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研究生： 黃科志
Huang, Ker-Jer
論文名稱： 渦漩調控式微混合器之混合機制之研究
Flow Mixing Mechanism in A Vortex-Modulation Grooved Micromixer
指導教授： 楊鏡堂
Yang, Jing-Tang
口試委員:
學位類別： 博士
Doctor
系所名稱： 工學院 - 動力機械工程學系
Department of Power Mechanical Engineering
論文出版年： 2005
畢業學年度： 94
語文別： 中文
論文頁數： 166
中文關鍵詞： 田口工程品質方法 、鯡魚骨式微混合器 、渦漩調控式 、商用軟體
外文關鍵詞： Taguchi method, Staggered herringbone micromixer, Vortex-Modulation, CFD-ACE+
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    • 本研究旨在發展出一種高效率的微混合器。首先以田口工程品質方法詳細的模擬分析鯡魚骨式微混合器，模擬結果顯示鯡魚骨微混合器的主要幾何參數，在本文所選擇的數值範圍內，對混合效能的影響程度依序為
    溝槽的深度比~不對稱性 > 溝槽夾角 > 上下游寬度比，
    在深入的了解鯡魚骨式微混合器的流場型態後，歸納出幾何參數先影響溝槽內的流量，進而透過流量影響微混合器的效能。著名的鯡魚骨式微混合器的基本流場型態為橢圓型特性，因雙曲線型流場的混合效能較橢圓型為高，本文主要方向乃定位於設計一種能產生雙曲線型的“渦漩調控式”微混合器。研究方法首先採用商用軟體CFD-ACE+，配合流體力學的理論，設計出渦漩調控式微混合器的幾何形狀；其次，設計微機電的製程技術製作出微混合器；最後，使用流體實驗方法來驗証微混合器的混合效能。
    從流場模擬獲得以下五點結論：第一，網格的尺寸對流場分析有相當大的影響，網格的尺寸最好在5 □m以下，其所產生的誤差才在可接受的範圍；第二，格網的夾角對流場的影響則可忽略不計，但網格與流速向量間的夾角對濃度場的影響很大；第三，鯡魚骨式微混合器溝槽的幾何參數是影響溝槽內的流量的重點，而流量的高低則可決定混合的好壞。第四，渦漩調控式微混合器如預期的出現單一渦漩、單一渦漩加上一個鞍點，和兩個渦漩的流場結構在交替的變換，且溝槽中的流量和壓力都呈現週期性的變化；第五，渦漩調控式微混合器的混合性能，在廣泛的雷諾數範圍內(0.01~100)，較鯡魚骨式微混合器為佳或相當。
    本研究在微混合器的製程中，採用SU-8 光阻黃光微影、電鑄模仁和聚二甲基矽氧烷翻製成型再接合的製程，此製程遠較一般的SU-8 光阻黃光微影後即做聚二甲基矽氧烷翻模製程因難，但其優點是電鑄的模仁不會損壞，且可做為熱壓或射出感型的模仁使用。且本研究所製作之微混合器元件，在量測儀器檢測過後，尺寸誤差僅數微米左右，且微混合器元件經過極小心的封裝，通過測漏無虞後才進行實驗。
    為詳加驗證實驗結果，本研究共使用顏料、螢光染料和微粒子三種物質觀測方法。首先將顏料、螢光染料和微粒子加入流體中；其次觀測流場的顏色、螢光和微粒子的分佈，以做為流體濃度場的依據，而此三種不同物質觀測實驗的濃度場結果，和模擬所得結果相符。其中，螢光實驗可降低背景光的影響，因而有較高的可靠性，其實驗結果顯示在雷諾數為1時，混合長度稍大於8 mm。而微粒子不僅能提供濃度場的定性特性，更有可能發展成可定量分佈的方法，且微粒子尚具備提供流場的速度場的潛力可能。
    本研究所發展出一種新的渦漩調控式微混合器，經模擬分析、製作和流體實驗，驗證其混合效果優於傳統鯡魚骨式微混合器，實驗結果顯示其性能優良，並與電腦模擬結果相符。本研究之結果將有助於了解雙曲線型的流場現象，以及計算流體力學軟體應用於微混合現象的模擬分析能力和限制，並對整合微混合器於晶片實驗室的製程有一定程度的幫助。

    目 錄 摘要 ……………………………………………………………………… i 目錄 ……………………………………………………………………… iii 圖表目錄 ………………………………………………………………… v 符號說明 ………………………………………………………………… xiii 第一章 前言 ……………………………………………………………… 1 第二章 文獻回顧 ……………………………………………………… 4 2-1微流道中的混合機構研究 ……………………………………… 6 2-2混沌對流的研究 ………………………………………………… 9 2-3 微混合器的製程研究…………………………………………… 20 2-4微混合器的流場觀測與速度場量測研究……………………… 21 第三章 網格製作與網格獨立…………………………………………… 24 3-1正交格點的數目對速度分佈的影響 …………………………… 28 3-2正交格點的數目對濃度分佈的影響 …………………………… 35 3-3斜交格點對速度和濃度分佈的影響 …………………………… 41 第四章 微混合器的流場模擬 …………………………………………… 46 4-1田口品質工程方法應用鯡魚骨式微混合器 …………………… 46 4-1-1直交表 …………………………………………………… 47 4-1-2數值分析 ………………………………………………… 49 4-1-3鯡魚骨式微混合器的流場型態 ………………………… 52 4-1-4幾何參數的分析 ………………………………………… 55 4-1-5壓力損失分析 …………………………………………… 60 4-1-6溝槽流量分析 …………………………………………… 62 4-2渦漩調控式微混合器的模擬分析 ……………………………… 67 4-2-1流體出口設定 ……………………………………………… 69 4-2-2微混合器中的流線 ………………………………………… 71 4-2-3微混合器中的濃度分佈 …………………………………… 75 4-2-4微混合器中的流量和壓力差 ……………………………… 80 4-2-5微混合器中的流場型態 …………………………………… 85 第五章 微混合器的製程 ………………………………………………… 92 5-1 SU-8厚膜光阻的製程 ………………………………………… 92 5-2電鑄翻模 ………………………………………………………… 98 5-3聚二甲基矽氧烷翻製與氧氣電漿儀的接合製程 ……………… 99 5-4實際製程 ……………………………………………………… 103 第六章 微混合器的實驗 …………………………………………… 113 6-1實驗儀器 ……………………………………………………… 114 6-2直接稀釋法 …………………………………………………… 116 6-3微粒子混合法 ………………………………………………… 131 6-4螢光法 ………………………………………………………… 145 第七章 微混合器的流場量測 ………………………………………… 152 7-1結論 …………………………………………………………… 152 7-1-1微混合器的模擬的細部探討與歸納 …………………… 152 7-1-2微混合器的製程的探討與歸納 ………………………… 154 7-1-3微混合器的實驗探討與歸納 …………………………… 156 7-2未來展望 ………………………………………………………… 157 參考文獻 ………………………………………………………………… 160 圖 表 目 錄 表3-1 正交格點的模擬分析案例 28 表3-2 各種格點尺寸產生速度值誤差指標 34 表3-3 Y=200□m以格點尺寸為2□m為基準格點尺寸所造成 的誤差 40 表3-4在各種角度下的速度誤差指標(Iv)值 43 表3-5在各種角度下的濃度的變異量值 45 表4-1 幾何參數的數值 47 表4-2. L9(34) 直交表 48 表4-4網格獨立的結果 51 表4-5 9個案例的混合指數、標準差的平方和訊噪比的計算結果 56 表4-6 參數對訊噪比的影響 56 表4-6 混合指數與溝槽的流量與體積的比較表 66 表5-1 微混合器的詳細製程參數 105 表5-2 SU-8成品的尺寸量測結果 110 表6-1 微混合器的雷諾數和平均速度和流量的關係 131 表6-2雷諾數由0.01至100時的混合長度 151 圖2.1 微混合器的基本型態 5 圖3-1 T型流道的幾何結構 25 圖3-2 T型流道的格點分佈 27 圖3-3 在y=200□m，z=30□m處各種格點尺寸計算模擬和 解析解的X方向速度分佈比較圖 32 圖3-4 在x=0□m，y=200□m處各種格點尺寸計算模擬和 解析解的z方向速度分佈比較圖 33 圖3-5 在y=1700□m，z=30□m處各種格點尺寸計算模擬和 解析解的x方向速度分佈比較圖 34 圖3-6 在x=0□m，y=1700□m處各種格點尺寸計算模擬和 解析解的z方向速度分佈比較圖 35 圖3-7 在y=50□m截面處的濃度分佈圖 36 圖3-8 在y=200□m截面處的濃度分佈圖 37 圖3-9 不同位置處的濃度值對格點尺寸的關係 39 圖3-10 濃度的變異量與格點尺寸的關係 40 圖3-11 T型流道的格點交叉角度(a)30° (b)45° (c)60° (d)90° 42 圖3-12 在出口處y=1.7mm，各種格點傾斜角度的計算模擬 和解析解在x方向速度分佈比較圖 42 圖3-13 在出口處y=1.7mm，各種格點傾斜角度的計算模擬 和解析解在z方向速度分佈比較圖 43 圖3-14顯示在30° 、45° 、60° 和90°的案例中的出口處的 濃度分佈 44 圖3-15出口處y=1.7mm，z=30□m的水平方向的濃度分佈 45 圖3-16出口處y=1.7mm，z=30□m的水平方向的濃度分佈 45 圖4-1 鯡魚骨式微混合器的模擬區域(沒有依照幾何比率) 47 圖4-2 鯡魚骨式溝槽的幾何參數 48 圖4-□3鯡魚骨式微混合器的典型幾何格點 51 圖4-4 模擬結果與Stroock et al. (2002)的實驗結果比較圖 51 圖4-5 案例1中混合腔的入口處和出口處的濃度分佈狀態 52 圖4-6 鯡魚骨微混合器的流線 53 圖4-7 案例1濃度沿著y軸截面的分佈圖 54 圖4-8 參數對訊號的影響曲線 57 圖4-9 案例1濃度沿著y軸截面的分佈圖 59 圖4-10 所有案例的壓力損失曲線 60 圖4-11典型溝槽內的壓力分佈 61 圖4-12 全部9個案例中溝槽內流量對全部流量比的曲線圖 64 圖4-13 在各個案例(case)中半週期中的溝槽(6個)的流量對 混合腔中的流量比率關係 66 圖4-14 渦漩調控式微混合器的幾何結構圖 69 圖4-15典型的格點範例 69 圖4-16 不同長度的渦漩調控式微混合器在不同位置處 的濃度分佈(a)混合腔長度為1.7mm，y=1.7mm (b) 混合腔長度為34mm，y=1.7 mm (c)混合腔 長度為34mm，y=17 mm (d) 混合腔長度為34mm ，y=34 mm 71 圖4-17 微混合器內的流線圖 72 圖4-18 混合腔中的流場結構 75 圖4-19 微混合器的在x與y方向的濃度剖面圖 76 圖4-20 在各個y截面的濃度分佈圖 77 圖4-21 在各個x截面的濃度分佈圖 78 圖4-22 在各個z截面的濃度分佈圖 79 圖4-23 溝槽中的流量比值 81 圖4-24 溝槽中流場的流線 82 圖4-25 渦旋式微混合器的壓力分佈 83 圖4-26 溝槽中無因次化的壓力分佈狀態 84 圖4-27 壓力損失與雷諾數的關係 85 圖4-28顯示溝槽中的流場速度向量圖和以此速度向量 所作的流線圖 86 圖4-29鯡魚骨式微混合器, 阻檔物崁入式微混合器渦 漩調控式微混合器的基本流場型態 88 圖4-30渦漩調控式微混合器在不同雷諾數下的混合指數值 89 圖4-31鯡魚骨式微混合器, 阻檔物崁入式微混合器和渦漩 調控式微混合器在不同雷諾數時的混合指數 90 圖5-1 SU-8光阻的標準製程 95 圖5-2 電鑄的製程 99 圖5-3 聚二甲基矽氧烷的製程步驟 101 圖5-4微流道的翻製與封裝 102 圖5-5 SU-8光阻在矽晶圓上形成的結構 103 圖5-6 SU-8光阻所用的光阻塗佈機(Spin Coaters) Brewer Science Inc. Cee Model 100 104 圖5-7拍照用的顯微鏡Olympus BHM-313L 104 圖5-8 SU-8 光阻溝槽結構 106 圖5-9 SU-8 光阻三角波凸塊結構 106 圖5-10加熱板(新光精機 Hp-30D) 106 圖5-11 EV620雙面曝光機 106 圖5-12 SU-8 光阻的顯影機台 107 圖5-13 SU-8 SU-8 光阻的成品 107 圖5-14雙層的SU-8 光阻結構，包含溝槽和微流道 107 圖5-15濺鍍機台(佳霖公司) 108 圖5-16濺鍍的成品 108 圖5-17電鑄機台(同翰公司EFM-301) 109 圖5-18電鑄模仁 109 圖5-19影像量測儀 109 圖5-20 SU-8的尺寸量測樣品 109 圖5-21膜厚量測儀Mitutoyo ID-F150 110 圖5-22 Veeco Instruments Inc DEKTAK3 表面形狀量測儀 110 圖5-23表面形狀量測儀的量測數據 111 圖5-24聚二甲基矽烷氧的微混合器的成品 112 圖5-25聚二甲基矽烷氧的接合面 112 圖6-1 錸卡倒置式螢光顯微鏡的示意圖 115 圖6-2 Leica DMIRB 倒置式螢光顯微鏡 116 圖6-3 Kubler ebq 100螢光光源 116 圖6-4 Leica DFC 320電感耦合影像感測器 116 圖6-5 Kd Scientific公司所生產注入式幫浦 116 圖6-6 混合指標的示意圖 117 圖6-7 雷諾數為100時以去離子水注入微混合器的情形 118 圖6-8 實驗用的微混合器的幾何結構圖 119 圖6-9顯示在雷諾數為1時微混合器的入口處顏料的混合狀態 120 圖6-10顯示在雷諾數為1時微混合器的第一個週期的前半段的 混合狀態 121 圖6-11顯示在雷諾數為1時微混合器的第一個週期的後半段的 混合狀態 122 圖6-12顯示在雷諾數為1時微混合器的第二個週期的前半段的 混合狀態 122 圖6-13顯示在雷諾數為1時微混合器的第二個週期的後半段的 混合狀態 123 圖6-14顯示在雷諾數為1時微混合器的第三個週期的前半段的 混合狀態 124 圖6-15顯示在雷諾數為10時微混合器的入口處的混合狀態 125 圖6-16顯示在雷諾數為10時微混合器的第一個週期的前半段的 混合狀態 125 圖6-17顯示在雷諾數為10時微混合器的第一個週期的後半段的 混合狀態 126 圖6-18顯示在雷諾數為10時微混合器的第二個週期的前半段的 混合狀態 126 圖6-19顯示在雷諾數為10時微混合器的第二個週期的後半段的 混合狀態 127 圖6-20顯示在雷諾數為10時微混合器的第三個週期的前半段的 混合狀態 127 圖6-21顯示在雷諾數為100時微混合器的入口處的混合狀態 128 圖6-22顯示在雷諾數為100時微混合器的第一個週期前半段的 混合狀態 129 圖6-23顯示在雷諾數為10時微混合器入口處的混合狀態 129 圖6-24 微混合器的幾何形狀 132 圖6-25 雷諾數為0.01時進口處的粒子分佈影像 132 圖6-26 雷諾數為0.01時第一個週期的粒子分佈影像 133 圖6-27 雷諾數為0.01時第二個週期的粒子分佈影像 133 圖6-28 雷諾數為0.01時第三個週期的粒子分佈影像 134 圖6-29雷諾數為0.01時第四個週期的粒子分佈影像 134 圖6-30雷諾數為0.01時進口處的粒子分佈影像 135 圖6-31雷諾數為0.01時第一個週期的粒子分佈影像 135 圖6-32 雷諾數為0.01時第三個週期的粒子分佈影像 135 圖6-33 雷諾數為0.1時入口處的粒子分佈影像 136 圖6-34 雷諾數為0.1時第一個週期的粒子分佈影像 136 圖6-35 雷諾數為0.1時第二個週期的粒子分佈影像 136 圖6-36 雷諾數為0.1時第三個週期的粒子分佈影像 137 圖6-37 雷諾數為0.1時第四個週期的粒子分佈影像 137 圖6-38 雷諾數為1時入口處的粒子分佈影像 138 圖6-39 雷諾數為1時第一個週期的粒子分佈影像 138 圖6-40 雷諾數為1時第二個週期的粒子分佈影像 138 圖6-41 雷諾數為1時第三個週期的粒子分佈影像 139 圖6-42 雷諾數為1時第四個週期的粒子分佈影像 139 圖6-43 雷諾數為0.01時溝槽的粒子分佈影像 139 圖6-44 雷諾數為0.01時溝槽的粒子分佈影像 140 圖6-45 雷諾數為0.01時溝槽的粒子分佈影像 141 圖6-46 雷諾數為0.01時第一個溝槽的粒子分佈影像 141 圖6-47 雷諾數為0.1時第一個溝槽的粒子分佈影像 141 圖6-48 雷諾數為0.1時第一個溝槽的粒子分佈影像 142 圖6-49 雷諾數為0.1時第一個溝槽的粒子分佈影像 143 圖6-50 雷諾數為1時第一個溝槽的粒子分佈影像 143 圖6-51 雷諾數為1時第一個溝槽的粒子分佈影像 144 圖6-52 長焦距螢光顯微鏡 145 圖6-53 鏡組光譜 145 圖6-54 雷諾數為1時的螢光照片 146 圖6-55雷諾數為0.01時的螢光實驗和模擬結果的比對 (a)螢光實驗(b)CFD-ACE+的模擬結果 148 圖6-56雷諾數為0. 1時的螢光實驗和模擬結果的比對 (a)螢光實驗(b)CFD-ACE+的模擬結果 148 圖6-57雷諾數為1時的螢光實驗和模擬結果的比對 (a)螢光實驗(b)CFD-ACE+的模擬結果 149 圖6-58雷諾數為10時的螢光實驗和模擬結果的比對 (a)螢光實驗(b)CFD-ACE+的模擬結果 149 圖6-58雷諾數由0.01至100時螢光實驗結果 150

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