文獻回顧

本章節主要以無閥式微幫浦的實驗與模擬、蠕動式微幫浦相關實驗及微幫浦理論分 析做相關文獻回顧。

— 無閥式微幫浦的實驗與模擬：

1990 年 Shoji et al.【3】在矽晶片上製作了兩種有閥門形式的微幫浦，其一為並聯 式的雙腔微幫浦，另一種為有類似緩衝存儲槽的串聯式雙腔微幫浦。實驗結果發現其在 背壓為1 mH2O 時，並聯式微幫浦的最大流量為 40 μl/min。

1993 年 Stemme E. and Stemme G.【4】第一個提出無閥門式幫浦的設計，其原理是 使用兩個圓錐狀的nozzle/diffuser 元件連接一個直徑為 19 mm 的腔體內含振動薄膜，實 驗後發現在頻率為100 Hz 下，最大流量為 16 ml/min，最大背壓可達 2 mH2O。

1995 年 Gerlach et al.【5】探討連結大角度漸縮管的壓電無閥式微幫浦流場情形，

其定義nozzle 流動方向為正向，diffuser 流動方向為反向。發現流場在雷諾數小於 15 時 為層流，當雷諾數大於100 時為紊流，並在 nozzle/diffuser 流場區域會有回流的產生。

1995 年 Olsson et al.【6】提出一個平面狀的無閥式微幫浦設計。此微幫浦並聯了兩 個直徑為13 mm 深度為 1 mm 的圓形腔體，每個腔體都各與兩個 nozzle/diffuser 連接。

經測試發現當此兩腔軆相位差為180°時，有最大流量 16 ml/min 及最大背壓 1.7 mH2O。

此篇研究也針對無閥式微幫浦作流量分析，且測量出nozzle 流向與 diffuser 流向在不同 壓力降下的流量差異。

1996 年 Olsson et al.【7】針對無閥式幫浦中 diffuser 元件的長度與張角，對幫浦效 率的影響作研究。文中把 diffuser 分為三段作討論，分別求出每段的壓力損失係數，並 與實驗結果相互比較與分析。經測量結果得出在紊流中 diffuser 元件的流向性與幫浦效 率比在層流中好。實驗採用diffuser 元件長度介於 1.45 到 3.95 mm 之間，而 diffuser 張 角介於1.9°到 6.8°之間。

1997 年 Athavale et al.【8】利用 CFDRC 軟體模擬 1993 年 Stemme 所做的無閥式微

幫浦，並在模擬薄膜振動時利用CFD-ACE 中的 Fluid-Thermo-Structure(FSI)模組，來處 理有關工作流體和振動薄膜間液固介面的問題。其模擬出的流量與實驗相當吻合，但在 最大背壓上則有明顯的誤差。

1998 年 Olsson et al.【9】利用熱壓法製造出無閥式微幫浦，其採用壓電材料作為薄 膜振動的動力源，且使用張角為7°的 diffuser 元件作為連接出入口端與腔體的流道。實 驗結果發現頻率在2200 Hz 下，單一腔體的無閥式微幫浦最大流量為 1 ml/min，最大背 壓為5.9 kPa。若是並聯兩個腔體的無閥式微幫浦，其最大流量可達 1.9 ml/min，最大背 壓為7.7 kPa。

2004 年 Yang et al.【10】製作漸縮/漸擴管(nozzle/diffuser)元件並測試與分析其壓力 損失係數與雷諾數的關係。結果發現壓力損失係數會隨雷諾數增加而遞減，在相同雷諾 數時，漸縮管的壓力損失大於漸擴管。漸縮/漸擴管的長度對於壓力損失的影響很小。當

漸擴管的張角大於 20°時，會有分離現象的產生，因此理論分析與實驗結果會有較大的

誤差。

2004 年羅卓錚【11】在其研究中利用 CFDRC 軟體模擬 Olsson 提出的無閥式微幫浦 設計。文中提到擋體式無閥門微幫浦，是指在靠近進出口兩端的流道中，設計一個梯形 擋體以代替nozzle/diffuser 的功能。模擬結果發現其最佳的擋體張角為 5°，但最大流量 與Olsson 實驗比較有 30%的誤差。

2005 年曾裕博【12】利用 Fluent 軟體模擬無閥式微幫浦，提出可用速度進口條件 代替薄膜振動時移動網格的設定，以簡化運算的難度與時間。研究中並測試 diffuser 元 件在不同雷諾數與張角下，其效率的差異。

— 蠕動式微幫浦相關實驗：

1968 年 Fung and Yih【13】最早提出蠕動行為對流場造成的影響。文中指出完全依 靠管壁上蠕動形式的移動，分析其對二維直管內部流場產生的效果。因蠕動行為而產生 的壓力梯度，如大於某一極限值，將會有回流產生，並探討各種雷諾數下，回流產生的 條件。

1969 年 Shapiro et al.【14】研究在波長夠長及較低的雷諾數下，幫浦的蠕動模式與

流場的相關性，文中利用無因次化的理論分析二維流場，並用實驗的結果作驗證。

1990 年 Smits【15】提出一個六相位蠕動式微幫浦的蠕動形式，並詳述其微幫浦腔

體是由矽晶片及玻璃薄膜並搭配壓電材料所組成。其微幫浦的最大流量可達 100

μl/min，最大背壓為 60 cmH2O。

2001 年 Cao et al.【16】提出一個能藉由幫浦內部體積變化，而達到傳遞流體功能 的蠕動式微幫浦，蠕動即為在其運作過程中，每個腔體內部的壓電薄膜都是各自在活動 的。文中並利用有限元素分析(FEA)的 ANSYS 軟體，模擬不同厚度及直徑下，壓電薄

膜所產生的最大振幅，與 MEMS 製程技術製作出的實際實驗結果作比對。其得到當壓

電薄膜厚度為40 μm，直徑為 12 μm 時有最大的振幅，與模擬結果相符。

2003 年 Berg et al.【17】製作出兩腔體的蠕動式微幫浦，並提出兩種蠕動形式做實 驗比較，且用簡易的理論分析預測其流量大小。微幫浦中每個腔體的體積為1.17 μl，有 較小的 dead volume。實驗結果得知類似三腔體中三相位的三相位蠕動形式其最大流量 為0.098 μl/s，兩階段式四相位蠕動形式最大流量為 0.107 μl/s。

2005 年 Teymoori and Abbaspour-Sani【18】設計一個靜電式的蠕動式微幫浦，其有 諸多優點如，與其他蠕動式微幫浦相比有較小的尺寸、採用被動式閥門取代傳統機械式 閥門較不易損壞、流量易控制及較小的能源消耗等。文中採用六相位的蠕動形式，壓縮 比約為0.8，微幫浦的尺寸為 7 mm × 4 mm × 1 mm。其淨流量可達 9.1 μl/min，與 ANSYS 模擬結果相符合。

2005 年 Goldschmidtboing et al.【19】建立一套塊狀理論模型，分析壓電型蠕動式微

幫浦的流場，依照其模擬後的結果，製造理想的微幫浦，微幫浦中的腔體深度為80 μm，

薄膜所能達到的最大振幅逾10 μm。文中並提到兩種腔體的蠕動形式，分別為四相位及

六相位，再根據不同的振動頻率及背壓，實際量測出微幫浦的淨流量與模擬作比對，結 果相符。而此壓電型蠕動式微幫浦有最大淨流量為1.4 ml/min，最大可承受的背壓為 40 kPa。

2006 年關恕【20】以 MEMS 技術製作出三腔壓電蠕動式微幫浦，腔體的深度為 30 μm，並實驗比較不同的驅動相位，當腔內壓電薄膜隨頻率增加時，其最大位移量變化

的情形，其薄膜的振幅介於0.02 μm~1.8 μm 之間。亦改良電壓輸入的迴路設計，並有效 提升微幫浦的淨流量與效率。

2008 年 Jang and Yu【21】製作了串聯三個腔體的蠕動式微幫浦，實驗比較各腔體 中薄膜振動的順序對微幫浦流量的影響。三腔蠕動式微幫浦依其作動的方式，可分為三

相位、四相位和六相位共三種，在供應100 伏特的電壓下，四相位蠕動形式的微幫浦有

最大流量為17.6 μl/min，其微幫浦內腔體深度為 10 μm，壓電薄膜有最大位移量為 2.91 μm。

— 微幫浦理論分析：

1998 年 Ullmann【22】利用流量與壓力的關係式，分析單腔壓電無閥式微幫浦的流 場，並把微幫浦的流場情形分為三種模式作運算，分別求出每個時間點下的流量與壓 力。文中也提及串聯雙腔無閥式微幫浦的分析，其所需考慮的模式較多。

1999 年 Olsson et al.【23】提出塊狀數學模型來分析無閥式微幫浦。其理論是把微 幫浦分為數個區塊作討論，並利用連續方程式和伯努力方程式整合出三個方程式系統，

再用MATLAB 解出其流量與壓力，模擬結果與實驗數據相符。

2001 年 Pan et al.【24】找出壓電薄膜振動的統御方程式，且探討薄膜振動最適合的 頻率範圍。在研究中把微幫浦的流場情形分為三個模式作計算，再藉由漸縮/漸擴管的壓 力損失係數代入壓力的關係式中，估算出微幫浦的流量。

2003 年 Pan et al.【25】將流體的流動與壓電薄膜振動的統御方程式作偶合，並考慮 流體慣性對流場造成的影響，以求得流量。

— 微幫浦計算模擬與理論分析比較：

2008 年吳欣恩【26】在其微幫浦的理論分析中，提出合併型的壓力與流量關係式，

在計算單腔微幫浦流場時不必再分為吸水模式、排水模式與過度區等多種模式，簡化數 學公式，且解決探討多個腔體時將遇到畫分模式的問題。文中在lump system 理論中加

入流體的慣性項作計算後，與有限體積法的CFD 運算模擬結果相似。

2008 年 Tsui and Lu【27】藉由有限體積法的 CFD 計算模擬單腔無閥式微幫浦的流 量變化情形，其在薄膜振動上使用往復式的速度邊界條件，取代移動網格的設定，薄膜

振動的位移則融合二次曲線與梯形曲線，計算在不同背壓下淨流量的數值與實驗作比 較。文中並利用壓力與速度的關係式，提出簡易的數學理論，分析微帮浦的流量與壓力 變化，且提出三種計算微幫浦的效率公式，並繪出不同背壓時微幫浦的效率變化。