KR100744556B1 - Thermopneumatic microvalve with membrane - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유체의 유동 및 그의 유량을 제어할 수 있는 열공압 마이크로 밸브에 관한 것이다. 상기 본 발명에 따른 열공압 마이크로밸브는 유체를 유동시키기 위한 채널들; 상기 채널들을 연결하는 유동 제어 챔버; 온도 변화에 따라 부피가 팽창하는 매질을 포함하는 압력 제어 챔버; 상기 압력 제어 챔버의 매질의 온도를 제어하기 위한 온도 제어부; 및 상기 유동 제어 챔버 및 압력 제어 챔버를 분할하고 상기 압력 제어 챔버의 압력이 증가하는 경우 탄성 변형되어 상기 유동 제어 챔버를 차지함으로써 상기 채널들의 유체 유동을 제어하는 멤브레인을 포함한다. The present invention relates to a thermopneumatic microvalve capable of controlling the flow of a fluid and its flow rate. The thermopneumatic microvalve according to the present invention includes channels for flowing a fluid; A flow control chamber connecting the channels; A pressure control chamber comprising a medium in which the volume expands with temperature change; A temperature controller for controlling the temperature of the medium of the pressure control chamber; And a membrane that divides the flow control chamber and the pressure control chamber and controls the fluid flow of the channels by elastically deforming to occupy the flow control chamber when the pressure in the pressure control chamber increases.

Description

멤브레인을 구비하는 열공압 마이크로밸브{Thermopneumatic microvalve with membrane}Thermopneumatic microvalve with membrane

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열공압 마이크로 밸브를 도시하는 단면도이다. 1 is a cross-sectional view showing a thermopneumatic microvalve according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열공압 마이크로 밸브를 도시하는 분리 사시도이다.2 is an exploded perspective view illustrating a thermopneumatic microvalve according to an embodiment of the present invention.

도 3a 및 도 3b는 도 1에 도시된 멤브레인의 형상 변화에 따른 밸브 작동을 설명하기 위한 단면도이다.3A and 3B are cross-sectional views illustrating a valve operation according to the shape change of the membrane shown in FIG. 1.

도 4a 및 도 4b는 도 1에 도시된 멤브레인의 형상 변화에 따른 유량 조절을 설명하기 위한 단면도 및 선도이다. 4A and 4B are cross-sectional views and diagrams for describing flow rate control according to the shape change of the membrane shown in FIG. 1.

도 5a 내지 도 5d는 유동 제어 챔버의 다양한 형상을 도시하는 일부 단면도이다. 5A-5D are some cross-sectional views illustrating various shapes of the flow control chamber.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 적용된 본딩에 의한 멤브레인 고정을 설명하기 위한 개념도이다. 6 is a conceptual diagram illustrating the membrane fixing by bonding applied to an embodiment of the present invention.

도 7은 유동 제어 챔버 및 멤브레인 챔버의 다양한 형태의 조합을 도시하는 일부 평면도이다.7 is a partial plan view illustrating various types of combinations of flow control chamber and membrane chamber.

본 발명은 열공압 마이크로 밸브에 관한 것으로, 보다 상세하게는 바이오칩 및 랩온어칩에 사용되는 마이크로유동장치에 적용될 수 있는 열공압 마이크로 밸브에 관한 것이다. The present invention relates to a thermopneumatic microvalve, and more particularly to a thermopneumatic microvalve that can be applied to microfluidic devices used in biochips and lab-on-a-chips.

일반적으로, DNA칩 또는 단백질칩과 같은 생화학적 분석을 위한 바이오칩, 및 미소 유체 제어 기술을 이용한 랩온어칩 등에서는 액체 상태의 시료 샘플을 마이크로 채널들에서 정지, 유량조절, 펌핑, 혼합, 배분 및 분리와 같은 유동 제어 기술을 필요로 하며, 이를 위한 다양한 제어 방식이 제안되고 있다. In general, biochips for biochemical analysis such as DNA chips or protein chips, and lab-on-a-chip using microfluidic control techniques, can be used to stop, flow, pump, mix, distribute, and Flow control techniques such as separation are required, and various control schemes have been proposed for this purpose.

상기 미소 유체의 정지 및 유량조절의 역할을 하는 것이 마이크로밸브이며, 미소 유체의 펌핑을 수행하는 것은 마이크로펌프라고 통칭한다. 상기 마이크로밸브와 마이크로펌프는 그 구동 방식이 상호 연관되어 있으며, 다양한 방식의 마이크로밸브 및 펌프가 제안되고 있다. It is a microvalve that plays a role of stopping the microfluid and adjusting the flow rate, and performing the pumping of the microfluid is collectively called a micropump. The microvalve and the micropump are interconnected with their driving methods, and various types of microvalve and pump have been proposed.

예컨대, 상기 마이크로 펌프 및 밸브의 구동방식으로서 기계적 공압식 및 PZT(Piezoelectric effect) 등을 이용한 마이크로 액츄에이터형 구동법(Microactuating method), 전기영동법(Electrophoretic method) 및 전기삼투법(Electroosmotic method)과 같은 전기수력학적(EHD, Electro-hydrodynamic) 구동법, 전기화학적(Electrochemical) 반응을 이용한 구동법, 파라핀, 젤, 다공성 풀리머 또는 비드의 열적 광학적 및 전기적 특성 변화를 이용한 구동법, 표면장력에 의한 모세관 유동법(Capillary flow method), 표면음파(SAW, Surface Acoustic Wave) 구동법, 원심력 또는 코리올리힘을 이용한 체적력 제어식 구동법, 열적, 전기적 전하 또는 광학적 표면 재료 특성 변화를 이용한 구동법 등의 다양한 방식이 존재한다.For example, electro-hydraulic methods such as a micro-actuating method, an electrophoretic method, and an electroosmotic method using a mechanical pneumatic method and a piezoelectric effect (PZT) as the driving method of the micro pump and the valve. Electro-hydrodynamic (EHD) driving method, driving method using electrochemical reaction, driving method using the change of thermal optical and electrical properties of paraffin, gel, porous puller or beads, capillary flow method by surface tension ( Capillary flow method (SAW), surface acoustic wave (SAW) driving method, volumetric force controlled driving method using centrifugal force or Coriolis force, and driving method using thermal, electrical charge or optical surface material property change .

이와 같이 지금까지 다양한 구동방식에 의한 다양한 마이크로펌프 및 밸브가 제안되었으나 구동방식, 제조 및 제어가 복잡하거나, 실리콘과 같은 고가의 재료를 필요로 하거나, 구동 유량 및 압력 등의 한계를 보이는 경우가 많았다. As described above, various micropumps and valves have been proposed by various driving methods. However, the driving methods, manufacturing and control are complicated, expensive materials such as silicon, and driving flow rate and pressure are often limited. .

따라서, 이러한 단점을 극복한 간단하고 저가의 고성능 마이크로펌프 및 마이크로밸브의 제안이 요구된다. 특히, 바이오칩과 랩온어칩의 경우 직접도가 높아질수록 다양한 기능을 수행하는 챔버와 채널들의 수가 많아지고, 이에 따라 직접 시켜야 할 마이크로밸브의 수가 증가하여 구동 제어가 복잡해지고 고가가 된다. 따라서, 기존의 방식을 이용할 경우 일회용으로 사용하기에 적합하지 않은 경우가 발생하게 된다. Accordingly, there is a need for a simple and inexpensive high performance micropump and microvalve that overcomes these drawbacks. In particular, in the case of biochips and lab-on-a-chips, as the degree of directness increases, the number of chambers and channels that perform various functions increases, and accordingly, the number of microvalvees to be directly increased increases the complexity of driving control and becomes expensive. Therefore, when using the existing method is not suitable for one-time use occurs.

본 발명은 상기 종래 기술의 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 간단한 구동 방식으로 유체의 유동 및 그의 유량을 제어할 수 있는 저가의 마이크로밸브를 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a low-cost microvalve capable of controlling the flow of a fluid and its flow rate in a simple driving manner.

본 발명은 유체를 유동시키기 위한 채널들; 상기 채널들을 연결하는 유동 제어 챔버; 온도 변화에 따라 부피가 팽창하는 매질을 포함하는 압력 제어 챔버; 상기 압력 제어 챔버의 매질의 온도를 제어하기 위한 온도 제어부; 및 상기 유동 제 어 챔버 및 압력 제어 챔버를 분할하고 상기 압력 제어 챔버의 압력이 증가하는 경우 탄성 변형되어 상기 유동 제어 챔버를 차지함으로써 상기 채널들의 유체 유동을 제어하는 멤브레인을 포함하는 열공압 마이크로밸브를 제공한다. The invention provides channels for flowing a fluid; A flow control chamber connecting the channels; A pressure control chamber comprising a medium in which the volume expands with temperature change; A temperature controller for controlling the temperature of the medium of the pressure control chamber; And a membrane for dividing the flow control chamber and the pressure control chamber and controlling the fluid flow of the channels by elastically deforming to occupy the flow control chamber when the pressure in the pressure control chamber increases. to provide.

상기 열공압 마이크로밸브는 상기 채널들에 연결된 유체의 유입구 및 유출구를 더 포함할 수 있다. The thermopneumatic microvalve may further comprise an inlet and an outlet of the fluid connected to the channels.

상기 압력 제어 챔버의 측벽은 열전달 계수가 낮은 재료로 형성될 수 있다. The side wall of the pressure control chamber may be formed of a material having a low heat transfer coefficient.

상기 압력 제어 챔버는 원뿔대 또는 각뿔대 형태를 가질 수 있다. The pressure control chamber may have the form of a truncated cone or a truncated cone.

상기 매질은 공기일 수 있다. The medium may be air.

상기 매질은 질소, 산소, 이산화탄소 및 헬륨을 포함하는 기체; 물, 알코올, 아세톤 및 수은을 포함하는 액체; 및 파라핀, 젤, 폴리머 및 다공성 물질을 포함하는 고체 물질로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다. The medium comprises a gas comprising nitrogen, oxygen, carbon dioxide and helium; Liquids including water, alcohols, acetone and mercury; And solid materials including paraffins, gels, polymers and porous materials.

상기 유동 제어 챔버 및 압력 제어 챔버를 형성하는 측벽은 탄성 변형이 없는 플라스틱으로 형성될 수 있다. Sidewalls forming the flow control chamber and the pressure control chamber may be formed of plastic without elastic deformation.

상기 멤브레인에 접하는 유동 제어 챔버의 단면 및 압력 제어 챔버의 단면은 동일한 형상을 가질 수 있다. The cross section of the flow control chamber and the cross section of the pressure control chamber in contact with the membrane may have the same shape.

상기 온도 제어부는 히터 및 온도 센서를 포함할 수 있다. The temperature control unit may include a heater and a temperature sensor.

상기 멤브레인은 기체 및 액체를 투과시키지 않고 탄성 변형 및 복원이 가능한 것일 수 있다. The membrane may be one capable of elastic deformation and restoration without permeating gas and liquid.

상기 멤브레인은 실리콘 고무, 라텍스 필름 및 PDMS 필름으로 이루어진 군에서 선택되는 재료로 형성될 수 있다. The membrane may be formed of a material selected from the group consisting of silicone rubber, latex film and PDMS film.

본 발명은 유체를 유동시키기 위한 채널들 및 상기 채널들을 연결하는 유동 제어 챔버가 형성되어 있는 제1 기판; 온도 변화에 따라 부피가 팽창하는 매질을 포함하는 압력 제어 챔버의 측벽 및 멤브레인 챔버가 형성되어 있고 상기 제1 기판에 접합되는 제2 기판; 상기 멤브레인 챔버의 적어도 일부에 형성되어 상기 유동 제어 챔버 및 압력 제어 챔버를 분할하고 상기 압력 제어 챔버의 압력이 증가하는 경우 탄성 변형되어 상기 유동 제어 챔버를 차지함으로써 상기 채널들의 유체 유동을 제어하는 멤브레인; 및 상기 압력 제어 챔버의 매질의 온도를 제어하기 위하여 히터 및 온도센서를 포함하고 상기 압력 제어 챔버의 일면을 형성하는 온도 제어 기판을 포함하는 열공압 마이크로밸브를 제공한다. The invention includes a first substrate having channels for flowing fluid and a flow control chamber connecting the channels; A second substrate having a sidewall and a membrane chamber of a pressure control chamber including a medium in which volume expands with a temperature change and bonded to the first substrate; A membrane formed in at least a portion of the membrane chamber to divide the flow control chamber and the pressure control chamber and to elastically deform to occupy the flow control chamber when the pressure in the pressure control chamber increases to control the fluid flow of the channels; And a temperature control substrate including a heater and a temperature sensor to control the temperature of the medium of the pressure control chamber and forming one surface of the pressure control chamber.

상기 제1 기판 및 제2 기판은 탄성 변형이 없는 플라스틱으로 형성될 수 있다. The first substrate and the second substrate may be formed of plastic without elastic deformation.

상기 제1 기판 및 제2 기판의 접합은 열간 가압 접합, 접착제 접합 또는 초음파 접합에 의해 수행될 수 있다. Bonding of the first substrate and the second substrate may be performed by hot pressure bonding, adhesive bonding, or ultrasonic bonding.

상기 멤브레인의 두께는 상기 멤브레인 챔버의 깊이 보다 크고 상기 제1 기판 및 제2 기판의 접합시에 상기 멤브레인은 부분적으로 압축되어서 고정될 수 있다. The thickness of the membrane is greater than the depth of the membrane chamber and upon bonding of the first substrate and the second substrate the membrane may be partially compressed and fixed.

상기 압력 제어 챔버의 상기 멤브레인에 접하는 단면은 상기 유동 제어 챔버의 단면과 일치하고 그와 대향하는 단면은 상기 히터의 면적과 상응하는 원뿔대 또는 각뿔대 형태를 가질 수 있다. The cross section abutting the membrane of the pressure control chamber coincides with the cross section of the flow control chamber and the cross section facing the membrane may have a truncated cone or pyramid shape corresponding to the area of the heater.

상기 매질은 공기일 수 있다. The medium may be air.

상기 매질은 질소, 산소, 이산화탄소 및 헬륨을 포함하는 기체; 물, 알코올, 아세톤 및 수은을 포함하는 액체; 및 파라핀, 젤, 폴리머 및 다공성 물질을 포함하는 고체 물질로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다. The medium comprises a gas comprising nitrogen, oxygen, carbon dioxide and helium; Liquids including water, alcohols, acetone and mercury; And solid materials including paraffins, gels, polymers and porous materials.

상기 멤브레인은 기체 및 액체를 투과시키지 않고 탄성 변형 및 복원이 가능한 것일 수 있다. The membrane may be one capable of elastic deformation and restoration without permeating gas and liquid.

상기 멤브레인은 실리콘 고무, 라텍스 필름 및 PDMS 필름으로 이루어진 군에서 선택되는 재료로 형성될 수 있다. The membrane may be formed of a material selected from the group consisting of silicone rubber, latex film and PDMS film.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail an embodiment of the present invention.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열공압 마이크로 밸브를 도시하는 단면도이다. 1 is a cross-sectional view showing a thermopneumatic microvalve according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열공압 마이크로밸브는 채널들, 유동 제어 챔버(102), 압력 제어 챔버(107), 온도 제어부(105, 106) 및 멤브레인(101)을 포함한다. Referring to FIG. 1, a thermopneumatic microvalve according to an embodiment of the present invention includes channels, a flow control chamber 102, a pressure control chamber 107, a temperature controller 105 and 106, and a membrane 101. do.

채널들은 유체를 유동시키는 통로 역할을 수행하고, 유동 제어 챔버(102)에 연결된다. 도 1에 있어서, 채널들은 유동 제어 챔버(102)의 단면에 수직 방향으로 형성되어 있어 도시되어 있지 않다. 상기 채널들은 제1 기판(103) 상에 형성되어 있다. The channels serve as passageways for flowing fluid and are connected to the flow control chamber 102. In FIG. 1, the channels are not shown as they are formed perpendicular to the cross section of the flow control chamber 102. The channels are formed on the first substrate 103.

유동 제어 챔버(102)는 채널들을 연결하고, 상기 채널들에 흐르는 유체의 유동 및 그의 유량을 제어하는 기능을 수행한다. 유동 제어 챔버(102)를 형성하는 측벽은 탄성 변형이 없는 플라스틱으로 형성되는 것이 바람직하다. 유동 제어 챔버(102)는 제1 기판(103) 상에 형성되어 있다. 유동 제어 챔버(102)는 제1 기판(103) 및 멤브레인(101)으로 둘러싸여 있다. The flow control chamber 102 connects the channels and functions to control the flow and the flow rate of the fluid flowing through the channels. The sidewalls forming the flow control chamber 102 are preferably formed of plastic without elastic deformation. The flow control chamber 102 is formed on the first substrate 103. The flow control chamber 102 is surrounded by a first substrate 103 and a membrane 101.

압력 제어 챔버(107)는 제2 기판(104)에 형성된 측벽으로 둘러싸이고, 상부에는 멤브레인(101) 및 하부에는 온도 제어 기판(108)에 의해 둘러싸인다. 압력 제어 챔버(107)를 형성하는 측벽은 탄성 변형이 없고 열전달 계수가 낮은 재료, 예컨대 플라스틱으로 형성되는 것이 바람직하다.The pressure control chamber 107 is surrounded by sidewalls formed in the second substrate 104, surrounded by a membrane 101 at the top and a temperature controlled substrate 108 at the bottom. The sidewalls forming the pressure control chamber 107 are preferably formed of a material, such as a plastic, having no elastic deformation and a low heat transfer coefficient.

압력 제어 챔버(107)는 온도 변화에 따라 부피가 팽창하는 매질을 포함한다. 상기 매질은 공기일 수 있고, 상기 공기와 함께 또는 독립적으로 질소, 산소, 이산화탄소 및 헬륨을 포함하는 기체; 물, 알코올, 아세톤 및 수은을 포함하는 액체; 및 파라핀, 젤, 폴리머 및 다공성 물질을 포함하는 고체 물질 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. The pressure control chamber 107 includes a medium in which the volume expands as the temperature changes. The medium may be air, together with or independently of the air, a gas comprising nitrogen, oxygen, carbon dioxide and helium; Liquids including water, alcohols, acetone and mercury; And solid materials including paraffins, gels, polymers, and porous materials.

압력 제어 챔버(107)는 구멍이 형성된 일 측면이 상기 제1 기판(103) 상의 유동 제어 챔버(102)의 중심에 위치하며, 반대 측면은 상기 온도 제어 기판의 히터(105)와 대응하도록 형성된다. 가열 온도 및 제2 기판(104)의 두께를 고려하여 공기 팽창율에 따라 체적을 조절할 수 있도록 두께 방향으로 테이퍼형, 즉 원뿔대 또는 각뿔대 형태로 형성되는 것이 바람직하다. The pressure control chamber 107 is formed such that one side having a hole is located at the center of the flow control chamber 102 on the first substrate 103, and the opposite side corresponds to the heater 105 of the temperature control substrate. . In consideration of the heating temperature and the thickness of the second substrate 104, it is preferable to form a tapered shape, that is, a truncated cone or a truncated pyramid in the thickness direction so that the volume can be adjusted according to the air expansion rate.

상기 멤브레인(101)에 접하는 유동 제어 챔버(102)의 단면 및 압력 제어 챔버(107)의 단면은 동일한 형상을 갖도록 대응되는 것이 바람직하다. The cross section of the flow control chamber 102 and the cross section of the pressure control chamber 107 in contact with the membrane 101 preferably correspond to have the same shape.

상기 유동 제어 챔버(102) 및 압력 제어 챔버(107)를 형성하는 측벽, 즉 제1 기판(103) 및 제2 기판(104)은 플라스틱, 특히 딱딱한 가소성 플리스틱으로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 플라스틱은 예컨대, 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 시클로올레핀 코폴리머(cycloolefin copolymer, COC), 폴리아미드(polyamide, PA), 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리페닐렌 에테르(polyphenylene ether, PPE), 폴리스티렌(polystyrene, PS), 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene, POM), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone, PEEK), 폴리테트라프로오르에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride, PVC), 폴리비닐리덴 플로라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate, PBT), 불소화 에틸렌프로필렌(fluorinated ethylenepropylene, FEP) 또는 퍼플로로알콕시알칸(perfluoralkoxyalkane, PFA)일 수 있다. The sidewalls forming the flow control chamber 102 and the pressure control chamber 107, ie the first substrate 103 and the second substrate 104, are preferably formed of plastic, in particular rigid plastic plastic. The plastic may be, for example, polymethylmethacrylate (PMMA), polycarbonate (PC), cycloolefin copolymer (COC), polyamide (PA), polyethylene (PE, PE), Polypropylene (PP), polyphenylene ether (PPE), polystyrene (PS), polyoxymethylene (POM), polyetheretherketone (PEEK), polytetraproethylene (polytetrafluoroethylene, PTFE), polyvinylchloride (PVC), polyvinylidene fluoride (PVDF), polybutyleneterephthalate (PBT), fluorinated ethylenepropylene (FEP) or perflow It may be perfluoralkoxyalkane (PFA).

온도 제어부는 압력 제어 챔버(107)의 매질의 온도를 제어한다. 온도 제어부는 온도 제어 기판(108) 상에 형성된 히터(105) 및 온도 센서(106)를 포함한다. The temperature control unit controls the temperature of the medium of the pressure control chamber 107. The temperature control unit includes a heater 105 and a temperature sensor 106 formed on the temperature control substrate 108.

멤브레인(101)은 상기 유동 제어 챔버(102) 및 압력 제어 챔버(107)를 분할하고 상기 압력 제어 챔버(107)의 압력이 증가하는 경우 탄성 변형되어 상기 유동 제어 챔버(102)를 차지함으로써 상기 채널들의 유체 유동을 제어한다. The membrane 101 divides the flow control chamber 102 and the pressure control chamber 107 and elastically deforms when the pressure of the pressure control chamber 107 increases to occupy the flow control chamber 102. Control their fluid flow.

상기 멤브레인(101)은, 실리콘 고무, 라텍스 필름 및 PDMS 필름 등과 같이 공기와 같은 기체 및 액체를 투과시키지 않으면서 탄성 변형 및 회복이 가능한 재료로 제작되며, 제1 기판(103)의 유동 제어 챔버(102) 보다는 면적이 크고 제2 기 판(104)의 멤브레인 챔버(109) 내에 형성이 되는 것이 바람직하다. 한편, 상기 멤브레인(101)은 스핀코팅(spin coating), 펀칭(punching) 또는 레이저 절단 등으로 제작될 수 있다.The membrane 101 is made of a material that is elastically deformable and recoverable without permeating gas and liquid such as air, such as silicone rubber, latex film, and PDMS film, and includes a flow control chamber ( It is desirable to have a larger area than 102 and to be formed in the membrane chamber 109 of the second substrate 104. On the other hand, the membrane 101 may be manufactured by spin coating, punching or laser cutting.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열공압 마이크로 밸브를 도시하는 분리 사시도이다.2 is an exploded perspective view illustrating a thermopneumatic microvalve according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 열공압 마이크로 밸브는 제1 기판(203), 멤브레인(201), 제2 기판(204), 온도 제어 기판(208)으로 구성된다. 제1 기판(203)에는 유체를 유동시키기 위한 채널들(212), 상기 채널들을 연결하는 유동 제어 챔버(202) 및 상기 채널들에 연결된 유입구(211) 및 유출구(212)가 형성되어 있다. 상기 각 요소들은 NC 머신 또는 레이저 등에 의한 드릴링으로 형성될 수 있다. 상기 유입구(211) 및 유출구(212)는 목적에 따라 다수개 형성될 수 있고, 필요에 따라 제1 기판(203)이 아닌 제2 기판(204) 및 온도 제어 기판(208)을 통하여 형성될 수도 있다.Referring to FIG. 2, the thermopneumatic microvalve is composed of a first substrate 203, a membrane 201, a second substrate 204, and a temperature control substrate 208. The first substrate 203 has channels 212 for flowing a fluid, a flow control chamber 202 connecting the channels, and an inlet 211 and an outlet 212 connected to the channels. Each of the above elements may be formed by drilling by an NC machine or a laser. The inlet 211 and the outlet 212 may be formed in plurality, depending on the purpose, if necessary through the second substrate 204 and the temperature control substrate 208 instead of the first substrate 203. have.

제2 기판(204)에는 온도 변화에 따라 부피가 팽창하는 매질을 포함하는 압력 제어 챔버(207)의 측벽 및 멤브레인 챔버(209)가 형성된다. The second substrate 204 is formed with a sidewall of the pressure control chamber 207 and a membrane chamber 209 including a medium in which the volume expands as the temperature changes.

상기 제1 기판 및 제2 기판의 접합과 같은 기판들 간의 접합은 열간 가압 접합, 접착제 접합 또는 초음파 접합에 의해 수행될 수 있다. Bonding between substrates such as bonding of the first substrate and the second substrate may be performed by hot pressure bonding, adhesive bonding or ultrasonic bonding.

멤브레인(201)은 상기 멤브레인 챔버(209)의 적어도 일부에 형성되어 상기 유동 제어 챔버(202) 및 압력 제어 챔버(207)를 분할하고 상기 압력 제어 챔버(207)의 압력이 증가하는 경우 탄성 변형되어 상기 유동 제어 챔버(202)를 차지함으로써 상기 채널들(210)의 유체 유동을 제어한다. A membrane 201 is formed in at least a portion of the membrane chamber 209 to divide the flow control chamber 202 and the pressure control chamber 207 and to elastically deform when the pressure in the pressure control chamber 207 increases. The fluid flow of the channels 210 is controlled by occupying the flow control chamber 202.

온도 제어 기판(208)에는 상기 압력 제어 챔버(207)의 매질의 온도를 제어하기 위하여 히터(205), 온도센서(206) 및 전극(213)이 형성된다.In the temperature control substrate 208, a heater 205, a temperature sensor 206, and an electrode 213 are formed to control the temperature of the medium of the pressure control chamber 207.

제1 기판(203) 상의 채널들(210), 유동 제어 챔버(202), 유입구(211) 및 유출구(212), 제2 기판(204) 상의 멤브레인 챔버(209), 압력 제어 챔버(207)의 가공은 NC(Numerical Control) 머시닝, 레이저 어블레이션(Laser Ablation), 전기방전, 캐스팅(Casting), 광조형(Stereolithography), 쾌속조형(Rapid Prototyping), 사진식각법(photolithography), 핫엠보싱(Hot Embossing), 사출성형(Injection Molding)과 같은 통상적인 폴리머 가공법으로 제작될 수 있다. 특히, 저가의 다중 제작을 위하여 핫엠보싱이나 사출성형이 적합하다.Of the channels 210 on the first substrate 203, the flow control chamber 202, the inlet 211 and the outlet 212, the membrane chamber 209 on the second substrate 204, the pressure control chamber 207 Machining includes NC (Numerical Control) Machining, Laser Ablation, Electric Discharge, Casting, Stereolithography, Rapid Prototyping, Photolithography, Hot Embossing ) And conventional polymer processing methods such as injection molding. In particular, hot embossing or injection molding is suitable for low cost, multiple production.

상기 밀폐된 압력 제어 챔버(207)의 가열은, 온도 제어 기판(208)에 형성되는 전극(213)을 통한 히터(205)로의 전력 전달로 이루어지며, 압력 제어 챔버(207)의 온도 조절은 히터(205)에 인접한 온도센서(206)를 통한 온도 측정으로 히터(205)로의 전력 전달을 제어하여 이루어진다. 전술한 밀폐된 압력 제어 챔버(207)는 측면의 모든 재료가 플라스틱과 같은 열 전달률이 작은 재질로 구성되어 히터(205)의 열이 공기를 데우는데 주로 이용되어 열손실을 최소화시키는 것이 바람직하다. The heating of the closed pressure control chamber 207 consists of power transfer to the heater 205 through the electrode 213 formed on the temperature control substrate 208, the temperature control of the pressure control chamber 207 is a heater Temperature measurement via a temperature sensor 206 adjacent to 205 is achieved by controlling power transfer to the heater 205. The above-mentioned hermetically sealed pressure control chamber 207 is preferably made of a material having a low heat transfer rate such as plastic, so that heat of the heater 205 is mainly used to warm air, thereby minimizing heat loss.

도 3a 및 도 3b는 도 1에 도시된 멤브레인의 형상 변화에 따른 밸브 작동을 설명하기 위한 단면도이다.3A and 3B are cross-sectional views illustrating a valve operation according to the shape change of the membrane shown in FIG. 1.

도 3a 및 도 3b를 참조하면, 압력 제어 챔버(307)는 멤브레인(301), 제2 기판(304) 및 온도 제어 기판(308)에 의해 공기가 밀폐된다. 온도 제어 기판(308)에 형성된 히터(305)에 의해 압력 제어 챔버(307) 속의 공기를 가열하면 공기의 열팽창에 의해 부피가 증가하고 이로 인해 밀폐된 공기의 압력이 증가한다. 증가된 압력은 탄성 변형이 가능한 얇은 멤브레인(301)을 변형시켜서 유동 제어 챔버(302)를 막게 된다. 즉, 채널들 및 유동 제어 챔버(302)를 흐르는 액체의 압력보다 압력 제어 챔버(307)의 압력이 커지면 유동 제어 챔버(302)는 멤브레인(301)에 의해 축소 또는 막히게 된다. 반대로, 온도 제어 기판(308)의 히터(305)를 통한 가열을 중단하면 압력 제어 챔버(307)의 열이 유동 제어 챔버(302), 멤브레인(301), 제2 기판(304) 및 온도 제어 기판(308)으로 전달되어 압력 제어 챔버(307) 속의 공기의 온도가 하강하여 공기가 수축되고 압력 제어 챔버(307)의 압력이 낮아져서 멤브레인(301)이 탄성 회복되어 원래 상태로 되돌아온다. 열공압 마이크로밸브는 가열이 없는 상온에서는 열림 상태가 되고(도 3a 참조), 가열에 의해 막힘 상태가 된다(도 3b 참조).3A and 3B, the pressure control chamber 307 is sealed by air by the membrane 301, the second substrate 304, and the temperature control substrate 308. Heating the air in the pressure control chamber 307 by the heater 305 formed in the temperature control substrate 308 increases the volume due to thermal expansion of the air, thereby increasing the pressure of the sealed air. The increased pressure deforms the thin membrane 301, which is elastically deformable, to block the flow control chamber 302. That is, when the pressure of the pressure control chamber 307 becomes greater than the pressure of the liquid flowing through the channels and the flow control chamber 302, the flow control chamber 302 is reduced or blocked by the membrane 301. Conversely, when the heating of the temperature control substrate 308 through the heater 305 is stopped, the heat in the pressure control chamber 307 causes the flow control chamber 302, the membrane 301, the second substrate 304 and the temperature control substrate to stop. It is delivered to 308 and the temperature of the air in the pressure control chamber 307 is lowered and the air is contracted and the pressure in the pressure control chamber 307 is lowered so that the membrane 301 is elastically restored and returned to its original state. The thermopneumatic microvalve is in an open state at room temperature without heating (see FIG. 3A), and becomes clogged by heating (see FIG. 3B).

도 4a 및 도 4b는 도 1에 도시된 멤브레인의 형상 변화에 따른 유량 조절을 설명하기 위한 단면도 및 선도이다.4A and 4B are cross-sectional views and diagrams for describing flow rate control according to the shape change of the membrane shown in FIG. 1.

도 4a 및 도 4b를 참조하면, 멤브레인(401)과 유동 제어 챔버(402)의 상면 사이의 간극 δ과 이에 관련된 압력 제어 챔버(407)의 온도 사이의 관계를 보여준다. 간극 δ은 가열되지 않은 초기 상태에서는 유동 제어 챔버(402)의 높이 H이며, 압력 제어 챔버(407)의 온도가 증가하여 멤브레인 팽창 시작 온도(T1)이 되면 멤브레인의 변형이 시작되고, 온도가 증가함에 따라 압력 제어 챔버(407)의 압력이 증가하여 서서히 간극 δ가 감소하여, 유동 제어 챔버의 막힘 온도(T2)가 되면 유 동 제어 챔버(402)가 완전히 막히게 된다. 이후 압력 제어 챔버(407)의 추가적인 온도 증가에 따른 멤브레인(401)의 추가적인 변형이 없게 된다. 여기서, 멤브레인(401)의 변형이 시작되는 팽창 시작 온도(T1)는 압력 제어 챔버(407)의 압력이 유동 제어 챔버(402)의 액체 압력과 멤브레인 변형 시작 응력의 합보다 커지기 시작하는 온도이다. 멤브레인 팽창 시작 온도(T1)와 유동 제어 챔버의 막힘 온도(T2) 사이의 간극 δ의 변화는 멤브레인(401)의 재질 및 형상에 따라 비선형적으로 변화할 수 있으며, 온도를 적절히 조절하여 간극 δ을 조절하면 본 발명에서 제시한 열공압 마이크로밸브는 유량조절 밸브로도 사용이 가능하다.4A and 4B show the relationship between the gap δ between the membrane 401 and the top surface of the flow control chamber 402 and the temperature of the pressure control chamber 407 associated therewith. The gap δ is the height H of the flow control chamber 402 in the unheated initial state, and when the temperature of the pressure control chamber 407 increases to reach the membrane expansion start temperature T1, deformation of the membrane starts and the temperature increases. As the pressure in the pressure control chamber 407 increases, the gap δ gradually decreases, and the flow control chamber 402 is completely blocked when the blocking temperature T2 of the flow control chamber is reached. Thereafter, there is no further deformation of the membrane 401 with the additional temperature increase of the pressure control chamber 407. Here, the expansion start temperature T1 at which deformation of the membrane 401 begins is the temperature at which the pressure in the pressure control chamber 407 starts to be greater than the sum of the liquid pressure in the flow control chamber 402 and the membrane deformation start stress. The change in the gap δ between the membrane expansion start temperature T1 and the blockage temperature T2 of the flow control chamber may vary nonlinearly depending on the material and shape of the membrane 401. When adjusted, the thermopneumatic microvalve presented in the present invention can be used as a flow regulating valve.

도 5a 내지 도 5d는 유동 제어 챔버의 다양한 형상을 도시하는 일부 단면도이다. 5A-5D are some cross-sectional views illustrating various shapes of the flow control chamber.

도 5a 내지 도 5d를 참조하면, 유동 제어 챔버(502)는 상기 멤브레인(501)이 변형되어 유동 제어 챔버 속의 액체를 밀어내고 유동 제어 챔버(502)의 상면과 쉽게 밀착이 가능한 구조가 바람직하며, 예컨대, 사각형(도 5a 참조), 타원형(도 5b 참조), 삼각형(도 5c 참조) 또는 마름모형(도 5d 참조)으로 형성이 가능하다.5A to 5D, the flow control chamber 502 may have a structure in which the membrane 501 is deformed to push out the liquid in the flow control chamber and easily adhere to the upper surface of the flow control chamber 502. For example, it may be formed into a rectangle (see FIG. 5A), an ellipse (see FIG. 5B), a triangle (see FIG. 5C) or a rhombus (see FIG. 5D).

도 6은 본 발명의 일 실시예에 적용된 본딩에 의한 멤브레인 고정을 설명하기 위한 개념도이다. 6 is a conceptual diagram illustrating the membrane fixing by bonding applied to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 상기 멤브레인(601)은 제1 기판(603)과 제2 기판(604)의 결합을 통하여 고정되며, 이때 상기 제1 기판(603) 및 제2 기판(604)의 결합은 열간 가압 접합, 점착제 접합 및 초음파 접합 등이 이용될 수 있다.Referring to FIG. 6, the membrane 601 is fixed through the combination of the first substrate 603 and the second substrate 604, wherein the combination of the first substrate 603 and the second substrate 604 is Hot pressure bonding, pressure-sensitive adhesive bonding, ultrasonic bonding, and the like can be used.

한편, 멤브레인(601)의 두께(t)는 멤브레인 챔버(609)의 높이(h)보다 미소하 게 커서 상기 제1 기판(603)과 제2 기판(604) 접합시에 멤브레인(601)이 부분적으로 압축되어서 고정되는 것이 바람직하다. 또한, 접합시의 압축에 의해 멤브레인(601)의 수평방향으로의 확장변형을 고려하여 멤브레인 챔버(609)가 멤브레인(601)보다 적당항 크기(d) 만큼 크게 형성되는 것이 바람직하다.On the other hand, the thickness t of the membrane 601 is smaller than the height h of the membrane chamber 609 so that the membrane 601 partially contacts the first substrate 603 and the second substrate 604. It is preferable to be compressed and fixed by In addition, in consideration of expansion deformation of the membrane 601 in the horizontal direction by compression at the time of bonding, the membrane chamber 609 is preferably formed to be larger than the membrane 601 by an appropriate size d.

도 7은 유동 제어 챔버 및 멤브레인 챔버의 다양한 형태의 조합을 도시하는 일부 평면도이다.7 is a partial plan view illustrating various types of combinations of flow control chamber and membrane chamber.

도 7을 참조하면, 유동 제어 챔버(702)는 멤브레인 챔버(709)의 중심에 위치하고 채널들(710)의 폭보다는 크고 멤브레인 챔버(709) 보다는 크기가 작다. 유동 제어 챔버(702)와 멤브레인 챔버(709)의 형상은 구동압력, 구동온도 및 채널들(710)의 형상 등의 변화에 따라 크기 및 모양을 변형하는 것이 바람직하다. 예컨대, 유동 제어 챔버(702)와 멤브레인 챔버(709)의 형상은 원형(도 7a 참조), 수평타원형(도 7b 참조), 마름모형(도 7c 참조), 직사각형(도 7d 참조) 또는 수직타원형(도 7e 참조) 등일 수 있다.Referring to FIG. 7, the flow control chamber 702 is located in the center of the membrane chamber 709 and larger than the width of the channels 710 and smaller than the membrane chamber 709. The shapes of the flow control chamber 702 and the membrane chamber 709 may be modified in size and shape according to changes in driving pressure, driving temperature, and the shape of the channels 710. For example, the shapes of the flow control chamber 702 and the membrane chamber 709 may be circular (see FIG. 7A), horizontal oval (see FIG. 7B), rhombus (see FIG. 7C), rectangular (see FIG. 7D) or vertical ellipsoid ( 7E).

한편, 상기 본 발명에 따른 열공압 마이크로밸브는, 압력 제어 챔버의 연속적인 가열 및 냉각을 통하여 유동 제어 챔버 내의 액체를 일정한 방향으로 펌핑시키는데도 응용이 가능하며, 이 경우 열공압 마이크로펌프로 이용이 가능하다.On the other hand, the thermopneumatic microvalve according to the present invention can be applied to pump the liquid in the flow control chamber in a constant direction through the continuous heating and cooling of the pressure control chamber, in which case the use of a thermopneumatic micropump It is possible.

이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.As described above, optimal embodiments have been disclosed in the drawings and the specification. Although specific terms have been used herein, they are used only for the purpose of describing the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention as defined in the claims or the claims. Therefore, those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible from this. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 열공압 마이크로밸브는 간단한 구동 방식으로 유체의 유동 및 그의 유량을 제어할 수 있고 제조 가격이 저렴하다. 또한, 간단한 제작 공정, 간단한 제어 방식 및 넓은 구동 범위를 갖고 폴리머 유체소자에 국부적으로 형성 가능하여 다양한 유체 제어를 요구하는 각종 바이오칩, 랩온어칩, 바이오센서 및 화학 센서에 응용이 용이한 이점이 있다. 본 발명의 열공압 마이크로밸브는 유체의 유동을 온오프할 수 있을 뿐만 아니라 멤브레인의 변형률을 조절하여 유량을 제어할 수 있고 연속적인 가열 및 냉각을 통하여 유동 제어 챔버 내의 액체를 일정한 방향으로 펌핑 시키는데 응용할 수 있다. As described above, the thermopneumatic microvalve of the present invention can control the flow of the fluid and its flow rate by a simple driving method, and the manufacturing cost is low. In addition, it is easy to be applied to various biochips, lab-on-a-chips, biosensors and chemical sensors that require a variety of fluid control because it can be formed locally in the polymer fluid element with a simple manufacturing process, a simple control method and a wide driving range. . The thermopneumatic microvalve of the present invention can not only turn the flow of the fluid on and off but also control the flow rate by adjusting the strain of the membrane and can be applied to pump the liquid in the flow control chamber in a constant direction through continuous heating and cooling. Can be.

Claims (20)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 유체를 유동시키기 위한 채널들 및 상기 채널들을 연결하는 유동 제어 챔버가 형성되어 있는 제1 기판; A first substrate having channels for flowing fluid and a flow control chamber connecting the channels; 온도 변화에 따라 부피가 팽창하는 매질이 충진되는 압력 제어 챔버 및 상기 압력 제어 쳄버의 상단과 상기 유동 제어 쳄버의 하단 사이에 멤브레인 챔버가 형성되어 있고 상기 제1 기판에 접합되는 제2 기판;A pressure control chamber filled with a medium expanding in volume with a temperature change, and a second substrate formed between a top end of the pressure control chamber and a bottom end of the flow control chamber and bonded to the first substrate; 상기 멤브레인 챔버의 내부에 형성되어 상기 유동 제어 챔버 및 압력 제어 챔버를 분할하고 상기 압력 제어 챔버의 압력이 증가하는 경우 탄성 변형되어 상기 유동 제어 챔버를 차지함으로써 상기 채널들의 유체 유동을 제어하는 멤브레인; 및A membrane formed inside the membrane chamber to divide the flow control chamber and the pressure control chamber and elastically deform to occupy the flow control chamber when the pressure of the pressure control chamber increases to control the fluid flow of the channels; And 상기 압력 제어 챔버의 매질의 온도를 제어하기 위하여 히터 및 온도센서를 포함하고 상기 압력 제어 챔버의 일면을 형성하는 온도 제어 기판을 포함하는 열공압 마이크로밸브. And a temperature control substrate including a heater and a temperature sensor to control the temperature of the medium of the pressure control chamber and forming one surface of the pressure control chamber. 제 12항에 있어서, The method of claim 12, 상기 제1 기판 및 제2 기판은 탄성 변형이 없는 플라스틱으로 형성되는 것을 특징으로 하는 열공압 마이크로밸브. The first substrate and the second substrate is a thermopneumatic microvalve, characterized in that formed of plastic without elastic deformation. 제 12항에 있어서, The method of claim 12, 상기 제1 기판 및 제2 기판의 접합은 열간 가압 접합, 접착제 접합 또는 초음파 접합에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 열공압 마이크로밸브. Bonding of the first substrate and the second substrate is a thermopneumatic microvalve, characterized in that performed by hot pressure bonding, adhesive bonding or ultrasonic bonding. 제 12항에 있어서, The method of claim 12, 상기 멤브레인의 두께는 상기 멤브레인 챔버의 깊이 보다 크고 상기 제1 기판 및 제2 기판의 접합시에 상기 멤브레인은 부분적으로 압축되어서 고정되는 것을 특징으로 하는 열공압 마이크로밸브. And the thickness of the membrane is greater than the depth of the membrane chamber and the membrane is partially compressed and fixed upon bonding of the first substrate and the second substrate. 제 12항에 있어서, The method of claim 12, 상기 압력 제어 챔버의 상기 멤브레인에 접하는 단면은 상기 유동 제어 챔버의 단면과 일치하고 그와 대향하는 단면은 상기 히터의 면적과 상응하는 원뿔대 또는 각뿔대 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 열공압 마이크로밸브. And a cross section abutting the membrane of the pressure control chamber coinciding with a cross section of the flow control chamber and having a conical or pyramidal shape corresponding to the area of the heater. 제 12항에 있어서,The method of claim 12, 상기 매질은 공기, 질소, 산소, 이산화탄소 및 헬륨을 포함하는 기체; 물, 알코올, 아세톤 및 수은을 포함하는 액체; 및 파라핀, 젤, 폴리머, 및 다공성 물질을 포함하는 고체 물질로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 열공압 마이크로밸브.The medium may be a gas comprising air, nitrogen, oxygen, carbon dioxide and helium; Liquids including water, alcohols, acetone and mercury; And a solid material including paraffin, gel, polymer, and porous material. 제 12항에 있어서,The method of claim 12, 상기 멤브레인은 기체 및 액체를 투과시키지 않고 탄성 변형 및 복원이 가능한 재료로서 고무, 라텍스 필름 및 PDMS 필름으로 이루어진 군에서 선택되는 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 열공압 마이크로밸브.The membrane is a thermopneumatic microvalve characterized in that it is formed of a material selected from the group consisting of rubber, latex film and PDMS film as a material capable of elastic deformation and restoration without permeating gas and liquid. 제 12항에 있어서,The method of claim 12, 상기 온도 제어 기판에 의한 온도 조절을 통해 상기 멤브레인의 팽창 시작 온도와 상기 유동 제어 챔버의 막힘 온도 사이의 간극이 조절되어 상기 유동 제어 챔버 내의 유체 유량이 조절되는 것을 특징으로 하는 열공압 마이크로밸브. And a gap between the expansion start temperature of the membrane and the blockage temperature of the flow control chamber through the temperature control by the temperature control substrate to control the flow rate of the fluid in the flow control chamber. 제 12항에 있어서,The method of claim 12, 상기 온도 제어 기판에 의한 가열 및 냉각이 연속 수행되어 상기 유동 제어 챔버 내의 유체가 펌핑되는 것을 특징으로 하는 열공압 마이크로밸브.And the fluid in the flow control chamber is pumped by continuous heating and cooling by the temperature control substrate.
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