多階式晶片型前濃縮裝置

多階式晶片型前濃縮器是由微機電系統(Micro Electro Mechanical System, MEMS)所製成，此前濃縮裝置已完成陽極接合，因此在半導體製程以及化學製程 不會因此相互汙染，故封裝較容易。如圖 2- 4 所示，乃本研究中所使用的多階式 晶片型前濃縮裝置，其為委託財團法人自強工業科學基金會，利用微機電方法製 成，其為已完成陽極接合之波浪狀型以及柱狀型晶片，外型尺寸皆為長 20 mm、

寬 8 mm，高 1.5 mm，槽體深度 350 μm。如圖 2- 4 (a)所示，為內部流道結構為 波浪型之晶片，用以塗佈高分子吸附材料 Tenax TA，圖 2- 4 (b)則為內部流道為 柱狀結構並分為兩階段之晶片，用以塗佈以 saran、cellulose 所燒結成的碳分子篩 吸附材料以及非結晶碳膜吸附材料。

圖 2- 4 多階式晶片型前濃縮裝置(a)高分子吸附材料 (b)碳分子篩及非結晶碳膜

圖 2- 5 微型流道放大圖 (a)波浪狀微型流道 (b)柱狀微型流道

晶片表面上蝕刻上微型流道以及柱狀結構如圖 2- 5，其目的在於當塗佈上吸 附材料以及燒結吸附碳材時，能夠增加整體晶片的吸附表面積，而晶片背面也利

(a) (b)

(a) (b)

為60 Ω，而溫度感測器是由一條 15 μm 彎曲 60 次的曲線組成，電阻約為 1 kΩ。

5. 完成後，先將晶片用面紙小心拭乾，在將其上的導線及高溫膠帶小心拆除，

用以塗佈高分子吸附材料之晶片直接送到管狀高溫爐中以 5℃/min 之升溫速 率上升至 300℃維持 1 小時進行退火使得表層的金排列更趨於穩定，避免因 外力而剝落，之後再進行 Tenax TA 吸附材料之塗佈，而碳分子篩以及非結晶 碳膜晶片則在吸附材料塗佈完成後再送至管狀高溫爐進行碳材燒結以及退火。

電鍍結果如圖 2- 8。

圖 2- 7 鍍金裝置架設示意圖

圖 2- 8 加熱器鍍金

在 saran 以及 cellulose 之塗佈過程，兩種吸附材料不能相互干擾影響，因此 在塗佈高分子材料 saran 之同時，會在第二階段通入高純度氮氣，此時將可以在 第一階段部分以注射針筒塗佈溶在 tetrahydrofuran 之 saran 溶液，其比例為 1 g 的 saran 高分子溶解於 4 mL 之 tetrahydrofuran，如圖 2- 9 所示，因此高純度氮氣便 可阻擋 saran 塗佈至第二階段，進而將持續注射之溶液由設計之流道排出。再將 晶片置入烘箱 60℃，並且持續在第二階段通入氮氣將之烘乾。

圖 2- 9 高分子材料 saran 之塗佈

之後將以塗佈完高分子材料 saran 的第一階段一樣通入高純度氮氣，即可在 第二階段以注射針筒塗佈溶在去離子水之纖維素溶液，比例為 0.5 g 的纖維素溶 解於 7 mL 之去離子水，如圖 2- 10 所示。因此通入之氮氣便也能夠阻擋纖維素 溶液塗佈至已經塗佈高分子材料 saran 的第一階段，塗佈完成後置入烘箱 90℃，

並持續在第一階段通入高純度氮氣烘乾即可置入管狀高溫爐進行碳化燒製成碳 分子篩以及非結晶碳膜，即完成碳分子篩以及非結晶碳膜之封裝，其流程示意圖 如圖 2- 11。

圖 2- 10 纖維素溶液之塗佈

圖 2- 11 碳分子篩以及非結晶碳膜塗佈燒製示意圖

高分子吸附材料 Tenax TA 則以 dichloromethane 以 10 mg/mL 溶解，在以迴 旋濃縮裝置將其濃縮至 10 倍呈濃稠狀，以注射針筒塗佈至波浪型流道晶片中，

並置入烘箱以 40℃溫和將其烘乾即完成 Tenax TA 高分子吸附材料之塗佈，其示 意圖如圖 2- 12 所示。

圖 2- 12 高分子吸附材料塗佈示意圖

在兩片前濃縮晶片皆完成碳吸附材料燒製以及塗佈後，即可將兩片晶片中間 置入内徑為 0.25 mm 之管柱以榫接法將兩晶片組裝成多階式晶片型前濃縮裝置 如圖 2- 13 所示，再將兩片晶片之加熱器內側連接處塗上銀膠，加熱器外側則以 銀膠黏接上多芯線，加熱器部分則選擇一組使用銀膠黏接多芯線，在置入烘箱 150℃維持 1 小時，將銀膠烘乾即可將晶片固定於 PCB 板上，並將多芯線焊接至 其上。最後即可以塑鋼膠將內徑 0.25 mm 之管柱連接上即完成多階式晶片型前

圖 2- 13 榫接多階式晶片型前濃縮裝置

圖 2- 14 多階式晶片型前濃縮裝置示意圖

圖 2- 15 多階式晶片型前濃縮裝置照片(a)正面 (b)組裝完成圖 (a)

(b)