We present microelectrofluidic benches for modular fluidic and electrical interconnections. Previous methods are based on fluidic interconnection only by anodic bonding, tubing, and mechanical interlocking and involve high bonding temperature as well as large tubing waste volume. The present microelectrofludic benches have achieved fluidic and electrical interconnections with reasonable interconnection resistance in room temperature and reduced tubing waste volume into 3.14㎕.
We design the microelectrofludic bench and the device-chip with respect to existing microfludic devices. Fluidic and electrical resistance in the microelectrofluidic bench is considered not to exceed the current operating performance of microfluidic devices. For easy alignment, we make protruded fluidic connector through PDMS molding with SU-8 double-expose-single-development process.
In the experimental study, we perform the fluidic resistance test, the electrical resistance test, and the maximum pressure test with helium gas. In the fluidic resistance test, we use DI water and measure pressure drop in line, elbow, and interconnection. At flow rates from 10㎕/min to 100㎕/min, pressure drop occurs from 58.9Pa to 620Pa in 4mm-length channel and from 351Pa to 3010Pa in 24mm-length channel. We find that pressure drop in the elbow is small enough to lie within the maximum error bound of 0.098kPa at 70㎕/min and it is 2.25% of line resistance. Fluidic interconnection resistance is also small to lie within the maximum error bound of 0.065kPa at 100㎕/min and it is 0.56% of line resistance. In the electrical resistance test, we measure sheet resistance of 0.013±0.001Ω, and electrical line resistance varies from 2.2±0.35Ω to 6.5±0.39Ω depending on length. Electrical interconnection resistance is found to be 0.64±0.58Ω and this value is negligible compared to common electrical resistance in microfludic devices. In the maximum pressure test, we find it can stand up to 115±11.2kPa, 11 times higher than the normal pressure generated by micropumps, 10kPa, and bonding strength is 38.3kPa.
On this basis, we have found the present microelectrofludic benches achieve modular fluidic and electrical interconnections with reasonable interconnection resistance. We have experimentally verified that the present modular interconnection is able to interconnect microfludic devices in terms of fluidic and electrical aspects, demonstrating their potentials towards system.
본 논문에서는 모듈화 된 유체 및 전기 동시 접속을 통하여 시스템을 구현하는 미소유체전기통합벤치를 설계, 제작하고 그 성능을 측정하였다. 기존의 고온을 동반하는 접속방법, 튜브를 사용하는 방법, 그리고 기계적인 끼움에 의한 방법은 유체접속만 가능하였으나, 제안된 플라즈마와 전도성폴리머를 이용하는 방법은 상온에서 유체 및 전기 접속을 수용 가능한 접속 저항 안에서 가능케 하였고 접속 시에 발생하는 시료의 소모량도 3.14 mℓ로 감소시켰다.
이론적 고찰에서는 기존의 미소유체전기소자의 형태를 고려하여 유체 및 전기 접속 형상을 설계하였으며 접속 시에 발생하는 유체 및 전기 저항 값도 기존 소자를 고려하여 결정되었다. 성능시험과 작동실현을 위하여 미소유로와 전선만을 가진 디바이스칩을 미소유체전기통합벤치와 함께 설계하였고 마이크로머시닝 공정을 통하여 제작하였다.
성능평가에서는 미소유체전기통합벤치에서 발생하는 유체저항실험, 전기저항실험, 그리고 견딜 수 있는 최대압력실험을 수행하였다. 유체저항실험은 상온에서 DI water를 펌프를 사용하여 10㎕/min부터 100㎕/min까지 유량을 변화시키면서 측정하였고 유체저항은 4mm 유로에서 0.059kPa에서 0.62Pa까지 발생하였고 24mm 유로에서 0.35kPa에서 3.0kPa까지 발생하였다. 유로의 꺽인 부분에서의 유체저항은 측정 오차인 0.098kPa에 이내로 측정되었고 이것은 유로 저항의 2.25%이다. 유체접속부위에서 발생하는 유체저항은 역시 측정 오차인 0.065kPa로 측정되었고 유로저항의 0.56%이다. 전기저항실험은 전선과 전기접속부위에서 발생하였고 전선저항은 길이에 따라 2.2Ω에서 6.5Ω까지 발생하였고 전기 접속부위에서는 0.64±0.58Ω의 저항이 측정되었다. 또한 최대압력실험에서는 접속부위가 115kPa까지 견딜 수 있음을 확인하였고 본딩 강도는 정의에 따라 38.3kPa이 됨을 확인하였다.
결론적으로 본 연구에서는 미소유체전기소자를 모듈화 된 유체 및 전기 접속을 구현하였고 또한 접속 시 발생하는 온도와 시료손실을 구하였다. 실험을 통하여 발생하는 유체접속저항 및 전기접속저항을 정량화 하였고 이 값이 수용 가능 한 범위에 있음을 보였다. 이 사실을 바탕으로 미소유체전기소자의 모듈화 된 유체 및 전기 접속을 통한 방법으로 시스템 구현이 가능함을 확인하였다.
