This paper presents a design, fabrication and performance test of microdiffuser. Especially, this paper experimentally characterize a bidirectional oscillating dynamic flow in the microdiffuser.
In the theoretical analysis, we make a hypothesis such as a major parameter which is affected to the microdiffuser performance is a boundary layer thickness. We use Stokes' second problem in order to estimate the boundary layer thickness. On these basis, we design two kinds of microdiffusers which have 100㎛-neck width (D100) and 300㎛-neck width (D300), respectively.
In the fabrication process, we use the micromachining process in order to define microdiffuser channel. We assembled these microdiffusers with $Pyrex^®$ glass, polymer film, piezoelectric actuator and pressure sensor array in order to set up the experimental apparatus.
In the experimental study, we measure the net flow rate and the pressure in the chamber. The D100 and D300 have a maximum net flow rate 116.6㎕/min and 344.4㎕/min at $100V_{p-p}$, 50Hz sinusoidal actuation, respectively. In order to verify the dynamic flow characteristics, we estimate the net flow rate using the measured pressure difference and calculate the ratio the measured net flow rate to estimated net flow rate. For the D100, we find the ratio as 0.465 ± 0.0623. However, the case of D300, the ratio decreases above 90Hz, at which frequency microdiffuser neck width becomes almost twice of the boundary layer thickness. Thus, we conclude that the microdiffuser performance as a valve decreases when the microdiffuser neck width becomes lager than twice of the boundary layer thickness.
본 논문에서는 마이크로디퓨저를 설계, 제작하고 성능 실험을 하였다. 특히, 마이크로디퓨저내에서 양방향으로 진동하는 유체에 대해 실험적으로 특성을 알아보았다.
이론적 해석에서는 마이크로디퓨저의 성능의 주된 변수는 경계층의 두께라고 가정하였다. 경계층의 두께를 예측하기 위하여 Stokes 2차 방정식을 이용하였다. 이를 바탕으로 하여 목너비가 100㎛인 마이크로디퓨저(D100)와 300㎛인 마이크로디퓨저(D300)를 설계하였다.
제작공정에서 마이크로머신닝 공정을 이용하여 마이크로디퓨저를 제작하였다. 실험장치의 구성을 위하여 제작된 마이크로디퓨저를 파이렉스® 유리, 폴리머 박막, 압전구동소자, 압력센서와 결합하였다.
성능실험에서 순유량과 압력을 측정하였다. D100과 D300은 각각 $100V_{p-p}$ 정현파 구동의 경우 50Hz에서 분당 최고 116.6㎕/min와 344.4㎕/min의 최고 순유량치를 가졌다. 마이크로디퓨저의 동적유동특성을 알아보기 위하여 측정된 압력차를 이용하여 마이크로디퓨저의 순유량을 예측하고 측정된 순유량의 예측 순유량에 대한 비를 구하였다. D100 의 경우 비는 0.465 ± 0.0623의 값을 나타내었다. 그러나, D300의 경우 비는 마이크로디퓨저의 목너비가 경계층의 두께의 2배가 되는 90Hz 이상에서 감소하였다. 따라서, 마이크로디퓨저의 목너비가 경계층 두께의 2배보다 크게 되는 경우 마이크로 디퓨저의 마이크로펌프내에서의 밸브로서의 성능이 저하된다는 결론을 얻었다.
