Journal of Engineering Technology and Education, ISSN 1813-3851 陳昱叡、黃世疇* 國立高雄應用科技大學 機械工程系 *E-mail:shuang@cc.kuas.edu.tw
摘 要
本研究利用奈米碳管之壓阻特性製作可用於生物體的可撓式生醫應變感測器，該感測器量測雞脛骨表 面時能夠即時提供骨頭之應變數據。核心感測材料為藉由微機電製程技術，使用酒精催化化學氣相沈積法 製作之奈米碳網，並以聚對二甲基苯（Parylene-C）作為感測器的基板與封裝層。在感測器測試方面，文中 以不同的奈米碳網成長時間，並利用拉伸實驗來探討生醫應變感測器所表現的阻規係數差異。實驗結果顯 示，當奈米碳網成長時間為 10 分鐘與 20 分鐘，其阻規係數最大值分別為 5.06 與 4.22，是一般商用應變感 測器的 2.3 倍左右。最後利用三點式彎曲試驗作為雞脛骨之機械性測試，由結果證實，奈米碳網生醫應變感 測器確可監測雞脛骨頭之應變變化。 關鍵詞：骨頭、奈米碳網、阻規係數、應變感測器1. 前 言
生醫微機電（Biological Microelectromechanical Systems, BioMEMS）涵蓋奈米材料、微機電系統以及生 技醫學之整合技術，除了讓一般檢測器微型化，也助於發展更低功率、更微型的植入式生醫感測器，讓需 要長時間監測的病患更為舒適便利。感測器監控系統利用 BioMEMS 微型化後，使其隨身配戴或植入體內 如血壓計、血糖檢測器、體溫計、心電圖等採無線技術如圖 1 所示，可應用於遠端、居家照護上，達到連 續監測並即時提供病患生理狀況及預防協助改善病患生活方式之目的，估計所帶來的商業市場將指日可待。 現今量測生物醫學訊號的微型感測器紛紛被研製出來，如溫度感測器、應變感測器、氣體感測器以及酸鹼 度感測器等。並且拜微機電製程技術提升、生醫技術發展之賜，越來越多人在植入式感測器監控系統(in vivo) 投入許多心力來發開研究。開發先進的植入式應變感測器量測骨頭應變情況，有助於發展肌肉與骨骼的診 斷、康復時的監測和反饋，以及數據收集和臨床研究。然而，目前可以提供適當且精確結果的應變量測裝 置太大，由於骨頭表面屬於不規則表面，所以這些應變規難以黏貼至骨頭上。如果利用薄膜做成微型應變 感測器，它有很好的彎曲度及靈活度來符合骨頭表面，進而提供更準確的應變數據。
2000 年，Grabner 等人[1]提出以 Polyurethane Culture Support（PUCS）作為細胞培養平台，觀察骨骼細 胞（Osteoblast）培養情況。2001 年，Rabakin 等人[2]展開對骨頭與感測器之間的黏著度著手研究，其研究 人員突破感測器黏貼至骨頭上卻短時間內馬上剝離開的困惱，關鍵在於應變感測器外圍的包覆材料塗佈， 使感測器可在骨頭上達到 18 個星期之久。2005 年 Wen 等人[3]進行牛骨之骨頭表面應變量測與生物相容性 測試。2007 年，Yang 等人[4]研究利用高分子材料聚對二甲基苯（Parylene-C）做為基材及防水層材料，壓 阻材料為金，其阻規係數約為 2.5 左右的應變感測器。2007 年，Liu 等人[5]提出核心材料為多壁奈米碳管 （Multi-Walled Carbon Nanotubes, MWNTs）的應變感測器，其阻規係數可達 8.6。而 Talaia 等人[6]，在同年 提出將類大腿骨以 45°的鋸痕鋸斷，鎖上骨板骨釘，並施加 600 N 的力量，再利用光柵進行骨頭應變的量測。
圖 1 植入式感測器監控系統概念圖
2. 奈米碳管應變感測器設計
一般電阻式應變規大致可分為薄片層（防水層）、感測元素、基底、金屬導線，它們都有各自獨立的功 能。其中，最下層為基底，該層功用是將電阻式應變感測器黏著於待測物體上；第二層為感測元素，此層 屬於最重要的核心元件。在核心中，不同材料有著其獨特不同的應變；最上層的薄片層，則是不讓空氣中 的懸浮粒子與水氣輕易的滲入金屬層內，所以它也可以稱為防水層，如圖 2 為市面上電阻式應變規構造圖。 圖 2 應變感測器結構圖 應變，在力學中被定義為一微小材料元素可承受應力時所產生單位長度變形量。因此它為一個無因次 的物理量，並以ε 表示。其中 ε 是應變，L 是材料元素的長度，ΔL 是承受應力的變形量，公式如下： 1 0 lim L L Lε
→ = ∆ (1) 材料在拉伸下，橫向方向會產生緊縮現象（Neck），如圖 3 中 y 方向產生收縮現象，設收縮量為ΔD， 可得ε
2= − ∆
D D
。而ε
1與ε
2比值之絕對值，為蒲松比（Poisson’s Ratio）。圖 3 物件受力長度變化 應變感測器利用應變與電阻相對關係所設計，可利用下列簡單的公式來推導出應變、電阻變化量及壓 阻係數之間的關係。 R= ⋅
ρ
L A (2) 式中，R：電阻，Ω；ρ：電阻率(Resistivity)，Ω-m；L：材料長度，m；A：材料截面積，m2 圖 4 壓阻材料受力變形示意圖 由圖 4 可知，當一壓阻材料受力變化時因為應變的影響，其長度 L 改變為 L(1+ε)，面積 a 與 b 變為 a(1-ευ)，b→b(1-ευ)，電阻率 ρε 變化為 ρ(1+αε)，其中 ε 為應變(∆L/L)，υ 為蒲松比，ρε 為應變後的電阻率， α 為半導體材料壓阻係數。將上述改變後的 L、a、b 帶入式(2)，則可得到：(
) (
)
{
}
2
1
(
[
1
1
1
2R
R
R
ab
L
R
∆
+
=
+
+
+
⋅
=
−
+
⋅
=
υ
α
ε
ευ
ε
ρ
ε ε (3) 式中(
)
[
α υ]
ε + 1+2 ⋅ = ∆R R (4) 將式(4)均除以 R 可得到：(
)
[
α υ]
ε + 1+2 = ∆ RR (5) 其中，(5)式內[
α+(
1+2υ)
]
為阻規係數（Gauge Factor，G）、故式(5)可以簡化為： G R R = ⋅ ∆ ε (6)通常電阻值的應變變化率與物體應變量呈現正比關係，因此阻規係數 G 也就是應變規因子，當應變規 因子越大，表示對應變靈敏度反應越靈敏，因此要提高應變規的靈敏度就必須先提高應變規因子。 本文研究的奈米碳網生醫應變感測器，為了考慮到生物相容性（Biocompatibility）與元件功函數匹配及 製程上流暢度等問題，因此以金為導線材料，而生物相容性則是考慮到之後植入性需求，故選用 Parylene-C 作為防水層與基底的結構，並降低整體的感測器的厚度與符合生物相容性的需求。所以在應變感測器結構 中－感測元素、金屬導線、防水層與基板缺一不可。 在元件設計，為了減少製程時間及增加良率，設計應變感測器時，在試片上採用陣列式的方法來製作， 本研究的感測元件尺寸設計如圖 5 所示，感測元件的幾何圖形定義說明如下： 寬度（W）：50 μm 札數（N）：3 長度（L）：1000 μm 間距（P）：250 μm 圖 5 感測器元件尺寸設計圖 製程規劃方面，以 MEMS 製程設備做為實驗基準，製程流程如圖 6 所示。由於奈米碳網其具有高度的 透光性，在光學顯微鏡下呈現透明無色且厚度極薄，所以轉印後會造成在黃光對位時的困難。因此，先於 矽晶圓成長厚度 5000 Åm 的二氧化矽，之後切割出需要的尺寸，利用黃光製程技術蝕刻出在黃光對位的記 號，以利下一步驟的光罩圖形對位，如圖 6(a)、(b)所示。為了增加試片上的親水性質，以 RAC 的 SC-1、 SC2 標準清洗技術來清洗試片，以利於催化金屬粒子附著表面。最後在二氧化矽上，利用酒精化化學氣相 沉積法（Alcohol Catalytic Chemical Vapor Deposition, ACCVD）成長奈米碳網，如圖 6(c)。
接著為了避免反應式離子蝕刻法（Reactive Ion Etching, RIE）蝕刻掉所需定義的奈米碳網區域，使用光 阻 AZ-5214 做為阻擋層，保護奈米碳網的圖形，之後形成蛇形圖形，如圖 6(d)。將晶圓清洗乾淨後，放入 聚對二甲基苯沉積系統（Parylene Deposition System, PDS）蒸鍍5 μm 厚度的 Parylene-C，此時形成的薄膜 為生醫奈米碳網應變感測器的基材，如圖 6(e)。接著須製作黃光對位的記號，因為 Parylene-C 與奈米碳網 為透明度高的材料，若無製作記號將會發生轉印後無法對位上的問題，故在 Parylene-C 上製作黃光對位之 記號，如圖 6(f)。
接著在已完成對位記號上的 Parylene-C 黏貼熱剝離膠帶（Thermal Release Tape），之後將其撕離矽晶圓 來完成轉印的動作，如圖 6(g)。再將 Parylene-C、奈米碳網表面雜質清洗乾淨，並旋塗光阻 AZ-5214 來進 行下個黃光製程，曝光顯影製作出源極、汲極的圖形，然後再用電子束蒸鍍機（E-Beam）蒸鍍金，如圖 6(h)。 緊接著，使用丙酮進行 Lift-Off 製程，把除了導線以外多餘的金沖洗乾淨，並在表面做簡單的清潔。之後， 再利用 PDS 蒸鍍5 μm 厚度的 Parylene-C 做為生醫奈米碳網應變感測器的防水層，如圖 6(i)。 利用熱剝離膠帶的特性，在加熱板下進行加熱，使 Parylene-C 與熱剝離膠帶脫離，如圖 6(j)，由於生醫應變 感測器厚度相當薄，打線方面不易，故利用導電銀膠在烘箱環境下烘烤來固化導電銀膠，將電極與導線相 接，如圖 6(k)。最後完成生醫奈米碳網應變感測器，進行拉伸與三點式彎曲實驗的量測。
圖 6 生醫奈米碳網應變感測器製程流程圖
3. 奈米碳網生醫應變感測器骨頭量測
3.1 拉伸實驗
拉伸試驗為量測應變感測器特性曲線（如靈敏度、線性度等）的實驗方法。本研究利用萬能試驗機進 行拉伸試驗，並使用商用應變感測器與生醫應變感測器同步進行量測、比較。本研究使用美商國家儀器公 司（National Instruments）生產的 cDAQ-9174 機台，內含 NI 9237 應變擷取模組，並配合商用應變感測器（350 Ω），進行應變變化訊號擷取與紀錄。最後，同步使用美商吉時利公司（Keithley Instruments Inc.）的電阻擷 取系統（2700），進行量測生醫應變感測器的電阻變化，拉伸試驗之架構，如圖 7 所示。
圖 7 拉伸試驗架構圖
本研究所使用的萬能試驗機為勞埃德（LLOYD）萬能試驗，機型為 LF Plus，如圖 8 所示。拉伸試驗片 使用厚度為 2 mm 的壓克力板，相關尺寸如圖 9 所示。
圖 9 拉伸試驗試片尺寸
生醫應變感測器黏貼前，由於生醫應變感測器製作繁複且太薄，在進行打線時，易於破裂而導致良率 過低，所以改採用肥特補公司（Feedpool Technology Co., Ltd.）所研製的導電銀膠來做接線的動作。為了匹 配生醫應變感測器上的導線金，本研究選用型號為 FP-5000L 導電銀膠，如圖 10(a)所示，其導電銀膠與金 的結合性最佳。接線時，先將部分去皮漆包線放置於生醫應變感測器的大尺寸導線金薄膜上，並將導電銀 膠點至於兩者相交處，再使用烘箱以 150 ℃、時間 1 小時烘烤，完成圖如 10(b)所示。 黏貼前，將拉伸試驗片中黏貼處先行做酸洗及鹼洗，為確保表面乾淨，再用 M-Bond 200 黏著劑黏貼生 醫應變感測器，之後使用塑膠紙輕輕按壓完成黏貼步驟。最後，再將商用應變感測器貼依標準黏貼步驟黏 貼於拉伸試驗試片的另一面上。 (a) FP-5000L 導電銀膠 (b)接線後生醫應變感測器 圖 10 導電銀膠及接線後生醫應變感測器外觀圖 3.2 拉伸試驗量測及結果 由於本研究所使用的拉伸試驗機並無位移計的裝置，無法直接量測拉伸後的應變量，所以在壓克力試 片上黏貼商用應變感測器來取代位移計，並連接至 NI 9237 應變量測模組，來量測應變的變化量。當商用應 變規的應變以及生醫應變感器測所量測出的電阻變化量兩者得知後，由公式(6)推導得知本研究所開發的生 醫應變感測器阻規係數。表 1 為生醫應變感測器在拉伸前的電阻值統計，由表中可以發現電阻值因奈米碳 網成長時間不同而改變，在成長時間為 5 分鐘時，因奈米碳網密度較稀疏，而導致電性無法通路的情形發 生，故電阻值相當高不予採用。以成長奈米碳網 10 分鐘及 20 分鐘而言，成長奈米碳網時間越長（縝密程 度越高）時，其表現出之電阻值越低。 圖 11(a)為三組成長奈米碳網 10 分鐘後，經拉伸試驗後的應變與相對電阻變化量之關係結果圖，圖中 顯示出，阻規係數為 4.56~5.06。圖 11(b)為三組成長奈米碳網 20 分鐘後，經拉伸試驗後的應變與相對電阻 變化量之關係結果圖，圖中表示出，阻規係數為 3.91~4.22。分別由圖 11(a)與圖 11(b)趨勢顯示出，當阻值
表 1 中分別成長奈米碳網 10 分鐘及 20 分鐘的試片經拉伸試驗測試後，得到圖 11(a)與 11(b)所示的量測 曲線圖，並將所有曲線之斜率進行公式計算，便可得出生醫應變感測器之阻規係數。另外，將所有數據經 統計得出平均阻規係數，分別為 4.73 及 4.09。這些數據統計表如表 2 所示，由表 2 中，可以發現到成長奈 米碳網時間越短阻規係數越高。 由於電阻值與阻規係數有相關，因此將每個生醫應變感測器的阻值（表 1 所示）與計算後之阻規係數 （表 2 所示）做相關分佈圖，如圖 12 所示。圖 12 為電阻值－阻規係數之分佈結果圖，圖中所呈現的趨勢 可以發現到成長奈米碳網 10 分鐘比成長奈米碳網 20 分鐘阻規係數大的特性，表示當奈米碳網越稀疏，電 阻值越大，所測得的阻規係數也越大。 (a)成長時間 10 分鐘 (b)成長時間 20 分鐘 圖 11 生醫應變感測器之應變-電阻變化量量測結果圖 表 1 生醫應變感測器未拉伸之電阻值 成長時間 5 分鐘 10 分鐘 20 分鐘 線寬 50 μm 電阻值 ( MΩ ) 試片 1 NA 2.347 0.638 試片 2 NA 2.461 0.774 試片 3 96.372 2.766 0.895 表 2 生醫應變感測器之阻規係數表 成長時間 10 分鐘 20 分鐘 線寬 50 μm 阻規係數 試片 1 4.56 3.91 試片 2 4.75 4.06 試片 3 5.06 4.22 平均阻規係數 4.79 4.06
圖 12 生醫應變感測器之電阻值-阻規係數結果圖 3.3 雞脛骨之三點式彎曲
本研究利用萬能試驗機進行三點式彎曲試驗，並使用商用應變感測器與生醫應變感測器同步進行量 測、比較。本研究使用美商國家儀器公司(National Instruments)生產的 cDAQ-9174 機台，內含 NI 9237 應變 擷取模組，並配合商用應變感測器(350 Ω)，進行應變變化訊號擷取與紀錄。最後，同步使用美商吉時利公 司(Keithley Instruments Inc.)的電阻擷取系統(2700)，進行量測生醫應變感測器的電阻變化。本實驗以成長 10 分鐘奈米碳網之試片為實驗樣品，並由公式(6)推導生醫應變感測器之應變進行數據比較。三點式彎曲試 驗之架構，如圖 13 所示。
本研究為了量測上與取得方便性，選用 6 公分長雞脛骨來當作三點彎曲試驗的試件。雞脛骨測試前， 為了避免傷害到研究的試件，需用手術刀將佈滿在骨頭外表面的軟組織移除。當刮除清理完畢後，利用砂 紙做最後的處理，其中砂紙可將那些無法刮除緊附著於骨頭表面的軟組織磨除，另外利用砂紙的號數不同 亦可降低骨頭表面的粗糙度利於感測器的黏貼。 由於雞脛骨左右兩端大小不一致，若直接放置於方形載台上進行量測，所得數據將會有誤差，因此在 實驗過程中，將感測器欲黏貼處(水平擺放雞脛骨之下方)保持水平以降低量測值之誤差。本實驗選用合利儀 器公司(Holy Instrument Co., Ltd.)所研製的環氧樹脂，以 1：5 的比例調配環氧樹脂固定雞脛骨上，此時雞脛 骨的兩端被鑲埋於 35 mm 的環氧樹脂立方體內，如圖 14 所示。此外，骨頭屬於多孔性結構，在環氧樹脂成 型期間，長時間的暴露於空氣中，易於造成水份的流失，所以利用濕布包裹雞脛骨來減少骨骼表面水份散 失。 在三點式彎曲量測前，利用乙醇去除雞脛骨的表面油脂，並立即將商用應變感測器與生醫應變感測器 使用 M-Bone 200 的黏著劑貼黏。兩種感測器被黏貼於雞脛骨的中心各向外等距離 5 mm 處，之後使用環氧 樹脂來保護感測器的導線與集極與源極。因萬能試驗機在下壓的行程有其範圍存在，所以利用兩塊方形載 台將雞脛骨兩端墊高，並完成所有量測前的準備。 圖 14 雞脛骨固定圖 3.4 雞脛骨之三點式彎曲量測及結果 本實驗將兩應變感測器黏貼置於雞脛骨下方，測頭在雞脛骨中心上方以每秒 5 N 的方式施加力量，當 骨頭受到力量而產生變形時，利用應變量測模組以及 Keithley 量測系統，同步進行監控感測器擷取骨頭表 面受到張應變的數據。圖 15 為三點式彎曲試驗後之雞脛骨斷裂圖，在圖(a)正面圖與(b)側面圖可以看出當雞 脛骨受到變形後斷裂成兩部分，由於雞脛骨屬於非均質材料，斷裂方向呈現不規則形，不過從側面圖顯示 雞脛骨斷裂點在整根骨頭的中心位子置，表示感測器所量測到之應變為應變最大值。圖 16 顯示兩個雞脛骨 試件在三點彎曲試驗中，當力量隨著時間而增加時，第一組雞脛骨試件(Specimen 1A)於 194 N 及第二組雞 脛骨試件(Specimen 2B)於 211 N 斷裂。每組雞脛骨試件中黏貼生醫應變感測器(Parylene-Based)與商用應變 感測器(Commercial)，並以三點式彎曲試驗進行數據擷取與曲線比較。圖 17 為三點式彎曲試驗後的生醫應 變感測器與商用應變感測器隨時間變化之應變量測圖，圖中 Specimen 1A 與 Specimen 2B 兩組雞脛骨，分別 顯示出量測到之應變趨勢一致，而力量隨時間增加所表現出應變差異越大，其原因為生醫應變感測器有著 較高的靈敏度關係，所造成兩者差異所在。在 Specimen 1A 曲線中，可以看出本研究之生醫應變感測器可 量測到之應變解析度高達 1 %左右。由實驗結果證實，奈米碳網生醫應變感測器確可監測雞脛骨頭之應變變 化。
(a)正面圖 (b)側面圖 圖 15 三點式彎曲試驗後之雞脛骨斷裂圖
圖 16 雞脛骨在三點彎曲試驗之力量與時間關係圖
本研究成功開發出利用 ACCVD 成長出大面積之奈米碳網，過程中使用乾式蝕刻方式進行蝕刻奈米碳 網的圖形，再用熱剝離膠帶以及 Parylene-C 進行圖形轉移，之後利用 Parylene-C 做為感測器的防水層，進 行熱剝離的步驟並完成可撓性並具有生物相容性之生醫應變感測器。最後，利用拉伸實驗來說明生醫感測 器之靈敏度，並從三點彎曲試驗中，證實奈米碳網應變感測器有能力來監測雞脛骨的應變變化。在元件製 作過程中，完全使用 MEMS 製程進行，且無使用特殊機台完成元件，對未來商品化、量產化有著低成本等 優點。本研究量測結果得出以下之結論： (1) 在核心為奈米碳網的應用下，研究結果顯示出，當奈米碳網成長時間為 10 分鐘與 20 分鐘，其阻規係 數最大值分別為 5.06 與 4.22，顯示出其優於商用應變感測器之阻規係數(2.09)。生醫應變感測器之阻 規係數約為一般商用應變感測器阻規係數的 2.3 倍。 (2) 由實驗結果得知，當奈米碳網的成長時間越長，阻規係數越小。反之，阻規係數越大。因為奈米碳網 的疏密度，會影響阻規係數的大小。 (3) 由結果證實，奈米碳網生醫應變感測器確可監測雞脛骨頭之應變變化。 (4) 本研究之生醫應變感測器可量測到之應變解析度高達 1 %左右。
致 謝
本研究承蒙國科會及國家奈米元件實驗室補助，計畫編號：NSC 99-2221-E-151-004.-MY2；NDL98-C 02M2 P-091 特此致謝。參考文獻
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