可撓式高分子基板應用於數位流體平台之研究

國立交通大學

機械工程學系

博士論文

博士論文

博士論文

博士論文

可撓式高分子基板應用於數位微流體平台之研究

A digital microfluidic platform on flexible polymer films

研 究 生：楊涵評

指導教授：徐文祥、范士岡

中華民國

中華民國

中華民國

可撓式高分子基板應用於數位微流體平台之研究

A digital microfluidic platform on flexible polymer films

研 究 生：楊涵評

Student: Hanping Yang

指導教授：徐文祥 Advisor: Wensyang Hsu

范士岡

Shih-Kang Fan

國 立 交 通 大 學

機 械 工 程 學 系

博 士 論 文

A Dissertation

Submitted to Department of Mechanical Engineering College of Engineering

National Chiao Tung University in partial Fulfillment of the Requirements

for the Degree of PhD in Mechanical Engineering October 2007 Hsinchu, Taiwan

中華民國九十六年十月

可撓式高分子基板應用於數位微流體平台之研究

學生：楊涵評 指導教授：徐文祥

范士岡

國立交通大學機械工程學系 博士班

中文摘要

中文摘要

中文摘要

中文摘要

數位流體平台具有結構簡單、沒有可動零件，以及可程式操控等好處，已廣泛地應 用在生醫檢測上。有別於先前皆採用硬式的基板製作數位流體元件，本研究提出在高分 子基板上，開發可撓式的數位流體元件，不但具有原來的優點，還具有低價、可撓，和 外形多樣的好處。首先，透過材料及製程的評估中，了解基板與材料的特性，並進行平 面元件的傾斜測試與理論分析，確認可驅動液珠在曲面上移動的能力。其次，這裡對一 種新式的非對稱電濕潤驅動原理進行探討，利用液珠在正負相反的電場下，有不同的接 觸角的特性，驅動液珠在方形共平面電極上來回振盪運動，並利用此一特性，提出一種 凸字形的非對稱電極設計，成功地在開放表面上，以振幅 100 Vp 頻率 9 Hz 的方波，驅 動 1.0 _{µl 液珠進行單向 23.6 mm/s 的移動。最後，本研究利用可撓基板特性，提出一種} 可重複使用，以及隨插即用的界面設計，可應用在三維數位流體平台的模組化，使液珠 可以在模組間互相傳遞。經由適當間隙控制和界面電極設計，實驗結果顯示液珠可以順 利通過界面，並提出三種流體模組的設計，組合出三維環形流體平台，成功地展示模組 化的流體平台，在 120 VAC下驅動 2.5 µl 的液珠，在該平台以 105.7 mm/s 的速度移動。

A digital microfluidic platform on flexible polymer films

Student: Hanping Yang Advisors: Wensyang Hsu

Shih-Kang Fan

Department of Mechanical Engineering,

National Chiao Tung University

Abstract

Digital microfluidic platform has been widely used in the biomedical analysis due to its advantages of simple configuration, no moving parts, and programmable control. Different from previous studies on hard substrate, flexible polymer films are proposed to develop the digital microfluidic device. First, in feasibility study, material and fabrication procresses are evaluated. The device tests and analytical analysis are performed in tilted and flat conditions. Also, droplet transportation on curved surface is successfully demonstrated. Second, a new principle of droplet actuation, asymmetric electrowetting, is studied. Due to charge trapping of insulator at different polarities, droplet can be actuated to oscillate on square coplanar electrodes. By using this phenomenon, unidirectional pumping of 1.0 µl droplet with a speed up to 23.6 mm/s is successfully demonstrated on asymmetric coplanar electrodes when a 100 Vp and 9 Hz square wave is applied. At last, a reusable and plug-and-play fluidic interface is designed for droplet interconnection. In gap size investigation and fluidic interface tests, feasibility of droplet crossing the interface gap and pumping across the fluidic interface are validated. Three modularized components are designed for 3-D microfluidic ring. Finally, 2.5 µl droplet is successfully transported at a speed of 105.7 mm/s when 120 VAC is applied.

誌謝

誌謝

誌謝

誌謝

博士班的生涯就像爬山一樣漫長而艱辛，走在孤寂地研究道路上，考驗自己的體力 與毅力，唯有一步一步慢慢地前進，才有機會爬上山頭，眺望到更遠的前方，更美麗的 風景。在過去五年將近一千九百個日子裡，幸虧身邊有許多夥伴，使得在這研究的道路 上並不孤單，一個學生兩位老師三間實驗室，超過六十位學長姐、學弟妹，讓這一路上 充滿驚奇，也激盪出相當多的火花，很感謝在這當中所有的夥伴，在來來去去短暫相遇 的時空中，給予的支持與鼓勵，以及在枯燥日子裡的歡笑，今天才能順利通過這艱辛的 過程，畢業是一個身份階段的結束，從學生變成社會人士，但在研究及學習的道路上仍 然沒有結束。 在這麼多夥伴中，首先要感謝我的指導老師徐文祥老師，從碩士班跟老師做研究開 始，老師開放自由的作風，能夠讓我盡情地做研究，做自己想做的題目，而且在迷惘困 惑的時候，也會適時的給予建議，就像大霧中的一盞明燈。老師總是嘴巴上不說，讓我 們學生自己體會，對於資質駑鈍的我，需要花比較多的時間才能了解，老師在這之間也 會不厭其煩地一再引導，不管是在研究方面，還是人生觀念上，可以跟從老師身上學到 很多東西，在這要深深地表達我的感謝。 同時，還要感謝我的另一個指導老師范士岡老師，雖然跟老師作研究才短短三年 多，老師對於問題的剖析讓我十分佩服，時常被老師問到啞口無言，也讓自己發現很多 不經意但又關鍵的地方，老師在想法上也很多元，與老師討論就會有很多想法跑出來。 在研究上，老師對於品質有著很高的堅持，雖然在一開始很不能適應，但是在無形中學 習到做實驗嚴謹的態度，而且老師有很高的行動力，過程中雖然辛苦，但可以學到很多 不一樣的東西。 其次，要感謝交大應化謝有容老師、交大生科袁俊傑老師、清大動機劉承賢老師、 淡大楊龍杰老師，以及同步輻射中心的許博淵老師，在口試期間提供許多寶貴的建議與 鼓勵，並透過口試的問答中，聽到很多不同觀點的想法，也思考到很多以往沒有注意到

的問題，雖然時間很短暫但是獲益匪淺。 接著要感謝實驗室的學長們，提供一個溫暖和樂的實驗室，帶領我進入微機電的殿 堂，青台、大師兄（政璋）、鎮鵬和正軒學長，因為有你們在上面替我們這群下面的學 弟頂著，讓我們在碩士班的時候有所依靠，不管在實驗方面或是在生活方面，都過得充 實而快樂，還有傳哥（金傳）、祥麒以及武政學長，有你們的教導開啟我半導體製程之 門。其中要特別感謝鍾老大（君煒），除了一開始在我碩士班的時候，教導基本的製程 操作，在我博士班的時候一路伴隨，就像身後有棵大樹可以遮陽避雨，有時又可以充當 心情垃圾桶，或是鐵口直斷的算命師，給予想法及觀念上的指引，在前方開路使我的研 究之路有一起打拼的夥伴。 還有要感謝實驗室的學弟妹們，讓整個實驗室充滿活力，時而變成網咖，時而變成 電影院，讓著個實驗室充滿歡笑。小白熊（駿偉）、土豆（家聖）、高手（毅家）與囧夫 （元德）有你們的分擔，讓我可以放心卸下實驗室的管理工作，專心致力於畢業論文的 撰寫，以及許多已經畢業的學弟妹們，跟你們相處會年輕好幾歲，今年剛畢業的 Gaz/Qaz

（仁宏）、Ggcone（家維）、Pot（耕碩），和范老師實驗室的 Yuki（祐齊）、小朱（立宇）、

謝帥（宗翰），和邱胖（誠樸），兩年的時間雖然不長，但是一起打拼的情誼卻是很深刻。

還有優秀的拉博（岳剛）、Smile（啟煥）、HD（昶志），以及 Ginny（玟蓉）、Up（敬崴）、

Newman（于豪）、姒婷、3Q 猴（靖文）大家加油囉，希望明年大家都能順利畢業。 除了實驗室的同學之外，還要感謝我的好朋友們，一路在旁邊給予我支持，天立、 東甫、育樹、民仁、志鴻是我的良師益友，三不五時的聚會凝聚男生的友情，好像回到 大學時代一樣，有你們的協助與經驗分享，讓我研究之路走的更順暢。 這研究能完成，還要感謝交大奈米中心與國家奈米元件實驗室的支援，提供製程所 需的半導體設備，以及相關製程代工的服務。尤其是范秀蘭小姐、陳聯珠小姐，以及葉 雙得先生在光罩製作上的協助，還有林素珠小姐、徐秀鑾小姐、陳悅婷小姐在機台操作 上的幫忙，以及范揚禎先生在博愛無塵室的管理，實驗才能在無後顧之憂下順利完成。 最後要感謝我最愛的家人，有你們的支持才能讓我放心的待在實驗室做研究，回到 家還有老媽準備好熱騰騰的晚餐，遇到研究上的挫折，有充當心靈導師和研究顧問的老

爸，還有可以分享研究生甘苦的老哥，以及有個溫暖的被窩可以睡，消除在體力和心靈 上的疲勞。還有最重要的是，有毓雯妳的支持與鼓勵，在電話那頭陪伴我渡過無數個孤 寂的夜晚，因為有妳無怨無悔的付出，讓我更有動力向前。 這本論文整理了我這幾年在這研究路上的點點滴滴，仍有許多不完備請各位見諒， 謹獻給在這路上的前輩後進，希望對於在路上的夥伴有所幫助。研究及學習之路是無止 境的，博士學位的獲得也只是進入博士之門的開始，要能對於國家社會有所貢獻，才不 枉費國家的栽培，以及博士這個沉重的頭銜～與大家共勉。

目錄

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中文摘要 ...I Abstract ... II 誌謝... III 目錄... VI 表目錄... VIII 圖目錄... IX 第一章 前言 ... 1 1-1 研究動機 ... 1 1-2 相關研究 ... 2 1-2-1 連續流式流體平台... 3 1-2-2 數位流式流體平台... 6 1-3 研究目標 ... 12 1-4 文章架構 ... 13 第二章 高分子基板上以電濕潤驅動液珠的可行性評估... 14 2-1 材料的選用 ... 14 2-1-1 選用考量 ... 14 2-1-2 製程測試 ... 16 2-1-3 元件及材料測試... 19 2-2 元件設計與製作... 22 2-2-1 長行程 2-D EWOD 元件設計 ... 22 2-2-2 可撓式 EWOD 元件製程與結果... 23 2-3 實驗結果與分析... 24 2-3-1 實驗架設 ... 24 2-3-2 傾斜測試結果 ... 27 2-3-3 理論分析 ... 29 2-3-4 曲面測試結果 ... 32 2-4 結論... 32 第三章 新式在開放表面以非對稱電濕潤輸送液珠之方法 ... 33 3-1 文獻回顧 ... 33 3-2 原理與分析 ... 35

3-2-1 非對稱電濕潤現象... 35 3-2-2 共平面電極接觸角量測 ... 37 3-2-3 共平面電極驅動測試 ... 38 3-2-4 理論分析 ... 41 3-3 元件設計與測試分析 ... 43 3-3-1 單向輸送元件之設計 ... 43 3-3-2 單向液珠輸送測試... 44 3-3-3 元件驅動力計算... 46 3-4 其他溶液與材料的測試 ... 49 3-4-1 電解質水溶液的電濕潤實驗 ... 49 3-4-2 以 Parylene 為絕緣層的單向液珠輸送測試 ... 50 3-5 結論... 51 第四章 數位流體界面之設計 ... 52 4-1 界面設計與製程分析 ... 52 4-1-1 設計考量 ... 52 4-1-2 概念設計 ... 52 4-1-3 製程測試與分析... 54 4-2 可行性測試 ... 57 4-2-1 實驗架設 ... 57 4-2-2 間隙測試結果 ... 63 4-2-3 界面輸送測試 ... 65 4-3 模組設計製造與測試 ... 66 4-3-1 基礎模組之設計與製造 ... 66 4-3-2 可撓式模組之設計與製造 ... 69 4-3-3 連接器模組之設計與製造 ... 70 4-3-4 組合測試－環形流體平台 ... 71 4-4 結論... 74 第五章 總結 ... 75 5-1 研究結論 ... 75 5-2 未來方向 ... 76 參考資料 ... 77 論文著作 ... 85

表目錄

表目錄

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表 1-1 電濕潤實驗使用材料表 ... 9 表 1-2 EWOD 元件使用材料表 ... 10 表 1-3 EWOD 元件可操作之流體及其性質表 ... 11 表 2-1 ITO PET 基板材料性質表 ... 14 表 2-2 常見低溫製程的絕緣材料比較表... 15 表 2-3 SU-8 與 Teflon® AF 1600 材料特性表 ... 16 表 2-4 製程中常用之化學藥品及其功能列表... 16 表 2-5 光阻製程測試參數表... 17 表 2-6 MicroChem SU-8 光阻資料表... 19

表 2-7 A.A. Lab systems A-303 訊號放大器規格表... 25

表 2-8 橫尾科技 CCNM-080-17-FRC 夾式連接器規格表 ... 25

表 2-9 理論模型之參數 ... 31

表 3-1 Phantom v7 高速攝影機規格 ... 40

表 4-1 NI USB-6008 資料擷取卡規格表 ... 58

圖目錄

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圖 1-1 完全整合的連續流式生物晶片 ... 3 圖 1-2 商業化之連續流式流體平台 ... 4 圖 1-3 連續流式流體連接器... 5 圖 1-4 市售模組化之連續流式流體平台... 5 圖 1-5 電濕潤實驗示意圖... 6 圖 1-6 1-D EWOD 流體平台及其四種基本操作... 7 圖 1-7 2-D EWOD 流體平台及其四種基本操作... 8 圖 1-8 整合式數位流體晶片... 8 圖 1-9 環形數位流體平台及其應用 ... 13 圖 2-1 兩種正光阻製程的測試結果 ... 18 圖 2-2 ITO 蝕刻與 SU-8 製程的測試結果... 19 圖 2-3 初步測試元件的結構示意圖 ... 20 圖 2-4 直流與交流電驅動液珠的結果 ... 20 圖 2-5 SU-8 線性升降壓電濕潤實驗結果 ... 21 圖 2-7 長行程 2-D EWOD 元件設計示意圖... 22 圖 2-8 可撓式 EWOD 元件製程與結果... 23 圖 2-9 電源供應與訊號控制的架設 ... 24 圖 2-10 傾斜平台與曲面治具... 26 圖 2-11 傾斜與曲面實驗架設圖 ... 26 圖 2-12 傾斜測試結果 ... 27 圖 2-13 傾斜測試力分析圖... 27 圖 2-14 接觸角遲滯量測結果... 28 圖 2-15 施加電壓下液珠輪廓圖 ... 29 圖 2-17 傾斜測試結果與遲滯阻力模型比較圖 ... 31 圖 2-18 曲面測試結果 ... 32 圖 3-1 長條狀共平面電極示意圖 ... 33 圖 3-2 方形共平面電極示意圖 ... 34 圖 3-3 可撓式共平面電極元件 ... 34 圖 3-4 非對稱電溼潤現象... 35 圖 3-5 SU-8 結構與其高分子聚合反應 ... 36 圖 3-6 共平面電極接觸角量測實驗架設... 37 圖 3-7 共平面電極接觸角量測結果 ... 38 圖 3-8 共平面電極驅動結果... 39 圖 3-9 高速攝影機拍攝液珠振盪的連續照片... 39

圖 3-10 液珠位移與方波振幅關係圖 ... 41 圖 3-11 共平面方形電極電路及表面張力分析圖 ... 41 圖 3-11 凸字形元件設計... 43 圖 3-13 液珠的三種運動狀態... 44 圖 3-14 液珠三種運動狀態的操作區間 ... 45 圖 3-15 液珠連續移動的影片... 46 圖 3-16 電極外型設計 ... 47 圖 3-17 通電後液珠的輪廓圖... 47 圖 3-18 第一類電極液珠相對位置與輸出力關係圖 ... 48 圖 3-19 第二類電極液珠相對位置與輸出力關係圖 ... 49 圖 3-20 不同電解質破壞 SU-8 後的照片 ... 50 圖 3-21 以 Parylene 為絕緣層液珠振盪的情形 ... 51 圖 4-1 數位流體界面之概念性設計 ... 53 圖 4-2 兩種切割方法示意圖... 54 圖 4-3 精密垂直切割台 ... 55 圖 4-4 兩種切割方法切口照片 ... 55 圖 4-5 兩種切割方法切口輪廓 SEM 照片 ... 56 圖 4-6 間隙測試示意圖 ... 57 圖 4-7 電腦控制架構示意圖... 57 圖 4-8 繼電器板照片 ... 58 圖 4-9 控制程式－DAQ 層的顯示面板及程式方塊圖... 60 圖 4-10 控制程式－面板層的顯示面板及程式方塊圖 ... 61 圖 4-12 控制程式－自控層之電極循環控制程式 ... 62 圖 4-13 液珠未通過間隙之影片 ... 63 圖 4-14 液珠通過間隙之影片... 64 圖 4-15 間隙測試結果 ... 64 圖 4-16 界面輸送測試結果... 65 圖 4-17 基礎模組設計示意圖... 67 圖 4-18 兩種貫孔方式測試的結果照片 ... 67 圖 4-19 PCB 墊片改進設計的結果照片 ... 68 圖 4-20 基礎模組製作完成的結果照片 ... 68 圖 4-21 可撓式模組設計示意圖 ... 69 圖 4-22 墊片框設計及製作結果 ... 70 圖 4-23 連接器模組操作示意圖 ... 70 圖 4-24 環形流體平台示意圖... 71 圖 4-25 液珠在流體界面振盪的觀測影片... 72 圖 4-26 基礎模組右側流體界面的控制時序圖 ... 72 圖 4-27 模組化環形平台的測試 ... 73

第一章

第一章

第一章

第一章 前言

前言

前言

前言

1-1 研究動機

近年來，隨著醫療保健的快速發展，以及出生率降低的問題，台灣人口高齡化的傾 向越趨明顯。根據經建會人力規劃處 2006 年的預估[1]，在 2012 年以後 65 歲以上老年 人口將以超過 2%的速度快速成長；而到 2050 年的時候，將會接近 700 萬人，佔台灣總 人口的 36.72%，扶養比更會從現在的 13.85%快速上升到 66.25%，也就是平均三名勞動 年齡人口將扶養兩名老年人。因此，如何以較少的人力，滿足老年人的安養、照護、醫 療的需求，尤其是獨居老人的問題，將會是台灣未來要面對的挑戰。 遠距居家照護（telehomecare）是一種利用資訊與電信技術，使得在家中的老年人 士、慢性病患、身心復健人士等，可以獲得遠端醫療人員或其他專業人士的協助，進行 促進健康的一種活動[2]，如此便能以較少的人力，照顧多數的病患。由於無線通訊技術 快速的發展，無線區域網路（Wi-Fi）、第三代行動通訊（3G）、藍芽（Bluetooth）等技 術已經發展成熟，逐步應用在行動通訊裝置上，不單單是語音功能，影像傳輸、數據通 訊、以及衛星定位等，都可以整合進單一裝置中。對於遠距居家照護來說，透過無線通 訊的技術，更可提供行動化的照護服務，讓病人可以隨時獲得醫院的資源，或是讓醫護 人員可以即時監控病人的狀態，在意外發生的當下，立刻提供適當的處理。例如，美國 喬治亞醫學院和喬治亞技術學院合作研發的遠距醫療健康監測系統（Electronic House Call system，EHC），便能提供檢測血壓、脈搏、血糖等生理訊息，以及與醫護人員線上 聽診與對談的機制[3]。另外在市場評估方面，根據工研院產業經濟與趨勢研究中心的預 估，到 2010 年的時候，美國遠距監測市場將成長至 2.6 億美元；歐洲市場則將達 3.53 億美元，而台灣遠距照顧市場規模（含器材與服務費），樂觀推估將達 31 億新台幣[4]。 而且，行政院主導的 M-Taiwan 計畫，已將遠距醫療照顧服務列為 2008 年新興的服務產 業之一。 在遠距居家照護的技術發展方面，除了資訊與電信技術之外，還需發展定點/重點照 護（Point-of-Care，POC）技術，提供可攜帶的照護設備與器材，可以在病患身旁進行

照護[5,6]，例如桌上型血液生化檢驗儀、可攜式血糖監測器，或是腕式無線生理監視器。

微機電系統（MicroElectroMechanical System，MEMS），有著體積小、整合度高、成本

低、高性能、低耗能等優勢，很適合發展行動式醫療儀器。實驗室晶片（Lab On a Chip，

LOC）和微全分析系統（Micro Total Analysis System，µTAS），就是以這為目標發展的 技術，可以整合生化感測器，進行檢體（血液、尿液及分泌物等）的分析，或是結合分

子檢驗技術，偵測遺傳分子（DNA 及 RNA）的差異性來進行檢驗[7-9]。由於要將檢測

所需的感測器與致動器，微小化後整合進微晶片上，讓整套檢體分析都在同一晶片上完

成，微流體平台（microfluidic platform）扮演很重要的角色，尤其在高度整合的 LOC 或

是µTAS 上，會有許多的檢測程序要進行，不但要能夠傳送檢體及反應試劑、促進檢測 反應的進行、送到各式感測器進行量測，以及最後要回收殘餘物。因此，開發更簡單的 流體平台、更低廉的價格，和更輕巧的體積，提供低價而高性能的行動式醫療儀器，滿 足將來遠端居家照護的需求，是刻不容緩的事。

1-2 相關研究

早在 1970 年左右，開始有研究團隊以微製造技術（microfabrication technologies） 發展微流體元件（microfluidic devices）[10]，主要是史丹佛大學的團隊，在矽晶片上開 發氣相色層分析儀[11]，以及 IBM 團隊開發的噴墨印表機噴頭[12]，後來微流體相關研 究才開始受到廣泛地注意，單一的流體元件陸續被開發出來，像是微流道[13]、微幫浦 [14]、微閥門[15]及微混合器[16]等。近年來，高度整合的微流體平台紛紛出現，將多種 流體元件整合進單一的晶片，或是集合進單一的模組，進行生化（biological and chemical

analysis）、免疫（immunoassay），以及分子檢驗（molecular analysis）[17]。

微流體平台以流體流動的形式，可分為下列兩大類：(1)流體被限制在封閉管路中，

不間斷流動的連續流式（continuous flow），及(2)流體被切割成一顆顆獨立的液珠，可單

獨移動的數位流式（digital microfluidics）。接下來，將先後針對兩種形式的流體平台做

1-2-1 連續流式流體平台

為了達到操控流體的目的，最直觀的作法就是將傳統的流體元件：流道、幫浦、閥

門及混合器等，微小化之後整合在一起，藉由管路設計及流體元件的控制，達到操控流

體的目的。例如，2004 年 Motorola 的團隊提出了完全整合的高分子生物晶片（參考下

圖 1-1）[18]，不需額外的流體壓力源、儲存槽、幫浦及閥門，可獨立進行致病細菌

（pathogenic bacteria），以及單核苷酸多態性（Single-Nucleotide Polymorphism，SNP）

的分析。隔年，密西根大學的團隊提出應用在流行性感冒和基因分析用的晶片[19]，整 合了加熱器、溫度感測器、定位閥門和反應器，利用外接的氣壓幫浦打氣，推動晶片內 的流體，再配合晶片上的閥門，可以控制流體進行蛋白酶鏈鎖反應（Polymerase Chain Reaction，PCR），以及電泳分離（Electrophoresis）。 圖 1-1 完全整合的連續流式生物晶片[18] 在市場上也陸續出現流體平台的產品。量測儀器大廠安捷倫（Agilent）推出高效能

液相層析晶片（High Performance Liquid Chromatography Chip，HPLC-Chip）[20]，參考

下圖 1-2(a)，可搭配液相層析儀及液相層析質譜儀（Agilent 1200 Series HPLC-Chip/MS

system）進行分析，以及生化分析儀（Agilent 2100 Bioanalyzer） [21]，可搭配不同的套 件進行 DNA、RNA、蛋白質和細胞的分析。而在台灣，2001 年才成立的洹藝科技（Agnitio

Science & Technology），擁有 BioICTM（如圖 1-2(b)）卡夾式流體平台[22]，可用於臨床 即時的檢測，例如尿液或唾液代謝物等的檢測。 圖 1-2 商業化之連續流式流體平台 此類連續流式的流體平台，在封裝上需特別注意：(1)要能提供良好的密封，防止流 體的洩漏，尤其是有加熱器加溫及幫浦加壓輸送流體的環境下，對於封裝的挑戰更是嚴 苛；(2)減少管路中無效空間（dead volume），以免造成的檢體浪費，及增加交互污染的 機會；(3)高度整合所遭遇到製程整合、結構設計、材料相容性上的挑戰，也會間接造成 封裝困難度的提高，以及無效空間的增加。 因此，除了將元件都整合進單一晶片的流體平台之外，另一種方式是將元件模組 化。藉由模組的搭配，可以組合出以目標為導向，而且具有必要元件的平台，達到彈性 及經濟的好處，在功能的擴充和維修的更換上面，也更為方便快速。如此，便能減少單 一晶片（模組）的複雜度，而且在材料的選用上，也能更多樣化以符合需求，降低整體 的成本。 在過去幾年，為了注入流體進入微晶片中，各式的連接器陸續被開發出來[23]，包 括有管路直接與晶片接合的水井式（wells）、整合互連器於元件上的整合式（integrated

interconnects），管路（capillary）可施壓插入完成接合[24]（參考下圖 1-3(a)），以及具有

額外連接模組的模組式（modular interface），藉由固定管路（silicone tube）和導線（lead

spring）於模組上，流體通道與電子訊號可同時連接[25]（參考下圖 1-3(b)）。而在模組 化的流體平台，模組之間便是藉由連接器的設計，使工作流體互相傳遞。與流體平台相

似，用於流體模組的連接器也要能提供：良好的密封、少量的無效空間，以及結構簡單。 (a) Agilent HPLC-Chip [20] (b) AgnitioST BioICTM [22]

另外，還要能重複使用，和可靠度高。

圖 1-3 連續流式流體連接器

在市面上也已經有模組化流體平台的產品。像是 LioniX 公司推出 MATAS（Modular

Assembly Technology for microTAS）[26]，基板（base plate）為玻璃、矽，或不銹鋼材

質，上面製作有 10 _{µm 到 1 mm 的微流道；模組則有微反應器、微混合器、流速感測器、}

壓力感測器，或是生化感測器等供選擇，並配合 O-ring 與基板密封，參考下圖 1-4(a)。

最後，基板與模組固定在印刷電路板上，提供電路來處理資料與模組的控制。另一家公

司 thinXXS，則是提供微流體套件（Construction!Kit）[27]，包括可拋棄式的高分子的載

片：混合器載片（snake mixer slides）、分離器載片（fluid splitter slides），以及雙幫浦載

片（twin pump slide）等。使用時，將載片安裝於載片台（microplate assembly platform）

上，載片之間以連接器配合流體插頭（plug）與管路（tubing）連接，再以控制器控制

幫浦輸送微量流體，如下圖 1-4(b)所示。

圖 1-4 市售模組化之連續流式流體平台

(a)整合式連接器 [24] (b)模組式連接器 [25]

1-2-2 數位流式流體平台 有別於前面所提到操控連續流體的平台，另一種方式是將流體切割成一顆顆獨立的 液珠，藉由電濕潤效應（electrowetting effect）改變液珠部分區域的表面張力，使得液珠 周圍的表面張力不平衡，進而讓表面張力推動液珠，達到控制流體的目的。這種方法的 特色就是：(1)不需要封閉的流道，限制流體的範圍；(2)可程式控制，彈性規劃流體輸 送路徑；(3)沒有可動零件（moving parts）的幫浦或閥門，一樣可以操控流體運動，以 及(4)節省樣本流體，不會浪費在管道之中。 電濕潤效應最早是由 Lippmann 在 1875 年發現[28]，在玻璃管中的電解質溶液與水 銀的界面，外加電場之後，其界面高度會被外加電場所影響，也就是電場會改變界面能 的平衡狀態，使得液面高度改變，當年被稱作電毛細管現象（electrocapillary）。而在 1981 年的時候，Geni 和 Hackwood [29]利用這原理設計顯示器，並命名為電濕潤效應。之後 的研究，除了應用在顯示器方面外，還可以應用在電子紙[30]、變焦透鏡[31]、微馬達 [32]、微幫浦[33]，以及數位流體平台上[34]。 圖 1-5 電濕潤實驗示意圖 根據 Lippman 所提出的理論，當外加電場於電解質溶液與水銀界面上的時候，電荷 會累積在界面上的電雙層中（電解質溶液與水銀之間會形成電雙層，巨觀來看可視作一 電容），使得界面能降低，而界面能跟施加電場的關係如下列公式： 2 max 2 1 - cV γ γ = （1-1） 其中γ是界面能，γmax是最大的界面能，c 是電雙層的比電容係數，V 是外加的電場。針 斥水性塗膜 絕緣層 下電極 基板 液珠 V 探針 γSL γSG γLG

對上圖1-5的實驗，若施加電場於液珠與下電極上，電荷會堆積在絕緣層的兩側，這會 使得固體（斥水性塗膜）－液體（液珠）間的界面能改變，又液珠底部與固體接觸的三 相線上界面能（γSG：固氣界面能；γSL：固液界面能；γLG：液氣界面能）的平衡關係為： LG SL SG γ γ γ θ = − cos （1-2） 其中θ是液珠接觸角。將公式（1-1）代入公式（1-2）可得到外加電場 V 下，液珠接觸 角θV為： 2 0 2 1 cos cos c V LG v γ θ θ − = （1-3） 在 2000 年的時候，杜克大學的團隊首次應用電濕潤效應來驅動液珠，提出新式的 流體平台設計，並稱這類的流體平台為數位微流體（digital microfluidics）[34]。其設計 如下圖 1-6(a)所示，主要由上下兩平板，中間夾著墊片（spacer），組成的三明治結構， 使 中 間形 成 一個 空 間， 讓液 珠 在該 空 間中運 動 。下 板 上有 一 排控 制電 極 （control electrode），並用絕緣材料覆蓋保護該電極，避免接觸到流體導致電解效應的發生，最後 塗上斥水性塗膜，防止水溶液附著。而上板整片覆蓋著接地電極（ground electrode），一 樣塗佈上斥水性塗膜。 圖1-6 1-D EWOD流體平台及其四種基本操作[35] 驅動液珠的時候，單獨施加電壓於下板的控制電極，使電極上方與液珠接觸的表 面，由原來互相排斥的斥水現象，變成親水的狀態。若使液珠左右兩端的表面張力不平 衡，則液珠會被表面張力推動，朝向較為親水的一端，直到兩端的表面張力再度回到平 衡狀態。這樣的設計又被稱為介電層上的電濕潤效應（ElectroWetting On Dielectric， EWOD），由於只有一排電極的設計，僅能控制液珠一個軸向的移動，又稱之為 1-D (b)四種液珠基本操作 (a)結構設計示意圖 (1)產生 (2)傳送 (3)分割 (4)結合

EWOD。除了控制液珠的移動之外，藉由同時控制鄰近的數個電極，可以達到產生、傳 送、分割及結合液珠的功能[35-36]，參考上圖1-6(b)。 2002 年的時候，加州大學洛杉磯分校的團隊，設計出可控制液珠二維運動的元件 （2-D EWOD，參考下圖1-7(a)）[37]，分別在上下板製作出長條狀的電極，讓上下板上 面的長條狀電極，互相垂直排列，藉由分別控制上下電極間的電位，不但一樣可以有四 種基本操作（下圖1-7(b)），還可以單獨操控兩顆液珠在平面上移動。隔年，又提出以垂

直導電彈性連接器（vertically conductive elastomeric connector），進行壓力接觸式封裝，

並配合控制電路，可利用PDA遙控流體平台，實作出可攜式數位流體平台[38]。 圖1-7 2-D EWOD流體平台及其四種基本操作[38] 2004 年，杜克大學的團隊進一步提出，整合型可自行規劃路徑的數位微流體晶片 [39]，整合光學感測器，可分析人的生理流體，並測試數種生理流體的輸送，包括全血、 血清、血漿、尿液、唾液、汗水跟淚水，均能在這晶片上順利的移動。 圖1-8整合式數位流體晶片[39] (a)結構設計示意圖 (b)四種液珠基本操作 (1)產生 (2)分割 (3)結合 (4)傳送 (單獨操控兩顆液珠移動) (a)電極設計示意圖 (b)元件照片

晶片的設計方面，由於電極數目很多，為了減少接觸窗（contact pad）的數量，他

們提出多相匯流排（multi-phase bus）的設計，將每間隔n-1的電極相互連接，則會有n

組電極群，對應到n個接觸窗接受外部的控制訊號，可分別對這n組電極群單獨控制，

就會有 n 個相位的控制訊號，這樣的接法則稱為 n相匯流排（n-phase bus）。參考上圖

1-8(a)中央的小迴圈，是三相匯流排（3-phase bus）的設計，而外側的大迴圈，則是四

相匯流排（4-phase transport bus）。最後做出來的晶片如圖1-8(b)所示，檢體（sample）

與試劑（reagent），從儲存槽由大迴圈帶入晶片，在大小迴圈間的混合區混合後，進入

小迴圈的感測點（detection sites）進行量測。

至於電濕潤實驗材料的選擇方面，過去的二十幾年來，有許多研究團隊針對絕緣層

材料進行研究，參考下表 1-1。一般常見的高分子材料，聚乙烯（PolyEthylene，PE）、

聚四氟乙烯（PolyteTraFluoroEthylene，PTFE），以及聚對苯二甲酸乙酯（PolyEethylene

Terephthalate，PET），除了鐵氟龍（Teflon）類的PTFE之外，單在PE跟PET的表面進

行實驗，表面親斥水的反轉性（reversibility）不佳，一但施加電壓使表面特性變成親水

後，放掉電壓表面依然是親水的狀態[40,42]。因此後來的研究，就在絕緣層材料：聚對

二甲苯（Parylene），及聚亞醯胺（Polyimide）上塗佈Teflon [43,44]，或是直接使用Teflon

[45]、自組分子薄膜（Self-Assembled Monolayers，SAMs）[46]當絕緣材料，使表面具

有斥水特性，達到較好的反轉性。另外，電極的材料方面，不論是金、金屬板、不銹鋼、

ITO（Indium Tin Oxide）或是鋁，影響似乎不大，只要是能夠導電的材料即可。

表1-1電濕潤實驗使用材料表 基板 基板 基板 基板 電極電極電極 電極 絕緣層絕緣層 絕緣層絕緣層 斥水性塗層斥水性塗層 斥水性塗層斥水性塗層 參考資料參考資料參考資料參考資料 金屬板 PE 1980 [40] 矽載片 金 1981 [29] PTFE 1993 [41] 不銹鋼片 PET 1996 [42]

玻璃 Parylene or Polyimide Teflon® AF 1998 [43]

矽晶片 鋁 Parylene Teflon® AF 1999 [44] ITO 玻璃 Teflon® AF 2001 [45]

而對於製作EWOD元件的材料方面，各研究團隊使用的材料整理如下表1-2。由於

為了便於觀察液珠的運動，或是預留將來可整合光學感測元件，進行樣本的檢測，不管

是1-D 還是2-D的EWOD元件，都是做在玻璃基板上，而且上板的接地電極也都是採

用透明導電的 ITO。絕緣層材料方面：二氧化矽，一般都是用電漿輔助化學氣相沉積

（Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD）系統製作，有著低溫（250℃左

右）、沉積速率高及均勻性佳等優點，所以被廣泛的使用。另一種材料：Parylene，是一

種高分子材料，具有抗酸鹼、質地均勻、透明絕緣、氣密，以及低的機械應力[47]，而

且可以在常溫下沉積，因此也是被廣泛的使用。斥水性塗膜方面，主要都是採用含氟的

聚合物（fluoropolymer）－具有極低的表面能，旋塗在晶片上以獲得斥水性的表面。

Teflon® AF是杜邦公司的產品；而CytopTM則是旭硝子株式會社（Asahi Glass Co., Ltd.）。

表1-2 EWOD元件使用材料表 基板

基板 基板

基板 控制電極控制電極控制電極 控制電極 接接地電極接接地電極地電極 地電極 絕緣層絕緣層 絕緣層絕緣層 斥水性塗斥水性塗膜斥水性塗斥水性塗膜 膜膜 元件類型元件類型元件類型元件類型 參考資料參考資料 參考資料參考資料 玻璃 鉻 ITO Parylene Teflon® AF 1-D 2000 [34]

玻璃 白金 ITO 二氧化矽、

Parylene Teflon

®

AF 1-D 2002 [48]

玻璃 ITO or 金 ITO 二氧化矽 Teflon® AF 2-D 2003 [38]

玻璃 金（共平面電極） 二氧化矽 CytopTM 1-D 2006 [49] 玻璃 金 ITO Parylene or 二氧化矽 Teflon ® AF 1-D 2006 [50] 由上表 1-2，目前在玻璃基板上要操控液珠，進行 1-D 及 2-D 的運動已經不是問題， 但是如果想要操控液珠進行 3-D 的運動的話，那就會有所限制。因此，如果可以將 EWOD 元件製作在高分子基板上，利用可彎曲的特性，便可使液珠進行 3-D 的運動。這樣的概 念，我們首次在 2005 年的時候提出[51]，以雙板三明治結構的設計，驅動液珠在曲面上 的移動。隨後在 2007 年的時候，多倫多大學的研究團隊也提出相同的概念[52]，以單板 共平面電極的設計，展示液珠 3-D 的運動。 另外，在 EWOD 元件適用的流體方面，加州大學洛杉磯分校的研究團隊，針對 40

種流體進行研究，包括有機溶劑（organic solvent）、水溶液（solution）、界面活性劑（aqueous

觸角的變化，以及 1-D EWOD 驅動的情形，參考下表 1-3。而杜克大學的研究團隊，則 是針對人類的 7 種生理流體（全血、血清、血漿、尿液、唾液、汗水，以及淚液）進行 研究，在元件上下板間填充矽油的環境下，測試液珠移動 40 分鐘將近 2.5 萬次的操作。 表 1-3 EWOD 元件可操作之流體及其性質表 流體 偶極 （D） 介電常數 導電度 （S/m） 表面張力 （mN/m） 接觸角變化 （度） 可否移動 Formamide 3.7 111 3.5×10-3 57 16.1±0.4 可 Water 1.9 80.1 8.7×10-4 72 30.0±0 可 Formic acid 1.4 51.1 7×10-3 37 26.3±2 可 Dimethylsulfoxide 4 47.2 3×10-5 43 15.3±0.3 可 Dimethylformamide 3.8 38.3 3.2×10-5 37 6.9±2 可 Acetonitrile 3.9 36.6 1.9×10-5 29 9.8±0.6 可 Methanol 1.7 33 1.7×10-4 22 9.8±1 可 Ethanol 1.7 25.3 7.4×10-5 22 10.5±0.7 可 Actone 2.9 21 5×10-7 23 6.4±0.2 可 Piperidine 1.2 4.3 1×10-5 29 8.9±0.6 可 1-Pentanol 1.7 15.1 8×10-7 25 12.8±0.8 尚可 1-Hexanol 1.8 13 1.6×105 26 14.6±0.7 尚可 Dichloromethane 1.6 8.9 1×10-7 27 3.7±0.6 尚可 Dibromomethane 1.4 7.8 2.6×10-6 39 7.3±1 尚可 Tetrahydrofuran 1.6 7.5 5×10-8 26 4.9±0.9 尚可 m-Dichlorobenzene 1.7 5 35 0.1±0.1 尚可 Chloroform 1 4.8 7×10-8 27 0.5±0.4 尚可 65% Toluene, 35% 1-hexanol 1.1 3.7 3×10-8 28 6.1±3 尚可 70% Toluene, 30% 1-hexanol 1 3.4 28 0.3±0.3 尚可 4-Methyl-3-heptanol 1.23 3.3 25 0.1±0.3 尚可 75% Toluene, 25% 1-hexanol 0.9 3.1 28 0.0±0.2 尚可 4.7 mM tetra(n-butyl)ammonium tetrafluoroborate in toluene 2.3 1.8×10 -7 28 5.6±0.6 尚可 80% Toluene, 20% 1-hexanol 0.8 2.9 28 0.1±0.3 不可 4-Methy-4-heptanol 2.9 25 0.2±0.2 不可 Toluene 0.4 2.4 8×10-14 28 0.2±0.4 不可 Carbon tetrachloride 0 2.2 4×10-16 26 1.0±0.0 不可 Cyclohexane 0 2 7×10-16 25 0.2±0.5 不可 Decane 0 1.8 23 0.5±0.6 不可 p-Dichlorobenzene dissolved in toluene 1.5 不可

1% sodium dodecyl sulfate

(>cmc) 30.6±3 可

0.1% sodium dodecyl sulfate

(<cmc) 25.7±2 可 0.5% Triton X-100 (>cmc) _{29.1±3 可} 0.005% Triton X-100 (<cmc) _{21.0±3 可} 1 mM HEPES _{25.0±5 可} 1 mM CHES _{23.3±2 可} 100 mM potassium chloride _{22.0±2 可} 100 mM sodium phosphate _{22.2±2 可} 100 mM sodium borate _{22.3±2 可} [bmim]BF4 _{28.0±4 可} [bmim]PF6 _{26.3±1 可}

Human liquid, whole blood n/a 可

Human liquid, serum n/a 可

Human liquid, plasma n/a 可

Human liquid, urine n/a 可

Human liquid, saliva n/a 可

Human liquid, sweat n/a 可

Human liquid, tears n/a 可

資料來源：[39,50]

1-3 研究目標

本研究的目標就是發展在高分子基板上的數位流體平台，將一般常用於數位流體平

台的 ITO 玻璃基板，換成 ITO PET 基板（PET 片上面沉積 ITO 薄膜）。ITO PET 基板有

著高分子的可撓性、也是透明的材料、價格低廉（NT$700/m2_{）、製程簡單，以及可以有} 多變的外形，用來製作數位流體平台，除了可以保有原來的特性（透明導電），還多了 高分子的可撓性，可以依照需求彎曲，使液珠可以進行 3-D 的運動。除此之外，由於高 分子材料加工容易，可以很輕易的改變外形，使流體平台不再限制於方形，可依使用環 境調整，更符合使用者的需求。 而本研究的遠程目標，就是要開發一種環形的數位流體平台，如下圖 1-9(a)所示。 具有雙層板設計的 EWOD 元件，用來操控液珠進行樣本流體的檢測，以及單板設計的 EWOD 元件，用來注入液珠。期望將來可以整合進腕式生理監視器中，參考下圖 1-9(b)，

提供即時的身體狀況監測，再配合具有無線通訊技術的遠距醫療健康監測系統，讓醫院 內的醫護人員，可以隨時照顧到院外的病人，或是家中的獨居老人。 圖 1-9 環形數位流體平台及其應用

1-4 文章架構

本章中已經介紹過數位流體及其原理，以及現今數位流體元件的發展，並提出本研 究的想法與目標。在下一章中，將會對於高分子基板，製作數位流體平台的可行性，進 行評估、製作及測試可撓式的數位流體平台，驗證以彎曲的基板達到液珠 3-D 運動的構 想。第三章會提出在開放平面上，新式輸送液珠的方法，期望將來能整合進流體平台， 並將針對這方法進行原理的探討、理論的分析，以及性能的測試。而在第四章中，將提 出數位流體界面的設計，提供流體平台模組化的參考，並試著組合出模組化的環形流體 平台，進行液珠 3-D 運動的展示。最後第五章，會對於可撓式數位流體平台、新式開放 平面上輸送液珠的方法，以及模組化數位流體平台，作一個總結並提出未來發展方向。 數位流體平台 用來操控液珠 開放式表面 用來注入液珠 連接到 控制電路 感測器偵測 生化反應 液珠輸送 (a)環形數位流體平台示意圖 (b)腕式生理監視器 整合可撓式環形流體平台

第二章

第二章

第二章

第二章 高分子基板上以電濕潤驅動液珠的可行性評估

高分子基板上以電濕潤驅動液珠的可行性評估

高分子基板上以電濕潤驅動液珠的可行性評估

高分子基板上以電濕潤驅動液珠的可行性評估

2-1 材料的選用

有別於先前的研究團隊用 ITO 玻璃為基板，為了要在 ITO PET 基板上製作 EWOD

元件（稱之為可撓式 EWOD 元件），首先得要選擇適合的材料，在製程上能與此基板相

容，材料特性上也要能具有可彎曲且透明的特性，避免因彎曲而造成材料的損壞。接下

來，將對材料的選擇與其製程進行討論，以及提出元件測試的結果。

2-1-1 選用考量

首先基板的部份，採用台灣卓韋光電（Join-Well）的 ITO PET 產品。其規格參考下

表 2-1，由熱穩定性的資料來看，製程須控制在 150℃以下，在化學藥品的抵抗上，一 般半導體製程會用到的稀強酸、稀強鹼及有機溶劑影響很小。因此以微影製程來說，光 阻烘烤的溫度在 90℃左右，而光阻顯影液是弱鹼性的化學藥品，應該都不至於會對基板 造成損壞。 表 2-1 ITO PET 基板材料性質表 材料性質 材料性質 材料性質 材料性質 測試數據測試數據測試數據測試數據 測試方法測試方法測試方法測試方法 片電阻 100±10% Ω/
四點探針 透明度 ≥ 80% 透明度 550 nmT% 熱穩定性 ≤ 1.1 R/Ro 150°C, 30 分鐘 60°C, 95% RH, 480 小時 附著抵抗 ≤ 1.1 R/Ro 3M #810 3M Test 酸鹼抵抗 ≤ 1.3 R/Ro 5% 氫氧化鈉, 24 小時 5% 氯化氫, 24 小時 乙醇, 24 小時 丙酮, 24 小時 甲苯, 24 小時 熱收縮率 ≤ 0.5 MD% ≤ 0.5 TD% 150 °C, 30 分鐘 厚度 175 µm 測微器 （資料來源：卓韋光電）

絕緣層材料方面，參考下表 2-2，一般用來當作絕緣層材料的 PECVD 氮化矽及氧

化矽，雖然在半導體製程來說算是低溫的，還具有著相當高的介電常數和介電強度，很

適合用來製作低驅動電壓的 EWOD 元件[53]，但對於 ITO PET 基板來說，最低 200℃仍

屬於高溫的製程，而且這兩種都屬於是硬脆的材料，應用於可撓式的元件會較為不利， 因此在材料的選擇上，偏向以高分子材料為主。 表 2-2 常見低溫製程的絕緣材料比較表 材料 材料 材料 材料 製程溫度製程溫度製程溫度製程溫度（（（（℃℃）℃℃））） 介電常數介電常數 介電常數介電常數 介電強度（介電強度介電強度介電強度（（（V/_µm）））） 蝕刻製程蝕刻製程蝕刻製程蝕刻製程 參考資料參考資料參考資料參考資料 PECVD 氮化矽 200 ~ 400 6 ~ 9 500 乾式 [54] PECVD 氧化矽 200 ~ 400 4.1 ~ 4.9 300 ~ 600 乾、溼式 [54,55] Parylene 室溫 2.65 ~ 3.15 216.5 ~ 275.6 乾式 [56,57] Polyimide 100 ~ 350 2.9 ~ 3.5 > 2 乾、溼式 [58] SU-8 65 ~ 150 3 ~ 4.5 > 40 溼式顯影 [59] 而上表高分子材料中，三種材料的介電常數都在 3 左右，而 Parylene 卻具有相當高 的介電強度，而且又可以在室溫沉積，非常適合應用在可撓式 EWOD 元件中，惟獨在 蝕刻製程上，須要使用乾式的離子蝕刻機台[57]，製程較為複雜。至於 Polyimide 則是主 要應用在高溫的環境，其分解溫度（decomposition temperature）可高達 450~620 ℃[58]， 在上表高分子材料中，屬於相當耐高溫的材料（Parylene：290~410 ℃[56]、SU-8：380 ℃ [59]），但在介電強度上則顯得比較不足。

SU-8 是一種環氧基的負型光阻（epoxy-based negative photoresist），具有較好的化學 穩定性、透明度高、介電係數大，以及製程相容於一般微影製程，操作溫度低（90℃左 右），不須額外添購儀器，而且厚度選擇範圍廣，可塗佈薄到 1 _{µm 以下，也可以厚達 1 mm} 以上[60]，已被廣泛的應用在微機電元件之中[61-63]。對於可撓式 EWOD 元件來說，以 SU-8 作為絕緣層材料，不但製程溫度適合，製程步驟也很簡單，可以大幅降低元件製 作成本。這裡所採用的 SU-8 主要為 Gersteltec 公司的 GM-1040，厚度約在 0.8~5 µm 之 間，相關材料特性，參考下表 2-3。 最後斥水性塗膜方面，與先前研究團隊一樣，採用杜邦公司的 Teflon® AF，由於 Teflon 本來就是高分子材料，斥水性非常的優異，經溶劑溶解後，可以直接旋塗在晶片

上，並且放在大氣中自然乾燥即可，不一定要加熱固化，便能輕易製作出斥水性的表面，

製程簡單方便。這裡採用的是將杜邦原廠 6%固溶率的 Teflon®

AF 溶液（601S1-100-6），

以 FluorinertTM Fluid FC-77 稀釋到 1%，以旋塗出極薄的 Teflon 斥水塗膜。其材料特性

列於下表 2-3 中。 表 2-3 SU-8 與 Teflon® AF 1600 材料特性表 材料特性 材料特性材料特性 材料特性 SU-8 Teflon® AF 1600 楊氏係數 E（GPa） 4.02 ~ 4.95 1.6 蒲松比 ν 0.22 玻璃轉化溫度 Tg（℃） > 200 160±5 分解溫度 Td（℃） 380 360 熱膨脹係數 α（ppm/℃） 21 ~ 52 80 ~ 100 折射率 n 1.575 ~ 1.8 1.31 介電常數 εr 3 ~ 4.5 1.927 ~ 1.934 介電強度（V/µm） > 40 21 表面能 γ（mN/m） 15.7 資料來源：MEMScyclopedia 及杜邦公司 2-1-2 製程測試 對於 ITO PET 基板的製程測試，可分做兩部份：(1)常用化學藥品相容性測試，以 及(2)光阻與蝕刻製程測試。前者是測試在常用化學藥品的浸泡下，基板是否會遭到損 壞；而後者是在經過光阻及 ITO 蝕刻製程後，觀察基板是否會受到影響。 表 2-4 製程中常用之化學藥品及其功能列表 化學藥品 化學藥品 化學藥品 化學藥品 功能功能 功能功能 異丙醇（IsoPropyl Alcohol，IPA） 清潔試片 丙酮（Acetone，ACE） 清潔試片、去除光阻 正光阻顯影液（FHD-5） 正光阻顯影

SU-8 顯影液（Propylene Glycol monoMethyl Ether Acetate，PGMEA）

清潔試片、SU-8 顯影、 去除正光阻

上表 2-4 列出幾種常用的化學藥品：異丙醇性質溫和，親油也親水，適合用於試片

的清潔，特別是高分子基板，比較不容易被侵蝕而損壞，又因為它的表面張力比水小

取代水防止結構沾黏用[66]。丙酮性質較為強烈，一樣可以拿來清洗晶片，還可以拿來

去除光阻（FH-6400、AZ-4620 及未曝光的 SU-8），但對於高分子材料會稍微侵蝕，例

如雷射加工過的壓克力，在圖形的邊緣會產生裂痕。另外，正光阻顯影液 FHD-5 是

1.8~2.8%的四甲基胺水（TetraMethyl Ammonium Hydroxide，TMAH）[67]，而 TMAH 也是一種矽的蝕刻液，因此顯影過久仍然會稍微侵蝕矽晶片，這輕微的蝕刻可以從去除

光阻後，沖水時在矽晶片上出現光阻圖形的水痕觀察到。至於 SU-8 顯影液，它是一種

很強的有機溶劑，透明無色但味道很重，會侵蝕較多的高分子材料，像是聚碳酸酯

（Polycarbonate，PC），就會被侵蝕變成白色粉末狀；壓克力沾到也會有白化的現象。

而且從 AZ-4620 的物質安全資料表[68]中得知，該光阻中有將近 60%的成分是 PGMEA，

也就是 SU-8 顯影液的主成分[69]，因此 SU-8 顯影液也會溶解 AZ-4620，可用做去除光

阻用。另外，如果 AZ-4620 跟 SU-8 要互相堆疊，則 AZ-4620 應該要先塗佈，並硬烤去

除大部份溶劑，再塗佈 SU-8 避免光阻間溶劑的互相干擾，或是 SU-8 先曝光硬化後再塗 上 AZ-4620。最後，對於基板的相容性測試方面，是將基板分別浸泡上面四種化學藥品 10 分鐘，再觀察基板外觀有無明顯侵蝕的痕跡。經過測試，ITO PET 基板沒有明顯被這 些化學藥品侵蝕的現象，因此在實驗過程中，可以使用這些藥品。 表 2-5 光阻製程測試參數表 FH-6400（（（1.7~1.9 （ _µm）））） AZ-4620（（（7~8 （ _µm）） ）） 稀釋的稀釋的 SU-8 50（稀釋的稀釋的 （（（2.5 _µm）））） 製程參數 第一轉：1500 rpm，10 秒 第二轉：2500 rpm，25 秒 軟烤：90℃，3 分鐘 曝光：10 秒 第一轉：1500 rpm，10 秒 第二轉：2500 rpm，25 秒 軟烤：90℃，15 分鐘 曝光：20 秒 第一轉：500 rpm，15 秒 第二轉：4000 rpm，60 秒 軟烤：90℃，5 分鐘 曝光：2 秒 曝後烤：90℃，5 分鐘 顯影液 FHD-5 AZ-400K (1:4) or FHD-5 PGMEA 另一個部份：光阻製程方面，測試兩種正光阻 FH-6400 與 AZ-4620 的製程。前者是 屬於薄光阻，厚度在 2 _{µm 以下，線寬表現好，製程時間短，但容易在操作時被鑷子刮} 破光阻表面，造成光阻圖形的損壞；而後者是較厚的光阻，厚度可達 30 µm，比較不會 因為操作不慎而損壞，但是製程時間長，線寬表現也比較不好。製程的參數見上表 2-5。 其中，雖然根據 AZ-4620 原廠科萊恩（Clariant）的資料，顯影液是以 4 倍水稀釋的

AZ-400K，但經過測試 FHD-5 也可以顯影，只是線寬表現會比較差一點。 製程測試結果如下圖 2-1 所示，(a)圖中上方圓形淡褐色的部份是 FH-6400 的光阻結 構，有一點鋸齒狀邊緣，這是由於曝光劑量過多，導致線寬嚴重流失，從 35 µm 的光罩 線寬，變成只有 10 _{µm 而已。而(b)圖深褐色的部份是 AZ-4620，雖然沒有明顯的鋸齒狀，} 但線寬也是嚴重流失（15 µm 變 7 µm），因此在曝光參數方面，還需要再調整。另外， 圖中下方較白的部份，是裸露出來的 ITO 導電層，可以看出經過光阻製程後，對於 ITO 來說不會有明顯的損壞，而且光阻結構都能穩固的站在 ITO PET 基板上。 圖 2-1 兩種正光阻製程的測試結果

接下來，將試片浸泡緩衝的氧化物蝕刻液（Buffered Oxide Etchant，BOE）1.5~2.0

分鐘，由於 BOE 可以蝕刻氧化物，因此拿來測試是否可以蝕刻 ITO，之後再以 ACE 去

光阻，進行 SU-8 光阻的製程（參數見上表 2-5）。

下圖 2-2 為 ITO 蝕刻的結果，證實 ITO PET 基板上的 ITO 可以被 BOE 所蝕刻，但

在 ITO 玻璃的測試中，BOE 卻無法蝕刻 ITO，這可能的原因是 ITO 與玻璃基板附著力

較好，而且製程溫度高，ITO 的品質也比較好的關係，因此須改用稀釋的王水（硝酸：

鹽酸：水＝0.08 or 0.16：1：1）來蝕刻。

而 SU-8 製程的部份，這裡用的是 MicroChem 公司的 SU-8 50，並稀釋到固含量約

為 51.8%，約為原廠 SU-8 5 的比例，以獲得較薄的結構。SU-8 的稀釋液是_{γ-丁酸內酯} （Gamma ButyroLactone，GBL），根據各種型號（2~100）的固含量，可由較黏的型號 調配出較稀的。下表 2-6 列出 SU-8 各種型號的黏度、固含量與結構厚度參考值。後來 的實驗，為了獲得較為穩定的光阻品質，改用規格品：Gersteltec 公司的 GM-1040，製 (a) FH-6400 光阻 (b) AZ-4620 光阻 100 µm

作出 1 µ m 的 SU-8 絕緣層結構。 表 2-6 MicroChem SU-8 光阻資料表 型號 型號 型號 型號 黏度（黏度黏度黏度（（（cSt））） ） 固含量固含量固含量固含量（（（%）（ ） ）） 厚度厚度（厚度厚度（（（_µm）））），，，，2000 rpm SU-8 2 45 2 SU-8 5 290 52 7 SU-8 10 1050 59 15 SU-8 25 2500 63 25 SU-8 50 12250 69 50 SU-8 100 51500 73 150 資料來源：MEMScyclopedia 及 MicroChem

SU-8 製程測試方面，是在試片上製作兩條垂直的 ITO 導線，並部份覆蓋上 SU-8 結 構，參考下圖 2-2。蝕刻後 ITO 導線轉印出光阻的鋸齒狀，並露出下方 PET 基板，且經

過 SU-8 顯影製程後，上半部裸露的 ITO 導線，還維持原來的光亮，並沒有遭到明顯傷

害的跡象。而下半部的 SU-8 絕緣層結構，均勻覆蓋在 ITO 導線及 PET 基板上，且不易

剝落附著性佳。 圖 2-2 ITO 蝕刻與 SU-8 製程的測試結果 因此，由上面兩部份測試結果得知，ITO PET 基板均能通過：常用化學藥品的浸泡， 以及三種光阻的製程，用一般的光阻製程，便可以在此基板上製作出 EWOD 元件。接 下來，要針對上述製程所製作的元件，進行初步的元件測試。 2-1-3 元件及材料測試 測試元件的結構如下圖 2-3 所示，主要分為上板與下板，上板是整片 ITO 電極，分 PET 基板 ITO 導線 SU-8 絕緣層

別覆蓋上 SU-8 絕緣層與 Teflon 斥水性塗膜，下板是數個 ITO 電極，一樣覆蓋上 SU-8 與 Teflon，中間的墊片為 540 µm 厚的 PC 片。而接線方面，上板的 ITO 固定接地，下 板的 ITO 電極接火線，並可以選擇火線接那一個電極。測試的時候，分別接 DC 與 AC 的控制訊號，觀察兩種不同訊號對於液珠控制的影響，至於 AC 訊號的頻率，根據 Cho[48] 等人的研究，墊片厚度會影響最佳操作頻率，由內插法得出 540 µm 的最佳頻率為 2 kHz。 圖 2-3 初步測試元件的結構示意圖 下圖 2-4(a)為 DC 驅動的結果，當 120 VDC施加在電極 1 的時候，液珠慢慢地往右 上方移動，抵達定位後，液珠邊緣會隨底部電極的外形變化，而且會出現較粗的黑色輪 廓線。當切換到電極 2 的時候，雖然液珠有稍微往上移動，但無法將液珠完整拉過去， 似乎電極 1 會拉住液珠。換通 AC 訊號的時候（參考下圖 2-4(b)），液珠可以整顆往上移

動，而且可以在兩電極間來回運動。因為 SU-8 容易捕捉電荷（trapping of charge），使

得切斷 DC 訊號的時候，表面仍帶有電荷，而 AC 有正負極性的變換，比較不容易帶電。 圖 2-4 直流與交流電驅動液珠的結果 SU-8 絕緣層 Teflon 斥水性塗膜 ITO 電極 PET 基板 PC 墊片 去離子水珠 V 上板 下板 10 s 20 s 0 s (a) 120 VDC驅動結果 (b) 142 VAC驅動結果（2 kHz 正弦波） 0 s 10 s 20 s 電極 1 電極 2

為研究 SU-8 在 DC 電場下電荷捕捉的情況，以線性升降 DC 電壓，來進行 SU-8 為 絕緣層的電濕潤實驗（參考圖 1-5），量測液珠接觸角對於電壓的反應。下圖 2-5 為 SU-8 電濕潤實驗結果，右上角為電壓訊號升降關係圖（振幅為 70 V，週期為 690 s 的三角波）， 在第 1 區間電壓由 0 V 上升至+70 V，此時接觸角會從 110°下降到約 80°，但隨著電壓下 降的時候（第 2 區間），接觸角卻沒有跟著上升，直到電壓降到接近+10 V 的時候，才開 始急遽上升，回到接近 110°的地方，而負電壓的方向也是一樣。因此，對於 SU-8 來說， 要將捕捉的電荷釋放，須回到 0 V 的位置，也就是在切換電極的時候，不能只是切斷火 線，使電極變成浮動電位（floating），而是要把該電極接地，才能帶走 SU-8 上的電荷。 圖 2-5 SU-8 線性升降壓電濕潤實驗結果 另外，參考先前研究團隊的元件設計（圖 1-6(a)），上板的部份沒有絕緣層（僅塗佈 斥水性塗膜），因此也進行該設計的測試，一併觀察在曲面上的狀況。首先將元件固定 在曲面治具上，再循序施加電壓 120 VAC，結果如下圖 2-6 所示，液珠移動的情況比先 前的實驗（圖 2-4(b)）更順利、反應速度比較快（1 秒內），而且可以在曲面上連續移動。 圖 2-6 上板無絕緣層元件的曲面測試 電壓（伏特） 接 觸 角 （ 度 ） -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 120 110 100 90 80 70 60 1 2 3 4 時間 電 壓 1 2 3 4 (1) 0 s (2) 2 s (3) 4 s (4) 6 s (5) 8 s (6) 9 s

2-2 元件設計與製作

2-2-1 長行程 2-D EWOD 元件設計 因此，根據上面元件測試及材料實驗的結果，以及為了操作元件方便，可撓式 EWOD 元件的設計，如下圖 2-7(a)所示。主要分為三部份：上板、墊片及下板，其中上板有一 整片的接地電極，而下板有整排的控制電極。原先 1-D EWOD 的設計，是將控制電極 排列成一串，可以控制液珠進行一個維度的移動，這裡將 5 串電極並排，使液珠可以在 這 5 條流道中自由橫跨，達成增加一個控制維度的目的。另外，夾在中間的墊片，為中 空的方框，可分隔上下板並形成液珠移動的空間，墊片厚度可依需求自由更換。操作時， 只要將此三部份對齊疊合後夾緊即可。 另外，控制電極的設計，是採用平面 3 相匯流排式的設計，將 3 片電極組成 1 組， 好幾組串成 1 條流道（液珠的通道），參考下圖 2-7(b)，這樣的設計可以有效減少接觸窗 的數量，一條流道僅需 3 個接觸窗，就可控制液珠前後運動，而且不會有電極數量上的 數量，可達到長行程輸送流體的目的。而 5 條流道也僅需要 15 個接觸窗，藉由控制液 珠鄰近流道的控制電極，便可以讓液珠橫向移動。這裡元件尺寸設計為：45 個 1.5 mm 寬的電極，總行程可達 68.85 mm。 控制訊號的輸入方面，由下板右側接觸窗輸入控制訊號，再傳遞到控制電極上；而 上板接地電極的訊號，則一樣透過接觸窗，傳遞到下板左側內連接導電板，穿過墊片到 達上板。因此只要連接下板的接觸窗，整個元件的控制訊號都可以傳送到指定位置，大 幅簡化元件的複雜度。 圖 2-7 長行程 2-D EWOD 元件設計示意圖 上板 墊片 下板 5 條併排的流道 (a)元件結構示意圖 (b)長行程電極設計示意圖 …… 3 片電極為 1 組 好幾組串成 1 條流道 1 2 3 1 2 3 1 2 3 接觸窗 內連接導電板

2-2-2 可撓式 EWOD 元件製程與結果

製程步驟如下圖 2-8(a)所示。下板的部份，首先要定義出控制電極，以黃光製程塗

佈光阻，曝光顯影後先以 BOE 定義 ITO 電極（厚度約 80 nm），之後再浸泡 ACE 去除

光阻。接下來，塗佈 1 µm SU-8 並曝光顯影開出接觸窗，最後塗佈上 66 nm 的 Teflon。 而上板的部份，僅須要將試片清洗後，一樣塗佈上 Teflon 即可。 後製程的部份，參考下圖 2-8(b)，依所需外型切割出上下板，上板為長 87 mm；寬 25 mm，而下板還多突出一塊長 11 mm；寬 14 mm 的空間給接觸窗用，而墊片則是外框 與上板一樣大，中間挖空的 PC 板，其厚度約為 500 _{µm。之後，用棉花棒除去左側內連} 接導電板上的 Teflon，由於烘烤前的 Teflon 尚未固化，因此用棉花棒擦拭時，可以完全 清除並產生粉末狀的 Teflon，若經過 110℃烘烤 5 分鐘，則會呈現片狀 Teflon，而且容 易整片剝離。最後，在上下板內連接導電板上，貼上一片單面導電銅膠帶，以及墊片左 側上下兩面貼上會互相導通的銅膠帶，以便穿過墊片傳遞電訊號。這是由於 ITO 與 ITO 間的接觸電阻較大，而且又有 SU-8 覆蓋，要整面 ITO 互相接觸很不容易，因此才以導 電銅膠帶貼附（厚度約 50 _{µm），利用膠帶導電背膠的黏性可以緊貼在試片上，又會稍} 微突出表面，以便增加接觸面積，降低上下板與墊片間的接觸電阻。 圖 2-8 可撓式 EWOD 元件製程與結果 接下來，將測試元件在彎曲之後，對於液珠的操控方面是否受到影響，以及相關理 論的探討與分析。 (a)元件製程 (b)製作結果照片 (1) 清洗試片 （IPA 浸泡） (2) 塗佈 Teflon (1) 定義電極 （BOE 蝕刻） (2) 塗佈 SU-8 並 曝光顯影 (3)塗佈 Teflon 上板製程 下板製程 上板 墊片 下板 內連接導電板 2 cm 5 條併排的流道 中空的方框 整片接地電極

2-3 實驗結果與分析

在可撓式 EWOD 元件彎曲的情況下，驅動液珠沿曲面向上移動時，可能會比原來 在平面運動還多出(1)重力的影響，阻礙液珠向上，以及(2)曲面的效應，影響元件出力。 因此，針對這兩種可能的影響，設計兩個實驗：傾斜測試與曲面測試。前者是讓元件與 水平面成一傾斜角，驅動液珠沿傾斜面向上爬升，量測液珠重力對驅動效果的影響；而 後者是讓元件固定在曲面治具上，使元件彎曲成特定之曲率，驅動液珠由下沿著曲面向 上爬升，以調查元件彎曲對於液珠驅動的影響。 2-3-1 實驗架設 這兩項實驗的架設，可分作四個部份：(1) AC 電源供應、(2)訊號連接與控制、(3) 傾斜平台，與(4)曲面治具。首先，電源供應的部份是由一組波形產生器與訊號放大器來 供應，見下圖 2-9(a)，由波形產生器產生所要的控制訊號波形（2 kHz 正弦波），再經由 訊號放大器，將原來最大 10 Vp 的訊號，放大到所需的電壓。這裡採用的是 A.A. Lab systems 的 A-303 壓電驅動器，可將輸入訊號放大 20 倍可達約 200 Vp，也就是最大可產 生 141.1 VRMS的 AC 訊號。原廠提供的相關規格，簡列於下表 2-7 中。 圖 2-9 電源供應與訊號控制的架設 訊號的控制方面，以一片訊號控制板，將訊號由 1 路分成獨立的 17 路，以手動的 開關切換（參考上圖 2-9(b)），當按下開關時，會切換到輸入訊號的火線；而當放開的時 候，則會切換到地線，最後透過訊號排線傳到元件上。 (a) AC 電源供應 波形產生器 訊號放大器 (b)訊號連接與控制 夾式連接器 訊號控制板 手動開關 訊號排線

表 2-7 A.A. Lab systems A-303 訊號放大器規格表 最大輸入電壓 12 Vp 最大輸出電壓 200 Vp 最大電流 0.2 A 頻寬 DC to 350 kHz（電阻式阻抗） DC to 250 kHz（電容式阻抗） 輸出功率 40 W 放大倍率 20

資料來源：A.A. Lab systems

至於訊號排線與元件的連接，由於 ITO PET 基板無法承受高溫，因而不能以焊接的

方式連接導線，其他方法像是貼銅膠帶（因手工的關係，尺寸與數量上都會受限），或

是塗銀膠（受限於手工，且無法重複使用），也都不太適用。因此，為了可以重複且快

速拆裝，又不能傷害 ITO PET 基板，這裡採用橫尾科技公司（yokowo DS）的夾式連接

器（clip connector），連接訊號排線與元件。該連接器外觀類似晾衣夾（參考上圖 2-9(b)）， 在前端裝置有數根鍍金的彈簧探針，會因為受壓而向後退，可提供一定的下壓力接觸試 片，促進導電效果。相關的規格列於下表 2-8。 表 2-8 橫尾科技 CCNM-080-17-FRC 夾式連接器規格表 探針數目 17 探針間距 0.8 mm 最大電壓 50 VDC/VAC 最大電流 1.5 A 最大功率 30 W 耐電壓 250 VAC/1 分鐘 絕緣抵抗 最小 100 MΩ 接觸抵抗 最大 100 MΩ 資料來源：橫尾科技 另外，為了在傾斜測試中，提供一個固定的傾斜角，因此設計下圖 2-10(a)所示的傾 斜平台，可調整±90°的傾斜角，並裝置有水平規，指示目前平台的傾斜角。而在曲面測 試中，所需固定曲率的曲面治具，如下圖 2-10(b)所示，曲率由左到右分別為 0.01、0.02、 0.03、0.04 及 0.05 mm-1，後來又增加一個到 0.06 mm-1_{（曲率半徑達 16.67 mm）。根據} Henry 等人的研究顯示[70]，ITO 在 PET 上的破裂密度（crack density），在張應變 2%以

內的時候接近 0，因此可彎曲的最大曲率為 0.228 mm-1，對於曲面治具所提供的曲率來 說，離材料破壞區間還很遠。 圖 2-10 傾斜平台與曲面治具 最後整體實驗架設如下圖 2-11 所示。傾斜實驗中，將夾式連接器與元件夾持後， 一起固定在傾斜平台上跟著平台傾斜（參考圖 2-11(a)），並由排線連接到訊號控制板， 驅動液珠由下方往上輸送，紀錄傾斜角與其最小的驅動電壓。而曲面測試，則是將夾式 連接器先固定在台座上，或是傾斜平台上，再把元件夾持於曲面治具上，最後才安裝在 連接器上。實驗時，將液珠由底部沿曲面，輸送通過曲面頂點到達上面（見圖 2-11(b)）， 並紀錄不同曲率下的最小驅動電壓。由於在曲面頂點時，是重力對液珠影響最大的地 方，也是 EWOD 力量在水平方向的分量最小的位置，因此曲面頂點是決定液珠能否順 利通過曲面，最關鍵的一個位置。 圖 2-11 傾斜與曲面實驗架設圖 下面將分別對於傾斜測試的結果，提出一個理論的模型，分析與討論液珠在平面上 的運動，以及對於曲面測試的結果進行討論。 (a)傾斜平台照片 (b)曲面治具照片 水平規 (a)傾斜測試實驗架設照片 (b)曲面測試實驗架設照片 液珠移動方向 曲面治具 元件 曲面頂點 元件 台座 液珠移動方向

2-3-2 傾斜測試結果 經過測試後，實驗結果如下圖 2-12 所示。實驗條件為：電極大小為 1.5 mm 寬的正 方形電極、墊片厚度為 0.5 mm、電源頻率則是固定為 2 kHz 的正弦波，以及液珠為 2.5 µl 的去離子水。由下圖可以看出，隨著傾斜角的增加，驅動液珠所需的電壓也就越高，這 是由於重力對於液珠的影響，會隨傾斜角的增加而增加。然而，這結果有個地方值得注 意，就是在水平的狀態下（傾斜角為 0°），驅動電壓仍然需要將近 40 VAC，而不是接近 0 VAC左右，表示液珠在元件表面上，有受到某種的力量的作用，使得液珠在移動的時 候，會消耗額外的動力去克服該力的影響。 圖 2-12 傾斜測試結果 若分析液珠在傾斜面上受到的力量，參考下圖 2-13。當施加電壓於最上方的電極 時，液珠會受到電濕潤所產生的力量（FEWOD）沿斜面向上、液珠自身的重力（FW）向 下，以及某種阻力（FR）向下，使得液珠受到牽制。 圖 2-13 傾斜測試力分析圖

由於液珠在表面移動的時候，會有接觸角遲滯（contact angle hysteresis）的現象， 傾斜角（度） 0 30 60 90 驅 動 電 壓 （ 伏 特 ） 80 70 60 50 40 30 20 10 0 FW FEWOD FR FR

使得前後的接觸角不同。也就是當液珠往前移動的時候，最前端液面會不斷的接觸到新

的表面，這時候的接觸角會比較大，稱之前進接觸角（advancing contact angle，θa）；而

最後端，則是液體不斷的離開原來的表面，此時的接觸角會比較小，稱之後退接觸角

（receding contact angle，θr），這兩個角度的角度差就是接觸角遲滯[71]。因此當有重力

或是其他外力的作用，欲推動液珠移動的時候，接觸角遲滯會產生一組反向的表面張力

來抵抗外力作用[72]（最前端的接觸角會漸大、最後端的接觸角會漸小），使液珠停留在

原地，直到外力大於接觸角遲滯所產生的最大表面張力，液珠方能移動。最明顯的例子

就是附著在玻璃上的水珠，小顆的水珠會停留在玻璃上；而大顆的水珠則會向下滑。

因此，便針對元件 Teflon 的表面，進行接觸角遲滯的量測。量測的方法是利用傾斜

板法（tilting plate method）[73]，首先將 4.5 µl 的液珠滴於試片上，並固定試片於機台，

再將整台接觸角量測儀（First Ten Ångstroms FTA-125）傾斜，紀錄液珠從水平靜止到因

重力下滑前，上下兩端接觸角的變化。液珠接觸角隨時間變化的關係圖，如下圖 2-14 所示，下方的接觸角（前進接觸角）隨時間增加到 121.32°（取 5~7 秒資料的平均），而 上方的接觸角（後退接觸角）則下降到平均 111.91°，因此這元件 Teflon 表面的接觸角 遲滯達 9.41°。 圖 2-14 接觸角遲滯量測結果 由上面的實驗，得知 Teflon 表面有著將近 10°的接觸角遲滯，會防止在斜面上的液 珠下滑，因此會對於在傾斜測試中，作用在液珠上的阻力，有一定程度的的影響。下面 將以理論探討接觸角遲滯（其力量以遲滯阻力稱之），對於驅動電壓的影響。 時間（秒） 0 1 2 3 4 5 6 7 125 120 115 110 105 100 接 觸 角 （ 度 ） 121.32° 111.91° 下方接觸角（θa） 上方接觸角（θr）

2-3-3 理論分析 圖 2-15 施加電壓下液珠輪廓圖 當施加電壓驅動液珠往上時，參考上圖 2-15，該電極與液珠重疊的區域，會由斥水 性變成親水性，進而使得液珠的接觸角改變（參考上圖 A-A 剖面），由原本未加電壓的 θ0變成θV。根據 Young-Laplace 公式，界面兩邊的壓力差可表示為[71]：       + = ∆ 2 1 1 1 r r P γ (2-1)

其中γ 為表面張力，r1、r2為曲率半徑。則液珠將承受右側I-II之間的PI-II，以及左側II-III

之間的PII-III兩個壓力，兩壓力平衡後可得作用在液珠的淨壓力為：       − = ∆ r r P_{Droplet LG} 1 ' 1 γ (2-2) 而在平板中的液珠，曲率半徑可由接觸角與幾何尺寸得到[36]： t b d r θ θ cos cos + = (2-3) 其中d為兩板間距，θb為下液珠接觸角；θt為上液珠接觸角，則電濕潤對液珠所產生的 壓力可以表示為[74]

(

cosθ cosθ0

)

γ ₋ = ∆ EWOD LG v d P (2-4) 若代入公式1-3，接觸角與施加電壓的關係式，則壓力與施加電壓的關係為： 2 2 1 V d c P_EWOD = ∆ (2-5) 作用於液珠與電極接觸面，上下兩條接觸線的線張量和為∆PEWOD*d，則作用於液珠的 A A θv θ0 r r’ A-A 剖面 I II III