微流道结构之制造与流力分析

微流道結構之製造與流力分析FabricationandFluidAnalysisonMicrochannelStructures報告者：陳育堂2005.03.02微文氏管之研製

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PMMA三維微文氏管之研製

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矽質微文氏管之製造與測試二.圓形微流道之研製與測試

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SU-8圓形微流道之研製

●玻璃微圓管之空氣流測試三.PDMS微噴嘴之研製

四.目前研究PMMA三維微文氏管高能量（深X光，質子束）→迫使PMMA降低玻璃轉換溫度→熱處理→PMMA隆起（膨潤）PMMA三維微文氏管

製程步驟：(a)(b)(c)(d)(e)(f)PMMA三維微文氏管

(1)未使用接著劑，PMMA直接於溫度200℃、壓力35kg/cm2

下加壓加熱8hr後之膨潤膨潤前膨潤後PMMA與PC之接合PMMA三維微文氏管

(2)以丙酮(Acetone)為接著劑，PMMA於200℃

溫度、35kg/cm2之壓力加壓加熱8hr後之膨潤

膨潤前膨潤後

PMMA三維微文氏管

(3)以氯仿(CHCl3)為接著劑，PMMA於140℃

溫度、35kg/cm2之壓力加壓加熱8hr後之膨潤

膨潤前膨潤後

PMMA三維微文氏管PMMA膨潤形狀矽質微文氏管（孔口板）a.

(100)b.光阻塗佈c.曝光顯影d.

RIE乾蝕刻e.去光阻f.靜電接合製程步驟：矽質微文氏管（孔口板）文氏管（45°，45°）直流道矽質微文氏管（孔口板）文氏管（7°，20°）孔口板矽質微文氏管（孔口板）微結構名稱微流道寬度（μm）微流道深度（μm）d/D微結構入口角度微結構出口角度文氏管venturitubeI1005.29；10.531/445°45°150200孔口板oricfice1005.29；10.531/490°90°150200漸縮漸擴管venturitubeII1005.29；10.531/420°7°200矽質微文氏管（孔口板）矽質微文氏管（孔口板）矽質微文氏管（孔口板）各種不同形狀尺寸之質量流率與壓力差關係圖圓形微流道之研製與測試

Choietal.1991年以氮氣為工作流體，通入

3～81.2μm

不銹鋼微圓管→

f

×

Re~53Warringtonetal.1995年以氮氣和水為工作流體通入19、

52、102μm不銹鋼微圓管→f×

Re~50

Mohiuddin-Malaetal.1999年，分別以水導入50至254μm

的矽管（silica）和不銹鋼微圓管→f×

Re>64f×Re=64層流提前進入紊流

B.Sobhanetal.2001年歸納多位學者於微流道之相關研究，發現在微流道中，工作流體的許多熱流特性之未定論，其原因：

1.進出口的影響

2.微流道的表面粗糙度

3.微流道尺寸的均勻性

4.實驗設備上的不確定性與誤差

5.實驗量測位置之不一致圓形微流道之研製與測試圓形微流道之研製與測試100μ銅管150μ銅管200μ銅管SU-8圓形微流道之研製製程步驟SU-8圓形微流道之研製36

m80

m125

m真圓度偏差:Inlet1/3portionfromtheinlet2/3portionfromtheinletOutletAveragedroundnessdeviation36μmchannel2.1μm(5.8%)2.4μm(6.7%)2.0μm(5.6%)1.7μm(4.7%)2.3μm(6.4%)80μmchannel3.1μm(3.9%)4.2μm(5.3%)4.1μm(5.1%)4.5μm(5.6%)4.0μm(5.0%)125μmchannel10.0μm(8.0%)7.6μm(6.1%)7.0μm(5.6%)10.5μm(8.4%)8.8μm(7.0%)innerdiameter

measuringpositionSU-8圓形微流道之研製流道全長

3cmSU-8圓形微流道之研製粗糙度分析

SU-8圓形微流道之研製125

m半圓形微溝槽SU-8圓形微流道之研製125μm圓形微流道平均表面粗糙度(Ra)SU-8圓形微流道之研製平均表面粗糙度(Ra)innerdiameter36μm80μm125μmaveragedsurfaceroughness(Ra)5.02nm2.35nm3.94nmSU-8圓形微流道之研製流道內壁沾濕現象之探討接觸角之示意圖

SU-8圓形微流道之研製浸泡氫氟酸前接觸角為98.2

SU-8圓形微流道之研製浸泡氫氟酸後接觸角為79.6

SU-8圓形微流道之研製125μm圓形微流道表面性質為親水性時流道內水滴狀況玻璃微圓管之空氣流測試flaminar：Poiseuille摩擦因子理論值

Re<2300

fBlasuis：Blasius摩擦因子理論值4000<Re<100000

玻璃微圓管之空氣流測試雷諾數（Re）

ρf：工作流體的密度Vf

：工作流體的速度μf：工作流體的黏度Dh：水力直徑玻璃微圓管之空氣流測試Fanno-lineflow

M

：馬赫數

k

：常數，值為1.4Lmax

：到達音速所需之微管長度

D

：是測試端的管徑玻璃微圓管之空氣流測試平均摩擦因子(meanfrictionfactor)玻璃微圓管之空氣流測試玻璃微圓管之空氣流測試玻璃微圓管之空氣流測試相對應於測試長度L，玻璃微圓管之平均摩擦因子：玻璃微圓管之空氣流測試實驗架設示意圖

玻璃微圓管之空氣流測試測試端結構示意圖

玻璃微圓管之空氣流測試287μ409μ玻璃微圓管之空氣流測試InternaldiameterLength287μm124mm94mm409μm119mm75mm玻璃微圓管之尺寸：玻璃微圓管之空氣流測試玻璃微圓管之粗糙度與真圓度偏差：microtubesDiameter287μm409μmsurfaceroughness14.1nm7.2nmroundnessdeviationinletoutletinletoutlet3.5%3.8%2.0%2.1%玻璃微圓管之空氣流測試D=0.287mmL=124mm

玻璃微圓管之空氣流測試玻璃微圓管之空氣流測試針對Choi,Warrington等人與本研究：Re<2300,×Re值分別為89，72，792.4000<Re<100000，摩擦因子與Blasius理論曲線三者皆有一致的趨勢。PDMS微噴嘴之研製valve-lesspumpPDMS微噴嘴之研製PDMS微噴嘴之研製噴嘴/擴大器之壓損：

△P：壓損，其中d表示擴大器，n表是噴嘴PDMS微噴嘴之研製W(x)=W1+2(axb),Dh(x)：水力直徑C(x)：沾濕週長Re(x):雷諾數PDMS微噴嘴之研製ff(x):泛寧摩擦因子(Fanningfrictionfactor)Re(x):

雷諾數α：深寬比PDMS微噴嘴之研製

:平均速度

,ρ：密度

,ξ:壓損係數PDMS微噴嘴之研製製程步驟PDMS微噴嘴之研製θ=10°之SU-8微噴嘴／擴大器模仁結構

PDMS微噴嘴之研製曲線輪廓(與10°相同進出口大小）之SU-8微噴嘴∕擴大器模仁結構

PDMS微噴嘴之研製Theequationofstraightprofileboundarymicronozzle/diffuser:W(x)=W1+2xtan(θ)θ10。20。Depth(H),μm138.0133.4RaforSU-8mold,nm17.216.0Thecurveprofileboundarymicronozzle/diffuserhasthesamewidthsize(W1)ofinletandoutletsize(W3)withstraightprofileboundarystructureFormThesamewithθ=10。Thesamewithθ=20。Depth(H),μm145.2130.9RaforSU-8mold,nm12.26.0*W1=300μm,L=3000μm*Thewidthsizeofcurveprofilestructureatmiddlelocation(x=L/2):

PDMS微噴嘴之研製實驗架設示意圖

PDMS微噴嘴之研製微擴大器之流量與壓差關係圖

PDMS微噴嘴之研製直線邊界微擴大器之雷諾數與壓損係數關係圖

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