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M I C R O P U M P

Phase-change type Micropump

Micro Systems Lab. in AJOU UNIVERSITY

The Fabrication and Test of a Phase-change Micropump for the Biomedical Application
W. Y. Sim, H. J. Yoon, and S. S. Yang

ABSTRACT
In this research, a phase-change type micropump with aluminum flap valves has been developed and tested which can be employed for biomedical microsystems. This micropump consists of a pair of Al flap valves and a phase-change type actuator. The actuator is composed of a heater, a silicone rubber diaphragm and a working fluid chamber. The diaphragm is actuated by the vaporization and the condensation of the working fluid. The micropump is fabricated by using a micromachining technology. The forward flow rate of the normally closed passive valves is proportional to the pressure difference, and the backward leakage flow is negligible. The characteristics of the flap valves illustrate the appropriateness as a check valve. When the square wave input voltage of 10 V, 60 % duty ratio and 0.5 Hz is applied to the heater, the maximum flow rate of the micropump is 6.1 ㎕/min for zero pressure difference. The flow rate versus back pressure has been measured. When the back pressure is 100 Pa (1 cm water column), the flow rate of the micropump is 0 ㎕/min. The temperature of the micropump has been measured for thermal effect.

KOREAN ABSTRACT

Micro Systems Lab. in AJOU UNIVERSITY

최근 미량의 액체 표본으로 여러 병소의 감염을 테스트하고, 분석할 수 있는 면역분석기가 필요해 짐에 따라 마이크로머시닝기술을 이용하여 면역분석장치를 소형화하는 연구가 이루어지고 있다. 초소형 면역분석장치는 분석 대상 액체를 정량적으로 공급하는 펌프와 밸브, 반응액과 혼합하는 혼합부, 항원항체반응을 검출할 수 있는 검출부로 구성된다. 정량적 분석을 위하여 대상 액체의 유량을 정확하게 조절하고 역류 및 손실을 최소로 하는 마이크로 펌프와 밸브가 필수적이다.
지금까지 마이크로머시닝 기술과 접합기술을 이용한 정전형[1], 압전형[2], 열공압형[3,4,5], EHD (Electro-hydro- dynamic)[6], SMA (Shape Memory Alloy)[7], 전기분해형[8,9], 비등형[10] 등과 같은 여러 구동 방식을 갖는 마이크로 펌프에 대한 연구가 활발히 수행되고 있다. 정전형과 압전형 구동 방식은 응답 속도가 빠르고, 인가전압을 통해 변위를 제어할 수 있어 토출 유량을 쉽게 조절할 수 있으나 변위가 작고 높은 전압이 필요하다. 열공압형과 비등형 구동 방식은 구동할 때 발생되는 열로 인해 펌프 자체의 온도가 상승하는 단점이 있지만 비교적 다른 구동 방식에 비해 구동 전압이 낮고, 액추에이터의 변위가 큰 장점이 있다. 특히, 참고문헌[13]에서는 실리코운 러버막을 이용하여 비등형 구동기를 제작하고, 입력 전압에 따른 시간 응답과 주파수 응답을 실험적으로 얻었으며, 박막의 변형으로 인한 부피 변화가 매우 큼을 보였다. EHD 구동 방식은 작고 단순한 구조로 제작 가능하나 펌핑될 유체의 점성, 유전성 등의 물성에 제한이 있다. SMA 구동 방식은 응답 속도가 느리며 일괄 공정에 적합하지 않다. 전기분해형 구동 방식은 전해액의 전기 분해를 통하여 발생된 기체 압력을 이용하여 구동하므로 비교적 낮은 인가 전압으로 큰 변위를 낼 수 있으며 유량 제어가 수월하다. 그러나, 전극이 산화되기 쉬우므로 장시간 구동하는 펌프에는 부적합하다. 일반적으로 밸브는 능동형과 수동형으로 구분되며 능동형 밸브는 유체의 흐름을 정밀하게 제어할 수 있지만 구조와 제작 공정이 복잡하다[11]. 이에 반해 수동형 밸브는 유체의 압력 차에 의해 유량이 결정되며 구조가 간단하고 제작이 용이하다[7].
본 논문에서는 수 ㎕의 액체 시료를 정량적으로 공급하고 제어할 수 있으며 초소형 면역 분석기에 집적화가 가능한 마이크로 펌프 및 역류를 방지하는 밸브를 제작하고 시험한 결과를 보여준다. 마이크로 펌프의 구동 방식으로는 낮은 전압으로 큰 구동력과 변위를 낼 수 있으며, 구조와 제작 공정이 간단한 상변화 구동 방식을 채택하였다. 밸브는 알루미늄으로 제작되는 한 쌍의 수동형 플랩 밸브로 제작하였다. 구동기에 사용되는 막으로는 작은 구동력에도 큰 변형을 얻기 위하여 고 신축성의 실리코운 러버를 사용한다.

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심우영, 이상우, 양상식, "비등 방식 및 SPE를 이용한 전기 분해형 마이크로 구동기의 제작 및 시험," 대한전기학회 MEMS연구회 학술발표회, 대한전기학회, pp.261-270, 1998.04.
이상우, 심우영, 양상식, "알루미늄 플랩 밸브와 상변화 구동 마이크로 펌프의 제작," 1998년도 대한전기학회 추계학술대회, 대한전기학회, C, pp.1023-1025, 1998.11.
심우영, 이상우, 양상식, “상변화 구동 방식 마이크로 펌프의 제작 및 시험,” 대한전기학회 논문지, 49C권 6호, pp. 360-366, 2000. 6.
H. J. Yoon, W. Y. Sim, S. S. Yang, “The Fabrication and Test of a Phase-change Micropump,” 2001 ASME International Mechanical Engineering Congress & Exposition (IMECE 2001), New York, U.S.A., 2001.11.
W. Y. Sim, H. J. Yoon, O. C. Jeong and S. S. Yang, "A phase-change type micropump with aluminum flap valves," Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol. 13, No. 2, pp. 286-294, 2003. 3.