The thesis presents 4-bit high accuracy microflow controllers using microfluidic digital-to-analog converters. The fabricated microflow controllers are composed of four microchannels with binary-weighted flow resistance. These microchannels are opened and shut by digitally actuating valves for generating a high accurate flow rate. The flow resistance of each microchannel is adjusted by the series connection or parallel connection of unit fluidic resistors in order to reduce the effect of micromachining error.
We design three types of microflow controllers including prototype S, prototype P, and prototype V using a CFD program, $Fluent^®$ 5.5 and fabricate the microflow controllers by micromachining.
We measure the flow rate and the pressure drop of the fabricated microflow controllers at constant pressure and pulsating pressure. At constant pressure of 2kPa, prototype S, P, and V show the maximum flow rate error of 7.5%, 6.2%, 22.5% and DNL of 0.28 0.27, 0.94, respectively. The negative pressure flow control shows the same tendency as the positive pressure flow control when negative pressure of -2kPa is applied. At pulsating pressure with constant pressure offset of 2kPa, $P_{p-p}$ of 0.87kPa, and frequency of 6.5Hz, the measured flow rate at pulsating pressure coincides with the flow rate at constant pressure that has average magnitude of pulsating pressure within 5% error.
We find that fabricated microflow controllers using fluidic digital-to-analog converters show more accurate flow rate control than conventional analog microflow controllers and control flow rate in $2^N$ levels with N valves. We verify experimentally that flow resistance control by the series or parallel connection of unit fluidic resistors reduces the effect of micromachining error.
본 논문에서는 고정도 미소유량 제어를 위하여 유체역학적인 디지털-아날로그 변환소자를 이용한 미소유량조절기를 설계, 제작하고 그 성능을 측정하였다. 본 논문의 미소유량조절기에서는 4비트 2진 가중형 디지털-아날로그 변환기의 개념을 모사하여 4개 미소유로의 유동저항이 2진 가중형태가 되게 하고 이를 디지털 방식으로 단속하였다. 각 유로의 유동저항은 미소가공시 발생하는 가공오차의 영향력을 줄이기 위해 유로내부에 동일 유동저항을 갖는 단위 유체저항요소의 직렬, 병렬연결을 통하여 조절하였다.
시제품 S, P, V 등 세가지 종류의 미소유량조절기를 $Fluent^®$ 5.5를 사용하여 설계하였고 마이크로머시닝 공정을 이용하여 제작하였다.
성능실험에서는 제작된 미소유량조절기에 대하여 상압력 및 맥동압력상태에서 입력압력과 출력유량의 관계를 측정ㆍ분석 하였다. 2kPa의 상압력상태에서 시제품 S, P, V는 각각 7.5%, 6.2%, 22.5%의 최대유량오차와 0.28, 0.27, 0.94의 미분 비선형도를 보였다. 0~5kPa 범위의 압력범위에서 유량과 압력의 선형성을 보였고, -2kPa의 음압이 발생한 경우에도 양압이 발생했을 때와 같은 동작특성을 보임을 확인했다. 또한 맥동압력상태에서의 유량은 맥동압력의 평균크기를 갖는 상압상태에서의 유량과 일치함을 확인하였다.
유체 디지털-아날로그 변환소자를 이용한 미소유량조절기는 기존의 아날로그 방식의 미소유량조절기에 비해 미소유량조절의 정확도를 향상시킬 수 있고 N개의 밸브에 의해 $2^N$ 개의 유량조절 단계를 가지는 것을 실험적으로 확인하였다. 또한 유동저항을 정의할 때, 동일 유동저항을 가지는 단위 유체저항요소를 직렬 또는 병렬로 연결하여 유동저항을 조절하는 방법이 미소가공시 발생하는 가공오차의 영향력을 줄일 수 있음을 입증하였다.
