奈米碳網生醫應變感測器應用於骨頭量測之研究 - 高雄應用科技大學

工 程 科 技 與 教 育 學 刊 第 10 卷 第 1 期 第 42~53 頁
民 國 102 年 3 月
奈 米 碳 網 生 醫 應 變 感 測 器 應 用 於 骨 頭 量 測 之 研 究
陳 昱 叡 、 黃 世 疇 *
國 立 高 雄 應 用 科 技 大 學 機 械 工 程 系
*E-mail:shuang@cc.kuas.edu.tw
摘 要
本 研 究 利 用 奈 米 碳 管 之 壓 阻 特 性 製 作 可 用 於 生 物 體 的 可 撓 式 生 醫 應 變 感 測 器 , 該 感 測 器 量 測 雞 脛 骨 表
面 時 能 夠 即 時 提 供 骨 頭 之 應 變 數 據 。 核 心 感 測 材 料 為 藉 由 微 機 電 製 程 技 術 , 使 用 酒 精 催 化 化 學 氣 相 沈 積 法
製 作 之 奈 米 碳 網 , 並 以 聚 對 二 甲 基 苯 (Parylene-C) 作 為 感 測 器 的 基 板 與 封 裝 層 。 在 感 測 器 測 試 方 面 , 文 中
以 不 同 的 奈 米 碳 網 成 長 時 間 , 並 利 用 拉 伸 實 驗 來 探 討 生 醫 應 變 感 測 器 所 表 現 的 阻 規 係 數 差 異 。 實 驗 結 果 顯
示 , 當 奈 米 碳 網 成 長 時 間 為 10 分 鐘 與 20 分 鐘 , 其 阻 規 係 數 最 大 值 分 別 為 5.06 與 4.22, 是 一 般 商 用 應 變 感
測 器 的 2.3 倍 左 右 。 最 後 利 用 三 點 式 彎 曲 試 驗 作 為 雞 脛 骨 之 機 械 性 測 試 , 由 結 果 證 實 , 奈 米 碳 網 生 醫 應 變 感
測 器 確 可 監 測 雞 脛 骨 頭 之 應 變 變 化 。
關 鍵 詞 : 骨 頭 、 奈 米 碳 網 、 阻 規 係 數 、 應 變 感 測 器
1. 前 言
生 醫 微 機 電 (Biological Microelectromechanical Systems, BioMEMS) 涵 蓋 奈 米 材 料 、 微 機 電 系 統 以 及 生
技 醫 學 之 整 合 技 術 , 除 了 讓 一 般 檢 測 器 微 型 化 , 也 助 於 發 展 更 低 功 率 、 更 微 型 的 植 入 式 生 醫 感 測 器 , 讓 需
要 長 時 間 監 測 的 病 患 更 為 舒 適 便 利 。 感 測 器 監 控 系 統 利 用 BioMEMS 微 型 化 後 , 使 其 隨 身 配 戴 或 植 入 體 內
如 血 壓 計 、 血 糖 檢 測 器 、 體 溫 計 、 心 電 圖 等 採 無 線 技 術 如 圖 1 所 示 , 可 應 用 於 遠 端 、 居 家 照 護 上 , 達 到 連
續 監 測 並 即 時 提 供 病 患 生 理 狀 況 及 預 防 協 助 改 善 病 患 生 活 方 式 之 目 的 , 估 計 所 帶 來 的 商 業 市 場 將 指 日 可 待 。
現 今 量 測 生 物 醫 學 訊 號 的 微 型 感 測 器 紛 紛 被 研 製 出 來 , 如 溫 度 感 測 器 、 應 變 感 測 器 、 氣 體 感 測 器 以 及 酸 鹼
度 感 測 器 等 。 並 且 拜 微 機 電 製 程 技 術 提 升 、 生 醫 技 術 發 展 之 賜 , 越 來 越 多 人 在 植 入 式 感 測 器 監 控 系 統 (in vivo)
投 入 許 多 心 力 來 發 開 研 究 。 開 發 先 進 的 植 入 式 應 變 感 測 器 量 測 骨 頭 應 變 情 況 , 有 助 於 發 展 肌 肉 與 骨 骼 的 診
斷 、 康 復 時 的 監 測 和 反 饋 , 以 及 數 據 收 集 和 臨 床 研 究 。 然 而 , 目 前 可 以 提 供 適 當 且 精 確 結 果 的 應 變 量 測 裝
置 太 大 , 由 於 骨 頭 表 面 屬 於 不 規 則 表 面 , 所 以 這 些 應 變 規 難 以 黏 貼 至 骨 頭 上 。 如 果 利 用 薄 膜 做 成 微 型 應 變
感 測 器 , 它 有 很 好 的 彎 曲 度 及 靈 活 度 來 符 合 骨 頭 表 面 , 進 而 提 供 更 準 確 的 應 變 數 據 。
2000 年 ,Grabner 等 人 [1] 提 出 以 Polyurethane Culture Support(PUCS) 作 為 細 胞 培 養 平 台 , 觀 察 骨 骼 細
胞 (Osteoblast) 培 養 情 況 。2001 年 ,Rabakin 等 人 [2] 展 開 對 骨 頭 與 感 測 器 之 間 的 黏 著 度 著 手 研 究 , 其 研 究
人 員 突 破 感 測 器 黏 貼 至 骨 頭 上 卻 短 時 間 內 馬 上 剝 離 開 的 困 惱 , 關 鍵 在 於 應 變 感 測 器 外 圍 的 包 覆 材 料 塗 佈 ,
使 感 測 器 可 在 骨 頭 上 達 到 18 個 星 期 之 久 。2005 年 Wen 等 人 [3] 進 行 牛 骨 之 骨 頭 表 面 應 變 量 測 與 生 物 相 容 性
測 試 。2007 年 ,Yang 等 人 [4] 研 究 利 用 高 分 子 材 料 聚 對 二 甲 基 苯 (Parylene-C) 做 為 基 材 及 防 水 層 材 料 , 壓
阻 材 料 為 金 , 其 阻 規 係 數 約 為 2.5 左 右 的 應 變 感 測 器 。2007 年 ,Liu 等 人 [5] 提 出 核 心 材 料 為 多 壁 奈 米 碳 管
(Multi-Walled Carbon Nanotubes, MWNTs) 的 應 變 感 測 器 , 其 阻 規 係 數 可 達 8.6。 而 Talaia 等 人 [6], 在 同 年
提 出 將 類 大 腿 骨 以 45° 的 鋸 痕 鋸 斷 , 鎖 上 骨 板 骨 釘 , 並 施 加 600 N 的 力 量 , 再 利 用 光 柵 進 行 骨 頭 應 變 的 量 測 。
Journal of Engineering Technology and Education, ISSN 1813-3851

奈 米 碳 網 生 醫 應 變 感 測 器 應 用 於 骨 頭 量 測 之 研 究 43
圖 1
植 入 式 感 測 器 監 控 系 統 概 念 圖
2. 奈 米 碳 管 應 變 感 測 器 設 計
一 般 電 阻 式 應 變 規 大 致 可 分 為 薄 片 層 ( 防 水 層 )、 感 測 元 素 、 基 底 、 金 屬 導 線 , 它 們 都 有 各 自 獨 立 的 功
能 。 其 中 , 最 下 層 為 基 底 , 該 層 功 用 是 將 電 阻 式 應 變 感 測 器 黏 著 於 待 測 物 體 上 ; 第 二 層 為 感 測 元 素 , 此 層
屬 於 最 重 要 的 核 心 元 件 。 在 核 心 中 , 不 同 材 料 有 著 其 獨 特 不 同 的 應 變 ; 最 上 層 的 薄 片 層 , 則 是 不 讓 空 氣 中
的 懸 浮 粒 子 與 水 氣 輕 易 的 滲 入 金 屬 層 內 , 所 以 它 也 可 以 稱 為 防 水 層 , 如 圖 2 為 市 面 上 電 阻 式 應 變 規 構 造 圖 。
圖 2
應 變 感 測 器 結 構 圖
應 變 , 在 力 學 中 被 定 義 為 一 微 小 材 料 元 素 可 承 受 應 力 時 所 產 生 單 位 長 度 變 形 量 。 因 此 它 為 一 個 無 因 次
的 物 理 量 , 並 以 ε 表 示 。 其 中 ε 是 應 變 ,L 是 材 料 元 素 的 長 度 ,ΔL 是 承 受 應 力 的 變 形 量 , 公 式 如 下 :
ε1
= lim ∆ LL
(1)
L →0
材 料 在 拉 伸 下 , 橫 向 方 向 會 產 生 緊 縮 現 象 (Neck), 如 圖 3 中 y 方 向 產 生 收 縮 現 象 , 設 收 縮 量 為 ΔD,
可 得 ε
2
=−∆ DD。 而 ε
1 與 ε
2 比 值 之 絕 對 值 , 為 蒲 松 比 (Poisson’s Ratio)。

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圖 3
物 件 受 力 長 度 變 化
應 變 感 測 器 利 用 應 變 與 電 阻 相 對 關 係 所 設 計 , 可 利 用 下 列 簡 單 的 公 式 來 推 導 出 應 變 、 電 阻 變 化 量 及 壓
阻 係 數 之 間 的 關 係 。
R
= ρ ⋅ L A
(2)
式 中 ,R: 電 阻 ,Ω;ρ: 電 阻 率 (Resistivity),Ω-m;L: 材 料 長 度 ,m;A: 材 料 截 面 積 ,m 2
圖 4
壓 阻 材 料 受 力 變 形 示 意 圖
由 圖 4 可 知 , 當 一 壓 阻 材 料 受 力 變 化 時 因 為 應 變 的 影 響 , 其 長 度 L 改 變 為 L(1+ε), 面 積 a 與 b 變 為
a(1-ευ),b→b(1-ευ), 電 阻 率 ρε 變 化 為 ρ(1+αε), 其 中 ε 為 應 變 ( ∆ L/L),υ 為 蒲 松 比 ,ρε 為 應 變 後 的 電 阻 率 ,
α 為 半 導 體 材 料 壓 阻 係 數 。 將 上 述 改 變 後 的 L、a、b 帶 入 式 (2), 則 可 得 到 :
式 中
R
=
= R ⋅
ρ ε
⋅ L( 1+
ε ) ab ( 1−
ευ )
{ 1+
ε[
α + (1 + 2υ
}
= R + ∆R
2
ε
(3)
[ α + ( 1+ υ)
]
∆R = R ⋅ε 2
(4)
將 式 (4) 均 除 以 R 可 得 到 :
[ α + ( 1+ υ)
]
∆R R = ε 2
(5)
其 中 ,(5) 式 內 [ α ( 1+ 2υ )]
+ 為 阻 規 係 數 (Gauge Factor,G)、 故 式 (5) 可 以 簡 化 為 :
∆R
R = ε ⋅G
(6)

奈 米 碳 網 生 醫 應 變 感 測 器 應 用 於 骨 頭 量 測 之 研 究 45
通 常 電 阻 值 的 應 變 變 化 率 與 物 體 應 變 量 呈 現 正 比 關 係 , 因 此 阻 規 係 數 G 也 就 是 應 變 規 因 子 , 當 應 變 規
因 子 越 大 , 表 示 對 應 變 靈 敏 度 反 應 越 靈 敏 , 因 此 要 提 高 應 變 規 的 靈 敏 度 就 必 須 先 提 高 應 變 規 因 子 。
本 文 研 究 的 奈 米 碳 網 生 醫 應 變 感 測 器 , 為 了 考 慮 到 生 物 相 容 性 (Biocompatibility) 與 元 件 功 函 數 匹 配 及
製 程 上 流 暢 度 等 問 題 , 因 此 以 金 為 導 線 材 料 , 而 生 物 相 容 性 則 是 考 慮 到 之 後 植 入 性 需 求 , 故 選 用 Parylene-C
作 為 防 水 層 與 基 底 的 結 構 , 並 降 低 整 體 的 感 測 器 的 厚 度 與 符 合 生 物 相 容 性 的 需 求 。 所 以 在 應 變 感 測 器 結 構
中 - 感 測 元 素 、 金 屬 導 線 、 防 水 層 與 基 板 缺 一 不 可 。
在 元 件 設 計 , 為 了 減 少 製 程 時 間 及 增 加 良 率 , 設 計 應 變 感 測 器 時 , 在 試 片 上 採 用 陣 列 式 的 方 法 來 製 作 ,
本 研 究 的 感 測 元 件 尺 寸 設 計 如 圖 5 所 示 , 感 測 元 件 的 幾 何 圖 形 定 義 說 明 如 下 :
寬 度 (W):50 μm 札 數 (N):3 長 度 (L):1000 μm 間 距 (P):250 μm
圖 5
感 測 器 元 件 尺 寸 設 計 圖
製 程 規 劃 方 面 , 以 MEMS 製 程 設 備 做 為 實 驗 基 準 , 製 程 流 程 如 圖 6 所 示 。 由 於 奈 米 碳 網 其 具 有 高 度 的
透 光 性 , 在 光 學 顯 微 鏡 下 呈 現 透 明 無 色 且 厚 度 極 薄 , 所 以 轉 印 後 會 造 成 在 黃 光 對 位 時 的 困 難 。 因 此 , 先 於
矽 晶 圓 成 長 厚 度 5000 Åm 的 二 氧 化 矽 , 之 後 切 割 出 需 要 的 尺 寸 , 利 用 黃 光 製 程 技 術 蝕 刻 出 在 黃 光 對 位 的 記
號 , 以 利 下 一 步 驟 的 光 罩 圖 形 對 位 , 如 圖 6(a)、(b) 所 示 。 為 了 增 加 試 片 上 的 親 水 性 質 , 以 RAC 的 SC-1、
SC2 標 準 清 洗 技 術 來 清 洗 試 片 , 以 利 於 催 化 金 屬 粒 子 附 著 表 面 。 最 後 在 二 氧 化 矽 上 , 利 用 酒 精 化 化 學 氣 相
沉 積 法 (Alcohol Catalytic Chemical Vapor Deposition, ACCVD) 成 長 奈 米 碳 網 , 如 圖 6(c)。
接 著 為 了 避 免 反 應 式 離 子 蝕 刻 法 (Reactive Ion Etching, RIE) 蝕 刻 掉 所 需 定 義 的 奈 米 碳 網 區 域 , 使 用 光
阻 AZ-5214 做 為 阻 擋 層 , 保 護 奈 米 碳 網 的 圖 形 , 之 後 形 成 蛇 形 圖 形 , 如 圖 6(d)。 將 晶 圓 清 洗 乾 淨 後 , 放 入
聚 對 二 甲 基 苯 沉 積 系 統 (Parylene Deposition System, PDS) 蒸 鍍 5 μm 厚 度 的 Parylene-C, 此 時 形 成 的 薄 膜
為 生 醫 奈 米 碳 網 應 變 感 測 器 的 基 材 , 如 圖 6(e)。 接 著 須 製 作 黃 光 對 位 的 記 號 , 因 為 Parylene-C 與 奈 米 碳 網
為 透 明 度 高 的 材 料 , 若 無 製 作 記 號 將 會 發 生 轉 印 後 無 法 對 位 上 的 問 題 , 故 在 Parylene-C 上 製 作 黃 光 對 位 之
記 號 , 如 圖 6(f)。
接 著 在 已 完 成 對 位 記 號 上 的 Parylene-C 黏 貼 熱 剝 離 膠 帶 (Thermal Release Tape), 之 後 將 其 撕 離 矽 晶 圓
來 完 成 轉 印 的 動 作 , 如 圖 6(g)。 再 將 Parylene-C、 奈 米 碳 網 表 面 雜 質 清 洗 乾 淨 , 並 旋 塗 光 阻 AZ-5214 來 進
行 下 個 黃 光 製 程 , 曝 光 顯 影 製 作 出 源 極 、 汲 極 的 圖 形 , 然 後 再 用 電 子 束 蒸 鍍 機 (E-Beam) 蒸 鍍 金 , 如 圖 6(h)。
緊 接 著 , 使 用 丙 酮 進 行 Lift-Off 製 程 , 把 除 了 導 線 以 外 多 餘 的 金 沖 洗 乾 淨 , 並 在 表 面 做 簡 單 的 清 潔 。 之 後 ,
再 利 用 PDS 蒸 鍍 5 μm 厚 度 的 Parylene-C 做 為 生 醫 奈 米 碳 網 應 變 感 測 器 的 防 水 層 , 如 圖 6(i)。
利 用 熱 剝 離 膠 帶 的 特 性 , 在 加 熱 板 下 進 行 加 熱 , 使 Parylene-C 與 熱 剝 離 膠 帶 脫 離 , 如 圖 6(j), 由 於 生 醫 應 變
感 測 器 厚 度 相 當 薄 , 打 線 方 面 不 易 , 故 利 用 導 電 銀 膠 在 烘 箱 環 境 下 烘 烤 來 固 化 導 電 銀 膠 , 將 電 極 與 導 線 相
接 , 如 圖 6(k)。 最 後 完 成 生 醫 奈 米 碳 網 應 變 感 測 器 , 進 行 拉 伸 與 三 點 式 彎 曲 實 驗 的 量 測 。

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圖 6
生 醫 奈 米 碳 網 應 變 感 測 器 製 程 流 程 圖
3. 奈 米 碳 網 生 醫 應 變 感 測 器 骨 頭 量 測
3.1 拉 伸 實 驗
拉 伸 試 驗 為 量 測 應 變 感 測 器 特 性 曲 線 ( 如 靈 敏 度 、 線 性 度 等 ) 的 實 驗 方 法 。 本 研 究 利 用 萬 能 試 驗 機 進
行 拉 伸 試 驗 , 並 使 用 商 用 應 變 感 測 器 與 生 醫 應 變 感 測 器 同 步 進 行 量 測 、 比 較 。 本 研 究 使 用 美 商 國 家 儀 器 公
司 (National Instruments) 生 產 的 cDAQ-9174 機 台 , 內 含 NI 9237 應 變 擷 取 模 組 , 並 配 合 商 用 應 變 感 測 器 (350
Ω), 進 行 應 變 變 化 訊 號 擷 取 與 紀 錄 。 最 後 , 同 步 使 用 美 商 吉 時 利 公 司 (Keithley Instruments Inc.) 的 電 阻 擷
取 系 統 (2700), 進 行 量 測 生 醫 應 變 感 測 器 的 電 阻 變 化 , 拉 伸 試 驗 之 架 構 , 如 圖 7 所 示 。

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圖 7
拉 伸 試 驗 架 構 圖
本 研 究 所 使 用 的 萬 能 試 驗 機 為 勞 埃 德 (LLOYD) 萬 能 試 驗 , 機 型 為 LF Plus, 如 圖 8 所 示 。 拉 伸 試 驗 片
使 用 厚 度 為 2 mm 的 壓 克 力 板 , 相 關 尺 寸 如 圖 9 所 示 。
圖 8
勞 埃 德 (LLOYD) 萬 能 拉 伸 試 驗 機

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圖 9
拉 伸 試 驗 試 片 尺 寸
生 醫 應 變 感 測 器 黏 貼 前 , 由 於 生 醫 應 變 感 測 器 製 作 繁 複 且 太 薄 , 在 進 行 打 線 時 , 易 於 破 裂 而 導 致 良 率
過 低 , 所 以 改 採 用 肥 特 補 公 司 (Feedpool Technology Co., Ltd.) 所 研 製 的 導 電 銀 膠 來 做 接 線 的 動 作 。 為 了 匹
配 生 醫 應 變 感 測 器 上 的 導 線 金 , 本 研 究 選 用 型 號 為 FP-5000L 導 電 銀 膠 , 如 圖 10(a) 所 示 , 其 導 電 銀 膠 與 金
的 結 合 性 最 佳 。 接 線 時 , 先 將 部 分 去 皮 漆 包 線 放 置 於 生 醫 應 變 感 測 器 的 大 尺 寸 導 線 金 薄 膜 上 , 並 將 導 電 銀
膠 點 至 於 兩 者 相 交 處 , 再 使 用 烘 箱 以 150 ℃、 時 間 1 小 時 烘 烤 , 完 成 圖 如 10(b) 所 示 。
黏 貼 前 , 將 拉 伸 試 驗 片 中 黏 貼 處 先 行 做 酸 洗 及 鹼 洗 , 為 確 保 表 面 乾 淨 , 再 用 M-Bond 200 黏 著 劑 黏 貼 生
醫 應 變 感 測 器 , 之 後 使 用 塑 膠 紙 輕 輕 按 壓 完 成 黏 貼 步 驟 。 最 後 , 再 將 商 用 應 變 感 測 器 貼 依 標 準 黏 貼 步 驟 黏
貼 於 拉 伸 試 驗 試 片 的 另 一 面 上 。
(a) FP-5000L 導 電 銀 膠
(b) 接 線 後 生 醫 應 變 感 測 器
圖 10
導 電 銀 膠 及 接 線 後 生 醫 應 變 感 測 器 外 觀 圖
3.2 拉 伸 試 驗 量 測 及 結 果
由 於 本 研 究 所 使 用 的 拉 伸 試 驗 機 並 無 位 移 計 的 裝 置 , 無 法 直 接 量 測 拉 伸 後 的 應 變 量 , 所 以 在 壓 克 力 試
片 上 黏 貼 商 用 應 變 感 測 器 來 取 代 位 移 計 , 並 連 接 至 NI 9237 應 變 量 測 模 組 , 來 量 測 應 變 的 變 化 量 。 當 商 用 應
變 規 的 應 變 以 及 生 醫 應 變 感 器 測 所 量 測 出 的 電 阻 變 化 量 兩 者 得 知 後 , 由 公 式 (6) 推 導 得 知 本 研 究 所 開 發 的 生
醫 應 變 感 測 器 阻 規 係 數 。 表 1 為 生 醫 應 變 感 測 器 在 拉 伸 前 的 電 阻 值 統 計 , 由 表 中 可 以 發 現 電 阻 值 因 奈 米 碳
網 成 長 時 間 不 同 而 改 變 , 在 成 長 時 間 為 5 分 鐘 時 , 因 奈 米 碳 網 密 度 較 稀 疏 , 而 導 致 電 性 無 法 通 路 的 情 形 發
生 , 故 電 阻 值 相 當 高 不 予 採 用 。 以 成 長 奈 米 碳 網 10 分 鐘 及 20 分 鐘 而 言 , 成 長 奈 米 碳 網 時 間 越 長 ( 縝 密 程
度 越 高 ) 時 , 其 表 現 出 之 電 阻 值 越 低 。
圖 11(a) 為 三 組 成 長 奈 米 碳 網 10 分 鐘 後 , 經 拉 伸 試 驗 後 的 應 變 與 相 對 電 阻 變 化 量 之 關 係 結 果 圖 , 圖 中
顯 示 出 , 阻 規 係 數 為 4.56~5.06。 圖 11(b) 為 三 組 成 長 奈 米 碳 網 20 分 鐘 後 , 經 拉 伸 試 驗 後 的 應 變 與 相 對 電 阻
變 化 量 之 關 係 結 果 圖 , 圖 中 表 示 出 , 阻 規 係 數 為 3.91~4.22。 分 別 由 圖 11(a) 與 圖 11(b) 趨 勢 顯 示 出 , 當 阻 值

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越 大 時 , 其 阻 規 係 數 也 越 大 。
表 1 中 分 別 成 長 奈 米 碳 網 10 分 鐘 及 20 分 鐘 的 試 片 經 拉 伸 試 驗 測 試 後 , 得 到 圖 11(a) 與 11(b) 所 示 的 量 測
曲 線 圖 , 並 將 所 有 曲 線 之 斜 率 進 行 公 式 計 算 , 便 可 得 出 生 醫 應 變 感 測 器 之 阻 規 係 數 。 另 外 , 將 所 有 數 據 經
統 計 得 出 平 均 阻 規 係 數 , 分 別 為 4.73 及 4.09。 這 些 數 據 統 計 表 如 表 2 所 示 , 由 表 2 中 , 可 以 發 現 到 成 長 奈
米 碳 網 時 間 越 短 阻 規 係 數 越 高 。
由 於 電 阻 值 與 阻 規 係 數 有 相 關 , 因 此 將 每 個 生 醫 應 變 感 測 器 的 阻 值 ( 表 1 所 示 ) 與 計 算 後 之 阻 規 係 數
( 表 2 所 示 ) 做 相 關 分 佈 圖 , 如 圖 12 所 示 。 圖 12 為 電 阻 值 - 阻 規 係 數 之 分 佈 結 果 圖 , 圖 中 所 呈 現 的 趨 勢
可 以 發 現 到 成 長 奈 米 碳 網 10 分 鐘 比 成 長 奈 米 碳 網 20 分 鐘 阻 規 係 數 大 的 特 性 , 表 示 當 奈 米 碳 網 越 稀 疏 , 電
阻 值 越 大 , 所 測 得 的 阻 規 係 數 也 越 大 。
(a) 成 長 時 間 10 分 鐘
圖 11
生 醫 應 變 感 測 器 之 應 變 - 電 阻 變 化 量 量 測 結 果 圖
(b) 成 長 時 間 20 分 鐘
表 1
生 醫 應 變 感 測 器 未 拉 伸 之 電 阻 值
成 長 時 間 5 分 鐘 10 分 鐘 20 分 鐘
線 寬
50 μm
試 片 1 NA 2.347 0.638
電 阻 值 ( MΩ ) 試 片 2 NA 2.461 0.774
試 片 3 96.372 2.766 0.895
表 2
生 醫 應 變 感 測 器 之 阻 規 係 數 表
成 長 時 間 10 分 鐘 20 分 鐘
線 寬
50 μm
試 片 1 4.56 3.91
阻 規 係 數
試 片 2 4.75 4.06
試 片 3 5.06 4.22
平 均 阻 規 係 數 4.79 4.06

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圖 12
生 醫 應 變 感 測 器 之 電 阻 值 - 阻 規 係 數 結 果 圖
3.3 雞 脛 骨 之 三 點 式 彎 曲
本 研 究 利 用 萬 能 試 驗 機 進 行 三 點 式 彎 曲 試 驗 , 並 使 用 商 用 應 變 感 測 器 與 生 醫 應 變 感 測 器 同 步 進 行 量
測 、 比 較 。 本 研 究 使 用 美 商 國 家 儀 器 公 司 (National Instruments) 生 產 的 cDAQ-9174 機 台 , 內 含 NI 9237 應 變
擷 取 模 組 , 並 配 合 商 用 應 變 感 測 器 (350 Ω), 進 行 應 變 變 化 訊 號 擷 取 與 紀 錄 。 最 後 , 同 步 使 用 美 商 吉 時 利 公
司 (Keithley Instruments Inc.) 的 電 阻 擷 取 系 統 (2700), 進 行 量 測 生 醫 應 變 感 測 器 的 電 阻 變 化 。 本 實 驗 以 成 長
10 分 鐘 奈 米 碳 網 之 試 片 為 實 驗 樣 品 , 並 由 公 式 (6) 推 導 生 醫 應 變 感 測 器 之 應 變 進 行 數 據 比 較 。 三 點 式 彎 曲 試
驗 之 架 構 , 如 圖 13 所 示 。
圖 13
三 點 彎 曲 試 驗 架 構 圖

奈 米 碳 網 生 醫 應 變 感 測 器 應 用 於 骨 頭 量 測 之 研 究 51
本 研 究 為 了 量 測 上 與 取 得 方 便 性 , 選 用 6 公 分 長 雞 脛 骨 來 當 作 三 點 彎 曲 試 驗 的 試 件 。 雞 脛 骨 測 試 前 ,
為 了 避 免 傷 害 到 研 究 的 試 件 , 需 用 手 術 刀 將 佈 滿 在 骨 頭 外 表 面 的 軟 組 織 移 除 。 當 刮 除 清 理 完 畢 後 , 利 用 砂
紙 做 最 後 的 處 理 , 其 中 砂 紙 可 將 那 些 無 法 刮 除 緊 附 著 於 骨 頭 表 面 的 軟 組 織 磨 除 , 另 外 利 用 砂 紙 的 號 數 不 同
亦 可 降 低 骨 頭 表 面 的 粗 糙 度 利 於 感 測 器 的 黏 貼 。
由 於 雞 脛 骨 左 右 兩 端 大 小 不 一 致 , 若 直 接 放 置 於 方 形 載 台 上 進 行 量 測 , 所 得 數 據 將 會 有 誤 差 , 因 此 在
實 驗 過 程 中 , 將 感 測 器 欲 黏 貼 處 ( 水 平 擺 放 雞 脛 骨 之 下 方 ) 保 持 水 平 以 降 低 量 測 值 之 誤 差 。 本 實 驗 選 用 合 利 儀
器 公 司 (Holy Instrument Co., Ltd.) 所 研 製 的 環 氧 樹 脂 , 以 1:5 的 比 例 調 配 環 氧 樹 脂 固 定 雞 脛 骨 上 , 此 時 雞 脛
骨 的 兩 端 被 鑲 埋 於 35 mm 的 環 氧 樹 脂 立 方 體 內 , 如 圖 14 所 示 。 此 外 , 骨 頭 屬 於 多 孔 性 結 構 , 在 環 氧 樹 脂 成
型 期 間 , 長 時 間 的 暴 露 於 空 氣 中 , 易 於 造 成 水 份 的 流 失 , 所 以 利 用 濕 布 包 裹 雞 脛 骨 來 減 少 骨 骼 表 面 水 份 散
失 。
在 三 點 式 彎 曲 量 測 前 , 利 用 乙 醇 去 除 雞 脛 骨 的 表 面 油 脂 , 並 立 即 將 商 用 應 變 感 測 器 與 生 醫 應 變 感 測 器
使 用 M-Bone 200 的 黏 著 劑 貼 黏 。 兩 種 感 測 器 被 黏 貼 於 雞 脛 骨 的 中 心 各 向 外 等 距 離 5 mm 處 , 之 後 使 用 環 氧
樹 脂 來 保 護 感 測 器 的 導 線 與 集 極 與 源 極 。 因 萬 能 試 驗 機 在 下 壓 的 行 程 有 其 範 圍 存 在 , 所 以 利 用 兩 塊 方 形 載
台 將 雞 脛 骨 兩 端 墊 高 , 並 完 成 所 有 量 測 前 的 準 備 。
圖 14
雞 脛 骨 固 定 圖
3.4 雞 脛 骨 之 三 點 式 彎 曲 量 測 及 結 果
本 實 驗 將 兩 應 變 感 測 器 黏 貼 置 於 雞 脛 骨 下 方 , 測 頭 在 雞 脛 骨 中 心 上 方 以 每 秒 5 N 的 方 式 施 加 力 量 , 當
骨 頭 受 到 力 量 而 產 生 變 形 時 , 利 用 應 變 量 測 模 組 以 及 Keithley 量 測 系 統 , 同 步 進 行 監 控 感 測 器 擷 取 骨 頭 表
面 受 到 張 應 變 的 數 據 。 圖 15 為 三 點 式 彎 曲 試 驗 後 之 雞 脛 骨 斷 裂 圖 , 在 圖 (a) 正 面 圖 與 (b) 側 面 圖 可 以 看 出 當 雞
脛 骨 受 到 變 形 後 斷 裂 成 兩 部 分 , 由 於 雞 脛 骨 屬 於 非 均 質 材 料 , 斷 裂 方 向 呈 現 不 規 則 形 , 不 過 從 側 面 圖 顯 示
雞 脛 骨 斷 裂 點 在 整 根 骨 頭 的 中 心 位 子 置 , 表 示 感 測 器 所 量 測 到 之 應 變 為 應 變 最 大 值 。 圖 16 顯 示 兩 個 雞 脛 骨
試 件 在 三 點 彎 曲 試 驗 中 , 當 力 量 隨 著 時 間 而 增 加 時 , 第 一 組 雞 脛 骨 試 件 (Specimen 1A) 於 194 N 及 第 二 組 雞
脛 骨 試 件 (Specimen 2B) 於 211 N 斷 裂 。 每 組 雞 脛 骨 試 件 中 黏 貼 生 醫 應 變 感 測 器 (Parylene-Based) 與 商 用 應 變
感 測 器 (Commercial), 並 以 三 點 式 彎 曲 試 驗 進 行 數 據 擷 取 與 曲 線 比 較 。 圖 17 為 三 點 式 彎 曲 試 驗 後 的 生 醫 應
變 感 測 器 與 商 用 應 變 感 測 器 隨 時 間 變 化 之 應 變 量 測 圖 , 圖 中 Specimen 1A 與 Specimen 2B 兩 組 雞 脛 骨 , 分 別
顯 示 出 量 測 到 之 應 變 趨 勢 一 致 , 而 力 量 隨 時 間 增 加 所 表 現 出 應 變 差 異 越 大 , 其 原 因 為 生 醫 應 變 感 測 器 有 著
較 高 的 靈 敏 度 關 係 , 所 造 成 兩 者 差 異 所 在 。 在 Specimen 1A 曲 線 中 , 可 以 看 出 本 研 究 之 生 醫 應 變 感 測 器 可
量 測 到 之 應 變 解 析 度 高 達 1 % 左 右 。 由 實 驗 結 果 證 實 , 奈 米 碳 網 生 醫 應 變 感 測 器 確 可 監 測 雞 脛 骨 頭 之 應 變 變
化 。

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陳 昱 叡 、 黃 世 疇
(a) 正 面 圖
(b) 側 面 圖
圖 15
三 點 式 彎 曲 試 驗 後 之 雞 脛 骨 斷 裂 圖
圖 16
雞 脛 骨 在 三 點 彎 曲 試 驗 之 力 量 與 時 間 關 係 圖
圖 17
生 醫 與 商 用 應 變 感 測 器 隨 時 間 變 化 之 應 變 量 測 圖

奈 米 碳 網 生 醫 應 變 感 測 器 應 用 於 骨 頭 量 測 之 研 究 53
4. 結 論
本 研 究 成 功 開 發 出 利 用 ACCVD 成 長 出 大 面 積 之 奈 米 碳 網 , 過 程 中 使 用 乾 式 蝕 刻 方 式 進 行 蝕 刻 奈 米 碳
網 的 圖 形 , 再 用 熱 剝 離 膠 帶 以 及 Parylene-C 進 行 圖 形 轉 移 , 之 後 利 用 Parylene-C 做 為 感 測 器 的 防 水 層 , 進
行 熱 剝 離 的 步 驟 並 完 成 可 撓 性 並 具 有 生 物 相 容 性 之 生 醫 應 變 感 測 器 。 最 後 , 利 用 拉 伸 實 驗 來 說 明 生 醫 感 測
器 之 靈 敏 度 , 並 從 三 點 彎 曲 試 驗 中 , 證 實 奈 米 碳 網 應 變 感 測 器 有 能 力 來 監 測 雞 脛 骨 的 應 變 變 化 。 在 元 件 製
作 過 程 中 , 完 全 使 用 MEMS 製 程 進 行 , 且 無 使 用 特 殊 機 台 完 成 元 件 , 對 未 來 商 品 化 、 量 產 化 有 著 低 成 本 等
優 點 。 本 研 究 量 測 結 果 得 出 以 下 之 結 論 :
(1) 在 核 心 為 奈 米 碳 網 的 應 用 下 , 研 究 結 果 顯 示 出 , 當 奈 米 碳 網 成 長 時 間 為 10 分 鐘 與 20 分 鐘 , 其 阻 規 係
數 最 大 值 分 別 為 5.06 與 4.22, 顯 示 出 其 優 於 商 用 應 變 感 測 器 之 阻 規 係 數 (2.09)。 生 醫 應 變 感 測 器 之 阻
規 係 數 約 為 一 般 商 用 應 變 感 測 器 阻 規 係 數 的 2.3 倍 。
(2) 由 實 驗 結 果 得 知 , 當 奈 米 碳 網 的 成 長 時 間 越 長 , 阻 規 係 數 越 小 。 反 之 , 阻 規 係 數 越 大 。 因 為 奈 米 碳 網
的 疏 密 度 , 會 影 響 阻 規 係 數 的 大 小 。
(3) 由 結 果 證 實 , 奈 米 碳 網 生 醫 應 變 感 測 器 確 可 監 測 雞 脛 骨 頭 之 應 變 變 化 。
(4) 本 研 究 之 生 醫 應 變 感 測 器 可 量 測 到 之 應 變 解 析 度 高 達 1 % 左 右 。
致 謝
本 研 究 承 蒙 國 科 會 及 國 家 奈 米 元 件 實 驗 室 補 助 , 計 畫 編 號 :NSC 99-2221-E-151-004.-MY2;NDL98-C
02M2 P-091 特 此 致 謝 。
參 考 文 獻
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Vitro", Review of Scienetific Instruments, Vol. 71, No.9, pp. 3522-3529.
[2] Rabkin B. A., et al., 2001, "Long-Term Measurement of Bone Strain in vivo: The Rat Tibia", Journal of Biomedical
Materials Research, Vol. 58, pp. 277–281.
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Gauges", Experimental Mechanics, Vol. 47, pp. 355-363.