KR100804686B1

KR100804686B1 - 기포 동력 마이크로 펌프

Info

Publication number: KR100804686B1
Application number: KR1020060116558A
Authority: KR
Inventors: 이대근; 최경빈; 동상근; 고창복; 정정열; 곽호영
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2006-11-23
Filing date: 2006-11-23
Publication date: 2008-02-18

Abstract

본 발명은 기포동력마이크로펌프 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 간단한 구조로 대량생산이 가능하도록 함은 물론 기계적인 구동부를 제거하여 장기적인 신뢰성을 제공할 수 있는 기포동력마이크로펌프 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 기포를 동력으로 사용 마이크로 펌프에 있어서, 기표층으로 상면에 형성된 홈에 마이크로히터가 개재되는 제1실리콘웨이퍼층와; 상기 제1실리콘웨이퍼층에 적층되고, 마이크로히터와 교차되는 방향으로 유로가 형성되는 제2실리콘웨이퍼층; 상기 마이크로히터의 양단부로부터 상측으로 연통되어 외부로부터 접지에 의해 전력이 공급되도록 하는 전원공급통로와, 상기 유로의 양단부로부터 상측으로 연통되는 유체유입구 및 유체배출구가 형성된 유리웨이퍼층;이 순차적으로 적층되어 이루어짐을 특징으로 한다.

마이크로펌프, 마이크로히터, 유로, 챔버, 실리콘웨이퍼, 기포

Description

기포 동력 마이크로 펌프{Bubble-powered micro pump}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시일예에 따른 마이크로펌프의 구성도.

도 2는 도 1의 A-A단면도.

도 3은 도 1의 B-B단면도.

도 4a~도 4f는 본 발명의 주요부에 따른 마이크로히터 설치과정으로 도시한 순서도.

도 5a와 도 5b는 본 발명에 따른 마이크로히터의 실시일예를 도시한 평면도.

도 6a와 도 6b는 본 발명에 따른 마이크로히터의 다른 실시일예를 도시한 평면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 마이크로펌프 20 : 제1실리콘웨이퍼층

21 : 마이크로히터 30 : 제2실리콘웨이퍼층

31 : 유로 40 : 유리웨이퍼층

41 : 전원공급통로 42 : 유체유입구

43 : 유체배출구 50 : 산화실리콘층

51 : 홈 60 : 기포

310 : 유입마이크로유로 311 : 노즐

312 : 챔버 313 : 확산기

314 : 배출마이크로유로 511 : 폴리실리콘

512 : 광각막

최근에 마이크로 머시닝(Micro-machining)기술의 비약적인 발전은 다양한 기능을 하는 마이크로 전자기계시스템(MEMS; Micro Electro Mechanical System)의 개발을 가능하게 하였다. 이러한 MEMS 장치들은 크기, 비용 및 신뢰성의 관점에서 많은 장점을 가지고 있다. 특히, 유체시스템을 초소형화시켜 하나의 칩상에 구현하려는 연구가 진행되고 있으며, 이처럼 초소형화된 유체시스템에는 작동유체를 유동시키는 마이크로 펌프가 기본요소로서 사용되고 있다.

상기 유체를 유동시키는 마이크로펌프는 지난 10여 년간 많은 연구자들이 다양한 원리로 연구 및 제안하여 왔다.

Koch 등은(M. Koch, A. G. R. Evans and A. Brunnschweiler, 1998, "The dynamic micropump driven with a screen printed PZT actuator," J. Micromech . Microeng ., vol. 8, pp. 119-122.) PZT 박막과 노즐/확산기를 제작하고 에탄올을 이용하여 마이크로펌프 실험을 수행하였으며, 사인파의 전압을 600 V, 작동 주파수를 2 kHz로 공급하여 최대 155 ㎛/min의 유량을 얻었다.

또한, Jun과 Kim은(T. K. Jun and C. J. Kim, 1998, "Valveless pumping using traversing vapour bubbles in microchannels," J. Appl . Phys ., vol. 83, pp. 5658-5664.) 수력직경이 3.4㎛인 마이크로 유로에서 마이크로 히터로 기포를 발생시키고, 연속하여 설치된 3개의 마이크로 히터로 유로의 길이방향으로 온도 구배를 형성하여 기포를 이동시키는 방법의 마이크로 펌프를 개발하였다. 그들은 3개의 히터에 공급되는 전압 펄스의 폭, 겹칩, 크기 등을 조절하여 실험을 수행하였으며 최고 0.5 nl/min의 유량과 이때 800 Pa의 압력수두를 얻었다.

다음으로, Olsson 등은(A. Olsson, G. Stemme and E. Stemme, 1995, "A valve-less planar fluid pump with two pump chambers," Sensors Actuators A, vol. 47, pp. 549-556.) 노즐/확산기와 얇은 횡격막의 운동을 이용한 펌프의 모델을 제시하였고, Tsai와 Lin은(J. H. Tsai and L. Lin, 2002, "A thermal-bubble-actuated micronozzle-diffuser pump," J. Microelectromech . Syst ., vol. 11, pp. 665-671.) 알루미늄 박막 히터를 이용한 노즐/확산기 마이크로 펌프를 제작, IPA(Isopropyl Alcohol)로 실험하였다. 이들은 1 W의 전력을 250 Hz(10 %duty)로 공급하여 5 ㎛/min의 최고유량과 377 Pa의 정압수두를 얻었다.

Sim 등(W. Y. Sim, H. J. Yoon, O. C. Jeong and S. S. Yang, 2003, "A phase-change type micropump with aluminum flap valves," J. Micromech . Microeng ., vol. 13, pp. 286-294.) 및 양상식(특허 10-0493208, “극미량 유체의 자유로운 이용을 위한 상변화 구동 방식 마이크로 펌프 및 그 제조 방법”, 등록일자 2005년 05월 25일.)은 2개의 알루미늄 박막 밸브를 이용한 마이크로 펌프를 제작하여, 물을 작동유체로 사용하여 실험하였다. 이들은 10 V의 전압을 0.5 Hz(60 %duty)로 히터에 가하여 최고 6.1 ㎛/min의 유량과 압력수두는 10 mmH₂O를 얻었다.

하지만 앞에서 언급한 연구들 중 Koch, Olsson, Sim, 양상식의 건은 구조가 복잡하고, Olsson, Sim, 양상식의 건은 제작이 어려우며, Koch, Sim 건은 내구성의 문제를 가지고 있다. 그리고 기포력을 이용한 이들의 연구에서 기포의 거동에 대한 내용은 보고되지 않고 있다.

또한, Tsai와 Lin은 저항이 매우 작은 알루미늄 막박을 히터로 사용하였기 때문에 저항을 높이기 위하여 꾸불꾸불한 형상으로 히터를 제작하였다. 그리고 원하는 위치에서 기포의 생성을 이루어지지 않았으며 작동 주파수 250 Hz로 전력을 공급한 것은 실제 기포를 제어하였다고 보기 어렵다.

본 발명은 상기의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로,

의약, 약학 및 최첨단 MEMS(Microelectromechanical Systems) 분야의 연구 및 응용에 사용되는 마이크로 펌프를 소형화시키는 과정에서 종래 펌프가 구조가 복잡하고 내구성이 떨어지는 금속 밸브나 박막 등을 사용함으로써 장기적인 신뢰성을 확보하기 어려운 단점을 보완하도록 3중 구조를 갖는 마이크로 펌프를 제작함으로써, 구조를 단순화하고 적은 전력으로 큰 유량을 얻을 수 있도록 하며, 챔버내의 기포거동을 관찰함으로써 최적의 조건으로 기포를 제어하여 원하는 유량을 얻을 수 있도록 하고, 기계적 구동부가 없기 때문에 장기적 신뢰성을 확보할 수 있는 기포력마이크로펌프의 제공을 목적으로 한다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기포 동력 마이크로 펌프는,

기포를 동력으로 사용 마이크로 펌프에 있어서, 기표층으로 상면에 형성된 홈에 마이크로히터가 개재되는 제1실리콘웨이퍼층와; 상기 제1실리콘웨이퍼층에 적층되고, 마이크로히터와 교차되는 방향으로 유로가 형성되는 제2실리콘웨이퍼층; 상기 마이크로히터의 양단부로부터 상측으로 연통되어 외부로부터 접지에 의해 전력이 공급되도록 하는 전원공급통로와, 상기 유로의 양단부로부터 상측으로 연통되는 유체유입구 및 유체배출구가 형성된 유리웨이퍼층;이 순차적으로 적층되어 이루어짐을 특징으로 한다.

상기 제1실리콘웨이퍼층의 상부면에는 산화막을 형성하여 절연이 이루어지게 하는 산화실리콘층을 더 형성하고, 상기 산화실리콘층에 마이크로히터를 개재하는 홈이 형성되도록 할 수 있다.

또한 상기 제2실리콘웨이퍼층에 형성된 유로는, 상부와 연통된 유체유입구로부터 수평상으로 형성된 유입마이크로유로와; 상기 유입마이크로유로의 일단에 유로의 폭을 일시적으로 작게한 후 점차적으로 큰폭을 갖도록 테이퍼진 노즐과; 상기 노즐의 일단에 형성되어 저면에 마이크로히터가 개재되어 있는 챔버와; 상기 챔버의 일측에 형성되어 점차적으로 큰폭을 갖도록 테이퍼진 확산기와; 상기 확산기의 일단에 연통되고 타단이 유체배출구와 연통된 배출마이크로유로;가 동일 선상에 위치하도록 구성된다.

한편, 상기 마이크로히터를 개재하기 위한 홈은 건식 식각으로 형성하고, 형성된 홈에는 폴리실리콘을 증착시켜 마이크로히터로 사용되도록 하며, 상기 증착되는 폴리실리콘은 전기적인 성질을 개선시키기 위해 인을 도핑하여 사용되는 것이 바람직하다.

상기 마이크로히터는 바형태로 단선 또는 복선으로 형성될 수 있으며, 중앙부분이 유로와 동일한 방향으로 연장형성되게 할 수 있다.

이하, 상기한 바와 같은 기포 동력 마이크로 펌프를 첨부된 도면을 참조로 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시일예에 따른 마이크로펌프의 구성도이고, 도 2는 도 1의 A-A단면도이고, 도 3은 도 1의 B-B단면도이고, 도 4a~도 4f는 본 발명의 주요부에 따른 마이크로히터 설치과정으로 도시한 순서도이고, 도 5a와 도 5b는 본 발명에 따른 마이크로히터의 실시일예를 도시한 평면도이고, 도 6a와 도 6b는 본 발명에 따른 마이크로히터의 다른 실시일예를 도시한 평면도이다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와같이 본 발명의 기포동력 마이크로펌프(10)는 제1실리콘웨이퍼층(20)과, 제2실리콘웨이퍼층(30), 유리웨이퍼층(40), 산화실리콘층(50)이 적층되어 이루어진다.

상기 제1실리콘웨이퍼층(20)은 상부에 홈이 형성되고, 상기 홈에 마이크로히터가 개재되거나, 도시된 바와같이 상기 제1실리콘웨이퍼층(20)의 상부면에 절연이 이루어지도록 산화막을 형성된 산화실리콘층(50)을 형성하고 상기 산화실리콘층(50)의 상부에 마이크로히터(21)가 개재되는 홈이 형성되도록 할 수 있다.

상기 마이크로히터(21)를 형성시키는 과정을 도 4a ~ 도 4f를 참조하여 설명하면, 제1실리콘웨이퍼층(20)의 상부에 절연을 위해 산화시켜 막을 형성되게 한 산화실리콘층(50)이 형성되도록 한다.(도 4a)

상기 산화실리콘층의 상부에 건식식각으로 홈(51)을 형성하고(도 4b), 그 상면에 LPCVD(low-pressure chemical vapor deposition)방식으로 폴리실리콘(511)을 증착시키고, 상기 증착된 폴리실리콘은 전기적인 성질 개선을 위하여 인(phosphorous)으로 도핑한다(도 4c).

상기 폴리실리콘을 증착시킨 후에 광각막(512)을 도포하고(도 4d), 노광에 의해 마이크로히터부분을 제외한 다른 부분을 제거시킨다(도 4e).

다음으로 폴리실리콘 식각법을 이용하여 노출된 폴리실리콘을 제거한 후, 남아 있는 광각막(512)을 제거하면 최종적으로 마이크로히터(21)가 개재되도록 한 것이다.(도 4f)

상기 제1실리콘웨이퍼층(20) 또는 산화실리콘층(50)의 상부에 개재되는 제2실리콘웨이퍼층(30)은 하부층에 형성된 마이크로히터(21)와 교차되는 방향으로 유로(31)가 형성된다.

상기 유로(31)는 건식식각방법에 의해 형성되는 것으로, 유입마이크로유로(310), 노즐(311), 챔버(312), 확산기(313), 배출마이크로유로(314)가 수평상으로 형성된다. 상기 유입마이크로유로(310)의 일측단부에는 상부로 연통된 유체유입구(42)와 연통되어 있고, 타측단부는 노즐(311)이 연통설치된다. 상기 노즐(311)은 유입 마이크로유로와 접하는 부분의 폭을 작게 하고 타측을 넓게 테이퍼지도록 형성되며, 상기 넓은 폭을 갖는 단부에는 챔버(312)가 형성되도록 한다. 또한 상기 챔버(312)에는 노즐과 대향되는 부분에 확산기(313)가 연통형성되는 것으로, 상기 확산기는 챔버와 접하는 부분이 작은 폭으로 형성하여 점차적으로 넓은 면을 갖도록 테이퍼지게 형성된다. 이러한 확산기(313)의 타단에는 배출마이크로유로(314)가 형성되고 배출마이크로유로의 타측단부에는 유체배출구(43)가 형성되는 것이다.

아울러 외부로부터 전원이 공급되도록 상기 마이크로히터(21) 양단부로부터 상측인 제2실리콘웨이퍼층과 유리웨이퍼층으로 전원공급통로(41)가 연통 형성되도록 하고, 형성된 두 전원공급통로 중 일측에는 +단자가 타측에는 -단자가 연결되어 마이크로히터에서 열을 발생되도록 한다. 이 때 전원공급통로(41)는 챔버(312)와 연통되는 것을 방지하기 위해 상기 마이크로히터(21)의 길이는 챔버(312)의 폭보 다 길게 형성되도록 하는 것이 바람직하다.

마지막으로 최상층으로 형성하는 유리웨이퍼층(40)은 절연성을 제공하고, 샌드블라스터(sand blaster)방법에 의해 상술된 유체유입구(42)와 유체배출구(43) 및 전원공급통로(41)가 하부층인 제2실리콘웨이퍼층(30)과 연통되도록 형성되어 있다.

이러한 구조에서 상기 전원공급통로(41)로 마이크로히터(21)에 전원을 공급하면, 상기 마이크로히터(21)에는 열이 발생하게 되고, 챔버(312)내의 기포(60)는 마이크로히터의 열을 전달받아 부피가 팽창 또는 수축하게 된다. 이러한 기포의 수축팽착작용에 의해 유체는 유체유입구와 배출마이크로유로 및 노즐에 의해 챔버로 유입된다.

즉, 기포작용으로 인해 상기 수축력은 확산기보다는 노즐(311)에 크게 작용하여 노즐로부터 유체를 유입하도록 하고, 팽창력은 확산기(313)부분에 크게 작용하여 유입된 유체가 확산기(313)를 통해 배출되도록 하는 것이다.

이는 기포의 수축시 수축력이 노즐(311)부분에는 큰 폭에 수축력이 작용되고 확산기(313)부분에는 작은 폭에 작용하게 됨에 따라 최종적으로 노즐(311)부분은 큰폭에 작용된 수축력이 노즐타단에 작은폭에 전달되어 큰 수압이 작용됨으로 유체가 유입되는 것이고, 확산기(313)에는 작은폭에 전달된 수축력이 미비하여 유체의 유입이 이루어지지 않게 되는 것이다.

반대로 팽창력의 경우에는 노즐(311)의 큰폭에 팽창력이 전달되어 작은 폭으로 진행되는데 작은 폭에서는 큰 저항력이 작용되어 배출이 용이하게 이루어지지 않는데 반하여 확산기(313)에는 작은폭에 팽창력이 전달되어 큰폭으로 진행됨으로 저항없이 원활하게 배출이 이루어지는 것이다.

이와같이 열에 의해 챔버내의 유체저장용량을 변화시키는 마이크로히터(21)는 도 5a에 도시된 바와같이 기포(60)를 교차하도록 단선의 바형태로 형성된다. 이러한 마이크로히터는 도 5b를 참조한 바와같이 중앙부분을 유로와 동일한 방향으로 연장시켜 기포와의 접촉면적을 증가해 신속한 팽창 및 수축이 이루어지도록 할 수 있으며, 도 6a를 참조한 바와같이 복선으로 마이크로히터(21)를 설치하거나, 도 6b를 참조한바와같이 복선의 마이크로히터에 유로방향으로 연장바를 더 형성하여 접촉면적을 증가시키도록 할 수 있다. 물론 상기 마이크로히터는 도시되지 않았지만 원형 또는 다양한 다각형으로의 형성이 가능하며, 직사각의 판체로 형성하여 기포전체와 접하도록 할 수 있다. 그러나 상기 마이크로펌프가 적은 용량을 조절하기 위한 것이므로, 접촉면적을 작게 한 단선의 바형태로 하여 기포의 수축팽창을 미세하게 조절할 수 있고, 마이크로히터에 인가되는 전력량과 시간을 조절하여 유량을 제어하도록 할 수 있다.

이상과 같은 본 발명의 기포 동력 마이크로 펌프는,

의약, 약학 및 최첨단 MEMS(Microelectromechanical Systems) 분야의 연구 및 응용에 사용되는 마이크로 펌프를 소형화시키는 과정에서 종래 펌프가 구조가 복잡하고 내구성이 떨어지는 금속 밸브나 박막 등을 사용함으로써 장기적인 신뢰성 을 확보하기 어려운 단점을 보완하도록 3중 구조를 갖는 마이크로 펌프를 제작함으로써, 구조를 단순화하고 적은 전력으로 큰 유량을 얻을 수 있도록 하며, 챔버내의 기포거동을 관찰함으로써 최적의 조건으로 기포를 제어하여 원하는 유량을 얻을 수 있도록 하고, 기계적 구동부가 없기 때문에 장기적 신뢰성을 확보할 수 있는 유용한 장치의 제공이 가능하게 된 것이다.

한편, 상기 서술한 예는, 본 발명을 설명하고자하는 예일 뿐이다. 따라서 본 발명이 속하는 기술분야의 통상적인 전문가가 본 상세한 설명을 참조하여 부분변경 사용한 것도 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연한 것이다.

Claims

기포를 동력으로 사용하는 마이크로 펌프에 있어서,

기표층으로 상면에 형성된 홈에 마이크로히터(21)가 개재되는 제1실리콘웨이퍼층(20)와;

상기 제1실리콘웨이퍼층에 적층되고, 마이크로히터와 교차되는 방향으로 유로(31)가 형성되는 제2실리콘웨이퍼층(30);

상기 마이크로히터(21)의 양단부로부터 상측으로 연통되어 외부로부터 접지에 의해 전력이 공급되도록 하는 전원공급통로(41)와, 상기 유로(31)의 양단부로부터 상측으로 연통되는 유체유입구(42) 및 유체배출구(43)가 형성된 유리웨이퍼층(40);이 순차적으로 적층되어 이루어짐을 특징으로 하는 기포 동력 마이크로 펌프.
제 1항에 있어서,

상기 제1실리콘웨이퍼층(20)의 상부면에는 산화막을 형성하여 절연이 이루어지게 하는 산화실리콘층(50)을 더 형성하고, 상기 산화실리콘층에 마이크로히터를 개재하는 홈(51)이 형성되도록 한 것을 특징으로 하는 기포 동력 마이크로 펌프.
제 1항 또는 2항에 있어서,

상기 제2실리콘웨이퍼층(30)에 형성된 유로(31)는,

상부와 연통된 유체유입구(42)로부터 수평상으로 형성된 유입마이크로유로(310)와; 상기 유입마이크로유로의 일단에 유로의 폭을 일시적으로 작게한 후 점차적으로 큰폭을 갖도록 테이퍼진 노즐(311)과; 상기 노즐의 일단에 형성되어 저면에 마이크로히터가 개재되어 있는 챔버(312)와; 상기 챔버의 일측에 형성되어 점차적으로 큰폭을 갖도록 테이퍼진 확산기(313)와; 상기 확산기의 일단에 연통되고 타단이 유체배출구와 연통된 배출마이크로유로(314);가 동일 선상에 위치하도록 구성된 것을 특징으로 하는 기포 동력 마이크로펌프.
제 1항 또는 2항에 있어서,

상기 마이크로히터를 개재하기 위한 홈(51)은 건식 식각으로 형성하고, 형성된 홈에는 폴리실리콘을 증착시켜 마이크로히터(21)로 사용됨을 특징으로 하는 기포 동력 마이크로 펌프.
제 4항에 있어서,

상기 증착되는 폴리실리콘은 전기적인 성질을 개선시키기 위해 인을 도핑하여 사용됨을 특징으로 하는 기포 동력 마이크로 펌프.
제 1항 또는 2항에 있어서,

상기 마이크로히터(21)는 바형태로 단선으로 형성됨을 특징으로 하는 기포 동력 마이크로 펌프.
제 6항에 있어서,

상기 마이크로히터(21)는 중앙부분이 유로와 동일한 방향으로 연장형성되게 한 것을 특징으로 하는 기포 동력 마이크로 펌프.
제 1항 또는 2항에 있어서,

상기 마이크로히터(21)는 바형태로 복선으로 형성됨을 특징으로 하는 기포 동력 마이크로 펌프.
제 8항에 있어서,

상기 마이크로히터(21)는 중앙부분이 유로와 동일한 방향으로 연장형성되도록 한 것을 특징으로 하는 기포 동력 마이크로 펌프.