行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
微機電技術製作之實驗光碟片用於微流晶片的研究發展
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計畫類別： 個別型計畫
計畫編號： NSC91-2212-E-006-138-
執行期間： 91 年 08 月 01 日至 92 年 07 月 31 日 執行單位： 國立成功大學航空太空工程學系（所）
計畫主持人： 呂宗行
計畫參與人員： 張珮郁, 林叡酉
報告類型： 完整報告
處理方式： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 92 年 10 月 8 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫期末報告
微機電技術製作之實驗光碟片用於微流晶片的研究發展 Development of MEMS-Based Lab_On_A_CD Technology
for Microfluidic Chip Applications 計畫編號：NSC 91-2212-E-006-138
執行期限：91 年 8 月 1 日至 92 年 7 月 31 日
主持人：呂宗行 教授 成功大學 航空太空工程學系(所)
中文摘要
本計畫預計以二年時間，發展並應用微機電(MEMS)的製程技術，於微管道 中設計製 作 與 測 試 一被動式微流體閥門(passive microfluidic valve)，並應用於實 驗光碟晶片(Lab_On_A_CD)上。被動式閥門主要原理是利用管道的截面積突然 增加而產生一毛細管壓力阻力( Capillary pressure barrier ) 停止表面張力的作用，
再利用類似光碟機旋轉平台，產生離心力驅動流體而突破閥門。並運用微閥門的 設計，設計一微分離晶片，用於樣本的純化（Pre-concentration）。
關鍵詞：實驗光碟片、表面張力、微流體閥門
1. 前言
近年來由於微機電技術蓬勃發展，微型生醫晶片系統逐漸被開發出來。研究 人員認為微型生醫晶片技術將會在人類生物醫療上有重大突破，在基因工程、新 藥開發、臨床診斷上會有大大的幫助，微總體分析系統（Micro Total Analysis system）便是將生醫檢測上取樣、樣本傳輸、混合、分離及偵測等功能，利用微 機電技術將分析儀器所小並整合到一張信用卡大小之生醫晶片上。利用微型生醫 晶片的微管道傳送微量流體並進行混合、反應、分離等生醫檢測，可以減少不易 取得的生物樣品和昂貴的生物試劑的用量、大量平行矩陣化的多樣檢測更可以縮 短檢測的時間。
傳統的微機電製程中通常以矽晶圓或玻璃為基底，但是用於生醫檢測時以矽 晶圓或玻璃為基材的生醫晶片會因為本身的材料性質如：光學的清晰度、生物適 應性(Biocompatibilty)等等都較為不佳，另外複雜的製程及昂貴的成本，不符 合經濟效應。塑膠微型生醫晶片的便宜、高效率、生物適應性好、可拋棄式等等 優勢使得近年來備受重視，也投入大量經費、人量來進行研究。本研究在於利用 微機電製程技術製作晶片的母模再利用微熱壓成型技術(Hot Embossing)將微管
道製作於於塑膠微流晶片上，並利用旋轉平台產生離心力，驅動流微管道中的微 流體，透過設計一被動式閥門(Passive valve)來控制微管道流體的流動，探討 表面張力於該閥門的作用，最後利用一連串被動式閥門的設計運用於樣本純化，
控制流體流動的時機進而達到樣本純化的目標。
2. 微流光碟晶片的製作與實驗設備
2-1 微流光碟晶片製程
本研究主要是利用微機電製程技術以簡易的單一光罩配合微影、濕式蝕刻、
熱壓成型、接合等技術製作石英玻璃母模與塑膠晶片(如 聚碳酸酯 Polycarbonate)。
a.石英玻璃母模的製作(圖 1):
1. 石英玻璃作為底材，利用丙酮和異丙醇、去離子水等清潔石英玻璃。
2. 濺鍍機(Sputter) 鍍上厚度 1000A 的鉻(Cr)金屬薄膜。
3. 利用微影技術(Photoligraphy)，以 S-1818 正光阻定義出微流管道的圖形。
4. 以 BOE 蝕刻石英玻璃，完成母模。
b.塑膠光碟晶片的成型:
1. 清洗塑膠片
2. 將塑膠片與石英母模對準後，置於熱壓機裡的平行板上，施予適當的壓 力
3. 逐漸加熱至 150℃後維持 20 min 然後進行降溫 4.當溫度達到 70℃時，即可進行脫模，完成光碟晶片。
c.熱壓融合接合法：
主要是利用高分子本身加熱後具有物理黏度特性進行接合。
1. 將以熱壓成型的塑膠片與另一片塑膠片對準 2. 施加適當的壓力
3. 逐漸加熱至 140℃後維持 20min 後降溫至室溫即可。
2-2 微流光碟晶片實驗平台的建立(圖 2) (1) 旋轉平台
利用一個 DC motor 的轉動來帶動一個直徑為 6 英吋大小的壓克力圓盤，將 微流光碟晶片固定於圓盤上，調整電流的大小控制轉速，產生離心力來驅動 微流光碟晶片上的流體。
(2) 影像系統
在旋轉平台上放置一個光感應器(Photo sensor)，當圓盤轉一週時會輸出一個 訊號，將此訊號送到一個電路去處理後輸出一個約10μsec 60V 的電壓後驅 動轉速計及LED 燈，LDE 燈產生足夠光源,再透過顯微鏡、CCD 連接到電腦 後擷取影像。
3.被動式閥門的設計與原理：
本研究為樣本在微管道內利用表面張力作為驅動流體之力量，被動式閥門 產生一毛細管壓力阻力( capillary pressure barrier ) 停止表面張力的作用，主要操 作原理在於突然增加為毛細管管道的面積，產生一毛細管壓力阻力，而毋須其他 可動元件(圖 3)。再利用離心力驅動微管道中之流體，計算透過旋轉轉速所產生 的推力可得到被動式閥門所產生的壓力阻力。
3-1 壓力阻力的計算：
液體藉由表面張力由儲水槽流出至一微小的管道，突然增加管道的截面積 可以使流體達到停止，這樣的現象可以用液體-固體-氣體的界面的能量(Interface energy)改變來解釋。這系統的介面能量我們可以表示成下面這個式子：
la la sa sa sl sl
T A A A
U = γ + γ + γ （1）
其中Asl , Asa ,Ala ：為固體-液體、固體-氣體、液體-氣體的界面面積。
γsl ,γsa ,γla： 為固體-液體、固體-氣體、液體-氣體的單位面積的表面能量。
液體-固體-氣體介面會形成一個角度θc稱之為固體與液體間的接觸角(Contact angle)。當 0＜θc＜90º時其固體表面特性為親水性(Hydrophilic)，液體易濕潤其 表面；表面能量可以由Young’s equation 與接觸角表示為：
c la sl
sl γ γ θ
γ = + cos （2）
由式（2）帶入公式（1）可以得到：
( )
la la c la sl
la la c la sl sa sa sl T
A A
U
A A
A A U
γ θ
γ
γ θ
γ γ
+
−
=
+
− +
=
cos
cos
0
（3）
U0 為常數，是 Asl , Asa的總和
當濕潤的面積增加的時候，液體的體積便增加，將液體體積 Vl帶入總能量方程 式之後可以得到液體壓力為：
−
=
−
=
l la l
sl c la
l T S
dV dA dV dA dV
P dU
θ
γ cos
（4）
θc≦90º在一均勻的微管道中，γsa＞γsl，Asa是固定值，Asl會隨著滲入的距離 增加而成線性的增加。當流體滲入微管道中，所產生的壓力是一個正的定值壓力 將流體導入微管道中。本實驗中所設計的毛細管力作用停止的閥門是藉由改變微 管道截面幾何形狀，使得壓力變成負的值，在θc≦90º即親水性時，利用突然增 加微管道的截面積，Ala的增加大於 Asl與 Vl 的改變得到一負壓力。可以藉由改 變微管道的寬度或高度來達到增加截面積的效果，本研究中是改變微管道的寬 度，採用三維模式分析固體-液體、固體-氣體、液體-氣體的界面面積與能量、壓 力的關係，由於液體在管道裡的角度α(圖 4)的變化並非連續性，所以在本實驗 中的分析上分成了滲入區（Wick in regime）、轉移區（Pivoting regime）、擴展區
（Expansion regime）三個部分，只考慮微管道裡的表面張力而忽略重力的影響，
管道的寬度為 w、高度為 h，液體-氣體的介面中為弧形，假設弧形的角度在Ｙ方 向為２α１及Ｚ方向為２α２。
在滲入區，α１＝α２=π/2-θc為一定值，得到總能量與液體體積的關係式：
2 1
2 1
1 1 1 1 2
* 0
sin sin
)]
sin cos sin ( ) 2 ( 2 [ cos
α α
α γ α
α α α θ α
γ wh
h w w x U
U
la c la T
+
−
− +
−
= （5）
) sin cos
sin ( sin 4
) sin cos
sin ( 4
2 2
2 1 2
1 2
1 1 1 1 2
α α α α α
α
α α α α
−
−
−
−
=
wh h wxh w Vl
（6）
α１、α２的值是接觸角θc與壁面的傾斜角度之平衡值，x 是管道中液體濕潤的距 離。
當 x=L 時為轉換區的開始點，α1的改變使得液體的體積增加，可以得到轉換區 時的能量和液體的體積為
2 1
2 1
1 1 1 1
* 2 0
sin sin
)]
sin cos sin ( ) 2 ( 2 [ cos
α α
α γ α
α α α θ α
γ wh
h w w L U
U
la c la T
+
−
− +
−
= if α1≥0 （7）
2 1
2 1
1 1 1 1
* 2 0
sin sin
)]
sin cos sin ( ) 2 ( 2 [ cos
α α
α γ α
α α α θ α
γ wh
h w w L U
U
la c la T
+
− +
+
−
= if α1≤0
) sin cos
sin ( sin 4
) sin cos
sin ( 4
2 2 2 1 2
1 2
1 1 1 1 2
α α α α α
α
α α α α
−
−
−
−
=
wh h wLh w Vl
（8）
此時π/2-θc≥α1≥π/2-θc-β，
π/2-θc≥α2≥θc-π/2，β 為轉換區壁面的所改變的角度。
在擴展區時α1 =π/2-θc-β，α2=θc-π/2 為一定值，濕潤的距離為 x=L+x1，得到下 列的公式：
2 1
1 2 1 1 1 1 1
2 1
1 1
* 1 0
sin sin
) tan 2 )] (
sin cos sin ( 2
) tan 2 (
) tan ( 2 2 cos ) ( 2 [ cos
α α
β α
γ α α α
α α
β β β θ
γ
x w h x
w
x w x Lw x h L U
U
la c
la T
+ + + −
+
+ + + +
−
=
（9）
] sin cos
sin [ sin 4
) tan 2 (
] sin cos
sin [ 4
) tan 2 ) ( tan (
2 2 2 2 1
1 1 2
1 1 1 1
2 1 1
1
α α α β
α α α α β β
+ −
−
+ −
− + +
= x w h
x w x h
w hx wLh Vl
（10）
3-2 離心力：
當流體流至微閥門時離心力提供流體一推力如圖5。單位面積所產生之離心 力（PC）可以表示成
dr r
dPc 2 ρω
= （11）
ρ為液體密度、ω為角速度、r 為與圓心之間的距離。對（11）式由 r=R1至r=R2
積分可得到
(R R )R R RR
Pc = − + = ∆
∆ 2 1 2 1 2
2
2 ρω
ρω （12）
單位面積的表面張力（PS）表示成
A Ps γCcosθc
=
∆ （13）
γ 為表面張力、θc為接觸角、A 為管道的截面積及 C 為其週長。當流體要突破 微閥門時離心力必等於壓力阻力可以得到
A R C
R γ θc
ρω cos
=
∆ （14）
3-3 被動式閥門的設計
本研究之微閥門晶片主要結構可分為三個部分：（1）儲水槽與反應槽（2）
主要微管道與排氣管道（3）微閥門，晶片的設計圖與實際照片如圖 6，微管道 的深度為30µm、寬度為 140µm、β由30 度至 90 度。
3-4 純化晶片的設計
生醫檢測上常常會因為樣本取得不易且樣本的濃度不高而進行樣本的純 化，樣本純化系統利用離心力排列密度大到小的液體在微管道中經過數個被動式 閥門連接所設計的微管道之幾何形狀，將每一次的體積量導出一半來、經過數次 的體積減半後，即可得到較高濃度的樣品(圖 7)。晶片的設計包括了儲水槽、微 量筒計、分離槽、純化分離槽等。微量筒計用於定量樣品，分離槽用於提供樣品 做不同密度的分層，純化分離槽用於導出樣品並收集。
4. 實驗結果與討論
4-1 微被動式閥門的測試
圖（8）與圖（9）為表面能量、液體壓力與液體體積的關係。在滲入區時，
能量隨著液體體積增加而遞減，直至微閥門的轉換點。當液體流至轉換區時，液 體-氣體間的介面弧形必須是向外擴展，所以需要外加能量突破壓力阻力。本研 究中，管道寬度140µm，管道深度 30µm，θc=78° 及β=90° 時，所產生的壓力 阻力為 38.96KPa。圖（10）為二維、三維分析模式與實驗值的比較，由圖中可
看出二維分析系統模式所計算出的壓力阻力值相對於三維系統模式與實驗值都 來得大，特別是β愈大時，誤差愈大。
4-2 純化系統的測試
本晶片的管道寬度500µm~50µm、深度 20µm，測試結果如圖 11，當轉速＜
第一個閥門的突破頻率(1040RPM)時，流體停止往前流動；當第一個閥門的突破 頻率(1040RPM)＜轉速＜第二個閥門的突破頻率(1480RPM)，流體流入第一個導 出的儲水槽；當第二個閥門的突破頻率(1480RPM)＜轉速＜第三個閥門的突破頻 率(1780RPM)，流體流入第二個導出的儲水槽；當轉速＞第三個閥門的突破頻率 (1780RPM)，流體流入第三個導出的儲水槽。
5. 結論
利用簡單的微機電製程製作出母模後，使用熱壓成型法將微管道製作在塑膠 片上，再透過微型被動式閥門的設計及離心力的驅動可以輕易達到控制流體，大 大降低成本並可以大量生產。
Abstract
This paper presents the design, fabrication and testing of a MEMS-based micro capillary stop valve for Lab_on_a_CD applications. The passive valves stop the flow of liquid inside a microchannel using capillary pressure barrier that develops when the channel cross section changes abruptly. In this study, a modified 3-D model was proposed. The experimental results show the modified 3-D model can better predict the pressure barrier of the micro capillary stop.
Keywords: Lab CD, surface tension, microfluidic valve References
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Characterization and Multiple Enzymatic Assays”, Analytical Chemistry 71, 20 (1999)
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[9] Marc J. Madou et. al. “Design and Fabrication of Polymer Microfluidic Platforms for Biomedical Applications” Antec 2001,p2534- p2538
(a) (b) (c)
圖 1 微流光碟晶片製程：(a)利用微機電技術製作石英玻璃母模的製程(b)石英母 模實際照片 (c)熱壓成型法示意圖
(a) (b)
圖2 旋轉平台的實驗架構(a)實驗設備的示意圖(b)實驗設備實際照片
Wick in Pivoting Expansion
圖3 分析壓力阻力的三區段模式
圖4 角度定義
圖5 離心力驅動流體的機制
圖6 被動式閥門的設計示意圖
圖7 純化晶片的設計
圖8 表面能量與與液體體積關係
圖9 壓力與液體體積關係
圖 10 二維、三維分析模式與實驗值的比較
(a) (b)
(c) (d)
圖 11 樣本純化系統(a)ω=760RPM＜ω1=1040RP 流體停止往前流動(b)ω1=1040＜
ω=1120RPM ＜ω2=1480RPM 流 體 進 入 第 一 個 儲 水 槽 (c) ω2=1480RPM ＜ ω=1520RPM＜ω3=1780RPM 流體進入第二個儲水槽(d)ω3=1780RPM<ω=1820 RPM 流體進入第三個儲水槽
