TWI360517B - Method of making bubble-type micro-pump - Google Patents
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Description
1360517
, 'TW4618PA 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種氣泡式微幫浦之製作方法，且特 別是有關於一種應用於微流體晶片之電解氣泡式微幫浦 的製作方法。 【先前技術】 近年來隨科技之進步，始實現了微流體晶片之應用。 鲁一般而言，微流體晶片大致上包括流道(fluidic channel)以 及流體動力機構(fluid-dynamic mechanism)。而又以微幫浦 (micro-pump)之設計，於液體流動上扮演極重要之角色。 關於各式微幫浦的詳細設計、運作原理以及多樣化 的應用領域，係散見於許多研究文獻與專利中。例如：中 國科學期刊2007年37卷第3期第402-408頁之「水平梯 度表面能材料表面上的液滴滚動」係揭露以化學氣相沈積 法利用十二烷基三氯矽烷（Cl2H25Cl3Si)於矽基板上形成 梯度能表面。又例如：專利號US 6,231，948係揭露可利於 流體迅速地自接觸流體朝另一表面之方向傳送之網狀結 構。又例如：專利號US 6,232,521係揭露低表面能應用在 女性衛生用品的後片上，使後片和蕊心之間形成一疏水性 梯度’減少濕氣外漏。類同的專利案，專利號US 5,658,639 係揭露一種非織物網具有相對的第一和第二表面，其具有 複數個流道以傳輸流體，當流體接觸具較低表面能之第一 表面時’表面能梯度能驅動流體進入往第二表面的方向流 1360517
TW4618PA 動’適於作為衛生用品的頂片。另外，專利號us 5,792,404 係揭露一種製造表面能梯度的方法，以製造出多個立體的 突起肋狀部，增加非織物網的彎腳數，使流體能更快速地 遠離使用者接觸面並迅速進入吸收粒子。 微幫浦之設計，若依驅動流體的原理可分為兩大類， 其一為利用機械方式來推動流體，例如氣泡式幫浦（bubble PumP)、薄膜式幫浦（membrane pump)、擴散式幫浦（diffuser pump)等；這些幫浦主要是利用其本身之機械元件來達到 驅動流體之目的。另一種則是利用感應電場來驅動流體， 例如電參式幫浦（electro-osmotic pump)、電泳式幫浦 (electrophoretic pump)與電濕式幫浦（eiectro-wetting pump) 等；這些幫浦主要是形成固定電極之構造，於施加電壓後 產生電場來推動流體。 突破製程技術之限制，製造出構造複雜精密能精準控 制流篁的微流體晶片例如微幫浦，但又可將製造成本控制 以符合產品量產之需求’實為相關業者致力之一大目標。 【發明内容】 本發明係有關於一種氣泡式微幫浦之製作方法，主要 是利用濺鍍或雷射方式造成材質、密度、厚度或表面粗糙 度之變化’以於微流道之氣泡產生區段的頂面形成一表面 能梯度’達到製程簡單迅速且生產成本低廉之目的。 本發明提出一種氣泡式微幫浦之製作方法。製作方法 包括：提供一微流道。此微流道具有一頂面、一底面及二 6 1360517
* TW4618PA 側壁，且微流道至少具有一氣泡產生區段；提供一氣泡產 生單元於微流道之氣泡產生區段處，以在氣泡產生區段之 一前端與一後端之間的液體内產生氣泡；對該氣泡產生區 段内之頂面進行一表面處理以使頂面形成一表面能梯 度。其中頂面的表面能梯度能使氣泡產生單元產生之氣泡 開始散失時，液體朝向前端之回填速度與朝向後端之回填 速度相異，而帶動液體朝前端或後端流動。 其中，進行表面處理時，例如是利用一濺鍍方式、或 籲是一雷射方式形成具不同表面能之至少兩區域或部位，以 於氣泡產生區段之頂面形成表面能梯度。 • 為讓本發明之上述内容能更明顯易懂，下文特舉較佳 實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下： 【實施方式】 本發明係提出一種氣泡式微幫浦之製作方法。根據本 發明，微流道係具有一頂面、一底面及二側壁，且底面至 *少具有一氣泡產生單元以產生氣泡於微流道的一氣泡產 生區段，頂面則具有一表面能梯度，當所產生氣泡開始散 失時，氣泡產生區段内的液體其朝向前端之回填速度與朝 向後端之回填速度相異，而帶動液體朝前端或後端流動。 而本發明之製作方法主要是利用雷射或濺鍍方式來製造 出微流道頂面的表面能梯度。 以下係提出一具氣泡式微幫浦之微流體晶片，以作後 續說明根據本發明製法之用。然而，圖示中所提出的微流 7 1360517
TW4618PA 體晶片係為舉例說明之用，並非作為限縮本發明保護範 圍之用。再者，圖示亦省略不必要之元件，以利清楚顯 示本發明之技術特點。 第1圖繪示依照本發明之一微流體晶片之部分示意 圖。第2圖繪示對應第1圖之微流道之氣泡產生區段的示 意圖。第3圖繪示對應第2圖之微流道之氣泡產生區段於 幫浦運作時的側視圖。請同時參照第1、2和3圖。 微流體晶片100包括一微流道110及一氣泡產生單元 120。氣泡產生單元120係包括一第一電極121及一第二 電極122，第一電極121及第二電極122分別鄰近於氣泡 產生區段S之前端el與後端e2。 根據氣泡式微幫浦之運作原理，當氣泡生成於液體中 時，會產生液固氣三相界面之張力，而形成一接觸角，此 接觸角的大小係與微流道之表面潤溼特性有關。因此，當 氣泡B產生於氣泡產生區段S時，由於氣泡產生區段S内 之頂面110a形成有一表面能梯度之影響，氣泡兩側之液 體於固相表面之潤溼特性會受表面能梯度之影響而不 同，進而導致接觸角不同。在此假設接觸角Θ!小於接觸角 θ2。如此，在氣泡B散失期間（第3圖），液體L朝前端el 與後端e2的回流速度將會因為毛細作用力之影響而不 同，進而帶動液體往回流速度慢的一侧（即右侧）流動。反 之，若接觸角大於接觸角θ2，則液體L同樣地往回流 速度慢的一側（即左侧）流動。另外，第二基板140可設置 一電極控制電路（未繪示），以利於控制電極121、122來產 1360517
TW4618PA 生氣泡B ^ 在製作第1圖之微流體晶片1 〇〇時，係可分別地提供 一具有凹渠131之第一基板130、以及提供一第二基板 140 ’並藉由光硬化膠或感壓膠150貼合第一基板13〇與 第二基板14〇。其中’微流道no之頂面110a與二側壁係 為第一基板130之凹渠131之表面’而微流道110之底面 110b係為第二基板140之表面。第一電極121及第二電極 122係設置於第二基板140且分別鄰近於氣泡產生區段$ 鲁之前端el與後端e2。第一基板130之凹渠m可較佳（非 限定）地以低成本之射出成型、壓鑄成型或蝕刻方式來製 作◊具有第一電極121和第二電極122之第二基板140則 可以利用印刷電路板製程或微機電製程來製作。再者，第 一基板130與第二基板140可利用具有重工性的感壓膠 150貼合’若製程中產生不良品’可以撕去重工提高良率， 甚至使用過後’亦可分離兩基板並清洗消毒後，回收成本 昂貴之第二基板140重新再利用’達到節能環保之目的。 ® 雖然在實施例中，係以第一電極121及第二電極 122’作為氣泡產生早元120。但熟悉此技藝者當知本發明 並不限於此，也可提供其他合適之氣泡產生裝置於微流道 110之氣泡產生區段S處’以產生氣泡。有關於其他氣泡 式微幫浦之技術的說明，可參考發表在電氣與電子工程學 會期刊（IEEE, pp 694-697, 30 Jan〜3 Feb 2005, Ashutosh Shastry，. etc)之論文「用以操控微流系統中的液滴之工程 表面粗链度」（engineering surface roughness to manipulate 9 1360517
TW4618PA droplets in micro-fluidic systems)所提出之論點。 以下係提出製作如上述本發明第1圖之微流體晶片 的多種實施態樣，並搭配所附圖式進行說明。而依據本發 明可將製作方法分類為：利用濺鍍方式（第一實施例）、或 雷射方式（第二〜第四實施例）製造出微流道頂面的表面能 梯度。其中，在各實施態樣中所提出之微流道結構和製作 步驟僅為舉例說明之用，並非對本發明欲保護之範圍做限 縮。再者*圖不中亦省略不必要之兀件’以利清楚顯不本 發明之技術特點。 利用濺鍍方式製造微流道頂面的表面能梯度 <第一實施例> 請參照第4圖，其繪示依照本發明第一實施例之一種 微流道的側視圖，其中氣泡產生區段之頂面具有兩種薄 膜。在製作方法上，係在第一基板230與第二基板240貼 合之前，對第一基板230進行一表面處理，形成一第一薄 膜235於氣泡產生區段S内之頂面210a鄰近前端el之一 第一區域rl。接著，形成一第二薄膜236於氣泡產生區段 S内之頂面210a鄰近後端e2之一第二區域r2，近後端e2 之第二薄膜236係鄰接於近前端el之第一薄膜235，如此 以形成第4圖所示之微流道210。如本實施例之第4圖所 示，係以濺鍍方式沈積形成第一薄膜235與第二薄膜236。 且第一薄膜235之第一表面能係相異於第二薄膜236之第 二表面能，以於頂面210a’形成一表面能梯度。 1360517
1 ' TW4618PA 再者，除了使用不同濺鍍材料以造成第4圖中第一薄 膜235與第二薄膜236的表面能差異（不同材料具有不同表 面能），實際製作時，也可利用相同材料，但使第一薄膜 235與第二薄膜236具有不同的濺鍍密度或不同膜厚，以 於頂面210a’形成表面能梯度。因此實際製作時，可依應 用條件所需做適當選擇和調整。 請參照第5圖，其繪示依照本發明第一實施例之另一 種微流道的侧視圖。和第4圖不同的是，在第5圖之製作 籲方法上係對第一基板330濺鍍單一層薄膜335於氣泡產生 區段S内之頂面310a，但薄膜335膜厚由前端el向後端 e2連續遞增或遞減，藉著薄膜335的厚度變化而於頂面 310a’形成一表面能梯度。薄膜335密度則維持一定值。 請參照第6圖，其繪示依照本發明第一實施例之又一 種微流道的侧視圖。其中，係對第一基板430濺鍍沈積厚 度相同之一薄膜435於氣泡產生區段S内之頂面410a處， 而薄膜435密度由前端el向後端e2遞增或遞減，利用薄 *膜335的密度變化以於頂面410a’形成一表面能梯度。 除了上述利用形成薄膜之材料、厚度、或密度的變化 來造成氣泡產生區段内頂面的表面能梯度外，在實際應用 時，亦可利用光碟製程來形成上述具有凹渠231/331/431 之第一基板230/330/430。相較於傳統使用微機電技術製作 第一基板，本發明係可以大幅地降低生產成本，更可以有 效提高生產速度，甚且可提升產品良率，進而降低生產成 1360517
TW4618PA 利用雷射方式製造微流道頂面的表面能梯度 <第二實施例> 請參照第7圖，其繪示依照本發明第二實施例之微流 道的側視圖。第二實施例中，係利用雷射加熱一複合薄膜 層的某些部分，使加熱與未加熱部位的表面能相異，而形 成一表面能梯度。 在製作方法上，係在第一基板530與第二基板540貼 合之前，對第一基板530進行一表面處理，形成一反射層 534於氣泡產生區段S内之頂面510a。接著，形成一第一 · 薄膜535於反射層534上。然後，形成一第二薄膜536於 第一薄膜535上，以形成複合薄膜層。之後，再利用雷射 光加熱氣泡產生區段S内的複合薄膜層（即第一薄膜535 和第二薄膜536)之數個部位，使被加熱之部位形成第一薄 膜535與第二薄膜536之合成物537。其中，雷射光加熱 之部位的表面能係與未加熱部位之表面能相異，以於頂面 510a’形成一表面能梯度。當然在本實施例中，係可較佳地 以濺鍍方式沈積形成第一薄膜535和第二薄膜536，但本 _ 發明對此並不多作限制。 <第三實施例> 請參照第8圖，其繪示依照本發明第三實施例之微流 道的側視圖。第三實施例中，係利用雷射使物質產生化學 變化或發泡，造成粗糙度改變而使微流道之頂面形成一表 面能梯度。 12 1360517
* TW4618PA 在製作方法上，係在第一基板630與第二基板640貼 合之前，對第一基板630進行一表面處理，形成一反射層 634於氣泡產生區段S内之頂面610a。接著，形成一具有 感壓膠與發泡劑之混合薄膜635於反射層634上。之後， 再利用雷射光加熱氣泡產生區段S之數個部位，使那些被 加熱之部位形成數個發泡凸起637。在本實施例中，雷射 光加熱後凸起637之部位的表面能係相異於未加熱部位之 表面能，以使頂面610’形成一表面能梯度。 另外，也可選擇性使用其他材料，例如形成一具有感 壓膠與染料之混合薄膜635於反射層634上，並以雷射光 加熱，被加熱之部位將形成數個凹陷。同樣地，被雷射光 加熱後凹陷部位的表面能係相異於未加熱部位之表面 能，以使頂面形成一表面能梯度。 第二、三實施例係與第一實施例相同’其具有凹渠 531/631之第一基板530/630的製作方法也可以應用快速 且低成本的光碟技術來完成。 <第四實施例> 除了第一實施例使用濺鍍方式使微流道之了員面具有 不同表面能的薄膜，或是如第二、三實施例之先形成薄膜 再利用雷射使物質產生化學變化以形成一表面能梯度，本 發明也可如第四實施例所示，直接以雷射技術於微流道之 頂面製造出多個微柱體以改變此平面的表面粗糙度，進而 取代程序複雜且成本昂貴的傳統微積電製作方式。 13 1360517
TW4618PA 請同時參照第9A和9B圖。第9A圖繪示依照本發明 第四實施例之微流道頂面的多個微柱體之示意圖；第9B 圖則繪示依照本發明第四實施例之微流道的側視圖。 在製作方法上，係在第一基板73〇與第二基板740貼 合之前’對第一基板730進行一表面處理，利用雷射對於 於氣泡產生區段S内之頂面71〇a進行燒結’以形成複數 個微柱體’且該些微柱體可改變頂面7i〇a的表面粗縫度， 進而於頂面710a’形成一表面能梯度。 如第9A和9B圖所示，第一基板730(例如矽基板)上 具有第一群柱狀元件G1與第二群柱狀元件G2，分別對應 於第一基板730之兩區域設置。第一群枉狀元件G1包括 多個截面積相同之第一微枉體751，由第一群柱狀元件G1 於所在區域中所佔之面積比例可決定第一粗糙因子0 ιβ第 二群柱狀元件G2則包括多個截面積相同之第二微柱體 752，且第二微柱體752之截面積係大於第一微柱體751 之戴面積，同樣的由第二群柱狀元件G2於所在區域中所 4占之面積比例可決定第二粗糙因子而由於第一微柱體 751和第二微柱體75截面積不同而造成二個粗糙因子 和02之差異’進而使頂面710a’產生一表面能梯度。 雖然第9A和9B圖中’第一群柱狀元件G1和第二群 柱狀元件G2分別包括多個較小截面積的相同第一微柱體 751和多個較大截面積的相同第二微柱體752，但本發明 並不以此為限。在實際製作時，也可以在第一基板73〇之 頂面710a處雷射出多個截面積自前端ei到後端e2漸增或 '1360517
' TW4618PA 漸減的微柱體，使頂面710a處對應於流道上之不同區域 係具有不同粗糙因子之粗糙表面，進而產生一表面能梯 度。相較於傳統使用微積電方式進行製作，本實施例使用 ， 雷射造成第一基板730之頂面710a處的表面能差異，不 但精準快速，也可降低製造成本。 本發明上述實施例所揭露之氣泡式微幫浦之製作方 法，係利用雷射或濺鍍方式造成材質、密度、厚度或表面 籲粗糙度之變化，以於微流道之一氣泡產生區段之頂面形成 一表面能梯度。此外，實施例所揭露之製作方法係可以相 仿利用光碟製程來形成第一基板，以降低生產成本、提高 . 生產速度和產品良率。再者，第一基板與第二基板可使用 感壓膠之貼合，以利於不良品之重工製程，且具有可回收 成本昂貴之第二基板之優勢。 綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然 其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常 鲁知識者，在不脫離本發明之精神和範圍内，當可作各種之 更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專 利範圍所界定者為準。 15 1360517
TW4618PA 【圖式簡單說明】 第1圖繪示本發明之一實施例之微流體晶片之的示意 圖。 第2圖繪示對應第1圖之微流道之氣泡產生區段的示 意圖。 第3圖繪示對應第2圖之微流道之氣泡產生區段於幫 浦運作時的側視圖。 第4圖繪示本發明第一實施例之一種微流道的側視 圖。 第5圖繪示本發明第一實施例之一種微流道的側視 圖。 第6圖繪示本發明第一實施例之一種微流道的側視 圖。 第7圖繪示本發明第二實施例之微流道的側視圖。 第8圖繪示本發明第三實施例之微流道的側視圖。 第9A圖繪示本發明第四實施例之微流道頂面的多個 微型柱體之示意圖。 第9B圖繪示本發明第四實施例之微流道的侧視圖。 【主要元件符號說明】 100 :微流體晶片 110、210、310、410、510、610 :微流道 110a、210a、210a，、310a、310a，、410a、410a，、510a、 510a’、610a、610a’、710a :頂面 120 :氣泡產生單元 1360517
'TW4618PA 第一電極 第二電極 第一基板 凹渠 第二基板 121 、 22卜 321 、 421 、 521 、 621 、 721 122 、 222 ' 322 、 422 、 522 、 622 ' 722 130 、 230 、 330 、 430 、 530 、 630 、 730 131 、 23卜 331 、 431 、 531 、 631 、 731 140、240、340、440、540、640、740 150 :感壓膠 235、 535 :第一薄膜 236、 536 :第二薄膜 335、435、635 :薄膜 534、634 :反射層 537 :合成物 637 :凸起 751 :第一微柱體 752 :第二微柱體 B :氣泡 el :前端 e2 ·後端 L :液體 rl :第一區域 r2 :第二區域 S:氣泡產生區段 Θ!、θ2 :接觸角 G1 :第一群柱狀元件 G2 :第二群柱狀元件 17
Claims (1)
1360517 TW4618PA 十、申請專利範圍： 1. 一種氣泡式微幫浦之製作方法，包括： 提供一微流道’該微流道具有一頂面、一底面及二側 壁’該微流道至少具有一氣泡產生區段； 提供一氣泡產生單元於該微流道之該氣泡產生區段 處，該氣泡產生單元用以在該區段之一前端與一後端之間 的液體内產生氣泡；以及 對該氣泡產生區段内之該頂面進行一表面處理以使 該頂面形成一表面能梯度，使得該氣泡產生單元產生之氣 泡開始散失時，液體朝向該前端之回填速度與朝向該後端 之回填速度相異，而帶動液體朝該前端或該後端流動， 其中’該表面能梯度可用一藏鑛方式或一雷射方法製 作。 2. 如申請專利範圍第1項所述之製作方法，其中係 以該藏鍍方式形成具不同表面能之至少兩區域，以於該頂 面形成該表面能梯度。 3. 如申請專利範圍第2項所述之製作方法，其中於 該頂面形成該表面能梯度之步驟包括·· 濺鍍一第一薄膜於該區段内之該頂面鄰近該前端之 一第一區域，該第一薄膜具有一第一表面能；以及 濺鍍一第二薄膜於該區段内之該頂面鄰近該後端之 第一區域，該第一薄膜具有一第二表面能且鄰接該第一 薄膜，其中該第一表面能係不同於該第二表面能。 4. 如申凊專利範圍第2項所述之製作方法，其中於 1360517 I J TW4618PA 該頂面形成該表面能梯度之步驟包括： 濺鍍一薄膜於該區段内之該頂面，且該薄膜之膜厚係 由該前端向該後端遞增或遞減。 予’、 5.如申請專利範圍第2項所述之製作方法，其中於 - 該頂面形成該表面能梯度之步驟包括： 、 濺鍍一薄膜於該區段内之該頂面，該薄臈之密度由該 前端向該後端遞增或遞減。 a μ 6·如申請專利範圍第1項所述之製作方法，其中係 以該雷射方式形成具不同表面能之至少兩部位，以ς頂 面形成該表面能梯度。 1 7.如申請專利範圍第6項所述之製作方法，其中於 该頂面形成該表面能梯度之步驟包括： 形成一反射層於該區段内之該頂面； 在形成該反射層後，形成一第一薄膜於該反射層上； 在形成該第一薄膜後’形成一第二薄膜於該第一膜 上；以及 勝 _利用一雷射光加熱該氣泡產生區段内該第一薄膜和 該第-薄膜之複數個部位，加熱後之該些部位係包括該第 薄膜與該第二薄膜之合成物’其中該雷射絲熱之該些 邻位的表面能係相異於未加熱部位之表面能。 、8.如申請專利範圍第7項所述之製作方法，其中係 以濺鍍方式形成該第一與該第二薄膜。 9.如申請專利範圍第6項所述之製作方法，其中於 該頂面形成該表面能梯度之步驟包括： 1360517 TW4618PA 形成一反射層於該區段内之該頂面； 在形成該反射層之該步驟後，形成一混合薄膜於該反 射層上；以及 利用一雷射光加熱該區段内該混合薄膜之複數個部 位，其中該雷射光加熱之該些部位的表面能係相異於未加 熱部位之表面能。 10. 如申請專利範圍第9項所述之製作方法，其中該 混合薄膜包括一感壓膠與一發泡劑，該些雷射光加熱之部 位係形成複數個發泡凸起，該些發泡凸起的表面能係相異 於未加熱部位之表面能。 11. 如申請專利範圍第9項所述之製作方法，其中該 混合薄膜包括一感壓膠與一染料，該些雷射光加熱之部位 係形成複數個凹陷，該些凹陷的表面能係相異於未加熱部 位之表面能。 12. 如申請專利範圍第6項所述之製作方法，其中於 該頂面形成該表面能梯度之步驟包括： 對該頂面進行雷射以形成多個微柱體，且該些微柱體 的截面積變化使該頂面形成不同表面粗糙度，進而形成該 表面能梯度。 13. 如申請專利範圍第12項所述之製作方法，其中 對該頂面進行雷射之步驟中，係包括： 形成一第一群柱狀元件，包括截面積相同之複數個第 一微柱體；和 形成一第二群柱狀元件，包括截面積相同之複數個第 20 1360517 -TW4618PA 二微柱體，且該第一微柱體之截面積係不同於該第二微柱 體之截面積。 14. 如申請專利範圍第13項所述之製作方法，其中 對該頂面進行雷射之步驟中，係包括形成複數個微柱體， 且該些微柱體之截面積係由該前端向該後端遞增或遞 減，而於該頂面形成該表面能梯度。 15. 如申請專利範圍第1項所述之製作方法，其中提 供該微流道之步驟係包括： 提供一第一基板及提供一第二基板，該第一基板至少 具有一凹渠，該凹渠内具有該氣泡產生區段；和 貼合一第一基板和一第二基板；其中該微流道之該頂 面與該二侧壁係為該第一基板之該凹渠之表面，該微流道 之該底面係為該第二基板之表面。 16. 如申請專利範圍第15項所述之製作方法，其中 提供該氣泡產生單元之該步驟包括： 設置一第一電極及一第二電極於該區段内之該底 面，且該第一及該第二電極分別鄰近於該區段之該前端與 該後端。 17. 如申請專利範圍第15項所述之製作方法，其中 該第一基板係利用一光碟技術之製程進行製作。 18. 如申請專利範圍第15項所述之製作方法，其中 係利用射出成型、壓鑄成型或蝕刻的方式製作具有該凹渠 之該第一基板。 19. 如申請專利範圍第15項所述之製作方法，其中 21 1360517 TW4618PA 該第一基板與該第二基板係以一感壓膠貼合。
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