KR20100124827A

KR20100124827A - Ｃｍｏｓ-제어 가능한 미세유체 장치를 포함하는 결합형 미세유체 시스템

Info

Publication number: KR20100124827A
Application number: KR1020107023304A
Authority: KR
Inventors: 그레고리 존 맥어보이; 엠마 로즈 커; 키아 실버브룩
Original assignee: 실버브룩 리서치 피티와이 리미티드
Priority date: 2008-06-20
Filing date: 2008-06-20
Publication date: 2010-11-29
Also published as: TW201000386A; TW201000389A; EP2300355A1; WO2009152547A1; TW201000763A; TW201000761A; TW201000758A; TW201000764A; TW201000388A; TW201000387A; TW201000759A; TW201000765A; TW201000760A

Abstract

미세유체 시스템은 폴리머 미세유체 플랫폼에 결합되는 결합 표면을 가지는 집적회로를 포함한다. 미세유체 시스템은 집적회로 내의 제어회로에 의해 제어되는 하나 이상의 미세유체 장치를 포함한다. 미세유체 장치 중 적어도 하나는 집적회로의 MEMS층에 위치되는 MEMS 액츄에이터를 포함한다. MEMS층은 집적회로의 결합 표면을 형성하는 폴리머층으로 피복된다.

Description

ＣＭＯＳ-제어 가능한 미세유체 장치를 포함하는 결합형 미세유체 시스템{BONDED MICROFLUIDICS SYSTEM COMPRISING CMOS-CONTROLLABLE MICROFLUIDIC DEVICES}

본 발명은 랩-온-어-칩(lab-on-a-chip:LOC)과 미세유체 기술(microfluidics technology)에 관한 것이다. 미세유체 기술은, 소프트 리소그래피 제조 프로세스(soft lithographic fabrication process)에만 의존하지는 않는 미세유체 장치뿐만 아니라, 충분히 집적된 미세유체 시스템(예를 들면, LOC 장치)도 제공하기 위해 개발되어 왔다.

"랩-온-어-칩(LOC)"은 면적이 평방 밀리미터 또는 평방 센티미터에 불과한 장치를 설명하는 용어인데, 이 장치는 표준 연구소(standard laboratory)와 통상적으로 관련된 무수히 많은 과제를 수행할 수 있다. LOC 장치는 미세유체 채널을 포함하며, 이 채널은 나노리터 또는 피코리터 범위의 매우 작은 유체 체적을 핸들링할 수 있다. 화학적 및 생물학적 분석용 LOC 장치의 응용 가능성은, 이 기술분야에서의 연구, 특히 LOC 장치가 일회용 생물학적 분석도구를 제공하기에 충분할 만큼 값싸게 제조될 수 있는지 어떤지에 활기를 불어넣어 왔다. 예를 들면, LOC기술의 목표 중 하나는 실시간 DNA 검출장치를 제공하는 것인데, DNA 검출장치는 한 번 쓰고 나서 버릴 수 있다.

LOC 장치의 제조는 표준 MEMS 기술로부터 발달했으므로, 잘 확립된 포토리소그래피 기술(photolithographic technique)이 실리콘웨이퍼로 이 장치를 제조하는 데에 사용된다. 유체제어(fluidic control)는 대부분의 LOC 장치에서 필수적이다. 따라서 LOC 장치는 밸브와 펌프 같은, 개별적으로 제어할 수 있는 미세유체 장치의 배열을 일반적으로 포함한다. LOC 장치는 실리콘에 기반을 둔 MEMS 기술로부터 원래는 발달했지만, 최근에는 소프트 리소그래피 쪽으로 대부분 바뀌어 왔는데, 이 소프트 리소그래피는 엘라스토머 물질을 사용한다. 엘라스토머는 효과적인 밸브 씰을 형성하는 데에 있어 실리콘보다 더 적당하다. 따라서 폴리디메틸실록산(PDMS)이 지금까지는 LOC칩에 미세유체 장치를 제조하기 위한 물질로 선택되어 왔다. PDMS 미세유체 플랫폼(platform)은 일반적으로 소프트 리소그래피를 사용하여 제조된 후에 유리 기판에 설치된다.

LOC 장치에서 사용되는 가장 일반적인 타입의 밸브 중 하나는 미국특허번호 7,258,774에 개시된 바와 같은 '퀘이크(Quake)' 밸브인데, 그 내용들은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다. '퀘이크' 밸브는 인접한 유체 유동 채널의 PDMS 벽을 내려앉게 하기 위해, 종래 공기식 핀치 밸브(pneumatic pinch valve) 방식으로, 제어 채널에 유체압력(예를 들면, 공기압 또는 유압)을 작용시킨다. 도 1a-c를 간단히 참조하면, 퀘이크 밸브는 유체 유동 채널(1)과 제어 채널(2)을 포함하는데, 이 제어 채널은 유체 유동 채널(1)을 가로질러 횡방향으로 뻗어 있다. 박막(membrane)(3)은 채널(1, 2)들을 구획한다. 상기 채널(1, 2)들은, 미세유체 구조물(4)을 제공하기 위해, 소프트 리소그래피를 사용하여, PDMS와 같은 유연한 엘라스토머 기판으로 형성된다. 미세유체 구조물(4)은 유리 슬라이드와 같은 평면 기판(5)에 결합된다.

도 1b에 나타낸 바와 같이, 유체 유동 채널(1)은 "개방"된다. 도 1c에서, 제어 채널(2)의 가압상태(pressurization)(외부 펌프에 의해 제어 채널 안으로 도입된 기체 또는 액체에 의해)는 박막(3)이 아래쪽으로 편향되도록 함으로써, 유체 유동 채널(1)을 좁아지게 하여 이 채널(1)을 통과하는 유체의 흐름을 제어한다. 따라서 제어 채널(2) 내의 압력을 변화시킴에 의해, 필요한 만큼 박막(3)을 움직이게 함으로써 유체 유동 채널(1)이 개방되거나 폐쇄될 수 있도록 선형적으로 작동 가능한 밸브 시스템이 제공된다(단지 설명하기 위한 목적에서, 도 1c에서의 유체 유동 채널(1)은 "완전히 폐쇄된" 상태라기보다는 "거의 폐쇄된" 상태로 나타나 있다).

복수의 퀘이크 밸브는 연동 펌프(peristaltic pump)를 제공하기 위해 협동할 수 있다. 따라서 이 '퀘이크' 밸브 시스템은 하나의 LOC 장치에 많은 수의 밸브와 펌프를 형성하기 위해 사용되어 왔다. 위에 예시된 바와 같이, 이러한 장치의 발전 가능성이 있는 화학적 및 생물학적 응용 분야의 수는, 연료 전지에서 DNA 배열분석장치에 이르기까지 광범위하다.

그러나 미국특허번호 7,258,774에서 설명된 것들과 같은 현재의 미세유체 장치는, 수많은 문제를 안고 있다. 특히, 이들 종래 기술의 미세유체 장치는 기능을 수행하기 위해, 외부 제어 시스템, 에어/진공 시스템 및/또는 펌핑 시스템에 접속되어야만 한다. 소프트 리소그래피에 의해 형성되는 미세유체 플랫폼은 작게 또 값싸게 제조할 수 있으나, 미세유체 장치를 구동하는데 필요한 외부 지원 시스템은 그 결과로서 초래되는 마이크로 타스 장치(μTAS device)가 비교적 값비싸고 또한 현재의 미세유체 플랫폼보다는 훨씬 더 크다는 것을 의미한다. 따라서 현재의 기술은 충분히 집적된, 일회용 LOC 또는 μTAS 장치를 아직은 제공할 수 없다. 충분히 집적된 LOC 장치를 제공하는 것은 바람직할 것인데, 이 충분히 집적된 LOC 장치는 상기 장치를 구동하기 위해 과다한 외부 지원 시스템을 필요로 하지 않는다.

제 1 관점에서, 본 발명은,

입구(inlet)와 출구(outlet) 사이에 위치되는 펌핑 챔버(pumping chamber);

상기 펌핑 챔버의 벽에 위치되며, 상기 벽을 따라 나열되는 복수의 이동식 핑거(moveable finger); 및

복수의 서멀 벤드 액츄에이터(thermal bend actuator);

를 포함하고,

각(各) 액츄에이터는 각각의 핑거와 결합됨으로써 상기 서멀 벤드 액츄에이터의 작동이 상기 펌핑 챔버 안으로의 상기 각각의 핑거의 운동을 야기하며,

상기 펌프는 상기 핑거의 운동을 통해 상기 펌핑 챔버에서 연동 펌핑 작용을 제공할 수 있도록 형성되는 연동 미세유체 펌프를 제공한다.

선택적으로, 상기 펌핑 챔버는 기다랗고, 상기 핑거들은 상기 펌핑 챔버의 종방향 벽을 따라 나열된다.

선택적으로, 각(各) 핑거는 상기 챔버를 가로질러 횡방향으로 뻗어 있다.

선택적으로, 상기 핑거들은 대향 핑거 쌍들로 배열되며, 대향 쌍(opposed pair)의 각 핑거는 상기 펌핑 챔버의 중심 종축 쪽으로 향해 있다.

선택적으로, 각 핑거는 상기 서멀 벤드 액츄에이터를 포함한다.

선택적으로, 상기 펌핑 챔버는 기판으로부터 일정 간격으로 떨어져 있는 루프(roof)와, 상기 루프와 상기 기판에 의해 형성되는 플로어(floor) 사이에 뻗어 있는 측벽을 포함한다.

선택적으로, 상기 핑거는 상기 루프에 위치되어 있다.

선택적으로, 각(各) 서멀 벤드 액츄에이터는,

열탄성 물질(thermoelastic material)로 구성되는 능동 빔(active beam); 및

상기 능동 빔과 기계적으로 협동하는 수동 빔(passive beam);

을 포함함으로써,

전류가 상기 능동 빔을 통해 흐를 때, 상기 능동 빔이 가열되어 상기 수동 빔에 비해 팽창되고, 결과적으로 상기 액츄에이터의 굽힘이 초래된다.

선택적으로, 각 핑거의 크기는 상기 수동 빔에 의해 정해진다.

선택적으로, 상기 능동 빔은 상기 수동 빔에 융합된다.

선택적으로, 상기 능동 빔은 한 쌍의 전극 사이에 뻗어 있는 구부러진 전류 경로(bent current path)를 형성하며, 상기 전극은 각 액츄에이터를 제어하기 위한 제어회로에 연결된다.

선택적으로, 상기 열탄성 물질은 티타늄 질화물(titanium nitride), 티타늄 알루미늄 질화물(titanium aluminum nitride) 및 바나듐-알루미늄 합금(vanadium-aluminium alloys)으로 이루어지는 그룹에서 선택된다.

선택적으로, 상기 수동 빔은 실리콘 산화물(silicon oxide), 실리콘 질화물(silicon nitride) 및 실리콘 산화질화물(silicon oxynitride)로 이루어지는 그룹에서 선택된 물질로 구성된다.

선택적으로, 상기 기판은 각 액츄에이터를 제어하기 위한 제어회로를 포함한다.

선택적으로, 상기 기판은 상기 기판의 적어도 하나의 CMOS층에 포함되는 상기 제어회로를 가지는 실리콘 기판이다.

선택적으로, 상기 벽은 폴리머층(polymeric layer)으로 피복되며, 상기 폴리머층은 각(各) 핑거(finger)와 상기 벽 사이에 기계적인 씰을 제공한다.

선택적으로, 상기 폴리머층은 폴리디메틸실록산(PDMS)으로 구성된다.

선택적으로, 상기 입구는 상기 기판에 형성된다.

다른 관점에서,

입구와 출구 사이에 위치되는 펌핑 챔버;

상기 펌핑 챔버의 벽에 위치되며, 상기 벽을 따라 나열되는 복수의 이동식 핑거; 및

복수의 서멀 벤드 액츄에이터;

를 포함하고,

각 액츄에이터는 각각의 핑거와 결합됨으로써 상기 서멀 벤드 액츄에이터의 작동이 상기 펌핑 챔버 안으로의 상기 각각의 핑거의 운동을 야기하며,

상기 펌프는 상기 핑거의 운동을 통해 상기 펌핑 챔버에서 연동 펌핑 작용을 제공할 수 있도록 형성되는 상기 미세유체 펌프를 포함하는 미세유체 시스템이 제공된다.

또 다른 관점에서,

입구와 출구 사이에 위치되는 펌핑 챔버;

복수의 서멀 벤드 액츄에이터;

를 포함하고,

상기 펌프는 상기 핑거의 운동을 통해 상기 펌핑 챔버에서 연동 펌핑 작용을 제공할 수 있도록 형성되는 상기 미세유체 펌프를 포함하는 미세유체 시스템이 제공되는데,

이 미세유체 시스템은 LOC 장치 또는 마이크로 통합 분석 시스템(Micro Total Analysis System)이다.

제 2 관점에서, 본 발명은,

하나 이상의 연동 미세유체 펌프와 상기 하나 이상의 펌프를 위한 제어회로를 포함하며,

각(各) 펌프는,

입구와 출구 사이에 위치되는 펌핑 챔버;

복수의 서멀 벤드 액츄에이터;

를 포함하고,

상기 제어회로(control circuitry)는 상기 복수의 액츄에이터의 작동을 제어하고, 또한, 상기 제어회로는 상기 핑거의 연동 운동을 통해 각(各) 펌핑 챔버에서 연동 펌핑 작용을 제공할 수 있도록 형성되어 있는 MEMS 집적회로(integrated circuit)를 제공한다.

선택적으로, 상기 펌핑 챔버는 기다랗고, 상기 핑거들은 상기 펌핑 챔버의 종방향 벽(longitudinal wall)을 따라 나열된다.

선택적으로, 상기 핑거들은 대향 핑거 쌍들로 배열되며, 대향 쌍의 각 핑거는 상기 펌핑 챔버의 중심 종축(central longitudinal axis) 쪽으로 향해 있다.

선택적으로, 상기 펌핑 챔버는 기판으로부터 일정 간격으로 떨어져 있는 루프와, 상기 루프와 상기 기판에 의해 형성되는 플로어 사이에 뻗어 있는 측벽을 포함한다.

선택적으로, 상기 핑거는 상기 루프에 위치되어 있다.

선택적으로, 각(各) 서멀 벤드 액츄에이터는,

열탄성 물질로 구성되는 능동 빔; 및

상기 능동 빔과 기계적으로 협동하는 수동 빔;

을 포함함으로써,

선택적으로, 상기 능동 빔은 상기 수동 빔에 융합된다.

선택적으로, 상기 능동 빔은 한 쌍의 전극 사이에 뻗어 있는 구부러진 전류 경로를 형성하며, 상기 전극은 상기 제어회로에 연결된다.

선택적으로, 상기 열탄성 물질은 티타늄 질화물, 티타늄 알루미늄 질화물 및 바나듐-알루미늄 합금으로 이루어지는 그룹에서 선택된다.

선택적으로, 상기 수동 빔은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 및 실리콘 산화질화물로 이루어지는 그룹에서 선택된 물질로 구성된다.

선택적으로, 상기 벽은 폴리머층으로 피복되며, 상기 폴리머층은 각(各) 핑거와 상기 벽 사이에 기계적인 씰(mechanical seal)을 제공한다.

선택적으로, 상기 폴리머층은 상기 MEMS 집적회로의 외부 표면을 형성한다.

선택적으로, 상기 출구는 상기 외부 표면에 형성된다.

선택적으로, 상기 입구는 상기 기판에 형성된다.

또 다른 관점에서,

각(各) 펌프는,

입구와 출구 사이에 위치되는 펌핑 챔버;

복수의 서멀 벤드 액츄에이터;

를 포함하고,

상기 제어회로는 상기 복수의 액츄에이터의 작동을 제어하고, 또한, 상기 제어회로는 상기 핑거의 연동 운동을 통해 각(各) 펌핑 챔버에서 연동 펌핑 작용을 제공할 수 있도록 형성되어 있는 MEMS 집적회로를 포함하는 미세유체 시스템을 제공한다.

제 3 관점에서, 본 발명은,

입구 포트(inlet port);

출구 포트(outlet port);

서멀 벤드 액츄에이터; 및

상기 액츄에이터와 협동하는 밸브 폐쇄 부재(valve closure member);

를 포함함으로써,

상기 서멀 벤드 액츄에이터의 작동이 상기 폐쇄 부재의 운동을 야기함에 의해, 상기 입구 포트로부터 상기 출구 포트로의 유체의 유동을 조절하는, 기계적으로 작동되는 미세유체 밸브를 제공한다.

선택적으로, 상기 서멀 벤드 액츄에이터는,

열탄성 물질로 구성되는 능동 빔; 및

상기 능동 빔과 기계적으로 협동하는 수동 빔;

을 포함함으로써,

선택적으로, 상기 능동 빔은 상기 수동 빔에 융합된다.

선택적으로, 상기 능동 빔은 한 쌍의 전극 사이에 뻗어 있는 구부러진 전류 경로를 형성하며, 상기 전극은 상기 액츄에이터를 제어하기 위한 제어회로에 연결된다.

선택적으로, 적어도 상기 액츄에이터는 실리콘 기판의 MEMS층에 형성된다.

선택적으로, 상기 기판은 상기 액츄에이터를 제어하기 위한 제어회로를 포함하며, 상기 제어회로는 상기 기판의 적어도 하나의 CMOS층에 포함된다.

선택적으로, 상기 입구 포트와 상기 출구 포트는 실리콘 기판의 MEMS층에 형성된다.

선택적으로, 상기 입구 포트와 상기 출구 포트는 폴리머 미세유체 플랫폼에 형성된다.

선택적으로, 상기 폐쇄 부재는 상기 밸브의 씰링 표면과의 씰링 접촉을 위해 유연한 물질(compliant material)로 구성된다.

선택적으로, 상기 폐쇄 부재는 엘라스토머로 구성된다.

선택적으로, 상기 폐쇄 부재는 폴리디메틸실록산(PDMS)으로 구성된다.

선택적으로, 상기 폐쇄 부재는 상기 서멀 벤드 액츄에이터에 융합되거나 또는 결합된다.

선택적으로, 상기 작동은 상기 밸브의 개방 또는 폐쇄를 야기한다.

선택적으로, 상기 작동은 상기 밸브의 부분적인 개방 또는 부분적인 폐쇄를 야기한다.

제 4 관점에서, 본 발명은 폴리머 미세유체 플랫폼에 결합된 MEMS 집적회로를 포함하는 미세유체 시스템을 제공하며, 상기 시스템은 하나 이상의 미세유체 장치를 포함하고, 적어도 상기 미세유체 장치 중 하나는 상기 집적회로의 MEMS층에 위치되는 MEMS 액츄에이터를 포함한다.

선택적으로, 상기 미세유체 장치는 미세유체 밸브와 미세유체 펌프로 이루어지는 그룹에서 선택된다.

선택적으로, 상기 미세유체 장치 전부는 상기 MEMS층에 위치되는 MEMS 액츄에이터를 포함한다.

선택적으로, 상기 MEMS층은 미세유체 채널 내의 유체를 가열하기 위한 미세히터(microheater)를 더 포함한다.

선택적으로, 상기 MEMS 집적회로는 실리콘 기판을 포함하며, 상기 MEMS층은 상기 기판에 형성된다.

선택적으로, 상기 MEMS층은 폴리머층으로 피복된다.

선택적으로, 상기 폴리머층은 상기 MEMS 집적회로의 결합 표면을 형성한다.

선택적으로, 상기 폴리머층은 포토패턴을 형성할 수 있는 PDMS로 구성된다.

선택적으로, 상기 미세유체 플랫폼은 내부에 하나 이상의 미세유체 채널이 형성되어 있는 폴리머 몸체(polymeric body)를 포함한다.

선택적으로, 상기 폴리머 몸체는 PDMS로 구성된다.

선택적으로, 적어도 상기 미세유체 채널 중 하나는 상기 적어도 하나의 미세유체 장치와 유체연통한다.

선택적으로, 상기 MEMS 집적회로는 상기 액츄에이터를 제어하기 위한 제어회로를 포함하며, 상기 제어회로는 상기 기판의 적어도 하나의 CMOS층에 포함된다.

선택적으로, 상기 MEMS 액츄에이터는 서멀 벤드 액츄에이터이다.

선택적으로, 상기 서멀 벤드 액츄에이터는,

열탄성 물질로 구성되는 능동 빔; 및

상기 능동 빔과 기계적으로 협동하는 수동 빔;

을 포함함으로써,

선택적으로, 상기 능동 빔은 상기 수동 빔에 융합된다.

선택적으로, 상기 능동 빔은 한 쌍의 전극 사이에 뻗어 있는 구부러진 전류 경로를 형성하며, 상기 전극은 각 액츄에이터를 제어하기 위한 제어회로에 연결된다.

다른 관점에서, 폴리머 미세유체 플랫폼에 결합된 MEMS 집적회로를 포함하는 미세유체 시스템을 제공하며, 상기 시스템은 하나 이상의 미세유체 장치를 포함하고, 적어도 상기 미세유체 장치 중 하나는 상기 집적회로의 MEMS층에 위치되는 MEMS 액츄에이터를 포함하는데,

이 미세유체 시스템은 LOC 장치 또는 마이크로 통합 분석 시스템(μTAS)이다.

제 5 관점에서, 본 발명은 폴리머 미세유체 플랫폼에 결합되는 결합 표면을 가지는 집적회로를 포함하는 미세유체 시스템을 제공하며, 상기 미세유체 시스템은 상기 집적회로 내의 제어회로에 의해 제어되는 하나 이상의 미세유체 장치를 포함하고, 적어도 상기 미세유체 장치 중 하나는 상기 집적회로의 MEMS층에 위치되는 MEMS 액츄에이터를 포함하며, 상기 MEMS층은 상기 집적회로의 상기 결합 표면을 형성하는 폴리머층으로 피복된다.

선택적으로, 상기 미세유체 장치는,

상기 집적회로;

상기 미세유체 플랫폼; 및

상기 집적회로와 상기 미세유체 플랫폼 사이의 인터페이스;

중 어느 하나에 위치된다.

선택적으로, 상기 집적회로는 적어도 하나의 CMOS층을 가지는 실리콘 기판을 포함하며, 상기 제어회로는 상기 적어도 하나의 CMOS층에 포함된다.

선택적으로, 상기 집적회로는 실리콘 기판을 포함하며, 상기 MEMS층은 상기 기판에 형성된다.

선택적으로, 상기 미세유체 플랫폼은 내부에 하나 이상의 미세유체 채널이 형성되어 있는 폴리머 몸체를 포함한다.

선택적으로, 상기 폴리머 몸체는 PDMS로 구성된다.

선택적으로, 적어도 상기 미세유체 채널 중 하나는 적어도 하나의 상기 미세유체 장치와 유체연통한다.

선택적으로, 상기 서멀 벤드 액츄에이터는,

열탄성 물질로 구성되는 능동 빔; 및

상기 능동 빔과 기계적으로 협동하는 수동 빔;

을 포함함으로써,

선택적으로, 상기 능동 빔은 상기 수동 빔에 융합된다.

선택적으로, 상기 능동 빔은 한 쌍의 전극 사이에 뻗어 있는 구부러진 전류 경로를 형성하며, 상기 전극은 상기 액츄에이터를 제어하기 위한 상기 제어회로에 연결된다.

선택적으로, 상기 집적회로는 상기 폴리머 미세유체 플랫폼과 유체연통 및/또는 기계연통(mechanical communication)한다.

또 다른 관점에서, 폴리머 미세유체 플랫폼에 결합되는 결합 표면을 가지는 집적회로를 포함하는 미세유체 시스템을 제공하며, 상기 미세유체 시스템은 상기 집적회로 내의 제어회로에 의해 제어되는 하나 이상의 미세유체 장치를 포함하고,

적어도 상기 미세유체 장치 중 하나는 상기 집적회로의 MEMS층에 위치되는 MEMS 액츄에이터를 포함하며, 상기 MEMS층은 상기 집적회로의 상기 결합 표면을 형성하는 폴리머층으로 피복되는데,

제 6 관점에서, 본 발명은 MEMS 집적회로를 포함하는 미세유체 시스템을 제공하며, 상기 MEMS 집적회로는,

내부에 하나 이상의 미세유체 채널이 형성되어 있는 실리콘 기판;

하나 이상의 미세유체 장치를 제어하기 위한 적어도 하나의 제어회로의 층;

상기 하나 이상의 미세유체 장치를 포함하는 MEMS층; 및

상기 MEMS층을 피복하는 폴리머층;

을 포함하고,

적어도 상기 폴리머층의 일부분은 적어도 상기 미세유체 장치 중 하나에 대해 씰(seal)을 제공한다.

선택적으로, 상기 MEMS 집적회로는 상기 미세유체 시스템의 작동에 필요한 모든 미세유체 장치 및 제어회로를 포함한다.

선택적으로, 상기 제어회로는 적어도 하나의 CMOS층에 포함된다.

선택적으로, MEMS 집적회로는 상기 폴리머층을 통해 수동 기판(passive substrate)에 장착된다.

선택적으로, 상기 적어도 하나의 미세유체 장치는 MEMS 액츄에이터를 포함한다.

선택적으로, 상기 서멀 벤드 액츄에이터는,

열탄성 물질로 구성되는 능동 빔; 및

상기 능동 빔과 기계적으로 협동하는 수동 빔;

을 포함함으로써,

선택적으로, 상기 능동 빔은 상기 수동 빔에 융합된다.

선택적으로, 상기 미세유체 장치는 입구 포트와 출구 포트 사이에 위치되는 씰링 표면을 포함하는 미세유체 밸브이며, 상기 폴리머층의 상기 적어도 일부분은 상기 씰링 표면과의 씰링 접촉에 적합하도록 형성되어 있다.

선택적으로, 상기 씰링 접촉(sealing engagement)은 상기 입구 포트로부터 상기 출구 포트로의 유체유동을 조절한다.

선택적으로, 상기 미세유체 장치는,

입구와 출구 사이에 위치되는 펌핑 챔버; 및

상기 펌핑 챔버의 벽에 위치되는 복수의 이동식 핑거;

를 포함하며,

상기 핑거는 상기 벽을 따라 나열되고, 또한, 상기 핑거의 운동을 통해 연동 펌핑 작용을 제공할 수 있도록 형성되며,

상기 폴리머층의 상기 적어도 일부분은 각(各) 이동식 핑거와 상기 벽 사이에 기계적인 씰을 제공한다.

다른 관점에서, MEMS 집적회로를 포함하는 미세유체 시스템이 제공되며, 상기 MEMS 집적회로는,

상기 하나 이상의 미세유체 장치를 포함하는 MEMS층; 및

상기 MEMS층을 피복하는 폴리머층;

을 포함하고,

적어도 상기 폴리머층의 일부분은 적어도 상기 미세유체 장치 중 하나에 대해 씰을 제공하는데,

제 7 관점에서, 본 발명은,

입구 포트;

출구 포트;

상기 입구 포트와 출구 포트 사이에 위치되며, 씰링 표면을 가지는 위어(weir);

상기 씰링 표면과의 씰링 접촉을 위한 다이어프램 박막(diaphragm membrane); 및

상기 박막이 상기 씰링 표면과 밀봉되게 접촉되는 폐쇄위치와 상기 박막이 상기 씰링 표면으로부터 떨어지는 개방위치 사이에서 상기 다이어프램 박막을 운동시키기 위한 적어도 하나의 서멀 벤드 액츄에이터;

를 포함하는 미세유체 밸브를 제공한다.

선택적으로, 상기 개방위치에서, 상기 다이어프램 박막과 상기 씰링 표면 사이에는 연결 채널(connecting channel)이 형성되며, 상기 연결 채널은 상기 입구 포트와 출구 포트 사이에 유체연통을 제공한다.

선택적으로, 상기 개방위치는 완전 개방위치와 부분 개방위치를 포함한다.

선택적으로, 상기 다이어프램 박막은 적어도 하나의 이동식 핑거에 융합되거나 또는 결합되며, 상기 액츄에이터는 상기 핑거의 운동을 야기한다.

선택적으로, 상기 적어도 하나의 핑거는 상기 서멀 벤드 액츄에이터를 포함한다.

선택적으로, 본 발명에 따른 미세유체 밸브는 한 쌍의 대향된 핑거를 포함하며, 상기 핑거 각각은 상기 위어 쪽으로 향해 있고, 상기 다이어프램 박막은 상기 대향된 핑거 사이에 걸쳐져 있다.

선택적으로, 상기 밸브는 기판에 형성되며, 상기 다이어프램 박막과 상기 핑거는 상기 기판으로부터 일정 간격으로 떨어져 있고, 상기 위어는 상기 기판으로부터 상기 다이어프램 박막 쪽으로 뻗어 있다.

선택적으로, 상기 위어는 상기 대향된 핑거 사이에서 중심에 위치된다.

선택적으로, 상기 핑거 각각은 각각의 서멀 벤드 액츄에이터를 포함한다.

선택적으로, 각(各) 서멀 벤드 액츄에이터는,

열탄성 물질로 구성되는 능동 빔; 및

상기 능동 빔과 기계적으로 협동하는 수동 빔;

을 포함함으로써,

선택적으로, 상기 능동 빔은 상기 수동 빔에 융합된다.

선택적으로, 상기 기판은 상기 적어도 하나의 액츄에이터를 제어하기 위한 제어회로를 포함한다.

선택적으로, 상기 다이어프램 박막은 적어도 폴리머층의 일부분으로 형성된다.

선택적으로, 본 발명에 따른 복수의 미세유체 밸브는 연동 펌프로 사용하기 위해 직렬로 배치된다.

제 8 관점에서, 본 발명은 하나 이상의 미세유체 다이어프램 밸브와 상기 하나 이상의 밸브를 위한 제어회로를 포함하는 MEMS 집적회로를 제공하며, 각(各) 밸브는,

입구 포트;

출구 포트;

상기 입구 포트와 출구 포트 사이에 위치되며, 씰링 표면을 가지는 위어;

상기 씰링 표면과의 씰링 접촉을 위한 다이어프램 박막; 및

를 포함하며,

상기 제어회로는 상기 밸브의 개방과 폐쇄를 제어하도록 상기 적어도 하나의 액츄에이터의 작동을 제어할 수 있게 구성된다.

선택적으로, 상기 개방위치에서, 상기 다이어프램 박막과 상기 씰링 표면 사이에는 연결 채널이 형성되며, 상기 연결 채널은 상기 입구 포트와 출구 포트 사이에 유체연통을 제공한다.

선택적으로, 상기 개방위치는 완전 개방위치와 부분 개방위치를 포함하며, 개방 정도는 상기 제어회로에 의해 제어된다.

선택적으로, 본 발명에 따른 MEMS 집적회로는 한 쌍의 대향된 핑거를 포함하며, 상기 핑거 각각은 상기 위어 쪽으로 향해 있고, 상기 다이어프램 박막은 상기 대향된 핑거 사이에 걸쳐져 있다.

선택적으로, 각(各) 서멀 벤드 액츄에이터는,

열탄성 물질로 구성되는 능동 빔; 및

상기 능동 빔과 기계적으로 협동하는 수동 빔;

을 포함함으로써,

선택적으로, 상기 능동 빔은 상기 수동 빔에 융합된다.

선택적으로, 복수의 상기 밸브는 직렬로 배치되며, 상기 제어회로는 연동 펌핑 작용을 제공하도록 각 액츄에이터의 작동을 제어할 수 있게 구성된다.

제 9 관점에서, 본 발명은,

유연한 몸체(compliant body)에 형성되는 미세유체 채널;

상기 미세유체 채널의 일부분으로 형성되며, 적어도 상기 몸체의 외면의 일부분을 형성하는 박막 벽(membrane wall)을 가지는 밸브 슬리브(valve sleeve);

상기 밸브 슬리브의 대향된 벽(opposed wall) 쪽으로 상기 박막 벽을 조이기 위한 압축 부재(compression member); 및

상기 박막 벽이 상기 대향된 벽 쪽으로 밀봉되게 조여지는 폐쇄위치와 상기 박막 벽이 상기 대향된 벽으로부터 떨어지는 개방위치 사이에서, 상기 압축 부재를 운동시키기 위한 서멀 벤드 액츄에이터;

를 포함하는 미세유체 핀치 밸브(microfluidic pinch valve)를 제공한다.

선택적으로, 이동식 핑거는 상기 압축 부재와 결합되며, 상기 핑거는 상기 액츄에이터의 운동을 통해, 상기 개방위치와 상기 폐쇄위치 사이에서, 상기 압축 부재를 압박할 수 있게 구성된다.

선택적으로, 상기 압축 부재는 상기 핑거와 상기 박막 벽 사이에 끼워진다.

선택적으로, 상기 압축 부재는 상기 박막 벽으로부터 돌출한다.

선택적으로, 상기 압축 부재는 상기 서멀 벤드 액츄에이터가 정지상태(quiescent state)에 있을 때, 상기 폐쇄위치 쪽으로 바이어스된다.

선택적으로, MEMS 집적회로는 상기 몸체의 상기 외면에 결합되며, 상기 이동식 핑거는 상기 집적회로의 MEMS층에 포함된다.

선택적으로, 상기 MEMS 집적회로는 폴리머층에 의해 형성되는 결합 표면을 포함하며, 상기 결합 표면은 상기 몸체의 상기 외면에 결합된다.

선택적으로, 상기 폴리머층은 상기 MEMS층을 피복한다.

선택적으로, 상기 폴리머층 및/또는 상기 유연한 몸체는 PDMS로 구성된다.

선택적으로, 상기 액츄에이터의 작동은 상기 핑거를 상기 몸체로부터 이동하게 함으로써, 상기 밸브를 개방하며; 또한,

상기 액츄에이터의 비작동(deactuation)은 상기 핑거를 상기 몸체 쪽으로 이동하게 함으로써, 상기 밸브를 폐쇄한다.

선택적으로, 상기 이동식 핑거는 상기 서멀 벤드 액츄에이터를 포함한다.

선택적으로, 상기 서멀 벤드 액츄에이터는,

열탄성 물질로 구성되는 능동 빔; 및

상기 능동 빔과 기계적으로 협동하는 수동 빔;

을 포함함으로써,

선택적으로, 상기 핑거의 크기는 상기 수동 빔에 의해 정해진다.

선택적으로, 상기 능동 빔은 상기 수동 빔에 융합된다.

선택적으로, 상기 열탄성 물질은 티타늄 질화물, 티타늄 알루미늄 질화물 및 바나듐-알루미늄 합금으로 이루어지는 그룹에서 선택되며; 또한, 상기 수동 빔은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 및 실리콘 산화질화물로 이루어지는 그룹에서 선택된 물질로 구성된다.

선택적으로, 상기 MEMS 집적회로는 적어도 하나의 CMOS층에 포함되는 제어회로를 가지는 실리콘 기판을 포함한다.

선택적으로, 본 발명에 따른 미세유체 밸브를 포함하는 미세유체 시스템이 제공된다.

선택적으로, 본 발명에 따른 미세유체 시스템은 직렬로 배치되는 복수의 상기 밸브를 포함한다.

제 10 관점에서, 본 발명은,

(A) 내부에 미세유체 채널이 형성되어 있는 유연한 몸체;

상기 미세유체 채널의 일부분으로 형성되며, 적어도 상기 몸체의 외면의 일부분을 형성하는 박막 벽을 가지는 밸브 슬리브; 및

상기 밸브 슬리브의 대향된 벽 쪽으로 상기 박막 벽을 조이기 위한 압축 부재;

를 포함하는 미세유체 플랫폼: 및

(B) 상기 몸체의 상기 외면에 결합되는 MEMS 집적회로:

를 포함하며,

상기 MEMS 집적회로는,

상기 압축 부재와 결합되고, 상기 박막 벽이 상기 대향된 벽 쪽으로 밀봉되게 조여지는 폐쇄위치와 상기 박막 벽이 상기 대향된 벽으로부터 떨어지는 개방위치 사이에서, 상기 압축 부재를 압박할 수 있게 형성되는 이동식 핑거;

상기 핑거와 결합되며, 상기 핑거의 운동을 제어할 수 있게 형성되는 서멀 벤드 액츄에이터; 및

상기 밸브 슬리브의 개방과 폐쇄를 제어할 수 있도록 상기 액츄에이터의 작동을 제어하기 위한 제어회로;

를 포함한다.

선택적으로, 상기 압축 부재는 상기 박막 벽의 일부분이다.

선택적으로, 상기 압축 부재는 상기 서멀 벤드 액츄에이터가 정지상태에 있을 때, 상기 폐쇄위치 쪽으로 바이어스된다.

선택적으로, 상기 폴리머층은 상기 이동식 핑거를 포함하는 MEMS층을 피복한다.

선택적으로, 상기 액츄에이터의 작동은 상기 핑거를 상기 몸체로부터 이동하게 함으로써, 상기 밸브 슬리브를 개방하며; 또한,

상기 액츄에이터의 비작동(deactuation)은 상기 핑거를 상기 몸체 쪽으로 이동하게 함으로써, 상기 밸브 슬리브를 폐쇄한다.

선택적으로, 상기 서멀 벤드 액츄에이터는,

열탄성 물질로 구성되는 능동 빔; 및

상기 능동 빔과 기계적으로 협동하는 수동 빔;

을 포함함으로써,

선택적으로, 상기 능동 빔은 상기 수동 빔에 융합된다.

선택적으로, 상기 MEMS 집적회로는 적어도 하나의 CMOS층에 포함되는 상기 제어회로를 가지는 실리콘 기판을 포함한다.

제 11 관점에서, 본 발명은,

(A) 내부에 미세유체 채널이 형성되어 있는 유연한 몸체;

상기 미세유체 채널의 일부분으로 형성되며, 적어도 상기 몸체의 외면의 일부분을 형성하는 박막 벽을 가지는 기다란 챔버; 및

상기 박막 벽을 따라 일정 간격으로 떨어져 있고, 상기 챔버의 대향된 벽 쪽으로 상기 박막 벽의 각 부분을 조일 수 있게 각각 형성된 복수의 압축 부재;

를 포함하는 미세유체 플랫폼: 및

(B) 상기 몸체의 상기 외면에 결합되는 MEMS 집적회로:

를 포함하며,

상기 MEMS 집적회로는,

각각의 압축 부재와 각각 결합되고, 상기 박막 벽의 상기 각 부분이 상기 대향된 벽 쪽으로 밀봉되게 조여지는 폐쇄위치와 상기 박막 벽의 상기 각 부분이 상기 대향된 벽으로부터 떨어지는 개방위치 사이에서, 상기 각각의 압축 부재를 압박할 수 있게 각각 형성되는 복수의 이동식 핑거;

상기 각각의 핑거의 운동을 제어하기 위해, 각각의 핑거와 각각 결합되는 복수의 서멀 벤드 액츄에이터; 및

상기 액츄에이터의 작동을 제어하기 위한 제어회로;

를 포함한다.

선택적으로, 상기 제어회로는,

(ⅰ) 상기 핑거의 연동 운동(peristaltic movement)을 통한 상기 챔버에서의 연동 펌핑 작용;

(ⅱ) 상기 핑거의 운동을 통한 상기 챔버에서의 혼합 작용(mixing action);

(ⅲ) 상기 챔버에서의 협동 밸브 작용(concerted valving action);

중 하나 이상을 제공할 수 있도록 형성된다.

선택적으로, 상기 혼합 작용은 상기 챔버를 통과하는 유체의 난류(turbulent flow)를 발생시킨다.

선택적으로, 상기 협동 밸브 작용은 상기 압축 부재 모두를 개방위치 또는 폐쇄위치로 협동적으로 이동하게 한다.

선택적으로, 상기 제어회로는 상기 연동 펌핑 작용, 상기 혼합 작용 및 상기 협동 밸브 작용 중 둘 이상을 교대로 제공할 수 있게 형성된다.

선택적으로, 각(各) 압축 부재는 각각의 핑거와 상기 박막 벽 사이에 끼워진다.

선택적으로, 각 압축 부재는 상기 박막 벽으로부터 돌출한다.

선택적으로, 각 압축 부재는 상기 박막 벽의 일부분이다.

선택적으로, 각 압축 부재는 상기 서멀 벤드 액츄에이터가 정지상태에 있을 때, 상기 폐쇄위치 쪽으로 바이어스된다.

선택적으로, 각(各) 액츄에이터의 작동은 각각의 핑거를 상기 몸체로부터 이동하게 함으로써, 상기 박막 벽의 각 부분을 상기 대향된 벽으로부터 떨어지게 하며; 또한,

각 액츄에이터의 비작동은 상기 각각의 핑거를 상기 몸체 쪽으로 이동하게 함으로써, 상기 대향된 벽 쪽으로 상기 박막 벽의 각 부분을 밀봉되게 조인다.

선택적으로, 각 이동식 핑거는 상기 서멀 벤드 액츄에이터를 포함한다.

선택적으로, 각(各) 서멀 벤드 액츄에이터는,

열탄성 물질로 구성되는 능동 빔; 및

상기 능동 빔과 기계적으로 협동하는 수동 빔;

을 포함함으로써,

선택적으로, 각(各) 핑거의 크기는 상기 수동 빔에 의해 정해진다.

선택적으로, 상기 능동 빔은 상기 수동 빔에 융합된다.

제 12 관점에서, 본 발명은 미세유체 플랫폼에 결합되는 MEMS 집적회로를 포함하는 미세유체 시스템을 제공하며, 상기 미세유체 플랫폼은 내부에 적어도 하나의 미세유체 채널이 형성되어 있는 폴리머 몸체를 포함하고, 또한, 상기 MEMS 집적회로는 적어도 하나의 서멀 벤드 액츄에이터를 포함하며, 상기 미세유체 시스템은 상기 적어도 하나의 액츄에이터의 운동이 상기 채널의 폐쇄를 야기하도록 형성된다.

선택적으로, 상기 적어도 하나의 서멀 벤드 액츄에이터는 상기 서멀 벤드 액츄에이터의 작동이 상기 각각의 핑거의 운동을 야기하도록 각각의 이동식 핑거와 결합된다.

선택적으로, 상기 핑거는 상기 미세유체 채널의 벽과 접촉된다.

선택적으로, 본 발명에 따른 미세유체 시스템은 상기 미세유체 플랫폼 쪽으로의 상기 핑거의 운동이 대향된 벽 쪽으로 상기 벽을 조임으로써 상기 채널의 폐쇄를 야기하도록 형성된다.

선택적으로, 상기 운동은 상기 서멀 벤드 액츄에이터의 비작동에 의해 제공된다.

선택적으로, 본 발명에 따른 미세유체 시스템은 선형 연동 펌프(linear peristaltic pump)로서 형성되는 복수의 이동식 핑거를 포함한다.

선택적으로, 상기 펌프는 상기 폴리머 몸체에 형성되는 제어 채널과 유체연동하며, 상기 제어 채널은 상기 미세유체 채널과 협동함으로써 상기 제어 채널을 제어 유체(control fluid)로 가압하는 것에 의해 상기 미세유체 채널의 조임 폐쇄(pinching closure)를 야기한다.

선택적으로, 상기 제어 유체는 공기압제어(pneumatic control)로 공급하는 기체, 또는 유압 제어(hydraulic control)로 공급하는 액체이다.

선택적으로, 상기 적어도 하나의 서멀 벤드 액츄에이터는 상기 MEMS 집적회로의 MEMS층에 위치된다.

선택적으로, 상기 MEMS 집적회로는 상기 적어도 하나의 서멀 벤드 액츄에이터를 제어하기 위한 제어회로를 포함하며, 상기 제어회로는 상기 기판의 적어도 하나의 CMOS층에 포함된다.

선택적으로, 상기 MEMS층은 폴리머층으로 피복된다.

선택적으로, 상기 폴리머 몸체는 PDMS로 구성된다.

선택적으로, 상기 서멀 벤드 액츄에이터는,

열탄성 물질로 구성되는 능동 빔; 및

상기 능동 빔과 기계적으로 협동하는 수동 빔;

을 포함함으로써,

선택적으로, 상기 능동 빔은 상기 수동 빔에 융합된다.

선택적으로, 본 발명에 따른 미세유체 시스템은 LOC 장치 또는 마이크로 통합 분석 시스템(μTAS)이다.

제 13 관점에서, 본 발명은 공기압식 또는 유압식 핀치 밸브(pinch valve)를 포함하는 미세유체 시스템을 제공하며,

상기 핀치 밸브는,

유연한 몸체에 형성되는 미세유체 채널;

상기 미세유체 채널의 밸브부분(valve section)과 협동하는 팽창식 제어 채널(inflatable control channel);

을 포함함으로써,

상기 제어 채널의 공기압 또는 유압 가압상태가 상기 제어 채널의 팽창과 상기 밸브부분의 조임 폐쇄를 야기하며,

상기 미세유체 시스템은 상기 제어 채널을 가압하기 위해 상기 제어 채널과 유체연통하는 온-칩형 MEMS 펌프(on-chip MEMS pump)를 포함한다.

선택적으로, 상기 밸브부분은 탄력적으로 내려앉을 수 있는 벽(resiliently collapsible wall)을 포함한다.

선택적으로, 상기 제어 채널의 벽은 상기 밸브부분의 벽과 접촉된다.

선택적으로, 상기 펌프를 정지시킴에 의해 상기 제어 채널 내의 압력을 해제함으로써, 상기 밸브부분을 개방한다.

선택적으로, 본 발명에 따른 미세유체 시스템은 상기 펌프를 제어하기 위한 온-칩형 제어회로를 포함함으로써, 상기 밸브부분의 폐쇄를 제어한다.

선택적으로, 본 발명에 따른 미세유체 시스템은 미세유체 플랫폼에 결합되는 MEMS 집적회로를 포함하며, 상기 미세유체 플랫폼은 내부에 상기 미세유체 채널과 상기 제어 채널이 형성되어 있는 폴리머 몸체를 포함하고, 상기 MEMS 집적회로는 상기 MEMS 펌프를 포함한다.

선택적으로, 상기 MEMS 펌프는 선형 연동 펌프로서 형성되는 복수의 이동식 핑거를 포함하며, 상기 핑거 각각은 각각의 핑거를 운동시키기 위해 각각의 서멀 벤드 액츄에이터와 결합된다.

선택적으로, 각(各) 핑거는 각각의 서멀 벤드 액츄에이터를 포함한다.

선택적으로, 상기 MEMS 펌프는 상기 MEMS 집적회로의 MEMS층에 위치된다.

선택적으로, 상기 MEMS 집적회로는 상기 서멀 벤드 액츄에이터를 제어하기 위한 제어회로를 포함하며, 상기 제어회로는 상기 기판의 적어도 하나의 CMOS층에 포함된다.

선택적으로, 상기 MEMS층은 폴리머층으로 피복된다.

선택적으로, 상기 유연한 몸체는 PDMS로 구성된다.

선택적으로, 각(各) 서멀 벤드 액츄에이터는,

열탄성 물질로 구성되는 능동 빔; 및

상기 능동 빔과 기계적으로 협동하는 수동 빔;

을 포함함으로써,

선택적으로, 상기 능동 빔은 상기 수동 빔에 융합된다.

선택적으로, 상기 수동 빔은 각 핑거의 크기를 정한다.

도 1a-c는 종래 기술의 밸브시스템을 나타내는 도면.
도 2는 부분적으로 제조된 서멀 벤드 작동식 잉크젯 노즐 조립체를 나타내는 도면.
도 3은 완성된 잉크젯 노즐 조립체의 일부를 잘라낸 사시도.
도 4는 MEMS 장치를 노출시키기 위해 제거되는 폴리머 씰링층(sealing layer)을 가진 MEMS 미세유체 펌프의 사시도.
도 5는 폴리머 씰링층을 포함하는 도 4에 나타낸 펌프의 일부를 잘라낸 사시도.
도 6은 다른 MEMS 미세유체 펌프의 평면도.
도 7은 결합하기 전의 미세유체 플랫폼과 MEMS 집적회로를 개략적으로 나타내는 도면.
도 8은 결합된 미세유체 플랫폼과 MEMS 집적회로를 포함하는 집적된 LOC 장치를 개략적으로 나타내는 도면.
도 9는 미세유체 플랫폼을 MEMS 집적회로와 결합함으로써 제조된 미세유체 핀치 밸브를 개략적으로 나타내는 도면.
도 10은 개방위치에서, 도 9의 미세유체 핀치 밸브를 나타내는 도면.
도 11은 도 10에 나타낸 바와 같은 것이 직렬로 배치된, 복수의 미세유체 핀치 밸브를 포함하는 다기능 장치(multifunctional device)를 나타내는 도면.
도 12는 개방위치에서, 미세유체 다이어프램 밸브를 나타내는 도면.
도 13은 폐쇄위치에서, 도 12의 미세유체 다이어프램 밸브를 나타내는 도면.

이하, 본 발명의 실시예들이 첨부한 도면을 참조하여 단지 예로서 설명된다.

불확실함을 피하기 위해, 본 명세서에서 사용되는 "미세유체"라는 용어는, 이 기술분야에서의 일반적인 의미를 나타낸다. 일반적으로, 미세유체 시스템 또는 구조물은 미크론 치수로 구성되며, 대체로 1000미크론보다 작은 폭을 가지는 적어도 하나의 미세유체 채널을 포함한다. 미세유체 채널은, 일반적으로, 1-800 미크론, 1-500미크론, 1-300미크론, 2-250미크론, 3-150미크론 또는 5 내지 100미크론의 범위 내에서 어떤 폭을 가진다. 미세유체 시스템과 장치는, 일반적으로, 대략 1000 나노리터 이하, 100 나노리터 이하, 10 나노리터 이하, 1 나노리터 이하, 100 피코리터 이하, 10 피코리터 이하의 유체량을 핸들링할 수 있다.

본 명세서에서 사용된 "미세유체 시스템"이라는 용어는, 일반적으로 '칩'(전형적인 마이크로 칩과 비슷한 치수를 가진다는 의미에서)의 형태로 된 하나의, 집적된 유닛을 나타낸다. 미세유체 '칩'은, 일반적으로, 약 5㎝ 이하, 약 4㎝ 이하, 약 3㎝ 이하, 약 2㎝ 이하, 또는 약 1㎝ 이하의 폭 및/또는 길이 치수를 가진다. 상기 칩은, 일반적으로, 약 5㎜ 이하, 약 2㎜ 이하 또는 약 1㎜ 이하의 두께를 가진다. 상기 칩은, 구조적 강성(rigidity)과 강건성(robustness)을 가질 수 있도록, 유리 슬라이드와 같은 수동 기판에 탑재될 수 있다.

미세유체 시스템은, 일반적으로, 하나 이상의 미세유체 채널과 하나 이상의 미세유체 장치(예를 들면, 미세펌프, 미세밸브 등)를 포함한다. 또한, 본 명세서에서 설명되는 미세유체 시스템은, 일반적으로, 상기 시스템 내의 미세유체 장치를 구동하기 위해 모든 필수적인 지원 시스템(예를 들면, 제어회로)을 포함한다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "미세유체 플랫폼"이라는 용어는, 예를 들면, 미세유체 채널, 미세유체 챔버 및/또는 미세유체 장치의 플랫폼을 나타내는데, 이 미세유체 플랫폼은, 전통적으로, 운전에 필요한 외부 지원 시스템을 필요로 한다(예를 들면, 오프-칩 펌프, 오프-칩 제어회로 등). 미세유체 플랫폼은, 일반적으로, 소프트 리소그래피에 의해 형성되는 폴리머 몸체를 가진다. 명백해질 것이지만, 미세유체 플랫폼은, 본 발명에 따른 결합형 미세유체 시스템의 일부분을 형성할 수 있다. 본 발명에 따른 결합형 미세유체 시스템은, 일반적으로, 인터페이스 결합(interfacial bond)을 통해, 미세유체 플랫폼에 결합된 집적회로를 포함한다. 일반적으로, 결합형 미세유체 시스템은, 집적회로와 미세유체 플랫폼 사이에, 유체연통 및/또는 기계연통을 가진다.

"랩-온-어-칩" 또는 LOC 장치는 미세유체 시스템의 예이다. 일반적으로, LOC는 단일 또는 여러 연구소의 프로세스를 칩-포맷까지 축소하는 것을 나타내는데 사용되는 용어이다. LOC 장치는, 일반적으로, 복수의 미세유체 채널, 미세유체 챔버 및 미세유체 장치(예를 들면, 미세펌프, 미세밸브 등)를 포함한다.

"마이크로 통합 분석 시스템(μTAS)"은 화학적 또는 생물학적 분석을 할 수 있는 일련의 연구소 프로세스를 행하기 위해 특별히 구성된 LOC 장치의 예이다.

본 발명에 따른 미세유체 시스템 중 어떤 것은 LOC 장치 또는 μTAS일 수 있다. 이 기술분야의 당업자라면, LOC 장치(또는, 사실상, 어떤 미세유체 시스템)를 특별한 용도에 맞춰, 본 내용을 활용하여, 특별한 구성을 설계할 수 있을 것이다. 미세유체 시스템의 몇 가지 전형적인 용도는 효소 분석(enzymatic analysis)(예를 들면, 글루코오스(glucose) 및 유산염(lactate) 분석), DNA 분석(예를 들면, 중합 효소 연쇄 반응(polymerase chain reaction) 및 고출력 시퀀싱(high-throughput sequencing)), 단백체학(proteomics), 질병진단(disease diagnosis), 독소(toxin)/병원체(pathogen)를 찾기 위한 공기/물 샘플 분석, 연료 전지(fuel cell), 미세혼합기(micromixer) 등이다. LOC 장치로 수행될 수 있는 전통적인 연구소 전략의 수는 사실상 제한이 없으므로, 본 발명도 미세유체 기술의 어떤 특별한 용도로 제한되지 않는다.

잉크젯 노즐 조립체에서의 서멀 벤드 작용

지금까지, 본 출원인은 페이지폭 프린트헤드를 구성하기에 적합한 서멀 벤드 작동식 잉크젯 노즐 조립체를 지나치게 설명해 왔다. 이들 잉크젯 노즐의 몇 가지 구성요소는, 본 명세서에서 설명되고 또한 권리로서 청구되는 미세유체 시스템 및 장치와 관련이 있다. 따라서, 이하에서, 잉크젯 노즐 조립체에 대해 간략히 설명한다.

일반적으로, 잉크젯 노즐 조립체는 CMOS 실리콘 기판의 한쪽 표면에 형성된다. 상기 기판의 CMOS층은 프린트헤드의 각(各) 노즐을 작동시키기 위해 모든 필수적인 논리 및 구동 회로(즉, "제어회로")를 제공한다.

도 2와 3은 2007년 6월 15일에 출원된 본 출원인의 미국출원번호 11/763,440에서 설명된 바와 같은, 2개의 서로 다른 제조 단계에 있는 그와 같은 하나의 노즐 조립체(100)를 나타내며, 미국출원의 내용은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.

도 2는 벤드 액츄에이터의 특징을 설명하기 위해 부분적으로 형성된 노즐 조립체를 나타낸다. 따라서, 도 2에는 CMOS 실리콘 기판(102) 상에 형성된 노즐 조립체(100)가 나타나 있다. 노즐 챔버는, 기판(102)으로부터 일정 간격으로 떨어져 있는 루프(104)와, 루프로부터 기판(102)까지 뻗어 있는 측벽(106)으로 형성되어 있다. 루프(104)는 운동부(moving portion)(108)와 고정부(stationary portion)(110)로 구성되며, 갭(109)이 그 사이에 형성된다. 노즐 개구(nozzle opening)(112)는 잉크 분사를 위해 운동부(108)에 형성된다.

상기 운동부(108)는, 위쪽 능동 빔(114)이 아래쪽 수동 빔(116)에 결합된 형태로 이루어진 한 쌍의 외팔보 빔(canttlever beam)을 가진 서멀 벤드 액츄에이터를 포함한다. 아래쪽 수동 빔(passive beam)(116)은 상기 루프의 운동부(108)의 크기를 정한다. 위쪽 능동 빔(114)은 각각의 전극 접점(electrode contact)(118A, 118B)으로부터 길이방향으로 뻗어 있는 한 쌍의 암(arm)(114A, 114B)을 포함한다. 상기 암(114A, 114B)은 연결 부재(connecting member)(115)에 의해 그들의 말단에서 연결된다. 연결 부재(115)는 티타늄 전도성 패드(conductive pad)(117)를 포함하는데, 이 전도성 패드는 이러한 연결 부위의 둘레로 전기 전도를 용이하게 한다. 따라서, 능동 빔(114)은 상기 전극 접점(118A, 118B) 사이에 구부러지거나 또는 구불구불한 전도 경로(conduction path)를 형성한다.

전극 접점(118A, 118B)은, 노즐 조립체의 한쪽 끝에서 서로 인접하여 위치되며, 기판(102)의 금속 CMOS층(120)까지 각각의 연결물 기둥(connector post)(119)을 통해 연결되어 있다. CMOS층(120)은 벤드 액츄에이터의 작동을 위해 필수적인 구동 회로를 포함한다.

수동 빔(116)은, 일반적으로, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 등과 같은, 어떤 절연/단열 물질로 구성된다. 열탄성 능동 빔(114)은, 티타늄 질화물, 티타늄 알루미늄 질화물 및 알루미늄 합금과 같은, 어떤 적당한 열탄성 물질로 구성될 수 있다. 2006년 12월 4일에 출원된 본 출원인의 동시계류 중 미국출원번호 11/607,976 (대리인 문서번호 IJ70US)에서 설명된 바와 같이, 바나듐-알루미늄 합금이 더 좋은 물질인데, 왜냐하면 바나듐-알루미늄 합금은 높은 열 팽창, 낮은 밀도 그리고 높은 탄성 계수(Young's modulus)라는 유리한 특성들을 겸비하기 때문이다.

도 3을 참조하여, 그 이후의 제조 단계에 의해 완성된 노즐 조립체가 나타나 있다. 도 2의 노즐 조립체(100)는, 노즐 챔버(122)와, 상기 노즐 챔버에 잉크를 공급하기 위한 잉크 입구(ink inlet)(124)를 가지고 있다. 또한, 루프 전체가 폴리디메틸실록산(PDMS)으로 된 층으로 덮여 있다. PDMS층(126)은, 벤드 액츄에이터의 보호, 루프(104)를 소수화하기(hydrophobizing) 및 갭(109)에 대해 기계적인 씰을 제공하기를 포함하여, 많은 기능을 가진다. PDMS층(126)은 노즐 개구(112)를 통한 잉크의 작동과 분사를 허용하기 위해 충분히 낮은 탄성 계수를 가진다.

PDMS층의 기능과 제조를 포함하여, 상기 PDMS층(126)에 관한 더 자세한 설명은, 예를 들면, 2007년 11월 29일에 출원된 미국출원번호 11/946,840에서 볼 수 있다(이 미국출원의 내용은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다).

노즐 챔버(122)로부터 잉크 방울을 분사할 것이 요구되면, 전류가 상기 전극 접점(118A, 118B) 사이의 능동 빔(114)을 통해 흐른다. 능동 빔(114)은 전류에 의해 급속히 가열되어 수동 빔(116)에 비해 팽창됨으로써, 상기 운동부(108)를 고정부(110)에 비해 상기 기판(102)을 향해 아래로 부러지게 한다. 이 운동은, 이어서, 노즐 챔버(122) 내의 압력을 급격히 증가시킴으로써 노즐 개구(112)로부터 잉크가 분사되게 한다. 전류가 흐르는 것을 정지시키면, 운동부(108)는, 도 2와 3에 도시된, 상기 운동부의 정지 위치(quiescent position)로 되돌아가게 되고, 이것이 다음의 분사에 대비하여, 입구(124)로부터 노즐 챔버(122) 안으로 잉크를 흡수한다.

상기 내용으로부터, PDMS층(126)은 노즐 조립체(100)의 기능을 상당히 향상시킨다는 것이 이해될 것이다. 미국출원번호 11/946,840에서 설명된 바와 같이, PDMS층(126)의 형성은 MEMS 제조 프로세스와 스핀-온형 포토패턴을 형성할 수 있는 PDMS의 통합을 통해 가능해진다. 본 출원인은 포토패턴을 형성할 수 있는 PDMS를 이용한 다목적 MEMS 제조 프로세스를 개발해 왔는데, 이 PDMS는 매우 많은 응용분야에서 용도에 맞게 변형될 수 있다. 이하, PDMS를 이용한 미세유체 장치 및 시스템을 설명한다.

미세유체 펌프

도 4와 5는 일렬로 늘어선 MEMS 장치를 포함하는 선형 연동 펌프(200)를 나타내며, MEMS 장치 각각은 앞서 설명된 서멀 벤드 작동식 잉크젯 노즐 조립체(100)와 구성이 비슷하다. 도 4는 각(各) MEMS 장치의 세부 구성을 나타내기 위해 제거된 상부 PDMS층을 가진 상기 펌프(200)를 사시도로 나타낸다.

선형 연동 펌프(200)는 CMOS 실리콘 기판(202)의 한쪽 표면에 형성된다. 펌핑 챔버(203)는 기판(202)으로부터 일정 간격으로 떨어져 있는 루프(204)와, 상기 루프로부터 기판(202)까지 뻗어 있는 측벽(206)으로 형성되어 있다. 루프(204)와 측벽(206)은, 일반적으로, 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물로 구성되며, 미국출원번호 11/763,440에서 설명된 프로세스와 비슷한 제조 프로세스를 이용하여 구성된다.

펌핑 챔버(203)는, 펌프 입구(208)와 펌프 출구(210) 사이에서 길이방향으로 뻗어 있는 기다란 채널의 형태를 취한다. 도 4에 나타낸 것처럼, 펌프 입구(208)는 펌핑 챔버(203)의 플로어(212)에 형성되며, 실리콘 기판을 관통하여 형성된 펌프 입구 채널(214)을 통해 유체가 펌프 입구(208)까지 공급된다. 펌프 출구(210)는 펌프 입구(208)와 마주보는 맞은 편 끝 부분에서 펌핑 챔버(203)의 루프(204)에 형성된다. 펌프 입구(208)와 펌프 출구(210)의 이러한 배치는, 이하에서 설명되는 것처럼, 충분히 집적된 LOC 장치를 제공하기 위해, 특별히 구성되어 있다. 그러나 연동 펌핑 핑거(peristaltic pumping finger)가 그 사이에 위치된다면, 가장 폭 넓은 형태라는 점에서, 연동 펌프(200)는 펌프 입구와 출구의 어떤 적당한 배치를 가질 수 있다는 것이 이해될 것이다.

도 4는, 상부 PDMS층이 제거된, 일렬로 배치되고 또 펌핑 챔버(203)의 길이방향 치수를 따라 일정 간격으로 떨어져 있는 3개의 연동 펌핑 핑거(220)를 나타낸다. 앞에서 설명된 잉크젯 노즐 조립체(100)와 비슷하게, 각(各) 핑거(220)는 서멀 벤드 작동에 의해 펌핑 챔버(203) 안으로 움직일 수 있다. 이처럼, 각 핑거(220)는 능동 빔(222)이 수동 빔(224)과 협동하는 형태로 된 MEMS 서멀 벤드 액츄에이터를 포함한다. 일반적으로, 능동 빔(222)은 수동 빔(224)에 융합되며, 수동 빔(224)은 각각 움직이는 핑거(220)의 크기를 정한다.

수동 빔(224)은, 일반적으로, 루프(204)와 같은 물질로 형성되며, 핑거(220)는 주변 갭(perimeter gap)(226)에 의해 상기 루프로부터 떨어져 있는데, 이 갭은 MEMS 제조 동안, 에칭 프로세스에 의해 형성된다.

능동 빔(222)은 한 쌍의 전극 접점(228) 사이에 뻗어 있는 구부러진 전류 경로를 형성한다. 잉크젯 노즐 조립체(100)와 어울리게, 능동 빔(222)은 각각의 전극 접점(228)으로부터 뻗어 있는 한 쌍의 암(229)을 포함한다. 암(229)은 연결 부재(230)에 의해 그들의 말단에서 연결된다.

각 핑거(220)는 펌핑 챔버(203)에 의해 형성된 길이방향 채널의 루프(204)를 가로질러 횡방향으로 뻗어 있다. 따라서, 각 핑거(200)의 운동을 제어함으로써, 연동 펌핑 작용이 상기 펌핑 챔버(203) 내에 들어 있는 유체에 부여될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 당업자는, 예를 들면, 미국특허 4,909,710에서 설명된 바와 같이, 선형 연동 펌프가 비슷한 펌핑 작용을 함을 알 것이며, 이 미국특허의 내용은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.

각 핑거 작동의 제어는, 도 5에 나타나 있는 것처럼, 실리콘 기판(202) 내의 CMOS층(240)에 의해 제공된다. 도 5는 PDMS로 된 상부 폴리머 씰링층(242)을 포함하는 펌프(200)의 사시도이다. 펌프(200)는 금속 CMOS층(240)의 일부분을 나타내기 위해 핑거(220) 중 하나를 통과하여 내부가 보이도록 잘라낸다. CMOS층(240)은 연결물 기둥(244)을 통해 각각의 전극 접점(228)과 연결되는데, 이 기둥은 CMOS층으로부터, 측벽(206)을 관통하여 뻗어서, 전극 접점과 만난다. CMOS층(240)은 각각의 핑거(220)를 작동시키기 위해, 모든 필수적인 제어 및 구동 회로를 포함한다. 따라서, 펌프(200)를 포함하는 칩은, 어떤 외부 오프-칩 제어(off-chip control)를 필요로 함이 없이, 상기 펌프를 작동시키기 위해, 모든 필수적인 제어 및 구동 회로를 포함한다. 온-칩 제어(on-chip control)는 본 발명에 따른 펌프(200)가 가진 이점들 중 하나이다.

또한, '퀘이크' 밸브(미국특허 7,258,774에서 설명된 바와 같이)의 배열로 형성된 연동 펌프와는 대조적으로, 상기 펌프(200)는 연동 작용을 행하기 위해, 어떤 제어 유체(예를 들면, 공기)도 필요로 하지 않는다. '퀘이크' 밸브(및 그에 관한 '퀘이크' 펌프)는 제어 채널 내의 유체에 의존하므로, 유체가 외부에서 반드시 공급되어야 함에 반해, 기계 작동식 펌프(200)는 완전히 그 자체로 완비되므로, 펌핑이 될 작동 유체는 당연히 제외하고, 어떤 외부 투입도 필요로 하지 않는다.

도 5를 다시 참조하여, 미국출원번호 11/763,440에서 설명된 것과 유사한 제조 기술을 사용하여, 폴리머 씰링층(242)(일반적으로 PDMS)은 루프(204) 상에 적층되고, 펌프 출구(210)는 폴리머 씰링층을 관통하여 형성된다. 물론, 폴리머층(242)은, 작동하는 동안, 각 핑거(220)의 운동을 가능하게 하기 위해, 충분히 낮은 탄성 계수를 가진다. 폴리머층(242)은 각(各) 핑거(220)를 빙 둘러싼 주변 갭(226)에 대해 기계적인 씰을 주로 제공하지만, 각(各) 서멀 벤드 액츄에이터에 대해 보호층을 제공하기도 한다.

또한, PDMS는 소프트 리소그래피에 의해 형성된 종래 미세유체 플랫폼에 대해, 상기 미세유체 펌프(200)를 포함하는 MEMS 집적회로를 결합하기 위해, 이상적인 결합 표면을 제공한다. 종래 LOC 플랫폼과 MEMS 집적회로의 통합은, 본 발명의 특히 유리한 특징이므로, 이하에서 더 상세히 설명한다.

대체 미세유체 펌프( Alternative Microfluidic Pump )

당연히 펌프(200)는 다양한 형태를 취해도 된다. 예를 들면, 핑거(220)의 수와 방위는, 연동 펌핑 작용을 가장 효과적으로 행하기 위해 변경되어도 된다. 도 6으로 돌아가서, 앞에서 설명된 펌프(200)와 같은 작동 원리를 이용하는 대체 선형 연동 펌프(250)가 평면도로 나타나 있다. 도 6에서는, 개개의 핑거(220)와 펌핑 챔버(203)를 나타내기 위해 상부 폴리머층(242)이 제거되어 있다. 명료함을 위해, 도 6에서는, 동일한 참조번호가 동일한 특징 부분을 설명하기 위해 사용되었다.

따라서, 상기 펌프(250)는 길이방향 채널의 형태로 펌핑 챔버(203)를 포함한다. 대향 핑거(220)의 쌍들은 상기 챔버(203)의 루프에 위치되며, 복수의 핑거 쌍은 챔버를 따라 줄지어 길이방향으로 뻗어 있다. 쌍을 이루는 각각의 핑거(220)는, 쌍을 이루는 양쪽 핑거의 동시 작동에 의해 연동 펌핑 작용을 최대로 하기 위해 챔버(203)의 중심 종축 쪽으로 향해 있다. 펌핑하는 동안, 대향 핑거 쌍들은 연동 펌핑 작용을 제공하기 위해 (예를 들면, 연속적으로) 작동될 수 있다. 물론, 어떤 연속 작동이, 예를 들면, 미국특허 4,909,710에서 설명된 것처럼, 펌핑을 가장 효과적으로 하기 위해 사용될 수 있다. 어떤 펌핑 사이클에서, 하나 이상의 핑거 쌍이 동시에 작동될 수도 있고, 또는 어떤 핑거 쌍들이 부분적으로 작동될 수도 있다. 기술자라면, 본 발명의 범위 내에서, 상기 펌프(250)를 이용하는 최적의 연동 펌핑 사이클을 용이하게 생각해 낼 수 있을 것이다.

도 6을 다시 참조하여, 핑거(220)는 펌프 입구(208)와 펌프 출구(210) 사이에 위치되어 있다. 펌프 출구(210)와 핑거(220) 사이의 출구 채널(252)은 밸브 시스템(254)을 포함한다. 밸브 시스템(254)은 채널 회로(channel circuit)(256)를 포함하는데, 이 채널 회로는 출구(210)로부터 입구(208) 쪽을 향한 유체의 역류를 최소화하도록 구성되어 있다. 따라서 밸브 시스템(254)은 펌프(250)의 효율을 극대화한다. 매우 간단한 밸브 시스템(254)이 도 6에 나타나 있지만, 본 발명에 따른 일 방향 펌프의 효율을 높이기 위해, 어떤 체크 밸브가 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.

물론, 본 발명에 따른 펌프는, 온-칩 CMOS를 통해, 핑거 작동의 순서를 간단히 바꿈으로써, 역방향으로 구동될 수도 있다.

MEMS 미세펌프를 포함하는 충분히 집적된 LOC 장치

앞에서 예시된 바와 같이, PDMS 폴리머층(242)은, MEMS 집적회로를, 소프트 리소그래피에 의해 형성된 종래의 미세유체 플랫폼에 결합시키기 위해, 이상적인 결합 표면을 제공한다. 이것이 충분히 집적된 LOC 장치에서 미세유치 장치와 CMOS 제어회로의 통합을 가능하게 한다. 그 결과, 외부 오프-칩 제어 시스템과 펌핑 시스템에 대한 필요성을 없앰으로써 주목할 만한 이점이 달성되는데, 이 외부 오프-칩 제어 시스템과 펌핑 시스템은 종래의 LOC 장치에서 대개는 필수적이다.

종래의 PDMS 미세유체 플랫폼과 PDMS-피복된 MEMS 집적회로 사이의 인터페이스 결합은, 다층 PDMS 소프트 리소그래피로 알려진 종래의 기술을 사용하여 달성된다. 이러한 기술은 소프트 리소그래피 분야의 기술자에게 잘 알려져 있을 것이다. 일반적으로, 각각의 PDMS 표면은 산소 플라즈마에 노출되며, 압력을 가함으로써 두 표면이 서로 결합된다.

도 7은, 어떻게 본 발명에 따른 간단한 집적형 LOC 장치가 종래의 PDMS 결합 기술을 사용하여 제조될 수 있는지를 나타낸다. MEMS 집적회로(또는, 칩)(290)는, 실리콘 기판(202)과, CMOS층(240) 및 MEMS층(260)을 포함한다. MEMS층(260)은 MEMS 미세유체 펌프(200)를 포함한다. 개략적으로 도시된 집적회로(290)에, 2개의 MEMS 미세유체 펌프(200A, 200B)가 나타나 있는데, 각각의 펌프는 연동 펌핑 작용을 제공하기 위해, 복수의 서멀 벤드 작동식 핑거(220)를 포함한다. 물론, 실제로는, 각 MEMS 집적회로(290)가 펌프(200)를 포함하여, 수백 개 또는 수천 개의 MEMS 장치를 포함할 수 있다.

MEMS층(260)은 PDMS층(242)으로 피복되는데, 이 PDMS층이 집적회로(290)의 외부 결합 표면(243)을 형성한다.

종래의 미세유체 플랫폼(295)은 PDMS로 된 몸체(280)로 구성되며, 몸체 내에는 복수의 미세유체 채널, 챔버 및/또는 미세유체 장치가 형성된다. 도 7에 개략적으로 도시된 미세유체 플랫폼(295)에, 제어 채널(286)과 협동하는 유체 채널(284)을 포함하는 '퀘이크' 밸브(282)가 나타나 있다. 또한, 임의 반응 챔버(arbitrary reaction chamber)(288)가 PDMS 몸체(280) 내에 형성된다. 이 기술분야에서 알려진 바와 같이, 종래의 소프트 리소그래피 기술에 의해, 어떤 3차원의 미세유체 플랫폼(295)이 형성될 수 있다는 것이 이해될 것이다.

미세유체 플랫폼(295)의 몸체(280)는 결합 표면(281)을 가지는데, 이 결합 표면에, 제어 유체 입구(283)와 유체 채널 입구(285)가 형성된다. 이 제어 유체 입구(283)와 유체 채널 입구(285)는 그들 각각의 제어 채널(286)과 유체 채널(284)에 유체연통한다. 상기 미세유체 플랫폼(295)의 제어 유체 입구(283)와 유체 채널 입구(285)는, 상기 MEMS 집적회로(290)의 PDMS층(242)에 형성된 펌프 출구(274, 276)와 연결되도록 위치된다.

두 결합 표면(243, 281)은, 각각의 표면을 산소 플라즈마에 노출한 다음 압력을 가함으로써, 서로 결합된다. 그 결과로서 생기는 결합형 조립체가 집적형 LOC 장치(300)의 형태로, 도 8에 나타나 있다.

집적형 LOC 장치(300)에서, 집적회로(290)의 CMOS층(240)에 의해 제어되는 펌프(200)는, PDMS 미세유체 플랫폼의 미세유체 채널(286, 284) 안으로 유체를 펌핑한다. 상기 펌프(200)는 제어 유체(PDMS 플랫폼(295)에서 밸브를 구동하기 위한 유체) 또는 상기 장치에 의해 실제로 사용된 샘플 유체(예를 들면, 분석용 유체)를 펌핑할 수 있다. 따라서 집적형 LOC 장치(300)의 작동에 대해, 완전한 제어를 제공하기 위해, CMOS 제어회로가 사용될 수 있다.

이하, 어떻게 LOC 장치(300)가 실제로 작동될 수 있는지를 설명하기 위해 간단한 실시예가 설명된다. 제어 유체가 제1 입구(270)로 들어간 뒤 미세유체 펌프(200A)를 사용하여 미세유체 플랫폼의 제어 채널(286) 안으로 펌핑된다. 제어 채널(286)은 제어 유체에 의해 가압된다. 도 1a-c와 관련하여 앞에서 설명된 바와 같이, 밸브(282)를 형성하기 위해, 제어 채널(286)이 유체 채널(284)의 일부분 위에 걸쳐져서 협동한다. 제어 채널(286)이 제어 유체에 의해 가압되면, 유체 채널(284)의 벽이 내려앉게 되고, 이에 의해 밸브(282)가 폐쇄된다. 따라서, 챔버(288)의 하류측에서, 유체 채널(284)의 일부분이 밸브(282)에 의해 폐쇄되고, 이에 의해, 장치 출구(287)를 상기 챔버(288)로부터 유체적으로 격리시킨다.

상기 밸브(282)가 폐쇄된 상태로, 제2 입구(272)에 들어가 있는 샘플 유체가, 미세유체 펌프(200B)를 사용하여, 유체 채널(284)을 통해 챔버(288) 안으로 펌핑된다. 또한, 전혀 다른 유체들(예를 들면, 시약(reagent))이 전혀 다른 유체 채널들(도시하지 않음)을 통해, 챔버(288) 안으로 펌핑될 수도 있다. 일단 모든 유체가 챔버(288) 안으로 펌핑된 뒤 충분한 시간이 경과했다면, 펌프(200A)를 정지시킴에 의해 밸브(282)가 개방될 수 있으므로, 유체 채널(284)의 하류측 부분을 통과하여 상기 장치 출구(287) 쪽으로 유체를 흘러가게 할 수 있다.

이 간단한 실시예는, 어떻게 해서 집적형 LOC 장치(300)가 CMOS 회로와 MEMS 미세펌프(200)를 통해, LOC 작동에 대해, 완전한 제어를 제공할 수 있는지를 설명한다. 외부의, 오프-칩 펌프 및/또는 제어 시스템이 필요 없다는 것이 상기 LOC 장치(300)의 두드러진 이점이다. 상기 제어 유체는 공기(밸브(282)에 대한 공기압 제어를 제공하는 공기) 또는 액체(밸브(282)에 대한 유압 제어를 제공하는 액체)일 수 있다.

본 명세서에서 제공되는 실시예는 매우 간단하지만, 기술자라면, 밸브, 펌프 및 채널로 구성된 복잡하고 미궁 같은 배열을 가진 복잡한 LOC 장치를 제어하는데 본 발명이 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

본 발명의 주목할 만한 이점은 미세유체 플랫폼의 소프트 리소그래피 제조에 바탕을 둔 현존하는 LOC 기술을 충분히 보완한다는 것이다. 복잡한 미세유체 플랫폼은 소프트 리소그래피를 사용하여 이미 제조되어 왔다. 이들 종래의 플랫폼은 본 발명에 의해 제공되는 CMOS-제어 가능한 LOC 장치에 통합되기 위해, 작은 변형만을 필요로 한다.

미세유체 밸브

앞에서 예시된 바와 같이, 실리콘에 기반을 둔 MEMS 기술은 미세유체 및 LOC 분야에서 타고난 한계가 있다. 미세유체 밸브는 일반적으로 LOC 장치에서 필수적이지만, 실리콘처럼 단단하고 쉽게 구부러지지 않는 물질은 밸브에 요구되는 씰링 접촉을 제공할 수 없다. 실은, 이러한 한계가 실리콘에 기반을 둔 MEMS 리소그래피로부터 PDMS와 같은 유연한 폴리머에 기반을 둔 소프트 리소그래피로, 미세유체 기술이 이동하게 된 근본적인 이유였다.

지금까지, 본 출원인은 어떻게 해서 PDMS가 종래의 실리콘에 기반을 둔 MEMS 제조 프로세스에 통합될 수 있는지를 설명하였다. 종래의 실리콘에 기반을 둔 MEMS 기술을 사용하여, 어떻게 동일한 기술로 효과적인 미세유체 밸브가 만들어지는지 설명될 것이다. 또한, 앞에서 설명된 '퀘이크' 밸브와는 대조적으로, 이러한 밸브는 외부 유체 공급장치 또는 제어 시스템을 필요로 하지 않는다. 밸브의 2가지 유형이 이하에서 설명되지만, 기술자라면, PDMS를 실리콘에 기반을 둔 MEMS 제조 프로세스에 통합함에 의해, 다양한 변형을 착상해 낼 수 있을 것이다. 각각의 경우에, 다른 표면(예를 들면, 실리콘 표면, 실리콘 산화물 표면, PDMS 표면 등)과 PDMS 표면의 결합은 밸브 작용에 필요한 씰링 접촉을 제공한다. 더욱이, 각각의 밸브는 기계 작동식 밸브의 형태를 취하며, 대향된 표면들의 접촉은 서멀 벤드 액츄에이터의 작동 또는 비작동에 의해 행해지는데, 이 서멀 벤드 액츄에이터는 온-칩 CMOS에 의해 자동적으로 제어된다.

폴리머 미세유체 채널에서 폐쇄를 제공하는 밸브

도 9를 참조하여, PDMS로 구성된 표면층(316)을 가진 MEMS 집적회로(314)와 폴리머 미세유체 플랫폼(312)의 결합에 의해 형성되는 미세유체 핀치 밸브(310)가 나타나 있다. 상기 PDMS층(316)은 MEMS 집적회로(314)의 제1 결합 표면(313)을 형성한다.

MEMS 집적회로(314)는 CMOS 실리콘 기판(315)에 형성된 작동 핑거(318)를 포함한다. 작동 핑거(318)는 도 4 및 5와 관련하여 앞에서 설명된 핑거(220) 중 하나와 디자인 면에서 똑같을 수 있다. 따라서, 도 9에서는 액츄에이터 핑거(318)가 단지 개략적으로 도시되지만, 이 액츄에이터 핑거가, 서멀 벤드 액츄에이터를 포함하여, 상기 핑거(220)에 관해 앞에서 설명된 모든 특징을 포함한다는 것은 추측 가능할 것이다.

미세유체 플랫폼(312)은 표준 소프트 리소그래피에 의해 형성되고, 또한, 폴리머 몸체(예를 들면, PDMS 몸체)(320)를 포함하는데, 이 폴리머 몸체 내에는 미세유체 채널(322)이 형성되어 있다. 상기 채널(322)은 슬리브 부분(324)을 포함하는데, 이 슬리브 부분은 미세유체 플랫폼(312)의 제2 결합 표면(325)에 근접하여 지나간다. 상기 슬리브 부분(324)은, 슬리브 부분의 외측 벽(326)을 형성하는 PDMS로 구성된 층에 의해, 상기 제2 결합 표면(325)으로부터 떨어져 있다. 외측 벽(326)은 압축 부재(328)를 포함하는데, 이 압축 부재는 외측 벽으로부터 돌출하여 제2 결합 표면(325)에서부터 앞으로 뻗어 있다.

도 9에서 알 수 있는 바와 같이, 두 개의 결합 표면(313, 325)이 서로 결합되면, 압축 부재(328)가 작동 핑거(318)와 정렬된다. 외측 벽(326)으로부터 돌출함에 의해, 상기 압축 부재(328)는 결합 프로세스 동안 제1 결합 표면(313)에 접촉하며, 결과적으로 슬리브 부분(324)의 내측 벽(330)에 맞닿아 압축된다. 따라서 슬리브 부분(324)은 상기 결합 프로세스에 의해 빈틈없이 조여진다.

도 9에 나타나 있는 조립된 LOC 장치(350)에서, 작동 핑거(318)가 정지상태에 있을 때, 밸브(310)가 폐쇄되어, 슬리브 부분(324)을 통해, 어떤 유체도 지나갈 수가 없다. 이제, 도 10을 참조하여, 핑거 액츄에이터(318)가 작동되어 아래로 구부려짐으로써, 핑거 액츄에이터와 함께 압축 부재(328)를 실리콘 기판(315) 쪽으로 끌어당긴다. 이러한 작동이 외측 벽(326)을 내측 벽(330)으로부터 떨어지게 함으로써, 밸브(310)가 열려, 유체가 슬리브 부분(324)을 통해 흐르게 된다.

핑거 액츄에이터(318)가 정지상태에 있을 때, 밸브가 폐쇄되도록 바이어스된다는 것이 이 밸브(310)의 이점이다. 이것은 밸브(310)를 포함하고 있는 LOC 장치는 파워 헝그리(power hungry)가 아닐 것을 의미한다. 다른 이점은, 핑거 액츄에이터(318)에 공급되는 작동 동력(actuation power)을 가감함으로써 밸브의 개방을 조절하는 것이 가능하다는 것이다. 부분적인 밸브 폐쇄는, 이러한 기계 작동식 핀치 밸브를 사용하여 용이하게 달성될 수 있다.

자명하게도, 도 11에 나타나 있는 바와 같이, 복수의 밸브(310)는 미세유체 장치(340)를 제공하기 위해 직렬로 배치될 수 있다. 이 장치(340)는 연동 펌핑 작용을 제공할 수 있도록 구성될 수도 있다.

대신에, 이 장치(340)는 각(各) 핑거 액츄에이터(318)의 협동을 통해, 더 효과적인 밸브 작용을 간단히 제공할 수 있다.

또한, 이 장치(340)는 난류를 일으킬 수 있도록 구성될 수도 있는데, 이 난류는 유체를 혼합하는데 유용하다. 통상적으로, 미세크기로 흐르고 있는 유체는 층류 때문에 혼합하기가 어렵다. 따라서, 상기 장치(340)는 "미세혼합기"로서 사용될 수 있다. 최적의 혼합 작용이 연동 펌핑 작용과는 다를 수 있다는 것이 이해될 것이다. 상기 장치(340)가 밸브, 미세혼합기 또는 연동 펌프로서 호환가능하게 사용될 수 있다는 것이 본 발명의 이점이다. CMOS 제어회로는, 핑거 액츄에이터(318)의 작동 순서를 간단히 바꿈으로써 상기 장치(340)에서 밸브 작용, 혼합 작용 또는 펌핑 작용을 제공하도록 구성될 수 있다.

대신에, 펌프로서 사용될 때, 상기 장치(340)는 각 유체의 특성에 맞춰 '조정'될 수 있다. 예를 들면, 점성이 많은 액체는 점성이 적은 액체에 비해, 다른(예를 들면, 더 느린) 연동 펌핑 사이클을 필요로 할 수 있다. 따라서 각(各) 핑거 액츄에이터(318)를 개별적으로 제어하는 CMOS 제어회로는 개개의 유체의 특성에 맞춰 상기 펌프를 '조정'하도록 구성될 수 있다는 것이 본 발명의 이점이다. 온-칩 CMOS 회로에 의해 달성할 수 있는 이 제어가, 종래 LOC 기술을 사용해서는 실행될 수 없을 것이다.

실리콘 미세유체 채널에서 폐쇄를 제공하는 밸브

도 12 및 13을 참조하여, CMOS 실리콘 기판(351)에 형성된 미세유체 다이어프램형 밸브(350)가 나타나 있다. 이 밸브(350)는 MEMS 집적회로(360)에서 완전히 그 자체로 완비된다. 따라서, MEMS 집적회로는 완전한 LOC 장치 또는 μTAS를 만드는데 필요한 제어회로, 미세채널, 밸브 및 펌프 모두를 포함할 수 있으므로, 이 밸브(350)는 MEMS 집적회로(360)를 미세유체 플랫폼에 완전히 결합해야 할 필요성을 없앨 수 있다. 이 밸브(350)는 실리콘에 기반을 둔 MEMS 기술을 사용하여 완전하게 구성된 LOC 장치에 대한 길을 닦아, 소프트 리소그래피와는 대조적으로, 이제는 이 기술분야에서 표준이 되었다.

대신에, 앞에서 설명된 바와 같이, MEMS 집적회로(360)는 미세유체 플랫폼에 여전히 결합될 수 있다. LOC 장치를 만들기 위해, 미세유체 플랫폼의 미세채널이 상기 MEMS 집적회로(360)의 유체 출구(도시하지 않음)에 연결될 수 있다는 것이 이해될 것이다.

이제, 도 12 및 13으로 돌아가, 상기 밸브(350)는 한 쌍의 대향된 제1 및 제2 작동 핑거(352, 353)를 포함하는데, 이 핑거들은 둘 다, 씰링 표면(355)을 가지고 있는 중앙의 새들(saddle) 또는 위어(354) 쪽으로 향해 있다. 위어(354)는 근본적으로, 실리콘 산화물로 된 블록인데, 이 블록은 MEMS 제조 중에, 밸브(350)의 측벽(357)이 형성될 때, 동시에 형성될 수 있다. 각각의 핑거(352, 353)는 앞에서 설명된 핑거(200)와 디자인 면에서 비슷하다는 것이 이해될 것이다.

위어(354)는, 이 밸브(350)를 입구 포트(356)와 출구 포트(358)로 구분한다. PDMS로 된 층(359)이 제1 및 제2 작동 핑거(352, 353) 사이에 루프(362)를 형성하기 위해 메워져 있는데, 이 루프는 상기 밸브(350)에 대해 다이어프램 박막 역할을 한다.

도 12에 나타나 있는 바와 같이, 입구 포트(356)는 연결 채널(361)을 통해 출구 포트(358)와 유체적으로 연통하는데, 이 연결 채널은 위어(354)의 씰링 표면(355)과 루프(362) 사이에 형성된다. 도 13에서, 각각의 핑거(352, 353)는 실리콘 기판(351)을 향해 작동되어 아래로 구부러진다. 다음으로, 이러한 핑거(352, 353)의 굽힘은 루프(362)를 위어(354)의 씰링 표면(355)과 씰링 접촉하게 한다. 루프(362)와 씰링 표면(355) 사이의 이러한 씰링 접촉은, 입구 포트(356)로부터 출구 포트(358)로 (또는, 반대로) 어떤 유체도 흐를 수 없게 한다. 따라서, 밸브(350)는 도 13에 나타나 있는 바와 같이 폐쇄된다.

그 후의 핑거(352, 353)의 비작동은, 핑거들이 도 12에 도시된 정지상태로 복귀하게 함으로써, 씰링 표면(355)과의 씰링 접촉으로부터 루프(362)를 해제한다.

따라서, 매우 효과적인 다이어프램 밸브(350)가 제공되는데, 이 밸브는 상기 밸브를 위한 씰링 다이어프램 박막을 제공하기 위해 PDMS 피복(covering)을 이용한다. 이렇게 PDMS를 사용함으로써, 실리콘에 기반을 둔 MEMS 집적회로와 같은, 단단한 물질로 형성되는 미세유체 채널에 적합하게, 효과적인 밸브가 만들어질 수 있다. 이러한 밸브가 LOC 장치와 같은, 다양한 미세유체 시스템에 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.

물론, 본 발명이 단지 예로서 설명되었다는 점과, 본 발명의 범위 내에서 세부적인 변형이 만들어질 수 있다는 점이 이해될 것인바, 본 발명은 첨부한 청구범위에 의해 규정된다.

Claims

폴리머 미세유체 플랫폼에 결합되는 결합 표면을 가지는 집적회로를 포함하는 미세유체 시스템으로서, 상기 미세유체 시스템은 상기 집적회로 내의 제어회로에 의해 제어되는 하나 이상의 미세유체 장치를 포함하고,
상기 미세유체 장치 중 적어도 하나는 상기 집적회로의 MEMS층에 위치되는 MEMS 액츄에이터를 포함하며, 상기 MEMS층은 상기 집적회로의 상기 결합 표면을 형성하는 폴리머층으로 피복되는 미세유체 시스템.
제1항에 있어서,
상기 미세유체 장치는 미세유체 밸브와 미세유체 펌프로 이루어지는 그룹에서 선택되는 미세유체 시스템.
제1항에 있어서,
상기 미세유체 장치는,
상기 집적회로;
상기 미세유체 플랫폼; 및
상기 집적회로와 상기 미세유체 플랫폼 사이의 인터페이스;
중 어느 하나에 위치되는 미세유체 시스템.
제1항에 있어서,
상기 집적회로는 적어도 하나의 CMOS층을 가지는 실리콘 기판을 포함하며, 상기 제어회로는 상기 적어도 하나의 CMOS층에 포함되는 미세유체 시스템.
제1항에 있어서,
상기 집적회로는 실리콘 기판을 포함하며, 상기 MEMS층은 상기 기판상에 형성되는 미세유체 시스템.
제1항에 있어서,
상기 폴리머층은 포토패턴을 형성할 수 있는 PDMS로 구성되는 미세유체 시스템.
제1항에 있어서,
상기 미세유체 플랫폼은 내부에 하나 이상의 미세유체 채널이 형성되어 있는 폴리머 몸체를 포함하는 미세유체 시스템.
제7항에 있어서,
상기 폴리머 몸체는 PDMS로 구성되는 미세유체 시스템.
제7항에 있어서,
상기 미세유체 채널 중 적어도 하나는 상기 미세유체 장치 중 적어도 하나와 유체연통하는 미세유체 시스템.
제1항에 있어서,
상기 MEMS 액츄에이터는 서멀 벤드 액츄에이터인 미세유체 시스템.
제10항에 있어서,
상기 서멀 벤드 액츄에이터는,
열탄성 물질로 구성되는 능동 빔; 및
상기 능동 빔과 기계적으로 협동하는 수동 빔;
을 포함함으로써,
전류가 상기 능동 빔을 통해 흐를 때, 상기 능동 빔이 가열되어 상기 수동 빔에 비해 팽창되고, 결과적으로 상기 액츄에이터의 굽힘이 초래되는 미세유체 시스템.
제11항에 있어서,
상기 능동 빔은 상기 수동 빔에 융합되는 미세유체 시스템.
제11항에 있어서,
상기 능동 빔은 한 쌍의 전극 사이에 뻗어 있는 구부러진 전류 경로를 형성하며, 상기 전극은 상기 액츄에이터를 제어하기 위한 상기 제어회로에 연결되는 미세유체 시스템.
제11항에 있어서,
상기 열탄성 물질은 티타늄 질화물, 티타늄 알루미늄 질화물 및 바나듐-알루미늄 합금으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 미세유체 시스템.
제11항에 있어서,
상기 수동 빔은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 및 실리콘 산화질화물로 이루어지는 그룹에서 선택된 물질로 구성되는 미세유체 시스템.
제1항에 있어서,
상기 집적회로는 상기 폴리머 미세유체 플랫폼과 유체연통 및/또는 기계연통하는 미세유체 시스템.
제1항에 있어서,
상기 미세유체 시스템은 LOC 장치 또는 마이크로 통합 분석 시스템(Micro Total Analysis System, μTAS)인 미세유체 시스템.