結果與討論

3.3.1.2.1 火花反應的觀察與氣泡行為探討

電極的沒入深度不同，各深度量測的平均電流與換算所得的單位面積電流密度也呈 現變化。圖 50 為平均電流密度與電極沒入深度的變化。當電極端面剛接觸液面時，此 時的電流密度是最大的，主要的反應區域為電極端面。當電極逐漸下降時，反應面積除 了電極底面也包括電極側面而逐漸加大，由於而平均電流上升的幅度卻遠不及反應面積 加大的幅度，所以平均電流密度呈現明顯陡降的趨勢。此種現象可以說明，沒入電解液 的直立電極，電極端面是主要的火花釋放區域，電極的側面產生火花釋放的頻率遠低於 電極底面。電極端面由於與氣泡上升方向垂直，其形成的氣泡層容易轉變為穩定的氣膜 包覆，而薄層的氣膜結構有利於電離作用，當瞬間導通時導致較強的火花作用。

圖 50 平均電流密度與電極沒入深度的關係

放電機制必須伴隨電解氣泡的不斷發生才有持續火花放電的效果。隨著電壓上升會 使氣泡層結構也會發生變化。臨界電壓之下，氣泡的移動主要靠浮力與電極表面依附的 張力；臨界電壓之上，轉折電壓之下，火花均勻發生於微小氣泡之間，氣泡的移除與縫 隙縫合時間較短，在 0.1ms 上下。電壓略高於轉折電壓時，火花為點狀分佈，電壓加 大時，火花出現掃動現象，來自於一群氣泡結構的連動破壞。轉折電壓之上，氣泡的移 除主要靠瞬間電解加熱與電弧放電擴散，造成氣泡吹散的驅動力，氣泡薄膜結構破壞之 後縫合的速度較慢，因此可以明顯觀察到電弧放電火光呈現擴散樣，如圖 51 所示，火 光的閃動週期約在 0.5ms 與 2.5ms 之間。當電壓大於轉折電壓 10%左右時，此穩定的 火花放電機制已經形成，氣泡層的結構僅有一部份的氣泡層形成薄膜氣牆，氣泡接觸周 遭空氣後在液體表面的行進方向為輻射擴散，液體則在氣泡下層往電極反應區，進行滲 透、對流等作用。當電壓大於轉折電壓 20%左右，氣泡生成速率較快，氣泡層會沿電極 上升超過液面，配合電極旋轉會形成具有穩定厚度與高度的上湧攀附氣泡層，如圖 51(中)所示，此時氣泡層的結構有大部分都是薄膜氣牆，形成電極與電解液之間持續穩 定電離作用的介面。此薄膜氣牆在接觸周圍大氣之後，未即時脫離至空氣中的部分，形 成上湧攀附的氣泡層。當電壓大於轉折電壓 30%左右，上湧氣泡層的輪廓形成自然的啤 酒桶狀，這是表面張力、離心力、浮力平衡下的結果。

圖 51 氣泡層沿電極表面攀附 圖 52 氣泡與電極表面接觸側之反應 量測到火花發生的頻率在 0.5kHz~2KHz 左右，若完全靠氣泡的游移(浮力)，是無 法提供此脈衝電流發生的比率。因此真正的反應驅動力(driving force)應該來自陰陽 兩極的電場。氣泡吹大之後(薄膜厚度、直徑)，增加電阻，使氣泡加熱，特別是氣泡與 陰極接觸的一側，因為該處電阻最大，溫度上升最快，因此氣泡受電流加熱而擊破瞬間，

引出火花，如圖 52 所示。當氣泡破壞後，內部包覆的導電蒸汽或少許液體以及氣泡周 圍的電解液會與電極重新接觸，形成新的反應循環。氣泡生成、移除、迸出火花的因果 關係可以用下列連串過程說明：氣泡堆積→氣泡受壓→電阻上升、加熱→形成薄膜→迸 出火花→氣泡吹除→生成新氣泡，週而復始。

3.3.1.2.2 電流釋放波形觀察與探討

除了直接對火花與氣泡的局部觀察，尚可透過電壓與電流釋放波形的觀察，瞭解 ECDM 反應的能量密度與脈衝電源參數調變的關連性。當氣泡包覆時，則電壓施加的瞬

間，如圖 53 所示，釋放的脈衝電流若無法引起明顯的過衝(overshoot)性質，表示電壓 休止時間不足，無法導致部分微小氣泡移除，或是微小氣泡增長為過於穩定的較大氣泡 而阻礙電壓作用瞬間過衝電流的釋放。脈衝電流釋放的高度與寬度影響了平均能量密 度，以玻璃材料而言，脈衝電流大小需 0.8A 以上才有明顯的蝕刻效果。若脈衝電流作 用較多，則整體蝕刻效率會提升。頻率與衝擊因子決定了電壓作用時間與電壓休止時 間，由高速攝影的影像變化中，可以看出 5M 濃度的電解液，其火花出現的平均間隔時 間為 0.1~2ms，為了達到有效的氣泡包覆反應，並且在單一脈衝電壓中能夠出現兩次以 上脈衝電流釋放，電流作用時間最少應以 2ms 的兩倍為基準，故理想電源的頻率約為 166Hz 至 200Hz 左右，如果電壓作用時間與電壓休止時間設定值與電極的反應面積及電 解液濃度等條件不能搭配好，則可能出現如圖 54 所示的電流波形，脈衝電流出現間歇 性的停頓現象，並且出現極高的瞬間脈衝電流值。

圖 53 脈衝電流釋放的型態變化 圖 54 間歇性停頓的電流釋放 3.3.1.2.3 電極尺寸的影響

由圖 50 所使用三種不同尺寸的電極可看出電極尺寸越大，平均電流越大但平均電 流密度相對較低。以不同電極尺寸而言，電極越大，相同沒入反應深度下，反應面積較 大，平均電流增加的幅度不如面積增加的幅度，平均電流密度相對地下降。不同尺寸的 電極除了對電流密度有影響外，對臨界電壓、轉折電壓的影響，如圖 55 所示沒入一定 深度下，尺寸越大，臨界電壓與轉折電壓都隨電極尺寸加大而有上升的趨勢。

圖 55 臨界電壓與轉折電壓隨電極尺寸加大而上升 圖 56 電極消耗型態

(a) (b)

(c) (d)

3.3.1.2.4 電極消耗的探討

耗較多，不會產生曲線的消耗輪廓，而孔加工因受往上排除的玻璃細渣的剝蝕，故側面 的材料為 0.88mm，電源設定為電壓 60V，頻率 250Hz，衝擊因子 0.7，電極轉速為 400RPM，

依進給速率的變化，換算不同加工深度可達到的材料蝕刻速率，如圖 11 所示。加工一

3.3.1.2.6 Pyrex 玻璃基板之孔加工

經過上述電源參數與進給控制策略的搭配，使用直徑 1.9mm 的中空紅銅管電極，

在厚度 0.6mm 的 Pyrex7740 玻璃基板上，進行總孔數為 36 的微孔洞連續加工測試。結 果如圖 60 所示，孔洞的入口端與出口端直徑相差在 0.17mm 以內，入口端部分有略微的 圓弧導角，較垂直的孔壁部分其表面粗糙度在 0.6μm 左右。孔徑變化方面，以單支電 極加工一塊基板，因為電極會在側面消耗，所以孔徑會逐漸變小，最終孔的內孔為 1.92，與最初孔的內孔為 2.07，相差為 0.15mm。出口端孔徑與標準孔徑誤差為 3%以內，

入出口端的孔徑相差為 9%以下，孔壁的表面粗糙度 Ra 為 0.7μm。

本研究驗證了在已經製作好微流道的 Pyrex wafer 上，利用 ECDM 製程可以成功製 作出符合注樣要求的孔洞，並利於後續黏合的製程，為重複使用式生物晶片提供了一個 經濟且可靠的加工方法。

3.3.1.3 結論

本研究藉由高速攝影觀察氣泡的動態反應與分佈，透過示波器記錄釋放電流波形 的特徵，對 ECDM 機制提出更詳細的辨析；並探討電極尺寸大小及電極材質對電流密 度、電壓變化、電極消耗等等造成的影響。最後配合能量密度的變化，制定出隨加工深 度而調整進給速率之進給控制策略，以減少孔的入口端與出口端的微裂發生，提高加工 的品質。就本研究結果與分析討論可得以下幾點結論:

1. 電流密度會受電極的沒入深度影響，最大的電流密度發生在電極端面剛接觸液面 時。此現象說明，電極的側面產生火花釋放的頻率遠低於電極底面，電極端面是主 要的火花釋放區域，且電極端面形成的氣泡層容易轉變為穩定的氣膜包覆，當瞬間 導通時導致較強的火花作用。

2. 電極尺寸越大，雖然反應面積較大使平均電流增大，但平均電流增加的幅度不如面 積增加的幅度，平均電流密度相對地下降。因為臨界電壓與轉折電壓都隨電極尺寸 加大而有上升的趨勢，瞬間火花釋放的門檻相對變高。

3. 氣泡穩定度受電壓影響，臨界電壓之上，轉折電壓之下，火花均勻發生於微小氣泡

Micro fluidic channel O.D. = 2.12mm

I.D. =1.95mm

圖 60 Pyrex 基板加工結果

之間，氣泡的移除與縫合時間較短，放電火光的閃動週期在 0.1ms 上下；電壓略 層，因為放電火花衝擊，佈滿了放電坑 (Crater)與微裂痕 (Microcrack)，而影響使用品 質。故放電加工後表面還要再經過拋光處理，拋光的種類很多，主要分為游離磨粒拋光、