The Design and Development of the Optimal Passive Micromixer to Accommodate a Wide Range of Flow Ratesการออกแบบและพัฒนาไมโครมิกเซอร์แบบพาสซีฟที่ดีที่สุดสำหรับการรองรับอัตราการไหลที่หลากหลาย

Abstract

งานวิจัยนี้เป็นการศึกษาการออกแบบและพัฒนาอุปกรณ์ไมโครมิกเซอร์แบบพาสซีฟ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการผสมของไหลในระดับไมโครลิตรและนาโนลิตร โดยมุ่งเน้นการปรับปรุงโครงสร้างช่องทางไหลให้สามารถรองรับอัตราการไหลที่หลากหลาย โดยไม่ทำให้ประสิทธิภาพการผสมลดลง โดยได้ทำการออกแบบและสร้างไมโครมิกเซอร์แบบช่องทางคดเคี้ยวที่มีร่องเสริมโดยใช้หลักการการออกแบบและการทดลอง เพื่อหาวิธีการสร้างลวดลายที่ดีที่สุด กำหนดปัจจัยที่ส่งผลกับความคมชัดของลวดลายโครงสร้างบนสารไวแสง Photoresist ค่าพลังงาน (Dose), ระยะความสูง Stage Z และเวลาในการล้างสารไวแสง (Develop) พบว่าปัจจัยที่ส่งผลต่อการสร้างโครงสร้างมากที่สุดคือ ระยะความสูง Stage Z โดยมีความน่าเชื่อถือของข้อมูลที่ 99.82 %จากนั้นทำการทดสอบและเปรียบเทียบประสิทธิภาพการผสมของอุปกรณ์ไมโครมิกเซอร์แบบเดิม โดยทำการทดลองจริงที่สามารถทำการทดสอบอัตราการไหลได้มากสุดที่ 50 µL/min โดยพบว่าไมโครมิกเซอร์ที่พัฒนาขึ้นนี้มีประสิทธิภาพการผสมสูงสุดที่ 99.80% ที่อัตราการไหลต่ำสุด 1 µL/min โดยอัตราการไหลที่สูงขึ้นได้แก่ 10, 25และ 50 µL/min จะทำให้ประสิทธิภาพการผสมลดลงเล็กน้อย แต่ยังคงอยู่ในระดับสูงกว่า 80% แสดงให้เห็นว่าอุปกรณ์ที่พัฒนาขึ้นสามารถทำงานได้ที่อัตราการไหลที่หลากหลาย ผลการศึกษานี้มีศักยภาพในการนำไปประยุกต์ใช้ในงานวิเคราะห์ทางเคมี ซึ่งต้องการการผสมของไหลที่รวดเร็วและแม่นยำ

This research focuses on the design and development of a passive micromixer to enhance fluid mixing efficiency at microliter and nanoliter scales. The study aims to optimize the microchannel structure to accommodate a wide range of flow rates without compromising mixing performance. A serpentine microchannel design with grooves was fabricated using experimental design methodologies to identify the optimal parameters for achieving high-resolution patterns on photoresist. Key factors affecting pattern clarity were investigated, including UV dose, stage Z height, and development time. Results revealed that stage Z height had the most significant impact, with data reliability reaching 99.82%. The performance of the developed micromixer was then evaluated through physical experiments and compared with conventional designs at flow rates up to 50 µL/min. Experimental results demonstrated that the new micromixer achieved Maximum mixing efficiency of 99.80% at the lowest flow rate (1 µL/min). Consistently high efficiency (>80%) across higher flow rates (10, 25 and 50 µL/min), though with a slight decline compared to lower flow rates. These findings confirm the device’s versatility across a broad flow rate range while maintaining robust mixing performance. The study highlights the potential for applications in chemical analysis and lab-on-a-chip systems requiring rapid and precise fluid mixing.