KR20160103347A - Micro Valve device and the fabricating method thereof - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a micro valve device and a fabrication method thereof. The micro valve device of the present invention comprises: a fluid channel layer including a fluid channel and a fluid chamber; a valve diaphragm layered on top of the fluid channel layer; and a valve chamber layer layered on top of the valve diaphragm and including an air-pressure channel and a valve chamber, wherein the bottom surfaces of the fluid channel and the fluid chamber are formed in a semicircular shape. Accordingly, as the expansion of the valve chamber due to pressurized air introduced from outside brings one surface of the valve diaphragm in contact with the bottom surface of the fluid channel, fluids flowing in the fluid channel can be blocked completely without being leaked outside.

Description

마이크로 밸브 소자 및 그 제조방법{Micro Valve device and the fabricating method thereof}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a micro valve device,

본 발명은 마이크로 밸브 소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유체가 누설되는 것을 완전하게 차단할 수 있도록 채널 및 챔버가 반원 형상으로 형성된 공압식 마이크로 밸브 및 그 제조방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a microvalve element, and more particularly, to a pneumatic microvalve having a channel and a chamber formed in a semicircular shape so as to completely prevent leakage of fluid, and a method of manufacturing the same.

일반적으로 작은 부피의 유체를 조작하여 생물학적 또는 화학적인 반응을 수행하는 장치를 미세유동 장치라 한다. 미세유동 장치는 칩, 디스크 등 다양한 형상의 플랫폼 내에 배치된 미세유동 구조물을 포함하고, 미세유동 구조물은 유체를 가두어 둘 수 있는 챔버와, 유체가 흐를 수 있는 채널 및 유체의 흐름을 조절할 수 있는 마이크로 밸브를 포함하고, 이들의 다양한 조합에 의해 만들어질 수 있다. Generally, an apparatus that performs biological or chemical reactions by manipulating a small volume of fluid is called a microfluidic device. The microfluidic device includes a microfluidic structure disposed in a platform of various shapes such as a chip, a disk, and the microfluidic structure includes a chamber in which a fluid can be confined, a channel through which the fluid can flow, and a microchip Valve, and can be made by various combinations thereof.

여기서 상기 마이크로 밸브는 유체의 흐름을 단속하여 정확한 양의 유체를 공급하는 장치(소자)로서 높은 신뢰성과 극소형화가 요구된다. 즉 마이크로 밸브는 유체 플랫폼에서 유체 흐름을 제어하는 필수 구성요소라 할 수 있고, 자기식, 전기식, 압전식, 공압식 등으로 구분할 수 있다. 특히 공압식 마이크로 밸브는, 마이크로 유체 역학 및 소프트 리소그래피(soft-lithography) 기반으로 제조된다. Here, the microvalve is a device (device) for supplying a precise amount of fluid by interrupting the flow of the fluid, which requires high reliability and extremely small size. In other words, a microvalve is an essential component for controlling fluid flow in a fluid platform, and can be classified into magnetic, electric, piezoelectric, and pneumatic. In particular, pneumatic microvalves are manufactured on the basis of microfluidics and soft-lithography.

상기 공압식 마이크로 밸브는 개방형과 폐쇄형 2가지로 구분할 수 있다. 그 중 개방형 마이크로 밸브가 용이한 제조, 집적화에 따른 소형화의 이유 등으로 상기 폐쇄형 마이크로 밸브보다 더 많이 사용된다. 개방형 공압식 마이크로 밸브는 밸브 챔버, 변형 가능한 멤브레인, 유체 채널을 포함하여 구성된다. 여기서 멤브레인은 밸브 챔버 내의 압력 변화를 이용하여 유체 챔버 또는 유체 채널을 완전하게 밀봉해야 한다. The pneumatic microvalve can be divided into an open type and a closed type. Among them, an open type microvalve is used more easily than the closed type microvalve because of easy manufacturing and downsizing due to integration. An open pneumatic microvalve comprises a valve chamber, a deformable membrane, and a fluid channel. Wherein the membrane must completely seal the fluid chamber or fluid channel using a pressure change in the valve chamber.

하지만, 현재 사용되는 마이크로 밸브는 유체 흐름을 완전하게 차단하지 못하는 단점이 있다. 이는 유체 챔버 및 유체 채널의 형상이 직사각형 단면(rectangular-cross-section)으로 형성되기 때문이다. However, currently used microvalves have a drawback in that they can not completely block fluid flow. This is because the shapes of the fluid chamber and the fluid channel are formed in a rectangular-cross-section.

이와 같이 종래 마이크로 밸브의 챔버 및 채널 구조에 따라 유체를 완전하게 차단하지 못하는 문제점에 대해서는 아래에서 본 발명의 마이크로 밸브소자의 구조를 설명하면서 함께 설명하기로 한다.The structure of the microvalve according to the present invention will now be described with reference to the problem that the fluid can not be completely blocked according to the chamber and channel structure of the conventional microvalve.

대한민국 공개 특허공보 10-2011-0136629호(2011. 12. 21. 마이크로 밸브를 갖는 미세 유체 소자)Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2011-0136629 (December 21, 2011: microfluidic device having a microvalve)

본 발명의 목적은 마이크로 밸브의 유체 챔버 및 유체 채널의 형상을 변경하여 유체 흐름을 정확하게 단속할 수 있도록 하는 마이크로 밸브 소자 및 그 제조방법을 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a microvalve element and a method of manufacturing the microvalve element, which can change the shape of a fluid chamber and a fluidic channel of a microvalve so as to precisely control fluid flow.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 유체 채널 및 유체 챔버가 형성된 유체 채널층; 상기 유체 채널층 위에 적층된 밸브 다이어프램; 및 상기 밸브 다이어프램 위에 적층되며 공압 채널과 밸브 챔버가 형성된 밸브 챔버층을 포함하는 마이크로 밸브 소자를 제공한다. According to an aspect of the present invention, there is provided a fluid channel layer in which a fluid channel and a fluid chamber are formed; A valve diaphragm stacked on the fluid channel layer; And a valve chamber layer laminated on the valve diaphragm and having a pneumatic channel and a valve chamber formed therein.

상기 유체 채널층, 상기 밸브 다이어프램 및 상기 마이크로 밸브 소자는 폴리디메틸 실록산(polydimethylsiloxane: PDMS)으로 제조된다. The fluid channel layer, the valve diaphragm and the microvalve element are made of polydimethylsiloxane (PDMS).

상기 유체 채널 및 상기 유체 챔버는 바닥면이 반원형상(semicircular)으로 형성된다.The fluid channel and the fluid chamber are formed semicircularly on the bottom surface.

상기 유체 채널의 직경보다 상기 밸브 채널의 직경이 더 크게 형성된다.The diameter of the valve channel is made larger than the diameter of the fluid channel.

상기 유체 채널 및 상기 밸브 채널의 직경은 각각 650㎛, 900㎛이고, 상기 유체 채널과 공압 채널의 폭은 250㎛이다. The diameter of the fluid channel and the diameter of the valve channel are 650 μm and 900 μm, respectively, and the width of the fluid channel and the pneumatic channel is 250 μm.

상기 유체 채널과 상기 공압 채널은 서로 수직되게 형성된다. The fluid channel and the pneumatic channel are formed perpendicular to each other.

상기 공압 채널을 통해 압축공기가 유입되면, 상기 밸브 챔버의 팽창에 따라 상기 밸브 다이어프램의 한쪽 면이 상기 유체 채널의 바닥면과 접촉하여 상기 유체 채널을 차단한다. When compressed air is introduced through the pneumatic channel, one side of the valve diaphragm contacts the bottom surface of the fluid channel in accordance with the expansion of the valve chamber to block the fluid channel.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 실리콘 웨이퍼에 성형물을 올려놓고 폴리디메틸 실록산(PDMS)을 소정 두께로 부어 경화시키는 단계; 상기 성형물에서 이격된 홈이 형성된 PDMS와 글래스 기판(glass substrate)을 접합하는 단계; 상기 PDMS 위에 액상의 PDMS을 제공하고 열 경화시키는 단계; 상기 열 경화에 따라 반원형상의 유체 챔버가 형성된 PDMS을 유체 채널층으로 획득하는 단계; 및 상기 유체채널 층 위에 밸브 다이어프램과 밸브 챔버층을 결합하는 단계를 포함하는 마이크로 밸브 소자의 제조방법을 제공한다. According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, the method comprising: placing a molded product on a silicon wafer and pouring polydimethylsiloxane (PDMS) to a predetermined thickness; Bonding a PDMS having grooves spaced apart from the molded product to a glass substrate; Providing PDMS with liquid phase PDMS and thermally curing the PDMS; Obtaining a PDMS having a semi-circular fluid chamber according to the thermal curing as a fluid channel layer; And combining the valve diaphragm and the valve chamber layer over the fluid channel layer.

상기 유체 챔버에 반원형상의 유체 채널을 형성하는 단계를 더 포함한다. And forming a semicircular fluid channel in the fluid chamber.

상기 유체 챔버와 유체 채널의 높이는 각각 150㎛ 및 40㎛로 형성한다. The fluid chamber and the fluid channel have heights of 150 mu m and 40 mu m, respectively.

상기 열 경화과정은 100℃에서 약 30분간 진행된다. The thermosetting process is carried out at 100 DEG C for about 30 minutes.

이와 같은 본 발명에 따른 마이크로 밸브 소자 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다. The micro valve element and the manufacturing method thereof according to the present invention have the following effects.

본 발명은 유채 채널층, 밸브 다이어프램 및 밸브 챔버 층의 3개 층으로 구성되는 마이크로 밸브 소자를 제공하는데, 이때 유체 채널층에 형성되는 유체 챔버와 유체 채널의 단면을 반원형상으로 형성하고 있다. The present invention provides a microvalve element composed of three layers of a rapeseed channel layer, a valve diaphragm and a valve chamber layer, wherein a cross section of a fluid chamber and a fluid channel formed in the fluid channel layer is formed in a semicircular shape.

따라서 외부 압축공기가 유입되면 밸브 챔버의 팽창에 따라 밸브 다이어프램은 반원형상의 유체 챔버의 바닥면과 접촉하기 때문에, 유체 채널을 통해 흐르는 유체를 누설시키지 않으면서 차단할 수 있다. Therefore, when the external compressed air is introduced, the valve diaphragm is brought into contact with the bottom surface of the semicircular fluid chamber in accordance with the expansion of the valve chamber, so that the fluid flowing through the fluid channel can be blocked without leakage.

그 결과, 본 발명의 마이크로 밸브 소자는 유체 흐름을 정확하게 단속할 수 있다.As a result, the microvalve element of the present invention can precisely control fluid flow.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 마이크로 밸브 소자의 사시도
도 2는 도 1의 분리 사시도
도 3은 종래 마이크로 밸브 소자와 본 발명의 마이크로 밸브 소자의 동작 예시도
도 4는 본 발명에 따른 마이크로 밸브 소자의 제조공정을 설명하는 공정도
도 5a는 도 4의 방법으로 제조된 마이크로 밸브 소자의 유체 챔버 및 유체 채널을 보인 SEM 사진
도 5b는 도 5a의 부분 확대도
도 6은 종래 마이크로 밸브 소자와 본 발명의 마이크로 밸브 소자의 누설 상태를 보인 도면
도 7은 종래 마이크로 밸브 소자와 본 발명의 마이크로 밸브 소자의 시간 대비 유량 분포 상태를 보인 그래프
도 8은 종래 마이크로 밸브 소자와 본 발명의 마이크로 밸브 소자의 효율 특성을 비교한 그래프
도 9는 다양한 압력하에서 밸브 다이어프램의 수직 변위를 보여주는 그래프1 is a perspective view of a microvalve according to a preferred embodiment of the present invention;
Fig. 2 is an exploded perspective view of Fig.
3 is a diagram illustrating an operation example of a conventional microvalve element and a microvalve element of the present invention
FIG. 4 is a flow chart illustrating a manufacturing process of a microvalve according to the present invention
5A is a SEM photograph showing a fluid chamber and a fluid channel of a microvalve element manufactured by the method of FIG.
FIG. 5B is a partial enlarged view of FIG.
6 is a view showing a leakage state of a conventional microvalve element and a microvalve element of the present invention
FIG. 7 is a graph showing the flow rate distribution state of the conventional microvalve element and the microvalve element of the present invention over time
8 is a graph comparing the efficiency characteristics of the conventional microvalve element and the microvalve element of the present invention
Figure 9 is a graph showing the vertical displacement of the valve diaphragm under various pressures;

본 발명은 마이크로 밸브의 유체 챔버 및 유체 채널의 단면을 반원형상으로 형성함으로써, 외부에서 공급되는 압축공기에 의해 팽창하는 밸브 다이어프램이 유체 채널을 완전하게 차단하여 유체 흐름을 단속하는 것을 기본적인 기술적 요지로 한다. The present invention forms a semicircular cross section of a fluid chamber and a fluid channel of a microvalve, so that a valve diaphragm which is expanded by compressed air supplied from the outside completely blocks the fluid channel and interrupts the fluid flow. do.

이하 본 발명에 의한 마이크로 밸브 소자 및 그 제조방법의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of a microvalve element and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

여기서 본 발명을 설명함에 있어 마이크로 밸브, 마이크로 공압 밸브, 공압식 마이크로 밸브, 개방형 공압식 마이크로 밸브는 모두 동일한 밸브를 말하고 있으며, 이하에서는 마이크로 밸브라 칭하기로 한다. In describing the present invention, a microvalve, a micropneumatic valve, a pneumatic microvalve, and an open pneumatic microvalve all refer to the same valve, hereinafter referred to as a microvalve.

또한 본 발명은 유체 누설을 차단하기 위하여 종래 마이크로 밸브의 구조 일부를 개선한 마이크로 밸브를 제안한 것이고, 이 둘의 성능은 여러 실험 비교를 통해 분석하고 있다. 따라서 이하에서는 비교 설명시에는 종래 마이크로 밸브와 본 발명 마이크로 밸브로 칭하여 설명하도록 한다. 아울러 종래 마이크로 밸브로 칭하지 않고 마이크로 밸브로 칭할 경우 상기 마이크로 밸브는 본 발명에 따른 마이크로 밸브를 지칭하는 것임에 유의하도록 한다. Also, the present invention proposes a microvalve in which a part of the structure of a conventional microvalve is improved in order to block leakage of fluid, and the performance of the two is analyzed through comparison of various experiments. Therefore, in the following description, a conventional microvalve and a microvalve according to the present invention will be described. It is noted that the microvalve is referred to as a microvalve according to the present invention when it is referred to as a microvalve without being referred to as a conventional microvalve.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 마이크로 밸브 소자의 사시도이고, 도 2는 도 1의 분리 사시도이다. FIG. 1 is a perspective view of a microvalve according to a preferred embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an exploded perspective view of FIG.

도 1 및 도 2를 살펴보면, 마이크로 밸브 소자(100)는 3개의 폴리디메틸 실록산(polydimethylsiloxane: PDMS) 층으로 구성된다. 즉 마이크로 밸브 소자(100)는 하부에서부터 유체 채널층(fluid channel layer)(110), 밸브 다이어프램(valve diaphragm layer)(120), 밸브 챔버층(valve chamber layer)(130)이 적층되어 구성된다.Referring to FIGS. 1 and 2, the microvalve element 100 is composed of three polydimethylsiloxane (PDMS) layers. That is, the microvalve element 100 includes a fluid channel layer 110, a valve diaphragm layer 120, and a valve chamber layer 130 stacked from the bottom.

유체 채널층(110)은 유체의 통로 역할을 하는 유체 채널(fluid channel)(112)이 형성되며, 상기 유체 채널(112)의 경로 중간에 유체 챔버(fluid chamber)(114)가 형성된다. 그리고 유체 채널(112) 및 유체 챔버(114)의 바닥면은 단면에서 봤을 때 모두 반원형상(semicircular)으로 형성된다. 본 실시 예에서 유체 챔버(114)의 직경은 650㎛이고 유채 채널(112)의 폭은 250㎛이다. The fluid channel layer 110 is formed with a fluid channel 112 serving as a passage for the fluid and a fluid chamber 114 is formed in the middle of the path of the fluid channel 112. And the bottom surface of the fluid channel 112 and the fluid chamber 114 are both semicircular when viewed in cross section. In this embodiment, the diameter of the fluid chamber 114 is 650 mu m and the width of the rapier channel 112 is 250 mu m.

밸브 챔버층(130)에는 밸브 챔버(valve chamber)(134), 그 밸브 챔버(134)의 일 측에 연결되는 공압 채널(pneumatic channel)(132)이 형성된다. 공압 채널(132)은 외부에서 압축 공기를 공급하는 채널로서, 상기 유체 채널(112)과는 직각 방향으로 형성된다. 본 실시 예에서 밸브 챔버(134)의 직경은 900㎛이고, 공압 채널(132)의 폭은 250㎛이다. The valve chamber layer 130 is formed with a valve chamber 134 and a pneumatic channel 132 connected to one side of the valve chamber 134. The pneumatic channel 132 is a channel for supplying compressed air from the outside, and is formed in a direction perpendicular to the fluid channel 112. In this embodiment, the diameter of the valve chamber 134 is 900 mu m and the width of the pneumatic channel 132 is 250 mu m.

유체 채널층(110)과 밸브 챔버층(130) 사이에 개재된 밸브 다이어프램('PDMS 다이어프램'이라고도 함)(120)은 압력 변화에 의해 유체 챔버(114) 방향으로 팽창하면서 유체 챔버(114)와 연결된 유체 채널(112)을 폐쇄시키는 역할을 한다. 즉, 마이크로 밸브 소자(100)는 외부에서 압축 공기가 공압 채널(132)을 통해 밸브 챔버(134)로 공급되면, 얇은 막으로 형성된 밸브 다이어프램(120)은 하방향(즉, 유체 챔버의 바닥 방향)으로 팽창하면서 유체 채널(112)을 폐쇄시키는 것이다. 이에 유체 채널(112)을 통해 흐르는 유체 흐름과 유체가 외부로 누설되는 것을 완벽하게 차단하게 된다. A valve diaphragm 120 (also referred to as a 'PDMS diaphragm') interposed between the fluid channel layer 110 and the valve chamber layer 130 is expanded in the direction of the fluid chamber 114 by a pressure change, And closes the connected fluid channel 112. That is, when the microvalve element 100 is externally supplied with compressed air through the pneumatic channel 132 to the valve chamber 134, the valve diaphragm 120 formed of a thin film is moved downward (i.e., in the direction of the bottom of the fluid chamber To close the fluid channel 112 while expanding. Thereby completely blocking the fluid flowing through the fluid channel 112 and the leakage of the fluid to the outside.

이는 종래 마이크로 밸브 소자와 본 발명의 마이크로 밸브 소자의 동작 예시도를 보인 도 3을 보면 알 수 있다. 도 3의 (a) 및 (b)는 종래 마이크로 밸브로서 단면에서 봤을 때 유체 챔버가 사각형상이다. 그래서 밸브 챔버의 팽창에 따라 밸브 다이어프램도 하 방향으로 팽창하게 되는데, 이 경우 유채 채널의 모서리 영역(A)은 구조적인 문제로 인해 차단하지 못함을 알 수 있다. 반면 도 3의 (c) 및 (d)을 보면, 밸브 챔버(134)의 팽창에 따라 밸브 다이어프램(120)은 유체 챔버(114)의 반원 형상과 일치하면서 팽창하게 된다. 그래서 밸브 다이어프램(120)은 유체 챔버(114)의 바닥면과 완벽하게 접촉하는 형태이고, 따라서 유체 챔버(114)의 양측과 연계된 유체 채널(112)이 모두 차단되는 효과를 제공할 수 있다. This can be seen from FIG. 3 showing an operation example of a conventional microvalve element and a microvalve element of the present invention. 3 (a) and 3 (b) show a conventional microvalve having a rectangular fluid chamber when viewed in section. Therefore, the valve diaphragm also expands in the downward direction due to the expansion of the valve chamber. In this case, it can be seen that the edge region A of the oil channel can not be blocked due to structural problems. 3 (c) and (d), the expansion of the valve chamber 134 causes the valve diaphragm 120 to expand in conformity with the semicircular shape of the fluid chamber 114. Thus, the valve diaphragm 120 is in perfect contact with the bottom surface of the fluid chamber 114, and thus can provide the effect that both fluid channels 112 associated with both sides of the fluid chamber 114 are blocked.

도 4는 본 발명에 따른 마이크로 밸브소자의 제조공정을 설명하는 공정도이다. 4 is a flow chart for explaining a manufacturing process of a microvalve according to the present invention.

(a)는 평편한 실리콘 웨이퍼(1)에 유체 챔버를 만들기 위한 성형물, 즉 SU-8 몰드(2)를 올려놓은 상태에서 그 위에 폴리디메틸 실록산(PDMS)(3)을 부어 경화시킨다. 실시 예에서 상기 PDMS(3)의 두께는 약 43㎛이다. (a), a polymethylsiloxane (PDMS) 3 is poured on a flat silicon wafer 1 in a state in which a molded product for forming a fluid chamber, that is, the SU-8 mold 2 is placed thereon and cured. In the embodiment, the thickness of the PDMS 3 is about 43 탆.

그 상태에서 (b)와 같이 상기 경화된 PDMS 층(3)을 SU-8(2)로부터 박리하면, SU-8(2)이 제거된 홈(4)이 형성된 PDMS 층(3)이 얻어지고, 이를 글래스 기판(glass substrate)(5)에 접합한다. 그런 다음, (c)에 도시된 바와 같이 상기 PDMS 층(3) 위에 액상의 PDMS(liquid PDMS)(6)을 제공한다. 이때 액상의 PDMS(6)는 상기 PDMS 층(3) 위에 놓여진 일련의 구조물(미도시) 내에 공급될 것이다.In this state, when the cured PDMS layer 3 is peeled off from the SU-8 2 as shown in FIG. 2B, the PDMS layer 3 having the grooves 4 from which the SU-8 2 is removed is obtained , And this is bonded to a glass substrate (5). Then, a liquid PDMS (6) is provided on the PDMS layer (3) as shown in Fig. At this time, the liquid phase PDMS 6 will be supplied in a series of structures (not shown) placed on the PDMS layer 3.

이후, 일련의 핫 플레이트(hot plate) 장치를 이용하여 상기 액상의 PDMS(6)을 경화시킨다. 열 경화과정은 100℃에서 약 30분간 진행시켰다. 그리고 상기 열 경화과정이 진행되면, (d)와 같이 홈(4)의 공간 내에 존재하는 포획된 공기의 열팽창에 따라 PDMS 층(3)은 화살표 방향과 같이 부풀리게 되어 도면부호 3'과 같이 된다. 그리고 상기 변형된 PDMS 층(3')의 변형된 형상은 액상의 PDMS(6)에 그대로 전이되고, 따라서 변형된 PDMS(6')가 형성된다. Thereafter, the liquid phase PDMS 6 is cured using a series of hot plate devices. The thermal curing process was carried out at 100 ° C for about 30 minutes. When the thermosetting process is performed, as shown in (d), the PDMS layer 3 is inflated as indicated by the arrow in accordance with the thermal expansion of the trapped air existing in the space of the groove 4, . And the deformed shape of the deformed PDMS layer 3 'is transferred directly to the PDMS 6 in the liquid phase, so that the deformed PDMS 6' is formed.

열 경화과정이 완료된 다음에는 글래스 기판(5)과 PDMS 층(3')을 제거하면 (e)와 같이 반원형상의 유체 챔버가 형성된 PDMS 층(7)을 얻을 수 있다. 그리고 추가적으로 유체 채널을 형성하는 과정이 더 수행된다. 유체 채널 역시 바닥면은 반원형상으로 형성된다. 본 실시 예에서 반원형상의 유체 챔버와 유체 채널의 높이는 각각 150㎛, 40㎛로 만들어진다. After the thermosetting process is completed, the glass substrate 5 and the PDMS layer 3 'are removed to obtain a PDMS layer 7 having a semicircular fluid chamber as shown in (e). And further forming a fluid channel is further performed. The fluid channel also has a semi-circular bottom surface. In this embodiment, the height of the semi-circular fluid chamber and the fluid channel is made to be 150 mu m and 40 mu m, respectively.

마지막으로 (e)의 PDMS 층, 즉 유체채널 층(110, 도 2 참조) 위에, 도 2에서 설명한 밸브 다이어프램(valve diaphragm layer)(120)과 밸브 챔버층(valve chamber layer)(130)을 결합한다. 2, a valve diaphragm layer 120 and a valve chamber layer 130 described in FIG. 2 are coupled to the PDMS layer, that is, the fluid channel layer 110 (see FIG. 2) do.

이로써, 마이크로 밸브 소자(100)를 제조할 수 있다. Thereby, the microvalve element 100 can be manufactured.

도 5a는 도 4의 방법으로 제조된 마이크로 밸브 소자의 유체 챔버 및 유체 채널을 보인 SEM 사진이고, 도 5b는 도 5a의 부분 확대도이다. 도 5a를 보면 위에서 설명한 바와 같이 유체 챔버(114)의 높이는 150㎛이고 유체 채널(112)의 높이는 40㎛로서 차이가 있음을 확인할 수 있다. 그리고 5b는 PDMS 패턴에 주름 패턴이 형성되고 있는데, 상기 주름 패턴은 상기 열 경화공정으로 인하여 액상의 PDMS가 수축되는 동안 PDMS에 작용하는 압축응력(compressive stress) 때문에 발생한다. FIG. 5A is a SEM photograph showing a fluid chamber and a fluid channel of a microvalve element manufactured by the method of FIG. 4, and FIG. 5B is a partial enlarged view of FIG. 5A. 5A, the height of the fluid chamber 114 is 150 μm, and the height of the fluid channel 112 is 40 μm, as described above. 5b, a wrinkle pattern is formed in the PDMS pattern. The wrinkle pattern is generated due to the compressive stress acting on the PDMS during the liquid-phase PDMS shrinkage due to the thermosetting process.

다음에는 종래 마이크로 밸브 소자와 본 발명의 마이크로 밸브 소자의 차이점에 대해 비교설명을 통해 더 자세하게 설명한다. Hereinafter, differences between the conventional microvalve element and the microvalve element of the present invention will be described in more detail with reference to comparative explanations.

도 6에는 종래 마이크로 밸브 소자와 본 발명의 마이크로 밸브 소자의 누설 상태를 보인 도면으로서, 도 6의 (a) 및 (b)는 종래 마이크로 밸브 소자이고, (c) 및 (d)는 본 발명의 마이크로 밸브 소자를 나타낸다. 6 (a) and 6 (b) are conventional microvalve elements, and FIGS. 6 (c) and 6 (d) are views showing the state of the microvalve according to the present invention Showing a microvalve element.

이를 보면, 종래 마이크로 밸브 소자는 유체 채널에서 유체 누설 현상이 발생하고 있으나, 본 발명의 마이크로 밸브 소자의 경우 유체가 완벽하게 차단되고 있음을 알 수 있다. 참고로, 도 6의 실험 조건은 외부에서 압축 공기를 100 kPa 압력으로 공급하였고, 이때 유체 누설 상태는 디지털 마이크로스코프(Hi-Rox, KH-7700) 및 유량센서(Sensirion, ASL 1600)를 통해 관찰하였다. In the conventional microvalve, fluid leakage occurs in the fluid channel, but the fluid is completely blocked in the microvalve of the present invention. 6, compressed air was supplied at a pressure of 100 kPa from the outside, and the fluid leakage state was observed through a digital microscope (Hi-Rox, KH-7700) and a flow sensor (Sensirion, ASL 1600) Respectively.

이처럼 본 발명의 마이크로 밸브 소자(100)에서는 밸브 다이어프램(120)에 의해 유체 채널이 완전하게 닫힌다는 것을 알 수 있는 것이다. As described above, it can be seen that the fluid channel is completely closed by the valve diaphragm 120 in the microvalve device 100 of the present invention.

도 7은 시간 대비 유량 분포를 보인 그래프로서, (a)는 종래 마이크로 밸브 소자이고 (b)는 본 발명의 마이크로 밸브 소자이다. 7 is a graph showing a flow rate distribution with respect to time, wherein (a) is a conventional microvalve element and (b) is a microvalve element of the present invention.

본 발명의 마이크로 밸브 소자가 종래 마이크로 밸브 소자보다 밸브의 온/오프 시간을 짧게 하면서도 대략 400 초까지 유량 감소가 크게 나타나고 있음을 알 수 있다. It can be seen that the microvalve element of the present invention significantly reduces the flow rate to about 400 seconds while shortening the on / off time of the valve compared to the conventional microvalve element.

도 8은 마이크로 밸브 소자들의 효율 특성을 보인 그래프이다. 8 is a graph showing the efficiency characteristics of the microvalve elements.

밸브 효율은 공급된 유량(Q) 대비 유량 차(△ Q)의 비율로 정의된다. 그리고 그래프와 같이 유량은 분당 200에서 500 ㎕까지 다양하게 공급되는 것을 예시하였다. The valve efficiency is calculated based on the flow rate difference (Q Q). As shown in the graph, the flow rate was varied from 200 to 500 μl per minute.

그래프를 보면, 도입 유량이 분당 200㎕인 경우 본 발명의 밸브 효율이 종래 밸브 효율보다 더 컸다. 즉, 외부 압력이 40kPa일 때 본 발명의 마이크로 밸브 소자는 97%이고 종래 마이크로 밸브 소자는 65%이다. 또한 본 발명이 밸브 효율이 빠르게 증가하고, 압력이 증가하면 포화상태가 되었다. 반면 종래 밸브의 효율은 서서히 증가하였고 포화상태가 되었다. 즉 종래 마이크로 밸브 소자는 적용된 압력 범위 내에서 100% 효율을 달성하기 어려웠다. 유량이 증가할수록 본 발명의 밸브 효율은 더 낮은 압력하에서 종래 밸브보다 낮았지만 압력이 증가할수록 본 발명의 밸브 효율은 훨씬 더 크게 나타나고 있음을 알 수 있다. In the graph, the valve efficiency of the present invention was larger than the conventional valve efficiency when the introduced flow rate was 200 mu l / min. That is, when the external pressure is 40 kPa, the microvalve element of the present invention is 97% and the conventional microvalve element is 65%. Also, the present invention is saturated when the valve efficiency increases rapidly and the pressure increases. On the other hand, the efficiency of the conventional valve gradually increased and became saturated. That is, the conventional microvalve element has difficulty achieving 100% efficiency within the applied pressure range. As the flow rate increases, the valve efficiency of the present invention is lower than that of conventional valves at lower pressures, but it can be seen that the valve efficiency of the present invention becomes much larger as the pressure increases.

도 9는 다양한 압력하에서 밸브 다이어프램의 수직 변위를 보여주는 그래프이다. Figure 9 is a graph showing the vertical displacement of the valve diaphragm under various pressures.

종래 밸브의 변위는 유체 채널과 챔버 영역의 깊이에 의해 제한받고 있다. 따라서 종래 밸브 다이어프램은 20kPa의 압력이 적용되는 경우에도 변형이 일어나고 유체 챔버의 중심과 접촉한다. 그리고 압력이 증가하면 그 접촉 영역은 팽창하지만, 유체 챔버 영역을 완전하게 폐쇄하지 못하고 있다. The displacement of conventional valves is limited by the depth of the fluid channel and chamber area. Therefore, the conventional valve diaphragm deforms even when a pressure of 20 kPa is applied, and contacts the center of the fluid chamber. And as the pressure increases, the contact area expands but fails to completely close the fluid chamber area.

그러나 본 발명의 밸브는 압력이 커질수록 밸브 다이어프램은 완전하게 팽창하고 있다. 이에 변형된 밸브 다이어프램은 유체 채널의 경계면과 유체 채널의 상부를 모두 덮게 된다. 그렇기 때문에 유체 채널을 차단할 수 있다. However, as the pressure of the valve of the present invention increases, the valve diaphragm is fully expanded. The modified valve diaphragm covers both the interface of the fluid channel and the top of the fluid channel. Therefore, the fluid channel can be blocked.

이와 같이 본 실시 예는 유체 챔버의 바닥면을 반원 형상으로 형성시켜서 압축공기가 공급될 때 밸브 챔버의 팽창 동작과 대응되어 하방향으로 팽창되는 밸브 다이어프램에 의해 유체 채널이 차단되도록 구성됨을 기술적 요지로 제공한다. As described above, according to the present embodiment, the bottom surface of the fluid chamber is formed in a semicircular shape so that the fluid channel is blocked by the valve diaphragm expanding in the downward direction corresponding to the expansion operation of the valve chamber when the compressed air is supplied. to provide.

이상과 같이 본 발명의 도시된 실시 예를 참고하여 설명하고 있으나, 이는 예시적인 것들에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 요지 및 범위에 벗어나지 않으면서도 다양한 변형, 변경 및 균등한 타 실시 예들이 가능하다는 것을 명백하게 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적인 사상에 의해 정해져야 할 것이다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, It will be apparent that modifications, variations and equivalents of other embodiments are possible. Therefore, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.

110 : 유체 채널층 112 : 유체 채널
114 : 유체 챔버 120 : 밸브 다이어프램
130 : 밸브 챔버층 132 : 공압 채널
134 : 밸브 챔버110: fluid channel layer 112: fluid channel
114: fluid chamber 120: valve diaphragm
130: valve chamber layer 132: pneumatic channel
134: valve chamber

Claims (11)

유체 채널 및 유체 챔버가 형성된 유체 채널층;
상기 유체 채널층 위에 적층된 밸브 다이어프램; 및
상기 밸브 다이어프램 위에 적층되며 공압 채널과 밸브 챔버가 형성된 밸브 챔버층을 포함하는 마이크로 밸브 소자.A fluid channel layer formed with a fluid channel and a fluid chamber;
A valve diaphragm stacked on the fluid channel layer; And
And a valve chamber layer overlying the valve diaphragm and having a pneumatic channel and a valve chamber formed therein. 제 1 항에 있어서,
상기 유체 채널층, 상기 밸브 다이어프램 및 상기 마이크로 밸브 소자는 폴리디메틸 실록산(polydimethylsiloxane: PDMS)으로 제조되는 것을 특징으로 하는 마이크로 밸브 소자. The method according to claim 1,
Wherein the fluid channel layer, the valve diaphragm and the microvalve element are made of polydimethylsiloxane (PDMS). 제 1 항에 있어서,
상기 유체 채널 및 상기 유체 챔버는 바닥면이 반원형상(semicircular)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 밸브 소자. The method according to claim 1,
Wherein the fluid channel and the fluid chamber are formed semicircularly on the bottom surface. 제 1 항에 있어서,
상기 유체 채널의 직경보다 상기 밸브 채널의 직경이 더 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 밸브 소자. The method according to claim 1,
Wherein a diameter of the valve channel is larger than a diameter of the fluid channel. 제 4 항에 있어서,
상기 유체 채널 및 상기 밸브 채널의 직경은 각각 650㎛, 900㎛이고,
상기 유체 채널과 공압 채널의 폭은 250㎛으로 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 밸브 소자. 5. The method of claim 4,
The diameter of the fluid channel and the diameter of the valve channel are 650 μm and 900 μm, respectively,
Wherein the fluid channel and the pneumatic channel have a width of 250 mu m. 제 5 항에 있어서,
상기 유체 채널과 상기 공압 채널은 서로 수직되게 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 밸브 소자. 6. The method of claim 5,
Wherein the fluid channel and the pneumatic channel are formed perpendicular to each other. 제 1 항에 있어서,
상기 공압 채널을 통해 압축공기가 유입되면, 상기 밸브 챔버의 팽창에 따라 상기 밸브 다이어프램의 한쪽 면이 상기 유체 채널의 바닥면과 접촉하여 상기 유체 채널을 차단하는 것을 특징으로 하는 마이크로 밸브 소자. The method according to claim 1,
Wherein one side of the valve diaphragm contacts the bottom surface of the fluid channel to block the fluid channel when the compressed air flows through the pneumatic channel. 실리콘 웨이퍼에 성형물을 올려놓고 폴리디메틸 실록산(PDMS)을 소정 두께로 부어 경화시키는 단계;
상기 성형물에서 이격된 홈이 형성된 PDMS와 글래스 기판(glass substrate)을 접합하는 단계;
상기 PDMS 위에 액상의 PDMS을 제공하고 열 경화시키는 단계;
상기 열 경화에 따라 반원형상의 유체 챔버가 형성된 PDMS을 유체 채널층으로 획득하는 단계; 및
상기 유체채널 층 위에 밸브 다이어프램과 밸브 챔버층을 결합하는 단계를 포함하는 마이크로 밸브 소자의 제조방법. Placing a molded product on a silicon wafer and pouring polydimethylsiloxane (PDMS) to a predetermined thickness to cure the product;
Bonding a PDMS having grooves spaced apart from the molded product to a glass substrate;
Providing PDMS with liquid phase PDMS and thermally curing the PDMS;
Obtaining a PDMS having a semi-circular fluid chamber according to the thermal curing as a fluid channel layer; And
And combining the valve diaphragm and the valve chamber layer over the fluid channel layer. 제 8 항에 있어서,
상기 유체 챔버에 반원형상의 유체 채널을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 밸브 소자의 제조방법. 9. The method of claim 8,
Further comprising forming a semicircular fluid channel in the fluid chamber. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI > 제 9 항에 있어서,
상기 유체 챔버와 유체 채널의 높이는 각각 150㎛ 및 40㎛로 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로 밸브 소자의 제조방법. 10. The method of claim 9,
Wherein the fluid chamber and the fluid channel have heights of 150 占 퐉 and 40 占 퐉, respectively. 제 8 항에 있어서,
상기 열 경화과정은 100℃에서 약 30분간 진행하는 것을 특징으로 하는 마이크로 밸브 소자의 제조방법. 9. The method of claim 8,
Wherein the thermosetting process is performed at 100 DEG C for about 30 minutes.
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