KR101463187B1 - 왁스 마이크로 엑츄에이터 - Google Patents

Abstract

엑츄에이터는 고체로부터 액체 상태로 상 변화가 이루어짐에 따라 가역적으로 팽창하는 구동 매체(3)를 포함하는 캐비티(2), 상기 팽창가능한 구동 매체의 팽창 및 수축은 상기 다어어프램을 편향시키도록 상기 캐비티에 인접하게 배치된 다이어프램(4), 및 상기 캐비티에 배치된 반도체 소자로서, 상기 반도체 소자는 상기 구동 매체를 가열하여 상기 구동 매체를 액체 상태로 상 변화시키도록 되어 있는 것인 반도체 소자(6)를 포함한다. 상기 엑츄에이터는 주입 시스템의 펌프에 사용될 수 있다.

Description

왁스 마이크로 엑츄에이터{Wax micro actuator}

인간 또는 동물의 몸으로 치료학적 산물의 프로그램화된 전달을 위한 장치에 있어서, 일반적으로 펌핑 챔버 및 밸브 수단과 협력하여 구동하는 치료학적 산물의 압축된 저장기가 제공된다. 상기 치료학적 산물은 전형적으로 상기 장치에 의해 튜브를 통해 환자의 피부를 관통하는 캐뉼라(cannula)로 펌핑된다. 상기 장치는 환자에게 치료학적 산물을 며칠 동안 다양한 속도로 주입할 수 있다. 본 발명은 펌핑 챔버를 위한 개선된 왁스-타입 마이크로 엑츄에이터에 관한 것이다.

치료학적 산물은 다양한 방식으로 인간 또는 동물에게 투여될 수 있고 상기 투여 방법은 종종 상기 치료학적 산물의 특별한 요구 및 그 의도된 작용에 맞추어진다. 경구 투여가 전형적으로 바람직하지만, 인슐린과 같은, 일부 치료학적 산물은 소화계를 피하는 방식으로 투여되거나, 또는 이들을 의도된 작용 부위에 직접 전달하는 것이 이로울 수 있다.

소화관을 피하는 치료학적 산물의 투여는 비경구 전달로서 알려져 있고 전형적으로 액체 제제로서 치료학적 산물을 순환계에 직접 투여함으로써 이루어질 수 있다. 이는 흔히 치료학적 산물의 보루스(bolus)를 전달하는 주사기(syringe) 또는 등가 장치, 또는 치료학적 산물의 연속적인, 그리고 몇몇 경우에는 프로그램화된, 전달을 수행할 수 있는 주입 시스템을 이용하여 수행된다. 상기 치료학적 산물의 제어된 투여는 이들 산물의 임상적 요구에 더욱 적절하게 부합하고, 종종 더 나은 치료학적 제어를 제공하며 독성을 감소시킨다.

당뇨병 환자에 있어서 포도당을 제어하는 강력한 인슐린 치료에 대한 수요가 증가하고 있다. 이들 치료는 상기 환자가 당뇨병이 없는 개체의 인슐린 분비의 일일 패턴을 모사(mimic)하기 위해 정기적으로 인슐린을 투여할 것을 요구한다. 당뇨병이 없는 사람의 상기 인슐린 분비 패턴은 복잡하다. 일반적으로, 공복 포도당(fasting glucose)을 제어하는 인슐린의 기저 수준(background level)이 있고 이는 섭취된 음식으로부터 분비되는 포도당을 상쇄시키는(counteract) 일시적인 증가에 의해 보충된다.

이러한 수요를 충족하기 위하여 유입부 및/또는 유출부에서 작동하는 일-방향 체크-밸브를 구비하는 박동형 펌핑 챔버와 협력하여 구동하는 양성 압력 저장기를 기반으로 한 많은 주입 시스템들이 나타났다.

선행 주입 시스템의 예는 미국 특허 제4,714,462호에 개시되어 있다. 상기 문헌은 치료학적 산물이 동물 또는 인간에 상기 치료학적 산물을 도입하는데 요구되는 주입 압력 바로 아래의 양성 압력으로 저장기 내에 보유되어 있는 주입 시스템을 개시한다. 치료학적 산물은 솔레노이드의 작용 하에서 벨로우(bellow) 부재를 잡아 당겨 챔버의 체적(volume)을 증가시킴으로써 상기 저장기로부터 일-방향 체크-밸브를 통해 챔버로 후퇴한다. 상기 솔레노이드의 해제시 복귀 스프링의 작용 하에서 상기 벨로우 부재는 상기 치료학적 산물을 유출부 액체 제한기(outlet fluid restrictor)를 통해 주입 부위로 밀어 낸다. 상기 유출부 제한기는 주입 속도 센서의 일부로서 기능한다. 상기 시스템은 인슐린과 같은, 치료학적 산물의 기저(basal) 및 볼루스(bolus) 투여량을 제공하기 위해 사용자에 의해 프로그램화될 수 있다.

많은 주입 시스템은 그 복잡성, 및 그 부착으로 인한 환자의 자유로운 이동을 제한하여 병원 및 의료 관리 시설과 같은, 관리되는 의료 환경(care environment)에서 사용되어야 한다. 그러한 큰 시스템에서, 다양한 메카니즘이 상기 펌핑 챔버를 구동시키기 위해 채용될 수 있다. 전형적으로, 엑츄에이터는 상기 펌핑 챔버에 연결되어 있어 상기 엑츄에이터의 움직임은 상기 액체 치료학적 산물을 펌핑시키는 상기 펌핑 챔버의 부재(member) 또는 다이어프램(diaphragm)을 변위시킨다.

미국 특허 제4,714,462호에 개시된 엑츄에이터는 솔레노이드의 구성 부분인 전기자(armature)를 포함하는 솔레노이드 엑츄에이터이다. 상기 전기자는 상기 펌핑 챔버의 체적을 감소시키기 위해 일 방향으로 스프링을 통해 바이어스된다. 상기 솔레노이드는 전자 모듈에 의해 구동된다. 상기 솔레노이드는 활성화된 경우 상기 전기자는 일 방향으로 구동되어 상기 펌핑 챔버의 체적이 증가되며, 이는 상기 펌핑 챔버가 채워질 때까지 상기 양성 압력 저장기로부터 유체를 당긴다. 상기 솔레노이드는 그 후 비-활성화되고 상기 엑츄에이터 스프링은 상기 펌핑 챔버의 체적을 감소시키기 위해 구동하고 그에 따라 상기 주입 부위 방향으로 액체를 펌핑하는 상기 전기자 상에 바이어스력을 제공한다.

다른 알려진 엑츄에이터는 상기 엑츄에이터를 구동하기 위하여 압전-전기 효과(piezo-electric effect)를 이용한다. 그러나, 상기 솔레노이드 및 압전-전기 엑츄에이터는, 마이크로-유동 시스템에 사용하기 위하여 크기가 감소되어감에 따라, 이들 엑츄에이터에 의하여 얻어질 수 있는 구동력은 실질적으로 감소된다.

마이크로-펌프의 일 예는 미국 특허 제4,152,098호에 개시되어 있다. 상기 펌프는 플런저(plunger)의 전기-자기적 구동 하에서, 펌핑 작용을 일으키기 위한, 펌핑 챔버의 이동가능한 탄성 벽으로서 작동하는 연성(flexible), 탄성(resilient)을 갖는 다이어프램을 구비한다.

상기 펌프는 항-마찰(anti-friction) 슬리브 내에서 슬라이딩가능하게 이동가능한 자성을 띤 강철로 제조된 전기자 또는 플런저를 포함한다. 상기 슬리브 및 상기 플런저 주위의 전기-자기 코일의 배열은 상기 슬리브의 위아래로 이동가능하여 상기 코일의 배열을 활성화시킨다. 크기에 비하여 상당히 높은 펌핑력이 달성될 수 있으나, 전체 약 4 ㎤의 부피를 차지하는, 마이크로-펌프는 현재의 요구와 관련하여 여전히 너무나 크다.

효율적인, 누출이 없는, 신뢰할 수 있는 펌핑을 수행하기 위하여 상기 엑츄에이터 내의 충분한 구동력을 유지하면서, 마이크로-펌프의 크기를 더 감소시키기 위하여, 개선된 엑츄에이터가 요구된다.

미국 공개특허 제2002/0037221A호는 마이크로-유동 시스템에 사용하기 위한 왁스 마이크로-엑츄에이터를 개시한다. 상기 마이크로-펌프는 가열기 부재를 구비하는 기질(substrate)을 포함한다. 상기 기질 및 가열기 부재는 제1 부분을 형성한 다. 제2 부분은 제1 부분에 인접하게 제공된다. 제2 부분은 하나 이상의 수지 층 및 보호 부재(shield member)인, 고 구동력 중합체(high actuating power polymer, HAPP) 부분을 포함한다. 제2 부분은 선택적으로 성형되어 열적 팽창 부분을 형성한다. 다이어프램 부재는 상기 열적 팽창 부분을 내포하여 동력이 상기 가열기 부분에 적용되는 경우, 상기 HAPP 부분은 상기 다이어프램에 대향하여 팽창하고 이를 편향시킨다. 상기 HAPP 부분 내의 온도가 그의 고체-액체-전이-온도에 도달함에 따라, 중합체의 비체적(specific volume)이 증가한다. 상기 가열기 층으로부터 추가적으로 열이 유입됨에 따라, 상기 HAPP 부분은 상 전이를 수행한다. 상 전이 동안, 상기 비체적이 극적으로 증가하여 상기 다이어프램 부재의 편향(deflection)을 일으킨다. 상기 다이어프램 부재는 상기 다이어프램이 편향됨에 따라 체적이 증가 및 감소하는 펌핑 챔버에 연결되거나, 그 자체로서 펌핑 챔버의 부분을 형성할 수 있다.

다양한 가열 시스템은 왁스 엑츄에이터와 관련하여 당업계에 알려져 있지만 이들은 대부분 마이크로-엑츄에이터보다 상대적으로 큰 엑츄에이터 장치에 관한 것이다. 예를 들어 영국 특허 제1204836호는 내장된 가열기 필라멘트를 구비하는 왁스 엑츄에이터를 개시한다. 프랑스 특허 제2731475호는 구동 캐비티(working cavity)의 외부에 배치된 전도성 가열 소자를 구비하는 왁스 엑츄에이터를 개시한다. 이는 상기 왁스를 비효율적으로 가열하는 것을 제공한다.

미국 공개특허 제2002/0037221A호의 장치는 박막 필름, 낮은 동력, 가열 소자(heating element)를 갖는 필수적으로 평면이다. 이는 많은 문제점이 있다. 상기 가열 소자 배열은 상기 왁스가 비효율적으로 가열되도록 되어 있다. 또한, 상기 왁스의 부피는 이들 배열에 의한 불충분한 열 분배로 인해 제한된다.

따라서 열적으로 효율적인, 팽창가능한 구동 매체(working medium)를 구비하여, 추가적인 크기 감소가 가능하고, 정확하게 제어가능하며, 확장가능한(scalable), 개선된 마이크로-엑츄에이터에 대한 당업계의 필요성이 있다. 이들 목적 및 다른 목적은 본 발명의 이하 상세한 설명에 의해 명백해 질 것이다.

본 발명에 따르면 고체로부터 액체 상태로 상 변화가 이루어짐에 따라 가역적으로 팽창하는 구동 매체(working medium)를 포함하는 캐비티(cavity), 상기 구동 매체의 팽창 및 수축이 다이어프램을 편향시키도록 상기 캐비티에 인접하게 배치된 다이어프램(diaphragm), 및 상기 캐비티 내에 배치된 반도체 소자(semiconductor element)로서, 상기 반도체 소자는 상기 구동 매체를 가열하여 상기 구동 매체를 액체 상태로 상 변화시키도록 되어 있는 것인 반도체 소자를 포함하는 엑츄에이터가 제공된다.

본 발명은 열적으로 효율적인 엑츄에이터를 제공하는데 이점이 있다. 이는 상기 팽창가능한 구동 매체를 포함하는 캐비티 내에 배치된 효율적인 반도체 소자의 사용에 의해 구현된다. 이러한 방식으로, 활성화된 경우 상기 반도체 소자로부터의 열 전달은 상기 팽창가능한 구동 매체에 직접적으로 전달된다. 본 발명의 바람직한 구체예에 있어서 상기 반도체 소자는 상기 다이어프램에 인접하게 위치하여 상기 다이어프램에 가장 근접한 상기 구동 매체의 부분(portion)은 상기 반도체 소자의 활성화시에 먼저 팽창하고 상기 반도체 소자의 비-활성화 시에 마지막으로 수축한다. 이는 상기 엑츄에이터의 제어를 개선하는 것으로 밝혀졌다.

상기 구동 매체에 침지되고 상기 캐비티의 측면들에 접촉하지 않도록 상기 반도체 소자를 위치시킴으로써, 상기 구동 매체의 고체 및 액체 상태 사이의 더 균일한 상 변화가 확보될 수 있다. 이는 액체 상태에서, 상기 캐비티 내의 반도체 소자 주위의 구동 매체를 더 균일하게 가열하고 실질적으로 자유롭게 유동하게 한 결과로서 야기된 것이다.

일단 상기 구동 매체가 고체 상태에서 그 상 변위 온도까지 가열되면, 상기 구동 매체의 용융에 요구되는 열 에너지 양은 상기 고체 구동 매체를 1℃만큼 가열하는데 요구되는 양보다 약 100배 더 크다. 만약 모든 구동 매체가 액화되면 그 후 연속적으로 유사한 속도의 열 전달을 적용하는 것은 매우 짧은 시간 내에 위험한 고온을 야기하게 된다. 따라서 이러한 열적 폭주(thermal runaway)를 방지하기 위해 구동시 상기 캐비티 내에 구동 매체의 일부만이 상 변화를 수행하도록 하는 것이 바람직하다.

상기 구동 매체는 바람직하게는 팽창을 일으키는 제1 왁스 및 상기 제1 왁스의 결정 구조 사이를 채우는 제1 왁스보다 더 작은 분자량의 제2 왁스인, 파라핀 왁스들의 배합물이다. 상기 왁스들은 바람직하게는 가능한 가파른(sharp) 녹는점을 확보하기 위해 모두 실질적으로 순수하다. 또한 이는 상기 캐비티 내의 정확한 온도 제어를 확보하는데 도움을 준다.

상기 반도체 소자는 상기 다이어프램에 인접하게 장착되는 전기적 연결부(electrical connection)를 구비하는 반도체 다이오드일 수 있다. 상기 구동 매체는 바람직하게는 상기 전기적 연결부 및 상기 반도체 다이오드 주위의 액체 구동 매체의 자유로운 유동을 허용하기 위해 상기 다이어프램과 상기 전기적 연결부 사이의 공간을 채워 진다.

상기 엑츄에이터는 상기 다이어프램의 선형 또는 체적 변위(displacement)를 증폭시키기 위한 연동(gear) 시스템을 더 포함할 수 있다. 상기 연동 시스템은 상기 엑츄에이터 다이어프램보다 더 큰 연동 다이어프램을 편향시키고(deflect) 그에 따라 상기 엑츄에이터에 의해 변위되는 상기 체적을 증폭시키도록 된 연동 피스톤을 포함할 수 있다.

본 발명의 바람직한 구체예에 있어서, 상기 엑츄에이터는 액체 치료학적 산물을 펌핑하는 펌프를 구동하는데 사용된다. 상기 펌프는 유입부 및 유출부를 구비하는 펌핑 챔버를 포함하고, 상기 펌핑 챔버의 체적은 상기 엑츄에이터의 구동에 의해 변한다. 상기 펌프는 바람직하게는 대기압에 비하여 양성 압력에서 유지되는 치료학적 산물의 저장기를 구비하는 주입 시스템의 일 부분이다. 상기 양성 압력 시스템의 누출을 방지하기 위해, 상기 펌프는 바람직하게는 유체 흐름 방향으로 상기 펌핑 챔버의 반대 측면 상의 유입 및 유출 밸브를 구비하고 상기 유출 밸브는 상기 유입 밸브보다 더 높은 활성화 압력(activation pressure)을 갖는다.

본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 유입 밸브 및 유출 밸브를 구비하는 펌핑 챔버로서, 상기 펌핑 챔버의 체적은 열적 팽창 엑츄에이터의 작동에 의해 변하고, 상기 유출 밸브는 상기 유입 밸브보다 더 큰 활성화 압력을 갖는 것인 펌핑 챔버를 포함하는, 액체 치료학적 산물(liquid therapeutic product)을 펌핑하는 펌프가 제공된다.

본 발명의 엑츄에이터 및 펌프는 바람직하게는 마이크로-소자(component)이고 상기 펌프의 펌핑 챔버는 바람직하게는 약 100 ㎕보다 더 작은 체적을 갖는다.

본 발명의 실시예들은 첨부된 도면에 의해 이하, 상세하게 설명될 것이다.

도 1은 본 발명의 제1 구체예에 따른 엑츄에이터를 통하여 본 단면도이다.

도 2는 본 발명의 제2 구체예에 따른 엑츄에이터의 단면도이다.

도 3은 본 발명의 제3 구체예에 따른 엑츄에이터의 단면도이다.

도 4a, 4b, 4c 및 4d는 본 발명의 제4 내지 제7 구체예에 따른 엑츄에이터의 단면도이다.

도 5는 연동 시스템이 제공된 본 발명의 제1 구체예에 따른 엑츄에이터의 단면도이다.

도 6은 도 5에 따른 연동 시스템을 구비하는 엑츄에이터를 포함하는 펌프를 통하여 본 단면도이다.

도 7은 주입 시스템의 일부로서 도 6의 펌프를 도시한다.

먼저 도 1에 의하면, 본 발명에 따른 엑츄에이터의 일 구체예가 나타난다. 상기 엑츄에이터는 고체로부터 액체 상태로 상 변화가 이루어짐에 따라 가역적으로 팽창하는 구동 매체(3)로 채워진 캐비티(2)를 부분적으로 정의하는 몸체(1)를 포함 한다. 따라서, 이는 액체로부터 고체로의 역 상 전이를 수행하는 경우에는 수축한다. 이러한 상 전이는 무한 반복될 수 있고 상기 구동 매체의 온도 변화에 의해 야기될 수 있다. 상기 캐비티(2)는 상기 몸체(1)에 연결된 프레임(frame, 5)에 의해 포획 고정된 다이어프램(4)에 의해 더 경계지워진다. 상기 다이어프램(4)는 상기 구동 매체(3)의 확장 및 수축이 상기 다이어프램(4)을 편향시킬 수 있도록 배치된다. 상기 구동 매체(3)는 상기 캐비티(2) 내에 배치된 반도체 소자(6)에 의해 가열된다. 상기 반도체 소자(6)에 연결된 전기적 연결부(7)는 상기 반도체 소자(6)에 전기적 동력(power)를 공급한다.

상기 다이어프램(4)은 연성(flexible), 탄성(resilient) 엘라스토머 물질 중 하나, 예를 들어, 고무이고, 이는 고체에서 액체로 상 변화를 수행하면서 상기 구동 매체(3)의 체적이 증가함에 따라 변형된다. 상기 프레임(5)은 상기 몸체(1)와 같은, 경질(rigid) 플라스틱 물질이다. 상기 플라스틱 및 엘라스토머 물질은 용이하게 그리고 저렴하게 원하는 형상으로 성형될 수 있어서 상기 엑츄에이터(100)는 큰 체적으로 제조될 수 있고 일회용(disposable)이다. 또한 상기 플라스틱 및 엘라스토머 물질은 가볍다. 상기 프레임, 다이어프램 및 몸체를 위하여 금속, 세라믹, 유리 및 실리콘과 같은 다른 물질이 대용 물질로 사용될 수 있으며, 이들은 당업자에 의해 이해될 것이다.

상기 엑츄에이터는 상기 구동 매체(3)가 고체인 경우, 상기 다이어프램(4)이 실질적으로 평면이 되도록 상기 캐비티(2)를 차지하도록 자동화된 조립(automated assembly)에 의해 제조된다. 이는 상기 다이어프램(4)을 구비하는 상기 프레임(5) 이 상기 몸체(1)에 연결된 경우, 상기 캐비티(2)가 실질적으로 기체(gas)를 포함하지 않게 한다. 상기 캐비티 내의 기체의 존재는 가열된 기체의 팽창은 고체에서 액체 상태로 상 전이를 수행하는 경우의 상기 구동 매체(3)의 팽창보다 훨씬 더 크기 때문에 상당한 문제를 야기할 수 있다. 또한, 기체는 압축성이기 때문에, 상기 구동 매체(3)의 팽창은 상기 다이어프램(4)의 편향보다 오히려 상기 기체의 압축을 야기할 수 있다. 따라서, 상기 캐비티 내의 임의의 기체는 신뢰할 수 없는 엑츄에이터 작동을 일으키는 상기 다이어프램(4)의 제어되지 않는 편향을 일으킬 수 있다.

상기 반도체 소자(6)는 전기 에너지가 공급되는 경우 열을 발생하는 소형 반도체 다이오드이다. 상기 캐비티 내에 반도체 소자(6)를 위치시키는 것은 상기 엑츄에이터(100)의 제어가능성(controllability) 및 열적 효율에 크게 영향을 미친다. 도 1에 나타난 바와 같이, 상기 반도체 소자(6)는 바람직하게는 상기 다이어프램(4)에 인접하게(adjacent) 배치되지만, 이에 접촉하지는 않는다. 상기 반도체 소자(6)를 상기 다이어프램(4)에 인접하여 위치시킴으로써, 상기 반도체 소자(6)에 의해 용융된 임의의 고체 구동 매체(3)는 상기 다이어프램(4)을 편향시키는 기회를 갖는다. 그렇지 않으면, 상기 용융된 구동 매체(3)는 고립된 공간(enclosed space)에 포집될 수 있고 그 결과 상기 반도체 소자(6)의 주어진 온도에 대한 상기 다이어프램(4)의 제어력은 감소될 수 있다. 이를 확보하기 위해, 구동 매체(3)는 또한 상기 다이어프램(4) 및 상기 전기적 연결부(7) 및 반도체 소자(6) 사이에 제공된다.

또한 상기 반도체 소자(6)는 상기 반도체 소자(6) 주위의 용융된 구동 매체(3)의 잠재적인 흐름을 최대화하기 위해 상기 캐비티에 대하여 배향할 수 있다. 실제로, 도 1에 나타낸 상기 반도체 소자(6)의 방향은 가능한 상기 반도체 소자(6)의 최상의 수력동력학적으로 효율적인 방향성 및 형상을 제공하는 것으로 밝혀졌다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 반도체 소자(6)는 상기 캐비티(2) 내의 실질적으로 중앙에(centrally) 배치되고, 즉 상기 반도체 소자(6)는 상기 몸체(1)의 각 측벽들(1a, 1b)로부터 실질적으로 동일한 거리에 있다. 상기 캐비티는 바람직하게는 단면 상으로 실질적으로 직사각형이지만, 원형, 8각형(octagonal), 6각형(hexagonal), 정사각형 또는 유사한 단면이 대체되어 사용될 수 있다. 상기 엑츄에이터(100)의 열적 효율을 증가시키기 위해, 상기 측벽(1a, 1b)으로부터 상기 반도체 소자(6)를 배치함으로써, 상기 반도체 소자(6)와 상기 구동 매체(3) 사이의 접촉을 최대로 하면서 상기 몸체(1)로부터의 잠재적인 열 손실은 감소된다.

상기 캐비티(2) 내의 고체 구동 매체(3)의 체적은 고체에서 액체 상태로 상 전이를 수행하도록 의도된 상기 구동 매체(3)의 체적보다 크다. 이들 체적의 상대적 비율은 상기 용융된 구동 매체(3)가 사용시 상기 몸체(1)의, 측벽들(1a, 1b), 또는 베이스(1c)에 접촉하지 않도록 배정된다. 이는 두 가지 이점을 제공한다. 첫째, 활성화시 상기 반도체 소자(6)에 가장 인접되어 있는, 가장 높은 온도에 있는 상기 구동 매체(3)의 부분은 상기 몸체(1)에 접촉하지 않으며, 여기서 상기 접촉은 상기 엑츄에이터(100)로부터 열적 손실을 증가시킨다. 그러나, 더 중요하게, 이는 상기 하여진 일이 상기 매체의 상태 변화에 거의 배탁적으로 관여하기 때문에 상기 캐비티(2) 내의 구동 매체(3)의 온도의 급속한 증가가 발생하지 않도록 한다. 일단 상기 구동 매체(3)는 고체 상태에서 상 전이 온도로 가열되면, 상기 구동 매체(3)의 용융시 요구되는 열 에너지 량은 액체 상태인 구동 매체를 1 ℃씩 가열하는데 요구되는 열 에너지의 량에 약 100 배가 더 크다. 만약 모든 구동 매체(3)가 액화되면 그 후 상기 반도체 소자(6)로부터의 연속적인 유사한 속도의 열 전달의 적용은 매우 짧은 시간 내에 위험한 고온을 발생시켜 열적인 폭주(thermal run-away)를 야기할 것이다. 이는 상기 엑츄에이터(100)가 매우 작은 크기의 마이크로-엑츄에이터이고 약 100 ㎕보다 작은 정도의 구동 매체(3)의 체적을 가질 경우 구체적인 문제이다. 열적 폭주가 그러한 작은 체적의 구동 매체(3)에서 일어날 경우 약 300 ℃ 및 더 높은 온도가 밀리초(milliseconds) 내에 가능하다.

도 1의 구체예에서, 상기 몸체(1)의 측벽(1a, 1b) 및 베이스 벽(1c)은 일체형으로(integrally) 형성된다. 이는 적은 수의 부분들(parts)을 사용하여 상기 엑츄에이터의 간단한 제조를 가능하게 하지만, 상기 구조는 상기 캐비티(2)가 상기 제조 공정시 구동 매체(3)로 채워져 상기 캐비터(2)가 실질적으로 기체를 포함하지 않도록 하는 것이 어렵다는 것을 입증할 수 있다. 제조시, 상기 다이어프램(4)를 갖는 프레임(5)은 상기 캐비티(2)가 상기 반도체 소자(6) 및 그의 전기적 연결부(7)의 수준까지 및 그 이상 구동 매체(3)로 채워진 후 상기 몸체(1)에 연결되어, 상기 고체 구동 매체(3)의 상부 표면이 상기 몸체 측벽(1a, 1b)의 상단 표면에 넘치도록 한다. 이는 상기 캐비티(2)를 고체 상태로의 상 전이 동안 수축하는 경우 상기 구동 매체(3)의 상단 표면이 상기 몸체 측벽들(1a, 1b)의 상단 표면으로 넘치 도록 미리 정해진 체적의 양의 상기 구동 매체(3)로 채움으로써 이루어 질 수 있다.

그러나, 이는 고형화(solidification) 전에 상기 액체 구동 매체(3)의 표면 장력(tension) 때문에 실질적으로 이루어지기 어렵다. 따라서, 상기 캐비티(2)를 구동 매체(3)로 넘치도록 채우고, 그 후, 일단 상기 구동 매체(3)가 고형화되면, 상기 몸체 측벽들(1a, 1b)의 최상 표면 수준까지 상기 구동 매체(3)의 최상 표면을 수평 절개(level off)할 필요가 있다. 이러한 수준 조절(levelling)은 스크래퍼(scraper) 등을 사용하여 수행될 수 있다. 그러나, 스크래퍼의 사용은 상기 구동 매체(3)의 정확히 수평인 최상 표면을 형성하기 어려울 것이고 따라서 상기 다이어프램(4)을 구비한 프레임(5)이 상기 몸체(1)에 연결된 경우 기체는 상기 캐비티(2) 내에서 포획될 수 있다.

이러한 문제점을 완화하기 위해, 상기 몸체(1)를 복수의 구성 부분으로부터 형성할 필요가 있을 수 있다. 도 2에 의하면, 도 1에 나타난 본 발명의 제1 구체예의 것과 실질적으로 동일하지만, 상기 몸체(1)는 두 개의 구성 부분, 즉, 측벽들(1a, 1b), 및 베이스(1c)를 포함하는 것인, 본 발명의 제2 구체예를 나타낸다. 본 발명의 제2 구체예에 따른 상기 엑츄에이터(200)의 제조시 상기 다이어프램(4)을 구비하는 프레임(5)은 상기 캐비티(2)가 구동 매체(3)로 채워지기 전에, 일체형으로 형성될 수 있는 상기 측벽들(1a, 1b)에 연결된다. 상기 베이스(1c)를 고정하기 전에 수준 조절될 필요가 있는 것은 구동 매체(3)의 낮은 표면(lower surface)이 되는 것을 제외하고는 본 발명의 제1 구체예에 따르는 바와 같이, 상기 캐비 티(2)에 상기 구동 매체(3)를 채우는 유사한 공정이 수행될 수 있다. 그러나, 상기 베이스(1c)에 가장 인접한 구동 매체(3)는 상기 엑츄에이터의 작동 동안 용융되는 것으로 의도되지 않기 때문에, 상기 구동 매체(3)와 상기 베이스(1c) 사이에 포획된 임의의 기체는 상기 고체 베이스(1c)와 상기 고체 구동 매체(3) 사이에 포획된 상태로 남는다. 따라서 상기 캐비티(2) 내의 임의의 기체는 상기 엑츄에이터(200)의 작동을 어떠한 방식으로도 방해하지 않는다.

도 3은 상기 엑츄에이터(300)에서 상기 다이어프램(4)이 상기 측벽들(1a, 1b)에 의해 유지되어, 프레임(5)을 요구하지 않는 점을 제외하고는, 도 2에 따른 본 발명의 제2 구체예와 실질적으로 동일한 본 발명의 제3 구체예를 나타낸다. 본 발명의 제1, 제2 및 제3 구체예의 구성 요소들이 쉽게 조합될 수 있다는 것은 당업자들에게 이해될 것이다.

이미 논의한 바와 같이, 상기 캐비티(2) 내에 상기 반도체 소자(6)를 위치시키는 것 및 배향시키는 것은 상기 엑츄에이터의 뛰어난 거동(performance)을 위한 정확한 제어를 확보함에 있어서 중요하다. 그러나, 제조의 용이, 또는 상기 엑츄에이터의 크기의 다양한 원인으로 인하여, 상기 캐비티(2) 내 상기 반도체 소자(6)에 관한 다양한 다른 배열들이 상정된다.

도 4a 내지 도 4d는 각각 본 발명의 제4 내지 제7 구체예를 나타낸다. 도 4a에 나타낸 엑츄에이터(400)는 베이스(1c)에 평행하고 인접한 반도체 소자(6)를 구비한다. 엑츄에이터(500)는 상기 베이스(1c)에 수직하고 인접한 반도체 소자(6)를 구비한다. 엑츄에이터(600)는 상기 엑츄에이터(400)와 유사하고 반도체 소자(6)로 부터 캐비티(2)로 열을 소산시키는(dissipating) 방사체(radiator) 소자를 더 포함한다. 도 4d에 나타낸 엑츄에이터(700)는 다이어프램(4)에 평행하고 인접한 반도체 소자를 나타낸다. 재차, 본 발명의 제1 내지 제7 구체예의 다양한 구성 요소들이 쉽게 조합될 수 있다는 것은 당업자들에게 이해될 것이다.

상기 구동 매체(3)는 바람직하게는 하나가 다른 하나보다 더 큰 분자량을 갖는 것인 두 가지 다른 파리핀 왁스의 배합물이다. 상기 더 큰 분자량의 왁스는 팽창하고 상기 더 작은 분자량의 왁스는 상기 더 큰 분자량의 왁스의 결정 구조 사이에 채워 진다. 상기 두 가지 왁스는 바람직하게는 가능한 가파른 녹는점을 확보하기 위해 실질적으로 순수하다. 온도조절(thermostat) 왁스 및 폴리에틸렌 글리콜과 같은 다른 유형의 왁스들이 본 발명의 엑츄에이터 내에서 상기 구동 매체(3)로서 사용될 수 있다는 것은 당업자들에게 이해될 것이다. 바람직한 왁스 조성물의 일 예는 약 60%의 헥사트리아콘탄(hexatriacontane) 및 약 40%의 파리핀 왁스를 포함한다.

상기 엑츄에이터의 작동 동안 상기 다이어프램(4)의 변위(displacement)는 몇몇 용도에 대하여 충분할 수 있지만, 연동 시스템을 사용함으로써 상기 다이어프램(4)의 편향을 증폭시킬 필요가 있을 수 있다. 도 5는 연동 조립체(150)와 조합된 엑츄에이터(100)를 나타낸다. 상기 연동 시스템의 기능은 상기 다이어프램(4)의 선형 변위를 증폭시키거나, 또는 상기 다이어프램(4)의 편향을 일으키는 효율적인 체적 변위를 증가시키는 것이다. 도 5에 나타낸 연동 조립체(15)는 상기 체적 변위를 증폭시키는 유형 중 하나이다. 상기 연동 조립체(150)는 연동 피스톤(151), 및 연 동 프레임(153)에 연결된 연동 다이어프램(152)를 포함한다. 상기 연동 프레임(153)은 상기 연동 조립체(150)의 몸체(154)에 고정된다.

상기 피스톤(151)은 상기 엑츄에이터 다이어프램(4)에 연결되거나, 또는 접촉하여 위치된다. 상기 피스톤(151)의 움직임은 상기 몸체(154) 내로 한정되어 상기 피스톤(151)이 상기 다이어프램(4)과 함께 아래위로 움직이도록 한다. 상기 피스톤(151)의 다른 말단은 다이어프램(152) 바로 아래에 장착되어 상기 엑츄에이터 다이어프램(154)의 편향이 상기 피스톤(151)을 움직이게 하여 상기 연동 다이어프램(152)를 편향시킨다. 상기 연동 다이어프램(152)은 상기 엑츄에이터 다이어프램(4)보다 더 크고 상기 다이어프램들(4, 152) 및 피스톤(151)의 배열 때문에, 상기 연동 다이어프램(152)의 체적 변위는 상기 엑츄에이터 다이어프램(4)의 체적 변위보다 훨씬 더 크다. 상기 연동 조립체로 인하여 상기 연동 다이어프램(152)의 변위에 의해 가해진 단위 면적 당 힘이 상기 엑츄에이터 다이어프램(4)의 편향에 의해 가해진 단위 면적 당 힘보다 작지만, 이는 상기 엑츄에이터의 구동 매체(3)가, 상기 연동 다이어프램(152)이 상기 연동된 엑츄에이터(geared actuator)에 대해 상정된 많은 적용례에 대하여 단위 면적 당 충분한 힘을 적용하게 하는 상기 왁스 엑츄에이터의 높은 "에너지 밀도(energy density)"로 인하여, 왁스인 경우에는 중요하지 않다.

상기 연동 조립체(150)는 제조 및 조립이 쉬운 소수의 부분들을 갖고 따라서 상기 연동된 엑츄에이터는 적은 비용으로 신뢰할 수 있게 제조될 수 있으며 뛰어난수행 능력을 제공하는 일회용 제품을 만들 수 있다. 상기 피스톤(151), 프레 임(153) 및 몸체(154)는 바람직하게는 플라스틱 물질로 이루어지고 상기 다이어프램(152)은 바람직하게는 연성(flexible), 탄성(resilient) 엘라스토머 물질, 예를 들어, 고무로 이루어진다. 금속, 세라믹, 유리 및 실리콘과 같은, 상기 피스톤, 프레임, 몸체 및 다이어프램을 위한 다른 물질은 대용 물질로 사용될 수 있으며, 이들은 당업자에 의해 이해될 것이다. 상기 프레임(153)은 상기 다이어프램(152)과 일체형으로 형성될 수 있다.

특히 상기 연동 조립체(150)가 사용되는 경우, 복귀력(return force)은 상기 엑츄에이터를 그 시작 위치, 즉, 상기 구동 매체(3)의 용융 전과 같은 위치로 복귀시키기 위해 요구될 수 있다고 밝혀졌다. 상기 복귀력은 스프링 또는 상기 연동 피스톤(151)을 상기 엑츄에이터(100) 방향으로 바이어스하는 알려진 다른 적절한 수단에 의해 제공될 수 있다. 바람직하게는, 상기 복귀력은 상기 연동 다이어프램(152) 및/또는 상기 엑츄에이터 다이어프램(4)에서의 장력에 의해 제공된다. 이것이 불충분한 경우, 예를 들어, 상기 몸체(154)에 일 말단이 연결되고 및 상기 피스톤(151)의 가장자리(flange)에 다른 말단이 연결된 장력 스프링(tension spring)이 제공될 수 있다. 상기 엑츄에이터(100)가 상기 연동 조립체(150) 없이 제공되는 경우, 동일한 이유로 상기 캐비티(2) 방향으로 상기 엑츄에이터 다이어프램(4)을 바이어스하기 위한 수단을 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 상기 다이어프램(4)에 직접 또는 간접적으로 작용하는 그러한 복귀력의 부재는 가열 후 상기 구동 매체(3)의 비-균일(non-uniform) 냉각을 발생시킬 수 있다. 이는 그 후 임의의 가열 작동 동안 신뢰할 수 없는 작동을 일으키는 연쇄 효과(knock-on effect)를 발생시 킬 것이다

상기 연동 조립체(150)는 상기 연동 조립체(150)의 상대적으로 낮은 프로파일로 인하여, 연동된 마이크로-엑츄에이터 조립체에서 사용하기에 특히 적절하다. 상기 연동 조립체(150)는 체적 증폭기 유형이나, 선형 변위 증폭기 유형의 연동 조립체는 지렛대(lever), 또는 기어(gear) 및 도르래(pulley)를 사용하여 구성될 수 있다는 것은 당업자들에게 이해될 것이다.

본 발명의 상기 엑츄에이터, 또는 상기 연동된 엑츄에이터는 의료적인, 산업적인 또는 환경적인 적용예에 관한 밸브 및 펌프에 있어서와 같은, 그리고 소형/중형 크기의 장치부터 마이크로-시스템까지의 다양한 크기에 있어서 많은 잠재적인 용도를 갖는 것으로 상정된다.

도 5의 연동된 마이크로-엑츄에이터의 적용의 일 예는 도 6에 나타난 것과 같은, 마이크로-펌프와 같은 것이 있다. 상기 마이크로-펌프(170)는 유입 밸브(172)에 연결된 유체 유입부(171)를 구비한다. 상기 연동 조립체(150)를 구비하는 상기 엑츄에이터(100)의 작동은 펌핑 챔버(173)의 체적을 변화시킨다. 상기 연동된 엑츄에이터(100, 150)의 작동에 의해 상기 펌핑 챔버(173)의 체적이 증가하면, 상기 유입 밸브(172)는 개방되고 액체는 상기 유입부(171)로부터 상기 유입 밸브(172)를 통해 흘러 상기 펌핑 챔버(173)를 채운다. 일단 상기 펌핑 챔버(173)가 채워지면, 상기 펌핑 챔버(173)의 체적을 감소시키는 상기 연동된 엑츄에이터(100, 150)의 작동은 상기 액체를 도관(174)을 따라 유출 밸브(175)로 이동시킨다. 상기 도관(174)을 통해 이동하는 액체는 상기 연동된 엑츄에이터(100, 150)의 압력 하에 있기 때문에, 상기 유출 밸브(175)는 개방되고 액체는 상기 유출부(176)을 통해 상기 펌프로부터 배출된다.

상기 유입 및 배출 밸브(172, 175)는 일-방향 밸브이기 때문에 상기 펌핑 챔버(173)의 체적의 감소는 액체가 상기 유입 밸브(172)를 통해 상기 유입부(171)로 이동하지 않고 오로지 상기 도관(174)을 따라 이동한다. 또한, 상기 배출 밸브(175)는 상기 도관(174) 내의 액체의 압력이 미리 정해진 수치 아래로 감소할 경우에는 폐쇄된다. 상기 연동된 엑츄에이터(100, 150)의 반복된 작동은 액체를 상기 유입부(171)에서 상기 배출부(176)로 펌핑되게 한다.

도 6에 따른 마이크로-펌프(170)는 특히 치료학적 산물을 인간 또는 동물의 몸으로 전달하는 마이크로-주입 시스템에 있어서 사용되는 것으로 밝혀졌다. 상기 주입 시스템은 도 7에 나타나 있고 치료학적 산물(192)의 압축된 저장기(191)를 포함한다. 상기 치료학적 산물(192)은 상기 저장기 캐비티 내에서 이동가능한 플런저(plunger, 194)에 대하여, 193으로 표시된, 힘의 적용에 의해 상기 저장기 내에서 압축된다. 상기 저장기의 유출부(195)는 상기 마이크로 펌프(170)의 유입부(171)에 연결된다. 치료학적 산물이 전달되도록 상기 마이크로-펌프(170)를 인간 또는 동물의 몸에 유체소통가능하게 커플링하는 수단은 일 말단이 환자에게 연결되고, 다른 말단은 상기 마이크로 펌프(170)의 유출부(176)에 연결된다. 이러한 수단은 캐뉼러(cannular) 또는 다른 유사한 장치일 수 있다.

상기 엑츄에이터는 바람직하게는 높은 수준의 정확도로 상기 치료학적 산물의 프로그램화된 전달을 확보하기 위해 하나 이상의 흐름 속도 지시자(indicator) 와 공동으로 작동하는 전자 모듈(도시되지 않음)에 의해 제어된다.

본 발명의 다양한 변형물은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는, 본 발명의 보호범위에서 벗어나지 않고 당업자에 의해 이해되는 것과 같이 상정될 수 있다.

Claims (32)

1. 고체로부터 액체 상태로 상 변화가 이루어짐에 따라 가역적으로 팽창하는 구동 매체(working medium)를 포함하는 캐비티(cavity);

   상기 팽창가능한 구동 매체의 팽창 및 수축이 다이어프램을 편향시키도록 상기 캐비티에 인접하게 배치된 다이어프램(diaphragm); 및

   상기 캐비티에 배치된 반도체 소자(semiconductor element)로서, 상기 반도체 소자는 상기 구동 매체를 가열하여 상기 구동 매체를 액체 상태로 상 변화시키도록 되어 있는 것인 반도체 소자를 포함하는 엑츄에이터(actuator)로서,

   상기 캐비티 내의 일부 구동 매체만이 구동(actuation)시 상 변화를 수행하도록, 상기 반도체 소자는 상기 다이어프램에 인접한 상기 구동 매체에 침지된 것인 엑츄에이터.
2. 제1항에 있어서, 상기 반도체 소자는 상기 캐비티 내의 실질적으로 중앙에(centrally) 위치되어 있는 것인 엑츄에이터.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 반도체 소자는 상기 캐비티 내에 위치되어 상기 반도체 소자 주위에서 액체 구동 매체의 실질적으로 자유로운 유동을 허용하는 것인 엑츄에이터.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 캐비티는 실질적으로 기체(gas)를 포함하지 않는 것인 엑츄에이터.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 구동 매체는 왁스(wax)를 포함하는 것인 엑츄에이터.
6. 제5항에 있어서, 상기 왁스는 하나가 다른 하나보다 더 큰 분자량을 갖는, 상이한 두 가지 왁스의 배합물(blend)을 포함하는 것인 엑츄에이터.
7. 제5항에 있어서, 상기 왁스는 실질적으로 순수한(pure) 것인 엑츄에이터.
8. 제5항에 있어서, 상기 구동 매체는 60%의 헥사트리아콘탄(hexatriacontane) 및 40%의 파라핀 왁스를 포함하는 것인 엑츄에이터.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 반도체 소자는 반도체 다이오드인 것인 엑츄에이터.
10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 반도체 소자에 대한 전기적 연결부는 상기 캐비티 내에 적어도 부분적으로 배치되는 것인 엑츄에이터.
11. 제10항에 있어서, 상기 전기적 연결부는 상기 다이어프램에 인접하게 위치되는 있는 것인 엑츄에이터.
12. 제10항에 있어서, 상기 구동 매체는 상기 다이어프램과 상기 전기적 연결부 사이의 공간을 채우는 것인 엑츄에이터.
13. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 캐비티는 엑츄에이터 몸체 및 상기 다이어프램에 의해 경계가 이루어지는 것인 엑츄에이터.
14. 제13항에 있어서, 상기 몸체는 일체형(unitary)인 것인 엑츄에이터.
15. 제13항에 있어서, 상기 몸체는 상기 구동 매체로 상기 캐비티를 상기 구동 매체로 채우는 것을 허용하는 상기 다이어프램으로부터 떨어진 제거가능한 말단을 갖는 것인 엑츄에이터.
16. 제13항에 있어서, 상기 다이어프램은 상기 몸체에 부착된 프레임(frame) 부재에 연결된 것인 엑츄에이터.
17. 제13항에 있어서, 상기 다이어프램은 상기 몸체에 직접적으로 부착된 것인 엑츄에이터.
18. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 다이어프램은 상기 구동 매체가 고체 상태인 경우 실질적으로 편평한(planar) 것인 엑츄에이터.
19. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 다이어프램은 상기 구동 매체의 용융(melting) 전과 같은 위치로 복귀하도록 탄성인 것인 엑츄에이터.
20. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 다이어프램의 선형 또는 체적 변위(displacement)를 증폭시키는 연동 시스템(gearing system)을 더 포함하는 것인 엑츄에이터.
21. 제20항에 있어서, 상기 연동 시스템은 상기 엑츄에이터 다이어프램보다 더 큰, 연동 다이어프램을 편향시키는 연동 피스톤을 포함하는 것인 엑츄에이터.
22. 제1항 또는 제2항에 따른 엑츄에이터를 포함하는 펌프.
23. 삭제
24. 제22항에 있어서, 유입부 및 유출부를 구비하는 펌핑 챔버로서, 상기 펌핑 챔버의 체적은 상기 엑츄에이터의 구동에 의해 변하는 것인 펌핑 챔버를 포함하는, 액체 치료학적 산물을 펌핑하기 위한 것인 펌프.
25. 제22항에 있어서, 유입 밸브를 더 포함하는 것인 펌프.
26. 제22항에 있어서, 유출 밸브를 더 포함하는 것인 펌프.
27. 제22항에 있어서, 유입 밸브 및 유출 밸브를 더 포함하고, 상기 유출 밸브는 상기 유입 밸브보다 더 큰 활성화 압력을 갖는 것인 펌프.
28. 제22항에 따른 펌프를 포함하는 주입 시스템.
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