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系統識別號 U0002-2507200518152700
中文論文名稱 以聚-對二甲苯微機電技術製作之熱挫曲式微型致動器
英文論文名稱 The Thermo-buckled Type Actuators Fabricated by Parylene MEMS Technology
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 93
學期 2
出版年 94
研究生中文姓名 林宏樺
研究生英文姓名 Hung-Hua Lin
學號 692340689
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2005-07-01
論文頁數 84頁
口試委員 指導教授-楊龍杰
委員-林啟萬
委員-王安邦
中文關鍵字 聚-對二甲苯  熱挫曲  無閥幫浦  致動器 
英文關鍵字 parylene  thermal-buckled  valve-less pump  actuator 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本研究利用parylene C材料具備之低溫製程特性,以在晶圓上鍍著一層parylene C高分子薄膜開始,並使用正光阻AZ4620作為結構犧牲層(sacrificial layer),搭配無閥幫浦構型設計,包覆以parylene C高分子薄膜為結構層,再配合埋入金屬加熱電阻於parylene C高分子薄膜夾層之間(上、下厚度分別為0.5微米及1微米),最後以丙酮溶除流道或致動薄膜結構層下的犧牲層光阻,製成parylene C熱挫曲致動式中空腔體結構(microchamber),並成功觀察到其推動流體的情況。
本研究採用之熱致動驅動方式,乃是利用加熱電阻造成薄膜膨脹變形,當薄膜受應變而生之負載超過結構發生挫曲最小負載時,致使薄膜發生挫曲,衍生出大變形,而對所建構之空腔結構內液體產生推擠,使薄膜有致動液體之效果。
成功製作之熱挫曲式致動器(thermo-buckled type actuator),預期應用於無閥微型幫浦的製備,進行生醫流體或藥物之輸送。
英文摘要 According to the characteristics of parylene, this thesis describes a new type of parylene micropump using the principle of thermo buckling. We first deposit the 1st layer of parylene C on the substrate wafer. Then, we use the photoresist AZ4620 as the sacrificial layer with the flow channel design of valve-less pump, and we deposit the 2nd layer of parylene C as the structured layer of the flow channel wall as well as the actuation membrane. We insert the metal heating electrodes between parylene C layers with different thickness (0.5μm、1μm). Finally, acetone is used to dissolve the photoresist sacrificial layer inside the parylene C structure, and fully fabricate the parylene C thermo-buckled type actuated microchamber structure. Besides, we successfully observe the actuation of the driving membrane subject to the fluid of DI water.
The fabricated thermo-buckled type micropump can be integrated into the implantable biosensing system for microfludic driving, and drug delivery.
論文目次 目錄
中文摘要…………………………………………………………I
英文摘要…………………………………………………………II
目錄…………………………………………………………………III
圖目錄…………………………………………………………………VI
表目錄…………………………………………………………………X
第一章 緒論………………………………………………………1
1-1 研究動機…………………………………………………1
1-2 文獻回顧…………………………………………………7
1-2-1 parylene微機電技術的回顧………………………7
1-2-2 微幫浦技術回顧…………………………………9
1-2-3 熱挫曲致動器回顧………………………………11
1-3 研究目的………………………………………………13
第二章 熱致動式無閥微幫浦研製之可行性分析……………………15
2-1生醫用微液體驅動器之應用限制………………………15
2-2微幫浦驅動原理分析……………………………………18
2-2-1 薄膜變形分析……………………………………18
2-2-2 ANSYS數值運算模擬分析………………………22
第三章 熱致動式無閥微型驅動器之製作程序………………………27
3-1 設計製作程序…………………………………………27
3-2 無閥構型設計…………………………………………31
3-3多重微幫浦的串聯與並聯………………………………34
3-4溫度量測設計……………………………………………36
3-5 流道進出口設計………………………………………37
第四章 製程結果與討論………………………………………………39
4-1 熱挫曲式無閥微致動器製程結果……………………39
4-2 製程問題與解決方法…………………………………47
第五章 量測與分析………………………………………………53
5-1 實驗架設說明…………………………………………53
5-2 測試結果………………………………………………55
5-3 流體驅動效果測試……………………………………60
5-3-1 流體作動觀察……………………………………60
5-3-2 高頻輸入測試……………………………………64
第六章 結論與未來建議………………………………………………66
6-1 結論……………………………………………………66
6-1-1 結構側壁金屬層…………………………………66
6-1-2 測定驅動效果之通注液體………………………67
6-2 未來方向與建議………………………………………68
參考文獻………………………………………………………………73
附錄A Parylene熱挫曲式無閥微致動器製作詳細參數……………77
附錄B Parylene材料機械性質參數…………………………………80
附錄C Parylene沉積膜厚與使用dimer克數對應圖………………81
附錄D RIE蝕刻速率探討…………………………………………82


圖目錄
圖1-1 留置針生醫感測器…………………………………3
圖 1-2 留置針感測器於老鼠動物實驗示意…………………………4
圖 1-3 留置針型生醫感測系統示意。其中包含了分離器、生醫感測器以及微幫浦等…………………………………………….......5
圖 1-4 parylene 材質微流道充填純水之瞬間,該流道寬度為80、40、20、10μm,其背景刻劃有間隔20μm之尺標,圖右側陰影為水珠影像…………………………………………...……………8
圖 1-5 UCLA的C. J. Kim所製作之微電濕式幫浦……………….…10
圖 1-6 Wen J. Li等製造之熱致動器。圖中可見其翹曲程度極明顯………………………………………………...……………12
圖 2-1 以ANSYS所建構之懸空薄膜模型…………………………22
圖 2-2 震動膜面之網格分割…………………………………………23
圖 2-3 有限元素軟體ANSYS模擬薄膜變形狀況:(a) 上視圖;(b)側視圖………………………………………………………24
圖 2-4 無閥式幫浦驅動薄膜示意。於圓型薄膜區域,視為對流體有一作用力F……………………………………………………25
圖 2-5無閥式幫浦驅動原理示意:薄膜上下行程造成壓差,而有著(a)上行程、(b)下行程兩種流量變化……………………………26
圖 3-1 微幫浦薄膜空腔結構製作流程說明…………………………29
圖3-1(續) 微幫浦薄膜空腔結構製作流程說明………………………30
圖 3-2 製作parylene空腔結構所使用之光罩………………………31
圖 3-3無閥幫浦驅動說明(箭頭為液體之流動方向,大小為其流量)…………………………………………………………32
圖 3-4 開口角度構型示意……………………………………………33
圖 3-5 以擋塊作為無閥構型…………………………………………34
圖 3-6 微幫浦不同組合之示意:(a)並聯;(b)串聯……………………35
圖 3-7 流道內部加入感溫式流量偵測器……………………………37
圖 3-8 正面外接管路說明……………………………………………38
圖 4-1 使用反應離子蝕刻機開洞後之外貌…………………………39
圖 4-2 光阻犧牲層實景………………………………………………40
圖 4-3 沉積鍍著第二層parylene薄膜………………………………41
圖 4-4 電極接點處進行蝕刻開洞後裸露出底層矽基材……………42
圖 4-5 金屬舉離法定義出白金電極部份……………………………43
圖 4-6 定義出白金電極之全貌………………………………………44
圖 4-7 沉積完頂層parylene薄膜……………………………………44
圖 4-8 蝕刻開洞後之矽晶片…………………………………………45
圖 4-9微幫浦元件完成實景…………………………………………46
圖 4-10 光阻犧牲層溶除實景………………………………………46
圖 4-11 階梯覆蓋不佳。形成斷線或金屬層厚度不足情況…………47
圖 4-12 阻值陡升的階梯部位發生燒斷情形………………………48
圖 4-13 使用濺鍍機解決結構邊緣階梯覆蓋情況…………………49
圖 4-14 濺鍍白金層之晶圓…………………………………………50
圖 4-15 儲存槽部分薄膜因光阻收縮變形…………………………51
圖 4-16 儲存槽部分薄膜出現破洞…………………………………52
圖 5-1 實驗架設示意…………………………………………………53
圖 5-2探針台使用情形………………………………………………54
圖 5-3外加電源器實景………………………………………………54
圖 5-4 搭配交流電源輸入之實驗架設完成圖……………………55
圖 5-5 逐步加大電壓而導致薄膜受熱變形…………………………56
圖 5-6 薄膜受熱變形較不明顯………………………………………57
圖 5-7於去離子水中薄膜在施加不同電壓情況受熱變形情形……58
圖 5-8 於異丙醇溶液中,400μm尺寸薄膜有近似膨脹突破溶液表面情況……………………………………………………………59
圖 5-9 染劑擴散情況…………………………………………………60
圖 5-10 流體染色的實景……………………………………………61
圖 5-11 流道內顆粒運動情況………………………………………67
圖 6-1 結構邊緣電極加寬示意………………………………………69
圖 6-2 已開發夾治具實景……………………………………………72
圖 C-1 Parylene dimer克數與沉積膜厚對應曲線……………………81
圖 D-1 所採用之SAMCO RIE 1-C反應離子蝕刻機………………82
圖 D-2 Parylene C蝕刻速率量測位置圖……………………………83
圖 D-3 光阻蝕刻速率量測位置圖……………………………………84



表目錄
表2-1 現有尺寸於40℃之溫差對照出之縱向負載及極限挫曲負載值………………………………………………………………19
表2-2 現有尺寸於40℃溫差時,於懸橋中央之最大變形…………21
表2-3 溫差40℃所造成之parylene薄膜變形………………………23
表D-1 使用氧氣電漿30sccm蝕刻parylene 2 min 結果……………83
表D-2 使用氧氣電漿50sccm蝕刻parylene 2 min 結果……………83
表D-3 使用氧氣電漿30sccm蝕刻光阻2 min 結果……………84
表D-4 使用氧氣電漿50sccm蝕刻光阻2 min 結果……………84

參考文獻 參考文獻
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