TW200911679A - Microfluidic devices and methods of manufacture thereof - Google Patents

Description

200911679 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於微流體裝置，剌是具有—個或以 流體通道或溝槽之微流體裝置。

【先前技術J 人們瞭解微碰裝置是包含絲通道細室的裝置 -般具有至少-偏itf是更奴度，麵公綱公麓之 間的範圍。部份是因為絲別低的總處理流體量，和特別 高的表鳴比，微流體裝置在執行困難的，危險的或甚 至不太可能的化學反應域理時是財_，而且是以安 全，有效的，和不汙染環境的方式處理，流量大約是聽^ 分鐘或更高的連續流量。 ,微流體裝置是由各鋪料包括金屬，陶究，石夕和聚合物 製成。這些材料所面臨許多缺點。 。例如，聚合物製成的裝置通常無法長_承受超過2〇〇 °〇到30(TC的溫度。更且，很難有效去控制這種結構内的表 面狀態。 石夕的裝置通常較昂貴，而且無法和某些化學性或生物 性流體相容。更者，石夕的半導體特性在使用某些抽運技術 時會產生眺譬如電-流體動力抽運和餘雜運。更且 ，在形成石夕微流體農置所使用的微影技術會自然產生小的 通運(通系小於100//m)。這種小的溝槽有很高的反壓，很 難達到生產的總量需求。 金屬製成的裝置彳炫易顧，通常無法㈣些化學性 200911679 或生物性流體相容。 因而在很多方面最好有玻璃製的微流體結構，或至少 有以玻璃襯裏的反應溝槽。 玻璃製的微流體裝置可藉由化學性或物理性飯刻而得 到。可使刻技術在玻璃基板上產生凹溝，此凹溝可以 玻璃蓋子料f。細，這觀舰枝全齡人滿意的。 均向性的化學_並不能得麵著的寬献，而物理性钱 刻則由於其高成本和限制的生產量而很難實施。為了封閉 開放式的凹4,隶棚來附加或封蓋的技術是離子附著。 贼這種技術很昂貴，而且到目前為止因其對灰塵很敏感 L也很難實施。社，辆的麵錢是非常侧，以提供 局品質的密封。 由結構化固結玻璃料形成的微流體裝置界定在兩個或 以上絲之間的凹處或通道，已經在本發明作者和/或其 相關人員先前的工作中開發，範例說明於美國第6,湖，碰 Microfluidic Device and Manufacture Thereof 中，以及其相關專利或專利出版物中。這裡說明的方法包 括各種步驟，毅触帛—基板触帛二級，在第一基 板的正_成第-玻德結構，销二基_正面形成第 二玻璃料結構，然後互相面朝面一起固結此第一基板和第 k玻璃料結構鄉成在第—和第二基 板之間-個或以上固結玻璃料界定出的凹處或通道。在這 種型態的裝置巾，___娜⑽流體通道，這種通 道可以刚鍵璃料的玻璃或陶究破璃材料襯底，即使使用 200911679 的是非玻璃基板。 雖然美國第6, 769,444號專利所說明的裝置型態已經 在婁欠種反應中顯出優越的效能，然而某些反應的其他效能 測置，可能對均勻緩和熱梯度或熱點很敏感。因此，最好能 提供一種微流體裝置或微反應器，儘量減少這種熱梯度或 熱點。 【發明内容】 這裡所說明的是微流體裝置和生產的方法，以保留玻 璃襯底反應通道的優點，而且相對於先前技術的裝置具有 更強的平均熱導性。也制這雜置的紐方法。這裡所 祝明的材料，方法和裝置的優點有部份將在以下的敘述中 °兒月，或者也可以藉著執彳亍以下說明的特性而了解。以下 。兒明的優點將可藉著下财請專利範圍巾_指出的元件 彳’、且5貫現和達成。要瞭解的是前面的大致說明和以下的 "羊爲兒明都只是用來做為範例和解釋之用，而不是用來限 制的。 【實施方式】 f說明本發明材料，物體，及/或方法之前，人們了解底 :所說明各項並不受限於特定實施例，合成方法，或用途， 田‘、此夠加崎化。人們亦了解在此所_名詞只作為 說明特办貞目以及並不爾膽到限制。 立在本說明書及下列申請專利範圍中，所提出一些名詞 思義界定如下： 整個說明書，_神綱，"包含"絲包含所說明整 200911679 驟，但是並不排除任何其他整數 數或步驟或群組整數或步, 或步驟或群組整數或步驟 要朗纽料_細巾所朗單數形式 二。意，轉本文内容清楚地 例如藥物包細贼乡種該載體 化裡所況明的微流體震置是由具有增加平均熱導性的 玻璃所製成。這裡所說明的微流财置包括一種混合物或 稷合材料，而這些混合物或複合材料含有玻璃料和填充料 。填充料的熱導性比玻璃料的熱導性還大。 總而言之，當和固結玻璃或含有固結玻璃的混合物，或 不含填充料的複合材料比較起來，填充料結合玻璃料會產 生具有增加平均熱導性_結含玻璃的混合物或複合材料 。固結混合物或複合材料的平均熱導性就是包括任何填充 材和殘餘空鮮的燒結玻璃料所測得或計算出的熱導性。 平均熱導性的計异包括J[接取異向性彳撕的熱導性平均。 在特定項目中，此複合材料的平均熱導性比不含填充料的 玻璃大於至少10 %，或至少2G %。在另-方面，此複合材料 的平均熱&性大於1. 2W/m/K，或大於1· 4W/m/K,或大於1. 6 W/m/K 。 這裡所使用W/m/K亦可表示為w · m1 · Γ1。 混合物或複合材料是填充料和玻璃料的混合。依據本 發明特定實施例，這可藉由在熱處理之前，緊密混合玻璃料 和填充料來達成，使得填充料可均勻擴散或併入整個複合 200911679 材料中。這樣可雜全_賴複合㈣在整個複合材料 中有相對均勻的平均熱導性。依據本發明其他實施範例， 可使親型玻璃片或至少部份固結的混合物或複合材料的 玻¥塊在任種情況，複合材料不是僅在玻璃表面塗上 填充料的玻璃。這裡有用的玻璃料和填充料將在以下說明。 玻璃料是在加熱時會轉變成黏性材料的任何玻璃材料 微細顆粒。這裡可以使用各種材料。在特定項目中，玻璃 料包括驗和至少-種其他的驗性氧化物，驗土氧化物，過 渡金屬氧化物，非金屬氧化物(譬如乾觀棚氧化物)，或 其組合。在另-項中，玻璃料包括鹼性石夕酸鹽，驗土石夕酸鹽 ，或其組合。可时作為麟料的範例材料包括但不限定 是硼矽酸鹽，含溶解錯的硼矽酸鹽，或鈉蝴石夕酸鹽。 再討論填充料，填充料對玻璃料而言最好是近乎或完 王疋惰性的以保持填充料的熱和機械性質。當填 璃料而言奴乎较狄雜時，觀料在填 基質之内沒有或只有極小的反應，使得不會有泡沐，不好的 新相形成，裂隙和任何其他和固結作用干擾的過程。在這 些條件下，可能產生有極小孔隙率的複合材料。 填充料也最好是無孔隙的，或有極小的孔隙並擁有低 的表面積。就像一般使用在此項技術上的有機化合物在 燒結期間，填總並不會職域。在熱處理過程，填充料 γ以保持剛性，軟化或甚至炫化。在特定項目中，填充料的 軟化點或熔點大於玻璃料的情況。根據填充料的選擇，填 充料可以形成一種氧化物，促使填充料加入至最後的混合 H 9頁 200911679 物或複合材料。 如上所討論的，填充料增加複合材料的平均埶導性。 在特定項目中，填充料的平均熱導性大於等於2 w/m/K大 於或等於3W/m/K，大於或等於4W/m/K ’ 、士 乂戰4W/m/K，大於或等於5W/m/K。 攻裡有用的填充料範例包括，但不限定是碳化砍氣化铭 碳化吼祕佩触鈦，魏紅贼，銀，金，紙鶴，石炭， 石夕，鑽石，鎳，鉑，或其任何組合。底下表1為-歧在此所使 用特定填充料之物理特性。 -牡懷

填充料的量可能依據所選的玻璃料型態和所需的平均 熱‘性而疋。在特定項目中，填充料的量是大於等於5%複 合材料的量。在另一項中，填充料數量為15%至60%體積比 。在另一項中，填充料數量為35至55%體積比。 這裡所說明的是製造包含混合物或複合材料微流體裝 備的方法，混合物或複合材料包括玻璃料和填充料。如上 所提及的，填充料的熱導性比玻璃料的熱導性還大。依據 第丨〇 頁 200911679 本發明，請參考圖1作為本發明實施範例的一種形式，混合 物或複合材料形成為固結體10，具有流體通道或溝槽或槽 至26,28,有一個或以上公釐到次公釐範圍的尺度。混合物 "T藉由形成或長供含玻璃料和填充料和黏著劑的混合物而 提供。將混合物形成固結體可包含鑄型混合物，接著去黏 結和燒結混合物。麵轉成過程可包括:⑴形成含玻璃 料和填充料的玻璃、组成到第一玻璃勒反，譬如基板12，从 16,18。這御成過程可使用鑄模採取熱成形的形式，或另 -種成形找以形成找帛—紐18和其上顧彡玻璃料2〇 ’ 24的第-元件。在圖i的處理過程中，基板18上的成形玻 璃料20, 24通常包括-層薄膜2〇和壁板結構24。在玻璃料 20’ 24形成之後，接著⑵第一元件和包含第二基板的第二 疋件堆叠在-起以成侧麟喊2()，24放置在第一基板 18和第二兀件之間，和⑶組好的第—元件和第二元件一起 加熱到足以SI結玻璃組成的溫度以形成—片界定出至少一 個例如通道26, 28的凹溝，或第—和第二絲18,16之間熱 流體通道30的微結構。 在組裝期間，第二元件可包括形成在第二基板上的玻 璃組成，例如扁平層32或包含破璃料和填充料破璃组成的 結構層。在這種情況下，個別的成形玻璃組成2〇, 24和犯可 以在組裝步驟中互相靠近置放，使得在加_，個別的成形 破璃組成相鄰的部份會固結在—起以形成—片，在第一和 第二絲之間界定出至少一個凹溝26, 28，: 板材料的她括，但徽桃麵λ 200911679 組合。在另-項目巾，基板可岐魏譬如Eagie或 tormng公司製造的溶。 中，基板是可選擇性的，不—树形成微 抓體虞置。修，蝴4A-C的仰肖賊騎示， 料的結構層譬如—層—般形狀的級，加上壁板或其_ 成其上的結構可藉著下列步驟由複合材料整體形成.⑴將 玻璃料和_編合物34 在核36上;⑵將鱗模 置放在混合物34上以產生堆疊系統4〇;⑶以 溫度加熱堆叠系統40,讎至少一些混合物的破璃成^和 為黏性玻璃，如圖4Β所示，第-麵38滲人混合物％而混 ⑷冷辑疊纽4G;⑸從帛—顯38移_ 合物或複合材料34,當混合物或複合材料34從第一鑄模38 移除時，混合物或複合材料34並不會黏住第一禱模％。當 然，也可以顛倒堆疊的順序，使得混合物34置放在第一禱模 38上二然後支架36置放在混合物⑽上。支架％本身也可以 採用第二鑄模的形式，使得產生混合物或複合材料34的兩 個表面，如果需要的話，可在一個加熱步驟複雜輯造出。 如上所述，縣置放在絲36上财_和填充料的混合 物34可選擇性採肖翻玻璃# 34,或至少部侧結的混合 物或複合材料的玻璃塊34。 34冷卻日^·可以用手很容易地將鎢型混合物&從鑄模兕移除 ，而不必使用一般需要額外耗費時間的蝕刻技術。這裡的 200911679 鑄型混合物34並不會粘著在鑄模38。這裡用的"不會點著” —詞是界定出為在鑄型複合材料和鑄模之間，沒有機械式 或化學交互作用。 產生鑄模38所用的玻璃料和填充料材質的選擇會影響 鑄型玻璃是否會黏住。選擇玻璃和鑄模材質時，要考量的 性質包括熱膨脹係數(CTE)，Y_g模數，鑄模的孔隙率，和 鑄模的化學穩定性。每一種性質將在以下詳細說明。 就CTE而言，鑄模材質的CTE在某特定方面最好是接近 要~型玻璃的CTE。在特定項目中，第一鑄模包含的材質， 熱膨脹係數最好是在玻璃料/填充料的複合材料熱膨脹係 數300°C時的l〇xl〇-7/t：範圍内。 、 鑄模材質和玻璃複合材料的Young模數則是另一種考 t而且是和CTE有關。如果鑄模材料有較低的Y〇mg模數， 那麼鑄模材料就會比較有彈性，而且可容忍破璃複合材料’ 和鱗模之間較大的CTE差異。相反地，如果峨材料有較高 的Young模數，那麼鑄模材料就會比較不具彈性(亦即較堅 硬)，玻璃複合材料和麵之_ CTE i異應該保持較小。 在-項中，第-顯包含材料的Young模數小於玻璃複合材 料的Young模數。 就用來製造鑄模的材料來看，除了考慮鑄模材料相對 CTE/Y_g ·考麟模的孔 隙率和化學敎性。就率來看，鱗模最好擁有某種程 度的孔隙執使鍵理躺赶的驗仙❹孔性賴 逸出熔融_，柯會陷在玻翻。❹仙在真空下進 200911679 行鑄造’使得捕捉到或是逸出的氣體可以被移除。在特定 項目中，第一鑄模有大於5%開放的孔隙率，也就是說大於模 型里的5%是開放的。在另一項中，第—缚模的孔隙率從璐 到20%，或者約1〇%。

在遥擇鑄模材料時的另一種考量是在提升的溫度下， 尤其是將玻璃片轉換成熔融玻璃的溫度，鑄模應該是化學 ，定的。龍所_化學性穩定—詞是指將鑄模材料界 =出為，從惰性材料轉換成可和熔融玻璃交互作用的材料 時，鎿模材料的阻力。例如，當鑄模是由氮化微成時，氮 化爛可以在大於7〇〇 c的溫度下轉換成氧化硼。氧化侧可 以和玻璃進行化學性交互作用，產生枯住鱗模的玻璃。因 此，=據轉型處理時執行的溫度，熟悉此項技術的人可選擇 在提升的溫度下，不會轉換成化學活性材料的鱗模材料。 一沒裡使用的鎊造材料包含，但不限定是石墨，氮化石朋陶 竞，或其組合。在特定項目中，鎢造材料包含由Cartoe ^〇rmne公司製造等級245〇 ρτ的石墨。這種等級的石墨 300 C時熱膨脹係數為25xl〇Vc，開放的孔隙率值約為 ^像统的技術，例如CNC切削，超高速鑽石切削，放電切 ^或境些組合都可以用來製造特定的禱模。轉模設計可 根據所需的特性而改變。 在這個處理過程中，玻璃料和填充料的混合物34以粉 放塊34触斌置放在核36上，接著置 平或L錢合物34㈣外—邊。支架36最好儘可能是扁 ”、’的以確保軟化混合物34的流動。支架％和缚模兕 第14 頁 200911679 :=由_或不同材料組成。在特定項目中，支架36包 '土，虱化硼陶瓷，或其組合。在 怎:：組成時，材料—=二 級2450 PT的石墨。 ^衣 雜雜目巾，可使職婦⑽奴敏賴黏著在 =。脫模齊!可施加在任何顯，玻璃片和支架表面。 ㈣施蝴量可靖之變化。麵__劑最好有 ::生質:或是由相似的材料組成。例如，當鑄模是由石 w、、且成時，脫模劑最好是碳粉塵。 範例： 所提出下列範例贿供業界熟知此技術者完全揭示及 了解在此所說明以及申請專利細之材料，物體以及方法 如何製造以及評估，以及純粹作為範例以及並獨期限制 本發明之_。已ft械餘目（例如數量，溫度等)心精 萑f生’仁疋會產生一些疾差及偏差。除非另有說明，單位為 重量單位，财以。C或大氣溫餘示,以及氣麟或接近大 氣壓力。 填充礬土玻璃料之配製及特性： 辕土的熱導性比石夕土玻璃高3〇倍。其熱導性是α=28 W/m/K。微細顆粒蓉土的強度通常比玻璃大倍，對 lOOMPa。礬土的堅硬度比玻璃大5倍，最好可以抗拒來自毛 細管溝槽内壓力的彎曲應力。礬土也為具工業標準。價格 不貴，而且可取自業界，譬如Ky0cera和(^金}^。霖土也 特別可以抵抗化學性侵襲，像是譬如Pyrex 774〇的驗性蝴 第15 頁 200911679 矽酸鹽玻璃。 具有南熱導性的礬土填充玻璃料已被發展出，以合理 的CTE匹配駐基板的。匹峰均脹的基礎玻璃組 成份是以72%重量比的玻璃組成份a和28%重量比的玻璃組 成份B的機械擾拌混合物而得到，組成份顯示於底下表2中 表2 " %莫耳比 A B Si〇2 68.97 一·1 —-- 70.2 B2O3 20.4 AI2O3 11.41 3.4 Li20 ~ΪΑ~~~~ Na20 9.64 ' ------ 2.3 CaO 4.64 1.1 MgO 1.88 K20 1.78 ——-- Zr02 1.69 -- F 13~ —l- - 1 玻璃組成份A和玻璃組成份B的軟化點分別是683。〇和 757°C。混合物愤成份B玻璃料顆粒，在燒結期間保持剛 性，也可被視為是本體玻璃組成份A内的軟填充料。玻璃料 乾磨後，在混合前先透過一個洞口 的篩網來篩選。最 初的攀土填充料是 KC#50(K.C. Abrasive e〇npany，uc， 3140 Dodge Road, Kansas City, KS 66115, 913-342- 2900)和 A-3000(Almatis，Inc. 1-800-643-8771)粉末3.2 的混合物。礬土填充料加到基礎玻璃料的濃度是〇, 3〇, 4〇， 和50%重量比。鑄造關糊狀物可藉由混合玻璃料和約為 16%重量比的臘MX-4462(CERDEC，a division of Ferr〇) 而得到。 測量熱導性樣本的準備是藉著在紹基板上以1〇忙熔 第16 頁 200911679 化糊狀破璃料，並緊壓以形成約為0· 5-0. 8 mm厚的塗層。 所有樣本加熱2小時。選擇的燒結溫度是根據填充料的濃 度，言如浪度為在705 C下為0%，825°C下為30%，l〇5〇〇c下為 40%, 1200 C下為50%。圖1A-1D所示是複合材料塗層磨光才黃 截面的SEM照片。固結混合物或複合材料的熱導係數可以 兩種方式測得:⑴使用 NIST(http://www. ctcms. nist. g0v /〇〇f/)發展的OOF軟體做SEM影像的有限元素分析和⑵在 外部實驗室(Anter Laboratories)用雷射閃光測量熱擴散 係數，結合測量熱容量的微差掃猫熱量測定法(DSC)。

娜軟體允許依據影像中每個相的對比來指定已知的 熱導係數，孔隙(〇 W/m/K),玻璃(1 w/m/K)，和礬土填充料 (30W/m/]〇。接著施以人工固定的溫度梯度，從影像的尺度 算出熱導係數，並計算出熱通量。 X 填充料以及孔隙分佈顯示於表3中。分佈的測量本質 上是統計性的，有一些變化會出現在SEM影像的小比例長 度上這種效應可藉由提供每次測量相關的實際填充料濃 度和孔隙率來說明。 顯不於表4中所產生計算出燒結填充玻璃料的熱導係 數是根據所拍攝垂直和平行基板的SfM影像的5〇〇和 X兩種放大。加入礬土填充料會戲劇性地增加熱導係數。 例如50%填充料濃度和1〇〇〇χ的影像，在垂直於基板的方向 ，燒結玻璃料的熱導係數會增加到5. 5 w/m/K。孔隙率對 熱=! 生有害的影響也可芩考表3。填充料延遲燒結因而產 生门數值的孔隙率。然而，糊狀物在形成之前並不會去除 第17頁 200911679 虱體，也不會在餘室喊造到基板上。々 以触孔隙率，可選擇作為反應器製造過程的—部份亂

(W/m/K)

”以熱擴散餘的雷射贴測量中，直徑25jm她形測量 :攸塗層基板探鑽。在塗層被用來以脱測量熱容量的同 日不加熱粒狀形式的各糊狀物樣本。測量每個樣本的重量 ，塗層鱗度。鋪散槪鱗絲，熱容量，和塗層 密度都顯示在表格中。柱形的總解係數也和礬Γ參 f鈕作比|χ。較南的熱導係數，是在仙％填充料濃度。由於 同孔隙率，熱導係數在5〇百分比的填充料濃度時會減少，這 200911679 是塗層密度減少的證明。應該要注意的是，雷射閃光測得的 基礎玻璃熱導係數，也就是沒有填充料的玻璃，在2. 2 W/m/K 時太高。因而表格中的絕對值必須被質疑，但是我們相信趨 勢是明顯的：塗層的熱導係數會因加入填充料而增加。 表5 填充料%體積 比 燒結溫度 (°C) 熱擴散性 (cm2/s) 玻璃料 比熱 (J/g) 玻璃料 密 度 (g/cm3) 總熱傳導性 (W/m/K) 玻璃料熱傳導 性(W/m/K) 0% 705 0.021 0.83 3.08 5.0 2.2 30 825 0.028 0.81 3.05 6.8 3.7 40 1050 0.037 0.74 3.12 8.9 4.4 50 1200 0.036 0.73 2.75 7.6 4.3 參考(ai‘2〇3) NA 0.0794 0.78 3.61 22.3 ΝΑ

在礬土填充玻璃料的顆粒燒結之前和之後進行粉末紐D 。圖3顯示的痕跡是取自以丨，2〇(TC加熱二小時後的含5〇% 填充料的樣本。痕跡顯示出特徵的玻璃暈，大量的“—礬土 ，和一些富铭紅柱石。小於5%少量的富鋁紅柱石是玻璃内 填充料和矽土反應的產物。因而矽土填充料基本上是惰性 的’甚至疋在1，200 C南溫。形成富銘紅柱石事實上是有好 處的，因為它的熱導係數是6 W/m/K。形成一些富鋁紅柱石 ，藉由透過玻璃基質連接砍土填充料顆粒，也有助於熱導性 材料連續性網路的發展。 配製微反應器： 微反應器是在GoorsTek 壯驗 12,14,16,18(1. 〇 麵厚)，從基礎玻_含G，30,和土填辆_狀玻璃 料製造成。模型的製造是使用到美國祕舰沿和6職从 第19 頁 200911679 號專利所提的微鑄造技術，但有下列的差異。第—用來鱗 造的基板12,14，16，18以雷射切割成適當大小，並以流體I員 鑽孔。第二，在預燒結熱循環期間使用纖維狀纖維素(他伽如 CF-1)替代碳化鈣來控制糊狀物流動。第三，在礬土基板的 熱交換it,不施加玻璃料為主材質的扁平薄層（例如沒有圖 1所示的層22)。前兩種改變可簡化製造過程有利於改善處 理過程。第三種改變則可減少裝置的熱阻。以類似於先前< 測試的玻璃反應器的内部體積，也因而是内部尺寸和結構 以選擇微反應ϋ的麵環。這樣做可雜朗試中相似的 流體動力條件。 在組裝前要預先燒結各個層以移除黏結劑並產生玻璃 料内可承X預燒結層堆疊重量的機械性質。預先 環為如下所示:1)Q-署Cgc/健;2)停留；^：鐘;^ 300-630 C為 4 C/分鐘;4)停留 30 分鐘;4)610-25°C為 2°C/ 分麵。形成譬如裝置1〇的裝置元件的燒結使用55吆的重量 進行。我們相信此重量額外的壓力有助於玻璃料結辦〇鄰 近層或礬土紐的魏，這在產生骑外漏的流體通道是 很需要的。燒結熱循縣如下所示:丨^祖為似分鐘； 2)停留120分鐘;3)祖4 2°c/分鐘;4)停留6〇分鐘⑷棚— 25 C為2°C/分鐘，其中對於〇, 3〇,及5⑽體積比填充料濃度 之MAX分別為825,1050,及l2〇〇〇C。圖2A-2D所示分別是填

充料百分比為0, 30,40,和50的玻璃料塗層磨光橫截面的 SEM照片。圖2C可見到兩種礬土顆粒大小，包括Almatis A κ· c· Abrasive KC#5〇 的大顆粒。填充料 第20 頁 200911679 百分比從圖2B增加到圖2D， 如圖2D所見。 孔46出卿和赠大小也增加 熱測麟同樣大小和形式，土模型埶交換 反應是相__濃縮氯化氫和氫氧化==熱 入口放入反應劑，如同圖1表亍的 、，在反應劑 從入口「山+ i知的反細彳切A和B，反應後 τ〜〜使用乙醇作為熱交換流體，譬如流入圖1的 入口 Τ，從入口 ΤΕ出來。 口旧 ，5顯示的是熱測試的結果，是以_為單位的功率 干夫^Γΐ鐘/A厘為早位的反應劑流量_表。圖表顯 :絲、的破璃反應器(方形符號)，從基礎玻猶沒有任何 ϋ抖崎造的礬土_(三角形符號)，和含有5_真充料 ^賴霸形瓶）。礬土_可賴2. 5到3倍於玻璃 ^的功率。計算的熱雜絲，參照賴反應器是450 ’使用翻料但不含填練所製造的礬土_是，而含 5⑽填充料•土翻是1侧/Λ。材__輸係數是 ^已头的材料性質和玻璃料層的厚度計算出。參照玻璃反 的厚度是每層約狀2刪，總共是〇.杨 在恭土模型中殘餘層厚度為0· 125mm,以及平坦層厚度為 ，如同朗無平坦層。三麵式反應ϋ洲熱傳導係數 口。!為670,4900,及9〇〇〇w/m2K。藉由比較材料和玻璃反應 2總熱傳輪係數可看出玻璃料和基板會限制熱的傳輸。 ^ 劑流體一起使用可將熱傳輸係數減少約 1，500 W/m2K。 第21 頁 200911679 雖然這#4棘的結細示紅模咖峨傳輸受限於 流體的性質，玻祕鮮性的影響也著的，如同本發 明微流體裝置玻璃料為主材質所提供改善的熱導性。尤^ 疋，不像模型裝置，每個基板每個表面上可能需要包括—層 玻璃料薄層，這至少有兩個理由:魏，騎在微反應器製 造期間可促趙封以增加熱控術遗冑路賴力阻抗性， 第二，使用薄層可允許微流體裝置對於各種反應流體只呈 現-種材料，*且熱交換流體可在裝肋流動，目而促進持 久性和惰性。 、 如果殘餘剌尺赫似於參__反顧，而且扁平 層併入裝置中，那麼從玻璃料不含礬土填充料製造出的礬土 模型熱傳輸雜是約2,觀而含百分之5晴土的玻璃料是 約7, 300 W/m2K。請參考表3和4的資料，基礎玻璃内需要至 少約3_礬土填充料濃度，以達到6_ w/m2K的熱傳輸係 婁欠。 ' 其他玻璃的調查是:腦09(含_石夕酸___ 酸鹽填入30°· KC#4礬土填充料量。藉著混合粉末的單轴 緊壓來合絲本，接細麵。(：加熱30分鐘。_樣本都 以相對密度約95職近完全固結。兩種複合材料的熱導係 數是2· 1 W/m2K。玻璃組成份對熱導性有少量的影響。 圖6顯示增加礬土填充料的體積百分比以W/m2K為單位 的熱導性變化。t填紐體積比增加，複合彳撕的熱導性 就會快速增加，最大約是35%體積比。若超過4〇%體積比就 會觀察到熱導性相反的變化。我們相信這是因為孔隙率1曾 第22 頁 200911679 加，而降低了熱導性。超過35%以上體積比，礬土填充料就 會開始干擾玻璃密度，50%以上仍然可達到適度的複合材料 密度。可達到的最高效能出現在約35%到約50%的量。 圖7顯示成品玻璃的相對百分比密度，而且以填充料固 結混合物或複合材料作為礬土填充料%重量比的函數。如 同從圖表中看到的，當礬土的％重量比大於約35%時，產生固 結混合物的密度開始降低。增加的孔隙率有助於解釋圖6 的高峰。標示不同百分比固結混合物的顯微照片也包括在 圖7中。顯微照片中可看到約45%填充料的固結混合物，固 結玻璃基質48以及填充料44和孔隙46。 應3玄遥擇玻璃料，填充料，以及基板和處理條件以避免 不想要的反應。例如，在高溫的燒結期間，玻璃材料和填充 料的接觸會產生數種不需要的反應。當填充料是沉和讀 時，甚至在中性氣體(氬）中的燒結期間，發現出現破璃料基 質的泡沫。BN填充料黏到礬土支撐架也被發現是不好的。 破璃從菱形填充料流出（滲出）。這些問題可藉由改變反應 (燒結)條件和起始材料來避免。 本案中參考不同的公開文獻。這些文獻揭示内容在此 加入作為參考之用以更加完全地揭示出在此所說明之化合 物，組成份以及方法。 在此所說明材料，方法以及物體能夠作各種變化及改 變。在此所說明其他材料，物體，以及方法各項將由在此所 揭示材料，方法及物體之說明及操作變為清楚。預期說明 書以及範例均視為範例性。 第23 頁 200911679 【圖式簡單說明】 圖1顯示的是依據本發明一項特性的微流體裝置實 施範例的橫截面圖。 圖2A-D顯示先前技術所用的破璃料塗層的sem照片（圖 2A)，以及本發明各種實施範例所用的照片（圖卻）。 圖3是顯示出本發明另一實施範例所用的玻璃料材料 粉末X射線繞射痕跡圖。 圖4顯不出依據本發明一項特性實施範例的處理步驟。 圖5顯示出本發明的微反應器相對於先前技術的微反 應器，功率交換能力的圖。 圖6顯示出增加礬土的玻璃複合材料所測得的埶導性 變化圖。 ’、 圖7的圖表是顯示填充玻璃複合材料和以總量百分比 加上馨土的相對密度變化，以及顯示此複合材職例的數 位顯微照片。 【主要元件符號說明】 裝置10;基板12,14,16,18;玻璃料20, 24;層22;通 運26, 28, 30;扁平層32;混合物或複合材料34;支架部· 鑄核38;堆疊系統40;填充料44;孔隙46;麵基質你’。 第24 頁

Claims (1)

1. 200911679 十、申請專利範圍： 1. 一種微流體裝置(10)，其包含一個或多個流體通道或溝 槽或槽室(26,28)，其具有一個或多個公釐到次公釐範圍的 尺度，其中裝置(10)進一步包括含有玻璃料和填充料(20， 24, 22, 32)的固結混合物，填充料的熱導係數比玻璃料的熱 導係數還大。 2. 依據申請專利範圍第1項之裝置，其中玻璃料包含Si〇2以 及至少一種驗金屬氧化物，驗土金屬氧化物，金屬氧化物， 非金屬氧化物，或其組合。 3. 依據申請專利範圍第1項之裝置，其中玻璃料包含驗金屬 石夕酸鹽，驗土金屬石夕酸鹽，或其組合。 4. 依據申请專利範圍弟1項之裝置，其中玻璃料包含石朋石夕酸 I含錯蝴石夕酸鹽，或鹼金屬硼矽酸鹽。 5. 依據申凊專利範圍第1—4項任何一項之裝置，其中填充料 具有平均熱傳導係數為大於或等於2W/m/K。 6. 依據申請專利範圍第1-4項任何一項之裝置，其中填充料 具有平均熱傳導係數為大於或等於5W/m/K。 7. 依據申請專利範圍第1—4項任何一項之裝置，其中填充料 包含碳化矽’氮化鋁，碳化硼，氮化硼，溴化鈦，莫來石，象土 ，銀，金，錮，金，鎮，硗砍，鑽石，鎳，銘，或其任何組合。 依據申料利麵第卜4項任何-項之|置，其中填充 大約或等於混合物之5%體積比。 9.依據

   為混合物之15%至60%體積比。 填充料 第25 頁 200911679 ιο·依據申請專利細第卜4項任何一項之裝置，其中填充 料為混合物之35%至55%體積比。 11. 依據申請專利棚第Η項任何一項之裝置，其中固結 混合物具解均麟導絲Μ切賴糾及無填充料 所構成固結材料之熱傳導係數1〇%。 12. 依據申請專利範圍第η項任何一項之裝置，其中固結 汁匕s物具有平均熱傳導係數至少大於玻璃料以及無填充料 所構成固結材料之熱傳導係數2〇〇4。 13. 依據申請專利範圍第η項任何一項之裝置，其中装置 更進一步包含基板。 14. 依據申請專利範圍第13項任何—項之裝置其中基板由 霖土，碳化石夕，氮化石夕紹，氮化石夕，或其組合所構成。 15. —種製造微流體裝置之方法，該方法包含： 提供混合物，混合物包含玻璃料以及填充料，填充料之熱 傳導係數大於玻璃料之熱傳導係數； 將混合物成形為固結物體，其具有流體通道或溝槽或槽 室，其具有一個或多個公釐到次公釐範圍的尺度。 16. 依據申請專利範圍第15項之方法，其中提供混合物步驟 包含提供由玻璃料以及填充料以及黏接劑所構成之混合物 ，以及其中將混合物成形為固結物體之步驟包含模造混合 物，再對混合物去除黏接以及加以燒結。 17. 依據申請專利範圍第15項之方法,其中模造步驟包含扁 平模造。 18. 依據申請專利範圍第15項之方法，其中提供混合物步驟 第26 頁 200911679 更進一步包含提供玻璃料及填充料混合物為至少部份固結 薄片之形式。 19.依據申請專利範圍第15或18項之方法，其中成形步驟更 進一步包含在加熱情況下使用一個或多個由多孔性碳所構 成之模造表面成形。 第27 頁