マイクロポンプ及び冷却システム
【課題】マイクロポンプ及び冷却システムにおいて、低消費電力化を図ること。
【解決手段】ポンプ室２０と、一方の主面１２ｘがポンプ室２０の内面を画定する弾性変形可能なダイヤフラム１２と、低温時にダイヤフラム１２の他方の主面１２ｙを押圧し、高温時にダイヤフラム１２から離れる熱変形部材１７とを備え、ポンプ室２０に加熱された流体Ｃが流入したときに、ダイヤフラム１２を押圧している熱変形部材１７が流体Ｃの熱により変形してダイヤフラム１２から離れ、ポンプ室２０の容積が拡大し、ダイヤフラム１２から離れた熱変形部材１７が流体Ｃの温度よりも冷えたときに、熱変形部材１７が変形してダイヤフラム１２の他方の主面１２ｙを押圧し、ポンプ室２０の容積が縮小して、ポンプ室２０の容積が拡大と縮小とを繰り返すことにより、流体Ｃのポンプ室２０への流入と流出とが繰り返されるマイクロポンプによる。
【解決手段】ポンプ室２０と、一方の主面１２ｘがポンプ室２０の内面を画定する弾性変形可能なダイヤフラム１２と、低温時にダイヤフラム１２の他方の主面１２ｙを押圧し、高温時にダイヤフラム１２から離れる熱変形部材１７とを備え、ポンプ室２０に加熱された流体Ｃが流入したときに、ダイヤフラム１２を押圧している熱変形部材１７が流体Ｃの熱により変形してダイヤフラム１２から離れ、ポンプ室２０の容積が拡大し、ダイヤフラム１２から離れた熱変形部材１７が流体Ｃの温度よりも冷えたときに、熱変形部材１７が変形してダイヤフラム１２の他方の主面１２ｙを押圧し、ポンプ室２０の容積が縮小して、ポンプ室２０の容積が拡大と縮小とを繰り返すことにより、流体Ｃのポンプ室２０への流入と流出とが繰り返されるマイクロポンプによる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロポンプ及び冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
パーソナルコンピュータ等の電子機器では、回路基板上にCPU(Central Processing Unit)等の様々な電子部品が搭載される。電子部品は、自身から発する熱によりその機能が劣化したり、最悪の場合には熱により破壊されるおそれがある。そこで、この種の電子機器では、電子部品を冷却するための冷却システムが設けられることがある。
【０００３】
冷却システムは、空冷式と液冷式に分けられる。空冷式の冷却システムは、空冷ファンにより電子部品を冷却するものであるが、電子部品から熱を奪う媒体として熱伝導率の小さな空気を使うため、冷却効率が悪い。
【０００４】
一方、液冷式の冷却システムは、大気よりも熱伝導率の大きな水により電子部品から熱を奪うため、空冷式の冷却システムと比較して冷却効率が良いという利点がある。
【０００５】
そのような液冷式の冷却システムにおいては、優れた冷却効率という利点を活かしつつ、システム全体の低消費電力化を図るのが好ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００５−５１７５３６号公報
【特許文献２】特開２００９−１３４１９４号公報
【特許文献３】特開平４−２３００９７号公報
【特許文献４】特公平７−５６３９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
マイクロポンプ及び冷却システムにおいて、低消費電力化を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以下の開示の一観点によれば、ポンプ室と、一方の主面が前記ポンプ室の内面の一部を画定する弾性変形可能なダイヤフラムと、低温時に前記ダイヤフラムの他方の主面を押圧し、高温時に前記ダイヤフラムから離れる熱変形部材とを備え、前記ポンプ室に加熱された流体が流入したときに、前記ダイヤフラムを押圧している前記熱変形部材が前記流体の熱により変形して前記ダイヤフラムから離れ、前記ポンプ室の容積が拡大し、前記ダイヤフラムから離れた前記熱変形部材が前記流体の温度よりも冷えたときに、前記熱変形部材が変形して前記ダイヤフラムの前記他方の主面を押圧し、前記ポンプ室の容積が縮小して、前記ポンプ室の前記容積が拡大と縮小とを繰り返すことにより、前記流体の前記ポンプ室への流入と流出とが繰り返されるマイクロポンプが提供される。
【０００９】
また、その開示の他の観点によれば、冷却用の流体が流れる循環経路と、前記循環経路の途中に設けられ、該循環経路に前記流体を循環させるマイクロポンプとを備え、前記マイクロポンプが、前記流体が出入りするポンプ室と、一方の主面が前記ポンプ室の内面の一部を画定する弾性変形可能なダイヤフラムと、低温時に前記ダイヤフラムの他方の主面を押圧し、高温時に前記ダイヤフラムから離れる熱変形部材とを有し、前記ポンプ室に前記流体が流入したときに、前記ダイヤフラムを押圧している前記熱変形部材が前記流体の熱により変形して前記ダイヤフラムから離れ、前記ポンプ室の容積が拡大し、前記ダイヤフラムから離れた前記熱変形部材が前記流体の温度よりも冷えたときに、前記熱変形部材が変形して前記ダイヤフラムの前記他方の主面を押圧し、前記ポンプ室の容積が縮小して、前記ポンプ室の前記容積が拡大と縮小とを繰り返すことにより、前記流体の前記ポンプ室への流入と流出とが繰り返される冷却システムが提供される。
【発明の効果】
【００１０】
以下の開示によれば、流体の熱で熱変形部材が変形する力を利用してダイヤフラムを駆動するので、ポンプ室の容積の拡大と収縮とを行うのに電力が不要となり、省電力化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、第１実施形態に係るマイクロポンプの断面図である。
【図２】図２（ａ）、（ｂ）は、熱変形部材が熱変形する様子を示す断面図（その１）である。
【図３】図３（ａ）、（ｂ）は、熱変形部材が熱変形する様子を示す断面図（その２）である。
【図４】図４は、第１実施形態に係る冷却システムの構成図である。
【図５】図５（ａ）〜（ｃ）は、第１実施形態に係るマイクロポンプの動作原理について説明するための断面図である。
【図６】図６（ａ）〜（ｃ）は、第２実施形態に係るマイクロポンプが備える支持部材と熱変形部材の製造途中の断面図（その１）である。
【図７】図７（ａ）〜（ｃ）は、第２実施形態に係るマイクロポンプが備える支持部材と熱変形部材の製造途中の断面図（その２）である。
【図８】図８（ａ）、（ｂ）は、第２実施形態に係るマイクロポンプが備える支持部材と熱変形部材の製造途中の斜視図（その１）である。
【図９】図９は、第２実施形態に係るマイクロポンプが備える支持部材と熱変形部材の製造途中の斜視図（その２）である。
【図１０】図１０（ａ）〜（ｃ）は、第２実施形態に係るマイクロポンプが備えるハウジングの製造途中の断面図である。
【図１１】図１１は、第２実施形態に係るマイクロポンプが備えるハウジングの斜視図である。
【図１２】図１２は、第２実施形態に係るマイクロポンプが備えるハウジングの孔の斜視図である。
【図１３】図１３（ａ）、（ｂ）は、第２実施形態に係るマイクロポンプが備えるダイヤフラムの製造途中の断面図である。
【図１４】図１４は、第２実施形態に係るマイクロポンプが備えるダイヤフラムの斜視図である。
【図１５】図１５（ａ）、（ｂ）は、第２実施形態に係るマイクロポンプの組み立て方法について説明するための断面図である。
【図１６】図１６（ａ）は、第３実施形態に係るマイクロポンプが備える支持部材、熱変形部材、及び冷却部材の斜視図であり、図１６（ｂ）は、図１６（ａ）のI−I線に沿う断面図である。
【図１７】図１７は、第３実施形態に係るマイクロポンプの断面図である。
【図１８】図１８は、第３実施形態において、支持部材に溝を形成した場合の斜視図である。
【図１９】図１９は、第３実施形態において、溝が形成された支持部材を使用したマイクロポンプの断面図である。
【図２０】図２０は、第３実施形態に係るマイクロポンプに管とピストンとを設けた場合の断面図である。
【図２１】図２１は、第４実施形態に係るマイクロポンプの製造途中の平面図である。
【図２２】図２２は、図２１（ｃ）のIII−III線に沿う断面図である。
【図２３】図２３は、第４実施形態に係るマイクロポンプの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るマイクロポンプの断面図である。
【００１３】
マイクロポンプ１０は、パーソナルコンピュータ等の液冷システムに好適に使用されるものであり、ハウジング１１、ダイヤフラム１２、熱変形部材１７、及び冷却部材１９等を備える。
【００１４】
ハウジング１１は、冷却用の流体Cが流入するポンプ室２０の内面の一部を画定するものであり、流体Cが流入する第１の孔１１ａと、流体Cが流出する第２の孔１１ｂを有する。
【００１５】
各孔１１ａ、１１ｂは、流体Cの流れに向かって直径が小さくなるように側面がテーパー状に形成される。このような形状によれば、流体Cの流れの方向に沿った孔１１ａ、１１ｂのコンダクタンスが、これとは反対方向に沿ったコンダクタンスよりも大きくなるため、各孔１１ａ、１１ｂが一方向にのみ選択的に流体Cを流す弁として機能するようになる。
【００１６】
ハウジング１１の材料は特に限定されないが、本実施形態ではシリコン基板を加工することによりハウジング１１を作製する。
【００１７】
また、ダイヤフラム１２は、その一方の主面１２ｘによりポンプ室２０の内面の一部を画定し、自身が弾性変形することによってポンプ室２０内の容積を拡大、収縮させるように機能する。
【００１８】
ダイヤフラム１２の材料は特に限定されない。本実施形態では、ダイヤフラム１２の材料として、弾性変形が容易なシリコンを使用する。
【００１９】
また、ダイヤフラム１２の縁部にはリム１２ａが設けられており、当該リム１２ａにおいてダイヤフラム１２とハウジング１１とが接合される。
【００２０】
そして、熱変形部材１７は、異なる材料の第１の膜１５と第２の膜１６とを積層してなり、ダイヤフラム１２の他方の主面１２ｙから間隔をおいて設けられ、シリコン製の支持部材１３に接合される。
【００２１】
後述のように、熱変形部材１７は、温度変化に応じてその形状が変化し、ポンプ室２０に流体Cを出入りさせる駆動力を生成するように機能する。
【００２２】
また、冷却部材１９は、例えばNiあるいはCuを材料とし、上記の支持部材１３上に接合される。
【００２３】
なお、図１の点線円内に示すように、熱変形部材１７と冷却部材１９とは接合されておらず、これらの間には隙間Sが設けられる。このように隙間Sを設けることで、冷却部材１９によって熱変形部材１７の熱変形が阻害されるのを防止できる。
【００２４】
次に、上記の熱変形部材１７の熱変形について説明する。
【００２５】
図２（ａ）、（ｂ）は、熱変形部材１７が熱変形する様子を示す断面図である。この例では、第１の膜１５として酸化シリコン膜やDLC(Diamond Like Carbon)膜等の圧縮応力を生じる応力膜を形成し、第２の膜１６としてTiNi合金膜等の形状記憶合金膜を形成した場合を想定している。なお、熱変形部材１７の形状は第１の膜１５と第２の膜１６の応力バランスによって決まるため、図２（ｂ）の形状になるように、場合によっては第１の膜１５と第２の膜１６を入れ替えてもよい。
【００２６】
第２の膜１６として形成される形状記憶合金膜は、温度Tが変態温度Tth以上となった場合に、記憶されている形状に戻ろうとする性質がある。本実施形態では、予め第２の膜１６にフラットな形状を記憶させてある。
【００２７】
そのため、図２（ａ）に示すように、温度Tが変態温度Tth以上の高温では、第２の膜１６が記憶されているフラットな形状に戻ろうとするため、熱変形部材１７の全体もフラットになる。
【００２８】
第２の膜１６の変態温度Tthは特に限定されないが、冷却対象のCPU等によって温められた流体Cよりも低い温度に変態温度Tthを設定するのが好ましい。このようにすると、後述のように流体Cからの熱により第２の膜１６をフラットな形状にすることができる。
【００２９】
一方、温度Tが変態温度Tthよりも低い低温では、図２（ｂ）に示すように、第２の膜１６が記憶されている形状に戻ろうとする応力が微弱となり、その応力よりも第１の膜１５の圧縮応力が優勢となって、熱変形部材１７が下に凸になるように変形する。
【００３０】
このように、熱変形部材１７として各膜１５、１６の積層膜を形成することで、高温下と低温下において熱変形部材１７の形状を変えることができるようになる。
【００３１】
なお、以下のように熱変形部材１７としてバイメタルを形成してもよい。
【００３２】
図３（ａ）、（ｂ）は、熱変形部材１７としてバイメタルを形成したときに、熱変形部材１７が熱変形する様子を示す断面図である。
【００３３】
この例では、第１の膜１５として引張応力が比較的大きいCu膜を形成し、第２の膜１６として第１の膜１５よりも熱膨張率が小さく、かつ圧縮応力が比較的大きいNi膜又はRu膜を形成する。
【００３４】
このように、熱膨張率が異なる二つの膜１５、１６を積層すると、温度によって熱変形部材１７の形状を変化させることができる。
【００３５】
例えば、図３（ａ）に示すように、熱変形部材１７の温度が、冷却対象のCPU等によって温められた流体Cの温度程度の高温である場合には、熱変形部材１７の形状をフラットにすることができる。
【００３６】
一方、図３（ｂ）に示すように、図３（ａ）の場合よりも熱変形部材１７の温度が冷えると、第１の膜１５の熱収縮量が第２の膜１６のそれよりも大きくなるため、各膜１５、１６の界面に応力が生じて熱変形部材１７が下に凸になるように変形する。
【００３７】
図４は、このマイクロポンプ１０を備えた冷却システムの構成図である。
【００３８】
このシステム３０は、パーソナルコンピュータ等の電子機器内の電子部品を冷却するのに好適に使用され、冷却用の流体Cが循環する循環経路３１を備える。
【００３９】
流体Cは特に限定されないが、本実施形態では流体Cとして水を使用する。
【００４０】
循環経路３１の途中には、マイクロポンプ１０、冷却対象となる電子部品３３、冷却部３４、及び熱交換部３５が設けられる。
【００４１】
このうち、電子部品３３は、例えばCPUであって、回路基板３２上に設けられる。
【００４２】
また、冷却部３４は、流体Cと電子部品３３との間で熱交換を行うことで電子部品３３を冷却するものである。そして、このような熱交換の結果、冷却部３４に入る前に約３０℃程度であった流体Cの温度が、冷却部３４を出た直後では７０℃程度にまで加熱される。
【００４３】
このように温められた流体Cは、熱交換器３５において外気により冷却され、再び循環経路３１を辿って電子部品３３の冷却に使用される。
【００４４】
このシステム３０においては、マイクロポンプ１０の駆動力によって流体Cが循環経路３１内を循環する。
【００４５】
以下に、そのマイクロポンプ１０の動作原理について説明する。
【００４６】
図５（ａ）〜（ｃ）は、マイクロポンプ１０の動作原理について説明するための断面図である。
【００４７】
なお、図５（ａ）〜（ｃ）において、図１で説明したのと同じ要素には同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
【００４８】
図５（ａ）は、初期状態における断面図である。この状態では、冷却対象となる電子部品３３（図４参照）が起動直後であり、流体Cは室温と同程度の低温となっている。
【００４９】
このような低温の状態では、図２（ｂ）、図３（ｂ）に示したように熱変形部材１７は下方に反るため、熱変形部材１７がダイヤフラム１２の主面１２ｙに当接する。そのため、熱変形部材１７からの押圧力によってダイヤフラム１２が下方に弾性変形し、ポンプ室２０の容積が縮小する。
【００５０】
その後、電子部品３３の熱によって流体Cの温度が上昇すると、ダイヤフラム１２を介して流体Cの熱が熱変形部材１７に伝わり、熱変形部材１７の温度が次第に上昇する。
【００５１】
図５（ｂ）は、このように熱変形部材１７の温度が上昇して高温になった場合の断面図である。
【００５２】
このような高温の状態では、図２（ａ）、図３（ａ）に示したように熱変形部材１７はフラットな状態になるので、ダイヤフラム１２から熱変形部材１７が離れる。その結果、ダイヤフラム１２が熱変形部材１７の押圧力から開放されてフラットな状態になり、ポンプ室２０の容積が拡大し、第１の孔１１ａからポンプ室２０に流体Cが流入する。
【００５３】
ここで、上記のように熱変形部材１７がフラットになると、当該熱変形部材１７と冷却部材１９との間隔が狭まり、熱変形部材１７の一部は冷却部材１９に当接することになる。冷却部材１９は外気により常に冷却されているので、熱変形部材１７から冷却部材１９への熱の移動が起こり、熱変形部材１７の温度は次第に低下する。
【００５４】
そして、熱変形部材１７の温度が流体Cの温度よりも低くなると、図５（ｃ）に示すように再び熱変形部材１７が変形してダイヤフラム１２を押圧する。これにより、ポンプ室２０の容積が縮小し、ポンプ室２０内の流体Cが第２の孔１１ｂから流出することになる。
【００５５】
この後は、上記した図５（ｂ）、（ｃ）の過程が自立的に繰り返されるようになり、ポンプ室の容積の拡大と縮小との繰り返しにより、ポンプ室への流体Cの流入と流出とが自立的に行われる。
【００５６】
なお、既述のように、各孔１１ａ、１１ｂは、一方向にのみ流体を流す弁として機能するため、ポンプ室の容積の拡大と縮小とによって流体Cが循環経路３１を逆流する危険性はない。
【００５７】
ここで、加熱や冷却による熱変形部材１７の応答速度は熱変形部材１７全体の熱容量に依存する。例えば、熱変形部材１７の熱容量が小さければ、加熱された流体Cや冷却部材１９との間で熱交換が速やかに行われ、加熱や冷却によって熱変形部材１７が変形する速さを速めることができる。
【００５８】
本実施形態では、熱変形部材１７の各膜１５、１６の合計の厚さは５μm〜２０μm程度と極めて薄いため、熱変形部材１７全体の熱容量を十分に小さくしてその応答速度を速めることが可能となる。
【００５９】
また、第２の膜１６として形状記憶合金膜を形成する場合には、加熱された流体Cによって第２の膜１６の温度がその変態温度Tth以上となると、第２の膜１６がすぐさまフラットな状態に戻ろうとし、熱変形部材１７の応答速度を一層速めることができる。
【００６０】
以上説明した本実施形態に係るマクロポンプ１０によれば、図５（ａ）〜図５（ｃ）に示したように、流体Cによる加熱や冷却部材１９による冷却で熱変形部材１７を変形させ、それによりマイクロポンプ１０の駆動力を得る。その駆動力を生成するのに電力は不要であるため、ピエゾ素子等により電気的にダイヤフラム１２を駆動する場合と比較して省電力化を図ることが可能となる。
【００６１】
（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態で説明したマイクロポンプの製造方法について説明する。
【００６２】
図１を参照して説明したように、マイクロポンプ１０は、ハウジング１１、ダイヤフラム１２、熱変形部材１７を備える。これらは、以下のように個別に作製される。
【００６３】
まず、熱変形部材１７とそれを支持する支持部材１３の製造方法について説明する。
【００６４】
図６〜図７は、支持部材１３と熱変形部材１７の製造途中の断面図であり、図８〜図９はその斜視図である。
【００６５】
まず、図６（ａ）に示すように、厚さが約０．４mmのシリコン基板Wの表面を熱酸化することにより、第１の膜１５として酸化シリコン膜を１μm〜２μm程度の厚さに形成する。
【００６６】
次いで、第１の膜１５の上にスパッタ法で厚さが約２μm〜１０μmのTiNi合金膜を形成し、そのTiNi膜を第２の膜１６とする。TiNi合金膜は形状記憶合金膜であって、記憶させたい形状で熱処理を施すことで、その形状を記憶させることができる。
【００６７】
既述のように、本実施形態で第２の膜１６に記憶させる形状はフラットな形状である。そこで、シリコン基板Wの上面の形状を反映してフラットになっている第２の膜１６に対し、真空中で基板温度を３５０℃〜５００℃程度とする熱処理を３０分〜６０分程度行い、第２の膜１６にフラットな形状を記憶させる。そのような熱処理は、形状記憶処理とも呼ばれる。
【００６８】
形状記憶処理を経た第２の膜１６は、温度Tが変態温度Tth以上になると、フラットな状態に戻ろうとする。変態温度Tthは、第２の膜１６中におけるTiとNiの組成比により調節することができる。本実施形態では、冷却部３４（図４参照）を出た直後の流体Cの温度（約７０℃）以下の温度、例えば３０℃程度の温度に変態温度Tthを調節する。
【００６９】
以上により、シリコン基板Wの上に、第１の膜１５と第２の膜１６とをこの順に積層してなる熱変形部材１７が形成される。
【００７０】
なお、熱変形部材１７における第１の膜１５は、温度Tが第２の膜１６の変態温度Tthよりも低いときに、自身の圧縮応力により熱変形部材１７を撓ます応力膜であり、そのような機能を有する膜には上記の酸化シリコン膜の他にDLC膜もある。
【００７１】
そのDLC膜は、イオンビームスパッタ法や、アセチレンガスやメタンガスを使用するプラズマCVD法により成膜し得る。
【００７２】
また、第１実施形態で説明したように、熱変形部材１７としてバイメタルを形成してもよい。その場合、第１の膜１５としては、スパッタ法でCu膜を２μm〜１０μm程度の厚さに形成し得る。また、第２の膜１６は、第１の膜１５よりも熱膨張率が小さい膜であれば特に限定されず、例えばスパッタ法でNi膜を２μm〜１０μm程度の厚さに形成し得る。
【００７３】
また、各膜１５、１６をフラットな状態で１５０℃〜３００℃程度の高温の成膜温度で形成すれば、高温下では図３（ａ）のようにフラットで、低温下では図３（ｂ）のように各膜１５、１６の熱収縮量の差で撓む熱変形部材１７を形成することができ、熱応力による変形効果を得ることもできる。
【００７４】
次に、図６（ｂ）に示すように、熱変形部材１７の上に第１のレジストパターン４１を形成する。そして、第１のレジストパターン４１をマスクにし、アルゴンガスを用いたイオンミリングにより各膜１５、１６をパターニングする。
【００７５】
なお、TiNiを含む第２の膜１６については電解エッチングによりパターニングを行ってもよい。その場合のエッチング液としては、例えば、H2SO4のメタノール溶液、LiClのメタノール溶液、又はエタノールがある。
【００７６】
また、レジストパターンを用いたリフトオフにより第２の膜１６をパターニングしてもよい。
【００７７】
その後に、第１のレジストパターン４１は除去される。
【００７８】
図８（ａ）は、本工程を終了した後のシリコン基板Wと熱変形部材１７の斜視図である。
【００７９】
図８（ａ）に示すように、上記のパターニングにより熱変形部材１７の平面形状は矩形状に整形される。
【００８０】
次に、図６（ｃ）に示すように、シリコン基板Wの裏面に第２のレジストパターン４２を形成する。
【００８１】
そして、第２のレジストパターン４２をマスクにして基板Wをドライエッチングすることにより、熱変形部材１７が露出する開口１３ａを形成すると共に、エッチングされずに残存する基板Wを支持部材１３とする。
【００８２】
本工程でのドライエッチングとしては、エッチングの異方性が高いDeep-RIEを採用するのが好ましい。Deep-RIEでは、エッチング雰囲気中にSF6とC4F8とを交互に供給することで、エッチングと堆積物による側壁保護とが交互に進行し、開口１３ａの側壁を基板Wの上面に対して垂直にすることが可能となる。
【００８３】
但し、このように高いエッチング異方性が必要ない場合には、フッ酸溶液をエッチング液とするウエットエッチングにより開口１３ａを形成してもよい。
【００８４】
その後に、第２のレジストパターン４２は除去される。
【００８５】
図８（ｂ）は、本工程を終了した後の支持部材１３と熱変形部材１７の斜視図である。
【００８６】
図８（ｂ）に示すように、支持部材１３は、直径Lが５mm〜３０mm程度のリング状である。そして、矩形状の熱変形部材１７の対向する二辺１７ａ、１７ｂが、その支持部材１３によって支持される。
【００８７】
このように二辺１７ａ、１７ｂのみを支持部材１３で支持することで、他の二辺１７ｃ、１７ｄがフリーな状態となり、熱による熱変形部材１７の変形量を大きくすることが可能となる。
【００８８】
なお、各辺１７ａ〜１７ｄの長さは特に限定されない。本実施形態では、辺１７ａ、１７ｂの長さを約６mm〜３１mmとし、辺１７ｃ、１７ｄの長さを約６mm〜３１mm程度とする。
【００８９】
次いで、図７（ａ）に示すように、スパッタ法により第１の膜１５の裏面のみに犠牲膜４４としてMgO膜を約５０nm程度の厚さに形成する。なお、第１の膜１５の裏面のみに選択的に犠牲膜４４を形成するには、例えば、支持部材１３の表面にレジストパターンを形成した後、第１の膜１５の裏面に犠牲膜４４を形成し、その後にレジストパターンをリフトオフすればよい。
【００９０】
次に、図７（ｂ）に示すように、支持部材１３の主面１３ｘと側面１３ｙ、及び犠牲膜４４上にスパッタ法でシード層４５としてニッケル膜を形成する。
【００９１】
そして、シード層４５を給電層にしながら、電解メッキによりシード層４５の上にニッケル膜を１mm〜２mm程度の厚さに形成し、そのニッケル膜を冷却部材１９とする。なお、冷却部材１９としてCu膜を使用してもよい。
【００９２】
図９は、本工程を終了した後の支持部材１３と熱変形部材１７の斜視図である。
【００９３】
図９の点線円内に示すように、シード層４５を形成しなかった第１の膜１５の側面には冷却部材１９は形成されず、当該側面に犠牲膜４４が露出する。
【００９４】
その後、このように露出している犠牲膜４４を酢酸によりウエットエッチングして除去することで、図７（ｃ）示すように、第１の膜１５と冷却部材１９との間に隙間Sを形成する。
【００９５】
以上により、支持部材１３と熱変形部材１７の基本構造が完成したことになる。
【００９６】
次に、図１に示したハウジング１１の製造方法について説明する。
【００９７】
図１０（ａ）〜（ｃ）は、ハウジング１１の製造途中の断面図であり、図１１はその斜視図である。
【００９８】
まず、図１０（ａ）に示すように、第３のレジストパターン５１をマスクにしてシリコン基板に対してDeep RIEを行うことにより、深さが約０．２mm〜２mmの凹部１１ｃを備えたハウジング１１を形成する。既述のように、Deep RIEでは、エッチング雰囲気中にSF6とC4F8とを交互に供給し、高いエッチング異方性が実現できる。
【００９９】
なお、高いエッチング異方性が必要ない場合には、Deep RIEに代えて、フッ酸溶液をエッチング液とするウエットエッチングにより凹部１１ｃを形成してもよい。
【０１００】
また、エッチングされずに残存するハウジング１１の底部１１ｄの厚さD1は、約０．２mm〜１．８mm程度である。
【０１０１】
更に、このようなドライエッチングによる加工に代えて、機械加工により凹部１１ｃを形成してもよい。
【０１０２】
ここで、ハウジング１１の元となるシリコン基板の面方位は特に限定されないが、本実施形態では底部１１ｄの表面にシリコンの（１００）面が現れるように、主面の面方位が（１００）方向である単結晶のシリコン基板を使用する。
【０１０３】
この後に、第３のレジストパターン５１は除去される。
【０１０４】
次いで、図１０（ｂ）に示すように、ハウジング１１の全面にフォトレジストを塗布し、それを露光、現像することにより、底部１１ｄの裏面と表面に第１の窓５２ａと第２の窓５２ｂを備えた第４のレジストパターン５２を形成する。
【０１０５】
そして、KOH溶液等のエッチング液中にハウジング１１の全体を浸すことにより、各窓５２ａ、５２ｂを通じてハウジング１１をウエットエッチングし、ハウジング１１に第１の孔１１ａと第２の孔１１ｂとを形成する。
【０１０６】
そのようなウエットエッチングでは、各孔１１ａ、１１ｂの側面に（１１１）面等の単結晶シリコンの結晶面が現れる。その結晶面は、底部１１ｄに現れる（１００）面から傾いているので、各１１ａ、１１ｂの側面はテーパー状に傾斜することになる。
【０１０７】
図１２は、このようにして形成された第１の孔１１ａの斜視図である。
【０１０８】
図１２に示すように、第１の孔１１ａの側面は、単結晶シリコンの４つの結晶面が組み合わされた四角錐状となる。
【０１０９】
その後に、図１０（ｃ）に示すように、上記の第４のレジストパターン５２を除去し、ハウジング１１の基本構造を完成させる。
【０１１０】
図１１は、完成したハウジング１１の斜視図である。
【０１１１】
図１１に示すように、ハウジング１１の外形は円形である。
【０１１２】
次に、図１に示したダイヤフラム１２の製造方法について説明する。
【０１１３】
図１３（ａ）、（ｂ）はダイヤフラム１２の製造途中の断面図であり、図１４はその斜視図である。
【０１１４】
まず、図１３（ａ）に示すように、予め約７００μm程度の厚さに薄厚化されたシリコン基板上に第５のレジストパターン５５を形成し、それをマスクにしてシリコン基板に対してDeep RIEを行うことにより、外周にリム１２ａを備えたダイヤフラム１２を形成する。
【０１１５】
そのDeep RIEでは、エッチング雰囲気中にSF6とC4F8とが交互に供給される。なお、本実施形態はこれに限定されず、フッ酸溶液をエッチング液とするウエットエッチングによりダイヤフラム１２とリム１２ａとを形成してもよい。
【０１１６】
また、ダイヤフラム１２の厚さD2は、上記のドライエッチング量により調節することができ、本実施形態では約２μm〜４μmとする。
【０１１７】
更に、このようなドライエッチングによる加工に代えて、シリコン基板に対して機械加工を施すことによりダイヤフラム１２とリム１２ａとを形成してもよい。
【０１１８】
その後、図１３（ｂ）に示すように第５のレジストパターン５５を除去することにより、ダイヤフラム１２の基本構造を完成させる。
【０１１９】
図１４は、完成したダイヤフラム１２の斜視図である。図１４に示すように、ダイヤフラム１２の外形は円形である。
【０１２０】
以上により、マイクロポンプ１０の個々の部品である熱変形部材１７（図９）、ハウジング１１（図１１）、及びダイヤフラム１２（図１４）が完成した。
【０１２１】
この後は、以下のようにこれらを組み立ててマイクロポンプ１０を作製する。
【０１２２】
図１５（ａ）、（ｂ）は、マイクロポンプ１０の組み立て方法について説明するための断面図である。
【０１２３】
まず、図１５（ａ）に示すように、下から順にハウジング１１、ダイヤフラム１２、及び支持部材１３を積み重ねる。
【０１２４】
既述のように、各部材１１〜１３の材料はシリコンであるが、大気中の酸素が原因でこれらの部材１１〜１３の表面のシリコンには酸素が結合しており、単に積み重ねただけではその酸素が邪魔で各部材１１〜１３を機械的に強固に接合することができない。
【０１２５】
そこで、次の工程では、図１５（ｂ）に示すように、真空中で各部材１１〜１３同士を押圧しながらこれらを２００℃程度の温度に加熱することにより、各部材１１〜１３の表面の酸素を除去する。これにより、各部材１１〜１３の表面のシリコンのダングリングボンド同士が結合し、各部材１１〜１３が機械的に強固に接合される。そのような接合方法は、拡散接合法とも呼ばれる。
【０１２６】
以上により、本実施形態に係るマイクロポンプ１０の基本構造が完成したことになる。
【０１２７】
そのマイクロポンプ１０の製造方法によれば、図６（ａ）に示したように、スパッタ法や熱酸化等の薄膜プロセスを利用して第１の膜１５と第２の膜１６とを積層することで簡単に熱変形部材１７を形成できる。
【０１２８】
また、図１０（ａ）や図１３（ａ）に示したように、ハウジング１１とダイヤフラム１２はいずれもシリコン基板をエッチングすることにより作製でき、これらを作製するのに特別な装置は不要である。
【０１２９】
このように、本実施形態では、半導体装置の製造工程にある既存の設備を活かしながらマイクロポンプ１０を作製することが可能となる。
【０１３０】
（第３実施形態）
第２実施形態では、図７（ｂ）に示したように、電解メッキにより冷却部材１９を作製した。
【０１３１】
本実施形態は、その冷却部材１９の作製方法のみが異なり、それ以外は第２実施形態と同じである。
【０１３２】
図１６（ａ）は、本実施形態に係る支持部材１３、熱変形部材１７、及び冷却部材１９の斜視図である。なお、図１６（ａ）において第２実施形態で説明したのと同じ要素には同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
【０１３３】
また、図１６（ｂ）は、図１６（ａ）のI−I線に沿う断面図である。
【０１３４】
図１６（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態では、支持部材１３の開口１３ａ内に、開口１３ａと略同一の外形の冷却部材１９を嵌め込む。そのような冷却部材１９の材料としては、例えば、Cu等の金属材料がある。
【０１３５】
図１７は、本実施形態に係るマイクロポンプ１７の断面図である。図１７では、低温時に熱変形部材１７が下に沿った状態での断面図を示している。
【０１３６】
上記のように開口１３ａと略同一の外形の冷却部材１９を使用すると、開口１３ａを通じた外気の出入りが無くなるので、冷却部材１９とダイヤフラム１２との間の空間Gを気密にすることができ、当該空間Gに埃等が溜まるのを防止できる。
【０１３７】
図１８は、本実施形態の別の例に係る支持部材１３、熱変形部材１７、及び冷却部材１９の斜視図である。
【０１３８】
図１８に示すように、この例では、鋸を利用した機械的な加工により、リング状の支持部材１３の主面１３ｘに溝１３ｚを形成する。
【０１３９】
図１９は、その支持部材１３を利用して作製されたマイクロポンプ１０の断面図であって、支持部材１３、熱変形部材１７、及び冷却部材１９の断面は図１８のII−II線に沿う断面に相当する。
【０１４０】
図１９に示すように、支持部材１３に溝１３ｚを形成したことで、ダイヤフラム１２のリム１２ａと溝１３ｚとで画定される通気孔６０が形成される。
【０１４１】
このように通気孔６０を設けると、上記の空間Gに外気Aが流通するようになるので、熱変形部材１７の押圧力によってダイヤフラム１２が下方に撓んでも空間G内が負圧にならず、負圧が原因でダイヤフラム１２が下方に撓み難くなるのを防止できる。
【０１４２】
なお、図２０に示すように、流通孔６０に管６１を接続し、当該間６１内にピストン６２を移動自在に設けてもよい。
【０１４３】
このようにすると、管６１内でピストン６２が自由に移動することにより、空間G内の圧力を大気圧と同程度の圧力に維持することができるので、空間G内が負圧になってダイヤフラム１２の変形が阻害されるのを抑制できる。
【０１４４】
更に、ピストン６２によって空間G内が気密にされるため、外気A内に含まれる埃が流通孔６０を通って空間G内に至るのを防止することができる。
【０１４５】
空間G内の気体は特に限定されない。空間Gは、空気や乾燥窒素で充填し得る。これらの気体は良好な断熱材として機能するので、ポンプ室２０内の流体の熱によって冷却部材１９の温度が過度に上昇することはない。
【０１４６】
以上説明した各実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
【０１４７】
（第４実施形態）
上記した第１〜第３実施形態では、図１等において示したように、第１の膜１５と第２の膜１６を積層して熱変形部材１７を作製した。
【０１４８】
これに対し、本実施形態では、ワイヤを利用して以下のように熱変形部材１７を作製する。
【０１４９】
図２１は、本実施形態に係るマイクロポンプの製造途中の平面図である。
【０１５０】
そのマイクロポンプを作製するには、まず、図２１（ａ）に示すように、厚さが約０．５mm〜１．０mm程度で矩形状の開口１３ａが形成された支持部材１３を用意する。その支持部材は例えばシリコンウエハやステンレス板であり、これらにエッチングや機械加工を施すことで開口１３ａを形成することができる。
【０１５１】
次いで、図２１（ｂ）に示すように、平面形状が矩形状で厚さが約０．０５mm〜０．１mm程度のバネ鋼板７１に対し、その対角線方向にそって二本の形状記憶合金ワイヤ７２を接合することにより、熱変形部材１７を作製する。なお、バネ鋼板７１と形状記憶合金ワイヤ７２との接合には、ポイント溶接や接着剤を採用する。
【０１５２】
形状記憶合金ワイヤ７２は特に限定されないが、本実施形態では市販されている形状記憶合金ワイヤを使用する。市販の形状記憶合金ワイヤ７２には予め形状記憶合金処理が施されており、形状記憶合金ワイヤ７２の温度Tが変態温度Tth以上となるとそのワイヤ長が縮む。
【０１５３】
そのような形状記憶合金ワイヤ７２として、本実施形態ではトキコーポレーション株式会社製の直径が約５０μmのバイオメタルを使用する。
【０１５４】
そして、図２１（ｃ）に示すように、支持部材１３の開口１３ａの周縁にバネ鋼板７１を溶接する。
【０１５５】
図２２は、図２１（ｃ）のIII−III線に沿う断面図である。
【０１５６】
図２２に示すように、熱変形部材１７は、下方に湾曲した状態で支持部材１３に溶接される。
【０１５７】
なお、この例では、形状記憶合金ワイヤ７２を上にした状態で支持部材１３にバネ鋼板７１を溶接しているが、これとは逆に、形状記憶合金ワイヤ７２を下にしてバネ鋼板７１を支持部材１３に溶接してもよい。
【０１５８】
この後は、ハウジング１１（図１１参照）、ダイヤフラム１２（図１４参照）、冷却部材１９（図１７参照）を用い、図２３に示すような本実施形態に係るマイクロポンプの基本構造を完成させる。
【０１５９】
そのマイクロポンプにおいて、ダイヤフラム１２の材料はシリコンに限定されず、弾性変形が容易な金属薄板やゴムであってもよい。また、ハウジング１１の各孔１１ａ、１１ｂに代えて機械的な弁を設けてもよい。
【０１６０】
以上説明した本実施形態によれば、温度上昇により形状記憶合金ワイヤ７２が収縮し、温度低下によりバネ鋼板７１が元の湾曲した形状に戻ろうとする。そのような温度変化に伴う熱変形部材１７の変形によりダイヤフラム１２を駆動することができ、第１実施形態と同様にマイクロポンプの駆動力を得ることができる。
【０１６１】
しかも、本実施形態では、予め形状記憶処理が施されている形状記憶合金ワイヤ７２を使用するので、マイクロポンプの製造時に形状記憶処理を行う必要がなく、マイクロポンプの製造が容易となる。
【０１６２】
（付記１） ポンプ室と、
一方の主面が前記ポンプ室の内面の一部を画定する弾性変形可能なダイヤフラムと、
低温時に前記ダイヤフラムの他方の主面を押圧し、高温時に前記ダイヤフラムから離れる熱変形部材とを備え、
前記ポンプ室に加熱された流体が流入したときに、前記ダイヤフラムを押圧している前記熱変形部材が前記流体の熱により変形して前記ダイヤフラムから離れ、前記ポンプ室の容積が拡大し、
前記ダイヤフラムから離れた前記熱変形部材が前記流体の温度よりも冷えたときに、前記熱変形部材が変形して前記ダイヤフラムの前記他方の主面を押圧し、前記ポンプ室の容積が縮小して、
前記ポンプ室の前記容積が拡大と縮小とを繰り返すことにより、前記流体の前記ポンプ室への流入と流出とが繰り返されることを特徴とするマイクロポンプ。
【０１６３】
（付記２） 前記熱変形部材は、形状記憶合金膜と応力膜との積層膜であることを特徴とする付記１に記載のマイクロポンプ。
【０１６４】
（付記３） 前記応力膜は、酸化シリコン膜又はDLC膜であることを特徴とする付記２に記載のマイクロポンプ。
【０１６５】
（付記４） 前記形状記憶合金膜の変態温度は、前記流体の温度以下の温度であることを特徴とする付記２に記載のマイクロポンプ。
【０１６６】
（付記５） 前記熱変形部材はバイメタルであることを特徴とする付記１に記載のマイクロポンプ。
【０１６７】
（付記６） 前記熱変形部材は平面視で矩形状であり、
前記矩形状の熱変形部材の対向する二辺を支持する支持部材を更に有することを特徴とする付記１〜５のいずれかに記載のマイクロポンプ。
【０１６８】
（付記７） 前記ダイヤフラムから離れた前記熱変形部材に当接し、該熱変形部材を冷却する冷却部材を更に有することを特徴とする付記１〜６のいずれかに記載のマイクロポンプ。
【０１６９】
（付記８） 前記ダイヤフラムと前記冷却部材との間の空間に連通する管と、
前記管内に移動自在に設けられたピストンとを更に有することを特徴とする付記１〜７のいずれかに記載のマイクロポンプ。
【０１７０】
（付記９） 前記ポンプ室を画定するハウジングを更に有し、
前記ハウジングに、前記流体の流入方向に向かって直径が小さくなる第１の孔と、前記流体の流出方向に向かって直径が小さくなる第２の孔とが形成されたことを特徴とする付記１〜８のいずれかに記載のマイクロポンプ。
【０１７１】
（付記１０） 冷却用の流体が流れる循環経路と、
前記循環経路の途中に設けられ、該循環経路に前記流体を循環させるマイクロポンプとを備え、
前記マイクロポンプが、
前記流体が出入りするポンプ室と、
一方の主面が前記ポンプ室の内面の一部を画定する弾性変形可能なダイヤフラムと、
低温時に前記ダイヤフラムの他方の主面を押圧し、高温時に前記ダイヤフラムから離れる熱変形部材とを有し、
前記ポンプ室に前記流体が流入したときに、前記ダイヤフラムを押圧している前記熱変形部材が前記流体の熱により変形して前記ダイヤフラムから離れ、前記ポンプ室の容積が拡大し、
前記ダイヤフラムから離れた前記熱変形部材が前記流体の温度よりも冷えたときに、前記熱変形部材が変形して前記ダイヤフラムの前記他方の主面を押圧し、前記ポンプ室の容積が縮小して、
前記ポンプ室の前記容積が拡大と縮小とを繰り返すことにより、前記流体の前記ポンプ室への流入と流出とが繰り返されることを特徴とする冷却システム。
【符号の説明】
【０１７２】
１０…マイクロポンプ、１１…ハウジング、１１ａ、１１ｂ…第１及び第２の孔、１２…ダイヤフラム、１２ａ…リム、１３…支持部材、１３ｘ…主面、１３ｚ…溝、１５、１６…第１及び第２の膜、１７…熱変形部材、１９…冷却部材、３１…循環経路、３２…回路基板、３３…電子部品、３４…冷却部、３５…熱交換器、４１…第１のレジストパターン、４２…第２のレジストパターン、４４…犠牲膜、４５…シード層、５１…第３のレジストパターン、５２…第４のレジストパターン、５２ａ、５２ｂ…第１及び第２の窓、５５…第５のレジストパターン、６０…通気孔、６１…管、６２…ピストン、７１…バネ鋼板、７２…形状記憶合金ワイヤ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロポンプ及び冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
パーソナルコンピュータ等の電子機器では、回路基板上にCPU(Central Processing Unit)等の様々な電子部品が搭載される。電子部品は、自身から発する熱によりその機能が劣化したり、最悪の場合には熱により破壊されるおそれがある。そこで、この種の電子機器では、電子部品を冷却するための冷却システムが設けられることがある。
【０００３】
冷却システムは、空冷式と液冷式に分けられる。空冷式の冷却システムは、空冷ファンにより電子部品を冷却するものであるが、電子部品から熱を奪う媒体として熱伝導率の小さな空気を使うため、冷却効率が悪い。
【０００４】
一方、液冷式の冷却システムは、大気よりも熱伝導率の大きな水により電子部品から熱を奪うため、空冷式の冷却システムと比較して冷却効率が良いという利点がある。
【０００５】
そのような液冷式の冷却システムにおいては、優れた冷却効率という利点を活かしつつ、システム全体の低消費電力化を図るのが好ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００５−５１７５３６号公報
【特許文献２】特開２００９−１３４１９４号公報
【特許文献３】特開平４−２３００９７号公報
【特許文献４】特公平７−５６３９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
マイクロポンプ及び冷却システムにおいて、低消費電力化を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以下の開示の一観点によれば、ポンプ室と、一方の主面が前記ポンプ室の内面の一部を画定する弾性変形可能なダイヤフラムと、低温時に前記ダイヤフラムの他方の主面を押圧し、高温時に前記ダイヤフラムから離れる熱変形部材とを備え、前記ポンプ室に加熱された流体が流入したときに、前記ダイヤフラムを押圧している前記熱変形部材が前記流体の熱により変形して前記ダイヤフラムから離れ、前記ポンプ室の容積が拡大し、前記ダイヤフラムから離れた前記熱変形部材が前記流体の温度よりも冷えたときに、前記熱変形部材が変形して前記ダイヤフラムの前記他方の主面を押圧し、前記ポンプ室の容積が縮小して、前記ポンプ室の前記容積が拡大と縮小とを繰り返すことにより、前記流体の前記ポンプ室への流入と流出とが繰り返されるマイクロポンプが提供される。
【０００９】
また、その開示の他の観点によれば、冷却用の流体が流れる循環経路と、前記循環経路の途中に設けられ、該循環経路に前記流体を循環させるマイクロポンプとを備え、前記マイクロポンプが、前記流体が出入りするポンプ室と、一方の主面が前記ポンプ室の内面の一部を画定する弾性変形可能なダイヤフラムと、低温時に前記ダイヤフラムの他方の主面を押圧し、高温時に前記ダイヤフラムから離れる熱変形部材とを有し、前記ポンプ室に前記流体が流入したときに、前記ダイヤフラムを押圧している前記熱変形部材が前記流体の熱により変形して前記ダイヤフラムから離れ、前記ポンプ室の容積が拡大し、前記ダイヤフラムから離れた前記熱変形部材が前記流体の温度よりも冷えたときに、前記熱変形部材が変形して前記ダイヤフラムの前記他方の主面を押圧し、前記ポンプ室の容積が縮小して、前記ポンプ室の前記容積が拡大と縮小とを繰り返すことにより、前記流体の前記ポンプ室への流入と流出とが繰り返される冷却システムが提供される。
【発明の効果】
【００１０】
以下の開示によれば、流体の熱で熱変形部材が変形する力を利用してダイヤフラムを駆動するので、ポンプ室の容積の拡大と収縮とを行うのに電力が不要となり、省電力化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、第１実施形態に係るマイクロポンプの断面図である。
【図２】図２（ａ）、（ｂ）は、熱変形部材が熱変形する様子を示す断面図（その１）である。
【図３】図３（ａ）、（ｂ）は、熱変形部材が熱変形する様子を示す断面図（その２）である。
【図４】図４は、第１実施形態に係る冷却システムの構成図である。
【図５】図５（ａ）〜（ｃ）は、第１実施形態に係るマイクロポンプの動作原理について説明するための断面図である。
【図６】図６（ａ）〜（ｃ）は、第２実施形態に係るマイクロポンプが備える支持部材と熱変形部材の製造途中の断面図（その１）である。
【図７】図７（ａ）〜（ｃ）は、第２実施形態に係るマイクロポンプが備える支持部材と熱変形部材の製造途中の断面図（その２）である。
【図８】図８（ａ）、（ｂ）は、第２実施形態に係るマイクロポンプが備える支持部材と熱変形部材の製造途中の斜視図（その１）である。
【図９】図９は、第２実施形態に係るマイクロポンプが備える支持部材と熱変形部材の製造途中の斜視図（その２）である。
【図１０】図１０（ａ）〜（ｃ）は、第２実施形態に係るマイクロポンプが備えるハウジングの製造途中の断面図である。
【図１１】図１１は、第２実施形態に係るマイクロポンプが備えるハウジングの斜視図である。
【図１２】図１２は、第２実施形態に係るマイクロポンプが備えるハウジングの孔の斜視図である。
【図１３】図１３（ａ）、（ｂ）は、第２実施形態に係るマイクロポンプが備えるダイヤフラムの製造途中の断面図である。
【図１４】図１４は、第２実施形態に係るマイクロポンプが備えるダイヤフラムの斜視図である。
【図１５】図１５（ａ）、（ｂ）は、第２実施形態に係るマイクロポンプの組み立て方法について説明するための断面図である。
【図１６】図１６（ａ）は、第３実施形態に係るマイクロポンプが備える支持部材、熱変形部材、及び冷却部材の斜視図であり、図１６（ｂ）は、図１６（ａ）のI−I線に沿う断面図である。
【図１７】図１７は、第３実施形態に係るマイクロポンプの断面図である。
【図１８】図１８は、第３実施形態において、支持部材に溝を形成した場合の斜視図である。
【図１９】図１９は、第３実施形態において、溝が形成された支持部材を使用したマイクロポンプの断面図である。
【図２０】図２０は、第３実施形態に係るマイクロポンプに管とピストンとを設けた場合の断面図である。
【図２１】図２１は、第４実施形態に係るマイクロポンプの製造途中の平面図である。
【図２２】図２２は、図２１（ｃ）のIII−III線に沿う断面図である。
【図２３】図２３は、第４実施形態に係るマイクロポンプの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るマイクロポンプの断面図である。
【００１３】
マイクロポンプ１０は、パーソナルコンピュータ等の液冷システムに好適に使用されるものであり、ハウジング１１、ダイヤフラム１２、熱変形部材１７、及び冷却部材１９等を備える。
【００１４】
ハウジング１１は、冷却用の流体Cが流入するポンプ室２０の内面の一部を画定するものであり、流体Cが流入する第１の孔１１ａと、流体Cが流出する第２の孔１１ｂを有する。
【００１５】
各孔１１ａ、１１ｂは、流体Cの流れに向かって直径が小さくなるように側面がテーパー状に形成される。このような形状によれば、流体Cの流れの方向に沿った孔１１ａ、１１ｂのコンダクタンスが、これとは反対方向に沿ったコンダクタンスよりも大きくなるため、各孔１１ａ、１１ｂが一方向にのみ選択的に流体Cを流す弁として機能するようになる。
【００１６】
ハウジング１１の材料は特に限定されないが、本実施形態ではシリコン基板を加工することによりハウジング１１を作製する。
【００１７】
また、ダイヤフラム１２は、その一方の主面１２ｘによりポンプ室２０の内面の一部を画定し、自身が弾性変形することによってポンプ室２０内の容積を拡大、収縮させるように機能する。
【００１８】
ダイヤフラム１２の材料は特に限定されない。本実施形態では、ダイヤフラム１２の材料として、弾性変形が容易なシリコンを使用する。
【００１９】
また、ダイヤフラム１２の縁部にはリム１２ａが設けられており、当該リム１２ａにおいてダイヤフラム１２とハウジング１１とが接合される。
【００２０】
そして、熱変形部材１７は、異なる材料の第１の膜１５と第２の膜１６とを積層してなり、ダイヤフラム１２の他方の主面１２ｙから間隔をおいて設けられ、シリコン製の支持部材１３に接合される。
【００２１】
後述のように、熱変形部材１７は、温度変化に応じてその形状が変化し、ポンプ室２０に流体Cを出入りさせる駆動力を生成するように機能する。
【００２２】
また、冷却部材１９は、例えばNiあるいはCuを材料とし、上記の支持部材１３上に接合される。
【００２３】
なお、図１の点線円内に示すように、熱変形部材１７と冷却部材１９とは接合されておらず、これらの間には隙間Sが設けられる。このように隙間Sを設けることで、冷却部材１９によって熱変形部材１７の熱変形が阻害されるのを防止できる。
【００２４】
次に、上記の熱変形部材１７の熱変形について説明する。
【００２５】
図２（ａ）、（ｂ）は、熱変形部材１７が熱変形する様子を示す断面図である。この例では、第１の膜１５として酸化シリコン膜やDLC(Diamond Like Carbon)膜等の圧縮応力を生じる応力膜を形成し、第２の膜１６としてTiNi合金膜等の形状記憶合金膜を形成した場合を想定している。なお、熱変形部材１７の形状は第１の膜１５と第２の膜１６の応力バランスによって決まるため、図２（ｂ）の形状になるように、場合によっては第１の膜１５と第２の膜１６を入れ替えてもよい。
【００２６】
第２の膜１６として形成される形状記憶合金膜は、温度Tが変態温度Tth以上となった場合に、記憶されている形状に戻ろうとする性質がある。本実施形態では、予め第２の膜１６にフラットな形状を記憶させてある。
【００２７】
そのため、図２（ａ）に示すように、温度Tが変態温度Tth以上の高温では、第２の膜１６が記憶されているフラットな形状に戻ろうとするため、熱変形部材１７の全体もフラットになる。
【００２８】
第２の膜１６の変態温度Tthは特に限定されないが、冷却対象のCPU等によって温められた流体Cよりも低い温度に変態温度Tthを設定するのが好ましい。このようにすると、後述のように流体Cからの熱により第２の膜１６をフラットな形状にすることができる。
【００２９】
一方、温度Tが変態温度Tthよりも低い低温では、図２（ｂ）に示すように、第２の膜１６が記憶されている形状に戻ろうとする応力が微弱となり、その応力よりも第１の膜１５の圧縮応力が優勢となって、熱変形部材１７が下に凸になるように変形する。
【００３０】
このように、熱変形部材１７として各膜１５、１６の積層膜を形成することで、高温下と低温下において熱変形部材１７の形状を変えることができるようになる。
【００３１】
なお、以下のように熱変形部材１７としてバイメタルを形成してもよい。
【００３２】
図３（ａ）、（ｂ）は、熱変形部材１７としてバイメタルを形成したときに、熱変形部材１７が熱変形する様子を示す断面図である。
【００３３】
この例では、第１の膜１５として引張応力が比較的大きいCu膜を形成し、第２の膜１６として第１の膜１５よりも熱膨張率が小さく、かつ圧縮応力が比較的大きいNi膜又はRu膜を形成する。
【００３４】
このように、熱膨張率が異なる二つの膜１５、１６を積層すると、温度によって熱変形部材１７の形状を変化させることができる。
【００３５】
例えば、図３（ａ）に示すように、熱変形部材１７の温度が、冷却対象のCPU等によって温められた流体Cの温度程度の高温である場合には、熱変形部材１７の形状をフラットにすることができる。
【００３６】
一方、図３（ｂ）に示すように、図３（ａ）の場合よりも熱変形部材１７の温度が冷えると、第１の膜１５の熱収縮量が第２の膜１６のそれよりも大きくなるため、各膜１５、１６の界面に応力が生じて熱変形部材１７が下に凸になるように変形する。
【００３７】
図４は、このマイクロポンプ１０を備えた冷却システムの構成図である。
【００３８】
このシステム３０は、パーソナルコンピュータ等の電子機器内の電子部品を冷却するのに好適に使用され、冷却用の流体Cが循環する循環経路３１を備える。
【００３９】
流体Cは特に限定されないが、本実施形態では流体Cとして水を使用する。
【００４０】
循環経路３１の途中には、マイクロポンプ１０、冷却対象となる電子部品３３、冷却部３４、及び熱交換部３５が設けられる。
【００４１】
このうち、電子部品３３は、例えばCPUであって、回路基板３２上に設けられる。
【００４２】
また、冷却部３４は、流体Cと電子部品３３との間で熱交換を行うことで電子部品３３を冷却するものである。そして、このような熱交換の結果、冷却部３４に入る前に約３０℃程度であった流体Cの温度が、冷却部３４を出た直後では７０℃程度にまで加熱される。
【００４３】
このように温められた流体Cは、熱交換器３５において外気により冷却され、再び循環経路３１を辿って電子部品３３の冷却に使用される。
【００４４】
このシステム３０においては、マイクロポンプ１０の駆動力によって流体Cが循環経路３１内を循環する。
【００４５】
以下に、そのマイクロポンプ１０の動作原理について説明する。
【００４６】
図５（ａ）〜（ｃ）は、マイクロポンプ１０の動作原理について説明するための断面図である。
【００４７】
なお、図５（ａ）〜（ｃ）において、図１で説明したのと同じ要素には同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
【００４８】
図５（ａ）は、初期状態における断面図である。この状態では、冷却対象となる電子部品３３（図４参照）が起動直後であり、流体Cは室温と同程度の低温となっている。
【００４９】
このような低温の状態では、図２（ｂ）、図３（ｂ）に示したように熱変形部材１７は下方に反るため、熱変形部材１７がダイヤフラム１２の主面１２ｙに当接する。そのため、熱変形部材１７からの押圧力によってダイヤフラム１２が下方に弾性変形し、ポンプ室２０の容積が縮小する。
【００５０】
その後、電子部品３３の熱によって流体Cの温度が上昇すると、ダイヤフラム１２を介して流体Cの熱が熱変形部材１７に伝わり、熱変形部材１７の温度が次第に上昇する。
【００５１】
図５（ｂ）は、このように熱変形部材１７の温度が上昇して高温になった場合の断面図である。
【００５２】
このような高温の状態では、図２（ａ）、図３（ａ）に示したように熱変形部材１７はフラットな状態になるので、ダイヤフラム１２から熱変形部材１７が離れる。その結果、ダイヤフラム１２が熱変形部材１７の押圧力から開放されてフラットな状態になり、ポンプ室２０の容積が拡大し、第１の孔１１ａからポンプ室２０に流体Cが流入する。
【００５３】
ここで、上記のように熱変形部材１７がフラットになると、当該熱変形部材１７と冷却部材１９との間隔が狭まり、熱変形部材１７の一部は冷却部材１９に当接することになる。冷却部材１９は外気により常に冷却されているので、熱変形部材１７から冷却部材１９への熱の移動が起こり、熱変形部材１７の温度は次第に低下する。
【００５４】
そして、熱変形部材１７の温度が流体Cの温度よりも低くなると、図５（ｃ）に示すように再び熱変形部材１７が変形してダイヤフラム１２を押圧する。これにより、ポンプ室２０の容積が縮小し、ポンプ室２０内の流体Cが第２の孔１１ｂから流出することになる。
【００５５】
この後は、上記した図５（ｂ）、（ｃ）の過程が自立的に繰り返されるようになり、ポンプ室の容積の拡大と縮小との繰り返しにより、ポンプ室への流体Cの流入と流出とが自立的に行われる。
【００５６】
なお、既述のように、各孔１１ａ、１１ｂは、一方向にのみ流体を流す弁として機能するため、ポンプ室の容積の拡大と縮小とによって流体Cが循環経路３１を逆流する危険性はない。
【００５７】
ここで、加熱や冷却による熱変形部材１７の応答速度は熱変形部材１７全体の熱容量に依存する。例えば、熱変形部材１７の熱容量が小さければ、加熱された流体Cや冷却部材１９との間で熱交換が速やかに行われ、加熱や冷却によって熱変形部材１７が変形する速さを速めることができる。
【００５８】
本実施形態では、熱変形部材１７の各膜１５、１６の合計の厚さは５μm〜２０μm程度と極めて薄いため、熱変形部材１７全体の熱容量を十分に小さくしてその応答速度を速めることが可能となる。
【００５９】
また、第２の膜１６として形状記憶合金膜を形成する場合には、加熱された流体Cによって第２の膜１６の温度がその変態温度Tth以上となると、第２の膜１６がすぐさまフラットな状態に戻ろうとし、熱変形部材１７の応答速度を一層速めることができる。
【００６０】
以上説明した本実施形態に係るマクロポンプ１０によれば、図５（ａ）〜図５（ｃ）に示したように、流体Cによる加熱や冷却部材１９による冷却で熱変形部材１７を変形させ、それによりマイクロポンプ１０の駆動力を得る。その駆動力を生成するのに電力は不要であるため、ピエゾ素子等により電気的にダイヤフラム１２を駆動する場合と比較して省電力化を図ることが可能となる。
【００６１】
（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態で説明したマイクロポンプの製造方法について説明する。
【００６２】
図１を参照して説明したように、マイクロポンプ１０は、ハウジング１１、ダイヤフラム１２、熱変形部材１７を備える。これらは、以下のように個別に作製される。
【００６３】
まず、熱変形部材１７とそれを支持する支持部材１３の製造方法について説明する。
【００６４】
図６〜図７は、支持部材１３と熱変形部材１７の製造途中の断面図であり、図８〜図９はその斜視図である。
【００６５】
まず、図６（ａ）に示すように、厚さが約０．４mmのシリコン基板Wの表面を熱酸化することにより、第１の膜１５として酸化シリコン膜を１μm〜２μm程度の厚さに形成する。
【００６６】
次いで、第１の膜１５の上にスパッタ法で厚さが約２μm〜１０μmのTiNi合金膜を形成し、そのTiNi膜を第２の膜１６とする。TiNi合金膜は形状記憶合金膜であって、記憶させたい形状で熱処理を施すことで、その形状を記憶させることができる。
【００６７】
既述のように、本実施形態で第２の膜１６に記憶させる形状はフラットな形状である。そこで、シリコン基板Wの上面の形状を反映してフラットになっている第２の膜１６に対し、真空中で基板温度を３５０℃〜５００℃程度とする熱処理を３０分〜６０分程度行い、第２の膜１６にフラットな形状を記憶させる。そのような熱処理は、形状記憶処理とも呼ばれる。
【００６８】
形状記憶処理を経た第２の膜１６は、温度Tが変態温度Tth以上になると、フラットな状態に戻ろうとする。変態温度Tthは、第２の膜１６中におけるTiとNiの組成比により調節することができる。本実施形態では、冷却部３４（図４参照）を出た直後の流体Cの温度（約７０℃）以下の温度、例えば３０℃程度の温度に変態温度Tthを調節する。
【００６９】
以上により、シリコン基板Wの上に、第１の膜１５と第２の膜１６とをこの順に積層してなる熱変形部材１７が形成される。
【００７０】
なお、熱変形部材１７における第１の膜１５は、温度Tが第２の膜１６の変態温度Tthよりも低いときに、自身の圧縮応力により熱変形部材１７を撓ます応力膜であり、そのような機能を有する膜には上記の酸化シリコン膜の他にDLC膜もある。
【００７１】
そのDLC膜は、イオンビームスパッタ法や、アセチレンガスやメタンガスを使用するプラズマCVD法により成膜し得る。
【００７２】
また、第１実施形態で説明したように、熱変形部材１７としてバイメタルを形成してもよい。その場合、第１の膜１５としては、スパッタ法でCu膜を２μm〜１０μm程度の厚さに形成し得る。また、第２の膜１６は、第１の膜１５よりも熱膨張率が小さい膜であれば特に限定されず、例えばスパッタ法でNi膜を２μm〜１０μm程度の厚さに形成し得る。
【００７３】
また、各膜１５、１６をフラットな状態で１５０℃〜３００℃程度の高温の成膜温度で形成すれば、高温下では図３（ａ）のようにフラットで、低温下では図３（ｂ）のように各膜１５、１６の熱収縮量の差で撓む熱変形部材１７を形成することができ、熱応力による変形効果を得ることもできる。
【００７４】
次に、図６（ｂ）に示すように、熱変形部材１７の上に第１のレジストパターン４１を形成する。そして、第１のレジストパターン４１をマスクにし、アルゴンガスを用いたイオンミリングにより各膜１５、１６をパターニングする。
【００７５】
なお、TiNiを含む第２の膜１６については電解エッチングによりパターニングを行ってもよい。その場合のエッチング液としては、例えば、H2SO4のメタノール溶液、LiClのメタノール溶液、又はエタノールがある。
【００７６】
また、レジストパターンを用いたリフトオフにより第２の膜１６をパターニングしてもよい。
【００７７】
その後に、第１のレジストパターン４１は除去される。
【００７８】
図８（ａ）は、本工程を終了した後のシリコン基板Wと熱変形部材１７の斜視図である。
【００７９】
図８（ａ）に示すように、上記のパターニングにより熱変形部材１７の平面形状は矩形状に整形される。
【００８０】
次に、図６（ｃ）に示すように、シリコン基板Wの裏面に第２のレジストパターン４２を形成する。
【００８１】
そして、第２のレジストパターン４２をマスクにして基板Wをドライエッチングすることにより、熱変形部材１７が露出する開口１３ａを形成すると共に、エッチングされずに残存する基板Wを支持部材１３とする。
【００８２】
本工程でのドライエッチングとしては、エッチングの異方性が高いDeep-RIEを採用するのが好ましい。Deep-RIEでは、エッチング雰囲気中にSF6とC4F8とを交互に供給することで、エッチングと堆積物による側壁保護とが交互に進行し、開口１３ａの側壁を基板Wの上面に対して垂直にすることが可能となる。
【００８３】
但し、このように高いエッチング異方性が必要ない場合には、フッ酸溶液をエッチング液とするウエットエッチングにより開口１３ａを形成してもよい。
【００８４】
その後に、第２のレジストパターン４２は除去される。
【００８５】
図８（ｂ）は、本工程を終了した後の支持部材１３と熱変形部材１７の斜視図である。
【００８６】
図８（ｂ）に示すように、支持部材１３は、直径Lが５mm〜３０mm程度のリング状である。そして、矩形状の熱変形部材１７の対向する二辺１７ａ、１７ｂが、その支持部材１３によって支持される。
【００８７】
このように二辺１７ａ、１７ｂのみを支持部材１３で支持することで、他の二辺１７ｃ、１７ｄがフリーな状態となり、熱による熱変形部材１７の変形量を大きくすることが可能となる。
【００８８】
なお、各辺１７ａ〜１７ｄの長さは特に限定されない。本実施形態では、辺１７ａ、１７ｂの長さを約６mm〜３１mmとし、辺１７ｃ、１７ｄの長さを約６mm〜３１mm程度とする。
【００８９】
次いで、図７（ａ）に示すように、スパッタ法により第１の膜１５の裏面のみに犠牲膜４４としてMgO膜を約５０nm程度の厚さに形成する。なお、第１の膜１５の裏面のみに選択的に犠牲膜４４を形成するには、例えば、支持部材１３の表面にレジストパターンを形成した後、第１の膜１５の裏面に犠牲膜４４を形成し、その後にレジストパターンをリフトオフすればよい。
【００９０】
次に、図７（ｂ）に示すように、支持部材１３の主面１３ｘと側面１３ｙ、及び犠牲膜４４上にスパッタ法でシード層４５としてニッケル膜を形成する。
【００９１】
そして、シード層４５を給電層にしながら、電解メッキによりシード層４５の上にニッケル膜を１mm〜２mm程度の厚さに形成し、そのニッケル膜を冷却部材１９とする。なお、冷却部材１９としてCu膜を使用してもよい。
【００９２】
図９は、本工程を終了した後の支持部材１３と熱変形部材１７の斜視図である。
【００９３】
図９の点線円内に示すように、シード層４５を形成しなかった第１の膜１５の側面には冷却部材１９は形成されず、当該側面に犠牲膜４４が露出する。
【００９４】
その後、このように露出している犠牲膜４４を酢酸によりウエットエッチングして除去することで、図７（ｃ）示すように、第１の膜１５と冷却部材１９との間に隙間Sを形成する。
【００９５】
以上により、支持部材１３と熱変形部材１７の基本構造が完成したことになる。
【００９６】
次に、図１に示したハウジング１１の製造方法について説明する。
【００９７】
図１０（ａ）〜（ｃ）は、ハウジング１１の製造途中の断面図であり、図１１はその斜視図である。
【００９８】
まず、図１０（ａ）に示すように、第３のレジストパターン５１をマスクにしてシリコン基板に対してDeep RIEを行うことにより、深さが約０．２mm〜２mmの凹部１１ｃを備えたハウジング１１を形成する。既述のように、Deep RIEでは、エッチング雰囲気中にSF6とC4F8とを交互に供給し、高いエッチング異方性が実現できる。
【００９９】
なお、高いエッチング異方性が必要ない場合には、Deep RIEに代えて、フッ酸溶液をエッチング液とするウエットエッチングにより凹部１１ｃを形成してもよい。
【０１００】
また、エッチングされずに残存するハウジング１１の底部１１ｄの厚さD1は、約０．２mm〜１．８mm程度である。
【０１０１】
更に、このようなドライエッチングによる加工に代えて、機械加工により凹部１１ｃを形成してもよい。
【０１０２】
ここで、ハウジング１１の元となるシリコン基板の面方位は特に限定されないが、本実施形態では底部１１ｄの表面にシリコンの（１００）面が現れるように、主面の面方位が（１００）方向である単結晶のシリコン基板を使用する。
【０１０３】
この後に、第３のレジストパターン５１は除去される。
【０１０４】
次いで、図１０（ｂ）に示すように、ハウジング１１の全面にフォトレジストを塗布し、それを露光、現像することにより、底部１１ｄの裏面と表面に第１の窓５２ａと第２の窓５２ｂを備えた第４のレジストパターン５２を形成する。
【０１０５】
そして、KOH溶液等のエッチング液中にハウジング１１の全体を浸すことにより、各窓５２ａ、５２ｂを通じてハウジング１１をウエットエッチングし、ハウジング１１に第１の孔１１ａと第２の孔１１ｂとを形成する。
【０１０６】
そのようなウエットエッチングでは、各孔１１ａ、１１ｂの側面に（１１１）面等の単結晶シリコンの結晶面が現れる。その結晶面は、底部１１ｄに現れる（１００）面から傾いているので、各１１ａ、１１ｂの側面はテーパー状に傾斜することになる。
【０１０７】
図１２は、このようにして形成された第１の孔１１ａの斜視図である。
【０１０８】
図１２に示すように、第１の孔１１ａの側面は、単結晶シリコンの４つの結晶面が組み合わされた四角錐状となる。
【０１０９】
その後に、図１０（ｃ）に示すように、上記の第４のレジストパターン５２を除去し、ハウジング１１の基本構造を完成させる。
【０１１０】
図１１は、完成したハウジング１１の斜視図である。
【０１１１】
図１１に示すように、ハウジング１１の外形は円形である。
【０１１２】
次に、図１に示したダイヤフラム１２の製造方法について説明する。
【０１１３】
図１３（ａ）、（ｂ）はダイヤフラム１２の製造途中の断面図であり、図１４はその斜視図である。
【０１１４】
まず、図１３（ａ）に示すように、予め約７００μm程度の厚さに薄厚化されたシリコン基板上に第５のレジストパターン５５を形成し、それをマスクにしてシリコン基板に対してDeep RIEを行うことにより、外周にリム１２ａを備えたダイヤフラム１２を形成する。
【０１１５】
そのDeep RIEでは、エッチング雰囲気中にSF6とC4F8とが交互に供給される。なお、本実施形態はこれに限定されず、フッ酸溶液をエッチング液とするウエットエッチングによりダイヤフラム１２とリム１２ａとを形成してもよい。
【０１１６】
また、ダイヤフラム１２の厚さD2は、上記のドライエッチング量により調節することができ、本実施形態では約２μm〜４μmとする。
【０１１７】
更に、このようなドライエッチングによる加工に代えて、シリコン基板に対して機械加工を施すことによりダイヤフラム１２とリム１２ａとを形成してもよい。
【０１１８】
その後、図１３（ｂ）に示すように第５のレジストパターン５５を除去することにより、ダイヤフラム１２の基本構造を完成させる。
【０１１９】
図１４は、完成したダイヤフラム１２の斜視図である。図１４に示すように、ダイヤフラム１２の外形は円形である。
【０１２０】
以上により、マイクロポンプ１０の個々の部品である熱変形部材１７（図９）、ハウジング１１（図１１）、及びダイヤフラム１２（図１４）が完成した。
【０１２１】
この後は、以下のようにこれらを組み立ててマイクロポンプ１０を作製する。
【０１２２】
図１５（ａ）、（ｂ）は、マイクロポンプ１０の組み立て方法について説明するための断面図である。
【０１２３】
まず、図１５（ａ）に示すように、下から順にハウジング１１、ダイヤフラム１２、及び支持部材１３を積み重ねる。
【０１２４】
既述のように、各部材１１〜１３の材料はシリコンであるが、大気中の酸素が原因でこれらの部材１１〜１３の表面のシリコンには酸素が結合しており、単に積み重ねただけではその酸素が邪魔で各部材１１〜１３を機械的に強固に接合することができない。
【０１２５】
そこで、次の工程では、図１５（ｂ）に示すように、真空中で各部材１１〜１３同士を押圧しながらこれらを２００℃程度の温度に加熱することにより、各部材１１〜１３の表面の酸素を除去する。これにより、各部材１１〜１３の表面のシリコンのダングリングボンド同士が結合し、各部材１１〜１３が機械的に強固に接合される。そのような接合方法は、拡散接合法とも呼ばれる。
【０１２６】
以上により、本実施形態に係るマイクロポンプ１０の基本構造が完成したことになる。
【０１２７】
そのマイクロポンプ１０の製造方法によれば、図６（ａ）に示したように、スパッタ法や熱酸化等の薄膜プロセスを利用して第１の膜１５と第２の膜１６とを積層することで簡単に熱変形部材１７を形成できる。
【０１２８】
また、図１０（ａ）や図１３（ａ）に示したように、ハウジング１１とダイヤフラム１２はいずれもシリコン基板をエッチングすることにより作製でき、これらを作製するのに特別な装置は不要である。
【０１２９】
このように、本実施形態では、半導体装置の製造工程にある既存の設備を活かしながらマイクロポンプ１０を作製することが可能となる。
【０１３０】
（第３実施形態）
第２実施形態では、図７（ｂ）に示したように、電解メッキにより冷却部材１９を作製した。
【０１３１】
本実施形態は、その冷却部材１９の作製方法のみが異なり、それ以外は第２実施形態と同じである。
【０１３２】
図１６（ａ）は、本実施形態に係る支持部材１３、熱変形部材１７、及び冷却部材１９の斜視図である。なお、図１６（ａ）において第２実施形態で説明したのと同じ要素には同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
【０１３３】
また、図１６（ｂ）は、図１６（ａ）のI−I線に沿う断面図である。
【０１３４】
図１６（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態では、支持部材１３の開口１３ａ内に、開口１３ａと略同一の外形の冷却部材１９を嵌め込む。そのような冷却部材１９の材料としては、例えば、Cu等の金属材料がある。
【０１３５】
図１７は、本実施形態に係るマイクロポンプ１７の断面図である。図１７では、低温時に熱変形部材１７が下に沿った状態での断面図を示している。
【０１３６】
上記のように開口１３ａと略同一の外形の冷却部材１９を使用すると、開口１３ａを通じた外気の出入りが無くなるので、冷却部材１９とダイヤフラム１２との間の空間Gを気密にすることができ、当該空間Gに埃等が溜まるのを防止できる。
【０１３７】
図１８は、本実施形態の別の例に係る支持部材１３、熱変形部材１７、及び冷却部材１９の斜視図である。
【０１３８】
図１８に示すように、この例では、鋸を利用した機械的な加工により、リング状の支持部材１３の主面１３ｘに溝１３ｚを形成する。
【０１３９】
図１９は、その支持部材１３を利用して作製されたマイクロポンプ１０の断面図であって、支持部材１３、熱変形部材１７、及び冷却部材１９の断面は図１８のII−II線に沿う断面に相当する。
【０１４０】
図１９に示すように、支持部材１３に溝１３ｚを形成したことで、ダイヤフラム１２のリム１２ａと溝１３ｚとで画定される通気孔６０が形成される。
【０１４１】
このように通気孔６０を設けると、上記の空間Gに外気Aが流通するようになるので、熱変形部材１７の押圧力によってダイヤフラム１２が下方に撓んでも空間G内が負圧にならず、負圧が原因でダイヤフラム１２が下方に撓み難くなるのを防止できる。
【０１４２】
なお、図２０に示すように、流通孔６０に管６１を接続し、当該間６１内にピストン６２を移動自在に設けてもよい。
【０１４３】
このようにすると、管６１内でピストン６２が自由に移動することにより、空間G内の圧力を大気圧と同程度の圧力に維持することができるので、空間G内が負圧になってダイヤフラム１２の変形が阻害されるのを抑制できる。
【０１４４】
更に、ピストン６２によって空間G内が気密にされるため、外気A内に含まれる埃が流通孔６０を通って空間G内に至るのを防止することができる。
【０１４５】
空間G内の気体は特に限定されない。空間Gは、空気や乾燥窒素で充填し得る。これらの気体は良好な断熱材として機能するので、ポンプ室２０内の流体の熱によって冷却部材１９の温度が過度に上昇することはない。
【０１４６】
以上説明した各実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
【０１４７】
（第４実施形態）
上記した第１〜第３実施形態では、図１等において示したように、第１の膜１５と第２の膜１６を積層して熱変形部材１７を作製した。
【０１４８】
これに対し、本実施形態では、ワイヤを利用して以下のように熱変形部材１７を作製する。
【０１４９】
図２１は、本実施形態に係るマイクロポンプの製造途中の平面図である。
【０１５０】
そのマイクロポンプを作製するには、まず、図２１（ａ）に示すように、厚さが約０．５mm〜１．０mm程度で矩形状の開口１３ａが形成された支持部材１３を用意する。その支持部材は例えばシリコンウエハやステンレス板であり、これらにエッチングや機械加工を施すことで開口１３ａを形成することができる。
【０１５１】
次いで、図２１（ｂ）に示すように、平面形状が矩形状で厚さが約０．０５mm〜０．１mm程度のバネ鋼板７１に対し、その対角線方向にそって二本の形状記憶合金ワイヤ７２を接合することにより、熱変形部材１７を作製する。なお、バネ鋼板７１と形状記憶合金ワイヤ７２との接合には、ポイント溶接や接着剤を採用する。
【０１５２】
形状記憶合金ワイヤ７２は特に限定されないが、本実施形態では市販されている形状記憶合金ワイヤを使用する。市販の形状記憶合金ワイヤ７２には予め形状記憶合金処理が施されており、形状記憶合金ワイヤ７２の温度Tが変態温度Tth以上となるとそのワイヤ長が縮む。
【０１５３】
そのような形状記憶合金ワイヤ７２として、本実施形態ではトキコーポレーション株式会社製の直径が約５０μmのバイオメタルを使用する。
【０１５４】
そして、図２１（ｃ）に示すように、支持部材１３の開口１３ａの周縁にバネ鋼板７１を溶接する。
【０１５５】
図２２は、図２１（ｃ）のIII−III線に沿う断面図である。
【０１５６】
図２２に示すように、熱変形部材１７は、下方に湾曲した状態で支持部材１３に溶接される。
【０１５７】
なお、この例では、形状記憶合金ワイヤ７２を上にした状態で支持部材１３にバネ鋼板７１を溶接しているが、これとは逆に、形状記憶合金ワイヤ７２を下にしてバネ鋼板７１を支持部材１３に溶接してもよい。
【０１５８】
この後は、ハウジング１１（図１１参照）、ダイヤフラム１２（図１４参照）、冷却部材１９（図１７参照）を用い、図２３に示すような本実施形態に係るマイクロポンプの基本構造を完成させる。
【０１５９】
そのマイクロポンプにおいて、ダイヤフラム１２の材料はシリコンに限定されず、弾性変形が容易な金属薄板やゴムであってもよい。また、ハウジング１１の各孔１１ａ、１１ｂに代えて機械的な弁を設けてもよい。
【０１６０】
以上説明した本実施形態によれば、温度上昇により形状記憶合金ワイヤ７２が収縮し、温度低下によりバネ鋼板７１が元の湾曲した形状に戻ろうとする。そのような温度変化に伴う熱変形部材１７の変形によりダイヤフラム１２を駆動することができ、第１実施形態と同様にマイクロポンプの駆動力を得ることができる。
【０１６１】
しかも、本実施形態では、予め形状記憶処理が施されている形状記憶合金ワイヤ７２を使用するので、マイクロポンプの製造時に形状記憶処理を行う必要がなく、マイクロポンプの製造が容易となる。
【０１６２】
（付記１） ポンプ室と、
一方の主面が前記ポンプ室の内面の一部を画定する弾性変形可能なダイヤフラムと、
低温時に前記ダイヤフラムの他方の主面を押圧し、高温時に前記ダイヤフラムから離れる熱変形部材とを備え、
前記ポンプ室に加熱された流体が流入したときに、前記ダイヤフラムを押圧している前記熱変形部材が前記流体の熱により変形して前記ダイヤフラムから離れ、前記ポンプ室の容積が拡大し、
前記ダイヤフラムから離れた前記熱変形部材が前記流体の温度よりも冷えたときに、前記熱変形部材が変形して前記ダイヤフラムの前記他方の主面を押圧し、前記ポンプ室の容積が縮小して、
前記ポンプ室の前記容積が拡大と縮小とを繰り返すことにより、前記流体の前記ポンプ室への流入と流出とが繰り返されることを特徴とするマイクロポンプ。
【０１６３】
（付記２） 前記熱変形部材は、形状記憶合金膜と応力膜との積層膜であることを特徴とする付記１に記載のマイクロポンプ。
【０１６４】
（付記３） 前記応力膜は、酸化シリコン膜又はDLC膜であることを特徴とする付記２に記載のマイクロポンプ。
【０１６５】
（付記４） 前記形状記憶合金膜の変態温度は、前記流体の温度以下の温度であることを特徴とする付記２に記載のマイクロポンプ。
【０１６６】
（付記５） 前記熱変形部材はバイメタルであることを特徴とする付記１に記載のマイクロポンプ。
【０１６７】
（付記６） 前記熱変形部材は平面視で矩形状であり、
前記矩形状の熱変形部材の対向する二辺を支持する支持部材を更に有することを特徴とする付記１〜５のいずれかに記載のマイクロポンプ。
【０１６８】
（付記７） 前記ダイヤフラムから離れた前記熱変形部材に当接し、該熱変形部材を冷却する冷却部材を更に有することを特徴とする付記１〜６のいずれかに記載のマイクロポンプ。
【０１６９】
（付記８） 前記ダイヤフラムと前記冷却部材との間の空間に連通する管と、
前記管内に移動自在に設けられたピストンとを更に有することを特徴とする付記１〜７のいずれかに記載のマイクロポンプ。
【０１７０】
（付記９） 前記ポンプ室を画定するハウジングを更に有し、
前記ハウジングに、前記流体の流入方向に向かって直径が小さくなる第１の孔と、前記流体の流出方向に向かって直径が小さくなる第２の孔とが形成されたことを特徴とする付記１〜８のいずれかに記載のマイクロポンプ。
【０１７１】
（付記１０） 冷却用の流体が流れる循環経路と、
前記循環経路の途中に設けられ、該循環経路に前記流体を循環させるマイクロポンプとを備え、
前記マイクロポンプが、
前記流体が出入りするポンプ室と、
一方の主面が前記ポンプ室の内面の一部を画定する弾性変形可能なダイヤフラムと、
低温時に前記ダイヤフラムの他方の主面を押圧し、高温時に前記ダイヤフラムから離れる熱変形部材とを有し、
前記ポンプ室に前記流体が流入したときに、前記ダイヤフラムを押圧している前記熱変形部材が前記流体の熱により変形して前記ダイヤフラムから離れ、前記ポンプ室の容積が拡大し、
前記ダイヤフラムから離れた前記熱変形部材が前記流体の温度よりも冷えたときに、前記熱変形部材が変形して前記ダイヤフラムの前記他方の主面を押圧し、前記ポンプ室の容積が縮小して、
前記ポンプ室の前記容積が拡大と縮小とを繰り返すことにより、前記流体の前記ポンプ室への流入と流出とが繰り返されることを特徴とする冷却システム。
【符号の説明】
【０１７２】
１０…マイクロポンプ、１１…ハウジング、１１ａ、１１ｂ…第１及び第２の孔、１２…ダイヤフラム、１２ａ…リム、１３…支持部材、１３ｘ…主面、１３ｚ…溝、１５、１６…第１及び第２の膜、１７…熱変形部材、１９…冷却部材、３１…循環経路、３２…回路基板、３３…電子部品、３４…冷却部、３５…熱交換器、４１…第１のレジストパターン、４２…第２のレジストパターン、４４…犠牲膜、４５…シード層、５１…第３のレジストパターン、５２…第４のレジストパターン、５２ａ、５２ｂ…第１及び第２の窓、５５…第５のレジストパターン、６０…通気孔、６１…管、６２…ピストン、７１…バネ鋼板、７２…形状記憶合金ワイヤ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプ室と、
一方の主面が前記ポンプ室の内面の一部を画定する弾性変形可能なダイヤフラムと、
低温時に前記ダイヤフラムの他方の主面を押圧し、高温時に前記ダイヤフラムから離れる熱変形部材とを備え、
前記ポンプ室に加熱された流体が流入したときに、前記ダイヤフラムを押圧している前記熱変形部材が前記流体の熱により変形して前記ダイヤフラムから離れ、前記ポンプ室の容積が拡大し、
前記ダイヤフラムから離れた前記熱変形部材が前記流体の温度よりも冷えたときに、前記熱変形部材が変形して前記ダイヤフラムの前記他方の主面を押圧し、前記ポンプ室の容積が縮小して、
前記ポンプ室の前記容積が拡大と縮小とを繰り返すことにより、前記流体の前記ポンプ室への流入と流出とが繰り返されることを特徴とするマイクロポンプ。
【請求項２】
前記熱変形部材は、形状記憶合金膜と応力膜との積層膜であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロポンプ。
【請求項３】
前記熱変形部材はバイメタルであることを特徴とする請求項１に記載のマイクロポンプ。
【請求項４】
前記ダイヤフラムから離れた前記熱変形部材に当接し、該熱変形部材を冷却する冷却部材を更に有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のマイクロポンプ。
【請求項５】
冷却用の流体が流れる循環経路と、
前記循環経路の途中に設けられ、該循環経路に前記流体を循環させるマイクロポンプとを備え、
前記マイクロポンプが、
前記流体が出入りするポンプ室と、
一方の主面が前記ポンプ室の内面の一部を画定する弾性変形可能なダイヤフラムと、
低温時に前記ダイヤフラムの他方の主面を押圧し、高温時に前記ダイヤフラムから離れる熱変形部材とを有し、
前記ポンプ室に前記流体が流入したときに、前記ダイヤフラムを押圧している前記熱変形部材が前記流体の熱により変形して前記ダイヤフラムから離れ、前記ポンプ室の容積が拡大し、
前記ダイヤフラムから離れた前記熱変形部材が前記流体の温度よりも冷えたときに、前記熱変形部材が変形して前記ダイヤフラムの前記他方の主面を押圧し、前記ポンプ室の容積が縮小して、
前記ポンプ室の前記容積が拡大と縮小とを繰り返すことにより、前記流体の前記ポンプ室への流入と流出とが繰り返されることを特徴とする冷却システム。
【請求項１】
ポンプ室と、
一方の主面が前記ポンプ室の内面の一部を画定する弾性変形可能なダイヤフラムと、
低温時に前記ダイヤフラムの他方の主面を押圧し、高温時に前記ダイヤフラムから離れる熱変形部材とを備え、
前記ポンプ室に加熱された流体が流入したときに、前記ダイヤフラムを押圧している前記熱変形部材が前記流体の熱により変形して前記ダイヤフラムから離れ、前記ポンプ室の容積が拡大し、
前記ダイヤフラムから離れた前記熱変形部材が前記流体の温度よりも冷えたときに、前記熱変形部材が変形して前記ダイヤフラムの前記他方の主面を押圧し、前記ポンプ室の容積が縮小して、
前記ポンプ室の前記容積が拡大と縮小とを繰り返すことにより、前記流体の前記ポンプ室への流入と流出とが繰り返されることを特徴とするマイクロポンプ。
【請求項２】
前記熱変形部材は、形状記憶合金膜と応力膜との積層膜であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロポンプ。
【請求項３】
前記熱変形部材はバイメタルであることを特徴とする請求項１に記載のマイクロポンプ。
【請求項４】
前記ダイヤフラムから離れた前記熱変形部材に当接し、該熱変形部材を冷却する冷却部材を更に有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のマイクロポンプ。
【請求項５】
冷却用の流体が流れる循環経路と、
前記循環経路の途中に設けられ、該循環経路に前記流体を循環させるマイクロポンプとを備え、
前記マイクロポンプが、
前記流体が出入りするポンプ室と、
一方の主面が前記ポンプ室の内面の一部を画定する弾性変形可能なダイヤフラムと、
低温時に前記ダイヤフラムの他方の主面を押圧し、高温時に前記ダイヤフラムから離れる熱変形部材とを有し、
前記ポンプ室に前記流体が流入したときに、前記ダイヤフラムを押圧している前記熱変形部材が前記流体の熱により変形して前記ダイヤフラムから離れ、前記ポンプ室の容積が拡大し、
前記ダイヤフラムから離れた前記熱変形部材が前記流体の温度よりも冷えたときに、前記熱変形部材が変形して前記ダイヤフラムの前記他方の主面を押圧し、前記ポンプ室の容積が縮小して、
前記ポンプ室の前記容積が拡大と縮小とを繰り返すことにより、前記流体の前記ポンプ室への流入と流出とが繰り返されることを特徴とする冷却システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【公開番号】特開２０１２−１１７４１６（Ｐ２０１２−１１７４１６Ａ）
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６６５１２（Ｐ２０１０−２６６５１２）
【出願日】平成２２年１１月３０日（２０１０．１１．３０）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月３０日（２０１０．１１．３０）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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