王安邦臺灣大學：應用力學研究所李蕢至Lee, Kuei-ChihKuei-ChihLee2007-11-292018-06-292007-11-292018-06-292005http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/62476為了使生醫檢測晶片能獨立具備內部流體傳輸，本研究之目的在於利用微機電系統製程技術，設計製作生醫檢測晶片中的微流體傳輸控制元件：微閥門。利用薄膜作動的概念，設計及製作一氣動式薄膜微閥門，藉由薄膜軟韌的特性，施加壓縮空氣驅使薄膜致動，致動的薄膜即構成了微閥門結構。氣動式薄膜微閥可阻絕微流體之流動，並且可來用控制不同試劑在微流道中之切換，同時利用氣壓大小之控制，可以做為流量調節閥之用。 本研究之微閥門的設計製作是利用SU-8 2050負型厚膜光阻製作微流道母模，利用軟式微影製程技術，以二甲基矽氧烷做為製程材料。，其具有可塑性及光學檢測性極佳的優點。在設計上，為提高良率，電磁閥係以外接方式來控制，以此方式製作而成的微閥門，此可快速批次量產，減少各別檢測篩選、大幅降低成本的目的。In this paper, a pneumatic microvalve with a polydimethylsiloxan membrane (PDMS) has been successfully made by the method of replica molding. Polydimethylsiloxane has been found exceptional mechanic property, including high elongation and good sealing. To make the microvale, the SU-8 negative photoresisit with the thickness of 50μm is produced by the method of exposure and develop. Then PDMS is poured on the SU-8 mold and peeled off after solidifying. Finally, the structure of PDMS combines with another by the treating of air plasma. An integrated normally open valve with a PDMS membrane has been tested. For a liquid flow, 4psi valve pressure is required to close the valve at the flowrate of 471.24 μl/min. For a air flow, 4psi valve pressure is needed to stop the air flow at inlet pressure of 4psi.Moreover, there is no leakage when the valve is closed pneumatically. Beside that, a liquid-bubble flow generator which combines the designed microvalve has been fabricated and performed. A microvalve plays a important role in a microfluidic system. The valve in this paper can be produced and combined with another component easily.出口空氣流量表………… 56 目錄 中文摘要…………………………………………………… i 英文摘要…………………………………………………… ii 目錄………………………………………………………… iii 圖目錄……………………………………………………… v 表目錄……………………………………………………… viii 第一章 緒論 1.1 前言與研究動機…………………………………1 1.2 文獻回顧…………………………………………2 第二章 薄膜微閥門設計與作用原理 2.1氣動式薄膜微閥門結構………………………… 13 2.2氣動式薄膜微閥門工作原理…………………… 14 2.3薄膜運動………………………………………… 15 2.4氣動式薄膜閥門之應用………………………… 16 第三章 晶片設計與製作 3.1製程選擇………………………………………… 19 3.2實驗材料選擇…………………………………… 20 3.3製作流程………………………………………… 29 第四章 實驗結果與討論 4.1液體流量量測架構……………………………… 43 4.2液體流量量測結果……………………………… 45 4.3空氣流量量測架構……………………………… 51 4.4空氣流量量測結果……………………………… 52 4.5閥門開關反應時間量測實驗架設……………… 58 4.6閥門開關反應時間量測實驗結果……………… 59 4.5測試結果討論…………………………………… 61 第五章 結論與未來展望 5.1結論……………………………………………… 63 5.2未來展望………………………………………… 64 參考資料…………………………………………………… 65 圖目錄 圖1.2.1 Vieider在1995年所發表的微閥門…………………4 圖1.2.2 Yang在1997年所發表一熱氣式微閥門…………… 5 圖1.2.3 Jerman在1991年所發表的熱膨脹式微閥門 ………6 圖1.2.4 1991年，Shoji等人所設計之壓電式微閥門………6 圖1.2.5 Huff在1993年所發表的氣動式與靜電式的主動微閥門……………………………………………………………… 7 圖1.2.6 Ohnstein 所發表的靜電式主動閥…………………7 圖1.2.7 Yanagisawa於1993年所提出電磁式微閥門的剖面示意圖… ………………………………………………………………… 8 圖1.2.8 被動式微閥門之工作示意圖 ………………………10 圖1.2.9各種形式的被動閥 ………………………………… 11 圖1.2.10 Tesla valve ………………………………………11 圖1.2.11擴張閥應用………………………………………… 12 圖2.1.1微閥門幾何形狀設計尺寸…………………… …… 13 圖2.1.2氣動式薄膜閥門外型幾何圖……………………… 13 圖2.2.1閥門開啟示意圖………………………………… … 14 圖2.2.2閥門關閉示意圖………………………………………14 圖2.3.1 簡化薄膜力學行為圖…………………………………………15 圖2.4.1二相流產生器幾何形狀設計尺寸……………………………17 圖2.4.2二相流產生器外形幾何圖……………………………………17 圖2.4.3二相流產生過程(閥門關閉)………………………………… 18 圖2.4.4二相流產生過程(閥門開啟)………………………………… 18 圖3.1.1利用PDMS材料，翻模製作微流道示意圖……………………20 圖3.2.1 PDMS化學式………………………………………………… 21 圖3.2.2 (A)氧氣電漿處理前，(B)氧氣電漿處理後OH取代CH3，(C)黏合後表面化學鍵鍵結情形…………………………………………… 25 圖3.2.3正光阻與負光阻在微影應用的差別………………………… 26 圖3.2.4表示不同厚度的SU-8所需的曝光劑量…………………… 27 圖3.2.5表示不同型號SU-8光阻厚度與塗佈轉速關係…………… 28 圖3.3.1基材清洗過程………………………………………………… 32 圖3.3.2光微影過程…………………………………………………… 34 圖3.3.3製作完成的SU-8負光阻母膜(SEM照片)………………… 37 圖3.3.4由母模剝的PDMS微流道(SEM照片)………………………37 圖3.3.5 PDMS薄膜製作程序………………………………………… 38 圖3.3.6 PDMS膜厚與旋塗轉速關係………………………………… 39 圖3.3.7薄膜微閥門第一部分製作…………………………………… 39 圖3.3.8薄膜微閥門第二部分製作…………………………………… 40 圖3.3.9氣動式矽膠薄膜微閥門晶片………………………………… 41 圖3.3.10二相流產生器外觀………………………………………… 42 圖4.1.1電子式壓力控制器……………………………………………43 圖4.1.2液體流量測量實驗架設……………………………………… 44 圖4.2.1 Pvalve與Pin位置圖…………………………………………45 圖4.2.2定壓1 psi推動液體，施加壓力對出口液體流量圖…………46 圖4.2.3定壓2 psi推動液體，施加壓力對出口液體流量圖…………47 圖4.2.4定壓4 psi推動液體，施加壓力對出口液體流量圖…………48 圖4.2.5不同流量下，施加壓力對出口液體流量圖…………………50 圖4.2.6定壓2psi下，不同操作狀態(閥門開到關、閥門關到開)，施加壓力對出口流量圖………………………………………………… 50 圖4.3.1氣體流量測量實驗架設………………………………………51 圖4.4.1定壓1 psi的空氣源，施加壓力對出口空氣流量圖…………52 圖4.4.2定壓2 psi的空氣源，施加壓力對出口空氣流量圖…………54 圖4.4.3定壓4 psi的空氣源，施加壓力對出口空氣流量圖…………55 圖4.4.4 不同流量下，施加壓力對出口液體流量圖…………………57 圖4.4.5 定壓2psi下，不同操作狀態(閥門開到關、閥門關到開)，施加壓力對出口流量圖………………………………………………… 57 圖4.5.1閥門反應時間量測實驗架設…………………………………58 圖4.6.1閥門由全開到全關時速度對時間圖…………………………59 圖4.6.2閥門由全關到全開時速度對時間圖…………………………60 表目錄 表1.2.A主動式閥門作動特性比較表…………………………………9 表3.1.A PDMS表面性質…………………………………………… 23 表3.3.A各類光罩比較…………………………………………………31 表4.2.A以定壓1 psi推動液體，施加壓力對出口液體流量表………46 表4.2.B以定壓2 psi推動液體，施加壓力對出口液體流量表……… 47 表4.2.C以定壓4 psi推動液體，施加壓力對出口液體流量表……… 49 表4.4.A定壓1 psi的空氣源，施加壓力對出口空氣流量表………… 53 表4.4.B定壓2 psi的空氣源，施加壓力對出口空氣流量表………… 54 表4.4.C定壓4 psi的空氣源，施加壓力對1998808 bytesapplication/pdfen-US薄膜作動氣壓驅動軟式微影技術pneumatic microvalvepolydimethylsiloxan membranesoft lithographythesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/62476/1/ntu-94-R92543030-1.pdf