KR20000048700A - 일체로 된, 전기적으로 작동 가능한 마이크로-밸브 - Google Patents

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해리스 제임스 엠
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Abstract

일체(一體)로 된(integrated), 전기적으로 작동 가능한(electrically operable) 마이크로-밸브(micro-valve)는, 유체의 흐름(flow)과 압력(pressure) 등을 제어하기 위하여 형성된다. 이러한 밸브에 의하여, 휘기 쉬운 벽(200)( flexible wall)에 있는 밀봉 공동(空洞)(100)(sealed cavity)을 갖춘 에너지 변환 장치(120)(energy conversion device)를 통하여, 전기 에너지를 기계적 에너지로 변환한다. 밀봉 공동(空洞)(100)유체(130)를 가열하고 냉각시키면서 확장되고 수축되는 유체(130)를 포함함으로써, 휘기 쉬운 벽(200)의 이동은 야기(惹起)된다. 벽(200)(wall)이나 막(膜)(200)(membrane) 등의 움직임은 밸브 요소(300)를 이동시키는데 이용되고, 이러한 움직임에 의하여 미리 결정된 범위에서 밸브 포트(400)(valve port)의 열림과 닫힘 등을 동적으로 제어한다.

Description

일체로 된, 전기적으로 작동 가능한 마이크로-밸브{INTEGRATED ELECTRICALLY OPERABLE MICRO-VALVE}
마이크로 기계로써 일체(一體)로 된 밸브(micromachined integrated valve)는 종래의 기술에 공지되어 있다. 이렇게 정상적으로 열린 밸브(normally open valve)의 다양한 실시예(實施例)에 대한 실례(實例)는, Mark Zdeblick 에 의한, Standford University 에게 양도된 미국 특허 등록번호 4,821,997 / 4,824,073 / 4,943,032 / 4,966,646 등에서 나타나는데, 이제부터는 "Zdeblick" 특허라고 부를 것이며, 이러한 특허의 발표는 여기서 참조로써 인용된다. 일반적으로, 이러한 밸브는 유체(fluid)로 채워진 밀봉된 공동(sealed cavity)을 형성하기 위하여 꼭대기에 있는 두 개의 타이어(tier)를 이용하는 세 개의 타이어 구조(three tier structure)를 포함하는데 ; 유체(fluid)는 낮은 비등점과 높은 확장 계수, 또는 이 둘에서 어느 하나의 특징을 가지고, 밀봉된 공동(空洞)에서 흐름이 막히고, 얇고 휘기 쉬운 막(膜)으로 형성된 공동(空洞)에 있는 하나의 벽을 가진다. 꼭대기에 있는 두 개의 타이어(tier)는 실리콘, 석영, 또는 유리 서브스트레이트, 또는 어떤 적합한 물질 등으로 이루어질 수 있다. 일반적으로, 공동(空洞)과 휘기 쉬운 막(膜) 등을 형성하는데 실리콘 마이크로 기계 기술(技術)을 이용할 목적으로, 하나 이상의 타이어나 서브스트레이트는 실리콘으로 이루어진다. "Zdeblick" 특허에 있는 밸브는, 밀봉된 공동(sealed cavity)의 내부 표면에서 형성되는 저항 요소(resistive│element)를 포함한다. 이러한 저항 요소는 결과적으로 일어나는 가열 효과를 일으키는 저항 장치를 통하여, 전기 입력에 공급되는 전류-원으로의 전기 연결을 가진다. 일반적으로, 밑바닥 타이어(bottom tier)는 밸브 시트(valve seat)와 여기에서 형성된 포트 등을 갖춘다. 이러한 방식으로, 밸브 시트를 가로지르는, 그리고 포트를 통하는 흐름을 멈출 목적으로, 유체의 흐름은 밸브 포트를 닫는 것에 의하여 막힐 수 있다. "Zdeblick" 특허에 있어서, 전류가 저항 장치를 통하여 지나갈 때, 아래쪽 몸체로 형성되는 밸브 시트(valve seat)와 접촉시키는데 충분하게 휘기 쉬운 막(膜)이 구부러짐을 일으키면서, 흐름이 막힌 유체는 가열된다. 그러므로, 유체의 흐름은 포트를 통하여 입력 채널과 출력 채널 사이에서 절단된다.
정상적으로 열린 밸브(normally open valve)는 어떤 응용에서 적합하지만, 다른 응용에 있어서, 정상적으로 닫힌 밸브(normally closed valve)가 필요한데, 즉, 정상적으로 닫힌 밸브(normally closed valve)라는 것은, 입력 채널에서 출력 채널까지의 흐름은 에너지가 인가(認可)하지 않은 상태(de-energized state)에서 일어나지 않는 것을 특징으로 하는 밸브(valve)를 나타낸다. 이러한 정상적으로 닫힌 밸브(normally closed valve)의 실례(實例)로는 (캘리포니아의 Menlo Park 에 있는 Redwood Microsystems, Inc 에서 상표로써) Redwood Microsystems, Inc 에 의하여 제조되는 FluistorTMMicrovalve(NC-105)가 있을 수 있다. 도 1 에 관하여, 에너지가 인가(認可)하지 않은 상태(de-energized state)에서 이러한 밸브의 단순 그림을 나타낸다. FluistorTM밸브에 있어서, 휘기 쉬운 막(膜)(20)(flexible membrane)은 또한 중간 서브스트레이트(14)(middle substrate)와 위쪽 레이어(16)(upper layer), 또는 위쪽 서브스트레이트(16)(upper substrate) 등의 사이에서 형성된 공동(空洞)(26)(cavity)의 벽으로써 이용된다. 공동(空洞)(26) 내(內)에서 밀봉된 ("구불구불한(squiggly)" 라인으로써 대표되는) 유체(28)(fluid)를 가열하기 위하여 공급하는 공동(空洞)(26)에서 형성된 저항 장치(30)(resistive element)나 가열기(30)(heater)를 공동(空洞)(26)은 갖춘다. 유체(28)가 가열될 때, 휘기 쉬운 막(20)(flexible membrane)이 구부러지거나 이동되면서 유체(28)가 확장되도록, 유체(28)를 선택한다. 이러한 움직임은 아래쪽 레이어(12)(lower layer)나 아래쪽 서브스트레이트(12)(lower substrate)에 기계적인 커플링(22)(coupling)나 축받이(22)(pedestal)에 결합된다. FluistorTMNC-105 에서와 같이, 아래쪽 서브스트레이트(12)를 고정할 때, 축받이(22)의 배치와 결합되는 휘기 쉬운 막(膜)(20)의 움직임에 의하여 중간 서브스트레이트(14)와 위쪽 서브스트레이트(16) 등이 아래쪽 서브스트레이트(12)에서 멀리 떨어져서 움직인다는 결과를 일으킨다. 그러므로, 아래쪽 서브스트레이트(12)는 중간 서브스트레이트(14)에서 분리되고, 아래쪽 서브스트레이트(12)를 통하여 형성된 방출 포트(44)(outlet port)는 밸브 시트 영역(40)(valve seat)에서 막혀있지 않거나 열려 있다. 이러한 방식에 있어서, 방출 포트(44)(outlet port)는 입구 포트(42)(inlet port)와 유체의 흐름이 교환되면서 개방되어 있고 배치되어 있다.
FluistorTMvalve 는 부식성이 있는 유체의 흐름과, (헬륨을 이용하면서 측정을 하는 cubic centimeter-Atmospheres per second) 헬륨에 의한 약 1 x 10-4cc-Atm/sec 만큼의 누출 속도, 또는 어느 하나의 특징을 가지는 흐름을 제어하는데 적합하다. 하지만, 헬륨에 의한 1 x 10-6cc-Atm/sec 만큼의 누출 속도나 그 이하를 필요로 하는 응용과, 부식성이 있는 유체, 또는 어느 하나의 경우를 제어하는데 필요하게 설계된 것은 아니다. 추가로, "Zdeblick" 특허의 밸브에서와 같이, FluistorTMvalve 는 직접적으로 포트(44)(port)를 밀봉하는데 휘기 쉬운 막(膜)(20)의 물질이나 이러한 물질에 근접한 물질을 이용한다. 이러한 막(膜)(20)의 직접적인 이용은 밸브(50)에 대한 가능한 설계를 제한한다.
따라서, 일체(一體)로 된(integrated) 마이크로-밸브(micro-valve)에 대한 필요가 존재하는데, 이러한 마이크로-밸브는 부식성이 있는 유체를 제어하는데 이용될 수 있다. 헬륨에 의한 1 x 10-6cc-Atm/sec 만큼의 누출 속도나 그 이하를 이룩할 수 있는 일체(一體)로 된(integrated) 마이크로-밸브(micro-valve)에 대한 필요가 또한 존재한다. 헬륨에 의한 1 x 10-6cc-Atm/sec 만큼의 누출 속도나 그 이하를 이룩하면서, 부식성이 있는 유체를 제어할 수 있는 추가로, 일체(一體)로 된(integrated) 마이크로-밸브(micro-valve)에 대한 필요가 존재한다. 마지막으로, 밸브 포트를 위하여 실질적으로 직접적인 밀봉 장치(sealing device)로써 휘기 쉬운 막(膜)을 이용하지 않으면서, 위에서 기술(記述)된 필요에 대하여 공급하는 정상적으로 열린 밸브(normally open valve)와 정상적으로 닫힌 밸브(normally closed valve)에 대한 필요가 존재하는데 ; 이러한 방식으로, 마이크로-밸브에 대한 잠재적인 응용에 대한 설계 선택과 설계 범위 등을 향상시킨다.
본 발명은 일체(一體)로 된(integrated), 전기적으로 작동 가능한( electrically operable) 마이크로-밸브(micro-valve)의 분야에 관한 것이고, 보다 더 상세하게, 산업적으로 이용 가능한, 부식성이 있는, 그리고 초청정(超淸淨) 응용을 위하여 낮은 누출 속도를 가지는 일체(一體)로 된 마이크로-밸브(micro-valve)의 분야에 관한 것이다.
부속된 도면에 의하여 본 발명을 보다 더 잘 이해할 수 있고, 본 발명의 셀 수 없이 많은 목적, 특징, 및 이점 등은 부속된 도면에 의하여 당해 기술 종사 업자에게 분명해진다. 본 발명을 쉽게 이해하기 위하여, 그리고 본 발명에 보다 더 간단하게 접근하기 위하여, 실시예(實施例) 내(內)의 요소(element)에 대하여 공통으로 번호를 붙이는 것을 이용하는데, 여기서 요소(element)는 실시예(實施例) 사이에서 실질적으로 같다.
도 1 은, 공지 기술로써, FluistorTMMicrovalve 에 대한 단순 단면도를 나타낸다 ;
도 2 는, 본 발명에 따라서, 일체(一體)로 된(integrated), 정상적으로 닫혀진(normally closed), 전기적으로 작동 가능한(electrically operable) 밸브(valve)에 대한 실시예(實施例)의 단순 단면도를 나타낸다 ;
도 2A 는, 도 2 에서 그려진 밸브(valve)의 부분에 대한 확대 그림을 나타낸다 ;
도 3 는, 본 발명에 따라서, 변이(變異)로써 나타난 공동(空洞)(cavity)과 가열기(heater) 구성의 단면도를 나타낸다 ;
도 4 는, 본 발명에 따라서, 또 하나의 변이(變異)로써 나타난 공동(空洞)(cavity)과 가열기(heater) 구성의 단면도를 나타낸다 ;
도 5A 는, 본 발명에 따라서, 변이(變異)로써 나타난 가열기(heater) 구성의 부분에 대한 평면도를 나타낸다 ;
도 5B 는, 본 발명에 따라서, 도 5A 에 있는 가열기 구성을 이용하는, 또 하나의 변이(變異)로써 나타난 공동(空洞)(cavity)과 가열기(heater) 구성의 단면도를 나타낸다 ;
도 6 는, 도 2 의 실시예(實施例)에 대한 평면도를 나타낸다 ;
도 7 은, 본 발명에 따라서, 밸브 요소(valve element)의 또 하나의 실시예(實施例)에 대한 그림을 나타낸다 ;
도 8A 와 도 8B 등은, 본 발명에 따라서, 변이(變異)로써 나타난 중간 포트(intermediary port) 구성의 단면도를 나타낸다 ;
돌 9 은, 본 발명에 따라서, 또 하나의 변이(變異)로써 나타난 중간 포트(intermediary port) 구성의 단면도를 나타낸다 ;
도 10 은, 본 발명에 따라서, 또 하나의 변이(變異)로써 나타난 중간 포트(intermediary port) 구성의 단면도를 나타낸다 ; 그리고
도 11 은, 선택적으로 힘(力)을 공급하는 장치(optional force providing device)가 있는 본 발명에 따라서, 정상적으로 닫힌 밸브(normally closed valve)에 대한 실시예(實施例)의 단면도를 나타낸다.
*참조 번호 설명
50 : 밸브(valve)
12 : 아래쪽 레이어(lower layer, 또는 lower die)
14 : 중간 레이어(middle layer, 또는 middle die)
16 : 위쪽 레이어(upper layer, 또는 upper die)
100 : 밀봉 공동(空洞)(sealed cavity)
120 : 저항이 있는 가열 요소(resistive heating element)
130 : 작용 유체(working fluid)
200 : 휘기 쉬운 막(膜)(flexible membrane)
300 : 밸브 요소(valve element)
400 : 중간 포트(intermediary port), 또는 밸브 포트(valve port)
510 : 방출 포트(outlet port)
520 : 입구 포트(inlet port)
초소형 밸브로써 공통적으로 또한 기술(記述)되는, 일체(一體)로 된(integrated) 마이크로-밸브(micro-valve)는 밸브 요소를 이동시키는 발동기(actuator)를 갖춘 얇고 휘기 쉬운 막(膜)(thin flexible membrane)을 이용한다. 얇은 막(膜)(thin membrane)은 에너지 변환 블록으로의 에너지 입력에 응답하여 이동된다. 그러므로, 어떤 실시예(實施例)에 있어서, 에너지 변환 유닛(energy conversion unit)으로의 전기 에너지는 저항이 있는 가열기로의 입력이고 ; 가열기에 의하여 생성되는 열(熱) 에너지에 의하여, 밀봉 공동(空洞)에서 흐름이 막힌 유체가 확장되고 ; 확장이 일어난 유체는 휘기 쉬운 벽(wall)이나 막(膜)(membrane)을 편향시킨다. 어떤 실시예(實施例)에 있어서, 에너지 변환 유닛은 가열에 덧붙여서 냉각을 공급한다.
휘기 쉬운 막(膜)은 발동기(actuator)를 통하여 밸브 요소(valve element)에 결합되고, 하나 이상의 포트에 근접하게 위치된다. 그러므로, 막(膜)의 움직임에 의하여, 밸브 요소는 이동하고, 밸브 요소는 각각의 포트를 열거나 닫는다. 각각의 포트는 밸브를 위한 입력 채널과 출력 채널 등으로써 이용되는 통로에 유체 역학에 의하여 결합되고, 각각의 포트는 밸브 시트를 포함한다. 어떤 실시예(實施例)에 있어서, 밸브 시트는 밸브 요소의 부분으로써 형성되고, 다른 실시예(實施例)에 있어서, 밸브 시트는 밸브 포트의 부분으로써 형성된다. 어떤 실시예(實施例)에 있어서, 밸브 시트(valve seat)는 튼튼한 밀봉을 공급하도록 컴플라이언스를 갖춘 밀봉 표면(compliant sealing surface)을 가진다. 어떤 실시예(實施例)에 있어서, 리지(ridge)는 컴플라이언스를 갖춘 밀봉 표면(compliant sealing surface)에 맞대는 표면에서 형성됨으로써, 포트를 닫을 때 컴플라이언스를 갖춘 밀봉 표면을 압축하도록 상대적으로 좁은 테두리를 공급한다. 이런 방식으로, 컴플라이언스를 갖춘 밀봉 표면을 가지는 실시예(實施例)는 상기에서의 표면이 없는 실시예(實施例)보다 더 낮은 누출 속도를 가진다. 어떤 실시예(實施例)에 있어서, 힘(力)을 적용하는 장치(force applying devide)를 위한 스프링이나 다른 장치는 밸브 요소에 힘(力)을 인가(認可)하는데 이용된다. 본 발명의 어떤 실시예(實施例)에 있어서 밸브는 정상적으로 닫힌 밸브(normally closed valve)로써 구성되고 ; 본 발명의 다른 실시예(實施例)에 있어서, 밸브는 정상적으로 닫힌 밸브(normally open valve)로써 구성된다. 본 발명의 어떤 실시예(實施例)에 있어서, 밸브에 의하여 제어되는 유체 물질에 접촉하는 표면은 화학 작용을 일으키지 않는 물질로써 코팅(coating)된다. 이러한 방식으로, 부식성이 있는 유체와 초청정(超淸淨) 유체, 또는 어느 하나의 처리 속도를 제어하는 밸브를 제조한다.
본 발명의 어떤 실시예(實施例)에 있어서, 감지 장치(sensing device)는 밸브에 일체(一體)된다. 어떤 실시예(實施例)에 있어서 이러한 감지 장치는 흐름 센서이면서, 다른 실시예(實施例)에 있어서 감자 장치는 압력 센서이다. 그러므로, 본 발명의 덧붙여지는 실시예(實施例)를 따르는 밸브가 에너지 변환 블록의 에너지 입력 원으로의 동적 피드백(dynamic feedback)을 공급하는 일체(一體)로 된(integrated) 감지 장치(sensing devide)를 가질 때, 이러한 밸브는 동적으로 흐름 속도와 흐름 압력을 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예(實施例)는 위에 있는 그림에 관하여 기술(記述)될 것이다. 본 발명의 실시예(實施例)만을 쉽게 이해하는데 이러한 그림을 간단하게 한다. 이러한 실시예(實施例)를 기술(記述)할 때, 특별한 방법의 다양한 변경이나 적용, 또는 본 발명의 실시예(實施例)를 대표하는 구조 등은 당해 기술 종사 업자에게 분명해질 것이다. 본 발명의 가르침에 의존하는, 그리고 본 발명의 가르침은 기술(技術)에서 앞서 있음을 나타내는 모든 변경, 적용, 및 변이 등은, 본 발명의 사상(思想)과 범위 내(內)에서 고려된다. 예를 들면, 본 발명의 어떤 실시예(實施例)에 있어서, 단일 밸브 포트(single valve port)를 갖춘 밸브는 이용되는데, 반면(反面)에 다른 실시예(實施例)에 있어서, 다수의 밸브 포트(multiple valve port)는 이용될 수 있다.
일체(一體)로 된 밸브 구조(integrated valve structure)를 갖춘 실시예(實施例)의 부분을 제조하는데 이용될 수 있는 처리(process)에 대한 상세한 설명은 당해 기술 종사 업자에게 일반적으로 공지되어 있다. 추가로, 여기에서 인용으로 앞에서 참조되었던, "Zdeblick" 특허 (미국 특허 등록번호 4,821,997 / 4,824,073 / 4,943,032 / 4,966,646) 등은 처리(process)에 대한 기술(記述)을 공급한다. 그러므로, 쉽게 분명해지지 않을 것이라고 믿어졌던 어떤 처리에 대한 상세한 설명을, 여기에서 기술(記述)한다.
도 2 에 있어서, 본 발명에 따라서 제조되는 일체(一體)로 된(integrated), 정상적으로 닫혀진(normally closed), 전기적으로 작동 가능한(electrically operable) 밸브(50)(valve)에 대한 실시예(實施例)의 단순 단면도를 나타낸다. 도 1 의 FluistorTM밸브에 대하여 기술(記述)된 것처럼, 밸브(50)(valve)는 위쪽 레이어(16)(upper layer, 또는 upper die), 중간 레이어(14)(middle layer, 또는 middle die), 아래쪽 레이어(12)(lower layer, 또는 lower die) 등을 각각 이용하면서 형성된다. 실질적으로 평평한 위쪽 레이어(16)(flat upper layer)는 밀봉 공동(空洞)(100)(sealed cavity)의 하나의 벽을 형성하는데 이용된다. 저항이 있는 가열 요소(120)(resistive heating element)는 위쪽 레이어(16)에 고정되고, 공동(空洞)(100) 내(內)에서 위치된다. 중간 레이어(14) 부분에 있는 휘기 쉬운 막(膜)(200)(flexible membrane)을 형성하는 것에 의하여, 공동(空洞)(100)의 또 하나의 벽은 제조된다. (구불구불한 라인에 의하여 대표되는) 작용 유체(130)( working fluid)로 밀봉 공동(空洞)(100)은 채워지는데 ; 여기서, 일반적으로 작용 유체(130)는 가열될 때 확장되는, 그리고 냉각될 때 축소되는 플루오르화 탄소(fluorocarbon)와 같은 유전체 물질이다. 그러므로, 가열 요소(120)(heating element)와 가열되는 작용 유체(130)(working fluid) 등에 전기 에너지가 공급될 때, 유체(130)는 확장되고, 이러한 유체(130)에 의하여 휘기 쉬운 막(膜)(200)은 바깥쪽으로 구부러지거나 편향한다.
공동(空洞)(100)의 벽을 형성하는 것에 추가하여, 휘기 쉬운 막(膜)(200)은 밸브 요소(300)(valve element)나 밸브 멤버(300)(valve member)에 근접하게 위치된다. 휘기 쉬운 막(膜)(200)은 기계적으로 커플링 포인트(點)(310)(coupling point)에서 축받이(210)(pedestal)를 통하여 밸브 멤버(300)(valve member)에 결합된다. 휘기 쉬운 막(膜)(200)의 움직임을 밸브 멤버(300)로 이동시키는데, 휘기 쉬운 막(膜)(200)을 밸브 멤버(300)로의 상기 결합을 공급하는 것은 이점(利點)이 있다.
중간 포트(400)(intermediary port)나 밸브 포트(400)(valve port)는, 휘기 쉬운 막(膜)(200)의 밸브-엔드 부분(220)과 중간 레이어(14)의 벨브 포트 부분(230) 등에서 형성된다. 부분(220)과 부분(230) 등은 밸브 포트(400)의 크기와 모양 등을 형성할 뿐 아니라, 도 2A 에서 나타난 것처럼, 도 2 에 있는 밸브 포트(400), 휘기 쉬운 막(膜)(200), 및 밸브 요소(300) 등의 확대 그림에서 표시된 것처럼, 밸브 포트(400)에 대하여 주변 밀봉 영역(450)(peripheral seal area)을 공급한다. 밸브 포트(400)의 어떤 실시예(實施例)는 밸브 요소(300) 내(內)에서 형성된 밸브 시트 영역(410)(valve seat region)을 갖춘다. 다른 실시예(實施例)에 있어서, 밸브 시트 영역(보이지 않음)은 주변 밀봉 영역(450)(peripheral seal area)에서 형성된다. 도 2 와 도 2A 등의 실시예(實施例)에 있어서, 밸브(50)에 에너지를 인가(認可)하지 않을 때, 주변 밀봉 영역(450)과 밸브 요소(300) 등은 깊숙하게 접촉하고 있는데 ; 그러므로, 밸브 포트(400)는 닫혀 있거나 앉아 있는 것이다. 밸브(50)의 이러한 모습은 정상적으로 닫힌 밸브(normally closed valve)를 의미한다. 다른 실시예(實施例)에 있어서, 밸브(50)에 에너지를 인가(認可)하지 않을 때, 주변 밀봉 영역(450)과 밸브 요소(300) 등은 일정한 사이를 두고 떨어지는데(보이지 않음) ; 그러므로 밸브 포트(400)는 열린다. 밸브의 이러한 모습은 정상적으로 열린 밸브(normally open valve)를 의미한다.
방출 포트(510)(outlet port)와 입구 포트(520)(inlet port) 등은 아래쪽 레이어(12)에서 형성된다. 유체 역학의 입장에서, 방출 포트(510)는 방출 채널(240)을 통하여 밸브 포트(400)에 결합된다. 유체 역학의 입장에서, 입구 포트(520)는 입구 채널(540, 250)을 통하여 포트(400)에 결합된다. 그러므로, 밸브 포드(400)가 닫히면서, 입구 포트(520)는 방출 포트(510)에서 분리된다. 하지만, 유체(130)를 가열할 때, 유체(130)는 휘기 쉬운 막(膜)(200)을 확장시키고, 편향시키고, 이동시킨다. 이러한 움직임에 의하여, 휘기 쉬운 막(膜)(200)은 밸브 요소(300)의 위에 축받이(210)를 통하여 얹히고, 밸브 요소(300)는 회전하고 밸브 시트 영역(410)에서 멀리 움직인다. 그러므로, 밸브 포트(400)를 연다. 이러한 방식으로, 채널(240, 250, 540) 등을 통하여, 방출 포트(510)는 입구 포트(520)와의 유체 움직임을 일으킨다.
밸브(50)(valve)의 다양한 부분을 기술(記述)하였는데, 이러한 부분은 몇몇의 분리된 기능 블록(functional block)으로 구성될 수 있다. 그러므로, 작용 유체(130)를 가열시키는 것에 의하여, 그리고 휘기 쉬운 막(膜)(200)을 편향시키는 것에 의하여, 에너지 변환 블록(energy conversion block)은 전기 에너지를 기계 에너지로 변환한다. 중간 밸브 블록(intermediary valve block)은 발동기(actuator)를 통하여 이러한 기계 에너지에 결합됨으로써, 밸브 포트를 여는데, 그리고 밸브 포트를 닫는데, 또는 어느 하나의 동작을 야기(惹起)시키는데 이용되는 움직임을 일으킨다. 마지막으로, 유체를 교통시키고 인도하는 블록(fluid communication and guiding block)은 구조 내(內)에서 유체 교통을 공급하는데 중간 포트(intermediary port)에 결합된다. 도 2 에서 나타난 것처럼, 이러한 기능 블록은 하나나 몇몇의 레이어(12, 14, 16) 등에서 제조될 수 있다. 그러므로, 도 2 에서 나타난 실시예(實施例)는, 위쪽 레이어(16)의 부분과 중간 레이어(14)의 부분 등을 포함하는 에너지 변환 블록(energy conversion block)을 갖춘다. 비슷한 방식으로, 유체에 의한 교통 블록(fluid communication block)은 모든 세 개의 레이어의 부분을 포함한다.
도 2 에 관하여, 휘기 쉬운 막(膜)(200)은 휘는데 충분하게 얇고, 동시에 적합한 강도를 갖추는데 충분하게 두꺼움으로써, 밸브(50)의 작동 중(中)에 정상적으로 만날 수 있는 힘(力)에서 깨지지 않는다. 추가로, 휘기 쉬운 막(膜)(200)은 밀봉 공동(空洞)(100) 부분과 동시에 채널(250) 부분 등을 형성한다. 그러므로, 휘기 쉬운 막(膜)(200)은 작용 유체(130)(working material)와 밸브(50)가 제어하는 어떤 유체 물질(fluid material) 등에 동시에 접촉할 수 있다. 제어가 되는 유체 물질에 접촉하는 휘기 쉬운 막(膜)(200)의 이러한 부분은, 공통적으로 "젖은 표면(wetted surface)"을 의미한다. 도 2 에 있는 실시예(實施例)에 있어서, 휘기 쉬운 막(膜)(200)은 중간 레이어(14)에서 형성되고, 레이어(14)의 다양한 다른 부분은 레이어(12, 14) 등에 대하여 동시에 결합되는 것을 알 수 있다. 그러므로, 레이어(14)에서 이용되는 물질에 대한 선택은, 다른 물질 중(中)에서 레이어(12, 16) 등을 위하여 선택되는 물질에 레이어(14)의 결합뿐 아니라, 휘기 쉬운 막(膜)(200)의 강도, 휘어짐, 및 적합성 등에 대한 요구 사항을 고려할 수 있다. 본 발명의 어떤 실시예(實施例)에 있어서, 다른 적합한 물질이 선택될 수 있지만, 레이어(14)를 위하여 실리콘 물질을 선택하는 것이 이점(利點)이 있다고 한다.
일반적으로, 밸브 요소(300)(valve element)는 레이어(14, 16)에서 만들어지는, 그리고 밸브 포트(400)에 근접하게 축받이(210)에 설치되고, 기계적으로 결합되는 밸브 부분의 제조에서 분리되면서 제조된다. 레이어(14)에 대하여 기술(記述)된 것처럼, 밸브 요소(300)는 "젖은 표면"을 가지고, 밸브 포트(400)를 닫는데 충분한 강도를 필요로 한다. 덧붙여서, 본 발명의 어떤 실시예(實施例)에 있어서, 밸브 멤버(300)는 또한 휘기 쉬운 막(膜)(200)에 의하여 일어나는 움직임에 역행하는 복원력(restoring force)의 일부 또는 대부분을 공급한다. 그러므로, 나타난 것처럼, 밸브 요소(300)의 물질은 이러한 복원력을 공급할 수 있다. 밸브 요소(300)의 형(型)은 도 2 에 있는 것과 같은 실질적인 평면에서 다양할 수 있다고 알려졌지만, 레이어(14)와 적합성을 위하여, 그리고 실리콘 마이크로 기계 기술(技術)의 이용을 위하여, 실리콘 물질에서 밸브 요소(300)를 형성하는 것은 이점(利點)이 있다고 알려져 있다.
도 2 에 있는 실시예(實施例)에 있어서, 아래쪽 레이어(12)는 방출 포트(510), 입구 포트(520), 및 채널(540) 등에서 일부 또는 모두를 형성하는데 이용된다. 그러므로, 레이어(14)에 대하여 기술(記述)된 것처럼, 레이어(12)는 "젖은 표면"을 가지고, 레이어(12)의 물질은 유체 물질 밸브(50)(fluidic material valve)의 제어와 양립성이 있다. 또한, 레이어(12)는 이용될 수 있는 시스템에 밸브(50)를 결합시키기 위한, 그리고 밸브(50)의 다른 부분을 위한 설치 구조(mounting structure)로써 이용된다. 그러므로, 레이어(12)는 이러한 설치 기능(mounting function)에 대하여 충분하게 강(强)해야 하고, 견디어내야만 한다. 덧붙여서, 본 발명의 이러한 실시예(實施例)에 있어서, 보조로써 이용되는 힘(力)을 공급하는 장치(보이지 않음)(auxiliary force-providing device)는 밸브 요소(300)에 힘(力)을 적용시키는데 이용된다. 이러한 힘(力)을 공급하는 장치(force-providing device)를 이용할 때, 이러한 장치는 때때로 레이어(12)를 이용하면서 설치된다. 실리콘 물질은 레이어(12)를 위하여 필요로 하는 특징을 공급하는 이점(利點)이 있다고 알려졌지만, 다른 적합한 물질은 또한 선택될 수 있다. 예를 들면, 어떤 실시예(實施例)에 있어서 알루미나(alumina)와 같은 다양한 세라믹 물질을 이용하고, 다른 실시예(實施例)에 있어서 붕규산 유리 물질(borosilicate glass material)이나 석영 물질(quartz material) 등을 이용한다.
도 2 의 실시예(實施例)에 있어서, 위쪽 레이어(16)는 가열 요소(120)(heating element)를 보조하고 위치시키는데, 그리고 밀봉 공동(空洞)(100)을 형성하는데 이용된다. 덧붙여서, 그러므로, 어떤 "젖은 표면(wetted surface)" 을 가지는 채널(240)을 형성하는데 위쪽 레이어(16)는 이용된다. 가열 요소(120)가 단지 작용 유체(130)만을 가열할 수 있을 때, 유체(130)의 냉각은 중요한 부분에서 레이어(16)와의 접촉을 통하여 이루어진다는 것을 이해할 것이다. 그러므로, 본 발명의 어떤 실시예(實施例)에 있어서, 좋은 열(熱) 전도도를 가지는 물질은 레이어(16)에 대하여 선택된다. 하지만, 가열 요소(120)가 전기 저항 요소를 의미할 때, 가열 요소(120)의 전기 단락을 막을 목적으로, 레이어(16)의 물질은 일반적으로 유전 물질이다. 어떤 실시예(實施例)에 있어서, 작용 물질(130)은 원격 소스에 의하여 공급되는 방사(放射) 에너지를 이용하면서 가열된다. 어떤 실시예(實施例)에 있어서, 방사(放射) 에너지에 대하여 투과되는 물질은 레이어(16)를 위하여 선택된다. 그러므로, 레이어(16)는 석영(quartz), 붕규산 유리(borosilicate glass), 세라믹(ceramic), 사파이어(sapphire), 실리콘(silicon), 및 플라스틱(plastic) 등을 포함하는, 물론 여기에 제한되지 않지만, 다양한 물질을 포함할 수 있다. 그러므로, 본 발명의 실시예(實施例)는 밸브 요소(300), 그리고 레이어(12, 14, 16) 각각을 위하여 선택될 수 있는 다양한 물질을 포함한다는 사실, 그리고 밸브 요소(300)나 특별한 레이어 등을 위한 특별한 물질의 선택은 여기에서 논의되는 다수의 인자(因子)를 고려하는 설계 선택이라는 사실 등은 이해될 수 있다. 모든 이러한 설계 선택은 본 발명의 범위 내(內)에 있다는 사실은 덧붙여서 이해될 것이다.
앞에서 기술(記述)된 것처럼, 휘기 쉬운 막(膜)(200)은 휘어지는 성질과 강도 등을 동시에 가진다. 하지만, 특별한 막(膜)(200)의 휘어짐과 강도 등에서 최적의 균형은, 각각의 특별한 응용에 대하여 다양할 수 있다. 그러므로, 본 발명의 어떤 실시예(實施例)에 있어서, 휘어지는 성질은 주(主) 관심 대상인데, 본 발명의 다른 실시예(實施例)에 있어서, 강도는 휘어지는 성질보다 보다 더 중요할 수 있다. 레이어(14)를 위하여 선택되는 물질은 막(膜)(200)의 강도와 휘어짐에 있어서 중요한 인자(因子)면서, 또한, 이러한 두 개의 특징의 균형은 휘기 쉬운 막(膜)( 200)의 두께와 모양을 변화시키는 것에 의하여 또한 이루어진다. 그러므로, 중간 레이어(14)가 [100] 실리콘일 때, 막(膜)(200)의 일반적인 두께는 약 50 ㎛ (microns)이다. 하지만, 막(膜)(200)은 더 두꺼워질 수 있거나 더 얇아질 수 있고, 약 10 내지 100 ㎛ 의 두께 범위가 이점(利點)이 있다는 사실은 알려져 있다. 덧붙여서, 막(膜)(200)의 모양이나 단면적 윤곽을 다양하게 하는 것에 의하여, 막(膜)(200)에 대한 휘어짐과 강도 사이의 균형에 영향을 미칠 수 있다는 사실은 알려져 있다. 그러므로, 본 발명의 어떤 실시예(實施例)는 실질적으로 일정한 두께를 가지고 있는 휘기 쉬운 막(膜)(200)을 가지면서, 본 발명의 다른 실시예(實施例)에 있어서, 휘기 쉬운 막(膜)(200)은 일정한 두께를 아니 가질 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 어떤 실시예(實施例)에 있어서, 막(膜)(200)은 두께가 다양해지는 단계로 이루어진 단면적 윤곽을 가진다. 본 발명의 다른 실시예(實施例)에 있어서, 막(膜)(200)은 두께에 있어서 점진적으로 증가되면서 형성되는데, 테두리에서 중앙으로 감소한다. 그러므로, 밸브(50)의 특별한 응용을 위하여 휘어짐과 강도 사이의 올바른 균형을 공급하도록, 특별한 응용의 요구 사양을 만족시키도록 설계되는 어떤 단면적 윤곽은 이용될 수 있다.
도 2 에서 나타난 것처럼, 밸브(50)를 형성하는 몇몇의 구조를 위한 제조에 대한 다양한 방법은 공지되어 있다. 하지만, 방법이 본 발명의 범위에서 벗어나기 때문에, 방법에 대한 실례(實例)만을 발표한다. 그러므로, 예를 들면, 참조로써 인용되는 "Zdeblick" 특허에서 기술(記述)된 제조 방법은 밸브(50)의 구조를 형성하는데 이용될 수 있다. 덧붙여서, EDM(electro-discharging machining), 전기 화학 에칭(electrochemical etching), 샌드 블래스팅(sand blasting), 주조(mold), 코이닝(coining), LIGA, 그리고 다이아몬드 기계 가공(diamond machining) 등과 같은 제조에 대한 다른 방법이 또한 이용될 수 있다. 본 발명의 장점에 대한 실현은 이용되는 제조 방법에 의존하지 않는다. 그러므로, "Zdeblick" 특허에서 기술(記述)되는, 또는 위에서 기술(記述)된 방법 중(中)에서 하나, 또는 모두는, 여기에서 기술(記述)된 구조를 형성하는데 이용될 수 있다.
계속해서 도 2 에 관하여, 공동(空洞)(100)은 작용 유체(130)로 채워진 것처럼 보인다. 작용 유체(130)를 선택하는하나의 판단 기준은 확장 계수에 있다. 그러므로, 작용 유체(130)가 큰 계수를 가질 때, 어떤 예정된 작동 온도에서 막(膜)(200)에서 보다 큰 움직임을 야기(惹起)시킨다. 앞에서 기술(記述)된 것처럼, 유체(130)는 공동(空洞)(100) 물질과 화학 작용을 일으키지 않는다. 유체(130)와 공동(空洞)(100) 물질 등에서 서로에 대하여 화학 작용을 일으키지 않는 물질은, 서로에 대하여 실질적인 화학 작용이 없으면서 형성된다. 덧붙여서, 어떤 실시예(實施例)에 있어서 유체(130)의 어떤 부분은 증기(蒸氣)지만, 유체(130)에서 선택되는 물질은 일반적으로 어떤 밸브(50)에 대하여 예정되는 온도의 범위에서 액체는 유지되어야만 한다. 다양한 종류의 물질은 이러한 요구 사양을 충족시킨다고 알려졌는데 ; 그러므로, 물, 에탄올, 다른 알코올, 그리고 플루오르화 탄소(fluorocarbon) 계열의 많은 멤버, 예를 들면, 어떤 실시예(實施例)에서 상표명으로 Fluorinert?? 등이 작용 유체(130)(working fluid)를 위하여 이용된다.
도 2 에서는 나타나 있지 않지만, 공동(空洞)(100)은 일반적으로 삽입 구멍(fill orifice)을 통하여 채워지는데, 이러한 삽입 구멍(fill orifice)은 구멍 밀봉 요소(orifice seal element)에서 결과적으로 밀봉된다. 어떤 실시예(實施例)에 있어서, 공동(空洞)(100)은 그 작동 중(中)에 밸브(50)에 의하여 경험을 통하여 얻어지는 가장 높은 주위 온도에서 유체(130)로 채워지고 밀봉된다. 다른 실시예(實施例)에 있어서, 공동(空洞)(100)은 그 작동 중(中)에 밸브(50)에 의하여 경험을 통하여 얻어지는 가장 높은 압력에서 유체(130)로 채워지고 밀봉된다. 그리고, 어떤 실시예(實施例)에 있어서, 특별한 온도와 특별한 압력 등의 결합은 이용된다. 이러한 방식으로, 휘기 쉬운 막(膜)(200)을 위한 최대 이동은 얻어진다.
어떤 실시예(實施例)에 있어서, 밸브(50)는 초청정(超淸淨) 처리, 예를 들면, 반도체 또는 제약 산업 등에서 제조된다. 위에서 기술(記述)된 것처럼, 도 2 에서 나타난 실시예(實施例)에 있어서, 밸브 요소(300), 위쪽 레이어(16), 중간 레이어(14), 및 밑바닥 레이어(12) 등의 부분은 "젖은 표면(wetted surface)" 을 가지는데, 이러한 표면은 밸브(50)에 의하여 제어되는 유체 물질과 접촉한다. 이러한 초청정(超淸淨) 처리와의 적합성을 확실하게 할 목적으로, 특별한 처리와 양립성을 갖춘 하나 이상의 물질로 만들어지거나 코팅되는 "젖은 표면(wetted surface)"을 가지는 밸브(50)의 특별한 실시예를 제조하는 것이 이점(利點)이 있다. 그러므로, 제약 처리에서 응용을 위하여, Teflon?? 물질로 코팅되는 "젖은 표면(wetted surface)" 은 적합하다. 어떤 반도체 산업 응용은 이런 Teflon?? 으로 코팅된 표면을 이용할 수 있지만, Teflon?? 에 적합하지 않은 환경에 견디도록, 크롬(chromium), 탄화 규소(silicon carbide), 질화 규소(silicon nitride), 산화 규소(silicon oxide), 또는 탄소와 같은 다이아몬드(diamond) 등으로 코팅(coating)된 "젖은 표면(wetted surface)"으로 밸브(50)는 또한 제조될 수 있다. 그러므로, 서로에 대하여 구조적으로 비슷한 밸브의 계열은, 특별한 응용에 대하여 특별하게 적합한 서로 다른 물질로써 코팅(coating)된 "젖은 표면(wetted surface)"으로 제조될 수 있다. 덧붙여서, 밸브(50)가 하나 이상의 레이어 또는 다이 등에서 제조될 때, "젖은 표면(wetted surface)"을 위한 물질의 선택은, 레이어가 서로에 대하여 결합되는데 이용되는 결합 처리(bonding process) 중(中)에서 어떤 처리에 적합해야만 한다. 예를 들면, 실리콘 레이어(14)를 크롬 배리어 레이어(보이지 않음)로 코팅(coating)된 "젖은 표면(wetted surface)" 을 가지는 붕규산 레이어(16)(borosilicate layer)에 결합하는데 양극 결합 처리(anodic bonding process)가 선택된다면, 결합 효과 커플링을 얻기 위하여 크롬은 레이어(16)의 결합 표면에서 제거되어야만 한다. 하지만, 저(低) 이온 함유 에폭시, 가용 유리, 및 유사한 물질을 이용하는 것과 같은 다른 결합 처리는 또한 이용될 수 있다.
선택된 특별한 결합 처리에 적합할 수 있는, 공통적으로 이용되는 저항이 있는 물질 중(中)에서 하나의 물질을 이용하면서 저항이 있는 가열기(120)(resistive heater)는 형성될 수 있다. 예를 들면, 붕규산 유리로 된 위쪽 레이어나 다이(16)를 실리콘 중간 다이(14)에 결합하는데 양극 처리(anodic process)가 이용될 때, 저항 요소를 형성하는 백금으로 된 결과적으로 생긴 레이어에 대하여 다이(16)의 접착을 공급하도록, 티타늄의 제 1 레이어를 이용하여 가열기 요소(120)를 형성하는 것은 바람직하다고 알려져 있다. 저항 요소의 다른 형(型)은 또한 이용될 수 있다. 그러므로, 어떤 실시예(實施例)에 있어서, 양(陽) 온도 계수(PTC, Positive Temperature Coefficient)를 갖춘 저항이 있는 물질은 이용될 수 있다. 이러한 PTC 물질의 공지된 저항은 작용 유체(130)의 온도가 증가할 때 증가하기 때문에, 전력 소비를 줄이고 가열기 요소(120)의 온도 초과를 제한하는 이점(利點)이 있다. 이러한 PTC 물질의 실례(實例)는 BaTiO2(barium titinate)이다. 본 발명의 어떤 실시예(實施例)에 있어서, 다수의 분리되게 제어되는 가열 요소(120)는 이용된다. 예를 들면, 제 1 가열기는 일정한 배경 온도를 공급하는데 이용될 수 있고, 제 2 가열기는 작용 유체(300)를 확장하는데 이용되는 순간 온도를 공급하는데 이용될 수 있다는 것은 이점(利點)이 있다. 어떤 응용에 있어서, 제 1 가열기와 제 2 가열기 등은 동시에 PTC 요소와 같은 동일 형(型)을 가지면서, 다른 실시예(實施例)에 있어서 가열 장치와 논의된 것처럼 냉각 장치의 결합은 이용될 수 있다.
앞에서 기술(記述)된 것처럼, 도 2 에서 나타난 실시예에서 전기 에너지를 열로 변환시키는, 그리고 열을 기계 운동으로 변환하는 에너지 변환 블록(energy conversion block)의 하나의 부분으로 가열 요소(120)는 지적된다. 이제 도 3 에 관하여, 상기 에너지 변환 블록(energy conversion block)의 변이형(變異型)을 나타낸다. 쉽게 이해할 목적으로, 도 3 의 실시예(實施例)를 기술(記述)하는데 필요한 위쪽 레이어(16)와 중간 레이어(14)의 상기 부분을 나타낸다. 공동(空洞)(100)은 휘기 쉬운 막(膜)(205)에 근접한 제 1 부분(104)과 제 2 부분(106)을 가짐을 나타내고 있다. 도 3 에서 나타난 것처럼, 제 1 부분(104)은 제 2 부분보다 더 작고, 제 1 부분(104)은 포트(105)(port)를 통하여 삽입되는 삽입 가능한 가열 요소(140)(insertable heating element)를 가진다. 적합한 위치에서 가열 요소(140)를 수용하도록, 그리고 공동(空洞)(100)을 밀봉하도록, 포트(150)는 밀봉 요소(160)로 밀봉된다.
도 3 의 실시예(實施例)가 두 개의 부분을 갖춘 공동(空洞)(100)을 나타내는데, 다른 실시예(實施例)에서 공동(空洞)(100)은 도 2 에서 나타난 것과 같은 단일 부분을 가질 수 있다. 하지만, 삽입 가능한 가열 요소(140)를 이용할 때, 제 1 부분(104)이 작은 가열 부분(104)인 것을 나타내면서 두 개의 부분으로 된 공동(空洞)(100)을 이용하는 것은 이점(利點)이 있다고 알려져 있다. 이러한 방식으로, 유체(130)의 빠른 확장을 일으키도록 매우 높은 속도에서 부분(104) 내(內)에 있는 유체(130)는 가열된다. 그 다음에, 가열 부분(104)에서 유체(130)를 확장하는 것은 채널(108)을 통하여 부분(106)으로 미는데, 부분(106)에 있는 유체(130)의 체적을 증가시키고, 그 다음에 휘기 쉬운 막(膜)(205)은 편향을 일으킨다. 그러므로, 실질적으로 수압에 의한 작용은 빠르고 제어 가능한 휘기 쉬운 막(膜)(205)의 움직임이라는 결과를 일으킨다.
두 개의 도체(142)를 가지는 가열 요소(140)를 나타내는데, 몇몇의 루프(144)를 갖춘 부분(104) 내(內)에서 종료하는 밀봉 포트(150)를 통하여 두 개의 도체(142)는 지나간다. 가열 요소(140)의 많은 구성은 가능하고, 기술(記述)된 구성은 실례(實例)에 의한 목적만을 위하여 존재한다는 사실은 당연하다. 많은 서로 다른 물질은 요소(140) 부분을 위하여 이용될 수 있다는 사실은 당연하다. 예를 들면, 도체(142)는 낮은 저항을 가지는 제 1 물질로 될 수 있고, 루프(144)는 높은 저항을 가지는 제 2 물질로 될 수 있고, 동일 물질은 양쪽을 위하여 이용될 수 있다. 도체(142)는 보조 구조물(보이지 않음)(support structure)에 설치될 수 있고, 기술(記述)된 것처럼 밀봉 요소(160)는 보조 구조물(support structure)로써 이용될 수 있다. 덧붙여서, 서로 다른 가열 특징과 서로 다른 기능을 가지는 다양한 물질은 루프(144)를 형성하는데 이용될 수 있다. 덧붙여서, 루프(144)를 제외한 구조는 부분(104)에 있는 유체(130)를 가열하는 표면 영역의 특별한 부분을 공급하는데 이용될 수 있다. 그러므로, 본 발명의 어떤 실시예(實施例)에 있어서, 이용되는 특별한 유체(130)의 비등점보다 더 높은 온도를 공급하는 삽입 가능한 가열 요소(140)(insertable heating element)는 이용된다. 이러한 방식으로, 유체의 스팟 증발 작용(spot vaporization)은 버블(bubble)을 생성시킨다. 어떤 응용에 있어서, 이러한 버블의 형성은 특별한 휘기 쉬운 막(膜)(205, 도 2 에서 200)의 편향의 제어를 향상시키는 이점(利點)을 가진다. 그러므로, 다수의 동일한 밸브(50)는 같이 제조될 수 있고, 그리고 각각의 밸브(50)에 대하여 서로 다른 삽입 가능한 요소(140)를 선택하는 것에 의하여 서로 다른 응용에 적합한 밸브는 공급될 수 있다.
도 4 에 관하여, 또 하나의 변이(變異)로써 가열기와 공동(空洞) 구성 등을 나타낸다. 도 2 에 있는 실시예(實施例)와는 달리, 도 4의 실시예(實施例)는 확장(170)을 가지면서 형성되는 위쪽 레이어(16)를 가지는데, 가열 요소(174)( heating element) 또는 가열 확장 요소(174)(heating enhancement)는 각각의 확장(170)의 끝(176)에서 형성된다. 이러한 방식으로, 요소(174)에 의하여 일어나는 가열 효과는 공동(空洞)(100)의 중앙 부분에서 휘기 쉬운 막(膜)(200)에 더 가깝게 이동되고, 유체(130)의 보다 더 일정한 가열은 실현된다. 그러므로, 유체(130)를 가열하는데 이용되는 에너지에 대하여 막(膜)(200)의 기계적 움직임으로 효율이 있는 변환을 얻는다. 덧붙여서, 확장(170)은 작용 유체(130)와 접촉하면서 레이어(16)의 표면 영역을 증가시키는데 이용된다. 그러므로, 레이어(16)를 통하여 열의 소산(消散)에 의한 유체(130)의 냉각은 향상된다. 레이어(16)가 확장(170)을 가질 때, 일반적으로 레이어(16)를 위하여 실리콘 물질을 선택하고, 예를 들면, 실리콘 마이크로 기계 방법을 이용하여 확장(170)은 형성된다. 하지만, 확장(170)에서 제조에 대하여 다른 적합한 물질과 방법 등은 이용될 수 있는데, 예를 들면, 확장(174)은 공동(空洞)(100)에서 독립적으로 형성될 수 있고 설치될 수 있다. 가열 요소(174)( heating element) 또는 가열 확장 요소(174)(heating enhancement)는, 앞에서 기술(記述)된 것처럼 (도 2 에 있는) 가열 요소(120)와 구조에 있어서 비슷할 수 있다. 대신(代身)에, 당해 기술 종사 업자에게 공지된 확산이나 이온 주입 방법을 이용하여 형성되는 도핑에 의한 실리콘 영역(doped silicon region)으로 요소(174)는 될 수 있다. 덧붙여서, 최적의 위치에서 요소(174)를 위치시키도록, 그리고 냉각 유체(130)에서 이용 가능한 표면 영역을 변화시키도록, 확장(170)의 길이와 모양은 다양해질 수 있다.
도 5A 에 있어서, 변이(變異)로써 에너지 변환 블록(energy conversion block)의 또 하나의 실시예에 대한 평면도를 나타내고 있다. 세 개의 가열 멤버(182)를 갖춘 가열 레이어(180)(heating layer)를 나타낸다. 어떤 실시예(實施例)에 있어서, 결정 평면을 따라서 선택적인 에칭을 이용하도록, 가열 레이어(180)는 [111] 실리콘 물질이다. 그러므로, 기계적 커플링과 전기적 커플링을 위하여 실리콘 연결 영역(186)을 남기기 위하여, 그리고 도 5A 에서 나타난 실질적인 6 각형 모양의 요소를 형성하기 위하여, 영역(184)에서 모든 실리콘을 제거할 목적으로 가열 멤버(182)(heating member)는 반대쪽에 있는 면(面)에서 레이어(180)를 에칭하는 것에 의하여 형성된다. 하지만, 가열 멤버(182)를 위한 다른 모양은 가능하고, 밸브(50)의 다른 부분을 형성하기 위하여 기술(記述)된 부분과 같은 상기 변이(變異) 모양을 형성하는 다른 방법을 이용할 수 있다.
도 5B 에 관하여, 도 5A 에서 B - B' 라인을 통하여 얻어지는, 레이어(180)를 포함하는 변이(變異)로써 공동(空洞)과 가열기 구성의 단면적을 나타낸다. 위쪽 레이어(16)와 중간 레이어(14) 등의 사이에서 가열 레이어(180)를 갖춘 공동(空洞)(100)을 형성한다. 이러한 방식으로 가열 레이어(180)를 이용하여, 실질적인 모든 공동(空洞)(100)을 통하여 눈에 뜨이는 가열 표면 영역을 공급할 목적으로 공동(空洞)(100) 내(內)에서 가열 멤버(182)를 위치시킨다. 이러한 방식으로, 작용 유체(130)는 빠르게 가열되고, 유체(130)의 확장을 통하여 휘기 쉬운 막(膜)(200)은 편향된다.
도 2 내지 도 5B 등에 있는 실시예(實施例)는, 본 발명에 의하여 포함되는 가열 요소의 다양한 형(型)의 실례(實例)만을 나타낸다는 사실은 당연하다. 그러므로, 공지된 것처럼, 도면에서 나타난 가열 요소에 대하여, 가열 요소의 다른 형(型) 또는 구성 등에 대한 대체(代替)는 본 발명의 범위 내(內)에서 설계 선택 변경을 나타낸다. 예를 들면, 본 발명의 어떤 실시예(實施例)에 있어서, 공동(空洞)(100)의 바깥쪽에 설치되는, 예를 들면, (도 2 를 보라) 공동(空洞)(100)의 위에 있는 레이어(16)의 표면(110)에서 유체(130)와 직접적으로 접촉하지 않는 요소(보이지 않음)에 의하여 가열을 공급한다. 덧붙여서, 도 2 내지 도 5B 등에 있는 실시예(實施例)는 가열 요소만을 의미하는데, 다른 구성도 가능하다. 그러므로, 본 발명의 어떤 실시예(實施例)에 의하여 유체(130)의 양(陽) 방향 가열과 양(陽) 방향 냉각을 동시에 공급하는 이점(利點)이 있다. 예를 들면, 양(陽) 방향 가열 기능과 양(陽) 방향 냉각 기능 등을 동시에 갖춘 실시예(實施例)는, Peltier 가열 펌프를 공동(空洞)(100)의 위에 있는 표면(110)에 설치하는 것에 의하여 형성된다. 이러한 방식으로, 냉각을 향상시킬 수 있다.
밸브 요소(300)는 도 2 에서 나타난 본 발명의 실시예(實施例)에 있어서 밸브 포트(400)를 밀봉하는 중간 밸브 블록(intermediary valve block)의 일부분을 나타낸다. 이제 도 6 에 관하여, 아래쪽 레이어(12)에서 레이어(14)를 통하여 관찰된, 밸브 요소(300)의 평면도를 나타낸다. 부분적인 라인 C - C' 에 의하여, 도 2 에서 주어진 그림의 위치를 지적한다. 아래쪽 밸브 요소(300)와 레이어(12)의 부분 등은 중간 레이어(14) 부분과 레이어(14)를 이용하여 형성된 구조 등을 가리기 때문에, 확인되는 이러한 가려진 구조(obscure structure)는 대쉬-라인을 이용하여 나타낸다. 실질적인 사각형 모양을 갖춘 밸브 요소(300)는, 휘기 쉬운 막(膜)(200) 부분의 위에서 겹치면서 위치된다. 밸브 요소(300)와 레이어(14) 등의 사이에서 평면성을 향상시킬 목적으로, 선택적인 2 차원적인 포스트(304)는 밸브 요소(300)에서 레이어(14)와 레이어(12) 등의 사이에서 형성될 수 있고 위치될 수 있다. 입구 포트(520)를 통하여 보여지는, 휘기 쉬운 막(膜)(200)의 작은 부분은 굵은 선으로 나타낸다. 방출 포트(510)는 레이어(12)에서 형성되는 것을 나타내고, 방출 포트(510)는 유체 역학의 측면에서 채널(240)에 의하여 중간 포트(400)에 결합된다. 막(膜)(200)의 편향에 의하여 축받이(210)(pedestal)가 밸브 요소(300)에서 밀리고, 개방 포트(400)(open port)나 풀 온 요소(300)(pull on element)가 포트(400)를 닫히게 하도록, 밸브 요소(300)를 축받이(210)에 설치한다.
본 발명의 다른 실시예(實施例)에 있어서, 설계자에서 특별한 응용에 대한 밸브(50)의 기능을 설명할 수 있도록, 변이(變異)로써 밸브 요소(300)의 구성은 이용한다. 도 7 에 있어서, 밸브 요소의 변경에 의하여 추가로써 밸브를 닫히게 하는 힘(力)을 공급하는 (도 2 에 있는) 밸브 요소(300)의 변이형(變異型)을 나타낸다. 그러므로, 반대쪽에 있는 면(面)에 형성된 빔(344)을 갖춘 밸브 요소(340)를 나타낸다. 각각의 빔(344)은 밸브(50)의 이동 가능하지 않은 부분에 고정되게 설치된 개방 엔드(346)를 가진다. 예를 들면, (도 2 에 있는) 휘기 쉬운 막(膜)(200)에 근접하게, 또는 레이어(12) 부분에 근접하게 레이어(14)에 설치될 수 있다. 그러므로, 요소(340)가 멈춤 위치에서 편향되기 때문에, 복원력은 각각의 빔(344) 내(內)에서 생성된다. 상기 힘은 요소(340)의 편향이 증가할 때 증가하기 때문에, 빔(344)의 길이, 너비, 위치, 및 모양을 변화시키는 것에 의하여 이용 가능한 힘(力)은 제어된다.
도 8A 에 있어서, 변이(變異)로써 밸브 요소(300)의 구성을 나타낸다. 쉽게 이해시킬 목적으로, 포트(400)에 대한 영역만을 나타낸다. 밸브 시트 영역(410)은 쉽사리 컴플라이언스(compliance)를 갖춘 물질(420)을 이용하여 밸브 멤버(300)에서 형성된다. 선택된 특별한 컴플라이언스(compliance)를 갖춘 물질(420)은 각각의 특별 응용에 대하여 다양할 수 있다. 그러므로, 어떤 응용에 있어서 물질(420)은 플라스틱 물질(plastic material)이고, 다른 응용에 있어서 플루오르화 탄소(fluorcarbon)이고, 또 하나의 다른 응용에서 금속 물질이 이용될 수 있다. 물질(420)은 도 8A 에서 나타난 것처럼 올라간 부분(425)(raised portion) 중(中)에서 하나를 갖춘 주조된 물질일 수 있고, 리즈(보이지 않음)(ridge)는 부분(220, 230) 등의 밀봉 표면에서 형성될 수 있다. 어떤 실시예(實施例)에 있어서, 리즈(보이지 않음)(ridge)와 올라간 부분(425)(raised portion ) 등은 동시에 이용된다. 도 8B 에 관하여, O-링(430)(O-ring)은 본 발명의 또 하나의 실시예(實施例)에서 이용되는 이점(利點)이 있다. 예를 들면, 도 8A 에서 나타난 것과 비슷한 방식으로 실질적인 평평한 아래쪽 부분(304)과 모양을 갖춘 위쪽 부분(302) 등을 이용하는 것에 의하여, 도 8B 에서 나타난 것처럼, O-링(430)(O-ring)은 밸브 시트 요소(410)를 형성하도록 요소(300)에 의하여 고정된 있다. 다른 실시예(實施例)에 있어서, 보이지는 않지만, 변이(變異)로써 밸브 시트 영역(410)을 형성하도록 부분(220, 230) 등에서 형성되는 홈(groove)에 의하여 O-링(430)(O-ring)은 고정될 수 있다. 그러므로, 밸브 포트(400)가 (도 8A 에 있는) 컴플라이언스(compliance)를 갖춘 물질(420), 그렇지 않으면 (도 8B 에 있는) O-링(430) 등에 대하여 닫힐 때, 포트(400)의 튼튼한 밀봉을 공급한다. 이러한 튼튼한 밀봉은 낮은 누출 속도를 필요로 하는 응용에 대하여 이용되는 이점(利點)이 있다. 밸브 시트 영역(410)을 형성하도록, 도 8B 에서 나타난 것처럼 O-링(430)의 이용에 의하여, 도 8A 에서 나타난 것처럼 올라간 부분(425)을 갖춘 컴플라이언스(compliance)를 갖춘 물질(420)의 이용에 의하여, 또는 어떤 다른 적합한 구조의 이용에 의하여, 헬륨에 의한 1 x 10-6cc-Atm/sec 내지 헬륨에 의한 1 x 10-9cc-Atm/sec 보다 작은 값까지의 누출 속도가 얻어진다는 것은 알려져 있다.
도 9 에 관하여, 본 발명에 따라서 밸브 요소의 또 하나의 변이(變異)로써 실시예(實施例)를 나타낸다. 여기서 나타난 것처럼, 휘기 쉬운 막(膜)(200)은 구(球) 모양 밸브 요소(370)에 접촉시키기 위하여 포트(400)를 통하여 부분적으로 뻗어 있는 막(膜)의 확장(220)(membrane extension)을 가진다. 구(球) 모양의 요소(370)는 스트링과 같은 막(膜)(500)의 위에 있으면서 위치된다. 그러므로, 막(膜)(200)을 편향시킬 때, 기능을 실행할 수 있는 포트(400)를 통하여 유체 교통과 막(膜)의 확장(220)에 의하여, 구(球) 모양의 요소(370)는 밸브 시트(410)와 바깥쪽에서 밀린다. 시트(410)에서 구(球) 모양의 요소(370)가 움직임에 의하여 스프링과 같은 막(膜)(500)을 편향시킬 때, 포트를 닫히게 하는 힘(力)을 생성시킨다. 막(膜)(500)에 의하여 공급되는 상기의 포트를 닫히게 하는 힘(力)은, 예를 들면, 도 7 에 있는 빔(344)에 의하여 공급되는 밸브 막(膜)(340)의 닫히게 하는 힘에 일치한다. 구(球) 모양의 요소(370)는 강(强)하고 실질적으로 압축 불가능한 물질로 형성될 수 있거나, 구(球) 모양의 요소(370)는 어느 정도 컴플라이언스(compliance )를 갖출 수 있다. 비슷한 방식으로, 밸브 시트(410)는 컴플라이언스(compliance)를 갖추거나 그렇지 않을 수 있다. 도 9 에 있는 실시예(實施例)의 다양한 구성(보이지 않음)은 가능하고, 본 발명의 범위 내(內)에 있다. 그러므로, 밸브 요소(370)는 구(球) 모양이 아니고, 예를 들면, 원뿔 모양이거나, 밀봉 포트(400)에서 이용될 수 있는 다른 적합한 모양 등으로 될 수 있다. 덧붙여서, 강(强) 물질과 컴플라이언스(compliance)를 갖춘 물질 등의 결합은 밀봉 요소(370)와 밸브 시트(410) 등에 대하여 이용될 때, 낮은 누출 속도를 또한 얻을 수 있다.
도 10 에 관하여, 본 발명의 실시예(實施例)에 따라서, 밸브 요소(valve element)와 밸브 시트(valve seat) 등의 또 하나의 실시예(實施例)를 나타낸다. 포피트 형(型)의 밸브 요소(360)(poppet type valve element)는 중간 포트(400)를 밀봉하는데 이용된다. 밸브 요소(360)는 밀봉 포트(400)를 위한 O-링(364)이나 다른 컴플라이언스(compliance)를 갖춘 물질을 고정시키는데 이용되는 톱니 모양(362)을 가진다. 도 10 에서 나타난 것처럼, 포트(400)의 주변에서 형성되는 밸브 시트 영역(414)과 O-링(364)이 접촉하는 것에 의하여, 포트(400)는 밀봉된다. 포피트 밸브 요소(364)의 움직임은, 도 9 에서 기술(記述)된 구(球) 모양의 요소(370)의 움직임과 비슷한 방식으로 이루어진다. 그러므로, 휘기 쉬운 막(膜)(200)은 포피트 밸브 요소(360)의 위쪽 부분과 접촉하는 막(膜)의 확장(224)을 가진다. 도면에서 나타난 것과 같은 특별한 구조는 단지 실례(實例)로써 나타난다는 사실, 그리고 밸브 요소의 포피트 형(型)의 다른 구조도 가능하다는 사실을 깨달을 것이다. 덧붙여서, O-링(364)이 밸브 요소(360) 내(內)에서 고정된 것처럼 나타나는데, 어떤 실시예(實施例)에서 O-링(364)은 밸브 시트 영역(414)에서 고정된다. 포피트 밸브 요소(360)의 구성은 (도 9 에 있는) 장치(500)의 방식으로 형성되는 복원력 장치(restoring device)로써 형성될 수 있다. 추가로, 강(强)하고 컴플라이언스(compliance)를 갖춘 물질 등의 결합은 포피트 요소(360)와 밸브 시트(414) 등을 위하여 이용될 때, 낮은 누출 속도는 얻을 수 있다.
밸브의 기술에 종사하는 업자가 이해하겠지만, 여기에 있는 실례(實例)에 추가하여 밸브 시트(valve seat)와 밸브 요소(valve element)의 많은 변경은 공지되어 있다. 그러므로, 각각의 구조를 기술(記述)한다는 것은 현실적이지 못하다. 덧붙여서, "Zdeblick" 특허뿐 아니라 다른 공지된 방법에 대한 참조에 의하여 여기서 인용된 방법은, 밸브 요소(valve element)와 밸브 시트(valve seat)에 대한 상기 구조를 제조하는데 이용될 수 있다. 그러므로, 다양한 결합에서 이용되는 컴플라이언스(compliance)를 갖춘 밸브 시트와 컴플라이언스(compliance)를 갖추지 않은 밸브 시트, 또는 어느 하나의 밸브 시트에 대한 다양한 구조는, 본 발명의 범위 내(內)에서 예정되었다는 사실은 당연하다.
도 10 에서 나타난 것처럼, 압축에 의한 컴플라이언스(compliance)를 갖춘 물질의 이용은 포트(400)의 밀봉을 향상시키고, 그리고 낮은 누출 속도의 특징을 향상시킨다고 알려져 있다. 하지만, 또한, 향상된 밀봉 기능(enhanced sealing capability)은 컴플라이언스(compliance)를 갖춘 물질을 압축하는데 적용되는 복원되는 힘(力)과 닫는 힘(力) 등을 필요로 한다. 도 9 의 실시예(實施例)에 있어서, 스프링과 같은 막(膜)(500)(spring-like membrane)은 상기 힘(力)을 공급하는데 이용된다. 하지만, 다른 실시예(實施例)에 있어서, 힘(力)을 공급하는 다른 장치(other force-providing device)는 가능하다. 어떤 실시예(實施例)에 있어서, 상기의 힘(力)을 공급하는 다른 장치는 중간 포트를 닫는데 도움이 되도록 이용되는데, 다른 실시예(實施例)에 있어서, 힘(力)을 공급하는 다른 장치는 중간 포트를 여는데 도움이 되도록 구성된다.
도 11 에 관하여, 힘(力)을 공급하는 장치(510)는 본 발명에 따라서 밸브를 닫게 하는 힘(力)을 증가시키는데 이용되는 것을 특징으로 하는 본 발명의 또 하나의 실시예를 나타낸다. 도 11 에서 나타난 것처럼, 밸브 멤버(300)와 아래쪽 레이어(12) 부분 등의 사이에서 위치되는 힘(力)을 공급하는 장치(510)(force -providing device)를 가지고 있는 도 2 에서 나타난 것보다 도 11 의 실시예(實施例)는 실질적이다. 상기 방식으로, 축받이(210)(pedestal)가 중간 포트(400)를 열도록 밸브 멤버(300)에 대하여 밀릴 때, 힘(力)을 공급하는 장치(510)는 압축되고, 밸브를 닫는 힘(力)은 상기 압축에 의하여 공급된다. 장치(510)가 코일 스프링의 방식으로 형성되는 것을 나타내는데, 다른 구성도 가능하다는 사실은 당연하다. 예를 들면, 힘(力)을 공급하는 장치(510)는 리프 스프링(leaf spring), 비틀림 바, 다른 적합한 장치 등으로서 형성될 수 있다. 덧붙여서, 도 9 의 실시예(實施例)에 관하여 기술(記述)된 것처럼, (도 9 에 있는) 장치(500)이나 장치(510) 등과 같은 힘(力)을 공급하는 분리된 장치의 이용에 의하여, 특별한 응용을 충족시키도록 밸브의 설계에 있어서 보다 큰 휘어짐을 허용한다.
위에서 기술(記述)된 것처럼, 힘(力)을 공급하는 장치(510)의 압축을 통하여 밸브를 닫는 힘(力)(valve closing force)을 공급하는 것에 추가하여, 밸브를 여는 힘(力)(valve opening force)은 또한 공급될 수 있다. 응용을 위하여, 채널(540)에 있는 압력이 채널(240)보다 더 클 때, 막(膜)(200)에 의하여 공급되는 힘(力)은 그 자체적으로 중간 포트(400)를 여는데 충분하지 않다. 그러므로, 본 발명의 어떤 실시예(實施例)에 있어서, 힘(力)을 공급하는 장치(510)는 포트(400)를 닫을 때 장력이 존재하는 상태에서 공급된다. 이러한 방식으로, 힘(力)을 공급하는 장치(510)에 의하여, 막(膜)(200)의 움직임으로써 제어되는 개방 힘을 공급한다.
지금까지, 일체(一體)로 된(integrated) 전기적으로 작동 가능한(electrically operable) 마이크로-밸브(micro-valve)의 다양한 실시예(實施例)를 기술(記述)하였다는 사실을 이해할 것이다. 이러한 다양한 실시예(實施例)는 변이(變異)로써 기술(記述)된 마이크로-밸브의 요소에 대한 실시예(實施例)의 결합을 포함한다는 사실을 이해할 것이다. 그러므로, 부식성이 있는 유체를 제어하는 기능이 낮은 유출 속도를 가지는 것을 필요로 할 때, 컴플라이언스를 갖춘 밸브 시트 물질의 다양한 결합, 리지와 같은 구조, 그리고 힘(力)을 공급하는 장치, 또는 어느 하나를 이용함으로써, 본 발명에 따라서 넓은 범위의 마이크로-밸브(micro-valve)를 공급한다. 덧붙여서, 특별한 응용에 대하여 마이크로-밸브의 특별한 실시예(實施例)를 설계하는 상기의 휘어짐(flexibility)은, 상기 실시예(實施例)의 기능 블록 설계의 기능이라는 사실은 이해할 것이다. 그러므로, 종래의 기술(技術)인 "Zdeblick" 특허에서 기술(記述)된 밸브와는 달리, 본 발명에 따르는 마이크로-밸브는 낮은 누출 속도를 갖춘 실시예(實施例)를 실례(實例)로써 제공하는데, 휘기 쉬운 막(膜)이 직접적으로 밸브 포트를 밀봉하는데 이용되지 않기 때문에, 이러한 실시예(實施例)에서 휘기 쉬운 막(膜)에 대한 변경을 필요로 하지 않는다. 다른 측면에서, 이러한 기능 블록 설계(functional block design)를, (도 3 에 있는) 삽입 가능한 요소(140)를 가지고 있는 에너지 변화 블록(energy conversion block)을 합체(合體)에 공급한다. 그러므로, 본 발명에 따르는 마이크로-밸브(micro-valve)는 벌크로써 제조될 수 있고, 이용되는 가열기 요소(140)의 형(型)을 변화시키는 것에 의하여 특별한 응용에 대하여 설계될 수 있다. 이러한 방식으로, 응용의 넓은 범위에 공급되는 중요한 휘어짐(flexibility)을 유지하면서 제조 비용을 낮춘다.
여기에서 기술(記述)된 본 발명에 있는 실시예(實施例)에서 특별한 실례(實例)는 정상적으로 닫힌 밸브(50)(normally closed valve)를 나타내면서, 이러한 실시예(實施例)의 정상적으로 열린 구조(normally open configuration)는 당해 기술 종사 업자에게 분명해질 것이다. 도 2 에서 기술(記述)된 밸브는, 예를 들면, 밸브의 작동 온도보다는 낮은 온도에서 밀봉 공동(空洞)(100)에 의하여 중요한 부분에서 정상적으로 열린 밸브로써 제조될 수 있다. 이러한 방식으로, 밸브가 작동 온도까지 올라갈 때, 휘기 쉬운 막(膜)(200)은 편향될 수 있고, 중간 포트(400)가 열릴 수 있다. 그러므로, 이러한 밸브를 닫을 목적으로, 작용 유체(130)는 냉각되는데, 위에서 기술(記述)된 것처럼, 예를 들면, 펠타이어 가열 펌프(Peltier heat pump)는 이러한 냉각을 공급하는데 이용될 수 있다.
본 발명에 따라서 제조되는 밸브(valve)는 독립형의 밸브이거나 기술(技術)에서 공지된 다양한 흐름 감지 장치의 하나에 결합되는 밸브 등이 될 수 있다는 사실은 또한 분명해진다. 덧붙여서, 본 발명의 마이크로-밸브는 각도를 변화시키면서 열릴 수 있고 닫힐 수 있다는 사실은 분명해진다. 그러므로, 본 발명에 따라서 만들어지는 밸브는 유체 흐름과 유체 흐름의 막음 등만을 공급하지 않지만, 흐름 속도의 연속적인 범위에서 유체의 흐름의 양(量)을 제어할 수 있다. 예를 들면, 에너지 변환 블록(energy conversion block)에 의하여 기계적 에너지로 변환되는 에너지의 양(量)을 변화시키는 것에 의하여, 유체 흐름 속도의 제어는 얻어진다. 이러한 방식으로, 밸브 요소의 위치는 에너지를 인가(認可)하지 않은 상태에서 편향의 양(量)에 비례하여 다양해진다. 그러므로, 공급되는 흐름 속도나 압력 등을 동적으로 제어할 목적으로, 본 발명의 실시예(實施例)는 밸브에 대한 동적 피드백(dynamic feedback)을 공급할 수 있는 일체(一體)로 된(integrated) 흐름이나 압력 등을 감지할 수 있는 장치를 합체(合體)할 수 있다. 흐름 속도를 감지하는데 감지 장치(sensing device)를 이용할 때, 일반적으로 마이크로-밸브는 흐름 컨트롤러(flow controller)를 의미하고 ; 장치가 압력을 결정할 때, 일반적으로 마이크로-밸브는 압력 컨트롤러(pressure controller)를 의미한다. 본 발명에 있어서, 예를 들면, 흐름 컨트롤러는 흐름 감지 장치(flow sensing apparatus)를 포함할 수 있는데 ; 흐름 감지 장치(flow sensing apparatus)는 제 1 압력 센서, 흐름 제한기, 및 제한기에 걸쳐서 압력의 떨어짐을 측정하는 제 2 압력 센서 등으로 이루어진다. 나타난 것처럼, 미리 결정된 흐름 제한을 위하여, 압력의 떨어짐은 특별한 유체에서 흐름 속도에 대하여 정확하게 측정될 수 있다. 그러므로, 기술(記述)된 것처럼, 흐름 감지 장치(flow sensing apparatus)는 선택된 특별한 유체에 대한 흐름 속도의 동적 제어를 공급한다.

Claims (27)

  1. 유체 입구 포트(fluid inlet port)와 유체 방출 포트(fluid outlet port) 등을 포함하는 유체 가이딩 구조(fluid guiding structure) ;
    상기 유체 가이딩 구조 내(內)에서 형성된, 상기 유체 입구 포트를 상기 유체 방출 포트에 유체 역학에 의하여 결합하는 유체 교통 채널(fluid communication channel) ;
    상기 유체 교통 채널 내(內)에서 형성되는 중간 포트(intermediary port) - 상기 유체 입구 포트는 유체 역학에 의하여 상기 중간 포트를 통하여 상기 유체 방출 포트에 결합되고 - ;
    상기 유체 교통 채널 내(內)에서 상기 중간 포트에 근접하게 이동 가능하게 위치되는 밸브 요소(valve element) ; 그리고
    상기 밸브 요소에 기계적으로 결합된 휘기 쉬운 막(膜)(flexible membrane)으로 이루어진 에너지 변환 장치(energy conversion device) - 상기 에너지 변환 장치에 의하여 입력 에너지를 기계적 에너지로 변환함으로써, 상기 휘기 쉬운 막(膜)을 통하여 상기 중간 포트를 열거나 닫는 것에 의하여 상기 밸브 요소의 움직임에 상기 에너지 변화 장치를 공급하고 - ; 등을 포함하는 것을 특징으로 하는, 일체(一體)로 된(integrated), 전기적으로 작동 가능한(electrically operable) 마이크로-밸브(micro-valve).
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 에너지 변환 장치(energy conversion device)는 하나 이상의 다이(die)에서 형성된 구조를 포함하고, 상기 구조는 밀봉 공동(空洞)(sealed cavity)을 갖추는데, 여기서 상기 밀봉 공동(空洞)의 하나의 벽은 상기 휘기 쉬운 막(膜)인 것을 특징으로 하는, 일체(一體)로 된(integrated), 전기적으로 작동 가능한(electrically operable) 마이크로-밸브(micro-valve).
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 밀봉 공동(空洞)은 유체 물질을 포함하는데, 온도의 증가에 응답하여 확장하는, 그리고 온도의 감소에 응답하여 접촉하는 - 여기서, 상기 휘기 쉬운 막(膜)은 움직인다 - 물질로 상기 유체 물질은 이루어지는 것을 특징으로 하는, 일체(一體)로 된(integrated), 전기적으로 작동 가능한(electrically operable) 마이크로-밸브(micro-valve).
  4. 제 2 항에 있어서, 가열 장치(heating device), 그리고 냉각 장치(cooling device), 또는 어느 하나의 장치를 포함하고, 여기서 상기 가열 장치, 그리고 냉각 장치, 또는 어느 하나는 상기밀봉 공동(空洞)에 열에 의하여 결합하는 것을 특징으로 하는, 일체(一體)로 된(integrated), 전기적으로 작동 가능한(electrically operable) 마이크로-밸브(micro-valve).
  5. 제 4 항에 있어서, 가열과 냉각 또는 어느 하나를 위한 상기 장치는 상기 밀봉 공동(空洞)의 벽에 설치되는 것을 특징으로 하는, 일체(一體)로 된(integrated), 전기적으로 작동 가능한(electrically operable) 마이크로-밸브(micro-valve).
  6. 제 4 항에 있어서, 가열과 냉각 또는 어느 하나를 위한 상기 장치는 펠타이어 가열 펌프(Peltier heat pump)인 것을 특징으로 하는, 일체(一體)로 된(integrated), 전기적으로 작동 가능한(electrically operable) 마이크로-밸브(micro-valve).
  7. 제 2 항에 있어서, 상기 에너지 변환 장치는 상기 밀봉 공동(空洞)의 내부 표면에서 저항이 있는 물질로 형성된 저항이 있는 가열기 장치(resistive heater device)로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 일체(一體)로 된(integrated), 전기적으로 작동 가능한(electrically operable) 마이크로-밸브(micro-valve).
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 저항이 있는 가열기 장치(resistive heater device)는 설치 부분에서 고정된 가열 부분을 갖춘 저항이 있는 요소(resistive element)인데, 상기 설치 부분은 상기 휘기 쉬운 막(膜)에서 미리 결정된 거리에 의하여 떨어지는 것을 특징으로 하는, 일체(一體)로 된(integrated), 전기적으로 작동 가능한(electrically operable) 마이크로-밸브(micro-valve).
  9. 제 2 항에 있어서, 상기 밀봉 공동(空洞)은 제 1 부분과 제 2 부분 등으로 이루어지고, 상기 휘기 쉬운 막(膜)은 상기 제 2 부분의 하나의 벽으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 일체(一體)로 된(integrated), 전기적으로 작동 가능한(electrically operable) 마이크로-밸브(micro-valve).
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 밀봉 공동(空洞)의 상기 제 1 부분 내(內)에서 위치되는 삽입 가능한 가열 장치(insertable heating device)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 일체(一體)로 된(integrated), 전기적으로 작동 가능한(electrically operable) 마이크로-밸브(micro-valve).
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 가열 장치는 다수의 가열 요소(heating element)를 갖추는데, 가열 요소(heating element) 각각은 두 개 이상의 가열 표면(heating surface)을 갖추는 것을 특징으로 하는, 일체(一體)로 된(integrated), 전기적으로 작동 가능한(electrically operable) 마이크로-밸브(micro-valve).
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 밸브 포트의 주위의 주변 영역에서 형성되는 컴플라이언스를 갖춘 밸브 시트(compliant valve seat)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 일체(一體)로 된(integrated), 전기적으로 작동 가능한(electrically operable) 마이크로-밸브(micro-valve).
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 밸브 요소에서 형성되는, 그리고 상기 컴플라이언스를 갖춘 밸브 시트와 일직선으로 배치되는 리지와 같은 구조(ridge-like structure)를 포함하고 ; 상기 밸브 요소가 상기 컴플라이언스를 갖춘 밸브 시트에 자리를 잡을 때, 헬륨에 의한 1 x 10-6cc-Atm/sec 만큼의 누출 속도나 그 이하를 공급하는 것을 특징으로 하는, 일체(一體)로 된(integrated), 전기적으로 작동 가능한(electrically operable) 마이크로-밸브(micro-valve).
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 밸브 요소에서 형성되는, 그리고 상기 밸브 포트 주위의 주변 영역과 일직선이 되어서 위치되는 컴플라이언스를 갖춘 밸브 시트(compliant valve seat)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 일체(一體)로 된(integrated), 전기적으로 작동 가능한(electrically operable) 마이크로-밸브(micro-valve).
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 밸브 포트 주위의 상기 주변 영역에서 형성되는, 그리고 컴플라이언스를 갖춘 상기의 밸브 시트에 일직선으로 배치되는 리지와 같은 구조(ridge-like structure)를 포함하고 ; 상기 밸브 요소가 컴플라이언스를 갖춘 상기 밸브 시트에서 자리를 잡을 때, 헬륨에 의한 1 x 10-6cc-Atm/sec 만큼의 누출 속도나 그 이하를 공급하는 것을 특징으로 하는, 일체(一體)로 된(integrated), 전기적으로 작동 가능한(electrically operable) 마이크로-밸브(micro-valve).
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 컴플라이언스를 갖춘 밸브 시트는 상기 밸브 요소에 의하여 고정되는 O-링(O-ring)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 일체(一體)로 된(integrated), 전기적으로 작동 가능한(electrically operable) 마이크로-밸브(micro-valve).
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 컴플라이언스를 갖춘 밸브 시트는 상기 밸브 요소에 의하여 고정되는 컴플라이언스를 갖춘 주조에 의한 밸브 시트이고, 상기 컴플라이언스를 갖춘 주조에 의한 밸브 시트는 상기 밸브 포트의 주위의 상기 주변 영역에 일직선으로 배치되는 올라가는 부분(raised portion)을 가지는 것을 특징으로 하는, 일체(一體)로 된(integrated), 전기적으로 작동 가능한(electrically operable) 마이크로-밸브(micro-valve).
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 유체 가이딩 구조(fluid guiding structure)는 젖은 영역(wetted area)을 포함하는데, 상기 젖은 영역(wetted area)은 초청정(超淸淨) 처리와 부식성이 있는 물질 처리, 또는 어느 하나의 처리에 적합한 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 일체(一體)로 된(integrated), 전기적으로 작동 가능한(electrically operable) 마이크로-밸브(micro-valve).
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 휘기 쉬운 막(膜)(flexible membrane)은 실리콘으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 일체(一體)로 된(integrated), 전기적으로 작동 가능한(electrically operable) 마이크로-밸브(micro-valve).
  20. 제 1 항에 있어서, 상기 휘기 쉬운 막(膜)은 상기 밸브 요소에 기계적으로 결합되는 축받이(pedestal)를 포함하고, 상기 휘기 쉬운 막(膜)의 움직임에 응답하여 상기 밸브 요소의 움직임에 상기 축받이(pedestal)를 공급하는 것을 특징으로 하는, 일체(一體)로 된(integrated), 전기적으로 작동 가능한(electrically operable) 마이크로-밸브(micro-valve).
  21. 제 1 항에 있어서, 상기 밸브 요소에 결합되는 힘(力)을 공급하는 장치(force-providing devide)를 덧붙여서 포함하고, 상기 힘(力)을 공급하는 장치는 상기 밸브 요소에 힘(力)을 인가(認可)하는 것을 특징으로 하는, 일체(一體)로 된(integrated), 전기적으로 작동 가능한(electrically operable) 마이크로-밸브(micro-valve).
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 일체(一體)로 된(integrated), 전기적으로 작동 가능한(electrically operable) 마이크로-밸브(micro-valve)에 에너지를 인가(認可)하지 않을 때, 상기 밸브 시트는 상기 중간 포트를 닫으면서, 상기 밸브 요소에 인가(認可)되는 상기 힘(力)에 의하여 상기 밸브 요소의 자리를 잡는 것을 특징으로 하는, 일체(一體)로 된(integrated), 전기적으로 작동 가능한(electrically operable) 마이크로-밸브(micro-valve).
  23. 제 21 항에 있어서, 상기 일체(一體)로 된(integrated), 전기적으로 작동 가능한(electrically operable) 마이크로-밸브(micro-valve)에 에너지를 인가(認可)하지 않을 때, 상기 밸브 시트는 상기 중간 포트를 열면서, 상기 밸브 요소에 인가(認可)되는 상기 힘(力)에 의하여 상기 밸브 요소가 자리를 잡는 것을 방해하는 것을 특징으로 하는, 일체(一體)로 된(integrated), 전기적으로 작동 가능한(electrically operable) 마이크로-밸브(micro-valve).
  24. 제 1 항에 있어서, 상기 밸브 요소는 실질적으로 구(球) 모양인 것을 특징으로 하는, 일체(一體)로 된(integrated), 전기적으로 작동 가능한(electrically operable) 마이크로-밸브(micro-valve).
  25. 입구 포트(inlet port)와 방출 포트(outlet port) 등을 포함하는 유체 가이딩 구조(fluid guiding structure) ;
    상기 유체 가이딩 구조 내(內)에서 형성된, 상기 입구 포트를 상기 방출 포트에 결합하는 유체 교통 채널(fluid communication channel) ;
    상기 유체 교통 채널 내(內)에서 형성되는 중간 포트(intermediary port) - 상기 입구 포트는 유체 역학에 의하여 상기 중간 포트를 통하여 상기 방출 포트에 결합되고 - ;
    상기 밸브 시트에 맞대어서 자리를 잡도록, 상기 중간 포트에 근접하게 이동 가능하게 위치되는 밸브 요소(valve element) ;
    상기 밀봉 공동(空洞) 내(內)에서 가열 장치에 결합되는 제 1 벽과, 상기 밸브 요소에 기계적으로 결합되는 휘기 쉬운 막(膜)을 형성하는 제 2 벽의 적어도 일부분 등을 갖추는 밀봉 공동(空洞)(sealed cavity) ; 그리고
    상기 밀봉 공동(空洞) 내(內)에서 포함되는 작용 유체(working fluid) - 상기 휘기 쉬운 막(膜)과 상기 입력 포트와 상기 출력 포트 사이에서 유체 교통을 제어하는 상기 밸브 요소 등을 이동시킬 목적으로, 작용 유체가 상기 가열 장치에서 가열될 때 작용 유체가 확장되고 - ; 등을 포함하는 것을 특징으로 하는, 일체(一體)로 된(integrated), 초소형(microminiature) 밸브(valve).
  26. 제 1 항에서와 같은 구성을 갖춘 일체(一體)로 된(integrated), 전기적으로 작동 가능한(electrically operable) 마이크로-밸브(micro-valve) ; 그리고
    흐름 속도(flow rate)를 결정하는 장치 - 이러한 장치에 의하여, 상기 유체 교통 채널 내(內)에서 상기 밸브 요소를 다양하게 위치시킬 목적으로, 상기 에너지 변환 장치로의 동적 피드백(dynamic feedback)을 공급하고 - ; 등을 포함하는 것을 특징으로 하는, 흐름 컨트롤러(flow controller).
  27. 제 1 항에서와 같은 구성을 갖춘 일체(一體)로 된(integrated), 전기적으로 작동 가능한(electrically operable) 마이크로-밸브(micro-valve) ; 그리고
    압력을 결정하는 장치 - 이러한 장치에 의하여, 상기 유체 교통 채널 내(內)에서 상기 밸브 요소를 다양하게 위치시킬 목적으로, 상기 에너지 변환 장치로의 동적 피드백(dynamic feedback)을 공급하고 - ; 등을 포함하는 것을 특징으로 하는, 압력 컨트롤러(pressure controller).
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