Flapper-nozzle Valve Fabrication Using Silicon Micromachining and Flow Characterization

실리콘 마이크로머시닝을 이용한 플래퍼-노즐 밸브의 제작 및 특성 실험

One of the concerns in micro fluidic valve designs is that of reverse direction leakage. This paper designs and fabricates a new fluidic valve to achieve zero leakage. The design uses flapper and nozzle elements. In the forward direction the working fluid pushes the flapper upward to allow flow. In the reverse direction, the flapper pushes against the orifice seat, and thus, no flow can be generated, unless the flapper or nozzle element breaks. The nozzle element fabrication involves fabricating an orifice by wet etching of (100) wafer, The flapper element fabrication involves $20{\mu}m$ deep patterning of the negative image of the flapper, followed by wet etching from backside. Flow experiments were conducted with DI water as the working fluid, and the results are compared to analytical predictions. The results show that the developed flapper-nozzle valve achieves a true diodic flow characteristic.

실리콘 공정을 이용하여 마이크로 밸브(valve)를 제작할 때에 역방향 누설 유량은 중요한 문제중 하나이다. 본 논문에서는 플래퍼(flapper)와 노즐(nozzle)을 이용하여 누설 유량이 없는 마이크로 밸브를 설계하고, 실리콘 공정을 이용하여 제작하였다. 제작된 마이크로 밸브의 작동원리는 정방향 압력이 가해질 때에는 유체의 압력이 플래퍼를 위로 밀어서 유체를 흐르게 하고, 역방향 압력이 가해질 때에는 플래퍼를 밀지만 이때는 노즐의 입구에 의해 지지되므로 플래퍼나 노즐이 깨지지 않는 한 유체가 흐를 수 없게 된다. 노즐은 (100) 웨이퍼를 습식식각하여 제작하였고, 플래퍼는 역형상을 $20{\mu}m$만큼 플라즈마 식각장비(RIE)로 수직 식각한 뒤 뒷면에서부터 습식식각을 하여 제작하였다. 제작된 마이크로 플래퍼-노즐 밸브의 정적특성을 해석하였고, 순수를 사용한 실험결과와 비교하였다. 실험결과는 제작된 마이크로 플래퍼-노즐 밸브가 완전한 다이오드적인 특성을 가진다는 것을 보여 주었다.