第二章 理論基礎
2.3. 表面張力驅動幫浦
圖 2.2.5 (a) 雙層微梳狀致動器 (b) 300 nm 奈米孔洞陣列 (c)奈米級溝槽結 構
圖 2.2.6 利用調整SF 的蝕刻時間與6 C F 的鈍化時間比值，以蝕刻出矽草結構。 4 8
2.3 表面張力驅動幫浦
這一節討論表面張力(Surface tension)為唯一機制驅動液體穿過微管道之 中，這個方法被提出應用在研究所需之被動式微液體混合器之液體驅動方式，達
到可以單純只依靠表面張力，而使得不同種類之液體在元件中通過研究所需之被 動式微液體混合器而加以混合。
一般而言驅動液體進入元件都需要幫浦或是閥門等外在之壓力或是能量等 機制，來加以驅動液體，如利用熱能(thermal energy)[120] 、磁場(magnetic field)[30-32]、或是外加之靜電(electrostatic)[33,34]，以達到驅動液體在微流體元
上有部分學者所主張[68，118]。
對於直流道而言，研究學者如Bouaidat [68]等人所提出之近似理論去模擬液 體單純藉由表面材料之不同，通入微通道其液體在上下表面之接觸角度產生變
另外，ρ 代表注入液體之密度，μ 是動態黏滯係數(dynamic viscosity)，γ 為表面 張力。 F ：毛細力(capillary force) c
F ：黏滯力(viscous force) f
然而，在表面張力驅動流道中之流動，假設為poiseuille flow，因此其剪應力 為:
θt與θb 分別為液體跟上、下親疏表面之接觸角。
1 1
[
(cos cos ) 2]
max cos cos
192 b t
這裡顯示一個很有趣之現象，最佳化之流道高度，剛好是一半可以驅動液體進入 元件之最高高度限制，h =1/2opt hupper。
圖2.3.1.圖示在不同流道寬度w 設定下，比例常數 C 對流道高度 h 之相對 關係。在目前之研究，當流道寬為w = 100μm，而流道總長 l=2 cm 之情況下，流 道之上疏水表面與下親水基底之平均接觸角為1100以及300，將此條件帶入方程 式可以得到流道可以使用之最高高度為hupper ≈26μm，並且最佳化之流道高度為
opt 13
h ≈ μm， 在 此 最 佳 化 之 條 件 下 ， 得 到 水 在 此 流 道 設 定 中 之 平 均 流 速 為 500 1
v = μms− ，並可得到相對應之流量為Q whv= =0.65nLs−1。
2.4. 不對稱交錯式凹槽結構(asymmetric staggered grooved cavities)提升混合效能
這 個 部 分 之 想 法 主 要 利 用 交 錯 式 之 人 字 形 微 液 體 混 合 器 (staggered herringbone mixer)或是凹槽式混合器的觀念，這個觀念主要是由 A. D. Stroock 等 人所提出[52-55]。此交錯式人字形微混合器可以讓液體流經過此結構，產生三維 螺旋狀重複循環流場，讓液體能夠在微尺度下有效率之快速混合。
理論上來說，A. D. Stroock 等人發展出一種簡單之分析展開式去闡述藉由流 圖2.3.1. 在不同流道寬度w設定下，比例常數C對流道高
度h之相對關係。
體流過傾斜凹槽表面之混合機制，其液體驅動方式為利用壓力來輸送流體，流體
tot
然而，在表面張力驅動流道中之流動，吾人假設為poiseuille flow，因此其剪 應力為:
6 v suspension viscosity equation)，並代入 Vand 之方程式展開，利用此一方法先假設 血球為一球型之固體粒子懸浮於血漿中，即可得到近似於血液的黏滯係數，得到 了血容比與血漿及血液之關係式，
exp( 4.1 )
blood plasma 1.64
H μ =μ H
− (2-5-7)
由於以上方式只能夠大略近似，血球在不同的流動速度下，會有變形之情況，而
blood plasma 1.64
H H for H
g sin
12
第三章
流體將會順利的流進流道中，且流況相當良好。
圖 3.1.1. 無側牆之被動式微液體混合器。基底的親水材料選擇使用二氧化矽
（SiO ），而親水材料區域以外則以鐵氟龍（Teflon)作為其疏水介面，而上蓋則2 為雙面塗佈鐵氟龍之玻璃上蓋。在流道底部巧妙的置上不對稱交錯式凹槽結構，
當流體通過凹槽結構時，會隨著流道之高低差產生剪力流之現象，而產生三維的 螺旋狀運動，藉此能讓流體能在最短的時間內，自動的達到完全均勻混合之目的。
(b)aa’為垂直於流道剖面示意圖，而(c)bb’為平行於流道剖面示意圖，其中θt為液 體與上蓋之接觸角，而θb為液體與下基底之接觸角。
62
此有效的增加其擴散面積，如此，便能讓流體能在最短的時間內，自動的達到完 全均勻混合之目的。由此可知，此不對稱交錯式凹槽結構在提升此混合器之混合 效率上，將扮演著舉足輕重之地位。而，此凹槽結構在流道中的鋪設位置對於混 合效能也有很大的影響，因此，本研究另一個目標則是找出其最佳化之結構參數 出來，讓流體得以在最短距離與時間下，達到完全混合之效果。圖 3.1.1.為此 無側牆之被動式微液體混合器之示意圖。而此混合器切線剖面圖如(b)、(c)所 示，(b)aa＇為垂直於流道剖面示意圖，而(c)bb＇為平行於流道剖面示意圖，其 中θt為液體與上蓋之接觸角，而θb為液體與下基底之接觸角。
3.2.表面張力驅動之材料選擇
本研究對於材料的選擇而言，一方面要符合研究所要求的親疏水材料特性，
且同時隨著製程光罩層數之增加，其材料便必須具備如抗酸鹼之特性，以避免在 後續的製程步驟中將原先在晶圓上之圖形去除，且材料又需具備有容易取得、普 遍性高之特點，如此，以便能在一般學術型實驗室所擁有的儀器上執行製程步驟。
3.2.1. 親水性材料之選擇
不同材料之親疏水特性見表 3-2-1，在一般情況下，材料與水之間的接觸 角小於 90 度，我們稱之為親水性材料，其接觸角圖如圖 3.2.1.所示。由於水與 二氧化矽之間的接觸角小於 30 度，具有相當良好之親水性，且沉積二氧化矽製 程只需使用電漿輔助化學氣相沉積（PECVD）系統進行一道步驟即可，十分簡便，
因此吾人選擇以二氧化矽(SiO )作為其親水性材料。 2
表 3-2-1 不同材料的親疏水特性
3.2.2 疏水性材料之選擇
由表 3-2-1 中吾人可以得知，去離子水水在鐵弗龍（Teflon）的表面上之接 觸角大約是 110 度左右，如圖 3.2.2.所示，其疏水性質相當不錯，同時，製程
劑中七日，發現只有 Freon 會對 Teflon AF 有影響，證明 Teflon AF 的抗酸鹼性 是非常好的。因此，吾人在容易取得及製程方便之考量下，選擇鐵弗龍作為本混 合器疏水性的材料。
表 3-2-2 Teflon 技術文件（由杜邦提供）
圖 3.2.2. 去離子水在鐵弗龍上之接觸角。
3.2.3 乾蝕刻阻擋層之材料選擇
吾人使用薄膜正光阻 S1813 作為乾蝕刻之阻擋層。由於製程需使用電感藕合 電漿蝕刻機（ICP）以及反應離子蝕刻機（RIE）來進行乾蝕刻步驟，而薄膜正光 阻 S1813 與矽晶圓間有很好的選擇比，在經過長時間之乾蝕刻過程之後，光阻之 阻擋層仍然會存在並不會被完全蝕刻掉，同時其相較於厚膜正光阻 SJR5740，也 具有更加良好的顯影結果，圖形定義明顯且不容易有殘留光阻，因此，吾人選擇 薄膜正光阻作為乾蝕刻之阻擋層。
3.2.4 墊高厚度之材料選擇
由於我們可輕易地利用旋佈機調整其轉速來控制光阻的厚度，且僅需透過曝 光顯影程序即可加以顯示光阻用以墊高之圖案，而不需其他的步驟，故選擇以厚 光阻 SJR5740 作為墊高的材料，藉由塗佈轉速之大小而調整其光阻厚度。然而，
需要特別注意的是，經由實驗得知元件所需的流道高度最高不得超過15 mμ ，否 則將由於流道上下間距過遠且與空氣接觸面積過大而產生太大阻抗，導致驅動力 量不足，無法推動液體進入流道之中以進行測試。
3.2.5 工作流體之選擇
由於本研究之主要目的為應用於生物醫學之病理檢測以及藥物輸送上，所 以本研究之工作流體選擇為去離子水。水在人體內為數量最多的溶劑，約佔總體 重的 60 ﹪，人體內細胞間化學反應大多要藉由物質溶在水中才能加以進行，而 且水也具有既容易取得，性質特徵穩定安全的特性。
3.2.6 螢光微粒之選擇
由於本研究需觀察兩液體間流場分布情形，以及最重要的混合之效果，因
此，吾人選擇了去離子水(DI water)與螢光微粒（尺寸為直徑0.93 mμ ）兩種不 同液體來觀察其混合情形。因為去離子水本身是透明無色的，在螢光顯微鏡下呈 現無色反應，而螢光微粒在螢光顯微鏡下，則呈現非常明亮之亮點效果，利用此 兩種不同效應，我們只需在液體驅動進入混合器中後，使用螢光顯微鏡觀察螢光 微粒之分布狀況，便可清楚的瞭解流場分佈情形與其混合效果，如圖 3.2.3 所 示。故此，吾人選用去離子水與螢光微粒這兩種液體作為測試混合之工作流體。
唯一較不方便的是，螢光粒子需在螢光顯微鏡下才能顯現出其顏色，在於一般情 形下觀察仍為無色之溶液，使用上較不具方便性。至於為何不使用有色溶劑，一 方面為有色溶劑幾乎都為化學藥劑，具有其特定之酸鹼性，其與吾人之工作流 體，如人體之體液及水等皆有可能會產生某些化學反應，因此有色溶劑特殊之化 學特性可能會影響實驗之成果，而且是否會因而腐蝕晶片表面之微結構排列，仍 然是個要考量之因素，另一方面有色溶劑之流體特性，如黏滯係數、接觸角等影 響表面張力之參數皆不是吾人所要求，故不考慮使用有色溶劑。
3.3. 血液於傾斜角度下流動之設計
本研究主要的目的，乃在觀察血液在表面張力與重力的作用下，於傾斜流道 中運動之動態情形，因此，在元件設計概念上，吾人仍然沿用原來的親疏水特性 在矽晶圓表面做出區隔，讓血液能夠僅受表面張力作用下，自動的流入親水流道
圖 3.2.3. 螢光粒子於顯微鏡下之影像圖。
之內，而流道外的疏水性材料則能夠將血液有效的限制在親水性的材料上流動。
而該流道仍然為無側邊之設計，在血液流動時其左右兩邊皆是與空氣接觸，如此 可以有效的減少與流道邊牆的摩擦力，提升驅動效能，並且具有良好的自由度。
如圖 3.3.1.所示，其為本流道之三維結構示意圖。由圖 3.3.1.(b),(c)中可知，
血液在二氧化矽的介面上仍屬親水特性，接觸角約18o。在鐵氟龍介面上亦保持 良好之疏水特性，其接觸角約有107o左右。
但是，為了能有效的節省製程上之成本，本實驗利用微機電製程技術中的光
但是，為了能有效的節省製程上之成本，本實驗利用微機電製程技術中的光