Abstract
本研究旨在發展出一種高效率的微混合器。首先以田口工程品質方法詳細的模擬分析鯡魚骨式微混合器，模擬結果顯示鯡魚骨微混合器的主要幾何參數，在本文所選擇的數值範圍內，對混合效能的影響程度依序為 溝槽的深度比~不對稱性 > 溝槽夾角 > 上下游寬度比， 在深入的了解鯡魚骨式微混合器的流場型態後，歸納出幾何參數先影響溝槽內的流量，進而透過流量影響微混合器的效能。著名的鯡魚骨式微混合器的基本流場型態為橢圓型特性，因雙曲線型流場的混合效能較橢圓型為高，本文主要方向乃定位於設計一種能產生雙曲線型的“渦漩調控式”微混合器。研究方法首先採用商用軟體CFD-ACE+，配合流體力學的理論，設計出渦漩調控式微混合器的幾何形狀；其次，設計微機電的製程技術製作出微混合器；最後，使用流體實驗方法來驗証微混合器的混合效能。 從流場模擬獲得以下五點結論：第一，網格的尺寸對流場分析有相當大的影響，網格的尺寸最好在5 □m以下，其所產生的誤差才在可接受的範圍；第二，格網的夾角對流場的影響則可忽略不計，但網格與流速向量間的夾角對濃度場的影響很大；第三，鯡魚骨式微混合器溝槽的幾何參數是影響溝槽內的流量的重點，而流量的高低則可決定混合的好壞。第四，渦漩調控式微混合器如預期的出現單一渦漩、單一渦漩加上一個鞍點，和兩個渦漩的流場結構在交替的變換，且溝槽中的流量和壓力都呈現週期性的變化；第五，渦漩調控式微混合器的混合性能，在廣泛的雷諾數範圍內(0.01~100)，較鯡魚骨式微混合器為佳或相當。 本研究在微混合器的製程中，採用SU-8 光阻黃光微影、電鑄模仁和聚二甲基矽氧烷翻製成型再接合的製程，此製程遠較一般的SU-8 光阻黃光微影後即做聚二甲基矽氧烷翻模製程因難，但其優點是電鑄的模仁不會損壞，且可做為熱壓或射出感型的模仁使用。且本研究所製作之微混合器元件，在量測儀器檢測過後，尺寸誤差僅數微米左右，且微混合器元件經過極小心的封裝，通過測漏無虞後才進行實驗。 為詳加驗證實驗結果，本研究共使用顏料、螢光染料和微粒子三種物質觀測方法。首先將顏料、螢光染料和微粒子加入流體中；其次觀測流場的顏色、螢光和微粒子的分佈，以做為流體濃度場的依據，而此三種不同物質觀測實驗的濃度場結果，和模擬所得結果相符。其中，螢光實驗可降低背景光的影響，因而有較高的可靠性，其實驗結果顯示在雷諾數為1時，混合長度稍大於8 mm。而微粒子不僅能提供濃度場的定性特性，更有可能發展成可定量分佈的方法，且微粒子尚具備提供流場的速度場的潛力可能。 本研究所發展出一種新的渦漩調控式微混合器，經模擬分析、製作和流體實驗，驗證其混合效果優於傳統鯡魚骨式微混合器，實驗結果顯示其性能優良，並與電腦模擬結果相符。本研究之結果將有助於了解雙曲線型的流場現象，以及計算流體力學軟體應用於微混合現象的模擬分析能力和限制，並對整合微混合器於晶片實驗室的製程有一定程度的幫助。