TW201426844A - 微流道結構的製造方法 - Google Patents
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Abstract
一種微流道結構的製造方法，其主要係於一基板的加工表面形成微米尺度的溝槽，再於該具有溝槽的加工表面上鍍覆包含二種不同蝕刻難易特性的膜層交互堆疊而成的複合多層鍍膜，該複合多層鍍膜且填滿溝槽，再磨除複合多層鍍膜位於加工表面以上的部分，以選擇性蝕刻手段去除易蝕刻特性的膜層至預定深度，但不蝕刻基板及難蝕刻特性的膜層，而於基板加工表面形成微細狀的微流道結構，再於基板上貼覆蓋板，構成一具有微流道的構件，藉此，透過對易蝕刻特性的膜層之厚度調整，使微道流道之孔徑可在奈米至微米尺度之範圍內輕易控制。
Description
本發明是一種微流道結構的製造方法，尤指一種可應用於化工、材料或製藥等產業之微流體設備技術領域中，使該微流體設備中之微反應器等能夠易於製作出奈米至微米尺度孔徑的微流道結構的製造方法。
如微反應器等微流體設備概係應用於通用配藥、藥物傳遞、高密度製劑、分析設備、臨床診斷和獸醫診斷、點護理測試、工業檢測和環境測試、製藥和生命科學，與微反應技術等領域上。以應用於化工、材料及製藥等領域為例，微反應器之應用是提高反應產物品質和提高過程效率的重要技術手段，借助微反應器中的微流道提供良好的流體混合與傳熱性能，微反應器可以有效地控制化學反應(如有機合成反應等)中之反應物的混合狀態和反應溫度，進而提高化學反應的選擇性。
目前已知如微反應器等具有微流道的構件中，其微細的微流道結構的製作方法，主要係以紫外光光刻術(UV-LIGA)製程技術或微機電系統的製造技術來完成，前述製程技術雖可達到微、奈米等級，但是，前述製程技術皆需應用昂貴的光罩及精密的顯影設備，對量產的成本造成一項龐大經濟負擔；再者，利用微機電系統製程技術或紫外光光刻術(UV-LIGA)製程技術所製造的具有微流道的構件(如模仁等)，因係利用沉積方式來製造，其微流道結構存在有剛性不佳的缺陷，而不利於該具有微流道的構件大
量翻製。
本發明之主要目的在於提供一種微流道結構的製造方法，希藉此發明，改善現有微流道結構的製造方法存在利用昂貴的光罩及精密的顯影設備之高設備成本，以沉積手段製成微流道結構之剛性不佳等問題。
為達成前揭目的，本發明所提出之微流道結構的製造方法，係包含：提供基板，所述基板上具有一加工表面；於基板上表面形成微米尺度之溝槽；於基板具有溝槽的加工表面上鍍覆包含有二種不同蝕刻難易特性的膜層交互堆疊而成的複合多層鍍膜，所述複合多層鍍膜填入溝槽；磨除複合多層鍍膜鄰近於溝槽開口處之部分，於基板溝槽開口處顯露多層鍍膜條紋，該多層鍍膜條紋沿溝槽路徑延伸；以選擇性蝕刻手段去除位於溝槽開口處之複合多層鍍膜中具有易蝕刻特性的膜層至預定深度，形成微奈米尺度的微流道結構；以及於基板加工表面上貼覆一蓋板，形成一具有微流道的構件。
藉由前揭微流道結構的製造方法創作，其至少具有以下優點：
1.本發明微流道結構的製造方法主要係利用簡易的微米尺寸加工技術，複合多層鍍膜及選擇性蝕刻技術手段而
能製造出微米至奈米尺度的微流道結構。
2.本發明微流道結構的製造方法可因應微流道預定流通的流體物質之特性與化學反應需求而選用適當之膜層材料，例如硬質耐磨鍍膜或耐蝕性鍍膜、反應觸媒材料等，優化微流道構件性能。若選用高剛性的鍍膜材料時，也可作為大量翻製用的微結構模仁用途。
3.本發明微流道結構的製造方法可透過複合多層鍍膜處理時，對複合多層鍍膜中各膜層膜厚之調整，而能輕易調控微流道的孔徑、間距、分布配置與密度等。
4.本發明微流道結構的製造方法可透過對易腐蝕特性的膜層材料與厚度之調整，於同一基板上形成不同孔徑之微流道。
5.本發明微流道結構的製造方法可透過機械加工之微米尺度溝槽流動路線布局，即可變化微流道之流線樣式。
6.本發明微流道結構的製造方法透過基板之密集多道微米尺度之溝槽加工、複合多層鍍膜堆疊層數的增加，以及微流道基板的堆疊，即可在基板上密布多數微流道，增加構件中之流道密度。
如圖1所示，係揭示本發明微流道結構的製造方法之流程方塊圖，請配合參閱圖2至圖4所示，由圖式中可以見及本發明微流道結構的製造方法係包含以下步驟：提供基板1，所述基板1上具有一加工表面10，所述基板1以選用難以被化學蝕刻液(酸液或鹼液)腐蝕之材料為佳，以化學蝕刻液選用氫氧化鈉(NaOH)之鹼性溶液為
例，所述的基板1可選用鈦(Ti)等難以被氫氧化鈉溶液所腐蝕的金屬材料所製成的板體；於基板1上表面形成微米尺度之溝槽12，係以雷射或機械切削等機械加工手段於基板1加工表面10形成開口寬度與深度為數微米至數十微米的溝槽12，可依需求而設定，但不限於此，使所述溝槽12至少一側壁自溝槽12的上端開口以下數微米深度的壁面係與基板1的加工表面10呈垂直相交，所述溝槽12係依預定微流道的路徑而設計，其中可為直線、曲線、折線或其結合等，所述溝槽12的數量、排列位置與密集度等，依預定製品的微流道布局而變更；於基板1具有溝槽12的加工表面10上鍍覆包含有二種不同蝕刻難易特性的膜層交互堆疊而成的複合多層鍍膜2，所述複合多層鍍膜2填入溝槽12，所述二種不同蝕刻難易特性的膜層係指其選用的材料相對於後續蝕刻步驟所選用的化學蝕刻液(酸液或鹼液)腐蝕的難易度而區分，並將之定義為易蝕刻特性的膜層20與難蝕刻特性的膜層21，以化學蝕刻液選用氫氧化鈉(NaOH)之鹼性溶液為例，則難蝕刻特性的膜層21之材料可選用鈦(Ti)等不被氫氧化鈉溶液所腐蝕的金屬，易蝕刻特性的膜層20之材料可選用鋁(Al)等易被氫氧化鈉溶液所腐蝕的金屬；磨除複合多層鍍膜2鄰近於溝槽12開口之部分，使複合多層鍍膜2鄰近於溝槽12開口處呈現多層鍍膜條紋，該多層鍍膜條紋沿溝槽12路徑延伸，所述磨除手段可以機械研磨方式來進行；
以選擇性蝕刻手段去除位於溝槽12開口處之複合多層鍍膜2中具有易蝕刻特性的膜層(即易蝕刻特性的膜層20)預定深度，但不蝕刻基板1及難蝕刻特性的膜層21，而形成微細狀的微流道22結構；以及於基板1加工表面10上貼覆一蓋板3，形成一具有微流道22的構件。
前述微流道結構的製造方法較佳實施例中，於基板1具有溝槽12的加工表面10上鍍覆由易蝕刻特性的膜層20與難蝕刻特性的膜層21交互堆疊而成的複合多層鍍膜2之步驟，係依預定微流道結構的位置、數量等參數而決定易蝕刻特性的膜層20與難蝕刻特性的膜層21之先後次序，其中：可於基板1之具有溝槽12的加工表面10依序鍍覆難蝕刻特性的膜層21、易蝕刻特性的膜層20與難蝕刻特性的膜層21等之交互堆疊方式構成該複合多層鍍膜2，或者，亦可於基板1之具有溝槽12的加工表面10依序鍍覆易蝕刻特性的膜層20、難蝕刻特性的膜層21與易蝕刻特性的膜層20等之交互堆疊方式構成該複合多層鍍膜2。
前述微流道結構的製造方法較佳實施例中，於選擇性蝕刻手段去除易蝕刻特性的膜層20至預定之深度，形成微細狀的微流道結構之後，尚可進一步以研磨手段修平基板1加工表面10，再於基板1加工表面10上貼覆蓋板3。
以下進一步配合圖式所示的各較佳實施例說明本發明之具體實施內容，其中：
如圖2所示，其係於一鈦質基板1頂面的加工表面10加工出開口寬度為14微米的溝槽12，較佳地，溝槽12側
壁自開口以下有約4微米深度的壁面與該加工表面10垂直，於鈦質基板1具有溝槽12的加工表面10上依序鍍覆1微米厚的鈦金屬層(難蝕刻特性的膜層21)、2微米厚的鋁金屬層(易蝕刻特性的膜層20)以及4微米厚的鈦金屬層(難蝕刻特性的膜層21)構成三層的複合多層鍍膜，該複合多層鍍膜2係填滿該溝槽12，其次，磨除此複合多層鍍膜2位於鈦質基板1加工表面10上的部分(7微米厚)，露出鈦質基板1的加工表面10以及該複合多層鍍膜2位於鈦質基板1溝槽12開口處的部分，此溝槽12開口處呈現鈦金屬層(難蝕刻特性的膜層21)、鋁金屬層(易蝕刻特性的膜層20)交互排列的紋理構造，其次，將該具有複合多層鍍膜2的鈦質基板1於室溫下置入於鹼液(如1莫耳濃度之氫氧化鈉溶液)，或進一步輔以超音波震盪作用進行蝕刻預定時間(約70秒)後取出，此時，鈦質基板1原溝槽12開口位置處的鋁金屬層(易蝕刻特性的膜層20)被腐蝕除去約2微米深度，而形成二道2微米寬、2微米深之微流道22結構。
如圖3所示，其係於一鈦質基板1頂面的加工表面10加工出開口寬度為14微米的溝槽12，且溝槽12側壁自開口以下有約4微米深度的壁面與該加工表面10垂直，於鈦質基板1具有溝槽12的加工表面10上依序鍍覆1微米厚的鈦金屬層(難蝕刻特性的膜層21)、2微米厚的鋁金屬層(易蝕刻特性的膜層20)、1微米厚的鈦金屬層(難蝕刻特性的膜層21)、2微米厚的鋁金屬層(易蝕刻特性的膜層20)與1微米厚的鈦金屬層(難蝕刻特性的膜層21)構成四層的複
合多層鍍膜2，該複合多層鍍膜2且填滿該溝槽12，其次，磨除該複合多層鍍膜2位於鈦質基板1加工表面10上的部分(7微米厚)，露出鈦質基板1的加工表面10以及該複合多層鍍膜2位於鈦質基板1溝槽12開口處之部分，並使該溝槽12開口處呈現鈦金屬層(難蝕刻特性的膜層21)、鋁金屬層(易蝕刻特性的膜層20)交互排列的紋理構造，其次，將該具有複合多層鍍膜2的鈦質基板1置入室溫的鹼液(如1莫耳濃度之氫氧化鈉溶液)中，或進一步輔以超音波震盪作用，進行預定時間(如1~2分鐘)的蝕刻作用後取出，此時，鈦質基板1原溝槽12開口位置處的鋁金屬層(易蝕刻特性的膜層20)被腐蝕除去約2微米深度，而形成四道2微米寬、2微米深之微流道22結構。
如圖4所示，其係於一鈦質基板1頂面的加工表面10加工出開口寬度為14微米的溝槽12，且溝槽12側壁自開口以下有約4微米深度的壁面與該加工表面10垂直，於鈦質基板1具有溝槽12的加工表面10上依序鍍覆2微米厚的鋁金屬層(易蝕刻特性的膜層20)、1微米厚的鈦金屬層(難蝕刻特性的膜層21)、2微米厚的鋁金屬層(易蝕刻特性的膜層20)、1微米厚的鈦金屬層(難蝕刻特性的膜層21)與2微米厚的鋁金屬層(易蝕刻特性的膜層20)構成五層的複合多層鍍膜2，該複合多層鍍膜2且填滿該溝槽12，其次，磨除此複合多層鍍膜2位於鈦質基板1加工表面10上的部分(8微米厚)，露出鈦質基板1的加工表面10以及該複合多層鍍膜2位於鈦質基板1溝槽12開口處的之部分，此溝槽12開口處呈現鈦金屬層(難蝕刻特性的膜層21)、鋁金
屬層(易蝕刻特性的膜層20)交互排列的紋理構造，其次，將該具有複合多層鍍膜2的鈦質基板1置入室溫鹼液(如1莫耳濃度之氫氧化鈉溶液)或進一步輔以超音波震盪作用進行蝕刻預定時間(如1~2分鐘)後取出，此時，鈦質基板1原溝槽12開口位置處的鋁金屬層(易蝕刻特性的膜層20)被腐蝕除去約2微米深度，而形成五道2微米寬、2微米深之微流道22結構。
由以上說明可知，本發明微流道結構的製造方法主要係利用簡易的微米尺寸加工技術，複合多層鍍膜及選擇性蝕刻技術手段而能製造出微米至奈米尺度的微流道結構，並能因應微流道預定流通的流體物質之特性與化學反應需求而選用適當之膜層材料，達到優化微流道構件性能之目的。另於複合多層鍍膜處理時，透過複合多層鍍膜中各膜層膜厚之調整，而能輕易調控微流道的孔徑、間距、分布配置與密度等，且能於同一基板上形成不同孔徑之微流道等。另一方面，也可透過機械加工之微米尺度溝槽流動路線布局，即可變化微流道之流線樣式等，而為一極具產業利用價值之發明。
1‧‧‧基板
10‧‧‧加工表面
12‧‧‧溝槽
2‧‧‧複合多層鍍膜
20‧‧‧易蝕刻特性的膜層
21‧‧‧難蝕刻特性的膜層
22‧‧‧微流道
3‧‧‧蓋板
圖1係本發明微流道結構的製造方法之流程方塊圖
圖2係本發明微流道結構的製造方法之第一較佳實施例示意圖。
圖3係本發明微流道結構的製造方法之第二較佳實施例示意圖。
圖4係本發明微流道結構的製造方法之第三較佳實施
例示意圖。
Claims (8)
- 一種微流道結構的製造方法，係包含：提供基板，所述基板上具有一加工表面；於基板上之加工表面形成微米尺度之溝槽；於基板具有溝槽的加工表面上鍍覆包含有二種不同蝕刻難易特性的膜層交互堆疊而成的複合多層鍍膜，所述複合多層鍍膜填入溝槽；磨除複合多層鍍膜鄰近於溝槽開口處之部分，於基板溝槽開口處顯露多層鍍膜條紋，該多層鍍膜條紋沿溝槽路徑延伸；以選擇性蝕刻手段去除位於溝槽開口處之複合多層鍍膜中具有易蝕刻特性的膜層至預定深度，形成微奈米尺度的微流道結構；以及於基板加工表面上貼覆一蓋板，形成一具有微流道的構件。
- 如請求項1所述之微流道結構的製造方法，其中，於基板具有溝槽的加工表面上鍍覆包含有二種不同蝕刻難易特性的膜層交互堆疊而成的複合多層鍍膜步驟中，是先鍍覆難蝕刻特性的膜層再鍍覆易蝕刻特性的膜層之交互堆疊方式。
- 如請求項2所述之微流道結構的製造方法，其中，所述難蝕刻特性的膜層係為鈦金屬層，所述易蝕刻特性的膜層係為鋁金屬層。
- 如請求項1所述之微流道結構的製造方法，其中，於基板具有溝槽的加工表面上鍍覆包含有二種不同蝕刻難 易特性的膜層交互堆疊而成的複合多層鍍膜步驟中，是先鍍覆易蝕刻特性的膜層再鍍覆難蝕刻特性的膜層之交互堆疊方式。
- 如請求項4所述之微流道結構的製造方法，其中，所述難蝕刻特性的膜層係為鈦金屬層，所述易蝕刻特性的膜層係為鋁金屬層。
- 如請求項1至5中任一項所述之微流道結構的製造方法，其中，於基板上表面形成微米尺度之溝槽步驟中，所述溝槽至少一側壁自溝槽的上端開口以下的壁面與加工表面呈垂直相交。
- 如請求項1至5中任一項所述之微流道結構的製造方法，其中，於基板上表面形成微米尺度之溝槽步驟中，係以雷射或機械切削加工手段形成所述微米尺度之溝槽。
- 如請求項6所述之微流道結構的製造方法，其中，於基板上表面形成微米尺度之溝槽步驟中，係以雷射或機械切削加工手段形成所述微米尺度之溝槽。
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