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研究生: 陳柏羽
論文名稱: 利用蒸發作用力驅動流體在分支結構中完成粒子分離
Particle Continuous Separation by Evaporation Force on Microfluidic System
指導教授: 饒達仁
Da-Jeng Yao
口試委員:
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 原子科學院 - 工程與系統科學系
Department of Engineering and System Science
論文出版年: 2007
畢業學年度: 95
語文別: 中文
論文頁數: 89
中文關鍵詞: 粒子分離蒸發驅動流道製程
外文關鍵詞: particles separation, evaporation force, microchannel fabrication
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  • 當物體尺寸縮小到微米尺度的時候,因為尺度效應的關係,有一些物理特性可以被應用到生物技術上。因此在本論文研究中提出了兩個全新的概念,一個是利用自然蒸發力和結構設計來完成粒子分離,另一個是利用多孔性二氧化矽薄膜製作微流道。在本論文中利用微流體在微米尺度穩定的層流特性,來達到粒子分離的效果。首先利用植物蒸發驅動液體的原理製作類似植物氣孔的蒸發區,使其在微流體系統尾端作為自發性驅動的來源,接著從入口端注入含微粒子液體和不含粒子的流體到微流道中,因為液體處在層流的狀態,所以它不會擴散到不含粒子的流體中,當粒子進入分支結構的時候,不同大小的粒子會隨通過粒子中心的流線進入不同的分支流道,而達到粒子分離的效果。另外在本論文中還發展了一個全新的流道製程,利用厚膜光阻來取代PSG當作犧牲層,以電子束蒸鍍的二氧化矽薄膜當作主要結構,利用多孔性薄膜可以大大減少製程所需的時間,並且容易和金屬製程作整合。此外二氧化矽還兼具化學惰性、親水性、高透光率和價格低廉的優點,將這個製程應用在微流體系統中,在未來的商業上會是個非常有競爭力的技術。


    When the size of object is shuck down to micro scale, some physical characteristics can be applied to biotechnology because of scale effects. This thesis has put forward two brand-new conceptions, one utilizes evaporating force and structural design to separate particles naturally, another one use the porous silicon dioxide membrane to fabricate microchannel. In this thesis, we use laminar flow characteristics of microfluid to separate particles. The principle to drive liquid in microfluidic system is evaporating-conception from plants. The evaporating region similar to vents of plants was designed at the end of microchannel to drive liquid spontaneously. The flows with and without particles, were injected into fluidic system, and particles in the flow were fixed on each layer of laminar flow. The particles, flow into separating region, will move with streamline cross theirs center to different branches. Thus, different size of particles will separate spontaneously. Furthermore, a novel fabrication process of microchannel has been developed in this thesis. The material of sacrificing layer of microchannel has replaced by photoresistance. It uses the silicon dioxide membrane, was deposited by E-gun vapor, as main structure of microchannel. This fabrication process only need a short period, and integrates with other fabrication process easily. The silicon dioxide also has other benefits like chemical inertia, hydrophilic, optically clean, and cheap. Therefore, it is a high economic technology to be applied on commercial products.

    總目錄 中文摘要 i 英文摘要 ii 誌謝 iii 總目錄 iv 圖目錄 vi 表目錄 xi 第一章 序論 1 第一節 研究簡介與動機 1 第二節 流道製程文獻回顧 3 第三節 細胞分離文獻回顧 11 第四節 研究目的 15 第五節 本文架構 16 第二章 基本原理 18 第一節 系統概念 18 第二節 蒸發原理推導與驗證 20 第三章 元件設計與製作 25 第一節 模擬分析 25 第二節 分離結構概念理論分析 43 第三節 親水流道製程發展過程 48 第四節 親水流道測試結果 58 第四章 系統設計製作 61 第一節 整合流道設計和分離設計 61 第二節 高分子流道製作 69 第五章 實驗量測系統介紹 73 第一節 測試粒子簡介 73 第二節 量測設備 78 第六章 實驗結果與討論 80 第一節 試片表面處理 80 第二節 不同性質顆粒分離結果 82 第三節 相同性質顆粒分離結果 83 第四節 本文貢獻 86 第七章 結論和未來展望 87 參考文獻 88 圖目錄 圖1. 1 開放性淺坑流道製程圖[1] 3 圖1. 2 SU8製作開放性背後充填流道製程圖[2] 4 圖1. 3 利用PMMA微流道製程[3] 5 圖1. 4高溫高壓接合玻璃流道製程[4] 5 圖1. 5 雷射雕刻流道製程[5] 6 圖1. 6利用電鍍孔隙形成流道製程[6] 7 圖1. 7利用高分子流道與其它系統整合[7] 7 圖1. 8利用高分子流道與其它系統整合細部流程圖[7] 8 圖1. 9利用矽基板整合燃料電池製程圖[8] 9 圖1. 10利用半導體技術製作流道完成圖[9] 9 圖1. 11利用陽極結合整合熱感應器和加熱線製程[10] 10 圖1. 12 離心法分離血漿示意圖 12 圖1. 13 介電泳作用力示意圖[12] 12 圖2. 1 本文研究系統概念圖 18 圖2. 2植物外循環示意圖 20 圖2. 3植物氣孔 21 圖2. 4 蒸發驗製實驗流道製程流程圖 23 圖2. 5蒸發端爪狀結構設計圖 23 圖2. 6蒸發驗證實驗架構示意圖 24 圖3. 1 分離流道雛形的流速X軸分量 26 圖3. 2分離流道雛形層流分佈圖 27 圖3. 3分離流道雛形流速Y軸分量 28 圖3. 4分離流道雛形前端分析不同流阻造成的現象 28 圖3. 5分離流道雛形分離效果 28 圖3. 6利用兩個流道的交會來迫使顆粒集中在一側 29 圖3. 7利用回流的效果將顆粒集中在流道同一側 29 圖3. 8改進流道的設計圖 30 圖3. 9 層流分離流道流場分析 31 圖3. 10層流分離流道模擬分離效果 32 圖3. 11水膠結構圖 33 圖3. 12加入下緩衝區的設計 34 圖3. 13由下方注入樣本到增加下緩衝區的分離結構 35 圖3. 14由上方注入樣本到增加下緩衝區的分離結構 35 圖3. 15分離流道上方加入緩衝區 36 圖3. 16在分離流道上方加入了上緩衝區短柵結構 36 圖3. 17在分離流道上方加入了上緩衝區長柵結構 36 圖3. 18出入口壓差和粒子分離模擬結果示意圖(cont.) 37 圖3. 18出入口壓差和粒子分離模擬結果示意圖 38 圖3. 19高流速下流線漂移情形 39 圖3. 20改變分支流道數目對顆粒分離的影響(cont.) 40 圖3. 20改變分支流道數目對顆粒分離的影響 41 圖3. 21 本文研究顆粒分離示意圖 43 圖3. 22含加熱線流道圖案設計圖 48 圖3. 23多晶矽孔洞性SEM圖 49 圖3. 24 圖3.22中AA’截面含加熱線的製程 49 圖3. 25 圖3.22中BB’截面的製程 49 圖3. 26氫氟酸不均勻的滲入多晶矽薄膜示意圖 50 圖3. 27 含加熱線流道結構示意圖 50 圖3. 28 SU8對AZ4620的蝕刻影響 51 圖3. 29 掀離製程定義加熱線後再製作流道製程圖 52 圖3. 30利用掀離製程製作加熱線的流道完成圖 53 圖3. 31結合加熱線和二氧化矽的流道製程 53 圖3. 32 光組AZ9260定義流道 54 圖3. 33 厚膜光阻經過熱處理蒸鍍上二氧化矽和金屬薄膜 55 圖3. 34在薄膜上定義加熱線位置 56 圖3. 35經過蝕刻後在二氧化矽薄膜上完成加熱線 56 圖3. 36定義開口端已進行蝕刻 57 圖3. 37流道完成圖 57 圖3. 38結構微觀示意圖 58 圖3. 39 液體充填效果 59 圖3. 40大腸桿菌和酵母菌在流道中流動情形 59 圖4. 1 分離流道完整設計光罩圖 62 圖4. 2 分離區域中心設計光罩圖 62 圖4. 3 尾端蒸發區域光罩設計圖 63 圖4. 4 用AZ9620定義流道結構 64 圖4. 5 經過熱處理的流道結構 64 圖4. 6經過蝕刻定義出加熱線結構 65 圖4. 7利用厚膜光阻定義流道出入口端以便蝕刻 65 圖4. 8經過蝕刻後結構圖 66 圖4. 9結構完成圖 67 圖4. 10流道出口端SEM圖 67 圖4. 11結構包含加熱線SEM圖 68 圖4. 12分離流道區域SEM圖 68 圖4. 13 微流體系統結構示意圖 69 圖4. 14 PDMS流道製作流程圖 70 圖4. 15製作完成的PDMS流道晶片 71 圖5. 1 大腸桿菌[15] 74 圖5. 2 在GaAs基材上以自組成法生長InAs量子點的STM 影像[16] 75 圖5. 3 苯乙烯結構圖 77 圖5. 4 聚苯乙烯結構圖 77 圖5. 5 觀測設備總覽 78 圖6. 1高分子顆粒未如預期流動 80 圖6. 2 沒有經過BSA處理流道殘留的情形 81 圖6. 3 經過BSA表面處裡過後的流道 81 圖6. 4顆粒分離影像流線圖 (a)1.1微米顆粒分離圖(b) 2.8微米顆粒分離圖 82 圖6. 5 高速攝影機下顆粒分離影像(a)到(f)每張攝影時間相距0.016秒(cont.) 83 圖6. 5 高速攝影機下顆粒分離影像(a)到(f)每張攝影時間相距0.016秒 84 表目錄 表一 蒸發驗證實驗中面積和溫度的交叉影響 24 表二 AZ9620轉速和厚度關係表 54 表三 分支流道寬度10微米的分離分布圖 85 表四 分支流道寬度20微米的分離分布圖 85

    參考文獻
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