臺灣博碩士論文加值系統

本研究利用COC (Topas Cyclic Olefin Copolymers)材料來取代其他高分子或矽基材料，以求更佳之熱傳及抗型變能力，並以微機電製程(Micro-Electro-Mechanical System , MEMS)來進行生物晶片上之加熱器鍍層。
於先前研究中發現到，在TPX (Poly-4-methyl-pentene-1)高分子基材鍍上Cr及Pt後進行實際加溫測試時發現，當加熱晶片到達攝氏約50℃左右時，便會因基材內之熱量堆積，而造成基材變形，並破壞表面之加熱器鍍層，進而影響其加熱之能力。當加熱器無法繼續執行升溫功能時，就因而無法繼續進行聚合酶連鎖反應(Polymerase Chain Reaction)所要求的加熱條件。因此藉由不同之金屬鍍層如黃金(Au)、銀(Ag)或鈦(Ti)等，來搭配COC材料製作出效能較佳之加熱晶片。
於研究過程中，以CFD-ACETM (Computational Fluid Dynamics , CFD Research Corporation , Alabama , USA)建構模擬時的實際狀況，並藉此找出一組最佳的參數設計，除可有效減少製作加熱器時之時間及成本外，更能藉由模擬及實驗相互搭配下，達成最佳效能之加熱器片設計。
此外藉由微機電製程，製造出不同膜厚之金屬薄膜的微型加熱器，且經由UV接合系統完成PCR生物反應晶片之成品。之後再利用Lab View虛擬儀控系統，對PCR生物晶片進行溫控操作，並得到大腸桿菌於聚合酶連鎖反應後225 bp的DNA片段，以及0.68 ~ 0.82 ng/µl的定量結果。

In this purpose we utilized COC (Topas Cyclic Olefin Copolymers) to substitute for the other polymer material. It is not only to get better heat transfer and to resist an unexpected change of a pattern, but also to fabricate the heater of bio-chip by MEMS (Micro-Electro-Mechanical System).
In previous research, the polymer material TPX (Poly-4-methy1-pentene-1) of sputtering Cr (Chromium) and Pt (Platinum) was used to be the heater. In the heating test, the temperature of the heater was increased to 50℃, the TPX substrate was deformed because of the heat accumulation. This resulted in destroying the sputtered layer of heater, and the polymer chain reaction couldn’t be completed. We fabricated the heaters by using different metals sputtered on the COC material, and the metals included Au (Gold), Ag (Silver), and Ti (Titanium).
It was hoped to find better groups of design factors by CFD-ACETM (Computational Fluid Dynamics, CFD Research Corporation, Alabama, USA) software. It was not only effective to reduce the time and cost of fabrication, but also to get the higher efficiency by the simulation and experimentation of the heater design.
Using MEMS processes, we fabricated the micro-heaters of different metal thin film thicknesses, and the PCR chip was completed by UV (ultra-violet) bonding system. Then one could control the temperature of the PCR chip by Lab View operation systems, and the results after polymerase chain reaction for the Escherichia coli TG-1 cells’ DNA was obtained. The results of the DNA amplifying 225 bps were 0.68 – 0.82 ng/µl.

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誌謝 v
中文摘要 vi
英文摘要 vii
目錄 viii
表目錄 x
圖目錄 xi
第一章 緒論
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機與目的 1
1.3 文獻回顧 3
第二章 實驗規劃
2.1 實驗目的 9
2.2 實驗架構 11
2.3 實驗步驟 11
第三章 設計參數理論
3.1 金屬電加熱晶片與PCR反應理論 14
3.2 金屬與電阻關係 14
3.3 TCR理論模式 16
3.4 金屬薄膜與電效應 17
第四章 參數設計及模擬
4.1 材料參數設定 19
4.2 晶片模型設定 20
4.2.1微流道模型 21
4.2.2加熱器模型 21
4.2.3 PCR晶片模型 22
4.3 定電壓分析 23
4.4 定膜厚分析 27
4.4.1定膜厚1000Å分析 28
4.4.2定膜厚2000Å分析 30
4.5 最佳設計參數 33
第五章 聚合酶連鎖反應晶片製作
5.1 材料準備 35
5.2 晶片製作 36
5.2.1加熱器微機電製程 36
5.2.2微流道加工製作 39
5.3 反應晶片接合製程 40
第六章 聚合酶反應晶片實測
6.1 加熱器晶片升溫測試 45
6.1.1 1000Å定電壓測試 45
6.1.2 2000Å定電壓測試 46
6.1.3 1000Å定電流測試 48
6.1.4 2000Å定電流測試 49
6.2 完整晶片實驗 52
6.2.1實驗環境架構 52
6.2.2 Lab View功能測試 53
6.2.3水循環升溫測試 55
6.2.4聚合酶反應溫度循環測試 56
6.3 聚合酶連鎖反應實驗 56
第七章 結果與討論
7.1 加熱器晶片 61
7.2 微流道晶片 64
7.3 聚合酶反應結果 66
7.3.1電泳觀察比對 66
7.3.2核酸定量分析儀比對 71
7.3.3結果比對分析 78
7.4 結論 79
第八章 未來發展與應用
8.1 未來發展 83
8.2 應用發展 83
參考文獻 85
表目錄
表1.1 COC(5013)與TPX材料特性比較 2
表1.2厚膜及薄膜特性比較 7
表4.1 COC 5013物理及其他相關性質表 19
表4.2常見金屬物質特性表 20
表4.3金於不同膜厚之電阻係數 24
表4.4 50V/10s之溫度分佈範圍 26
表4.5定膜厚電壓模擬類型 27
表4.6膜厚1000Å之溫度分佈範圍 29
表4.7膜厚2000Å之溫度分佈範圍 32
表4.8加熱器晶片參數 34
表5.1聚合酶反應生物晶片製作明細 36
表5.2光硬化樹脂規格表 42
表5.3光硬化樹脂成品性質表 42
表6.1 1000Å之定電壓電流 45
表6.2 1000Å定電壓加熱數據 46
表6.3 2000Å之定電壓電流 47
表6.4 2000Å定電壓加熱數據 47
表6.5 1000Å之定電流電壓 48
表6.6 1000Å定電流加熱數據 49
表6.7 2000Å之定電流電壓 49
表6.8 2000Å定電流加熱數據 50
表6.9加熱器晶片電操作數值 51
表6.10聚合酶連鎖反應實驗分類 58
表7.1電泳一之實驗類型 67
表7.2電泳一結果顯現表 68
表7.3電泳二之實驗類型 69
表7.4電泳二結果顯現表 69
表7.5電泳三之實驗類型 70
表7.6電泳三結果顯現表 71
表7.7 Agilent分析代號表 73
表7.8各類型實驗數據表 79
圖目錄
圖2.1 PCR生物反應晶片組織架構 11
圖2.2 CFD-ACE設計模擬流程規劃 12
圖2.3 MEMS製程及實測流程規劃 13
圖3.1 PCR反應溫層 14
圖3.2電阻溫度圖 17
圖4.1 2D微流道設計圖 21
圖4.2 3D微流道實體圖 21
圖4.3 2D加熱器設計圖 22
圖4.4 3D加熱器實體圖 22
圖4.5 PCR晶片接合圖 23
圖4.6 CFD-ACE環境設定 23
圖4.7金之電熱變化曲線(1s) 24
圖4.8金之電熱變化曲線(10s) 25
圖4.9 PCR晶片反應室溫層變化 26
圖4.10定膜厚1000Å之電熱變化曲線 28
圖4.11膜厚1000Å之PCR反應室溫層變化 29
圖4.12定膜厚2000Å之電熱變化曲線 31
圖4.13膜厚2000Å之PCR反應室溫層變化 32
圖5.1聚合酶生物晶片SOP流程圖 35
圖5.2加熱器晶片MEMS製程流程圖 37
圖5.3由MEMS製程之加熱器晶片 39
圖5.4微流道晶片全圖 40
圖5.5微流道深度200µm之晶片 40
圖5.6晶片接合製程 41
圖5.7 UV接合系統 43
圖5.8 UV照射光源 43
圖5.9 COC-PCR生物晶片(實體大小) 44
圖5.10 COC-PCR生物晶片(實體厚度) 44
圖5.11 COC-PCR生物晶片(實體成品) 44
圖6.1 1000Å之定電壓TCR關係圖 46
圖6.2 2000Å之定電壓TCR關係圖 47
圖6.3 1000Å之定電流TCR關係圖 48
圖6.4 2000Å之定電流TCR關係圖 50
圖6.5加熱器晶片於升溫後之變形觀察 51
圖6.6實驗環境架構 52
圖6.7 PCR反應之Lab View操作介面 53
圖6.8溫度、電壓及時間之設定介面 54
圖6.9控制及訊號擷取迴路介面 54
圖6.10即時數據監控介面 55
圖6.11水循環升溫之各項操作及數據監控 55
圖6.12聚合酶反應溫度循環設定及數據介面 56
圖6.13傳統PCR生物反應操作儀 57
圖6.14大腸桿菌( E.coli-TG1 ) 57
圖6.15 PCR生物操作儀溫度環境原理 58
圖6.16上下加熱器之聚合酶反應生物晶片 59
圖6.17實驗代號P4之環境操作 60
圖7.1物理狀態下金屬鍍於COC基材 62
圖7.2前7次溫度循環電阻值 63
圖7.3加熱循環36次後之加熱器晶片 64
圖7.4加熱循環36次後之微流道晶片 64
圖7.5微流道進出口引道邊緣裂化 65
圖7.6簡易式電泳槽 66
圖7.7電泳觀察攝影儀 67
圖7.8電泳一實驗結果 68
圖7.9電泳二實驗結果 69
圖7.10電泳三實驗結果 70
圖7.11 Agilent核酸定量分析儀 72
圖7.12 Agilent分析晶片 72
圖7.13定量分析儀之晶片置入區 73
圖7.14核酸定量分析電泳結果 74
圖7.15核酸定量分析PCR定量結果 74
圖7.16 Ladder與P3之DNA片段基準 75
圖7.17 Sample1與Sample3比對 75
圖7.18 Sample2與Sample3比對 76
圖7.19 Sample4與Sample3比對 76
圖7.20 Sample5與Sample3比對 77
圖7.21 Sample6與Sample3比對 77
圖7.22電泳三(上)與核酸定量分析儀(下)比對 78

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