This thesis presents a novel particle position and velocity detector based on the electrical measurement of particle transit time across uneven inter-gap electrodes. Compared to the conventional optical methods, the present electrical method offers high integrability with simple structure. Compared to the previous electrical method, the present method using particle size independent transit time achieves high measurement stability insensitive to particle size variation.
The present detector consists of a fluidic channel, two bias electrodes, and three sensing electrodes forming two sensing zones divided by a common electrode between two outer electrodes. Electrical signals are generated during a particle transits through the consecutive sensing zones. The present detector obtains the particle position based on the width ratio of two signals, while measuring the particle velocity by the total signal width. We design and fabricate two types of the devices in order to demonstrate and characterize the detection performance.
In the experiment, we use particles having the average diameter of 6.59μm and 5.47μm in order to evaluate the performance of the fabricated devices, including ranges, sensitivities, nonlinearities, and measurement uncertainties of the particle position and velocity detection. The particle position and velocity measurement uncertainties are 25.0% and 2.45%, each normalized by the average particle diameter and velocity, respectively, thus comparable to the PIV method. For the particles having different diameters, the present detector shows uniform performance independent on the particle size. We also verify the particle velocity profile detection capability based on the measured position and velocity of particles.
In conclusion, the present particle position and velocity detector shows high measurement stability insensitive to particle size variation, and high integrability applicable to integrated system.
본 논문에서는 미세유로 내에 유체의 흐름방향을 따라 비등간격으로 전극 열을 배열하여, 유체 내의 미세입자가 전극 열을 통과하는 시간을 바탕으로 미세입자의 위치와 속도를 측정할 수 있는 검출기를 제안하고 제안한 검출기의 제작과 실험을 통하여 그 성능을 평가하였다. 본 논문에서 제안하는 미세입자 위치 및 속도 검출기는 기존 방식에 비해 간단한 구조를 이용하여 집적 성이 높고, 측정성능이 입자크기 변화의 영향을 받지 않는 장점을 가지고 있다.
제안된 검출기는 미세유로 양 끝 단에 두 개의 바이어스 전극을 설치하고 그 사이에 세 개의 감지전극을 설치하여 두 개의 연속적인 감지구역을 형성한다. 미세유로를 통과하는 유체 내의 입자가 두 개의 감지구역을 차례로 통과함에 따라 발생하는 두 개의 전기신호를 측정하고, 두 전기신호의 폭의 비율로 입자의 통과위치를, 폭의 합으로 입자의 통과속도를 각각 측정한다. 이러한 미세입자의 위치 및 속도 검출기의 측정성능을 검증하기 위해 두 종류의 유로 요소를 갖는 소자를 설계, 제작하였다.
평균지름이 6.59μm와 5.47μm인 두 종류의 입자를 사용하여, 제안된 검출기가 감지할 수 있는 입자위치 및 속도의 범위, 감도, 비선형성 및 불확실도를 각각 평가하였다. 입자의 평균 지름과 평균 속도로 정규화된 입자위치 및 속도의 불확실도는 제작된 두 종류의 소자로부터 각각 ±25.0%와 ±2.45%로 평가되었으며, 이는 기존의 PIV 방식의 성능인 ±21.4%, ±5.38%와 대등한 성능이다. 또한, 다른 크기의 입자를 사용하여 실험한 결과, 제작된 소자의 입자위치 검출성능이 입자크기 변화의 영향을 받지 않음을 검증하였다. 뿐만 아니라, 제안된 검출기에 의해 측정된 입자위치와 속도를 바탕으로 미세유로를 통과하는 입자의 속도분포 또한 측정할 수 있음을 확인하였다.
결론적으로, 본 논문에서 제안하는 입자의 위치 및 속도 검출기는 구조가 간단하고 입자크기 변화의 영향을 받지 않는 측정 안정성을 유지할 수 있어, 집적화된 시스템을 구성하는 데 용이하다.
