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B I O M E D I C A L A P P L I C A T I O N

Micro Syringe

Micro Systems Lab. in AJOU UNIVERSITY


Fig. 1. The photograph of the glass type microsyringe.	Fig. 2. The photograph of the silicon type microsyringe.

In Vitro Test of a Micro syringe Fabricated for the Intravascular Injection
G. Y. Kim, W. Y. Sim, S. W. Lee, and S. S. Yang

ABSTRACT
This paper presents the fabrication of a micro injector which can be attached to the edge of micro intravascular endoscope. The injector is actuated by the bubbles which are generated by boiling or the electrolysis of the electrolyte. The micro injector injects some liquid drug of a few micro-liters through a nozzle. The injector is fabricated by the micromachining, and can be used in the intravascular injection. The structure of the micro injector is shown in Fig. 1. The micro injector consists of two glass substrates and one silicon wafer as shown in Fig. 1(a). Fig. 1(b) shows a top view of the silicon structure to which silicone rubber is attached. Fig. 1(c) shows the layout of the Cr/Au electrodes and heater. There are two chambers. One below the silicone rubber is filled with water or an electrolyte. In the other chamber, liquid drug to be injected is filled. The injector can be actuated in two ways. If the input voltage is applied between two terminals A and B, the liquid in the lower chamber is heated and bubbles are generated. If the input voltage is applied between two terminals B and C, gases are generated in the lower chamber due to the electrolysis of the electrolyte. In both cases, the pressure increase in the lower chamber pushes up the silicone rubber and the liquid drug is injected. The fabrication process of the micro injector is shown in Fig. 2. First, the p+ silicon diaphragm is fabricated. The front side of silicon wafer is etched with an anisotropic etchant. After the boron deposition is performed, the backside is etched to fabricate the p+ silicon diaphragm. The upper chamber and the injector nozzle of a V-groove structure are fabricated at this time. A silicone rubber is coated 30 ㎛ thick on the diaphragm by the spin coating. The Cr/Au electrode is deposited on a pyrex glass substrate. Two holes with which the operating liquid is filled are made through this pyrex glass by the electrochemical discharge machining. After bonding this pyrex glass and the silicon wafer, the p+ silicon layer is removed by an isotropic etchant. The micro injector is completed by bonding this actuator and a cover glass(Knittel) with epoxy resin. The photograph of the actuator before the cover glass bonding is shown in Fig. 3. The characteristic test of the micro injector includes the silicone rubber deflection test and the injection volume test. Fig. 4 shows the measured the center deflection of the membrane by the boiling vs. the various input voltage applied for 10 sec, when D.I. water or methanol is filled in the lower chamber. Methanol makes larger deflection than D.I. water for the input voltage larger than 7 V. Fig. 5 shows the bubbles generated by the electrolysis of water when the applied voltage is 6 V. Fig. 6 shows the measured center deflection of the membrane actuated by the electrolysis of water. The higher the input voltage, the larger the deflection. The membrane deflection saturates in about 3 seconds. Fig. 7 shows the photograph of the liquid injection by the electrolysis of water to 10 V DC input. Fig. 8 shows the volume injected by the electrolysis for 10 V DC input. The sodium chloride solution injects faster and more than water. From the test results, it can be concluded that the electrolysis is suggested in actuating the injector and the sodium chloride is the adequate electrolyte for fast injection and water for slow injection.

Fig. 3. The structure of the micro syringe.

Fig. 4. The layout of the bottom substrate.


Fig. 5. The photograph of the micro syringe attached to a catheter.	Fig. 6. The micro syringe which is ejecting the red ink.

KOREAN ABSTRACT

Micro Systems Lab. in AJOU UNIVERSITY

본 연구에서는 혈관 내시경에 장착되어 약물 등을 주사하는 초소형 주사기 를 제작하고 그 특성시험 결과를 보여준다. 초소형 주사기는 주사액이 채워지는 상부 공동과 전해액이 채워지는 하부 공동으로 이루어지고 그 사이에 실리코운 러버 막이 있다. 초소형 주사기의 구동은 비등 방식과 전기분해 방식에 의해 작동되며 주사기는 노즐을 통하여 수 마이크로 리터의 약물을 분사한다. 비등방식으로 상부 공동에 약물을 충전하고 전기분해 방식으로는 약물을 주사한다. 비등 방식은 히터에서 발생되는 열로 하부 공동의 작동액을 기화시켜 생기는 압력으로 실리 코운러버 막을 팽창시키는 것이고 전기분해 방식은 작동액의 전기분해시 발생되는 기체 압력을 이용한다. 또한, 낮은 압력에서도 큰 박막 변위를 얻기 위하여 고신축성의 실리코운러버를 사용한다. 초소형 주사기는 이방성 식각법, 고농도 붕소 확산 공정과 금속 증착공정 등을 이용하여 제작된다. 외부와의 결선을 위한 입력 단자부를 제외한 초소 형 주사기의 전체 크기는 1 × 0.93 × 9 ㎜3이다. 구동기의 박막 변위시험 은 비등 방식과 전기분해 방식에 대하여 각각 시험한다. 비등 구동에는 작동 액으로는 증류수와 메탄올이 사용되고, 전기분해 구동에는 물과 염화나트륨 수용액 (26.3 wt %)이 사용된다. 증류수와 메탄올의 비등 구동시 인가 전압 이 10 V에서 박막 중심의 최대 변위는 각각 12 ㎛ 와 43 ㎛ 이었다. 물의 전기분해 구동시 인가 전압이 10 V에서 박막 중심의 최대 변위는 각각 68 ㎛ 이었고 염화나트륨의 경우 측정시스템의 최대 변위인 200 ㎛를 초과하였 다. 초소형 주사기의 주사량은 유로가 연결된 주사기와 작동시 녹화된 비디 오 화면으로 측정된다. 물의 전기분해시 총 주사량은 20 초 후 0.16 ㎕이고 염화나트륨 수용액의 전기분해시 총 주사량은 20 초 후 0.74 ㎕이다. 실험 결과는 염화나트륨 수용액의 전기분해에 의한 구동이 초소형 주사에 효과적 임을 보여준다.

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