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M I C R O P U M P

Electrostatic Micropump

Micro Systems Lab. in AJOU UNIVERSITY

Fabrication and Test Electrostatic Actuation of Thin Diaphragms
G. Y. Kwon and S. S. Yang

ABSTRACT
This paper presents the fabrication of a micropump and characterizations of an actuator which can be used instead of conventional passive valves for the medication of hydrocephalus. The electrostatic micropump which has concave curved electrodes and diaphragms is more appropriate than any other actuator types because of the low voltage constraint for implantation. The micropump has three actuator diaphragms which can be actuated seperately to make peristaltic pumping. The micropump is composed of three parts - top substrate for making a cavity, a middle substrate having three actuation diaphragms and a bottom substrate having three concave counter electrodes. The top substrate has a access holes for recovering of the diaphragm. This is sealed with epoxy while actuating two diaphragms are actuated down to the electrodes. The middle substrate has parylene diaphragms which have water-proof and have low Young's modulus. The parylene diaphragms are fabricated as four types which are the flat diaphragm, the three corrugated diaphragms with the radial, spiral and circular shape corrugation. The bottom PDMS substrate has conduits and curve-shaped aluminium electrode corresponding to the middle substrate's aluminium electrodes on parylene diaphragms. The cavity above parylene diaphragm is filled with the air and the opposite is conduits pumped the liquid. The lenth and width of the micropump is 22 ㎜ and 10 ㎜. also, the thickness is 3 ㎜.
The electrostatic micropump is fabricated using Si anisotrophic wet etch, SU8 photolithgraphy, PDMS molding and parylene deposition. The static characteristics of the diaphragm are obtained by measuring the diaphragm deflection while various pressures are applied to the diaphragm with a water column. The dynamic characteristics are obtained for the flat diaphragm and the three corrugated diaphragms with the different concave chamber depths. When the sinusoidal input of AC 100 V at 1 Hz was applied to the actuator with 48 ㎛ deep concave chamber, the flat diaphragm deflected by 5 ㎛, the corrugated diaphragms deflected 25 ㎛ and 23 ㎛, respectively, for the spiral and circular types. The cutoff frequency of the diaphragms with the spiral dorrugation and the circular one are 10 Hz and 50 Hz, respectively. When the concave chamber depth are 48 ㎛ and 65 ㎛, The diaphragm with the circular corrugation deflected 23 ㎛ and 15 ㎛, respectively.

KOREAN ABSTRACT

Micro Systems Lab. in AJOU UNIVERSITY

최근 MEMS기술의 발달과 더불어 마이크로 펌프, 마이크로 밸브와 같은 미세 유량 제어의 유체 소자에 대한 개발이 진행되고 있다. 마이크로 펌프는 마이크로머시닝 기술을 이용해서 크기의 소형화를 구현할 수 있고, 반도체 공정을 이용하여 일괄 공정이 가능하며, 수～수백 ㎕/min의 미소 유량의 정확한 조절이 가능하다. 현재 주로 개발되고 있는 마이크로 펌프는 정전형 [1,2], 압전형[3], 열공압형[4], 상변화형[5], 전기 분해형[6], EHD[7], 전자 구동형 방식들이 대표적이다. 열공압형과 상변화형, 전자 구동형 등은 구동 시 내부에 열이 발생하며, 이는 마이크로 펌프의 응용 범위에 제약을 받는다. 마이크로 펌프의 성능은 구동기 박막의 재질과 크기, 그리고 구동력에 의하여 제한된다. 또한 압전형 구동의 경우 주요 결점은 100 V이상의 높은 구동 전압이 필요하며, 10 Hz이하의 저 주파수 범위에서 동작하기 어렵다[8]. 정전형 구동기의 가장 큰 약점은 큰 구동 전원을 필요로 한다는 것이다. Cabuz 등은 기계가공 기법을 이용하여 곡면 대면 전극을 만들고, 좌굴이 있는 KAPTON 박막을 이용한 저전압, 저전력의 정전력의 마이크로 가스 펌프를 구현하였다[9].
본 연구는 수두증 환자의 치료를 위한 인체삽입형 VP 션트 시스템 중 뇌척수액의 일종인 CSF 유체를 복강으로 보내주는 정전형 유체 펌프에 관한 것이다. 정전형 마이크로펌프는 복잡한 구동원이나 구동 회로를 필요로 하지 않으며, 밸브를 필요로 하지 않는 양방향형 연동 구동방식을 사용하고, 저전압의 구동이 가능하도록 곡면 형상의 대면 전극과 다양한 모양의 주름을 가지는 정전형 마이크로 구동기를 제작하였다. 또한, 기존의 대부분의 펌프들에 사용된 실리콘이나 금속 같은 강성이 큰 재료 대신, 방수성과 낮은 영률의 평평한 파릴린 박막을 구동 박막으로 사용하였다. 파릴린 박막은 탄성계수가 4.5 GPa로서 작고, 방수성이 있으며(water absorptivity(%) <0.01 in water at 60℃), 금속의 증착과 패턴이 가능하고, 유전강도가 240～250 V/m로 KAPTON 박막보다 다소 높다.
구동기는 전극이 형성된 구동박막과 저전압의 정전구동이 가능한 부드러운 곡면를 가지는 하부전극으로 나뉘어져 제작된다. 구동박막의 기판은 실리콘, 하부전극의 기판은 금속이 증착된 PDMS(polydimethylsiloxane)으로 제작하였다. 하부기판의 전극은 두꺼운 감광제(AZ 4620)를 열처리하여 곡면 형상을 만들고, PDMS로 몰딩하고, 파릴린과 Al을 증착해서 제작하였다.
제작한 구동박막기판과 상부?하부 기판을 결합함으로써 마이크로 펌프가 이루어진다. 그림 1은 마이크로 펌프의 전체 구조도이다. 구동 박막 위의 공동은 밀봉된 공기로 채워지고 아래의 공동은 펌핑될 유체의 유로가 된다.

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권기영, 이상우, 양상식, “파릴린 구동박막을 갖는 정전형 연동 구동방식 마이크로펌프의 제작," 제2회 MEMS 학술대회 논문집, 대한기계학회, pp.205-209, 2000.04.