學方式來改變液體對壁面的附著力，然而附著力越強，其毛細作用也
參考文獻
[1] T. R. Hsu, MEMS and Microsystems: design and manufacture McGraw-Hill, 2002.
[2] 陳炳煇, 微機電系統, 五南出版社, 台北市, 2001.
[3] 張志誠,微機電技術, 商周出版社, 台北市, 2002.
[4] N. Schwesinger, T. Frank, H. Wurmus, “A Modular Microfluid System with An Integrated Micromixer,” J. Micromech. Microengr., Vol.6, 99-102, 1996.
[5] W. Ehrfeld, K. Gebauer, V. Hessel, H. Lowe, T. Richter,
“Characterization of Mixing in Micromixers by a Test Reaction by a Test Reaction: Single Mixing Units and Mixer Arrays,” Ind. Eng.
Chem. Res., Vol. 38, 1075-1082, 1999.
[6] J. T. Groves, N. Ulman, S. G. Boxer, “Micropatterning of Fluid Lipid Bilay on Solid Supports,” Science, Vol. 275, 651-653, 1997.
[7] J. K. Jun and K. C. Jin, “Valveless Pumping Using Traversing Vapor Bubble in Microchannels,” J. Applied Physics, Vol. 83, No. 11, June, 5658-5664, 1998.
[8] M.A. Northrup, M.T. Ching, R.M. White, and R.T. Lawton, "DNA Amplification with A Microfabricated Reaction Chamber,”
International Conference on Solid-State Sensors and Actuators (Transducers 93), Yokohama, Japan, June 7-10, 924-926, 1993.
[9] M. Madou, Fundamentals of Microfabrication, CRC, Florida, 1997.
[10] J. Bico and D. Quéré, “Liquid Trains in A Tube,” Europhys. Lett., Vol. 51, 546-550, 2000.
[11] O.E. Jensen, “The Thin Liquid Lining of A Weakly Curved Cylinderical Tube,” J.Fluid Mech., Vol. 331, 373-403, 1997.
[12] J.N. Israelachvili, Intermolecular and Surface Forces, London:
Academic, 1992.
[13] V.D. Sobolev, “Surface Tension and Dynamic Contact Angle of Water in Thin Quartz Capillaries,” J. Colloid and Interface Sci., Vol.
222, 51-54, 2000.
[14] S.E. Navti, K. Ravindran, C. Taylor, R.W. Lewis, “Finite Element Modeling of Surface Tension Effects Using a Lagrangian-Eulerian Kinematic Description,” Comput. Methods Appl. Mech. Engrg., Vol.
147, 41-60, 1997.
[15] P.G. de Gennes, “Wetting: Statics and Dynamics,” Rev. Modern Phys. , Vol 57, 827-861, 1985
[16] Y. Lee, J.K. Kim, S. Chung, C. Chung, J.K. Chang, J.Y. Yoo, “Flow Characteristics of Hydrophilic/Hydrophobic Capillaries considering Surface Tension,” Microtechnologies in Medicine & Biology 2nd Annual International IEEE-EMB Special Topic Conference , 560 -564, 2002.
[17] D.Y. Kwow, A.W. Neumann, “Contact Angle Measurement and Contact Angle Interpretation,” Advanced in Colloid and Interfaced Science, Vol.81, 167-249, 1999.
[18] D.Y. Kwow, A.W. Neumann, “Contact Angle Interpretation in terms of Solid Surface Tension,” Colloid and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, Vol 161, 31-48, 2001.
[19] Rachid Chebbi,: “Deformation of Advancing Gas-Liquid Interfaces in Capillary Tubes,” J. Colloid and Interface Sci., Vol. 265, 166-173, 2003.
[20] Marcelo Lago, Mariela Araujo, “Threshold Pressure in Capillaries with Polygonal Cross Section,” J. of Colloid and Interface Sci., vol 243, 219-226, 2001.
[21] P.F. Man, C.H. Mastrangelo, M.A. Burns, D.T. Burke,
“Microfabricated Capillarity-Driven Stop Value and Sample Injector,” Presented at the MEMS Conference, Heidelberg, Germany, Jan. 25-29, 1998.
[22] Jaroslaw Drelich, Jan D. Miller, Robert J. Good, “The Effect of
Drop(Bubble) Size on Advancing and Receding Contact Angles for Heterogeneous and Rough Solid Surfaces as Observed with Sessile-Drop and Captive-Bubble Techniques,” J. of Colloid and Interface Sci., vol 179, 37-50, 1996.
[23] 劉文忠, “微型圓盤孔穴內之微流體流動現象分析,” 機械工程研 究所(交大)-碩士論文, 2002.
[24] 王亞偉等, 物理, 五南出版社, 台北市, 2001.
[25] 謝曉星, 基本流體力學, 東華出版社, 台北市, 1991.
[26] Modules Version 2002, CFD Research Corporation, Cummings Research Park, 2002.
U TM
ACE CFD− ( )
[27] D.B. Kothe, R.C. Mjolsness, “A New Model for Incompressible Flows with Free Surface,” AIAA Journal, vol 30, 2694-2700, 1992.
[28] D.B. Kothe, W.J. Rider, S.J. Brock, “Volume Tracking of Interfaces Having Surface Tension in Two and Three Dimensions.” AIAA paper, 96-0859, 1996.
表2-1 微模穴尺寸對照表
表2-2 不同深寬比尺寸對照表
表2-4 各工作流體之特性
表 4-1 靜態接觸角實驗結果
DI Water 28.02°±1.236
1.174 43.96°±0.658
圖2-1 表面張力之示意圖(圖形參照文獻[25])
圖 2-2 液體與固體表面濕潤性之示意圖(圖形參照文獻[25])
波前觀測區 漸縮 (擴)區
β
α
W
20μm
圖 2-3 微型模穴之外形
矽晶圓 光阻
光阻 流道
矽晶圓 矽晶圓
ICP-RIE
出入口區
Pyrex7740玻璃 Pyrex7740玻璃
輸水管
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
圖2-4 微流體裝置之製程：(a)塗佈光阻；(b) 軟烤、曝光、顯影、
定影；(c) ICP-RIE 乾式蝕刻至所需深度；(d) 超音波震動鑽孔後，去 除光阻；(e) 將晶圓及玻璃陽極接合；(f) 將輸水管與出入口區黏合
圖2-5 超音波震動鑽孔機
圖2-6 微流體裝置背面，輸水管與入口區黏合
圖2-7 實驗系統之示意圖
圖2-8 可程式注射幫浦
圖2-9 高速攝影機及控制器
圖2-10 接觸角儀器
圖2-11 滴定示意圖
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f) 圖2-12 接觸角軟體操作步驟
圖2-13 表面張力計
(a) SLIC (b) PLIC
圖3-1 單一線界面計算(SLIC)及片段線性界面計算(PLIC) 界面建構方式示意圖
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
1 2
圖 4-1 w=100μm、d=80μm、We =10.007、We =1.1111、Q=0.456 ml/min 水在波前觀測區之波前流動現象
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
(g) (h) (i)
1 2
圖4-2 w=400μm、d=80μm、We =10.007、We =0.1042、Q=0.456 ml/min 水在波前觀測區之波前流動現象
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
1 2
圖4-3 w=800μm、d=80μm、We =10.007、We =0.0284、Q=0.456 ml/min 水在波前觀測區之波前流動現象
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
(g) (h) (i)
圖4-4 w=400μm、d=80μm、 1=10.007、 2=0.1042、Q=0.456 ml/min 水在漸闊(縮)區之波前變化比較
We We
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
(g) (h) (i)
1 2
圖4-5 w=800μm、d=80μm、We =10.007、We =0.0284、Q=0.456 ml/min 水在漸闊(縮)區之波前變化比較
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
1 2
圖4-6 w=100μm、d=40μm、We =10.026、We =0.857、Q=0.25 ml/min 水在波前觀測區之波前流動現象
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
(g) (h) (i)
圖4-7 w=400μm、d=40μm、 1=10.026、 2=0.0682、Q=0.25 ml/min 水在波前觀測區之波前流動現象
We We
4-8 w=800μm、d=40μm、 1=10.026、 2=0.0178、Q=0.25 ml/min 動
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
We We
水在波前觀測區之波前流 現象 圖
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
(g) (h) (i)
1 2
圖4-9 w=400μm、d=40μm、We =10.026、We =0.0682、Q=0.25 ml/min 水在漸闊(縮)區之波前變化比較
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
(g) (h) (i)
1 2
圖4-10 w=800μm、d=40μm、We =10.026、We =0.0178、Q=0.25 ml/min 水在漸闊(縮)區之波前變化比較
(a)
(b)
(c) 圖4-11 w=73.73μm、d=73.73μm、We1=0.4、We2=0.0682、
aspect ratio＝1、Q=0.085 ml/min、水在波前觀測區之波前流動現象：
(a)前段(b)中段(c)後段
(a)
(b)
(c) 圖4-12 w=66.7μm、d=80μm、We1=0.333、We2=0.0682、
aspect ratio＝0.835、Q=0.083 ml/min 水在波前觀測區之之波前流動現 象：(a)前段(b)中段(c)後段
(a)
(b)
(c) 圖 4-13 w=52.2μm、d=120μm、We1=0.219、We2=0.0682、
aspect ratio＝0.435、Q=0.098 ml/min 水在波前觀測區之波前流動現 象：(a)前段(b)中段(c)後段
(a)
(b)
(c) 圖 4-14 w=45.6μm、d=180μm、We1=0.175、We2=0.0682、
aspect ratio＝0.253、Q=0.128 ml/min 水在波前觀測區之波前流動現 象：(a)前段(b)中段(c)後段
(a)
(b)
(c)
1 2
圖4-15 w=800μm、d=38μm、We =39.3、We =0.0682、
aspect ratio＝21、Q=0.474 ml/min 水在波前觀測區之波前流動現象：
(a)前段(b)中段(c)後段
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
1 2
圖4-16 w=1600μm、d=37.3μm、We =156.146、We =0.0682、
aspect ratio＝43、Q=0.931 ml/min 水在波前觀測區之波前流動現象
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
1 2
圖4-17 w=800μm、d=38μm、We =10.06、We =0.0173、Q=0.24 ml/min 水在波前觀測區之波前流動現象
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
1 2
圖4-18 w=800μm、d=38μm、We =1.009、We =0.00173、Q=0.076 ml/min 水在波前觀測區之波前流動現象
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
(g) (h) (i)
1 2
圖 4-19 w=800μm、d=37.3μm、We =1.0133、We =0.0004375、
Q=0.075 aspect ratio＝43 ml/min 水在波前觀測區之波前流動現象
(a) 104°/ 5000 (b) 92°/ 10000 (c) 83°/ 15000
(d) 79°/ 20000 (e) 70°/ 25000 (f) 58°/ 30000
(g) 53°/ 35000
圖 4-20 w=180μm、d=45μm、We2=0.095、aspect ratio＝4、
Q=0.15 ml/min 水在加長之波前觀測區於不同位置拍攝的波前現象
(a) 81°/ 5000 (b) 76°/ 10000 (c) 74°/ 15000
(d) 66°/ 20000 (e) 60°/ 25000 (f) 53°/ 30000
(g) 54°/ 35000
圖4-21 w=180μm、d=45μm、We2=0.0682、aspect ratio＝4、
Q=0.127 ml/min 水在加長之波前觀測區於不同位置拍攝的波前現象
(a) 75°/ 5000 (b) 71°/ 10000 (c) 68°/ 15000
(d) 64°/ 20000 (e) 58°/ 25000 (f) 57°/ 30000
(g) 53°/ 35000
圖4-22 w=180μm、d=45μm、We2=0.04225、aspect ratio＝4、
Q=0.1 ml/min 水在加長之波前觀測區於不同位置拍攝的波前現象
5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000
圖4-23 w=180μm、d=45μm、aspect ratio＝4 水在不同流率下，動 態接觸角於不同位置下之變化關係圖
(a) 100°/5000 (b) 85°/10000 (c) 80°/15000 (d) 74°/20000
(e) 63°/25000 (f) 55°/30000 (g) 56°/35000
圖4-24 w=45μm、d=180μm、We2=0.095、aspect ratio＝0.25、
Q=0.15 ml/min 水在加長之波前觀測區於不同位置拍攝的波前現象
(a) 84°/5000 (b) 80°/10000 (c) 65°/15000 (d) 60°/20000
(e) 54°/25000 (f) 55°/30000 (g) 57°/35000
圖4-25 w=45μm、d=180μm、We2=0.0682、aspect ratio＝0.25、
Q=0.127 ml/min 水在加長之波前觀測區於不同位置拍攝的波前現象
(a) 71°/5000 (b) 63°/10000 (c) 60°/15000 (d) 56°/20000
(e) 53°/25000 (f) 55°/30000 (g) 50°/35000
圖4-26 w=45μm、d=180μm、We2=0.04225、aspect ratio＝0.25、
Q=0.1 ml/min 水在加長之波前觀測區於不同位置拍攝的波前現象
5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000
圖4-27 w=45μm、d=180μm、aspect ratio＝0.25 水在不同流率下，
動態接觸角於不同位置下之變化關係圖
5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000
50
5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000
5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 50
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
圖 4-31 w=100μm、d=80μm、 1=10.007、 2=1.1104、Q=0.317 ml/min S-3 黏度液在波前觀測區之波前流動現象
We We
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
(g) (h) (i)
1 2
圖4-32 w=400μm、d=80μm、We =10.007、We =0.1041、Q=0.317 ml/min S-3 黏度液在波前觀測區之波前流動現象
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
(g) (h) (i)
1 2
圖4-33 w=800μm、d=80μm、We =10.007、We =0.0284、Q=0.317 ml/min S-3 黏度液在波前觀測區之波前流動現象
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
1 2
圖4-34 w=100μm、d=40μm、We =10.049、We =0.857、Q=0.174 ml/min S-3 黏度液在波前觀測區之波前流動現象
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
1 2
圖4-35 w=400μm、d=40μm、We =10.049、We =0.0682、Q=0.174 ml/min S-3 黏度液在波前觀測區之波前流動現象
(a) (b) (c)
圖4-36 w=800μm、d=40μm、 1=10.049、 2=0.0178、Q=0.174
觀 流
(d) (e) (f)
We We
ml/min S-3 黏度液在波前 測區之波前 動現象
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
圖4-37 w=100μm、d=80μm、We1=10、We2=1.1104、Q=0.327 ml/min N-35 黏度液在波前觀測區之波前流動現象
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
圖4-38 w=400μm、d=80μm、 1=10.035、 2=0.1041、Q=0. 328 ml/min N-35 黏度液在波前觀測區之波前流動現象
We We
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
圖4-39 、Q=0.328
l/min N-35 黏度液在波前觀測區之波前流動現象 w=800μm、d=80μm、We1=10.035、We2=0.0284 m
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
圖4-40 .18 ml/min
N-35 黏度液在波前觀測區之波前流動現象 w=100μm、d=40μm、We1=10.074、We2=0.857、Q=0
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
圖4-41 、Q=0.18
l/min N-35 黏度液在波前觀測區之波前流動現象 w=400μm、d=40μm、We1=10.074、We2=0.0682
m
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
圖4-42 w=800μm、d=40μm、We1=10.074、We2=0.0178、Q=0.18 ml/min N-35 黏度液在波前觀測區之波前流動現象
(a) (b) (c)
=10.023、 2=1.1104、Q=0.330 (d) (e) (f)
圖 4-43 w=100μm、d=80μm、We1 We
ml/min S-60 黏度液在波前觀測區之波前流動現象
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
(g) (h) (i)
圖4-44 、Q=0. 330
l/min S-60 黏度液在波前觀測區之波前流動現象 w=400μm、d=80μm、We1=10.023、We2=0.1041
m
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
(g) (h) (i)
圖4-45 w=800μm、d=80μm、 1=10.023、 2=0.0284、Q=0.330
觀 前流
We We
ml/min S-60 黏度液在波前 測區之波 動現象
圖4-46 Q=0.181 l/min S-60 黏度液在波前觀測區之波前流動現象
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
w=100μm、d=40μm、We1=10.051、We2=0.857、
m
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
圖4-47 、Q=0.181
l/min S-60 黏度液在波前觀測區之波前流動現象 w=400μm、d=40μm、We1=10.051、We2=0.0682 m
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
圖4-48 、Q=0.181
l/min S-60 黏度液在波前觀測區之波前流動現象 w=800μm、d=40μm、We1=10.051、We2=0.0178 m
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
(g) (h) (i)
1 2
圖4-49 w=400μm、d=80μm、We =10.007、We =0.1041、Q=0.317 ml/min S-3 黏度液在漸闊(縮)區之波前變化比較
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
(g) (h) (i)
1 2
圖4-50 w=800μm、d=80μm、We =10.007、We =0.0284、Q=0.317 ml/min S-3 黏度液在漸闊(縮)區之波前變化比較
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
圖4-51 w=400μm、d=40μm、 1=10.049、 2=0.0682、Q=0.174 ml/min S-3 黏度液在漸闊(縮)區之波前變化比較
(g) (h) (i)
We We
(a) (b) (c)
圖4-52 w=800μm、d=40μm、 1=10.049、 2=0.0178、Q=0.174 ml/min S-3 黏度液在漸闊(縮)區之波前變化比較
(d) (e) (f)
(g) (h) (i)
We We
(a) (b) (c)
圖4-53 w=400μm、d=80μm、 1=10.035、 2=0.1041、Q=0.328 闊
(d) (e) (f)
(g) (h) (i)
We We
ml/min N-35 黏度液在漸 (縮)區之波前變化比較
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
(g) (h) (i)
圖4-54 w=800μm、d=80μm、 1=10.035、 2=0.0284、Q=0.328 闊
We We
ml/min N-35 黏度液在漸 (縮)區之波前變化比較
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
(g) (h) (i)
圖4-55 w=400μm、d=40μm、 1=10.074、 2=0.0682、Q=0.18 (
We We
ml/minN-35 黏度液在漸闊 縮)區之波前變化比較
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
(g) (h) (i)
圖4-56 w=800μm、d=40μm、 1=10.074、 2=0.0178、Q=0.18 (
We We
ml/min N-35 黏度液在漸闊 縮)區之波前變化比較
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
(g) (h) (i)
1 2
圖4-57 w=400μm、d=80μm、We =10.023、We =0.1041、Q=0.330 ml/min S-60 黏度液在漸闊(縮)區之波前變化比較
(a) (b) (c)
圖4-58 w=800μm、d=80μm、 1=10.023、 2=0.0284、Q=0.330 ml/min S-60 黏度液在漸闊(縮)區之波前變化比較
(d) (e) (f)
(g) (h) (i)
We We
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
(g) (h) (i)
圖4-59 w=400μm、d=40μm、 1=10.051、 2=0.0682、Q=0.181 ml/min S-60 黏度液在漸闊(縮)區之波前變化比較
We We
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
(g) (h) (i)
1 2
圖4-60 w=800μm、d=40μm、We =10.051、We =0.0178、Q=0.181 ml/min S-60 黏度液在漸闊(縮)區之波前變化比較
A-B
圖4-61 w=400μm、d=40μm、We =10.026、We =0.0682、V=5.2 m/s、
Q=0.25 ml/min 模擬水在波前觀測區之波前流動變化
1 2
(a)
(b)
(c)
圖4-62 w=400μm、d=40μm、We =10.026、We =0.0682、V=5.2 m/s、
Q=0.25 ml/min 模擬水在漸闊區之波前變化
1 2
1 2
圖4-63 w=400μm、d=40μm、We =10.026、We =0.0682、V=5.2 m/s、
Q=0.25 ml/min 模擬水的壓力分佈圖
A-B
A'-B' A
B
A'
B' Pyrex7740
Pyrex7740
(a) (b)
(c) (d) (e)
(f)
圖4-64 w=400μm、d=40μm、We1=1.47、We2=0.01、V=2 m/s、
Q=0.096 ml/min 模擬水在波前觀測區之波前流動變化
(a)
(b)
(c)
圖4-65 w=400μm、d=40μm、We =10.026、We =0.0682、V=5.2 m/s、
Q=0.25 ml/min 模擬水在漸闊區之波前變化
1 2
圖4-66 w=400μm、d=40μm、We1=1.47、We2=0.01、V=2 m/s、
Q=0.096 ml/min 模擬水的壓力分佈圖
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
1 2
圖4-67 w=800μm、d=40μm、We =19.99、We =0.0357、Q=0.353 ml/min 水在波前觀測區之波前流動現象
A-B
圖4-68 w=400μm、d=40μm、We =10.051、We =0.0682、V=3.76 m/s、
Q=0.181 ml/min 模擬 S-60 在波前觀測區之波前流動變化
1 2
(a)
(b)
(c)
圖4-69 w=400μm、d=40μm、We =10.051、We =0.0682、V=3.76 m/s、
Q=0.181 ml/min 模擬 S-60 在漸闊區之波前變化
1 2