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1、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 4000m、 500m、80m，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 (Spatial resolution) 及高產品密度 (Product
2、density) 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 (MEMS techniques) 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)
3、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(Constant heat flux)、可變的微流道高度 (高度範圍：1200m)、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
4、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(Surface micromachining)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 (Well heat insulation)、高空間解析度 (Spatial resolution)
5、及高產品密度(Product density) 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(South region office ofNDL)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 (f) 為1.01%，紅色方
6、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 200m200m、厚度 2.4m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 215.6V/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(Wheatstone bridge) 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/c
7、m3，壓阻器可具有零溫度係數 (Zero temperature coefficient ofresistance，TCR0) 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 (1200m)，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步驟，因此不會有薄膜粘黏 (Stiction) 情形產生、4)感測器所佔的面積小，可增加單一基材(Single wafer) 上的產品密度等多項優點，十分適合用於熱系統晶片的壓力資料量測。圖一：微加熱流道結構剖面圖：(1
8、)負光阻 SU-8、(2) PMMA 薄板、(3)複晶矽壓力感測薄膜、(4)環氧樹脂層、(5)溫度感測器、(6)加熱器 (7)Pyrex 7740 玻璃、(8)感壓凹穴、(9)金屬導線及(10)微流道。30第 十 二 卷 第 一 期微流道系統整合製程微流道系統整合製程步驟，如圖五所示。1) 先將各式微感測器陣列，包括微溫度、壓力感測元件及加熱系統整合於矽基材，如圖五 (a) 所示。2) 利用厚膜負光阻 SU-8 於微壓力感測器陣列上方微影建構深度範圍 1200m 之感壓凹穴。3) 利用環氧樹脂將 Pyrex7740 玻璃與矽基材接合密封形成感壓凹穴，如圖五 (b) 所示。4) 以 25wt%T
9、MAH 溶液浸泡將矽基材完全蝕刻移除，此時所有微感測器陣列已完全轉印於 Pyrex7740 玻璃。5) 再次利用厚膜負光阻 SU-8 於 Pyrex7740玻璃上方微影建構深度 80m 之微流道，如圖六所示。圖四：新式微壓力感測器結構剖面圖。6) 最後，再次利用環氧樹脂將 PMMA 薄板與含微流道結構及所有微感測元件陣列之Pyrex 玻璃接合，微流道系統即完成，如圖五 (c) 及圖七所示。圖五：微加熱流道整合製程步驟。圖三：複晶矽感壓薄膜懸浮後薄膜變形實驗測試發現經過 1100C，退火時間 1 小時後，當薄膜面積 200m200m、厚度大於2.4m 之後，其最大變形量可低於0.15m。圖六：含
10、微壓力感測器導管之負光阻SU-8微加熱通道SEM照片，曝後烤(PEB)須緩慢升溫並自然降溫，以防微流道結構嚴重變形，如(a)所示。圖七：含微壓力感測器陣列之微加熱流道晶片數位照片。微流道內部熱傳係數分佈結果微加熱流道製造完成後進行一連串的微感測器、量測設備及實驗系統校正，其中微31第 十 二 卷 第 一 期壓力感測器之性能校正曲線，如圖八所示。雷諾數 (Re) 及熱傳係數 (Nu) 之不穩定度經估算分別各為 1.63% 及 4.21%，此結果足以確保實驗量測結果的準確性。初步的實驗量測結果顯示出，在微流道內之熱傳係數分佈與巨觀大尺寸之文獻資料比較空氣流及去離子水流動的情況，發現在扣除雷諾數對微
11、流道內熱傳係數之影響效應後，無因次化參數Nu/Re0.4皆遠低於大尺寸的結果，且明顯隨著雷諾數減少而增加，如圖九所示。就此，我們目前猜測以上現象乃微流道之道壁面黏滯層 (Viscous layer) 內的流體熱傳導係數(Flow conductivity)被增加所導致的結果。應用範圍第一，本研究目前發現當微流道高度為80m 之空氣流、Re=126 時，其內部的平均熱傳係數 (hmean) 可高達 460W/m2K，因此可利用此特性設計開發新式冷卻散熱晶片，有效地解決目前市售 CPU 嚴重的散熱問題。第二，本研究開發的新式絕熱製程技術可有效解決如：紅外線熱感測器 (Infrared sensor
12、) 恆溫參考點、剪應力計 (Shear stress sensor) 及熱感式流量計等相關熱系統晶片的絕熱問題，取代空氣層或是其他絕熱設計並強化元件結構強度。第三，所有感測元件係利用環氧樹脂轉印於玻璃板，因此含所有感測元件系統之環氧樹脂薄層可利用脫膜技術將其與玻璃板分離，經不同配方比例的環氧樹脂製成 不 同 饒 度 之 可 饒 性 微 感 測 元 件 表 面(Flexible sensor skin)，例如：可饒性微溫度、壓力或其他感測元件等。最後，微加熱流道系統也可馬上轉換設計作為生醫晶片用途，讓檢測樣品在微通道中執行混合、分離、DNA 複製 (PCR) 或其他熱處理等實驗室其他所用的反應功
13、能，以達到微流體晶片(Microfluidics) 或縮微實驗室晶片 (Lab on achip)的最終目標。參考文獻1 C. B. Sobhan and S. V. Garimella, “A comparative analysis of studies on heat transfer and fluid flow in microchannels,” Proceedings of the Micro-Scale Heat Transfer Conference, Alberta, Canada, pp.80-92 (2000). 2 E. B. Arkilic and M. A. Sc
14、hmidt, “Gases slip flow in long mcirochannel,” Journal of Microelectromechanical systems, 6 167 (1997). 3 J. Pfahler, J. Harley, H. Bau and J. N. Zemel, “Liquid transport in micro and submicro channels,”Sensors and Actuators, A21-A23 431 (1990). 4 Linan Jiang, Man Wong, Yitshak Zohar, “Phase change
15、in microchannel heat sinks with integrated temperature sensors,” Journal of Microelectromechanical System, 8 358 (1999). 5 J. C. Shih, C. M. Ho, J. Liu, and Y. C. Tai, “Monatomic and polyatomic gas flow圖八：新式壓力感測器性能校正曲線。圖九：微流道內部熱傳係數分佈與巨觀大尺寸文獻資料比較。32第 十 二 卷 第 一 期through uniform microchannels,” Journal
16、 of Microelectromechanical Systems (MEMS), ASME, DSC 59, 197 (1996). 6 J. Pfahler, J. Harley, H. Bau, and J. Zemel, “Liquid transport in micron and submicron channels,” Sensors and Actuators A, 21/23, 431 (1990). 7 E. B. Arkilic, and M. A. Schmidt, “Gaseous slip flow in long microchannels,” Journal of Micro electro mechanical Systems, 6, No. 2, 167 (1997). 8 C. W. Liu, C. Gau and B. T. Dai, “ Design and fabrication development of a micro flow hea
