KR100860801B1 - A phase-change type micro actuator and temperature control method of actuating chamber in micro actuator and micro pump using this micro actuator - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 마이크로 펌프에 사용되는 마이크로 구동기는, 전압을 인가하면 열을 발생하는 마이크로 히터를 내장하고 있는 하부 기판; 상기 히터를 내장하고 있는 하부기판 상부에 작동액을 넣을 수 있도록 형성된 작동액실; 및 히터에서 발생된 열에 의해 작동액이 기화하면서 팽창되도록 제작된 구동 박막을 포함하여, 전압을 인가하면 히터에서 발생된 열로 작동액실에 채워진 작동액이 기화되면서 발생하는 압력으로 박막이 팽창하고, 히터에 인가되고 있는 전압을 끊으면 증기가 응축하면서 박막이 원상으로 수축되도록 한다.The micro driver used in the micro pump according to the present invention includes: a lower substrate having a micro heater which generates heat when a voltage is applied; A working liquid chamber configured to put a working liquid on an upper portion of the lower substrate having the heater therein; And a driving thin film made to expand while the working liquid is vaporized by the heat generated from the heater, and when the voltage is applied, the thin film expands to a pressure generated by evaporating the working liquid filled in the working liquid chamber with the heat generated by the heater, and the heater Breaking the voltage applied to causes the membrane to shrink back into its original form as the vapor condenses.
또한, 본 발명에서는 작동액실의 온도를 측정하는 온도 센서; 및 일정하게 유지시키고자 하는 작동액실의 기준온도를 설정하고, 상기 작동액실의 온도가 상기 기준 온도인지 그 여부를 판단하며, 상기 작동액실의 온도가 상기 기준 온도이면 현 상태를 계속 유지하고, 상기 작동액실의 온도가 상기 기준 온도가 아니면 히터 전력을 제어하여 작동액실의 온도를 상기 기준온도로 유지하는 제어부를 더 포함하여, 상기 기준온도로 유지된 작동액실내의 작동액을 상변화하고자 할 경우, 히터에 인가되는 전력의 미세 조정을 통해 작동액의 상변화를 최대한 빨리 이루어지도록 하는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention, the temperature sensor for measuring the temperature of the working liquid chamber; And setting a reference temperature of the working liquid chamber to be kept constant, determining whether or not the temperature of the working liquid chamber is the reference temperature, and maintaining the current state if the temperature of the working liquid chamber is the reference temperature. If the temperature of the working fluid chamber is not the reference temperature to control the heater power to maintain a temperature of the working fluid chamber at the reference temperature further comprises a case, the phase change of the working fluid in the working fluid chamber maintained at the reference temperature , Through the fine adjustment of the power applied to the heater is characterized in that to make the phase change of the working fluid as soon as possible.
마이크로 구동기, 마이크로 펌프, 전기히터, 온도센서, 상변화 Micro actuator, micro pump, electric heater, temperature sensor, phase change
Description
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 구동기의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a micro driver according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 일실시예로서 히터가 부착된 하부기판과 자동액실 내 작동액과의 접촉면을 요철 형상으로 제작하여 상기 접촉면을 증가시킨 마이크로 구동기의 단면도이다.FIG. 2 is a cross-sectional view of a micro driver in which a contact surface between a lower substrate with a heater and a working liquid in an automatic liquid chamber is formed in an uneven shape to increase the contact surface.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 구동기의 하부 기판의 평면도이다.3 is a plan view of a lower substrate of a micro driver according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 구동기의 적용 예로서, 상기 구동기에 유·출입구와 밸브 및 펌핑액실이 포함된 상부기판을 접합하여 구성한 마이크로 펌프의 단면도이다.4 is a cross-sectional view of a micropump configured by bonding an upper substrate including an oil inlet / outlet, a valve, and a pumping liquid chamber to the driver as an application example of a microdriver according to an embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 구동기의 적용 예로서, 상기 구동기에 유·출입구와 밸브 및 펌핑액실이 포함된 상부기판을 접합하여 구성한 마이크로 펌프의 분해 사시도이다.FIG. 5 is an exploded perspective view of a micropump configured by joining an upper substrate including an oil inlet / outlet, a valve, and a pumping liquid chamber to the driver as an application example of a microdriver according to an embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 구동기의 제작 공정도이다.6 is a manufacturing process diagram of a micro driver according to an embodiment of the present invention.
도 7a는 본 발명의 일실시예에 따른 상변화 방식 마이크로 구동기에서의 작동액실내 온도 제어방법을 설명하기 위한 그래프이다.7A is a graph illustrating a method of controlling a temperature of a working liquid chamber in a phase change type micro driver according to an embodiment of the present invention.
도 7b는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 상변화 방식 마이크로 구동기에서의 작동액실 내 온도 제어방법을 설명하기 위한 그래프이다.7B is a graph for explaining a method of controlling a temperature in a working liquid chamber of a phase change type micro driver according to another exemplary embodiment of the present invention.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 상변화 방식 마이크로 구동기에서의 작동액실 내 온도 제어방법을 나타내는 순서도이다. 8 is a flowchart illustrating a method of controlling a temperature in a working liquid chamber in a phase change type micro driver according to an embodiment of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
1: 히터 2: 온도센서1: heater 2: temperature sensor
3: 하부 기판 4: 구동 박막3: lower substrate 4: driving thin film
5: 작동액실 6: 작동액 주입구5: working fluid chamber 6: working fluid inlet
7a: 돌출부 7b: 요홈부 7a: protrusion 7b: groove
11: 유입구 12: 유출구 11: inlet 12: outlet
13: 디퓨저 14: 상부 기판 13: diffuser 14: upper substrate
15: 펌핑액실 21: 실리콘 기판(= 하부 기판) 15: pumping liquid chamber 21: silicon substrate (= lower substrate)
22: 실리콘 옥사이드 23: 금속층 22: silicon oxide 23: metal layer
24: 접착면24: adhesive side
본 발명은 마이크로 펌프에 사용되는 상변화 구동 방식 마이크로 구동기 및 상기 구동기의 작동액실 내 온도 제어방법에 관한 것으로, 특히 히터에 인가되는 전력의 미세 조정을 통해서도 작동액의 상변화를 최대한 빨리 이루어지도록 한 마이크로 구동기 및 이 구동기의 작동액실내 온도 제어방법에 관한 것이다.The present invention relates to a phase change drive type micro driver used in a micro pump and a temperature control method of the operating liquid chamber of the driver, and in particular, to make the phase change of the working liquid as quickly as possible even through fine adjustment of the power applied to the heater. A micro driver and a method for controlling the temperature in a working liquid chamber of the driver.
지금까지 개발된 마이크로 펌프는 분석시스템의 유체 이송에 사용될 목적으로 고안되었으며, 이 경우 전체 시스템의 전력소모에 비하여 마이크로 펌프의 전력소모 비율이 크지 않아서 마이크로 펌프의 전력 소모량은 중요한 이슈가 아니었다. The micro pump developed so far is designed to be used for the fluid transfer of the analysis system. In this case, the power consumption of the micro pump was not an important issue since the power consumption rate of the micro pump was not large compared to the power consumption of the entire system.
그러나 최근 대두되고 있는 초소형 연료전지나 각종 휴대용·착용 IT 기기 및 바이오·의료 기기에 사용되는 마이크로 펌프의 경우는 마이크로 펌프의 전력소모량이 상기 기기의 1회 충전 사용시간에 영향을 주는 가장 큰 요인으로 작용하고 있다. 이러한 배경에서, 상기 초소형 연료전지나 휴대용·착용 IT 기기 및 바이오·의료 기기에 사용되는 마이크로 펌프는 정밀한 제어나 개선된 구동원리를 적용하여 본래의 펌프 기능을 수행하면서도 고에너지효율, 저전력소모의 특징을 갖추는 것이 매우 중요하다. However, in the case of micro pumps that are recently used in micro fuel cells, various portable and wearable IT devices, and bio and medical devices, the power consumption of the micro pump is the biggest factor that affects the one-time charge usage time of the device. Doing. Against this backdrop, the micro-pump used in the ultra-small fuel cell, portable and wearable IT devices, and bio-medical devices has the characteristics of high energy efficiency and low power consumption while performing the original pump function by applying precise control or improved driving principle. It is very important to have.
본 발명에서는 초소형 연료전지나 휴대용·착용 IT 기기 및 바이오·의료 기기분야의 적용에서 요구되는 고에너지효율, 저전력소모의 마이크로 펌프 용 상변화 방식 마이크로 구동기와 그 마이크로 구동기에서의 작동액실 내 온도 제어방법을 제시하고자 한다.The present invention relates to a phase change type micro driver for a high energy efficiency, low power consumption micro pump required in the application of micro fuel cell, portable / wearable IT device, and bio / medical device, and a temperature control method in a working liquid chamber in the micro driver. I would like to present.
본 발명의 목적은 히터에 인가되는 전력의 미세 조정을 통해서도 작동액의 상변화를 최대한 빨리 이루어지도록 하기 위해 평시에 작동액실내의 온도를 일정하게 유지시키는 상변화 방식 마이크로 구동기, 이 구동기의 작동액실 내 온도 제어방법 및 이 구동기를 적용한 마이크로 펌프를 제공하는 데 있다.An object of the present invention is a phase change type micro driver for maintaining a constant temperature in the working liquid chamber in order to make the phase change of the working liquid as fast as possible even through fine adjustment of the power applied to the heater, the working liquid chamber of the driving apparatus. It is to provide a temperature control method and a micro pump applying this driver.
본 발명에서 제시한 상변화 구동 마이크로 펌프는 초당 수 나노(10-9) 리터에서 수백 마이크로(10-6) 리터의 액체 시료를 정량적으로 공급하고 제어할 수 있다. 본 발명의 마이크로 펌프는 액체에서 기체로의 상변화 시에 발생하는 부피 팽창 현상을 이용하는 열공압형 마이크로 구동장치이다.The phase change driven micropump proposed in the present invention can quantitatively supply and control a liquid sample of several nano (10 -9 ) liters to several hundred micro (10 -6 ) liters per second. The micropump of the present invention is a thermopneumatic micro-driven device that uses a volume expansion phenomenon that occurs when a phase change from liquid to gas.
상변화 구동 방식은 낮은 전압으로 큰 구동력을 얻을 수 있다. 상변화 마이크로 구동기에 사용되는 막으로는 작은 구동력에도 큰 변형을 얻을 수 있는 고 신축성의 실리코운 러버를 사용한다. 본 발명의 마이크로펌프에는 한 쌍의 수동형 마이크로 밸브가 있으며 이 수동형 마이크로 밸브는 역류를 방지하는 체크밸브의 기능을 갖는다. 본 발명의 마이크로 펌프는 그 구조가 간단하며 마이크로머시닝 기술로 제작할 수 있고 제작 공정이 간단하며 집적화가 가능하다.The phase change driving method can obtain a large driving force at a low voltage. The membrane used in the phase change micro actuator is made of highly elastic silicon rubber which can obtain a large deformation even with a small driving force. The micropump of the present invention has a pair of passive microvalve, which has the function of a check valve to prevent backflow. The micropump of the present invention has a simple structure, can be manufactured by micromachining technology, a simple manufacturing process, and can be integrated.
상기와 같은 목적을 이루기 위해 본 발명은 마이크로 펌프에 사용되는 마이크로 구동기에 있어서, 전압을 인가하면 열을 발생하는 마이크로 히터를 내장하고 있는 하부 기판; 상기 히터를 내장하고 있는 하부기판 상부에 작동액을 넣을 수 있 도록 형성된 작동액실; 및 히터에서 발생된 열에 의해 작동액이 기화하면서 팽창되도록 제작된 구동 박막을 포함하여, 전압을 인가하면 히터에서 발생된 열로 작동액실에 채워진 작동액이 기화되면서 발생하는 압력으로 박막이 팽창하고, 히터에 인가되고 있는 전압을 끊으면 증기가 응축하면서 박막이 원상으로 수축되도록 하며,In order to achieve the above object, the present invention provides a micro driver for a micro pump, comprising: a lower substrate having a micro heater which generates heat when a voltage is applied; A working liquid chamber configured to put a working liquid on an upper portion of the lower substrate having the heater therein; And a driving thin film made to expand while the working liquid is vaporized by the heat generated from the heater, and when the voltage is applied, the thin film expands to a pressure generated by evaporating the working liquid filled in the working liquid chamber with the heat generated by the heater, and the heater When the voltage applied to the power is cut off, the film condenses as the vapor condenses.
작동액실의 온도를 측정하는 온도 센서; 및 일정하게 유지시키고자 하는 작동액실의 기준온도를 설정하고, 상기 작동액실의 온도가 상기 기준 온도인지 그 여부를 판단하며, 상기 작동액실의 온도가 상기 기준 온도이면 현 상태를 계속 유지하고, 상기 작동액실의 온도가 상기 기준 온도가 아니면 히터 전력을 제어하여 작동액실의 온도를 상기 기준온도로 유지하는 제어부를 더 포함하여, 상기 기준온도로 유지된 작동액실내의 작동액을 상변화하고자 할 경우, 히터에 인가되는 전력의 미세 조정을 통해 작동액의 상변화를 최대한 빨리 이루어지도록 하는 것을 특징으로 한다.A temperature sensor for measuring the temperature of the working liquid chamber; And setting a reference temperature of the working liquid chamber to be kept constant, determining whether or not the temperature of the working liquid chamber is the reference temperature, and maintaining the current state if the temperature of the working liquid chamber is the reference temperature. If the temperature of the working fluid chamber is not the reference temperature to control the heater power to maintain a temperature of the working fluid chamber at the reference temperature further comprises a case, the phase change of the working fluid in the working fluid chamber maintained at the reference temperature , Through the fine adjustment of the power applied to the heater is characterized in that to make the phase change of the working fluid as soon as possible.
상기 구동 박막과 상기 하부기판간 접착은 상기 하부기판에 상기 구동 박막을 선택적으로 접착하기 위하여 감광막을 도포하고 패터닝하고, 상기 감광막이 패터닝된 하부기판을 소정의 시간동안 산소 플라즈마로 표면 처리한 후, 표면처리된 하부기판 표면에 실리코운 러버 재질의 상기 구동 박막을 소정의 압력으로 소정의 시간동안 밀착시킴으로써, 밀착표면에서 발생하는 공유결합에 의해 상기 구동 박막과 하부기판간 접착이 이루어지는 것을 특징으로 한다.The adhesion between the driving thin film and the lower substrate may be performed by coating and patterning a photosensitive film to selectively adhere the driving thin film to the lower substrate, and surface treating the photosensitive film patterned lower substrate with oxygen plasma for a predetermined time period. The driving thin film made of silicon rubber is brought into close contact with the surface of the lower substrate to be treated at a predetermined pressure for a predetermined time, so that the driving thin film is adhered to the lower substrate by a covalent bond occurring on the close surface. .
또한, 본 발명에서는 상기 상변화 방식 마이크로 구동기에, 상기 구동 박막의 상측에 상기 구동박막과 경계로 유체 공간 및 유로를 더 포함하여 마이크로 펌 프를 구성시킬 수 있다.In the present invention, the micro-pump may further include a fluid space and a flow path at an upper side of the driving thin film and bordered with the driving thin film.
또한, 본 발명에서는 상기 상변화 방식 마이크로 구동기에,In the present invention, the phase change type micro driver,
상기 구동박막의 운동에 의해 부피가 변화하는 공간인 펌핑액실; 상기 펌핑액실에 연결되어 유체가 드나드는 유입구와 유출구; 및 상기 펌핑액실과 유입구 사이, 상기 펌핑액실과 유출구 사이에 설계된 한 쌍의 디퓨저를 포함하는 상부기판을 추가로 접합하여 마이크로 펌프를 구성시킬 수 있다.A pumping liquid chamber in which a volume is changed by a movement of the driving thin film; An inlet and an outlet connected to the pumping liquid chamber and into and out of the fluid; And an upper substrate including a pair of diffusers designed between the pumping liquid chamber and the inlet port, and between the pumping liquid chamber and the outlet port, to form a micropump.
또한, 본 발명은 상변화 마이크로 구동기에서의 작동액실내 온도를 일정하게 유지하기 위한 온도 제어방법에 있어서,In addition, the present invention is a temperature control method for maintaining a constant temperature in the working fluid chamber in a phase change micro driver,
일정하게 유지시키고자 하는 작동액실의 기준온도를 설정하는 단계; 상기 작동액실의 온도를 측정하는 단계; 상기 작동액실의 온도가 상기 기준 온도인지 그 여부를 판단하는 단계; 및 상기 작동액실의 온도가 상기 기준 온도이면 현 상태를 계속 유지하고, 상기 작동액실의 온도가 상기 기준 온도가 아니면 히터 전력을 제어하여 작동액실의 온도를 상기 기준온도로 유지하는 단계;를 포함하여,Setting a reference temperature of the working liquid chamber to be kept constant; Measuring the temperature of the working fluid chamber; Determining whether or not the temperature of the working liquid chamber is the reference temperature; And maintaining the current state if the temperature of the working liquid chamber is the reference temperature, and controlling the heater power if the temperature of the working liquid chamber is not the reference temperature to maintain the temperature of the working liquid chamber at the reference temperature. ,
상기 기준온도로 유지된 작동액실내의 작동액을 상변화하고자 할 경우, 히터에 인가되는 전력의 미세 조정을 통해 작동액의 상변화를 최대한 빨리 이루어지도록 하는 것을 특징으로 한다.When a phase change of the working liquid in the working liquid chamber maintained at the reference temperature is performed, the phase change of the working liquid may be made as quickly as possible by fine adjustment of the power applied to the heater.
본 발명에서는 상기 일정하게 유지시키고자 하는 작동액실의 기준온도를 상기 작동액의 상변화 온도 미만이면서 최대 온도로 설정할 수도 있고, 상기 작동액의 상변화 온도를 초과하면서 최저 온도로 설정할 수도 있다.In the present invention, the reference temperature of the working liquid chamber to be kept constant may be set to a maximum temperature while being less than the phase change temperature of the working liquid, or may be set to a minimum temperature while exceeding the phase change temperature of the working liquid.
상기 히터 전력 제어 방식에는 그 일례로, 히터에 인가되는 전압 펄스의 듀 티비를 제어하는 방식 또는 히터에 인가되는 전압 펄스의 주기를 제어하는 방식 등이 있다.Examples of the heater power control method include a method of controlling the duty ratio of the voltage pulse applied to the heater, or a method of controlling the period of the voltage pulse applied to the heater.
상기 작동액실의 온도 측정은 RTD 센서를 이용하는 것이 바람직하다.It is preferable to use the RTD sensor to measure the temperature of the working liquid chamber.
본 발명에서는 상기 작동액실의 표면을 요철 형상으로 설계하여 상기 작동액실 내 작동액과 히터 부착면의 접촉면적을 증가시켜 작동액의 기화 및 응축이 빨리 이루어지도록 하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the surface of the working fluid chamber is designed to have a concave-convex shape to increase the contact area between the working liquid in the working liquid chamber and the heater attachment surface, so that the working liquid can be vaporized and condensed quickly.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하고자 한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 구동기의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a micro driver according to an embodiment of the present invention.
도면을 참조하면, 본 발명에 따른 마이크로 구동기는 전압을 인가하면 열을 발생하는 마이크로 히터(1)를 내장하고 있는 하부 기판(3); 상기 히터(1)를 내장하고 있는 하부 기판 상부에 작동액 주입구(6)를 통하여 작동액을 넣을 수 있도록 형성된 작동액실(5); 히터(1)에서 발생된 열에 의해 작동액이 기화하면서 발생하는 증기압에 의하여 팽창되도록 제작된 구동 박막(4)을 포함하여, 전압을 인가하면 히터(1)에서 발생된 열로 작동액실(5)에 채워진 작동액이 기화되면서 발생하는 압력으로 구동 박막(4)이 팽창하고, 히터(1)에 전압을 인가하지 않으면 기화된 증기가 응축하면서 박막(4)이 원상으로 수축되도록 구성된다.Referring to the drawings, the micro driver according to the present invention includes a lower substrate (3) containing a micro heater (1) for generating heat when a voltage is applied; A working
또한, 본 발명에서는 온도센서(2) 및 제어부(미도시됨)를 더 포함하는데, 상기 온도센서(2)는 작동액실(5)의 온도를 측정한다.In addition, the present invention further includes a
제어부는 일정하게 유지시키고자 하는 작동액실(5)의 기준온도를 설정하고, 상기 작동액실(5)의 온도가 상기 기준 온도인지 그 여부를 판단하며, 상기 작동액실의 온도가 상기 기준 온도이면 현 상태를 계속 유지하고, 상기 작동액실(5)의 온도가 상기 기준 온도가 아니면 히터(1)에 인가되는 전력을 제어하여 작동액실(5)의 온도를 상기 기준온도로 유지하도록 한다.The control unit sets a reference temperature of the working
도 7에서도 상세히 설명되겠지만, 일정하게 유지시키고자 하는 작동액실의 기준온도는 작동액실에 있는 작동액의 종류에 따라 달라지며, 또한 상변화 방식에 따라 달라진다. 여기서, 상변화 방식이라 함은, 액체에서 기체로의 상변화, 기체에서 액체로의 상변화를 말한다.As will be described in detail with reference to FIG. 7, the reference temperature of the working liquid chamber to be kept constant depends on the type of working liquid in the working liquid chamber and also depends on the phase change method. Here, the phase change method refers to a phase change from a liquid to a gas and a phase change from a gas to a liquid.
상기와 같이, 작동액실의 온도를 일정하게 유지시키는 이유는 추후 작동액실내의 작동액의 상변화를 용이하면서 빠르게 이루어지도록 하기 위한 것이다. As described above, the reason for keeping the temperature of the working liquid chamber constant is to make the phase change of the working liquid in the working liquid chamber easy and quick.
다시 말하면, 작동액실의 온도를 일정하게 유지한 상태에서 상기 히터에 인가되는 전력의 미세조정을 통해 작동액의 상변화를 최대한 빨리 이루어지도록 할 수 있으며, 이로 인해 밸브의 빠른 온/오프 제어도 가능해진다.(도 7 참조) In other words, it is possible to make the phase change of the working liquid as quickly as possible by fine-tuning the power applied to the heater while maintaining the temperature of the working liquid chamber at a constant temperature, thereby enabling quick on / off control of the valve. (See Fig. 7).
상기 히터 전력 제어 방식은 다양하나, 그 일례로, 히터에 인가되는 전압 펄스의 듀티비(%)를 제어하는 방식, 히터에 인가되는 전압 펄스의 주기를 제어하는 방식 등이 있다.The heater power control method may vary, but for example, a method of controlling the duty ratio (%) of the voltage pulse applied to the heater, a method of controlling the period of the voltage pulse applied to the heater, and the like.
상기 히터(1)의 재질로는 금속 재질이 바람직하며, 상기 온도센서(2)는 백금 재질의 RTD 센서가 바람직하다.The material of the
도 2는 본 발명의 일실시예로서 히터가 부착된 하부 기판과 작동액실 내 작동액과의 접촉면을 요철 형상으로 제작하여 상기 접촉면을 증가시킨 마이크로 구동기의 단면도이다.FIG. 2 is a cross-sectional view of a micro driver in which a contact surface between a lower substrate on which a heater is attached and a working liquid in a working liquid chamber is formed in an uneven shape to increase the contact surface.
도면에도 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 상기 작동액실(5) 내 작동액과 접촉하는 하부 기판(3)의 접촉면적을 증가시키기 위해, 하부 기판(3)의 히터(1) 및 온도센서(2) 부착면을 요철(凹凸) 형상으로 설계하였다. 도면부호 7a는 돌출부이고, 7b는 요홈부이다.As shown in the figure, in the present invention, in order to increase the contact area of the
이를 보다 상세히 설명하면, 본 발명에서는 상기 히터(1)로 가열하여 작동액실(5) 내 작동액을 기화시키는 과정에서, 상기 히터(1)에서 발생된 열은 작동액에 비해 전기전도도가 높은 하부 기판(3)의 온도를 신속히 상승시키므로, 작동액실로의 열전달은 상기 히터(1) 뿐만 아니라 상기 하부 기판(3)의 표면을 통해서도 이루어진다. 반대로 기화된 작동액 증기를 냉각하여 응축시키는 과정에서도, 상대적으로 온도가 낮은 외기에 의하여 상기 하부 기판(3)이 냉각되면, 상기 하부기판(3)과 작동액과의 접촉 표면을 통하여 열전달이 이루어진다.In more detail, in the present invention, in the process of vaporizing the working liquid in the working
따라서 도 2와 같이 상기 하부 기판의 표면을 요철 형상으로 설계하여 작동액과의 접촉면적으로 증가시키면 더욱 신속히 더욱 많은 양의 작동액을 기화 또는 응축시킴으로서 구동기의 응답특성을 개선시킬 수 있다.Therefore, as shown in FIG. 2, if the surface of the lower substrate is designed to have an uneven shape to increase the contact area with the working liquid, the response characteristic of the driver may be improved by vaporizing or condensing a larger amount of the working liquid more quickly.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 구동기의 하부 기판(3)의 평면도이다. 3 is a plan view of the
도면은 도 2에서 설명한 하부 기판(3)에 설계된 요철 모양의 접촉면과 히터(1) 및 온도센서(2)의 배치의 일례를 보다 쉽게 이해할 수 있도록 도시하였다.The figure shows an example of the arrangement of the concave-convex contact surface and the
도 4와 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 구동기의 적용 예로서, 상기 구동기에 유·출입구와 밸브 및 펌핑액실이 포함된 상부기판을 접합하여 구성한 마이크로 펌프의 단면도와 분해 사시도이다.4 and 5 are cross-sectional views and exploded perspective views of a micro pump formed by joining an upper substrate including an oil inlet / outlet, a valve, and a pumping liquid chamber to an example of an application of a micro driver according to an embodiment of the present invention.
본 발명에서는 상기 구동 박막(5)의 운동에 의해 부피가 변화하는 공간인 펌핑액실(15);상기 펌핑액실(15)에 연결되어 유체가 드나드는 유입구(11)와 유출구(12); 상기 펌핑액실(15)과 상기 유입구(11) 사이, 펌핑액실(15)과 유출구(12) 사이에 설계된 한 쌍의 디퓨저(13)를 포함하는 상부기판(14)을 마이크로 구동기에 추가로 접합함으로써 도 3과 같이 마이크로 펌프를 구성할 수 있다.In the present invention, the pumping
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 구동기의 제작 공정도이다.6 is a manufacturing process diagram of a micro driver according to an embodiment of the present invention.
도 6a에서와 같이 먼저 P 타입 실리콘 기판(21) 위에 가열로를 사용하여 실리콘 옥사이드(22)를 증착하였다. 상기 실리콘 옥사이드(22)는 감광제와 함께 에칭 공정 진행시 실리콘 웨이퍼를 보호하는 보호막 역할을 하여 정확한 형상의 구동기 제작을 돕는다.As shown in FIG. 6A,
다음은 도 6b와 같이 Deep RIE (Reactive Ion Etching) 장비를 이용한 사진식각공정을 통하여 요철 모양의 작동액실(5)을 형성시킨다.Next, as shown in FIG. 6b, the working
다음은 식각면의 절연을 위하여 도 6c와 같이 CVD (Chemical Vapor Deposition) 공정을 이용하여 실리콘 옥사이드(22)를 다시 한 번 증착시킨다.Next, to insulate the etching surface,
다음은 감광막을 도포한 후 패터닝하여 히터와 온도센서가 증착될 부분을 제외한 나머지 부분에 선택적으로 감광막을 도포한 후 E-Beam Evaporator를 사용하여 타타늄, 백금 순서로 증착시킨다. 백금만을 증착할 경우에는 실리콘 옥사이드와 접착이 좋지 않아서 공정 후에 저항이 떨어질 위험이 있으므로 접착력을 높이기 위하여 실리콘 옥사이드 및 백금에 접착력이 좋은 티타늄을 먼저 증착한다. 증착이 끝난 후 감광제를 녹여 도 6d와 같이 원하는 부위만 금속층(23)이 남아 히터(1) 층 및 온도센서(2)를 구성하게 된다.Next, after the photoresist is coated and patterned, the photoresist is selectively applied to the remaining portions except the portion where the heater and the temperature sensor are to be deposited, and then deposited in the order of titanium and platinum using an E-Beam Evaporator. In the case of depositing only platinum, since the adhesion with silicon oxide is not good, there is a risk of dropping resistance after the process, so that titanium with good adhesion to silicon oxide and platinum is first deposited to increase adhesion. After the deposition is finished, the photosensitive agent is melted, so that only the desired portion of the
다음은 금속층(23) 윗면의 절연을 위하여 도 6e와 같이 CVD (Chemical Vapor Deposition) 공정을 이용하여 실리콘 옥사이드(22)를 다시 한 번 증착시킨다.Next, to insulate the upper surface of the
다음은 하부 기판의 열용량을 줄이기 위해 도 6f와 같이 Deep RIE (Reactive Ion Etching) 장비를 이용한 사진 식각 공정으로 기판의 아래부분을 식각하여 작동액실(5)과 접하는 하부 기판의 두께를 얇게 만든다.Next, in order to reduce the heat capacity of the lower substrate, as shown in FIG. 6F, a lower portion of the substrate is etched by using a photolithography process using Deep RIE (Reactive Ion Etching) equipment to make the thickness of the lower substrate in contact with the working
마지막으로, 상기 공정으로 제작된 하부 기판(3)에 구동 박막(4)을 접착하기 위한 일련의 단계로서, 접착면(24)만을 선택적으로 접착하기 위하여 감광막을 도포하고 패터닝하는 단계; 상기 감광막이 패터닝된 하부기판을 소정의 시간 동안 산소 플라즈마로 표면처리하는 단계; 표면처리된 하부기판 표면에 실리코운 러버 재질의 상기 구동 박막(4)을 소정의 압력으로 소정의 시간 동안 밀착시킴으로써, 밀착된 접착면(24)에서 발생하는 공유결합에 의하여 상기 구동 박막(4)과 상기 하부 기판(3)이 접착하는 단계를 순서대로 수행한다.Finally, as a series of steps for adhering the driving
도 7a는 본 발명의 일실시예에 따른 상변화 마이크로 구동기에서의 작동액실내 온도 제어방법을 설명하기 위한 그래프이고, 도 7b는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 상변화 마이크로 구동기에서의 작동액실내 온도 제어방법을 설명하기 위한 그래프이다. 또한, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 상변화 마이크로 구동기에서의 작동액실내 온도 제어방법을 나타내는 순서도이다. FIG. 7A is a graph illustrating a method of controlling a room temperature in a working liquid in a phase change micro driver according to an embodiment of the present invention, and FIG. 7B is a working liquid in a phase change micro driver according to another embodiment of the present invention. This is a graph for explaining a method of controlling room temperature. 8 is a flowchart illustrating a method of controlling a temperature of a working liquid chamber in a phase change micro driver according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 7a 및 도 7b에서 직선 (a)는 작동액실 내에 있는 작동액의 상변화 온도를 나타내고, 직선 (b)는 일정하게 유지시키고자 하는 작동액실의 기준온도이다. 또한 구동파 (c)는 히터에 인가되는 전압 펄스이고, (d) 파형은 (c) 파형과 같은 전압이 히터에 인가되었을 때, 작동액의 온도를 나타낸다.In FIG. 7A and FIG. 7B, the straight line a shows the phase change temperature of the working liquid in the working liquid chamber, and the straight line b is the reference temperature of the working liquid chamber to be kept constant. The driving wave (c) is a voltage pulse applied to the heater, and the waveform (d) shows the temperature of the working liquid when the same voltage as the waveform (c) is applied to the heater.
도 7a 및 도 7b의 차이는 도 7a에서는 직선 (b)가 직선 (a)의 아래에 위치하고, 도 7b에서는 직선 (b)가 직선 (a)의 위에 위치한다.The difference between FIG. 7A and FIG. 7B is that the straight line b is located below the straight line a in FIG. 7A, and the straight line b is located above the straight line a in FIG. 7B.
이를 보다 상세히 설명하면, 도 7a에서는 히터 등을 제어하여 작동액실내의 온도(b)를 작동액의 상변화 온도(a)보다 낮게 설정해 놓는다. 그런 후, 상변화를 통한 유체를 순방향으로 진행하고자 할 때, 현재 히터에 인가되는 온도를 조금 더( Δt 이상) 상승시켜 작동액을 기화상태로 만든다. 여기서 Δt는 상변화 온도 - 현재 작동액실 내 온도를 말한다. 작동액을 기화상태에서 액화상태로 변경할 때는 작동액실내의 온도를 낮춰 (b)온도로 일정하게 유지시키면 된다.In more detail, in FIG. 7A, a heater or the like is controlled to set the temperature b in the working liquid chamber lower than the phase change temperature a of the working liquid. Then, when the fluid through the phase change is to proceed in the forward direction, the temperature applied to the current heater is raised a little more (Δt or more) to make the working liquid vaporized. Where Δt is the phase change temperature-the temperature in the working fluid chamber. When the working fluid is changed from vaporized to liquefied, lower the temperature in the working fluid chamber and keep it constant at temperature (b).
본 발명의 요지는 상기 Δt를 최소화시켜 히터에 가해지는 전압을 미세조정하여 빠른 상변화가 이루어지도록 하기 위한 것이다. 이를 위해 작동액실 내의 온 도를 일정하게 유지시키는 것이다.The gist of the present invention is to minimize the Δt to fine-tune the voltage applied to the heater to achieve a fast phase change. To do this, the temperature in the working fluid chamber is kept constant.
한편, 도 7b에서는 히터 등을 제어하여 작동액실내의 온도(b)를 작동액의 상변화 온도(a)보다 높게 설정해 놓은다. 그런 후, 상변화를 통한 유체를 순방향으로 진행하고자 할 때, 현재 히터에 인가되는 온도를 조금 더 낮춰(Δt 이상)시켜 작동액을 액화상태로 만든다. 작동액을 다시 기화상태로 변경할 때는 작동액실내의 온도를 높여 (b)온도로 일정하게 유지시키면 된다.On the other hand, in FIG. 7B, the heater or the like is controlled to set the temperature b in the working liquid chamber higher than the phase change temperature a of the working liquid. Then, when proceeding with the fluid through the phase change in the forward direction, the temperature is currently applied to the heater a little lower (Δt or more) to make the working liquid liquefied. To change the working fluid back to vaporization, increase the temperature in the working fluid chamber and keep it constant at temperature (b).
이에 따라, 본 발명에서는 작동액실내의 온도(b)를 작동액의 상변화 온도(a)와 최대한 근접하게 유지시키는 것이 바람직하다. 즉, 일정하게 유지시키고자 하는 작동액실의 기준온도를 도 7a인 경우처럼 상기 작동액의 상변화 온도 미만이면서 최대 온도로 설정하거나, 도 7b인 경우처럼 상기 작동액의 상변화 온도를 초과하면서 최저 온도로 설정하는 것이 바람직하다. 다시 말하면, Δt가 '0'이 아니면서 '0'에 가까운 수치이면 좋다.Accordingly, in the present invention, it is preferable to keep the temperature (b) in the working liquid chamber as close as possible to the phase change temperature (a) of the working liquid. That is, the reference temperature of the working fluid chamber to be kept constant is set to the maximum temperature below the phase change temperature of the working liquid as in the case of FIG. 7A, or the minimum is exceeding the phase change temperature of the working liquid as in the case of FIG. 7B. It is preferable to set the temperature. In other words, it is sufficient that Δt is a value close to '0' rather than '0'.
도 8을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 상변화 마이크로 구동기에서의 작동액실내 온도 제어방법을 설명하면 다음과 같다.Referring to FIG. 8, a method of controlling a temperature of a working liquid chamber in a phase change micro driver according to an exemplary embodiment of the present invention is as follows.
먼저, 본 발명에서는 일정하게 유지시키고자 하는 작동액실의 기준온도를 설정한다.(S101)First, in the present invention, the reference temperature of the working liquid chamber to be kept constant is set.
상기 기준온도는 작동액에 따라 달라진다. 이 작동액은 증발열이 작고, 화학적으로 안정한 액체이며, 사용환경에 최적화된 끓는점을 갖는 액체인 것이 바람직하다.The reference temperature depends on the working fluid. This working liquid is preferably a liquid having a low heat of evaporation, a chemically stable liquid and having a boiling point optimized for the use environment.
또한, 상기 기준온도는 도 7a 및 도 7b와 같이 두 가지 경우로 설정할 수 있으나 이하 설명에서는 도 7a의 경우에 한정하여 설명한다.In addition, although the reference temperature may be set in two cases as shown in FIGS. 7A and 7B, the following description will be limited to the case of FIG. 7A.
상기와 같이, 본 발명에서는 일정하게 유지시키고자 하는 작동액실의 기준온도를 설정한 후, 상기 작동액실의 온도를 측정한다.(S102)As described above, in the present invention, after setting the reference temperature of the working liquid chamber to be kept constant, the temperature of the working liquid chamber is measured.
단계 101 및 102를 동시에 실시하여도 무방하고, 그 순서를 바꾸어도 무방하다.Steps 101 and 102 may be performed simultaneously, or the order thereof may be changed.
그런 후, 본 발명에서는 상기 작동액실의 온도가 상기 기준 온도인지 그 여부를 판단한다.(S103)Then, in the present invention, it is determined whether or not the temperature of the working liquid chamber is the reference temperature.
단계 103에서 작동액실의 온도가 단계 101에서 설정한 기준 온도와 같으면 현 상태(시스템)를 계속 유지(S104)하나, 그렇지 않은 경우, 즉 작동액실의 온도가 기준 온도와 다르면 히터 전력을 제어(S105)하여 단계 104처럼 작동액실의 온도를 상기 기준온도로 유지한다.In step 103, if the temperature of the working liquid chamber is equal to the reference temperature set in step 101, the current state (system) is maintained (S104). Otherwise, that is, if the temperature of the working liquid chamber is different from the reference temperature, the heater power is controlled (S105). In step 104, the temperature of the working liquid chamber is maintained at the reference temperature.
상기와 같이, 기준온도로 유지된 작동액실내의 작동액을 상변화하고자 할 경우, 히터에 인가되는 전력의 미세 조정을 통해 작동액의 상변화를 최대한 빨리 이루어지도록 할 수 있다.As described above, when the operating fluid in the working liquid chamber maintained at the reference temperature is to be phase-changed, the phase change of the working liquid may be made as soon as possible through fine adjustment of the power applied to the heater.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.As described above, with reference to the preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art will be variously modified and modified within the scope of the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention described in the claims below. It will be appreciated that it can be changed.
이상에서와 같이, 본 발명은 상변화 방식 마이크로 구동기에서의 작동액실내 온도 제어방법을 제공하여 RTD센서 피드백을 이용한 히터를 제어함으로써 다음과 같은 효과가 발생한다.As described above, the present invention provides a method of controlling the temperature in the working liquid chamber in the phase change type micro driver to control the heater using the RTD sensor feedback, and the following effects occur.
첫째, 불필요한 온도 변화를 최소화하여 효율과 응답특성을 개선시킬 수 있다. First, efficiency and response characteristics can be improved by minimizing unnecessary temperature changes.
둘째, 사용환경이 변화하더라도 작동액실의 온도를 상변화 온도에 근접하게 유지할 수 있다. Second, even if the operating environment changes, the temperature of the working liquid chamber can be kept close to the phase change temperature.
셋째, 상변화 온도와 센서온도를 비교함으로써 최적의 전력신호 파형 및 주기를 결정할 수 있다.Third, the optimum power signal waveform and period can be determined by comparing the phase change temperature and the sensor temperature.
또한, 상기와 같은 본 발명에 따른 상변화 방식 마이크로 구동기는 초소형 연료전지나 휴대용·착용 IT 기기 및 바이오·의료 기기분야의 적용에서 요구되는 고에너지효율, 저전력소모의 마이크로 펌프에 사용되어 제한된 에너지원으로부터 최소한의 전력을 소모함으로써, 시스템의 효율을 높이고, 휴대용·착용기기의 사용시간을 증대시키는데 기여함으로써, 상기 친환경, 미래형 제품의 상품성을 제고하는데 크게 기여할 것으로 기대된다.In addition, the phase change type micro actuator according to the present invention as described above is used in a high energy efficiency, low power consumption micro pump required in the application of ultra-small fuel cells, portable and wearable IT equipment and bio-medical devices from a limited energy source By consuming minimal power, it is expected to contribute greatly to improving the efficiency of the system and increasing the use time of the portable / wearing device, thereby enhancing the commercialization of the eco-friendly and future products.
Claims (25)
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2007
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| Sensors and Actuators A 120 pp.365-369 (2005.01.28.)* |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101308132B1 (en) * | 2011-07-11 | 2013-09-12 | 경북대학교 산학협력단 | microboat |
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| KR20080069416A (en) | 2008-07-28 |
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