KR20080083039A - 마이크로리액터 유리 막 센서 - Google Patents

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KR20080083039A
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제롬 비비엔 데이비도비츠
제임스 스콧 서더랜드
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코닝 인코포레이티드
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Abstract

본 발명의 마이크로유체장치는 소결 유리 프릿으로 구성된 벽구조 및 소결 밀봉에 의해 벽구조를 밀봉한 유리, 유리 세라믹 또는 세라믹 막구조를 포함하며, 유체 통로 또는 챔버는 적어도 부분적으로 벽구조와 막구조에 의해 경계가 정해진다. 유체 통로 또는 챔버 내부의 압력변화는 막구조의 휘어짐을 일으키며, 이는 마이크로유체장치 내부의 압력을 직접적으로 측정할 수 있게 한다. 마이크로유체장치는 소결 유리 프릿의 바닥 및 벽들을 가질 수 있거나, 내부 통로의 수직경계를 한정하는 막구조보다 두꺼운 평면 바닥형 기판구조를 갖는 소결 유리 프릿 벽만을 가질 수 있다. 마이크로유체장치는 막구조에 의해 적어도 부분적으로 각각 경계가 정해진 복수 개의 유체 통로와 챔버를 포함할 수 있다. 복수 개의 막구조는 하나의 마이크로유체장치에 사용될 수 있으며, 하나의 막구조는 복수 개의 유체 통로 또는 챔버에 사용될 수 있다.
마이크로유체장치, 압력센서, 막, 멤브레인, 변형, 휘어짐, 압력변화

Description

마이크로리액터 유리 막 센서{MICROREACTOR GLASS DIAPHRAGM SENSORS}
본 발명은 2005년 12월 31일에 출원한 미국 가출원 제60/755,601호를 우선권 주장한다.
본 발명은 일반적으로 화학처리에 사용되는 유리, 유리 세라믹 또는 세라믹 마이크로리액터 유체장치에 통합된 압력감지장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 유리, 유리 세라믹 또는 세라믹 시트, 및 유리 프릿(glass frit; 즉, 유리 분말)을 사용하여 제조된 유리 마이크로리액터 압력센서에 관한 것이다.
마이크로리액터 타입의 화학 처리유닛은, 유체(액체 또는 기체)가 평면기판의 안이나 위에 에칭, 몰드, 천공, 또는 다른 방식으로 형성된 유체 통로로 안내되는 경우 제안되어 왔다. 유체 통로는 단일 유체구조(예를 들어, 믹서 및 잔류기간부분(residence time segments))에 패턴화되어 더 복잡한 화학처리기능을 제공하는 회로(circuits)들을 형성한다. 평면기판은 기능성을 연장하도록 단일 반응유닛에 적층될 수 있으며, 단일 반응유닛은 복합 적용을 목적으로 할 수 있는 모듈식 화학처리시스템을 제공한다.
투명성, 화학적 물리적 내구성, 생물학적 화학적 불활성, 최대온도 허용 공차 및 다른 특성들 때문에, 유리는 이러한 마이크로리액터 장치에 사용하는 데 있어 양호한 재료이다. 마이크로리액터 및 이와 유사한 마이크로유체장치를 사용할 때, 마이크로유체장치 내의 주요지점 또는 마이크로유체장치에서 수행되는 프로세스 내의 주요지점의 내부 압력을 감지할 수 있는 것이 바람직하다. 예를 들면, 화학처리시스템은 대체로 프로세스 제어 및 안전한 모니터링 기능을 위한 유체압력의 능동적인 모니터링이 요구된다. 작동압력의 갑작스런 변화는 비정상적인 처리환경 또는 리액터 장치에서의 누출(leak)을 나타낼 수 있다.
그러나, 유리재료가 바람직하게 하는 화학적 물리적 내구성과 같은 특성은 또한 유리재료를 복잡한 구조로 형성하는 것을 어렵게 한다. 따라서 통합된 원위치 압력감지에 대한 설비를 갖는 마이크로리액터 및 다른 마이크로유체구조를 유리로 형성하는 간단한 방법이 바람직하다.
본 발명은 유리 프릿 기반 마이크로유체장치에 통합된 압력센서 및 유리 프릿 기반 마이크로유체장치에 통합된 압력센서의 제조방법의 실시예들을 포함한다. 일 실시예에 따르면, 본 발명의 제조방법은 연성 유리, 유리 세라믹 또는 세라믹 막을 제공하는 단계와, 적어도 일부에 압력이 감지되는 적어도 하나의 마이크로유체 챔버 또는 통로가 형성된 유리 프릿 벽구조를 형성하는 단계와, 벽구조가 세라믹 막과 접촉됨으로써 소결된 벽들이 세라믹 막과 밀봉을 형성하고 세라믹 막이 적어도 하나의 마이크로유체 챔버 또는 통로의 경계를 정하도록 벽구조를 소결하는 단계를 포함한다.
벽구조를 형성하는 단계는 막이 아니라 기판에 벽구조를 형성하는 단계를 더 포함한다. 이런 다른 기판은 유리기판일 수 있으나, 반드시 유리기판일 필요는 없다. 또한 이런 다른 기판은 예컨대 세라믹 기판 또는 유리 세라믹 기판일 수 있다. 벽구조를 형성하는 단계는 선택적 또는 추가적으로 벽구조를 막에 직접 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
이와 달리, 유리 프릿 기반의 바닥구조(floor structure)가 또한 형성될 수 있으며, 이는 막에 대향하는 마이크로유체 챔버 또는 통로의 경계를 정할 수 있다.
본 실시예의 다른 변형예로서, 마이크로유체 챔버 또는 통로 벽구조를 형성하는 단계는 압력이 감지되는 복수 개의 유체 챔버 또는 통로들을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 동일 막이 복수 개의 챔버 또는 통로의 경계를 정하는데 사용될 수 있는 것이 바람직하다.
벽구조는 얇고 두꺼운 벽구조로 형성될 수 있으며, 막은 오직 얇은 벽구조에 대해서만 소결되고 밀봉되는 것이 바람직하다. 이는 막이 마이크로유체장치의 내부에 위치되는 하나의 방식이며, 이는 아래의 발명의 상세한 설명에서 설명된다.
본 발명의 다른 양태는, 소결된 유리 프릿으로 이루어진 벽구조와 소결 밀봉에 의해 벽구조를 밀봉한 유리, 유리 세라믹 또는 세라믹 막 구조를 가지며, 이로서 유체 통로 또는 챔버는 벽구조와 막구조에 의해 적어도 부분적으로 경계가 정해진 마이크로유체장치에 관련된다. 유체 통로 또는 챔버 내부의 압력변화는 막구조의 휘어짐을 일으키며, 이는 마이크로유체장치 내부의 압력을 직접적으로 측정할 수 있게 한다. 마이크로유체장치는 소결 유리 프릿의 바닥 및 벽들을 가질 수 있거나, 내부 통로의 수직경계를 한정하는 막구조보다 두꺼운 평면 바닥형 기판구조를 갖는 소결 유리 프릿 벽만을 가질 수 있다. 마이크로유체장치는 막구조에 의해 적어도 부분적으로 각각 경계가 정해진 복수 개의 유체 통로와 챔버를 포함할 수 있다. 복수 개의 막구조는 하나의 마이크로유체장치에 사용될 수 있으며, 하나의 막구조는 복수 개의 유체 통로 또는 챔버에 사용될 수 있다.
마이크로유체장치에서 막(들)의 휘어짐 가능한 영역의 휘어짐은 전기용량감지 또는 광학감지, 또는 스트레인 게이지나 다른 적절한 수단에 의해 감지될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들의 추가적인 특징이나 이점들은 다음의 발명의 상세한 설명에 기재되어 있으며, 본 발명은 본 발명의 특허청구범위 및 첨부도면을 포함하는 발명의 상세한 설명에 의하여 관련 기술의 당업자들에게 명백할 수 있으며, 본 발명은 상세한 설명에 기재된 바와 같이 실시함으로써 용이하게 인지될 수 있을 것이다.
전술된 일반적인 설명과 다음 발명의 상세한 설명은 본 발명의 실시예들을 나타내며, 이는 특허 권리 주장된 본 발명의 본질이나 특성을 이해하기 위한 개관 또는 골격을 제공하기 위한 것으로 이해될 것이다. 본 발명의 더 나은 이해를 제공하기 위해 도면이 첨부되며, 이는 본 명세서의 일부를 구성하도록 통합된다. 도면은 본 발명의 다양한 실시예들을 도시하며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리와 작동을 설명한다.
도 1은 본 발명의 처리과정의 흐름도;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로유체장치의 단면도;
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로유체장치의 단면도;
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따라 부분적으로 조립된 마이크로유체장치의 부분 사시도;
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로유체장치의 단면도; 및
도 6은 본 발명의 압력의 기능에 의한 막 변형의 그래프이다.
본 발명의 현재 바람직한 실시예들은 참조번호에 의해 상세해질 것이며, 실시예들은 첨부도면에 도시된다. 가능하면 동일 참조번호는 동일 또는 유사 부분들을 나타내기 위해 도면 전체에 걸쳐 사용될 것이다. 본 발명의 제조방법의 일 실시예는 도 1에 도시되고, 참조번호 10으로 표시된다. 도 1에 도시된 제조방법(10)은 유리 프릿 기반 마이크로유체장치에 통합된 압력센서를 제조하기 위한 방법의 실시예의 기본적인 단계를 구성한다.
본 발명의 제조방법은, 연성 유리(flexible glass), 유리 세라믹 또는 세라믹 막을 제공하는 단계(20)를 포함한다. 유리는 그 투명성에 의해 바람직할 수 있 으나, 투명성이 필수조건은 아니다. 강성 및 유연성의 정도가 더 중요하다. 본 발명의 제조방법은, 압력이 감지되는 적어도 하나의 챔버 또는 통로가 형성된 마이크로유체 벽구조를 형성하는 단계(22)를 포함하며, 여기서 벽구조는 유리 프릿(glass frit)을 포함한다. 유리 프릿을 포함한 벽구조는, 일반적으로 유리 프릿이 형성되도록 유기 바인더를 사용하는 프레스몰딩, 사출성형, 열성형 또는 다른 기술이나 이러한 형성방법의 조합에 의해 형성될 수 있다. 유리 프릿을 사용하는 형성방법은 유리재료에서 어렵고 비쌀 수 있는 감산공정(subtractive process) 보다는 업빌딩 공정(up-building process)으로 상대적으로 복잡한 구조의 형성을 허용한다. 벽구조는 유리, 유리-세라믹 또는 세라믹 기판과 같은 기판 위에 몰드되거나, 자신의 바닥구조와 일체로 형성될 수 있다. 이와 달리, 벽구조는 막 위에 몰드되거나 직접 형성될 수 있다. 그러나 유리 프릿 벽구조는 (만약 미리 접촉되지 않았다면) 막에 접촉하여 배치되며 단계(24)에서 소결된다. 단계(24)는 벽구조가 막에 접촉하여 결과적으로 소결된 벽이 막과 밀봉을 형성하는 동안 벽구조를 소결한다. 이것은 막이 마이크로유체장치 내에서 유체 챔버나 통로의 변형가능한 경계를 형성하도록 하며, 이후 막의 변위는 마이크로유체장치 내의 압력이나 압력변화를 측정하는데 사용된다.
도 2는 본 발명에 따른 마이크로유체장치(30)의 일 실시예의 단면도이다. 본 실시예에서, 유리 프릿 벽(34)은 유리기판(36) 위에 형성된다. 유체 통로(37)는 벽(34)과 기판(36)으로 경계가 정해진다. 도면에서 유리 막(32)은 기판(36)의 최상부에 유리 프릿 벽(34)과 접촉되게 배치된다. 유체 챔버(35)나 유체통로(37)는 관 련 유리 프릿 벽(34) 및 기판(36)과 함께 막(32), 특히 막(32)의 변형가능한 부분(39)에 의해 경계가 정해진다. 관련 기판(36)을 관통하는 스루홀(through-hole; 38)은 챔버(35)나 유체통로(37)로의 통로를 제공한다. 비록 본 발명의 실시예 및 다른 실시예는, 유체 챔버(35)(즉, 일반적인 마이크로유체장치의 작동 중에 챔버를 통한 흐름이 없는 데드엔드챔버(dead-end chamber;35))와 작동할 것이며, 일반적으로 오염(fouling)의 기회를 줄이는 수단으로써 데드엔드챔버보다 유체 통로(37)(예를 들어, 도면의 평면방향의 흐름을 갖는 유체 통로)를 사용하는 것이 일반적으로 바람직하다. 도 1에 도시한 장치의 상태는 소결되기 직전으로 이해된다. 그 후 소결단계는 인접 기판이나 막 재료로 각각의 유리 프릿 벽들을 밀봉하거나 융합시킨다. 따라서, 압력 센서는 마이크로유체장치의 유체 통로(37)의 잔여부분과 함께 유리 프릿 벽(34)들을 밀봉함으로써 형성된다.
도 3은 도 2와 유사하나 다른 실시예를 도시한다. 도 3의 실시예에서는 기판(36)이 존재하지 않는다. 대신, 벽구조(34)는 동일 유리 프릿으로 형성된 바닥구조(33)에 일체로 유리 프릿으로 형성된다. 따라서, 기판을 사용함에 의해 강요된 잠재 한계성, 즉 스루홀을 제공하는 잠재적인 어려움 없이 바람직한 구조가 형성될 수 있다. 도 3의 스루홀은 바닥구조(33)를 형성하는 유리 프릿에 몰드되는 것에만 필요하다. 도 3의 실시예는 제1챔버(35a)과 제2챔버(35b)가 둘 다 막(32)에 의해 밀봉된다는 점에서 도 2와 구별된다. 따라서 다수의 센서는 하나의 장치에 구비되며, 심지어 하나의 막(32)으로 구비된다. 물론 원한다면 다수의 막이 사용될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 다른 마이크로유체 장치의 부분 사시도이다. 도 4는 기판 위에 배치된 유리 프릿 벽 재료의 레이어를 갖는 기판(36)을 도시한다. 유리 프릿 벽에는 세 개의 서로 다른 형상의 챔버나 통로(35a,35b,35c)가 형성된다. 막은 도 4의 유리 프릿 벽들에 접촉되어 이동되지 않으며, 따라서 다양하고 선택적인 챔버(35)의 모양과 형상이 쉽게 고려될 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로유체장치의 단면도이다. 도 5의 마이크로유체 장치에서, 기판(36)은 마이크로유체장치의 최외곽 부분(도면에서 위 및 아래방향에서)을 보호한다. 일반적인 높이의 유리 프릿 벽(34)에 더하여, 마이크로유체장치는 얇거나 짧은 유리 프릿 벽(44)을 포함하며, 막(32)은 최외곽 기판들 사이에서 짧은 유리 프릿 벽(44) 위에 배치된다. 막(32)은 스루홀(38)을 통해 유체(및 유체압력)를 공급받는다. 전기 용량성(capacitive) 압력감지를 위한 기본구조는 도 5의 실시예로 제공된다. 전도성 재료의 레이어 형태인 제1전극(52)은 막(32) 위에 배치된다. 전도성 레이어의 형태인 제2전극(50)은 도면에서 최상부 기판(30)의 아랫면 근처에 배치되며, 접촉점(35)으로 오른쪽으로 연장된다. 레이어(50,52)들과 그들 사이의 공기 갭(54)에 의해 형성된 콘덴서의 전기용량은 접촉점(56)으로부터 측정될 수 있으며, 이로서 막(32)의 변형이 측정되고 이에 관련한 압력이 측정된다.
막(32)의 휨의 용량감지에 대한 대안은, 거울면 또는 전도성 레이어(52) 위치에서 막 위에 배치된 다른 광학적 감지면을 사용하는 간섭계 감지와 같은 광학감지를 포함한다. 다른 대안으로서, 스트레인 게이지(strain gauge)가 전도성 레이 어(52)의 위치에서 막 위에 배치될 수 있다.
실험
적용 압력하에서 유리 막 변형에 대한 실험이 수행되었다. 0.186㎜와 0.7㎜ 의 두께를 갖는 유리 막이 압력 테스트장치에 고정되고 8㎜ 지름의 원형 막을 형성하도록 고정된다. 4 바(bar)까지의 압력이 막에 인가되고, 막 변형은 표면 간섭계를 통한 가압 동안 측정된다. 실험결과는 도 6의 그래프에 도시된다. 데이터 지점 근처의 오류박스는 압력 게이지 눈금 및 표면 간섭 막 모서리 측정으로 인한 측정 불명(measurement uncertainty)을 나타낸다. 실험결과는 상대적으로 넓은 압력 범위에 걸쳐 상대적으로 양호한 선형성(linearity)을 보여준다.
상기한 실시예들은 추가적인 사항이 없거나 적어도 최소한의 추가 처리단계를 더하거나, 바람직하다면 유체 채널이나 챔버 내의 모든 유리 환경을 유지하는 한, 모든 유리 또는 모든 유리, 세라믹 및 유리 세라믹이나 관련된 유형의 마이크로리액터에서 감지하는 압력의 통합을 가능하게 한다. 이러한 통합은 유체 연결과 데드 볼륨(dead volume)의 전형적인 결과 확산을 갖는 외부 센서에 대한 요구를 회피하는데 사용될 수 있으며, 압력 및/또는 내부 마이크로유체 환경의 다른 중요 특성을 직접적으로 감지하는 방법을 제공하는데 사용될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 압력센서들은 질량 흐름률(mass flow rate)을 감지하도록, 서로 또는 다른 센서와 결합되어 적용될 수 있다.
본 발명의 본질 및 범위에서 벗어남 없이 본 발명이 수정 및 변형될 수 있음 은 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은 청구항의 범위 및 그 균등물 내에서 제공되는 본 발명의 수정과 변형을 포함할 것이다.

Claims (10)

  1. 소결된 유리 프릿으로 이루어진 벽구조;
    소결 밀봉에 의해 상기 벽구조를 밀봉한 유리, 유리 세라믹 또는 세라믹 막구조;
    상기 벽구조와 상기 막구조에 의해 적어도 부분적으로 경계가 정해진 유체 통로 또는 챔버;를 포함하며,
    상기 막구조는 상기 유체통로 또는 챔버 내의 압력변화에 의해 휘어질 수 있는 것을 특징으로 하는 마이크로유체장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    소결 밀봉에 의해 상기 벽구조를 밀봉한 적어도 하나의 평면기판구조를 더 포함하며,
    상기 평면기판구조는 상기 막구조보다 두껍게 형성되고, 상기 유체 통로 또는 챔버는 상기 평면기판구조와 상기 벽구조와 상기 막구조에 의해 경계가 정해진 것을 특징으로 하는 마이크로유체장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    소결된 유리 프릿으로 형성된 하나 이상의 바닥구조를 더 포함하며,
    상기 유체 통로나 챔버는 상기 평면기판구조와 상기 벽구조와 적어도 하나 이상의 상기 바닥구조에 의해 경계가 정해진 것을 특징으로 하는 마이크로유체장치.
  4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 벽구조와 상기 막구조의 각각의 영역에 의해 적어도 부분적으로 각각 경계가 정해진 다수의 유체통로 또는 챔버를 더 포함하며,
    상기 유체통로 또는 챔버 각각의 내부 압력 변화는 상기 막구조의 각 영역을 휘어지게 하는 것을 특징으로 하는 마이크로유체장치.
  5. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 막의 표면 위에 배치된 콘덴서 구조의 전극을 더 포함하며,
    상기 막의 휘어짐은 상기 콘덴서 구조의 전기용량의 변화로 감지되는 것을 특징으로 하는 마이크로유체장치.
  6. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 막의 표면에 배치된 광학요소를 더 포함하며,
    상기 막의 휘어짐은 상기 광학요소의 움직임으로 인하여 광학적으로 감지되는 것을 특징으로 하는 마이크로유체장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 광학요소는 격자를 구비하는 것을 특징으로 하는 마이크로유체장치.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 광학요소는 반사기를 구비하는 것을 특징으로 하는 마이크로유체장치.
  9. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 막의 표면 위에 배치된 스트레인 게이지 구조를 더 포함하며,
    상기 막의 휘어짐은 상기 스트레인 게이지 구조에 의해 감지되는 것을 특징으로 하는 마이크로유체장치.
  10. 소결 유리 프릿을 포함한 마이크로유체장치에 통합된 압력센서의 제조방법에 있어서,
    연성 유리, 유리 세라믹 또는 세라믹 막을 제공하는 단계;
    압력이 감지되는 적어도 하나의 챔버 또는 통로가 형성된 유리 프릿 벽구조를 형성하되 상기 벽구조는 유리 프릿을 포함하는 마이크로유체 챔버 또는 통로의 벽구조를 형성하는 단계;
    상기 벽구조가 상기 막과 접촉되어 소결된 벽들이 상기 막과 밀봉을 형성하며 상기 막은 적어도 하나의 상기 마이크로유체 챔버 또는 통로의 경계를 정하도록 벽구조를 소결하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력센서의 제조방법.
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