 2-42 分10次;每次施放100顆1μm粒子…………………………….41
圖 2-43 分10次;每次施放100顆5μm粒子………………………….....42
圖 2-44 分10次;每次施放1μm粒子、5μm粒子各50顆……………….42
圖 2-45微流道各個觀測點位置示意…………………………………...43
圖 2-46 微球體動態實驗於未蝕刻之微流道內灌流120分鐘….…….44
圖 2-47 微球體動態實驗於蝕刻CF4:O2=1:1, 15min之微流道內灌流
120分鐘….………………………………………………....….45
圖 2-48微球體動態實驗未蝕刻與一次施放1μm 1000顆….………....46
圖 2-49微球體動態實驗蝕刻與一次施放1μm 1000顆….………........46
圖 2-50微球體動態實驗未蝕刻與一次施放5μm 1000顆….……........47
圖 2-51微球體動態實驗蝕刻與一次施放5μm 1000顆….……..……..47
圖 2-52微球體動態實驗未蝕刻與一次施放1μm、5μm各500
顆 ……………….………………………………………………….…48
圖 2-53微球體動態實驗蝕刻與一次施放1μm、5μm各500顆….….....48
圖 2-54微球體動態實驗未蝕刻與多次施放1μm 1000顆….…………49
圖 2-55微球體動態實驗蝕刻與多次施放1μm 1000顆….…………....49
圖 2-56微球體動態實驗未蝕刻與多次施放5μm 1000顆….……...….50
圖 2-57微球體動態實驗蝕刻與多次施放5μm 1000顆….…………....50
圖 2-58微球體動態實驗未蝕刻與多次施放1μm、5μm各500顆….….51
圖 2-59微球體動態實驗蝕刻與多次施放1μm、5μm各500顆….…...51
圖 2-60一次施放1μm粒子1000顆粒子軌跡…………………………52
圖 2-61一次施放5μm粒子1000顆粒子軌跡…………………………53
圖 2-62一次施放1μm 5μm粒子各500顆粒子軌跡…………………53
圖 2-63多次施放1μm1000顆粒子軌跡…………………………………54
圖 2-64多次施放5μm1000顆粒子軌跡…………………………………54
圖 2-65多次施放1μm、5μm各500顆粒子軌跡………………………55
圖 2-66中間步階5μs……………………………………………….....…56
圖 2-67中間步階0.5μs…………………………..……………………....56
圖 2-68中間步階0.25μs…………………………………………...….…57
圖 2-69中間步階0.05μs………………………………...……………….57
圖 3-1正光阻與負光阻之程序….…………………………………...…61
圖 3-2光阻塗佈機…………………………………………….....…..62
圖 3-3紅外線對準雙面曝光機………………………………………..64
圖 3-4微流道製作流程…………………………………………………..66
圖 3-5 SU-8 塗佈……………………………………………………..67
圖 3-6聚二甲基矽氧烷之化學結構……………………………………..68
圖 3-7 PDMS 混合……………………………………………………..70
圖 3-8 PDMS 抽真空……………………………………………....…..70
圖 3-9 PDMS 灌模……………………………………………………..71
圖 3-10 PDMS 熱烤……………………………………………………71
圖 3-11 PDMS 鑽洞………………………………………………...…72
圖3-12 Plasma Cleaner PDC-001電漿機……………………………….73
圖 3-13 PDMS與玻璃結合…………………………………………...74
圖 3-14雷射掃描共軛焦顯微鏡…………………………………………75
圖 4-1 灌流實驗 30 分鐘…………..…………………………………..78
圖 4-2 灌流實驗 60 分鐘……...……………………………………….78
圖 4-3 灌流實驗 90 分鐘…………………………………...………….79
圖 4-4 灌流實驗 120 分鐘…………..…………………………………79
圖A-1開啟模型…………………………………………………………..85
圖A-2新增參數………………………………………………………….86
圖A-3建立APP…………………………………………………………86
圖A-4輸入與輸出………………………………………………………87
圖 A-5圖形幾何………………………………………………………….87
圖A-6按鈕設定………………………………………………………….88
圖 A-7 APP計算……………………………………………………...…88
圖B-1登入頁面…………………………………………………….…….89
圖B-2模組選擇………………………………………………..…………90










表目錄
表2-1流道設計………………….…………………………………………9
表2-2無粒子流場模擬設定…………….………………………………..17
表2-3流速與壓力關係……………….…………………………………..25
表2-4流速與流道內最大流速關係圖…………...………………………25
表2-5突張口微流道之渦漩大小……...…………………………………27
表2-6流速與旋渦大小關係圖……….………………………………......28
表2-7流體粒子交互作用粒子數設定….……………..…………………29
表2-8流速與粒子黏滯關係……………………..……………………….33
表4-1粒子軌跡…………………………………………………………80
參考文獻 參考文獻
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論文使用權限
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