碳吸附材料流道設計

本研究先前所使用之微型化前濃縮晶片，為利用微機電工程(MEMS)在吸附 槽當中蝕刻出圓柱結構，灌入碳材利用高溫燒結，使碳纖維材料在柱狀結構上面 形成碳膜，當在採樣揮發性有機氣體(VOCs)時，氣體分子流經吸附槽時可因柱狀 結構增加與碳膜之接觸面積，以提升吸附效率。而本研究致力於開發多階式前濃 縮晶片，所以著重於晶片流道設計之改良以及適用於三種不同須附材料之流道設 計。

本研究利用 ESI Group 之 Advanced CFD 軟體繪製晶片流道，並模擬氣流經 過流道時的氣流速度分布以判斷晶片流道設計之優劣。圖 3- 30 為本研究先前所 使用之前濃縮晶片流道所模擬之氣流流速分布。模擬行為主要是在採樣流程當中 氣流的分布，所以流速皆設 100 mL/min 之體積流速做為採樣流速模擬。

圖 3- 30 前濃縮晶片氣流模擬

由圖 3- 31 可明顯觀察出吸附槽縱向流速分布不均，氣流流經牆邊之流速相 對來說較中心之流速要快許多，使得長在牆邊之碳膜吸附揮發性有機氣體(VOCs) 之效率降低。

本研究除了改良吸附槽開口角度、柱狀結構及其間距改善氣流流速均勻度，

也將原先設計晶片流道連接口之管徑由内徑 0.1 mm 改至 0.25 mm，大幅降低封

裝困難度以及漏氣之可能，也能提升將來再濃縮時採樣之體積流速，減少分析所 需之時間。

圖 3- 31 前濃縮晶片縱向流速 (a)選取範圍 (b)縱向流速曲線圖 (a)

(b)

3.6.1.1 吸附槽開口角度

由先前前濃縮晶片設計流道所模擬出的結果可以明顯觀察出，在剛進入吸附 槽之流速與進入吸附槽內部之流速有明顯差異，如圖 3- 32 所示。原先設計之吸 附槽開口角度為 30°，試以增加吸附槽開口角度改善，並增加柱狀結構以增加更 多的接觸面積。

圖 3- 32 流速分布圖(a)開口 30∘ (b)開口 60∘

本研究利用此 ESI Group 之 Advanced CFD 軟體可如下圖 3- 33 模擬出雙紅 十字連線上之線性流速分布，由吸附槽水平長度對線性流速作圖，可明顯觀察線 性流速由開口至吸附槽中心之變化率在 30∘開口的吸附槽當中較為明顯，相反 的再開口為 60∘的吸附槽之流速變化率較為緩慢，所以相較於角度 30∘做為開 口之吸附槽，角度 60∘之吸附槽可以使得入口處至吸附槽中心之流速變化較為 趨緩，並因增加角度可以在填入更多的柱狀結構，已增加吸附碳膜之容量，也增 加了吸附表面積，因此在後面的設計當中，我們將會採用 60∘作為我們微型化 前濃縮晶片之吸附槽開口角度作為設計。

(a)

(a) (b)

圖 3- 33 橫向流速 (a) 30∘選取範圍 (b) 60∘選取範圍 (c) 30∘流速曲線 (d) 60∘流速曲線 (b)

(c) (d)

3.6.1.2 流速均勻化

利用增加吸附槽開口角度以改善氣流入口及吸附槽之間的流速差以及增加 柱狀結構之外，還是可以明顯觀察出，在吸附槽最邊緣之流速與吸附槽中央氣體 流速有顯著差異存在，便在吸附槽邊緣增加半圓形柱狀結構，可以達到有效降低 吸附槽邊緣氣體流速，使氣流均勻化並加碳膜接觸面積以利於吸附揮發性有機氣 體(VOCs)。

圖 3- 34 氣流流速分布圖(a)無半圓 (b)加入半圓

由圖模擬吸附槽當中縱向之流速，可以明顯觀察到在吸附槽邊緣加入半圓形 柱狀結構之後，能明顯改善在吸附槽當中縱軸方向牆壁邊緣以及中心之流速差異。

(a)

(b)

(a)

圖 3- 35 橫向流速 (a) 無半圓選取範圍 (b) 加入半圓選取範圍 (c) 無半圓流速曲線 (d) 加入半圓流速曲線 (b)

(c) (d)

3.6.1.3 柱狀結構

本研究先前所設計之前濃縮晶片流道是以直徑 100 μm 間距 100 μm 之柱狀 結構所構成，所以本研究利用現有蝕刻之技術極限，無法同時將柱狀結構以及間 距縮小以利增加吸附碳膜之接觸面積，而改以維持柱狀結構之大小，並縮小柱狀 結構之間距至 50 μm 以增加柱狀結構並增加吸附表面積，如圖圖 3- 36 所示，並 綜合上述改良條件，模擬出之氣流流速分布如圖 3- 37 所示，氣體流速進入吸附 槽範圍即明顯降低，並且於柱狀結構周圍之氣流分布相當均勻。

圖 3- 36 柱狀流道(a)間距 100 μm (b)間距 50 μm

圖 3- 37 流道改良設計之氣流流速分布