KR100741262B1 - 마이크로 점도계 - Google Patents

마이크로 점도계 Download PDF

Info

Publication number
KR100741262B1
KR100741262B1 KR1020060044516A KR20060044516A KR100741262B1 KR 100741262 B1 KR100741262 B1 KR 100741262B1 KR 1020060044516 A KR1020060044516 A KR 1020060044516A KR 20060044516 A KR20060044516 A KR 20060044516A KR 100741262 B1 KR100741262 B1 KR 100741262B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
sensing
pupil
fluid
vibration
diaphragm
Prior art date
Application number
KR1020060044516A
Other languages
English (en)
Inventor
문원규
최성준
Original Assignee
포항공과대학교 산학협력단
학교법인 포항공과대학교
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 포항공과대학교 산학협력단, 학교법인 포항공과대학교 filed Critical 포항공과대학교 산학협력단
Priority to KR1020060044516A priority Critical patent/KR100741262B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100741262B1 publication Critical patent/KR100741262B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N11/00—Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties
    • G01N11/10—Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties by moving a body within the material
    • G01N11/16—Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties by moving a body within the material by measuring damping effect upon oscillatory body
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/0093—Microreactors, e.g. miniaturised or microfabricated reactors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M7/00—Vibration-testing of structures; Shock-testing of structures
    • G01M7/02—Vibration-testing by means of a shake table
    • G01M7/025—Measuring arrangements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N11/00—Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties
    • G01N11/02—Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties by measuring flow of the material
    • G01N11/04—Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties by measuring flow of the material through a restricted passage, e.g. tube, aperture

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

본 발명은 마이크로 점도계에 관한 것으로서, 유체의 점성을 측정하는 마이크로 점도계로서, 유체의 유입구 및 유출구가 각각 형성되는 기판과, 유입구 및 유출구에 각각 연결되도록 기판에 형성되는 가진용 동공 및 센싱용 동공과, 가진용 동공 및 센싱용 동공을 서로 연결시키는 마이크로채널과, 가진용 동공 및 센싱용 동공의 일측에 내측의 유체와 함께 진동하도록 각각 마련되는 가진용 진동판 및 센싱용 진동판과, 가진용 진동판에 진동을 가하여 가진용 동공내의 유체에 진동을 가하는 가진수단과, 가진수단의 진동에 의해 마이크로채널을 통해서 센싱용 진동판에 전달되는 유체의 진동이나 압력을 유체의 점성 측정을 위해 센싱하는 센싱수단을 포함한다. 따라서, 본 발명은 MEMS(Micro-Electro Mechanical Systems) 구조물을 이용하여 유체의 점성을 측정함으로써 극소량의 유체만으로도 점성이나 그 변화율을 측정할 수 있고, 이로 인해 구하기 힘들거나 고가인 시약이나 기체의 점도를 측정할 수 있으며, 중력의 영향을 받지 않기 때문에 점도계의 위치가 어떤 방향으로 놓여 있더라도 자유로운 측정이 가능하고, 작은 크기를 가지기 때문에 독립적인 장비로 사용됨은 물론 다른 장비의 부품을 이루더라도 많은 부피를 차지하지 않으며, 점도를 효율적으로 신속하게 측정할 수 있는 효과를 가지고 있다.

Description

마이크로 점도계{MICRO-VISCOMETER}
도 1은 본 발명에 따른 마이크로 점도계를 도시한 평면도이고,
도 2는 본 발명에 따른 마이크로 점도계를 도시한 단면도이고,
도 3은 본 발명에 따른 방법에 의하여 단일 주파수(공진주파수)로 점성을 측정하는 방법을 설명하기 위한 그래프이고,
도 4는 본 발명에 따른 방법에 의하여 단일 주파수(공진주파수)로 물에 대한 점성을 측정하는 방법을 설명하기 위한 그래프이고,
도 5는
Figure 112006034584701-pat00001
인 경우에서의 결과와 본 발명에서 나타낸 결과의 비교에 대한 예를 나타낸 그래프이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
110 : 기판 111 : 유입구
112 : 유출구 113 : 본체
114 : 커버 120 : 가진용 동공
130 : 센싱용 동공 140 : 마이크로채널
150 : 가진용 진동판 160 : 센싱용 진동판
170 : 가진수단 171 : 제 1 압전체
172 : 제 1 전극 180 : 센싱수단
181 : 제 2 압전체 182 : 제 2 전극
191,192 : 개폐밸브
본 발명은 마이크로 점도계에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 MEMS(Micro-Electro Mechanical Systems) 구조물을 이용하여 유체의 점성을 측정함으로써 극소량의 유체만으로도 점성이나 그 변화율을 정확하고도 신속하게 측정할 수 있는 마이크로 점도계에 관한 것이다.
일반적으로, 점도란 유체 점성의 크기를 나타내는 물질 고유의 상수로서, 이러한 점도를 측정하기 위한 점도계는 다양한 종류가 개발되어 사용되고 있는데, 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)
Figure 112006034584701-pat00002
와 특성 길이
Figure 112006034584701-pat00003
의 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 관해 것이다. 이 점도계는 점도 센서(sensor)를 AT cut crystaline quartz로부터 제작된 디스크 형태의 크리스탈 박막을 사용하였다. 이러한 크리스탈 박막의 공진주파수를 얻기 위해 박막의 상하부에 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 하 며, 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 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 MEMS(Micro-Electro Mechanical Systems) 구조물을 이용하여 유체의 점성을 측정함으로써 극소량의 유체만으로도 점성이나 그 변화율을 측정할 수 있고, 이로 인해 구하기 힘들거나 고가인 시약이나 기체의 점도를 측정할 수 있으며, 중력의 영향을 받지 않기 때문에 점도계의 위치가 어떤 방향으로 놓여 있더라도 자유로운 측정이 가능하고, 작은 크기를 가지기 때문에 독립적인 장비로 사용됨은 물론 다른 장비의 부품을 이루더라도 많은 부피를 차지하지 않으며, 점도를 효율적으로 신속하게 측정할 수 있는 마이크로 점도계를 제공하는데 있다.
이와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은, 유체의 점성을 측정하는 마이크 로 점도계로서, 유체의 유입구 및 유출구가 각각 형성되는 기판과, 유입구 및 유출구에 각각 연결되도록 기판에 형성되는 가진용 동공 및 센싱용 동공과, 가진용 동공 및 센싱용 동공을 서로 연결시키는 마이크로채널과, 가진용 동공 및 센싱용 동공의 일측에 내측의 유체와 함께 진동하도록 각각 마련되는 가진용 진동판 및 센싱용 진동판과, 가진용 진동판에 진동을 가하여 가진용 동공내의 유체에 진동을 가하는 가진수단과, 가진수단의 진동에 의해 마이크로채널을 통해서 센싱용 진동판에 전달되는 유체의 진동이나 압력을 유체의 점성 측정을 위해 센싱하는 센싱수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 마이크로 점도계를 도시한 평면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 마이크로 점도계를 도시한 단면도이다. 도시된 본 발명에 따른 마이크로 점도계(100)는 크게 보면 헬몰쯔 공진기(Helmholtz resonator) 두 개를 서로 마주보게 붙인 형태로서 MEMS 기술을 이용하여 제작되어 극소량의 유체로도 점성을 측정할 수 있는 것으로서, 기판(110)과, 기판(110)에 형성되는 가진용 동공(120) 및 센싱용 동공(130)과, 가진용 동공(120) 및 센싱용 동공(130)을 서로 연결시키는 마이크로채널(140)과, 가진용 동공(120) 및 센싱용 동공(130)의 일측에 각각 마련되는 가진용 진동판(150) 및 센싱용 진동판(160)과, 가진용 진동판(150)에 진동을 가 하는 가진수단(170)과, 센싱용 진동판(160)의 진동이나 압력을 센싱하는 센싱수단(180)을 포함한다.
기판(110)은 내측으로 유체를 주입할 수 있는 유입구(111)와 내측의 유체를 유출할 수 있는 유출구(112)가 각각 형성되며, 제작의 용이 및 내부의 유체 확인을 위하여 본체(113)와 투명재질의 커버(114)로 이루어진다.
본체(113)는 유입구(111) 및 유출구(112)와 가진용 동공(120) 및 센싱용 동공(130), 그리고 마이크로채널(140)이 각각 형성되며, 일측면에 가진용 동공(120) 및 센싱용 동공(130) 내부의 유체와 함께 진동하는 가진용 진동판(150) 및 센싱용 진동판(160)이 마련된다.
한편, 일 실시예로 본체(113)는 실리콘 웨이퍼로 이루어질 수 있으며, 가진용 진동판(150) 및 센싱용 진동판(160)은 실리콘 웨이퍼에 증착되는 실리콘나이트라이드(SiN)막으로 이루어질 수 있다.
또한, 다른 실시예로 본체(113)는 실리콘 이중막 웨이퍼(SOI(Silicon On Insulator) wafer)로 이루어질 수 있으며, 가진용 진동판(150) 및 센싱용 진동판(160)은 실리콘 이중막 웨이퍼에 증착되는 실리콘막으로 이루어질 수 있다.
커버(114)는 시스템 내부, 즉 본체(113)에 형성되는 유입구(111) 및 유출구(112)와, 가진용 동공(120) 및 센싱용 동공(130)과, 마이크로채널(140) 내부를 외부에서 시각적으로 확인할 수 있도록 투명 재질로 제작되고, 본체(113)에 본딩, 일예로 퓨전 본딩되는 글래스 웨이퍼(Glass wafer)를 사용함이 바람직하다.
기판(110)의 유입구(111)로 유입되어 내측에 채워진 유체가 외부로 흐르지 않도록 하기 위하여 유입구(111) 및 유출구(112)측에 유체의 이동을 개폐하기 위한 개폐밸브(191,192)가 각각 마련된다.
가진용 동공(120) 및 센싱용 동공(130)은 유입구(111) 및 유출구(112)에 각각 연결되도록 기판(110), 즉 본체(113)에 형성된다.
마이크로채널(140)은 가진용 동공(120) 및 센싱용 동공(130)을 서로 연결시키도록 본체(113)에 형성되어 유체의 점성 손실이 주로 일어나는 공간을 제공하며, 본체(113)로부터 노출되도록 형성되어 커버(114)에 의해 밀폐된다.
가진용 진동판(150) 및 센싱용 진동판(160)은 가진용 동공(120) 및 센싱용 동공(130)의 일측에 진동하도록 각각 마련된다. 즉, 가진용 진동판(150) 및 센싱용 진동판(160)은 본체(113)의 일측면에 마련됨으로써 가진용 동공(120) 및 센싱용 동공(130)을 외부로부터 격리되도록 함과 아울러 가진용 동공(120) 및 센싱용 동공(130)에 채워지는 유체와 함께 진동하게 됨으로써 가진용 진동판(150)은 가진용 동공(120) 내부를 가진시키게 되며, 센싱용 진동판(160)은 마이크로채널(140)을 통해 전달된 신호를 센싱한다.
가진수단(170)은 가진용 진동판(150)에 진동을 가함으로써 가진용 동공(120) 내측의 유체에 진동을 가하는데, 바람직하게는 제 1 압전체(171) 양측에 제 1 전극(172)이 각각 마련되는 구성을 가진다.
센싱수단(180)은 가진수단(170)에 의해 가진용 동공(120)내의 유체가 일으키는 진동을 마이크로채널(140) 및 센싱용 동공(130)을 통해서 센싱용 진동판(160)에 전달되면, 이러한 유체의 진동이나 압력을 유체의 점성 측정을 위해서 센싱하게 되 는데, 바람직하게는 제 2 압전체(181) 양측에 제 2 전극(182)이 각각 마련되는 구성을 가진다.
한편, 가진수단(170) 및 센싱수단(180)은 일예로 압전체(171,181)를 사용하여 압전효과를 이용하였으나, 이에 한하지 않고, 일렉트로액티브 폴리머(Electroactive Polymer)를 이용할 수도 있다.
이와 같은 구조로 이루어진 마이크로 점도계의 동작은 다음과 같이 이루어진다.
도 2에 도시된 바와 같이, 기판(110) 내측의 공기를 유출구(112)를 통해서 외부로 유출시키면, 내부의 압력이 낮아져서 유입구(111)를 통해서 유체가 기판(110) 내측으로 유입되며, 기판(110)내에 유체가 채워지면 개폐밸브(191,192)를 차단시켜서 기판(110) 내부의 유체가 외부로 흘러 나가는 것을 방지한다.
그런 다음, 가진수단(170)의 한 쌍의 제 1 전극(172)에 시스템의 공진주파수를 포함하는 주파수 구간에서 아래의 수학식 1과 같은 사인(Sine) 함수로 전압(
Figure 112006034584701-pat00004
)을 인가하게 되면, 제 1 압전체(171)가 가진용 진동판(150)에 진동을 가하게 된다.
Figure 112006034584701-pat00005
가진용 진동판(150)이 진동하게 되면 시스템 내부, 즉 기판(110) 내측의 음향학적 경계층의 영향으로 음파의 손실이 일어나게 된다. 이러한 손실은 크게 두 가지로 나눌 수 있는데, 입자 속도가 가장 빠른 마이크로채널(140) 내부에서의 점 성 경계층
Figure 112006034584701-pat00006
에 대한 손실
Figure 112006034584701-pat00007
과 면적대 부피비가 큰 가진용 동공(120) 및 센싱용 동공(130)에서의 열적 경계층
Figure 112006034584701-pat00008
으로 인한 열적 손실
Figure 112006034584701-pat00009
로 나뉜다.
만약 점성 경계층이나 열적 경계층이 마이크로채널(140)의 반경 또는 높이의 절반인
Figure 112006034584701-pat00010
보다 굉장히 작다고 가정한다면 이러한 경계층의 손실들은
Figure 112006034584701-pat00011
factor와 아래의 수학식 2와 같은 관계를 가진다.
Figure 112006034584701-pat00012
여기서,
Figure 112006034584701-pat00013
는 유체의 비열비(the ratio of specific heat),
Figure 112006034584701-pat00014
은 동공의 면적, 그리고
Figure 112006034584701-pat00015
는 동공의 체적, δν는 마이크로 채널(140) 내부의 점성 경계층의 두께, δt는 동공(120,130)에서의 열적 경계층의 두께를 나타낸다.
음파는 이러한 손실을 가지고 센싱용 진동판(160)에 전달되어 그것을 가진시키게 되고, 센싱수단(180)의 제 2 압전체(181)의 영향으로 인해 센싱용 진동판(160)으로부터 출력되는 주파수 응답을 측정할 수 있다. 이러한 주파수 응답에 대한
Figure 112006034584701-pat00016
factor를 측정하게 되면 수학식 2를 이용해서 아래의 수학식 3과 같이 유체의 점성을 측정할 수 있게 된다.
Figure 112006034584701-pat00017
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.
이러한 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. 이 때 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 가진수단(170)의 주파수 증가에 따른 센싱수단(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 저장한 다음 측정하고자 하는 유체에 가진수단(170)으로부터 가해지는 주파수 대비 센싱수단(180)에 의해 센싱되는 압력을 획득하여 상기의 데이터중 일치하는 데이터에 해당하는 점성으로부터 측정하고자 하는 유체의 점성을 구하게 된다. 기준이 되는 유체의 점성 데이터는 실시예에 서 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 112006034584701-pat00018
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.
Figure 112006034584701-pat00019
한편, 헬몰쯔 공진기(Helmholtz resonator)는 시스템의 특성 크기가 주파수 파장 길이 보다 훨씬 작은 경우인
Figure 112006034584701-pat00020
인 수십에서 수백 Hz에서 보통 적용이 된다. 여기서
Figure 112006034584701-pat00021
는 파수(Wave number),
Figure 112006034584701-pat00022
은 마이크로채널(140)의 길이를 뜻한다. 이에 대하여, 본 발명은 MEMS 공정을 이용하기 때문에 일반적인 점도계와 비교해서 굉장히 작고 얇은 형태를 가져 시스템 자체의 공진주파수는 수천에서 많게는 수십만 Hz까지 상승하게 된다. 그리하여 본 시스템은 헬몰쯔 공진기의 주파수 구간인
Figure 112006034584701-pat00023
을 만족하지 못하는 영역에서 작동하게 되므로 주파수 구간을 확장하여 해석한다. 이를 위해 본 시스템의 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.
Figure 112006034584701-pat00024
여기서, 각각에 대한 임피던스는 아래와 같다.
Figure 112006034584701-pat00025
는 가진용 진동판(150)에 대한 음향학적 임피던스이고,
Figure 112006034584701-pat00026
는 센싱용 진동판(160)에 대한 음향학적 임피던스이고,
Figure 112006034584701-pat00027
는 가진용 동공(120)에 대한 음향학적 임피던스이고,
Figure 112006034584701-pat00028
는 센싱용 동공(120)에 대한 음향학적 임피던스이고,
Figure 112006034584701-pat00029
는 마이크로채널(140)에 대한 음향학적 임피던스이고,
Figure 112006034584701-pat00030
는 유입구(111) 및 유출구(112)에 대한 음향학적 임피던스이다.
또한,
Figure 112006034584701-pat00031
와
Figure 112006034584701-pat00032
는 가진용 진동판(150) 및 센싱용 진동판(160) 각각에 대한 음향학적 스티프니스(Acoustic Stiffness)이고,
Figure 112006034584701-pat00033
과
Figure 112006034584701-pat00034
는 가진용 동공(120) 및 센싱용 동공(130)의 높이를 각각 뜻하며,
음향학적 임피던스
Figure 112006034584701-pat00035
에서
Figure 112006034584701-pat00036
를 각각 뜻한다.
만약, 가진용 동공(120) 및 센싱용 동공(130)의 크기와 모양이 같다면
Figure 112006034584701-pat00037
를 좀 더 간단히 나타낼 수 있고, 그 후 공진주파수를 찾기 위해서
Figure 112006034584701-pat00038
의 리액턴스 항만을 취하면 아래의 수학식 6과 같다.
Figure 112006034584701-pat00039
그러므로,
Figure 112006034584701-pat00040
을 만족하는
Figure 112006034584701-pat00041
값에 대한 주파수가 공진주파수를 뜻한다. 그 값들을 우선
Figure 112006034584701-pat00042
라고 표현하면, 아래의 수학식 7이 된다.
Figure 112006034584701-pat00043
공진주파수는 아래의 수학식 8과 같이 구할 수 있게 된다.
Figure 112006034584701-pat00044
한편, 도 5는 헬몰쯔 공진기에 대한
Figure 112006034584701-pat00045
인 경우의 결과와 본 발명에서 밝힌
Figure 112006034584701-pat00046
의 값에 상관없이 적용 가능한 방법에 대한 결과를 비교한 그래프이다. 즉, 본 발명의 계산법은 마이크로채널(140)의 반경이 작아서 시스템의 공진주파수가 낮아
Figure 112006034584701-pat00047
의 조건을 만족시키게 되면 헬몰쯔 공진기의 계산법에 근접하고, 반대로 마이크로채널(140)의 반경이 커지면 공진주파수가 올라가게 되므로 헬몰쯔 공진기 계산법의 가정인
Figure 112006034584701-pat00048
의 조건을 만족하지 못하기 때문에 본 발명의 계산법을 적용해야 한다는 것을 보여준다.
이상과 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 액체뿐만 아니라 기체에 대한 자유로운 점도 측정이 가능해지고, 그 크기가 지금까지 나온 그 어떤 점도계 보다 작은 크기이기 때문에 오직 점도만을 측정하는 독립적인 장비로 사용되어질 뿐만 아니라 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.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로 점도계는 MEMS(Micro-Electro Mechanical Systems) 구조물을 이용하여 유체의 점성을 측정함으로써 극소량의 유체만으로도 점성이나 그 변화율을 측정할 수 있고, 이로 인해 구하기 힘들거나 고가인 시약이나 기체의 점도를 측정할 수 있으며, 중력의 영향을 받지 않기 때문에 점도계의 위치가 어떤 방향으로 놓여 있더라도 자유로운 측정이 가능하고, 작은 크기를 가지기 때문에 독립적인 장비로 사용됨은 물론 다른 장비의 부품을 이루더라도 많은 부피를 차지하지 않으며, 점도를 효율적으로 신속하게 측정할 수 있는 효과를 가지고 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 마이크로 점도계를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

Claims (8)

  1. 유체의 점성을 측정하는 마이크로 점도계로서,
    유체의 유입구 및 유출구가 각각 형성되는 기판과,
    상기 유입구 및 상기 유출구에 각각 연결되도록 상기 기판에 형성되는 가진용 동공 및 센싱용 동공과,
    상기 가진용 동공 및 상기 센싱용 동공을 서로 연결시키는 마이크로채널과,
    상기 가진용 동공 및 상기 센싱용 동공의 일측에 내측의 유체와 함께 진동하도록 각각 마련되는 가진용 진동판 및 센싱용 진동판과,
    상기 가진용 진동판에 진동을 가하여 상기 가진용 동공내의 유체에 진동을 가하는 가진수단과,
    상기 가진수단의 진동에 의해 상기 마이크로채널을 통해서 상기 센싱용 진동판에 전달되는 유체의 진동이나 압력을 유체의 점성 측정을 위해 센싱하는 센싱수단
    을 포함하는 마이크로 점도계.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은,
    상기 가진용 동공 및 상기 센싱용 동공과 상기 마이크로채널이 각각 형성되는 본체와,
    상기 본체 내측의 유체를 외부에서 확인할 수 있도록 상기 본체에 본딩되는 투명재질의 커버
    를 포함하는 마이크로 점도계.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 본체는 실리콘 웨이퍼로 이루어지며,
    상기 본체에 마련되는 가진용 진동판 및 센싱용 진동판은 상기 실리콘 웨이퍼에 증착되는 실리콘나이트라이드막인 것
    을 특징으로 하는 마이크로 점도계.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 본체는 실리콘 이중막 웨이퍼로 이루어지며,
    상기 본체에 마련되는 가진용 진동판 및 센싱용 진동판은 상기 실리콘 이중막 웨이퍼에 증착되는 실리콘막인 것
    을 특징으로 하는 마이크로 점도계.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 커버는,
    글래스 웨이퍼로 이루어지는 것
    을 특징으로 하는 마이크로 점도계.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 가진수단은,
    제 1 압전체 양측에 제 1 전극이 각각 마련되어 상기 가진용 진동판에 설치되는 것
    을 특징으로 하는 마이크로 점도계.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 센싱수단은,
    제 2 압전체 양측에 제 2 전극이 각각 마련되어 상기 센싱용 진동판에 설치되는 것
    을 특징으로 하는 마이크로 점도계.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판의 유입구 및 유출구측에 유체의 이동을 개폐하기 위한 개폐밸브가 각각 마련되는 것
    을 특징으로 하는 마이크로 점도계.
KR1020060044516A 2006-05-18 2006-05-18 마이크로 점도계 KR100741262B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020060044516A KR100741262B1 (ko) 2006-05-18 2006-05-18 마이크로 점도계

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020060044516A KR100741262B1 (ko) 2006-05-18 2006-05-18 마이크로 점도계

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR100741262B1 true KR100741262B1 (ko) 2007-07-19

Family

ID=38499147

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020060044516A KR100741262B1 (ko) 2006-05-18 2006-05-18 마이크로 점도계

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100741262B1 (ko)

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011105668A1 (ko) * 2010-02-23 2011-09-01 광주과학기술원 유체 점도 측정 장치
KR101215353B1 (ko) 2011-03-03 2012-12-26 광주과학기술원 유체 점도 측정 장치 및 점도 측정 방법
KR101265236B1 (ko) * 2011-07-07 2013-05-16 한국생산기술연구원 음파 감쇠를 이용한 마이크로 점도계 및 이를 생산하기 위한 제조방법
US8544316B2 (en) 2011-07-18 2013-10-01 Korea Institute Of Industrial Technology Micro viscometer
WO2013172513A1 (ko) * 2012-05-18 2013-11-21 한국생산기술연구원 마이크로 점도계 및 이를 생산하기 위한 제조방법
US8667831B2 (en) 2011-07-18 2014-03-11 Korea Institute Of Industrial Technology Micro viscometer
US8677807B2 (en) 2011-07-18 2014-03-25 Korea Institute Of Industrial Technology Micro viscometer
US9128022B2 (en) 2012-05-18 2015-09-08 Korea Institute Of Industrial Technology Micro viscometers and methods of manufacturing the same
KR20180028604A (ko) 2016-09-09 2018-03-19 주식회사 엘지화학 주입 공정성 평가 방법 및 주입 공정성 평가 시스템
CN110681559A (zh) * 2019-09-10 2020-01-14 武汉大学 具有亥姆霍兹谐振腔的mems压电超声换能器

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS633240A (ja) 1986-06-23 1988-01-08 Ckd Controls Ltd 粘度センサ
JPH08201265A (ja) * 1994-11-25 1996-08-09 Ngk Insulators Ltd 粘度測定装置及び流体の特性測定装置
JP2000121547A (ja) 1998-10-14 2000-04-28 Shimadzu Corp 検出計セル
US6537437B1 (en) 2000-11-13 2003-03-25 Sandia Corporation Surface-micromachined microfluidic devices
JP2006003144A (ja) 2004-06-16 2006-01-05 Seiko Instruments Inc 分析用マイクロセンサ
JP2006242607A (ja) 2005-03-01 2006-09-14 Rohm Co Ltd マイクロ流路及びマイクロ流体チップ

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS633240A (ja) 1986-06-23 1988-01-08 Ckd Controls Ltd 粘度センサ
JPH08201265A (ja) * 1994-11-25 1996-08-09 Ngk Insulators Ltd 粘度測定装置及び流体の特性測定装置
JP2000121547A (ja) 1998-10-14 2000-04-28 Shimadzu Corp 検出計セル
US6537437B1 (en) 2000-11-13 2003-03-25 Sandia Corporation Surface-micromachined microfluidic devices
JP2006003144A (ja) 2004-06-16 2006-01-05 Seiko Instruments Inc 分析用マイクロセンサ
JP2006242607A (ja) 2005-03-01 2006-09-14 Rohm Co Ltd マイクロ流路及びマイクロ流体チップ

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011105668A1 (ko) * 2010-02-23 2011-09-01 광주과학기술원 유체 점도 측정 장치
US9097634B2 (en) 2010-02-23 2015-08-04 Gwangju Institute Of Science And Technology Fluid viscosity measuring device
KR101215353B1 (ko) 2011-03-03 2012-12-26 광주과학기술원 유체 점도 측정 장치 및 점도 측정 방법
KR101265236B1 (ko) * 2011-07-07 2013-05-16 한국생산기술연구원 음파 감쇠를 이용한 마이크로 점도계 및 이를 생산하기 위한 제조방법
US8544316B2 (en) 2011-07-18 2013-10-01 Korea Institute Of Industrial Technology Micro viscometer
US8667831B2 (en) 2011-07-18 2014-03-11 Korea Institute Of Industrial Technology Micro viscometer
US8677807B2 (en) 2011-07-18 2014-03-25 Korea Institute Of Industrial Technology Micro viscometer
WO2013172513A1 (ko) * 2012-05-18 2013-11-21 한국생산기술연구원 마이크로 점도계 및 이를 생산하기 위한 제조방법
KR101349796B1 (ko) * 2012-05-18 2014-01-16 한국생산기술연구원 마이크로 점도계 및 이를 생산하기 위한 제조방법
US9128022B2 (en) 2012-05-18 2015-09-08 Korea Institute Of Industrial Technology Micro viscometers and methods of manufacturing the same
KR20180028604A (ko) 2016-09-09 2018-03-19 주식회사 엘지화학 주입 공정성 평가 방법 및 주입 공정성 평가 시스템
CN110681559A (zh) * 2019-09-10 2020-01-14 武汉大学 具有亥姆霍兹谐振腔的mems压电超声换能器

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100741262B1 (ko) 마이크로 점도계
EP2788748B1 (en) Acoustic sensor
US7874199B2 (en) Density and viscosity sensor
US9039976B2 (en) MEMS sensors with closed nodal anchors for operation in an in-plane contour mode
US20020194908A1 (en) Integrated microtube sensing device
KR20010099776A (ko) 액체의 밀도와 점도를 산출하기 위한 센서 어레이 및 방법
KR101696665B1 (ko) 체적 음향 공진기 센서
US8544316B2 (en) Micro viscometer
JP4155960B2 (ja) 発振回路が適用された微細質量測定装置及び方法
US9134295B1 (en) Serial arrays of suspended microchannel resonators
Ledesma et al. Single-cell system using monolithic PMUTs-on-CMOS to monitor fluid hydrodynamic properties
KR101265236B1 (ko) 음파 감쇠를 이용한 마이크로 점도계 및 이를 생산하기 위한 제조방법
Najmzadeh et al. A silicon straight tube fluid density sensor
JP2020526773A (ja) センサを流体材料とインターフェースさせるための方法及び装置
JP4616123B2 (ja) 分析用マイクロセンサ
US8677807B2 (en) Micro viscometer
Yanez et al. AlN-based HBAR ultrasonic sensor for fluid detection in microchannels with multi-frequency operation capability over the GHz range
Goyal et al. Design and simulation of a mems-based capacitive micro-machined ultrasonic transducer for viscosity sensing applications
KR101349796B1 (ko) 마이크로 점도계 및 이를 생산하기 위한 제조방법
US8667831B2 (en) Micro viscometer
Liang et al. On-chip nanofluidic integration of acoustic sensors towards high Q in liquid
Eidi Fabricated electromechanical resonator sensor for liquid viscosity measurement
Vachon et al. Investigation of Localized Flexural Lamb Wave for Acoustofluidic Actuation and Particle Control
Mansoorzare et al. Parylene-coated piezoelectrically-actuated silicon disc resonators for liquid-phase sensing
US9128022B2 (en) Micro viscometers and methods of manufacturing the same

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20100630

Year of fee payment: 4

LAPS Lapse due to unpaid annual fee