KR20040106154A - Micro expansion valve using micro-electro-mechanical device and manufacturing method micro-electro-mechanical device - Google Patents

Micro expansion valve using micro-electro-mechanical device and manufacturing method micro-electro-mechanical device Download PDF

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Abstract

PURPOSE: A small expansion valve using a micro electro-mechanical device, and a method for manufacturing a micro electro-mechanical valve device are provided to realize an inexpensive and small valve by mass-producing and easily assembling the valve. CONSTITUTION: A lower substrate(7) has a micro flow channel processed in through-hole shape. A valve stopper(5) freely moves in horizontal direction in parallel with a surface of the lower substrate. An elastic spring(3-1) is installed on the lower substrate for supporting the valve stopper and providing restoring force. An in-plane micro actuator(8) is installed on the lower substrate for driving the valve stopper in horizontal direction. A conductor line and electrode pad(9) is formed on the lower substrate for applying driving power source to the micro actuator. An upper substrate has a micro flow channel opening(6-1) communicated with the micro flow channel of the lower substrate, and is opened and shut by the valve stopper.

Description

미세 기전 소자를 이용한 초소형 팽창 밸브 및 미세 기전 밸브 소자 제조방법{MICRO EXPANSION VALVE USING MICRO-ELECTRO-MECHANICAL DEVICE AND MANUFACTURING METHOD MICRO-ELECTRO-MECHANICAL DEVICE}MICRO EXPANSION VALVE USING MICRO-ELECTRO-MECHANICAL DEVICE AND MANUFACTURING METHOD MICRO-ELECTRO-MECHANICAL DEVICE}

본 발명은 유로 관(flow channel) 내를 흐르는 유체의 흐름을 단속하거나 유량을 조절하기 위한 유체 제어 밸브(fluidic valve)에 관한 것으로, 공조기 또는냉장고 등의 냉각 장치에 쓰이는 냉매(refrigerant) 등의 액체의 흐름을 단속하고 유량을 조절하거나, 관 내에 흐르는 소정의 기체의 유량 또는 액체 상태와 기체 상태가 혼재하는 유체의 흐름을 조절하는 유체 밸브 장치에 관한 것이며, 특히 냉동 사이클(cycle) 팽창 장치(expansion apparatus)로서, 고온/고압의 액체 상태의 냉매를 교축 작용에 의하여 저온/저압의 상태로 단열 팽창 시키고, 동시에 냉각 장치에 필요한 소정의 냉매의 양을 조절하여 공급하는 기능을 수행하는 미세 기전 소자를 이용한 초소형 팽창 밸브 및 미세 기전 밸브 소자 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a fluid valve for regulating or regulating the flow of a fluid flowing in a flow channel. The present invention relates to a liquid such as a refrigerant used in a cooling device such as an air conditioner or a refrigerator. To a fluid valve device that regulates the flow of gas and regulates the flow rate, or regulates the flow rate of a predetermined gas flowing in a tube or the flow of a liquid in a liquid state and a gas state, and in particular, a refrigeration cycle expansion device. As an apparatus, a micromechanical element which performs a function of adiabatic expansion and expansion of a liquid refrigerant having a high temperature / high pressure in a low temperature / low pressure state by a throttling action, and at the same time controlling and supplying a predetermined amount of refrigerant required for a cooling device. The present invention relates to a method for manufacturing a micro expansion valve and a micromechanical valve element.

기존 기술에 의한 선형 유체 제어 밸브의 경우에는 개도(orifice)의 개방 정도를 조절하기 위해 바늘 형상의 밸브 로드(valve rod)를 개구로부터 소정의 변위만큼 이동하여 개구의 개방 면적을 선형적으로 조절함으로써 동작이 이루어진다. 이러한 바늘 형상의 밸브 로드의 이동을 위해 기존의 선형 유량 제어 밸브에서는 밸브 로드를 전동 스텝 모터(stepping motor)의 회전 축(rotor shaft)에 연결된 회전 운동을 직선 운동으로 변환하는 기어(gear) 또는 나사(screw) 구조에 연결하여 스텝 모터에 인가되는 구동 전원의 펄스(pulse) 수에 비례하여 밸브 로드가 축 방향으로 변위가 발생하도록 하는 방식이 이용된다. 그러나, 밸브 로드의 변위를 발생시키기 위한 모터는 가격이 비싸므로 밸브 장치의 단가를 상승시키고, 모터 부품의 회전 축과 밸브 로드가 위치하는 유로 관 간의 기밀 접합(hermetic sealing)이 필요하므로 밸브 장치 제조 시 조립 공정이 어렵고 공정 비용이 상승하게 된다. 또 다른 기존의 선형 유량 조절 밸브로는 밸브 로드의 위치 조절을 위하여 밸브 로드의 일부에 박판인 다이아프램(diaphragm) 또는 멤브레인(membrane)을 연결하고, 밸브 로드가 연결된 다이아프램 이면에 압력 조절이 가능한 별도의 가압 공간을 마련하여, 이 가압 공간에 충진 된 소정의 유체를 가열함으로써 발생하는 팽창 압력에 의해 다이아프램이 변형됨으로써 발생되는 밸브 로드의 변위를 이용하는 다이아프램 밸브도 이용되고 있다. 이 다이아프램 밸브 역시 별도의 가압 공간을 마련하여야 하므로 밸브 장치의 소형화가 어렵고, 가압 공간의 가열에 의한 팽창 압력을 이용하므로 선형 동작을 위한 밸브의 응답 속도가 느리며, 발열에 의한 전력 소모가 크다는 단점이 있다. 또한, 솔레노이드 구동기를 이용한 밸브는 개폐 동작에 국한 된 용도에는 적합하나, 유체의 선형 제어에는 적합하지 않고 구성 부품이 복잡하며 개폐 동작 시 소음이 심하다는 단점이 있다.In the case of a linear fluid control valve according to the prior art, in order to adjust the opening degree of the orifice, the opening area of the opening is linearly adjusted by moving a needle-shaped valve rod from the opening by a predetermined displacement. The operation is made. In order to move the needle-shaped valve rod, a conventional linear flow control valve is a gear or screw that converts the rotation of the valve rod connected to the rotor shaft of the electric stepping motor into a linear movement. A method is used in which the valve rod is displaced in the axial direction in proportion to the number of pulses of the driving power applied to the step motor by connecting to a screw structure. However, since the motor for generating displacement of the valve rod is expensive, the unit price of the valve device is increased, and a hermetic sealing between the rotational axis of the motor part and the flow path tube in which the valve rod is located is required to manufacture the valve device. The assembly process is difficult and the process cost increases. Another conventional linear flow regulating valve is to connect a thin diaphragm or membrane to a part of the valve rod to adjust the position of the valve rod, and to adjust the pressure behind the diaphragm to which the valve rod is connected. The diaphragm valve which uses the displacement of the valve rod which produces | generates another pressurization space and deforms the diaphragm by the expansion pressure which arises by heating the predetermined fluid filled in this pressurization space is also used. Since the diaphragm valve also needs to provide a separate pressurized space, it is difficult to miniaturize the valve device, and as the diaphragm valve uses the expansion pressure by heating the pressurized space, the response speed of the valve for linear operation is slow and the power consumption by the heat generation is high. There is this. In addition, the valve using the solenoid actuator is suitable for the application limited to the opening and closing operation, but it is not suitable for the linear control of the fluid, there is a disadvantage that the components are complicated and the noise is severe during the opening and closing operation.

본 발명은 상기한 바와 같은 기존 팽창 밸브의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 집적화된 미세 기전 소자(micro electro mechanical device)를 적용하여 부품 수를 줄이고, 밸브를 초소형화 할 수 있을 뿐아니라, 정밀 조립 필요성을 감소시킬 수 있으며, 또한, 초소형의 미세 밸브를 다수 개 배열 형태로 구성하여 유량을 디지털 제어 방식에 의해 조절할 수 있도록 한 미세 기전 소자를 이용한 초소형 팽창 밸브 및 미세 기전 밸브 소자 제조방법을 제공하고자 함에 목적이 있다.The present invention is to solve the problems of the existing expansion valve as described above, by applying an integrated micro electromechanical device (micro electro mechanical device) to reduce the number of parts, miniaturization of the valve, the need for precise assembly In addition, to provide a micro expansion valve and a micromechanical valve element manufacturing method using a micromechanical element to control the flow rate by a digital control method by configuring a plurality of ultra-small microvalve in an array form. There is a purpose.

보다 구체적으로 본 발명의 목적은 다음과 같다.More specifically, the object of the present invention is as follows.

① 유로 관 내의 유체의 흐름을 단속하거나 그 유량을 임으로 조절하는 초소형 유량 조절 밸브 장치를 제공하기 위한 것이다.(1) An object of the present invention is to provide a micro flow control valve device that intermittently regulates the flow of a fluid in a flow path tube or adjusts its flow rate.

② 또, 밸브 마개, 유로의 개구(valve opening), 밸브 마개를 지지하고복원력을 제공하는 탄성 스프링 요소 및 상기 밸브 마개로 상기 개구를 개폐할 수 있도록 밸브 마개를 구동시키기 위한 미세 구동기가 동일 기판 상에 집적된 미세 기전 소자인 미세 밸브 장치를 제공하기 위한 것이다.(2) In addition, a valve stopper, a valve opening, an elastic spring element for supporting the valve stopper and providing a restoring force, and a fine driver for driving the valve stopper to open and close the opening with the valve stopper are provided on the same substrate. It is to provide a fine valve device that is a micromechanical element integrated in the.

③ 또한, 상기 미세 밸브 구조물을 다수 개의 배열 형태로 동일 기판 상에 가공하여 소정 개수의 밸브를 열고 나머지는 닫아 유량을 조절하는 이른바 디지털 유량 조절 기능을 제공하기 위한 것이다.In addition, the fine valve structure is processed in the form of a plurality of arrangements on the same substrate to provide a so-called digital flow rate adjustment function to control the flow rate by opening a predetermined number of valves and closing the rest.

④ 상기 동일 기판 상에 집적되어 가공된 미세 밸브 또는 밸브 배열(array)과, 입 출력 포트를 포함하며, 상기 미세 밸브 구조물을 장착하기 위한 장착 홈 및 단열 팽창 작용이 일어나는 오리피스(orifice) 형상이 포함된 밸브 하우징을 조립하여 구성되는 초소형 팽창 밸브를 공개하고자 한다.④ includes a microvalve or valve array integrated and processed on the same substrate, an input / output port, a mounting groove for mounting the microvalve structure, and an orifice shape in which adiabatic expansion action takes place Disclosed is a micro expansion valve configured by assembling a valve housing.

⑤ 또 다른 목적은 상기 유량 조절 밸브를 에어컨의 실외기 또는 실내기 등의 예와 같이 냉매 등의 유체의 유량 조절, 팽창 및 냉각 성능 조절을 위한 팽창 밸브(expansion valve)에 적용하기 위한 것이다.(5) Another object is to apply the flow control valve to an expansion valve for controlling the flow rate, expansion and cooling performance of a fluid such as a refrigerant, such as an outdoor unit or an indoor unit of an air conditioner.

⑥ 상기 냉방기의 예에서 유로 관 내의 유체의 흐름을 반대로 할 경우인 난방 용 유체 순환 시에도 역 방향 유체의 흐름을 조절할 수 있는 양 방향(또는 정 역 방향) 구동의 밸브를 제공하기 위한 것이다.(6) In the example of the air conditioner, it is to provide a valve for driving in both directions (or forward and backward directions) that can control the flow of the reverse fluid even when the fluid flow for the heating is reversed.

도 1은 본 발명에 의한 미세 기전 소자(micro electro mechanical device)를 적용한 유량 조절용 초소형 유체 제어 밸브를 보인 도면으로서,FIG. 1 is a view showing a microfluidic fluid control valve for adjusting a flow rate using a micro electro mechanical device according to the present invention.

도 1a는 부분 절단 사시도.1A is a partially cutaway perspective view.

도 1b는 상부 하우징을 제거한 상태의 평면도.1B is a plan view of the upper housing removed.

도 1c는 도 1b의 A-A 절단면 개략도.FIG. 1C is a schematic view of the A-A cross section of FIG. 1B. FIG.

도 2는 미세 기전 밸브 소자 단위 셀(unit cell)의 구조를 보인 것으로,2 shows the structure of a micromechanical valve element unit cell,

도 2a는 사시도.2A is a perspective view.

도 2b는 평면도.2b is a plan view.

도 2c는 도 2b의 B-B 절단면단면도.FIG. 2C is a cross-sectional view taken along the line B-B in FIG. 2B. FIG.

도 3은 미세 기전 밸브 소자의 개폐 동작을 보인 도면으로서,3 is a view showing the opening and closing operation of the micromechanical valve element,

도 3a는 밸브가 열린 상태를 보인 부분 횡단면도 및 부분 종단면도.3A is a partial cross-sectional view and a partial longitudinal cross-sectional view showing the valve open.

도 3b는 밸브의 닫힘 상태를 보인 부분 횡단면도 및 부분 종단면도.3B is a partial cross-sectional view and a partial longitudinal cross-sectional view showing the closed state of the valve.

도 4는 다수 개의 배열 형태로 구성된 미세 기전 밸브 어레이를 보인 것으로,Figure 4 shows a micromechanical valve array composed of a plurality of arrangements,

도 4a는 3x3열로 배열된 미세 기전 밸브 어레이의 사시도.4A is a perspective view of a micromechanical valve array arranged in 3x3 rows.

도 4b는 3x3열로 배열된 미세 기전 밸브 어레이의 상부 평면도.4B is a top plan view of the micromechanical valve array arranged in 3x3 rows.

도 5는 미세 밸브 어레이 및 밸브 하우징을 조립하여 구성한 유량 조절 팽창 밸브를 보인 것으로,5 is a flow control expansion valve configured by assembling the fine valve array and the valve housing,

도 5a는 횡단면도.5A is a cross-sectional view.

도 5b는 상부 하우징이 조립되기 전 하부 하우징의 장착홈에 조립된 미세 밸브 어레이의 사시도.Figure 5b is a perspective view of the fine valve array assembled to the mounting groove of the lower housing before the upper housing is assembled.

도 6은 본 발명에 의한 미세 밸브 어레이에서 개방되는 밸브의 개수에 따른 출력 유량의 조절 특성을 보인 그래프.Figure 6 is a graph showing the adjustment characteristics of the output flow rate according to the number of valves opened in the fine valve array according to the present invention.

도 7은 미세 밸브의 상부 기판 부품에 대한 가공 공정도.7 is a machining process diagram for the upper substrate component of the fine valve.

도 8은 미세 유로 및 도체 배선 및 전극 패드가 형성된 하부 기판 부품의 가공 과정 공정도.8 is a process chart of a lower substrate component having a fine flow path, conductor wiring, and electrode pads formed thereon;

도 9는 상,하부 기판 부품을 접합(bonding)한 후 최종적으로 미세 밸브를 완성하는 제조 과정을 단계별로 보여준 공정도.Figure 9 is a process diagram showing the manufacturing process step by step of bonding the upper and lower substrate components (bonding) finally to complete the fine valve.

도 10은 본 발명에 의한 미세 기전 밸브 소자 또는 어레이를 이용한 유체 조절 밸브를 팽창 밸브(expansion valve)로 이용하는 에어컨디셔너 또는 냉장고 등의 냉각 기기용 열 교환 장치(heat exchanger)의 구성 실시예를 보여 주는 장치 구성도.10 is a device showing an embodiment of the configuration of a heat exchanger (heat exchanger) for a cooling device such as an air conditioner or a refrigerator using a fluid control valve using an micromechanical valve element or an array as an expansion valve according to the present invention. Diagram.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

1 : 상부 밸브 하우징 1-2 : 미세 현가 간극1: upper valve housing 1-2: fine suspension gap

3-1 : 스프링 4 : 상부 기판3-1: spring 4: upper substrate

5 : 밸브 마개 6 : 미세 유로5: valve cap 6: fine passage

6-1 : 미세 유로 개구 7 : 하부 기판6-1: micro-channel opening 7: lower substrate

8 : 수평 방향 미세 구동기 9 : 도체 배선 및 전극 패드8 horizontal fine driver 9 conductor wiring and electrode pad

9-1 : 도체 박막 10 : 미세 기전 밸브 소자9-1: conductor thin film 10: micromechanical valve element

11 : 기판 20 : 가스켓11 substrate 20 gasket

21 : 유체 유입구 22 : 유체 유출구21: fluid inlet 22: fluid outlet

23 : 전극 피드 스루 24 : 절연체23: electrode feed-through 24: insulator

25 : 장착홈 51 : 식각 마스크25: mounting groove 51: etching mask

51, 52 : 박막 53 : 박막51, 52: thin film 53: thin film

54 : 식각 마스크 100 : 미세 기전 밸브 소자 어레이54 etching mask 100 fine mechanism valve element array

200 : 초소형 유체 조절 밸브 장치 200' : 팽창 밸브200: micro fluid control valve device 200 ': expansion valve

300 : 압축 장치 301 : 유로 관300: compression device 301: euro tube

310 : 응결 장치 320 : 기화 장치310: condensation device 320: vaporization device

330 : 임시 저장 장치330: temporary storage

본 발명은 위와 같은 목적을 달성하기 위하여 관내(tube or pipe)를 흐르는 유체의 흐름을 단속하거나 그 유량을 임의로 조절하기 위한 유체 흐름 제어 밸브에 관한 것으로, 기존의 선형 팽창 밸브(linear expansion valve)나 개폐 기능을 갖는솔레노이드(solenoid) 밸브와 유사한 유량 제어 기능을 제공하기 위한 밸브의 구조 및 작동 원리, 제조 방법을 제공한다.The present invention relates to a fluid flow control valve for controlling the flow of the fluid flowing through the tube (tube or pipe) or to arbitrarily control the flow rate in order to achieve the above object, a conventional linear expansion valve (linear expansion valve) or To provide a flow control function similar to a solenoid valve having an opening / closing function, a valve structure, a working principle, and a manufacturing method are provided.

본 발명에 의한 미세 기전 소자에 의한 유체 제어 밸브(초소형 미세 밸브)는 유체가 통과하는 미세 유로(flow channel), 상기 유로 일단의 개구를 막을 수 있는 밸브 마개 미세 구조물, 상기 밸브 마개에 연결되어 밸브 마개를 지지(suspend)하며 밸브 마개의 변위에 비례한 복원력(restoring force)을 제공하는 탄성 스프링 요소(spring element), 상기 스프링 요소의 일 측을 기판에 고정하기 위한 앵커(anchor) 미세 구조물, 또한 상기 밸브 마개에 수평 방향 구동력을 제공하기 위한 미세 구동기(microactuator) 등으로 구성되며, 상기 구성 부품은 단일 기판(substrate) 상에 집적화되어 형성된다. 특히, 미세 유로의 일 측 개구는 기판 표면에 수직방향으로 형성되어 있으며, 상기 유로의 개구를 개폐 하기 위한 밸브 마개는 기판 표면과 수평인 방향으로 구동되도록 구성되는 특징이 있다. 또한, 상기 밸브 미세 구조가 장착되는 밸브 하우징(housing)은 상기 밸브 미세 구조물 기판을 용이하게 조립하여 부착할 수 있는 밸브 장착 홈과, 유체의 입 출력 단(inlet & outlet ports)이 형성되어 있으며, 유체의 단열 팽창이 일어나는 오리피스(orifice)가 상기 입 출력 포트에 더 포함되어 구성된다. 상기 밸브 하우징은 미세 밸브 장착 홈 및 유체 출력 포트를 포함한 하부 부품, 유체 입력 포트 및 미세 밸브에 전원을 공급하기 위한 피드-스루(feed-through)가 포함되어 구성된 상부 부품 및 상기 상 하부 부품을 조립할 때 양 부품 사이에 기밀 유지를 위한 밀봉용(sealing) 가스켓(gasket) 등으로 구성된다.The fluid control valve (miniature microvalve) by the micromechanical element according to the present invention is connected to a microfluidic channel through which a fluid passes, a valve cap microstructure capable of blocking an opening at one end of the channel, and a valve connected to the valve cap. An elastic spring element that supports the stopper and provides a restoring force proportional to the displacement of the valve stopper, an anchor microstructure for securing one side of the spring element to the substrate, And a microactuator or the like for providing a horizontal driving force to the valve cap, wherein the components are formed integrally on a single substrate. In particular, one side opening of the fine flow path is formed in a direction perpendicular to the substrate surface, and the valve cap for opening and closing the opening of the flow path is characterized in that it is configured to be driven in a direction parallel to the substrate surface. In addition, the valve housing in which the valve microstructure is mounted has a valve mounting groove for easily assembling and attaching the valve microstructure substrate, and inlet and outlet ports of the fluid are formed. An orifice in which adiabatic expansion of the fluid occurs is further included in the input and output ports. The valve housing includes a lower part including a microvalve mounting groove and a fluid output port, an upper part configured to include a feed-through for supplying power to the fluid input port and the microvalve and the upper lower part. It is composed of a sealing gasket (gasket) and the like for maintaining the airtightness between the two parts.

보다 구체적으로 본 발명에 의한 미세 기전 밸브 소자는 미세 유로가 관통 공 형태로 가공되어 있는 하부 기판과, 상기 하부 기판의 표면에 평행한 수평 방향으로 움직임이 자유롭게 형성되는 밸브 마개와, 상기 밸브 마개를 유동 가능하게 지지하고 복원력을 제공하도록 상기 하부 기판에 형성되는 탄지수단과, 상기 밸브 마개를 수평 방향으로 구동시키기 위하여 상기 하부 기판에 형성되는 수평 방향 미세 구동기와, 상기 미세 구동기에 구동 전원을 인가하기 위한 상기 하부 기판에 형성되는 도체 배선 및 전극 패드와, 상기 하부 기판의 미세 유로와 연통되고 상기 밸브 마개에 의해 개폐되는 미세 유로 개구가 형성되는 상부 기판을 포함하며, 상기 미세 구조물들이 집적된 상,하부 기판이 접합되어 구성된다.More specifically, the micromechanical valve element according to the present invention includes a lower substrate in which a micro flow path is processed in the form of a through hole, a valve stopper freely formed in a horizontal direction parallel to the surface of the lower substrate, and the valve stopper. A gripping means formed on the lower substrate so as to be able to flow and provide a restoring force, a horizontal micro driver formed on the lower substrate to drive the valve cap in a horizontal direction, and applying driving power to the micro driver. A conductive substrate and an electrode pad formed on the lower substrate, and an upper substrate having a micro channel opening communicating with the micro channel of the lower substrate and opened and closed by the valve cap, wherein the micro structures are integrated; The lower substrate is joined.

상기 탄지수단은 상기 밸브 마개를 지지하며 상기 밸브 마개의 변위에 비례하여 변위의 반대 방향으로 복원력을 제공하는 탄성체 스프링과, 상기 스프링의 양단부를 하부 기판에 고정시켜 상기 밸브 마개의 변위에 기준 위치를 제공하는 고정부를 포함하여 구성된다.The gripping means supports the valve stopper and provides an elastic spring that provides a restoring force in a direction opposite to the displacement in proportion to the displacement of the valve stopper, and fixing both ends of the spring to a lower substrate to provide a reference position to the displacement of the valve stopper. It is configured to include a fixing portion to provide.

또, 본 발명은 미세 기전 밸브 소자가 유체 유입, 출구를 각각 구비한 밸브 하우징의 내부에 장착되고, 상기 미세 기전 밸브 소자에 전원을 공급하기 위한 전원 공급 수단이 포함되어 구성된 것을 특징으로 하는 미세 가전 소자를 이용한 초소형 유체 조절 밸브.In addition, the present invention is a micro-electric appliance, characterized in that the micromechanical valve element is mounted inside the valve housing having fluid inlet and outlet, respectively, and a power supply means for supplying power to the micromechanical valve element is included. Subminiature fluid control valve using element.

본 발명의 다른 실시예는 상기 미세 기전 밸브 소자가 복수개 배열된 형태로 상,하부 기판에 집적되어 미세 기전 밸브 어레이 형태로 구성된다.Another embodiment of the present invention is integrated in the upper and lower substrates in the form of a plurality of micromechanical valve elements are arranged in the form of a micromechanical valve array.

상기 미세 기전 밸브 어레이는 유체 유입, 출구가 구비된 밸브 하우징의 내부에 장착되고, 외부와의 전원 연결을 위한 전극 피드 스루의 조립이 용이하도록 상기 각 미세 기전 밸브 소자의 도체 배선 및 전극 패드들을 상기 하부 기판의 테두리 영역의 소정 위치에 모이도록 형성하여 구성될 수 있다.The micromechanical valve array is mounted inside the valve housing provided with fluid inlet and outlet, and the conductor wiring and the electrode pads of the micromechanical valve elements are easily assembled to facilitate assembly of the electrode feedthrough for power connection to the outside. It may be formed so as to gather at a predetermined position of the edge region of the lower substrate.

본 발명의 또 다른 실시예에 의한 미세 기전 밸브 소자 제조방법은 웨이퍼 형태의 실리콘 기판을 시작 재료로 하여 기판의 상 하부 면에 각각 이후 식각 공정에서 식각 방지 마스크로 쓰이는 박막을 형성하는 단계와, 상기 실리콘 기판의 하부 면에 형성된 식각 마스크 박막 사이로 드러난 실리콘 하부 기판 면을 소정의 깊이만큼 식각하여 미세 현가 간극을 형성하고, 식각 마스크 박막을 선택적으로 식각하여 제거하는 단계와, 상기 실리콘 기판의 하부 면에 접합부 및 미세 유로 개구 형성용 식각 마스크 박막을 형성하는 단계와, 상기 단계에서 형성된 식각 마스크 박막 사이로 드러난 실리콘 부분을 소정의 깊이만큼 식각하여 미세 유로 개구를 한 후 상기 식각 마스크 박막을 선택적으로 제거하는 단계와, 상기 하부 기판용 웨이퍼의 일 면에 도체 박막을 증착하는 단계와, 상기 도체 박막을 패터닝하여 도체 배선 및 전극 패드 형상을 가공하기 위한 식각 마스크를 형성하는 단계와, 상기 식각 마스크 사이로 드러난 도체를 식각하여 제거하고 잔류 식각 마스크를 제거하여 도체 배선 및 전극 패드를 형성하는 단계와, 상기 도체 배선 및 전극 패드를 정렬하고 소정의 위치에 관통공을 가공하여 하부 기판 미세 유로를 형성하는 단계와, 상기 개별 공정에 의해 가공된 상부 기판 부품과 하부 기판 부품을 상부 기판 부품에 형성된 미세 유로 개구와 하부 기판 부품에 형성된 미세 유로가 겹치도록 정렬하여 접합하는 단계와, 상기 상부 기판 표면에 형성되어 있던 식각 마스크 사이로 드러난 상부 기판 부분을 하부 기판과의 접합면까지 식각하여 밸브 마개, 수평 방향 미세 구동기, 미세 유로 개구의 미세 구조물 형상을 완성하는 단계와, 잔류하는 상기 식각 마스크를 선택적으로 제거하고, 개별 칩 단위로 또는 복수개 단위로 기판 웨이퍼를 잘라내어 미세 기전 밸브 소자 또는 미세 기전 밸브 어레이를 완성하는 단계를 포함하여 구성된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a micromechanical valve element, using a silicon substrate in a wafer form as a starting material, respectively, forming a thin film, which is used as an anti-etch mask in an subsequent etching process, on the upper and lower surfaces of the substrate; Etching the lower surface of the silicon substrate exposed between the etching mask thin films formed on the lower surface of the silicon substrate to a predetermined depth to form a fine suspension gap, and selectively etching and removing the etching mask thin film; Forming an etch mask thin film for forming a junction portion and a micro flow path opening, and etching the silicon portion exposed between the etch mask thin films formed in the step to a predetermined depth to open the micro flow path and selectively removing the etch mask film And a conductor thin film on one surface of the lower substrate wafer. Forming an etching mask for processing the conductor wiring and the electrode pad shape by patterning the conductor thin film; etching and removing the conductor exposed between the etching mask and removing the residual etching mask; Forming an electrode pad, forming a lower substrate micro-channel by aligning the conductor wiring and the electrode pad and processing through holes at a predetermined position, and forming the upper substrate component and the lower substrate component processed by the individual process. And bonding the microchannel openings formed in the upper substrate component and the microchannels formed in the lower substrate component to overlap each other, and the upper substrate portion exposed between the etching masks formed on the upper substrate surface to the bonding surface with the lower substrate. Valve stopper by etching, horizontal fine drive, fine sphere of fine flow path opening The step of completing the water-like, and a residual the etch mask is selectively removed, and cut the substrate wafer in a separate chip unit or a plurality of units comprising the step of completing the micro-mechanism of the valve element or micro-mechanism valve array.

본 발명에서는 상기 유체 제어 밸브의 구조, 구동 원리 및 제조 방법을 공개하고자 하며, 발명의 상세한 내용 및 구성은 발명의 상세한 설명 부분에서 보다 분명해 질 것이다.In the present invention, it is intended to disclose the structure, driving principle and manufacturing method of the fluid control valve, the details and configuration of the invention will become more apparent in the detailed description of the invention.

이하, 본 발명을 첨부한 도면에 실시예를 들어 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the present invention will be described in detail as follows.

도 1은 미세 기전 소자(micro electro mechanical device)를 적용한 유량 조절용 초소형 유체 제어 밸브를 보인 도면으로서, 도 1a는 부분 절단 사시도, 도 1b는 상부 밸브 하우징을 제거한 상태의 평면도, 도 1c는 A-A 절단면 개략도를 각각 보이고 있다.1 is a view showing a microfluidic fluid control valve for flow rate control using a micro electro mechanical device, FIG. 1A is a partially cutaway perspective view, FIG. 1B is a plan view of an upper valve housing removed, and FIG. 1C is an AA cutaway schematic view. Is showing each.

먼저 도 1을 참조하면, 밸브 하우징(1),(2)의 내부에 미세 기전 밸브 소자(MEMS valve device)(10)가 장착되어 조립된 본 발명의 일 실시예에 의한 유량 조절용 초소형 유체 조절 밸브의 구조가 도시되어 있다.First, referring to FIG. 1, a microfluidic fluid control valve for controlling a flow rate according to an embodiment of the present invention in which a micromechanism valve device 10 is mounted and assembled inside the valve housings 1 and 2. The structure of is shown.

도시된 바와 같이 미세 유로 개구(opening or gate)(6-1)가 형성된 상부 기판(4) 구조물 등 기본적인 밸브 미세 구조물과 더불어 밸브 마개(5)의 개폐 구동을 수행하기 위한 미세 구동기(8)가 하부 기판(7)에 집적된 형태로 구성된 미세 기전밸브 소자(10)가 유체 유출구(outlet port)(22)가 형성되어 있는 하부 밸브 하우징(2)의 소정의 위치에 가공되어 상기 미세 기전 밸브 소자(10)를 정렬 장착하기 위한 장착홈(25)에 접합되어 장착되고, 유체 유입 구(inlet port)(21)가 형성된 또 다른 밸브 하우징인 상부 밸브 하우징(1)이 상기 하부 밸브 하우징(2)과 결합되어 기밀 조립됨으로써 초소형 유량 조절용 유체 제어 밸브가 완성된다. 상기 밸브 하우징(1),(2) 사이에는 유체의 누설(leakage)을 차단하기 위한 가스켓(gasket)(20) 부품을 더 결합하여 구성할 수도 있다.As shown in the drawing, a micro driver 8 for performing opening and closing driving of the valve plug 5 is provided along with a basic valve micro structure such as an upper substrate 4 structure having an opening or gate 6-1 formed therein. The micromechanism valve element 10 formed in an integrated form on the lower substrate 7 is processed at a predetermined position of the lower valve housing 2 in which the fluid outlet port 22 is formed, and thus the micromechanism valve element 10. An upper valve housing 1, which is another valve housing joined to and mounted to a mounting groove 25 for aligning and mounting a fluid inlet port 21, is formed in the lower valve housing 2. In combination with the hermetic assembly, the microfluidic fluid control valve is completed. The valve housing (1), (2) may be configured by further coupling a gasket (gasket) component for blocking the leakage of fluid (leakage).

또한, 상부 밸브 하우징(1)에는 밸브 하우징(1),(2) 사이에 봉합되어 장착된 미세 기전 밸브 소자(10)에 구동 전원을 인가할 수 있도록 전극 피드 스루(feed-through)(23)가 형성되어 밸브 외부로부터 구동 전원을 공급할 수 있도록 구성되며, 상부 밸브 하우징(1)이 금속인 경우에는 상기 전극 피드 스루(23)와의 사이에 절연체(24)를 이용하여 기밀 봉합(hermetic sealing)되도록 구성한다. 상기 하부 밸브 하우징(2)의 유체 유출구(22)는 상기 미세 기전 밸브 소자(10)를 통과한 유체가 단열 팽창이 일어날 수 있도록 좁은 폭을 갖는 관 형태의 오리피스(orifice)로 형성될 수 있으며, 이 경우 상기 초소형 유체 조절 밸브장치는 팽창 밸브로 사용할 수 있다.In addition, the upper valve housing 1 has an electrode feed-through 23 for applying driving power to the micromechanical valve element 10 sealed and mounted between the valve housings 1 and 2. Is formed to supply driving power from the outside of the valve, and in the case where the upper valve housing 1 is made of metal, it is hermetically sealed using the insulator 24 between the electrode feed-through 23 and the electrode feed-through 23. Configure. The fluid outlet 22 of the lower valve housing 2 may be formed of an orifice in the form of a tube having a narrow width such that the fluid passing through the micromechanical valve element 10 may cause adiabatic expansion, In this case, the microfluidic control valve device may be used as an expansion valve.

단일 미세 기전 밸브 소자(10)의 구조는 도 2에 상세히 도시되어 있으며, 도 2a는 사시도, 도 2b는 평면도, 도 2c는 B-B 절단면단면도를 각각 보이고 있다.The structure of the single micromechanical valve element 10 is shown in detail in FIG. 2, FIG. 2A is a perspective view, FIG. 2B is a top view, and FIG. 2C is a B-B cut cross-sectional view, respectively.

이하 도 2를 함께 참조하면, 하부 기판(7)의 표면에 평행한 수평 방향(in-plane)으로 움직임이 자유로운 밸브 마개(5)와, 이를 지지하며 밸브 마개(5)의 변위에 비례하여 변위의 반대 방향으로 복원력(restoring force)을 제공하는 탄성체 스프링(3-1)과, 상기 스프링(3-1)의 일 측을 하부 기판(7)에 고정시켜 밸브 마개(5)의 변위에 기준 위치(reference position)를 제공하는 고정부(anchor)(3)와, 또한, 상기 밸브 마개(5)를 수평 방향(in-plane)으로 구동시키기 위한 수평 방향 미세 구동기(in-plane microactuator)(8)와, 미세 유로(6)가 관통 공(through hole) 형태로 가공되어 있는 하부 기판(7), 그리고 상기 하부 기판(7) 위에 접합되는 상부 기판(4), 상기 하부 기판(7)의 미세 유로(flow channel)(6)와 연통되도록 상기 상부 기판(4)에 형성되고 상기 밸브 마개(5)의 운동에 의해 닫히거나 열리도록 기판 표면에 수평 방향으로 뚫려 있는 미세 유로 개구(6-1) 미세 구조물 등이 집적되어(integrated) 구성된다. 도 2에서 8-1은 구동력 전달부를 보인 것이다.Referring to FIG. 2 below, a valve stopper 5 which is free to move in an in-plane parallel to the surface of the lower substrate 7, which is supported and displaces in proportion to the displacement of the valve stopper 5. An elastic spring 3-1 which provides a restoring force in the opposite direction of and a side of the spring 3-1 fixed to the lower substrate 7 so as to be a reference position to the displacement of the valve stopper 5 an anchor 3 providing a reference position, and also a horizontal in-plane microactuator 8 for driving the valve stopper 5 in-plane. And a lower channel 7 in which the micro channel 6 is processed in the form of a through hole, and a micro channel of the upper substrate 4 and the lower substrate 7 bonded to the lower substrate 7. is formed in the upper substrate 4 so as to be in communication with the flow channel 6 and is closed or opened by the movement of the valve stopper 5. Microchannels opening bored in the horizontal direction on the surface (6-1) is the integrated such microstructure consists of (integrated). In FIG. 2, 8-1 shows a driving force transmission unit.

특히, 상기 미세 구동기(8)에 구동 전원을 인가하기 위한 도체 배선 및 전극 패드(9)가 하부 기판(7)에 형성되어 미세 구동기(8)에 전기적으로 연결되도록 구성되며 상기 각각의 전극 패드(9)에 상부 밸브 하우징(1)에 형성된 전극 피드 스루(23)가 접촉되어 구동 전원을 공급하게 된다.In particular, a conductor wiring and an electrode pad 9 for applying driving power to the micro driver 8 are formed on the lower substrate 7 to be electrically connected to the micro driver 8. 9) the electrode feed through 23 formed in the upper valve housing 1 is contacted to supply driving power.

또, 상기 밸브 마개(5)가 하부 기판(7) 상에서 자유로이 운동할 수 있도록 상기 밸브 마개(5) 및 탄성체 스프링(3-1)은 하부 기판(7)으로부터 소정의 간극만큼 이격되어 구성되며, 도 2c에 도시한 미세 기전 밸브 소자(10)의 단면 구조에 미세 현가 간극(1-2)이 이러한 기능을 제공한다.In addition, the valve cap 5 and the elastic spring 3-1 are configured to be spaced apart from the lower substrate 7 by a predetermined gap so that the valve cap 5 can freely move on the lower substrate 7. The fine suspension gap 1-2 provides this function in the cross-sectional structure of the micromechanical valve element 10 shown in FIG. 2C.

이러한 본 발명에 의한 미세 기전 밸브 소자(10)에서 밸브 마개(5)의 개폐 동작을 제공하는 미세 구동기(8)는 전술한 바와 같이 기판 표면과 평행하게(in-plane) 구동 변위를 발생하며, 정전기 구동력을 이용한 정전형 구동기(electrostatic actuator), 열 변형력을 구동력으로 이용하는 전열 구동기(electro-thermal actuator), 또는 상기 구동 원리를 융합한 복합 구동기로도 구성이 가능하다.In the micromechanical valve element 10 according to the present invention, the micro driver 8 providing the opening and closing operation of the valve cap 5 generates a drive displacement in-plane with the substrate surface as described above. An electrostatic actuator using an electrostatic driving force, an electro-thermal actuator using a thermal strain force as a driving force, or a complex driver incorporating the above driving principle can be configured.

도 3은 하나의 미세 기전 밸브 소자(10)의 밸브 개폐 동작을 보여주기 위한 개략도이며, 도 3a에는 밸브가 열린 상태를 보인 부분 횡단면도 및 부분 종단면도가 도시되고, 도 3b에는 밸브의 닫힘 상태를 보인 부분 횡단면도 및 부분 종단면도가 도시된 것으로, 도시된 그림은 열린 상태(3a)와 닫힌 상태(3b)의 두 가지(binary) 밸브 동작을 보여준다. 상기 수평 방향 미세 구동기(8)에 도체 배선 및 전극 패드(9)를 통하여 소정의 구동 전압 또는 구동 전류를 인가하게 되면, 수평 방향 구동(actuation)에 의해 밸브 마개(5)가 이동하여 미세 유로 개구(6-1)를 막게 되며, 상기 구동 전압 또는 전류를 제거하면 밸브 마개(5)에 연결된 탄성 스프링(3-1) 구조물의 복원력에 의해 밸브 마개(5)가 도 3a의 초기 위치로 돌아오게 되어 밸브가 열리게 되는 것이다.FIG. 3 is a schematic view showing a valve opening and closing operation of one micromechanical valve element 10, and FIG. 3A shows a partial cross-sectional view and a partial longitudinal cross-sectional view showing a valve open state, and FIG. 3B shows a closed state of the valve. The partial cross sectional and partial longitudinal cross sectional views shown are shown, and the illustrated figure shows two valve operations, an open state 3a and a closed state 3b. When a predetermined drive voltage or drive current is applied to the horizontal micro driver 8 through the conductor wiring and the electrode pad 9, the valve plug 5 is moved by horizontal actuation to open the micro flow path. (6-1), the removal of the drive voltage or current causes the valve stopper (5) to return to the initial position of Figure 3a by the restoring force of the elastic spring (3-1) structure connected to the valve stopper (5) The valve will open.

상기 구동 전압 또는 구동 전류의 크기를 조절하여 밸브 마개(5)를 상기 완전 열린 위치(도 3a)와 완전히 닫힌 위치(도 3b) 사이의 소정의 위치에 머물도록 하면, 상기 미세 밸브를 통과하는 유체의 양을 임의로 조절할 수 있는 아날로그 유량 제어가 가능하다. 이에 더하여 상기 미세 밸브의 개폐 구동에 필요한 구동 전압(또는 전류)을 구형파(square wave) 형태의 펄스로 인가하여 소정의 주기(frequency)로 반복하여 실시하고, 밸브가 열린 시간(duration)과 닫힌 시간이점유하는 비(duty ratio)를 임의로 변경하여 밸브를 통과하는 유체의 시간 당 평균 유량을 조절하는 이른바 펄스(pulse width modulation)으로 유량을 조절할 수도 있다.By adjusting the magnitude of the drive voltage or drive current so that the valve stopper 5 stays at a predetermined position between the fully open position (FIG. 3A) and the fully closed position (FIG. 3B), the fluid passing through the fine valve It is possible to control the analog flow which can adjust the amount of. In addition, the driving voltage (or current) required for opening and closing the microvalve is applied as a pulse in the form of a square wave, and is repeatedly performed at a predetermined frequency, and the valve is opened and closed. The flow rate can also be controlled by so-called pulse width modulation, which arbitrarily alters the duty ratio to control the average hourly flow rate of the fluid through the valve.

전술한 구동 원리는 하나의 미세 기전 밸브 소자(10)를 적용한 초소형 유체 조절 밸브의 제어에 관한 것이며, 본 발명에서는 상기의 미세 기전 밸브가 다수개의 배열(array) 형태로 구성되어 밸브 하우징에 봉합되어 구성된 초소형 유체 조절 밸브도 공개하고자 한다.The above-described driving principle relates to the control of a microfluidic fluid regulating valve to which one micromechanical valve element 10 is applied. In the present invention, the micromechanical valve is formed in a plurality of arrays and sealed in a valve housing. A microfluidic control valve configured is also disclosed.

도 4에는 상기 평행 방향 구동에 의한 미세 기전 밸브 소자 구조가 다수 개(도면에서는 3x3 배열) 배열된 미세 기전 밸브 소자 어레이(100)의 사시도 4a 및 평면 개략도 4b 도시한 것으로, 각각의 미세 밸브 구조는 앞서 설명한 단일 미세 기전 밸브 소자(10)와 동일하며, 단지 미세 유로(6)가 다수 개 형성된 하부 기판(7) 상에 상기 밸브의 구성 요소가 배열 형태로 집적되어 형성된 구조이며, 이 어레이 형태에서는 외부와의 전원 연결을 위한 전극 피드 스루(23)의 조립을 용이하게 하도록 하부 기판(7)의 소정의 테두리 영역에 도체 배선 및 전극 패드(9)들을 모아 놓는 것이 바람직하다.4 is a perspective view 4a and a schematic plan view 4b of the micromechanism valve element array 100 in which a plurality of micromechanism valve element structures by the parallel driving are arranged (3x3 arrangement in the drawing), and each microvalve structure is shown in FIG. It is the same as the single micromechanical valve element 10 described above, and has a structure in which the components of the valve are integrated in an array form on the lower substrate 7 having a plurality of microchannels 6 formed therein. It is preferable to collect the conductor wirings and the electrode pads 9 in a predetermined edge region of the lower substrate 7 so as to facilitate the assembly of the electrode feed through 23 for power connection to the outside.

그리고, 그림에서는 9개가 배열된 미세 밸브 중 4개는 완전히 닫힌 위치로 밸브 마개(5)가 구동되고, 나머지는 완전히 열린 상태로 유지된 경우를 예시하였다.In the figure, four of the nine fine valves are arranged in which the valve cap 5 is driven to the fully closed position, and the rest are kept fully open.

본 발명에서는 상기 그림의 예와 같이 배열의 임의의 개수의 밸브를 열어 상기 미세 밸브 소자 어레이(100)를 통과하는 유체의 유량을 조절하는이산(discrete) 구동 방식을 발명하였다. 즉, 임의의 N개의 동일한 미세 밸브 소자 어레이를 이용하게 되면 N+1 단계의 유량을 조절할 수 있게 되며, 이 경우 개별 미세 밸브는 디지털화 된 개폐 구동으로 제어하면 되므로, 간단한 디지털 제어의 특징을 활용할 수 있다.In the present invention, a discrete drive method of opening a predetermined number of valves in the array and adjusting the flow rate of the fluid passing through the microvalve element array 100 is disclosed. In other words, by using an arbitrary N identical microvalve element array, the flow rate of N + 1 stages can be adjusted, and in this case, individual microvalve can be controlled by digitized opening / closing operation, thereby taking advantage of simple digital control features. have.

도 5는 상기 미세 기전 밸브 소자 어레이(100)를 밸브 하우징(1),(2)에 봉입하여 구성한 초소형 유체 조절 밸브(200)를 보인 것으로, 도 5a는 단면도를 보인 것이고, 도 5b는 상부 밸브 하우징(1)을 조립하기 전 단계의 하부 밸브 하우징(2)에 장착 조립된 미세 밸브 소자 어레이의 사시도를 보여준다.FIG. 5 shows a microfluidic control valve 200 formed by encapsulating the micromechanical valve element array 100 in the valve housings 1 and 2, and FIG. 5A is a cross-sectional view, and FIG. 5B is an upper valve. A perspective view of a microvalve element array mounted and assembled to the lower valve housing 2 of the stage prior to assembling the housing 1 is shown.

이 그림에서는 하부 밸브 하우징(2)에 형성된 유체 유출구(22)에 단열 팽창 작용이 발생하는 좁은 오리피스(orifice)가 부가되어 가공된 초소형 팽창 밸브의 구조를 보여준다.This figure shows the structure of a micro expansion valve machined by adding a narrow orifice in which adiabatic expansion action occurs to the fluid outlet 22 formed in the lower valve housing 2.

도 6은 본 발명에 의한 미세 밸브 소자 어레이에서 개방되는 밸브의 개수에 따른 출력 유량의 조절 특성을 보인 그래프로서, 상기의 미세 기전 밸브 소자 어레이(100)를 전술한 디지털 구동 제어에 의해 동작시킬 경우의 출력 유량 특성을 보여 주는 그래프(graph)이다.FIG. 6 is a graph illustrating an adjustment characteristic of an output flow rate according to the number of valves opened in the microvalve element array according to the present invention, in which the micromechanical valve element array 100 is operated by the above-described digital driving control. This graph shows the output flow characteristics of.

그림에서 수평 축은 임의의 개수(그림에서는 N개)로 이루어진 미세 밸브 소자 어레이에서 열려있는 미세 밸브의 개수이며, 수직 축은 개방된 미세 밸브의 개수에 대응하여 출력되는 유량q를 나타낸다. 그림에서와 같이, 개방된 밸브의 수가 증가함에 따라 출력 유량이 계단 형태로 증가하는 이산화된 특성을 보이게 된다. 이 경우 이상적인 선형 제어 특성에 근사 된 N+1 단계의 유량 조절 특성을 얻게 된다.In the figure, the horizontal axis represents the number of open fine valves in an arbitrary number of microvalve element arrays, and the vertical axis represents the output flow q corresponding to the number of open fine valves. As shown in the figure, as the number of open valves increases, the output flow rate increases in a stepped form. In this case, we obtain N + 1 stage flow regulation characteristics approximating the ideal linear control characteristics.

도 7 내지 도 9는 본 발명에 의한 미세 기전 밸브 소자(10) 또는 미세 밸브 소자 어레이(100)를 제조하는 방법의 실시예를 공정 별로 도시한 도면으로서, 도 7은 미세 밸브의 상부 기판(4) 부품에 대한 가공 공정을, 도 8은 미세 유로(6)와, 도체 배선 및 전극 패드(9)가 형성된 하부 기판(7) 부품의 가공 과정을, 그리고 도 9는 상기 하부 기판(7)을 접합(bonding)한 후 최종적으로 미세 밸브를 완성하는 제조 과정을 단계별로 보여준다. 그림에서 도시한 제조 방법은 실리콘 미세 가공(silicon micromachining) 기술 및 반도체 일관 제조공정(batch fabrication process)을 이용한 상기 미세 기전 밸브의 대량 제조 방법의 하나의 실시예를 보여준다.7 to 9 are views showing processes of manufacturing the micromechanical valve element 10 or the microvalve element array 100 according to the present invention, by process, and FIG. 7 illustrates the upper substrate 4 of the microvalve. 8 shows a machining process of the component, FIG. 8 shows a machining process of the components of the lower substrate 7 having the fine flow path 6, the conductor wiring and the electrode pad 9, and FIG. 9 shows the lower substrate 7 After bonding, the manufacturing process is finally shown to complete the fine valve. The manufacturing method shown in the figure shows one embodiment of a mass production method of the micromechanical valve using silicon micromachining technology and a semiconductor batch fabrication process.

이하, 도 7 내지 도 9에 도시 된 공정 순서도를 참고하여 본 발명에 의한 초소형 유체 조절 밸브(200)의 구성 부품인 미세 기전 밸브 소자 또는 어레이(10, 100)의 제조 방법을 제조공정 단계별로 상술하면 다음과 같다. 실제의 제조공정에는 그림에 도시한 소자가 다수 개 형성되는 웨이퍼(wafer) 형태의 기판에 공정이 진행되는 반도체 가공 공정을 이용하여 제조된다.Hereinafter, a method of manufacturing a micromechanical valve element or array 10, 100, which is a component of the microfluidic control valve 200 according to the present invention, will be described in detail with reference to the process flowcharts illustrated in FIGS. 7 to 9. Is as follows. In the actual manufacturing process, a semiconductor processing process is performed in which a process is performed on a wafer-type substrate in which a plurality of devices shown in the figure are formed.

먼저 도 7에 의해 미세 밸브의 상부 기판 부품에 대한 가공 공정을 설명하면, 도 7(a)와 같이, 웨이퍼(wafer) 형태의 실리콘 기판(11)을 시작 재료로 하여 기판(11)의 상 하부 면에 각각 이후 식각(etching) 공정에서 식각 방지 마스크(etch mask)로 쓰이는 박막(51, 52)을 형성한다. 식각 방지 마스크의 재질은 이후 진행되는 실리콘 식각 공정에서 식각의 방법 및 식각 반응을 일으키는 화학물질에 따라 실리콘과의 식각 선택도(etch selectivity)가 높은 물질을 도포, 증착, 도금 등의 반도체 소자 일관 제조공정의 기술로 형성한다. 식각 마스크 물질로는 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 등의 유전체 박막과 소정의 두께로 도포(coating) 된 감광막(photoresist)을 사진 묘화 공정(photolithography)으로 패터닝(patterning) 하여 이용할 수도 있으며, 알루미늄, 크롬, 금 등의 다양한 금속 박막 역시 이용할 수 있다.First, the machining process of the upper substrate component of the microvalve will be described with reference to FIG. 7. As shown in FIG. 7A, the upper and lower portions of the substrate 11 are formed using a wafer-shaped silicon substrate 11 as a starting material. The thin films 51 and 52, which are used as etch masks, are formed on the surfaces, respectively, in an etching process. The material of the anti-etch mask is a semiconductor device such as coating, vapor deposition, plating, etc., which has a high etch selectivity with silicon depending on the etching method and the chemicals causing the etching reaction in the subsequent silicon etching process. Form by the technology of the process. As an etching mask material, a dielectric thin film such as a silicon oxide film or a silicon nitride film and a photoresist coated with a predetermined thickness may be used by patterning by photolithography. Various metal thin films, such as these, can also be used.

이어서 도 7(b)와 같이, 실리콘 기판(11)의 하부 면에 형성된 식각 마스크 박막(52) 사이로 드러난 실리콘 하부 기판 면을 소정의 깊이만큼 식각하여 미세 현가 간극(release gap)(1-2)을 형성하고, 식각 마스크 박막(52)을 선택적으로 식각하여 제거한다.Subsequently, as shown in FIG. 7B, the surface of the lower silicon substrate exposed between the etching mask thin films 52 formed on the lower surface of the silicon substrate 11 is etched by a predetermined depth to release a fine suspension gap 1-2. Next, the etching mask thin film 52 is selectively etched and removed.

이어서 도 7(c)와 같이, 기판(11)의 하부 면에 접합부(bonding area) 및 미세 유로 개구(6-1) 형성용 식각 마스크 박막(53)을 박막 증착 공정에 이은 사진 묘화 공정을 이용하여 형성한다.Subsequently, as illustrated in FIG. 7C, a photo-drawing process followed by a thin film deposition process is performed on the etching mask thin film 53 for forming a bonding area and the microchannel opening 6-1 on the lower surface of the substrate 11. To form.

이어서, 도 7(c)와 같이 상기 단계에서 형성된 식각 마스크 박막(53) 사이로 드러난 실리콘 부분을 실리콘 깊은 반응성 이온 식각(silicon deep reactive ion etching) 등의 마이크로머시닝(micromachining) 기술로 소정의 깊이만큼 식각하여 미세 유로 개구(6-1)를 한 후 상기 식각 마스크 박막(53)을 선택적으로 제거한다.Subsequently, the silicon portions exposed between the etching mask thin films 53 formed in the step as shown in FIG. 7C are etched to a predetermined depth by a micromachining technique such as silicon deep reactive ion etching. After the fine flow path opening 6-1, the etch mask thin film 53 is selectively removed.

또한, 도 8에 의해 미세 유로 및 도체 배선 및 전극 패드가 형성된 하부 기판 부품의 가공 공정을 설명하면, 도 8a와 같이 별도로 준비한 유리(glass) 또는 실리콘(silicon) 등의 하부 기판(7)용 웨이퍼(wafer)의 일 면에 금속 등의 도체 박막(9-1)을 증착(deposition) 한다. 증착의 방법은 통상적인 반도체 소자 제조 기술인 스퍼터링(sputtering), 승화(evaporation), 화학 기상 증착(CVD; chemical vapor deposition), 도금(electroplating) 등의 다양한 방법으로 시행할 수 있다.In addition, referring to FIG. 8, a process of fabricating a lower substrate component including a microchannel, conductor wiring, and electrode pad is described below. A wafer for a lower substrate 7, such as glass or silicon, separately prepared as illustrated in FIG. 8A. A conductive thin film 9-1, such as a metal, is deposited on one surface of a wafer. The deposition method may be performed by various methods such as sputtering, evaporation, chemical vapor deposition (CVD), and electroplating, which are conventional semiconductor device manufacturing techniques.

이어서 도 8b와 같이 증착 된 금속 등의 도체 박막 표면에 상기 금속 등의 도체 박막을 패터닝(patterning) 하여 도체 배선 및 전극 패드(9) 형상을 가공하기 위한 감광막(photoresist) 등의 식각 마스크(54)를 사진 묘화 공정으로 형성한다.Subsequently, an etching mask 54 such as a photoresist for processing the shape of the conductor wiring and the electrode pad 9 by patterning the conductor thin film such as the metal on the surface of the conductive thin film such as metal deposited as shown in FIG. 8B. Is formed by a photo drawing process.

이어서 도 8c와 같이 상기 식각 마스크(54) 사이로 드러난 금속 등의 도체를 식각하여 제거하고 잔류 식각 마스크(54)를 제거하여 도체 배선 및 전극 패드(9)를 완성한다.Subsequently, as illustrated in FIG. 8C, conductors such as metals exposed between the etching masks 54 are etched and removed, and the residual etching masks 54 are removed to complete the conductor wiring and the electrode pad 9.

이어서 도 8d와 같이 도체 배선 및 전극 패드 패턴을 정렬(align)하여 소정의 위치에 관통 공(through hole)을 가공하여 하부 기판 미세 유로(6)를 형성한다.Subsequently, as shown in FIG. 8D, the conductor wirings and the electrode pad patterns are aligned to form through holes at predetermined positions to form the lower substrate micro-channels 6.

관통 공 가공은 정밀 기계 가공에 의한 드릴링(drilling), 정밀 방전 가공(electro-discharge machining), 이방성 식각(anisotropic etching) 등의 다양한 방법으로 시행할 수 있다.Through-hole machining can be carried out by a variety of methods, such as drilling by precision machining, electro-discharge machining, anisotropic etching.

도 9는 상,하부 기판 부품을 접합(bonding)한 후 최종적으로 미세 밸브를 완성하는 제조 과정을 단계별로 보여준 공정도로서, 도 9(a)와 같이 상기 독립적인 개별 공정에 의해 가공된 상부 기판(4) 부품과 하부 기판(7) 부품을, 상부 기판(4) 부품에 형성된 미세 유로 개구(6-1)와 하부 기판(7) 부품에 형성된 미세 유로(6)가 겹치도록 정렬(align) 하여 접합(bonding) 한다. 접합 방법은 상부 기판(4)이 실리콘이고 하부 기판(7)이 소다 함유 유리(sodalime glass)일 경우 마이크로머시닝 기술의 하나인 실리콘 유리 간 양극 접합(silicon glass anodic bonding) 기술을 적용할 수 있고, 양 기판의 접합 부위에 솔더(solder)를 삽입하여 접합하는 솔더 접합(solder bonding), 소정의 접합제(adhesive)를 이용한 에폭시 접합(epoxy bonding) 방법 등을 적용할 수 있다.FIG. 9 is a process diagram illustrating a manufacturing process in which a fine valve is finally completed after bonding upper and lower substrate components. The upper substrate processed by the independent individual processes as shown in FIG. 4) The components and the lower substrate 7 parts are aligned so that the micro channel openings 6-1 formed in the upper substrate 4 part overlap with the micro channel 6 formed in the lower substrate 7 part so as to overlap each other. Bonding. In the bonding method, when the upper substrate 4 is silicon and the lower substrate 7 is sodalime glass, silicon glass anodic bonding technology, which is one of micromachining techniques, may be applied. Solder bonding in which solder is inserted into the bonding portions of both substrates, and an epoxy bonding method using a predetermined adhesive may be used.

이어서 도 9(b)와 같이 상부 기판(4) 표면에 형성되어 있던 기판 상부면 패터닝용 식각 마스크(51) 사이로 드러난 상부 기판(4) 부분을 실리콘 깊은 반응성 이온 식각(silicon deep RIE) 방법으로 하부 기판(7)과의 접합면까지 식각하여 밸브 마개(5), 수평 방향 미세 구동기(8), 미세 유로 개구(6-1) 등의 미세 구조물 형상을 완성한다.Subsequently, a portion of the upper substrate 4 exposed between the etching mask 51 for patterning the upper surface of the substrate formed on the upper substrate 4 surface as shown in FIG. 9B is lowered by a silicon deep RIE method. By etching to the junction surface with the board | substrate 7, the microstructure shape, such as the valve plug 5, the horizontal micro driver 8, and the micro channel opening 6-1, is completed.

이어서 도 9(c)와 같이 잔류하는 상기 식각 마스크(51)를 선택적으로 제거하고, 개별 칩(chip) 단위로 하부 기판 웨이퍼를 잘라내어(dicing) 미세 기전 밸브 소자(10) 또는 어레이(100)를 완성한다.Subsequently, as shown in FIG. 9C, the remaining etching mask 51 may be selectively removed, and the lower substrate wafer may be cut in units of individual chips, thereby removing the fine mechanism valve element 10 or the array 100. Complete

이상과 같은 공정 단계를 거쳐 집적화되어 가공된 미세 기전 밸브 소자 또는 어레이 형태의 부품을 장착홈(25)이 가공되어 있는 하부 밸브 하우징(housing)(2)에 장착하여 접합하고, 기밀 조립을 위한 가스켓(20)을 삽입한 후, 상부 밸브 하우징(1)을 조립하고, 두 밸브 하우징을 봉인(sealing)하여 초소형 유체 조절 밸브(200)를 완성한다.The micro-electromechanical valve element or array-type component integrated and processed through the above process steps is mounted and bonded to the lower valve housing 2 in which the mounting groove 25 is processed, and the gasket for hermetic assembly After inserting (20), the upper valve housing (1) is assembled and the two valve housings are sealed to complete the microfluidic control valve (200).

도 10은 본 발명에 의한 미세 기전 밸브 소자(10) 또는 어레이(100)를 이용한 유체 조절 밸브(200)를 팽창 밸브(expansion valve)로 이용하는 에어컨디셔너 또는 냉장고 등의 냉각 기기용 열 교환 장치(heat exchanger)의 구성 실시예를 보여 주는 장치 구성도이다.10 is a heat exchanger for a cooling device such as an air conditioner or a refrigerator using the fluid control valve 200 using the micromechanical valve element 10 or the array 100 as an expansion valve according to the present invention. A device configuration diagram showing an embodiment of the configuration).

유체의 흐름을 따라 이 열 교환 장치의 구성을 설명하면, 압축 장치(compressor)(300)에서 고압으로 압축된 기체 상태의 냉매(refrigerant)가 유로 관(pipe)(301)을 통하여 응결 장치(condenser)(310)에 흘러 들어 액체 상태로 응결(condensation) 된다. 응결 과정에서 냉매로부터 방출되는 잠열(latent heat)은 응결 장치를 통하여 외부 환경으로 발산된다. 응결 장치(310)를 지나 액화된 냉매(R)는 유로 관(301)을 통하여 냉매 임시 저장 용기(receiver)(330)를 거쳐 본 발명에 의한 유체 조절 밸브(200)를 이용한 팽창 밸브(expansion valve)(200')로 인입된다. 도면에는 표시되지 않았지만, 상기 임시 저장 장치(330)는 냉매에 혼입 되거나 냉매에서 생성될 수 있는 입자를 걸러내는 여과 장치(filter), 상기 냉매에 혼입 되는 수분 등의 불순물 성분을 제거하기 위한 증발 장치(drier) 등이 더 포함되어 구성된다. 팽창 밸브(200')의 입력 단, 유체 유입구(21)에 유입된 냉매는, 미세 기전 밸브 소자 어레이(100)의 디지털 유량 제어에 의해 원하는 만큼의 유량이 유체 유출구(22)로 흘러 들게 되며, 도 5a와 같이 유체 유출구(22)에 부가되어 형성되어 있는 좁은 오리피스(orifice)(22a)를 통해 저압의 출력 단 측으로 분출되는 냉매는 유체의 단열 팽창 원리에 의해 온도가 급격히 낮아지고 밀도가 낮은 입자 상태로 변하게(atomize) 된다. 이 단열 팽창 작용은 전술한 바와 같이 본 발명에 의한 미세 기전 밸브 소자 어레이(100)의 열린 미세 밸브 개수를 디지털화하여 조절함으로써 선형특성에 근사하여 제어할 수 있게 되어, 냉각 효율 또는 냉방 능력을 용이하게 제어할 수 있는 기능을 제공하게 된다. 단열 팽창에 의해 입자화된(atomized) 냉매는 유체 조절 밸브(200)의 유체 유출구(22) 측에 연결된 기화 장치(evaporator)(320)로 이송되며, 이 기화 장치(320)에서는 입자화 된 냉매가 기화 장치(320) 주변의 환경으로부터 열을 빼앗아 기화(vaporize)가 진행됨으로써 냉각 기능을 수행하게 되는 것이다. 기화 된 냉매는 유로 관(301)을 통하여 다시 압축 장치(300)로 들어가며, 전술한 과정이 반복적으로 순환되는 냉각 장치용 유체 폐회로(fluidic circuit or cycle)가 완성된다. 이 순환 과정에서 팽창 밸브(200')를 통과하는 유량을 본 발명에 의한 미세 기전 밸브 소자 어레이로 구성된 유량 조절 밸브에 의해 임의로 조절하면, 냉방(또는 냉각) 효율을 임의로 조절할 수 있게 되는 것이다.Referring to the configuration of this heat exchange device along the flow of the fluid, a gaseous refrigerant compressed by a high pressure in the compressor (300) is condensed (condenser) through the flow pipe (301) It flows into the 310 and condensation (condensation) in the liquid state. Latent heat released from the refrigerant during the condensation process is dissipated to the external environment through the condensation device. The refrigerant R liquefied after passing through the condensation device 310 is expanded through a flow path tube 301 through a refrigerant temporary reservoir 330 and an expansion valve using the fluid control valve 200 according to the present invention. 200 '. Although not shown in the drawing, the temporary storage device 330 is a filter for filtering particles that may be mixed in or generated in the refrigerant, and an evaporation device for removing impurity components such as moisture mixed in the refrigerant. (drier) and the like are further included. The refrigerant flowing into the inlet 21 of the expansion valve 200 ′ flows into the fluid outlet 22 as much as desired by digital flow control of the micromechanical valve element array 100. Refrigerant ejected to a low pressure output end side through a narrow orifice 22a formed in addition to the fluid outlet 22 as shown in FIG. 5A has a low temperature and low density particles due to the adiabatic expansion principle of the fluid. It is atomized. This adiabatic expansion action can be controlled by approximating the linear characteristics by digitizing and adjusting the number of open fine valves of the micromechanical valve element array 100 according to the present invention as described above, thereby facilitating cooling efficiency or cooling ability. It provides a function to control. The refrigerant atomized by the adiabatic expansion is transferred to an evaporator 320 connected to the fluid outlet 22 side of the fluid control valve 200, in which the granulated refrigerant is granulated. The vaporization takes place from the environment around the vaporization device 320 to vaporize (vaporize) to perform a cooling function. The vaporized refrigerant enters the compression device 300 again through the flow path tube 301, and a fluidic circuit or cycle for the cooling device in which the aforementioned process is repeatedly circulated is completed. In this circulation process, if the flow rate passing through the expansion valve 200 'is arbitrarily adjusted by the flow control valve composed of the micromechanical valve element array according to the present invention, the cooling (or cooling) efficiency can be arbitrarily adjusted.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 초소형 팽창 밸브는 마이크로머시닝(micromachining) 기술 및 반도체 일관 제조 공정(batch fabrication process)에 의해 가공되는 초소형 미세 구조물로 구성되는 밸브 마개, 탄성 스프링 요소, 유로 및 상기 밸브 마개를 구동하기 위한 초소형 구동기가 기판 상에 집적되어 구성되고, 상기 미세 구조물 밸브 부품이 장착되며 유로 입출력 포트(port) 및 오리피스(orifice), 전원 연결 수단이 부가된 밸브 하우징(housing)을 더 포함하여 구성된다. 또한, 상기 초소형 밸브 미세 구조물을 하나 이상의 다수 개의 배열(array) 형태로 형성하여 임의의 개수의 밸브를 개폐함으로써 유량을 조절하는 원리를 공개하며, 이 경우 상기 각 미세 밸브는 열리거나 닫히는 두 가지 상태로 제어하는 디지털 제어의 특징을 갖는다. 본 발명에 의한 밸브 미세 구조물의 동작은 밸브 시트(valve seat)를 개폐하는 밸브 마개(valve member)를 상기 구조물이 형성된 기판(substrate) 표면에 대해 수평인(lateral) 방향으로 구동하여 이루어지며, 상기 기판에 집적된 기판 표면 방향(in-plane) 미세 구동기(microactuator)가 상기 밸브 마개의 개폐 구동력을 제공하도록 구성된 것이다. 특히, 기판 표면 방향(in-plane) 미세 구동기로는 정전기력(electrostatic force)을 이용한 미세 구동기(electrostatic actuator), 저항체의 열 변형력을 이용하는 전열 구동기(electro-thermal actuator) 등을 적용하여 구성하는 것이다.As described above, the micro-expansion valve according to the present invention is a valve stopper, an elastic spring element, a flow path and the valve composed of micro-miniature structures processed by micromachining technology and a semiconductor batch fabrication process The micro driver for driving the stopper is integrated on the substrate, and further includes a valve housing to which the microstructure valve component is mounted, a flow path input / output port and orifice, and a power connection means are added. It is configured by. In addition, the present invention discloses the principle of controlling the flow rate by opening and closing any number of valves by forming the microvalve microstructure in one or more arrays, and in this case, each microvalve opens or closes in two states. It has the characteristics of digital control to control. The operation of the valve microstructure according to the present invention is performed by driving a valve member for opening and closing a valve seat in a direction lateral to a substrate surface on which the structure is formed. A substrate surface in-plane microactuator integrated in the substrate is configured to provide opening and closing driving force of the valve stopper. In particular, the in-plane micro driver may be configured by applying an electrostatic actuator using an electrostatic force, an electro-thermal actuator using a thermal strain force of a resistor, and the like.

상술한 바와 같은 본 발명에 관한 기술적 특징적인 부분을 요약하면 다음과 같다.Summarizing the technical features of the present invention as described above are as follows.

① 본 발명에 의한 유체 제어 밸브는 미세 기전 소자(micro electro mechanical device)로 동일 기판 상에 구성된 미세 유로, 밸브 개구(valve seat or gate), 밸브 마개, 밸브 마개 현가용 탄성 스프링 요소, 밸브 마개로 상기 밸브 개구를 개폐하기 위해 상기 밸브 마개의 변위를 조절하는 구동력을 제공하는 미세 구동기 등으로 구성된다.(1) The fluid control valve according to the present invention is a micro electro mechanical device (micro electro mechanical device) composed of a micro flow path, a valve opening (valve seat or gate), a valve stopper, a valve stopper elastic spring element, a valve stopper And a fine driver for providing a driving force for adjusting the displacement of the valve cap to open and close the valve opening.

② 상기 밸브 미세 구조물은 밸브의 개구가 기판 표면에 수직으로 형성되며, 밸브 마개가 밸브 개구를 개폐할 수 있도록 기판 표면에 대해 평행인 방향인 수평 구동기(in-plane actuator)에 의해 변위가 조절되는 미세 밸브. 특히, 상기 밸브 마개를 지지하는 탄성체 스프링 요소는 일 측이 기판에 고정(anchoring)되어 구성되며, 상기 밸브 마개의 구동 변위에 비례하는 복원력(restoring force)을 제공하는 기능을 담당하도록 상기 기판 상에 집적되어 형성된다.② The valve microstructure is a valve opening is formed perpendicular to the substrate surface, the displacement is controlled by a horizontal in-plane actuator in a direction parallel to the substrate surface so that the valve plug can open and close the valve opening Fine valve. In particular, the elastic spring element for supporting the valve stopper is configured on one side is anchored (anchoring) to the substrate, and on the substrate to be responsible for providing a restoring force proportional to the drive displacement of the valve stopper It is formed integrally.

③ 상기 밸브 미세 구조물을 동일 기판 상에 다수 개 배열(array) 형태로집적하여 각각의 밸브를 독립적으로 구동시키거나, 임의의 개수의 밸브를 동시에 개폐함으로써 소정의 유량을 조절하는 동작 원리를 갖는 초소형 유체 조절 밸브. 즉, 요구되는 유량에 비례하여 열리는 밸브의 개수를 조절하는 구동 방식을 이용하며, 임의의 N개의 밸브 배열인 경우 조절되는 유량은 N단계로 이산화(discrete)되어 제어하는 특징을 갖는 초소형 밸브. 이 때, 각 밸브의 구동은 밸브 개구를 열거나 닫는 개폐 동작으로 조절되는 것을 특징으로 한다.③ The micro-structure having an operating principle of controlling a predetermined flow rate by integrating the valve microstructures in a plurality of arrays on the same substrate to drive each valve independently or by opening and closing any number of valves simultaneously. Fluid control valve. That is, a micro valve having a characteristic of controlling the number of valves opened in proportion to the required flow rate, and in the case of any N valve arrangement, the regulated flow rate is discretized and controlled in N steps. At this time, the driving of each valve is characterized in that it is adjusted by the opening and closing operation of opening or closing the valve opening.

④ 상기 원리에 의해 동작하는 밸브를 유체의 흐름을 단속하는 개폐(on/off) 용도로 이용하거나 관 내를 흐르는 유체의 유량을 임의로 조절하는 유량 제어 용도로 이용하기 위한 유량 조절 밸브.(4) A flow regulating valve for using a valve operated according to the above principle for on / off use of intermittent flow or for flow control for arbitrarily adjusting the flow rate of the fluid flowing in the pipe.

⑤ 상기 밸브에 의해 흐름이 조절되는 유로 관 내의 유체는 기체 상태, 액체 상태, 기체 및 액체 상태가 혼재 된 초 임계(super critical) 상태 등을 포함하는 유체.⑤ The fluid in the flow path pipe whose flow is controlled by the valve includes a gas state, a liquid state, a super critical state in which gas and liquid states are mixed.

⑥ 상기 미세 가공된 밸브 또는 밸브 배열이 형성된 기판을 정렬 장착할 수 있는 장착 홈이 형성되어 있고, 미세 밸브를 통과한 유체의 입 출력 포트 및 상기 미세 밸브의 구동기에 구동 전원을 공급하기 위한 다수 개의 전기적 피드-스루(feed-through)가 더 포함되어 형성되어 있는 밸브 하우징.⑥ A mounting groove is formed to align and mount the substrate on which the microfabricated valve or the valve array is formed, and a plurality of mounting grooves for supplying driving power to the input / output port of the fluid passing through the microvalve and the driver of the microvalve A valve housing further comprising electrical feed-through.

⑦ 상기 하부 하우징의 장착 홈에 상기 미세 밸브 또는 밸브 어레이 소자를 정렬 접합하여 장착하고, 상부 하우징과 상기 하부 하우징 사이에 가스켓(gasket) 등을 삽입하여 기밀 접합하여 구성되는 유체 조절 밸브 장치.(7) A fluid control valve device configured to align and bond the microvalve or valve array element to a mounting groove of the lower housing, and insert a gasket or the like between the upper housing and the lower housing for hermetic bonding.

⑧ 상기의 밸브는 입력 단(inlet port)과 출력 단(outlet port)에 소정의압력 차를 인가하고, 높은 압력이 걸린 입력 단의 유체가 오리피스(orifice)의 좁은 유로를 지나 상대적으로 낮은 압력의 출력 단으로 분출되면서 체적이 팽창하며 온도가 강하하는 단열 팽창 현상을 이용한 유체 팽창 밸브로 이용되며, 특히, 개구에 공급되는 또는 개구로부터 인입되는 유체의 양을 미세 기전 소자로 구성된 밸브 또는 밸브 어레이로 조절하는 방식으로 동작하는 팽창 밸브.⑧ The valve applies a predetermined pressure difference between the inlet port and the outlet port, and the fluid of the input stage subjected to the high pressure flows through the narrow flow path of the orifice and has a relatively low pressure. It is used as a fluid expansion valve using an adiabatic expansion phenomenon in which the volume expands and the temperature drops as it is ejected to the output stage.In particular, the amount of fluid supplied to or drawn from the opening is transferred to a valve or valve array composed of micromechanical elements. Expansion valve that operates in an adjustable manner.

⑨ 상기 유체 밸브는 입력 단의 압력이 출력 단 보다 높아 유체의 흐름이 입력 단에서 출력 단으로 흐르는 정 방향의 유량 제어와 출력 단의 압력이 입력 단 보다 높아 유체의 흐름이 출력 단에서 입력 단으로 흐르는 역 방향의 유량 제어도 가능한 정역 방향 유량 조절 밸브.⑨ In the fluid valve, the pressure of the input stage is higher than that of the output stage, so that the flow of the fluid flows from the input stage to the output stage in the forward direction, and the pressure of the output stage is higher than the input stage. Reverse flow control valve that can also control the flow in the reverse direction.

⑩ 상기 구조의 미세 구동기는 정전기력을 이용한 정전 구동(electrostatic actuation) 원리 또는 열 변형력을 이용한 전열 구동(electro-thermal actuation) 원리 또는 상기 구동력에 대응하는 미세 평행 구동 장치(in-plane microactuator)에 의해 밸브의 개폐 동작을 조절하며, 상기 초소형 유량 조절 밸브를 에어컨디셔너(air-conditioner), 냉장고 등의 냉 난방기의 온도 조절용 장치에 적용하는 유체의 단열 팽창 작용을 이용한 팽창 밸브 및 상기 팽창 밸브, 압축기(compressor), 응축기(condenser), 증발기(evaporator) 및 상기 요소에 연결되고 냉매(refrigerant) 등의 유체가 순환하는 유로를 제공하는 파이프 형태의 유로 관 등으로 구성되는 냉각(또는 난방) 장치.미세 The micro actuator of the structure is valved by an electrostatic actuation principle using electrostatic force or an electro-thermal actuation principle using thermal strain force or an in-plane microactuator corresponding to the driving force. An expansion valve using the adiabatic expansion action of a fluid that applies the micro flow control valve to an apparatus for controlling a temperature of a cold heater such as an air conditioner and a refrigerator, and the expansion valve and a compressor. And a condenser, an evaporator, and a flow path tube in the form of a pipe connected to the element and providing a flow path through which a fluid, such as a refrigerant, circulates.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.Although the above has been described with reference to a preferred embodiment of the present invention by way of example, the scope of the present invention is not limited only to these specific embodiments, it can be changed as appropriate within the scope described in the claims.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 의한 유량 조절 밸브는 구성 부품수가 적고, 일관 가공 공정에 의한 대량 생산 및 조립이 용이하므로 저렴한 밸브를 제공할 수 있고 초소형화에 적합하다. 특히, 본 발명에 의한 유체 조절 밸브의 미세 기전 밸브 소자 또는 어레이의 개폐 동작을 아날로그 방식 또는 이산적인 디지털 방식 등으로 유량을 조절하게 되면 팽창 밸브(expansion valve)로 이용할 수 있다. 상기 미세 기전 밸브 소자 또는 미세 기전 밸브 어레이를 제조하는 한가지 방법으로, 반도체 일관 제조공정 및 마이크로머시닝 기술을 이용하여 대량으로 저렴하게 제조할 수 있다.As described above, the flow control valve according to the present invention has a small number of components and is easy to mass-produce and assemble by an integrated processing process, thereby providing an inexpensive valve and suitable for miniaturization. In particular, the opening and closing operation of the micromechanical valve element or array of the fluid control valve according to the present invention can be used as an expansion valve when the flow rate is adjusted in an analog manner or a discrete digital manner. One method of manufacturing the micromechanical valve element or micromechanical valve array can be inexpensively manufactured in large quantities using semiconductor integrated manufacturing processes and micromachining techniques.

본 발명에 의한 유체 조절 밸브를 에어컨디셔너 등의 실외기 또는 실내기 등의 예와 같이 냉매 등의 유체의 유량 조절, 팽창 및 냉각 성능 조절을 위한 팽창 밸브(expansion valve)에 적용하여 냉방(또는 냉각) 성능을 용이하게 임의로 조절할 수 있는 유체 열 교환 장치를 보다 저렴하고, 소형화하여 제공할 수 있다.The fluid control valve according to the present invention is applied to an expansion valve for adjusting the flow rate, expansion, and cooling performance of a fluid, such as a refrigerant, such as an outdoor unit or an indoor unit, such as an air conditioner, thereby improving cooling (or cooling) performance. A fluid heat exchanger that can be easily adjusted arbitrarily can be provided at a lower cost and miniaturization.

Claims (12)

미세 유로가 관통 공 형태로 가공되어 있는 하부 기판과, 상기 하부 기판의 표면에 평행한 수평 방향으로 움직임이 자유롭게 형성되는 밸브 마개와, 상기 밸브 마개를 유동 가능하게 지지하고 복원력을 제공하도록 상기 하부 기판 상에 형성되는 탄지수단과, 상기 밸브 마개를 수평 방향으로 구동시키기 위하여 상기 하부 기판에 형성되는 수평 방향 미세 구동기와, 상기 미세 구동기에 구동 전원을 인가하기 위한 상기 하부 기판에 형성되는 도체 배선 및 전극 패드와, 상기 하부 기판의 미세 유로와 연통되고 상기 밸브 마개에 의해 개폐되는 미세 유로 개구가 형성되는 상부 기판을 포함하며, 상기 미세 구조물들이 집적된 상,하부 기판이 접합되어 구성되는 것을 특징으로 하는 미세 기전 밸브 소자.A lower substrate having a micro-channel formed in a through hole, a valve stopper freely formed in a horizontal direction parallel to the surface of the lower substrate, and the lower substrate to support the valve stopper in a flowable manner and provide a restoring force A gripping means formed on the substrate, a horizontal micro driver formed on the lower substrate to drive the valve cap in a horizontal direction, and a conductor wiring and an electrode formed on the lower substrate for applying driving power to the micro driver. And an upper substrate having a pad and a microchannel opening communicating with the microchannel of the lower substrate and opened and closed by the valve stopper, wherein the upper and lower substrates on which the microstructures are integrated are bonded to each other. Micromechanical valve elements. 제 1 항에 있어서, 상기 탄지수단은 상기 밸브 마개를 지지하며 상기 밸브 마개의 변위에 비례하여 변위의 반대 방향으로 복원력을 제공하는 탄성체 스프링과, 상기 스프링의 양단부를 하부 기판에 고정시켜 상기 밸브 마개의 변위에 기준 위치를 제공하는 고정부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 미세 기전 밸브 소자.The valve stopper of claim 1, wherein the stopper means supports the valve stopper and provides a restoring force in a direction opposite to the displacement in proportion to the displacement of the valve stopper, and fixing both ends of the spring to a lower substrate to stop the valve stopper. Micromechanical valve element, characterized in that it comprises a fixing portion for providing a reference position to the displacement of. 제 1 항에 있어서, 상기 밸브 마개가 하부 기판 상에서 자유로이 운동할 수 있도록 상기 밸브 마개 및 탄성체 스프링은 하부 기판으로부터 소정의 간극만큼 이격되어 미세 현가 간극이 형성되어 구성되는 것을 특징으로 하는 미세 기전 밸브 소자.The micromechanical valve element according to claim 1, wherein the valve cap and the elastic spring are spaced apart from the lower substrate by a predetermined gap so that the valve cap moves freely on the lower substrate. . 제 1 항에 있어서, 상기 밸브 미세 구조물은 밸브의 개구가 기판 표면에 수직으로 형성되고, 밸브 마개가 밸브 개구를 개폐할 수 있도록 기판 표면에 대해 평행인 방향인 수평 구동기에 의해 변위가 조절되며, 상기 밸브 마개를 지지하는 탄성체 스프링 요소는 일 측이 기판에 고정되어 구성되고, 상기 밸브 마개의 구동 변위에 비례하는 복원력을 제공하는 기능을 담당하도록 상기 기판 상에 집적되어 구성되는 것을 특징으로 하는 미세 기전 밸브 소자.2. The valve microstructure of claim 1, wherein the valve microstructure is controlled by a horizontal driver in a direction parallel to the substrate surface such that the opening of the valve is formed perpendicular to the substrate surface, and the valve cap opens and closes the valve opening. Elastomeric spring element for supporting the valve cap is configured to be fixed on the substrate, one side is integrated on the substrate to be configured to play a function of providing a restoring force proportional to the drive displacement of the valve cap Mechanism valve element. 제 1항에 있어서, 상기 구조의 미세 구동기는 정전기력을 이용한 정전 구동원리, 또는 열 변형력을 이용한 전열 구동원리, 또는 유도 자기력을 이용한 전자기 구동원리, 또는 전왜(piezoelectric) 현상을 이용한 압전 구동원리, 또는 상기 구동력에 대응하는 미세 평행 구동 장치에 의해 밸브의 개폐 동작을 조절하며, 상기 미세 기전 밸브 소자를 이용한 초소형 유량 조절 밸브를 냉 난방기의 온도 조절용 장치에 적용하는 유체의 단열 팽창 작용을 이용한 팽창 밸브 및 상기 팽창 밸브, 압축기, 응축기, 증발기 및 상기 요소에 연결되고 냉매 등의 유체가 순환하는 유로를 제공하는 파이프 형태의 유로 관으로 구성되는 냉각(또는 난방) 장치에 이용되는 것을 특징으로 하는 미세 기전 밸브 소자.According to claim 1, The fine driver of the structure is the electrostatic drive principle using the electrostatic force, the electrothermal drive principle using the thermal strain force, the electromagnetic drive principle using the induced magnetic force, or the piezoelectric drive principle using the piezoelectric phenomenon, or An expansion valve using an adiabatic expansion action of a fluid which controls the opening and closing operation of the valve by a fine parallel driving device corresponding to the driving force, and applies a micro flow rate control valve using the micromechanical valve element to a device for controlling a temperature of a cold heater; A micromechanical valve, which is used in a cooling (or heating) device consisting of the expansion valve, the compressor, the condenser, the evaporator, and a pipe-type flow path tube connected to the element and providing a flow path through which a fluid such as a refrigerant circulates device. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 미세 기전 밸브 소자가 유체 유입, 출구를 각각 구비한 밸브 하우징의 내부에 장착되고, 상기 미세 기전 밸브 소자에 전원을 공급하기 위한 전원 공급 수단이 포함되어 구성된 것을 특징으로 하는 미세 가전 소자를 이용한 초소형 유체 조절 밸브.The micromechanism valve element according to any one of claims 1 to 4 is mounted inside a valve housing having fluid inlet and outlet, respectively, and includes power supply means for supplying power to the micromechanism valve element. Miniature fluid control valve using a fine home appliance, characterized in that configured. 제 5 항에 있어서, 상기 전원 공급 수단은 상기 상부 밸브 하우징에 전극 피드 스루가 설치되고, 상기 전극 피드 스루가 상기 전극 패드에 접촉되어 외부로부터 구동 전원이 공급되도록 구성된 것을 특징으로 하는 미세 가전 소자를 이용한 초소형 유체 조절 밸브.According to claim 5, wherein the power supply means is fine electrode device characterized in that the electrode feed through is installed in the upper valve housing, the electrode feed through is configured to be supplied with driving power from the outside in contact with the electrode pad. Subminiature fluid control valve. 제 5 항에 있어서, 상기 하부 밸브 하우징의 유체 유출구는 상기 미세 기전 밸브 소자를 통과한 유체가 단열 팽창이 일어날 수 있도록 좁은 폭을 갖는 관 형태의 오리피스로 형성되어 팽창 밸브로 적합하게 사용됨을 특징으로 하는 초소형 유체 조절 밸브.6. The fluid outlet of the lower valve housing is formed of a tubular orifice having a narrow width so that adiabatic expansion of the fluid passing through the micromechanical valve element can be suitably used as an expansion valve. Subminiature fluid control valve. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 미세 기전 밸브 소자가 복수개 배열된 형태로 상,하부 기판에 집적되어 구성된 것을 특징으로 하는 미세 기전 밸브 어레이.The micromechanism valve array according to any one of claims 1 to 3, wherein the micromechanism valve elements are integrally formed on the upper and lower substrates in a plurality of arrangements. 제 8 항에 기재된 미세 기전 밸브 어레이가 유체 유입,출구가 구비된 밸브하우징의 내부에 장착되고, 외부와의 전원 연결을 위한 전극 피드 스루의 조립이 용이하도록 상기 각 미세 기전 밸브 소자의 도체 배선 및 전극 패드들을 상기 하부 기판의 테두리 영역의 소정 위치에 모이도록 형성하여 구성된 것을 특징으로 하는 초소형 유체 조절 밸브.The micromechanical valve array according to claim 8 is mounted inside the valve housing provided with fluid inlet and outlet, and conductor wiring of each micromechanical valve element for easy assembly of electrode feedthroughs for power connection to the outside; And configured to form electrode pads at predetermined positions of an edge region of the lower substrate. 제 9 항에 있어서, 상기 밸브 미세 구조물을 동일 기판 상에 다수 개 배열 형태로 집적하여 각각의 밸브를 독립적으로 구동시키거나, 임의의 개수의 밸브를 동시에 개폐함으로써 소정의 유량을 조절하는 동작 원리를 갖고, 요구되는 유량에 비례하여 열리는 밸브의 개수를 조절하는 구동 방식을 이용하며, 임의의 N개의 밸브 배열인 경우 조절되는 유량은 N+1 단계로 이산화(discrete)되어 제어되고, 각 밸브의 구동은 밸브 개구를 열거나 닫는 개폐 동작으로 조절되도록 구성된 것을 특징으로 하는 초소형 유체 조절 밸브.The operating principle of claim 9, wherein the valve microstructures are integrated in a plurality of arrangements on the same substrate to drive each valve independently, or to control a predetermined flow rate by simultaneously opening and closing any number of valves. It uses a drive method that adjusts the number of valves open in proportion to the required flow rate, in the case of any N valve arrangement, the regulated flow rate is discretized and controlled in N + 1 steps, the drive of each valve The microfluidic control valve of claim 1, wherein the microfluidic valve is configured to be opened or closed by opening or closing the valve opening. 웨이퍼 형태의 실리콘 기판을 시작 재료로 하여 기판의 상 하부 면에 각각 이후 식각 공정에서 식각 방지 마스크로 쓰이는 박막을 형성하는 단계와,Forming a thin film on the upper and lower surfaces of the substrate as a starting material, each of which is used as an anti-etch mask in an subsequent etching process; 상기 실리콘 기판의 하부 면에 형성된 식각 마스크 박막 사이로 드러난 실리콘 하부 기판 면을 소정의 깊이만큼 식각하여 미세 현가 간극을 형성하고, 식각 마스크 박막을 선택적으로 식각하여 제거하는 단계와,Etching the silicon lower substrate surface exposed between the etching mask thin films formed on the lower surface of the silicon substrate by a predetermined depth to form a fine suspension gap, and selectively etching and removing the etching mask thin film; 상기 실리콘 기판의 하부 면에 접합부 및 미세 유로 개구 형성용 식각 마스크 박막을 형성하는 단계와,Forming an etch mask thin film for forming a junction and a micro channel opening on a lower surface of the silicon substrate; 상기 단계에서 형성된 식각 마스크 박막 사이로 드러난 실리콘 부분을 소정의 깊이만큼 식각하여 미세 유로 개구를 한 후 상기 식각 마스크 박막을 선택적으로 제거하는 단계와,Selectively removing the etch mask thin film after etching the silicon portion exposed between the etch mask thin films formed in the step to a predetermined depth to open a micro flow path; 상기 하부 기판용 웨이퍼의 일 면에 도체 박막을 증착하는 단계와,Depositing a conductive thin film on one surface of the lower substrate wafer; 상기 도체 박막을 패터닝하여 도체 배선 및 전극 패드 형상을 가공하기 위한 식각 마스크를 형성하는 단계와,Patterning the conductive thin film to form an etch mask for processing conductor wiring and electrode pad shapes; 상기 식각 마스크 사이로 드러난 도체를 식각하여 제거하고 잔류 식각 마스크를 제거하여 도체 배선 및 전극 패드를 형성하는 단계와,Etching and removing the conductors exposed between the etching masks and removing the residual etching masks to form conductor wirings and electrode pads; 상기 도체 배선 및 전극 패드을 정렬하고 소정의 위치에 관통공을 가공하여 하부 기판 미세 유로를 형성하는 단계와,Arranging the conductor wiring and the electrode pad and processing the through hole at a predetermined position to form a lower substrate micro-channel; 상기 개별 공정에 의해 가공된 상부 기판 부품과 하부 기판 부품을 상부 기판 부품에 형성된 미세 유로 개구와 하부 기판 부품에 형성된 미세 유로가 겹치도록 정렬하여 접합하는 단계와,Aligning and joining the upper substrate component and the lower substrate component processed by the individual process so that the microchannel openings formed in the upper substrate component and the microchannels formed in the lower substrate component overlap each other; 상기 상부 기판 표면에 형성되어 있던 식각 마스크 사이로 드러난 상부 기판 부분을 하부 기판과의 접합면까지 식각하여 밸브 마개, 수평 방향 미세 구동기, 미세 유로 개구의 미세 구조물 형상을 완성하는 단계와,Etching the upper substrate portion exposed between the etching masks formed on the upper substrate surface to the bonding surface with the lower substrate to complete the shape of the microstructure of the valve cap, the horizontal micro driver, and the micro channel opening; 잔류하는 상기 식각 마스크를 선택적으로 제거하고, 개별 칩 단위로 또는 복수개 단위로 기판 웨이퍼를 잘라내어 미세 기전 밸브 소자 또는 미세 기전 밸브 어레이를 완성하는 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 미세 기전 밸브 소자 제조방법.Selectively removing the remaining etch mask and cutting the substrate wafer in individual chip units or in a plurality of units to complete the micromechanical valve element or the micromechanical valve array. .
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