具有气泡的微流体系统及其气体放电方法与气体反应方法

摘要

本发明提供一种具有气泡的微流体系统及其气体放电方法与气体反应方法，其中该具有气泡的微流体系统包括：一第一电极板，其具有一第一基板及一第一电极层，该第一电极层包括多个连续邻接的传动电极；一第二电极板，其具有一第二基板及一第二电极层，该第一电极板与该第二电极板之间形成一空间；以及至少一种可移动地储存于该空间内的液体，该液体中更形成一个密闭腔体，该密闭腔体中填充有一反应气体以形成一气泡；液体可受电场控制而移动，致以驱动气泡移动，并可施加崩溃电压，使气泡中的气体产生气体放电。本发明仅需少量的气体即可进行分析，故可节省气体量及分析时间，且本发明的气体检测芯片可直接携带而进行实地的气体检测。

说明书

技术领域

本发明涉及一种微流体系统，尤其涉及一种具有气泡的微流体系统及其 气体放电方法及气体反应方法。

背景技术

气体的定性、定量检测在环境监控、家用警报、化工控制、温室环境控 制及航空等领域有着广泛的应用。使用气体传感器进行气体的定性定量研 究，可以大幅降低测量成本，减少测量周期。一种传统光学气体传感器包含 有红外光源、参考光源、腔体、分光滤波片及检光二极管等；利用红外光源 所发出具有特定波长范围的光线，以在腔体中进行反射与传递，其中某一特 定波长的光线会穿透分光滤波片，而被检光二极管所接收，其原理是利用该 特定波长的光被待测气体吸收前后所产生的光强度变化量，来感测待测气体 种类与浓度。但此种光学式检测仪器的信号初始值易受到环境温度、压力或 材料特性变化的影响，而降低传感器的准确度及长期稳定性，且设备的体积 过大，无法进行即时监控测量。

一种芯片化的气体分析装置被提出，然而，其需要持续性的注入气体于 两电极之间的开放空间，并在两电极之间形成气体放电，分析气体放电前后 的特征差异，以分析气体的种类、成份。

因此，如何改善目前气体的定性定量分析检测设备的缺点，实为目前研 发的重点。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明实施例提供一种具有气泡的 微流体系统，包括：一第一电极板，其具有一第一基板及一第一电极层，该 第一电极层设置于该第一基板的一侧面，该第一电极层包括多个连续邻接的 传动电极；一第二电极板，其具有一第二基板及一第二电极层，该第二电极 层设置于该第二基板的一侧面且对应于该第一电极层；一分隔结构，其设置 于该第一电极板与该第二电极板之间，使得该第一电极板与该第二电极板之 间形成一空间；以及至少一种可移动地储存于该空间内的液体，该液体中更 形成一个密闭腔体，该密闭腔体中填充有一反应气体以形成一气泡。

本发明实施例更提供一种气体放电方法，包括以下步骤：施加电能于该 第一电极层及该第二电极层，使该气泡移动并固定于这些传动电极的其中之 一；施加一气体崩溃电压于固定有该气泡的该传动电极，以使该气泡中的该 反应气体产生气体放电。

本发明再提出一种气体反应方法，包括以下步骤：提供一第一气体输入 单元，并将一第一气体储存于该第一气体输入单元以形成第一气泡；提供一 第二气体输入单元，并将一第二气体储存于该第二气体输入单元以形成第二 气泡；施加电能于该第一电极层及该第二电极层，使得该液体移动而驱使该 第一气泡与该第二气泡互相接触以形成该气泡，该第一气体混合于该第二气 体而形成该反应气体；施加电能于该第一电极层及该第二电极层，使该气泡 移动并固定于这些传动电极的其中之一；施加一气体崩溃电压于固定有该气 泡的该传动电极，以使该气泡中的该反应气体产生气体放电并使该第一气体 与该第二气体产生反应。

本发明具有以下有益的效果：本发明主要利用微流体技术于流道之间控 制气泡的位置，以推动气泡进行移动、合并、分割等动作，进而在单芯片上 同时呈现两种以上的气体光谱、或利用单一芯片分析检测不同浓度的气体、 或在芯片上实施表面改质、或建构成微型曝光设备或微型反应器等等。

为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明 的详细说明与附图，然而附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以 限制。

附图说明

图1为显示本发明的具有气泡的微流体系统的示意图。

图1A及图1B为显示本发明控制气泡在微流体系统中移动的示意图。

图2为显示本发明进行气体放电的示意图。

图3A为本发明以障壁电极使等离子体气泡稳定于特定路径上的示意 图。

图3B为本发明以实体障蔽墙使等离子体气泡稳定于特定路径上的示意 图。

图4为本发明的气体检测/分析方法的流程图。

图5为本发明的微型曝光方法的流程图。

图6为本发明的表面改质方法的流程图。

图7为本发明的气体反应方法的流程图。

图8为本发明的微流体系统进行氩气的检测/分析的光谱图。

图9为本发明的微流体系统进行氦气的检测/分析的光谱图。

图10为本发明的微流体系统将氦气、氩气进行混合、切割步骤后所得 的检测/分析的光谱图。

上述附图中的附图标记说明如下：

1具有气泡的微流体系统

11第一电极板    111第一基板

112第一电极层

1121传动电极

113第一介电层

114第一疏水层

12第二电极板    121第二基板

122第二电极层

123第二介电层

124第二疏水层

13分隔结构

14空间

15障壁单元

15A障壁电极

15B实体障蔽墙

16气体储存槽

17排气单元

2液体

3气泡

具体实施方式

本发明提出一种具有气泡的微流体系统及其气体放电方法，该具有气泡 的微流体系统可利用施加电场的方式操控微流体系统中的液体，进而驱动其 中的气泡，故可使气泡移动、固定而达到混和气体、产生气体反应等应用； 另外，微流体系统中的气泡为一种密闭形态的腔体，使填充于其中的反应气 体可用于进行气体放电，如产生等离子体等效果，进而可用于气体分析或薄 膜沉积等各种等离子体的领域中；且本发明的具有气泡的微流体系统为单芯 片系统，故相当适合用于便携的检测分析。

请参考图1至图1A，本发明的具有气泡的微流体系统1包括第一电极 板11、第二电极板12与分隔结构13，其中分隔结构13设置于第一电极板 11与第二电极板12之间，使得第一电极板11与第二电极板12之间形成一 空间14，空间14中则填充有至少一种液体2，且液体2中更形成一个密闭 腔体，该密闭腔体中填充有一反应气体以形成一气泡3，换言之，分隔结构 13将第一电极板11与第二电极板12之间形成流道(即空间14)，而液体2 则填充于其中且可沿着流道移动(例如后文所述的以电压加以控制)，气泡 3则形成于液体2中，并通过液体2的流动而推挤气泡3，使气泡3产生移 动；在本实施例中，分隔结构13可为一连续的框型结构或是多个分离的柱 状结构。

第一电极板11主要具有第一基板111及设于第一基板111的一侧面的 第一电极层112；而第二电极板12则同样具有第二基板121及设于第二基板 121的一侧面的第二电极层122；第一基板111与第二基板121大致为一矩 形板体，其材料可为硅基板、聚二甲基硅氧烷(Poly-dimethylsiloxane，PDMS)、 聚对苯二甲酸乙二酯(Polyethylene terephthalate，PET)、聚乙烯萘酚树脂 (也称之为聚萘二甲酸乙二醇酯)(Polyethylene naphthalate，PEN)、可挠 式高分子材料或绝缘性好的材料等，另外，其中一种较佳的选择为玻璃，因 为玻璃的表面粗糙度较低，可减少微流体系统1的驱动电压。在本具体实施 例中，第一基板111与第二基板121均为一种玻璃基板。

另外，第一电极层112与第二电极层122相对应地设置，而两者的材料 均可为导电金属材料、导电高分子材料或导电氧化物材料等，例如铜、铬等 金属或氧化铟锡(Indium tin oxide，ITO)等。第一电极层112包括多个连续 邻接的传动电极1121，这些传动电极1121为连续地邻接(即相邻电极之间有 间隙而彼此绝缘)，且这些传动电极1121可排列成一对应该流道的传动路径， 使液体2/气泡3可于上述传动路径上移动。而第二电极层122则为一体式的 电极，因此，当第二电极层122与第一电极层112的传动电极1121间施加 适当电压时，即可使液体2产生移动，而气泡3则可朝相反于液体的移动方 向而行进。

请参考图1至图1A，在本具体实施例中，第一电极板11更具有一设置 于第一电极层112上的第一介电层113，第二电极板12更具有一设置于第二 电极层122上的第二介电层123；其中第一介电层113涵盖于这些传动电极 1121，第二介电层123则披覆于第二电极层122上，第一介电层113与第二 介电层123的材料均可为聚对二甲苯(Parylene)、正性光刻胶、负性光刻 胶、高介电常数材料或低介电常数等介电材料，在本具体实施例中，第一介 电层113与第二介电层123均为SU-8光刻胶的介电层。

再者，第一电极板11更具有一设置于第一介电层113上的第一疏水层 114，第二电极板12更具有一设置于第二介电层123上的第二疏水层124， 第一疏水层114与第二疏水层124的材料均可为特氟龙(Teflon)等具有疏 水性的材料，其目的是让液体2易于驱动，而所述的疏水层又可称为低摩擦 层(Low friction layer)，因为其与液体之间有较低的摩擦系数，以便于液体2 在其上流动。另外，在一变化实施例中，第一疏水层114与第二疏水层124 直接设于第一电极层112与第二电极层122上(即无上述的第一介电层113 与第二介电层123)，其结构也可达到后文所述的利用微流体技术于流道之 间控制气泡的效果。

请参考图1A，其显示利用液体2将气泡3固定于一特定传动电极1121 上的示意图。本发明的微流体系统1是基于介电泳(Dielectrophoresis，DEP) 的物理现象或是介电湿润(Electrowetting-on-dielectric，EWOD)的物理现象 来操控液体2。举例而言，若欲操控的液体2为非极性的介电液体(Dielectric liquid)则可通过介电泳来驱使该液体2移动；另外，若欲操控的液体2是导 电液体(Conductive liquid)，则介电泳或是介电湿润都可用来驱使该液体2 移动；另外有些介电液体也可通过介电湿润来驱动，在本具体实施例中，液 体2为非极性的硅油(Silicone oil)，其可利用介电泳的原理加以驱动。由 于该密闭腔体由液体2、第一电极板11及第二电极板12所界定，而硅油的 液体2会朝向高电场的方向移动，故当图1A中的右侧三个传动电极1121均 施加有电场时，液体2则会移动至高电场的传动电极1121，故可通过液体2 将气泡3固定于最左侧的未施加电场的传动电极1121，换言之，本发明仅需 关闭特定传动电极1121的电能供给，并于其他传动电极1121上施加电压， 即可将气泡3(密闭腔体及其中的气体)固定于特定传动电极1121的位置。

而当欲控制气泡3移动时，同样利用液体2受高电场驱动的原理，例如， 当欲控制气泡3由图1A所示的位置移动至右侧第二个传动电极1121上时， 可将右侧第二个传动电极1121的电压关闭，并于其他传动电极1121上施加 电压，液体2即可受到高电场的吸引而沿着传动电极1121移动，以间接将 气泡3推挤至较低电场的特定电极上(即图1B所示的右侧第二个传动电极 1121)。

以下将说明本发明利用上述的具有气泡的微流体系统1进行气体放电的 方法，其包括以下步骤：

首先，如图1A所示，提供前文所述的微流体系统1且施加电能于第一 电极层11及第二电极层12，使气泡3移动并固定于这些传动电极1121的其 中之一。

接着，如图2所示(仅绘制出微流体系统1的第一、第二电极层112、 122及第一、第二疏水层114、124)，施加一气体崩溃电压(又称点燃电压) 于固定有该气泡3的该传动电极1121，以使该气泡3中的该反应气体产生气 体放电。在此步骤中，较佳使用间歇性的供电/能量系统，如脉冲等，或使用 激光、声波，或加装电阻等方式对气泡3中的反应气体加压，以达到足够的 电场强度(如在50um的电极间距下，以400至800V点燃氩气、氦气，但 不以此为限)，而使反应气体产生气体放电，如产生等离子体(或称微等离 子体，microplasma)、放出特征光谱等等。

在本具体实施例中，可同时提高点燃电压及施加于其他传动电极1121 上的电压，直到气泡3中的反应气体发生电离现象，再者，由于等离子体点 燃后的气泡3会趋向高电场移动，故可于等离子体点燃后切断施加于其他传 动电极1121上的电压，另外，微流体系统1周围更可设有障壁单元15，例 如以光刻胶形成实体的结构墙，以稳定等离子体点燃后的气泡3的位置。

请参考图4，接着说明前述的微流体系统1进行气体放电方法的一较佳 应用实施例，其主要用于进行气体检测/分析的应用。

首先，提供前文所述的微流体系统1，且微流体系统1还包括至少一气 体输入单元，其包括第一气体输入单元及第二气体输入单元，例如两支连接 第二电极板12的气体注入管(图未示)或气体储存槽16，第一气体输入单 元与第二气体输入单元可分别用于储存、输入第一气体(又称载子气体，可 作为气体检测的基准)与第二气体(又称待测气体)，并将第一气体(如氦、 氖、氩等惰性气体)与第二气体分别注入微流体系统1的液体2中以形成第 一气泡与第二气泡。气体储存槽16可用于将气体注入微流体系统1的液体2， 或施加电场于一封闭导线以拉出液体2而围绕于第一气泡或第二气泡。

接下来，下一步骤则施加电能于第一电极层112及该第二电极层122， 使得该液体2移动而驱使该第一气泡与该第二气泡互相接触，第一气体混合 于第二气体而形成该反应气体。换言之，本步骤可利用液体2的移动使第一 气泡与该第二气泡分别朝彼此的方向移动，使两者加以接触、合并，使第一 气体与第二气体充分混合而形成所述的反应气体；接下来，同样施加电能以 固定所述的反应气体的气泡3，再进一步施加气体崩溃电压于固定有气泡3 的传动电极1121，以使反应气体产生气体放电，再以光纤等将光谱回传给光 谱仪(例如光放射光谱(Optical Emission Spectroscopy，OES)的系统)进 行分析，如可将反应气体所放出的特征光谱与已知第一气体的特征峰值进行 比对，即可得知第二气体的成份、种类，以达气体成份检测的目的。

而在本实施例中，更可达到气体的定量而进行以下步骤，例如，在该第 一气体混合于该第二气体而形成该反应气体的步骤之后，还包括以下步骤：

施加电能于第一电极层112及第二电极层122，以切割该反应气体的气 泡3；在本步骤中，同样利用液体2的移动以切割/分离混和气体后的气泡3， 例如施加电压于传动电极1121上，使混和气体后的气泡3分离成两个或两 个以上的气泡3，即达到切割气泡3的效果，如将混和气体后的气泡3分离 成两个气泡3，则第一气体与第二气体即为1∶1的等体积混和。

提供一排气单元17(如图3A、3B)，以排出多余的第一气体与第二气 体，在此步骤中可利用设于传动电极1121的旁侧的排气单元17，排出切割 气泡后多余的第一气体与第二气体，借此定量地分析第二气体的成份与种 类。

请参考图3A，其为微流体系统1的示意图，其中在传动电极1121的周 围设有多个障壁电极15A(即障壁单元15)，障壁电极15A可通以电压， 以使传动电极1121的周围的障壁电极15A具有高电压，以将气泡3固定于 特定的传动电极1121上，进以施加崩溃电压于其上而产生气体放电效应。

请参考图3B，其为微流体系统1的另一示意图，其中在传动电极1121 的周围设由光致抗蚀剂所形成的实体障蔽墙15B(同样为障壁单元15)，实 体障蔽墙15B可设于第二电极板12，以将传动电极1121围设于其中，以将 气泡3固定于传动电极1121，进以施加崩溃电压于其上而产生气体放电效应。 换言之，本发明可使用障壁电极15A所产生的电场作用或以实体障蔽墙15B 所达到的阻隔效果，以将气泡3维持于传动电极1121所形成的路径上，以 较佳地控制气泡的运动。

值得说明的是，上述实施例仅以两种气体的混合作为说明，但非用以限 制本发明，换言之，本发明也可进行单一气体的检测、或是三种或多种气体 的混合/检测，并利用混合后的气体进行气体放电的应用；且上述的气体混合 /切割步骤可重复进行，以多次稀释气泡3中的待测气体浓度，以用于检测、 比对各种浓度条件下的待测气体。例如图8显示出以本发明的微流体系统1 进行氩气的检测/分析的光谱图；图9显示出以本发明的微流体系统1进行氦 气的检测/分析的光谱图；而图10则显示出以本发明的微流体系统1将氦气、 氩气进行上述的混合、切割等步骤后所得的检测/分析的光谱图。

请参考图5，接着说明前述的微流体系统1进行气体放电方法的另一较 佳应用实施例，其主要用于微型曝光的应用。本具体实施例的步骤如下：

首先，提供前文所述的微流体系统1，且微流体系统1还包括至少一气 体输入单元，以将气体注入微流体系统1的液体2中以形成气泡3。气泡3 的形成、混合、切割等的详细说明可参考前一实施例的说明，而所形成的气 泡3中可具有单一反应气体或是混合的反应气体。

接着，施加一气体崩溃电压(又称点燃电压)于固定有该气泡3的该传 动电极1121，以使该气泡3中的反应气体产生气体放电。

接下来，调整施加于第一电极层112及第二电极层122的电能，使得产 生气体放电的反应气体的气泡3沿着这些传动电极1121移动，由于气泡3 中的反应气体因气体放电而发出特征光源，该特征光源可造成相对应的光敏 材料产生反应，故可通过气泡3的作动产生移动曝光光源的效果，使材料可 以进行步进曝光作业。

另一方面，在另一变化实施例中，微流体系统1中可具有多个气泡3， 每一气泡3中填充有不同比例或不同组成的反应气体，因此，每一气泡3可 激发出不同波长的特征光，故这些特征光即可造成不同光敏材料的反应，也 可利用不同反应的材料进行剥除、蚀刻，故形成与黄光/光刻相类似的功能。

请参考图6，接着说明前述的微流体系统1进行气体放电方法的再一较 佳应用实施例，其主要用于表面改质的领域。本具体实施例的步骤如下：

首先，提供前文所述的微流体系统1，且微流体系统1还包括至少一气 体输入单元，以将气体注入微流体系统1的液体2中以形成气泡3。气泡3 的形成、混合、切割等的详细说明可参考前述实施例的说明，而所形成的气 泡3中可具有单一反应气体或是混合的反应气体。

接着，施加一气体崩溃电压(又称点燃电压)于固定有该气泡3的该传 动电极1121，以使该气泡3中的反应气体产生气体放电以形成等离子体。

接下来，调整施加于第一电极层112及第二电极层122的电能，使得产 生等离子体的反应气体的气泡3沿着这些传动电极1121移动，以将气泡3 移动至一特定的传动电极1121，进行针对该特定的传动电极1121进行表面 处理/改质，例如在特定的传动电极1121上进行薄膜沉积等工艺。

在本具体实施例中，也可先将气泡3控制移动至上述的特定的传动电极 1121，再施加气体崩溃电压于固定有该气泡3的特定的传动电极1121，以针 对该特定的传动电极1121进行表面处理/改质处理。

请参考图7，以下将详细说明本发明利用上述的具有气泡的微流体系统 1进行气体反应的方法，其包括以下步骤：

提供前文所述的微流体系统1，且更提供第一气体输入单元及第二气体 输入单元，以分别用于储存、输入第一气体与第二气体，并将第一气体与第 二气体分别注入微流体系统1的液体2中以形成第一气泡与第二气泡。气体 储存槽16可用于将气体注入微流体系统1的液体2，或施加电场于一封闭导 线以拉出液体2而围绕于第一气泡或第二气泡。

下一步骤则施加电能于第一电极层112及该第二电极层122，使得该液 体2移动而驱使该第一气泡与该第二气泡互相接触，第一气体混合于第二气 体而形成该反应气体。换言之，本步骤在于第一气泡与该第二气泡加以接触、 合并，使第一气体与第二气体充分混合而形成所述的反应气体；接下来，同 样施加电能以固定所述的反应气体的气泡3，再进一步施加气体崩溃电压于 固定有气泡3的传动电极1121，以使反应气体产生气体放电，并使该第一气 体与该第二气体产生反应。故气泡3所形成的密闭空间即可视为第一气体与 第二气体进行反应的微型反应室，以进行较为精密的反应过程。

除此之外，本发明的气体反应方法更可包括前述的切割、排气、移动等 气泡控制方法，在此不予赘述。

综上所述，本发明利用微流体系统中控制液体2的方法进行其中的气泡 3的控制，故可通过气泡3的移动、混合、切割达成气体的混合、稀释、排 出等作动，再利用施加气体崩溃电压的方式达到激发反应气体产生气体放 电、气体反应等的效果。

综上所述，本发明具有下列诸项优点：

1、本发明利用施加电压的方式控制微流体系统中的液体在流道中移 动，以驱动其中的气泡，故可使气泡产生移动、固定的现象，而达到将气泡 组合、切割、分离等应用。

2、另外，如上所述，本发明利用上述方式与结构可制作出便携式的气 体检测芯片、微型反应器、微型步进曝光设备等等，但本发明并不仅限于前 述所提出的应用。

3、本发明可用于气体检测，相较于传统的检测设备，本发明仅需少量 的气体即可进行分析，故可节省气体量及分析时间，且本发明的气体检测芯 片可直接携带而进行实地的气体检测，以达到即时监测的目的。

以上所述仅为本发明的较佳可行实施例，非因此局限本发明的专利范 围，故举凡运用本发明说明书及附图内容所为的等效技术变化，均包含于本 发明的范围内。