KR101919974B1 - 미세유체 밸브 - Google Patents

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알렉산더 고브야디노프
에릭 디. 토니아이넨
페이블 코닐로비치
데이비드 피. 마켈
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휴렛-팩커드 디벨롭먼트 컴퍼니, 엘.피.
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Abstract

미세유체 밸브가 제1 저장용기, 제2 저장용기, 관성 펌프 및 제1 저장용기와 제2 저장용기를 연결하는 채널을 포함한다. 제2 저장용기는 압력 구배 하에서 채널을 통해서 제1 저장용기로부터 유체를 수용한다. 관성 펌프는 제2 저장용기에 근접하여 그리고 제1 저장용기에서 멀리 채널 내에 위치된다.

Description

미세유체 밸브{MICROFLUIDIC VALVE}
본 발명은 미세유체 밸브에 관한 것이다.
특정 방향을 따른 유체의 유동 최소화 또는 배제하기 위해서 밸브가 이용된다.
미세유체 시스템 내의 밸브가 종종, 고가의, 제조가 어려운, 또는 제한된 재료 양립성(compatibility)을 가지는 특정 재료를 필요로 한다. 미세유체 시스템 내의 밸브가 종종 이동 부분들을 포함하여, 신뢰성을 떨어뜨린다.
도 1은 예시적인 미세유체 밸브의 개략도이다.
도 2(a) 내지 도 2(f)는 공급원 저장용기로부터의 압력 구배가 없는 상태에서, 도 1의 미세유체 밸브의 관성 펌프의 예시적인 동작을 개략적으로 도시한다.
도 2(g)는 밸브로서 작용하도록 공급원 저장용기로부터의 압력 구배 유동에 반대로 도 2(a) 내지 도 2(f)의 관성 펌프의 동작에 의해서 생성되는 저항 유동을 개략적으로 도시한다.
도 3은 도 1의 미세유체 밸브에 의해서 실행될 수 있는 예시적인 방법의 흐름도이다.
도 4는 다른 예시적인 미세유체 밸브의 개략도이다.
도 5는 다른 예시적인 미세유체 밸브의 개략도이다.
도 6은 다른 예시적인 미세유체 밸브의 개략도이다.
도 7은 다른 미세유체 밸브의 개략도이다.
도 8 내지 도 13은 상이한 예시적인 동작 상태들에서의 다른 예시적인 미세유체 밸브의 개략도이다.
도 14 및 도 15는 상이한 예시적인 동작 상태들에서의 다른 예시적인 미세유체 밸브의 개략도이다.
도 1은 예시적인 미세유체 밸브(20)를 개략적으로 도시한다. 이하에서 설명되는 바와 같이, 미세유체 밸브는 저장용기들 사이의 압력 구배 하에서 유체의 유동을 제어하기 위해서 관성 펌프를 이용한다. 많은 구현예에서, 미세유체 밸브(20)는 이동 부분들을 감소시키거나 생략하며, 저비용을 실현하고 향상된 신뢰성을 제공할 수 있을 것이다.
미세유체 밸브(20)가 저장용기(22), 저장용기(24), 채널(32) 및 관성 펌프(34)를 포함한다. 채널(32)이 저장용기(22) 및 저장용기(24)를 유체적으로 연결한다. 도시된 예에서, 압력 구배가 저장용기(22) 내의 유체를 채널(32)을 통해서 저장용기(24)를 향해서 편향시킨다. 하나의 구현예에서, 작동될 때, 유체를 저장용기(22)로부터 저장용기(24)를 향해서 이동시키는 힘을 인가하는 부가적인 펌프(미도시)에 의해서 압력 구배가 제공된다. 다른 구현예에서, 압력 구배가 중력에 의해서 제공될 수 있을 것이다.
관성 펌프(34)는 저장용기(24)에 가까이 그리고 저장용기(22)에 대해서 멀리 채널(32)을 따라서 위치된 펌핑 장치를 포함한다. 다시 말해서, 관성 펌프(34)는 저장용기(22)와 저장용기(24) 사이의 총 유체 경로의 길이의 절반 미만의 거리 만큼 저장용기(24)로부터 이격된다. 관성 펌프(34)는 채널 내의 관성 및 모멘텀을 이용하고, 그러한 채널은, 유체 유동을 생성하기 위해서 채널이 연결하는 2개의 저장용기들에 비해서 비교적 좁다. 이러한 개시 내용의 목적을 위해서, "관성 펌프"라는 용어는, 채널이 연결하는 저장용기들에 비해서 좁은 채널 내에서 양 방향으로 유체를 초기에 구동하는 펌핑 장치를 지칭하나, 그러한 펌핑 장치는, 유체가 2개의 저장용기들 중에서 가장 먼 저장용기를 향하는 방향으로 구동되는 최종 결과가 얻어지도록, 저장용기들 사이에 비대칭적으로 배치된다.
시스템(20)에서, 저장용기(22)로부터 저장용기(24)로의 유체의 유동을 제어하기 위해서 압력 구배로부터 초래되는 유체 유동에 반대되는 방향으로 유체 유동을 생성하도록, 관성 펌프(34)가 선택적으로 작동된다. 하나의 구현예에서, 저장용기(22)로부터 저장용기(24)로의 유체의 유동을 막기 위한 정도까지 관성 펌프(34)가 작동될 수 있을 것이다. 다른 구현예에서, 유체가 압력 구배 하에서 저장용기(22)로부터 저장용기(24)로 유동하는 레이트(rate)를 제어 및 감소시키도록, 관성 펌프(34)가 선택적으로 작동될 수 있을 것이다.
하나의 구현예에서, 관성 펌프(34)가 기포 제트 펌프를 포함한다. 기포 제트 펌프는, 인접한 유체를 기포로부터 멀리 이동 또는 구동하기 위해서 초기에 팽창하는 기포를 생성하는 펌프이다. 기포 제트 펌프의 하나의 예에는, 열적 잉크젯(TIJ) 펌프와 같은, 마이크로-히터가 포함된다. TIJ 펌프는, 전류가 통과되는 하나 이상의 전기 저항기를 이용한다. 전류가 하나 이상의 저항기를 통과할 때 하나 이상의 저항기에 의해서 생성되는 열이 저항기에 인접하여 위치하는 유체를 증발시켜 기포를 생성한다. 이러한 기포가 초기에 생성되고 팽창됨에 따라, 기포가 인접한 유체를 기포로부터 멀리 초기에 구동한다.
도 2(a) 내지 도 2(f)는 시스템(20)의 예시적인 구현예의 동작을 도시하고, 관성 펌프(34)는 기포 제트 펌프를 포함한다. 도 2(a) 내지 도 2(f)는, 관성 펌프(34)로서의 역할을 하는, 기포 제트 펌프의 단일 작동의 팽창-붕괴(collapse) 사이클을 도시한다. 단일 팽창-붕괴 사이클은, 저장용기(22)로부터의 압력 구배 하에서의 유체 유동에 반대가 되도록 그리고 제어하도록, 관성 펌프(34)에 가장 근접한 저장용기(24)로부터 멀어지는 방향으로 유체로 인가되는 힘을 초래한다.
도 2(a)는, 채널(32) 내의 유체가 정지중인 시작 상태에서 시스템(20)을 도시한다. 도 2(b)는, 관성 펌프(34)로서의 역할을 하는 기포 제트 펌프의 단일 작동 시의 시스템(20)을 도시한다. 도 2(b)에 도시된 바와 같이, 기포 제트 펌프는 고압 증기 기포(36)를 생성한다. 기포는 유체를 기포(36)로부터 멀리 양 방향으로 밀어내는 양의 압력차를 제공한다. 도 2(c)에 의해서 도시된 바와 같이, 기포(36)의 증기압이 대기압 미만으로 급격히 떨어지고 유체는, 관성의 결과로서 계속 이동하는 동안, 음의 압력 차 하에서 감속된다. 도 2(d)에 의해서 도시된 바와 같이, 채널(32)의 짧은 팔(38) 내의 유체가, 저장용기(24)의 보다 큰 계면에 도달할 때, 방향이 반전되거나 방향을 바꾼다(turn around). 동시에, 채널(32)의 보다 긴 팔(40) 내의 유체가 저장용기(22)를 향해서 계속 이동한다. 도 2(e)에 의해서 도시된 바와 같이, 저장용기(22)를 향해서 이동하는 긴 팔(40) 내의 유체가 저장용기(22)에 도달하고 방향을 바꾸거나 방향이 반전되며, 그에 따라 2개의 유체 기둥(column)이 초기 팽창의 시작 지점 즉, 관성 펌프(34)로부터, 관성 펌프(34)에서 가장 먼 저장용기(22)를 향해서 천이된(shifted) 충돌 지점에서 충돌한다. 도 2(f)에 의해서 도시된 바와 같이, 짧은 팔(38)로부터 유동하는 유체가 충돌 지점에서 더 큰 양의 모멘텀을 가지기 때문에, 총 붕괴 후 모멘텀(total post collapse momentum)이 영이 되지 않고, 유체가 저장용기(22)를 향하는 방향으로 최종적으로 구동되며, 그에 따라 압력 구배 하에서 구동되는 유체에 반대가 되고 저장용기(22)로부터 저장용기(24)로의 유동을 제어한다(막거나 감소시킨다).
유체가 관성 펌프(34)에 의해서 구동되는 레이트는 관성 펌프(34)의 파워 및 속력 또는 "킥(kick)", 관성 펌프(34)가 가장 근접한 저장용기로부터 이격되는 거리, 채널(32)의 횡단면 면적 또는 폭에 대한 저장용기의 횡단면 면적 또는 폭, 그리고 펌핑되는 유체의 점도에 의존한다. 관성의 결과로서 관성 펌프에 의한 유체의 이동이 마찰로 인한 그러한 이동에 대한 저항 보다 크다. 하나의 구현예에서, 관성 펌프(34)가 적어도 1 m/s 내지 10 m/s의 그리고 공칭적으로 20 m/s만큼 높은 초기 속도를 갖는다. 하나의 구현예에서, 관성 펌프(34)가 열적 잉크젯 저항기를 포함하고, 그러한 열적 잉크젯 저항기는 적어도 1 m/s 내지 10 m/s의 초기 속도로 인접 유체를 추진시키는 증기 기포를 생성한다. 하나의 구현예에서, 관성 펌프(34)에 근접하는 저장용기, 즉 저장용기(24)가 채널(32)의 횡단면 면적 또는 폭의 적어도 5배, 그리고 공칭적으로 적어도 10배의 횡단면 면적 또는 폭을 갖는다. 하나의 구현예에서, 채널(32)이 200 ㎛의 폭을 가지는 한편, 저장용기(24)는 1 mm의 (저장용기(24)의 계면에서 채널(32)의 축방향에 수직으로 측정된) 폭을 갖는다. 또 다른 구현예에서, 채널(32)과 저장용기(24)의 폭들의 차이가 다른 값을 가질 수 있을 것이다.
비록 도 2가, 관성 펌프(34)가 기포 제트 펌프를 포함하는 시스템(20)의 구현예를 도시하지만, 다른 구현예에서, 관성 펌프(34)는, 채널이 연결하는 저장용기들에 비해서 좁은 채널 내에서 양 방향으로 유체를 초기에 구동하는 다른 펌핑 메커니즘 또는 장치를 포함할 수 있을 것이나, 그러한 펌핑 장치는, 유체가 2개의 저장용기들 중에서 가장 먼 저장용기를 향하는 방향으로 구동되는 최종 결과가 얻어지도록, 저장용기들 사이에 비대칭적으로 배치된다. 예를 들어, 다른 구현예에서, 관성 펌프(34)가 저장용기(24)에 근접하여 그리고 저장용기(22)에서 멀리 채널(32)의 측부(side)를 따라서 가요성 또는 편위 가능(deflectable) 막을 포함할 수 있을 것이고, 그러한 막이 전기적, 자기적, 기계적 또는 다른 힘에 의해서 편위되어 비교적 좁은 채널 내에서 양 방향으로 유체를 초기에 구동할 수 있다. 하나의 구현예에서, 관성 펌프(34)가 압전 요소(PZT) 편위 가능 막을 포함할 수 있을 것이다.
도 3은 제1 저장용기로부터 제2 저장용기까지 압력 구배 하에서의 유체의 유동을 제어하기 위한 미세유체 밸브를 제공하기 위한 예시적인 방법(100)을 도시한 흐름도이다. 단계(102)에 의해서 표시된 바와 같이, 압력 구배가 유체로 인가되어 유체 유동을 채널을 통해서 제1 저장용기로부터 제2 저장용기로 편향시킨다. 하나의 구현예에서, 압력 구배의 편향이 펌프를 이용하여 달성될 수 있거나 중력 또는 다른 힘의 공급원을 이용하여 달성될 수 있을 것이다. 단계(104)에 의해서 표시된 바와 같이, 제2 저장용기에 인접한 관성 펌프가 선택적으로 작동되어, 유체가 압력 구배 하에서 제2 저장용기로 유동하는 레이트를 제어하기 위해서 압력 구배에 반작용하는 유체 유동을 선택적으로 인가한다. 하나의 구현예에서, 관성 펌프에 의해서 생성된 유체 유동이 압력 구배에 완전히 반작용하고 제2 저장용기로의 유체 유동을 막을 수 있을 정도로 충분히 크다. 다른 구현예에서, 관성 펌프에 의해서 생성되는 유체 유동이 압력 구배 방식 하에서의 유체 유동 보다 작아서, 제2 저장용기로 유체가 유동하는 레이트를 제어 가능하게 감소시킨다.
도 4는 미세유체 밸브(20)의 예시적인 구현예인, 미세유체 밸브(120)를 개략적으로 도시한다. 미세유체 밸브(120)는, 미세유체 밸브(120)가 관성 펌프(134) 및 액추에이터(138)를 부가적으로 포함한다는 것을 제외하고, 미세유체 밸브(20)와 유사하다. 미세유체 밸브(20)의 구성요소에 상응하는 미세유체 밸브(120)의 나머지 구성요소에는 유사한 번호를 부여하였다.
관성 펌프(134)가 저장용기(24)에 근접하여 그리고 저장용기(22)에서 멀리 채널(32)을 따라서 위치된다는 점에서, 관성 펌프(134)는 관성 펌프(34)와 유사하다. 관성 펌프(134)는 액추에이터(34)에 대해서 독립적으로 작동 가능하다. 액추에이터(138)는, 저장용기(22)로부터 저장용기(24)로의 압력 구배 하에서의 유체 유동을 제어 또는 밸브작용(valve)하기 위해서, 관성 펌프(34, 134) 중 어느 하나를 선택적으로 작동시키기 위한, 관성 펌프(34, 134) 중 어느 것도 작동시키지 않기 위한, 또는 관성 펌프(34, 134)의 양자 모두를 작동시키기 위한 장치를 포함한다. 하나의 구현예에서, 액추에이터(138)는 집적 회로를 포함한다. 다른 구현예에서, 액추에이터(138)는 비-일시적 컴퓨터-판독 가능 매체 내에 저장된 컴퓨터-판독 가능 명령어의 지시 또는 제어 하에서 동작되는 프로세싱 유닛을 포함한다. 관성 펌프(34, 134)를 선택적으로 그리고 독립적으로 작동시키는 것에 의해서, 액추에이터(138)는 압력 구배 하에서 저장용기(22)로부터 채널(32)을 통해서 유동하는 유체에 반대되는 유체 유동의 힘을 제어한다.
이러한 적용예의 목적을 위해서, "프로세싱 유닛"이라는 용어는, 비-일시적 메모리 내에 포함되는 일련의 명령어를 실행하는 현재 개발된 또는 미래에 개발될 프로세싱 유닛을 의미할 것이다. 일련의 명령어의 실행으로 인해서, 프로세싱 유닛이 제어 신호를 생성하는 단계와 같은 단계를 실행한다. 프로세싱 유닛에 의한 실행을 위해서, 명령어가 리드 온리 메모리(ROM), 대용량 저장 장치, 또는 일부 다른 지속 저장장치로부터 랜덤 액세스 메모리(RAM) 내로 로딩될(loaded) 수 있을 것이다. 다른 실시예에서, 고정 배선형(hard wired) 회로망을 소프트웨어 명령어 대신에 또는 그와 조합하여 이용하여, 설명된 기능을 구현할 수 있을 것이다. 예를 들어, 제어기 액추에이터(138)가 하나 이상의 주문형 집적 회로(application-specific integrated circuit)(ASIC)의 일부로서 구현될 수 있을 것이다. 달리 구체적으로 기재되지 않은 경우에, 제어기 또는 액추에이터는 하드웨어 회로망 및 소프트웨어의 어떠한 특정 조합으로도 제한되지 않고, 프로세싱 유닛에 의해서 실행되는 명령어의 어떠한 특별한 공급원으로도 제한되지 않는다.
하나의 구현예에서, 펌프(34, 134) 중 하나가 펌프(34, 134) 중 다른 하나 보다 저장용기(24)에 더 근접하도록, 관성 펌프(34 및 134)가 채널(32)을 따라서 상이한 위치들에 배치된다. 결과적으로, 동일한 펌핑력이 주어지면, 저장용기(24)에 가장 근접한 관성 펌프는, 저장용기(24)로부터 더 먼 관성 펌프에 비해서, 압력 구배에 반대되는 보다 큰 유체 유동을 생성한다. 저장용기(24)에 가장 근접한 펌프 또는 저장용기(24)로부터 더 먼 관성 펌프를 선택적으로 작동시키는 것에 의해서, 액추에이터(138)는 압력 구배에 반대되는 유체 유동을 제어하여 관성 펌프(34, 134)에 의해서 제공되는 밸브 메커니즘을 제어한다.
다른 구현예에서, 관성 펌프(34 및 134)가 저장용기(24)로부터 동일한 거리로 이격되나, 상이한 펌핑력들을 갖는다. 예를 들어, 관성 펌프(34)가 채널(32) 내에서 제1 힘으로 또는 제1 레이트로 양 방향으로 유체를 초기에 구동하는 한편, 관성 펌프(134)는 제1 힘 또는 제1 레이트 보다 큰 제2 힘 또는 제2 레이트로 채널(32) 내에서 양 방향으로 유체를 초기에 구동할 수 있을 것이다. 펌프(34, 134) 중 어느 하나를 선택적으로 작동시키는 것에 의해서, 액추에이터(138)는 관성 펌프(34, 134)에 의해서 제공되는 밸브 메커니즘을 제어하기 위해서 압력 구배에 반대되는 유체 유동을 제어한다.
하나의 구현예에서, 펌프(34, 134) 모두가 저장용기(24)(및 저장용기(22))에 대해서 채널(32)을 따라 상이하게 위치될 수 있을 것이고 모두가 유체 유동의 향상된 제어를 위해서 상이한 펌핑력들을 가질 수 있을 것이다. 비록 시스템(120)이 2개의 독립적으로 작동 가능한 관성 펌프(34, 134)를 포함하는 것으로 도시되어 있지만, 다른 구현예에서, 압력 구배 하에서 저장용기(22)로부터 저장용기(24)로 유체가 유동하는 정도에 대한 보다 큰 정도의 제어를 제공하기 위해서, 시스템(120)이 둘 초과의 독립적으로 작동 가능한 또는 제어 가능한 관성 펌프를 포함할 수 있을 것이다. 하나의 구현예에서, 관성 펌프(34, 134) 중 하나 또는 양자 모두가 기포 제트 펌프를 포함한다. 다른 구현예에서, 관성 펌프(34, 134) 중 하나 또는 양자 모두가 다른 유형의 관성 펌프를 포함한다.
도 5는 미세유체 밸브(20)의 예시적인 구현예인, 미세유체 밸브(220)를 개략적으로 도시한다. 미세유체 밸브(220)가 관성 펌프(234A, 234B, 234C 및 234D)(집합적으로, 관성 펌프(234)로서 지칭된다)를 포함하는 것으로 구체적으로 도시되어 있다는 것을 제외하고, 미세유체 밸브(220)가 미세유체 밸브(120)와 유사하다. 도시된 예에서, 관성 펌프(234)가 채널(32) 내의 기포 제트 펌프 또는 TIJ 열적 저항기의 어레이로서 제공되어 있다. 각각의 관성 펌프(234)가 저장용기(22) 보다 저장용기(24)에 더 근접한다. 각각의 관성 펌프(234)가 저장용기(24)로부터 동일하게 이격된다.
각각의 관성 펌프(234)가 액추에이터(138)에 의해서 선택적으로 작동될 수 있다. 결과적으로, 액추에이터(138)는, 펌핑력을 변경하기 위해서 동시적으로 격발되는(fired) 관성 펌프(234)의 수(TIJ 저항기의 수)를 변경하기 위해서 하나 이상의 펌프(234)를 동시적으로 선택적으로 작동시키는 것에 의해서 채널(32)을 통한 유체 유동을 제어함으로써 밸브로서의 역할을 한다. 예를 들어, 압력 구배 하에서의 저장용기(24)로의 유체의 유동을 감소시키기 위해서, 액추에이터(138)가 관성 펌프(234A)를 격발할 수 있을 것이다. 압력 구배하에서의 저장용기(24)로의 유체 유동을 보다 큰 범위 만큼 감소시키기 위해서, 액추에이터(138)가 대안적으로 관성 펌프(234A 및 234B)를 동시적으로 격발할 수 있을 것이다. 압력 구배하에서의 저장용기(24)로의 유체 유동을 보다 더 큰 범위 만큼 감소시키기 위해서, 액추에이터(238)는 대안적으로, 예를 들어, 관성 펌프(234A, 234B 및 234D)를 동시적으로 작동시키는 것에 의해서, 보다 더 큰 수의 관성 펌프를 동시적으로 작동시킬 수 있을 것이다. 관성 펌프(234)의 어레이는, 압력 구배 하에서의 저장용기(22)로부터 저장용기(24)로의 유체 유동이 제한되거나 감소되는 정도를 증분적으로(incrementally) 조정하기 위한 복수의 조합을 액추에이터(138)로 제공한다.
도 6은 미세유체 밸브(20)의 다른 예시적인 구현예인, 미세유체 밸브(320)를 도시한다. 미세유체 밸브(320)가 관성 펌프(334A, 334B, 334C 및 334D)(집합적으로, 관성 펌프(334)로서 지칭된다)를 포함하는 것으로 구체적으로 도시되어 있다는 것을 제외하고, 미세유체 밸브(320)가 미세유체 밸브(120)와 유사하다. 도시된 예에서, 관성 펌프(334)가 채널(32)을 따른 기포 제트 펌프 또는 TIJ 열적 저항기의 어레이로서 제공된다. 각각의 관성 펌프(334)가 저장용기(22) 보다 저장용기(24)에 더 근접한다. 그러나, 관성 펌프들(334)의 각각이 저장용기(24)로부터 상이하게 이격된다. 각각의 관성 펌프(334)가 액추에이터(138)에 의해서 선택적으로 작동될 수 있다. 결과적으로, 액추에이터(138)는, 펌프(334) 중 하나를 선택적으로 작동시키는 것에 의해서 채널(32)을 통한 유체 유동을 제어한다. 압력 구배 하에서의 저장용기(24)로의 유체의 유동을 감소시키기 위해서, 액추에이터(138)가 관성 펌프(334A)의 TIJ 저항 요소를 격발할 수 있을 것이다. 압력 구배하에서의 저장용기(24)로의 유체의 유동을 보다 큰 범위 만큼 감소시키기 위해서, 액추에이터(138)가, 대안적으로, 저장용기(24)에 더 근접한 관성 펌프(334B)를 격발할 수 있을 것이다. 압력 구배하에서의 저장용기(24)로의 유체의 유동을 보다 더 큰 범위 만큼 감소시키기 위해서, 액추에이터(138)가, 대안적으로, 저장용기(24)에 보다 더 근접한 관성 펌프(334C) 또는 관성 펌프(334D)를 격발할 수 있을 것이다. 결과적으로, 액추에이터(138)는, 저장용기(24)로부터 상이하게 이격된 관성 펌프들을 선택적으로 작동시키는 것에 의해서, 압력 구배 하에서 저장용기(22)로부터 저장용기(24)로 유체가 유동하는 정도를 제어 및 조정한다.
도시된 예에서, 관성 펌프들(334)이 동시적으로 작동되거나 격발되도록 부가적으로 구성된다. 결과적으로, 선택적으로 격발되는 펌프의 저장용기(24)로부터의 간격을 기초로 밸브작용(valving)을 제어하기 위해서 관성 펌프(334) 중 어느 관성 펌프를 격발할지를 선택적으로 제어하는 것에 더하여, 액추에이터(138)는, 관성 펌프(334)의 어레이의 펌핑력을 또한 변경하기 위해서 둘 이상의 펌프(334)를 선택적으로 동시적으로 작동시키는 것에 의해서 채널(32) 내의 유체 유동을 제어할 수 있을 것이다. 예를 들어, 압력 구배 하에서의 저장용기(24)로의 유체의 유동을 감소시키기 위해서, 액추에이터(138)가 관성 펌프(334D)를 격발할 수 있을 것이다. 압력 구배하에서의 저장용기(24)로의 유체 유동을 보다 큰 범위 만큼 감소시키기 위해서, 액추에이터(138)가 대안적으로 펌프(334D 및 334A)를 동시적으로 격발할 수 있을 것이다. 압력 구배하에서의 저장용기(24)로의 유체 유동을 보다 더 큰 범위 만큼 감소시키기 위해서, 액추에이터(138)가 대안적으로 펌프(334D 및 334B)를 동시적으로 격발할 수 있을 것이며, 저장용기(24)로의 유체 유동의 증가된 감소는, 관성 펌프(334A)에 대비할 때, 저장용기(22)에 더 근접하는 관성 펌프(334B)의 결과이다. 압력 구배하에서의 저장용기(24)로의 유체 유동을 보다 더 큰 범위 만큼 감소시키기 위해서, 액추에이터(238)는 대안적으로, 예를 들어, 관성 펌프(334D, 334A 및 334B)를 동시적으로 작동시키는 것에 의해서, 보다 더 큰 수의 관성 펌프를 동시적으로 작동시킬 수 있을 것이다. 관성 펌프(334)의 어레이는, 압력 구배 하에서의 저장용기(22)로부터 저장용기(24)로의 유체 유동이 제한되거나 감소되는 정도를 증분적으로 조정하기 위한 복수의 조합을 액추에이터(138)로 제공한다.
도 7은 미세유체 밸브(20)의 다른 구현예인, 미세유체 밸브(420)를 개략적으로 도시한다. 미세유체 밸브(420)는, 압력 구배 하에서 하나 이상의 유체 공급원으로부터 둘 이상의 상이한 수용 저장용기들로의 유체 유동을 조절 또는 제어하기 위한 밸브 시스템을 포함한다. 미세유체 밸브(420)는 공급원 저장용기(422), 수용 저장용기(424A, 424B)(집합적으로 수용 저장용기(424)로 지칭된다), 채널(432), 관성 펌프(434A, 434B)(집합적으로 관성 펌프(434)로서 지칭된다) 및 액추에이터(438)를 포함한다. 저항이 없이, 수용 저장용기(424) 중 하나 또는 양자 모두를 향해서 유동하도록, 시스템(420)의 공급원 저장용기(422)가 압력 구배 하에서 유체의 공급원 또는 공급부를 제공한다는 점에서, 공급원 저장용기(422)가 시스템(20)의 공급원 저장용기(422)와 유사하다. 하나의 구현예에서, 압력 구배가 저장용기(422)와 연관된 펌프에 의해서 제공될 수 있을 것이고, 그러한 압력 구배 하에서 저장용기(42)로부터의 유체가 유동한다.
수용 저장용기(424)가 수용 저장용기(24)와 유사하다. 수용 저장용기(424)는, 관성 펌프(434) 및 액추에이터(438)의 제어 하에서, 공급원 저장용기(422)로부터 채널(432)을 통해서 유체를 선택적으로 수용한다.
채널(432)이 저장용기(422) 및 저장용기(424)를 유체적으로 연결한다는 점에서, 채널(432)이 채널(32)과 유사하다. 도시된 예에서, 압력 구배가 저장용기(422) 내의 유체를 채널(432)을 통해서 저장용기(424)를 향해서 편향시킨다. 채널(432)이 분지(branch)(440, 442A 및 442B)(집합적으로 분지(442)로 지칭된다)를 포함한다. 분지(440)가 저장용기(422)로 직접적으로 또는 간접적으로 유체적으로 연결되고, 압력 구배하에서 유체를 분지(442)와의 접합부 또는 교차부(444)를 향해서 지향시킨다. 분지(442A)가 교차부(444)로부터 수용 저장용기(424A)로 연장된다. 분지(442B)가 교차부(444)로부터 수용 저장용기(424B)로 연장된다. 비록 분지(442)가, 분지(440)에 대해서, 도시된 동일한 크기의 각도들로 교차부(444)로부터 연장되는 것으로 도시되어 있지만, 다른 구현예에서, 분지(442)가, 동일할 수 있거나 동일하지 않을 수 있는, 서로에 대한 다른 각도들로 교차부(444)로부터 연장될 수 있을 것이다.
관성 펌프(434)는 관성 펌프(34)와 유사하다. 관성 펌프(434A)가 분지(442A)를 따라서 저장용기(424A)에 근접하게 그리고 저장용기(422)에서 멀리 그리고 저장용기(424B)에서 멀리 위치된다. 관성 펌프(434B)가 분지(442B)를 따라서 저장용기(424B)에 근접하게 그리고 저장용기(424A)에서 멀리 위치된다. 다시 말해서, 관성 펌프(434A, 434B)는, 저장용기(422) 또는 다른 수용 저장용기에 대한 것 보다, 그들의 연관된 수용 저장용기(424A 및 424B)에 더 근접한다. 하나의 구현예에서, 관성 펌프(434) 중 하나 또는 양자 모두가 기포 제트 펌프를 포함한다. 또 다른 구현예에서, 관성 펌프(434) 중 하나 또는 양자 모두가, PZT 펌프와 같은 편위 가능 막을 가지는 다른 유형의 관성 펌프를 포함할 수 있을 것이다.
압력 구배 하에서의 저장용기(422)로부터 저장용기(424) 중 하나 또는 양자 모두로의 유체의 유동을 제어하기 위해서, 액추에이터(438)가 관성 펌프(434A, 434B) 중 어느 하나를 선택적으로 작동시키기 위한, 관성 펌프(434A, 434B) 중 어느 것도 작동시키지 않기 위한, 또는 관성 펌프(434A, 434B)의 양자 모두를 작동시키기 위한 장치를 포함한다는 점에서, 액추에이터(438)가 전술한 액추에이터(138)와 유사하다. 하나의 구현예에서, 액추에이터(438)는 집적 회로를 포함한다. 다른 구현예에서, 액추에이터(438)는 비-일시적 컴퓨터-판독 가능 매체 내에 저장된 컴퓨터-판독 가능 명령어의 지시 또는 제어 하에서 동작되는 프로세싱 유닛을 포함한다. 관성 펌프(434)를 선택적으로 그리고 독립적으로 작동시키는 것에 의해서, 액추에이터(438)는 압력 구배 하에서 저장용기(422)로부터 채널(432)을 통해서 유동하는 유체에 반대되는 유체 유동의 힘을 제어한다.
하나의 구현예에서, 액추에이터(438)가 관성 펌프(434)를 선택적으로 작동시켜, 저장용기(422)로부터 유입되는 유체를 저장용기(424) 중 선택된 하나의 저장용기로 지향시킬 수 있을 것이다. 예를 들어, 펌프(534B 및 534C)의 작동의 부재 시에 분지(440)를 통해서 유동하는 유체가 분지들(442)로 균등하게 분할되는 하나의 구현예에서, 액추에이터(438)가 관성 펌프(434A)를 작동시켜, 압력 구배 하에서의 공급원 저장용기(422)로부터의 유체 유동의 레이트의 1/2인, 교차부(444)를 향한 분지(442A)를 따른 유체 유동의 레이트를 생성할 수 있을 것이다. 그러한 구현예에서, 공급원 저장용기(422)로부터의 유체가 수용 저장용기(424B)로 유동한다. 대조적으로, 펌프(434)의 작동의 부재 시에, 분지(440)를 통해서 유동하는 유체가 분지들(442)로 균등하게 분할되는 다른 구현예에서, 액추에이터(438)가 관성 펌프(434B)를 작동시켜, 압력 구배 하에서의 공급원 저장용기(422)로부터의 유체 유동의 레이트의 1/2인, 교차부(444)를 향한 분지(442B)를 따른 유체 유동의 레이트를 생성할 수 있을 것이다. 그러한 구현예에서, 공급원 저장용기(422)로부터의 유체가 수용 저장용기(424A)로 유동한다. 일부 구현예에서, 예를 들어, 채널들(442)이 상이한 크기들을 가지는 경우 및/또는 교차부(444)에서의 각도들이 동일하지 않은 경우에, 양 펌프(434)의 동작의 부재 시에, 분지(440)를 통해서 유동하는 유체가 채널들(442) 사이에서 균등하게 분할되지 않을 수 있을 것이다. 그러한 상황에서, 관성 펌프(434)는, 작동될 때, 분지(440)로부터의 그러한 불균등한 유동 특성들에 따라서, 공급원 저장용기(422)로부터의 유체 유동의 레이트의 1/2 미만인 또는 그보다 큰, 교차부(444)를 향한 유체 유동의 레이트를 생성할 수 있을 것이다. 또 다른 구현예에서, 액추에이터(438)가 양 펌프(434)를 작동시켜 저장용기(424A, 424B) 중 어느 하나에 대한 유체 유동을 막거나 차단할 수 있을 것이다.
하나의 구현예에서, 시스템(420)은, 시스템(220) 또는 시스템(320)에 대해서 전술한 바와 같이 하나의 또는 양 분지(442)를 따라서 부가적인 관성 펌프를 포함할 수 있을 것이다. 그러한 구현예에서, 복수의 관성 펌프의 상이한 조합들을 선택적으로 작동시키는 것에 의해서, 액추에이터(438)는, 각각의 저장용기(424)로 유동하는 저장용기(422)로부터의 유체 유동의 백분율을 선택적으로 그리고 증분적으로 제어한다. 예를 들어, 분지(442) 각각이 시스템(220)에 대해서 도시되고 전술된 관성 펌프(234A 내지 234D)의 어레이와 같은 관성 펌프의 어레이를 포함하는 구현예에서, 액추에이터(438)가 상이한 수의 관성 펌프를 선택적으로 작동시켜, 각각의 저장용기(424)로 유동하는, 압력 구배 하에서 저장용기(422)로부터 유동하는 유체 유동의 일부의 백분율을 증분적으로 조정하기 위해서 펌핑력을 변경할 수 있을 것이다. 각각의 분지(442)가 시스템(320)에 대해서 도시되고 전술된 관성 펌프(334A 내지 334D)의 어레이와 같은 관성 펌프의 어레이를 포함하는 구현예에서, 관성 펌프로부터의 유체 유동의 레이트를 변화시켜 압력 구배 하에서 저장용기(422)로부터 저장용기(424A)로 그리고 저장용기(424B)로 유동하는 유체의 백분율 또는 부분을 증분적으로 조정하기 위해서, 액추에이터(438)가 관성 펌프(334)의 상이한 수들 및/또는 조합들뿐만 아니라 관성 펌프와 연관된 수용 저장용기(424)로부터의 상이한 간격들에서 상이한 관성 펌프들(334)을 선택적으로 작동시킬 수 있을 것이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 하나의 구현예에서, 미세유체 밸브(420)가, 미세유체 밸브(420)의 성능에 관한 피드백을 액추에이터(438)로 제공하는 하나 이상의 보완적 유동 계량기 또는 센서(449)를 부가적으로 포함할 수 있을 것이다. 하나의 구현예에서, 비-일시적 컴퓨터-판독 가능 매체 내에 제공된 명령어들에 따라서, 액추에이터(438)가 그러한 피드백을 분석하고 관성 펌프(434)의 동작적 매개변수를 조정하여, 관성 펌프(434)를 보다 양호하게 영점교정함으로써(calibrate) 유체 유동의 희망하는 제어를 달성한다. 예를 들어, 하나의 구현예에서, 센서(449)로부터의 피드백을 기초로, 액추에이터(438)는, 압력 구배 하에서의 저장용기(422)로부터의 유체의 펌핑 이후에 하나의 관성 펌프(434)가 작동 또는 격발되는 8개의 타이밍을 조정할 수 있을 것이다. 또 다른 구현예에서, 유동 계량기 또는 센서(449)가 생략될 수 있을 것이다.
도 8 내지 도 13은 미세유체 밸브(20)의 예시적인 구현예인, 미세유체 밸브(520)를 상이한 동작 상태들에서 도시한다. 미세유체 밸브(520)가 채널(532)에 의해서 연결된 3개의 저장용기(522A, 522B 및 522C)(집합적으로 저장용기(522)로 지칭된다)를 포함한다는 것을 제외하고, 미세유체 밸브(520)가 미세유체 밸브(420)와 유사하고, 복수의 관성 펌프(534)는, 미세유체 밸브(520)의 동작 상태에 따라서 공급원 저장용기 또는 수용 저장용기로서의 역할을 하는 저장용기(522)의 각각과 연관된다. 저장용기(522) 중 하나로부터 저장용기(522) 중에서 선택된 다른 저장용기로의 유체의 유동을 선택적으로 제어하기 위해서, 복수의 관성 펌프(534)가 액추에이터(438)(시스템(420)에 대해서 도시되고 전술됨)에 의해서 선택적으로 작동 가능하다.
채널(532)이 채널(432)과 유사하다. 채널(532)은 저장용기들(522)을 연결하고, 교차부(544)에서 서로에 대해서 연결된 분지(542A, 542B 및 542C)(집합적으로 분지(542)로서 지칭된다)를 포함한다. 서로에 대해서 평행한 또는 수직인 것으로 도시되어 있지만, 분지들(540)이 서로로부터 상이한 각도들로 연장된다.
도시된 예에서, 시스템(520)은, 연관된 또는 할당된 저장용기(522)에 근접한 그리고 나머지 저장용기(522)로부터 먼 2개의 선택적으로 작동 가능한 관성 펌프(534)를 포함한다. 도시된 예에서, 시스템(520)은 저장용기(522A)에 근접한 관성 펌프(534A1, 534A2)를 포함하고, 저장용기(522B)에 근접한 관성 펌프(534B1, 534B2)를 포함하며, 그리고 저장용기(522C)에 근접한 관성 펌프(534C1, 534C2)를 포함한다. 관성 펌프(534)의 각각의 쌍 중 하나가 작동되도록, 쌍 중의 양 관성 펌프가 작동될 수 있도록, 또는 쌍 중의 관성 펌프 중 어느 것도 작동되지 않도록, 관성 펌프(534)의 각각이 액추에이터(438)에 의해서 독립적으로 작동될 수 있다. 도시된 예에서, 관성 펌프(534)의 각각은, 격발될 때, 대략적으로 동일한 펌핑력을 생성하고, 그에 따라 격발될 때, 다른 관성 펌프(534)의 레이트와 동일한 레이트의 유체 유동을 생성한다. 하나의 구현예에서, 관성 펌프(534)의 각각이, TIJ 열적 저항 요소와 같은 마이크로-히터를 포함하는 기포 제트 펌프를 포함한다. 다른 구현예에서, 관성 펌프(534)가 PZT 펌프와 같은 편위 가능한 막을 가지는 관성 펌프와 같은 다른 유형의 관성 펌프를 포함할 수 있을 것이다.
도 8은, 유체가 저장용기(522A)로부터 펌핑되고 저장용기(522B)로 지향되는 제1 동작 상태에서 미세유체 밸브(520)를 도시한다. 도시된 예에서, 액추에이터(438)(도 7에 도시됨)는 관성 펌프(534A1 및 534A2) 모두를 작동 또는 격발시켜 유체를 저장용기(522A)로부터 펌핑한다. 펌프(534A1 및 534A2)의 작동 또는 격발 이후의 미리 규정된 시간 간격 후에, 채널(532)의 길이 치수, 유체의 점도 및 펌프(534)의 특성에 따라서, 액추에이터(438)가 관성 펌프(534C1)를 작동 또는 격발시키는 한편, 펌프(534C2 및 534B1, 534B2)는 비활성적으로 또는 오프로 유지된다. 펌프(534B 및 534C)의 작동의 부재 시에, 분지(542A)를 통해서 유동하는 유체가 분지(542B 및 542C)로 균등하게 분할되는 하나의 구현예에서, 관성 펌프(534C1)의 격발은, 조합된, 관성 펌프(534A1 및 534A2)의 격발의 유체 유동의 1/2을 생성한다. 결과적으로, 분지(542C)를 통한 저장용기(522C)로의 유체 유동이 ("X"로 표시된 바와 같이) 실질적으로 막히거나 차단되고, 그에 따라 저장 용기(522A)로부터의 유체가 분지(542B)를 통해서 저장용기(522B) 내로 유동한다.
도 9는, 유체가 저장용기(522A)로부터 펌핑되고 저장용기(522C)로 지향되는 제2 동작 상태에서 미세유체 밸브(520)를 도시한다. 도시된 예에서, 액추에이터(438)(도 7에 도시됨)는 관성 펌프(534A1 및 534A2) 모두를 작동 또는 격발시켜 유체를 저장용기(522A)로부터 펌핑한다. 펌프(534A1 및 534A2)의 작동 또는 격발 이후의 미리 규정된 시간 간격 후에, 채널(532)의 길이 치수, 유체의 점도 및 펌프(534)의 특성에 따라서, 액추에이터(438)가 관성 펌프(534B1)를 작동 또는 격발시키는 한편, 펌프(534B2 및 534C1, 534C2)는 비활성적으로 또는 오프로 유지된다. 펌프(534B 및 534C)의 작동의 부재 시에, 분지(542A)를 통해서 유동하는 유체가 분지(542B 및 542C)로 균등하게 분할되는 하나의 구현예에서, 관성 펌프(534B1)의 격발은, 조합된, 관성 펌프(534A1 및 534A2)의 격발의 유체 유동의 1/2을 생성한다. 결과적으로, 분지(542B)를 통한 저장용기(522B)로의 유체 유동이 ("X"로 표시된 바와 같이) 실질적으로 막히거나 차단되고, 그에 따라 저장 용기(522A)로부터의 유체가 분지(542C)를 통해서 저장용기(522C) 내로 유동한다.
도 10은, 유체가 저장용기(522C)로부터 펌핑되고 저장용기(522A)로 지향되는 제3 동작 상태에서 미세유체 밸브(520)를 도시한다. 도시된 예에서, 액추에이터(438)(도 7에 도시됨)는 관성 펌프(534C1 및 534C2) 모두를 작동 또는 격발시켜 유체를 저장용기(522C)로부터 펌핑한다. 펌프(534C1 및 534C2)의 작동 또는 격발 이후의 미리 규정된 시간 간격 후에, 채널(532)의 길이 치수, 유체의 점도 및 펌프(534)의 특성에 따라서, 액추에이터(438)가 관성 펌프(534B1)를 작동 또는 격발시키는 한편, 펌프(534B2 및 534A1, 534A2)는 비활성적으로 또는 오프로 유지된다. 펌프(534A 및 534B)의 작동의 부재 시에, 분지(542B)를 통해서 유동하는 유체가 분지(542A 및 542B)로 균등하게 분할되는 하나의 구현예에서, 관성 펌프(534B1)의 격발은, 조합된, 관성 펌프(534C1 및 534C2)의 격발의 유체 유동의 1/2을 생성한다. 결과적으로, 분지(542B)를 통한 저장용기(522B)로의 유체 유동이 ("X"로 표시된 바와 같이) 실질적으로 막히거나 차단되고, 그에 따라 저장 용기(522C)로부터의 유체가 분지(542A)를 통해서 저장용기(522A) 내로 유동한다.
도 11은, 유체가 저장용기(522B)로부터 펌핑되고 저장용기(522A)로 지향되는 제4 동작 상태에서 미세유체 밸브(520)를 도시한다. 도시된 예에서, 액추에이터(438)(도 7에 도시됨)는 관성 펌프(534B1 및 534B2) 모두를 작동 또는 격발시켜 유체를 저장용기(522B)로부터 펌핑한다. 펌프(534B1 및 534B2)의 작동 또는 격발 이후의 미리 규정된 시간 간격 후에, 채널(532)의 길이 치수, 유체의 점도 및 펌프(534)의 특성에 따라서, 액추에이터(438)가 관성 펌프(534C1)를 작동 또는 격발시키는 한편, 펌프(534C2 및 534A1, 534A2)는 비활성적으로 또는 오프로 유지된다. 펌프(534A 및 534C)의 작동의 부재 시에, 분지(542B)를 통해서 유동하는 유체가 분지(542A 및 542C)로 균등하게 분할되는 하나의 구현예에서, 관성 펌프(534C1)의 격발은, 조합된, 관성 펌프(534B1 및 534B2)의 격발의 유체 유동의 약 1/2을 생성한다. 결과적으로, 분지(542C)를 통한 저장용기(522C)로의 유체 유동이 ("X"로 표시된 바와 같이) 실질적으로 막히거나 차단되고, 그에 따라 저장 용기(522B)로부터의 유체가 분지(542A)를 통해서 저장용기(522A) 내로 유동한다.
도 12는, 유체가 저장용기(522B)로부터 펌핑되고 저장용기(522C)로 지향되는 제5 동작 상태에서 미세유체 밸브(520)를 도시한다. 도시된 예에서, 액추에이터(438)(도 7에 도시됨)는 관성 펌프(534B1 및 534B2) 모두를 작동 또는 격발시켜 유체를 저장용기(522B)로부터 펌핑한다. 펌프(534B1 및 534B2)의 작동 또는 격발 이후의 미리 규정된 시간 간격 후에, 채널(532)의 길이 치수, 유체의 점도 및 펌프(534)의 특성에 따라서, 액추에이터(438)가 관성 펌프(534A1)를 작동 또는 격발시키는 한편, 펌프(534A2 및 534C1, 534C2)는 비활성적으로 또는 오프로 유지된다. 펌프(534A 및 534C)의 작동의 부재 시에, 분지(542B)를 통해서 유동하는 유체가 분지(542A 및 542C)로 균등하게 분할되는 하나의 구현예에서, 관성 펌프(534A1)의 격발은, 조합된, 관성 펌프(534B1 및 534B2)의 격발의 유체 유동의 약 1/2을 생성한다. 결과적으로, 분지(542A)를 통한 저장용기(522A)로의 유체 유동이 ("X"로 표시된 바와 같이) 실질적으로 막히거나 차단되고, 그에 따라 저장 용기(522B)로부터의 유체가 분지(542C)를 통해서 저장용기(522C) 내로 유동한다.
도 13는, 유체가 저장용기(522C)로부터 펌핑되고 저장용기(522B)로 지향되는 제6 동작 상태에서 미세유체 밸브(520)를 도시한다. 도시된 예에서, 액추에이터(438)(도 7에 도시됨)는 관성 펌프(534C1 및 534C2) 모두를 작동 또는 격발시켜 유체를 저장용기(522C)로부터 펌핑한다. 펌프(534C1 및 534C2)의 작동 또는 격발 이후의 미리 규정된 시간 간격 후에, 채널(532)의 길이 치수, 유체의 점도 및 펌프(534)의 특성에 따라서, 액추에이터(438)가 관성 펌프(534A1)를 작동 또는 격발시키는 한편, 펌프(534A2 및 534B1, 534B2)는 비활성적으로 또는 오프로 유지된다. 펌프(534A 및 534B)의 작동의 부재 시에, 분지(542C)를 통해서 유동하는 유체가 분지(542A 및 542B)로 균등하게 분할되는 하나의 구현예에서, 관성 펌프(534A1)의 격발은, 조합된, 관성 펌프(534C1 및 534C2)의 격발의 유체 유동의 약 1/2을 생성한다. 결과적으로, 분지(542A)를 통한 저장용기(522A)로의 유체 유동이 ("X"로 표시된 바와 같이) 실질적으로 막히거나 차단되고, 그에 따라 저장 용기(522C)로부터의 유체가 분지(542B)를 통해서 저장용기(522B) 내로 유동한다.
비록 미세유체 밸브(520)가 각각의 저장용기(522)와 연관된 관성 펌프(534)의 쌍을 가지는 것으로 도시되어 있지만, 다른 구현예에서, 미세유체 밸브(520)가 각각의 저장용기(522)와 연관된 보다 많은 수의 그러한 관성 펌프를 포함할 수 있을 것이다. 비록, 분지(542)에 대해서 직교적인 방향으로 적층된 관성 펌프(534)를 가지는 것으로 미세유체 밸브(520)가 도시되어 있고, 유체가 펌핑되는 레이트가 격발되는 각각의 쌍의 펌프(534)의 수를 조정하는 것에 의해서 조정되지만, 다른 구현예에서, 펌프(534)가 분지(542)에 평행한 방향으로 적층될 수 있을 것이고, 연관된 저장용기들(522)로부터 상이한 거리들로 이격되는 관성 펌프들(534)을 선택적으로 격발하는 것에 의해서, 그러한 펌프에 의해서 유체가 펌핑되는 레이트가 부가적으로 조정될 수 있도록, (시스템(320)의 펌프(334)와 유사하게) 펌프들이 위치된다.
도 8 내지 도 13에 도시된 각각의 예에서, 수용 저장용기로 이어지는 분지 내의 관성 펌프로부터의 임의의 저항 유동의 부재 시에, 서로에 대한 분지들의 상대적인 각도 및 그러한 분지의 비교적 균등한 크기는 공급원 저장용기로부터 유동하는 유체가 교차부(544)에서 2개의 수용 저장용기들 사이에서 균등하게 분할되는 결과를 초래한다. 수용 저장용기 중 하나로의 유체 유동을 막기 위해서, 유체 유동이 막힌 분지 내의 관성 펌프가, 유체의 공급원으로서의 역할을 하는 저장용기로부터의 유체 유동의 레이트의 절반인 유체 유동 레이트를 생성한다. 일부 구현예에서, 수용 저장용기로 이어지는 분지 내의 관성 펌프로부터의 임의의 저항 유동의 부재 시에, 예를 들어 교차부(544)에서 상이한 크기들 및/또는 각도들의 수용 저장용기들로 이어지는 분지들이 동일하지 않을 때, 공급원 저장용기로부터 유동하는 유체가 교차부(544)에서 균등하게 분할되지 않을 수 있을 것이다. 그러한 상황에서, 막힌 분지 내의 관성 펌프는, 해당 유체 유동 막힘을 달성하기 위해서 공급원 저장용기(522)로부터의 유체 유동의 레이트의 1/2 미만인 또는 그보다 큰, 교차부(544)를 향한 유체 유동의 레이트를 생성할 수 있을 것이다. 일부 구현예에서, 연관된 저장용기로의 유체 유동을 막거나 완전히 차단하지 않고 그러한 유체 유동을 감소시키도록, 분지 내의 관성 펌프의 저항 유동이 대안적으로 크기 결정될 수 있을 것이다.
도 14 및 도 15는 미세유체 밸브(20)의 예시적인 구현예인, 미세유체 밸브(620)를 상이한 동작 상태들에서 도시한다. 미세유체 밸브(620)가 채널(632)에 의해서 연결된 4개의 저장용기(622A, 622B, 622C, 622D)(집합적으로 저장용기(622)로 지칭된다)를 포함한다는 것을 제외하고, 미세유체 밸브(620)가 미세유체 밸브(620)와 유사하고, 복수의 관성 펌프(634)는, 미세유체 밸브(620)의 동작 상태에 따라서 공급원 저장용기 또는 수용 저장용기로서의 역할을 하는 저장용기(622)의 각각과 연관된다. 저장용기(622) 중 하나로부터 저장용기(622) 중의 하나 이상의 다른 저장용기로의 유체의 유동을 선택적으로 제어하기 위해서, 복수의 관성 펌프(634)가 액추에이터(438)(시스템(420)에 대해서 도시되고 전술됨)에 의해서 선택적으로 작동 가능하다.
채널(632)이 채널(532)과 유사하다. 채널(632)은 저장용기들(622)을 연결하고, 교차부(644)에서 서로에 대해서 연결된 분지(640A, 640B, 644C 및 640D)(집합적으로 분지(640)로서 지칭된다)를 포함한다. 서로에 대해서 평행한 또는 수직인 것으로 도시되어 있지만, 분지들(640)이 서로로부터 상이한 각도들로 연장될 수 있을 것이다.
도시된 예에서, 시스템(620)은, 연관된 또는 할당된 저장용기(622)에 근접한 그리고 나머지 저장용기(622)로부터 먼 3개의 선택적으로 작동 가능한 관성 펌프(634)를 포함한다. 도시된 예에서, 시스템(620)은 저장용기(622A)에 근접한 관성 펌프(634A1, 634A2)를 포함하고, 저장용기(622B)에 근접한 관성 펌프(634B1, 634B2)를 포함하며, 저장용기(622C)에 근접한 관성 펌프(634C1, 634C2)를 포함하고, 그리고 저장용기(622D)에 근접한 관성 펌프(634D1, 634D2)를 포함한다. 관성 펌프(634)의 각각의 세트 중의 하나 이상의 관성 펌프가 작동될 수 있도록, 쌍 중의 양 액추에이터가 작동될 수 있도록, 또는 쌍 중의 어떠한 액추에이터도 작동되지 않도록, 관성 펌프(634)의 각각이 액추에이터(438)에 의해서 독립적으로 작동될 수 있다. 도시된 예에서, 관성 펌프(634)의 각각은, 격발될 때, 대략적으로 동일한 펌핑력을 생성하고, 그에 따라 격발될 때, 다른 관성 펌프(634)의 레이트와 동일한 레이트의 유체 유동을 생성한다. 하나의 구현예에서, 관성 펌프(634)의 각각이, TIJ 열적 저항 요소와 같은 마이크로-히터를 포함하는 기포 제트 펌프를 포함한다. 다른 구현예에서, 관성 펌프(634)가 PZT 펌프와 같은 편위 가능한 막을 가지는 관성 펌프와 같은 다른 유형의 관성 펌프를 포함할 수 있을 것이다.
도 14는, 유체가 저장용기(622A)로부터 펌핑되고 저장용기(622B)로 지향되는 제1 동작 상태에서 미세유체 밸브(620)를 도시한다. 도시된 예에서, 액추에이터(438)(도 7에 도시됨)는 관성 펌프(634A1, 634A2 및 634A3)의 각각을 작동 또는 격발시켜 유체를 저장용기(622A)로부터 펌핑한다. 펌프(634A1 내지 634A3)의 작동 또는 격발 이후의 미리 규정된 시간 간격 후에, 채널(632)의 길이 치수, 유체의 점도 및 펌프(634)의 특성에 따라서, 액추에이터(438)가 관성 펌프(634C1 및 634D1)를 작동 또는 격발시키는 한편, 펌프(634C2, 634C3) 및 관성 펌프(634B1 내지 634B3)의 각각이 비활성적으로 또는 오프로 유지된다. 펌프(634B, 634C 및 634D)의 작동의 부재 시에, 분지(642A)를 통해서 유동하는 유체가 분지(642B, 642C 및 642D)로 균등하게 분할되는 하나의 구현예에서, 관성 펌프(634C1)의 격발은, 조합된, 관성 펌프(634A1 내지 634A3)의 격발의 유체 유동의 1/3을 생성한다. 결과적으로, 분지(642C)를 통한 저장용기(622C)로의 유체 유동이 ("X"에 의해서 표시된 바와 같이) 실질적으로 막히거나 차단된다. 관성 펌프(634D1)의 격발은, 조합된, 관성 펌프(634A1 내지 634A3)의 격발의 유체 유동의 1/3을 생성한다. 결과적으로, 분지(642D)를 통한 저장용기(622D)로의 유체 유동이 ("X"에 의해서 표시된 바와 같이) 실질적으로 막히거나 차단된다. 결과적으로, 저장용기(622A)로부터의 유체가 분지(542B)를 통해서 저장용기(622B) 내로 유동한다.
도 15는, 유체가 저장용기(622A)로부터 펌핑되고 저장용기(622D)로 지향되는 제2 동작 상태에서 미세유체 밸브(620)를 도시한다. 도시된 예에서, 액추에이터(438)(도 7에 도시됨)는 관성 펌프(634A1, 634A2 및 634A3)의 각각을 작동 또는 격발시켜 유체를 저장용기(622A)로부터 펌핑한다. 펌프(634A1 내지 634A3)의 작동 또는 격발 이후의 미리 규정된 시간 간격 후에, 채널(632)의 길이 치수, 유체의 점도 및 펌프(634)의 특성에 따라서, 액추에이터(438)가 관성 펌프(634B1 및 634C1)를 작동 또는 격발시키는 한편, 펌프(634B2, 634B3), 펌프(634C2, 634C3) 및 관성 펌프(634D1 내지 634D3)의 각각이 비활성적으로 또는 오프로 유지된다. 펌프(634B, 634C 및 634D)의 작동의 부재 시에, 분지(642A)를 통해서 유동하는 유체가 분지(642B, 642C 및 642D)로 균등하게 분할되는 하나의 구현예에서, 관성 펌프(634B1)의 격발은, 조합된, 관성 펌프(634A1 내지 634A3)의 격발의 유체 유동의 1/3을 생성한다. 결과적으로, 분지(642B)를 통한 저장용기(622B)로의 유체 유동이 ("X"에 의해서 표시된 바와 같이) 실질적으로 막히거나 차단된다. 관성 펌프(634C1)의 격발은, 조합된, 관성 펌프(634A1 내지 634A3)의 격발의 유체 유동의 1/3을 생성한다. 결과적으로, 분지(642C)를 통한 저장용기(622C)로의 유체 유동이 ("X"에 의해서 표시된 바와 같이) 실질적으로 막히거나 차단된다. 결과적으로, 저장용기(622A)로부터의 유체가 분지(642D)를 통해서 저장용기(622D) 내로 유동한다. 유체를 저장용기(622) 중 선택된 하나로부터 저장용기(622) 중 다른 선택된 하나 내로 선택적으로 지향시키기 위해서, 미세유체 밸브(620)가 유사한 양식으로 동작될 수 있을 것이다. 유사한 양식으로, 유체를 저장용기(622) 중에서 선택된 하나로부터 저장용기(622) 중의 각각의 다른 하나 내로 또는 저장용기(622)의 선택된 쌍 내로 지향시키기 위해서, 미세유체 밸브(620)가 관성 펌프(634)를 선택적으로 격발 또는 작동시키도록 동작될 수 있을 것이다. 일부 구현예에서, 관성 펌프(634)를 선택적으로 작동시키는 것에 의해서, 미세유체 밸브(620)가 그러한 저장용기의 쌍 또는 그러한 저장용기 중 3개로부터 하나 또는 2개의 선택된 저장용기 내로 유체를 지향시키도록 동작될 수 있을 것이다.
도 14 및 도 15에 도시된 각각의 예에서, 수용 저장용기로 이어지는 분지 내의 관성 펌프로부터의 임의의 저항 유동의 부재 시에, 서로에 대한 분지들의 상대적인 각도 및 그러한 분지의 비교적 균등한 크기는 공급원 저장용기로부터 유동하는 유체가 교차부(644)에서 3개의 수용 저장용기들 사이에서 균등하게 분할되는 결과를 초래한다. 수용 저장용기 중 2개로의 유체 유동을 막기 위해서, 유체 유동이 막힌 분지 내의 관성 펌프가, 유체의 공급원으로서의 역할을 하는 저장용기로부터의 유체 유동의 레이트의 1/3인 유체 유동 레이트를 생성한다. 공급원 저장용기로부터 유체를 수용하기 위한 n 개의 잠재적인 수용 저장용기가 있고, 임의의 저항 유동의 부재 시에, 공급원 저장용기로부터의 유체 유동이 교차부에서 상이한 분지들 사이에서 균등하게 분할되는 다른 구현예에서, 공급원 저장용기로부터의 유체 유동 레이트의 1/n인 저항 유동을 생성하기 위해서 수용 저장용기로 이어지는 개별적인 분지 내의 관성 펌프를 작동시키는 것에 의해서, 유체 유동이 잠재적인 수용 저장용기 중 특별한 하나로 지향된다.
일부 구현예에서, 수용 저장용기로 이어지는 분지 내의 관성 펌프로부터의 임의의 저항 유동의 부재 시에, 공급원 저장용기로부터 유동하는 유체가 교차부(644)에서와 같은 교차부에서 균등하게 분할되지 않을 수 있을 것이다. 수용 저장용기로 이어지는 분지가 교차부(644)에서 상이한 크기들 및/또는 각도들을 가지거나 동등하지 않을 때, 교차부에서 유체 유동을 이렇게 불균등하게 분할하는 것이 초래될 수 있을 것이다. 그러한 상황에서, 막힌 분지 내의 관성 펌프는, 해당 유체 유동 막힘을 달성하기 위해서 공급원 저장용기로부터의 유체 유동의 레이트의 1/n 미만인 또는 그보다 큰, 교차부(644)를 향한 유체 유동의 레이트를 생성할 수 있을 것이다. 일부 구현예에서, 연관된 저장용기로의 유체 유동을 막거나 완전히 차단하지 않고 그러한 유체 유동을 감소시키도록, 분지 내의 관성 펌프의 저항 유동이 대안적으로 크기 결정될 수 있을 것이다.
비록 미세유체 밸브(620)가 각각의 저장용기(622)와 연관된 3개의 관성 펌프(634)의 세트를 가지는 것으로 도시되어 있지만, 다른 구현예에서, 미세유체 밸브(620)가 각각의 저장용기(622)와 연관된 보다 많은 수의 그러한 관성 펌프를 포함할 수 있을 것이다. 비록, 분지(642)에 대해서 직교적인 방향으로 적층된 관성 펌프(634)를 가지는 것으로 미세유체 밸브(620)가 도시되어 있고, 유체가 펌핑되는 레이트가 격발되는 각각의 면(facet)의 펌프(634)의 수를 조정하는 것에 의해서 조정되지만, 다른 구현예에서, 펌프(634)가 분지(642)에 평행한 방향으로 적층될 수 있을 것이고, 연관된 저장용기들(622)로부터 상이한 거리들로 이격되는 관성 펌프들(634)을 선택적으로 격발하는 것에 의해서, 그러한 펌프에 의해서 유체가 펌핑되는 레이트가 부가적으로 조정될 수 있도록, (시스템(320)의 펌프(334)와 유사하게) 펌프들이 위치된다.
비록 본 개시 내용이 예시적인 실시예를 참조하여 설명되었지만, 당업자는, 청구된 청구 대상의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고도 형태 및 상세 부분에 대한 변화가 이루어질 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 비록 상이한 예시적인 실시예들이 하나 이상의 장점을 제공하는 하나 이상의 특징부를 포함하는 것으로 설명되어 있을 수 있지만, 설명된 특징부가 서로 상호 교환될 수 있거나, 설명된 예시적인 실시예에서 또는 다른 대안적인 실시예에서 서로 대안적으로 조합될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 본 개시 내용의 기술이 비교적 복잡하기 때문에, 기술에서의 모든 변화를 예상할 수 없다. 예시적인 실시예를 참조하여 설명된 그리고 이하의 청구항에 기재된 본 개시 내용은 가능한 한 넓을 것으로 명백하게 의도된다. 예를 들어, 달리 구체적으로 기재되어 있지 않은 경우에, 하나의 특별한 요소를 인용하는 청구항이 또한 복수의 그러한 특별한 요소를 포함한다.

Claims (15)

  1. 미세유체 밸브로서,
    제1 저장용기;
    제2 저장용기;
    상기 제1 저장용기를 상기 제2 저장용기에 연결하는 채널로서, 상기 제2 저장용기가 압력 구배 하에서 상기 채널을 통해서 상기 제1 저장용기로부터 유체를 수용하는, 채널;
    상기 제2 저장용기에 근접하고 상기 제1 저장용기와 떨어져 있는 상기 채널 내의 관성 펌프;
    상기 관성 펌프를 형성하는 독립적으로 작동 가능한 격발 저항기들의 어레이로서, 상기 어레이의 격발 저항기들이 상기 제2 저장용기로부터 균등하게 이격되어 있는, 격발 저항기들의 어레이; 및
    상기 관성 펌프를 작동시키기 위한 액추에이터로서, 작동되는 저항기의 수를 변경하여 펌핑력을 변경하기 위해서 저항기들을 선택적으로 격발하기 위한 제어기를 포함하는, 액추에이터
    를 포함하는, 미세유체 밸브.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 펌프가 기포 제트 펌프를 포함하는, 미세유체 밸브.
  3. 삭제
  4. 미세유체 밸브로서,
    제1 저장용기;
    제2 저장용기;
    상기 제1 저장용기를 상기 제2 저장용기에 연결하는 채널로서, 상기 제2 저장용기가 압력 구배 하에서 상기 채널을 통해서 상기 제1 저장용기로부터 유체를 수용하는, 채널;
    상기 제2 저장용기에 근접하고 상기 제1 저장용기와 떨어져 있는 상기 채널 내의 관성 펌프;
    상기 제2 저장용기에 근접하고 상기 제1 저장용기와 떨어져 있는 제2 관성 펌프;
    상기 관성 펌프 및 상기 제2 관성 펌프를 선택적으로 작동시키기 위한 액추에이터; 및
    상기 관성 펌프 및 상기 제2 관성 펌프를 형성하는 독립적으로 작동 가능한 격발 저항기들의 어레이로서, 상기 어레이의 격발 저항기들이 상기 제2 저장용기로부터 상이하게 이격되어 있는, 격발 저항기들의 어레이
    를 포함하는, 미세유체 밸브.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    주어진 위치에서 상기 관성 펌프의 펌핑력을 선택적으로 변경하기 위한 액추에이터를 더 포함하는, 미세유체 밸브.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 채널이,
    제1 분지(branch);
    상기 제1 분지와의 교차부로부터 연장하는 제2 분지; 및
    상기 교차부로부터 연장되고 제3 저장용기에 연결되는 제3 분지를 포함하는, 미세유체 밸브.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제3 저장용기에 근접하고 상기 교차부와 떨어져 있는 상기 제3 분지 내의 제2 관성 펌프; 및
    상기 관성 펌프 및 상기 제2 관성 펌프의 펌핑을 독립적으로 변경시키기 위한 액추에이터를 더 포함하는, 미세유체 밸브.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 분지 내의 제3 관성 펌프를 더 포함하고, 상기 액추에이터가 상기 관성 펌프, 제2 관성 펌프 및 제3 관성 펌프의 펌핑을 독립적으로 변경하기 위한 것인, 미세유체 밸브.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제2 저장용기가 상기 제2 저장용기와 상기 채널의 접합부에서의 상기 채널의 횡단면 면적의 적어도 10배의 상기 접합부에서의 횡단면을 가지는, 미세유체 밸브.
  13. 미세유체 밸브작용 방법으로서,
    채널을 통해서 제1 저장용기로부터 제2 저장용기로 유체 유동을 편향시키기 위해서 상기 제1 저장용기와 상기 제2 저장용기 사이에 압력 구배를 인가하는 단계; 및
    유체 유동을 제어하기 위해서, 상기 제2 저장용기에 근접하고 상기 제1 저장용기와 떨어져 있는 상기 채널 내의 관성 펌프를 선택적으로 작동시키는 단계
    를 포함하고,
    상기 관성 펌프는 독립적으로 작동 가능한 격발 저항기들의 어레이에 의해 형성되고, 상기 어레이의 격발 저항기들이 상기 제2 저장용기로부터 균등하게 이격되어 있고,
    상기 관성 펌프는 액추에이터에 의해 작동되며, 상기 액추에이터는 작동되는 저항기의 수를 변경하여 펌핑력을 변경하기 위해서 저항기들을 선택적으로 격발하기 위한 제어기를 포함하는, 미세유체 밸브작용 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    유체 유동을 제어하기 위해서, 주어진 위치에서 상기 관성 펌프의 펌핑력을 선택적으로 변경하는 단계를 포함하는, 미세유체 밸브작용 방법.
  15. 미세유체 밸브로서,
    제1 저장용기;
    제2 저장용기;
    제3 저장용기;
    상기 제1 저장용기로부터 연장하는 제1 분지, 상기 제1 분지와의 교차부로부터 상기 제2 저장용기로 연장되는 제2 분지, 및 상기 교차부로부터 상기 제3 저장용기로 연장되는 제3 분지를 포함하는 채널로서, 상기 제2 저장용기 및 상기 제3 저장용기가 압력 구배 하에서 상기 채널을 통해서 상기 제1 저장용기로부터 유체를 선택적으로 수용하는, 채널;
    상기 제2 저장용기에 근접하고 상기 교차부와 떨어져 있는 상기 제2 분지 내의 제1 기포 제트 펌프;
    상기 제3 저장용기에 근접하고 상기 교차부와 떨어져 있는 상기 제3 분지 내의 제2 기포 제트 펌프;
    상기 제2 저장용기 및 상기 제3 저장용기로의 유체 유동을 제어하기 위해서, 상기 제1 기포 제트 펌프 및 상기 제2 기포 제트 펌프의 펌핑을 독립적으로 변경하기 위한 액추에이터;
    상기 기포 제트 펌프들을 형성하는 독립적으로 작동 가능한 격발 저항기들의 어레이로서, 상기 어레이의 격발 저항기들이 상기 제2 저장용기로부터 균등하게 이격되어 있는, 격발 저항기들의 어레이; 및
    상기 기포 제트 펌프들을 작동시키기 위한 액추에이터로서, 작동되는 저항기의 수를 변경하여 펌핑력을 변경하기 위해서 저항기들을 선택적으로 격발하기 위한 제어기를 포함하는, 액추에이터
    를 포함하는, 미세유체 밸브.
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