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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
生醫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
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前言 微機電系統技術(MEMS)包括光機電、材料、生醫等 多項技術整合的系統，因此我們可藉由此製造技術， 製作微型具高性能、高品質及附加價值高的產品，同 時MEMS適合量化製程，可降低製造成本。 所以我們亦開發一種微小、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，製作微流 體生醫晶片，並整合生醫晶片與光纖感測器，將其運 用在濃度的檢測上，藉此來量測血糖、血氧等等濃度。
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市場現況 目前全球正投入大量的經費及人力於醫療器材這塊市 場，全球光纖感測市場現況如(圖1)[2]、(圖2)[3]所示。
圖 年全球生醫感測市場產值[2] 圖 年全球MEMS市場產值[3]
![市場現況 目前全球正投入大量的經費及人力於醫療器材這塊市 場，全球光纖感測市場現況如(圖1)[2]、(圖2)[3]所示。](http://slidesplayer.com/slide/16394395/95/images/3/%E5%B8%82%E5%A0%B4%E7%8F%BE%E6%B3%81+%E7%9B%AE%E5%89%8D%E5%85%A8%E7%90%83%E6%AD%A3%E6%8A%95%E5%85%A5%E5%A4%A7%E9%87%8F%E7%9A%84%E7%B6%93%E8%B2%BB%E5%8F%8A%E4%BA%BA%E5%8A%9B%E6%96%BC%E9%86%AB%E7%99%82%E5%99%A8%E6%9D%90%E9%80%99%E5%A1%8A%E5%B8%82+%E5%A0%B4%EF%BC%8C%E5%85%A8%E7%90%83%E5%85%89%E7%BA%96%E6%84%9F%E6%B8%AC%E5%B8%82%E5%A0%B4%E7%8F%BE%E6%B3%81%E5%A6%82%28%E5%9C%961%29%5B2%5D%E3%80%81%28%E5%9C%962%29%5B3%5D%E6%89%80%E7%A4%BA%E3%80%82.jpg "圖 年全球生醫感測市場產值[2] 圖 年全球MEMS市場產值[3]")
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理論 蝕刻型長週期光纖光柵主要是受拉應力產生應變場， 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係式[4]：
其中 為光纖折射率， 光彈係數，F與E分別為外力與 電場。 (1)
![理論 蝕刻型長週期光纖光柵主要是受拉應力產生應變場， 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係式[4]：](http://slidesplayer.com/slide/16394395/95/images/4/%E7%90%86%E8%AB%96+%E8%9D%95%E5%88%BB%E5%9E%8B%E9%95%B7%E9%80%B1%E6%9C%9F%E5%85%89%E7%BA%96%E5%85%89%E6%9F%B5%E4%B8%BB%E8%A6%81%E6%98%AF%E5%8F%97%E6%8B%89%E6%87%89%E5%8A%9B%E7%94%A2%E7%94%9F%E6%87%89%E8%AE%8A%E5%A0%B4%EF%BC%8C+%E6%89%80%E5%BD%A2%E6%88%90%E7%9A%84%E6%8A%98%E5%B0%84%E7%8E%87%E7%9A%84%E8%AE%8A%E5%8C%96%EF%BC%8C%E6%89%80%E4%BB%A5%E6%88%91%E5%80%91%E5%8F%AF%E7%94%B1%E5%85%89%E5%BD%88%E5%8E%9F%E7%90%86%E5%BE%97%E7%9F%A5+%E6%87%89%E8%AE%8A%E5%A0%B4%E8%88%87%E6%8A%98%E5%B0%84%E7%8E%87%E8%AE%8A%E5%8C%96%E9%97%9C%E4%BF%82%E5%BC%8F%5B4%5D%EF%BC%9A.jpg "其中 為光纖折射率， 光彈係數，F與E分別為外力與 電場。 (1)")
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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同時與纖心有效折射率 及第m模態的纖殼有效折射率有關。 (2)
![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]。](http://slidesplayer.com/slide/16394395/95/images/5/%E7%90%86%E8%AB%96+%E7%95%B6%E9%80%8F%E5%B0%84%E6%B3%A2%E9%95%B7%CE%BB%E7%9B%B8%E4%BD%8D%E5%8C%B9%E9%85%8D%E6%A2%9D%E4%BB%B6%E6%99%82%EF%BC%8C%E5%89%87%E6%AD%A4%E6%B3%A2%E9%95%B7%E4%B9%8B%E7%A9%BF%E9%80%8F%E5%8A%9F%E7%8E%87+%E6%95%A3%E5%A4%B1%E7%82%BA%E6%9C%80%E5%A4%A7%E3%80%82%E6%96%B9%E7%A8%8B%E5%BC%8F%282%29%E7%82%BA%E8%9D%95%E5%88%BB%E5%9E%8B%E9%95%B7%E9%80%B1%E6%9C%9F%E5%85%89%E7%BA%96%E5%85%89%E6%9F%B5%E5%85%B1+%E6%8C%AF%E6%B3%A2%E9%95%B7%E7%9A%84%E8%A1%A8%E7%A4%BA%E5%BC%8F%5B4%5D%E3%80%82.jpg "由方程式(2)可知，透射波長λ同時與纖心有效折射率 及第m模態的纖殼有效折射率有關。 (2)")
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理論 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構，再藉由外力與外界環境 來調製其折射率分佈，其中L為光柵長度[4]。
由(3)式當光纖包層模與外界環境相互作用時，環境 因素的變化會對光纖的傳輸特性進行調制，而使蝕刻 型長週期光纖光柵的透射頻譜線發生飄移，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構，再藉由外力與外界環境 來調製其折射率分佈，其中L為光柵長度[4]。 (3) (4)
![理論 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構，再藉由外力與外界環境 來調製其折射率分佈，其中L為光柵長度[4]。](http://slidesplayer.com/slide/16394395/95/images/6/%E7%90%86%E8%AB%96+%E9%95%B7%E9%80%B1%E6%9C%9F%E5%85%89%E7%BA%96%E5%85%89%E6%9F%B5%E5%82%B3%E9%81%9E%E6%90%8D%E8%80%97%E8%A1%A8%E7%A4%BA%E7%82%BAT%EF%BC%8C%E7%95%B6%E8%9D%95%E5%88%BB%E6%B6%B2%E5%9C%A8+%E5%85%89%E7%BA%96%E4%B8%8A%E8%9D%95%E5%88%BB%E5%87%BA%E5%87%B9%E5%9C%96%E7%B5%90%E6%A7%8B%EF%BC%8C%E5%86%8D%E8%97%89%E7%94%B1%E5%A4%96%E5%8A%9B%E8%88%87%E5%A4%96%E7%95%8C%E7%92%B0%E5%A2%83+%E4%BE%86%E8%AA%BF%E8%A3%BD%E5%85%B6%E6%8A%98%E5%B0%84%E7%8E%87%E5%88%86%E4%BD%88%EF%BC%8C%E5%85%B6%E4%B8%ADL%E7%82%BA%E5%85%89%E6%9F%B5%E9%95%B7%E5%BA%A6%5B4%5D%E3%80%82.jpg "由(3)式當光纖包層模與外界環境相互作用時，環境 因素的變化會對光纖的傳輸特性進行調制，而使蝕刻 型長週期光纖光柵的透射頻譜線發生飄移，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構，再藉由外力與外界環境 來調製其折射率分佈，其中L為光柵長度[4]。 (3) (4)")
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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。
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製程設備 圖7旋轉塗佈機(Spinning coater) 圖8雙面曝光機(Double-Side Mask Aligner)
圖9加熱平板(Hot Plant) 圖10溫控烤箱
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微流體生醫晶片製程 本製程利用黃光微影技術製作微流體生醫晶片， 採用SU-8(MICROCHEN)系列光阻作為晶片結構。
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微流體生醫晶片製程示意圖 鈉玻璃晶圓前處理 → 光阻旋轉塗佈 → 軟烤(曝前烤) → 曝光 → 曝後烤(PEB) → 顯影 → 硬烤 →完成
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微流體生醫晶片示意圖
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蝕刻型長週期光纖光柵感測器
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微流體晶片實體圖
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實驗儀器 ASE寬頻光源 OSA光學頻譜分析儀
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實驗架構圖 生醫微流體濃度感測實驗架構如上圖，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片上，以微動平台拉伸感測器並找到感測器的特徵共振衰減波長，最後以OSA分析其透射頻譜。
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結果 溶液感測頻譜圖
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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。
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結果 溶液感測頻譜dip值
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討論（溶液感測頻譜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， 以此線性關係來推算氯化鈉溶液的濃度。
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結論 本專題利用MEMS製作光纖感測器與生醫晶片，並整 合應用於生醫用光纖濃度感測。在光纖感測器製程方 面，目前所製造的蝕刻型長週期光柵，週期為650μm， 共振衰減波長為1525nm，共振衰減波峰值達23dB， 在氯化鈉溶液濃度感測解析度為0.01％。 另外，設計不同型式的微處理型生物晶片，是我們未 來研究的重點。本專題簡述了生醫晶片整合光纖感測， 於醫療上的濃度感測系統的應用，並且藉由微型生醫 晶片光纖的優點，而導引出一些新的光纖感測系統架 構，相信這些新架構應有助於未來智慧型醫用輔具的 發展。
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