KR101265236B1 - 음파 감쇠를 이용한 마이크로 점도계 및 이를 생산하기 위한 제조방법 - Google Patents

음파 감쇠를 이용한 마이크로 점도계 및 이를 생산하기 위한 제조방법 Download PDF

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Abstract

실시예는 서로 간격을 두고 배치된 제 1 챔버 및 제 2챔버를 갖는 기판; 상기 제 1 챔버와 제 2 챔버가 상기 기판에 공간적으로 구획되도록 상기 기판 일면에 부착된 폴리머 재질의 커버; 상기 제 1 챔버와 상기 제 2 챔버를 덮도록 상기 기판 상부에 배치된박막; 상기 제 1 챔버와 대응되는 영역의 상기 박막 상부에 배치된 액추에이팅 부; 및 상기 제 2 챔버와 대응되는 영역의 상기 박막 상부에 배치된 센싱부를 포함하고, 상기 제 1 챔버와 상기 제 2 챔버 사이에서 상기 박막을 관통하여 상기 기판의 일부까지 적어도 하나 이상의 메인 트랜치가 형성되는 음파 감쇠를 이용한 마이크로 점도계를 제공한다.

Description

음파 감쇠를 이용한 마이크로 점도계 및 이를 생산하기 위한 제조방법 {Micro Viscometer Using An Attenuation Of Acoustic Waves And Manufacturing Method Therefor}
본 출원은 마이크로 점도계에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유체의 점성을 측정하기 위한 음파 감쇠를 이용한 마이크로 점도계 및 이를 생산하기 위한 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 점도란 유체 점성의 크기를 나타내는 물질 고유의 상수로서, 이러한 점도를 측정하기 위한 점도계는 다양한 종류가 개발되어 사용되고 있다.
점도계로는 기체에 대한 점성을 측정하기 위하여 1953년에 그린스판(Greenspan)과 뷔멘쯔(Wimenitz) 등이 발명한 두 개의 헬몰쯔 공진기(Helmholtz Resonator)를 서로 마주보게 붙여서 제작된 그린스판 점도계(Greenspan viscometer)가 있는데(M. Greenspan and F. N. Wimenitz, ''An Acoustic Viscometer for Gases-I,'' NBS Report 2658 (1953) 참조), 이와 같은 그린스판 점도계는 비교적 큰 크기를 가질 뿐만 아니라 성능이 38%정도의 큰 오차를 보여 적절한 구조가 아니였다.
1996년에 질리스(K. A. Gillis) 등은 이러한 크린스판 점도계를 보다 정밀하게 제작하고, 실험적인 오차와 보정의 과정을 거침으로써 ±0.5%까지 그 오차를 줄여 정밀하게 기체의 점도를 측정할 수 있는 방법을 개발하였다(R. A. Aziz, A. R. Janzen, and M. R. Moldover, Phys. Rev. Lett. 74, 1586(1995) 참조).
그러나, 이러한 방법은 유효한 주파수 구간이 저주파 영역에 한정되어 있는 문제점을 가지고 있었다. 예를 들면, 질리스 등이 제작한 점성계는 200Hz 이하의 저주파에서만 적용할 수 있었다. 왜냐하면 헬몰쯔 공진기는 음파의 웨이브넘버(wavenumber)와 특성 길이의 곱이 1보다 굉장히 작다는 가정 하에 적용되었기 때문이다. 그리고 액체에 대한 측정은 하지 않아 그 측정이 기체에만 한정되어 있었고, 그 크기가 커서 많은 양의 유체를 필요로 하였다.
그리고, 미국 특허 제6,141,625호에서는 크리스탈 공진계 타입 센서를 가진 점성 모듈에 대한 발명이 개시되어 있는데, 이는 소량의 시약만으로도 유체의 점성을 측정할 수 있는 휴대용 점도계에 관한 것이다. 이 점도계는 점도 센서(sensor)를 디스크 형태의 크리스탈 박막을 사용하였다.
이러한 크리스탈 박막의 공진주파수를 얻기 위해 박막의 상, 하부에 전극을 두어 신호를 걸어주면, 센서는 두께 방향 전단 형태(Thickness shear mode)로 작동을 하게 된다. 만약에 어떠한 액체가 크리스탈 위쪽 면에 존재한다면 파워 손실이 일어나게 되고, 이것은 크리스탈 공진주파수에서의 댐핑(damping)을 야기시켜서 결국 이 댐핑(damping)을 측정함으로써 액체의 점도를 측정할 수 있게 된다.
그러나, 이와 같이 크리스탈 공진계 타입 센서를 가진 점성 모듈은 수평으로 놓여 있어야 하고, 액체가 균일하게 분포되어 있을 때만 정확한 측정이 가능하게 되며, 많은 액체의 양을 필요로 한다. 즉, 대략 물방울 한 개의 체적이 0.04㎖라고 한다면 크리스탈 공진계 타입 센서를 가진 점성 모듈은 수 ㎖의 액체를 필요로 하며, 물방울 한 개의 체적만으로는 측정이 불가능하다는 문제점을 가지고 있었다. 또한, 이러한 점성계는 액체가 받는 중력을 이용하기 때문에 기체에 대해서는 측정이 불가능하다는 단점을 가지고 있었다.
한편, 모세관을 이용한 점도계로써는 그 형태에 따라 다양하지만, 미국 특허 제6,322,624호, 제6,402,703호, 제6,428,488호, 제6,571,608호, 제6,624,435호, 제6,732,573호, 제5,257,529호 등에 나타나 있는 것과 같이 거의 대부분 중력에 의한 수두 차이를 이용한 점도계가 주류를 이루고 있다. 하지만 수두 차이를 이용하기 때문에 그 측정이 액체에 제한되어 있고, 모세관을 이용한다고 할지라도 그 필요한 양이 수십 또는 수백 ㎖ 이상을 요구하기 때문에 필요한 액체의 양도 많아야 하는 문제점을 가지고 있었다.
본 출원은 극소량의 유체만으로도 점성이나 그 변화율을 측정할 수 있고, 고가인 시약이나 기체의 점도를 측정할 수 있으며, 마이크로 점도계 제조 공정에 따른 수율을 향상시킬 수 있는 마이크로 점도계 및 이를 생산하기 위한 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 음파 감쇠를 이용한 마이크로 점도계는 서로 간격을 두고 배치된 제 1 챔버 및 제 2 챔버를 갖는 기판; 상기 제 1 챔버와 제 2 챔버가 상기 기판에 공간적으로 구획되도록 상기 기판 일면에 부착된 폴리머 재질의 커버; 상기 제 1 챔버와 상기 제 2 챔버를 덮도록 상기 기판 상부에 배치된 박막; 상기 제 1 챔버와 대응되는 영역의 상기 박막 상부에 배치된 액추에이팅 부; 및 상기 제 2 챔버와 대응되는 영역의 상기 박막 상부에 배치된 센싱부를 포함하고, 상기 제 1 챔버와 상기 제 2 챔버 사이에서 상기 박막을 관통하여 상기 기판의 일부까지 적어도 하나 이상의 메인 트랜치가 형성된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 음파 감쇠를 이용한 마이크로 점도계는 유체가 유입되는 유입구, 상기 유체가 유출되는 유출구, 상기 유입구와 상기 유출구에 각각 연결된 제 1 챔버와 제 2 챔버 및 상기 제 1 챔버와 상기 제 2 챔버를 서로 연결하는 마이크로 채널을 각각 공간적으로 구획하는 기판과 폴리머 재질의 커버를 포함하는 본체; 상기 제 1 챔버의 일측에 배치되고, 상기 제 1 챔버내의 유체와 함께 진동하는 제 1 박막; 상기 제 2 챔버의 일측에 배치되고, 상기 제 2 챔버내의 유체와 함께 진동하는 제 2 박막; 상기 제 1박막에 진동을 가하여 상기 제 1 챔버내의 상기 유체에 진동을 가하는 액추에이팅부; 및 상기 제 1 박막의 진동에 의해 상기 마이크로 채널을 통해 상기 제 2 박막에 전달되는 상기 유체의 진동이나 압력을 센싱하는 센싱부를 포함하고, 상기 액추에이팅부와 상기 센싱부는 전기적으로 독립된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 음파감쇠를 이용한 마이크로 점도계의 제작방법은 소이(SOI) 웨이퍼 상에 절연막을 형성하는 단계; 상기 절연막 상에 하부전극층, 압전층, 상부전극층을 순차적으로 증착하는 단계; 상기 하부전극층, 압전층, 상부전극층이 각각 제 1 파트와 제 2 파트로 나뉘어 이격되도록 패터닝 한 후, 상기 상부 전극층에 브리지 전극을 형성하는 단계; 상기 제 1 파트와 제 2 파트 사이에 상기 절연막에서부터 상기 소이 웨이퍼의 소정 깊이까지 트랜치를 형성하는 단계; 상기 절연막이 형성되지 않은 상기 소이 웨이퍼 면에 마이크로 채널을 형성하고, 상기 제 1 파트와 제 2 파트에 각각 대응되게 챔버를 형성하는 단계; 및 상기 마이크로 채널과 상기 챔버가 공간적으로 구획되도록 상기 소이 웨이퍼 면에 투명한 재질의 커버를 부착하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 음파감쇠를 이용한 마이크로 점도계는 폴리머 재질의 커버를 이용함으로써 공정의 수율을 향상시킬 수 있다.
또한, 마이크로 점도계 동작시 음압을 가하는 액추에이팅부와 음압을 센싱하는 센싱부 사이에 전기적인 영향을 줄여 실질적으로 정확한 유체의 점성을 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 마이크로 점도계를 도시한 평면도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 마이크로 점도계를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 점도계에서 공진 주파수로 점성을 측정하는 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 점도계에서 공진 주파수로 유체에 대한 점성을 측정하는 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
도 5는 헬몰쯔 공진기에 대한 kl ≪1 인 경우의 계산법과 kl 값과 상관없이 본 발명의 일 실시예에 따른 계산법에 따른 결과를 비교한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 마이크로 점도계를 도시한 평면도이다.
도 7은 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 기초하여, 유체의 점도가 변화될 때, 마이크로 채널의 수에 따른 음압의 절대적인 차이를 나타낸 그래프이다.
도 8는 도 7의 동일 조건에서 마이크로 채널 수에 따른 음압의 변화율을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 점도계의 챔버 구조를 설명하기 위한 도이다.
도 10은 마이크로 점도계의 챔버 내에 전달되는 제 1차 공진 주파수와 제 2차 공진 주파수를 나타낸 도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 점도계를 전기 회로 나타낸 것이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 점도계의 트랜치 구조를 설명하기 위한 도이다.
도 13a 내지 도 13g 는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 점도계의 제작 방법을 설명하기 위한 도이다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 첨부된 도면은 본 발명의 내용을 보다 쉽게 개시하기 위하여 설명되는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 첨부된 도면의 범위로 한정되는 것이 아님은 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 알 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 마이크로 점도계를 도시한 평면도이고, 도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 마이크로 점도계를 도시한 단면도이다.
도시된 바와 같이, 마이크로 점도계(100)는 크게 보면 헬몰쯔 공진기(Helmholtz resonator) 두 개가 평행하게 배치되어 극소량의 유체로도 점성을 측정할 수 있다. 즉, 마이크로 점도계(100)는 기판(113)과 커버(114)를 포함하는 본체(110), 박막(150), 액추에이팅부(170) 및 센싱부(180)를 포함한다.
본체(110)는 상기 기판(113)과 커버(114)가 간격을 두고 본딩되어, 유입구(111), 유출구(112), 제 1챔버(120), 제 2챔버(130), 마이크로 채널(140)이 공간적으로 구획된다.
기판(113)은 실리콘 웨이퍼 혹은 절연막 위에 실리콘 단결정층이 있는 소이(SOI; Silicon On Insulator)로 이루어질 수 있고, DRIE(Deep Reactive Ion Etaching) 공정을 통하여 제 1 챔버(120) 및 제 2 챔버(1300의 공간이 만들어진다.
커버(114)는 기판(113)에 유입구(111), 제 1 챔버(120), 제 2 챔버(130), 유출구(112) 및 마이크로 채널(14)이 폐공간을 갖도록 상기 기판(113)과 애노딕 본딩(Anodic bonding)되고, 이때, 커버(114)는 내부의 유체를 확인할 수 있는 글래스와 같은 투명재질로 이루어질 수 있다.
한편, 커버(114)는 폴리머 재질을 이용하여 별도로 제작하여 상기 기판에 부착될 수 있다. 이때, 커버는 기판과의 애노딕 본딩이 아닌 단순한 접합으로 결합되고, 이에 따라 공정 수를 줄일 수 있게 된다. 이때, 커버의 폴리머 재질은 PMMA(polymethyl methacrylate) 혹은 PDMS(polydimethylsiloxane)임이 바람직하다.
본체(110)의 유입구(111) 및 유출구(112)의 일측에는 상기 본체(110) 내부로 유입되어 채워진 유체가 외부로 흐르지 않도록 하기 위한 개폐밸브(191, 192)가 각각 제공된다. 상기 유체 이동을 개폐하기 위한 개폐밸브(191, 192)는 유체의 점성 측정 방법에 따라 생략될 수 있다.
본체(110)의 제 1챔버(120)와 제 2챔버(130)는 유입구(111)와 유출구(112)에 각각 공간적으로 연결된다. 제 1 챔버(120)와 제 2 챔버(130)는 동일한 부피 및 높이를 갖음이 바람직하다. 이는 박막(150)에 가해진 진동에 따른 유체의 점성 측정시 오차를 최대한 줄이기 위함이다.
마이크로 채널(140)은 제 1 챔버(120)와 제 2 챔버(130)를 서로 연결시키고, 본체 내부의 유체 점성 측정 시, 유체의 점성 손실이 일어나는 공간을 제공한다.
박막(150)은 제 1 챔버(120)와 제 2챔버(130)를 각각 덮도록 상기 기판(113) 상부에 배치된다. 이에 따라 박막(150)은 제 1 챔버(120)와 제 2 챔버(130)를 외부로부터 격리시키고, 동시에 제 1 챔버(120)와 제 2 챔버(130)에 채워진 유체와 함께 진동한다. 이러한 박막(150)은 도시된 바와 같이 하나의 막으로 형성되지만, 제 1 챔버(120)와 제 2 챔버(130)에 각각 대응되도록 별도의 두개 박막으로 형성될 수 있다.
또한, 박막(150)은 실리콘 웨이퍼에 적층된 실리콘나이트라이드(SiN)막으로 이루어질 수 있고, 도시된 바와 같이, 실리콘 웨이퍼(151)의 상, 하면에 증착된 절연막(153)으로 이루어질 수 있다.
이때, 절연막(153)은 이산화 규소(SiO2)와 같은 Si 계열의 절연막이 바람직하다.
액추에이팅부(Actuating part, 170)는 제 1 챔버(120)에 대응되는 박막(150) 상에 배치되어, 제 1 챔버(120)내의 유체에 진동이 전달되도록 박막(150)에 진동을 가한다. 설명의 편의를 위해 이때, 제 1 챔버(120)에 대응되는 박막(150)을 제 1 박막이라 한다.
액추에이팅부(170)는 제 1 박막 상에 배치된 제 1 전극(175)과 제 1 전극(175) 상부에 배치된 제 1압전체(171) 및 제 1압전체(171) 상에 배치된 제 2 전극(173)을 포함한다. 이때, 제 2 전극(173)의 일측은 제 1 전극(175)과 이격되어 제 1 박막과 연결되고, 제 2 전극(173)의 타측은 제 1압전체(171) 일면 전체에 배치된다.
센싱부(Sensing part, 180)는 제 2 챔버(130)에 대응하는 박막(150)상에 배치되고, 박막(150)에 전달되는 제 2 챔버(130)내의 유체의 진동이나 압력을 센싱한다. 설명의 편의를 위해 이때, 제 2 챔버(130)에 대응되는 박막(150)을 제 2 박막이라 한다.
이러한, 센싱부(180)는 액추에이팅부(170)와 마찬가지로, 제 2 박막 상에 배치된 제 3 전극(185)과 제 3 전극(185) 상부에 배치된 제 2압전체(181) 및 제 2압전체(181) 상에 배치된 제 4 전극(183)을 포함한다. 이때, 제 4 전극(183)의 일측은 제 3 전극(185)과 이격되어 제 2 박막과 연결되고, 제 4 전극(183)의 타측은 제 2압전체(181) 일면 전체에 배치된다.
한편, 액추에이팅부(170) 및 센싱부(180)는 일예로 압전체를 사용하여 압전효과를 이용하였으나 이에 한하지 않고, 일렉트로액티브 폴리머(Electroactive Polymer)를 이용할 수도 있다.
이와 같은 구조로 이루어진 마이크로 점도계(100)의 동작은 본체(110) 내측의 공기를 유출구(112)를 통해서 외부로 유출시키면, 내부의 압력이 낮아져서 유입구(111)를 통해서 유체가 본체(110) 내측으로 유입된다.
이때, 마이크로 점도계(500)는 본체(110) 내부의 유체가 접촉하는 곳, 즉, 유입구(111), 유출구(112), 제 1 챔버(120), 제 2 챔버(130) 및 마이크로 채널(140) 중 적어도 하나의 내측면에 친수성 막이 코팅됨이 바람직하다. 이에 따라 본체 내부로의 유체 유입이 원활 할 수 있고, 유체의 표면 장력에 의해 발생할 수 있는 내부 공기 영역 발생을 방지할 수 있게 된다.
한편, 본체(110)내에 유체가 채워지면 개폐밸브(191,192)를 차단시켜서 본체(110) 내부의 유체가 외부로 흘러 나가는 것을 방지 시킨다.
그런 다음, 액추에이팅부(170)의 한 쌍의 제 1 전극(175) 및 제 2 전극(173)에 시스템의 공진주파수를 포함하는 주파수 구간에서 아래의 수학식 1과 같은 사인(Sine) 함수로 전압(Vinput)을 인가하게 되면, 제 1 압전체(171)가 제 1 박막에 진동을 가하게 된다.
수학식 1
Figure 112011051987859-pat00001
제 1 박막이 진동하게 되면, 장치 내부, 즉 본체(110) 내측의 음향학적 경계층의 영향으로 음파의 손실이 일어나게 된다. 이러한 손실은 크게 두 가지로 나눌 수 있는데, 입자 속도가 가장 빠른 마이크로 채널(140) 내부에서의 점성 경계층(δ ν )에 대한 손실(α ν )과 면적 대 부피비가 큰 제 1 챔버(120) 및 제 2 챔버(130)에서의 열적 경계층(δ t )으로 인한 열적손실(α t )로 나뉜다.
만약 점성 경계층이나 열적 경계층이 마이크로 채널(140)의 반경 또는 높이의 절반(rc) 인 보다 굉장히 작다고 가정한다면, 이러한 경계층의 손실들은 Q factor와 아래의 수학식 2와 같은 관계를 가진다.
수학식 2
Figure 112011051987859-pat00002
여기서, r 는 유체의 비열비(the ratio of specific heat), s는 챔버의 면적, 그리고 v 는 챔버의 체적, δν는 마이크로 채널(140) 내부의 점성 경계층의 두께, δt는 챔버(120,130)에서의 열적 경계층의 두께를 나타낸다.
음파는 이러한 손실을 가진채로 제 2박막에 전달되고, 센싱부(180)의 제 2 압전체(181)의 영향으로 인해 제 2박막으로부터 출력되는 주파수 응답을 측정할 수 있다.
이러한 주파수 응답에 대한 Q factor를 측정하게 되면 수학식 2를 이용해서 아래의 수학식 3과 같이 유체의 점성을 측정할 수 있게 된다.
수학식 3
Figure 112011051987859-pat00003
여기서, ν는 동점성계수, μ는 점성계수, ρ는 밀도이다.
한편, 본 발명에 따른 마이크로 점도계(100)를 이용하여 상기 방법과는 다른 단일 주파수(또는 공진주파수)로 점성을 측정하는 방법(Single-Frequency Driving Method; SFDM)을 설명하면 다음과 같다.
단일 주파수로 점성을 측정하는 방법은 상기의 Q factor를 이용한 측정은 사실상 주파수 구간을 스위핑(sweeping)하여 공진주파수를 찾고 half power band width를 직접 구해야 하며, 공진주파수나 half power bandwidth를 찾는 오차로 인해 Q factor를 정확하게 구해내기가 번거롭기 때문에 Q factor를 구하는 대신 주파수(또는 공진주파수)만을 가진함으로서 유체의 점성이나 그 변화를 측정하는 방법이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 유체의 점성이 변화함으로써 공진주파수에서의 음압 크기나 위상차(Δｐ)가 발생하게 된다. 이때 그 변화량을 측정함으로써 점성의 변화 유무를 측정할 수 있으며 보정 과정을 통해서 원하는 유체의 점성을 측정할 수 있게 된다.
즉, 일정한 기준이 되는 유체, 예컨대 물에 대해서 엑추에이팅부(170)의 주파수 증가에 따른 센싱부(180)에 의해 측정되는 압력을 측정하고, 이러한 물의 점성을 단계별로, 예컨대 도 4에 도시된 바와 같이, 20%, 40%, 60%, 80%, 100%씩 증가시켜서 주파수에 따른 압력을 측정하여 데이터로 저장한다.
이후 측정하고자 하는 유체에 actuating part(170)으로부터 가해지는 주파수 대비 센싱부(180)에 의해 센싱되는 압력 데이타를 취득하고, 상기의 데이터 중 일치하는 데이터에 해당하는 점성으로부터 측정하고자 하는 유체의 점성을 구하게 된다. 기준이 되는 유체의 점성 데이터는 실시예에서 20% 간격보다 정밀하게 획득할 수 있음은 물론이다.
또한, 도 3에서 유체의 점성 변화 전 또는 유체의 점성 변화 후 가진 주파수의 변화시 최대 압력(M)의
Figure 112011051987859-pat00004
이 되는 압력(0.707M)에서의 주파수 fL 및 fH를 각각 구한 다음 아래의 수학식 4에 대입하면 Q factor를 구할 수 있으며, 이 때의 Q factor와 수학식 2 및 3을 이용하면 유체의 점성을 구할 수도 있다.
수학식 4
Figure 112011051987859-pat00005
한편, 헬몰쯔 공진기(Helmholtz resonator)는 시스템의 특성 크기가 주파수 파장 길이 보다 훨씬 작은 경우인 kl ≪1인 수십에서 수백 Hz에서 보통 적용이 된다. 여기서 k는 파수(Wave number), l은 마이크로 채널(140)의 길이를 뜻한다.
이에 대하여, 본 발명의 실시예는 MEMS 공정을 이용하기 때문에 일반적인 점도계와 비교해서 굉장히 작고 얇은 형태를 가져 시스템 자체의 공진주파수는 수천에서 많게는 수십만 Hz까지 상승하게 된다.
그리하여 본 장치는 헬몰쯔 공진기의 주파수 구간인 kl ≪1을 만족하지 못하는 영역에서 작동하게 되므로 주파수 구간을 확장하여 해석한다. 이를 위해 본 장치의 전체 음향학적 임피던스(Total Acoustic Impedance)를 아래의 수학식 5와 같이 구하였고, 그 중 아래의 수학식 6 와 같이 리액턴스(Reactance)항이 0이 되는 곳을 찾으면 공진주파수를 구할 수 있다.
수학식 5
Figure 112011051987859-pat00006
여기서, 각각에 대한 임피던스는 아래와 같다.
Figure 112011051987859-pat00007
는 제 1 박막(150)에 대한 음향학적 임피던스이고,
Figure 112011051987859-pat00008
는 제 2 박막(160)에 대한 음향학적 임피던스이고,
Figure 112011051987859-pat00009
는 제 1 챔버(120)에 대한 음향학적 임피던스이고,
Figure 112011051987859-pat00010
는 제 2 챔버(120)에 대한 음향학적 임피던스이고,
Figure 112011051987859-pat00011
는 마이크로채널(140)에 대한 음향학적 임피던스이고,
Figure 112011051987859-pat00012
는 유입구(111) 및 유출구(112)에 대한 음향학적 임피던스이다.
또한,
Figure 112011051987859-pat00013
와
Figure 112011051987859-pat00014
는 제 1 박막(150) 및 제 2 박막(160) 각각에 대한 음향학적 스티프니스(Acoustic Stiffness)이고, h 1과 h 2는 제 1 챔버(120) 및 제 2 챔버(130)의 높이를 각각 뜻하며, 음향학적 임피던스
Figure 112011051987859-pat00015
에서
Figure 112011051987859-pat00016
를 각각 뜻한다.
만약, 제 1 챔버(120) 및 제 2 챔버(130)의 크기와 모양이 같다면,
Figure 112011051987859-pat00017
를 좀 더 간단히 나타낼 수 있고, 그 후 공진주파수를 찾기 위해서
Figure 112011051987859-pat00018
의 리액턴스 항만을 취하면 아래의 수학식 6과 같다.
수학식 6
Figure 112011051987859-pat00019
그러므로,
Figure 112011051987859-pat00020
을 만족하는 k 값에 대한 주파수가 공진주파수를 뜻한다. 그 값들을 우선 x 라고 표현하면, 아래의 수학식 7이 된다.
수학식 7
Figure 112011051987859-pat00021
공진주파수는 아래의 수학식 8과 같이 구할 수 있게 된다.
수학식 8
Figure 112011051987859-pat00022
도 5는 헬몰쯔 공진기에 대한 kl ≪1인 경우의 결과와 본 발명 실시예에서 밝힌 kl 의 값에 상관없이 적용 가능한 방법에 대한 결과를 비교한 그래프이다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 계산법은 마이크로채널(140)의 반경(a)이 작아서 시스템의 공진주파수(f)가 낮아 kl ≪1의 조건을 만족시키게 되면, 헬몰쯔 공진기의 계산법에 근접하고, 반대로 마이크로채널(140)의 반경(a)이 커지면 공진주파수(f)가 올라가게 되므로 헬몰쯔 공진기 계산법의 가정인 kl ≪1의 조건을 만족하지 못하기 때문에 본 발명의 실시예에 따른 계산법을 적용해야 한다는 것을 보여준다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 마이크로 점도계를 도시한 평면도이다.
제 2 실시예에 따른 마이크로 점도계(500)는 제 1 실시예에 따른 마이크로 점도계와 구조적으로 유사하다. 따라서 동일한 구성요소에 대해선 동일한 부호를 사용하고, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도 6을 참조하면, 제 2 실시예에 따른 마이크로 점도계(500)는 본체(110)에 마이크로 채널(140)이 다수개로 형성된다. 이때, 각 마이크로 채널(140)의 전체 거리는 서로 다를 수 있지만, 각 마이크로 채널(140)로부터 동일한 음압이 전달되어 센싱부(180)에서 정확한 음압이 센싱될 수 있도록 동일한 거리를 갖는다.
도 7은 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 기초하여, 유체의 점도가 변화될 때, 마이크로 채널의 수에 따른 음압의 절대적인 차이를 나타낸 그래프이고, 도 8는 도 7의 동일 조건에서 마이크로 채널 수에 따른 음압의 변화율을 나타낸 그래프이다.
도 7 및 도 8에서 보는 바와 같이, 마이크로 점도계는 본체 내부에 다수개의 마이크로 채널이 형성될 경우, 본체 내부에 동일한 길이의 단일 마이크로 채널이 형성될 때보다 음압의 변화율은 다소 감소하지만, 음압의 세기는 더 크게 나타난다.
예를들어, 도 7에서 마이크로 채널의 길이가 3mm인 경우, 마이크로 채널의 개수가 1개 일때와 7개 일때를 확인해 보면, 음압의 절대적인 차이는 0.05 Pa와 0.25 Pa 로 각각 나타나지만, 도 8에서 보는 바와 같이 음압의 변화율은 마이크로 채널의 개수가 1개 일때와 7개 일 때 각각 확인해 보면, 0.75와 0.72로 비슷하게 나타남을 알 수 있다.
즉, 마이크로 채널의 수가 커지면 커질수록 더 큰 음압의 세기가 전달되기 때문에 센싱부에서 음압 측정시 주변 노이즈 대비 음압의 신호를 더욱 더 정확하게 측정될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 점도계에서 유체의 점도 측정시 보다 정밀도를 높이기 위해선 제 1 박막과 제 2 박막은 동일한 고유 공진 주파수를 갖음이 바람직하다.
또한, 유체의 점도를 보다 정밀하게 측정하기 위해선 본체 내부에 형성된 챔버의 공간적인 구조를 음향학적으로 디자인되어야 한다. 이에 대해선 다음 도 9 및 도 10를 참조하여 설명하기로 한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 점도계의 챔버 구조를 설명하기 위한 도이고, 도 10은 마이크로 점도계의 챔버 내에 전달되는 제 1차 공진 주파수와 제 2차 공진 주파수를 나타낸 도이다.
도 9 및 도 10를 참조하면, 박막(150)에서 발생한 음압이 제 1차 공진 주파수로 제 1챔버(120)에 전달되면, 상기 제 1챔버(120)를 통해 전달된 음압은 마이크로 채널(140) 내에서 감쇠효과가 증가되어 본체 내부의 유체의 점도를 정밀하게 측정할 수 있다.
즉, 제 1챔버(120)에 전달된 음압이 가장 큰 세기로 마이크로 채널을 통해 전달되기 위해선 제 1 차 공진(a)이 제 1 챔버(120)의 높이방향으로 발생되어야 한다. 따라서 적어도 제 1 챔버(120)의 높이(H)는 제 1 차 공진 주파수에 대응하는 반파장의 길이와 실질적으로 동일하게 형성될 필요가 있고, 제 1 챔버(120)의 폭은 적어도 제 1챔버(120)의 높이 혹은 제 1차 공진 주파수에 대응하는 반파장의 길이보다 작아야 한다.
만약 제 1챔버(120)의 폭이 챔버의 높이(H) 혹은 제 1차 공진 주파수에 대응하는 반파장의 길이보다 클 경우엔, 제 1차 공진(a)이 제 1챔버(120)의 가로방향으로 발생하여 박막(150)에 의해 발생되는 음파의 진행 방향과 수직이 되므로 효율적인 음파 발생이 되지 못하기 때문이다. 이처럼 제 1챔버(120)의 높이(H)와 폭(W)은 박막(150)의 제 1차 공진 주파수에 따라 정해진다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 점도계를 제조하는데 있어서, 제조 공정 조건을 용이하게 하기 위해선 제 1챔버(120)의 높이(H)는 박막(150)의 제 2 차 공진(b)에 따른 주파수와 대응된 파장의 길이와 실질적으로 동일할 수 있다.
이때, 제 1 챔버(120)의 폭(H)은 적어도 제 2차 공진 주파수의 반파장의 길이보다 작아야 된다. 왜냐하면 제 2차 공진 주파수의 반파장의 길이보다 클 경우, 제 1챔버(120)내 음파의 제 2차 공진 주파수가 음파의 진행방향인 높이 방향으로 생기지 않고 가로 방향으로 발생하기 때문이다.
위와 같은 챔버의 구조는 도면에 도시되어 있지 않지만, 액추에이팅부의 제 1 챔버(120) 뿐만 아니라 센싱부의 제 2 챔버(130)에도 동일하게 적용될 수 있다.
한편, 유체의 점도를 보다 정밀하게 측정하기 위해선 마이크로 점도계 동작시, 액추에이팅부(170)와 센싱부(180) 간의 전기적인 영향에 따라 발생되는 노이즈 성분을 제거할 필요가 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 점도계를 전기 회로로 나타낸 것이다.
도시된 바와 같이, 마이크로 점도계는 엑추에이팅부와 센싱부로 나누어 전기적인 회로로 구성될 수 있다. 이때 액추에이팅부에서 전압을 가하면 실질적으로 상기 전압에 따른 전류가 센싱부에 흐르지 않아야 순수 음파 압력에 따른 유체의 점도를 구할 수 있게 된다.
그러나 기판(113)의 특성상 액추에이팅부에 가해지는 전압이 직류 신호일 경우엔 전기적 임피던스가 무한대가 되어 액추에이팅부에 가해진 전압에 따른 전류가 센싱부로 흐르지 않지만, 액추에이팅부에 가해지는 전압이 직류 신호인 경우엔 전기적 임피던스가 작아지기 때문에 기판의 저항값이 낮아지게 되는 결과를 가져온다.
이에 따라 액추에이팅부에 가해진 전압에 따른 전류가 센싱부로 흐르게 되어 실질적으로 센싱부에서의 음압 측정시 노이즈 성분까지 측정되어 유체의 점도 측정의 정확성이 떨어지게 된다.
따라서, 도 12에서 보여지는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 점도계에서, 액추에이팅부(170)와 센싱부(180)는 전기적으로 독립되어야 할 필요성이 있다.
물리적으론, 액추에이팅부(170)와 센싱부(180)가 실질적으로 전기적인 독립성을 가질 수 있도록 제 1 챔버(120)와 제 2 챔버(130) 사이에서 박막(150)을 관통하고, 박막 하부에 배치된 기판(113)의 일부까지 메인 트랜치(S1)를 형성한다. 이때 메인 트랜치(S1)의 수는 적어도 하나 이상 일 수 있다.
바람직하게는 상기 메인 트랜치(S1)는 상기 박막(150)을 관통하고 적어도 상기 기판(113)의 전체 두께 대비 1/2이상에 해당하는 곳까지 상기 기판(113) 및 박막(150)에 형성된다. 이에 따라 충분히 액추에이팅부와 센싱부가 전기적인 독립성을 가질 수 있다.
한편, 액추에이팅부(170)나 센싱부(180)에 전압을 가할 때, 상기 액추에이팅부(170)의 제 1전극(175) 및 제 2전극 간(173) 혹은 상기 센싱부(180)의 제 3전극(185) 및 제 4전극(183) 간에도 가해진 전류의 영향으로 음압에 따른 유체의 점도 측정시 노이즈 성분이 측정될 수 있다.
이를 방지하기 위해 박막에서 제 1전극(175) 및 제 2 전극(173) 간 혹은 제 3전극(185) 및 제 4전극(183) 간에 전기적으로 독립될 필요성이 있다.
이를 물리적으로 해결하기 위한 일 실시예로, 제 1전극(175) 및 제 2 전극(173) 사이 혹은 제 3 전극(185) 및 제 4전극(183) 사이의 박막(150)에 보조 트랜치(S2)를 형성할 수 있다.
도 13a 내지 도 13g 는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 점도계의 제작 방법을 설명하기 위한 도이다.
먼저, 도 13a에 도시된 바와 같이, 내부에 이산화규소(SiO2)가 층을 이뤄 배치된 소이 웨이퍼(SOI: Silicon On Insulator Wafer)를 준비한다.
이후, 도 13b 에서와 같이, 상기 소이(Silicon On Insulator, SOI) 웨이퍼 상에 절연막을 열 산화(Thermal Oxidation)법으로 증착하여 실리콘 상, 하부에 절연막이 형성되는 박막을 형성하고, 이후 상기 절연막 상부에 순차적으로 하부전극층-압전층-상부전극층을 증착한다.
이후, 도 13c에서와 같이, 하부전극층, 압전층, 상부전극층이 소정의 형태로 상기 절연막 상에 배치되도록 패터닝한다. 이때, 패터닝은 하부전극층, 압전층, 상부전극층은 제 1 파트와 제 2 파트로 나뉘어 각각 액추에이팅부와 센싱부가 될 수 있도록 이루어진다.
이후 도 13d에서와 같이, 브리지 전극 일단이 상기 상부전극층의 일부 면과 면접촉 하며 형성되고, 타단은 상기 하부전극층과 쇼트되지 않도록 상기 절연막 상부에 면접촉 되며 배치된다.
한편, 브리지 전극의 형성방법은 도면에 도시되어 있지 않지만, 브리지전극을 형성하기 위해, 패터닝된 상부전극층 상부에 포터레지스터(Photoresistor)를 스핀 코팅하여 패터닝한 다음, 포토레지스터를 덮도록 상기 상부전극층상에 금(Au)을 증착한다. 이후, 금 상부에 포토레지스터를 스핀 코팅한 후 브리지 전극의 형상을 갖도록 패터닝 한 후, 금을 에칭한다. 마지막으로 포토레지스터를 에칭을 통하여 제거하면 브리지 전극이 형성된다.
이후, 도 13e에서와 같이, 액추에이팅부를 구성하는 제 1 파트와 센싱부를 구성하는 제 2 파트가 서로 전기적으로 독립되도록 상기 제 1 파트와 제 2파트 사이에 상기 절연막에서부터 상기 소이 웨이퍼의 소정 깊이까지 메인 트랜치를 형성한다. 이때, 도시된 바와 같이, 액추에이팅부와 센싱부의 외곽을 구획하도록 트랜치가 더 형성될 수 있다.
도면에는 도시되지 않았지만, 메인 트랜치는 상기 도 13d 에서 브리지 전극 형성 전에 형성될 수 있고, 이때, 브릿지 전극과 하부 전극간에 전기적인 영향이 미치지 않도록 보조 트랜치가 형성될 수 있다.
이후, 도 13f 에서와 같이, 절연막이 형성되지 않은 상기 소이 웨이퍼 면에 마이크로 채널을 형성하고, 상기 제 1 파트와 제 2 파트에 각각 대응되게 챔버를 형성한다. 이때, 마이크로 채널이나 챔버는 DRIE(Deep Reactive Ion Etching)공정을 통해 형성될 수 있다.
마지막으로 도 13g 에서와 같이, 상기 마이크로 채널과 상기 챔버가 공간적으로 구획되도록 상기 소이 웨이퍼 면에 투명한 재질의 커버를 부착한다. 이때, 커버는 PMMA 혹은 PDMS를 이용함이 바람직하다.
위와 같이, 기판에 마이크로 채널이나 챔버를 형성하는데 있어 실질적으로 공정 후단에서 이루어지기 때문에 여러 단계 공정에서 박막이 손상되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 공정 수가 최소화 할 수 있어 공정에 따른 수율이 향상될 수 있다.
이처럼 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 점도계는, 액체뿐만 아니라 기체에 대한 자유로운 점도 측정이 가능해지고, 그 크기가 지금까지 나온 그 어떤 점도계 보다 작은 크기이기 때문에 오직 점도만을 측정하는 독립적인 장비로 사용 되어질 뿐만아니라 기타 다른 장비의 부속품으로 들어가더라도 유체의 정확한 점도 측정을 가능하게 하는 장점을 가진다.
또한, 최근 들어 바이오 기술분야에 대한 관심이 높아지면서 혈액에 대한 점도 측정, 마이크로 피씨알(Micro PCR) 등으로 증폭된 DNA에 대한 점도 및 그 변화량 측정 등 여러 가지 생체의 액체 물질에 대한 점도 측정 등 보다 많은 분야에서 널리 활용할 수 있다.
본 출원의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
100: 마이크로 점도계
110: 본체
120: 제 1 챔버
130: 제 2 챔버
140: 마이크로 채널
150: 박막
170: 액추에이팅부
180: 센싱부

Claims (14)

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  8. 유체가 유입되는 유입구, 상기 유체가 유출되는 유출구, 상기 유입구와 상기 유출구에 각각 연결된 제 1 챔버와 제 2 챔버 및 상기 제 1 챔버와 상기 제 2 챔버를 서로 연결하는 마이크로 채널을 각각 공간적으로 구획하는 기판과 폴리머 재질의 커버를 포함하는 본체;
    상기 제 1 챔버의 일측에 배치되고, 상기 제 1 챔버내의 유체와 함께 진동하는 제 1 박막;
    상기 제 2 챔버의 일측에 배치되고, 상기 제 2 챔버내의 유체와 함께진동하는 제 2 박막;
    상기 제 1박막에 진동을 가하여 상기 제 1 챔버내의 상기 유체에 진동을 가하는 액추에이팅부; 및
    상기 제 1 박막의 진동에 의해 상기 마이크로 채널을 통해 상기 제 2 박막에 전달되는 상기 유체의 진동이나 압력을 센싱하는 센싱부를 포함하고,
    상기 제 1 챔버 및 제 2 챔버의 높이는 각각 상기 제 1박막 및 제 2박막의 제 1 차 공진 주파수와 대응되는 반파장의 길이와 실질적으로 동일하고,
    상기 제 1 챔버 및 제 2 챔버의 폭은 각각 상기 제 1 챔버 및 제 2 챔버의 높이보다 좁고,
    상기 기판의 저항값은 제 1박막 또는 제 2박막의 저항값보다 크고,
    상기 액추에이팅부와 상기 센싱부는 전기적으로 독립된 마이크로 점도계.
  9. 삭제
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 제 1 박막과 제 2 박막은 각각 실리콘 웨이퍼와 상기 실리콘 웨이퍼 상, 하면에 증착된 절연막을 포함하는 마이크로 점도계.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 절연막은 Si 계열의 절연막인 마이크로 점도계
  12. 소이(SOI) 웨이퍼 상에 절연막을 형성하는 단계;
    상기 절연막 상에 하부전극층, 압전층, 상부전극층을 순차적으로 증착하는 단계;
    상기 하부전극층, 압전층, 상부전극층이 각각 제 1 파트와 제 2 파트로 나뉘어 이격되도록 패터닝 한 후, 상기 상부 전극층에 브리지 전극을 형성하는 단계;
    상기 제 1 파트와 제 2 파트 사이에 상기 절연막에서부터 상기 소이 웨이퍼의 소정 깊이까지 트랜치를 형성하는 단계;
    상기 절연막이 형성되지 않은 상기 소이 웨이퍼 면에 마이크로 채널을 형성하고, 상기 제 1 파트와 제 2 파트에 각각 대응되게 챔버를 형성하는 단계; 및
    상기 마이크로 채널과 상기 챔버가 공간적으로 구획되도록 상기 소이 웨이퍼 면에 투명한 재질의 커버를 부착하는 단계
    를 포함하는 마이크로 점도계 제작 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 커버는 PMMA 혹은 PDMS인 마이크로 점도계 제작 방법.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 챔버와 상기 트랜치는 DRIE공정에 의해 형성되는 마이크로 점도계 제작 방법.
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