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。

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.

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
[1]	楊龍杰，掌握微機電，滄海書局，2007年。
[2]	吳程遠（譯），別鬧了！費曼先生，天下文化（原著：理察．費曼）.，1993年
[3]	Y. C. Tai, L. S. Fan, and R. S. Muller, “ IC-process micro-motors: design, technology, and testing, ” Proc. of the 1st IEEE MEMS(or Micro-Tele-Operated Robotics Workshop), 20-22 Feb., Salt Lake city, USA, pp. 1-6, 1989.
[4]	 C. Liu, J. B. Huang, Z. Zhu, F. Jiang, S. Tung, Y. C. Tai, and C. M. Ho, “ A micromachined flow shear-stress sensor based on thermal transfer principles, ” Journal of Microelectromechanical Systems, 8 (1), pp. 90-98, 1999.
[5]	 C. Liu, T. Tsao, G. B. Lee, J.T.S. Leu, Y.W. Yi, Y. C. Tai, and C. M. Ho, “ Out-of-plane magnetic actuators with electroplated permalloy for fluid dynamics control, ” Sensors and Actuators, A: Physical, 78 (2), pp. 190-197, 1999.
[6]	 P. Yao, G. J. Schneider, and D. W. Prather, “ Three-dimensional lithographical fabrication of microchannels, ” Journal of Microelectromechanical Systems, 14 (4), pp. 799-805,  2005.
[7]	 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, 8 (3), pp. 231-236, 2005. 
[8]	劉冠君，“ 圓管挫曲式微型閥門之研製 ”， 淡江大學機械與機電工程學系碩士論文，2006 年 6 月。
[9]	 S. Shoji and M. Esashi, “ Microflow devices and systems, ” Journal of Micromech. Microeng., 4, pp. 157-171, 1994.
[10]	 G. W. Gross, B. K. Rhoades, H. M. E. Azzazy and M. C. Wu, “ The use of neuronal networks on multielectrode arrays as biosensors, ” Biosensors and Bioelectronics, 10 (6-7), pp. 553-567, 1995.
[11]	李國賓， “ 下一波生物晶片－微流體生醫晶片 ”，科學發展月刊，385期, pp.72-77, 2005.
[12]	張文燦，李金德， “ 肝癌患者接受肝臟移植後復發之可能原因”，高雄醫師會誌 Journal of Kaohsiung Medical Associatio, 18(2), pp. 142-145,2010.
[13]	 Cancer Facts & Figures, Cancer Practic, 8(3), pp. 9-22, 2010.
[14]	 J. Yang, S. A. Mani, J. L. Donaher, S. Ramaswamy, R. A. Itzykson, C. Come, P. Savagner, I. Gitelman, A. Richardson, and R.A. Weinberg, “ Twist, a master regulator of morphogenesis, plays an essential role in tumor metastasis, ” Cell, 117 (7), pp. 927-939, 2004.
[15]	 P.S. Steeg, “ Metastasis suppressors alter the signal transduction of cancer cells, ” Nature Reviews Cancer, 3 (1), pp. 55-63, 2003.
[16]	 P. Carmeliet and R. K. Jain, “ Angiogenesis in cancer and other diseases, ” Nature, 407, pp. 249-257, 2000.
[17]	愛醫網http://tw.medvov.com/view.aspx?lid=e9e1b5bd-7e1f-486b-9cea-56b4230bce18
[18]	林彥祺，“新型渦流捕捉顆粒晶片之設計”，淡江大學機械與機電工程學系碩士論文，2015 年 6 月。
[19]	J. Calejo, D. Pinho, F. J. Galindo-Rosales, R. Lima and L. Campo-Deaño, “Particulate blood analogues reproducing the erythrocytes cell-free layer in a microfluidic device containing a hyperbolic contraction,” Micromachines, 7(4), pp. 1-12 , 2016.
[20]	F. J. Galindo-Rosales, L. Campo-Deaño, P. C. Sousa, V. M. Ribeiro,M.S.N. Oliveira, M. A. Alves,F. T. Pinho, “ Viscoelastic instabilities in micro-scale flows, ” Experimental Thermal and Fluid Science, 59, pp. 128-139, 2014.
[21]	呂傑文，“微流道表粗對於細胞貼附之影響”，淡江大學機械與機電工程學系碩士論文，2012年 6 月。
[22]	邱志軒，“新型渦流捕捉顆粒晶片之設計”，淡江大學機械與機電工程學系碩士論文，2016年 6 月。
[23]	黃韋翔，“梳狀微流道內微顆粒分離實驗”，國立中興大學碩士論文，2009。
[24]	蔡惟亘，“利用梳狀微流道分離捕捉單一顆粒之實驗研究”，國立中興大學碩士論文，2013。
[25]	A. J. Mach and D. Di Carlo, “Continuous scalable blood filtration devic using inertial microfluidics, ” Biotechnology and Bioengineering, 107(2), pp. 302-311, 2010.
[26]	K. Hoshino, “ Microchip-based immune-magnetic detection of circulating tumor cells, ” Lab on a Chip, 11, pp. 3449-3457, 2011.
[27]	 J. H. Kang, “ A combined micro-magnetic-microfluidic device for rapid capture and culture of rare circulating tumor cells, ” Lab on a Chip, 12, pp. 2175–2181, 2012.
[28]	台灣元利儀器股份有限公司 OLS4100 http://www.yuanyu.tw/yuanli/productDetail.php