簡易檢索 / 詳目顯示

回結果列表
研究生： 鄧宇倫
Deng, Yu-Luen
論文名稱： 探討運用交流電動力誘導粒子在微針尖陣列上的運動行為
Investigation of Particle Movement Induced by AC Electrokinetics inside Microchannel with Microneedle Array
指導教授： 莊怡哲
Juang, Yi-Je
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 化學工程學系
Department of Chemical Engineering
論文出版年： 2010
畢業學年度： 98
語文別： 中文
論文頁數： 152
中文關鍵詞： 微流體 、三維電極 、交流電動力學 、介電泳
外文關鍵詞： microfluidics, 3-D electrode, AC electrokinetics, dielectrophoretics (DEP)
相關次數： 點閱：103  下載：3 
分享至:
查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報

    • 摘要
    在微流體系統中，以介電泳作用力操控流體或粒子一直是重要的課題，除了可以探索瞭解流體或粒子的運動行為外，也可延伸出許多的應用，如分離、濃縮樣品等。由文獻可知，絕大多數產生介電泳的電極設計仍是以二維平面電極為主，然而介電泳作用力的大小和電場強度平方的梯度成正比，遠離電極表面處的電場強度急劇衰減，故有許多團隊透過製作三維圓柱陣列電極使電場能夠覆蓋整個流道空間，減少介電泳作用力的衰減。本研究提出以矽晶圓為基材製作微針尖陣列濺鍍導電金屬層當作電極和ITO電極組成三維電極對來操控螢光粒子。實驗結果顯示，在較低粒子濃度下塗佈PDMS的針尖陣列電極在開啟交流電後的螢光粒子聚集效果較佳，在10秒鐘裡針尖處的螢光強度即達到最大值。隨著頻率的降低，粒子受到交流電滲流(ACEO)的影響而加快移動速度並且在針尖附近產生旋轉的運動行為。當粒子濃度漸增，透過針尖電極與平面電極產生電場可以使螢光粒子聚集形成串珠結構。若使用針尖陣列電極，則可以形成大面積的串珠陣列；若是使用平面電極，則在表面任意位置形成密集的串珠叢，但是存在沒有串珠產生的空白區域。

    In the microfluidic systems, AC electrokinetics has been a common strategy to manipulate the fluid flow and particle motion, which leads to various applications such as separation, sample concentration and so on. From the literature, most of the electrode pair fabricated is two dimensional. Since the dielectrophoretic (DEP) force is proportional to the gradient of the square of electric field, 3-D design could extend the electrodes into the microchannel and provide the electric field inside the entire microchannel. In this study, we used an array of microneedles along with ITO glass to form the 3-D electrode pairs. The results show that, at lower particle concentration, the fluorescent particles aggregate faster at the tips of microneedles and the fluorescent intensity reaches the maximum in 10 seconds when only the tip of microneedles is conductive. AC electro-osmotic flow is observed at the lower frequency. As the particle concentration increases, an array of the pearl chain-like structure can be formed. Although the pearl chain-like structure can be formed when using the plane electrode, the distribution is not uniform.

    文字目錄 文字目錄 6 表目錄 12 圖目錄 13 第一章 序論 22 1.1前言 22 1.2微流體晶片 22 1.3研究動機 23 第二章 文獻回顧 24 2.1矽基材加工技術（Silicon-based micro-maching process） 24 2.1.1微影(Lithography) 24 2.1.2薄膜沉積(Thin film deposition) 25 2.1.3蝕刻（Etching） 26 2.2微針陣列的製作及其應用 29 2.3交流電動力學在生物科技上的應用 30 2.3.1介電泳基本原理 30 2.3.2介電泳在生物分子分離上的應用 31 2.3.3利用介電泳形成串珠或是微米線 34 第三章 實驗部分 50 3.1矽基材微針尖陣列電極的製作 50 3.1.1實驗材料與藥品 50 3.1.2實驗儀器與設備 51 3.1.3微針尖陣列電極的製作 52 3.1.3.1光罩製作 52 3.1.3.2晶圓清洗 53 3.1.3.3金屬薄膜濺鍍 53 3.1.3.4光微影製程 53 3.1.3.5鋁金屬的濕式蝕刻 54 3.1.3.6破片切割製程 55 3.1.3.7電漿蝕刻製程 55 3.1.3.8檢驗微針陣列 56 3.1.3.9針尖陣列電極的導出製程 56 3.1.4平面電極與塗佈PDMS針尖電極的製作 57 3.1.4.1平面電極的製作 57 3.1.4.2塗佈PDMS針尖電極的製作 57 3.2氧化銦錫(ITO)電極製作 58 3.2.1實驗材料與藥品 58 3.2.2實驗儀器 58 3.2.3ITO電極的製作 59 3.2.3.1ITO玻璃的裁切與清洗 59 3.2.3.2光微影製程 59 3.2.3.3濕式蝕刻過程 60 3.3PDMS模組載具與晶片組裝製程 61 3.3.1實驗材料與藥品 61 3.3.2實驗儀器與設備 61 3.3.3PDMS流道載具模組的製作 62 3.3.3.1模具製作 62 3.3.3.2PDMS模組的成型 62 3.3.4電極對的組裝 63 3.3.5流道系統與外部管線組合 63 3.4螢光粒子的操作 64 3.4.1實驗材料與藥品 64 3.4.2實驗設備 64 3.4.3螢光粒子的操控 65 第四章 結果與討論 79 4.1針尖陣列電極的製作 79 4.1.1中心間距為150μm的針尖陣列 79 4.1.2中心間距為40μm的針尖陣列 79 4.1.3針尖陣列塗佈PDMS的研究 80 4.1.3.1中心間距150μm的針尖陣列塗佈PDMS 80 4.1.3.2中心間距40μm的針尖陣列塗佈PDMS 81 4.2螢光粒子在具備針尖陣列的微流體裝置中之運動行為 82 4.2.1中心間距150μm的針尖陣列電極 82 4.2.1.1未塗佈PDMS的針尖陣列電極 82 4.2.1.2塗佈PDMS的針尖陣列電極 83 4.2.1.3平面電極 84 4.2.1.4針尖電極與塗佈PDMS的針尖電極對粒子聚集結果的比較 84 4.2.1.5溶劑導電性對粒子運動的影響 85 4.2.2中心間距40μm的針尖陣列電極 85 4.2.2.1 未塗佈PDMS的針尖陣列 85 4.2.2.2 塗佈PDMS的針尖陣列 86 4.2.2.3不同中心間距的針尖陣列對粒子聚集結果的比較 86 4.3螢光粒子在電極之間形成串珠結構 86 4.3.1粒子濃度對串珠結構的影響 86 4.3.1.1以Pt為導電層的塗佈PDMS針尖陣列電極 87 4.3.1.2以Ag為導電層的塗佈PDMS針尖陣列電極 87 4.3.1.3固定濃度下分別以Ag與Pt為導電層的未塗佈PDMS針尖陣列 88 4.3.1.4兩種導電層上的串珠結構比較 88 4.3.2使用平面電極形成串珠 89 4.3.2.1固定濃度為1.3*109個/1ml形成串珠 89 4.3.2.2固定濃度為4.6*109個/1ml形成串珠 90 4.3.3串珠的形成機制 90 第五章 結論 148 第六章 未來工作與建議 150 第七章 參考文獻 152 附錄一 156   表目錄 表3- 1塗佈HMDS的時間與轉速 66 表3- 2塗佈S1818光阻的時間與轉速 66 表3- 3 PDMS的物性資料 66   圖目錄 圖2.1- 1正、負光阻微影製程 38 圖2.1- 2體積比HF:HNO3:CH3COOH= 9:75:30 蝕刻72分鐘的所得凹槽 38 圖2.1- 3 <110>，<100>，<111>晶格排列示意圖，晶格密度由大至小:<111> <100> <110> 38 圖2.1- 4濕式蝕刻在三個方向上的蝕刻情形 39 圖2.1- 5濕蝕刻形成類金字塔結構 39 圖2.1- 634.0 wt.% KOH (70 deg-C) 10.0 wt.% TMAH (80 deg-C) 40 圖2.1- 7濕蝕刻形成V字形溝槽的SEM影像 40 圖2.2- 1(a)20*20由RIE蝕刻製作的針尖陣列(b)單根微針尖 41 圖2.3- 1 DEP作用示意圖(a)pDEP (b)nDEP 41 圖2.3- 2四項式電極電場強度分佈，由白到黑顯示強度由強變弱 42 圖2.3- 3鋸齒狀電極電場強度分佈，由白到黑顯示強度由強變弱 42 圖2.3- 4 TMV聚集在鋸齒狀電極的突出尖端 43 圖2.3- 5粒徑282nm螢光粒子的聚集現象(a) 10MHz為nDEP (b)500KHz為pDEP 43 圖2.3- 6(a)粒徑282nm螢光粒子pDEP(b)粒徑216nm螢光粒子nDEP 44 圖2.3- 7(a)TMV的pDEP (b)HSV的nDEP 44 圖2.3- 8粒徑216nm(紅色)、282nm(綠色)分離 45 圖2.3- 9 TMV(紅色)、HSV(綠色)分離 45 圖2.3- 10利用DEP分離得到高純度活酵母細胞的流程 45 圖2.3- 11死、活酵母菌由不同的DEP效果分離 46 圖2.3- 12垂直向的電極對裝置設計 1.玻璃 2.隔絕板 3.ITO 4.溶液 46 圖2.3- 13不同粒徑PS顆粒和酵母細胞在各種外加電場條件下的聚集位置 46 圖2.3- 14(A)金奈米粒子聚集跨過電極間距形成微米線(B)碳黑顆粒幫助成線(C)截面示意圖 47 圖2.3- 15各項變數對於形成微米線的影響整理 47 圖2.3- 16金微米線的形成(a)尚未施加電場時沒有金微米線形成(b)當外加電壓達5VRMS、250Hz開始成線，30秒後橫跨電極兩端(c)當外加電壓提升至7VRMS，形成額外的線 48 圖2.3- 17碳黑微米線的形成，和金微米線比較之下，碳黑粒子形成的是樹枝狀的分岔線 48 圖2.3- 18(a)金粒子形成線的尖端(b)金微米線的密實結構(c)碳黑粒子微米線的鬆散結構 49 圖3- 1晶圓清洗系統 ( Wet bench ) 67 圖3- 2金屬薄膜濺鍍系統 ( Sputter ) 67 圖3- 3自動化光阻塗佈及顯影系統 ( Track ) 68 圖3- 4光罩對準曝光系統 ( Mask aligner ) 68 圖3- 5濕式蝕刻化學槽 ( Wet etching chemical hood ) 69 圖3- 6電漿輔助式化學氣相沈積與感應偶合式電漿蝕刻系統 ( PECVD & ICP ) 69 圖3- 7掃描式電子顯微鏡( SEM ) 70 圖3- 8鍍金機 ( Gold sputter ) 70 圖3- 9晶圓切割機（wafer cutter） 71 圖3- 10旋轉塗佈機（spin coater） 71 圖3- 11微針尖陣列的製作過程 72 圖3- 12針尖陣列電極 73 圖3- 13旋轉塗佈機 73 圖3- 14單面曝光機 74 圖3- 15熱電耦溫控加熱板 74 圖3- 16 ITO電極 75 圖3- 17 PDMS化學式 75 圖3- 18 CNC雕刻機 76 圖3- 19氧電漿清潔機 76 圖3- 20組裝過程與完成的裝置 77 圖3- 21(a)顯微鏡、注射幫浦(b)confocal主機(c)波形產生器 78 圖4- 1 (a)完整6吋晶圓中央區域的針尖 92 圖4- 2不規則破片上的針尖陣列 94 圖4- 3 4*4cm2正方形破片上的針尖陣列 95 圖4- 4中心間距為40μm的圖形蝕刻4.3分鐘的結果 96 圖4- 5中心間距為40μm的圖形蝕刻6分鐘的結果 96 圖4- 6中心間距為40μm的圖形蝕刻7分鐘的結果 97 圖4- 7中心間距為40μm的圖形蝕刻7.5分鐘的結果 97 圖4- 8微針尖表面塗佈PDMS後產生的波紋狀起伏 98 圖4- 9 PDMS沿著微針尖向上覆蓋 98 圖4- 10不同轉速在中心間距150μm的針尖陣列上塗佈PDMS 99 圖4- 11不同轉速在中心間距40μm的針尖陣列上塗佈PDMS，旋轉時間為3分鐘 100 圖4- 12不同轉速在中心間距40μm的針尖陣列上塗佈PDMS，旋轉時間為30分鐘 101 圖4- 13平面電極、針尖陣列電極、塗佈PDMS的針尖陣列電極 102 圖4- 14 20Vpp 1000Hz下螢光粒子隨時間增加的聚集行為 103 圖4- 15 20Vpp 10kHz下螢光粒子隨時間增加的聚集行為 104 圖4- 16 20Vpp 100kHz下螢光粒子隨時間增加的聚集行為 105 圖4- 17 20Vpp 1MHz下螢光粒子呈現靜止狀態 106 圖4- 18 20Vpp 10kHz下螢光粒子聚集在塗佈PDMS的針尖陣列上 107 圖4- 19 20Vpp 100kHz下螢光粒子聚集在塗佈PDMS的針尖陣列上 108 圖4- 20 20Vpp 10kHz下螢光粒子聚集在平面電極邊緣 109 圖4- 21 20Vpp 100kHz下螢光粒子聚集在平面電極邊緣 110 圖4- 22 20Vpp 100kHz下，針尖陣列電極的螢光強度平均值變化，橘色線(track2)為針尖處螢光強度平均值，綠色線(track1)為非針尖處螢光強度平均值 111 圖4- 23 20Vpp 100kHz下，塗佈PDMS針尖陣列電極的螢光強度平均值變化，橘色線(track2)為針尖處螢光強度平均值，綠色線(track1)為非針尖處螢光強度平均值 112 圖4- 24 20Vpp 100kHz下，以10-3MNaCl為溶劑的針尖電極的螢光強度平均值變化，橘色線(track2)為針尖處螢光強度平均值，綠色線(track1)為非針尖處螢光強度平均值 113 圖4- 25 20Vpp 100kHz下，以10-3MNaCl為溶劑的塗佈PDMS針尖電極螢光強度平均值的變化，橘色線(track2)為針尖處螢光強度平均值，綠色線(track1)為非針尖處螢光強度平均值 114 圖4- 26中心間距150µm的針尖在不同介質下的螢光強度平均值 115 圖4- 27 20Vpp 100kHz下螢光粒子聚集在中心間距40μm的針尖上 116 圖4- 28未塗佈PDMS的針尖陣列，以二次水為溶劑的螢光強度平均值變化，橘色線(track2)為針尖處螢光強度平均值，綠色線(track1)為非針尖處螢光強度平均值 117 圖4- 29 20Vpp 100kHz下螢光粒子聚集在中心間距40μm的塗佈PDMS針尖上 118 圖4- 30塗佈PDMS的針尖陣列，以二次水為溶劑的螢光強度平均值變化，橘色線(track2)為針尖處螢光強度平均值，綠色線(track1)為非針尖處螢光強度平均值 119 圖4- 31在去離水中，不同中心間距的針尖螢光強度平均值 120 圖4- 32濃度1.3*107個/1ml在Pt導電層針尖與ITO電極間形成串珠 121 圖4- 33濃度1.3*108個/1ml在Pt導電層針尖與ITO電極間形成串珠 122 圖4- 34濃度1.3*109個/1ml在Pt導電層針尖與ITO電極間形成串珠 123 圖4- 35濃度4.6*109個/1ml在Pt導電層針尖與ITO電極間形成串珠 124 圖4- 36濃度1.3*107個/1ml在Ag導電層針尖與ITO電極間形成串珠 125 圖4- 37濃度1.3*108個/1ml在Ag導電層針尖與ITO電極間形成串珠 126 圖4- 38濃度1.3*109個/1ml在Ag導電層針尖與ITO電極間形成串珠 127 圖4- 39濃度4.6*109個/1ml在Ag導電層針尖與ITO電極間形成串珠 128 圖4- 40濃度1.3*109個/1ml在以Ag為導電層的未塗佈PDMS針尖與ITO電極間形成串珠 129 圖4- 41濃度1.3*109個/1ml在以Pt為導電層的未塗佈PDMS針尖與ITO電極間形成串珠 130 圖4- 42串珠形態與濃度的關係 131 圖4- 43濃度1.3*109個/1ml在100khz、Pt導電層平面形成串珠 132 圖4- 44濃度1.3*109個/1ml在10khz、Pt導電層平面形成串珠 133 圖4- 45濃度1.3*109個/1ml在1khz、Pt導電層平面形成串珠 134 圖4- 46濃度1.3*109個/1ml在100hz、Pt導電層平面形成串珠 135 圖4- 47濃度1.3*109個/1ml在100khz、Ag導電層平面形成串珠 136 圖4- 48濃度1.3*109個/1ml在10khz、Ag導電層平面形成串珠 137 圖4- 49濃度1.3*109個/1ml在1khz、Ag導電層平面形成串珠 138 圖4- 50濃度1.3*109個/1ml在100hz、Ag導電層平面形成串珠 139 圖4- 51濃度4.6*109個/1ml在100khz、Pt導電層平面形成串珠 140 圖4- 52濃度4.6*109個/1ml在10khz、Pt導電層平面形成串珠 141 圖4- 53濃度4.6*109個/1ml在1khz、Pt導電層平面形成串珠 142 圖4- 54濃度4.6*109個/1ml在100hz、Pt導電層平面形成串珠 143 圖4- 55濃度4.6*109個/1ml在100khz、Ag導電層平面形成串珠 144 圖4- 56濃度4.6*109個/1ml在10khz、Ag導電層平面形成串珠 145 圖4- 57濃度4.6*109個/1ml在1khz、Ag導電層平面形成串珠 146 圖4- 58濃度4.6*109個/1ml在100hz、Ag導電層平面形成串珠 147 圖6- 1實驗中少數出現的筆直狀串珠 151 圖6- 2大部分實驗中出現的尾端分岔狀串珠 151

    [1] A. Manz, et al., "MINIATURIZED TOTAL CHEMICAL-ANALYSIS SYSTEMS - A NOVEL CONCEPT FOR CHEMICAL SENSING," Sensors and Actuators B-Chemical, vol. 1, pp. 244-248, Jan 1990.
    [2] G. H. W. Sanders and A. Manz, "Chip-based microsystems for genomic and proteomic analysis," Trac-Trends in Analytical Chemistry, vol. 19, pp. 364-378, Jun 2000.
    [3] H. A. Pohl, DI ELECTROPHORESIS THE BEHAVIOR OF NEUTRAL MATTER IN NONUNIFORM ELECTRIC FIELDS, 1978.
    [4] K. Kaler and H. A. Pohl, "CONTINUOUS BIOLOGICAL CELL SEPARATION USING DIELECTROPHORESIS," Bulletin of the American Physical Society, vol. 23, pp. 285-285, 1978.
    [5] I. Doh and Y. H. Cho, "A continuous cell separation chip using hydrodynamic dielectrophoresis (DEP) process," Sensors and Actuators a-Physical, vol. 121, pp. 59-65, May 2005.
    [6] H. Zhou, et al., "Lateral separation of colloids or cells by dielectrophoresis augmented by AC electroosmosis," Journal of Colloid and Interface Science, vol. 285, pp. 179-191, May 2005.
    [7] S. O. Lumsdon and D. M. Scott, "Assembly of colloidal particles into microwires using an alternating electric field," Langmuir, vol. 21, pp. 4874-4880, May 2005.
    [8] R. Kretschmer and W. Fritzsche, "Pearl chain formation of nanoparticles in microelectrode gaps by dielectrophoresis," Langmuir, vol. 20, pp. 11797-11801, Dec 2004.
    [9] K. H. Bhatt and O. D. Velev, "Control and modeling of the dielectrophoretic assembly of on-chip nanoparticle wires," Langmuir, vol. 20, pp. 467-476, Jan 2004.
    [10] K. D. Hermanson, et al., "Dielectrophoretic assembly of electrically functional microwires from nanoparticle suspensions," Science, vol. 294, pp. 1082-1086, Nov 2001.
    [11] K. R. Williams and R. S. Muller, "Etch rates for micromachining processing," Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 5, pp. 256-269, Dec 1996.
    [12] K. R. Williams, et al., "Etch rates for micromachining processing - Part II," Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 12, pp. 761-778, Dec 2003.
    [13] Z. Moktadir, et al., "Etching techniques for realizing optical micro-cavity atom traps on silicon," Journal of Micromechanics and Microengineering, vol. 14, pp. S82-S85, Sep 2004.
    [14] A. Henssge and J. Acker, "Chemical analysis of acidic silicon etch solutions I. Titrimetric determination of HNO3, HF, and H2SiF6," Talanta, vol. 73, pp. 220-226, Sep 2007.
    [15] D. B. Lee, "ANISOTROPIC ETCHING OF SILICON," Journal of Applied Physics, vol. 40, pp. 4569-&, 1969.
    [16] H. Sasaki, et al., "Fabrication of densely arrayed Si needles with large height for transdermal drug delivery system application," Ieej Transactions on Electrical and Electronic Engineering, vol. 2, pp. 340-347, May 2007.
    [17] P. H. Yih, et al., "A review of SiC reactive ion etching in fluorinated plasmas," Physica Status Solidi B-Basic Research, vol. 202, pp. 605-642, Jul 1997.
    [18] R. Abdolvand and F. Ayazi, "An advanced reactive ion etching process for very high aspect-ratio sub-micron wide trenches in silicon," Sensors and Actuators a-Physical, vol. 144, pp. 109-116, May 2008.
    [19] H. Jansen, et al., "The black silicon method. VIII. A study of the performance of etching silicon using SF6/O-2-based chemistry with cryogenical wafer cooling and a high density ICP source," Microelectronics Journal, vol. 32, pp. 769-777, Sep 2001.
    [20] S. Henry, et al., "Microfabricated microneedles: A novel approach to transdermal drug delivery," Journal of Pharmaceutical Sciences, vol. 87, pp. 922-925, Aug 1998.
    [21] N. G. Green, et al., "Manipulation and trapping of sub-micron bioparticles using dielectrophoresis," Journal of Biochemical and Biophysical Methods, vol. 35, pp. 89-102, Sep 1997.
    [22] H. Morgan, et al., "Separation of submicron bioparticles by dielectrophoresis," Biophysical Journal, vol. 77, pp. 516-525, Jul 1999.
    [23] W. M. Arnold, "Particle patterning using fluidics and electric fields," Ieee Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 15, pp. 144-151, Feb 2008.
    [24] A. Castellanos, et al., "Electrohydrodynamics and dielectrophoresis in microsystems: scaling laws," Journal of Physics D-Applied Physics, vol. 36, pp. 2584-2597, Oct 2003.
    [25] J. Kadaksham, et al., "Dielectrophoresis induced clustering regimes of viable yeast cells," Electrophoresis, vol. 26, pp. 3738-3744, Oct 2005.
    [26] N. Aubry and P. Singh, "Control of electrostatic particle-particle interactions in dielectrophoresis," Europhysics Letters, vol. 74, pp. 623-629, May 2006.

    下載圖示 校內：2014-07-06公開
    校外：2014-07-06公開
    QR CODE