KR101616240B1 - 정전기적으로 제어 가능한 마이크로밸브들 - Google Patents

Abstract

개선된 마이크로밸브가 개시된다. 이 마이크로밸브는 작동 어퍼쳐 층에서 대응하는 작동 어퍼쳐를 포함한다. 제어 유체는 상기 작동 어퍼쳐를 통해서 흐른다. 상기 제어 유체의 흐름은 작동 어퍼쳐 층 근처의 전하 분포를 통해서 전형적으로 인가되는 전계에 의해 제어된다. 일 실시예에서, 상기 전계는 상기 작동 어퍼쳐의 개방 및 폐쇄를 조정함으로써, 상기 제어 유체의 흐름을 제어한다. 제 2 실시예에서, 제어 유체는 전계가 ER 유체의 점도를 제어하는 전기유변성 유체이고, 이에 따라, 상기 작동 어퍼쳐를 통한 유체 흐름을 제어한다. 두 실시예들에서, 제어 유체의 흐름은 제어될 유체가 흐르는 도관의 벽을 따라서 형성되는 가요성 멤브레인의 스트레칭을 제어한다. 가요성 멤브레인의 스트레칭이 제어될 주 유체의 흐름을 제어한다.

멤브레인, 유체 흐름, 전기유변성 유체, 유체 점도, 도관

Description

정전기적으로 제어 가능한 마이크로밸브들{ELECTROSTATICALLY CONTROLLABLE MICROVALVES}

본 발명은 정전기적으로 처리가능한 마이크로밸브들에 관한 것이다.

마이크로밸브들은 많은 디바이스들, 특히 미소량의 유체들을 조정할 필요가 있는 "랩온어칩(lab-on-a-chip)"디바이스들 및 BioMEMS의 필수적인 부분이다. Unger가 출원하고 Fluidigm Corporation에 양도된 발명의 명칭이 "Electrostatic/electrostrictive Actuation of Elastomer Structures Using Compliant Electrodes"인 미국 특허 출원 20060118895는 이와 같은 마이크로밸브 디자인을 구현하는 것에 관해서 설명한다. 하나의 디자인에서, Fluidigm은 주 도관(main conduit)을 통한 유체 흐름을 설명한다. 주 도관에 수직하게 진행하는 제어 도관에서의 압력 조정은 2개의 도관들을 분리시키는 탄성 벽을 구부림으로써, 유체를 혼합하지 않고 주 도관을 통해서 유체 흐름을 제어한다.

Fluidigm 디자인이 지닌 한 가지 문제는 분리된 외부 공기압 작동/압력 제어 밸브들의 어레이를 필요로 한다는 것이다. 각 마이크로밸브를 제어하기 위하여, 각 마이크로밸브는 대응하는 외부 작동/압력 제어 밸브를 필요로 한다. 이와 같은 외 부 작동/압력 제어기들의 어레이의 구현은 Fluidigm 마이크로밸브들의 비용과 부피를 상당히 부가시킨다.

대안적인 Fluidigm 디자인은 정전력(electrostatic)을 사용하여 2개의 위치들 간에서 멤브레인을 직접 이동시킴으로써 마이크로밸브들을 폐쇄하는 것이다. 그러나 이 디자인을 이용하면, 정전력들은 전형적으로 저압 시스템에서 마이크로밸브를 스위칭하는데에 만 충분하다. 더 높은 압력에서, 정전력들은 더 높은 압력 유체 흐름을 직접 조정하는데 불충분하다.

따라서, 더 높은 유체 압력을 제어할 수 있는 부피를 작게 하면서 더욱 값싼 마이크로밸브가 필요하다.

새로운 마이크로밸브가 개시된다. 새로운 마이크로밸브는 작동 어퍼쳐 층(actuation aperture layer)에서 작동 어퍼쳐를 포함한다. 새로운 마이크로밸브의 가요성 멤브레인 부분은 상기 작동 어퍼쳐의 일 단부를 거의 밀봉하는 제 1 측; 제어되는 주 유체(main fluid)를 운반하도록 도관의 일부를 형성하는 상기 가요성 멤브레인의 제 2 측을 포함한다. 흐름 제어 메커니즘은 작동 어퍼쳐에서 제어 유체의 흐름을 제어함으로써, 제어 유체의 압력 구동된 흐름이 상기 가요성 멤브레인의 스트레칭을 결정하도록 한다. 상기 가요성 멤브레인의 스트레칭은 도관에서 주 유체 흐름을 결정한다.

본 발명에 따라 개선된 마이크로밸브가 제공된다.

새로운 마이크로밸브 구조 및 이 마이크로밸브를 개폐하는 방법이 설명된다. 본원에 이용된 바와 같은, "마이크로밸브"는 소량의 유체의 흐름을 제어하는 임의의 장치로 폭넓게 정의된다. "유체"는 흐르는 액상 또는 기체 상태인 임의의 재료를 포함하는 것으로 폭넓게 정의된다. 개시된 특정 마이크로밸브 구조가 특히 유용하지만, 약물 검사 및 DNA 분석과 같은 랩온어칩 및 bio-MEMS 관련 애플리케이션을 위한 생물학적 샘플들을 조정하는 것으로 제한되지 않는다.

도 1은 1차 또는 주 유체 도관(112)을 통해서 흐르는 유체(108)를 제어하도록 이용되는 마이크로밸브(104)의 예를 도시한 것이다. 본원에 이용된 바와 같은, "주 유체"는 임의 유체에 대한 일반적인 용어이고, 이들 유체의 흐름은 마이크로밸브에 의해 제어된다. 마이크로밸브(104)는 "흐름 제어 메커니즘"을 갖는 작동 어퍼쳐(116)를 포함한다. 본원에 이용된 바와 같은, "흐름 제어 메커니즘"은 작동 어퍼쳐에서 제어 유체의 흐름 또는 양을 제어 또는 조정하는 임의의 기술 또는 시스템으로 폭넓게 정의된다. 도 1의 실시예에서, 상기 흐름 제어 메커니즘은 상기 작동 어퍼쳐를 개폐한다. 따라서, 작동 어퍼쳐(116)는 작동 어퍼쳐(116) 근처, 전형적으로 가로질러 분포된 전하(120)에 기초하여 개폐된다. 대향 전하들이 작동 어퍼쳐(116)를 가로질로 분포될 때, 인력(attractive force)이 작동 어퍼쳐(116) 주위의 층(101)을 압축시킨다. 이 압축이 작동 어퍼쳐의 벽을 구부려 어퍼쳐를 폐쇄한다. 더욱 상세한 설명은 첨부한 도 9 내지 10과 관련한 설명에서 제공된다.

선택 어퍼쳐들이 폐쇄된 후, 압축기, 펌프, 및 외부 가압원 또는 다른 압력 제어 수단은 제어 유체(124)의 압력을 상승시킨다. 도 1의 도시된 실시예에서, 폐쇄 작동 어퍼쳐(116)는 작동 어퍼쳐(116)를 가로질러 놓이는 가요성 마이크로밸브 멤브레인(128)에 가압된 제어 유체(124)가 도달되는 것을 방지한다. 가압된 제어 유체로부터 압력이 인가되지 않고, 가요성 멤브레인(128)은 스트레칭되지 않거나 "휴지(rest)" 위치에 유지된다. 이 가요성 멤브레인(128)의 휴지 위치는 주 유체(108)가 주 도관(112)을 통해서 흐르도록 제어된다.

도 2는 폐쇄 위치에서 도 1의 마이크로밸브를 도시한 것이다. 도 2에서, 인가된 전하의 부재는 작동 어퍼쳐의 벽들을 릴랙스 또는 "스트레이트(straight)"되도록 하는 압축력(또는 대안적인 실시예에서, 작동 어퍼쳐(116)를 가로지르는 공통 극성의 전기 분포가 척력(repulsive force)을 발생한다). 작동 어퍼쳐 벽들을 릴랙싱 또는 스트레이트하는 것은 작동 어퍼쳐를 개방시킨다. 작동 어퍼쳐(116)가 개방될 때, 가압된 제어 유체는 상기 작동 어퍼쳐를 통해서 흐르고 가요성 마이크로밸브 멤브레인(128)을 스트레칭한다. 전형적으로, 제어 유체 압력은 주 유체 도관(112)에서 유체의 압력을 초과한다. 높은 제어 유체 압력이 멤브레인(128)을 주 유체 도관(112)으로 스트레칭한다. 충분한 제어 유체 압력에서, 스트레칭된 멤브레인(128)은 멤브레인(128)과 주 유체 도관(112)의 벽들 간의 공간 또는 "갭" (130)을 최소화 또는 제거함으로써, 주 유체 도관(112)을 통한 유체 흐름을 방지한다. 폐쇄된 상태에서, 멤브레인(128)은 실질적으로 주 유체 도관의 형상에 따라 주 유체 도관을 밀봉한다. 스트레칭된 멤브레인(128) 상태(또는 폐쇄된 마이크로밸브)는 제어 유체 압력을 개방 어퍼쳐로 유지함으로써 유지될 수 있다. 대안적으로, 폐쇄 된 마이크로밸브는 작동 어퍼쳐(116)를 폐쇄함으로써 유지되어, 폐쇄된 어퍼쳐와 멤브레인(128) 간에 가압된 제어 유체를 트랩한다(trapping).

도 1 및 도 2는 개방 및 폐쇄된 상태들을 도시하지만, 제어될 유체 압력의 함수로서 멤브레인(128)의 상대적인 탄성(elasticity) 및 제어 유체 압력을 조정함으로써, 마이크로밸브(104)는 주 도관을 통해서 흐르는 유체의 흐름 속도를 제어하도록 부분적으로 개방 또는 부분적으로 폐쇄될 수 있다는 것을 인식하여야만 한다.

도 3은 부분적으로 개방된 상태에서 도 1의 마이크로밸브를 도시한다. 부분적인 마이크로밸브 개구들은 각종 기술들에 의해 성취될 수 있다. 부분적으로 개방된 상태를 유지하는 한 가지 방법은 어퍼쳐를 가로지르는 전하 또는 전압 및 이에 따라 작동 어퍼쳐(116) 벽들에 가해지는 압축 압력의 량을 조정하는 것에 좌우된다. 전압 조절은 작동 어퍼쳐 벽들 상의 압력을 조절한다. 전체 압력이 아닌, 일부 압력을 갖는 벽들은 전체 개방 작동 어퍼쳐 단면적보다 작은 단면적을 갖는 작동 어퍼쳐(116) 개구를 생성한다. 더 작은 작동 어퍼쳐 개구는 제어 유체(124)에 노출되는 멤브레인(128)의 표면적(304)을 감소시킨다. 제어 유체로부터의 압력에 노출되는 멤브레인 표면적의 감소는 상기 멤브레인의 스트레칭을 감소시킨다. 약간 스트레칭된 멤브레인은 마이크로밸브를 완전히 폐쇄하지 않고 주 유체 도관(112)을 통한 주 유체 흐름을 감소시켜, 주 유체 흐름을 원하는 흐름 속도로 제어한다.

마이크로밸브를 부분적으로 개방시키는 제 2 방법은 차동 압력을 조정하는데, 이 차동 압력은 제어 유체 압력과 주 유체 압력 간의 차이다. 완전히 폐쇄된 상태에서 인가된 차동 압력으로부터 감소된 차동 압력은 완전히 스트레칭된 것보다 적게 멤브레인을 유지시켜, 부분적으로 개방된 마이크로밸브를 생성한다.

도 4 내지 도 9는 마이크로밸브, 특히 작동 어퍼쳐를 제조하며, 마이크로 밸브를 제어하기 위하여 압축력들을 작동 어퍼쳐 벽들에 인가하고 유체 흐름을 제어하기 위하여 복수의 마이크로밸브들을 이용하는 각종 방법들을 도시한다. 도 1 내지 도 9가 멤브레인(128)을 제어하도록 작동 어퍼쳐를 물리적으로 개폐하는 것을 도시하지만, 각종 다른 방법들이 또한 멤브레인을 "작동"(여기서 영역을 상승 또는 낮추는 것으로 폭넓게 정의된다)시키도록 사용될 수 있다. 도 10 내지 도 14는 작동 어퍼쳐를 통한 제어 유체 흐름을 조정하도록 전기유변성(ER) 유체를 이용하는 대안적인 구조 및 방법을 도시한다.

도 4는 그리드 층(400)에 형성된 작동 어퍼쳐들(412 및 416)의 예를 도시한 것이다. 각 작동 어퍼쳐는 상기 작동 어퍼쳐를 통한 제어 유체 흐름을 제어한다. 본원에 이용된 바와 같은, "작동 어퍼쳐"는 제어 유체가 흐르도록 하는 층(일반적으로, "작동 어퍼쳐 층" 또는 "그리드 층"이라 칭함)에서 임의의 경로, 채널, 터널, 홀, 또는 다른 특징으로서 폭넓게 정의된다. 본원에 이용된 바와 같은, "그리드 층" 또는 "작동 어퍼쳐 층"은 층을 통한 복수의 작동 어퍼쳐들을 갖는 층 구조로 폭넓게 정의된다. 상기 그리드 층을 통한 작동 어퍼쳐들의 패턴은 균일할 수 있지만, 필요요건은 아니다. 특히, 그리드 층을 통한 흐름 경로들의 분포는 균일한 어레이의 형태가 되도록 조정될 수 있거나 랜덤한 배열들 또는 랩온어칩 시스템과 같은 전체 유체 회로의 요건들을 충족시키는 패턴들과 같은 다른 순서화된 또는 패턴들로 분포될 수 있다.

작동 어퍼쳐의 형상은 또한 다양할 수 있다. 일 실시예에서, 작동 어퍼쳐의 단면은 도 18에 도시된 바와 같이 거의 원형이다. 원형 작동 어퍼쳐(1804)는 어퍼쳐 벽들(1808)의 최소 균일한 이동이 작동 어퍼쳐를 손쉽게 폐쇄하도록 한다. 예의 대안적인 실시예에서, 작동 어퍼쳐는 도 19에 도시된 바와 같은 직사각형이다. 직사각형의 작동 어퍼쳐(1904)는 작동 어퍼쳐의 긴 변(1908)이 주 유체 도관과 정렬되도록 한다. 주 도관들에서 유체 흐름의 방향과 작동 어퍼쳐의 긴 변의 정렬은 주 도관에서 가요성 멤브레인 면적을 증가시킨다. 주 도관에서 증가된 멤브레인 표면적은 주 도관 형상과 스트레칭된 멤브레인의 매칭을 개선할 수 있다. 개선된 매칭은 스트레칭된 멤브레인 주위에 주 도관 유체의 누설을 최소화시킬 수 있다. 도 20은 도 1의 구조와 유사한 작동된 마이크로밸브를 도시하는데, 직사각형 어퍼쳐(2004)는 거의 직사각형의 스트레칭된 멤브레인을 생성하여 더 낮은 압력들에서 갭(130)을 최소화하거나 제거하고 주 유체 도관을 더욱 효율적으로 밀봉시킨다.

일 실시예에서, 각 작동 어퍼쳐(412 및 416)는 겔 형 재료(400) 층에 있다. 상기 겔-형 재료는 200kPa 내지 100MPa의 범위에서 고 유전 강도 및 저 탄성 모듈러스를 갖는다. 적절한 겔-형 재료의 예는 미시간주 미들랜드에 소재하는 다우 코닝 사로부터의 Dielectric Gel #3-4207 또는 Gel #3-4220이지만, 충분한 탄성을 갖는 임의의 가요성 재료가 이용될 수 있다_[u2].

각종 방법들은 작동 어퍼쳐들(412 및 416)을 형성하도록 이용될 수 있다. 한 가지 예의 방법은 겔 형 재료(420)를 몰딩하기 위하여 몰드를 이용한다. 도 5는 Su-8 포토레지스트 필러(pillar)들(504 및 508)의 어레이를 포함하는 예의 몰드를 도시한다. 필러들은 리소그래피 또는 다른 기술들을 이용하여 형성될 수 있다. 각 필러는 전형적으로 5 내지 20 미크론의 직경 및 약 50 내지 500 미크론의 높이를 갖지만, 다른 치수들이 사용될 수 있다. 겔-형 재료는 필러들 주위에 몰딩됨으로써, 디몰딩시(Su-8 포토레지스트로부터 겔 재료의 분리), 복수의 작동 어퍼쳐들은 겔 재료(420)로 남게 된다.

각종 방법들은 멤브레인 층을 형성하도록 사용될 수 있다. 도 6은 그리드 층(400) 위에 본딩된 가요성 멤브레인 층(604)을 도시한다. 전형적으로, 멤브레인 층(604)은 유체 침투를 막는 물질과 같은 가요성, 고무이다. 적절한 멤브레인 층(604) 재료의 한 가지 예는 미네소타주 세인트 폴에 소재하는 3M Corporation으로부터 VHB 접착성 트랜스퍼 테이프들과 같은 매우 높은 본드 엘라스토머(elastomer)이다. 멤브레인 층은 도시된 바와 같이 그리드 층(400)을 균일하게 커버할 수 있거나 작동 어퍼쳐 개구 위에 그리고 바로 옆의 영역들만을 커버하도록 조정될 수 있다.

도 7은 제어되는 유체를 운반하는 주 유체 도관들(712, 716, 및 720)을 포함하는 마이크로밸브 구조의 정면의 단면도를 도시한다. 제어 유체 층들(704 및 705)은 그리드 층(400) 아래에 형성된다. 전형적인 제어 유체들의 예들은 공기와 같은 기체 또는 비활성 오일과 같은 액체를 포함한다. 유체층들(704 및 705)은 액체 또는 가스 저장고일 수 있다. 대안적인 실시예에서, 유체 층들(704 및 705)은 그리드 층 및 그 위의 다른 층들을 지지하면서 작동 제어 유체를 포함하는 기판과 같은 다공성 고체 또는 스펀지를 포함할 수 있다.

개방 작동 어퍼쳐들을 통한 제어 유체 흐름은 멤브레인 층(604)의 일부를 작동시킨다. 도 7에서, 작동 어퍼쳐들(708)과 같은 개방 작동 어퍼쳐들은 멤브레인(604)의 대응하는 영역들(712)을 상승시킨다. 개방한 채로 유지하도록 지정된 마이크로밸브들에 대응하는 작동 어퍼쳐들을 유지하면 폐쇄된다. 개방 작동 어퍼쳐들이 작동 어퍼쳐를 통해서 제어 유체를 흐르도록 하고 멤브레인 층(604)에 대해서 가압하도록 제어 유체 압력은 증가된다. 제어 유체와 제어되는 주 유체 간의 압력 차는 제어되는 주 유체의 흐름을 원하는 대로 부분적으로 또는 완전히 방해하도록 멤브레인 층의 대응 영역(712)을 상승시키기 위해 충분히 높게 되어야 한다.

도 1 내지 7은 가요성 멤브레인을 상승시켜 대안적인 실시예에서 마이크로밸브를 턴오프시키지만, 감소된 제어 유체 압력은 또한 마이크로밸브를 개방하기 위해 멤브레인을 낮추도록 이용될 수 있다. 도 8에서, 개방 작동 어퍼쳐들은 "통상적으로 상승"되는 멤브레인 층의 대응하는 영역들(813)을 낮춤으로써 마이크로밸브들을 제어하여, 유체가 선택된 주 도관들(824)을 통해서 흐를 수 있도록 한다. 스트레칭되지 않거나 "릴랙스"될 때, 멤브레인 층은 충분히 두껍거나 주 도관(826)과 같은 주 도관들을 통한 유체 흐름을 방해하는 "스토퍼(stopper)" 재료를 포함한다. 특정 마이크로밸브들이 폐쇄된 채로 유지될 때, 폐쇄된 마이크로밸브들에 대응하는 작동 어퍼쳐들은 또한 폐쇄되고 제어 유체 층(804 및 805)의 압력은 주 도관에서 유체의 압력 이하로 감소된다. 일 실시예에서, 감소된 압력은 대기압 이하이다. 주 유체 도관의 압력은 이들 영역들에서 멤브레인 아래로 밀고 감압된 제어 유체는 임의의 개방 작동 어퍼쳐들(809)들을 통해서 흐른다. 도 1 내지 도 7에서처럼 마이크 로밸브를 폐쇄하는 대신에, 대응하는 멤브레인 층 영역(513)의 이 작동은 마이크로밸브를 개방하고 유체로 하여금 대응하는 주 도관을 통해서 흐르도록 한다. 마이크로밸브를 개방된 채로 유지하기 위하여, 일정한 저압력이 유체층(805)에서 제어 유체 상에 유지될 수 있다. 대안적으로, 균일한 변화가 가해져, 그리드 층에서 모든 작동 어퍼쳐들을 폐쇄되어 작동된 영역에서 멤브레인 층과 그리드 층 간의 낮은 압력에서 유체를 효율적으로 트랩시킨다.

가요성 멤브레인을 통한 채널을 실제로 발생하는 부압 시스템(negative pressure system)의 대안적인 실시예가 도 17에 도시된다. 도 17에서, 작동 어퍼쳐들 자체가 긴 채널들이다. 도 17에 도시된 실시예에서, 멤브레인 층(604)은 통상적으로 최상부 층(1704)에 대해 동일평면이다. 개방 작동 어퍼쳐들(1710) 및 부압 또는 제어 유체층에서 멤브레인 층(604)의 실제 채널들(1708)을 발생시킨다. 제어되는 주 유체는 주 도관들을 형성하는 이들 채널들을 통해서 흐를 수 있다.

각 그리드 층(400) 작동 어퍼쳐는 전하 패턴을 이용하여 개별적으로 처리될 수 있다. 전하 패턴을 발생시키는 한 가지 방법은 제로그라피 시스템(xerographic system)들에서 행해진 바와 같이 포토리셉터(photoreceptor) 및 래스터 출력 스캔(ROS;raster output scan) 시스템을 이용한다. 이와 같은 시스템들에서, 레이저가 하전된 플레이트의 선택 부분들을 방전시키기 위해 이용된다. 그러나, 이 애플리케이션에서, 종래의 제로그라피 시스템들에서 행해진 바와 같이 토너 입자들을 끌어당기는 대신에, 전하 패턴은 마이크로밸브 홀들을 폐쇄하는 전계를 생성한다. 홀 어퍼쳐(폐쇄 량)는 전하들에 의해 발생된 전계 강도에 대응한다. 높은 전하 밀 도들에 대응하는 강한 전계는 더 작은 어퍼쳐들을 발생시킨다.

도 9 및 도 10은 폐쇄되는 작동 어퍼쳐의 측단면도를 도시한다. 도 9는 작동 어퍼쳐를 둘러싸는 겔 재료(908), 이 경우에 홀 칼럼(904)을 도시한다. 겔 재료(908)는 부드러운 재료로 경화되는 캡슐제의 특수한 종류일 수 있다. 예의 겔 경화는 쇼어 굳기 경도계(shore hardness durometer scale) 상의 5 내지 95 사이의 범위에 있다. 전형적인 겔 밀도는 0.9와 1.22 g/cc 사이의 범위에 있다. 겔은 엘라스토머의 치수 안정성을 여전히 제공하면서 액체의 많은 응력 제거(stress relief) 및 "자체-치료(self-healing)" 특성들을 갖는다.

겔 자체는 광범위의 다양한 재료들로 이루어지지만, 실리콘은 공통 재료이다. 작동 어퍼쳐를 개방하고 폐쇄하는 것은 높은 전계들을 수반하기 때문에, 겔은 충분한 유전 강도를 가져 작동에 필요로 되는 원하는 전계 레벨들에서 항복들을 피한다. 일 실시예에서, 도 10의 전하들(1004 및 1012)은 대략 100 내지 200 미크론 두께의 겔 층을 가로질러 인가되는 300 내지 600 볼트들을 발생시켜, 겔은 결과적으로 고 전계들을 겪을 때 항복되지 않아야 한다. 200kPa 내지 100MPa의 범위의 저 탄성모듈러스는 전계가 인가될 때 대략 10 내지 40 미크론 직경의 홀 칼럼(904)을 폐쇄하도록 충분하게 겔의 압축을 허용하면서 전계가 없을 때 겔을 자신의 형상으로 유지시킨다. 적절한 유전체 겔들의 예들은 미시간주의 미들랜드에 소재하는 다우 코닝사로부터 Dielectric Gel #3-4207 또는 Gel #3-4220을 포함한다.

제조 전, 다우 코닝 및 다른 제조사들은 전형적으로 최종 사용자가 어셈블하고 "경화"하는 액체로서 겔을 제공한다. 일 실시예에서, 겔은 겔을 형성하도록 혼 합시 세팅되거나 그렇치 않으면 경화되는 두 부분의 액체이다. 대안적인 형태들에서, 겔은 열 또는 UV 방사를 이용하여 경화되는 단일 액체로부터 제조될 수 있다. 액체가 도 5의 몰드와 같은 몰드 주위에 쏟아진 후 경화가 발생됨으로써, 결과적으로 겔은 원하는 대로 형상화된다.

작동 어퍼쳐를 개폐하도록 제어하기 위하여, 도 10은 겔 재료(908)의 제 1 측(1008)에 증착되거나 근접하여 위치되는 정 전하들(positive charges; 1004) 및 겔 재료의 대향측(1016) 상에 증착되거나 근접하여 위치되는 부 전하들(negative charges; 1012)을 도시한다. 결과적인 전계는 겔 재료(904) 상에 압축력 방향(1020)에서 압축력을 발생시킨다. 압축력은 작동 어퍼쳐로서 기능하는 홀 칼럼의 입구와 출구 간의 거리를 다소 감소시킨다. 이 공정에서, 압축력은 홀 측벽들을 구부려 억제하거나 그렇지 않으면 홀 칼럼(904)을 폐쇄한다.

도시된 실시예에서, 전하에 의해 겔에 인가된 힘은 홀 칼럼(904) 측벽들에 평행한 힘의 방향(1020)에 있어, 힘 방향(1020)과 거의 수직한 방향(1024)으로 홀 측벽들을 구부려뜨린다. 따라서, 힘 방향은 홀을 폐쇄하는 벽 이동 방향을 중첩시키는 벡터 성분을 갖지 않는다. 도시된 예에서, 홀을 폐쇄하는 것은 압축 유도된 유전체 겔 스프레딩에 의해 전적으로 발생된다. 그러나, 수직 칼럼 이외의 작동 어퍼쳐들이 이용될 때, 힘 방향(1020)의 일부 성분들은 측벽 이동과 직교될 수 없는데, 이 경우에, 작동 어퍼쳐를 폐쇄하는 것은 힘 방향(1020)으로부터 직접 압력에 의해 야기될 수 있다.

도 10이 겔 재료상에 직접 증착되는 전하들을 도시하지만, 전하가 다른 표면 들에 인가될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 이들 다른 표면들은 멤브레인 층(604)을 포함할 수 있다. 대안적인 실시예들에서, 전형적으로 그러나 반드시 그렇지는 않지만 금속으로 이루어진 가요성 전극들은 겔 입구들 근처에 전계 축적을 용이하게 하기 위해 각 홀 칼럼(904)의 각 입구 근처에 증착된다. 전극들이 이용될 때, 각 홀 칼럼(또는 마이크로밸브가 작동 어퍼쳐로서 함께 기능하는 홀 칼럼들의 그룹을 포함한다)을 독립적으로 어드레싱, 개방 및 폐쇄하기 위해 전극들은 인접한 전극들로부터 전기적으로 절연되어야 한다. 전하가 인가되고 유지되는 방법과 관계없이, 1차 기준들은 전하들이 통상적으로 개방 홀을 제한하거나 폐쇄하는 겔에 국부화된 네트 압축력(localized net compressive force)을 생성하거나 전하들이 통상적으로 폐쇄 홀을 개방하는 국부화된 네트 척력(localized net repulsive force)을 생성하는 것이다.

적절한 작동 어퍼쳐들이 폐쇄된 후, 압력이 유체 층(704)에 인가된다. 가압된 유체는 개방 홀들(708) 또는 정전기적으로 폐쇄되는 작동 어퍼쳐들을 통해서 흐른다. 가압된 유체는 멤브레인 층의 대응하는 영역들(712)을 상승시켜 대응하는 마이크로밸브를 폐쇄한다. 마이크로밸브가 폐쇄된 채로 유지되는 것을 보장하기 위하여, 일정한 압력은 유체 층(704)에서 제어 유체 상에 유지될 수 있다. 대안적으로, 균일한 전하가 인가되어, 그리드 층에서 모든 홀들을 폐쇄하여, 제어 유체를 효율적으로 트랩핑한다.

도 7 및 도 8은 하나의 마이크로밸브에 하나의 홀 대응을 의미하는 그리드 홀 또는 작동 어퍼쳐 당 하나의 범프 또는 웰(well)(딤플(dimple))을 도시하지만, 작동 어퍼쳐와 각 마이크로밸브 간의 일 대 일 대응이 필수적이지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 도 11은 단일 대응하는 멤브레인 영역을 상승시키는 다수의 홀들 또는 작동 어퍼쳐들이 범프들(1108)과 같은 범프를 형성하도록 하는 3차원 토포그래피(topography)의 일 예를 도시한다. 각 범프는 마이크로밸브에 대응한다.

마이크로밸브들이 리셋되어야 할 때, 기판은 방전될 수 있다. 전체 하전된 표면을 방전시키는 한 가지 방법은 제로그라피에서 행해진 바와 같은 광을 이용한다. 다른 방법들은 마스터 플레이트를 방전시키는 전기적으로 전도성 그라운딩 플레이트와 물리적으로 접촉한다.

전하를 제거하는 것은 겔 층을 가로질러 전계를 제거한다. 전계가 없다면, 겔 상에 전계에 의해 가해지는 힘이 릴랙스됨으로써, 홀들(또는 작동 어퍼쳐들)을 "통상" 또는 원래 형상으로 리셋한다. 작동 어퍼쳐들을 자신들의 통상 형상으로 재개방하거나 재 폐쇄한 후, 마이크로밸브 세팅들은 멤브레인 층과 모든 마이크로밸브들을 가로지르는 겔(400) 간에 포함되는 유체 량을 감소시킴으로써 개방 위치로 리셋될 수 있다. 특히, 유체층(704) 또는 층(705)에서 제어 유체 압력은 전형적으로 대기압(또는, 도 7에 도시된 바와 같이 범프들이 형성되는 실시예들에서 약간의 진공을 발생하는 대기압보다 약간 이하 또는 도 8 및 도 16에 도시된 바와 같이 주 유체 도관들 및 마이크로밸브들을 개방시키도록 이용되는 대기압보다 약간 이상에서 조차)에 근접하게 된다. 유체층 및 외부 대기압 간의 약간의 압력차에 의해 가능한 지원되는 탄성의 인쇄층에서 내부 응력들은 유체로 하여금 개방 작동 개구들을 통해서 다시 흐르도록 함으로써, 마이크로밸브 상태들을 "소거"한다. 그 후, 상 기 작동 어퍼쳐 어레이는 마이크로밸브 세팅들의 새로운 세트를 생성하기 위해 새로운 전하 분포를 수신한다.

종래 설명이 작동 어퍼쳐들 및 대응하는 마이크로밸브들을 개폐하는 것을 설명하지만, 도 3에 상술된 바와 같이, 마이크로밸브들은 완전히 개방되거나 폐쇄될 필요는 없다. 일부 실시예들에서, 마이크로밸브의 작동 어퍼쳐를 단지 부분적으로만 폐쇄하면서, 마이크로밸브를 완전히 폐쇄하지 않고 유체 흐름의 감소하는 것이 가능하다. 예를 들어, 600 볼트가 작동 어퍼쳐를 완전히 폐쇄하는 "완전 폐쇄 전압"이면, 부분적인 폐쇄는 600볼트보다 작은 전압을 인가함으로써 성취될 수 있다. 더 낮은 전압은 작동 어퍼쳐 개구 크기를 감소시키지만 홀을 완전히 폐쇄하지 않는다. 감소된 작동 어퍼쳐 크기는 일부 제어 유체를 누출시킴으로써, 주 유체 흐름을 제어하는 멤브레인을 부분적으로 상승 또는 낮춘다.

도 12 내지 도 16은 흐름 제어 메커니즘으로서 전기유변성 제어 유체(electrorheological control fluid)를 이용하는 본 발명의 대안적인 실시예를 도시한다. 도 12 내지 도 16에서, 전계는 제어 유체 점도를 변화시켜 "개방 및 폐쇄" 작동 어퍼쳐 상태들을 효율적으로 시뮬레이션(simulate) 한다. 전기유변성 유체의 컨텍스트에서, 작동 어퍼쳐의 "폐쇄"는 물리적인 폐쇄가 아니라 다소 증가된 전기유변성 유체 점도로서, 작동 어퍼쳐를 통한 제어 ER 유체 흐름은 "플러깅(plugging)"됨으로써, 작동 어퍼쳐를 "폐쇄"한다.

도 12는 도관들(1220)을 통해 흐르는 주 유체를 제어하도록 하는 마이크로밸브 어레이를 도시한다. 메시(1204)와 같은 그리드 층에서 개구들은 작동 개구들을 형성한다. 메시의 한 가지 예는 노스캐롤라이나 샤롯테에 소재하는 Stork Prints Corporation에 의해 제조된 Stork 메시이다. 메시 층 위에 가요성 멤브레인(1208)이 증착된다. 멤브레인(1208)은 전형적으로 유체 통과를 막는 물질과 같은 가요성 고무이다. 적절한 멤브레인(1208)의 한 가지 예는 미네소타주 세인트 폴에 소재하는 3M Corporation으로부터 VHB 접착성 트랜스퍼 테이프들과 같은 매우 높은 본드 엘라스토머이다. 제어될 유체를 위한 주 도관으로서 작용하는 일련의 채널들(1220)은 멤브레인 층(1208) 위에 형성된다.

메시 또는 그리드 층(1204) 아래에는 제어 유체로서 작용하는 전기유변성 유체(이하부터, ER 유체)(1212)의 층이다. ER 유체들은 분명한 점도 및 항복 응력(yield stress)이 외부 전계를 인가함으로써 증가되는 유체들의 특수한 종류들이다. 본원에 사용된 바와 같이, "분명한 점도"는 전계의 인가시 ER 유체의 상태의 변화로서 정의될 것이다. ER 유체는 전계의 변화를 겪어 전단 항복 응력(shear yield stress)의 증가시키는 것으로 간주된다.

일 실시예에서, ER 유체는 절연액에서 절연 유체에서 절연된 철 입자 현탁액(iron particle suspension)들을 포함한다. 전계의 인가시, 입자들은 전계 방향으로 정렬되어 유체 두께화(점도 증가)를 발생시킨다. 이와 같은 유체의 한 가지 예는 Isorpa-V 미네랄 오일에서 현탁된 절연된 철 입자들의 15 중량%을 포함하는 유체이다. 적절한 입자들의 한 가지 예는 포스페이트/SiO₂로 코팅된 카르보닐 철 분말과 같은 2 내지 4 마이크로미터 직경의 절연된 철 입자들이다. 이와 같은 코팅된 카르보닐 철 분말은 독일 루드비그샤펜의 BASF Corporation으로부터 CIP-EW-I와 같 이 상업적으로 입수가능하다. 여러 다른 유형들의 전기유변성 유체들이 또한 이 실시예에서 이용되는데, 임의의 비 도전성의 현탁액들 또는 절연액에서 분산되는 전기 절연된 입자들을 포함하지만 이로 제한되지 않는다. 다른 사용가능한 전기유변성 유체들은 에멀젼을 생성하기 위해 하나의 유체 상이 또 다른 유체 상 내부에 분산되는 유체들을 포함한다.

다양한 방법들이 전계를 ER 유체에 인가하기 위하여 이용됨으로써 유체 점도/항복 응력을 제어한다. 이와 같은 전압을 인가하는 한 가지 방법은 도관 포함층(1228)의 최상부에 직접 전압을 인가하는 것이다. 도관 포함층의 표면 위에 직접 전하를 인가하는 것은 구성을 간략화 하지만, 도관 포함층의 최상부와 ER 유체층 간의 거리로 인해 ER 유체층에서 전계를 생성하는데 고전압이 요구된다.

전계를 ER 유체로 인가하는 제 2 방법은 배킹 전극(backing electrode; 1216)에 전하를 인가하는 것이다. 도 13은 ER 유체(1212)를 가로질러 전계를 생성하기 위해 전하(1302)를 배킹 전극(1216)에 인가하고 그리드 층(1204)을 전기적으로 접지하는 것을 도시한다. 고전계들에 노출되는 전기유변성 유체의 부분들은 매우 점성을 갖게 되고 고 항복 응력을 갖는다. ER 유체는 제어 유체층을 따라서 흐르고 가압됨에 따라서, 유체의 매우 높은 점성의 영역들은 그리드 층(1204)에서 작동 개구들로서 작용하는 홀들을 통한 유체 흐름을 제한한다. 그러나, 저 전계를 갖는 영역들에서, 유체 점도는 낮고 유체 압력은 멤브레인 층(1208)으로 손쉽게 전달되어, 도관(1220)과 같은 대응하는 도관들을 통해서 유체 흐름을 막는(close off) 멤브레인의 범프들(bumps) 또는 상승된(elevated) 멤브레인 부분들(1304 및 1308) 을 발생시킨다.

도 16에 도시된 바와 같은 또 다른 실시예에서, ER 유체는 감압된다(이 압력은 대기압보다 이하로 조정된다). 유체의 높은 점성의 에어리어들은 그리드 층(1204)에서 홀들을 통한 유체 흐름을 제한한다. 그러나, 저 전계를 갖는 영역들에서, 유체 점도는 낮고 유체는 감압시에 멤브레인 층(1208) 아래에서부터 벗어나서 손쉽게 전달된다. 따라서, 멤브레인 층(1208)의 벽들 또는 리세스된 부분들(1608)은 저전계/저점도 에어리어들에서 형성됨으로써, 주 유체 도관들(1616)을 통해서 유체를 흐르도록 한다.

홀들 또는 홀들 근처에 근접하여 전계를 발생시키도록 전하를 위치시키는 다른 수단이 또한 가능하다. 예를 들어, 다공성 전극(porous electrode)은 그리드 층 바로 아래에서 이용될 수 있다. 상기 다공성 전극은 유체 흐름을 허용하고 홀 입구 근처는 저전압이 이용되도록 한다.

실제로, 전계의 부재시에, 약 35psig(2.4atms)의 작동 압력이 ER 유체에 인가될 때, 유체는 대략 150 미크론 직경의 그리드 홀들을 통해서 흐르고 40미크론 두께의 3M-VHB 엘라스토머상에 75 내지 85미크론 범프들을 발생시킨다. 상승된 인쇄 표면이 바람직하지 않는 영역들에서, ER 유체의 0.5mm를 가로질러 인가된 600 내지 800 볼트는 실질적인 범프 형성을 방지하도록 하는데 충분한 전계를 발생시킨다. 이들이 예의 값들이지만, 다른 값들이 이용될 수 있다는 점에 유의하여야만 한다. 전형적으로, 그리드 홀들은 ER 유체가 높은 점도 상태에 있을 때 ER 유체 흐름을 막기에 충분히 낮지만 저점도 상태에서 ER 유체의 흐름을 허용하기에 충분히 커 야 한다. 전형적인 홀 크기 범위들은 더 크거나 작은 홀들이 또한 사용될 수 있지만 5 미크론과 250 미크론 사이에 있다.

선택된 마이크로밸브들을 개폐하기 위하여 멤브레인 층의 선택 영역들을 상승시키거나 낮춘 후, 마이크로밸브들은 전형적으로 흐름들이 변화되어야 할 때까지 정상 상태에 유지된다. 마이크로밸브들의 정상 상태를 유지하는 한 가지 방법은 멤브레인을 위치시키도록 초기에 이용되는 ER 유체 상에 전계 분포 및 압력을 유지하는 것이다. 대안적인 방법은 작동 어퍼쳐에서 모든 ER 유체를 가로질러 높은 균일한 전계를 인가함으로써 ER 유체를 "고정(immoblize)"시키는 것이다. 본원에 이용된 바와 같이, "고정"은 항복 응력이 실질적으로 증가, 전형적으로 4 kPa의 값을 넘어, 특히 고정된 유체를 직접적으로 넘어 홀을 통한 ER 유체의 유체 흐름은 실질적으로 방해받는다.

도 14는 ER 유체를 "고정"시키도록 상승된 릴리프 영역들 근처에서 부가되는 전하(1404)를 도시한다. 도 14는 폐쇄된 마이크로밸브들 근처의 유체 도관층에 부가되는 전하를 도시하지만, 다른 전하 분포들 및 위치들이 가능하다는 것을 이해하여야 한다. 예를 들어, 도 15는 모든 ER 유체가 매우 높은 점성을 렌더링하는 전계를 발생시키기 위하여 전체 배킹 전극을 가로질러 전하(1504)를 배치함으로써, ER 유체를 고정하는 것을 도시한다. 높은 점도는 멤브레인 층에서 내부 엘라스토머 응력이 릴리스되는 것을 방지하는데, 그 이유는 멤브레인 층에 의해 가해지는 힘, 전형적으로 엘라스토머는 그리드 홀들을 통해서 높은 점성의 ER 유체를 밀기에 불충분하기 때문이다. 따라서, 마이크로밸브들의 상태는 ER 유체 압력이 대기압 레벨들 에 근접한 값들로 리셋되는 경우에도 유지될 수 있다.

도 6 내지 도 10에서 서술된 바와 같은 겔의 압축을 통해서 제어되는 마이크로밸브의 경우에서처럼, 부분적으로 개방된 마이크로밸브들은 약한 전계를 인가함으로써 ER 유체 실시예들에서 성취될 수 있다. 약한 전계는 점도를 증가시키지만 ER 유체를 고정시키는 점까지 증가되지 않는다. 더 큰 점도를 갖지만 고정된 유체가 아닌 영역들에서, 릴리프 패턴은 전체 높이보다 작게 형성됨으로써, 대응하는 마이크로밸브를 완전히 폐쇄하지 않는다.

도 1은 마이크로밸브를 개방 상태로 만드는데 이용되는 일예의 폐쇄 작동 어퍼쳐를 도시한 도면.

도 2는 마이크로밸브를 폐쇄 상태로 만드는 개방 작동 어퍼쳐를 도시하는 도면.

도 3은 마이크로밸브를 부분적으로 개방시키기 위한 부분적으로 개방된 작동 어퍼쳐를 도시한 도면.

도 4는 겔 구조의 복수의 홀들 또는 원통형의 작동 어퍼쳐들을 포함한 그리드 층을 도시한 도면.

도 5는 겔 구조의 복수의 작동 어퍼쳐들을 몰드하도록 이용될 수 있는 필러들의 어레이를 도시한 도면.

도 6은 그리드 또는 겔 층 위에 멤브레인 층을 형성한 것을 도시한 도면.

도 7은 멤브레인 층에서 선택된 영역들을 상승시키고 선택 마이크로밸브들을 폐쇄하여 선택한 주 도관들을 통한 유체 흐름을 방지함으로써 선택된 개방 작동 어퍼쳐들을 통한 가압된 제어 유체 흐름을 도시한 도면.

도 8은 멤브레인에서 선택된 영역들을 낮추고 유체가 선택된 개방 작동 어퍼쳐들에 대응하는 제 2 도관들을 통해서 흐르도록 함으로써 멤브레인 층에서 릴리프 패턴을 발생하는 감압된 유체(de-pressurized fluid)를 도시한 도면.

도 9 내지 도 10은 그리드 겔 층에서 겔 재료에 정전력들을 가하는 전하의 인가로 인해 작동 어퍼쳐가 어떻게 폐쇄하는 지를 도시한 도면.

도 11은 다수의 작동 어퍼쳐들이 단일 마이크로밸브에 대응하는 작동 후의 3차원 릴리프 표면을 도시한 도면.

도 12는 전기유변성 유체(electroheological fluid) (ER 유체)에 의해 제어되는 복수의 마이크로밸브들을 도시한 도면.

도 13은 ER 유체에 근접한 전극층에 전하 패턴이 인가됨으로써 ER 유체의 선택 영역들이 더욱 점성이 되게 하고 제어 유체 흐름을 재지향시켜, 멤브레인_[u1]의 선택 부분들이 선택 마이크로밸브들을 상승 및 폐쇄하도록 하는 것을 도시한 도면.

도 14는 멤브레인 층에서 릴리프 패턴을 "냉각(freeze)" 하도록 ER 유체에 근접하여 부가적인 전하를 인가하는 것을 도시한 도면.

도 15는 제어 유체를 "냉각"하고 마이크로밸브들의 상태를 유지하도록 ER 유체 층 아래의 바텀 전극에 균일한 전하를 인가하는 것을 도시한 도면.

도 16은 ER 유체의 감압하에서 선택 마이크로밸브들을 개방시키도록 ER 유체에 근접하여 전극층에 전하 패턴을 인가하는 것을 도시한 도면.

도 17은 부(negative) 제어 유체 압력이 "통상적으로 폐쇄" 위치에 있는 마이크로밸브를 개방시키는데 이용되는 것을 제외하면 도 8의 마이크로밸브와 유사한 마이크로밸브를 도시한 도면.

도 18 및 도 19는 작동 어퍼쳐에 대한 가능한 대안적인 단면 형상들을 도시한 도면.

도 20은 직사각형 어퍼쳐가 사용되는 도 1의 구조를 도시한 도면.

Claims (5)

1. 마이크로밸브에 있어서,

   제어되는 주 유체를 운반하고 갭에 의해 분리되는 적어도 2개의 벽들을 구비하는 도관;

   제 1 표면 및 대향하는 제 2 표면을 갖는 유전체 겔 재료를 포함하는 작동 어퍼쳐 층(actuation aperture layer)으로서, 상기 유전체 겔 재료는 상기 제 1 표면에 규정된 제 1 개구와 상기 제 2 표면에 규정된 제 2 개구 사이에서 전체적으로 연장하는 측벽들에 의해 형성되는 구멍을 포함하는, 상기 작동 어퍼쳐 층;

   상기 작동 어퍼쳐 층의 상기 제 1 표면과 상기 도관 사이에 배치된 가요성 멤브레인(flexible membrane)으로서, 상기 가요성 멤브레인은 상기 작동 어퍼쳐 층과 마주하는 제 1 측, 제 2 측이 상기 도관의 일부를 형성하도록 상기 도관과 마주하고 상기 2개의 벽들 사이에서 연장하는 상기 가요성 멤브레인의 상기 제 2 측을 포함하는, 상기 가요성 멤브레인; 및

   제어 유체, 및 마이크로밸브 동작 동안 상기 작동 어퍼쳐 층을 가로질러 전계를 발생하기 위한 수단을 포함하는 흐름 제어 메커니즘으로서, 상기 전계가 상기 제 1 개구 근방에 제 1 극성의 제 1 전하를 그리고 상기 제 2 개구 근방에 제 2 극성의 제 2 전하를 인가함으로써 발생되어 인가된 상기 전하들 간의 인력이 상기 제 1 및 제 2 개구들 사이에 배치된 상기 유전체 겔 재료를 가로질러 상기 전계를 발생하고,

   상기 유전체 겔 재료의 탄성의 모듈러스 및 상기 전계의 강도는 상기 전계가 상기 유전체 겔 재료의 탄성 변형을 일으키기에 충분한 상기 유전체 겔 재료에 대해 압축력을 발생하여 상기 제 1 개구와 상기 제 2 개구 사이의 거리가 감소되고 상기 구멍의 상기 측벽들이 상기 구멍을 폐쇄하도록 충분히 굽어서(bowed), 상기 구멍을 통한 상기 제어 유체의 흐름을 방지하는 것을 특징으로 하는, 마이크로밸브.
2. 주 유체를 제어하는 방법에 있어서,

   가요성 멤브레인의 제 1 측 상의 주 도관에서 주 유체를 흐르게 하는 단계;

   작동 어퍼쳐 층의 작동 어퍼쳐를 통한 제어 유체의 흐름을 제어하도록 전계를 조정하는 단계로서, 상기 제어 유체 흐름에 의해 인가된 압력이 상기 가요성 멤브레인의 스트레칭을 조정하고, 상기 가요성 멤브레인의 스트레칭의 양은 상기 주 도관에서 상기 주 유체의 흐름을 제어하는, 상기 조정 단계를 포함하고,

   상기 전계를 조정하는 단계는 상기 작동 어퍼쳐를 둘러싸는 벽들 상의 압력을 조정하는데, 상기 압력은 벽들을 구부려 상기 작동 어퍼쳐 개구 크기를 제어하는, 주 유체를 제어하는 방법.
3. 삭제
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 작동 어퍼쳐 층에서 작동 어퍼쳐를 통해 제어 유체의 흐름을 제어하도록 전계를 조정하는 단계는:

   상기 작동 어퍼쳐에서 ER 유체에 전계를 인가하는 단계로서, 상기 ER 유체의 점도(viscosity)는 상기 전계의 인가로 인해 변화되며, 상기 ER 유체의 점도는 상기 작동 어퍼쳐를 통한 제어 유체 흐름을 조정함으로써 상기 가요성 멤브레인의 스트레칭을 조정하는, 상기 전계 인가 단계를 더 포함하는, 주 유체를 제어하는 방법.
5. 마이크로밸브 어레이를 개폐하는 방법에 있어서,

   개방될 상기 마이크로밸브 어레이의 제 1 복수의 마이크로밸브들 및 폐쇄될 상기 마이크로밸브 어레이의 제 2 복수의 마이크로밸브들을 선택하는 단계;

   개방될 상기 제 1 복수의 마이크로밸브들에 대응하는 작동 어퍼쳐들을 선택하도록 압력이 인가되어, 선택 작동 어퍼쳐들을 폐쇄시키도록, 작동 어퍼쳐 층의 복수의 작동 어퍼쳐들에 전하 분포를 인가하는 단계; 및

   개방 작동 어퍼쳐들로만 흐르는 제어 유체의 압력이 증가하도록 유체 제어층에서 압력을 증가시키는 단계로서, 상기 제어 유체의 증가된 상기 압력은 상기 개방 작동 어퍼쳐에 대응하는 멤브레인의 영역들을 스트레칭하며, 상기 스트레칭된 멤브레인이 대응하는 주 유체 도관을 차단함으로써, 상기 대응하는 주 유체 도관을 통한 주 유체 흐름을 방지하는, 상기 유체 제어층에서 압력을 증가시키는 단계를 포함하고,

   상기 작동 어퍼쳐는 제 1 표면 및 대향하는 제 2 표면을 갖는 유전체 겔 재료를 포함하고, 상기 작동 어퍼쳐는 상기 제 1 표면에 규정된 제 1 개구와 상기 제 2 표면에 규정된 제 2 개구 사이의 상기 유전체 겔 재료 내에서 전체적으로 연장하는 측벽들에 의해 형성되고, 상기 복수의 작동 어퍼쳐들에 상기 전하 분포를 인가하는 단계는, 인가된 전하들 간의 인력이 각각의 선택 작동 어퍼쳐의 상기 제 1 및 제 2 개구들 사이에 배치된 상기 유전체 겔 재료를 가로질러 전계를 발생하도록 각각의 상기 선택 작동 어퍼쳐의 상기 제 1 개구 근방에 제 1 극성의 제 1 전하를 그리고 각각의 상기 선택 작동 어퍼쳐의 상기 제 2 개구 근방에 제 2 극성의 제 2 전하를 인가하여 각각의 상기 선택 작동 어퍼쳐에서 전계를 발생하는 단계를 포함하고, 상기 유전체 겔 재료의 탄성의 모듈러스 및 상기 전계의 강도는 상기 전계가 상기 유전체 겔 재료의 탄성 변형을 일으키기에 충분한 상기 유전체 겔 재료에 대해 압축력을 발생하여 각각의 상기 선택 작동 어퍼쳐의 상기 제 1 개구와 상기 제 2 개구 간의 거리가 감소되고 상기 각각의 선택 작동 어퍼쳐의 상기 측벽들이 상기 각각의 선택 작동 어퍼쳐를 폐쇄하도록 충분히 굽어서 상기 각각의 선택 작동 어퍼쳐를 통한 상기 제어 유체의 흐름을 방지하는 것을 특징으로 하는, 마이크로 밸브 어레이를 개폐하는 방법.

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