KR101846808B1 - 미세유체 시스템 및 네트워크 - Google Patents

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휴렛-팩커드 디벨롭먼트 컴퍼니, 엘.피.
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Abstract

하나의 실시예에서, 미세유체 시스템은 각각의 종단에서 저장고에 연결되는 유체 채널을 포함한다. 유체 액추에이터는 채널 내에 비대칭으로 위치되어 채널의 장측 및 단측을 생성하고 채널의 각각의 종단으로 전파되어 단방향 순 유체 흐름을 일으키는 파동을 발생시킨다. 제어기는 채널을 통과하는 단방향 순 유체 흐름을 제어하기 위해 유체 액추에이터를 선택적으로 활성화시킬 수 있다.

Description

미세유체 시스템 및 네트워크{MICROFLUIDIC SYSTEMS AND NETWORKS}
본 발명은 미세유체 시스템 및 네트워크에 관한 것이다.
미세유체역학은 공학, 물리학, 화학, 마이크로테크놀로지, 및 바이오테크놀로지를 포함하는 다양한 분야들에 걸쳐 적용되는 점증하는 중요한 기술이다. 미세유체역학은 미세유체 칩들과 같은 다양한 미세유체 시스템들 및 디바이스 내의 작은 체적의 유체들 및 그와 같은 체적의 유체를 조작, 제어, 및 이용하는 방법에 관한 연구를 포함한다. 예를 들어, 미세유체 바이오칩들(“랩-온-칩(lab-on-chip)으로 칭해진다)은 분자생물학의 분야에서 이용되어 효소 및 DNA를 분석하고, 생화학적 독소들 및 병원균들을 검출하고, 질병을 진단하는 것 등과 같은 목적들을 위한 시험 동작들을 통합한다.
많은 미세유체 시스템들을 유용하게 이용하느냐는 부분적으로 유체들을 미세유체 디바이스들로 적절히 유입하고 디바이스들을 통하는 유체들의 흐름을 제어하는 능력에 좌우된다. 일반적으로, 마이크로미터 규모에서는 미세유체 디바이스들 내의 유체 유입 및 흐름을 관리하는 능력이 없으므로 환경 및 의료 분석에서의 이 디바이스들의 유용성이 특히 가치가 있는 실험실 세팅의 외부에서는 상기 디바이스들의 적가능 제한된다. 미세유체 디바이스들 내의 유체를 유입하고 제어하는 이전의 방법들은 규모가 마이크로미터가 아닌 외부 장비 및 다양한 유형들의 펌프들의 이용을 포함하였다. 이들 이전의 해법들은 예를 들어 이들의 큰 크기, 다용성의 부재, 복잡성과 관련된 단점들을 지니고 있으며, 이들 단점들 모두는 그와 같은 미세유체 디바이스들을 구현하는 미세유체 시스템들의 기능을 제한할 수 있다.
본 발명은 이제 첨부 도면들을 참조하는 예를 통하여 기술될 것이다:
도 1은 실시예에 따라, 미세유체 디바이스들, 네트워크들 및 관성 펌프들을 통합하는데 적합한 미세유체 시스템을 도시하는 도면이다.
도 2는 일부 실시예들에 따라, 통합되는 관성 펌프들을 구비하는 폐쇄형, 단방향, 1차원 유체 네트워크들의 예들을 도시하는 도면이다.
도 3은 일부 실시예들에 따라, 통합되는 관성 펌프들을 구비하는 폐쇄형, 양방향, 1차원 유체 네트워크들의 예들을 도시하는 도면이다.
도 4는 실시예에 따라, 통합되는 관성 펌프들을 구비하는 개방형, 양방향, 1차원 유체 네트워크들의 예들을 도시하는 도면이다.
도 5는 실시예에 따라, 단일 유체 펌프 액추에이터들의 선택적 활성화를 통한 상이한 펌프 활성 체제들에 의해서 생성되는 유체 흐름 패턴들을 도시하는 폐쇄형, 2차원 유체 네트워크의 예를 도시하는 도면이다.
도 6은 실시예에 따라, 2 유체 펌프 액추에이터들의 선택적 활성화를 통한 상이한 펌프 활성 체제들에 의해서 생성되는 유체 흐름 패턴들을 도시하는 폐쇄형, 2차원 유체 네트워크의 예를 도시하는 도면이다.
도 7은 실시예에 따라, 3 유체 펌프 액추에이터들의 선택적 활성화를 통한 상이한 펌프 활성 체제들에 의해서 생성되는 유체 흐름 패턴들을 도시하는 폐쇄형, 2차원 유체 네트워크의 예를 도시하는 도면이다.
도 8은 실시예에 따라, 개방형, 양방향, 3-차원 유체 네트워크의 예의 하향도 및 대응하는 단면도를 도시하는 도면이다.
도 9는 일부 실시예들에 따라, 유체 펌프 액추에이터들 및 능동 요소들 모두를 수용한 유체 네트워크들의 예들을 도시하는 도면이다.
도 10은 실시예에 따라, 통합식 유체 펌프 액추에이터를 구비하는 예시적인 유체 네트워크 채널의 측면도들을 상이한 동작 스테이지들로 도시하는 도면이다.
도 11은 실시예에 따라, 도 10에서의 동작 스테이지들에서의 작동 중인 유체 액추에이터를 도시하는 도면이다.
도 12, 도 13 및 도 14는 일부 실시예들에 따라, 순 유체 흐름 방향 화살표들을 포함하는, 도 10에서의 동작 스테이지들에서의 작동 중인 유체 액추에이터를 도시하는 도면들이다.
도 15, 도 16, 및 도 17은 일부 실시예들에 따라, 예시적인 변위 펄스 파형들을 도시하는 도면들이다.
도 18은 실시예에 따라, 통합식 유체 펌프 액추에이터를 구비하는 예시적인 유체 네트워크 채널의 측면도들을 상이한 동작 스테이지들로 도시하는 도면이다.
문제 및 해법에 대한 개요
상술한 바와 같이, 미세유체 디바이스들 내의 유체를 관리하는 이전의 방법들은 규모가 마이크로미터가 아닌 외부 장비 및 펌프 메커니즘들을 이용하는 것이 포함한다. 상기 해법들은 미세유체 시스템들에 대한 적용 범위들을 제한할 수 있는 단점들을 지닌다. 예를 들어, 외부 주사기들 및 공압 펌프들은 때때로 유체들을 주입하고 미세유체 디바이스들 내의 유체 흐름을 발생시키는데 이용된다. 그러나, 외부 주사기들 및 공압 펌프들은 부피가 크고, 다루거나 프로그램하기 어렵고, 신뢰할 수 없는 연결부들을 가진다. 이 유형들의 펌프들은 또한 미세유체 디바이스/칩이 수용될 수 있는 외부 유체 연결부들의 수에 의해 다용성에 제한을 받게 된다.
다른 유형의 펌프는 유체가 얇은 캐피러리(capillary)들의 세트를 채우는 원리에 따라 동작하는 캐필러리 펌프이다. 이와 같이, 펌프는 단일-경로 케이퍼빌리티(capability)만을 제공한다. 펌프는 완전히 수동적이므로, 유체의 흐름은 설계대로 고정되고 재프로그램될 수 없다. 전기영동(electrophoretic) 펌프들이 또한 이용될 수 있으나, 특수 코팅, 복잡한 3차원 기하학적 구조들 및 높은 동작 전압들을 요구한다. 이들 모든 특성들은 이 유형의 펌프의 적용 가능성을 제한한다. 추가적인 펌프 유형들은 연동 및 로터리 펌프들이다. 그러나, 이들 펌프들에는 이동하는 부분들이 있어서 최소화되기 어렵다.
본 명세서의 실시예들은, 일반적으로 유체 액추에이터들을 포함하는 통합 관성 펌프들을 구비하는 복잡하고 다용도적인 미세유체 네트워크들을 가능하게 하는 개선된 미세유체 디바이스들을 통해, 미세유체 시스템들 및 디바이스들에서 유체를 관리하는 이전 해법들을 개선한다. 개시된 미세유체 네트워크들은 1차원, 2차원, 및/또는 3차원 토폴로지들을 가질 수 있으므로, 상당한 복잡하게 이루어질 수 있다. 네트워크 내의 각각의 유체 채널 에지(edge)는 유체 액추에이터를 하나, 또는 하나 이상을 포함하거나 전혀 포함하지 않을 수 있다. 미세유체 네트워크 채널들 내의 비대칭 위치들에서 수용되는 유체 액추에이터들은 채널들을 통하는 단방향 또는 양방향 유체 흐름을 발생시킬 수 있다. 네트워크 내의 다수의 미세유체 채널들의 종단들 쪽에 비대칭으로 위치되는 다수의 유체 액추에이터들의 선택적인 활성화로 인해 네트워크 내에 임의의 그리고/또는 방향이 제어되는 유체 흐름 패턴들을 발생시키는 것이 가능하다. 게다가, 유체 액추에이터의 기계적 동작 또는 모션에 대한 시간 제어는 유체 네트워크 채널을 통하는 유체 흐름의 방향 제어를 가능하게 한다. 그러므로, 일부 실시예들에서 단일 유체 액추에이터의 전진 또는 후진 스트로크(stroke)들(즉, 압축 및 인장 유체 변위들)에 대한 정확한 제어로 인해 네트워크 채널 내에 양방향 유체 흐름이 제공될 수 있고 네트워크 내에 임의의 그리고/또는 양방향으로 방향이 제어되는 유체 흐름 패턴들이 생성될 수 있다.
유체 액추에이터들은 열 기포 저항기 액추에이터들, 압전 멤브레인 액추에이터들, 정전기(MEMS) 멤브레인 액추에이터들, 기계식/충격 구동 멤브레인 액추에이터들, 음성 코일 액추에이터들, 자기 왜곡(magneto-strictive) 구동 액추에이터들 등과 같은 다양한 액추에이터 메커니즘들에 의해 구동될 수 있다. 유체 액추에이터들은 종래의 미세 제조 프로세스들을 이용하여 미세유체 시스템 내로 수용될 수 있다. 이로 인해 임의의 압력 및 흐름 분포들을 가지는 복잡한 미세유체 디바이스들이 가능하다. 미세유체 디바이스들은 또한 저항성 히터들, 펠티어 냉각기(Peltier cooler)들, 물리, 화학 및 생물학적 센서들, 광원들, 및 이들의 연결물들과 같은 다양한 통합 능동 소자들을 포함할 수 있다. 미세유체 디바이스들은 외부 유체 저장고들에 연결될 수 있거나 연결될 수 없다. 개시된 미세유체 디바이스들 및 네트워크들의 장점들은 일반적으로 미세유체 시스템들을 동작시키는데 필요한 장비의 양을 감소하여 포함함으로써, 이동성이 증가하고 잠재적인 적용 범위가 확장된다.
하나의 예시적인 실시예에서, 미세유체 시스템은 양 종단들에서 저장고에 연결되는 유체 채널을 포함한다. 유체 액추에이터는 채널 내에 비대칭으로 위치되어 동일하지 않은 관성 특성들을 가지는 채널들의 장 및 단측을 생성한다. 유체 액추에이터는 채널의 양 종단들 쪽으로 전파되는 파동을 발생시킬 것이고 채널을 통하는 단방향 순 유체 흐름을 일으킨다. 제어기는 유체 액추에이터를 선택적으로 활성화시켜서 채널을 통하는 단방향 순 유체 흐름을 제어할 수 있다. 하나의 구현예에서, 유체 액추에이터는 채널의 제 1 종단 쪽에 위치되는 제 1 유체 액추에이터이고, 제 2 유체 액추에이터는 채널 내에서 채널의 제 2 종단 쪽에 비대칭으로 위치된다. 제어기는 제 1 유체 액추에이터를 활성화시켜서 제 1 종단부터 제 2 종단으로의 제 1 방향으로 채널을 통하는 순 유체 흐름을 발생시킬 수 있고, 제 2 유체 액추에이터를 활성화시켜서 제 2 종단부터 제 1 종단으로의 제 2 방향으로 채널을 통하는 순 유체 흐름을 발생시킬 수 있다.
다른 예시적인 실시예에서, 미세유체 시스템은 제 1 및 제 2 종단들을 가지는 미세 유체 채널들의 네트워크를 포함한다. 채널 종단들은 종단-채널 교차부들에서 서로 다양하게 연결된다. 적어도 하나의 채널은 펌프 채널의 양 종단들 사이에서 비대칭으로 위치되는 유체 액추에이터에 의해 구분되는 단측(short side) 및 장측(long side)을 가지는 펌프 채널이다. 유체 액추에이터는 펌프 채널의 양 종단들 방향으로 전파되는 파장을 발생시킬 것이고 펌프 채널을 통하는 단방향 순 유체 흐름을 일으킬 것이다. 하나의 구현예에서, 채널 내에 수용되는 제 2 유체 액추에이터는 펌프 채널의 제 2 종단 쪽에 비대칭으로 위치되고, 제어기는 네트워크를 통하는 양방향 유체 흐름을 발생시키기 위해 제 1 및 제 2 유체 액추에이터들을 선택적으로 활성화시킬 수 있다. 다른 구현예에서, 추가 유체 액추에이터들은 다수의 미세유체 채널들의 제 1 및 제 2 종단들 쪽에 비대칭으로 위치되고 제어기는 네트워크 전체에 걸쳐 방향이 제어되는 유체 흐름 패턴들을 유도하기 위해 유체 액추에이터들을 선택적으로 활성화시킬 수 있다.
다른 실시예에서, 미세유체 네트워크는 제 1 평면 내에 미세유체 채널들을 포함하여 제 1 평면 내의 네트워크를 통해 2차원 유체 흐름을 가능하게 한다. 제 1 평면 내의 미세유체 채널은 제 2 평면 내로 확장하며 제 1 평면 내의 다른 미세유체 채널을 넘어가서 다른 미세유체 채널과의 교차를 회피하고, 이는 제 1 및 제 2 평면들 내의 네트워크를 통한 3차원 유체 흐름을 가능하게 한다. 능동 소자는 적어도 하나의 미세유체 채널 내에 수용된다. 유체 액추에이터들은 적어도 하나의 미세유체 채널 내에 비대칭하게 수용되고, 제어기는 네트워크 내에 방향이 제어되는 유체 흐름 패턴들 유도하도록 유체 액추에이터들을 선택적으로 활성화시킬 수 있다.
다른 예시적인 실시예에서, 미세유체 네트워크 내에서 순 유체 흐름을 발생시키는 방법은 지속기간 내에 시간적으로 비대칭인 압축 및 인장 유체 변위들을 발생시키는 것을 포함한다. 변위들은 미세유체 채널 내에 비대칭으로 수용되는 유체 액추에이터를 이용하여 발생된다.
다른 예시적인 실시예에서, 미세유체 시스템은 미세유체 네트워크를 포함한다. 유체 액추에이터는 네트워크의 채널 내의 비대칭 위치에서 수용되어 채널 내에 상이한 지속기간들에 대한 압축 및 인장 유체 변위들을 발생시킨다. 제어기는 유체 액추에이터의 압축 및 인장 유체 변위 지속기간들을 제어함으로써 채널을 통하는 유체 흐름 방향을 조정한다.
다른 실시예에서, 미세유체 네트워크 내의 유체 흐름을 제어하는 방법은 채널 내에 비대칭으로 위치되는 유체 액추에이터를 가지는 미세유체 채널 내에 비대칭 유체 변위들을 발생시키는 것을 포함한다.
예시적인 실시예들
도 1은 본 명세서의 실시예에 따라, 본원에 개시되는 바와 같은 미세유체 디바이스들, 네트워크들 및 관성 펌프들을 통합하는데 적합한 미세유체 시스템(100)을 도시한다. 미세유체 시스템(100)은 예를 들어, 시험 시스템, 마이크로전자공학 냉각 시스템, 중합효소연쇄반응(polymerase chain reaction; PCR) 시스템과 같은 핵산 증폭 시스템, 또는 작은 체적들의 유체들의 이용, 조작 및/또는 제어를 포함하는 임의의 시스템일 수 있다. 미세유체 시스템(100)은 전형적으로 미세유체 칩(예를 들어, “랩-온-어-칩”)과 같은 미세유체 디바이스(102)를 구현하여 광범위한 미세유체 적용들을 가능하게 한다. 미세유체 디바이스(102)는 일반적으로 네트워크 전체에 걸쳐 유체를 순환시키기 위한 관성 펌프들을 가지는 채널들을 지니는 하나 이상의 유체 네트워크들(103)을 포함한다. 일반적으로, 미세유체 디바이스(102)의 구조들 및 구성요소들은 전해주조, 레이저 절삭, 이방성 에칭, 스퍼터링, 건식 에칭, 포토리소그래피, 캐스팅, 몰딩, 스탬핑(stamping), 머시닝(machining), 스핀 코팅(spin coating) 및 라미네이팅(laminating)과 같은 종래의 집적 회로 미세제조 기술들을 이용하여 제조될 수 있다. 미세유체 시스템(100)은 유체를 미세유체 디바이스(102)로 공급하고/하거나거나 순환시키기 위해 외부 유체 저장고(104)를 또한 포함할 수 있다. 미세유체 시스템(100)은 또한 전자 제어기(106) 및 전력공급장치(108)를 포함하여 미세유체 디바이스(102), 전자 제어기(106), 및 시스템(100)의 일부일 수 있는 다른 전자 부품들에 전력을 공급한다.
전자 제어기(106)는 전형적으로 프로세서, 펌웨어, 소프트웨어, 휘발성 및 비휘발성 메모리 소자들을 포함하는 하나 이상의 메모리 소자들, 및 미세유체 디바이스(102) 및 유체 저장고(104)를 제어하고 통신하는 다른 일렉트로닉스들을 포함한다. 따라서, 전자 제어기(106)는 프로그램 가능하며 전형적으로 메모리에 저장되고 미세유체 디바이스(102)를 제어하도록 실행 가능한 하나 이상의 소프트웨어 모듈들을 포함한다. 그와 같은 모듈들은 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 유체 액추에이터 선택, 타이밍 및 빈도 모듈(110) 및 유체 액추에이터 비대칭 동작 모듈(112)을 포함할 수 있다.
전자 제어기(106)는 또한 컴퓨터와 같은 호스트 시스템으로부터 데이터(114)를 수신하고, 데이터(114)를 메모리에 임시로 저장할 수 있다. 전형적으로, 데이터(114)는 전자, 적외선, 광학, 또는 다른 정보 이동 경로를 따라 미세유체 시스템(100)으로 송신된다. 데이터(114)는 예를 들어, 미세유체 디바이스(102) 내의 유체 흐름을 제어하기 위해 전자 제어기(106)에 저장된 소프트웨어/펌웨어 모듈들 내에서 단독으로 이용되거나 또는 다른 실행 가능 명령들과 함께 이용되는 실행 가능 명령들 및/또는 파라미터들을 나타낸다. 프로그램 가능 제어기(106)에서 실행 가능한 다양한 소프트웨어 및 데이터(114)는 미세유체 디바이스(102)의 네트워크 채널들 내에서 통합식 유체 액추에이터들의 선택적인 활성화를 가능하게 할뿐만 아니라, 그와 같은 활성화의 압축 및 인장 변위들의 타이밍, 빈도수, 및 지속기간에 대한 정확한 제어 또한 가능하게 한다. 유체 액추에이터들에 대한 신속한 수정 가능(즉, 프로그램 가능) 제어로 인해 제공된 미세유체 디바이스(102)에 대하여 즉시 이용 가능한 풍부한 유체 흐름 패턴들이 고려된다.
도 2는 본 명세서의 실시예들에 따라, 미세유체 디바이스(102) 내에서 구현하는데 적합한 통합 관성 펌프들(200)을 구비하는 폐쇄형, 단방향, 1차원(즉, 선형) 유체 네트워크들(103(A, B, C, D))의 예들을 도시한다. 본 문서에서 이용되는 바와 같이: “폐쇄형” 네트워크는 외부 유체 저장고와의 어떠한 연결들도 가지지 않는 네트워크를 의미하고; “단방향” 네트워크는 유체 흐름을 단 한 방향으로만 발생시키는 네트워크를 의미하고; 1차원 네트워크는 선형 네트워크를 의미한다. 관성 펌프(200)는 일반적으로 펌프 채널(206)의 한 종단 쪽에 비대칭하게 배치되는 통합식 유체 액추에이터(202)를 지니는 펌프 채널(206)을 포함한다. 후술되는 바와 같이 일부 실시예들에서, 네트워크 채널(204) 자체가 펌프 채널(206) 역할을 하는 것에 주의하라. 도 2의 예시적인 관성 펌프들(200)은 유체를 네트워크 채널들(204)(1 및 2) 사이의 펌프 채널(206)을 통하여 이동시키기 위해 각각 유체 펌프 액추에이터(202)를 구비한다. 본 예에서, 각각의 네트워크 채널(204)은 펌프 채널(206)의 각각의 종단에서 유체 저장고 역할을 한다. 유체가 한 종단에서 다른 종단으로 흐르므로 네트워크들(103)(A, B, C, D)이 1차원(즉, 선형)일지라도, 네트워크 채널들(204)(1 및 2)의 종단들에 도시된 점선들은 일부 실시예들에서 네트워크 채널들(204)이 추가 차원들(즉, 2 및 3 차원들)을 가지는 더 큰 네트워크(103)의 일부로서 더 멀리 확장되어, 네트워크 채널(204)이 상기 추가 차원들에서 그와 같은 더 큰 네트워크(103)의 일부로서 다른 네트워크 채널과 교차될 수 있음을 표시하는 것으로 의도된다. 그와 같은 더 큰 네트워크들의 예들은 후술된다.
도 2의 네트워크들(A, B, C, D)에 도시된 네 개의 관성 펌프들(200)은 각각 펌프 채널들(206) 내에 펌프 채널(206)의 한 종단 쪽에 비대칭으로 위치되는 단일 통합식 유체 펌프 액추에이터(202)를 포함한다. 네트워크들(A 및 C)의 펌프들(200) 내의 유체 액추에이터(202)는 도 2에 도시된 범례에 표시된 바와 같이, 작동하지 않거나, 활성화되지 않는다. 그러므로, 네트워크 채널들(1 및 2) (204) 사이의 펌프 채널들(206)을 통하는 어떠한 순 유체 흐름도 존재하지 않는다. 그러나, 네트워크들(B 및 D)의 펌프들(200) 내의 유체 액추에이터들(202)은 작동 중이고, 이는 네트워크 채널들(1 및 2)(204) 사이의 펌프 채널들(206)을 통하는 순 유체 흐름을 발생시킨다.
유체 다이오드화(diodicity)(즉, 유체의 단“‡향 흐름)는 펌프 채널들(206) 내의 유체 액추에이터들(202)의 비대칭 위치를 통해 네트워크들(B 및 D)의 작동 중인 관성 펌프들(200)에서 달성된다. 관성 펌프 채널(206)의 폭이 자신과 연결되어 있는 네트워크 채널(204)(예를 들어 네트워크 채널들 1 및 2)의 폭보다 더 작으면, 관성 펌프(200)의 구동력은 펌프 채널(206)의 특성들(즉, 펌프 채널의 폭 및 펌프 채널 내의 유체 액추에이터(202)의 비대칭성)에 의해 주로 결정된다. 펌프 채널(206) 내의 유체 액추에이터(202)의 정확한 위치는 어느 정보 가변될 수 있으나, 어느 경우이든 펌프 채널(206)의 길이에 대해 비대칭일 것이다. 그러므로, 유체 액추에이터(202)는 펌프 채널(206)의 중심 지점의 한 측에 위치될 것이다. 제공된 유체 액추에이터(202)에 관해서, 이의 비대칭 배치는 펌프 채널(206)의 단측 및 펌프 채널(206)의 장측을 생성한다. 그러므로, 더 넓은 네트워크 채널 2(204)에 더 가까이 있는 네트워크(B)의 관성 펌프(200) 내에서 작동 중인 유체 액추에이터(202)의 비대칭 위치는 네트워크 채널 2로부터 네트워크 채널 1로의 (즉, 우측에서 좌측으로) 순 유체 흐름을 발생시키는 펌프 채널(206) 내의 유체 다이오드화의 기초이다. 마찬가지로, 펌프 채널(206)의 단측에 있는 네트워크(D)의 펌프(200)에서 작동 중인 유체 액추에이터(202)의 위치는 네트워크 채널 1로부터 네트워크 채널 2(즉, 좌측에서 우측으로)의 순 유체 흐름을 발생시킨다. 펌프 채널(206) 내에서의 유체 액추에이터(202)의 비대칭 위치는 펌프 패널(206) 내에서 유체 다이오드화(순 유체 흐름)을 구동시키는 관성 메커니즘을 발생시킨다. 유체 액추에이터(202)는 펌프 채널(206) 내에서 전파되며 유체를 펌프 채널(206)을 따라 2개의 반대 방향들로 미는 파동을 발생시킨다. 유체 액추에이터(202)가 펌프 채널(206) 내에서 비대칭으로 위치되면, 펌프 채널(206)을 통하는 순 유체 흐름이 존재한다. 유체의 양이 좀 더 많은 부분(전형적으로, 펌프 채널(206)의 장측에 포함되는)은 전진 유체 액추에이터 펌프 스트로크의 종단에서 더 큰 기계적 관성을 가진다. 그러므로, 이 유체의 체는 채널의 단측에서의 액체보다 더 느리게 방향을 역전시킨다. 채널의 단측에 있는 유체는 역 유체 액추에이터 펌프 스트로크 동안 기계적 모멘텀(momentum)을 획득할 시간이 더 많다. 그러므로, 역 스트로크의 종료 시에 채널의 단측에서의 유체는 채널의 장측에서의 유체보다 더 큰 기계적 모멘텀을 가진다. 결과적으로, 순 흐름은 전형적으로 펌프 채널(206)의 단측에서 장측으로의 방향 상태이다. 순 흐름은 두 유체 소자들(즉, 채널의 단 및 장측들)의 비균등 관성 특성들의 결과이므로, 이 유형의 미세펌프는 관성 펌프로 칭해진다.
도 3은 본 명세서의 실시예들에 따라, 도 2를 참조하여 상술된 바와 같은 미세유체 디바이스(102) 내에서 구현는데 적합한 통합 관성 펌프들(200)을 구비하는 폐쇄형, 양방향, 1차원(즉, 선형) 유체 네트워크들(103)(A, B)의 예들을 도시한다. 하나의 유체 펌프 액추에이터(202) 대신에, 도 3의 예시적인 관성 펌프들(200)은 유체를 네트워크 채널들(204)을 통하고 이 채널들(204) 사이에서 이동시키는 2개의 유체 펌프 액추에이터들(202)을 구비한다. 2개의 유체 액추에이터들(202)은 각각의 펌프 채널(206)의 반대 측들 쪽에 비대칭으로 위치된다. 펌프 채널(206)의 각각의 측에 유체 액추에이터(202)를 구비함으로써 어떤 유체 액추에이터(202)가 작동 중인지에 따라 순 유체 흐름을 채널(206)을 통해 어떤 한 방향으로 발생시키는 것이 가능하다. 그러므로, 도 3의 네트워크(A)의 관성 펌프(200)에서, 작동 중인 유체 액추에이터(202)는 네트워크 채널 2 가까이에 있는 펌프 채널(206)의 우측 쪽에 비대칭으로 위치되고, 발생되는 순 유체 흐름은 펌프 채널(206)의 우측(단측)으로부터 좌측(장측)이며, 이는 유체를 네트워크 채널(2)로부터 네트워크 채널(1)로 이동시킨다. 유사하게, 도 3의 네트워크(B)의 관성 펌프(200)에서, 작동 중인 유체 액추에이터(202)는 네트워크 채널 1 가까이에 있는 펌프 채널(206)의 좌측 쪽에 비대칭으로 위치되고, 발생되는 순 유체 흐름은 펌프 채널(206)의 좌측(다시, 단측)으로부터 우측(장측)이 되며, 이는 유체를 네트워크 채널(1)로부터 네트워크 채널(2)로 이동시킨다.
상술한 바와 같이, 제어기(106)는 미세유체 디바이스들(102)을 다양한 방식들로 제어하도록 프로그램 가능하다. 예로서, 각각 단일 통합식 유체 펌프 액추에이터(202)를 가지는 도 2의 관성 펌프들(200)에 관하여, 제어기(106) 내의 모듈(110)(즉, 유체 액추에이터 선택, 타이밍 및 빈도 모듈(110))은 네트워크(103) 전체에 걸쳐 임의의 수효의 펌프 채널들(206) 내의 임의의 수효의 액추에이터들(202)의 선택적인 활성화를 가능하게 한다. 그러므로, 네트워크들(A, B, C, 및 D)이 오직 한 개의 유체 액추에이터(202)만을 구비하는 관성 펌프들(200)을 가지는 1차원일지라도, 상이한 실시예들에서 상기 네트워크들(A, B, C, 및 D)은 더 큰 네트워크들의 일부일 수 있고, 여기서 다른 상호연결 네트워크 채널들(204) 내의 다른 액추에이터들(202)의 선택적인 활성화는 더 큰 네트워크(103) 전체에 걸친 유체 흐름의 방향을 제어하는 것을 가능하게 할 수 있다. 모듈(110)은 또한 순 유체 흐름이 발생되는 시점 및 유체 흐름의 레이트를 관리하기 위한 유체 액추에이터들(202)의 활성화의 타이밍 및 빈도수를 제어하는 것이 가능하다. 각각의 펌프 채널(206)의 반대 측들에 비대칭으로 위치되는 2개의 유체 액추에이터들(202)을 가지는, 도 3의 관성 펌프들(200)에 관해서, 제어기(106) 상의 모듈(110)은 더 큰 네트워크(103) 전체에 걸쳐 임의의 수효의 다른 펌프 채널들 내의 임의의 수효의 액추에이터들의 선택적인 활성화 외에도 단일 펌프 채널(206) 내의 2개의 액추에이터들을 선택적으로 활성화하는 것이 가능하다. 유체 액추에이터들을 이 방식으로 선택적으로 활성화하는 능력은 개별 네트워크 채널들(204) 내의 유체 흐름의 방향뿐만 아니라, 전체의 확장된 네트워크(103) 전부를 제어하는 것이 가능하다.
도 4는 본 명세서의 실시예에 따라, 미세유체 디바이스(102) 내에서 구현하는데 적합한 통합 관성 펌프(200)를 구비하는 개방형, 양방향, 1차원 유체 네트워크(103)의 예를 도시한다. 본 문서에서 이용되는 바와 같이, “개방형” 네트워크는 저장고(400)와 같은 적어도 하나의 외부 유체 저장고에 연결되는 네트워크이다. 네트워크 채널들(204)과 연결되는 것과 동일한 방식으로 유체 저장고(400)와 연결될 때, 관성 펌프(200)의 폭이 자신과 연결되어 있는 유체 저장고(400)의 폭보다 더 작은 경우, 관성 펌프(200)의 구동력은 주로 펌프 채널(206)의 특성들(즉, 펌프 채널의 폭 및 펌프 채널 내의 유체 액추에이터(202)의 비대칭성)에 의해 주로 결정된다. 그러므로, 본 예에서, 펌프 채널(206)의 한 종단이 외부 유체 저장고(400)에 연결되고 펌프 채널(206)의 다른 종단이 네트워크 채널(204)(채널 1)에 연결될지라도, 저장고(400) 및 네트워크 채널(204) 이 둘 모두는 관성 펌프(200)의 구동력에 대하여 유체 저장고들 역할을 한다. 그와 같은 “개방형” 네트워크(103)의 다른 구현예들에서, 펌프 채널(206)의 양 종단들은 외부 유체 저장고들(400)에 가능하게 연결될 수 있다. 폭이 더 넓은 유체 저장고(400) 가까이 있는 펌프 채널(206)의 단측에 있는 네트워크(103)의 펌프(200)에서의 유체 액추에이터(202)의 비대칭 위치는 유체 저장고(400)로부터 네트워크 채널 1로의(즉, 우에서 좌로) 순 유체 흐름을 일으키는 펌프 채널(206) 내에서의 유체 다이오드화에 대한 기초이다. 하나의 저장고(400)는 하나 이상의 펌프 채널(206)에 의해 네트워크(103)에 연결되거나, 임의의 관성 펌프들을 가지거나 가지지 않은 하나 이상의 네트워크 채널들(204)에 연결될 수 있음에 주의하라. 일반적으로, 저장고들은 분석될 생물 시료들과 같은 다양한 유체들에 대한 저장 및 접근, 쓰레기 수거기들, DNA 구성 블록(building block)들의 용기들 등을 제공함으로써 다양한 유체 적용들을 가능하게 행할 수 있다.
미세유체 디바이스(102) 내의 네트워크들(103)은 상술한 바와 같이 1차원, 2차원, 또는 3차원 토폴로지들을 가질 수 있다. 예를 들어, 상술한 도 2 및 도 3에서의 네트워크들(103)은 선형, 즉 1차원 네트워크들(103)로서 도시된다. 그러나, 이들 네트워크들 내의 네트워크 채널들(204)은 또한 잠재적으로 더 큰 네트워크들(103)의 일부로서 다른 네트워크 채널들에 연결되어 있다는 관점에서 논의된다. 도 5 내지 도 7은 2차원 네트워크 토폴로지들을 도시하는, 그와 같은 더 큰 네트워크들(103)의 예들을 도시한다.
도 5는 본 명세서의 실시예에 따라, 네트워크(103) 내의 단일 유체 펌프 액추에이터들(202)의 선택적 활성화를 통한 상이한 펌프 활성 체제들에 의해서 생성되는 유체 흐름 패턴들(A, B, C, D)을 도시하는 폐쇄형, 2차원 유체 네트워크(103)의 예를 도시한다. 2차원 네트워크(103)는 4개의 유체 펌프 액추에이터들(202) 및 5개의 정점들 또는 채널 교차점들(1, 2, 3, 4, 5로 칭해진다)에 의해 분리되는 8개의 네트워크 채널들(또는 에지들)을 지닌다. 이 실시예에서, 관성 펌프들은 네트워크 채널들(204) 내에 통합식 유체 펌프 액추에이터들(202)을 포함한다. 그러므로, 이전의 네트워크들에서 상술된 별개의 펌프 채널들은 도시되지 않는다. 네트워크 채널들(204) 자체는 유체 펌프 액추에이터들(202)에 대한 펌프 채널들 역할을 한다. 네트워크 채널들(204)의 더 협소한 폭들이 더 넓은 채널 교차점들(정점들 1, 2, 3, 4, 5)에 접속됨으로써, 관성 펌프의 구동력이 가능하고, 이 구동력은 네트워크 채널들(204)의 협소한 폭들 내에서의 유체 액추에이터들(202)의 비대칭 배치에 기초한다.
유체 흐름 패턴(A)을 나타내는 도 5의 네트워크(103)를 참조하면, 작동 중인 유체 액추에이터(202)(작동 중인 유체 액추에이터를 식별하는 도 5에서의 범례를 참조하라)는 순 흐름 방향 화살표에 의해 표시되는 바와 같이, 정점(3)으로부터 정점(5)으로의 방향으로 순 유체 흐름을 발생시킨다. 정점(5)에서 유체의 흐름은 분기되어 정점(5)으로부터 정점들(1, 2, 및 4)로 확장되는 네트워크 채널들을 통하여 여러 방향들을 따라간다. 그 후에, 유체는 순 흐름 방향 화살표들에 의해 표시되는 바와 같이, 정점들(1, 2, 및 4)로부터 정점(3)으로 역으로 흐른다. 그러므로, 흐름 패턴(A)에 도시된 바와 같이 정점(3) 부근의 단일 유체 펌프 액추에이터(202)의 선택적인 활성화로 인해 네트워크 전체에 걸쳐 유체의 특정 방향으로의 흐름이 발생된다.
대조적으로, 흐름 패턴들(B, C 및 D)에서 도시되는 바와 같이 다른 개별 유체 펌프 액추에이터들(202)의 선택적인 활성화들로 인해 네트워크(103)를 통해 완전히 상이한 방향의 유체 흐름들이 발생한다. 예를 들어, 유체 흐름 패턴(B)을 나타내는 도 5의 네트워크(103)를 참조하면, 작동 중인 유체 액추에이터(202)는 순 흐름 방향 화살표에 의해 표시되는 바와 같이, 정점(1)으로부터 정점(5)으로의 방향으로 순 유체 흐름을 발생시킨다. 정점(5)에서 유체의 흐름은 분기되어 정점(5)으로부터 정점들(2, 3, 및 4)로 확장되는 네트워크 채널들을 통하여 여러 방향들을 따라간다. 그 후에, 유체는 순 흐름 방향 화살표들에 의해 표시되는 바와 같이, 정점들(2, 3, 및 4)로부터 정점(1)으로 역으로 흐른다. 상이한 방향의 유체 흐름들은 유사하게 흐름 패턴들(C 및 D)에 적용된다. 따라서, 미세유체 시스템(100)에서의 프로그램 가능 제어기(106)는 네트워크 내에서의 단일 유체 펌프 액추에이터(202)의 선택적인 활성화를 통해 미세유체 디바이스(102)의 특정한 네트워크(103) 내의 유체 흐름 패턴들을 가능하게 조정할 수 있다.
도 6은 본 명세서의 실시예에 따라, 네트워크(103) 내에서 동시에 2개의 유체 펌프 액추에이터들(202)을 선택적으로 활성화하는 것을 통한 상이한 펌프 활성 체제들에 의해서 생성되는 유체 흐름 패턴들(E, F, G, H, I, J)을 도시하는 폐쇄형, 2차원 유체 네트워크(103)의 예를 도시한다. 2차원 네트워크(103)는 도 5에 도시된 바와 동일하고, 5개의 정점들 또는 채널 교차점들(1, 2, 3, 4, 5로 칭해진다)에 의해 분리되는 8개의 네트워크 채널들(또는 에지들)을 가지는 4개의 유체 펌프 액추에이터들(202)을 지닌다. 유체 흐름 패턴들(E, F, G, H, I, J)에서 도시된 바와 같이 동시에 2개의 유체 펌프 액추에이터들(202)를 선택적으로 활성화함으로써 각각의 패턴에 대하여 변하는 네트워크(103)를 통하여 특정한 방향의 유체 흐름들이 발생된다.
예를 들어, 유체 흐름 패턴(E)를 나타내는 도 6의 네트워크(103)를 참조하면, 작동 중인 유체 액추에이터(202)는 순 흐름 방향 화살표에 의해 표시되는 바와 같이, 정점들(2 및 3)로부터 정점(5)으로의 방향으로 순 유체 흐름을 발생시킨다. 정점(5)에서 유체의 흐름은 분기되어 정점(5)으로부터 정점들(1 및 4)로 확장되는 네트워크 채널들을 통하여 여러 방향들을 따라간다. 그 후에, 유체는 순 흐름 방향 화살표들에 의해 표시되는 바와 같이, 정점들(2 및 3)로부터 정점들(1 및 4)로 역으로 흐른다. 정점들(1 및 4) 및 정점들(2 및 3) 사이의 네트워크 채널들에서는 순 유체 흐름이 존재하지 않는 것에 주목하라. 그러므로, 유체 흐름 패턴(E)에서 도시된 바와 같이 동시에 정점들(2 및 3) 가까이에 있는 2개의 유체 펌프 액추에이터들(202)을 선택적으로 활성화함으로써 인해 네트워크 전체에 걸쳐 유체의 특정한 방향의 흐름이 발생된다. 도 6에 도시된 다른 유체 흐름 패턴들의 각각의 경우, 각각의 패턴에서의 순 흐름 방향 화살표들에 의해 표시되는 바와 같이 상이한 방향의 유체 흐름들이 발생된다. 따라서, 미세유체 시스템(100)에서의 프로그램 가능 제어기(106)는 네트워크 내에서 동시에 2개의 유체 펌프 액추에이터들(202)을 선택적으로 활성화하는 것을 통해 미세유체 디바이스(102)의 특정한 네트워크(103) 내의 유체 흐름 패턴들을 가능하게 조정할 수 있다.
도 7은 본 명세서의 실시예에 따라, 네트워크(103) 내에서 동시에 3개의 유체 펌프 액추에이터들(202)를 선택적으로 활성화하는 것을 통한 상이한 펌프 활성 체제들에 의해 생성되는 유체 흐름 패턴들(K, L, M, N)을 도시하는 폐쇄형, 2차원 유체 네트워크(103)의 예를 도시한다. 2차원 네트워크(103)는 도 5에 도시된 바와 동일하고, 5개의 정점들 또는 채널 교차점들(1, 2, 3, 4, 5로 칭해진다)에 의해 분리되는 8개의 네트워크 채널들(또는 에지들)을 가지는 4개의 유체 펌프 액추에이터들(202)을 지닌다. 유체 흐름 패턴들(K, L, M, N)에서 도시된 바와 같이 동시에 3개의 유체 펌프 액추에이터들(202)를 선택적으로 활성화함으로써 각각의 패턴에 대하여 변하는 네트워크(103)를 통하여 특정한 방향의 유체 흐름들이 발생된다.
예를 들어, 유체 흐름 패턴(K)를 나타내는 도 7의 네트워크(103)를 참조하면, 작동 중인 유체 액추에이터(202)는 순 흐름 방향 화살표에 의해 표시되는 바와 같이, 정점들(1, 2 및 3)로부터 정점(5)를 통해 계속해서 정점(4)에 이르는 방향으로 순 유체 흐름을 발생시킨다. 정점(4)에서 유체의 흐름은 분기되어 정점(4)으로부터 정점들(1 및 3)로 확장되는 네트워크 채널들을 통하여 여러 방향들을 따라간다. 유체가 도달한 정점들(1 및 3)은 다시 분기되고 순 흐름 방향 화살표들에 의해 표시되는 바와 같이, 상이한 방향들로 정점들(5 및 2)로 흐른다. 그러므로, 유체 흐름 패턴(K)에서 도시된 바와 같이 동시에 정점들(1, 2 및 3) 가까이에 있는 4개의 유체 펌프 액추에이터들(202) 중 3개를 선택적으로 활성화함으로써 네트워크(103) 전체에 걸쳐 유체의 특정한 방향의 흐름이 발생된다. 도 7에 도시된 다른 유체 흐름 패턴들의 각각의 경우, 각각의 패턴에서의 순 흐름 방향 화살표들에 의해 표시되는 바와 같이 상이한 방향의 유체 흐름들이 발생된다. 다양한 유체 흐름 패턴들은 프로그램 가능 제어기(106)에 의한 유체 액추에이터들(202)의 선택적인 활성화를 통해 미세유체 디바이스(102)의 네트워크에서 구현될 수 있다.
상술한 바와 같이, 미세유체 디바이스(102) 내의 네트워크들(103)은 1차원, 2차원, 또는 3차원 토폴로지들을 가질 수 있다. 도 8은 본 명세서의 실시예에 따라, 개방형, 양방향, 3-차원 유체 네트워크(103)의 예의 하향도 및 대응하는 단면도를 도시하는 도면이다. 개방형 유체 네트워크(103)는 유체 저장고(400)에 연결되고 다른 유체 채널로 넘어가는 유체 채널들로 3차원들에서의 유체 흐름을 가능하게 한다. 그와 같은 네트워크들은 예를 들어 습식 필름 스핀 코팅 및/또는 건식 필름 라미네이션(lamination)과 같은 종래의 미세제조 기술들 및 SU8 기술을 이용하여 제조될 수 있다. SU8은 반도체 디바이스들의 제조에서 포토레지스트 마스크로 흔히 이용되는 투명 광영상화 중합체 재료(transparent photoimageable polymer material)이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 유체 저장고(400) 및 네트워크 채널들(1, 2, 및 3)은 제 1 SU8 층에 제조될 수 있다. 제 2 SU8 층(802)은 그 후에 유체 채널들을 다른 채널들 위로 라우팅(routing)하여 네트워크 내에서의 원지 않는 채널 교차점들을 방지하는데 이용될 수 있다. 그와 같은 3차원 토폴로지들로 인해 미세유체 디바이스들 내에 수용되는 관성 펌프들을 구비하는 복잡하고 다용도인 미세유체 네트워크가 가능하다.
분석, 검출, 가열 등에 이용되는 다양한 능동 및 수동 소자들의 수용에 의해 미세유체 디바이스들(102)의 유용성이 현저하게 강화된다. 그와 같은 통합 소자들의 예들은 저항성 히터들, 펠티어 냉각기들, 물리, 화학 생물학적 센서들, 광원들 및 이들의 조합들을 포함한다. 도 9는 유체 펌프 액추에이터들(202) 및 능동 소자들(900) 이 둘 모두를 수용한 여러 유체 네트워크들(103)의 예들을 도시한다. 본원에서 논의되는 유체 네트워크들 각각은 네트워크들 내의 다양한 유체 흐름 패턴들을 제공하는 유체 펌프 액추에이터들 외에 그와 같은 통합 소자들(900)을 일체화하는데 적합하다.
특정한 유체 네트워크들이 도시되고 논의되었을지라도, 미세유체 디바이스들(102) 및 본원에서 고려되는 시스템들은 통합 유체 펌프 액추에이터들 및 다른 능동 및 수동 소자들의 다수의 구성들을 포함하며 1, 2 및 3차원들의 아주 다양한 레이아웃들을 가지는 많은 다른 유체 네트워크들을 구현할 수 있다.
상술한 바와 같이, 유체 펌프 액추에이터(202)의 펌핑 효과는 유체가 펌핑되고 있는 저장고 또는 다른 채널(네트워크 채널(204)과 같은)의 폭보다 더 작은 폭을 가지는 유체 채널 내의(예를 들어 펌프 채널(206) 내의) 액추에이터의 비대칭 배치에 좌우된다. (다시, 펌프 채널은 자체가 예를 들어 더 넓은 유체 저장고들 사이에서 유체를 펌핑하는 네트워크 채널일 수 있다.) 유체 액추에이터(202)를 유체 채널의 중심 지점의 한 측에 비대칭으로 배치함으로써 채널의 단측 및 채널의 장측이 설정되고, 단방향 유체 흐름은 채널의 단측으로부터(즉, 유체 액추에이터가 위치되는 곳) 채널의 장측으로의 방향으로 달성될 수 있다. 유체 채널 내에 대칭으로 배치된(즉 채널의 중심에서의) 유체 펌프 액추에이터는 영(0)의 순 흐름을 발생시킬 것이다. 그러므로, 유체 네트워크 채널 내의 유체 액추에이터(202)의 비대칭 배치는 채널을 통하는 순 유체 흐름을 발생시킬 수 있는 펌핑 효과를 달성하기 위해 만족될 필요가 있는 하나의 조건이다.
그러나, 유체 채널 내에 유체 액추에이터(202)를 비대칭으로 배치하는 것 외에, 유체 액추에이터의 펌핑 효과의 다른 요소는 액추에이터의 동작 방식이다. 구체적으로, 펌핑 효과 및 채널을 통하는 순 유체 흐름을 달성하기 위해, 유체 액추에이터는 또한 자신의 채널 내에서의 변위에 관하여 비대칭으로 동작해야만 한다. 동작 중에, 유체 채널 내의 유체 액추에이터는 먼저 한 방향으로 그리고나서 다른 방향으로 편향되어(예를 들어 가요성 멤브레인 또는 피스톤 스트로크에 의해) 채널 내에 유체 변위들을 발생시킨다. 상술한 바와 같이, 유체 액추에이터(202)는 유체 채널 내에서 전파되고 유체를 상기 채널을 따라 반대되는 두 방향들로 밀어내는 파동을 발생시킨다. 유체 액추에이터가 동작하여 유체 액추에이터의 편향들이 유체를 양 방향들로 동일한 속도로 변위하도록 하면, 유체 액추에이터는 채널 내에 영의 순 유체 흐름을 발생시킬 것이다. 순 유체 흐름을 발생시키기 위해, 유체 액추에이터의 동작은 자신의 편향들, 또는 유체 변위들이 대칭되지 않도록 구성되어야만 한다. 그러므로, 편향 스트로크들, 또는 유체 변위들의 타이밍에 관한 유체 액추에이터의 비대칭 동작은 채널을 통하는 순 유체 흐름을 발생시킬 수 있는 펌핑 효과를 달성시키는데 만족될 필요가 있는 두 번째 조건이다.
도 10은 본 명세서의 실시예에 따라, 통합식 유체 펌프 액추에이터(1002)를 구비하는 예시적인 유체 네트워크 채널(1000)의 측면도들을 상이한 동작 스테이지들로 도시한다. 유체 저장고(1004)는 채널(1000의 각각의 종단에 연결된다. 통합식 유체 액추에이터(1002)는 유체 저장고(1004)로의 입력부 가까이에 있는 채널의 단측에 비대칭으로 배치되어, 채널을 통하는 순 유체 흐름을 발생시킬 수 있는 펌핑 효과를 생성하는데 필요한 제 1 조건을 만족시킨다. 펌핑 효과를 생성하는데 만족될 필요가 있는 제 2 조건은 상술한 바와 같이, 유체 액추에이터(1002)의 비대칭 동작이다. 유체 액추에이터(1002)는 일반적으로 본원에서 압전 맴브레인인 것으로 기술되며, 유체 채널 내에서의 압전 멤브레인의 상향 및 하향 편향들(때로는 피스톤 스트로크들로 칭해진다)은 명확하게 제어될 수 있는 유체 변위들을 발생시킨다. 그러나, 유체 액추에이터를 구현하기 위해서 예를 들어, 증기 기포들을 발생시키는 저항성 히터, 전자기(MEMS) 멤브레인, 기계식/충격 구동 멤브레인, 음성 코일, 자기 왜곡 구동기 등을 포함하여, 다양한 다른 디바이스들이 이용될 수 있다.
도 10에 도시된 동작 스테이지 A에서, 유체 액추에이터(1002)는 정지 위치에 있고 작동되고 있지 않으므로, 채널(1000)을 통하는 순 유체 흐름은 존재하지 않는다. 동작 스테이지 B에서, 유체 액추에이터(1002)가 작동되고 멤브레인은 유체 채널(1000)의 내부로 상향하여 편향된다. 상향 편향, 또는 전진 스트로크는, 멤브레인이 유체를 외부로 밀어내므로, 채널(1000) 내에 유체의 압축 변위를 발생시킨다. 동작 스테이지 C에서, 유체 액추에이터(1002)가 작동되고, 멤브레인은 자신의 원래 정지 위치로 돌아가기 위해 하향으로 편향하기 시작하고 있다. 멤브레인의 하향 편향, 또는 역 스트로크는, 이것이 유체를 아래로 당기기 때문에, 채널(1000) 내의 유체의 인장 변위를 발생시킨다. 상향 및 하향 편향은 하나의 편향 주기이다. 상향 편향(즉, 압축 변위) 및 하향 편향 사이에 반복하는 편향 주기들로 시간적 비대칭이 존재하는 경우 채널(1000)을 통하는 순 유체 흐름이 발생된다. 시간적 비대칭 및 순 유체 흐름 방향은 도 11 내지 도 14를 참조하여 후술되므로, 도 10은 동작 스테이지들(B 및 C) 동안 반대의 순 흐름 방향 화살표들 사이에 삽입된 물음표들을 포함한다. 이 물음표들은 압축 및 인장 변위들 사이의 시간적 비대칭이 규정되지 않았으므로, 흐름이 있을지라도, 흐름의 방향이 아직 공지되지 않고 있음을 표시하도록 의도된다.
도 11은 본 명세서의 실시예에 따라, 유체 액추에이터(1002)에 의해 발생되는 압축 및 인장 변위들 사이의 시간적 비대칭을 설명하는데 도움을 주기 위해, 도 10으로부터의 동작 스테이지들(B 및 C)에서 작동 중인 유체 액추에이터(1002)를 시간 표시자들 “t1” 및 "t2”와 함께 도시한다. 시간 t1은 유체 액추에이터 멤브레인이 상향으로 편향하여, 압축 유체 변위를 발생시키는데 걸리는 시간이다. 시간 t2는 유체 액추에이터 멤브레인이 하향으로, 또는 원래의 위치로 다시 편향하여, 인장 유체 변위를 발생시키는데 걸리는 시간이다. 유체 액추에이터(1002)의 비대칭 동작은 압축 변위(상향 멤브레인 편향)의 t1 지속기간이 인장 변위(하향 멤브레인 편향)의 t2 지속기간보다 더 크거나 더 짧은 (즉, 동일하지 않은) 경우 발생한다. 반복하는 편향 주기들에 걸친 그와 같은 유체 액추에이터 동작은 채널(1000) 내에 순 유체 흐름을 발생시킨다. 그러나, t1 및 t2의 압축 및 인장 변위들이 동일하거나, 대칭인 경우, 채널(1000) 내의 유체 액추에이터(1002)의 비대칭 배치와는 관계없이, 채널(1000)을 통하는 유체 흐름은 거의 없거나 아예 없을 것이다.
도 12, 도 13, 및 도 14는 본 명세서의 실시예들에 따라, 도 10으로부터의 동작 스테이지들(B 및 C)에서 작동 중인 유체 액추에이터(1002)를, 적어도 유체가 채널(1000)을 통해 어떤 방향으로 흐르는지를 나타내는 순 유체 흐름 방향을 포함하여 도시한다. 순 유체 흐름의 방향은 액추에이터로부터의 압축 및 인장 변위 지속기간들(t1 및 t2)에 좌우된다. 도 15, 도 16, 및 도 17은 지속기간이 도 12, 도 13, 및 도 14의 변위 지속기간들(t1 및 t2)에 각각 대응하는 예시적인 변위 펄스 파형들을 도시한다. 다양한 유체 펌프 액추에이터들의 경우, 압축 변위 및 인장 변위 시간들(t1 및 t2)은, 예를 들어 미세유체 시스템(100) 내의 모듈(112)(유체 액추에이터 비대칭 동작 모듈(112))로부터의 명령들과 같은 명령들을 수행하는 제어기(106)에 의해 정밀하게 제어될 수 있다.
도 12를 참조하면, 압축 변위 지속기간(t1)은 인장 변위 지속기간(t2)보다 더 짧으므로, 채널(1000)의 단측으로부터(즉, 액추에이터가 위치되는 측) 채널의 장측으로의 방향으로의 순 유체 흐름이 존재한다. 압축 및 인장 변위 지속기간들(t1 및 t2) 사이의 차는 t1의 압축 변위 지속기간 및 t2의 인장 변위 지속기간을 가지는 유체 액추에이터에 의해 발생될 수 있는 대응하는 예시적인 변위 펄스 파형을 도시하는 도 15에 도시될 수 있다. 도 15의 파형은 약 0.5 마이크로초(ms)의 압축 변위 지속기간(t1) 및 약 9.5ms의 인장 변위 지속기간(t2)을 가지는 약 1 피코리터(pi)에 대한 변위 펄스/주기를 나타낸다. 유체 변위량 및 변위 지속기간들에 대해 제공된 값들은 단지 예들이며 어느 면으로도 제한하는 것들로 의도되지 않는다.
도 13에서, 압축 변위 지속기간(t1)이 인장 변위 지속기간(t2)보다 더 크고, 따라서 순 유체 흐름이 채널(1000)의 장측으로부터 채널의 단측으로의 방향으로 존재한다. 압축 및 인장 변위 지속기간들(t1 및 t2) 사이의 차는 t1의 압축 변위 지속기간 및 t2의 인장 변위 지속기간을 가지는 유체 액추에이터에 의해 발생될 수 있는 대응하는 예시적인 변위 펄스 파형을 도시하는 도 16에서 도시될 수 있다. 도 15의 파형은 약 9.5 마이크로초(ms)의 압축 변위 지속기간(t1) 및 약 0.5ms의 인장 변위 지속기간(t2)을 가지는 약 1 피코리터(pi)에 대한 변위 펄스/주기를 나타낸다.
도 14에서, 압축 변위 지속기간(t1)은 인장 변위 지속기간(t2)와 같으므로, 채널(1000)을 통하는 순 유체 흐름이 거의 없거나 아예 존재하지 않는다. 동일한 압축 및 인장 변위 지속기간들(t1 및 t2)은 t1의 압축 변위 지속기간 및 t2의 인장 변위 지속기간을 가지는 유체 액추에이터에 의해 발생될 수 있는 대응하는 예시적인 변위 펄스 파형을 도시하는 도 17에서 도시될 수 있다. 도 17의 파형은 약 5.0 마이크로초(ms)의 압축 변위 지속기간(t1) 및 약 5.0ms의 인장 변위 지속기간(t2)을 가지는 약 1 피코리터(pi)에 대한 변위 펄스/주기를 나타낸다.
도 14에서, 채널(1000) 내에 유체 액추에이터(1002)의 비대칭 위치가 존재할지라도(펌핑 효과를 달성하기 위한 하나의 조건을 만족시킨다), 유체 액추에이터 동작은 비대칭이 아니기 때문에(펌핑 효과를 달성하기 위한 제 2 조건이 만족되지 않는다) 채널(1000)을 통하는 순 유체 흐름이 여전히 거의 없거나 존재하지 않는다는 것에 주목하라. 마찬가지로, 유체 액추에이터의 위치가 대칭이었거나, 액추에이터의 동작이 비대칭이었다면, 펌핑 효과 조건들 모두가 만족되지 않을 것이기 때문에 채널을 통하는 순 유체 흐름이 거의 없거나 존재하지 않을 것이다.
도 10 내지 도 17의 상기 예들 및 논의로부터, 유체 액추에이터의 비대칭 위치의 펌핑 효과 조건 및 유체 액추에이터의 비대칭 동작의 펌핑 효과 조건 사이의 상호작용을 주목하는 것이 중요하다. 즉, 유체 액추에이터의 비대칭 위치 및 비대칭 동작이 동일한 방향으로 작용하는 경우, 유체 펌프 액추에이터는 고유율 펌핑 효과를 나타낼 것이다. 그러나, 유체 액추에이터의 비대칭 위치 및 비대칭 동작이 서로 반대로 작용하는 경우, 유체 액추에이터의 비대칭 동작은 유체 액추에이터의 비대칭 위치에 의해 발생되는 순 흐름 벡터의 방향을 바꾸고, 순 흐름은 채널의 장측으로부터 채널(1000)의 단측으로 흐르는 상태가 된다.
게다가, 도 10 내지 도 17의 상기 예들 및 논의로부터, 도 2 내지 도 8의 미세유체 네트워크들(103)에 관하여 논의된 유체 펌프 액추에이터(202)는 압축 변위 지속기간이 자체의 인장 변위 지속기간보다 더 짧은 액추에이터 디바이스인 것으로 취해지는 것이 이제 더 양호하게 이해될 수 있다. 그와 같은 액추에이터의 예는 유체를 가열시키고 초임계 증기의 폭발에 의해 변위를 발생시키는 저항성 가열 요소이다. 그와 같은 이벤트에는 확장 위상(즉, 압축 변위)이 자체의 붕괴 위상(즉 인장 변위)보다 더 빠른 강력한 비대칭이 있다. 이 이벤트의 비대칭은 예를 들어, 압전 멤브레인 액추에이터에 의해 발생되는 편향의 비대칭과 동일한 방식으로 제어될 수 없다.
도 18은 본 명세서의 실시예에 따라, 통합식 유체 펌프 액추에이터(1002)를 구비하는 예시적인 유체 네트워크 채널(1000)의 측면도들을 상이한 동작 스테이지들로 도시하는 도면이다. 본 실시예는 유체 액추에이터 멤브레인의 편향들이 채널(1000) 내의 압축 및 인장 변위들을 생성하기 위해 상이하게 동작하는 것으로 도시된 것을 제외하고, 상기 도 10에 관하여 도시되고 논의된 것과 유사하다. 도 18에 도시된 동작 스테이지 A에서, 유체 액추에이터(1002)는 정지 위치에 있고 작동되고 있지 않으므로, 채널(1000)을 통하는 순 유체 흐름은 존재하지 않는다. 동작 스테이지 B에서, 유체 액추에이터(1002)가 작동되고 멤브레인은 하향하여 유체 채널(1000)의 외부로 편향된다. 멤브레인의 하향 편향은, 이것이 유체를 아래로 당기기 때문에, 채널(1000) 내의 유체의 인장 변위를 발생시킨다. 동작 스테이지 C에서, 유체 액추에이터(1002)가 작동되고, 멤브레인은 자신의 원래 정지 위치로 돌아가기 위해 상향으로 편향하기 시작하고 있다. 이 상향 편향으로 인해, 멤브레인이 유체를 상향하여 채널 내로 밀어 올리기 때문에, 채널(1000) 내에서 유체의 압축 변위가 발생한다. 순 유체 흐름은 압축 변위 및 인장 변위 사이에 시간적 비대칭이 존재하는 경우 채널(1000)을 통해 발생된다. 순 유체 흐름의 방향은 상술한 바와 동일한 방식으로, 압축 및 인장 변위들의 지속기간들에 좌우된다.

Claims (20)

  1. 제 1 종단과 제 2 종단을 갖는 제 1 유체 채널―상기 제 1 유체 채널은 상기 제 1 종단에서부터 상기 제 2 종단으로 연장되는 길이를 갖고, 상기 제 1 종단은 제 1 유체 저장고 또는 제 2 유체 채널에 연결되고, 상기 제 2 종단은 제 2 유체 저장고 또는 제 3 유체 채널에 연결됨―과,
    상기 제 1 유체 채널의 길이를 따라 상기 제 1 종단으로부터 제 1 거리에 위치한 제 1 유체 액추에이터―상기 제 1 유체 액추에이터는 상기 제 1 종단으로부터 상기 제 2 종단으로 제 1 단방향 순 유체 흐름(unidirectonal net fluid flow)을 일으키기 위하여 각각 상기 채널의 제 1 종단 및 제 2 종단으로 전파하는 제 1 파동 및 제 2 파동을 발생시킴―와,
    제 1 종단, 제 2 종단 및 상기 제 1 종단과 상기 제 2 종단 사이에 제 1 유체 채널 브릿징부를 갖는 제 2 유체 채널―상기 제 1 유체 채널 브릿징부는 상기 제 1 유체 채널 위에서 연장되며, 상기 제 2 유체 채널의 제 1 종단은 제 1 평면에서 연장되고, 상기 제 1 유체 채널 브릿징부는 상기 제 1 평면과 상이한 제 2 평면에서 연장되며, 상기 제 2 유체 채널은 상기 제 2 유체 채널의 제 1 종단으로부터 상기 제 2 유체 채널의 제 2 종단으로 연장되는 제 2 길이를 가짐―과,
    상기 제 2 유체 채널의 제 2 길이를 따라 상기 제 2 유체 채널의 제 1 종단으로부터의 제 1 거리에 위치된 제 2 유체 액추에이터를 포함하되, 상기 제 2 유체 액추에이터는 상기 제 2 유체 채널의 제 1 종단으로부터 제 1 단방향 순 유체 흐름을 일으키기 위하여 각각 상기 제 2 유체 채널의 제 1 종단 및 제 2 종단으로 전파하는 제 3 파동 및 제 4 파동을 발생시키는
    미세유체 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 단방향 순 유체 흐름을 일으키도록 상기 제 2 유체 액추에이터를 선택적으로 활성화시키는 제어기와,
    상기 제 2 유체 채널을 통하여 유체 흐름의 방향, 속도(rate), 및 타이밍을 제어하기 위해 상기 제어기 상에서 실행 가능한 모듈을 더 포함하는
    미세유체 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 유체 채널 내에 통합되는 능동 소자를 더 포함하는
    미세유체 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 능동 소자는 저항성 히터, 펠티에 냉각기(Peltier cooler), 물리적 센서(a physical sensor), 화학적 센서(a chemical sensor), 생물학적 센서(a biological sensor), 광원, 및 이들의 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택되는
    미세유체 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 유체 채널의 제 1 종단에 연결되는 제 1 저장소 및 상기 제 2 유체 채널의 제 2 종단에 연결되는 제 2 저장소를 더 포함하는
    미세유체 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 유체 채널의 상기 제 1 유체 채널 브릿징부는,
    상기 제 1 유체 채널 위에 직접 연장되는 중심부와,
    상기 중심부로부터 상기 제 2 유체 채널의 제 1 종단을 향해 연장되는 제 1 경사부(a first ramped portion)와,
    상기 중심부로부터 상기 제 2 유체 채널의 제 2 종단을 향해 연장되는 제 2 경사부를 포함하는
    미세유체 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 유체 채널의 제 2 길이를 따라 상기 제 2 유체 채널의 제 1 종단으로부터 제 3 거리에 위치된 제 3 유체 액추에이터―상기 제 3 유체 액추에이터는 상기 제 2 유체 채널의 상기 제 1 종단으로부터 제 3 단방향 순 유체 흐름을 일으키기 위하여 각각 상기 제 2 유체 채널의 제 1 종단 및 제 2 종단으로 전파하는 제 5 파동 및 제 6 파동을 발생시킴―와,
    상기 제 2 유체 채널을 통해 상기 제 2 단방향 순 유체 흐름 또는 상기 제 3 단방향 순 유체 흐름을 일으키기 위하여 상기 제 2 유체 액추에이터 또는 상기 제 3 유체 액추에이터를 선택적으로 활성화시키는 제어기를 더 포함하는
    미세유체 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 유체 액추에이터 및 상기 제 2 유체 액추에이터는 압전 멤브레인, 열 기포 저항기 액추에이터, 정전기 MEMS(micro-electro-mechanical system) 멤브레인 액추에이터, 기계식/충격 구동 멤브레인 액추에이터, 음성 코일 액추에이터, 자기 왜곡(magneto-strictive) 구동 액추에이터로 구성된 유체 액추에이터의 그룹으로부터 선택되는 유체 액추에이터를 포함하는
    미세유체 시스템.
  9. 교차부에서 상호연결되는 적어도 3개의 루프를 포함하는 미세유체 채널의 네트워크를 포함하는 미세유체 시스템으로서,
    상기 루프의 각각은,
    상기 교차부로부터 제 2 종단으로 연장되는 길이를 갖는 유체 채널과,
    상기 유체 채널을 따라 그리고 상기 유체 채널의 길이를 따라 교차부로부터의 제 1 거리 및 상기 제 2 종단으로부터의 상기 제 1 거리 미만의 제 2 거리에 위치된 유체 액추에이터를 포함하고,
    상기 루프의 각각의 유체 액추에이터는 각각 개별적인 채널의 교차부 및 제 2 종단으로 전파하는 제 1 파동 및 제 2 파동을 발생시키고, 상기 루프의 유체 액추에이터는 상기 루프에 대해 상이한 방향으로 순 유체 흐름을 선택적으로 일으키도록 협업하는
    미세유체 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    적어도 3개의 루프는 제 1 루프, 제 2 루프, 제 3 루프, 및 제 4 루프를 포함하고,
    상기 제 1 루프, 상기 제 2 루프, 상기 제 3 루프 및 상기 제 4 루프의 외측부는, 상기 제 1 루프, 상기 제 2 루프, 상기 제 3 루프 및 상기 제 4 루프의 상기 유체 채널의 각각에 연결되고 또한 이들을 둘러싸는 외측 루프를 형성하도록 연결되는
    미세유체 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 루프, 상기 제 2 루프, 상기 제 3 루프 및 상기 제 4 루프의 각각의 유체 채널의 길이는 상기 교차부로부터 상기 외측 루프로 연장되는
    미세유체 시스템.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 루프 및 상기 제 2 루프의 유체 채널은 상기 제 3 루프 및 상기 제 4 루프의 유체 채널에 대해 수직으로 연장되는
    미세유체 시스템.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 루프 및 상기 제 2 루프의 유체 채널은 상기 교차부의 반대 측 상에서 서로 반대로 연장되는
    미세유체 시스템.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 적어도 3개의 루프 중 적어도 2개의 루프의 유체 채널은 상기 교차부의 반대 측 상에서 서로 반대로 연장되는
    미세유체 시스템.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 적어도 3개의 루프 중 하나의 루프의 둘레를 따라 저항성 히터, 펠티에 냉각기, 물리적 센서, 화학적 센서, 생물학적 센서, 광원, 및 이들의 조합 중 적어도 하나를 더 포함하는
    미세유체 시스템.
  16. 제 9 항에 있어서,
    상기 적어도 3개의 루프 중 하나의 루프에 대한 제 1 단방향 순 유체 흐름, 또는 상기 적어도 3개의 루프 중 하나의 루프에 대한 상기 제 1 단방향 순 유체 흐름과 반대의 제 2 단방향 순 유체 흐름을 선택적으로 개시하도록 상기 적어도 3개의 루프의 각각의 유체 액추에이터를 선택적으로 활성화시키는 제어기를 더 포함하는
    미세유체 시스템.
  17. 교차부에서 상호연결되는 적어도 3개의 루프를 포함하는 미세유체 채널의 네트워크에 액체를 공급하는 단계―상기 루프의 각각은, 상기 교차부로부터 제 2 종단으로 연장되는 길이를 갖는 유체 채널과, 상기 유체 채널을 따라 그리고 상기 유체 채널의 길이를 따라 교차부로부터의 제 1 거리 및 상기 제 2 종단으로부터의 제 1 거리 미만의 제 2 거리에 위치된 유체 액추에이터를 포함함―와,
    상기 루프에 대해 상이한 방향으로 순 유체 흐름을 선택적으로 일으키도록 상기 적어도 3개의 루프 중 선택된 루프의 유체 액추에이터를 활성화시키는 단계를 포함하는
    방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 적어도 3개의 루프 중 적어도 하나의 루프에 대하여 완전하게 순 유체 흐름을 억제하도록 상기 적어도 3개의 루프 중 선택된 루프의 유체 액추에이터를 활성화시키는 단계를 더 포함하는
    방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 적어도 3개의 루프 중 선택된 루프의 유체 액추에이터는 상기 루프들 중 하나의 루프를 따라 위치된 저항성 히터, 펠티에 냉각기, 물리적 센서, 화학적 센서, 생물학적 센서, 광원, 및 이들의 조합들에 대해 상기 루프들 중 하나의 루프에 대한 순 유체 흐름을 일으키기 위하여 활성화되는
    방법.
  20. 제 17 항에 있어서,
    적어도 3개의 루프는 제 1 루프, 제 2 루프, 제 3 루프, 및 제 4 루프를 포함하고,
    상기 제 1 루프, 상기 제 2 루프, 상기 제 3 루프 및 상기 제 4 루프의 외측부는, 상기 제 1 루프, 상기 제 2 루프, 상기 제 3 루프 및 상기 제 4 루프의 상기 유체 채널의 각각에 연결되며 또한 이들을 둘러싸는 외측 루프를 형성하도록 연결되는
    방법.
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