KR20200041759A - Self-generated Peristaltic Micro Pump with Curved Fluid Chamber and Method for Manufacturing the Curved Fluid Chamber - Google Patents

Self-generated Peristaltic Micro Pump with Curved Fluid Chamber and Method for Manufacturing the Curved Fluid Chamber Download PDF

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Abstract

The present invention relates to a self-linked micro-pump having a fluid chamber of a curved surface shape and a method for manufacturing a fluid chamber of a curved surface shape, which may comprise: a fluid connecting port for introducing and discharging fluid; a fluid channel connecting the fluid connecting ports to allow the fluid to flow; a plurality of pneumatic actuators installed on the fluid channel; a pneumatic connecting port for introducing external compressed air to operate the pneumatic actuators; a pneumatic channel which connects the pneumatic connecting port to the plurality of pneumatic actuators; and a fluid chamber of a curved surface shape which is located at the lower portion of each pneumatic actuator. Therefore, a dead volume can be prevented in the fluid chamber, while efficiency in fluid transmission can be significantly improved.

Description

곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 자가 연동형 마이크로 펌프 및 곡면 형상의 유체 챔버 제조방법{Self-generated Peristaltic Micro Pump with Curved Fluid Chamber and Method for Manufacturing the Curved Fluid Chamber}Self-generated Peristaltic Micro Pump with Curved Fluid Chamber and Method for Manufacturing the Curved Fluid Chamber

본 발명은 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 자가 연동형 마이크로 펌프 및 곡면 형상의 유체 챔버 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유체 챔버 내부에 사체적(dead volume)이 존재하는 것을 방지하도록 유체 챔버의 형상을 곡면으로 함으로써, 유체 전송의 효율을 크게 개선할 수 있는 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 자가 연동형 마이크로 펌프 및 유체 챔버 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a self-locking micropump having a curved fluid chamber and a curved fluid chamber, and more particularly, to prevent a dead volume from being present inside the fluid chamber. By making the shape a curved surface, the present invention relates to a method for manufacturing a self-locking micropump and a fluid chamber having a curved fluid chamber capable of greatly improving the efficiency of fluid transmission.

마이크로 펌프는 작동 유체를 특정 방향으로 이송하는 장치로서, 마이크로 유체 시스템(microfluidic system)의 핵심 부품 중 하나이다. A micropump is a device that transports working fluid in a specific direction, and is one of the core parts of a microfluidic system.

마이크로 펌프는 구동 방식에 따라 정전기, 전자기, 압전, 공압 등으로 구분된다. 각각의 구동 방식에 따른 마이크로 펌프의 제작 방법, 정밀도, 단위 시간당 처리량 등의 관점에서 각각의 마이크로 펌프를 평가할 수 있다. 근래, 공압 구동 방식의 연동형 펌프 구동 방식인 경우, 압축 공기의 저항으로 인한 압력 감소와 구동기 변형으로 인한 커패시턴스 효과를 활용한 인위적 시지연(time delay) 현상을 이용하여 자가 연동형 구동기를 활용한 펌프가 보고되었다. Micro pumps are classified into static electricity, electromagnetic, piezoelectric, and pneumatic, depending on the driving method. Each micropump can be evaluated in terms of the manufacturing method, precision, and throughput per unit time of each micropump according to each driving method. Recently, in the case of a pneumatically driven peristaltic pump-driven system, a self-interlocking actuator is utilized by using an artificial time delay phenomenon that utilizes a pressure reduction due to the resistance of compressed air and a capacitance effect due to actuator deformation. Pumps have been reported.

그러나, 기존의 자가 연동형 구동기를 활용한 펌프는 전통적인 소프트 리소그래피(soft lithography) 공정을 활용하여 제작하였기 때문에, 직각면을 갖는 유체 챔버가 필연적으로 제작된다. However, since the pump using the existing self-interlocking actuator is manufactured using a traditional soft lithography process, a fluid chamber having a right-angled surface is inevitably fabricated.

이러한 구조적 문제로 인하여 유체 챔버 내부에 사체적(dead volume)이 존재하게 되어, 유체 전송의 효율이 떨어지는 문제점이 있다. Due to this structural problem, a dead volume exists inside the fluid chamber, and thus, the efficiency of fluid transmission is deteriorated.

따라서, 위와 같은 자가 연동형 마이크로 펌프의 유체 챔버 내부에 존재하는 사체적을 줄이기 위한 노력이 필요하다.Therefore, efforts to reduce the dead volume existing in the fluid chamber of the self-locking micro-pump as described above are required.

[비특허문헌 1] Jeong O C and Konishi S, 'The self-generated peristaltic motion of cascaded pneumatic actuators for micropumps', J. Micromech. Microeng, 2008, 18, 085017, pp. 7.[Non-Patent Document 1] Jeong O C and Konishi S, 'The self-generated peristaltic motion of cascaded pneumatic actuators for micropumps', J. Micromech. Microeng, 2008, 18, 085017, pp. 7. [비특허문헌 2] Jeong O C and Konishi S, 'Fabrication of Peristaltic Micropump Driven by a Single-Phase Pneumatic Force', Japanese Journal of Applied Physics, 2010, 49, 056506.[Non-Patent Document 2] Jeong O C and Konishi S, 'Fabrication of Peristaltic Micropump Driven by a Single-Phase Pneumatic Force', Japanese Journal of Applied Physics, 2010, 49, 056506.

이에 본 발명에서는 사체적을 최소화하기 위하여 유체 전송을 위한 구동기 막의 변형과 일치하는 곡면형상의 유체 챔버를 갖는 자가 연동 방식의 마이크로 펌프를 제공하는데 그 목적이 있다. Accordingly, an object of the present invention is to provide a self-interlocking type micropump having a curved fluid chamber that matches the deformation of the actuator membrane for fluid transmission to minimize dead volume.

이로써, 사체적으로 인한 유체 전송의 효율이 떨어지는 문제점을 해결하고, 기존의 직각면의 유체 챔버를 갖는 마이크로 펌프와 비교하여 성능이 월등히 우수한 자가 연동 방식의 마이크로 펌프를 제공하는데 그 목적이 있다. Accordingly, the object of the present invention is to provide a self-interlocking type micropump that is superior in performance compared to a micropump having a fluid chamber of a right-angled surface, and solves a problem in which the efficiency of fluid transmission due to a dead body is reduced.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 유체 주입 및 배출을 위한 유체 연결구(Fluid port)와, 상기 유체 연결구 사이를 연결하여 유체가 흐르는 유체 채널과, 상기 유체 채널 상에 설치되는 복수개의 공압 구동기(Actuator)와, 상기 공압 구동기를 구동하기 위해 외부 압축 공기 주입을 위한 공압 연결구 (Pneumatic port)와, 상기 공압 연결구로부터 상기 복수개의 공압 구동기(Actuator) 사이의 연결하는 공압 채널과, 상기 공압 구동기 각각의 하부에 위치한 곡면 형상의 유체 챔버를 포함하는 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 자가 연동형 마이크로 펌프가 제공된다. In order to achieve the above object, in the present invention, a fluid connection port for fluid injection and discharge, and a fluid channel flowing between the fluid connection ports and a plurality of pneumatics installed on the fluid channel An actuator, a pneumatic port for injecting external compressed air to drive the pneumatic actuator, a pneumatic channel connecting between the plurality of pneumatic actuators from the pneumatic connector, and the pneumatic actuator A self-interlocking micropump having a curved fluid chamber is provided that includes a curved fluid chamber located at each lower portion.

본 발명에 있어서, 상기 공압 채널은 상기 공압 연결구로부터 공압 구동기 사이를 연결하는 제1 공압 채널(R1)과, 상기 공압 구동기 사이를 연결하는 제2 공압 채널(R2)로 이루어지는 것을 특징으로 한다. In the present invention, the pneumatic channel is characterized in that it consists of a first pneumatic channel (R1) connecting between the pneumatic actuator from the pneumatic connector, and a second pneumatic channel (R2) connecting between the pneumatic actuator.

여기서, 상기 제1 공압 채널과 제2 공압 채널은 시지연 효과를 유발하기 위하여 채널 형상을 구불구불하게 설계하여 저항을 증가시킬 수 있다. Here, the first pneumatic channel and the second pneumatic channel may increase the resistance by twisting the channel shape in order to induce a delay effect.

특히, 상기 제1 공압 채널은 적어도 2개 이상의 굴곡부를 갖는 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 한다. In particular, the first pneumatic channel is characterized in that it is made of a shape having at least two bends.

또한, 상기 제2 공압 채널은 상기 제1 공압 채널보다 더 많은 굴곡부를 갖도록 형성될 수 있다.Further, the second pneumatic channel may be formed to have more bends than the first pneumatic channel.

상기 유체 챔버는 상기 공압 구동기 박막의 변형을 극대화시키기 위하여 구동기 박막의 변형과 일치하는 형상을 갖는 반구형 유체 챔버(Dome-shape fluid chamber)일 수 있다. The fluid chamber may be a dome-shape fluid chamber having a shape consistent with the deformation of the actuator thin film in order to maximize the deformation of the pneumatic actuator thin film.

본 발명의 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 자가 연동형 마이크로 펌프는 자가 연동형 마이크로 펌프는 다층 구조를 가지며, 상기 유체 연결구, 공압 연결구 및 공압 채널이 형성되어 외부 유체 연결 및 공압 연결을 위한 유체/공압 공급층과, 상기 유체 챔버 상면에 막 형성을 위한 박막 층(diaphragm layer)과, 상기 유체 챔버와 유체 채널이 형성되는 유체 챔버/채널 층(Fluid chamber and channel layer)을 포함할 수 있다. The self-locking micro-pump having a curved fluid chamber of the present invention has a multi-layered structure with the self-locking micro-pump, and the fluid connection, pneumatic connection, and pneumatic channel are formed to form fluid / pneumatic for external fluid connection and pneumatic connection. It may include a supply layer, a diaphragm layer for film formation on the upper surface of the fluid chamber, and a fluid chamber / channel layer in which the fluid chamber and the fluid channel are formed.

상기 유체 챔버는 3개로 이루어지고, 상기 유체 채널은 상기 3개의 유체 챔버 중 중앙에 위치한 유체 챔버를 중심으로 대칭되는 형상으로 이루어질 수 있다.The fluid chamber may consist of three, and the fluid channel may be formed in a symmetrical shape around a fluid chamber located in the center among the three fluid chambers.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, (a) 유체 챔버와 채널 제작을 위한 몰드에 액체 수지를 도포한 후 경화하는 단계와, (b) 경화된 수지와 글래스 웨이퍼(Glass wafer)를 상압 플라즈마 처리 후 접합하는 단계와, (c) 곡면 형상 제작을 위해 글래스 웨이퍼에 액체 수지를 도포한 후 (b) 단계에서 제작한 경화된 수지를 정렬하는 단계와, (d) 열을 인가하여 닫힌 공간인 공기 공동(Air cavity) 내부의 공기가 팽창하여 경화된 수지 막이 부풀어 오르는 단계와, (e) 변형된 수지 막의 역상이 액체 수지에 복제되면서 동시에 액체 수지의 경화가 진행되는 단계와, (f) 경화 공정이 완료된 후 2개의 경화된 수지를 분리하여 곡면 형상의 유체 챔버 및 유체 채널을 제조하는 단계를 포함하는 곡면 형상의 유체 챔버 제조방법이 제공된다. In order to achieve the object of the present invention as described above, (a) applying a liquid resin to a mold for fabricating a fluid chamber and a channel, followed by curing, and (b) atmospheric pressure the cured resin and a glass wafer. After the plasma treatment, the bonding step, (c) applying a liquid resin to the glass wafer for producing a curved shape, (b) aligning the cured resin produced in step, and (d) applying heat to the closed space. A step in which the air inside the phosphorus cavity expands to swell the cured resin film, and (e) the reverse phase of the deformed resin film is replicated to the liquid resin, and the curing of the liquid resin proceeds at the same time, and (f) After the curing process is completed, a method for manufacturing a curved fluid chamber is provided, comprising separating two cured resins to produce a curved fluid chamber and a fluid channel.

상기 (a) 단계에서, 상기 액체 수지는 80 ~ 95℃의 온도에서 20 ~ 40분 동안 경화하여 제조할 수 있다. In the step (a), the liquid resin may be prepared by curing at a temperature of 80 to 95 ° C. for 20 to 40 minutes.

또한, (c) 단계에서, 상기 액체 수지는 120 ~ 140℃의 온도에서 20 ~ 40분 동안 경화할 수 있다. In addition, in step (c), the liquid resin may be cured at a temperature of 120 to 140 ° C. for 20 to 40 minutes.

이상에서 살펴본 본 발명에 의하면, 유체 챔버 내부에 사체적(dead volume)이 최소화하도록 유체 전송을 위한 구동기 막의 변형과 일치하는 곡면형상의 유체 챔버를 갖음으로써, 사체적으로 인한 유체 전송의 효율이 떨어지는 문제점을 해결하고, 기존의 직각면의 유체 챔버를 갖는 마이크로 펌프와 비교하여 성능이 월등히 우수한 효과가 있다. According to the present invention as described above, by having a fluid chamber having a curved shape that matches the deformation of the actuator membrane for fluid transmission to minimize dead volume inside the fluid chamber, the efficiency of fluid transmission due to the dead body is reduced. Solving the problem, compared to the conventional micro-pump having a right-angled fluid chamber, the performance is significantly superior effect.

도 1은 본 발명의 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 자가 연동형 마이크로 펌프를 도시한 사시도이다(top view).
도 2는 본 발명의 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 자가 연동형 마이크로 펌프를 도시한 저면 사시도이다(bottom view).
도 3은 본 발명의 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 자가 연동형 마이크로 펌프의 층별 구조를 도시한 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명에서 외부 유체 및 공압 연결을 위한 층을 도시한 평면도이다.
도 5는 본 발명에서 유체 챔버 및 유체 채널층을 도시한 평면도이다.
도 6은 본 발명의 곡면 형상의 유체 챔버 제조방법을 도시한 공정도이다.
도 7은 본 발명의 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 마이므로 펌프의 현미경 사진이다.
도 8 내지 도 9는 본 발명의 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 마이크로 펌프의 SEM 사진으로,
도 8은 (a) 구동기의 단면, 도 9는 (b) 공압 챔버와 채널의 형상 (R1 : 공압 주입구와 구동기 사이의 공압 채널에 의한 유체 저항, R2 : 각 구동기 사이의 공압 채널에 의한 유체 저항)이다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 시험예로서, 주파수가 0.5 Hz일 때, 2개의 마이크로 펌프의 유량의 시응답 특성 그래프이다(a : 직각면의 유체 챔버를 갖는 마이크로 펌프, b : 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 마이크로 펌프, 1 : 10 kPa, 2 : 30 kPa, 3 : 50 kPa).
도 13 내지 도 14는 직각면 및 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 펌프의 유량 특성을 나타낸 그래프이다.
도 15 내지 도 16은 다양한 구동 조건에서의 커패시턴스 특성 그래프로서, 도 15는 직각면의 유체 챔버를 갖는 마이크로 구동기, 도 16은 곡면 유체 챔버를 갖는 마이크로 구동기의 계산된 커패시턴스 특성 그래프이다.
도 17은 30 kPa의 압축공기를 0.4 Hz의 구형파로 인가하였을 때, 공압 채널 및 유체 챔버 형상에 따른 구동기의 시응답 곡선 그래프이다. 1 is a perspective view showing a self-locking type micropump having a curved fluid chamber of the present invention (top view).
2 is a bottom perspective view showing a self-locking micropump having a curved fluid chamber of the present invention (bottom view).
3 is an exploded perspective view showing a layered structure of a self-interlocking micropump having a curved fluid chamber of the present invention.
4 is a plan view showing a layer for external fluid and pneumatic connection in the present invention.
5 is a plan view showing a fluid chamber and a fluid channel layer in the present invention.
6 is a process chart showing a method of manufacturing a curved fluid chamber of the present invention.
7 is a micrograph of the pump as it is a hemp with a curved fluid chamber of the present invention.
8 to 9 are SEM photographs of a micropump having a curved fluid chamber of the present invention,
Figure 8 is (a) the cross-section of the actuator, Figure 9 (b) the shape of the pneumatic chamber and the channel (R 1 : the fluid resistance by the pneumatic channel between the pneumatic inlet and the actuator, R 2 : by the pneumatic channel between each actuator Fluid resistance).
10 to 12 are test examples of the present invention, and when the frequency is 0.5 Hz, it is a graph of the response characteristics of the flow rates of two micro pumps (a: micro pump having a right-angled fluid chamber, b: curved shape) Micro pump with fluid chamber, 1: 10 kPa, 2: 30 kPa, 3: 50 kPa).
13 to 14 are graphs showing flow characteristics of a pump having a fluid chamber having a right-angled surface and a curved surface.
15 to 16 are graphs of capacitance characteristics under various driving conditions, FIG. 15 is a graph of calculated capacitance characteristics of a micro actuator having a right-angled fluid chamber, and FIG. 16 is a calculated micro-driver having a curved fluid chamber.
17 is a graph of the response curve of the actuator according to the shape of the pneumatic channel and the fluid chamber when 30 kPa of compressed air is applied as a square wave of 0.4 Hz.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various different forms, and only the present embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and the scope of the invention to those skilled in the art is completely It is provided to inform you.

도 1은 본 발명의 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 자가 연동형 마이크로 펌프를 도시한 사시도이고(top view), 도 2는 본 발명의 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 자가 연동형 마이크로 펌프를 도시한 저면 사시도이고(bottom view), 도 3은 본 발명의 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 자가 연동형 마이크로 펌프의 층별 구조를 도시한 분해 사시도이고, 도 4는 본 발명에서 외부 유체 및 공압 연결을 위한 층을 도시한 평면도이고, 도 5는 본 발명에서 유체 챔버 및 유체 채널층을 도시한 평면도이다. 1 is a perspective view showing a self-locking micropump having a curved fluid chamber of the present invention (top view), and FIG. 2 is a bottom view showing a self-locking micropump having curved fluid chamber of the present invention. It is a perspective view (bottom view), Figure 3 is an exploded perspective view showing a layered structure of a self-locking micro-pump having a curved fluid chamber of the present invention, Figure 4 is a layer for external fluid and pneumatic connection in the present invention 5 is a plan view showing a fluid chamber and a fluid channel layer in the present invention.

본 발명의 자가 연동형 마이크로 펌프는 유체 주입 및 배출을 위한 유체 연결구(Fluid port)(10)(12)와, 상기 유체 연결구(10)(12) 사이를 연결하여 유체가 흐르는 유체 채널(20)과, 상기 유체 채널(20) 상에 설치되는 복수개의 공압 구동기(Actuator)(30)(32)(34)와, 상기 공압 구동기(30)(32)(34)를 구동하기 위해 외부 압축 공기 주입을 위한 공압 연결구(Pneumatic port)(40)(42)와, 상기 공압 연결구(40)(42)로부터 상기 복수개의 공압 구동기(Actuator) 사이의 연결하는 공압 채널(50)(52)과, 상기 공압 구동기 각각의 하부에 위치한 곡면 형상의 유체 챔버(60)(62)(64)를 포함한다.The self-locking micropump of the present invention connects between a fluid port (10) and (12) for fluid injection and discharge, and a fluid channel (20) through which fluid flows by connecting between the fluid connection ports (10) and (12). And, a plurality of pneumatic actuators (Actuator) 30, 32, 34 installed on the fluid channel 20, and the external compressed air injection to drive the pneumatic actuators 30, 32, 34 Pneumatic port (40) (42) for connecting, and the pneumatic channel (50) (52) connecting the plurality of pneumatic actuators (Actuator) from the pneumatic connector (40) (42), and the pneumatic And curved fluid chambers 60, 62, 64 located under each of the actuators.

상기 유체 연결구(10)(12)는 유체가 주입되는 유입구(Inlet port)(10)와, 상기 유입구(10)를 통해 주입된 유체가 상기 유체 채널(20)을 흐른 후 배출되는 배출구(Outlet port)(12)를 포함한다. The fluid connection ports 10 and 12 include an inlet port 10 through which fluid is injected, and an outlet port through which fluid injected through the inlet port 10 flows through the fluid channel 20. ) (12).

이와 같은 본 발명의 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 자가 연동형 마이크로 펌프는 도 3에서 보는 바와 같이, 다층 구조를 가지며, 본 발명에서는 3개의 층이 결합되어 마이크로 펌프를 구성한다. The self-interlocking type micropump having the curved fluid chamber of the present invention has a multi-layer structure, as shown in FIG. 3, and three layers are combined to form a micropump in the present invention.

본 발명의 자가 연동형 마이크로 펌프는 크게 유체/공압 공급층(70), 박막 층(diaphragm layer)(80), 유체 챔버/채널 층(Fluid chamber and channel layer)(90)을 포함한다. The self-locking micro-pump of the present invention largely includes a fluid / pneumatic supply layer 70, a diaphragm layer 80, and a fluid chamber / channel layer 90.

상기 유체/공압 공급층(70), 박막 층(diaphragm layer)(80), 유체 챔버/채널 층(90)은 PDMS(Sylgard 184, Dow Corning)층으로 구성되는 것이 바람직하며, 각각의 층은 본 발명의 구성요소들을 포함하는데, 상기 유체/공압 공급층(70)은 상기 유체 연결구(10)(12), 공압 연결구(40)(42) 및 공압 채널(50)(52)이 형성되어 외부 유체 연결 및 공압 연결을 할 수 있도록 한다. The fluid / pneumatic supply layer 70, the diaphragm layer 80, and the fluid chamber / channel layer 90 are preferably composed of PDMS (Sylgard 184, Dow Corning) layer, each layer of the Including the components of the invention, the fluid / pneumatic supply layer 70 is the fluid connector 10, 12, the pneumatic connector 40, 42 and the pneumatic channel 50, 52 is formed the external fluid Make connections and pneumatic connections possible.

상기 박막 층(diaphragm layer)(80)은 상기 유체 챔버(60)(62)(64) 상면에 막 형성을 위한 층이고, 상기 유체 챔버/채널 층(Fluid chamber and channel layer)(90)은 상기 유체 챔버와 유체 채널이 형성되는 층이다. The thin film layer (diaphragm layer) 80 is a layer for forming a film on the upper surface of the fluid chamber 60, 62, 64, and the fluid chamber / channel layer 90 is the It is the layer on which the fluid chamber and fluid channel are formed.

본 발명에 있어서, 상기 공압 채널(50)(52)은 상기 공압 연결구(40)(42)로부터 공압 구동기 사이를 연결하는 제1 공압 채널(50)(R1)과, 상기 공압 구동기(30)(32)(34) 사이를 연결하는 제2 공압 채널(52)(R2)로 이루어진다. In the present invention, the pneumatic channel (50) (52) is a first pneumatic channel (50) (R1) connecting the pneumatic actuator from the pneumatic connector (40, 42), and the pneumatic actuator (30) ( 32) made of a second pneumatic channel 52 (R2) connecting between (34).

여기서, 상기 제1 공압 채널(50)과 제2 공압 채널(52)은 시지연 효과를 유발하기 위하여 채널 형상을 구불구불하게 설계하여 저항을 증가시키는 것에 특징이 있다.Here, the first pneumatic channel 50 and the second pneumatic channel 52 is characterized by increasing the resistance by twisting the channel shape to induce a delay effect.

즉, 본 발명에서는 시지연 효과를 유발하기 위하여 공압 연결구로부터 구동기(R1) 및 구동기 사이의 채널(R2) 형상을 구불구불하게 설계하여 저항을 증가시켰으며, 구동기 박막의 변형을 극대화시키기 위하여 구동기 박막의 변형과 일치하는 형상을 갖는, 즉 곡면 형상을 갖는 유체 챔버(Fluid chamber)를 제작하여 커패시턴스(C) 효과를 증대한다. 기존의 soft-lithography 방식으로 제작할 경우, 직각 단면을 갖는 유체 챔버를 형성하게 되어 구동기 박막의 변형을 제한하기 때문에, 커패시턴스의 증대가 힘들다. 그러나, 본 발명에서는 곡면 형상을 갖는 유체 챔버를 제작하여 구동기 박막이 자유롭게 변형될 수 있도록 구조적 제한을 최소화하여 연동형 펌프의 펌핑 효율 증대 및 커패시턴스 증가를 통한 시지연 효과를 증대한다. That is, in the present invention, the shape of the channel (R2) between the driver (R1) and the driver is twisted to increase the resistance from the pneumatic connector to induce a delay effect, and the driver thin film is used to maximize the deformation of the driver thin film. A fluid chamber having a shape coinciding with the deformation of, that is, having a curved shape, is manufactured to increase the capacitance (C) effect. When fabricated by the existing soft-lithography method, since the fluid chamber having a right-angled cross-section is formed to limit deformation of the actuator thin film, it is difficult to increase the capacitance. However, in the present invention, a fluid chamber having a curved shape is manufactured to minimize structural limitations so that the actuator thin film can be freely deformed, thereby increasing the pumping efficiency of the peristaltic pump and increasing the delay effect through increasing capacitance.

이를 위해, 상기 제1 공압 채널(50)은 적어도 2개 이상의 굴곡부(50a)를 갖는 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 즉, 도 4에서 보는 바와 같이, 상기 제1 공압 채널(50)은 채널의 형상을 구불구불하게 설계하여 저항(R1)을 증가시켰으며, 구체적으로 3개의 굴곡부(50a)가 지그재그 형상으로 이루어지는 것이다. To this end, the first pneumatic channel 50 is characterized in that it is made of a shape having at least two or more bent portions (50a). That is, as shown in FIG. 4, the first pneumatic channel 50 is designed to meander the shape of the channel to increase the resistance R1, and specifically, three bent portions 50a are formed in a zigzag shape. .

또한, 상기 제2 공압 채널(52)은 상기 제1 공압 채널(50)보다 더 많은 굴곡부(52a)를 갖도록 형성될 수 있다. 본 발명에서는 상기 제2 공압 채널(52)의 형상을 도 4에서 보는 바와 같이, 총 8개의 굴곡부(52a)가 지그재그 형태로 이루어지도록 구성하였다. In addition, the second pneumatic channel 52 may be formed to have more bends 52a than the first pneumatic channel 50. In the present invention, as shown in FIG. 4, the shape of the second pneumatic channel 52 is configured such that a total of eight bent portions 52a are formed in a zigzag form.

이와 같이, 본 발명의 공압 채널은 형상을 구불구불하게 설계하여 저항을 증가시킴으로써, 시지연 효과를 유발할 수 있다. As such, the pneumatic channel of the present invention can be designed to meander the shape to increase resistance, thereby causing a delay effect.

또한, 본 발명의 상기 유체 챔버(60)(62)(64)는 상기 공압 구동기 박막의 변형을 극대화시키기 위하여 구동기 박막의 변형과 일치하는 형상을 갖는, 즉 곡면 형상을 갖는 유체 챔버(Fluid chamber)를 제작하여 커패시턴스(C) 효과를 증대한다. 구체적으로, 상기 유체 챔버(60)(62)(64)는 반구형 유체 챔버(Dome-shape fluid chamber)일 수 있다. In addition, the fluid chamber 60, 62, 64 of the present invention has a shape that matches the deformation of the actuator thin film to maximize the deformation of the pneumatic actuator thin film, that is, a fluid chamber having a curved shape (Fluid chamber) To increase the capacitance (C) effect. Specifically, the fluid chambers 60, 62, 64 may be dome-shape fluid chambers.

상기 유체 챔버(60)(62)(64)는 3개로 이루어지고, 본 발명의 상기 유체 채널은 상기 3개의 유체 챔버(60)(62)(64) 중 중앙에 위치한 유체 챔버(62)를 중심으로 대칭되는 형상으로 이루어질 수 있다.The fluid chamber (60) (62) (64) consists of three, the fluid channel of the present invention centers the fluid chamber (62) located in the center of the three fluid chamber (60) (62) (64) It can be made into a symmetrical shape.

본 발명에서 제시한 실시예에서는 도 5에서 보는 바와 같이, 유체 연결구(10)(12) 사이를 연결하면서도 상기 유체 챔버(62)를 중심으로 대칭되는 호(弧)형상으로 이루어질 수 있다.In the embodiment presented in the present invention, as shown in Figure 5, while connecting between the fluid connection port 10, 12 may be made of an arc (弧) symmetrically centered around the fluid chamber (62).

실시예Example

도 1은 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 연동형 마이크로 펌프의 개략도이다. 본 발명의 마이크로 펌프는 3개의 공압 구동기(Actuator)(30)(32)(34)와, 이를 구동하기 위한 외부 압축 공기 주입을 위한 2개의 공압 연결구(Pneumatic port)(40)(42), 그리고 공압 구동기(30)(32)(34) 하부에 위치한 3개의 곡면 형상의 유체 챔버(60)(62)(64)와, 유체 주입 및 배출을 위한 2개의 유체 연결구(Fluid port)(10)(12)로 구성된다.1 is a schematic diagram of a peristaltic micropump with a curved fluid chamber. The micro-pump of the present invention includes three pneumatic actuators 30, 32, 34, and two pneumatic ports 40, 42 for external compressed air injection to drive them, and Three curved fluid chambers 60, 62, 64 located below the pneumatic actuators 30, 32, 34, and two fluid ports 10 for fluid injection and discharge. 12).

3개의 구동기(30)(32)(34)는 단일 신호로 제어 가능한 연동형 구동방식이다. 연동형 구동을 위하여 압축 공기를 공압 연결구(40)를 통하여 주입하고, 다른 공압 연결구(42)는 대기에 노출시킨다. 유입된 압축 공기는 공압 채널(Pneumatic channel)(50)(52)과 공압 구동기(30)(32)(34)를 순차적으로 지나가게 되는데, 효율적인 연동형 구동을 위하여 각각의 구동기(30)(32)(34)들의 순차적 구동이 필요하다. 기존의 연구들은 주로 채널의 길이 변화를 통한 저항 성분의 증가를 통한 시지연 효과 (Time delay)에 중점을 두고 있다.The three drivers 30, 32 and 34 are interlocked driving methods that can be controlled by a single signal. Compressed air is injected through the pneumatic connector 40 for interlocking operation, and the other pneumatic connector 42 is exposed to the atmosphere. The introduced compressed air passes sequentially through the pneumatic channels 50 and 52 and the pneumatic actuators 30 and 32 and 34, respectively, for efficient interlocking operation. ) (34) sequential driving is required. Existing studies mainly focus on the time delay through an increase in the resistance component through a change in the length of the channel.

본 발명에서는 시지연 효과를 유발하기 위하여 공압 연결구로부터 구동기 (R1) 및 구동기 사이의 채널(R2) 형상을 구불구불하게 설계하여 저항을 증가시켰으며, 구동기 박막의 변형을 극대화시키기 위하여 구동기 박막의 변형과 일치하는 형상을 갖는, 즉 곡면 형상을 갖는 유체 챔버(Fluid chamber)를 제작하여 커패시턴스(C) 효과를 증대한다. 기존의 soft-lithography 방식으로 제작할 경우, 직각 단면을 갖는 유체 챔버를 형성하게 되어 구동기 박막의 변형을 제한하기 때문에, 커패시턴스의 증대가 힘들다. 그러나, 본 발명에서는 곡면 형상을 갖는 유체 챔버(60)(62)(64)를 제작하여 구동기 박막이 자유롭게 변형될 수 있도록 구조적 제한을 최소화하여 연동형 펌프의 펌핑 효율 증대 및 커패시턴스 증가를 통한 시지연 효과를 증대한다. In the present invention, the shape of the channel (R2) between the driver (R1) and the driver is twisted from the pneumatic connector to induce a delay effect, thereby increasing the resistance, and deformation of the driver's thin film to maximize the deformation of the driver's thin film A fluid chamber having a shape coinciding with, that is, having a curved shape, is manufactured to increase the capacitance (C) effect. When fabricated by the existing soft-lithography method, since the fluid chamber having a right-angled cross-section is formed to limit deformation of the actuator thin film, it is difficult to increase the capacitance. However, in the present invention, the fluid chambers 60, 62 and 64 having a curved shape are manufactured to minimize structural limitations so that the actuator thin film can be freely deformed, thereby increasing pumping efficiency of the peristaltic pump and increasing delay through capacitance. Increase the effect.

도 3은 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 마이크로 펌프의 층별 구조도를 나타내는데, 총 3개의 PDMS(Sylgard 184, Dow Corning)층으로 구성된다. 외부 유체 및 공압 연결을 위한 층(Fluid / pneumatic supply layer)(70)과, 구동기 형성을 위한 얇은 막 층 (Diaphragm layer)(80), 그리고 미세 유체 채널 층(Fluid chamber and channel layer)(90)으로 구성된다. FIG. 3 shows a layer-by-layer structure of a micropump having a curved fluid chamber, which is composed of a total of three PDMS (Sylgard 184, Dow Corning) layers. Fluid / pneumatic supply layer (70) for external fluid and pneumatic connections, Diaphragm layer (80) for actuator formation, and Fluid chamber and channel layer (90) It consists of.

도 6은 본 발명의 곡면 형상의 유체 챔버 제조방법을 도시한 공정도로서, 상기와 같이 구성된 본 발명의 마이크로 펌프의 제작공정은 다음과 같다.Figure 6 is a process diagram showing a method of manufacturing a curved fluid chamber of the present invention, the manufacturing process of the micro pump of the present invention configured as described above is as follows.

먼저, 유체 챔버와 채널 제작을 위한 SU-8 몰드에 액체 수지(112)를 도포한 후 경화한다(a). First, a liquid resin 112 is applied to a SU-8 mold for fluid chamber and channel fabrication, followed by curing (a).

이때, 유체 챔버와 채널 제작을 위한 SU-8 몰드에 액체 PDMS를 4mL를 도포 후 Spin coater(ACE-200, Dong Ah)를 이용해 1200rpm의 회전속도로 12초 동안 도포하고, hotplate(HI-1000, AS ONE)를 이용하여 80 ~ 95℃의 온도에서 20 ~ 40분 동안 경화한다. 가장 바람직하게는 90 oC에서 30분 동안 경화한다. At this time, apply 4 mL of liquid PDMS to the SU-8 mold for fluid chamber and channel production, and then apply it for 12 seconds at a rotation speed of 1200 rpm using a spin coater (ACE-200, Dong Ah), and hotplate (HI-1000, AS ONE) for 20 to 40 minutes at a temperature of 80 to 95 ℃. Most preferably, it is cured at 90 ° C for 30 minutes.

이후, 경화된 수지(112a)와 글래스 웨이퍼(Glass wafer)를 상압 플라즈마 처리 후 접합한다(b).Thereafter, the cured resin 112a and the glass wafer are bonded after normal pressure plasma treatment (b).

곡면 형상 제작을 위해 글래스 웨이퍼에 액체 수지(114)를 도포한 후 (b) 단계에서 제작한 경화된 수지를 정렬한다(c). 여기서, 곡면 형상 제작을 위하여 Glass wafer에 0.3 mL의 액상 PDMS 붓고, 앞선 (b) 단계에서 제작한 부품을 정렬한다. 상기 액체 수지는 120 ~ 140℃의 온도에서 20 ~ 40분 동안 경화할 수 있다. After the liquid resin 114 is applied to the glass wafer for manufacturing the curved shape, the cured resin produced in step (b) is aligned (c). Here, 0.3 mL of liquid PDMS is poured into a glass wafer to produce a curved shape, and the parts produced in the previous step (b) are aligned. The liquid resin may be cured at a temperature of 120 to 140 ° C for 20 to 40 minutes.

열을 인가하여 닫힌 공간인 공기 공동(Air cavity)(115) 내부의 공기가 팽창하여 경화된 수지 막이 부풀어 오른다(d). 이 경우, hotplate를 이용하여 130 oC에서 30 분 동안 열을 인가하게 되면, 닫힌 공간인 Air cavity 내부의 공기가 팽창으로 인하여 PDMS 막이 부풀어 오르게 되는 것이다. By applying heat, the air inside the air cavity 115, which is a closed space, expands to swell the cured resin film (d). In this case, when heat is applied at 130 ° C for 30 minutes using a hotplate, the PDMS membrane swells due to expansion of air inside the air cavity, which is a closed space.

이후, 변형된 수지 막의 역상이 액체 수지(114)에 복제되면서 동시에 액체 수지의 경화가 진행된다(e). 이러한 변형된 PDMS막의 역상이 액체 PDMS(114)에 복제되고, 또 액상 PDMS의 경화 역시 진행된다. 공압 구동을 이용한 세포 농축 및 유체 제어를 위한 3개의 밸브 막의 역할을 하는 PDMS 박막의 변형과 유체 챔버의 형상이 일치하기 때문에, 완벽한 유체 제어 밸브 기능이 기대된다Thereafter, the reverse phase of the deformed resin film is replicated to the liquid resin 114, and curing of the liquid resin proceeds at the same time (e). The reversed phase of the modified PDMS film is replicated to the liquid PDMS 114, and curing of the liquid PDMS is also progressed. A complete fluid control valve function is expected because the shape of the fluid chamber and the deformation of the PDMS thin film, which acts as a three-valve membrane for cell concentration and fluid control using pneumatic actuation, are expected.

경화 공정이 완료된 후 2개의 경화된 수지를 분리하여 곡면 형상의 유체 챔버 및 유체 채널을 제조한다(f).After the curing process is completed, the two cured resins are separated to prepare a curved fluid chamber and a fluid channel (f).

외부에서 주입되는 유체 및 공압 연결을 위한 층(Fluid & Pneumatic supply layer)(70)인 경우에는, SU-8 몰드에 10 mL의 액체 PDMS를 도포하여 기포를 제거 후 경화하여 제작한다. 그리고 구동기 박막(Diaphragm layer)(80)은 4inch Silicon wafer 상에 약 4mL의 액체 PDMS를 도포한 후 Spin coater를 이용하여 1500rpm 속도에서 15초 동안 도포한 후, 경화하여 제작한다. 외부 유체 및 공압 연결을 위한 층과 구동기 박막 층을 제작을 위한 PDMS의 경화공정은 hotplate를 이용하여 90 oC에서 30분 동안 수행한다. In the case of a fluid & pneumatic supply layer (70) for externally injected fluid and pneumatic connection, 10 mL of liquid PDMS is applied to the SU-8 mold to remove air bubbles and then cured. Then, the driver thin film (Diaphragm layer) 80 is prepared by applying about 4 mL of liquid PDMS on a 4 inch silicon wafer and then applying it for 15 seconds at a speed of 1500 rpm using a spin coater, followed by curing. The curing process of PDMS for manufacturing the layer for the external fluid and pneumatic connection and the actuator thin film layer is performed at 90 ° C for 30 minutes using a hotplate.

각 층들의 제작이 완료되면, 상압 플라즈마를 활용하여 순차적으로 Bonding 작업을 하여 마이크로 펌프를 완성한다.When the fabrication of each layer is completed, the micropump is completed by sequentially bonding using atmospheric pressure plasma.

도 7은 본 발명의 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 마이므로 펌프의 현미경 사진이고, 도 8 내지 도 9는 본 발명의 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 마이크로 펌프의 SEM 사진으로, 도 8은 (a) 구동기의 단면, 도 9는 (b) 공압 챔버와 채널의 형상 (R1 : 공압 주입구와 구동기 사이의 공압 채널에 의한 유체 저항, R2 : 각 구동기 사이의 공압 채널에 의한 유체 저항)이다. FIG. 7 is a micrograph of the pump as it is a hemp having a curved fluid chamber of the present invention, FIGS. 8 to 9 are SEM photographs of a micropump having a curved fluid chamber of the present invention, and FIG. 8 is (a) The cross section of the actuator, FIG. 9 is (b) the shape of the pneumatic chamber and the channel (R 1 : fluid resistance due to the pneumatic channel between the pneumatic inlet and the actuator, R 2 : fluid resistance due to the pneumatic channel between each actuator).

도 8에서 보는 바와 같이, 곡면 형상의 유체 챔버와 유체 채널이 존재하며 공압 챔버에 의해 얇은 막이 변형되어 유체를 유체 챔버와 채널 내에서 일정한 방향으로 전달한다. 구동기 박막의 두께는 약 80㎛이다. 유체 챔버의 직경은 575 ㎛, 높이는 190 ㎛이며, 부피는 약 0.028 ㎕이다.As shown in FIG. 8, a curved fluid chamber and a fluid channel exist, and a thin film is deformed by a pneumatic chamber to transfer fluid in a constant direction within the fluid chamber and the channel. The thickness of the actuator thin film is about 80 μm. The fluid chamber has a diameter of 575 μm, a height of 190 μm, and a volume of about 0.028 μl.

도 9는 공압 챔버와 채널이다. 공압 채널은 저항의 역할을 하며, 공압 채널의 폭과 높이는 모두 25 ㎛이다. 계산된 유체 저항[6]은 R1과 R2는 약 6.54×1011 Pa·s/m3와 7.39×1011 Pa·s/m3이다.9 is a pneumatic chamber and channel. The pneumatic channel serves as a resistor, and both the width and height of the pneumatic channel are 25 μm. The calculated fluid resistance [6] is approximately 6.54 × 10 11 Pa · s / m 3 and 7.39 × 10 11 Pa · s / m 3 for R 1 and R 2 .

유량시험Flow test

구동시스템Driving system

마이크로 펌프의 구동을 외한 외부 압축 공기는 air compressor를 이용하여 200 kPa의 압력을 공급하고, 함수발생기 (AFG-2225, GW Instek)를 활용한 solenoid valve (ITV0050-3MS, SMC)의 ON/OFF 제어를 통하여 외부 압축 공기를 제어한다. 마이크로 펌프로부터 발생한 유량은 유량센서 (SLI-1000, Sensirion)를 활용하여 측정하였다. The external compressed air other than the drive of the micro pump is supplied with a pressure of 200 kPa using an air compressor, and ON / OFF control of the solenoid valve (ITV0050-3MS, SMC) using a function generator (AFG-2225, GW Instek) It controls the external compressed air through. The flow rate from the micro pump was measured using a flow sensor (SLI-1000, Sensirion).

주파수 및 압력에 따른 유량 특성 시험 Flow characteristics test according to frequency and pressure

본 발명에서는 제안하는 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 연동형 마이크로 펌프의 효율성을 검증하기 위하여 직각면 및 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 2 종류의 마이크로 펌프를 각각 제작하고 같은 공압을 인가하여 유량 실험을 수행하였다. In the present invention, in order to verify the efficiency of the proposed peristaltic micropump having a curved fluid chamber, two types of micropumps having a right-angled and curved fluid chamber are fabricated, and the same pneumatic pressure is applied to perform a flow rate experiment. Did.

다양한 구동 조건에 대하여 펌프의 유량 특성 실험을 위하여, 26%의 duty ratio를 갖는 구형파의 주파수 및 공압의 크기는 각각 0.1 ∼ 0.5 Hz와 10 ∼ 50 kPa이다.In order to test the flow characteristics of the pump under various driving conditions, the frequency of the square wave with the duty ratio of 26% and the size of air pressure are 0.1 to 0.5 Hz and 10 to 50 kPa, respectively.

도 10 내지 도 12는 본 발명의 시험예로서, 주파수가 0.5 Hz일 때, 2개의 마이크로 펌프의 유량의 시응답 특성 그래프이다(a : 직각면의 유체 챔버를 갖는 마이크로 펌프, b : 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 마이크로 펌프, 1 : 10 kPa, 2 : 30 kPa, 3 : 50 kPa).10 to 12 are test examples of the present invention, and when the frequency is 0.5 Hz, it is a graph of the response characteristics of the flow rates of two micro pumps (a: micro pump having a right-angled fluid chamber, b: curved shape) Micro pump with fluid chamber, 1: 10 kPa, 2: 30 kPa, 3: 50 kPa).

2개의 펌프 모두 같은 주파수에서 압력이 높아지면 유량이 높아진다. 그러나, 직각면 형상을 갖는 펌프의 유량이 곡면 형상을 갖는 펌프 보다 유량이 작음을 알 수 있다.When both pumps increase pressure at the same frequency, the flow rate increases. However, it can be seen that the flow rate of the pump having a right-angled surface shape is smaller than that of the pump having a curved surface shape.

결과result

도 13 내지 도 14는 다양한 압력 및 주파수에 따른 직각면 및 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 펌프의 유량 특성을 나타낸 그래프이다. 13 to 14 are graphs showing flow characteristics of a pump having a right-angled and curved fluid chamber according to various pressures and frequencies.

도 13에서 알 수 있듯이, 직각면의 유체 챔버를 갖는 마이크로 펌프인 경우, 0.1 Hz로 구동시, 30 kPa의 압력 조건까지는 유량 변화가 거의 없으며, 나머지 모든 구동 조건에 대하여 유량이 발생하였으며, 주파수 및 압력이 증가하면 선형적으로 유량도 증가한다. 도 14는 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 마이크로 펌프의 유량특성 그래프이다. 모든 경우에 유량이 발생하였으며, 주파수 및 압력이 증가하면 선형적으로 유량도 증가한다. 인가한 압력이 50 kPa인 경우, 직각면 및 곡면 형상을 갖는 펌프의 유량은 각각 0.06776 ㎕/mim 와 0.13445 ㎕/mim로써, 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 마이크로 펌프의 유량이 직각면을 갖는 경우보다, 1.98 배 크다. 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 마이크로 펌프가 사체적을 최소화할 수 있기 때문에, 같은 구동 조건에 대하여 직각면 형상을 갖는 펌프보다 상대적으로 큰 유량을 발생할 수 있음을 실험적으로 검증하였다. As can be seen in Figure 13, in the case of a micro pump having a right-angled fluid chamber, when driven at 0.1 Hz, there is little change in flow rate until a pressure condition of 30 kPa, and flow rates have been generated for all other driving conditions. As the pressure increases, the flow rate increases linearly. 14 is a graph of flow characteristics of a micro pump having a curved fluid chamber. Flow rates occurred in all cases, and the flow rate increased linearly with increasing frequency and pressure. When the applied pressure is 50 kPa, the flow rates of the pumps having a right-angled and curved shape are 0.06776 µl / mim and 0.13445 µl / mim, respectively, than the flow rate of a micropump having a curved fluid chamber has a right-angled surface. , 1.98 times larger. Since a micropump having a curved fluid chamber can minimize the dead volume, it has been experimentally verified that a relatively large flow rate can be generated for a same driving condition than a pump having a right-angled shape.

모델링modelling

본 발명에서는 공압 인가를 위한 채널의 물리적 구조를 활용한 유체 저항 및 유량 데이터로부터 구동기의 커패시턴스를 계산하고, 제안하는 마이크로 구동기의 3-stage low-pass filter 모델 [6]의 시간 응답을 추정한다. 이 결과를 활용하여 제안하는 곡면 형상을 갖는 펌프의 효율성을 검증하고자 한다. In the present invention, the capacitance of the actuator is calculated from the fluid resistance and flow rate data utilizing the physical structure of the channel for pneumatic application, and the time response of the proposed 3-stage low-pass filter model [6] of the micro actuator is estimated. By using this result, we want to verify the efficiency of the proposed pump with a curved shape.

유체 커패시턴스Fluid capacitance

도 15 내지 도 16은 다양한 구동 조건에서의 커패시턴스 특성 그래프로서, 도 15는 직각면의 유체 챔버를 갖는 마이크로 구동기, 도 16은 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 마이크로 구동기의 계산된 커패시턴스 특성 그래프이다.15 to 16 are graphs of capacitance characteristics under various driving conditions, FIG. 15 is a calculated microcapacitor characteristic of a micro actuator having a right-angled fluid chamber, and FIG. 16 is a calculated capacitance characteristic graph of a micro-driver having a curved fluid chamber.

커패시턴스(△C)는 도 13에서 측정한 유량 특성 그래프를 활용하여 유량 챔버에서 발생된 부피의 계산값(△V)와 인가한 압력(△P)로부터 추정하였다. 계산 결과로부터, 직각면 형상을 갖는 구동기보다 곡면형상을 갖는 구동기의 커패시턴스가 더 큼을 알 수 있다. 이러한 이유는 직각면 유체 챔버를 갖는 구동기인 경우에는 구동기 박막의 변형이 유체 챔버의 형상 때문에 제한되지만, 곡면형상의 유체 챔버를 갖는 구동기의 경우, 구동기 박막의 변형은 주어진 압력에 대하여 제한이 없기 때문이다. 두 구동기 모두, 압력이 일정할 경우, 주파수가 커지면 커패시턴스는 증가하고, 주파수가 일정할 때, 압력이 커질 경우에는 인가한 주파수에 따른 커패시턴스 크기의 차이는 줄어들게 된다. 직각면 유체 챔버인 경우, 직각면 형상으로 기인하는 사체적으로 인하여 낮은 압력조건에는 주파수에 영향을 받게 되지만, 주파수가 일정할 경우, 압력이 증가하더라도 구동기 박막의 변형이 크게 증가하지 않기 때문에, 부피에 큰 변화가 없게 되고, 이로 인하여 커패시턴스가 큰 변화가 없게 되거나, 다소 감소하게 된다. 단, 0.1 Hz의 주파수인 경우, 30 kPa 까지 유량 발생이 미미하고, 50 kPa부터 유량이 발생하게 되어, 커패시턴스 값이 증가하게 된다. The capacitance (ΔC) was estimated from the calculated value (ΔV) of the volume generated in the flow chamber and the applied pressure (ΔP) using the flow characteristic graph measured in FIG. 13. From the calculation results, it can be seen that the capacitance of the driver having a curved shape is greater than that of the driver having a right-angled shape. This is because, in the case of an actuator having a right-angled fluid chamber, the deformation of the actuator thin film is limited due to the shape of the fluid chamber, but in the case of an actuator having a curved fluid chamber, the deformation of the actuator thin film is not limited for a given pressure. to be. In both actuators, when the pressure is constant, the capacitance increases when the frequency increases, and when the frequency is constant, when the pressure increases, the difference in capacitance size according to the applied frequency decreases. In the case of a right-angled fluid chamber, the frequency is affected by low pressure conditions due to the dead body due to the right-angled shape, but when the frequency is constant, the deformation of the actuator thin film does not significantly increase even when the pressure increases, so the volume There is no significant change in this, and as a result, the capacitance does not have a large change or decreases somewhat. However, in the case of a frequency of 0.1 Hz, the flow rate is insignificant up to 30 kPa, and the flow rate is generated from 50 kPa, and the capacitance value increases.

곡면 형상 유체 챔버를 갖는 마이크로 구동기는 10 kPa의 압력조건에서는 주파수가 커지면 커패시턴스가 증가하게 되지만, 30 kPa에서는 그 차이가 줄어들게 되고, 50 kPa의 압력을 인가하였을 때 그 차이가 크지 않게 된다. 이러한 이유는 직각면 형상을 갖는 구동기와는 달리, 곡면형상인 경우 사체적의 최소화, 즉 구동기 박막의 변형과 곡면 형상을 갖는 유체 챔버의 물리적 형상이 일치하게 때문에 구동 조건에 따른 발생할 수 있는 부피의 변화가 포화되었기 때문인 것으로 사료된다.The micro-actuator having a curved fluid chamber increases the capacitance when the frequency increases at a pressure condition of 10 kPa, but the difference decreases at 30 kPa, and the difference is not significant when a pressure of 50 kPa is applied. The reason for this is that, unlike a driver having a right-angled shape, in the case of a curved shape, the volume of the volume may be changed according to the driving conditions because minimizing the dead volume, that is, the deformation of the actuator thin film and the physical shape of the fluid chamber having a curved shape coincide. It is thought that is because is saturated.

시응답 특성Time response characteristics

도 17은 3-stage low pass filter 모델[6]을 활용한 직각면과 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 마이크로 구동기와 시지연 효과를 검증하기 위한 비교 모델 구조(Comparable structure)의 단위 계단 응답 입력에 따른 출력 그래프이다. 계산에 사용된 유체 커패시턴스는 도 15 및 16의 계산 결과 중, 압력의 크기가 30 kPa이고, 구동 주파수가 0.4 Hz일 때의 값이다. 유체 저항인 경우, 도 9의 공압 채널의 물리적 형상으로부터 계산한 값을 활용하였다. FIG. 17 is a view showing a response to a unit staircase response input of a comparable structure for verifying a delay effect and a micro actuator having a right-angled and curved-shaped fluid chamber utilizing a 3-stage low pass filter model [6]. This is the output graph. The fluid capacitance used in the calculation is a value when the magnitude of the pressure is 30 kPa and the driving frequency is 0.4 Hz among the calculation results in FIGS. 15 and 16. In the case of fluid resistance, a value calculated from the physical shape of the pneumatic channel of FIG. 9 was used.

비교 대상인 마이크로 구동기의 모델인 경우, R1과 R2에 해당하는 공압 채널의 길이를 최단 거리로 설정하고, 유체 챔버는 본 발명에서 제작한 직각면 형상을 갖는다. 시응답 특성 그래프로부터, 기존 연구들처럼(previous method), 직각면 유체 챔버를 갖는 구동기 사이의 공압 채널의 길이 증가를 통한 단순 유체 저항이 증가(ΔR)만으로도 시지연 효과를 얻을 수 있으며, 이를 활용한 연동형 펌핑이 가능하다. 그러나, 본 발명에서 제시하는 방법과 같이 (proposed method), 저항 증대 (ΔR) 및 곡면 형상의 유체 챔버를 통한 커패시턴스를 동시에 증대할 경우(ΔC), 상대적으로 시지연 효과가 증대되어, 각각의 구동기에 인가되는 외부 압축 공기의 순차적 유입이 보다 더 느려지게 된다. 즉, 각각의 구동기의 반응속도의 차이를 크게 할 수 있기 때문에, 단일 제어 신호에 의한 연동형 펌프 구동이 보다 효율적이다. 더불어, 구동기 박막의 변형과 유체 챔버의 형상이 같기 때문에 사체적 극소화를 구현하여 보다 큰 유량을 발생할 수 있다.In the case of the model of the micro-driver to be compared, the lengths of the pneumatic channels corresponding to R1 and R2 are set to the shortest distance, and the fluid chamber has a right-angled shape produced in the present invention. From the graph of time response characteristics, as in the previous studies (previous method), the delay effect can be obtained by simply increasing the fluid resistance (ΔR) through increasing the length of the pneumatic channel between actuators having a right-angled fluid chamber, and utilizing this One peristaltic pumping is possible. However, as in the method proposed in the present invention (proposed method), when the resistance is increased (ΔR) and the capacitance through the fluid chamber of the curved shape is simultaneously increased (ΔC), the relative delay delay effect is increased, and each driver The sequential inflow of external compressed air applied to the gas will be slower than that. That is, since the difference in the reaction speed of each actuator can be increased, the peristaltic pump driving by a single control signal is more efficient. In addition, since the deformation of the actuator thin film and the shape of the fluid chamber are the same, it is possible to achieve a larger flow rate by minimizing the dead volume.

결론conclusion

본 발명에서는 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 자가 연동형 마이크로 펌프를 제안하였다. 직각면 및 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 2 가지 종류의 펌프를 제작하고, 유량 특성 시험을 수행하였으며, 결과 비교를 통하여 제안하는 펌프의 효율성을 증명하였다. 더불어, 실험 결과를 활용하여 마이크로 펌프의 시응답 특성 계산 및 분석을 수행으로부터 효율성을 확인하였다.In the present invention, a self-locking type micropump having a curved fluid chamber is proposed. Two types of pumps with right-angled and curved-type fluid chambers were fabricated, flow rate characteristics tests were performed, and the efficiency of the proposed pump was proved through comparison of results. In addition, the efficiency was confirmed from the calculation and analysis of time-response characteristics of the micropump using the experimental results.

본 발명에서 제안하는 펌프는 기존의 soft-lithography 방식으로 제작된 직각면 형상의 유체 챔버를 갖는 펌프보다 상대적으로 큰 시지연 효과가 있기 때문에, 자가연동 방식의 유체 펌핑에 효율적이며, 더불어 구동기 박막의 변형과 유체 챔버의 구조의 일치를 통한 사체적 최소화 구현으로 유체 펌핑의 효율성 증대 및 유량 증대가 가능함을 증명하였다.Since the pump proposed in the present invention has a relatively large delay delay effect than a pump having a right-angled fluid chamber manufactured by a conventional soft-lithography method, it is efficient for self-interlocking fluid pumping, and it is possible to It has been proved that it is possible to increase the efficiency of the fluid pumping and increase the flow rate by realizing the minimization of volume through matching the deformation and the structure of the fluid chamber.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.The rights of the present invention are not limited to the embodiments described above, but are defined by the claims, and those skilled in the art can make various modifications and adaptations within the scope of the claims. It is self-evident.

10, 12: 유체 연결구(Fluid port)
20: 유체 채널
30, 32, 34: 공압 구동기(Actuator)
40, 42: 공압 연결구 (Pneumatic port)
50, 52: 공압 채널
60, 62, 64: 유체 챔버
70: 유체/공압 공급층
80: 박막 층(diaphragm layer)
90: 유체 챔버/채널 층(Fluid chamber and channel layer)10, 12: Fluid port
20: fluid channel
30, 32, 34: pneumatic actuator
40, 42: Pneumatic port
50, 52: pneumatic channel
60, 62, 64: fluid chamber
70: fluid / pneumatic supply layer
80: diaphragm layer
90: Fluid chamber and channel layer

Claims (11)

유체 주입 및 배출을 위한 유체 연결구(Fluid port);
상기 유체 연결구 사이를 연결하여 유체가 흐르는 유체 채널;
상기 유체 채널 상에 설치되는 복수개의 공압 구동기(Actuator);
상기 공압 구동기를 구동하기 위해 외부 압축 공기 주입을 위한 공압 연결구 (Pneumatic port);
상기 공압 연결구로부터 상기 복수개의 공압 구동기(Actuator) 사이의 연결하는 공압 채널; 및
상기 공압 구동기 각각의 하부에 위치한 곡면 형상의 유체 챔버;
를 포함하는 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 자가 연동형 마이크로 펌프. Fluid port for fluid injection and discharge;
A fluid channel connecting the fluid connectors to flow fluid;
A plurality of pneumatic actuators installed on the fluid channel;
A pneumatic port for injecting external compressed air to drive the pneumatic actuator;
A pneumatic channel connecting between the plurality of pneumatic actuators from the pneumatic connector; And
A fluid chamber having a curved surface located under each of the pneumatic actuators;
Self-locking micro-pump having a curved fluid chamber including a. 청구항 1에 있어서,
상기 공압 채널은 상기 공압 연결구로부터 공압 구동기 사이를 연결하는 제1 공압 채널(R1)과,
상기 공압 구동기 사이를 연결하는 제2 공압 채널(R2)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 자가 연동형 마이크로 펌프. The method according to claim 1,
The pneumatic channel is a first pneumatic channel (R1) connecting between the pneumatic actuator from the pneumatic connector,
Self-locking micro-pump having a fluid chamber of a curved shape, characterized in that it consists of a second pneumatic channel (R2) connecting between the pneumatic actuator. 청구항 2에 있어서,
상기 제1 공압 채널과 제2 공압 채널은 시지연 효과를 유발하기 위하여 채널 형상을 구불구불하게 설계하여 저항을 증가시키는 것을 특징으로 하는 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 자가 연동형 마이크로 펌프. The method according to claim 2,
The first pneumatic channel and the second pneumatic channel are self-locking micro-pumps having a fluid chamber having a curved shape, which is designed to meander a channel shape in order to induce a delay effect, thereby increasing resistance. 청구항 3에 있어서,
상기 제1 공압 채널은 적어도 2개 이상의 굴곡부를 갖는 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 자가 연동형 마이크로 펌프. The method according to claim 3,
The first pneumatic channel is a self-locking micro-pump having a fluid chamber of a curved shape, characterized in that it is made of a shape having at least two bent portions. 청구항 4에 있어서,
상기 제2 공압 채널은 상기 제1 공압 채널보다 더 많은 굴곡부를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 자가 연동형 마이크로 펌프. The method according to claim 4,
The second pneumatic channel is a self-locking micro pump having a curved fluid chamber, characterized in that it is formed to have more bends than the first pneumatic channel. 청구항 1에 있어서,
상기 유체 챔버는 상기 공압 구동기 박막의 변형을 극대화시키기 위하여 구동기 박막의 변형과 일치하는 형상을 갖는 반구형 유체 챔버(Dome-shape fluid chamber)인 것을 특징으로 하는 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 자가 연동형 마이크로 펌프. The method according to claim 1,
The fluid chamber is a self-interlocking microstructure having a curved fluid chamber, characterized in that it is a dome-shape fluid chamber having a shape that matches the deformation of the actuator thin film in order to maximize deformation of the pneumatic actuator thin film. Pump. 청구항 1에 있어서,
자가 연동형 마이크로 펌프는 다층 구조를 가지며,
상기 유체 연결구, 공압 연결구 및 공압 채널이 형성되어 외부 유체 연결 및 공압 연결을 위한 유체/공압 공급층;
상기 유체 챔버 상면에 막 형성을 위한 박막 층(diaphragm layer); 및
상기 유체 챔버와 유체 채널이 형성되는 유체 챔버/채널 층(Fluid chamber and channel layer);
을 포함하는 것을 특징으로 하는 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 자가 연동형 마이크로 펌프. The method according to claim 1,
Self-locking micro pump has a multi-layer structure,
A fluid / pneumatic supply layer for external fluid connection and pneumatic connection by forming the fluid connector, pneumatic connector, and pneumatic channel;
A diaphragm layer for forming a film on the upper surface of the fluid chamber; And
A fluid chamber and a channel layer in which the fluid chamber and the fluid channel are formed;
Self-locking micro-pump having a fluid chamber of a curved shape, characterized in that it comprises a. 청구항 1에 있어서,
상기 유체 챔버는 3개로 이루어지고,
상기 유체 채널은 상기 3개의 유체 챔버 중 중앙에 위치한 유체 챔버를 중심으로 대칭되는 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 곡면 형상의 유체 챔버를 갖는 자가 연동형 마이크로 펌프. The method according to claim 1,
The fluid chamber consists of three,
The fluid channel is a self-locking micro-pump having a curved fluid-shaped fluid chamber, characterized in that the fluid channel has a symmetrical shape around a fluid chamber located at the center of the three fluid chambers. (a) 유체 챔버와 채널 제작을 위한 몰드에 액체 수지를 도포한 후 경화하는 단계;
(b) 경화된 수지와 글래스 웨이퍼(Glass wafer)를 상압 플라즈마 처리 후 접합하는 단계;
(c) 곡면 형상 제작을 위해 글래스 웨이퍼에 액체 수지를 도포한 후 (b) 단계에서 제작한 경화된 수지를 정렬하는 단계;
(d) 열을 인가하여 닫힌 공간인 공기 공동(Air cavity) 내부의 공기가 팽창하여 경화된 수지 막이 부풀어 오르는 단계;
(e) 변형된 수지 막의 역상이 액체 수지에 복제되면서 동시에 액체 수지의 경화가 진행되는 단계; 및
(f) 경화 공정이 완료된 후 2개의 경화된 수지를 분리하여 곡면 형상의 유체 챔버 및 유체 채널을 제조하는 단계;
를 포함하는 곡면 형상의 유체 챔버 제조방법. (a) applying a liquid resin to a mold for fabricating a fluid chamber and a channel, followed by curing;
(b) bonding the cured resin and a glass wafer after normal pressure plasma treatment;
(c) after applying the liquid resin to the glass wafer for producing a curved shape, aligning the cured resin produced in step (b);
(d) the step of applying heat to expand the air inside the air cavity, which is a closed space, to swell the cured resin film;
(e) curing the liquid resin while the reverse phase of the deformed resin film is replicated to the liquid resin; And
(f) separating the two cured resins after the curing process is completed to produce a curved fluid chamber and a fluid channel;
Method of manufacturing a fluid chamber having a curved surface comprising a. 청구항 9에 있어서,
(a) 단계에서, 상기 액체 수지는 80 ~ 95℃의 온도에서 20 ~ 40분 동안 경화하는 것을 특징으로 하는 곡면 형상의 유체 챔버 제조방법. The method according to claim 9,
In step (a), the liquid resin is a fluid chamber manufacturing method of a curved surface, characterized in that for 20 to 40 minutes at a temperature of 80 ~ 95 ℃. 청구항 9에 있어서,
(c) 단계에서, 상기 액체 수지는 120 ~ 140℃의 온도에서 20 ~ 40분 동안 경화하는 것을 특징으로 하는 곡면 형상의 유체 챔버 제조방법.
The method according to claim 9,
In step (c), the liquid resin is a fluid chamber manufacturing method of a curved surface characterized in that it is cured at a temperature of 120 ~ 140 ℃ for 20 ~ 40 minutes.
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