압력 평형 기작을 이용한 초소형 유체 압력 조절기
Micro Flow Regulator Using Pressure Balance Mechanism
초록/요약
최근 MEMS (Micro ElectroMechanical Systems) 기술을 적용한 초소형 유량 제어 소자에 관한 연구가 진행되고 있다. 본 논문에서는 출력단의 압력을 일정하게 유지시키기 위해 압력 조절기의 구동 원리를 응용한 소자를 설계하고 구동 특성을 시뮬레이션하였다. 압력 조절은 출력 압력의 일부를 피드백하여 입력 밸브의 열림량을 제어함으로써 이루어진다. 또한 공기 챔버 구조를 두어 출력 압력을 미리 설정할 수 있도록 하였다. 이러한 압력 조절기는 박막에 작용하는 입력단의 압력, 출력단의 압력, 공기 챔버의 압력 사이의 압력 평형 기작에 의해 구동이 되므로 외부 전원 없이 동작이 가능하다. 소자의 효율적인 구동을 위해 박막의 크기 및 두께, 입력단의 압력, 공기 챔버의 압력 범위를 시뮬레이션을 통해 최적화함으로써 출력단의 압력 변화율이 최소가 되도록 설계하였다. 시뮬레이션은 COMSOL Multiphysics를 사용하였다. 소자에 대한 시뮬레이션을 하기 전에 압력에 따른 실리콘 박막의 변위를 박막 이론에 근거하여 계산한 이론값과 시뮬레이션 결과를 비교하여 시뮬레이션의 타당성을 검증하였다. 시뮬레이션은 박막, 피스톤, 스토퍼만으로 소자 전체 구조를 단순화하고, 소자에 인가되는 압력은 공압으로 가정하였다. 박막의 크기는 8 mm × 8 mm, 6 mm × 6 mm, 4 mm × 4 mm, 두께는 50 μm로 가정하였다. 시뮬레이션 결과 박막의 크기가 8 mm × 8 mm일 경우에 박막의 변위량이 최대 50 μm이고 normally-closed 상태를 유지하며 동작을 하고, 이때 공기 챔버의 설정압력은 20 kPa에서 40 kPa까지 설정 가능하고, 입력단의 압력은 40 kPa이상이 되어야 한다는 것을 확인하였다. 또한 공기 챔버의 압력으로 출력단의 압력을 설정할 수 있다는 것을 확인하였다.
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This paper presents design and simulation of micro flow regulator using pressure balance mechanism acting on the silicon diaphragm. The micro flow regulator consists of glass layer with an air chamber to set a outlet pressure, silicon diaphragm layer connected with a piston and stopper to deflect according to pressure and stopper layer as a valve. The pressure balance mechanism acting on the diaphragm depends on the inlet pressure, setting pressure of air chamber, outlet pressure and the dimension of the device. Therefore it is necessary to simulate each pressure acting on the diaphragm and the dimension of the device for a constant outlet pressure of the micro flow regulator. The simulation of the micro flow regulator performs using COMSOL Multiphysics with the assumption of a dimension and pressure. The size of the diaphragm assumes three cases, 4 mm × 4 mm, 6 mm × 6 mm, 8 mm × 8 mm, with E the Young modulus of silicon (E = 160 GPa) and ν the Poisson coefficient of silicon (ν = 0.25). The inlet pressure assumes from 20 kPa to 100 kPa, the setting pressure assumes as 20 kPa, 40 kPa, 60 kPa and the outlet pressure assumes from 5 kPa to 20 kPa. And the applied pressure acting on the diaphragm assumes as a pneumatic pressure. The results of simulation show that the optimal size of diaphragm is 8 mm × 8 mm, the tolerable amount of air chamber's setting pressure is from 20 kPa to 40 kPa, the proper inlet pressure is over 40 kPa regardless of the size of the diaphragm and the outlet pressure is changed with the setting pressure of air chamber in the same amount. Therefore we confirm that the designed micro flow regulator operates without external power and the outlet pressure keeps near constant pressure regardless of the variation of inlet pressure.
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제 1 장 서론‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧1
제 2 장 초소형 유체 압력 조절기의 구조 및 동작 원리‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧4
제 3 장 초소형 유체 압력 조절기의 설계
3.1 정사각형 박막의 변위 해석 및 시뮬레이션‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧8
3.2 삼차원 구조물의 시뮬레이션 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧16
제 4 장 제작 공정 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧31
제 5 장 결론 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧34
참고문헌 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧35
Abstract‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧37
목차
그림 1. 일반적인 압력 조절기의 동작 원리 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧3
그림 2. 초소형 유체 압력 조절기의 구조도 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧6
그림 3. 초소형 유체 압력 조절기의 동작 순서 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧7
그림 4. 박막의 변위를 계산하기 위한 모식도 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧13
그림 5. 박막 변위에 대한 이론 계산 결과와 시뮬레이션 결과 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧14
그림 6. 압력에 따른 박막의 변위에 관한 시뮬레이션 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧15
그림 7. 시뮬레이션을 위한 초소형 유체 압력 조절기의 단순화된 구조 ‧‧18
그림 8. 초소형 유체 압력 조절기의 시뮬레이션 결과
(박막의 크기 : 8 mm × 8 mm) ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧19
그림 9. 유체의 토출압과 박막 변위량의 관계
(박막의 크기 : 8 mm × 8 mm, 공기 챔버 설정 압력 : 20 kPa) ‧‧20
그림 10. 유체의 토출압과 박막 변위량의 관계
(박막의 크기 : 8 mm × 8 mm, 공기 챔버 설정 압력 : 30 kPa) ‧‧21
그림 11. 유체의 토출압과 박막 변위량의 관계
(박막의 크기 : 8 mm × 8 mm, 공기 챔버 설정 압력 : 40 kPa) ‧‧22
그림 12. 입력단의 압력에 따른 출력단의 압력 변화
(박막의 크기 : 8 mm × 8 mm) ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧23
그림 13. 초소형 유체 압력 조절기의 시뮬레이션 결과
(박막의 크기 : 6 mm × 6 mm) ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧26
그림 14. 유체의 토출압과 박막 변위량의 관계
(박막의 크기 : 6 mm × 6 mm, 공기 챔버 설정 압력 : 20 kPa) ‧‧27
그림 15. 유체의 토출압과 박막 변위량의 관계
(박막의 크기 : 6 mm × 6 mm, 공기 챔버 설정 압력 : 30 kPa) ‧‧28
그림 16. 유체의 토출압과 박막 변위량의 관계
(박막의 크기 : 6 mm × 6 mm, 공기 챔버 설정 압력 : 40 kPa) ‧‧29
그림 17. 입력단의 압력에 따른 출력단의 압력 변화
(박막의 크기 : 6 mm × 6 mm) ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧30
그림 18. 초소형 유체 압력 조절기의 제작 공정 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧34
