含微压力及温度和加热器阵列的微通道系统VIP专享VIP免费

28第十二卷第一期含微壓力、溫度及加熱器陣列之新式微流道系統研製122112()摘要本研究已成功地建立一套新式微熱傳流道系統之設計及結合標準IC與微機電製程之整合技術。承繼第一代微熱傳流道系統之設計製造經驗，再加入新式微壓力感測器陣列並設計整合於第二代微流道系統內部，其長、寬及高度各為4000µm、500µm、80µm，其內佈置有21組複晶矽微溫度感測器、11組複晶矽微壓力感測器及2組加熱器。研製的新式微壓力感測器結合傳統體型與面型壓力感測器之優點，同時具有絕熱性佳、高空間解析度(Spatialresolution)及高產品密度(Productdensity)等功能。所有微流道製程整合技術，特別對於微壓力感測器的設計及製程，以及微流道內初步的熱傳係數分佈量測之結果，將在本文中作約略討論說明。關鍵字：微熱傳流道、微機電製程、微壓力感測器前言可量測詳細局部熱流資料之加熱微流通道的製造研發是項非常重要的研究，不僅可提供微觀熱流學門基礎研究最新的實驗量測資料作為模擬分析的依據，亦可將微機電製程技術(MEMStechniques)實際應用於熱系統晶片的製造。不幸地，目前絕大多數的微熱傳流道設計研究都無法提供其內詳細局部的熱流資料[1-7]，然而多數選擇以矽晶片作為加工基料，其過大的熱傳導係數(148W/mK)使熱損失無法有效被控制，最後導致熱傳係數嚴重的量測誤差。另外，為能高速驅動液體流動，微流道內所需的驅動壓力非常大，其結構耐壓強度也是設計的重點。已開發完成的第一代新式微熱傳流道具有耐高驅動壓(>10atm)、容易驅動去離子水或其他黏體流而微流道結構不變形、絕熱性極佳(熱損失<1%)、可任意控制固定熱通量(Constantheatflux)、可變的微流道高度(高度範圍：1~200µm)、即時擷取局部溫度分佈資料、微流道內部流場可視化、IC標準製程相容性高及可擴充更複雜的CMOS電路設計等功能[8]。而後進行多項微流道內初步的熱傳係數分佈量測，結果發現許多不同於巨觀熱流理論的現象，但惟缺流場資料(局部壓力分佈)的佐證，因此第二代微熱傳流道系統目標著重於新式壓力感測器的研製並將其整合於微流道內部，用以佐證分析微流道內熱傳係數分佈的結果。但，以往微壓力感測器設計不外乎兩種製程，一為體型加工法(Bulkmicromachining)[9,10]，一為面型加工法(Surfacemicromachining)[11,12]，感測器本體結構皆為矽基材或複晶矽薄膜，熱損失過大，不適合應用在熱系統晶片。為解決此大問題，本研究研製的新式微壓力感測器結合傳統體型與面型壓力感測器之優點，同時兼具有絕熱性佳(Wellheatinsulation)、高空間解析度(Spatialresolution)及高產品密度(Productdensity)等功能；十分適用於熱系統晶片的壓力資料量測。所有製程分為兩大部分，前段製程包括複雜微溫度、壓力感測元件陣列及加熱系統皆利用國家奈米元件實驗室(NDL)Class10標準IC製程設備製造；後段製程包括低溫環氧樹脂接合、各項濕式蝕刻及SU-8微流道結構則利用國家奈米元件29第十二卷第一期實驗室南區辦公室(SouthregionofficeofNDL)設備製作，新式微流道結構如圖一所示。圖二：利用ANSYS模擬分析複晶矽感壓薄膜於不同的面積、厚度及外加壓力之應變結果。複晶矽薄膜之破壞應變(εf)為1.01%，紅色方框為複晶矽薄膜的安全操作範圍。新式微壓力感測器設計綜合ANSYS模擬分析(如圖二所示)及各項實驗測試結果(如圖三所示)發現複晶矽感壓薄膜面積200µm×200µm、厚度2.4µm適用於量測5大氣壓差的實驗範圍。壓力感測器靈敏度在一大氣壓、參考電壓(Ve)為10Volt時，經估算為215.6µV/V/Psi。為配合原有微流道結構設計，主體結構由複晶矽壓力感測薄膜、負光阻SU-8與Pyrex7740玻璃所組成，如圖四所示。感壓電路惠斯敦電橋(Wheatstonebridge)為了避免複雜的溫度補償電路及製程步驟，複晶矽壓阻器摻雜硼離子的濃度選擇1020atoms/cm3，壓阻器可具有零溫度係數(Zerotemperaturecoefficientofresistance，TCR~0)的特性。開發的新式壓力感測器結合傳統體型與面型加工壓力感測器的優點，具有1)絕熱性佳、2)可變深度的厚膜負光阻SU-8感壓凹穴(1~200µm)，可提高感測薄膜的空間解析度，增加壓力量測範圍、3)感壓凹穴形成時不需經過犧牲層濕式蝕刻及水清洗等...