第四章 第四章
第四章 數位流體 數位流體 數位流體界面 數位流體 界面 界面 界面之設計 之設計 之設計 之設計
4-1 界面設計與製程分析
在前面第一章有提到過，流體平台的模組化，有著彈性、經濟以及維修和擴充方便 的優點，市面上也已經有連續流式流體平台的模組，然而對於數位流式流體平台來說，
還沒有相關的研究或是產品，因此這裡將提出一種流體界面的設計，提供作為數位流體 元件模組化的參考。
4-1-1 設計考量
流體元件模組化的關鍵，在於連接界面的設計，需要能夠重複使用（reusable），以 及具有隨插即用（plug-and-play）的設計。而在連續流式的系統中，還得要避免流體的 洩漏和減少無效空間。因此在封裝上得要特別注意，像是利用紫外線固化膠（UV crosslinkable polymer adhesive）接合，之後再以二氯甲烷去除，達到重複使用的目的[84]；
利用 PDMS 製作流道元件，直接與具有驅動器的下板貼合，可達到重複使用與隨插即用 的效果[85]，或是以 PDMS[86]、O-ring[87]作為流體管路的密封，若是遇到輸送壓力較 高的環境，則需要有固定用的外框，提供管路與晶片間牢靠的連接[88]。
相反地，數位流式的系統不需要封閉的流道，就不會有流體洩漏以及無效空間的問 題，也不會因為要驅動流體，而施加較高的壓力，因此在元件的模組化上會更為簡單，
使用上也會更為方便，也不會因為模組化而增加太多的成本。接下來，將提出可以重複 使用，且具有隨插即用的數位流體界面設計，並進行初步可行性的測試。
4-1-2 概念設計
為了能達到隨插即用的目標，在兩模組間設計一個界面插槽（socket），提供模組間 的對準、固定，以及訊號傳輸的功能，參考下圖 4-1(a)。插槽內部的兩側，有墊片分隔 上板與下板，並在墊片上設計內連接導電板（interconnection pads），可以將墊片下平面 的電訊號，穿過墊片傳到上平面。另外，在墊片上下兩邊，設計有一組插入導槽（insertion
guide），使模組插入的時候，可以相互對準。
圖 4-1 數位流體界面之概念性設計
界面的設計方面，採用一種長短板的設計，長板上有數個控制電極，以及內連接導 電板；而短板上只有接地電極，參考上圖 4-1(b)。當兩模組互相連接時，模組一的長板 與模組二的短板對接，兩板間會有一個間隙，稱之「界面間隙」（interface gap）；模組二 的長板與模組一的短板對接，也會有一個界面間隙，而在這兩個間隙之間，會出現兩模 組的重疊區域（overlapping region），液珠會在這個區域內進行兩模組間的交換。另外，
為了能讓液珠順利通過界面間隙，在長板的末端設計有一個接地電極，其他都是覆蓋有 絕緣層的控制電極，使得液珠在通過的時候，間隙的兩邊都是接地電極，而且間隙的對 面有控制電極（參見圖 4-1(b)中的圓圈處），可以藉由控制電極拉液珠通過間隙。至於，
在長板上的內連接導電板，是為了連接兩長板間的電訊號，透過上面提到的墊片，可以 將下方模組二的長板，傳遞到上面模組一的長板。
這樣的設計，好處是可以同時具有電訊號的連接，以及液珠的傳送，不需要另外連 接管路或是訊號線，若裝置有其他制動器或感測器，需要訊號的連接，也可以併排導電 板，提供更大的擴充性，如此可大幅減少體積，以及提昇操作的方便性，達到所謂隨插 即用的目的。
下面將針對這界面設計，進行製程上的測試，並分析不同製程上的差異，提供將來 設計及製作上的參考。
(a)隨插即用操作示意圖 (b)界面之細部設計
模組一
模組二 界面間隙 重疊區域 模組二
內連接導電板 模組一
液珠 模組一
模組二 界面插槽
插入導槽 墊片
4-1-3 製程測試與分析
元件的製程上，採用與前面第二章相同的 ITO PET 基板，撘配 1 µm SU-8 絕緣層，
並根據上面的概念設計，在長板末端設計有接地電極，也就是電極上方無絕緣層，而其 他的控制電極，一樣覆蓋上 SU-8，最後整片蓋上一層 66 nm Teflon。為了要避免液珠沾 黏在界面間隙，在試片邊緣的側壁，須塗佈上 Teflon。而短板跟前面第二章的上板一樣，
僅塗佈一層 Teflon，並且在邊緣側壁一樣要塗佈上 Teflon，作斥水性處理。最後，在試 片的裁切方面，由於是高分子基板，所以用刀片就能輕易地切割出指定的外形。但是切 割的方式，會影響邊緣的外形，下面將探討兩種不同切割方式：刻劃切割（scratched cutting）與垂直切割（perpendicular cutting）的影響。
圖 4-2 兩種切割方法示意圖
刻劃切割就是利用刀片劃過試片表面作切割，參考上圖 4-2(a)，一般根據試片厚度，
會需要一次或是多次刻劃，以 175 µm 的 ITO PET 來說，大約要 2~3 次的刻劃，才能使 兩試片完全分離。此法好處是可以沿著尺規切割，若要有多樣化的外形，也可以藉由更 換不同形狀之尺規達成。要注意的是，由於尺規要貼在試片表面作引導，有可能會刮傷 試片表面的 Teflon，因此在實際操作上，尺規得避開電極的位置。
另一種方法－垂直切割（參考上圖 4-2(b)），則是利用刀片垂直切開試片（一刀），
尺規在這裡僅作為量測切割距離用，而切口外形則由刀片的形狀決定，因此若要特殊形 狀，只能用訂製的刀片裁切。由於此法不需要用到尺規引導，也就不會有尺規刮傷的疑 慮。為了操作上（施力）的方便和尺寸精度的控制，另外設計一精密垂直切割台，如下 圖 4-3 所示。切割台上裝置有螺旋測微器及方格紙，以精密控制試片的尺寸，並具有導
(a)刻劃切割示意圖 (b)垂直切割示意圖
刀片
ITO PET 試片 尺規 刀片
尺規 ITO PET 試片
引規，方便導入試片以及控制切割角，而刀片則是裝置在倒 T 形手把上，方便對準後施 力切割。
圖 4-3 精密垂直切割台
下圖 4-4 為上述兩種方法切割後，切口的光學顯微鏡（Optical Microscope，OM）
及掃描式電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）照片。
圖 4-4 兩種切割方法切口照片
由(a)圖左側的 OM 照片中，可以看出在切口旁邊試片的表面上，有許多不規則裂 痕，這是由於切割的時候，刀尖刻劃過去，在區域的部份造成破裂，並沿著切割道兩側
(a)刻劃切割的切口照片
(b)垂直切割的切口照片
切口
不規則裂痕
切口
縱向裂痕 20x
20x
130 µm
22 µm 刀片
導引規
方格紙
螺旋測微器 倒 T 形手把
倒 T 形手把
延伸所導致。而在右側 SEM 的照片中，可以觀察到刻劃兩刀所造成的階梯狀切口，是 由於前後兩刀位置不同導致，會使得切口擴大將近有 130 µm 寬。反觀垂直切割所造成 的切口（圖 4-4(b)），切割所造成的裂痕為縱向的，由於一刀切下時，切割道旁的材料同 時受力，沿著刀口的形狀變形所導致。而由 SEM 照片觀測得知，切口僅 22 µm 寬，加 上縱向裂痕的區域，將近 70 µm 寬，跟刻劃的切口比較起來，受影響的區域小很多。
而在切口輪廓方面，參考下圖 4-5，在(a)圖中的切口邊緣，呈現不規則凸起，以及 表面粗糙且不平整，這是由於第一刀刻劃的時候，會將原來在切割道上的高分子材料排 開，並沿著刀鋒的形狀往兩旁推擠，因此導致此不規則凸起，而表面也因為刀鋒劃過，
使得材料磨擦破裂產生粗糙的表面。反觀(b)圖垂直切割的邊緣，則是相當地平整，垂直 度也相當地好，惟獨在切口的表面，會因為刀片上有打磨時產生的紋路，而轉印到切口 的表面，而其他刀片紋路沒有很明顯的地方，切口表面則會顯得光滑平整。因此，在製 程上，關鍵的部位會採用垂直切割，也就是在界面間隙的兩側，而外形的部份則是採用 刻劃切割，以獲得較為多變的形狀。
圖 4-5 兩種切割方法切口輪廓 SEM 照片
經過上面製程的測試之後，接下來將以上述的製程，製作出元件後，針對界面的設 計，進行可行性的評估，與特性上的測試。
(a)刻劃切割的切口輪廓照片
(b)垂直切割的輪廓照片
不規則凸起
表面粗糙且不平整
垂直切割的刀口
刻劃切割的刀口 刀片上的紋路造成
4-2 可行性測試
為了要評估此界面設計的可行性，首先要測試液珠是否可以順利跨過界面間隙，因 此要針對不同寬度的間隙，進行液珠驅動的調查。下面將先說明實驗的架設，之後再提 出測試的結果。
4-2-1 實驗架設
間隙測試的實驗架設，如下圖 4-6 所示，下板上有數個控制電極，上板則是由兩片 組成，在兩片上板之間會形成一個間隙，而下板控制電極的間隙，會對準上板間隙的中 央，這樣的設置與上圖 4-1(b)中的圓圈一樣。實驗的方式是，先驅動液珠由間隙的左邊，
移動到間隙的右邊，再驅動移回左邊，紀錄來回跨過上板間隙的最小驅動電壓。
圖 4-6 間隙測試示意圖
另外，為了控制液珠穩定地移動，這裡採用電腦自動控制，架構如下圖 4-7 所示，
利用 LabVIEW 軟體，撰寫程式控制資料擷取卡（Data AcQuisition，DAQ）上的數位輸 出入埠（Digital I/O，DIO），再透過 DIO 單獨控制繼電器板（relay board）上的繼電器，
進而操控每一個電極通電或是接地的狀態。
圖 4-7 電腦控制架構示意圖
間隙
前視圖 俯視圖 下板 上板
電腦（LabVIEW）
AC 訊號源
DIO DAQ
測試元件 繼電器板
（圖示來源：Mandriva 2007）
這裡的 DAQ 卡是採用 NI USB-6008，以 USB 與電腦連接，且具有 12 個獨立的 刷電路板製作，以市售的感光電路板（台灣金電子 GS1015），配合光罩繪圖軟體（Tanner EDA L-Edit）繪製電路圖，再以印表機在投影片上印出電路圖形（需兩張投影片疊合，
電路的設計方面，是前面第二章手動訊號控制板（參考圖 2-9(b)）的進階，一樣具
繼電器的選用方面，這裡是採用 Fujitsu Takamisawa 的 SY-5-K 訊號切換用（signal
switching）繼電器，其規格簡列於下表 4-2 中。首先，考慮元件的操作電壓，約在 140 VAC
表 4-2 Fujitsu Takamisawa SY-5-K 繼電器規格表
接觸電阻 100 mΩ
資料來源：Fujitsu Takamisawa
控制程式的撰寫方面，採用三階層的程式架構：第一層是最底層－DAQ 層，設定
控制程式的撰寫方面，採用三階層的程式架構：第一層是最底層－DAQ 層，設定