曾繁根副教授--實驗與研究

曾繁根教授

Fan-Gang Tseng (Professor)

主持實驗室

教學研究設備

本教學與研究實驗室之建立，已使用超過新台幣 七千萬元 以上之經費，經費來源包含各項專案計劃之研究經費，合作廠商之捐贈及建教合作經費，學校之專案補助經費，系及院之補助經費，以及教育部教學實驗室改進計劃之經費等，共分別約佔總經費之 54% ， 28% ， 10% ， 5% ， 3% 不等。從1999 年開始建立全國第一個微系統製程實驗課。

所建立之實驗室共佔100坪空間

奈微系統黃光製程實驗室
	十五坪 10000 等級潔淨室，設備包含四吋晶圓雙面曝光及對準機台，蝕刻及顯影用通風櫥，光阻旋鍍機台，光阻軟硬烤設備等。
體型微加工及微電鑄實驗室
	二十坪實驗室，設備包含體型微加工蝕刻槽，蝕刻用通風櫥，微電鑄槽，小型氧化爐管，各式高低溫烤箱，矽膠微壓模設備，及生醫無菌操作台等。
奈米薄膜製程實驗室
	二十坪實驗室，設備包含電子槍蒸鍍機，射頻濺鍍機，及反應式離子蝕刻機台。可製造十數種奈米等級薄膜，包含 : Al, Ti, Cr, Au, Pt, Cu, Ni,Ta,Pd, Ag,SiO 2 ,ITO,Co 等金屬半導體或氧化物甚至相關合金。
微系統檢測及封裝實驗室
十坪實驗室，設備包含高頻探針台，光學式薄膜測厚儀，表面輪廓儀，四點探針電阻率量測機台，生醫螢光微陣列晶片掃描儀，晶片接線機，晶圓切割機，高速鑽床等。
奈微熱流系統量測實驗室
	二十坪實驗室，設備包含微質點影像測速儀 ( m PIV) ，動態表面張力測定儀，液珠動態影像擷取設備，生醫用螢光顯微鏡，光纖微位移定位系統，螢光檢測系統，光學實驗桌及光學鏡組設備等。
原子力顯微鏡及奈米硬度儀實驗室
	十五坪實驗室，設備包含 JPK 生物級原子力顯微鏡 ,DI 原子力顯微鏡及奈米硬度感測器等。
奈微熱流系統模擬實驗室
30 台模擬用個人電腦， CFD-RC 軟體， ANSYS 軟體， COVENTORWARE 前處理軟體， MATLAB 軟體等，使用於分子動力學摸擬，微生醫系統模擬，奈微流體系統模擬，以及微光機電系統模擬等。

歷年研究計畫

過去六年共執行超過 20 項以上計畫 , 包含 :

生技製藥國家型研究計劃 , 蛋白質晶片組 : 快速形成精確定量之多功能蛋白質微陣列晶片，與工科系錢景常及生科系黃海美教授合作。

國科會跨領域計畫 : 使用 AFM 技術研究單分子膜蛋白之特性及動態分析。與生科系潘榮隆、交大奈米所范士岡、及微機電所傅建中教授合作。微型燃料電池系統之研製。

國科會計劃 : DNA 單分子快速定序晶片之研製，微虛擬實境之微氣味產生晶片之研製，微混合器之研究。

建教合作計劃 : 高密度高速度熱氣泡式噴墨印表機頭研製。

與陽明大學合作之癌症標誌蛋白質微陣列檢測之研究。

榮臺聯大計劃 : 腦神經活體動態光纖感測器研製，單一腦神經細胞之培養、生理 / 生長環境控制、及釋放物質動態研究。

台北醫學大學醫學院合作之組織癒合度微晶片檢測技術開發，微針陣列電極及藥物釋放，和觸覺感測陣列之研製。

與美國 POC 公司合作光纖浮子式微剪力感測器。

重要的研究成果介紹

曾繁根副教授於近五年之研究之成果主要表現於以下三個部份 : 生醫奈微米光機電系統 (Bio Nano/Micro Opto-Electro-Mechanical Systems) , 奈微米流體系統及其物理現象 (Micro/Nano Fluidics) ，以及高深寬比及具功能性之奈微米高分子結構 (High Aspect Ratio and Functional Nano/Micro Polymer Structures) 。已發表之成果包含 30 篇以上 SCI 學術期刊論文， 100 篇以上之會議論文，三本專書之篇章，以及超過 14 項以上專利。後兩領域之發展，其主要目的，為支持生醫微機電系統之驅動原理基礎架構，以及其流體結構製程需要。鑒於傳統之生醫微流體系統使用大量之微型主動裝置，以驅動生醫流體及控制流體之活動，系統因此變為極端複雜，不但製程良率不高，且系統整合及封裝極為困難。因此近幾年本研究室研究工作之主要焦點，在於使用奈微尺度下重要之流體驅動力 - 表面張力之作用驅動流體系統，以達成流體自然運動及其動態控制之目標。此一新觀念可大量簡化系統結構之複雜度，且增加系統可靠度及製造量率。因此微尺度下表面張力作用之基本物理現象，以及使用高深寬比及具功能性之奈微米高分子結構來達成流體控制目的，成為此新觀念下，構成新型生醫微機電系統重要之設計及製造基礎。

生醫奈微米光機電系統 (Bio Nano/Micro Opto-Electro-Mechanical Systems)
1.	壓印式蛋白質微陣列晶片之研製
	此計畫為國家衛生院生醫晶片組所核定之國家型計劃，其目的在於使用輕微接觸方式，將成千上萬不同種類之蛋白質檢體，大量平行且精密定位定量的固定於檢測晶片上形成微陣列，以為檢測或藥物篩檢所使用。本研究已成功發展以沾印為主之蛋白質微壓印系統，打點可小於直徑 100 m m ( 約 40 pl 體積 ) ，且打點之大小及亮度均勻誤差皆小於 10% 。此沾印系統之填充、沾潤、與壓印之動作，完全使用表面張力於特殊設計之流體通道系統中作用，不使用傳統之微泵或微閥作流體控制。本系統亦於近期內成功的將肝癌及子宮頸癌標誌蛋白以晶片方式測出。其主要成果已發表於期刊 4, 9, 13-17, 19, 20, 22-24, 27, 28-30 ，以及會議論文 22, 27, 30, 33, 37, 39, 40, 43, 44, 48, 50, 54, 57, 59, 61, 65, 67, 69, 70, 75-78, 80, 81 中，其操作流程如圖一所示，目前可成功同時平行打印 200 個蛋白質點，而點間之均勻度可達 10 % 以下。
2.	生醫感測元件
	所發展之生醫感測元件包含微血糖感測器及陣列式血液成分感測系統 ( 期刊論文 17 ，會議論文 40, 43, 54) ，組織癒合度聲波平板模態微感測器 ( 期刊論文 8 ，會議論文 52, 53) ，光纖浮子式微剪力感測器 ( 期刊論文 10, 18 ，會議論文 21, 29, 34, 36, 37, 42, 56) ，以及穿皮式生醫電位量測之微針陣列電極系統 ( 會議論文 65, 72) 。此四種生醫感測器為生醫微機電系統中之重要感測裝置。
3.	腦神經訊息傳導之研究
	在腦神經傳導物質研究方面，與國衛院奈米生醫組主任楊重熙教授合作。分為兩大方向，包含使用光纖微 Fabry-Peot 感測器作活體內及時及多重神經傳導物質之動態量測；以及體外單一神經細胞之陣列化培養，刺激，細胞間之交互作用研究，與神經傳導物質之分離及檢測等 ( 會議論文 7-8)
奈微米流體系統及其物理現象 (Micro/Nano Fluidics)
1.	微液珠噴射系統
	承接博士論文之研究，將此一高速、超小液珠、且定量精確之微液珠噴射系統應用於噴墨印表 ( 期刊論文 22, 28, 31, 32, 會議論文 32, 55, 57) ， DNA 微粒定量噴射 ( 會議論文 79) ，液珠衝擊式 IC 冷卻裝置，藥物放系統等。並為 CRC Handbook 邀請撰寫微液珠噴射系統相關專書論文 ( 書籍論文 1) 。此專利技術迴避許多 HP 及 Cannon 等大廠之現有專利，並在噴墨之速度及液珠專一程度上有相當大之突破。本專利已於 2001 年轉移國內大廠 - 明基電通股份有限公司，以發展最新一代之噴墨印表機頭。明基電通股份有限公司業於 2005 年 3 月份正式發表，此高效能噴墨印表機頭已進入量產階段，將在未來產生超過每年 100 億元之產值。
2.	表面張力物理現象之研究
	包含不同濃度不同大小之液體於不同平面之靜態接觸角變化 ( 期刊論文 30 ，會議論文 81) ，液柱於毛細管中之動態接觸角 ( 會議論文 49, 51, 77) ，流體於微毛細管之微結構中，其微填充之行為 ( 期刊論文 7, 19, 25 ，會議論文 25, 40, 43, 48, 66, 68, 75, 78) ，液珠之動態行為及內部流場與物理現象 ( 期刊論文 5, 6 會議論文 38) 以及微尺度內混合 ( 會議論文 28, 41, 58, 73, 74) 等之資訊，為設計自動填充之壓印式蛋白質微陣列晶片、及奈微米等級生醫檢體處理之流體晶片，等之重要參考依據。此外發展以表面張力梯度來驅動液珠之數位流體系統，以達成減少摩擦阻力和表面與生醫分子反應、系統積體化容易、以及高通量流體操作等目的。
3.	奈微米流場中之量測與計量
	發展奈微米流體量測及計量技術，包含 m PIV (Micro Particle Image Velocimetry) ，高速閃光攝影技術，漸逝潑奈米生醫流體量測技術 ( TIR-FIFTP :total internal reflection-fluorescence interference fringes tracking after photobleach) 等，以追蹤質點或帶螢光之生醫分子以獲得奈微米流場資訊。目前已有數篇論文相關於高速高熱通量氣泡成長之過程及相互間之作用關係 ( 期刊論文 7) ，微混合流場 ( 期刊論文 3) ，以及 DNA 分子於彎道流場之動態分析 ( 會議論文 11)
高深寬比及具功能性之奈微米高分子結構 (High Aspect Ratio and Functional Nano/Micro Polymer Structures)
	所專注之研究，在 SU-8 負型光阻上有相當數量之成果，包含使用 UV 曝光劑量控制，以促成 SU-8 負型光阻部份成型，以製造三維潛藏式之微流體結構；使用甘油補償空氣隙方式，解決厚膜光側壁垂直度問題；研究厚光阻側壁粗慥度與曝光劑量顯影集光罩精度之間關聯；以及使用折射率補償之斜角曝光並配合灰階光罩等技術製成三維結構等 ( 期刊論文 4, 12, 16, 22, 28 ，會議論文 22, 33, 35, 55, 57, 60, 71) 。另並研究使用 JSR THB430N 負型光阻製程超高深寬比之微結構以為高深寬比電鑄模使用 ( 期刊論文 24, 26, 27 ，會議論文 61, 69, 70) 。此外並研究透過晶片垂直接線、及精確定位晶圓之晶面方向等特殊微製程技術 ( 期刊論文 9, 11, 13, 21 ，會議論文 62, 63) 。此等高深寬比之高分子微結構及其他製程技術，用於建構三維之微流體系統、及生醫感測系統，以控制生醫流體之輸送、平行處理及偵測。目前並正發展以此類高分子材料為主，使用飽和溶劑 UV 光鏈結技術達成奈米結構成型目的。目前已可成功的製造出孔隙在 10nm 左右的奈米分子篩結構 ( 會議論文 9) ，未來將朝向具導電特性及生醫分解性之奈米高分子材料發展，並應用於腦科學研究及蛋白質微陣列晶片。