中 華 大 學 碩 士 論 文
題目：e-PTFE表面改質之研究及其超疏水之應用
系 所 別：機械與航太工程研究所 學號姓名：M09408036 鍾 柏 民 指導教授：馬 廣 仁 博 士
簡 錫 新 博 士
中華民國 九十六年八月
摘要
本研究利用射頻電漿處理系統將鐵氟龍（e-PTFE）做表面改質，
並藉由不同的反應氣體：氧氣、氬氣和氬氣/氫氣加以調控，使材料 表面產生親水或疏水的特性並加以運用。
RF 功率對材料表面親/疏水特性有顯著的影響。在較低的 RF 功 率下（<200W），試片經氬氣、氬氣/氫氣電漿改質後，具有良好的親 水性。低功率離子轟擊有利於材料表面產生自由基，當材料接觸到空 氣即產生親水的表面。高功率（>300W）的氧氣、氧氣/氬氣和氧氣/
氬氣/氫氣電漿處理後，e-PTFE 表面具有超疏水的特性，主要是因為 材料表面受到高能氧離子轟擊，表面出現針狀結構產生荷葉效應所 致。
將不鏽鋼網罩置於 e-PTFE 上方，經電漿改質後，可製作出親疏 水分明的微陣列晶片。利用熱壓印法在 e-PTFE 上製作流道，並經由 電漿改質使其具有超疏水特性。此超疏水流道能以最小的阻力且有效 的引導流體流動。
關鍵字： e-PTFE、親水的、疏水的、電漿表面改質。
Abstract
This research aims to manipulate surface hydrophilic/hydrophobic properties of Expanded-Polytetrafluoroethylene (e-PTFE) material by RF plasma modification system using O2, Ar and Ar/H2 as the reaction gases.
RF power was found to have significant influence on surface hydrophilic/hydrophobic properties of e-PTFE material. The e-PTFE surface shows to be hydrophilic after Ar and Ar/H2 plasma treatment at a RF power lower than 200W. Low energy ion bombardment favors to produce various free radicals on e-PTFE surface, which leads to be hydrophilic when the surface contacts with air. The super-hydrophobic surface was found on e-PTFE after O2, O2/Ar and O2/Ar/ H2 plasma treatment at a RF power higher than 300W. This can be attributed to the occurrence of lotus effect induced by the formation of needle-like structure on e-PTFE surface due to the high energy oxygen ion bombardment.
The micro-arrayed chips can be produced by plasma surface modification technologies on selected area using a through-hole stainless steel plate as the mask. The super-hydrophobic channels on e-PTFE material were fabricated by hot press followed by plasma surface modification. It was found that fluid flow can be well guided by super-hydrophobic channels with minimum drag force.
Keywords ： e-PTFE, Hydrophilic, Hydrophobic, Plasma Surface Modification.
誌謝
感謝研究所這兩年來細心教導我的指導教授 馬廣仁老師以及共 同指導教授 簡錫新老師，謝謝您們這段時間的督導與教誨，讓我在 求學的過程中受益良多，以至於能順利完成碩士學位，在此獻上我最 誠摯的謝意。也感謝口試期間趙崇禮博士、陳大同博士及劉道恕博士 對本論文的悉心指導，使得本論文內容更為完善。
此外，研究所求學期間，特別感謝雲鵬、志曄、文斌、信偉、雄 程等學長在課業與實驗上的指點與協助，還要感謝彥明、奎稷、書偉 等同學與元魁、錦坤、和政、鈞泓等學弟在課業與生活上的相互扶持，
使我在研究所的日子裡能順心順意。
最後要感謝我的家人、鼓勵與關心，讓我能無後顧之憂地全力衝 刺完成我的學業。僅將此論文獻給每一位曾給予我幫助與支持的師長 與朋友們，謝謝。
目錄
摘要---I Abstract---II 誌謝---III 目錄---IV 表錄---VII 圖錄---VIII
第一章 前言---1
第二章 文獻回顧---3
2.1 PTFE 材料特性與應用 --- 3
2.1.1 PTFE 材料的發展 --- 3
2.1.2 PTFE 應用於生醫材料 --- 9
2.2 微流道的應用 --- 13
2.2.1 微流道的發展 --- 13
2.2.2 微流道在生醫領域上的應用 --- 14
2.2.3 微流道製造方法 --- 17
2.3 電漿表面改質 --- 20
2.3.1 電漿的發展史 --- 20
2.3.2 高分子材料的電漿表面改質 --- 22
2.3.2.1 電漿表面蝕刻 --- 22
2.3.2.2 表面清潔 --- 24
2.3.2.3 表面官能機化 --- 24
2.3.2.4 交聯 --- 25
2.3.3 生醫材料的電漿表面改質 --- 25
2.3.4 PTFE 的電漿表面改質 --- 28
第三章 實驗設備及步驟 --- 32
3.1 實驗流程 --- 32
3.2 實驗設備 --- 33
3.2.1 熱壓機裝置 (Hot Embossing) --- 33
3.2.2 電漿輔助化學氣相沉積系統（PECVD）： --- 33
3.2.3 氣體 --- 34
3.3 試片準備 --- 38
3.4 實驗步驟 --- 40
3.5 實驗參數 --- 42
第四章 實驗結果與討論 --- 43
4.1 電漿對 e-PTFE 表面親水、疏水性質之影響 --- 43
4.1.1 氧氣(O2)電漿對 e-PTFE 表面親水、疏水性質之影響 --- 43 4.1.2 氬氣(Ar)電漿對 e-PTFE 表面親水、疏水性質之影響
--- 50
4.1.3 氬氣（Ar）加氧氣（O2）混合電漿對 e-PTFE 表面親水、 疏水性質之影響 --- 54
4.1.4 氬氣/氫氣（Ar+5%H2）電漿與氬氣/氫氣（Ar+5%H2）、 氧氣（O2）混合電漿對 e-PTFE 表面親水、疏水性質之 影響 --- 59
4.2 壓印微流道及電漿表面改質 --- 64
4.2.1 壓印微流道 --- 64
4.2.2 e-PTFE 試片壓印後做電漿表面改質 --- 68
4.3 利用光阻罩做區域性電漿表面改質 --- 69
4.3.1 使用氧氣電漿改質再使用氬氣電漿做區域性改質 -- 69
4.3.2 使用氬氣（Ar）電漿改質再使用氧氣電漿做區域性改 質 --- 70
第五章 結論---72
參考文獻 --- 74
表目錄
表 2.1 鐵氟龍 TEFLON®應用實例---5
表 2.2 高分子材料在生醫領域的應用---9
表2.3 電漿表面改質在生醫材料上的應用---27
表 3.1 射頻（RF）電漿系統處理之參數---42
表 3.2 區域性電漿表面改質參數---42
圖目錄
圖 2.1 PTFE 分子式。 --- 3
圖 2.2 雙軸延伸 e-PTFE。 --- 8
圖 2.3 （a）微齒輪（b）微流道（c）微流道。 --- 14
圖 2.4 陣列式微流道血液感測晶片的操作原理。 --- 15
圖 2.5 微系統製程所生產的微壓印晶片。 --- 16
圖 2.6 塑膠高分子基材上的微流道。 --- 17
圖 2.7 熱壓印成型流程示意圖。 --- 18
圖 2.8 體型加工的微流道示意。 --- 19
圖 2.9 面型微細加工法的微流道示意圖。 --- 19
圖 2.10 物質的四態變化順序。 --- 21
圖 2.11 離子化示意圖。 --- 21
圖 2.12 電漿表面蝕刻之機制。 --- 24
圖 2.13 電漿聚合示意圖。 --- 25
圖 3.1 精密加熱壓印成型機。 --- 35
圖 3.2 PECVD 電漿處理系統 。 --- 35
圖 3.3 電漿處理系統腔體。 --- 36
圖 3.4 腔內壓力控制器。 --- 36
圖 3.5 Alcatel Vacuum Technology France 真空幫浦。 --- 37
圖 3.6 5850E 質量流量控制器（日本 Ueshima Brooks 公司製造）。
--- 37
圖 3.7 Arenatec RP-104T 氣體流量控制器。 --- 38
圖 3.8 e-PTFE 試片。--- 38
圖 3.9 經 WEDM 加工成型之微流道基板（WC）。 --- 39
圖 3.10 經 CNC 銑床加工成型之微流道基板（鋼）。 --- 39
圖 3.11 不鏽鋼光罩。 --- 41
圖 3.12 SEM（電子掃瞄顯微鏡）。 --- 41
圖 4.1 e-PTFE 試片未經電漿表面改質的接觸角約為 110°。 --- 44
圖 4.2 以電子掃瞄顯微鏡觀察 e-PTFE 表面型態。 --- 45
圖 4.3 經 FTIR 掃瞄之未改質 e-PTFE 光譜圖。 --- 45
圖 4.4 以氧氣流量 20 sccm 進行 20 分鐘 e-PTFE 表面改質，RF 功率 與濕潤角之關係。 --- 46
圖 4.5 以氧氣流量 20 sccm，RF 功率 500W，進行 20 分鐘 e-PTFE 表面改質。---46
圖 4.6 以氧氣流量 20 sccm，RF 功率（a）400W（b）500W，進行 20 分鐘 e-PTFE 表面改質。 --- 47
圖 4.7 電漿光譜：氧氣流量 20 sccm，RF 功率 500W，進行 20 分鐘 e-PTFE 表面改質。 --- 47 圖 4.8 以氧氣流量 20 sccm，RF 功率 100W，進行 20 分鐘 e-PTFE 表
面改質。 --- 48 圖 4.9 以 SEM 觀察在功率 100W、流量 20 sccm、時間 20 分氧氣電
漿改質後的 e-PTFE 表面。 --- 48 圖 4.10 電漿光譜：氧氣流量 20 sccm，RF 功率 100W，進行 20 分
鐘 e-PTFE 表面改質。 --- 49 圖 4.11 RF 功率與氧氣（O2）電漿中的元素強度關係圖。 --- 49 圖 4.12 氬氣電漿表面改質，RF 功率與濕潤角之關係。 --- 51 圖 4.13 氬氣電漿表面改質後的濕潤角為 32°（功率 500W、流量 20
sccm、時間 20 分鐘）。 --- 51 圖 4.14 以氬氣流量 20 sccm，RF 功率（a）100W（b）500W，進行
20 分鐘 e-PTFE 表面改質。 --- 52 圖 4.15 RF 功率與氬氣（Ar）電漿中的元素強度關係圖。 --- 52 圖 4.16 e-PTFE 經氬氣電漿改質後以 FTIR 掃瞄圖（RF 功率 500W、
流量 20 sccm、時間 20 分鐘）。 --- 53 圖 4.17 氬氣、氧氣混合電漿表面改質，RF 功率與濕潤角之關係。
--- 55 圖 4.18 氬氣、氧氣混合電漿處理後所得之接觸角（a）RF 功率 100W，
（b）RF 功率 500W。 --- 55 圖 4.19 以 SEM 觀察氬氣/氧氣混合電漿處理後，e-PTFE 表面（a）
RF 功率 100W（b）RF 功率 500W。---56
圖 4.20 電漿光譜：氬氣（Ar）加氧氣（O2）電漿，流量 20 sccm，
RF 功率 100W，進行 20 分鐘 e-PTFE 表面改質。 --- 56 圖 4.21 電漿光譜：氬氣（Ar）加氧氣（O2）電漿，流量 20 sccm，
RF 功率 500W，進行 20 分鐘 e-PTFE 表面改質。 --- 57 圖 4.22 RF 功率與氬氣（Ar）加氧氣（O2）混合電漿中的元素強度
關係圖。 --- 57 圖 4.23 經氬氣（Ar）加氧氣（O2）電漿改質後以 FTIR 掃瞄圖（流
量 20 sccm，RF 功率 500W，時間 20 分鐘）。 --- 58 圖 4.24 氬氣/氫氣（Ar+5%H2）、氧氣混合電漿表面改質，RF 功率
與濕潤角之關係。 --- 60 圖 4.25 氬氣/氫氣（Ar+5%H2）、氧氣混合電漿處理後所得之接觸角
（a）RF 功率 100W，（b）RF 功率 500W。 --- 61 圖 4.26 氬氣/氫氣（Ar+5%H2）電漿處理後所得之接觸角（a）RF
功率 100W，（b）RF 功率 500W。 --- 61 圖 4.27 以 SEM 觀察氬氣/氫氣（Ar+5%H2）、氧氣混合電漿處理後，
e-PTFE 表面（a）RF 功率 100W（b）RF 功率 500W。 --- 62 圖 4.28 以 SEM 觀察氬氣/氫氣（Ar+5%H2）電漿處理後，e-PTFE 表
面（a）RF 功率 100W（b）RF 功率 500W。 --- 62 圖 4.29 RF 功率與氬氣/氫氣（Ar+5%H2）加氧氣（O2）混合電漿中
的元素強度關係圖。 --- 63 圖 4.30 經氬氣/氫氣（Ar+5%H2）電漿改質後以 FTIR 掃瞄圖（流量 20 sccm，RF 功率 500W，時間 20 分鐘）---63 圖 4.31 經兩種模具加壓成形之試片（a）鋼模，（b）碳化鎢（WC）
模。 --- 65 圖 4.32 在常溫下使用兩種母模壓印之效果。 --- 65 圖 4.33 使用鋼模，以不同壓力對 e-PTFE 試片壓印流道深度（a）
300kg，585 m、（b）400kg，637 m、（c）500kg，801 m。
--- 66 圖 4.34 使用碳化鎢（WC）模，以不同壓力對 e-PTFE 試片壓印流道 高度（a）300kg，150 m、（b）400kg，180 m、（c）500kg，
180 m。 --- 67 圖 4.35 以 500kg 的壓力壓印過後的接觸角：（a）鋼模（b）碳化鎢
（WC）模。--- 68 圖 4.36 已壓印並以氧氣（O2）電漿改質後之接觸角：（a）鋼模（b）
碳化鎢（WC）模。 --- 69 圖 4.37 經氧氣（O2）電漿表面改質後，再覆上光阻罩使用氬氣（Ar）
電漿處理，浸入水中取出後，e-PTFE 上有著親疏水分明的 行為。 --- 70 圖 4.38 經氬氣（Ar）電漿表面改質後，再覆上光阻罩使用氧氣（O2）
電漿處理，浸入水中取出後，e-PTFE 上有著親疏水分明的 行為。 --- 71
第一章 前言
在二十一世紀裡，一個生物醫學研究所需的重要工具：生物晶片
（Biochip），它對人類未來的生活將會有新的貢獻與衝擊。生物晶片 包含了生物、化學、光學、電學及微機電系統等多種系統的結合。生 物晶片發展至今，可分為兩大類：微陣列晶片與微流體晶片【1】。
微陣列生物晶片（Microarray Biochip）：微陣列生物晶片即一般 所稱的生物晶片（Biochip），此晶片利用微電子等高科技產業做成 的基因微陣列晶片(DNA Microarray)，不但成本相對低廉，且因其實 驗速度快，準確性及靈敏度高、檢體需求少，並可獲得巨量的平行化 實驗數據，是後基因體時代分子生物醫學研究的利器。靠著微陣列生 物晶片的幫助，許多生物如稻米、老鼠、人類的基因排序已陸續被解 碼；此外，生物晶片的開發也朝著快速、簡單化的操作、大量分析與 高科技方向發展【1,2】。
微流體晶片（Microfluidic Chip）：為了更簡化操作程序，於是 開發出第二代生物晶片（微流體晶片）。將檢測程序中所需利用的各 種元件，如加熱反應槽、混合反應槽、分離管道，與偵測容槽等，都 集中在同一晶片上製作，是微流體晶片最大的特點；再藉著外加電壓 所產生的電流，或利用微小化幫浦或離心力等方式，驅動樣品或試劑 在各元件間相連的微管道中移動，方可完成檢測。其它特色，如：增
加反應速度、再現性高、提高敏感度、低汙染、低成本、減少重覆工 作等優點，在各產業的應用相當廣泛【3】。
本實驗在e-PTFE（Expanded Polytetrafluorethylene）材料試片使 用高功率、高流量、長時間的O2電漿做表面改質，使試片得到類似”
荷葉效應”（Lotus Effect）的結果【4】，讓水珠可在試片上的流道 滾動而不沾粘於試片，這可以應用在操控微流體系統（Microfluidic System）上，並控制流體流動至所需的區域。
傳統微流體晶片上的微流道在加入試液後，需施以電壓驅動流道 上的試液流動至特定的區域【1】；本實驗將PTFE
（Polytetrafluoroethylene）表面做電漿改質，使材料表面具有疏水的 特性，利用此特性流道上不需另外施加電壓。
e-PTFE材料試片上的微流道是以熱壓印法製作完成，再對微流道 表面做電漿改質，PTFE（Polytetrafluoroethylene）表面的改質可用許 多不同的方式，如：化學處理、UV處理、臭氧處理、電漿改質、電 漿聚合接枝等，其中又以電漿表面改質在低溫和粗糙度處理有著其他 方法所沒有的優勢【5】，研究中對於熱壓印參數對微流道型態的影 響及電漿表面改質作為處理方式。而製程參數，如：氣體流量及種類、
腔體內的壓力、RF輸出功率、電漿處理時間等等，都會對改質後的 PTFE表面的濕潤性（Wettability）等特性有所影響【6】。
第二章 文獻回顧
2.1 PTFE材料特性與應用 2.1.1 PTFE材料的發展
鐵 氟 龍 （ TEFLON® ） 的 正 式 名 稱 為 聚 四 氟 乙 烯
（Polytetrafluoroethylene），縮寫為PTFE。鐵氟龍是在西元1938年，
被布輪凱特(R.J.Plunkett)/美國杜邦（DuPont）公司研究員在實驗室 裡意外的被發明。一直到第二次世界大戰後，杜邦公司才推出相關產 品 ， 鐵 氟 龍 因 此 開 始 被 大 量 運 用 【 7 】。 鐵 氟 龍 是 屬 於 none-melt-processible的氟素高分子，約佔全部氟素高分子的60%以 上，鐵氟龍的分子式為-[CF2-CF2]n。聚四氟乙烯是把聚乙烯中的氫 用氟取代，所以不跟氧反應較安定。鐵氟龍的分子式如圖2.1：
圖2.1 PTFE分子式【8】。
鐵氟龍中的C-C鍵結被氟原子包圍受到保護，C-F的鍵結能又 高，所以除了鹼金屬和氟化物外，不對其它的化學藥品起反應【8】。
PTFE是第一個被發現的氟素高分子，它的整體性質優於其它的氟素 高分子【9】。
由圖2.1可看出氟原子是對稱的，分子中沒有游離電子，呈電中 性，所以PTFE有著良好的介電性能。因為有惰性的氟原子包在外層，
這是它有低摩擦係數極抗沾粘特性的原因【8】。 PTFE有 三 種不同外觀 的材質【 9】：
1.樹 脂粒：使用於鑄 造的零件，薄板 與擠出的管和棒 等。
2.水 分散型：使用於 塗佈與纖維的製 造設備。
3. 粉末 ：使用於壓出 的薄片。
聚四氟乙烯（PTFE）的特點有：耐腐蝕、抗沾粘、潤滑性高、
耐高溫（-190℃~260℃）、表面摩擦係數低、介電性能良好【8】。
在鐵氟龍中填入玻璃纖維、石墨、二硫化鉬、青銅、碳纖維等，可在 機械性能方面獲得改善，又不失PTFE原有的特性；但前提是充填材 料必須能承受聚氟化物燒結成形時的高溫【10】。
表2.1 鐵氟龍TEFLON®應用實例【11】
使用要求 區分
用途別分類 應 用 實 例
非 黏 著 一 般 工 業 用
非粘著性 與 耐摩損性
纖維切斷器用滾筒、過濾器、割 草機、切削器、農具、衛生馬桶、
包裝機械、過濾網、園藝剪刀、
鋼板帶、風扇、鐵網、醫療器
強磨擦抵抗 與 高溫非黏著
加熱密封之加熱密封用焊、鋸、
本工機、鑄件金屬模、橡膠加梳 用滾子、金屬模、軸承、熨斗、
熔化玻璃流槽
嚴苛非黏著性
烏拉坦(氨基甲酸甲酯)、環氧樹 脂硬化用模型、三夾皮的金屬 模、其他的金屬模具
離冰性
滑雪零件、雪橇、管子、化油器 除冰、製冰機械、製冰盤、除雪 鏟
低溫電鍍之零件
木、橡膠、馬口鐵、白鐵、鑄件 木模、燃燒器綿花蕊子
非
黏工 著業 食用 品
家庭用廚具
平底鍋、烤具、菜刀、電鍋、電 鍋保溫器、炸油鍋
食品工業機器 非黏著特性
麵包、冰淇淋、米點、西點、甜 點等的製餅機器、及烘焙零件、
製糕用機器、自動包裝機、絞肉 器、切削器剪、漏斗、火腿、醃 肉等製造機械的零件反焙烤零 件
潤磨 滑擦 面用 磨途
低荷重、
低頻率摩擦
琺瑯盤、O-ring、襯套等活塞環、
包裝機械的滑動面、化油器、玻 璃瓶製造過程中的輸送裝置 低速度
低荷重
軸承、小齒輪、回轉隔音、水冷 軸承機械的滑動面
耐 蝕 性
絕緣用
絕緣子、線路隔片、懸掛絕緣 子、絕緣管、絕緣套管、端子板 等電容器、電線連結器
靜電防止
在製粉、製紙、化學工業中用的 管子、連結器、容器的覆蓋、醫 療機、器的容器、器具、儀錶、
閥等、鹽霧測試器、其他耐鹽水 用機器零件鹽、化學工廠的機器 壁面
非 濡 性
防水、洗淨
食品、化學纖維、製紙工業及醫 療關係中的容器器具、工具、儀 錶、零件、電子工業的零件及作 業容器
e-PTFE（Expanded Polytetrafluoroethylene）由PTFE利用雙軸延伸 的方法產生多孔（Micro Pores），如圖2.2。e-PTFE是多孔（Micro Pores）
的等方性（Isotropic）材料，它是由纖維（Fiber）及節點（Node）結 構所組成，有良好的韌性及柔軟性。
圖2.2 雙軸延伸e-PTFE。
e-PTFE的特性如下【9】：
（1）使用溫度範圍廣 -190℃~260℃；短時間可到320℃。
（2）抗化學藥劑腐蝕。
（3）抗沾粘性佳。
（4）摩擦係數低。
（5）良好的介電性質。
（6）不易燃燒。
（7）耐震且有彈性；密封能力好，機械性質佳。
（8）能抵抗水氣和紫外線。
（9）常溫下無毒性，符合FDA標準（FDA21 CFR177.1550）。
（10）不易老化。
（11）可在不同的壓力範圍下工作（真空至3000 psi）。
2.1.2 PTFE應用於生醫材料
生醫材料科學的發展，已經歷了生物惰性材料和與組織相互作用 的生物材料階段。也因此生醫材料廣泛應用於生醫領域【12,13】。
（表2.2）。
表2.2 高分子材料在生醫領域的應用【12】
產品 功能目的 主要使用的生醫材料
人工血管 置換病變血管或進行 搭橋手術
聚酯纖維、真絲、聚 四氟乙烯、聚氨酯
人工瓣膜 置換病變的瓣膜 低溫各向同性碳、聚
氨酯、矽橡膠、聚四 氟乙烯、.聚酯纖維 人工心臟及心臟 置換心臟或加強病變
心臟功能
聚氨酯、聚氯乙烯、
矽橡膠、天然橡膠、
Avcothane-51
心臟補片 心臟修復手術 聚四氟乙烯、聚酯纖
維 人工血漿 代替血漿、增加血液
容積
葡聚醣(右旋醣酐).
羥乙基澱粉.聚乙烯 基咯烷酮.聚N-羥丙 基、丙烯醯胺
人工血紅素 代替紅血球輸運氧氣 全氟三丁胺、全氨三 丙胺
人工玻璃體 填充眼球玻璃體腔 矽橡膠海綿.聚四氟 乙烯海綿.骨膠原
人工水晶體 矯治白內障 甲基丙烯酸甲酯.甲
基丙烯酸羥乙酯共聚 物.聚丙烯.聚有機矽 氧烷凝膠
人工咽喉 喉頭切除後發音功能 恢復
矽橡膠滌綸織物複合 物.膨體聚四氟乙烯.
聚氨酯.聚乙烯.尼
龍.聚甲基丙烯酸甲 酯
人工腎臟 腎功能衰竭患者腎臟 功能的替代
醋酸纖維素.銅氨纖 維素.聚丙烯.聚甲基 丙烯酯甲酯.聚乙烯 醇、乙烯-乙烯醇聚合 物.聚碳酸酯.丙烯酸 酯苯乙烯聚合物.聚 氨酯、聚四氟乙烯.
聚氯乙烯.矽橡膠.吸 附樹脂.碳化樹脂.火 棉膠.聚甲基丙烯酸 甲酯
人工肝 急性肝功能衰竭治
療,血液解毒淨化
活性碳.碳化樹脂.吸 附樹脂.聚丙烯醯胺.
環氧氯丙烷交聯瓊脂 醣、火棉膠.白蛋白.
矽橡膠.聚氨酯.聚四 氟乙烯.聚丙烯
人工肺 替代肺進行血液氣體
交換
聚氯乙烯.矽橡膠.聚 丙烯空心纖維
人工胰臟 替代胰臟功能,釋放 胰島素,控制血糖
海藻酸.聚賴氨酸.殼 聚醣
人工膽道 替代摘除的膽道 聚氨酯,矽橡膠 人工輸尿管 替代摘除輸尿管 聚氨酯.矽橡膠.滌綸
織物.氈.聚甲基丙烯 酸羥乙酯塗料
人工膀胱 膀胱全切後,替代膀 胱集尿.排尿功能
矽橡膠.聚氨酯.天然 橡膠乳液.滌綸織物.
聚丙烯
人工括約肌 控制排尿 矽橡膠
人工皮膚 創傷保護,防感染,透 氣有助於新皮生長
矽橡膠骨膠原無紡 布.離子型聚酯複合 物.聚氨基酸.聚甲基 丙烯酸羥乙酯
人工骨骼 替代骨 羥基磷灰石.多孔聚
四氟乙烯.超高分子 量聚乙烯
人工顱骨 顱骨替代 聚甲基丙烯酸甲酯.
甲基丙烯酸甲酯與苯 乙烯共聚物.聚碳酸 酯
人工關節 置換病變及損傷的關 節
鈦-鈷-鋁-鎳合金和 高分子量高密度聚乙 烯.甲基丙烯酸甲酯 與苯乙烯共聚物.多 孔聚四氟乙烯.聚甲 基丙烯酸甲酯碳纖維 複合物、氧化鋯陶瓷 人工角膜 提供光線傳遞到視網
膜的途徑
甲基丙烯酸酯類共聚 物水凝膠.共聚滌綸.
矽橡膠
人工淚管 矯治淚道慢性阻塞 矽橡膠.聚甲基丙烯 酸酯
隱形眼鏡 矯正視力,治療角膜 疾患
聚甲基丙烯酸羥乙 酯.矽橡膠.聚氨基 酸.甲殼素衍生物 人工中耳骨 替代病變中耳骨,康
復聽力
聚四氟乙烯與碳纖維 複合物Froplest.聚甲 基丙烯酸羥乙酯與羥 基磷石共混物
Ceravial、甲基丙烯酸 甲酯與苯乙烯共聚多 孔骨水泥.聚乙烯
耳鼓膜 康復聽力 矽橡膠
人工食道 食道根除術後重建食 道
矽橡膠滌綸複合物.
聚乙烯.聚四氟乙烯.
天然橡膠 骨板.骨釘.脊椎釘 骨折修復,排列錯位
校正,矯正慢性脊柱 彎曲
碳纖維複合材料.聚 乳酸.聚乙烯醇複合 材料.鈦合金
齒科材料 齒修補.替代 尼龍.聚甲基丙烯酸
甲酯.聚碳酸酯.氯乙 烯與醋酸乙烯共聚 物.矽橡膠.環氧樹 脂.聚苯乙烯.吸水樹 脂
人工乳房 乳房修復.整容 矽橡膠.矽凝膠.氟矽 橡膠
人工睾丸 睾丸修復 矽橡膠
人工陰莖 治療器官性陽痿 矽橡膠.聚氨酯.聚甲 基丙烯酸酯
各種醫用插管 治療過程中引流.輸 液.檢查
聚乙烯.聚氯乙烯.矽 橡膠.天然橡膠.聚氨 酯.聚四氟乙烯
注射器 注射液體.藥物至人
體
聚丙烯.聚乙烯、聚苯 乙烯.聚氯乙烯.天然 橡膠
輸血器具 向人體輸液.輸血 聚氯乙烯.聚丙烯.聚 乙烯.ABS 樹脂.尼 龍
醫用手套.指套 檢查疾患.手術時醫 生使用
天然膠乳
組織黏著劑 用黏合代替縫合 a-(氣+青)基丙烯酸 丁酯.亞甲基丙二酸 酯類.聚氨酯予聚 物.GRF膠(由明膠.
間苯二酚.甲醛組 成).環氧樹脂.蛋白 膠
生醫材料除了材料本身的分子結構所造成的力學性質有關之 外，材料的表面是直接與使用環境接觸，所以材料的表面性質可以決 定材料是否適用的關鍵。而材料表面的張力、電性、型態、及成分等，
都影響著材料是否適用的重要因素。e-PTFE為多孔性材料，加上碳－
氟之間的鍵結是較強的共價鍵，屬於高惰性材料，有極佳的生物相容 性，所以是一種很好的植入材料。它多孔的性質可讓生物細胞朝孔洞 內生長，使植入材料在生物體中有較長的使用壽命【14】。
e-PTFE是高分子材料，有著穩定的物理和化學性質，生物相容性 也高，與人體相容性良好，是優良的成行填充性材料，作為隆鼻材料、
人工血管、人工骨骼及人工器官等【12-14】。
2.2 微流道的應用 2.2.1 微流道的發展
微流道的大小一般是10~50 m，而廣義的定義為一管道系統中至 少有一個方向的尺寸小於1 mm，就算是微流道【3】。
高分子材料和金屬在製程上相較之下，有著成本低、塑性高、產 量高的優勢，雖然就強度而言高分子材料比金屬材料差，但在耐用壽 命及生物相容性上都有良好的效能，擁有這些金屬材料所沒有的優 點，讓高分子材料在微型元件的應用領域更廣泛；尤其在生醫材料的 應用上。
近幾年，電子產品不斷的追求輕薄短小，微機電系統也朝此方向 發展。這股風氣也帶動了塑膠高分子材料一個新的發展方向，使用高 分子材料製造微結構……等應用。而微機電系統技術結合了電子、電
機、光電、資訊、機械、材料、控制與生化等多種不同領域的技術，
在系統中所需各種微型零件，如：微小齒輪、微流道、微渦輪等（圖 2.3）【15-17】。
微機電系統在生醫科技上的應用有：生物流體的檢測、藥物的傳 遞與分離、生物檢測系統等【18】。
（a） （c）
圖2.3 （a）微齒輪【17】（b）微流道【16】（c）微流道【15】。
2.2.2 微流道在生醫領域上的應用
現今，高分子材料製作成各種微流體元件，用於生物、醫藥檢測 等多方面的應用。高分子的材料因重量輕、表面改質容易、加工容易、
生物相容性良好等多種優點，非常適合做為生物檢測元件之材料
（b）
【19】。
微流體生物晶片利用微流道把微流體（含生物的分子流體）導入 微流體生物晶片中，用機械或非機械的的方式驅動，以利微流體在微 流道中（Microchannel）中充分的混合或分離，進行各項檢測反應實 驗分析流程（圖2.4）。光學檢測是將微流體所發出的有色光加以分 析，可分析出流體的內容物、成份、化學反應生成物、濃度等資訊。
圖（2.5），晶片的正面有數百個壓印頭可同時壓印上百個不同的檢 體，而背後的填充流道部分，可同時充填各種不同的檢體【20】。
圖2.4 陣列式微流道血液感測晶片的操作原理【20】。
圖2.5 微系統製程所生產的微壓印晶片【21】。
電 泳 是 由於 帶電物 質 在 電場 中受吸 引 或 排斥 而遷移 所 形 成
【22】。傳統的電泳技術分離效率差、又受到熱的限制【23】，因此 在 1967 年，Hjerten 使用 3 mm 內徑的石英管並在高電場下進行電泳 分離，這是最早使用毛細管電泳的例子【24】。毛 細 管 電 泳 (Capillary Electrophoresis) 是 一 種 使 用 極 細 內 徑 (10-200 mm) 的 毛 細 管 ， 在 高 電 壓 下 (1-30 KV)能 將 帶 電 或 非 帶 電 物 質 高 效 率 分 離 的 技 術 【 25】。 毛 細 管 電 泳 的 技 術 已 經 發 展 的 相 當 成 熟 ， 它 有 著 高解析度、高分離效率的優點，所以它的應用與發展不斷的 被改進與創新【26】。
2.2.3 微流道製造方法
現今微流道（Micro Channel）（圖 2.6）【27】的製造在成型方 法上有兩大類：（1）熱壓印成型法，（2）半導體製程成型法，而兩 者中屬熱壓印成型法（Hot Embossing）的發展較為完整。
圖 2.6 塑膠高分子基材上的微流道【27】。
熱壓印成型法的加工成型過程如圖 2.7【28】，先將模具（在上）
與基材（在下）一同放至真空室，並抽真空，加熱到材料的轉換溫度 以上，此時，上模模具對基材施以高壓，將模具上的微結構複製到基 材上。接著持壓和冷卻後再脫模，取出基材，基材上的微結構完成。
圖 2.7 熱壓印成型流程示意圖【28】。
半 導 體 製 程 成 型 法 依 技 術 發 展 先 後 分 為 體 型 加 工 法 (Bulk Micromachining)與面型加工法(Surface Micromachining)兩種。
（1） 體型加工法：如圖 2.8，利用特殊的腐蝕技術(如 KOH，
TMAH 的濕腐蝕液，或甚至是 ICP 電漿)，非等向性 (Anisotropically)地在矽晶圓上加工出微流道凹槽，然後 再與另一片晶圓或玻璃作緊密的接合，完成封閉式流道構 型【29】。
圖 2.8 體型加工的微流道示意【29】。
（2） 面型加工法：如圖 2.9，此方法類似積體電路的製作，使 之具有微米等級的加工空間解析度，只要依序在基板上堆 疊犧牲層(Sacrificial Layer; 此地的犧牲層圖案就是微流 道的圖案，犧牲層的厚度就是微流道的高度)，再覆蓋式 地沉積結構層(Structural Layer)材料，最後去除犧牲層，
便能雕琢出中空的微流道【29】。
圖 2.9 面型微細加工法的微流道示意圖【29】。
2.3 電漿表面改質 2.3.1 電漿的發展史
電漿（Plasma）是從 18 世紀末開始被研究的，到了 20 世紀，第 二次世界大戰後，發展的更迅速。最早富蘭克林（B. Franklin，
1706-1790）用金屬線把風箏放至雷雲中，在金屬線和大地間的空氣 引起火花放電。不久後，法拉第（M. Faraday，1791-1867）、克魯克 斯（W. Crookes，1832-1919）發現在低壓下放電所生成的氣體有著 一般物質（固體、液體、氣體）所沒有的性質，湯姆森（J. J. Thomson，
1856-1940）與陶森得（J. S. Townsend，1868-1957）繼續電漿的研究。
後來，美國 G.E.公司的研究員郎謬爾（I. Langmuir，1881-1957）在 低壓下放電所生成的氣體有著特殊的振動，稱之為電漿振動（Plasma Oscillation）。從此電漿被廣泛的研究，並應用在各方面【30】。
一般我們所熟知的物體有三態，固態、液態、氣態。當固體吸收 能量後原子開使移動、晶格開使振動，變成液體；不斷的吸收能量再 變成液體，進而轉變成氣體，持續的吸收能量，氣體分子被解離成電 子與離子（兩者的運動方向並無固定），而形成電漿（Plasma），圖 2.10。電漿是固態、液態、氣態之外的型態，故又稱為物質的第四態
【31】。
當氣體不斷的吸收能量時，其分子被解離成離子與電子，此現象
為離子化（Ionization）氣體電漿，圖 2.11【31】。
圖 2.10 物質的四態變化順序【31】。
圖 2.11 離子化示意圖【31】。
2.3.2 高分子材料的電漿表面改質
電漿依溫度高低可分為熱電漿（Thermal Plasma）和低溫電漿
（Cold Plasma）【32,33】，熱電漿的溫度大於 10000°k，屬於熱平 衡狀態；而低溫電漿的溫度大約到 300°k，屬於非熱平衡狀態【34】。
電漿技術依功能性來分類，可分為四大類：
（1） 表面蝕刻
（2） 表面清潔
（3） 表面官能機化
（4） 交聯
2.3.2.1 電漿表面蝕刻
電漿的蝕刻機制可分為物理行蝕刻及化學性蝕刻，又可細分為四 種蝕刻形態【35】：
1. 物 理 性 濺 擊 蝕 刻 （ Sputtering Etching, Ion Bombardment Etching）：
使用偏壓讓電漿中的離子加速轟擊基材表面，藉著離子 的能兩轉移，將基材的原子鍵結打斷，並轟擊出材料表面，
再經由抽氣系統抽出真空腔外（如圖 2.12-a）。
2. 化學性蝕刻（Chemical Etching）：
基材表面與電漿中的自由基產生反應，形成揮發性物
質，之後由抽氣系統抽出真空腔外達到蝕刻效果。若形成低 揮發性物 質則會沉積在基材表面，阻礙蝕 刻進行（如圖 2.12-b）。
3. 離子加強蝕刻（Ion-enhanced Etching）：
如活性基能量不足以將基材表面的原子鍵結打斷，進而 產生反應，則必需利用離子轟擊材料表面，使其原子鍵結斷 裂，活性基與材料表面產生反應並生成揮發性物質，而達到 蝕刻效果（如圖 2.12-c）。
4. 離子輔助蝕刻（Ion-assisted Etching）：
基材表面和電漿中的活性基產生化學反應會產生沉積 物，利用離子轟擊把這些沉積物帶走，以利電漿不斷的與基 材表面產生反應（如圖 2.12-d）。
圖 2.12 電漿表面蝕刻之機制【35】。
2.3.2.2 表面清潔
電漿中的電子、離子、自由基等，會與材料表面的汙染物或其它 分子產生化合反應，形成易揮發的物質，或是入射（Incident）離子 撞擊材料表面產生熱能傳遞與其它分子化合，形成易揮發的物質，最 後被真空幫浦抽走或經由後處理把汙染物清除【36】。
2.3.2.3 表面官能機化
材料經由電漿表面改質後，會產生官能基群（Function Group），
使改質後的材料表面會與批覆的材料產生較好的黏附性。或是使材料 表面產生親水或疏水的官能基。圖 2.13【37】。
（a）
（b）
（d）
（c）
圖 2.13 電漿聚合示意圖【37】。
2.3.2.4 交聯
電漿加工的過程中，電漿裡的活性粒子與材料表面發生撞擊、化 合，使材料表面活化而產生自由基（Free Radicals），自由基活性高，
容易與其它自由基或分子元素結合，產生交聯或接枝（Graft）作用，
材料表面的性質改變，表面自由能（Surface Free Energy）跟著升高
【38】。
2.3.3 生醫材料的電漿表面改質
自1988年D. Kiaei與T. A. Horbett等人運用冷電漿做材料表面改
質，讓材料適合做為生醫材料並具有生物活化性。利用TFE
（Tetrafluoro Ethylene）氣體電漿進行PTFE（Polytetrafluoroethylene）
管狀材料的表面改質。改質過後，表面的CF3濃度提高，以做為抗凝 血材料之用【39】。A. Garfikle和R. Sipehia以PS、PMMA和Silicone 利用氨氣電漿做表面改質，使用兔子的眼角膜細胞，並觀察細胞在材 料表面的生長貼附情形，最後證明細胞在經過氨氣電漿表面改質，有 優異的生物相容性【40】。
一般生醫用的高分子材料的表面化學結構穩定，且大多以碳鏈與 碳基團結構為主，不具極性基的高分子聚合物，而屬於疏水性基材。
因此，藉由表面改質技術來導入親水性、極性基群以改變基材表面性 質使其成為親水性材料，可擴充其應用的範圍【41】。電漿表面改質 可使被改質材料的表面具有親水性或疏水性，如：利用氧氣電漿對 e-PTFE做表面改質，使其具有疏水性，做導流管之用。
目前在生醫材料領域所使用的表面處理方法，包括有：離子輻射 接枝聚合（Ionizing Radiation Graft Polymerization）、電漿氣體放電
（Plasma Gas Discharge）、光化學接枝反應（Photochemical Grafting）、 臭氧接枝反應（Ozone Grafting）等【42-44】，應用於形成生物相容 表面之前處理或輔助技術。低溫電漿處理技術便是許多表面處理技術 中有效的前處理或輔助方法，並因其具有極低污染、極少中間產物等
特性，符合環保而漸廣為使用。表2.3，為電漿表面改質在生醫材料 的應用。
表2.3 電漿表面改質在生醫材料上的應用【45】
應用 物件 材料 目的
生物感測器 感測器薄膜、
診斷用生物感 測器
PC, Cellulose, Cuprophane, PP,
PS
生物分子固定防表 面沾汙
生物分離 分離薄膜、血液 透析薄膜
PP, Cellulose Derivatives, PSF
表面抗沾粘 加強濕潤性 增進生物相容性 人工心血管 人工血管、導管 PET, PTFE
PE, SiR, PVC, PU
增進生物相容性 加強濕潤性 增進生物相容性 潤滑鍍層
減少摩擦 抗菌保護
牙科 植牙 Ti Alloys 增加細胞生長
眼科 隱形眼鏡
人造角膜
PMMA.SiR
PMMA.SiR PVA.PHEMA
加強濕潤性 增進生物相容性 抗菌保護
加強濕潤性 增加細胞生長
整形外科 金屬植入物
人工關節 人工韌帶 人工骨板
Ti-Ni, Co-Cr Alloys
UHMWPE PET
PGA, PLA
表面清潔
增進細胞貼附/生長 增進生物相容性 增進骨泥接合性 增進骨頭組織成長 提升機械強度
藥物配置 藥物控制釋放
元件
SiR, Hydrogel, PGA, PLA
減少分子擴散 控制藥物釋放 組織培養 組織培養皿 PS, PET 增進細胞貼附/生長
加強濕潤性 表面抗沾污
基礎實驗 Polymers,
Metals, Glass, Ceramics, Composites
生物與電漿放電間 的相互反應-表面改 質
其他用途 一般醫用器材 消毒、表面清潔、增
加黏附性
2.3.4 PTFE 的電漿表面改質
PTFE的電漿表面改質方法有：氧氣電漿、射頻（RF, Radio Frequency）電漿系統改質、輝光放電（Glow Discharge）、UV誘導接 枝聚合等【46,47】。
E. T. Kang與K. L. Tan等人於1996年利用氬氣電漿對PTFE做前處
理，接著以UV誘導接枝聚合的方式，成功的接上AAc(Acrylic Acid)、
NaSS (Sodium Salt of Styrenesulfonic Acid) 和 DMAA (N,N-dimethylacrylamide)，使PTFE具有親水性質【48】。Y. Yamada, S.
Tasaka等人把PTFE經氫氣電漿改質過後，PTFE的濕潤性大幅提升
【49】。
1997年N. Inagaki, S. Tasaka以RF（Radio Frequency）系統氬氣電 漿活化PTFE表面，使表面生成過氧化物（Peroxide），有利於Sodium Vinylsulfonate與PTFE的接枝，接觸角為75°~84°【50】。W. L. Lin等人 以氬氣和氮氣電漿處理PTFE做表面改質，得到較親水性的表面【51】。 1999年 N. Inagaki et al.用射頻（RF）氫氣電漿對PTFE改質，改 質後，其接觸從118°降至77°【52】。
2000年J. Nakamatsu et al.以大氣輝光放電電漿（Glow Discharge Plasma）將PTFE表面進行改質，並將試片放置在不同的環境底下討 論時效性的問題。改質後的試片濕潤角為45°，接著放在22 ℃的室 內、90 ℃的水中和100 ℃的烤箱保存，其中放置在100 ℃的烤箱的 PTFE試片120小時後，濕潤角恢復至未改質前的110°；而存放在水中 的試片，濕潤角為50°；放在22 ℃的室內的試片在480小時後，濕潤 角為80°由此觀之，PTFE經電漿改質後存放在水中的時效性最好
【53】。S. R. Kim利用氧氣、氬氣電漿對PTFE表面改質，氬氣電漿改
質後，PTFE表面產生許多自由基，曝露於大氣底下易生成過氧自由 基；氧氣電漿會對PTFE試片表面持續的蝕刻，O/C降低【54】。C. Y. Tu 研究以乙炔/氮氣(C2H2/N2)混合氣體電漿，以電漿聚合方式進行表面 改質多孔性鐵弗龍薄膜（e-PTFE），以提昇其膜材表面親水性。研究 中發現，隨著乙炔/氮氣混合氣體中之氮氣含量，電漿功率及電漿聚 合時間上升，膜表面親水性隨之提昇。而原本多孔之鐵弗龍薄膜經電 漿聚合改質後膜表面孔徑減小【55】。
2001年D. J. Wilson等人使用低功率的氧氣、氮氣、氨氣和氬氣電 漿改質PTFE，發現氬氣電漿能將PTFE表面的自由基打出最多，所以 當PTFE曝露於空氣中時，與水氣、氧氣結合，表面官能基含量增加，
濕潤性也隨之增加【56】。D. J. Wilson發現PTFE經電漿改質後，儲存 於PBS（Phosphate-Buffered Saline）中能增加濕潤性；置放更久的試 片，能恢復些許的濕潤性【57】。
2002年König et al.使用水氣/二氧化碳和水氣/氫氣混合電漿處 理PTFE試片，發現電漿處理過的試片受到儲存環境的影響甚大；儲 存於水中能保有良好的親水性，而存放在大氣中會使親水性變差
【58】。
2003年H. Xu et al.利用水氣/氬氣混合電漿對PTFE做表面改 質，研究中發現改質的效果只能達到一定的深度；如處理時間增長，
並不會增加改質效果。試片存放的環境對親水性造成很大的影響，推 測因為活性物種空間分布與溫度不同造成的影響【59】。
2004年C. Z. Liu等人用DBD（Dielectric Barrier Discharge）電漿 RF( Radio Frequency )電漿對PTFE做表面改質，並觀察它的表面濕潤 性、化學性質與微結構的改變。發現兩種電漿會因為改變材料的表面 化學性質與微結構而顯著的增加濕潤性。電漿的功率也會影響改質後 的濕潤角；功率越大濕潤性越好。RF( Radio Frequency )電漿改質後 的角度可至61°，而DBD（Dielectric Barrier Discharge）電漿改質後的 角度可至69°；證明了兩種不同形式的電漿系統都會增加PTFE的表面 試濕潤性（Wettability）【60】。
2005年C. Y. Tu et al.將PTFE試片分別放入氫氣與臭氧（O3）混 合氣體電漿中做改質。氫氣電漿中PTFE表面的氟會被氫所取代而形 成碳氫鍵（C-H）；臭氧電漿中會在表面形成過氧化基群（Peroxide Group），在電漿表面改質後，PTFE表面的親水性會有明顯的增加；
濕潤角可達到21°，並可確保PTFE良好的黏附性【61】。
第三章 實驗設備及步驟
3.1 實驗流程
試片前處理
電漿表面改質 熱壓機壓印成型
試片前處理
PECVD 參數設定
電漿功率
氣體流量
處理時間
試片分析：
接觸角測量、SEM 掃瞄和 FTIR 掃瞄
結果與討論
3.2 實驗設備
3.2.1 熱壓機裝置 (Hot Embossing)
此實驗所用之熱壓機是由泛達科技公司所代理美國 Carver 製造 精密加熱成型機（圖 3.1）。有兩大主要系統：
（1） 精密加熱成型系統：Model：Auto “C”、Catalog Number：3889。
（2） 程式控制系統：此系統可做壓力設定、速度及熱壓時間，液晶 顯示面板可顯示即時壓力。並可儲存 10 筆壓力和時間設定等參 數。最大壓力可到 3000 磅。
3.2.2 電漿輔助化學氣相沉積系統（PECVD）：
在 PECVD（Plasma Enhance Chemical Vapor Deposition）系統中，
有二個部分：
（1） 電漿處理系統（圖 3.2）：
PECVD 系統使用 RF Plasma Generator 作為電源系統，RF 的功率 可調整，最大 500W，提供 RF（Radio Frequency）電磁波進而產生電 漿，使為輔助能量，用以降低化學沉積反應溫度，將反應腔體中的氣 體解離而產生電漿，電漿的氣體分子活性較高與基材表面反應，也會 對基材表面有物理轟擊及化學蝕刻作用，產生固相沉澱堆疊成薄膜；
而且，電漿中的自由基會加快化學反應速度。
腔體的內部是上下兩片電極板組成，為鋁製電極（圖 3.3），高
度控制器可調整真空腔體中下電極板的高度，進而控制 RF 的反射功 率。反應氣體是由上方電極板導入兩電極板之間的區域，在兩電極板 之間加上射頻（RF）時，二極間有輝光放電的現象發生，而此時所 產生的電漿是以淋浴的方式對基材做表面處理，電漿的密度較均勻。
腔體中的壓力是由流量控制器去控制氣體流量及壓力控制器（圖 3.4）
控制腔體內的閥門的開與關，也可設定腔體內的工作壓力。而實驗過 程所產生的廢氣由幫浦（圖 3.5）抽出，並送至廢氣處裡系統。
（2） 氣體控制裝置
本實所使用之氣體經由 5850E 質量流量控制器（日本 Ueshima Brooks 公司製造）（圖 3.6），流量由 Arenatec RP-104T 流量控制器（圖 3.7）控制氣體流量導入電漿系統中。Arenatec RP-104T 流量控制器 所顯示的流量是 5850E 質量流量控制器所能承受的最大流量的百分 比，如：5850E 質量流量控制器最大流量為 200 sccm；所需氣體流 量 20 sccm，則 Arenatec RP-104T 流量控制器顯示為 10%。
sccm（Standard Cubic Centimeter per Minute）。 3.2.3 氣體
實驗所用氣體為氧氣（O2）、氬氣（Ar）及 5%的氫氣/氬氣混合 氣（5%H2+Ar）。
圖 3.1 精密加熱壓印成型機。
圖 3.2 PECVD 電漿處理系統 。
圖 3.3 電漿處理系統腔體。
圖 3.4 腔內壓力控制器。
圖 3.5 Alcatel Vacuum Technology France 真空幫浦。
圖 3.5 5850E 質量流量控制器（日本 Ueshima Brooks 公司製造）。
圖 3.7 Arenatec RP-104T 氣體流量控制器。
3.3 試片準備
實驗使用試片為 Expanded Polytetrafluoroethylene（e-PTFE）（圖 3.9）宇明泰公司提供，將試片裁切成 20 mm×10 mm×3 mm 的尺寸，
再使用經 WEDM（Wire Electrical Discharge Machining）加工成型之 微流道母模基板和經 CNC 銑床加工成型之微流道基板（圖 3.10、圖 3.11）。以精密加熱成型機壓印微流道，接著以震洗機清潔試片後，
開始電漿處理。
圖 3.8 e-PTFE 試片。
圖 3.9 經 WEDM（Wire Electrical Discharge Machining）加工成型之 微流道基板（WC）。
圖 3.10 經 CNC 銑床加工成型之微流道基板（鋼）。
3.4 實驗步驟
（1）e-PTFE 試片先用精密加熱成型機加壓使流道成型。
（2）將壓印過的 e-PTFE 試片放置於 PECVD 系統腔體內，再利用真 空幫浦把腔內壓力抽至 10 mTorr 以下。
（3）待壓力到達 10 mTorr，通入實驗所用之氣體，再調整氣體所需 之流量；腔內壓力 50 mTorr 時，將腔內平臺調整至所需高度，
接著開啟 RF 開關，調整功率。
（4）輸入表面改質的參數、條件。
（5）如一試片上需兩種不同的電漿改質效果，先使用氧氣電漿改質 後再使用不鏽鋼光罩（圖 3.11），再進行氬氣電漿改質。
（6）本實驗所用的試片均以相同的時間和氣體流量（功率 100W 至 500W）做電漿處理。
（7）改質後的試片在其表面上滴一滴水珠，以數位相機記錄試片表 面的接觸角（Contact Angle）。
（8）將改質過的 e-PTFE 使用 SEM（電子掃瞄顯微鏡）（圖 3.12）
觀察表面改質及微結構情形。
（9）使用 FTIR（Fourier Transform Infra-Red）光譜儀掃瞄改質過的 e-PTFE 試片。
圖 3.11 不鏽鋼光罩。
圖 3.12 SEM（電子掃瞄顯微鏡）。
3.5 實驗參數
表 3.1 射頻（RF）電漿系統處理之參數
氣體 功率
氧氣（O2） 氬氣（Ar） O2+Ar （5%H2+Ar）+ O2
100 W 20 Min.
20 sccm
20 Min.
20 sccm
20 Min.
(10+10)sccm
20 Min.
(10+10)sccm 200 W 20 Min.
20 sccm
20 Min.
20 sccm
20 Min.
(10+10)sccm
20 Min.
(10+10)sccm 300 W 20 Min.
20 sccm
20 Min.
20 sccm
20 Min.
(10+10)sccm
20 Min.
(10+10)sccm 400 W 20 Min.
20 sccm
20 Min.
20 sccm
20 Min.
(10+10)sccm
20 Min.
(10+10)sccm 500 W 20 Min.
20 sccm
20 Min.
20 sccm
20 Min.
(10+10)sccm
20 Min.
(10+10)sccm
表 3.2 區域性電漿表面改質參數
Power (W) Time (Min.) 氧氣流量(sccm) 氬氣流量(sccm)
500 5 20 20
500 10 20 20
500 15 20 20
500 20 20 20
第四章 實驗結果與討論
4.1 電漿對 e-PTFE 表面親水、疏水性質之影響
4.1.1 氧氣(O2)電漿對 e-PTFE 表面親水、疏水性質之影響
本實驗以厚度 3 mm 的 e-PTFE 試片未經電漿改質量測其接觸 角，約為 110°，如圖 4.1。圖 4.2 為以 SEM 觀察表面型態之圖，可 清楚看出節點（Node）與纖維（Fiber）組合而成的結構。圖 4.3 為 未改質 e-PTFE 的 FTIR（Fourier Transform Infra-Red）光譜圖。實驗 中以相同的參數不同的 RF 功率（W）改質後，觀察濕潤角的變化情 形。
由圖 4.4 可以看出，當 RF 的功率越大，處理後的試片接觸角也 越大，具有顯著的超疏水效果。圖 4.5 為 RF 功率 500W，氧氣電漿 處理後濕潤實驗結果，接觸角已達 146°。這是因為 RF 功率越高，使 氧氣濃度分佈也較均勻，氧氣充分的被解離，所以氧氣對 e-PTFE 試 片產生蝕刻作用，進而產生微小的針狀組織，如圖 4.6（b）雖然針 狀組織不如圖 4.6（a）的明顯，但試片表面的針狀組織使其產生類 似荷葉效應（Lotus Effect），所以有疏水的效果，從圖 4.7 之光譜圖 可看出氧氣電漿把 e-PTFE 中的碳（C）與氟（F）打出，而有利於疏 水之針狀組織形成，RF 功率 100W 時，改質前後的效果並無太大的 差異，所以其接觸角改變幅度不大。圖 4.10 為電漿光譜：氧氣流量
20 sccm，RF 功率 100W，進行 20 分鐘 e-PTFE 表面改質，與 RF 功 率 500W 相比，e-PTFE 中的碳（C）與氟（F）元素被激發的電子軌 域數量明顯較少。圖 4.11 可看出氧（O2）、碳（C）和氟（F）從光 譜儀所測得的訊號強度（Intensity）隨著 RF 功率的上升而增加，氧
（O2）、碳（C）和氟（F）強度越高，產生微小的針狀組織，測得試 片上的接觸角（Contact Angle）越大。
圖 4.1 e-PTFE 試片未經電漿表面改質的接觸角約為 110°。
圖 4.2 以電子掃瞄顯微鏡觀察 e-PTFE 表面型態。
圖 4.3 經 FTIR 掃瞄之未改質 e-PTFE 光譜圖。
505.90 551.39
637.26 724.76
777.84
830.91
1151.36 1208.75 1499.08
1617.72 2869.84
60 65 70 75 80 85 90 95 100 105
%Transmittance
1000 1500
2000 2500
3000 3500
4000
Wavenumbers (cm-1)
C-F：520~830 cm-1 -CF3：~1240 cm-1 -CF3：505~600 cm-1 -CF2：~1150 cm-1
O2電漿
117
126
137
145 146
100 110 120 130 140 150
100 200 300 400 500
W
Contact Angle(Degree
圖 4.4 以氧氣流量 20 sccm 進行 20 分鐘 e-PTFE 表面改質，RF 功率 與濕潤角之關係。
圖 4.5 以氧氣流量 20 sccm，RF 功率 500W，進行 20 分鐘 e-PTFE 表面改質。
（a） （b）
圖 4.6 以氧氣流量 20 sccm，RF 功率（a）400W（b）500W，進行 20 分鐘 e-PTFE 表面改質。
圖 4.7 電漿光譜：氧氣流量 20 sccm，RF 功率 500W，進行 20 分鐘 e-PTFE 表面改質。
C
C C F
F F
圖 4.8 以氧氣流量 20 sccm，RF 功率 100W，進行 20 分鐘 e-PTFE 表 面改質。
圖 4.9 以 SEM 觀察在功率 100W、流量 20 sccm、時間 20 分氧氣電 漿改質後的 e-PTFE 表面。
圖 4.10 電漿光譜：氧氣流量 20 sccm，RF 功率 100W，進行 20 分 鐘 e-PTFE 表面改質。
氧氣電漿
72
130 194
240 296
43 55 83
157 350
39
150 150
198 225
0 100 200 300 400
100 200 300 400 500
W
Intensity O2
C F
圖 4.11 RF 功率與氧氣（O2）電漿中的元素強度關係圖。
C F C
4.1.2 氬氣(Ar)電漿對 e-PTFE 表面親水、疏水性質之影響
此實驗以 PECVD 電漿處理系統功率 100W 至 500W、氣體流量 20 sccm、時間 20 分鐘進行氬氣(Ar)電漿表面改質，觀察 e-PTFE 表 面濕潤角的變化情形。結果如圖 4.12，使用功率 100W 至 500W、氣 體流量 20 sccm、時間 20 分鐘的參數改質後均有著親水的特性。圖 4.13 為經氬氣電漿，在功率 500W、流量 20 sccm、時間 20 分鐘表 面改質後所測得之接觸角為 32°。因為經過氬氣電漿的物理轟擊
（Bombardment），把 e-PTFE 表面的自由基打出，接觸到大氣後而導 入親水官能基，使得 e-PTFE 材料表面的濕潤行為更加明顯。圖 4.14 為以 SEM 觀察在功率 100W 及 500W、流量 20 sccm、時間 20 分鐘 以氬氣(Ar)電漿改質後的 e-PTFE 表面。圖 4.14（b）雖然試片表面 有著針狀組織，但 FTIR 分析 C-F 鍵強度明顯減弱，因此材料表面呈 現親水狀態。圖 4.14（a）（低功率 100W）與未改質的試片表面差異 不大，但因經氬氣電漿的轟擊，產生親水官能基，故表面呈現了親水 性。圖 4.15 得知氬氣電漿把 e-PTFE 試片中的碳（C）與氟（F）打 出並激發，使試片上生成許多自由基，接觸到大氣後而導入親水官能 基，故 RF 功率越大親水性越好。圖 4.16 可以看出試片上的 CF2和 C-F 鍵結強度較未改質（圖 4.3）的 e-PTFE 試片弱了許多，氬氣電 漿轟擊試片產生自由基，與大氣結合生成 C-H 鍵或 O-H 鍵，因而產
生親水效果。
Ar
85 77
64
48
32 0
20 40 60 80 100
100 200 300 400 500
W
Contact Angle(Degree
圖 4.12 氬氣電漿表面改質，RF 功率與濕潤角之關係。
圖 4.13 氬氣電漿表面改質後的濕潤角為 32°（功率 500W、流量 20 sccm、時間 20 分鐘）。
（a） （b）
圖 4.14 以氬氣流量 20 sccm，RF 功率（a）100W（b）500W，進行 20 分鐘 e-PTFE 表面改質。
氬氣電漿
290
365 391 385 403
177 187 209 232 245 400 408 413 417 425
0 100 200 300 400 500
100 200 300 400 500
W
Intensity Ar
C F
圖 4.15 RF 功率與氬氣（Ar）電漿中的元素強度關係圖。
圖 4.16 e-PTFE 經氬氣電漿改質後以 FTIR 掃瞄圖（RF 功率 500W、
流量 20 sccm、時間 20 分鐘）。
511.02 550.70 637.02 1154.07
1210.22 1446.72
1508.56 1606.59 1882.47 2360.12
2869.54 3643.18
3664.30 3765.20
60 65 70 75 80 85 90 95 100 105
%Transmittance
1000 1500
2000 2500
3000 3500
4000
Wavenumbers (cm-1)
C-F：520~830 cm-1 -CF3：505~600 cm-1 -CF2：~1150 cm-1 O-H：2300~2370 cm-1 C-H：1470~1600 cm-1
4.1.3 氬氣（Ar）加氧氣（O2）混合電漿對 e-PTFE 表面親水、疏水 性質之影響
使用氬氣（Ar）加氧氣（O2）電漿做 e-PTFE 表面改質（流量各 為 10 sccm，共 20 sccm），所有實驗參數都與前節相同，並觀察接觸 角的變化，如圖 4.17。圖 4.18（a）為氬氣、氧氣混合電漿 RF 功率 100W，處理後所得之接觸角 97°，（b）為混合電漿 RF 功率 500W，
處理後所得之接觸角 141°。圖 4.19 以 SEM 觀察氬氣、氧氣混合電 漿處理後的 e-PTFE 表面。由圖 4.20 與圖 4.21 可以看出 e-PTFE 經 由氬氣（Ar）電漿的物理轟擊後，產生較多的自由基，這時會發生與 氧氣（O2）電漿改質相同的效果；電漿把 e-PTFE 中的碳（C）與氟
（F）打出，利於疏水針狀組織的產生，所以當 RF 功率大於 300W 時 效果會更為顯著。圖 4.22 氬氣氧氣混合電漿所激發元素的強度較氬 氣電漿或氧氣電漿高，但氬氣的加入稍稍減少了氧氣的蝕刻作用，所 以疏水的針狀組織跟氧氣電漿改質後的疏水性質相同，所得到的接觸 角（Contact Angle）差異不大。由圖 4.23 得知氬氣電漿的轟擊作用 與氧氣電漿的蝕刻作用會使 C-F 鍵的強度稍微變弱，因針狀組織的形 成，使試片表面產生疏水的效果；2358 cm-1處有 O-H 的產生，但因 為強度較低，並不影響試片的疏水效果。圖 4.23 中因大量的保護氣 體：氮氣（N2）與清潔載台的酒精的殘留使得 3000~3500wavenumber
（cm-1）處有雜訊的產生。
Ar+O2
97
123 133 137 141
80 100 120 140 160
100 200 300 400 500
W
Contact Angle(Degree
圖 4.17 氬氣、氧氣混合電漿表面改質，RF 功率與濕潤角之關係。
（a） （b）
圖 4.18 氬氣、氧氣混合電漿處理後所得之接觸角（a）RF 功率 100W，
（b）RF 功率 500W。
（a） （b）
圖 4.19 以 SEM 觀察氬氣/氧氣混合電漿處理後，e-PTFE 表面（a）
RF 功率 100W（b）RF 功率 500W。
圖 4.20 電漿光譜：氬氣（Ar）加氧氣（O2）電漿，流量 20 sccm，
RF 功率 100W，進行 20 分鐘 e-PTFE 表面改質。
CO2
圖 4.21 電漿光譜：氬氣（Ar）加氧氣（O2）電漿，流量 20 sccm，
RF 功率 500W，進行 20 分鐘 e-PTFE 表面改質。
Ar+O2電漿
137 215 220 304 333
273 429 501 606 672
279 422
597 743 832
128 215 305 441 504
486 644
800
1061 1166
0 500 1000 1500
100 200 300 400 500
W
Intensity O
C F CO2 Ar
圖 4.22 RF 功率與氬氣（Ar）加氧氣（O2）混合電漿中的元素強度 關係圖。
CO2
圖 4.23 經氬氣（Ar）加氧氣（O2）電漿改質後以 FTIR 掃瞄圖（流 量 20 sccm，RF 功率 500W，時間 20 分鐘）。
507.46 554.68 625.51 639.92
1151.18 1206.80 2338.75
2358.10
60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110
%Transmittance
1000 1500
2000 2500
3000 3500
4000
Wavenumbers (cm-1)
C-F：520~830 cm-1 -CF3：~1240 cm-1 -CF3：505~600 cm-1 -CF2：~1150 cm-1 O-H：2300~2370 cm-1
