專利名稱：流量測量裝置及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種流量測量裝置及其制造方法，特別涉及一種流量測量裝置的結構及其制造方法。
背景技術：
隨著微機電技術的進步，市場上對微流量計(miniature flow meter)的需求也日益增加，如在生技醫(yī)學上控制試劑或血液的注射泵等。然而就目前的技術而言，商用型的微流量測量儀器卻很少能對其宣稱的微流量測量范圍提出一套有效、或符合國際標準的校正方法，因而使用者無法確認該微流量計測量數據的可靠性。
目前在市場上實用的微流量計產品仍極為有限，其測量原理大致區(qū)分為兩類熱感式(thermal sensing)與壓差式(pressure gradient)。具代表性的熱感式微流量計如瑞士商Sensirion的SLG1430-025[1]與美國加州理工學院戴昱昌博士的Thermal Flow Sensor[2]，二者皆宣稱測量范圍約在50nL/min至1500nL/min之間，但熱感式微流量計的誤差最大可達到10％[1]。具代表性的壓差式微流量計如美商Seyonic的Miniature Flow Sensor[3]，其流量范圍最小約為330μL/min，但目前該壓差式微流量計仍處于實驗產品階段。
而關于微流量計的校正方式，大部分微流量計產品并未說明，少數如戴博士[2]的數據顯示其利用一附有刻度的注射針筒串聯在流量計的后端，通過上面的讀值來判斷目前正確的流量值。由于該測量方式在主觀認定上即存在誤差，因此普遍認為采用此對比標準似乎不足。
至于國內在該微流量測量技術領域的研究單位則有工研院測量中心流量室，其在三年前即開始投入微流量標準的開發(fā)， 目前已完成稱重法(gravimetric method)的技術雛形[4]，然而由于稱重法本身受到許多外在環(huán)境條件的限制(揮發(fā)、溫濕度變化等)，其最低可測量流量僅能勉強到達1μL/min的等級，加上以稱重法實施的微流量測量系統(tǒng)，其本身體積龐大且對外在環(huán)境的穩(wěn)定度要求高，故并不適合一般商業(yè)用途，便利性顯然不足。
因此，申請人鑒于公知技術中所存在的缺點，提出一種流量測量裝置及其制造方法，本發(fā)明能夠克服上述微流量測量技術的公知缺點，以下為本發(fā)明的簡要說明。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種流量測量裝置及其制造方法，這種流量測量裝置的工作原理是采用體積法，配合微制程能夠測量或校正低流量，因此很方便同時又能夠保證精確度。
本發(fā)明提出一種流量測量裝置及其制造方法，其目的在于提供產業(yè)界微觀流量范圍下一項經校正可供對比的依據，此外由于儀器本身即具測量能力，因此也可視為單獨的微流量計來使用。根據目前實用上較常用的范圍，可校正或測量的流量設定在1.05mL/min到0.01μL/min之間。由于涵蓋范圍廣，因此設計由小到大由三種不同尺寸的芯片并聯管路完成，至于可容許完成時間設定為最快0.5分鐘，最慢30分鐘，但可測量流量范圍與可容許完成時間的可能的設定組合眾多，上述可測量流量范圍與可容許完成時間的實施，并非由上述說明限制其可能的實施形態(tài)，可依據實際需求進行調整。
根據本發(fā)明的構想，提出一種測量裝置，其用以測量一流體的流量，該測量裝置包括一基座、一流道以及至少兩個電子電路，其中該流道設于該基座上，該流體在該流道中流動，該流道具有至少兩個截面；以及所述至少兩個電子電路分別與所述至少兩個截面電性連接，所述至少兩個電子電路檢測對應的所述至少兩個截面的信號變化，再根據所檢測的信號變化來計算該流體的該流量。該測量裝置利用一微電子機械系統(tǒng)制程制備。
較佳地，本發(fā)明所提供的這種流量測量裝置，其中所述至少兩個電子電路為至少兩對電極，所述至少兩對電極布置于該流道的兩側。
較佳地，本發(fā)明所提供的這種流量測量裝置，其中所述至少兩對電極中的一對電極包括兩金屬片，所述兩金屬片分別對稱布置于該流道的兩側，接近但不相接。
較佳地，本發(fā)明所提供的這種流量測量裝置，其中以所述至少兩個電子電路檢測對應的至少兩個截面的電阻信號變化，再根據所檢測的電阻信號變化來計算該流體的該流量。
較佳地，本發(fā)明所提供的這種流量測量裝置，其中該流體具有一氣液接口(air-fluid interface)，當該氣液界面流經所述截面時，所述截面所對應的電子電路會產生一信號變化，該流體的該流量為所述任意兩個截面間的該流道的體積除以所述任意兩個截面所對應的所述兩個電子電路所產生的所述兩個信號變化間的時間差。
根據本發(fā)明的構想，提出一種流量測量裝置的制造方法，其步驟包括(A)提供一基座，標準清洗后蒸鍍金屬層；(B)以旋敷法涂布一層正光阻(AZ系列)；(C)以一光罩遮蓋已完成涂布光阻的基座，再以一UV射線照射該光阻層；(D)使用顯影劑將曝光部分的正光阻去除，同時可將未曝光部分保留于該基座上；(E)使用蝕刻液將基座已除去正光阻部分的金屬層去除；(F)使用丙酮或Aleg-310將所有正光阻去除；(G)以旋敷法涂布一層負光阻(SU8)；(H)以光罩遮蓋該厚膜光阻層，并以UV射線照射；(I)使用顯影劑將未曝光部分的負光阻去除；(J)上蓋玻璃涂布一層薄負光阻(SU8)以作為黏著劑；以及(K)將上蓋玻璃接合于基座上，以UV射線照射使兩者的負光阻緊密結合，完成芯片制作。
較佳地，本發(fā)明所提供的這種流量測量裝置的制造方法，其制造步驟由微電子機械系統(tǒng)制程完成。
較佳地，本發(fā)明所提供的這種流量測量裝置的制造方法，其中步驟(A)系采用濺鍍法在該基座上形成該金屬層。


圖1(a)是本發(fā)明的該流道與所述多對電極間的配置俯視圖。
圖1(b)是本發(fā)明的該流道與所述多對電極間的配置側視圖。
圖2是本發(fā)明的該流量測量裝置的并聯實施示意圖。
圖3是本發(fā)明的該流量測量裝置的制備程序流程圖。
圖4是本發(fā)明的該流量測量裝置的外觀實體圖。
圖5是本發(fā)明的兩電極間電阻變化信號的相對關系圖。
其中，附圖標記說明如下11流道12多對電極 12a電極12b電極13緩沖區(qū) 14基座 21多個基座22a第一流道 22b第二流道 22c第三流道23多對電極24多個連通管25多個閥26多任務器27兩組阻抗/電壓轉換裝置28多條電導線 31基座 32負光阻層33a光罩 33b光罩 34UV射線35金屬層 36厚膜光阻層37黏著劑 38玻璃具體實施方式
通過以下的實施例說明可更充分地了解本發(fā)明，從而使得本領域的普通技術人員可以根據該說明而完成本發(fā)明，但本發(fā)明不受限于下列實例。
請參閱圖1(a)，其為本發(fā)明的該流道與所述多對電極間的配置俯視圖，同時請參閱圖1(b)，其為本發(fā)明該流道與該多對電極間的配置側視圖。圖1(a)、圖1(b)中的這種流量測量裝置10包括一流道11、多對電極12、一電極12a、一電極12b、一緩沖區(qū)13以及一基座14。其中該流道11的長度為L、寬度為W、高度為H，其設置于該基座14上，且具有至少兩個截面(section)，所述多對電極12用以測量該流道11中該流體的電阻變化信號，該流體在流道11中流動，該流體由一氣體與一液體組成，該氣體與該液體間有一交界面。
如圖1(a)、圖1(b)中所示，所述多對電極12由至少兩對電極所構成，所述多對電極由該流道上游配置至該流道下游。所述多對電極12中的一對電極包括兩電極12a與12b，分別由兩金屬片構成，所述兩電極12a與12b分別對稱布置于該流道的兩側，接近但不相接，所述多對電極12的間距已知，故所述多對電極12間所含該流體的體積已知。
這種流量測量裝置，其工作原理采用體積法(volumetric method)，其工作原理介紹如下一液體先流入該緩沖區(qū)13，再流入該流道11，當該液體流入該流道11時，該液體與原本該流道11中的空氣產生一個氣體與液體的交界面，隨著該液體往該流道11的下游流動，該流道11中由空氣與該流體所形成的該交界面也向該流道下游移動，當該液體通過多對電極12中的一對電極時，由于水的電阻遠小于空氣的電阻，因此由多對電極12中的一對電極所連接的電路從斷路變?yōu)橥?，則所述對電極的電阻瞬間將產生一電阻變化信號，隨著該交界面向該流道11下游移動，所述多對電極12中的每一對電極相繼產生所述多個電阻變化信號，所述多個電阻變化信號間有一時間差，且所述多對電極12間所含該流體的體積已知，將該體積除以該時間差，即得該流道11中該流體的微流量。
設計多對檢測電極的用意在于可在容許時間內分別適應高流量與低流量的不同需求，也就是說，當待測量的流量可能較高時，取間隔遠的兩組電極做測量；相反地，當待測量的流量可能較低時，則取間隔近的兩組電極做測量。另外多組電極也有助于在兩組電極外，應使用者需求再多取數組測量值作為參考或計算平均值，以消除誤差。因此在實際使用時，使用者可以任選所述多對電極12中鄰近上游處的其中一對電極作為起始電極，任選所述多對電極12中鄰近下游處的其中一對電極作為結束電極。
使用這種流量測量裝置時，可能的誤差源來自于電極感測端的尺寸效應，也就是說設計上必須在信噪比(specific noise ratio，SNR)可接受的程度上，并盡量縮小電極寬度(目前10μm)，否則電壓起升的過渡區(qū)間(transition)將會擴大對測量準確度的影響。
這種流量測量裝置中的該流道也可并聯組合使用，以用于不同流量范圍的測量。請參閱圖2，其為本發(fā)明的該流量測量裝置的并聯實施示意圖。圖2中的這種流量測量裝置20包括多個基座21、一第一流道22a、一第二流道22b、一第三流道22c、多對電極23、多個連通管24、多個閥25、一多任務器(multiplexer)26、兩組阻抗/電壓轉換裝置27以及多條電導線28。其中這種流量測量裝置實際運作時，必須將該氣體與該液體間的該交界面對所述多對電極所產生的電阻變化信號，轉換為可測量的電壓信號，故所述兩組阻抗/電壓轉換裝置27分別轉換所述多對電極23中的兩對電極所產生的電阻變化信號成為可測量的電壓信號，所述多對電極23、多任務器26、兩組阻抗/電壓轉換裝置27、及多條電導線28構成至少兩電子電路。
如圖2中所示，并聯組合三個適用于不同流量范圍的所述多個流道22a、22b、22c，所述多個流道22a、22b、22c分別適用于測量不同大小的流量，一般來說，為使測量時間控制在合理的范圍內完成，這種流量測量裝置設定最大時間容許值為30min，最小時間容許值為0.5min，以此時間區(qū)間為依據，該流道22a、22b、22c的外型尺寸與適用的流量測量范圍分別設計如下該第一流道22aL＝35mm，W＝5mm，H＝3mm最大可測量流量Qmax＝1.05mL/min，最小可測量流量Qmin＝0.0175mL/min。
該第二流道22bL＝30mm，W＝2mm，H＝0.2mm最大可測量流量Qmax＝0.024mL/min，最小可測量流量Qmin＝0.4μL/min。
該第三流道22cL＝25mm，W＝0.6mm，H＝20μm最大可測量流量Qmax＝0.6μL/min，最小可測量流量Qmin＝0.01μL/min。
并聯組合該流道22a、22b、22c，本發(fā)明的這種流量測量裝置的流量測量范圍從1.05mL/in到0.01μL/min之間。綜合以上所述多個流道22a、22b、22c的設計流量，歸納本發(fā)明中三種較清楚且易了解的流量測量范圍組合分別為該第一流道22aQ＝0.0175mL/min-1.05mL/min；該第二流道22bQ＝0.4μL/min-0.024mL/min；該第三流道22cQ＝0.01μL/min-0.6μL/min。
所述多個流道22a、22b、22c利用所述多個連通管24分別導入一流體，所述多個連通管24分別具有所述多個閥25，所述多個閥25能夠分別獨立啟閉以控制該流體流入所述多個流道22a、22b、22c之一中。所述多對電極23以所述多條電導線28電連接至該多任務器26上，通過該多任務器26的幫助由使用者任選多對電極23中的兩對電極擔任起始電極與結束電極。最后將所述兩對電極測得的電阻變化信號分別通過所述多個阻抗/電壓轉換裝置27處理，以得到所述兩對電極間電阻變化信號的時間差。
以上介紹的這種流量測量裝置，為防止該流體泄漏與該流道變形，利用一標準微電子機械系統(tǒng)(Micro-Electromechanical Systems，MEMS)制程制備完成。請參閱圖3，其為本發(fā)明的該流量測量裝置的制備程序流程圖，圖3中的這種流量測量裝置30包括一基座31、一正光阻層32、一光罩33a、一光罩33b、UV射線34、一金屬層35、厚膜負光阻層36、黏著劑37、及玻璃38。
這種流量測量裝置的制備步驟如下(A)提供一基座31，標準清洗后蒸鍍金屬層35；(B)以旋敷法(spin coating)涂布一層正光阻32(AZ系列)。
(C)以一光罩33a遮蓋完成涂布該正光阻層32的基座31，再以一UV射線34照射該正光阻層32；(D)使用顯影劑將曝光部分的正光阻層32去除，同時可將未曝光部分保留于該基座31上，該未曝光部分的正光阻層32將顯示出所述多對電極12的配置；(E)使用蝕刻液將基座31已除去正光阻32部分的金屬層35去除；(F)使用丙酮或Aleg-310將所有正光阻32去除，剩余在基座上的金屬層35即形成該多對電極12的配置；(G)以旋敷法涂布一層厚膜負光阻層36(SU8)。
(H)以光罩遮蓋該厚膜光阻層36，并以UV射線34照射；(I)使用顯影劑將未曝光部分的該厚膜負光阻36去除，該厚膜負光阻層36被除去的位置，即形成該流道11；(J)上蓋玻璃38涂布一層薄負光阻37(SU8)以作為黏著劑；以及(K)將上蓋玻璃38接合于基座上，以UV射線34照射使兩者的負光阻36&37緊密結合，從而完成這種測量裝置的制作。
上述的步驟為一標準的微電子機械系統(tǒng)制程。其中步驟(A)中以濺鍍法(sputtering deposition)濺鍍一層薄金屬層35在該基座31上。此外步驟(B)中所稱的旋敷法是將該基座31置于一轉盤上，并以真空吸著于該轉盤上，再以一注射器注入該正光阻32在該基座31的中心處，使該正光阻32在該轉盤上慢慢散開，令該轉盤轉動，則該正光阻32將均勻涂布于該基座31上。
步驟(C)中該光罩(photomask)33a、33b為后續(xù)在步驟(D)中阻擋紫外光的屏蔽，一般光罩采用蝕刻方式事前制備，或交由光罩公司制作，其中該光罩33a為正光阻光罩，其顯影圖形為所述多對電極12，該光罩33b為負光阻光罩，其顯影圖形為該流道11。步驟(D)即為上述提及的顯影(develop)程序，其利用紫外光的能量使光阻(photoresist)受紫外光照射后性質產生改變，通常光阻分為正光阻與負光阻，若經紫外線感光后成為可被溶解的光阻稱為正光阻(positive photoresist)，其未受光照部分在顯影程序中將被保留，形成耐酸性腐蝕的保護膜，作為后續(xù)蝕刻等制程的的阻擋，受紫外光照射部分則被溶解，反之，若經紫外線感光后成為不溶解的光阻稱為負光阻(negativephotoresist)，其受光照部分則在顯影程序中被保留，形成耐酸性腐蝕的保護膜，作為后續(xù)蝕刻等制程的的阻擋，未受紫外光照射部分則被溶解。
一般而言，正光阻具有較佳的分辨率(resolution)及較明顯的對比(contrast)，因而可得到業(yè)界所期望使用的較細的線寬(line width)，但需要在相對濕度為45％～50％的環(huán)境下才能獲得良好的黏附性(adhesion)，否則就容易剝落。反之，負光阻就不會如此嬌弱，即使在濕度較高的環(huán)境下仍能使用，故在此處分別采用正負光阻為顯影程序時的光阻。
以上述微電子機械系統(tǒng)制備完成后的這種流量測量裝置的外觀請參閱圖4，其為本發(fā)明的該流量測量裝置的外觀實體圖。
這種流量測量裝置在實際使用時，首先以一波形產生器對所述多個電極輸入2～3kHz，5V的弦波，其后串聯一高電阻(2.4MΩ)與待測量的電極。然后在電極兩端并聯一個正向可調控放大電路作為電壓信號輸出前的信號控制。當無液體通過時，電極為斷路，示波器上看到的信號就僅有來自于信號源的波形；然而當液體一通過電極的瞬間，線路立即串聯起一相當大的阻抗，而此時我們便可測量到代表液體這一段的分壓而造成電壓值大幅下降。僅就這一瞬間的落差去判斷即可決定起始終斷的時間點。
根據先前的原理，因為液體通過會引起電壓的變化，因此只要感測得到流體前端液氣接口的位置即可得出準確的流量值。請參閱圖5，其為本發(fā)明兩電極間電阻變化信號的相對關系圖。圖中示出了實際上測量所得的起始電極與結束電極兩對電極間電阻變化信號的相對關系，此處可設定電壓變化值為最高最低差值的10％作為觸發(fā)點，因此最后可知兩者的時間差(Δt)；另外由于兩電極位置固定，因此體積(ΔV)也已知，兩者相除后即可計算出流量為Q＝ΔV/Δt。需注意的是，本實施例以水為例作說明，然而，本發(fā)明的流量測量裝置可測量具有導電性的液體的流量。
總結而言，本發(fā)明主要的設計構想在于利用一已知的流體體積與測量時間的比值來估計流道內流體的流量。測量的方式是通過兩組接近但不相連的電極來感應流體通過時的瞬間電阻抗變化，當上游與下游各擺一組感應電極時，由于體積固定(電極距離已知)，電阻抗變化時間也可由這兩組電極間的電阻抗變化時間間隔得出，最后可得到目前的流量值。相對于常見的熱感式與壓差式微流量計，本發(fā)明的優(yōu)點在于實際測量到各項物理參數而非公式換算的結果，所以本發(fā)明校正后也可當作工作標準與其它流量計串接進行簡易的校正對比。
總而言之，這種流量測量裝置和公知的微流量計相比，這種流量測量裝置以電極感測的方式來確立體積與時間，不需通過任何公式轉換，故這種流量測量裝置遠比熱感式或壓差式的微流量計更直接且準確。尤其通過多組不同流量區(qū)間的芯片并聯后，整組的這種流量測量裝置可校驗范圍便可依使用者需求彈性增減，足以應付未來多元化的需求。
本發(fā)明可由本領域的技術人員進行各種修改，但都不脫離如所附權利要求書所保護的范圍。
權利要求
1.一種測量裝置，用以測量一流體的流量，該測量裝置包括一基座；一流道，設于該基座上，該流體在該流道中流動，該流道具有至少兩個截面；以及至少兩個電子電路，其分別與所述至少兩個截面電性連接，所述至少兩個電子電路檢測對應的所述至少兩個截面的信號變化，再根據所檢測的信號變化來計算該流體的該流量。
2.如權利要求1所述的測量裝置，其特征在于，所述至少兩個電子電路為至少兩對電極，所述至少兩對電極布置于該流道的兩側。
3.如權利要求2所述的測量裝置，其特征在于，所述至少兩對電極中的一對電極包括兩金屬片，所述兩金屬片分別對稱布置于該流道的兩側，接近但不相接。
4.如權利要求1所述的測量裝置，其特征在于，以所述至少兩個電子電路檢測對應的至少兩個截面的電阻信號變化，再根據所檢測的電阻信號變化來計算該流體的該流量。
5.如權利要求1所述的測量裝置，其特征在于，該流體具有一氣液接口，當該氣液界面流經所述截面時，所述截面所對應的電子電路會產生一信號變化，該流體的該流量為所述任意兩截面間的該流道的體積除以所述任意兩截面所對應的所述兩個電子電路所產生的所述兩個信號變化間的時間差。
6.一種測量裝置，用以測量一流體的一流量，該測量裝置包括多個基座；多個流道，分別設于所述多個基座上，該流體在所述多個流道中流動，所述每個流道具有至少兩個截面；以及至少兩個電子電路，分別與所述至少兩個截面電性連接，所述至少兩個電子電路檢測對應的所述至少兩個截面的信號變化，再根據所檢測的信號變化來計算該流體的該流量。
7.如權利要求6所述的測量裝置，其特征在于，所述至少兩個電子電路為至少兩對電極，所述至少兩對電極布置于該流道的兩側。
8.如權利要求7所述的測量裝置，其特征在于，所述至少兩對電極中的一對電極包括兩金屬片，所述兩金屬片分別對稱布置于該流道的兩側，接近但不相接。
9.如權利要求6所述的測量裝置，其特征在于，以所述至少兩個電子電路檢測對應的至少兩個截面的電阻信號變化，再根據所檢測的電阻變化信號來計算該流體的該流量。
10.如權利要求6所述的測量裝置，其特征在于，該流體具有一氣液接口，當該氣液界面流經所述截面時，所述截面所對應的電子電路會產生一信號變化，該流體的該流量為所述任意兩個截面間的該流道的體積除以所述任意兩個截面所對應的所述兩個電子電路所產生的所述兩個信號變化間的時間差。
11.如權利要求6所述的裝置，其特征在于，所述多個流道分別用于通過不同的流量。
12.如權利要求6所述的裝置，并聯組合所述多個流道，其適用的流量測量范圍為從1mL/min至0.01μL/min。
13.一種制造方法，用以制造一種流量測量裝置，其制造步驟包括(A)提供一基座，標準清洗后蒸鍍金屬層；(B)以旋敷法涂布一層正光阻；(C)以一UV射線照射該光阻層；(D)去除正光阻以將未曝光部分保留于該基座上；(E)將基座已除去正光阻部分的金屬層去除；(F)將所有正光阻去除；(G)以旋敷法涂布一層負光阻；(H)以UV射線照射；(I)去除負光阻；(J)上蓋玻璃涂布黏著劑；以及(K)將上蓋玻璃接合于基座上，完成芯片制作。
14.如權利要求13所述的方法，其制造步驟由微電子機械系統(tǒng)制程完成。
15.如權利要求13所述的方法，其特征在于，步驟(A)采用濺鍍法在該基座上形成該金屬層。
全文摘要
本發(fā)明提出一種測量裝置，其用以測量一流體的流量，該測量裝置包括一基座、一流道以及至少兩個電子電路，其中該流道設于該基座上，該流體在該流道中流動，該流道具有至少兩個截面；以及所述至少兩個電子電路分別與所述至少兩個截面電性連接，所述至少兩個電子電路檢測對應的所述至少兩個截而的信號變化，再根據所檢測的信號變化來計算該流體的該流量。這種測量裝置利用一微電子機械系統(tǒng)制程制備。
文檔編號G01F1/64GK1982854SQ20051012961
公開日2007年6月20日 申請日期2005年12月13日 優(yōu)先權日2005年12月13日
發(fā)明者蘇峻民, 莊漢聲, 何宜霖 申請人:財團法人工業(yè)技術研究院