以μ-PIV拍攝之結果與討論

接下來我們取三種不同的流道，60 度轉角蛇狀流道、方形和三角形流道，

利用我們實驗室所擁有的μ-PIV，來對流場流速作分析，而有關μ-PIV 的驗證，

先前學長已有做完整的說明，可以證明所拍攝出來的資料有一定的準確性，因此 在這不多做說明，以下就針對三種不同的微流道來做拍攝，其流道寬度深度均為 50μm，以注射幫浦控制流量為 1.5μl/min，換算之後其 Re=1。

首先針對 60 度轉角流道所拍攝的圖形來做說明，流道簡圖如圖 3-16a 所示，

度遠比三角形的流速要高出很多，這也間接說明了為何三角形流道會有較好的擴

那就是雷諾數越大的情況下其所產生的混合效果會比低雷諾數下所產生的混合 效果要差，其原因就是因為當雷諾數越大，流速也會隨之變大，而在其他條件均 相同的情形下，由先前的 Pe- Number 的定義可以知道，流速越大，代表流體之 間的混合是靠速度所造成的對流效應大於流體分子間自身造成的擴散，而若要看 對流效應對流場混合的影響勢必要增加流道的長度，但由於我們所設計的流道目 的是在於縮短兩流體混合的距離，因此當流速越大時，對流效應還沒產生效用反 而會使得分子間來不及擴散，因此才會早成雷諾數越大混合效果卻較差的原因。

4.結論

根據我們實驗的結果可知道，在相同的流道下，當 Re=0.01 時其混合的效果 會比 Re=0.1，Re=1 還要好，也就是說混合的距離會隨著雷諾數的降低而越來越 短，而在不同的蛇狀設計下，根據我們所拍攝的圖形以及灰階值來看，60 度轉 角的流道會比 90 度轉角以及半圓形流道混合效果要好。

而在 3D 流道方面，我們所設計的流道在 Re=0.01 時於第四個三角形已經達 到相當良好的混合效果，而混合的距離也僅有 2.4cm，比起 Abraham D. Stroock 等人的凹槽設計於 3cm 下才達到混合的效果短了 6mm，足可說明我們所設計的 流道有較好的混合效果。

5.未來展望

參考文獻

1. R. Miyake, T.S.J Lammerink, M. Elwenspoek, J.H.J. Fluitman, “Micro Mixer with Fast Diffusion,” Micro Electro Mechanical Systems, 1993, Proceedings An Investigation of Micro Structures, Sensors, Actuators, Machines and Systems, IEEE, 1993.

2. V.Y. Vibhu and E. Zeng, and K. Sok, “Novel acoustic- wave Micromixer,”

MEMS, pp. 668-673, 2000.

3. M.H. Oddy, J.G. Santiago, and J.C. Mikkelsen, “Electrokinetic Instability Micromixing,” Analytical Chemistry, Vol. 73, No. 24, December 15, 2001.

4. Y.K Lee, J. Deval, P. Tabeling, and C.M. Ho, “Chaotic mixing in electrokinetically and pressure driven micro flows,” The 14th IEEE Workshop on MEMS Interlaken, Switzerland, 2001.

5. H. Suzuki, and C.M. Ho, “A Magnetic Force Driven Chaotic Micro-Mixer,”

Proceedings of the IEEE 15th Annual Workshop of MEMS, 2002, U.S.A, pp.40, 2002.

6. Hao C., and Jens-Christian M., “Topologic mixing on a microfluidic chip,”

APPLIED PHYSICS LETTERS, Volume 84, pp.2193-2195, 2004.

7. R.H. Liu, M.A. Stremler, K.V. Sharp, M.G. Olsen, J.G. Santiago, R. J. Adrian, H.

Aref, and D.J. Beebe, “Passive Mixing in a Three-Dimensional Serpentine Microchannel, ”Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 9, No. 2, 2000.

8. A. Bertsch, S. Heimgartner, P. Coussean, P. Renaud, “3D Micromixers- Downscaling Large Scale Industrial Static Mixers,” IEEE, 2001.

9. A.D. Stroock, S.K.W. Dertinger, A. Ajdari, I. Mezic, H.A. Stone, G.M.

Whitesides, “Chaotic Mixer for Microchannels, ” Science, Vol. 295, January 25, 2002.

10. Nam-Trung Nguyen and Zhigang Wu, “Micromixer—a review, ” Journal of Micromechanics and Microengineering, February 2005, vol. 15, no. 2, pp.

R1-R16(1)

11. 吳志輝, “μ-PIV 技術的發展及其在微流體研究上的應用”, 交通大學機械工 程學系碩士論文, 2004.

12. 吳國賢, “矽膠材質被動式微混合器之研發”,台灣大學應用力學研究所碩士 論文, 2003.

圖 1-1，Miyake 等人設計之混合器。

圖 1-2，Vibbu Vivek等人設計出一聲波混合器。

圖 1-3，Oddy M. H.等人所設計之微混合器。

圖 1-4，Lee 等人所設計之微混合器。

圖 1-5，Suzuki 和 Ho 等人所設計之微混合器。

圖 1-6，Hao Chen 等人提出之微混合器。

圖1-7，Liu等人設計之微混合器。

圖1-8，Bertsch等人設計之微混合器結構圖。

圖 1-9，Abraham D. Stroock 等人設計之微混合器結構上視圖。

圖 1-10，Re 與 Pe 之關係圖。

圖 1-11，實驗所設計流道之 Re 與 Pe 關係圖。

圖 2-1，製作完成之光罩圖。

圖 2-2，濕式蝕刻清洗系統(Wet bench)。

圖 2-3，旋乾機。

圖 2-4，自動化光阻塗佈及顯影系統(Track)。

圖 2-5，光罩對準曝光系統(Mask aligner)。

圖 2-6，曝光顯影示意圖。

圖 2-7，反應式離子蝕刻系統(STS-RIE)。

圖 2-8a，PDMS 打氧電漿之前，接觸角為 91.2 度。

圖 2-8b，PDMS 打氧電漿之後，接觸角為 1.5 度。

圖 2-9a，載波片打氧電漿之前，接觸角為 81.5 度。

圖 2-9b，載波片打氧電漿之後，接觸角為 20 度。

圖 2-10，流場拍攝儀器。

圖 3-1a，90 度轉角微混合器。

圖 3-1b，60 度轉角微混合器。

圖 3-1c，半圓形微混合器。

圖 3-2a，90 度轉角微混合器 Re＝0.01。

圖 3-2b，90 度轉角微混合器 Re＝0. 1。

圖 3-2c，90 度轉角微混合器 Re＝1。

圖 3-2d，90 度轉角微混合器 Re＝10。

圖 3-3a，60 度轉角微混合器 Re＝0.01。

圖 3-3b，60 度轉角微混合器 Re＝0.1。

圖 3-3c，60 度轉角微混合器 Re＝1。

圖 3-3d，60 度轉角微混合器 Re＝10。

圖 3-4a，半圓形微混合器 Re＝0.01。

圖 3-4b，半圓形微混合器 Re＝0.1。

圖 3-4c，半圓形微混合器 Re＝1。

圖 3-4d，半圓形微混合器 Re＝10。

圖 3-5a，90 度轉角微流道，Re=0.01，於各個不同轉角處之灰階值比較圖。

圖 3-5a，90 度轉角微流道，Re=1，於各個不同轉角處之灰階值比較圖。

圖 3-6a，60 度轉角微流道，Re=0.01，於各個不同轉角處之灰階值比較圖。

圖 3-6b，60 度轉角流道，Re=1，於各個不同轉角處之灰階值比較圖。

圖 3-7a，半圓形流道，Re=0.01 於各個不同轉角處之灰階值比較圖。

圖 3-7b，半圓形流道，Re=1 於各個不同轉角處之灰階值比較圖。

圖 3-8a，90 度轉角流道，Re=0.01 於各個不同距離之灰階值比較圖。

圖 3-8b，90 度轉角流道，Re=1 於各個不同距離之灰階值比較圖。

圖 3-9a，60 度轉角流道，Re=0.01 於各個不同距離之灰階值比較圖。

圖 3-9b，60 度轉角流道，Re=1 於各個不同距離之灰階值比較圖。

圖 3-10a，半圓形流道，Re=0.01 於各個不同距離之灰階值比較圖。

圖 3-10b，半圓形流道，Re=1 於各個不同距離之灰階值比較圖。

圖 3-11a，三角形微混合器，Re=0.01。

圖 3-11b，三角形微混合器，Re=0.1。

圖 3-11c，三角形微混合器，Re=1。

圖 3-11d，三角形微混合器，Re=10。

圖 3-12a，方形微混合器，Re=0.01。

圖 3-12b，方形微混合器，Re=0.1。

圖 3-12c，方形微混合器，Re=1。

圖 3-12d，方形微混合器，Re=10。

圖 3-13a，三角形微混合器在不同雷諾數下之灰階值比較圖。

圖 3-13b，方形微混合器在不同雷諾數下之灰階值比較圖。

圖 3-14a，方形微混合器，Re=1，以 CFDRC 模擬轉角處之情形。

圖 3-14b，方形微混合器，Re=1，以 CFDRC 模擬第 5 個轉角處之情形。

圖 3-14c，方形微混合器，Re=1，以 CFDRC 模擬內部之情形。

圖 3-14d，方形微混合器，Re=1，以 CFDRC 模擬距離出口第 3 個轉角處之情形。

圖 3-14e，方形微混合器，Re=1，以 CFDRC 模擬出口處之情形。

Inlet

Outlet

圖 3-15a，3D 流道示意圖。

圖 3-15b，以CO₂雷射打穿蓋玻片後之圖片。

圖 3-15b，以 ArF 雷射打穿蓋玻片後之圖片。

圖 3-16a，60 度轉角流道示意圖。

圖 3-16b，60 度轉角流道的μ-PIV 分析結果。

圖 3-16c，60 度轉角流道示意圖。

圖 3-16d，三角形流道的μ-PIV 分析結果。

圖 3-16e，方形流道示意圖。

圖 3-16f，方形流道的μ-PIV 分析結果。

圖 3-17a，Re=0.01，L=5950μm ，3D 流道於各個三角形所拍攝的圖形。

圖 3-17b，Re=0.01，L=5950μm ，3D 流道於各個三角形之灰階值比較。

圖 3-18a，Re=0.1，L=5950μm ，3D 流道於各個三角形所拍攝的圖形。

圖 3-18b，Re=0.1，L=5950μm ，3D 流道於各個三角形之灰階值比較。

圖 3-19a，Re=1，L=5950μm ，3D 流道於各個三角形所拍攝的圖形。

圖 3-19b，Re=1，L=5950μm ，3D 流道於各個三角形之灰階值比較。

圖 3-20a，Re=0.01，L=19250μm，3D 流道於各個三角形所拍攝的圖形。

圖 3-20b，Re=0.01，L=19250μm ，3D 流道於各個三角形之灰階值比較。

圖 3-21a，Re=0.1，L=19250μm，3D 流道於各個三角形所拍攝的圖形。

圖 3-21b，Re=0.1，L=19250μm ，3D 流道於各個三角形之灰階值比較。

圖 3-22a，Re=1，L=19250μm，3D 流道於各個三角形所拍攝的圖形。

圖 3-22b，Re=1，L=19250μm ，3D 流道於各個三角形之灰階值比較。