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147_091-020AP-TW

發佈日期 : 2009-04-29
　　 　　 發明專利說明書
　 ※申請案號：
　 ※申請日期：　　　　　　　　　　※ＩＰＣ分類：
一、發明名稱： (中文/英文)

 
　 晶片式微流量（流速）感測系統(全文下載)

 
二、申請人： 共 人

 
　 指定 為應受送達人

 
　  
三、發明人：
　  
　◎專利代理人：
　  
　
四、聲明事項
　

 
　 □主張專利法第二十七條第一項國際優先權：

 
　 □主張專利法第二十九條第一項國內優先權：

 
　 □ 主張專利法第二十六條微生物：

 
　□ 熟習該項技術者易於獲得，不須寄存
五、中文發明摘要：
　 　　本發明係有關一種利用微機電系統(MEMS)製程技術所設計及製作出之具高靈敏度之晶片式微流量(流速)感測系統，係將一組微型電阻與微型平面入射噴流及V型平板系統均整合於晶片上而構成微量流體之流量(流速)感測系統，其透過一組微型電阻偵測微量流體以平面入射噴流 (Planar Impinging Jet)方式撞擊至V型平板時所產生之規則性搖擺運動而造成的電阻變化，進而得知擺動頻率 (F)以推算出微量流體之流量(流速)，可免除雜訊帶來之干擾，具有高靈敏度，以應用於微量流體之精密量測。
　
六、英文發明摘要：
　  
　
七、指定代表圖：
　（一）本案指定代表圖為：
　（二）本代表圖之元件代表符號簡單說明：

 
　  
　
八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式：
　  
　
九、發明說明：
　 [發明內容]

 

【發明之技術領域】
本發明係有關一種利用微機電系統(MEMS)製程技術所設計及製作出之具高靈敏度之晶片式微流量(流速)感測系統，係將一組微型電阻與微型平面入射噴流及V型平板系統均整合於晶片上而構成微量流體之流量(流速)感測系統，其透過一組微型電阻偵測微量流體以平面入射噴流 (Planar Impinging Jet)方式撞擊至V型平板時所產生之規則性搖擺運動而造成的電阻變化，進而得知擺動頻率 (fF)以推算出微量流體之流量(流速)，可免除雜訊帶來之干擾，具有高靈敏度，以應用於微量流體之精密量測。
【發明背景】
自從微機電系統 (Micro-Electro-Mechanical-Systems, MEMS)受到世界各國高度重視以來，微流體(Microfluidics)的技術就一直引起各領域研究人員廣泛的興趣和注意。MEMS在微流體的研究主要分為幾項：
(a)微量流體的傳輸及控制：整合微流體各子元件，如微閥、微幫浦及微流管道等，製作出單一智慧型微流體元件。
(b)微小型之化學分析系統(micro total analysis system, μTAS)：如DNA檢測、蛋白質檢測、細胞操作及分析等。
(c)生物醫療檢測：如微量血液分析、自動導尿管、微量藥物傳輸系統等。
(d)超大型積體電路(Ultra-Large-Scale IC’s, ULSI)製造及應用：如製程氣體精密流量測量和控制、IC晶片微熱管(micro heat pipe)散熱器等。
上述的這些微量流體系統均需要精密地感測微流量 (micro flow rate)或流速(flow velocity)。傳統的大型流量計因為體積太大或精密度受限而無法量測前述微量流體，故需開發出小型化、高靈敏度、高頻率響應的微型流量(流速)計，以因應量測微量流體之需求。
另外，在醫療使用上為避免量測裝置的重複使用所產生污染的問題，實有必要開發便宜且可拋棄式的微流量 (流速)感測系統，因此微流量(流速)感測系統之需求已日益增加。
早期的微感測系統製作原理主要可分為三大類：
(1)利用熱傳遞的原理。
(2)利用流體對感測系統結構物之施力(昇力或阻力)而感應出流量。
(3)利用微管道上下流的壓力差。
上述三大類型之微感測系統均利用感測原件(壓阻元件、電阻加熱器等)之直流輸出電壓或電流訊號來計算流體的流量或流速。在極微量流體之測量時，微小的輸出電壓或電流值會因雜訊造成量測上之不便及誤差。
文獻[Lin, C. K., Hsiao, F. B., Sheu, S. S., Journal of Aircraft, Vol. 30, 1993, pp. 320-325.] 中曾報告過大型平面入射噴流(planar impinging jet) 對V型平板之流場研究，研究結果顯示當大型入射噴流撞擊至V型平板時，噴流會產生規則性的搖擺運動(periodic flapping motion)，此種規則性的搖擺運動是由入射噴流撞擊至V型平板產生之不穩定性(instability)而產生，其搖擺頻率(fF)與噴流口速度(Uj)，可有如下的關係：

其中St稱為Strouhal number，L為噴流口至V型板頂端之距離(如圖八所示)。
上述現象僅在大型流場中出現，目前尚無任何文獻資料證明在微型流場中有相關現象產生，尤其是在低雷諾數之微型流場中。
本發明主要之目的，係提供一種晶片式微流量(流速) 感測系統，可避免習知技術因直接偵測直流電壓或電流時雜訊的干擾，進而提高微流量流體之流量(流速)之偵測準確度，並大幅提高可偵測流體之量測範圍。
本發明之次一目的，係提供一種用於微流量感測系統之晶片，該晶片主要係包含：一上板，其上具有複數孔洞及至少一組微型電阻；及一下板，其上具有至少一個流體進口槽、至少一個出口槽及至少一個V型平板。
【發明概述】
有鑑於習知技術對於微量流體量測及使用上之缺陷及弊端，本發明主要目的在於利用微機電系統製程技術，製作一種晶片式微流量(流速)感測系統，其主要包括：一 晶片，係提供微量流體形成平面入射噴流以產生規律性搖擺運動之用；一電子訊號擷取與處理單元，係作為擷取電子訊號並處理訊號之用；及一電流輸入單元，係作為輸入一定電流至前述晶片中之用。
本發明以整合有微型電阻之晶片中的微型流場的平面入射噴流撞擊至V型平板時產生之規律性擺動，以偵測微量流體的擺動頻率(fF)，並利用前述關係式 ()，可由測得之搖擺頻率(fF)來推得微量流體的流量(流速)。
本發明之晶片式微流量(流速)感測系統，具有輕薄短小的特性，在某些特定用途更可發揮其優異特性，例如：可整合微型微流(流速)感測器於內視鏡內，以應用於微量血液之測量或可作為攜帶型的微量化學分析系統，以提供戰場士兵做現場細菌病毒的檢測；在某些有重量限制的特殊應用時(如微衛星、小型無人飛機等)，更可用本發明之微流量(流速)感測系統取代大型流量計，以達到減輕重量之要求，且可避免習知技術因直接偵測直流電壓或電流時雜訊的干擾，進而大幅提高可偵測流體之量測範圍，可廣泛應用在醫學、化學...等各種領域上做研究及運用。
【發明之詳細說明】
本發明之晶片式微流量(流速)感測系統，係利用一 組微型電限偵測微型平面入射噴流撞擊V型平板產生規律搖擺運動之頻率以推得微量流體流量及流速，其諸多優點與特徵將從下述詳細說明並配合圖式得到進一步的瞭解。
首先參考圖一，係顯示本發明之微流量(流速)感測系統100之儀器裝置之示意圖，主要包括：一晶片2，係提供微量流體形成妮律性搖擺運動之用；一電子訊號擷取與處理單元5，係作為擷取電子訊號並處理訊號之用；及一電流輸入裝置6，係作為輸入一定電流至前述晶片2中之用。
前述之晶片2主要係包含：上板21(如圖二(A)所示) 及下板22(如圖二(B)所示)，前述上板21包含：貫穿前述上板21之孔洞15及16(孔洞直徑例如為1.5mm)、一組微型電阻28(例如：鉻金屬)、一組接合墊片30及一組金屬導線29，其中前述孔洞15作為流體導入孔；前述孔洞16則為流體流出孔。前述電流輸入裝置6透過導線27 經接合墊片30及金屬導線29將一定電流導入前述微型電阻28，前述微型電阻28係偵測微量流體造成之電阻變化而產生電子訊號，前述之電子訊號經前述金屬導線傳至前述接合墊片30後，再經由訊號線101傳至前述電子訊號擷取與處理單元5處理後將資料輸出。前述下板22包含：至少一個流體進口槽17、至少一個出口槽26及至少一個 V型平板13，其中：前述流體進口槽17之末端出口形成一微型噴口12，係作為微量流體噴出以形成入射噴流 (Impinging Jet)之用；前述V型平板13係作為前述微型 噴口12噴出之微量流體入射噴流撞擊以產生規律性搖擺運動之用；前述出口槽26之一處對應著前述孔洞16；及前述流體進口槽17之一端對應著前述孔洞15。前述晶片 2之下板22之幾何結構圖如圖八所示，其中H/L可為任意比例，θ值(V型平板13之角度)可為大於0度且小於180 度之間之任一角度，較佳者為70~110度間之任一角度。
本發明之晶片2之上板21及下板22之製程過程係經由一般微機電系統製程方法製得，其主要步驟如下：將設計好之不同光罩置於包含有依序為光阻層、鉻金屬層及石英層之兩塊基板上(上板21及下板22)微影，將圖案轉移置光阻上，再以蝕刻絡金屬步驟後針對下板22進行石英蝕刻(BOE)，之後將上板21及下板22進行光阻剝除步驟，前述上板21經鉻蝕刻後形成之鉻金屬層即作為微型電阻28及接合墊片30，之後將上板21之特定位置鑽孔以形成前述晶片2之上板21所設之孔洞15、16，最後將前述製程後之上板21及下板22利用氫氟酸或其他具有相同功效之技術將晶片2之上板21與下板22相結合，以形成完整之晶片2。本發明之晶片可使用不同之材質，例如：石英、玻璃、矽晶片、高分子塑膠材料或其他具有相同功效之材質，配合各種微通道幾何設計之光罩，依特定之製程過程製得具有相同或類似本發明之晶片。
本發明之晶片式微流量(流速)感測系統100操作時將欲量測流量(流速)之微量流體透過流體導管10銜接至晶片2其上板21所設孔洞15導入晶片2之下板22所 設之流體進口槽17中，前述導入之流體經前述微型噴口 12噴出後形成一入射噴流撞擊至前述V型平板13後產生規律性搖擺運動(如圖六(A)至圖六(D)所示)，前述規律搖擺之流體流經前述一組微型電阻28時會造成微型電阻28 之電阻發生變化，其應用之原理如下：微型電阻28的感測原理係當平面入射噴流流經微型電阻28時會帶走不同的熱量而使電阻發生變化。本發明利用前述電流輸入裝置 6(例如：定電流電位計)輸入一定電流至前述晶片2之上板21所設之一組微型電阻28，由公式：V=I*R得知，當電流(I)(係由前述電流輸入裝置6輸入之定電流)固定時，電阻(R)之變化將使電壓(V)隨之改變，前述因電阻變化產生之電子訊號透過訊號線101傳至前述電子訊號擷取與處理單元5處理以測得平面入射噴流之擺動頻率 (fF)，進而求得微量流體之流量(流速)。
由圖三所示，係本發明之晶片式微流量(流速)感測系統100連接電子訊號擷取與處理單元5之示意圖。前述電子訊號擷取與處理單元5係包含一類比/數位訊號轉換卡(ADC卡)8及數位訊號處理系統9，利用前述類比/數位訊號轉換卡(ADC卡)8擷取前述微型電阻28所偵測的電子訊號並轉換為數位訊號，再利用數位訊號處理系統9 將前述數位訊號轉換為平面入射噴流的擺動頻率。
為了觀測本發明之系統可利用微型流場之入射噴流之規律性搖擺運動之特性偵測微流量(流速)，因此本發明係透過另一儀器裝置圖來進行測試。如圖四所示，係顯示 本發明之晶片式微流量(流速)感測系統結合其他單元及晶片設計以便於觀測微型流場狀態之儀器裝置示意圖，除了前述本發明之晶片式微流量(流速)感測系統100所包含之晶片2、電子訊號擷取與處理單元5及電流輸入裝置 6之外，另外包含：流體進樣裝置1，作為模擬微量流體導入之用；晶片2’；流體觀測單元3(光學偵測單元)，作為觀測流體於晶片2’之流動狀態之用；及影像訊號擷取與處理單元4，係作為擷取影像訊號並處理訊號之用。
本發明為了便於觀測微型流場，於前述晶片2’之下板 21’設計三個微流管道(即樣品進樣槽24及兩個包覆流體進口槽25，如圖五(B)所示)，利用兩側包覆流體比中間樣品流速大十倍以上時，樣品寬度會被減成數微米而達到集中效果，藉以觀測微型流場之現象。
前述之晶片2’，其主要係包含上板21’(如圖五(A) 所示)及下板22’(如圖五(B)所示)，前述上板21’包含：貫穿前述上板21’之複數孔洞23、23’及23”孔洞直徑例如為1.5mm)，分別作為樣品導入孔(即孔洞23’)、包覆流體導入孔(即孔洞23”)及液體流出孔(即孔洞23)；一組微型電阻28；一組接合墊片30及一組金屬導線29，前述之微型電阻28、接合墊片30及金屬導線29之功能與前述圖一中之晶片2所述相同。前述晶片2’之下板22’包含除了前述原始晶片2之設計外並增加一個樣品進樣槽24、兩個包覆流體進口槽25。
將欲量到流量(流速)之樣品(以Rodamine B染料代 替)自前述流體進樣裝置1送出，經連接管10’銜接至晶片2’其上板21’所設孔洞23’導入晶片2’之下板22’所設之樣品進樣槽24中。同時，透過前述流體進樣裝置1經連接管10’銜接至晶片2’其上板21’所設孔洞23”將兩側包覆流體(以DI water代替)導入晶片2’之下板22’所設之包覆流體進口槽25中，藉由控制兩側包覆流體比中間樣品流速大十倍以上將樣品流預集中，形成一微型流場以便於後續微流量(流速)觀測之用。
藉由前述圖四之儀器裝置所觀測之平面入射噴流模式撞擊至V型平板13，而使得樣品流產生規律搖擺運動之影像如圖七(A)至圖七(F)所示。因此透過前述之觀測結果可證明微型流場之入射噴流撞擊至V型平板會產生規律性搖擺運動。
本發明之晶片式微流量(流速)感測系統100將透過下列實施例作更進一步之了解。
實施例一
此實施例係說明使用本發明新型微流量(流速)感測系統100(如圖一所示)測試之結果。樣品以普通之染料 (Rodamine B)來代替，設定測試條件如下：晶片2之下板22之幾何結構如圖八所示，θ為110度，L為1440μm， H為300μm，L/H為4，W為2250μm，溝漕深度為45μm，定電流輸入單元6(即一定電流電位計)輸入之定電流值為0.5至1.0mA之間。
本發明之系統在操作前須先進行校準步驟，其步驟如 下：將流體導管10銜接一流體進樣裝置(圖一未顯示) 將樣品導入流體進口槽17中，經微型噴口12將入射噴流噴至V型平板13產生規律性搖擺運動，經由一組微型電阻28偵測電阻之變化，進而透過電子訊號擷取與處理單元6測得流體的搖擺頻率(fF)，其數據結果如圖九所示，其中微型噴口速度(Uj)係由前述之流體進樣裝置(係一幫浦)輸出之流速經換算後得知，由圖九顯示，在不同微型噴口速度下，測得之搖擺頻率(fF)與微型噴口速度(Uj) 之關係圖成一線性關係，透過流體力學公式：
(L為噴流口至V型板頂端之距離)將前述測得之搖擺頻率(fF)代入即可求得St值，如圖十所示，當微型噴口速度(Uj)改變時，St仍維持一常數(約 0.12)。
經由上述之校準步驟後，則可利用本發明之晶片式微流量(流速)感測系統偵測出微流體之搖擺頻率，再將前述搖擺頻率代入公式中(L為已知，St 由校準步驟得知)即可求得微流體之流量(流速)。
當然，本發明之實施範圍只要不脫離本發明之要旨，可進行種種之變更，其保護範圍由以下之申請專利範圍所界定。
【發明之功效】
本發明之晶片式微流量(流速)感測系統，係利用微流場現象，整合微型電阻、微型平面入射噴流及V型平板至一晶片上，以偵測平面入射噴流規律性搖擺運動之搖擺 頻率來反推得知微量流體之流量(流速)，其具有輕薄短小的特性可取代傳統大型流量計，以達到減輕重量之要求，且可避免習知技術因直接偵測直流電壓或電流時雜訊的干擾，進而大幅提高可偵測流體之量測範圍，可廣泛應用在醫學、化學...等各種領域上做研究及運用。

[圖式簡單說明]

 

圖一係本發明之晶片式微流量(流速)感測系統之儀器裝置示意圖。
圖二(A)及圖二(B)係分別為圖一中之晶片之上板與下板之立體圖。
圖三進一步顯示出圖一本發明之電子訊號擷取與處理單元之構成圖。
圖四係由圖一本發明之晶片式微流量(流速)感測系統結合其他單元以便於觀測微型流場狀態之儀器裝置示意圖。
圖五(A)及圖五(B)係分別顯示圖四圖中晶片之上板與下板之立體圖。
圖六(A)至圖六(D)係分別表示本發明之微型流場平面入射噴流撞擊至V型平板時產生之規律性搖擺現象之示意圖。
圖七(A)至圖七(F)係本發明之微型流場平面入射噴流規律性搖擺之影像圖。
圖八係本發明之晶片式微流量(流速)感測系統之晶片下板之幾何結構圖。
圖九係表示本發明之平面入射噴流擺動頻率(fF)與微型噴口之流體速度(Uj)之關係圖。
圖十係表示本發明之微型噴口之流體速度(Uj)與Strouhal number(St)之關係圖。

 
　
十、申請專利範圍：
　 　　1.一種晶片式微流量(流速)感測系統，其主要包含：一晶片，係提供微量流體導入之用；一電子訊號擷取與處理單元，係擷取電子訊號並處理前述訊號；及一電流輸入裝置，係輸入電流至前述晶片中。
　　2.如申請專利範圍第1項所述之晶片式微流量(流速)感測系統，其中前述之電子訊號擷取與處理單元主要係包含：一類比／數位訊號轉換卡及一數位訊號處理系統。
　　3.如申請專利範圍2項所述之晶片式微流量(流速)感測系統，其中前述之類比／數位訊號轉換卡係擷取電子訊號並轉換為數位訊號之用。
　　4.如申請專利範圍2項所述之晶片式微流量(流速)感測系統，其中前述之數位訊號處理系統係計算前述數位訊號並輸出資料。
　　5.如申請專利範圍1項所述之晶片式微流量(流速)感測系統，其中前述之電流輸入裝置係一定電流電位計。
　　6.如申請專利範圍1項所述之晶片式微流量(流速)感測系統，其中前述輸入之電流係一定電流。
　　7.如申請專利範圍1項所述之晶片式微流量(流速)感測系統，其中前述之晶片材質可為石英、玻璃、矽晶片、高分子塑膠材料或其他具有相同功效之材質。
　　8.如申請專利範圍1項所述之晶片式微流量(流速)感測系統，其中前述之晶片材質係為石英。
　　9.一種晶片，係用於晶片式微流量(流速)感測系統，主要係包含：一上板，其上具有複數孔洞及至少一組微型電阻；及一下板，其上具有至少一個流體進口槽、至少一個出口槽及至少一個V型平板。
　　10.如申請專利範圍第9項所述之晶片，其中前述之複數孔洞至少包含一流體導入孔及一流體流出孔。
　　11.如申請專利範圍第9項所述之晶片，其中前述之流體進口槽係對應前述流體導入孔，及前述之出口槽係對應前述流體流出孔。
　　12.如申請專利範圍第9項所述之晶片，其中前述之流體進口槽係提供流體導入之用。
　　13.如申請專利範圍第9項所述之晶片，其中前述之出口槽係提供流體流出之用。
　　14.如申請專利範圍第9項所述之晶片，其中前述之流體進口槽之末端形成一微型噴嘴。
　　15.如申請專利範圍第14項所述之晶片，其中前述之微型噴嘴係供流體噴出形成一平面入射噴流。
　　16.如申請專利範圍第9項所述之晶片，其中前述之V型平板係供前述平面入射噴流撞擊以產生規律性搖擺運動之用。
　　17.如申請專利範圍第9項所述之晶片，其中前述之微型電阻係為感測前述平面入射噴流之規律性搖擺運動造成之電阻變化。
　　18.如申請專利範圍第17項所述之晶片，其中前述電阻變化產生之電子訊號藉由前述電子訊號擷取與處理單元計算得知平面入射噴流之擺動頻率。
　　19.如申請專利範圍第9項所述之晶片，其中前述V型平板之角度可為大於0度且小於180度之間之任一角度。
　　20.如申請專利範圍第19項所述之晶片，其中前述V型平板之角度為70-110度。
　　21.如申請專利範圍第20項所述之晶片，其中前述V型平板之角度為110度。
　　22.如申請專利範圍9項所述之晶片，其中前述之晶片材質可為石英、玻璃、矽晶片、高分子塑膠材料或其他具有相同功效之材質。
　　23.如申請專利範圍9項所述之晶片，其中前述之晶片材質係為石英。
　　24.如申請專利範圍9項所述之晶片，其中前述之晶片上板與下板係利用氫氟酸或其他具有相同功效之技術相結合。
　　25.一種晶片式微流量(流速)感測系統，係藉由偵測微量流體之平面入射噴流撞擊至V型平板產生之規律性搖擺運動之搖擺頻率(fF)，進而推算出微量流體之流量(流速)。
　　26.如申請專利範圍第25項所述之一種晶片式微流量(流速)感測系統，其中前述之流量(流速)係將前述測得之搖擺頻率(fF)代入下列公式求得： ，前述之St為Strouhal number，L為前述微型噴口至前述V型平板頂端之距離，前述Uj為前述微型噴口之流體速度。
　
十一、圖式：
　  
　













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