90国成功大学化学工程学系硕士文

國立成功大學化學工程學系碩士論文交流電極上利用電滲驅動之微渦流進行懸浮粒子聚集之研究StudiesonParticlesAssemblyUsingMicro-VorticesDrivenbyElectroosmosisonACElectrodes研究生：楊詠順指導教授：黃世宏中華民國九十六年七月I摘要有別於傳統使用機械式幫浦來驅動流體，微流體系統常常使用外加交流電場來驅動流體。本論文研究對稱形交流電極設計，所形成的微渦流可將流體中的懸浮粒子收集至電極表面停滯點上，此方法非常適合各種分子、蛋白質、或DNAs的傳送或聚集。我們分別探討頻率、電壓、邊界條件等因素對微渦流生成和停滯點的影響，實驗發現在頻率100Hz、電壓2.8Vpp時有最佳粒子聚集效率，從電壓與平均流速的關係證實該流動機制為交流電滲流(ACEO)。此外，經由特殊邊界條件的設計，近一步證實單純的ACEO流動機制便足以在電極上產生停滯點。同時，我們也使用FEMLAB軟體計算各種邊界條件下停滯點位置，得到和實驗數據一致的比較和分析結果。IIAbstractInmicrofluidicsystems,fluidisusuallydrivenbyanexternalACelectricfieldratherthanaconventionalmechanicalpump.Inthisthesis,ACelectrodesweredesignedtogeneratemicrovorticesfortheassemblyofsuspendedparticlesontostagnationpointsontheelectrodes.Suchadesignisusefulforthetransportandassemblyofvariousmolecules,proteins,andDNAs.WestudiedtheeffectsofACfrequencies,voltages,andboundaryconditionsontheformationofmicrovorticesandstagnationpoints.Experimentalresultsdemonstratedthatthebestefficiencyofsuspendedparticlesassemblyoccurredatthefrequencyof100Hzandthevoltageof2.8Vpp.Fromtherelationshipbetweentheappliedvoltageandtheaveragevelocity,itwasverifiedthattheflowmechanismwastheACelectroosmotic(ACEO)flow.Inaddition,ourspecificboundaryconditionsexperimentsrevealedthatpureACEOflowcouldgiverisetotheobservedstagnationpoints.TheexperimentaldataareconsistentwiththesimulationresultsaboutthepositionofstagnationpointsbytheFEMLABsoftware.III誌謝感謝指導教授黃世宏老師在研究方向以及論文上的教導和協助，並且提供自由且舒適的研究環境使研究得以進行順利、所需不至缺乏，致上最誠摯的敬意。在這段過程中，感謝魏憲鴻老師在基礎理論上的細心指導，還有柳水金學長在電腦模擬上提供部分結果。另外，也要感謝魏老師實驗室所有同學在實驗技巧上的幫忙，使得這本論文得以如期完成。最後，感謝時時刻刻關心我的父母親及家人，從小到大求學路上總是在背後給我莫大的支持與鼓勵，謹將這份平實的報告獻給我敬愛的雙親與家人，以及所有關心我的師長與朋友。IV目錄中文摘要英文摘要表目錄圖目錄第一章緒論………………….…………………………………………...….11.1前言…………………………………………………………...………11.2微機電系統……………………………………….……………...........11.3研究動機………………………………………….……………...........21.4文獻回顧…………………………………….…………………...........31.5論文架構……………………………………….………………...........5第二章基本原理……………..………………………………………...........82.1電雙層形成機制………………………………………………............82.2電滲流形成機制………………………………………………………92.3對稱形平行電極系統…………………………………………..........112.4等效電路模型......................................................................................142.5停滯點形成機制………………………………………………...…...15V第三章微流晶片製作........…..……………………………………...……..223.1電極晶片製作………………………………………………..............223.1.1電極光罩設計………………………………………...……..223.1.2玻璃基材清洗…………………………………………….....233.1.3金屬真空蒸鍍.........................................................................233.1.4光微影製程.............................................................................243.2微流道光微影製程………………………………………….……….283.2.1微流道光罩設計………………………………………….....283.2.2晶片清洗………………………………………...…………..283.2.3塗佈光阻……………………………………………...……..293.2.4軟烤……………………………………………………….....303.2.5曝光………………………………………………...………..313.2.6曝後烤…………………………………………………...…..323.2.7顯影……………………………………………………...…..333.2.8硬烤……………………………………………………….....333.2.9光阻母模厚度測量……………………………………...…..343.3微流道製作…………………………………………………………..343.3.1材料………………………………………………...………..34VI3.3.2微流道模型製作………………………………………….....343.4微流體晶片裝置組合…………………………………………..........353.4.1微流道與電極晶片組合………………………………...…..353.4.2管線組裝…………………………………………...………..373.4.3PDMS表面改質………………………………………...…..373.5實驗設備與實驗方法……………………………………………......383.5.1實驗設備………………………………………………….....383.5.2實驗溶液與粒子的配製…………………...………………..393.5.3研究方法.................................................................................40第四章結果與討論.......................................................................................514.1開放式系統的停滯點觀察………...………………………………...514.1.1頻率對停滯點位置的影響…...……………………………..514.1.2頻率效應之討論……...…………...………………………...554.1.3停滯點位置之討論…...…………...………………………...564.2封閉式系統停滯點觀察………………………...…………………...574.2.1固定頻率，改變電壓………………..……….………………..574.2.2螢光粒子與電極表面的作用力………………...……………604.3邊界條件的討論與實驗…………………...………………………...60VII4.3.1水平方向邊界條件………………...…………………………614.3.2鉛直方向邊界條件(流道高度的討論)…...………………….634.4理論模型與實驗比較分析…………………………...……………...64第五章結論與建議……………………………………………..………….815.1結論………………………………...………………………………...815.2改進建議………………………………...…………………………...81第六章未來工作…………………………………...………………………83參考文獻……………………………………...……………………………..84VIII表目錄表3.1塗佈HMDS的時間與轉速……………………….…………............42表3.2塗佈S1818光阻的時間與轉速……………………………………...42表3.3塗佈SU-8光阻的時間與轉速………………………………...…….42表3.4軟烤溫度與時間……………………………………...………...…....43表3.5曝光後烘烤的溫度與時間………...…………………………...……43表3.6光阻厚度與顯影時間之關係……………...………………...………43表3.7PDMS的物理性質…………………….…………………...………43表4.1頻率100Hz下電壓與(1/tstag)關係…………………………………...70表4.2頻率200Hz下電壓與(1/tstag)關係…………………………………...71IX圖目錄圖1.1交流電極上非線性速度隨位置分佈圖………………………...…….6圖1.2交流電極上頻率與速度關係圖………………………………...…….6圖1.3利用非對稱交流電極製造淨流動示意圖…………………...……….7圖1.4利用T型電極製造淨流動示意圖……………………………...…….7圖2.1介電物質與極性溶液接觸時表面電荷分佈圖..................................17圖2.2介電物質與極性溶液接觸時表面離子濃度分佈圖..........................17圖2.3電滲流示意圖……………………………………………………......18圖2.4電滲流示意圖…………………………………………………...…...18圖2.5交流電極示意圖…………………………………………………......19圖2.6電容式充電機制示意圖………………………………………...…...19圖2.7法拉第充電機制示意圖………………………………………...…...20圖2.8等效電路模型示意圖…………………………………………...…...20圖2.9停滯點形成機制示意圖………………………………………...…...21圖3.1電極光罩圖…………………………………………………...……...44圖3.2電子束蒸鍍器………………………………………………...……...44圖3.3電滲流裝置晶片製程圖……………………………………...……...45圖3.4電極晶片完成品圖………………………