TH41881B - อุปกรณ์ไมโครวาล์วเทอร์โมนิวเมติกสำหรับไมโครฟลูอิดดิกชิบที่มีตัวทำความร้อนแบบเมมเบรนลอยและกระบวนการผลิตอุปกรณ์ดังกล่าว - Google Patents

Abstract

DC60 (10/01/57) อุปกรณ์ไมโครวาล์ว (Microvalve) ชนิด Thermopneumatic ในการประดิษฐ์นี้มีโครงสร้าง หลายชั้น ซึ่งประกอบด้วย microchamber, microheater, actuating membrane, microchannel โดย microchamber สำหรับอากาศทำจากสารโพลิเมอร์ เช่น polydimethysiloxane เป็นต้น ซึ่งภายใน microchamber มี microheater เป็นเมมเบรนลอย (fioating membrane heater) ที่ทำจากกระบวนการ physical vapor deposition ซึ่งได้แก่ evaporation หรือ sputtering โดยไม่อาศัยกระบวนการ electroplating และทำจากสารที่เป็นโลหะสำหรับทำความร้อนที่เหมาะสม ได้แก่ NiChrom (Ni80%Cr20%) หรือ Titanium Nitride (TiN) โดยจะมีลักษณะเป็นชั้นฟิล์มบางที่ลอยอยู่ตรงกลาง โดยมีจุดยึดอย่างน้อยสองจุด โดยตัวทำความร้อนเมมเบรนลอย ส่วนผนังบนของ microchamber จะ เป็น actuating membrane ซึ่งเมมเบรนบางของสารโพลิเมอร์ชนิดเดียวกันซึ่งจะมีหน้าที่เป็นลิ้นปิด เปิดที่ขับดันด้วยอากาศร้อนที่ขยายตัว microchamber โดยเมมเบรนนี้จะอยู่ใต้โครงสร้าง microchannel ซึ่งก็เป็นสารโพลิเมอร์ชนิดเดียวกัน ซึ่งเป็นช่องขนาดเล็กที่สารเคมีไหลผ่าน เมื่อเมม เบรนถูกดันขึ้นก็จะทำให้ microchannel ถูกปิด โครงสร้างสารโพลิเมอร์หลายชั้นนี้จะถูกสร้างด้วย วิธีการ piastic molding, hot embossing และ plasma bonding ลงบนซับสเตรตที่เป็นแก้ว คุณสมบัติ ที่สำคัญของอุปกรณ์ไมโครวาล์ว (microvalve) คือ มีความเร็วในการควบคุมการปิดเปิดได้เร็วกว่า Thermopneumatic microvalve ทั่วไป เนื่องจากการทำความร้อนและควบคุมอุณหภูมิได้เร็วและมี การใช้พลังงานต่ำ โดยการจัดให้มี microheater ที่เป็นเมมเบรนลอย อยู่ภายใน microchamber เพื่อ ทำหน้าที่ให้ความร้อนแก่อากาศซึ่งจะขยายตัวขับดันโพลิเมอร์เมมเบรน โดยมีพลังงานสูญเสียสู่ แผ่นซับเสตรตน้อยที่สุด จึงทำให้การทำความร้อนเป็นไปได้รวดเร็ว และที่สำคัญคือกระบวนการ ผลิตจะมีราคาถูกกว่าอุปกรณ์ ไมโครวาล์ว (Microvalve) ที่ใช้กระบวนการผลิตแบบวงจรรวมมาก อุปกรณ์ ไมโครวาล์ว (Microvalve) ชนิด Thermopneumatic ในการประดิษฐ์นี้มี โครงสร้างหลายชั้น ซึ่งประกอบด้วย microchamber, microheater, actuating membrane, microchannel โดย microchamber สำหรับอากาศทำจากสารโพลิเมอร์ เช่น polydimethysiloxane เป็นต้น ซึ่งภายใน microchamber มี microheater เป็นแบบเมมเบรนลอย (fioating membrane heater) ที่ ทำจากกระบวนการ physical vapor deposition ซึ่งได้แก่ evaporation หรือ sputtering โดยไม่อาศัย กระบวนการ electroplating และทำจากสารที่เป็นโลหะสำหรับทำความร้อนที่เหมาะสม ได้แก่ NiChrom (Ni80%:Cr20%) หรือ Titanium Nitride (TiN) โดยจะมีลักษณะเป็นชั้นฟิล์มบางที่ลอยอยู่ ตรงกลาง โดยมีจุดยึดอย่างน้อยสองจุด โดนตัวทำความร้อนเมมเบรนลอย ส่วนผนังบนของ microchamber จะเป็น actuating membrane ซึ่งเมมเบรนลอยของสารโพลิเมอร์ชนิดเดียวกันซึ่งจะมี หน้าที่เป็นลิ้นเปิดปิดที่ขัยดันด้วยอากาศรอ้นที่ขยายตัว microchamber โดยเมมเบรนนี้จะอยู่ใต้ โครงสร้าง microchannel ซึ่งก็เป็นสารโพลิเมอร์ชนิดเดียวกัน ซึ่งเป็นช่องขนาดเล็กที่สารเคมีไหล ผ่าน เมื่อเมมเบรนถูกดันขึ้นก็จะทำให้ microchannel ถูกปิด โครงสร้างสารโพลิเมอร์หลายชั้นนี้จะ ถูกสร้างด้วยวิธีการ piastic molding, hot embossing และ plasma bonding ลงบนซับสเตรตที่เป็น แก้ว คุณสมที่สำคัญของอุปกรณ์ ไมโครวาล์ว (microvalve) คือ มีความเร็วในควบคุมการปิด เปิดได้เร็วกว่า Thermopneumatic microvalve ทั่วไป เนื่อจากการทำความร้อนและควบคุมอุณหภูมิ ได้เร็วและมีการใช้พลังงานต่ำ โดยการจัดให้มี microheater ที่เป็นเมมเบรนลอย อยู่ภายใน microchamber เพื่อทำหน้าที่ให้ความร้อนแก่อากาศซึ่งจะขยายตัวขับดันโพลิเมอร์เมมเบรน โดยมี พลังงานสูญเสียสู่แผ่นซับสเตรตน้อยที่สุด จึงทำให้การทำความร้อนเป็นไปได้รวดเร็ว และที่สำคัญ คือกระบวนการผลิตจะมีราคาถูกกว่าอุปกรณ์ ไมโครวาวล์ (microvalve ) ที่ใช้กระบวนการผลิต แบบวงจรรวมมาก:

Claims (7)

1. อุปกรณ์ไมโครวาวล์ ที่ประกอบด้วย - แผ่นฐาน (3) ที่ประกอบด้วนผิวหน้าที่หนึ่งและสอง โดยแผ่นฐาน (3) ดังกล่าวทำ มาจากวัสดุที่เป็นฉนวน - ชุดประกอบตัวทำความร้อนแบบเมมเบรนลอยที่ประกอบด้วยตัวทำความร้อน แบบฟิล์มบาง (1) ที่ถูกสร้างอยู่บนผิวหน้าที่หนึ่งของแผ่นฐาน (3) โดยมีช่องว่าง อากาศ (9) คั่นอยู่ระหว่างทำความร้อนแบบฟิล์มบาง (1) กับแผ่นฐานนั้น และมี แขนยึดเป็นตัวเชื่อมอย่างน้อยสองจุด - ขั้วไฟฟ้าแบบฟิล์มบาง (2) ซึ่งทำหน้าที่เป็นขั้วไฟฟ้าของชุดประกอบตัวทำความ ร้อนเมมเบรนลอยที่ถูกสร้างอยู่บนผิวหน้าที่หนึ่งของแผ่นฐาน (3) ดังกล่าว และ - โครงสร้างของชั้นหลายสารโพลิเมอร์ซึ่งประกอบด้วย microchamber (4)-(5), microheater, actuating membrane (6) และ microchamber (7)-(8) ที่ยึดติดอยู่บน แผ่นฐาน (3) ล้อมรอบตัวสร้างตัวทำความร้อนแบบเมมเบรนลอยทั้งหมด โดยที่อุปกรณ์ ไมโครวาล์ว (microvalve) ดังกล่าว มีลักษณะเฉพาะคือ แผ่นฐาน (3) ดังกล่าวมีคุณสมบัติเป็นวัสดุฉนวนทนความร้อนได้อย่างน้อย 250 องศาเซลเซียส และชุดประกอบ ตัวทำความร้อนแบบเมมเบรนลอย ดังกล่าวประกอบด้วยฟิล์มบางตัวทำความร้อน (1) และขั้วชั้น ฟิล์มบาง (2) สร้างขึ้นจากกระบวนการ physical vapor deposition และมีลักษณะเฉพาะคือ โครงสร้างหลายชั้นของสารโพลิเมอร์ดังกล่าวเป็นแผ่นยางประเภทซิลิโคนนั้นจะถูกสร้างด้วย วีธีการ plastic molding, hot embossing และ plasma bonding ลงบนซับสเตรตที่เป็นแก้วดังกล่าว 2. อุปกรณ์ ไมโครวาล์ว ตามข้อถือสิทธิที่ 1 ที่ซึ่งแผ่นฐาน (3) ดังกล่าว ทำจากแก้ว 3. อุปกรณ์ ไมโครวาล์ว ตามข้อถือสิทธิที่ 1 ที่ซึ่งแผ่นฐาน (3) ดังกล่าวทำจากซิลิกา 4. อุปกรณ์ไมโครวาล์ว ตามข้อถือสิทธิที่ 2-3 ข้อใดข้อหนึ่ง ที่ซึ่งแผ่นฐาน (3) ดังกล่าวมี ขนาดกว้างและยาวอยู่ระหว่าง 1-100 มิลลิเมตร และมีความหนาระหว่าง 0.5-2 มิลลิเมตร 5. อุปกรณ์ไมโครวาล์ว ตามข้อถือสิทธิที่ 1 ที่ซึ่งฟิล์มบางตัวทำความร้อน(1) ดังกล่าวอยู่บน เมมเบรนลอยของชั้นฟิล์มบาง (5) ทำจากโลหะผสมระหว่านิเกิ้งและโครเมี่ยมและมีความ หนาในช่วง 0.2-3 ไมโครเมตร 6. อุปกรณ์ไมโครวาล์ว ตามข้อถือสิทธิที่ 1 ที่ซึ่งฟิล์มบางตัวทำความร้อน(1) ดังกล่าวอยู่บน เมมเบรนลอยของชั้นฟิล์มบาง (5) ทำจากโลหะของสารประกอบ Titanium Nitride (Tin) และมีความหนาในช่วง 0.2-3 ไมโครเมตร 7. อุปกรณ์ไมโครวาล์ว ตามข้อถือสิทธิที่ 1 ที่ซึ่งชั้นฟิล์มบาง (2) ประกอบด้วยชั้นโครเมี่ยม ในช่วงแรงที่มีความหนาระหว่าง 20-40 นาโนเมตรและชั้นทองคำมีความหนาระหว่าง 100-300 นาโนเมตร ในชั้นถัดไป 8. อุปกรณ์ไมโครวาล์ว ตามข้อถือสิทธิที่ 1 ที่ซึ่งโครงสร้างหลาชั้นของสารโพลิเมอร์ ดังกล่าวยังประกอบด้วย microchamber (4)-(5), actuating membrane (6) และ microchannel (7)-(8) ล้อมรอบโครสร้างตัวทำความร้อนแบบเมมเบรนลอยดังกล่าว 9. อุปกรณ์ไมโครวาล์ว ตามข้อถือสิทธิที่ 1 - 8 ข้อใดข้อหนึ่ง ที่ซึ่งโครงสร้างหลายชั้นของ สารโพลิเมอร์ดังกล่าวทำจากวัสดุแผ่นยางประเภทซิลิโคนหรือวัสดุในกลุ่มที่ประกอบด้วย poldimethysiloxane (PDMS) 1 0. อุปกรณ์ไมโครวาวล์ ตามข้อถือสิทธิที่ 1 ข้อใดข้อหนึ่ง ที่ซึ่งโครงสร้าง microchamber (4) ดังกล่าวความหนาไม่ควรน้อยกว่า 100 ไมโครเมตร 1

1. อุปกรณ์ไมโครวาล์ว ตามข้อถือสิทธิที่ 1 - 8 ข้อใดข้อหนึ่ง ที่ซึ่งโครงสร้าง Air chamber (5) ภายในชั้นโครงสร้าง microchamber (4) ดังกล่าว มีลักษณะเป็นวงกลมที่มี เส้นผ่าศูนย์กลางอยู่ระหว่าง 50-1000 ไมโครเมตร 1

2. อุปกรณ์ไมโครวาล์ว ตามข้อถือสิทธิที่ 1 - 8 ข้อใดข้อหนึ่ง ที่ซึ่งชั้นโครงสร้าง actuating membrane (6) ดังกล่าวมีความหนาอยู่ระหว่าง 10 -100 ไมโครเมตร 1

3. อุปกรณ์ไมโครวาล์ว ตามข้อถือสิทธิที่ 1- 8 ข้อใดข้อหนึ่ง ที่ซึ่งชั้นโครงสร้าง microchannel (7) ดังกล่าวมีความหนาอยู่ระหว่าง 500 -3000 ไมโครเมตร 1

4. อุปกรณ์ไมโครวาวล์ ตามข้อถือสิทธิที่ 1 - 8 ข้อใดข้อหนึ่ง ที่ซึ่งชั้นโครงสร้าง microchannel (8) ของระบบ microfluidic ภายในชั้นโครงสร้าง microchannel (7) ดังกล่าวมีความกว้าง และลึกอยู่ระหว่าง 50-200 ไมโครเมตร 1

5. อุปกรณ์ไมโครวาล์ว ตามข้อถือสิทธิที่ 1 - 8 ข้อใดข้อหนึ่ง ที่ซึ่งชั้นโครงสร้าง microchannel (8) ภายในชั้นโครงสร้าง microchannel (7) ในส่วนที่เหนือ Air chamber (5) ดังกล่าวมี ความกว้างกว่า microchannel ของระบบ microfluidic ปกติ คืออยู่ระหว่าง 100-500 ไมโครเมตร 1

6. กระบวนการผลิต อุปกรณ์ไมโครวาวล์ (Microvalve) ที่ประกอบด้วยขั้นตอนของ - การจัดให้มีแผ่นฐาน (3) ที่ประกอบด้วยผิวหน้าที่หนึ่งและสอง - การจัดให้มีโครงสร้างตัวทำความร้อนแบบเมมเบรนลอย (1) ที่ถูกสร้างจากชั้น ฟิล์มบาง (1) และมีส่วนหนึ่งลอยอยู่เหนือแผ่นฐาน (3) ดังกล่าว โดยมีช่องว่าง (9) อยู่ระหว่างนั้นและมีแขนยึดเป็นตัวเชื่อมอย่างน้อยสองจุด - การจัดให้มีชั้นฟิล์มบาง (2) ซึ่งทำหน้าที่เป็นขั้นของตัวทำความร้อนแบบเมมเบรนลอย ที่ถูกสร้างอยู่บนผิวหน้าที่หนึ่งของแผ่นฐาน (3) ดังกล่าว - การจัดให้มีโครงสร้างหลายชั้นของสารโพลิเมอร์ซึ่งประกอบด้วย microchamber (4)-(5),microheater, actuating membrane (6) และ microchannel (7)-(8) ล้อมรอบโครงสร้างตัวทำความร้อนแบบเมมเบรนลอยดังกล่าว โดยที่กระบวนการผลิตอุปกรณ์เซนเซอร์ไมโครวาวล์ (Microvalve) ดังกล่าวมี ลักษณะเฉพาะคือ ในขั้นตอนการจัดให้มีโครสร้างตัวทำความร้อนแบบเมมเบรนลอยดังกล่าว ประกอบด้วยขั้นตอนของ - การสร้างชั้นของ photoresist (10) โดยกระบวนการถ่ายแบบด้วยแสง (photolithography) เป็นแท่งสี่เหลี่ยมหรือรูปร่างอื่นๆที่ใกล้เคียงสำหรับการรอง โครงสร้างตัวทำความร้อนแบบเมมเบรนลอยดังกล่าว - การสร้างฟิล์มบางตัวทำความร้อน (1) บนชั้นของ photoresist (10) ดังกล่าวให้มี ความหนาตามต้องการด้วยกระบวนการ evaporation หรือ sputtering และ - การจำกัดชั้น photoresist (10)ดังกล่าวออกไป เพื่อทำให้เกิดช่องว่าง (8) ดังกล่าว ระหว่างโครงสร้างตัวทำความร้อนแบบเมมเบรนลอยดังกล่าวบนแผ่นฐาน (3) ดังกล่าว 1

7. กระบวนการผลิต อุปกรณ์ไมโครวาล์ว (Microvalve) ตามข้อถือสิทธิ 16 โดยที่ขั้นตอน การสร้างโครงสร้างหลายชั้นของสารโพลิเมอร์ซึ่งประกอบด้วย microchamber (4)-(5), microheater, actuating membrane (6) และ microchannel (7)-(8) ซึ่งทำจากแผ่นยาง ประเภทซิลิโคน ด้วยวิธีการ spin casting, plastic molding และ plastic bonding ลงบนซับส เตรต ยังประกอบด้วยขั้นตอนของ - การสร้างโครงสร้าง microchamber (4) จากแผ่นเรียบของแผ่นยาง PDMS ที่มี ความหนาที่ต้องการโดยวิธีการ spin casting ซึ่งเริ่มต้นด้วยการเทยางเหลวของ PDMS ลงบนแผ่นฐานชั่วคราว (11) ซึ่งอาจเป็นแผ่นเรียบของแก้ว โลหะหรือ ซิลิกอน จากนั้นก็ทำการหมุนด้วยเครื่องมือที่เรียกว่า spin coater ซึ่งจะมีการจับ ยึดฐานรองชั่วคราว (11) ด้วยสุญญากาศแล้วหมุนฐานรองที่มีของเหลวด้วย ความเร็วคงที่โดยมอเตอร์ที่มีการควบคุมแบบ PID โดยความเร็วที่เหมาะสมจะอยู่ ในช่วง 300-2000 รอบต่อนาที เป็นเวลา 30-60 นาที เพื่อให้ได้ความหนาของ แผ่น PDMS ในช่วง 1000-100 ไมโครเมตร จากนั้นก็มีการอบที่อุณหภูมิ ประมาณ 80 ํC เป็นเวลา 2 ชั่วโมง เพื่อให้ PDMS แห้งสนิท จากนั้นจึงลอกแผ่น PDMS จากแผ่นฐานชั่วคราว (11) และเจาะรูขนาดเล็กสำหรับ Air chamber (5) โดยสว่านหรือเครื่องมือเจาะที่มีขนาดเหมาะสม - การสร้างชั้น actuating membrane 6 โดยวิธีการ spin casting เช่นเดียวกับกรณี ข้างต้น แต่ในกรณีนี้จะทำการหมุนแผ่นรองฐานชั่วคราว (11) ด้วยความเร็วที่ สูงขึ้นเพื่อให้ได้แผ่นที่บางขึ้นโดยความเร็วที่เหมาะสมจะอยู่ในช่วง 2000-5000 รอบต่อนาที เป็นเวลา 30-60 วินาที เพื่อให้ได้ความหนาของแผ่น PDMS ในช่วง 100-10 ไมโครเมตร หลังจากการอบก็จะทำการลอกชั้น membrane ที่ได้จากแผ่น ฐานรองชั้วคราว - การสร้างโครงสร้าง microchannel โดยการสร้างแม่พิมพ์ (mold) อย่างง่าย โดย เริ่มต้นจากแผ่นฐานรองชั่วคราว (11) จากนั้นก็จะมีการสร้างชั้นแม่พิมพ์ที่มี โครงสร้าง microchannel (12) ที่มีลวดลาย ความหนาและขนาดที่เหมาะสม โดยชั้น แม่พิมพ์ที่มีโครงสร้าง microchannel (12) นี้อาจสร้างมาจาก photoresist ที่มีความ หนามากและเหมาะสม เช่น SUB ตามด้วยการหล่อ (casting) ของยางเหลวของ PDMS ลงบนแม่พิมพ์ (mold) หรือการทำ hot embossing ของยางแข็งของ PDMS ลงบนแม่พิมพ์ (mold) และการดึงโครงสร้าง PDMS (7) ออกจากชั้นแม่พิมพ์ - กระบวนการ plastic bonding เพื่อยึดโครงสร้าง PDMS ทั้งสามส่วน คือ microchamber 4-5 actuating membrane 6 และ microchannel 7-8 เข้าด้วยกันโดย จะต้องมีการให้ความร้อนที่อุณหภูมิที่เหมาะสมในช่วง 80-90 ํC เพื่อโครงสร้าง PDMS ทั้งหมดอ่อนตัวและยึดติดกันอย่างแข็งแรงหลังจากนำออกมาจาก oxygen plasma และ - กระบวนการ plasma bonding เพื่อยึดโครงสร้าง PDMS ทั้งหมดให้ติดกับแผ่นฐาน (3) โดยล้อมรอบโครงสร้างตัวทำความร้อนแบบเมมเบรนลอยทั้งหมด โดยไม่มี การให้ความร้อน