KR101934021B1 - 미세 유체 제어 시스템을 이용한 미세 유체 제어 방법 - Google Patents

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박태규
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Abstract

본 발명에 따른 미세 유체 제어 방법은, (a) 미리 선정된 기체 압력과 액체 유량의 관계 데이터 모델을 기초로, 설정 유량값에 해당하는 설정 압력값에 가중치를 부여한 초기 압력값에 따른 제어 신호를 압력 조절기에 입력하는 단계; (b) 설정 시간 간격으로 유량계로부터 측정한 유량값을 설정 유량값과 비교하여 측정 유량값과 설정 유량값의 차이를 구한 후 절댓값으로 처리하여 유량 차이값을 계산하는 단계; (c) 유량 차이값에 해당하는 압력 차이값을 기체 압력과 액체 유량의 관계 데이터 모델을 기초로 계산하는 단계; (d) 측정 유량값이 설정 유량값보다 작으면 압력 차이값에 피드백 계수를 곱한 값을 설정 압력값에 더한 새로운 압력값에 따른 제어 신호를 압력 조절기에 입력하며, 측정 유량값이 설정 유량값보다 크면 압력 차이값에 피드백 계수를 곱한 값을 설정 압력값으로부터 뺀 새로운 압력값에 따른 제어 신호를 압력 조절기에 입력하며, 측정 유량값이 설정 유량값과 같으면 설정 압력값에 따른 제어 신호를 압력 조절기에 입력하는 단계; 및 (b) 내지 (d) 단계를 반복적으로 수행하여, 미세 유체 소자에 대한 액체 공급을 정량으로 제어하는 단계;를 포함한다.

Description

미세 유체 제어 시스템을 이용한 미세 유체 제어 방법{Micro flow control method using micro flow control system}
본 발명은 미세 유체를 정량적으로 제어할 수 있는 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하나 이상의 미세 유체 소자에 대한 유체 공급을 정량적으로 제어할 수 있는 기술에 관한 것이다.
최근 바이오 시장의 성장과 함께, 미세 유체를 기반으로 하는 미세 유체 소자가 다양한 형태로 개발되고 있다. 미세 유체 소자는 생체 시료액 등의 유체가 지날 수 있는 미세 채널로 구성된 소자로서, 생체 시료를 처리하고 분석하는데 폭넓게 활용되고 있다. 이러한 미세 유체 소자를 구동시키기 위해서는 미세 유체 소자에 유체를 정량적으로 공급해주는 장치가 필수적이다. 바이오 시장은 고생산성과, 콘텐츠의 다양화가 급격히 요구되고 있는 분야이다. 이와 함께, 빠른 응답속도와 유량 변동 폭의 최소화를 필요로 하는 수요도 증가하고 있다.
현재 바이오 시장에 있어서 시료액 등의 액체 공급을 위해서는, 일반적으로 연동형 펌프와 시린지 펌프가 많이 사용되고 있다. 연동형 펌프는 액체가 들어 있는 유연한 관을 롤러가 달려있는 회전체를 이용하여 연속적으로 눌러줌으로써, 관 내부의 액체를 이동시키는 방식이다. 연동형 펌프의 경우, 액체 저장고가 별도로 있기 때문에 많은 양의 액체를 보낼 수 있는 장점이 있으나, 그 구동 방식의 특성상 액체 흐름에 맥동이 있고 정밀도가 우수하지 못한 단점이 있다.
시린지 펌프는 모터를 이용하여 주사기 내에 있는 액체를 일정한 속도를 밀어내는 방식으로, 정확한 유량과 높은 압력 구동이 가능하다. 그러나, 시린지 펌프는 적은 양의 액체를 이송할 경우에는 주사기 내부의 구동부 마찰로 인하여 유량 변동 폭이 상대적으로 크고, 여러 개의 채널을 구성하여 독립적으로 제어하는데 상대적으로 어려움이 있다. 여러 대의 시린지 펌프를 이용하여 다채널을 구성하게 된다면, 비용과 더불어 공간의 제약이 발생할 수 있다.
본 발명의 과제는 미세 유체 소자에 대한 유량제어의 응답속도를 비교적 빠르게 구현할 수 있는 미세 유체 제어 시스템을 이용한 미세 유체 제어 방법에 관한 것이다.
상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 미세 유체 제어 시스템을 이용한 미세 유체 제어 방법은, 미세 유체 소자에 액체를 공급하는 액체 공급기와, 액체 공급기에 공급되는 기체 압력을 조절하여 액체 공급기로부터 미세 유체 소자로 액체가 공급되게 하는 압력 조절기와, 미세 유체 소자에 공급되는 액체 유량을 측정하는 유량계와, 액체 공급기에 공급되는 기체 압력을 측정하는 압력계, 및 유량계와 압력계로부터 측정된 정보를 기초로 압력 조절기를 제어하는 시스템 제어기가 구비된 미세 유체 제어 시스템을 이용한 미세 유체 제어 방법으로서,
(a) 미리 선정된 기체 압력과 액체 유량의 관계 데이터 모델을 기초로, 설정 유량값에 해당하는 설정 압력값에 가중치를 부여한 초기 압력값에 따른 제어 신호를 압력 조절기에 입력하는 단계; (b) 설정 시간 간격으로 유량계로부터 측정한 유량값을 설정 유량값과 비교하여 측정 유량값과 설정 유량값의 차이를 구한 후 절댓값으로 처리하여 유량 차이값을 계산하는 단계; (c) 유량 차이값에 해당하는 압력 차이값을 기체 압력과 액체 유량의 관계 데이터 모델을 기초로 계산하는 단계; (d) 측정 유량값이 설정 유량값보다 작으면 압력 차이값에 피드백 계수를 곱한 값을 설정 압력값에 더한 새로운 압력값에 따른 제어 신호를 압력 조절기에 입력하며, 측정 유량값이 설정 유량값보다 크면 압력 차이값에 피드백 계수를 곱한 값을 설정 압력값으로부터 뺀 새로운 압력값에 따른 제어 신호를 압력 조절기에 입력하며, 측정 유량값이 설정 유량값과 같으면 설정 압력값에 따른 제어 신호를 압력 조절기에 입력하는 단계; 및 (b) 내지 (d) 단계를 반복적으로 수행하여, 미세 유체 소자에 대한 액체 공급을 정량으로 제어하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따르면, 미세 유체 소자에 대한 유량제어의 응답속도를 비교적 빠르게 구현함으로써, 응답속도 특성을 개선할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 기체의 압력에 의해 액체를 밀어내어 미세 유체 소자에 공급하는 방식이므로, 유량의 변동 폭이 작기 때문에 낮은 유량 범위에서도 안정적인 유량을 얻을 수 있고, 비교적 작은 크기로 여러 개의 채널을 구성하여 독립적으로 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 유체 제어 방법이 적용되는 미세 유체 제어 시스템에 대한 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 미세 유체 제어 시스템에 대한 일부 사시도이다.
도 3은 도 2에 있어서, 압력 조절기에 의해 액체 공급기로부터 액체가 송출되는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 2에 있어서, 시스템 하우징의 내부를 나타낸 평면 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 유체 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 6은 측정 압력값을 오프셋(offset) 보정하는 과정을 설명하기 위한 그래프이다.
본 발명에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 동일한 구성에 대해서는 동일부호를 사용하며, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 유체 제어 방법이 적용되는 미세 유체 제어 시스템에 대한 구성도이다. 도 2는 도 1에 도시된 미세 유체 제어 시스템에 대한 일부 사시도이다. 도 3은 도 2에 있어서, 압력 조절기에 의해 액체 공급기로부터 액체가 송출되는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 4는 도 2에 있어서, 시스템 하우징의 내부를 나타낸 평면 구성도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 미세 유체 제어 시스템(100)은 미세 유체 소자(10)에 대한 유체 공급을 정량적으로 제어할 수 있는 것으로, 액체 공급기(110)와, 압력 조절기(120)와, 유량계(130)와, 압력계(140), 및 시스템 제어기(150)를 포함한다.
액체 공급기(110)는 미세 유체 소자(10)에 액체를 공급한다. 여기서, 미세 유체 소자(10)는 유체가 지날 수 있는 미세 채널(11)을 갖도록 구성될 수 있다. 미세 채널(11)은 수십에서 수백 마이크로미터 크기의 채널에 해당할 수 있다. 일 예로, 미세 유체 소자(10)는 복수의 미세 채널(11)들이 각각 동일한 형태로 나란하게 배열되어 구성될 수 있다.
액체 공급기(110)는 액체 저장고(111)와, 제1 연결관(112), 및 제2 연결관(113)을 포함할 수 있다. 액체 저장고(111)는 미세 유체 소자(10)에 공급되는 액체를 저장한다. 여기서, 액체는 생체 시료액 등에 해당할 수 있다.
액체 저장고(111)는 제1 연결관(112)을 통해 압력 조절기(120)로부터 기체를 공급받아서, 기체의 압력에 의해 내부의 저장 액체를 제2 연결관(113)을 통해 미세 유체 소자(10)에 공급하도록 한다. 액체 저장고(111)는 체적 탄성률이 높은 경질 재료로 형성될 수 있다. 예컨대, 액체 저장고(111)는 유리 또는 경질의 플라스틱 재료 등으로 형성될 수 있다.
따라서, 액체 저장고(111)는 압력 조절기(120)로부터 공급되는 기체의 압력을 일정하게 유지함으로써, 내부의 저장 액체를 미세 유체 소자(10)에 지속적이고 일정하게 공급할 수 있게 한다.
액체 저장고(111)는 저장 케이스(111a)와, 저장 캡(111b)을 포함할 수 있다. 저장 케이스(111a)는 내부 공간을 갖고 상부가 개구된다. 저장 캡(111b)은 저장 케이스(111a)의 상부 개구를 개폐한다. 저장 캡(111b)은 저장 케이스(111a)의 상부 개구를 개방한 상태에서 저장 케이스(111a) 내에 액체가 저장되게 하며, 저장 케이스(111a)의 상부 개구를 폐쇄한 상태에서 저장 케이스(111a) 내의 액체가 누설되지 않게 한다. 저장 캡(111b)은 제1,2 연결관(112, 113)을 장착할 수 있도록 구성된다.
제1 연결관(112)은 압력 조절기(120)로부터 기체를 일정 유량으로 액체 저장고(111)로 공급하기 위한 것이다. 제1 연결관(112)은 체적 탄성률이 높은 경질 재료로 형성될 수 있다. 예컨대, 제1 연결관(112)은 스테인리스 강과 같은 경질 금속 재료로 형성되거나, 테프론(Teflon), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 플루오르화에틸렌프로필렌(FEP) 등과 같은 경질 플라스틱 재료로 형성될 수 있다.
따라서, 제1 연결관(112)은 압력 조절기(120)로부터 공급받는 기체의 압력 변화에 반응속도가 빠르고 체적 변화가 거의 작용하지 않으므로, 압력 조절기(120)로부터 공급받은 기체를 액체 저장고(111)로 정밀하게 안정적으로 공급할 수 있다.
제2 연결관(113)은 액체 저장고(111)로부터 액체를 일정한 유량으로 미세 유체 소자(10)로 공급하기 위한 것이다. 제2 연결관(113)은 제1 연결관(112)과 마찬가지로, 체적 탄성률이 높은 경질 재료로 형성될 수 있다. 예컨대, 제2 연결관(113)은 테프론, 폴리에테르에테르케톤, 플루오르화에틸렌프로필렌 등과 같은 경질 플라스틱 재료로 형성될 수 있다. 이러한 경질 플라스틱 재료는 화학적으로도 안정적인 특성을 갖는다.
따라서, 제2 연결관(113)은 액체 저장고(111)로부터 공급받는 액체의 유량 변화에 체적 변화가 거의 작용하지 않고 화학적으로 안정적이므로, 액체 저장고(111)로부터 공급받은 액체를 미세 유체 소자(10)로 지속적이고 일정하게 공급할 수 있다.
이러한 액체 공급기(110)는 복수 개로 구비되어 미세 유체 소자(10)에 액체를 개별 공급할 수 있다. 따라서, 미세 유체 소자(10)가 복수 개의 미세 채널(11)들을 갖는 경우, 액체 공급기(110)들은 미세 채널(11)들에 액체를 각각 일정한 유량으로 공급하도록 대응할 수 있다. 액체 공급기(110)들의 각 액체 저장고(111)는 저장고 거치대(114)에 함께 거치될 수 있다.
압력 조절기(120)는 액체 공급기(110)에 공급되는 기체 압력을 조절하여 액체 공급기(110)로부터 미세 유체 소자(10)로 액체가 공급되게 한다. 압력 조절기(120)는 외부의 기체 공급원(160)과 액체 저장고(111) 사이에서 기체 공급원(160)으로부터 공급되는 기체의 흐름을 제어함으로써, 기체를 설정 압력으로 조절해서 액체 저장고(111)로 공급할 수 있다.
압력 조절기(120)는 기체 공급원(160)으로부터 200kPa 이상의 기체를 공급받아서, 기체의 압력을 0~100kPa로 정밀하게 조절함으로써, 액체 저장고(111) 내의 액체를 미세 유체 소자(10)에 수십에서 수백 ㎕/min의 유량으로 공급되도록 할 수 있다. 여기서, 기체 공급원(160)은 압축 공기, 질소 가스, 아르곤 가스, 헬륨 가스 중 어느 하나의 기체를 압력 조절기(120)로 공급한다.
압력 조절기(120)는 액체 공급기(110)의 개수와 상응하는 개수로 구비되어 액체 공급기(110)들에 기체를 설정 압력으로 일정하게 개별 공급할 수 있다. 기체 공급원(160)은 기체를 분기된 공급관들을 통해 압력 조절기(120)들로 각각 공급할 수 있다. 일 예로, 압력 조절기(120)는 솔레노이드 밸브(solenoid valve) 등의 압력 조절밸브로 이루어질 수 있다. 압력 조절기(120)는 시스템 제어기(150)에 의해 제어된다.
유량계(130)는 미세 유체 소자(10)에 공급되는 액체 유량을 측정한다. 유량계(130)는 미세 유체 소자(10)의 미세 채널(11)별로 공급되는 액체 유량을 측정하도록 구성될 수 있다. 유량계(130)로부터 측정된 액체 유량 정보는 시스템 제어기(150)로 제공된다.
압력계(140)는 액체 공급기(110)에 공급되는 기체 압력을 측정한다. 압력계(140)는 액체 공급기(110)의 개수와 상응하는 개수로 구비되어, 액체 공급기(110)에 공급되는 기체 압력을 측정할 수 있다. 압력계(140)로부터 측정된 기체 압력 정보는 시스템 제어기(150)로 제공된다.
시스템 제어기(150)는 유량계(130)와 압력계(140)로부터 측정된 정보를 기초로 압력 조절기(120)를 제어함으로써, 미세 유체 소자(10)에 정량의 액체를 공급한다. 즉, 시스템 제어기(150)는 압력 조절기(120)를 제어하여 설정 압력과 설정 공급시간 동안 기체를 액체 공급기(110)에 일정하게 공급함으로써, 액체 공급기(110)로부터 미세 유체 소자(10)에 정량의 액체를 공급할 수 있게 한다.
압력 조절기(120)로부터 액체 공급기(110)로 공급되는 기체의 압력 및 공급시간은 미세 유체 소자(10)에 공급되는 액체의 양에 맞게 설정된다. 시스템 제어기(150)는 사용자로부터 외부 단말기를 통해 기체의 압력 및 공급시간을 입력 받을 수 있다.
시스템 제어기(150)는 회로기판에 실장되어 시스템 하우징(170)에 내장될 수 있다. 또한, 압력 조절기(120)들도 시스템 하우징(170)에 내장될 수 있다. 시스템 하우징(170)은 압력 조절기(120)들에 기체 공급원(140)을 연결하기 위한 기체 공급포트와, 압력 조절기(120)들에 제1 연결관(111)들을 각각 연결하기 위한 연결포트들을 구비할 수 있다.
이러한 미세 유체 제어 시스템(100)은 기체의 압력에 의해 액체를 밀어내어 미세 유체 소자(10)에 공급하는 방식이므로, 유량의 변동 폭이 작기 때문에 낮은 유량 범위에서도 안정적인 유량을 얻을 수 있고, 비교적 작은 크기로 여러 개의 채널을 구성하여 독립적으로 제어할 수 있다.
전술한 구성을 갖는 미세 유체 제어 시스템(100)을 이용한 미세 유체 제어 방법의 일 실시예에 대해, 도 5 및 도 6을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 유체 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 도 6은 측정 압력값을 오프셋(offset) 보정하는 과정을 설명하기 위한 그래프이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 유체 제어 방법은 시스템 제어기의 소프트웨어적인 알고리즘으로 구현될 수 있다.
먼저, S110 단계에서, 미리 선정된 기체 압력과 액체 유량의 관계 데이터 모델을 기초로, 설정 유량값에 해당하는 설정 압력값에 가중치를 부여한 초기 압력값에 따른 제어 신호를 압력 조절기(120)에 입력한다. 즉, 초기 압력값은 설정 압력값에 가중치가 곱해져서 계산된다.
여기서, 기체 압력과 액체 유량의 관계 데이터 모델은 미세 유체 제어 시스템(100)을 설정 압력 간격으로 테스트하여 압력값에 따른 유량값을 측정한 데이터를 선형화시키는 과정에 의해 선정될 수 있다.
구체적으로, 시스템 제어기(150)에 의해 영의 압력값으로부터 설정 압력 간격, 예컨대 1~10kPa 범위에서 설정된 압력 간격으로 압력을 높여가면서 해당 압력값에 따른 제어 신호를 압력 조절기(120)로 입력한다.
이때, 기체 압력값을 압력계(140)로부터 측정하고, 액체 유량값을 유량계(130)로부터 측정함으로써, 압력값에 따른 유량값을 측정한 데이터를 획득한다.
획득된 데이터를 선형 방정식으로 선형화해서, 기체 압력과 액체 유량의 관계 데이터 모델로 선정할 수 있다. 선정된 기체 압력과 액체 유량의 관계 데이터 모델은 소프트웨어로 시스템 제어기(150)의 메모리에 미리 저장될 수 있다. 기체 압력과 액체 유량의 관계 데이터 모델은 미세 유체 소자(10)별로 선정되고 미세 채널(11)별로 선정된 후, 시스템 제어기(150)의 메모리에 미리 저장될 수 있다.
한편, 압력계(140)로부터 측정된 압력값이 설정 압력값과 차이가 있는 경우, 측정 압력값은 설정 압력값을 기준으로 오프셋 보정되어 기체 압력과 액체 유량의 관계 데이터 모델에 적용될 수 있다. 따라서, 기체 압력과 액체 유량의 관계 데이터 모델의 정확도를 높일 수 있다.
예컨대, 압력값은 압력에 따라 전압값으로 출력되어 측정될 수 있는데, 압력 조절기(120)나 시스템 제어기(150)의 오차 등으로 인해 압력계(140)로부터 측정된 전압값이 설정 전압값보다 크거나 작게 나올 수 있다.
예컨대, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 측정된 전압값이 설정 전압값보다 작은 경우, 설정 전압값을 기준으로 측정 전압값을 증가시키는 오프셋 보정을 한 후, 기체 압력과 액체 유량의 관계 데이터 모델에 적용에 적용할 수 있다. 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 측정된 전압값이 설정 전압값보다 큰 경우, 설정 전압값을 기준으로 측정 전압값을 감소시키는 오프셋 보정을 한 후, 기체 압력과 액체 유량의 관계 데이터 모델에 적용에 적용할 수 있다.
설정 압력값에 부여되는 가중치는 설정 압력값의 적용에 따른 유량의 오버슈트를 방지할 수 있게 한다. 가중치는 93~97%의 값으로 이루어짐으로써, 초기 압력값은 설정 압력값 대비 93~97%로 정해질 수 있다. 미세 유체 소자(10)는 다양한 유체 저항 등으로 인해 유량제어 응답속도가 영향을 받게 되는데, 이러한 유량제어 응답속도를 고려하여, 가중치는 93~97%의 범위에서 미세 유체 소자(10)별로 최적의 값으로 정해질 수 있다. 또한, 미세 채널(11)마다 유량제어 응답속도가 다른 경우, 가중치는 93~97%의 범위에서 미세 채널별로 최적의 값으로 정해질 수 있다. 가중치는 사용자 인터페이스를 통해 설정될 수 있다.
그 다음, S120 단계에서, 설정 시간 간격으로 유량계(130)로부터 측정한 유량값을 설정 유량값과 비교하여 측정 유량값과 설정 유량값의 차이를 구한 후 절댓값으로 처리하여 유량 차이값을 계산한다. 즉, 유량 차이값은 하기 수학식 1에 의해 계산될 수 있다.
Figure 112018102318615-pat00001
유량 차이값을 계산하기 위한 시간 간격은 수십~수백ms 범위에서 설정될 수 있다. 예컨대, 시간 간격은 200ms로 설정될 수 있다. 측정 유량값과 설정 유량값의 비교 개시는 초기 압력값에 따른 제어 신호가 압력 조절기(120)에 입력된 시점부터 일정 시간 대기한 후 수행될 수 있다. 여기서, 대기 시간은 미세 유체 소자(10)의 유량제어 응답속도를 고려하여, 0 ~ 10초의 범위에서 미세 유체 소자(10)별로 최적의 값으로 정해질 수 있다. 미세 채널(11)마다 유량제어 응답속도가 다른 경우, 대기 시간은 0~10초의 범위에서 미세 채널별(11)로 최적의 값으로 정해질 수 있다. 대기 시간은 사용자 인터페이스를 통해 설정될 수 있다.
그 다음, S130 단계에서, 유량 차이값에 해당하는 압력 차이값을 기체 압력과 액체 유량의 관계 데이터 모델을 기초로 계산한다. 예컨대, 기체 압력과 액체 유량의 관계 데이터 모델이 선형 방정식으로 선정된 경우, 선형 방정식에 유량 차이값을 대입하여 압력 차이값을 계산할 수 있다.
그 다음, S140 단계에서, 측정 유량값이 설정 유량값보다 작으면, 압력 차이값에 피드백 계수를 곱한 값을 설정 압력값에 더한 새로운 압력값에 따른 제어 신호를 압력 조절기(120)에 입력한다. 즉, 새로운 압력값은 하기 수학식 2에 의해 계산될 수 있다.
Figure 112018102318615-pat00002
새로운 압력값이 압력 조절기(120)에 의해 조절 가능한 기체 압력의 상한치보다 높다면 상한치로 설정될 수 있다. 예컨대, 압력 조절기(120)에 의해 조절 가능한 기체 압력이 0~100kPa인 경우, 새로운 압력값이 100kPa 초과이면 100kPa로 설정될 수 있다.
측정 유량값이 설정 유량값보다 크면, 압력 차이값에 피드백 계수를 곱한 값을 설정 압력값으로부터 뺀 새로운 압력값에 따른 제어 신호를 압력 조절기(120)에 입력한다. 즉, 새로운 압력값은 하기 수학식 3에 의해 계산될 수 있다.
Figure 112018102318615-pat00003
새로운 압력값이 압력 조절기(120)에 의해 조절 가능한 기체 압력의 하한치보다 낮다면 하한치로 설정될 수 있다. 예컨대, 압력 조절기(120)에 의해 조절 가능한 기체 압력이 0~100kPa인 경우, 새로운 압력값이 0kPa 미만이면 0kPa로 설정될 수 있다.
측정 유량값이 설정 유량값과 같으면, 설정 압력값에 따른 제어 신호를 압력 조절기(120)에 입력한다. 예컨대, 측정 유량값이 설정 유량값과 같으면, 압력 차이값이 영이 되므로, 상기 수학식 2 또는 수학식 3에 압력 차이값을 영으로 대입하여, 새로운 압력값을 설정 압력값으로 계산한 후, 새로운 압력값에 따른 제어 신호를 압력 조절기(120)에 입력할 수 있다.
미세 유체 소자(10)의 다양한 유체 저항 등으로 인한 유량제어 응답속도를 고려하여, 피드백 계수는 0.15~0.3의 범위에서 미세 유체 소자(10)별로 최적의 값으로 정해질 수 있다. 또한, 미세 채널(11)마다 유량제어 응답속도가 다른 경우, 피드백 계수는 0.15~0.3의 범위에서 미세 채널(11)별로 최적의 값으로 정해질 수 있다. 피드백 계수는 사용자 인터페이스를 통해 설정될 수 있다.
그 다음, S120 단계 내지 S140 단계를 반복적으로 수행하여, 미세 유체 소자(10)에 대한 액체 공급을 정량으로 제어한다. 미세 유체 소자(10)에 대한 액체 공급은 종료 전까지 정량으로 제어되며, 종료 후에는 압력값이 초기화될 수 있다.
즉, 설정 시간 간격으로 측정 유량값을 설정 유량값과 비교하여 유량 차이값을 계산하며, 이후 유량 차이값에 해당하는 압력 차이값을 기체 압력과 액체 유량의 관계 데이터 모델을 기초로 계산하며, 이후 측정 유량값과 설정 유량값 차이에 따라 압력 차이값에 피드백 계수를 곱한 값을 설정 압력값에 대해 더하거나 뺀 새로운 압력값에 따른 제어 신호를 압력 조절기(120)에 입력하는 과정들을 반복적으로 수행한다.
이에 따라, 미세 유체 소자(10)에 공급되는 액체의 유량값은 설정 유량값에 대해 허용범위로 도달한 후 종료 전까지 허용범위 내로 유지될 수 있다. 허용범위는 액체의 유량값이 설정 유량값에 대해 정량으로 인정될 수 있는 범위에 해당한다. 그 결과, 미세 유체 소자(10)에 대한 액체 공급이 정량으로 제어될 수 있다. 이 과정에서, 미세 유체 소자(10)에 대한 유량제어는 설정 시간 간격으로 압력 조절기(120)에 입력되는 새로운 압력값에 피드백 계수가 반영되어 피드백 제어되므로, 액체의 유량값이 설정 유량값의 허용범위 내, 즉 정량으로 도달하는 응답속도를 비교적 빠르게 구현할 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
10..미세 유체 소자
110..액체 공급기
120..압력 조절기
130..유량계
140..압력계
150..시스템 제어기

Claims (3)

  1. 미세 유체 소자에 액체를 공급하는 액체 공급기와, 상기 액체 공급기에 공급되는 기체 압력을 조절하여 상기 액체 공급기로부터 상기 미세 유체 소자로 액체가 공급되게 하는 압력 조절기와, 상기 미세 유체 소자에 공급되는 액체 유량을 측정하는 유량계와, 상기 액체 공급기에 공급되는 기체 압력을 측정하는 압력계, 및 상기 유량계와 압력계로부터 측정된 정보를 기초로 상기 압력 조절기를 제어하는 시스템 제어기가 구비된 미세 유체 제어 시스템을 이용한 미세 유체 제어 방법으로서,
    (a) 미리 선정된 기체 압력과 액체 유량의 관계 데이터 모델을 기초로, 설정 유량값에 해당하는 설정 압력값에 가중치를 부여한 초기 압력값에 따른 제어 신호를 상기 압력 조절기에 입력하는 단계;
    (b) 설정 시간 간격으로 상기 유량계로부터 측정한 유량값을 설정 유량값과 비교하여 측정 유량값과 설정 유량값의 차이를 구한 후 절댓값으로 처리하여 유량 차이값을 계산하는 단계;
    (c) 상기 유량 차이값에 해당하는 압력 차이값을 상기 기체 압력과 액체 유량의 관계 데이터 모델을 기초로 계산하는 단계;
    (d) 측정 유량값이 설정 유량값보다 작으면 압력 차이값에 피드백 계수를 곱한 값을 설정 압력값에 더한 새로운 압력값에 따른 제어 신호를 상기 압력 조절기에 입력하며, 측정 유량값이 설정 유량값보다 크면 압력 차이값에 피드백 계수를 곱한 값을 설정 압력값으로부터 뺀 새로운 압력값에 따른 제어 신호를 상기 압력 조절기에 입력하며, 측정 유량값이 설정 유량값과 같으면 설정 압력값에 따른 제어 신호를 상기 압력 조절기에 입력하는 단계; 및
    상기 (b) 내지 (d) 단계를 반복적으로 수행하여, 상기 미세 유체 소자에 대한 액체 공급을 정량으로 제어하는 단계;
    를 포함하는 미세 유체 제어 시스템을 이용한 미세 유체 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기체 압력과 액체 유량의 관계 데이터 모델은,
    상기 미세 유체 제어 시스템을 설정 압력 간격으로 테스트하여 압력값에 따른 유량값을 측정한 데이터를 선형화시키는 과정에 의해 선정된 것을 특징으로 하는 미세 유체 제어 시스템을 이용한 미세 유체 제어 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 압력계로부터 측정된 압력값이 설정 압력값과 차이가 있는 경우, 측정 압력값은 설정 압력값을 기준으로 오프셋(offset) 보정되어 상기 기체 압력과 액체 유량의 관계 데이터 모델에 적용된 것을 특징으로 하는 미세 유체 제어 시스템을 이용한 미세 유체 제어 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2000239003A (ja) 1999-02-19 2000-09-05 Chisso Corp 二酸化塩素水の製造方法及びその装置

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