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研究生:張瑞斌
研究生(外文):Ruey-Bin Chang
論文名稱:微電鍍技術及其在生物晶片之應用
論文名稱(外文):Micro-electroplating Technologies and Their Applications on Bio Chips
指導教授:李國賓李國賓引用關係
指導教授(外文):Gwo-Bin Lee
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:工程科學系碩博士班
學門:工程學門
學類:綜合工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:97
中文關鍵詞:生醫晶片壓模射出微電鍍厚膜光阻
外文關鍵詞:bio-chipembossinginjectionelectroplatingSU-8
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本研究建立微電鍍製程技術,並利用此技術設計及製作以玻璃與塑膠(PMMA)為基材的十字型電泳晶片及微流體計數器晶片。而且發展出種微流體元件,其製程如下所述:
(1)微熱壓成型塑膠晶片:
本研究利用微電鍍鎳的技術,在S50C鋼材上鍍出十字型電泳晶片的圖形,並利用微熱壓成型技術將電鍍的圖型轉移至PMMA材質上,製作高深寬比的微流體晶片。
(2)射出成形塑膠晶片:
本研究也是利用微電鍍鎳的技術,在射出模具上鍍出十字型晶片的圖案,利用射出成形機,進行PMMA的射出,將模具上的圖案轉移至射出的PMMA塑膠上。
(3)微流體計數晶片:
此晶片利用SU-8-50負光阻作微流體計數器的結構層,在玻璃晶片上電鍍銅電極當作流體計數器的偵測電極,用來偵測微粒子在流體中的流速及大小。
(4)無電極電鍍銅噴嘴:
本研究在改善傳統微噴霧器的噴嘴,利用無電鍍鍍的方式,在毛細管的表面鍍上一層導電的銅金層,用來做微噴灑的加電壓噴嘴。
本研究發展一簡易且可靠的微電鍍製程,可製作出各式微流體元件。元件中應用微電鎳技術熱壓及射出成形的塑膠微管道結構,及用來作微流體偵測的電極,微噴灑噴嘴的無電鍍銅等技術,可以應用於化學分析方面。
In this study, critical micro-electroplating techniques to manufacture micro-capillary electrophoresis (CE) chips and microfluidic devices on glass and polymethymethacrylate (PMMA) substrates have been demonstrated. Four microfluidic devices are developed and described as follows.
(1) CE chips using hot-embossing methods
Templates with inverse images of CE channels are fabricated using micro-electroplating techniques. The images of microstructures are then transferred from templates to plastic plates by using hot embossing methods Microfluidic chips with a high aspect ratio can be achieved.
(2) CE chips using injection molding methods
Micro injection molding methods are used to duplicate micro CE chips.
(3)Micro flow cytometer chips:
SU-8-50 negative photo resist is used as structures of the micro flow cytometer for cell counting and sorting. A pair of electroplated copper electrodes is used to detect signals caused by cells.
(4)Hollow spray nozzles
A silica-based capillary is coated with a layer of copper by using electroless plating methods. Then core material is etched to form a hollow metal nozzle for electrospray applications.
In summary, micro electroplating fabrication process is developed in this study for applications of microfluidics. Micro fluidic devices with a high aspect ratio can be duplicated using hot-embossing or injection molding methods. An innovative micro flow cytometer is demonstrated using SU-8 as microstructures and electroplated coppers as sensing electrodes.
中文摘要………………………1
英文摘要………………………3
誌謝……………………………4
目錄……………………………5
表目錄…………………………8
圖目錄…………………………10
符號說明………………………13


第一章 緒論 16
1-1 前言 16
1-2 微機電系統 17
1-3 生物晶片 18
1-4 研究動機與目的 20
1-5 文獻回顧 21
1-5-1 LIGA技術 21
1-5-2 電鍍原理 21
1-5-3 無電鍍 24
1-5-4 微型流體細胞計數器 25

第二章 微電鍍之技術 27
2-1 銅電鍍 27
2-1-1 微電鍍液的配製 27
2-1-2 製程參數 28
2-2 鎳電鍍 29
2-2-1微電鍍液的配製 29
2-2-2 製程參數 30
2-3 鐵-鎳磁性合金 30
2-3-1微電鍍液的配製 31
2-3-2 製程參數 32
2-4 無電極電鍍銅 32
2-5 討論 33

第三章 微流體晶片之製程技術 35
3-1 塑膠微流體晶片母模製程 35
3-1-1 微影 35
3-1-2 光阻顯影 36
3-1-3 微電鍍 36
3-2 塑膠微流體晶片製程 38
3-2-1 微熱壓成型技術(Hot Embossing Methods)38
3-2-1-1 實驗裝置圖 38
3-2-1-2 微熱壓成型製程步驟 38
3-2-2 射出成型技術(Injection Molding Methods)39
3-2-2-1 實驗裝置圖 39
3-2-2-2 射出成型製程步驟 40
3-3 微流體玻璃晶片製程 40
3-3-1 蒸鍍(Evaporation) 40
3-3-2 微影(Lithography) 41
3-3-3 接合(Bonding) 43
3-4 無電極電鍍 44
3-4-1 微噴霧器(Micro-electrospray) 44
3-4-2 噴嘴電鍍製程 44

第四章 實驗結果與討論 46
4-1 PMMA晶片的結果與討論 46
4-1-1 母模電鍍的結果 46
4-1-2 微熱壓成型結果 47
4-1-3 射出成型的結果 48
4-2 微流體計數器晶片的製程及討論 49
4-2-1 製程結果 49
4-2-2 結果討論 50
4-3 毛細管的無電極電鍍 51

第五章 結論與展望 53
5-1 結論 53
5-1-1 微熱壓及射出成型晶片 53
5-1-2 微流體計數器晶片 54
5-1-3 無電極電鍍 54
5-2 未來展望 55

參考文獻 56


表目錄

表1-1. 無電鍍機構。[17] 60
表2-1. 銅電鍍液配方。 61
表2-2. 鎳電鍍液配方。 61
表2-3. 鎳電鍍液補充液配方。 61
表2-4. 鐵-鎳合金電鍍液配方。 62
表2-5. 無電極電鍍銅溶液配方。 62
表2-6. 無電極電鍍銅敏化活化溶液配方。 63
表2-7. 常見的電鍍缺陷,產生原因及解決方法。 63

圖目錄

圖1-1. 等向性蝕刻所產生”底切”(undercut)現象之示意圖。(a)製作石英微管道時會向外底切、(b)製作石英母模時會血內底切。 64
圖1-2. 傳統的顆粒計數器裝置示意圖。利用電解液和細胞的導電係數相差很大的原理,當細胞通過孔隙時,可以得到訊號[14]。 65
圖1-3. 細胞計數晶片。圖(a)為利用石英基材所製作的細胞計數晶片實驗結果;圖(b)為細胞計數器的偵測原理,在二旁抓取細胞通過的訊號,可得知細胞的大小及流速[17]。 66
圖2-1. 銅溶液電鍍時間和厚度的關係圖。 67
圖2-2. 鎳電鍍儀器設備示意圖。 67
圖2-3. 鎳溶液電鍍時間和厚度的關係圖。 68
圖2-4. 鐵-鎳磁性合金電鍍儀器設備示意圖。 68
圖2-5. 鐵-鎳合金溶液電鍍時間和厚度的關係圖。 69
圖2-6. (a)利用外加電場驅動電鍍鐵-鎳磁合金微鏡面的示意圖。(b)左圖為未加驅動磁場前,右圖為加入驅動磁場時,微鏡面會因為磁場的影響而直立。[33] 70
圖3-1. 電鍍流程示意圖。 71
圖3-2. 空白光罩示意圖。由上而下依序為1μm的光阻,0.1μm的鉻金屬層及厚2.3mm的石英基材。 72
圖3-3. 空白光罩製作流程圖。 73
圖3-4. 熱壓機圖。圖(a)為熱壓機結構示意圖,圖(b)為熱壓機照片圖。 74
圖3-5. 射出成形機外觀。圖(a)為射出成形機的結構圖,圖(b)為射出成形機的照片圖。[32] 75
圖3-6. 射出成形機原理。[32] 76
圖3-7. 蒸鍍機照片圖。 76
圖3-8. Flow Cytometer 製作流程圖(一) 。 77
圖3-8. Flow Cytometer 製作流程圖(二) 。 78
圖3-9. 微噴灑所形成的泰勒錐圖形。圖(a)為電噴灑的情形;圖(b)為在毛細管上形成的泰勒錐照片[7]。 79
圖4-1.電鍍完後的鎳金屬,左圖為十字型通道,右圖為鑽孔圖案。 80
圖4-2.母模電鍍鎳後,利用表面粗度儀所量測的厚度圖圖(a)為十字通道的厚度,圖(b)為鑽孔圖案的厚度。 81
圖4-3. 十字型電泳晶片示意圖。[7] 82
圖4-4. 十字型電泳晶片操作原理。[7] 82
圖4-5. PMMA壓模後照片。圖(a)為PMMA在顯微鏡下的圖片,圖(b)為PMMA照片圖。 83
圖4-6. PMMA圖形的SEM圖。 84
圖4-7. PMMA壓模後厚度圖。圖(a)為十字型通道的厚度圖;圖(b)為樣品儲存槽的厚度圖。 85
圖4-8. 微熱壓塑膠晶片利用表面粗度儀所量測之表面粗糙度。 86
圖4-9. 射出成型PMMA的照片。圖(a)為PMMA在顯微鏡下的圖片,圖(b)為PMMA照片圖。 87
圖4-10. 射出成型PMMA的SEM圖。 88
圖4-11. 射出成型PMMA厚度圖。圖(a)為十字型通道的厚度圖;圖(b)為樣品儲存槽的厚度圖。 89
圖4-12. 射出後塑膠晶片利用表面粗度儀所量測之表面粗糙度。 90
圖4-13. 微流體計數器光罩圖。(a)Layer 1是定義導線面積。(b)Layer 2定義偵測電極電鍍區域。(c)Layer 3定義微流體計數器的結構。 91
圖4-14. 金屬導線照片。 92
圖4-15. JSR光阻塗佈微影後的照片。 92
圖4-16. 微流體計數器玻璃晶片照片。 93
圖4-17. SU-8-50顯影完後照片(一)。 93
圖4-18. SU-8-50顯影完後照片(二)。 94
圖4-19. 偵測電路示意圖。 94
圖4-20. 中央樣品流經由兩旁水力預集中效應所得得到的實驗照片圖。 96
圖4-21. 預集中的流體經過電極的照片圖。 96
圖4-22. 毛細管電鍍銅照片(一)。 97
圖4-23. 毛細管電鍍銅照片(二)。 97
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