KR20030070954A - Micropump for transporting fluid and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A micro pump and a manufacturing method thereof are provided to allow for a mass production and reduction of manufacturing costs, while permitting silicon semiconductor elements to be integrated on a single chip. CONSTITUTION: A micro pump comprises a lower substrate(100); a heat generating layer formed into a predetermined pattern on the lower substrate so as to generate a heat and control the pressure of the fluid; a cavity(170) formed on the heat generating layer; membranes(140,150,160) formed on the cavity in such a manner that the membranes expand by the heat generated from the heat generating layer; a fluid transfer path(230) including the membranes and an upper substrate as a boundary; and the upper substrate which is patterned to form the boundary of the fluid transfer path. The membranes expands by heating a certain part of the heat generating layer formed beneath a fluid outlet port(310), and the fluid is transferred by using expansions of the membranes.

Description

유체수송용 마이크로 펌프 및 그 제조방법{MICROPUMP FOR TRANSPORTING FLUID AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}Fluid transport micro pump and its manufacturing method {MICROPUMP FOR TRANSPORTING FLUID AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 반도체 제조 공정기술을 이용한 유체 수송용 마이크로 펌프 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 펌프 기능에 통상적으로 요구되는 기계적 기능의 유체 입,출입용 밸브를 사용하지 않는 대신, 순간적인 외부온도 상승에 따른 밀폐된 유체의 압력상승으로 정지된 유체의 흐름을 한방향으로 유도하는 유체수송용 마이크로 펌프에 관한것이다.The present invention relates to a micro-pump for fluid transport using a semiconductor manufacturing process technology and a method for manufacturing the same, and in particular, instead of using a fluid inlet / outlet valve having a mechanical function normally required for a pump function, an instantaneous external temperature increase is achieved. The present invention relates to a micro pump for fluid transport which induces a flow of a stopped fluid in one direction due to an increase in pressure of a closed fluid.

최근에는, 반도체 제조공정 기술을 이용하여 감지(sensing) 또는 구동(actuating)에 필요한 마이크로 단위 크기의 미소구조물을 제작하고, 여기에 신호처리 회로를 같이 집적화 함으로써, 고성능 다기능의 초소형 기전시스템(Micro Electro Mechanical System, 이하 'MEMS'이라 함)이 구현되고 있다. 이러한 MEMS 기술을 이용하여 수 ㎠ 크기의 칩 위에 바이오 칩, 의료 및 미량 유체 분석 장치들을 초소형으로 집적시킨 랩-온-칩(Lab On a Chip)은 생물학, 화학, 의학 및 유전공학 분야에서 의료용 마이크로 진단 및 약물 주입 시스템에 활용하기 위하여 많은 연구가 진행되고 있다. 특히, 유체의 주입, 혼합 및 분석 장치들을 초소형으로 집적시킨 랩-온-칩에 응용 가능한 마이크로 펌프는 극미량 유체수송 및 제어분야에 사용되는 것이다. 이러한 마이크로 펌프는 구동방식에 따라 정전형, 압전형, 전기분해형, 형상기억합금형(shape memory alloy) 및 전자력 방식이 있다.Recently, microstructures having a micro unit size necessary for sensing or actuating are fabricated using semiconductor manufacturing process technology, and signal processing circuits are integrated therein to provide a high performance, multifunctional microelectromechanical system (Micro Electro). Mechanical System, hereinafter referred to as 'MEMS' is implemented. Using this MEMS technology, Lab-on-Chip, a micro-integrator of biochips, medical and microfluidic analyzers on a few centimeters of chips, is a medical microcontroller for biological, chemical, medical and genetic engineering applications. Many studies have been conducted to utilize the diagnostic and drug injection system. In particular, micropumps that can be applied to lab-on-chip microfluidic devices for injecting, mixing, and analyzing fluids are used in the microfluidic fluid transport and control field. Such micro pumps include electrostatic, piezoelectric, electrolytic, shape memory alloy, and electromagnetic force methods.

이하, 이와 같은 마이크로 펌프의 구동방식에 따른 문제점을 간단히 살펴본다. 먼저, 정전형은 구조가 간단하나 상대적으로 큰 힘을 얻기 어려우며, 압전형은 압전 세라믹의 압전효과를 이용하여 구동하는 방식으로 상대적으로 큰 힘을 낼 수 있으나 높은 인가 전압이 요구되므로 구조적으로 크게 된다. 한편, 전기분해형은 상대적으로 낮은 에너지로도 열발생 없이 큰 변위를 낼 수 있지만, 화학적 역반응을 통해 발생된 기체 제거시간이 길고 구동속도가 느린 문제를 가지고 있다. 형상기억합금형은 강한 인장력으로 큰 힘을 낼 수 있지만 단방향성 특징으로 제작이 어렵다. 또한, 전자력 방식은 저전압에서 큰 변위를 얻을 수 있고, 주파수 응답이 빠르다는 장점이 있지만 소형화가 어렵다.Hereinafter, the problem according to the driving method of the micro pump will be briefly described. First, the electrostatic type is simple in structure but difficult to obtain a relatively large force, and the piezoelectric type can be driven by using the piezoelectric effect of piezoelectric ceramics to generate a relatively large force, but it is structurally large because a high applied voltage is required. . On the other hand, the electrolysis type can produce a large displacement without heat generation even with relatively low energy, but has a problem that the gas removal time generated through the chemical reverse reaction is long and the driving speed is slow. The shape memory alloy can produce great force with strong tensile force, but it is difficult to manufacture due to unidirectional characteristics. In addition, the electromagnetic force method has a merit that a large displacement can be obtained at a low voltage, and the frequency response is fast, but it is difficult to miniaturize.

이러한 구동방식을 갖는 마이크로 펌프에 비해, 열공압형은 캐비티 내부의 공기를 순간적으로 가열 및 냉각을 반복하여 구동하므로, 응답은 다소 느리나, 상대적으로 저전압으로 큰 변위에 의한 큰 힘을 얻을 수 있어, 유체의 이송에 유리한 장점을 가지고 있다. 예를 들어, 열공압형 마이크로펌프는 미국특허 제5,375,979호에 개시되어 있다.Compared to the micro pump having such a driving method, the thermopneumatic type repeatedly drives the air inside the cavity repeatedly for heating and cooling, so that the response is rather slow, but a large force can be obtained due to a large displacement at a relatively low voltage. It has an advantage for the transfer of fluid. For example, thermopneumatic micropumps are disclosed in US Pat. No. 5,375,979.

그러나, 종래의 열공압형 마이크로 펌프는 실리콘 기판의 수 마이크로 캐비티 내에 부유된 매립형 히터와 맴브레인의 캡핑을 동시에 구현하기 어려워 2 매 이상의 실리콘이나 유리기판을 사용하는 것으로 미세 패턴 가공과 기판 양면 접합 공정을 통하여 밀폐된 공간을 제작하여 펌프 구조를 제작하였다. 따라서, 이러한 구조의 마이크로 펌프는 향후 랩-온-칩 개념과 같이 한 개의 칩상에서 전자회로와 함께 유체이송, 분석작업이 동시에 이루어 지는 집적화된 MEMS 장치를 구현하기가 매우 어렵고, 대량생산이 힘들어 생산단가가 높고 비경제적이다.However, the conventional thermopneumatic micropump is difficult to realize the capping of the buried heater and the membrane suspended in several microcavities of the silicon substrate at the same time, so that two or more pieces of silicon or glass substrates are used. The pump structure was manufactured by manufacturing a closed space. Therefore, the micropump of this structure is very difficult to realize the integrated MEMS device in which fluid transfer and analysis work together with electronic circuits on one chip in the future, like the lab-on-chip concept, and it is difficult to mass-produce. The unit price is high and uneconomical.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 공정이 용이하고 재현성이 우수한 무수불화수소에 의한 희생층 건식 식각 방법을 이용하여 일반적인 반도체 공정으로 밀폐된 공간 구조의 펌프를 제작할 수 있어 동일 칩상에 실리콘 반도체 소자의 집적화가 가능한 마이크로 펌프를 제작하는 것이다.Therefore, in order to solve the above problems, a pump having a space structure sealed by a general semiconductor process using a sacrificial layer dry etching method using hydrogen fluoride, which is easy to process and has excellent reproducibility, can be manufactured. To fabricate a micropump capable of integrating silicon semiconductor devices.

또한, 본 발명의 목적은 반도체 CMOS 공정과 같은 일반적인 제조공정과 표면 마이크로 머시닝 방법으로 밀폐된 공간 구조의 마이크로 펌프가 제작되어 지고, 이와 동일한 칩상에서 전자회로를 실리콘 기판에 제작 가능하므로, 유로 및 수조 등의 마이크로 채널이 식각된 유리를 접합함으로써 생산단가 절감 및 대량생산이 가능하도록 하는 것이다.In addition, an object of the present invention is to produce a micropump with a sealed space structure by a general manufacturing process such as a semiconductor CMOS process and a surface micromachining method, the electronic circuit can be produced on a silicon substrate on the same chip, the flow path and the water tank Micro-channels such as to bond the etched glass to reduce the production cost and mass production.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 펌프의 개략도이다.1 is a schematic diagram of a micropump according to an embodiment of the present invention.

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 펌프의 구동원리를 설명하기 위한 개념도이다.2A and 2B are conceptual views illustrating a driving principle of a micropump according to an embodiment of the present invention.

도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 펌프의 제조과정을 도시한 도면이다.3A to 3E are views illustrating a manufacturing process of a micro pump according to an embodiment of the present invention.

도 4는 도 3의 제조과정 중에서 폴리실리콘 멤브레인에 형성된 식각구멍을 도시한 도면이다.FIG. 4 is a view illustrating an etching hole formed in the polysilicon membrane during the manufacturing process of FIG. 3.

도 5는 도 3의 제조과정 중에서 캐비티 내부의 플라즈마 산화막이 완전히 제거된 상황을 도시한 도면이다.FIG. 5 is a view illustrating a situation in which the plasma oxide film inside the cavity is completely removed during the manufacturing process of FIG. 3.

도 6는 도 3의 제조과정 중에서 폴리실리콘 멤브레인에 형성된 식각구멍이 포토레지스트로 캡핑된 것을 나타내는 SEM 사진이다.FIG. 6 is an SEM photograph showing that the etching holes formed in the polysilicon membrane are capped with photoresist during the manufacturing process of FIG. 3.

도 7는 도 3의 제조과정 중에 폴리실리콘 멤브레인에 형성된 식각구멍이 플라즈미산화막으로 캡핑된 것을 나타내는 SEM 사진이다.FIG. 7 is a SEM photograph showing that an etching hole formed in the polysilicon membrane is capped with a plasmid oxide layer during the manufacturing process of FIG. 3.

도 8는 본 발명의 일실시예에 따라 실제 제작된 유체수송용 마이크로 펌프를 도시하고 있는 사진이다.8 is a photograph showing a fluid pump micro pump actually manufactured according to an embodiment of the present invention.

도 9는 도 3의 제조과정에 의해 제조된 마이크로 펌퍼에서, 히터에 인가된 전압에 따른 폴리실리콘 멤브레인의 변위(㎛)를 변위측정계를 통해서 측정하여 나타낸 그래프이다.FIG. 9 is a graph illustrating the displacement of the polysilicon membrane (μm) according to the voltage applied to the heater in the micropump manufactured by the manufacturing process of FIG.

*도면의 주요부분에 대한 설명* Description of the main parts of the drawings

100 : 기판 110,120 : 전극용 패드100: substrate 110, 120: electrode pad

130 : 히터 140,150,160 : 맴브레인130: heater 140,150,160: membrane

170 : 캐비티 200 : 유리기판170: cavity 200: glass substrate

210, 250 : 수조 220 : 노즐210, 250: Water tank 220: Nozzle

230 : 유체수송로 240 : 디퓨저230: fluid transport path 240: diffuser

300 : 유체주입구 310 : 유체방출구300: fluid inlet 310: fluid outlet

400,420,460 : 열산화막 410 : 질화막400,420,460: thermal oxide film 410: nitride film

430,450 : 폴리실리콘막430,450 polysilicon film

상술한 목적을 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명은 하부 기판, 전압의 인가에 따라 열을 발생시키고 이를 통해 유체의 압력을 제어하기 위해 하부 기판상에 소정 패턴으로 형성된 열발생층, 열발생층 상부에 형성된 캐비티, 캐비티 상부에, 열발생층에서 발생된 열에 따라 팽창하도록 형성된 맴브레인, 맴브레인과 상부 기판을 경계로 포함하여 형성된 유체 수송로, 및 유체 수송로의 경계를 형성하기 위해 패터닝된 상부 기판을 포함하며, 유체 수송로의 유체 주입구에서 유체 방출구의 하부에 형성된 열발생층을 부분적으로 가열함에 따라서, 상기 맴브레인을 팽창시키고, 이를 이용하여 유체를 수송하는 유체 수송용 마이크로 펌프를 제공한다.As a means for achieving the above object, the present invention provides a heat generating layer, a heat generating layer upper portion formed in a predetermined pattern on the lower substrate in order to generate heat according to the application of the lower substrate, the voltage and thereby control the pressure of the fluid A cavity formed in the cavity, a membrane formed to expand according to the heat generated in the heat generating layer, a fluid transportation path formed by including a membrane and an upper substrate as a boundary, and an upper substrate patterned to form a boundary of the fluid transportation path And partially heating the heat generating layer formed below the fluid discharge port at the fluid inlet of the fluid transport path, thereby expanding the membrane and providing a micro pump for transporting fluid using the same.

다른 목적을 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명은 하부기판 상에, 전압의 인가에 따라 열을 발생시키고 이를 통해 유체의 압력을 제어하기 위해 상기 하부 기판상에 소정 패턴으로 열발생층을 형성하는 단계, 열발생층 상부에 절연막을 형성하는 단계, 절연막 상부에, 열발생층에서 발생된 열에 따라 팽창하도록 맴브레인을 형성하는 단계, 맴브레인의 표면에 식각용 구멍을 형성하여, 식각용 구멍을 통해 절연층의 전부 또는 일부분을 식각하여 캐비티를 형성하는 단계, 및 맴브레인의 상부에 상부기판을 형성하여, 맴브레인과 상부 기판을 경계로 포함하는 유체 수송로를 형성하는 단계를 포함하는 유체 수송용 마이크로 펌프 제조 방법을 제공한다.As a means for achieving another object, the present invention comprises the steps of forming a heat generating layer on the lower substrate in a predetermined pattern on the lower substrate to generate heat in response to the application of voltage and thereby control the pressure of the fluid Forming an insulating film on the heat generating layer; forming a membrane on the insulating film so as to expand according to the heat generated in the heat generating layer; forming an etching hole on the surface of the membrane, and forming an insulating layer through the etching hole. Forming a cavity by etching all or a portion of the membrane; and forming an upper substrate on the upper portion of the membrane to form a fluid transportation path including the membrane and the upper substrate as a boundary. to provide.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

이하, 도 1을 참조하여 마이크로 펌프의 기본적인 구성과 동작 원리를 설명한다. 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 펌프의 개략도이다.Hereinafter, the basic configuration and operating principle of the micropump will be described with reference to FIG. 1. 1 is a schematic diagram of a micropump according to an embodiment of the present invention.

마이크로 펌프는 하부 기판(100), 히터(130), 주름이 형성된 맴브레인(140,150,160), 캐비티(170) 및 유리기판(200)을 포함하여 이루어지고, 바람직하게는, 수조(210,250), 노즐(220), 유체수송로(230), 디퓨저(240), 유체주입구(300) 및 유체방출구(310)를 포함한다.The micro pump includes a lower substrate 100, a heater 130, corrugated membranes 140, 150, and 160, a cavity 170, and a glass substrate 200. Preferably, the water tank 210, 250, and nozzle 220 are provided. ), A fluid transport path 230, a diffuser 240, a fluid inlet 300 and a fluid discharge port 310.

먼저, 유로 주입부(300)(A)에서 유로 방출구(310)(C) 사이에 유체가 가득차 있다고 가정하면, 이와 같은 상황에서는, 압력차이의 변동이 없으므로 유체는 유로사이에 정지해 있을 것이다.First, assuming that the fluid is filled between the flow path discharge port 310 (C) in the flow path injection section (300) (A), in such a situation, the fluid will be stopped between the flow path because there is no change in the pressure difference .

이 상태에서 정지된 유체를 이동시키기 위하여 전극용 패드(110, 120) 사이에 수십 볼트로 전위차를 인가하면, 캐비티(170) 내에 배치된 히터(130)에서 저항에 의한 열이 발생하여 캐비티(170) 내부의 공기를 팽창시키고, 이에 따라서 폴리실리콘 맴브레인(140)을 상부로 부풀게 하여 유체가 중간 맴브레인(150)으로 보내진다. 그 후, 중간 맴브레인(150)이 작동하여 마지막 맴브레인(160)에 보낼 때, 폴리실리콘 맴브레인(140)에 전원 공급을 차단하여 다시 유체를 흡입시키는 쓰리페이즈시퀀스(three phase sequence)방법으로 유체를 이송시킨다.When a potential difference is applied between the pads 110 and 120 for electrodes in order to move the fluid stopped in this state, heat generated by resistance is generated in the heater 130 disposed in the cavity 170 and thus the cavity 170. ) Expands the air therein, thereby swelling the polysilicon membrane 140 to the upper, and the fluid is sent to the intermediate membrane 150. Then, when the intermediate membrane 150 is operated and sent to the last membrane 160, the fluid is transferred in a three phase sequence method in which power supply to the polysilicon membrane 140 is cut off and the fluid is sucked again. Let's do it.

이 경우, 노즐(220)은 유체의 유입을 자연스럽게 유도하면서 역류를 줄이고 디퓨저(240)는 유체의 방출을 순조롭게 하면서 역시 역류를 줄이는 역할을 한다. 수조(210,250), 노즐(220), 유로(230), 디퓨저(240)는 유리(200)의 하부에 형성되며, 유체가 통과할 수 있도록 한다. 또한, 수조(210,250)의 위부분은 유체 주입구(300)와 유체방출구(310)를 호스로 연결할 수 있도록 관통되어 있고, 전극 연결창은 전극용 패드(110,120)로 폴리실리콘 히터(130)에 전원을 공급할 수 있도록 관통되어 있다.In this case, the nozzle 220 reduces the backflow while naturally inducing the inflow of the fluid, and the diffuser 240 serves to reduce the backflow while smoothly releasing the fluid. The water tanks 210 and 250, the nozzles 220, the flow paths 230, and the diffuser 240 are formed under the glass 200 to allow fluid to pass therethrough. In addition, the upper portion of the water tank (210, 250) is penetrated so that the fluid inlet 300 and the fluid discharge port 310 can be connected by a hose, the electrode connecting window to the polysilicon heater 130 to the electrode pad (110, 120) It is penetrated to supply power.

이하, 도 2a 및 도 2b를 참조하여, 본 발명의 일실시예에 따른 유체의 이동 원리를 상세히 설명한다. 도 2a는 유체이송의 원리를 설명하기 설명하기 위해서, 도 1의 X-X'의 단면을 개략적으로 도시한 도면으로, 폴리실리콘(140,150,160)의 가열에 따라 맴브레인의 팽창하고, 적절한 순서로 폴리실리콘(140,150,160)을 가열함으로써 유체를 수송할 수 있게 된다.2A and 2B, the principle of movement of a fluid according to an embodiment of the present invention will be described in detail. FIG. 2A is a schematic cross-sectional view of the X-X 'of FIG. 1 for explaining the principle of fluid transfer, in which the membrane is expanded according to the heating of the polysilicon (140, 150, 160), and polysilicon in the proper order. By heating the 140, 150, and 160, the fluid can be transported.

먼저, 전기적으로 신호입력에 의한 연동방식으로 전원을 인가하면 히터(130)에서 발생한 열의 가감에 의해 캐비티(170) 내부 공기가 팽창 또는 수축하게 되며, 이에 따라 맴브레인이 상하로 움직이면 유체는 도 1의 A 방향에서 유로(230)를 통해 C 방향으로 흐르게 된다. 도 2는 이러한 경우 폴리실리콘 멤브레인(140,150,160)을 가열하여 팽창시키는 순서의 일예를 도시한 도면으로, 가열순서는 반드시 이에 한정되지 않음은 당연하다. 유체의 펌핑 원리는 밀폐된 공간 내부에 채워진 유체가 외부에서 열을 순간적으로 받을 경우 내부 압력이 증가하게 되며, 내부 압력은 유동저항이 적은 쪽으로의 흐름을 일으키게 되는 원리를 이용한다. 한편, 맴브레인의 구동을 극대화하기 위해 적절한 위치에 원형으로 주름을 형성한다.First, when the power is applied in an interlocked manner by an electrical signal input, the air inside the cavity 170 expands or contracts by adding or subtracting heat generated from the heater 130. As a result, when the membrane moves up and down, the fluid may move upward and downward. Flow in the C direction through the flow path 230 in the A direction. FIG. 2 illustrates an example of a sequence in which the polysilicon membranes 140, 150 and 160 are expanded by heating, and the heating sequence is not necessarily limited thereto. The pumping principle of the fluid uses the principle that the internal pressure increases when the fluid filled in the enclosed space receives heat from the outside instantaneously, and the internal pressure causes the flow toward the side with less flow resistance. On the other hand, in order to maximize the driving of the membrane to form a wrinkle in a circular shape in a proper position.

이하, 도 3a 내지 도 3e를 참조하여 마이크로 펌프의 제작 과정을 상세히 설명한다. 도 3a 내지 도 3e는 실리콘 표면 마이크로머시닝 방법에 의한 열구동형 마이크로 펌프의 제작 과정을 도시한 도면이다.Hereinafter, a manufacturing process of the micro pump will be described in detail with reference to FIGS. 3A to 3E. 3A to 3E are views illustrating a manufacturing process of a thermally driven micropump using a silicon surface micromachining method.

도 3a 를 참조하면, 기판(100)은 비저항(resistivity)이 1 ~ 30 Ωㆍ㎝ 인 5인치 p형 실리콘 웨이퍼를 표준세정작업을 한 후, 기판(100)위에 열산화막(400)을 대략 1000 ㎛ 두께로 증착하고, 저압화학증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition:LPCVD) 방법으로 질화막(410)을 2000 ㎛ 두께로 증착한다. 그 후, 2000㎛ 두께의 저온산화막(420), 8000㎛ 두께의 폴리실리콘층(430)을 증착하고 900㎛ 에서 30분 동안 POCl3확산공정으로 도핑하여 폴리실리콘을 전극으로 사용하기 위해 패터닝을 한다. 이 때, 저온산화막(420)도 패터닝된다. 그 후, 플라즈마 화학증착방법으로 산화막(440)을 1000?? 두께로 증착하고, 다음, 저압화학증착 방법으로 2000㎛ 두께로 폴리실리콘막(450)을 증착한다.Referring to FIG. 3A, the substrate 100 is subjected to a standard cleaning operation of a 5-inch p-type silicon wafer having a resistivity of 1 to 30 Ω · cm, and then the thermal oxide film 400 is approximately 1000 on the substrate 100. The nitride film 410 is deposited to a thickness of 2000 μm by a low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) method. Thereafter, a low-temperature oxide film 420 having a thickness of 2000 μm and a polysilicon layer 430 having a thickness of 8000 μm are deposited and doped by POCl 3 diffusion for 30 minutes at 900 μm to pattern polysilicon for use as an electrode. . At this time, the low temperature oxide film 420 is also patterned. Thereafter, the oxide film 440 was changed to 1000 ° C. by the plasma chemical vapor deposition method. After the deposition, the polysilicon film 450 is deposited to a thickness of 2000 μm by a low pressure chemical vapor deposition method.

도 3b 내지 도 3d를 참조하면, 그 후, 반응성 이온식각(reactive ion etching)으로 히터로 기능하게 되는 폴리실리콘막(430)을 오픈하기 위해 패터닝하여 도 3b에 도시된 바와 같이 저온산화막(440)이 노출되게 한다. 그런 다음, 저온산화막(460)을 2~6 ㎛ 두께로 증착하고, 그 상부 표면에 0.8~2 ㎛ 두께의 주름(corrugation)을 형성한다. 주름을 형성하는 과정은 저온산화막(460)의 상부 표면을 포토레지스트로 도포하고, 노광, 현상 등의 일련의 공정을 통해서 소정 부위에 포토레지스트를 잔류시키고, 이를 식각마스크로 0.8~2 ㎛ 두께로 식각하여 주름을 형성한다.Referring to FIGS. 3B to 3D, the low temperature oxide film 440 is then patterned to open the polysilicon film 430 which becomes a heater by reactive ion etching. Let this be exposed. Thereafter, the low temperature oxide film 460 is deposited to a thickness of 2 to 6 μm, and a corrugation of 0.8 to 2 μm thick is formed on the upper surface thereof. In the process of forming the wrinkles, the upper surface of the low-temperature oxide film 460 is coated with photoresist, and the photoresist is left at a predetermined site through a series of processes such as exposure and development, and the thickness is 0.8 to 2 μm with an etching mask. Etch to form wrinkles.

이와 같은 주름은 히터를 통해서 열이 발생될 때, 맴브레인(140,150,160)의 팽창(변위)을 더욱 효과적으로 하기 위해서 형성되는 것으로, 주름 형성과정을 생략하더라도 본 실시예의 목적을 달성할 수 있다. 다만, 주름이 형성되어 있지 않으면, 동일한 팽창(변위)을 얻기 위해서 히터(130)에 인가되는 전압이 더욱 증가된다.Such wrinkles are formed to more effectively expand (displace) the membranes 140, 150, and 160 when heat is generated through the heater, and the purpose of the present embodiment may be achieved even if the wrinkle forming process is omitted. However, if wrinkles are not formed, the voltage applied to the heater 130 is further increased to obtain the same expansion (displacement).

그 주름 위에 650도, 200 mtorr에서 실란가스(SiH4)를 사용하여 저압화학 증착방법으로 폴리실리콘 멤브레인(140,150,160)을 1~2 ㎛ 두께로 증착한다(도 3(c)). 그런 다음, 맴브레인(140,150,160) 위에 건식식각(dry etch)과 6:1 BHF 습식식각(wet etch) 공정을 병행하여 5㎛ 간격으로 직경 약 1㎛ 의 식각구멍(EH)들을 형성한다. 도 4 는 이와 같은 과정에 의해 형성된 식각구멍들을 도시한 도면이다.The polysilicon membranes 140, 150, and 160 are deposited to a thickness of 1 to 2 μm by using a silane gas (SiH 4 ) at 650 degrees and 200 mtorr on the corrugations by low pressure chemical vapor deposition (FIG. 3 (c)). Thereafter, dry etching and 6: 1 BHF wet etching are performed on the membranes 140, 150, and 160 to form etching holes EH having a diameter of about 1 μm at intervals of 5 μm. 4 is a view illustrating etching holes formed by the above process.

그 후, 도 3에서는 도시되어 있지 않지만, Al-1% 실리콘의 전극용 금속패드(도 1의 110,120)가 1.0㎛ 두께로 스퍼터링법에 의해 증착되며, 폴리실리콘 박막의 잔류 응력을 제거하기 위해 질소 및 수소 분위기에서 400도의 어닐링공정을 진행한다. 한편, 폴리실리콘 멤브래인(140,150,160)의 캐비티(170) 내부에 있는 플라즈마 산화막(460)은 식각구멍(EH)들을 통해서 불화수소 기상식각 공정으로 고착현상 없이 완전히 제거된다. 도 5는 이와 같이 고착현상 없이 캐비티(170) 내부의 플라즈마 산화막(460)이 완전히 제거된 상황을 도시한 도면이다. 도 4와 비교하여 플라즈마산화막(460)이 제거되어 있음을 알 수 있다.Thereafter, although not shown in FIG. 3, metal pads for electrodes (110 and 120 in FIG. 1) made of Al-1% silicon were deposited by sputtering to a thickness of 1.0 μm, and nitrogen was removed to remove residual stress of the polysilicon thin film. And a 400 degree annealing process in a hydrogen atmosphere. Meanwhile, the plasma oxide layer 460 inside the cavity 170 of the polysilicon membranes 140, 150, and 160 is completely removed without hydrogenation through a hydrogen fluoride vapor phase etching process through the etching holes EH. FIG. 5 is a diagram illustrating a situation in which the plasma oxide film 460 in the cavity 170 is completely removed without the sticking phenomenon. It can be seen that the plasma oxide film 460 is removed in comparison with FIG. 4.

이러한 고착현상이 제거되는 원리는 다음과 같다. 일반적으로 산화막을 희생층으로 하고, 실리콘막을 미소구조체로 사용하는 경우, 대부분 불화수소 습식식각으로 산화막을 제거한 뒤, 탈이온수, 메탄올, 이소프로필 알콜 등의 세척액으로 세정하고 건조시키는 과정에서 미소구조체와 기판 사이의 마이크론 단위의 미세한 틈에 존재하는 잔류 세척액으로 인한 표면장력에 의해 모세관 힘이 발생한다. 만약, 이 힘이 미세구조체에서 발생하는 복원력 보다 크게 되면, 미세구조물이 일차적으로 부착되고, 이 일시적인 부착현상은 잔류 세척액이 완전히 증발하더라도 액체에 의한 모세관 힘에 의해 영구적인 표면 부착 현상은 잔류세척액이 완전히 증발하더라도 액체에 의한 모세관 힘에 의해 영구적인 표면 부착현상이 생기는데, 이를 고착현상이라 한다. 그리고, 화학반응에 의해 발생한 물이 응축되면서 기화되지 않고 식각된 표면 위에 찌꺼기, 측면중합(side wall polymerization) 등으로 인해 희생층인 산화막이 완전히 식각되지 않고 여러가지 형상의 잔류물질이 남게 된다. 지금까지는 기판에 달라붙는 이러한 고착현상을 제거하기 위하여 표면을 거칠게 하거나, 비친수성, 즉 소수성(hydrophobic)으로 하거나, 세척액을 초임계 영역으로 이동시켜 기체와 액체의 중간 상태로 변환시킨 후, 일정 온도에서 압력을 낮추어 초임계 유체로의 상전이 특성을 이용하는 초임계 이산화탄소 건조(supercritical CO2drying)방법, 세척액을 고체로 만들어 액체상태를 거치지 않고 승화물질인 부틸알콜(t-butyl alcohol)이나 다이클로로벤젠(p-DCB;dicholorobenzene) 등에 의한 승화(sublimation)방법으로 제작해 왔다. 그러나, 이러한 방법은 시편을 다루기가 매우 힘들고 공정이 매우 복잡하여 비경제적이므로, 대량생산이 어렵다.The principle that the sticking phenomenon is removed is as follows. In general, when the oxide film is used as a sacrificial layer and the silicon film is used as a microstructure, the oxide film is mostly removed by hydrogen fluoride wet etching, followed by washing and drying with a deionized water, methanol, isopropyl alcohol, and the like. Capillary forces are generated by the surface tension due to residual cleaning liquid present in the microscopic gaps between the substrates. If this force is greater than the restoring force generated in the microstructure, the microstructure is attached first, and this temporary adhesion is caused by the capillary force caused by the liquid, even if the residual cleaning liquid evaporates completely. Even if it evaporates completely, permanent surface adhesion occurs due to capillary force caused by liquid, which is called sticking phenomenon. As the water generated by the chemical reaction is condensed, the oxide layer, which is a sacrificial layer, is not etched completely due to debris and side wall polymerization on the etched surface without vaporization, and residues of various shapes remain. Until now, in order to remove such sticking phenomenon to the substrate, the surface was roughened, made non-hydrophilic, that is, hydrophobic, or the cleaning liquid was transferred to the supercritical region to convert the gas and liquid into an intermediate state, and then to a constant temperature. Supercritical CO 2 drying method, which utilizes phase-transfer characteristics to supercritical fluids by lowering the pressure in the system, converts the cleaning solution into a solid and passes through the liquid state without sublimation of butyl alcohol or dichlorobenzene. (p-DCB; dicholorobenzene) or the like has been produced by a sublimation method (sublimation). However, this method is difficult to handle specimens and the process is very complicated and uneconomical, mass production is difficult.

따라서, 본 발명에 따른 실시예에서는, 희생층 산화막을 식각하기 위하여, 사용된 무수 불화수소에 의한 기상식각공정은 공정시 발생되는 물을 효과적으로 제거하기 위하여 H2O의 열역학적 물성(thermodynamic property)을 이용하여 50torr, 35??에서 공정을 수행한다. 산화막 위해 응축을 최소화하기 위해 낮은 공정압력과 높은 유량의 불화수소 가스가 요구된다. 알코올은 물 대신에 식각기폭제와 중개자 역할을 한다고 추정된다. 알코올의 장점은 응축된 표면 반응층 내에서 물의 응축 농도를 조절하는 능력이 있는 것으로 공지되어 있다. 따라서, 산화막 위에 물을 배제함으로써, 알코올이 식각반응시 가장 휘발성이 있는 종(species)을 연속적으로 제거하여 표면 반응층 내에서 물의 응축 농도를 조절하는 능력이 있는 것으로 알려져 있다. 물이 가장 낮은 증기압을 가지며, 이소프로필 알코올(IPA), 에탄올(ethanol), 메탄올(methanol), 및 무수(anhydrous) 불화수소 순으로 높다. 특히, 메탄올 첨가제는 열산화막에 대한 식각율이 55Å/min 으로 매우 낮아 건식 세정 분야에서 수십 Å의 자연산화막을 제거하는데도 응용이 가능하다. 한편, 이소프로필 알코올은 알코올 중에서 가장 낮은 증기압을 가지고 있으므로, 표면 마이크로머시닝에서 여러가지 희생층을 제거하는데 가장 높은 식각속도를 가지므로 매우 유리하다.Therefore, in the embodiment according to the present invention, in order to etch the sacrificial layer oxide film, the gas phase etching process using anhydrous hydrogen fluoride is used to remove the thermodynamic properties of H 2 O to effectively remove the water generated during the process. Process at 50torr, 35 ?? Low process pressures and high flow rates of hydrogen fluoride gas are required to minimize oxidation hazards. Alcohol is believed to act as an etchant and an intermediary instead of water. The advantage of alcohol is known to be the ability to control the condensation concentration of water in the condensed surface reaction layer. Therefore, by excluding water on the oxide film, it is known that alcohol has the ability to continuously remove the most volatile species during the etching reaction to control the condensation concentration of water in the surface reaction layer. Water has the lowest vapor pressure, followed by isopropyl alcohol (IPA), ethanol, methanol, and anhydrous hydrogen fluoride. In particular, the methanol additive has a very low etching rate of 55 kW / min for the thermal oxide film, and thus can be applied to remove several tens of kW of the natural oxide film in the dry cleaning field. On the other hand, since isopropyl alcohol has the lowest vapor pressure among alcohols, it is very advantageous because it has the highest etching rate for removing various sacrificial layers in surface micromachining.

마지막으로, 도 3e를 참조하여 설명하면, 폴리실리콘 맴브레인(140,150,160)은 포토레지스트 또는 플라즈마 산화막 등으로 식각구멍(EH)를 완전히 캡핑한다. 도 6 및 도 7는 식각구멍이 캡핑된 것을 나타내는 SEM(scanning electronmicroscope) 사진으로, 각각 포토레지스트, 플라즈마 산화막을 이용하여 식각구멍을 캡핑한 경우를 도시하고 있다.Finally, referring to FIG. 3E, the polysilicon membranes 140, 150, and 160 completely cap the etching hole EH with a photoresist or a plasma oxide film. 6 and 7 are scanning electron microscope (SEM) photographs showing that the etching holes are capped, and show a case where the etching holes are capped using a photoresist and a plasma oxide film, respectively.

마지막으로, 도 3e를 참조하면, 유리기판(200)을 대략 40 ㎛ 깊이로 채널(230)을 형성하여, 유리기판(200)과 맴브레인(140,150,160)을 경계로 하여 유체수송로가 형성된다. 도면에는 도시되지 않았지만, 유리기판(200)은 유체 출입구와 유체방출구를 형성하기 위해서 부분적으로 구멍을 형성하고 있음은 당연하다.Finally, referring to FIG. 3E, the channel 230 is formed to the glass substrate 200 to a depth of about 40 μm, and a fluid transport path is formed by bordering the glass substrate 200 and the membranes 140, 150, and 160. Although not shown in the drawing, it is obvious that the glass substrate 200 is partially formed to form a fluid inlet and a fluid outlet.

도 8는 이러한 방식으로 제작된 유체수송용 마이크로 펌프를 도시하고 있는 사진이다. 사진속의 동전을 통해서 그 크기를 짐작할 수 있다.8 is a photograph showing a fluid pump micro pump manufactured in this manner. You can guess the size through the coins in the picture.

한편, 이와 같이 제조된 폴리실리콘 히터(130)의 저항은 450 내지 1400 Ω이고, 유체가 공기인 경우 30V 인가시 맴브레인 중앙의 최대휨 정도가 63.5 ㎛ 정도를 나타내었다. 즉, 열을 가하지 않은 상태의 맴브레인 중앙의 위치를 0 으로 했을 때, 전압을 인가한 상태의 맴브레인 중앙의 위치는 63.5 ㎛가 됨을 의미한다. 이와 같이 변위가 높을수록 유체의 수송이 용이함은 자명하다. 도 9는 인가된 전압에 따른 변위(㎛)를 변위측정계를 통해서 측정하여 나타낸 그래프이다. 이 그래프에서 20V를 넘어서는 구간에서 급격한 변위의 가파른 증가를 나타내고 있다.Meanwhile, the resistance of the polysilicon heater 130 manufactured as described above is 450 to 1400 Ω, and when the fluid is air, the maximum bending degree of the center of the membrane when the fluid is 30 V is about 63.5 μm. That is, when the position of the center of the membrane in the state without applying heat is 0, the position of the center of the membrane in the state where the voltage is applied is 63.5 µm. It is apparent that the higher the displacement, the easier the transport of the fluid. 9 is a graph showing the displacement (μm) according to the applied voltage measured through a displacement measuring system. This graph shows a steep increase in the displacement in the section above 20V.

한편, 도면에서의 맴브레인의 주름 등은 명확한 설명을 강조하기 위해 과장되어진 것이다. 또한 어떤 막이 다른 막 또는 기판 "상" 에 있다고 기재된 경우, 상기 어떤 막은 상기 다른 막 또는 기판상에 직접 접촉하여 존재 할 수 있고, 또는 그 사이에 제 3 막이 게재될 수도 있다.On the other hand, the wrinkles of the membrane, etc. in the drawings are exaggerated to emphasize the clear explanation. In addition, when a film is described as "on" another film or substrate, the film may be present in direct contact with the other film or substrate, or a third film may be interposed therebetween.

또한, 본 발명의 기술적 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.In addition, although the technical spirit of the present invention has been described in detail according to the above-described preferred embodiment, it should be noted that the above-described embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, those skilled in the art will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.

반도체 소자 제조공정을 이용하여 밀폐된 공간 구조의 펌프가 제작되어지므로 실리콘 웨이퍼 표면상에 평면적으로 제작 할 수 있는 구조로서 동일 기판상에 전자회로와의 동시제작이 가능하고 유로 및 수조 등의 마이크로 채널만 식각하여 유리를 접합함으로써 생산단가 절감 및 대량생산이 가능하게 한다.Since the pump is manufactured in a closed space structure using the semiconductor device manufacturing process, it can be manufactured on the surface of the silicon wafer in a planar manner. Simultaneous production with electronic circuits is possible on the same substrate. Only by etching the glass, the production cost can be reduced and mass production is possible.

또한, 본 발명에 따른 마이크로 펌프는 동일 칩상에 신호처리 회로부와 같은 실리콘 반도체 소자의 집적함으로써 의료용 마이크로 진단 및 약물 주입 시스템과 같은 Lab-on-a-chip을 구현할 수 있게 한다.In addition, the micro-pump according to the present invention enables the implementation of a lab-on-a-chip such as a medical micro diagnostic and drug injection system by integrating a silicon semiconductor device such as a signal processing circuit on the same chip.

Claims (10)

하부 기판; 전압의 인가에 따라 열을 발생시키고 이를 통해 유체의 압력을 제어하기 위해, 상기 하부 기판상에 소정 패턴으로 형성되며 매몰된 열발생층; 상기 열발생층 상부에 형성된 캐비티; 상기 캐비티 상부에, 상기 열발생층에서 발생된 열에 따라 팽창하도록 형성된 맴브레인; 상기 맴브레인과 상부 기판을 경계로 포함하여 형성된 유체 수송로; 및 상기 유체 수송로의 경계를 형성하기 위해 패터닝된 상부 기판을 포함하며,Lower substrate; A heat generating layer formed and buried in a predetermined pattern on the lower substrate to generate heat according to the application of a voltage and thereby control the pressure of the fluid; A cavity formed on the heat generating layer; A membrane formed on the cavity to expand in accordance with heat generated from the heat generating layer; A fluid transport path including the membrane and the upper substrate as a boundary; And an upper substrate patterned to define a boundary of the fluid path; 상기 유체 수송로의 유체 주입구에서 유체 방출구의 하부에 형성된 매몰된 열발생층을 부분적으로 가열함에 따라서, 상기 맴브레인을 팽창시키고, 이를 이용하여 유체를 수송하는 것을 특징으로 하는 표면 마이크로머시닝에 의해 제조된 마이크로 펌프.Micro-fabricated by surface micromachining, in which the membrane is inflated and partially transported by transporting the buried heat generating layer formed under the fluid outlet at the fluid inlet of the fluid transport passage. Pump. 제 1 항에 있어서, 상기 맴브레인의 상부 표면은 주름형상을 갖는 것을 특징으로 하는 유체 수송용 마이크로 펌프.The fluid pump of claim 1, wherein the upper surface of the membrane has a pleat shape. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 열발생층 및 상기 맴브레인은 폴리실리콘으로 이루어진 것을 특징으로 하는 유체 수송용 마이크로 펌프.The micropump for fluid transport according to claim 1 or 2, wherein the heat generating layer and the membrane are made of polysilicon. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 하부기판은 실리콘 기판이고, 상기 상부기판은 유리기판인 것을 특징으로 하는 유체 수송용 마이크로 펌프.3. The micropump according to claim 1 or 2, wherein the lower substrate is a silicon substrate and the upper substrate is a glass substrate. 하부기판 상에, 전압의 인가에 따라 열을 발생시키고 이를 통해 유체의 압력을 제어하기 위해 소정 패턴으로 열발생층을 형성하는 단계;Forming a heat generating layer on the lower substrate in a predetermined pattern to generate heat according to the application of voltage and thereby control the pressure of the fluid; 상기 열발생층 상부에 절연막을 형성하는 단계;Forming an insulating film on the heat generating layer; 상기 절연막 상부에, 상기 열발생층에서 발생된 열에 따라 팽창하는 맴브레인을 형성하는 단계;Forming a membrane on the insulating layer, the membrane expanding in accordance with heat generated from the heat generating layer; 상기 맴브레인의 표면에 식각용 구멍을 형성하여, 상기 식각용 구멍을 통해 상기 절연층의 전부 또는 일부분을 식각하여 캐비티를 형성하는 단계; 및Forming a hole in the surface of the membrane to form a cavity by etching all or part of the insulating layer through the hole for etching; And 상기 맴브레인의 상부에 상부기판을 형성하여, 상기 맴브레인과 상부 기판을 경계로 포함하는 유체 수송로를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 수송용 마이크로 펌프 제조 방법.And forming an upper substrate on the membrane to form a fluid transportation path including the membrane and the upper substrate as a boundary. 제 5 항에 있어서, 상기 맴브레인을 형성한 후, 상기 맴브레인의 상부표면에 주름을 형성하기 위해 포토래지스트를 도포하고, 부분적으로 잔류시켜 식각공정을 실시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 수송용 마이크로 펌프 제조 방법.6. The fluid of claim 5, further comprising, after forming the membrane, applying a photoresist to form wrinkles on the upper surface of the membrane, and partially performing an etching process. Method for manufacturing a micro pump for transport. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 캐비티를 형성한 후, 상기 식각용 구멍을 포토레지스트, 절연막 또는 폴리머 등으로 캡핑하는 것을 특징으로 하는 것을특징으로 하는 유체 수송용 마이크로 펌프 제조 방법.The method of claim 5 or 6, wherein after the cavity is formed, the etching hole is capped with a photoresist, an insulating film, a polymer, or the like. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 캐비티를 형성하는 단계는, 무수불화수소 및 알코올류를 포함하여 기상식각방법으로 수행하는 것을 특징으로 하는 유체 수송용 마이크로 펌프 제조 방법.The method of claim 5 or 6, wherein the forming of the cavity is performed by a gas phase etching method including hydrogen anhydride and alcohols. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 열발생층 및 상기 맴브레인은 폴리실리콘으로 형성하는 것을 특징으로 하는 유체 수송용 마이크로 펌프의 제조 방법.The method of claim 5 or 6, wherein the heat generating layer and the membrane are formed of polysilicon. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 하부기판은 실리콘 기판이고, 상기 상부기판은 유리기판인 것을 특징으로 하는 유체 수송용 마이크로 펌프의 제조 방법.The method of claim 5 or 6, wherein the lower substrate is a silicon substrate, and the upper substrate is a glass substrate.
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