生醫(yī)微流體濃度感測(cè)晶片

1、生醫(yī)微流體濃度感測(cè)晶片,國(guó)立高雄應(yīng)用科技大學(xué)機(jī)械與精密工程研究指導(dǎo)老師：江家慶 助理教授專題學(xué)生：林庭煒、紀(jì)奕成、黃建彰,前言,微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)(MEMS)包括光機(jī)電、材料、生醫(yī)等多項(xiàng)技術(shù)整合的系統(tǒng)，因此我們可藉由此製造技術(shù)，製作微型具高性能、高品質(zhì)及附加價(jià)值高的產(chǎn)品，同時(shí)MEMS適合量化製程，可降低製造成本。所以我們亦開發(fā)一種微小、低成本、及準(zhǔn)確度更高的光纖濃度感測(cè)器，並利用MEMS製程技術(shù)，製作微流體生醫(yī)晶片，並整合生醫(yī)晶片與

2、光纖感測(cè)器，將其運(yùn)用在濃度的檢測(cè)上，藉此來(lái)量測(cè)血糖、血氧等等濃度。,市場(chǎng)現(xiàn)況,目前全球正投入大量的經(jīng)費(fèi)及人力於醫(yī)療器材這塊市場(chǎng)，全球光纖感測(cè)市場(chǎng)現(xiàn)況如(圖1)[2]、(圖2)[3]所示。,,,圖1.2003-2007年全球生醫(yī)感測(cè)市場(chǎng)產(chǎn)值[2],圖2.2005-2010年全球MEMS市場(chǎng)產(chǎn)值[3],理論,蝕刻型長(zhǎng)週期光纖光柵主要是受拉應(yīng)力產(chǎn)生應(yīng)變場(chǎng)，所形成的折射率的變化，所以我們可由光彈原理得知應(yīng)變場(chǎng)與折射率變化關(guān)係式[4]：

3、 其中 為光纖折射率， 光彈係數(shù)，F(xiàn)與E分別為外力與電場(chǎng)。,,(1),理論,當(dāng)透射波長(zhǎng)λ相位匹配條件時(shí)，則此波長(zhǎng)之穿透功率散失為最大。方程式(2)為蝕刻型長(zhǎng)週期光纖光柵共振波長(zhǎng)的表示式[4]。 由方程式(2)可知，透射波長(zhǎng)λ同時(shí)與纖心

4、有效折射率及第m模態(tài)的纖殼有效折射率有關(guān)。,,(2),,理論,由(3)式當(dāng)光纖包層模與外界環(huán)境相互作用時(shí)，環(huán)境因素的變化會(huì)對(duì)光纖的傳輸特性進(jìn)行調(diào)制，而使蝕刻型長(zhǎng)週期光纖光柵的透射頻譜線發(fā)生飄移，進(jìn)而探測(cè)蝕刻型長(zhǎng)週期光纖光柵透射頻譜的變化，即可得出被測(cè)量的變化[4]。 長(zhǎng)週期光纖光柵傳遞損耗表示為T，當(dāng)蝕刻液在光纖上蝕刻出凹圖結(jié)構(gòu)，再藉由外力與外界

5、環(huán)境來(lái)調(diào)製其折射率分佈，其中L為光柵長(zhǎng)度[4]。,,(3),,,,(4),製程方法,本專題所使用的微流體晶片及蝕刻型長(zhǎng)週期光纖光柵，皆是利用黃光微影製程所製作。我們使用本研究室自行製造的蝕刻型長(zhǎng)週期光纖光柵、微流體晶片作為感測(cè)元件，利用其特徵共振衰減波長(zhǎng)的變化來(lái)量測(cè)濃度的變化量。,製程設(shè)備,,微流體生醫(yī)晶片製程,本製程利用黃光微影技術(shù)製作微流體生醫(yī)晶片，採(cǎi)用SU-8(MICROCHEN)系列光阻作為晶片結(jié)構(gòu)。SU-8為負(fù)光阻，未

6、曝光的部分將被顯影移除。,微流體生醫(yī)晶片製程示意圖,鈉玻璃晶圓前處理 → 光阻旋轉(zhuǎn)塗佈 → 軟烤(曝前烤) → 曝光 → 曝後烤(PEB) → 顯影 → 硬烤 →完成,微流體生醫(yī)晶片示意圖,蝕刻型長(zhǎng)週期光纖光柵感測(cè)器,微流體晶片實(shí)體圖,實(shí)驗(yàn)儀器,,ASE寬頻光源,OSA光學(xué)頻譜分析儀,實(shí)驗(yàn)架構(gòu)圖,,生醫(yī)微流體濃度感測(cè)實(shí)驗(yàn)架構(gòu)如上圖，使用的光源為ASE光源，波長(zhǎng)範(fàn) 圍為1400nm至1650nm。我們將製作好的感測(cè)器固定在微流體晶

7、片上，以微動(dòng)平臺(tái)拉伸感測(cè)器並找到感測(cè)器的特徵共振衰減波長(zhǎng)，最後以O(shè)SA分析其透射頻譜。,結(jié)果,溶液感測(cè)頻譜圖,討論（溶液感測(cè)頻譜圖）,溶液感測(cè)頻譜圖為利用蝕刻型長(zhǎng)週期光纖光柵，感測(cè)氯化鈉溶液濃度，其氯化鈉溶液的濃度以0.2％為單位作遞增變化，由所量測(cè)出來(lái)的長(zhǎng)週期透射頻譜由圖得知，當(dāng)濃度由0.2％增加至1％時(shí)，其穿透率隨著濃度的增加而增大，因此，由此特性可知長(zhǎng)週期光纖光柵可以作為濃度感測(cè)器的使用。,結(jié)果,溶液感測(cè)頻譜dip值,討論（溶液感

8、測(cè)頻譜dip值）,從溶液感測(cè)頻譜dip值中，可以觀察出當(dāng)在濃度在0％時(shí)，其Transmission Loss在26.5dB，當(dāng)濃度由0.2％增加至1.2％時(shí)，穿透率由-28dB增加至-22dB，我們觀察共振衰減波長(zhǎng)的dip和重量濃度百分比在(0.4％~1.2％)呈線性關(guān)係，因此我們可利用此段線性斜率，來(lái)作為濃度的感測(cè)時(shí)的對(duì)照?qǐng)D，以此線性關(guān)係來(lái)推算氯化鈉溶液的濃度。,結(jié)論,本專題利用MEMS製作光纖感測(cè)器與生醫(yī)晶片，並整合應(yīng)用於生醫(yī)用光纖