生醫(yī)微流體濃度感測晶片

1、生醫(yī)微流體濃度感測晶片,國立高雄應用科技大學機械與精密工程研究指導老師：江家慶 助理教授專題學生：林庭煒、紀奕成、黃建彰,前言,微機電系統(tǒng)技術(shù)(MEMS)包括光機電、材料、生醫(yī)等多項技術(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)及附加價值高的產(chǎn)品，同時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、及準確度更高的光纖濃度感測器，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、光纖感測器，將其運用在濃度的檢測上，藉此來量測血糖、血氧等等濃度。,市場現(xiàn)況,目前全球正投入大量的經(jīng)費及人力於醫(yī)療器材這塊市場，全球光纖感測市場現(xiàn)況如(圖1)[2]、(圖2)[3]所示。,,,圖1.2003-2007年全球生醫(yī)感測市場產(chǎn)值[2],圖2.2005-2010年全球MEMS市場產(chǎn)值[3],理論,蝕刻型長週期光纖光柵主要是受拉應力產(chǎn)生應變場，所形成的折射率的變化，所以我們可由光彈原理得知應變場與折射率變化關(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。,,(1),理論,當透射波長λ相位匹配條件時，則此波長之穿透功率散失為最大。方程式(2)為蝕刻型長週期光纖光柵共振波長的表示式[4]。 由方程式(2)可知，透射波長λ同時與纖心

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)式當光纖包層模與外界環(huán)境相互作用時，環(huán)境因素的變化會對光纖的傳輸特性進行調(diào)制，而使蝕刻型長週期光纖光柵的透射頻譜線發(fā)生飄移，進而探測蝕刻型長週期光纖光柵透射頻譜的變化，即可得出被測量的變化[4]。 長週期光纖光柵傳遞損耗表示為T，當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)境來調(diào)製其折射率分佈，其中L為光柵長度[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週期光纖光柵、微流體晶片作為感測元件，利用其特徵共振衰減波長的變化來量測濃度的變化量。,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，採用SU-8(MICROCHEN)系列光阻作為晶片結(jié)構(gòu)。SU-8為負光阻，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,蝕刻型長週期光纖光柵感測器,微流體晶片實體圖,實驗儀器,,ASE寬頻光源,OSA光學頻譜分析儀,實驗架構(gòu)圖,,生醫(yī)微流體濃度感測實驗架構(gòu)如上圖，使用的光源為ASE光源，波長範 圍為1400nm至1650nm。我們將製作好的感測器固定在微流體晶

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

8、測頻譜dip值）,從溶液感測頻譜dip值中，可以觀察出當在濃度在0％時，其Transmission Loss在26.5dB，當濃度由0.2％增加至1.2％時，穿透率由-28dB增加至-22dB，我們觀察共振衰減波長的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，來作為濃度的感測時的對照圖，以此線性關(guān)係來推算氯化鈉溶液的濃度。,結(jié)論,本專題利用MEMS製作光纖感測器與生醫(yī)晶片，並整合應用於生醫(yī)用光纖