JP2009506579A - マイクロ流体システム内部で気化冷却を行う方法及び装置 - Google Patents

Abstract

気化冷却は、システム素子から熱を迅速に除去する有効かつ効率的な方法である。本開示によると、マイクロ流体Y接合装置が供される。当該装置は、低温を生成することが可能で、かつマイクロ素子への集積が可能である。

Description

本開示は、有効かつ効率的にシステムから熱を除去する、マイクロ流体チャネル内で気化冷却の集積に関する。

部品の小型化は、エレクトロニクス及び光学の分野においてますます進行している。トランジスタ密度がこのように急激に増加することで、熱が増大し、かつ処理能力及び素子速度のレベルを維持するために放熱が必要となる。

放熱は、‘トランジスタを眠らせること’からオンチップのマイクロ冷却装置（非特許文献1）まで、様々な方法で解決されてきた。放熱（冷却）のエレクトロニクスに関する用途に加えて、小型化された冷却装置には他に複数の用途が存在する。そのような用途には、光及びマイクロ波検出器の冷却、ポリメラーゼ鎖反応装置の循環、及び高出力通信レーザーの熱的安定化が含まれる。温度制御はまた、微細加工された化学の“実験室”の集積部分にもなる。その実験室内では、サブナノリットル体積の試薬が、マイクロ流体チップ上で反応する。

素子の一部である、又はその素子の近傍に存在する素子を冷却する局所冷却は難しい。従来半導体産業は、電気的に誘起される温度勾配を供するヒートシンク及び半導体接合に依存する熱電冷却装置を開発してきた。マイクロレベルでのヒートシンクは、全体の構造を大きなものにしてしまう。
米国特許出願第60/712746号明細書 米国特許出願第60/787729号明細書 シャコウリ(Shakouri)及びツァング(Zhang)、IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies誌、第28巻、pp.651-657、2005年

よってマイクロスケール素子の放熱についての増大する必要性を解決するのに必要なものは、温度制御を効率的かつ有効に行うマイクロスケールの手段である。

本開示では、マイクロ流体チャネル内部の揮発性材料の揮発による局所冷却によって温度制御を行う新たな方法及び装置が供される。

本開示の第1態様によると、マイクロ流体素子の気化冷却を供する装置が供される。当該装置はY接合を有する。そのY接合は、第1入力チャネル、第2入力チャネル、接合領域、及び出力チャネルを有する。冷媒は第1入力チャネルを介して供給される。気体は第2入力チャネルを介して供給される。前記冷媒と前記気体とは、前記接合領域で混合する。

本開示の第2態様によると、気化冷却用装置の製造方法が供される。当該方法は、第1入力チャネル、第2入力チャネル、接合領域、及び出力チャネルを有するY接合の鋳型を形成する工程、ワックス鋳型を化学的に処理する工程、そのワックス鋳型を熱的に処理する工程、ポリジメチルシロキサンを調製する工程、そのポリジメチルシロキサンをそのワックス鋳型に塗布することでポリジメチルシロキサンブロックを生成する工程、そのポリジメチルシロキサンブロックを切り取る工程、熱によってそのポリジメチルシロキサンブロックを脱ワックスする工程、そのポリジメチルシロキサンブロックを洗浄して残ったワックスを除去する工程、冷媒を第1入力チャネルに供する工程、並びに気体を第2入力チャネルに供する工程を有する。

本開示の第3態様によると、システムに局所気化冷却を供する方法が供される。当該方法は、第1入力チャネル、第2入力チャネル、接合領域、及び出力チャネルを有するY接合素子を前記システムに取り付ける工程、第1入力チャネルを介して冷媒を供給する工程、並びに第2入力チャネルを介して気体を供給する工程を有する。第1入力チャネルを介して冷媒が供給され、かつ第2入力チャネルを介して気体が供給されることで、冷媒と気体とは接合領域で混合する。

冷却は、圧縮気体と気化液体との吸熱性混合によって実現される。本開示は、気体と蒸発液体との混合を実行するように製造された新たな素子であって、かつ2の入力チャネルを有するY接合を有する素子を供する（図1）。冷媒（たとえばジエチルエーテル、アセトン、イソプロパノール、エタノール）は、1の入力チャネルアーム(10)を介して供される。気体（たとえばN₂）は、第2入力チャネルアーム(20)を介して供される。これら2つは、Y(30)の接合領域で混合し、その後Y字配置の幹である出力チャネル(40)へ続く。冷媒、2のチャネルアーム間の角度、及び気体圧力の変化はそれぞれ、冷却速度に影響を及ぼす。

図2は、所与の条件では、ジエチルエーテルが、イソプロパノール、アセトン、及びエタノールと比較して最適の冷媒であることを示している。当業者は、所与のシステムに必要とされる冷却に依存して、イソプロピルアルコール、アセトン、及びエタノールを用いるだけではなく、他の冷媒を最適化することができる。図2での所与の条件下では、ジエチルエーテルは、最低温度及び最速の冷却速度を供した。

図3は、平方インチあたり21ポンドの圧力(psi)で与えられた窒素ガスが最低温度を供したことを示している。2のチャネルアーム間の角度が10°である場合には、圧力が高くなっても（最大36psi）、温度は低くならなかった。

図4は、2のチャネルアーム間の角度が10°では、50°及び100°と比較して最低温度が供されることを示している。

本開示の好適実施例では、気化冷却の装置は、2のアームと接合部を有するY接合を含む。一のアームは冷媒用の第1チャネルを形成する。第2アームは気体用の第2チャネルを形成する。冷媒と気体とは、出口チャネル内である2のアームの接合部で混合する（図1参照）。

一の実施例では、Y接合は、ワックス鋳型を用いることにより、ポリジメチルシロキサンで作られる。マイクロ流体素子と共に用いるためには、長さ6.5mmで直径0.650mmのチャネルを有するY接合が作られて良い。チャネルの長さ及び直径は、冷却用途に応じて、当業者によって最適化されて良い。

一の実施例では、温度を測定するために、熱電対がY接合の冷媒用チャネルに挿入される。温度計は、熱電対に取り付けられることで、温度測定を補助して良い。

他の実施例では、選択膜(50)が装置に組み込まれ、かつ出口チャネル内に挿入される。それにより、気体チャネルに供される気体は通過できるが、液体冷媒は保持される。よって、冷媒の再循環及び再利用が可能となる。膜の選択は冷媒の選択に固有である。たとえば冷媒として水が用いられる場合には、市販のポリマーであるナフィオン(Nafion)（デュポン(DuPont)社）が水を回収するのに用いられて良い。他の実施例では、PDMSの薄膜が選択膜として機能して良い。その理由は、このエラストマーは、気体を通すが、水を通さないためである。

[例1]ワックス鋳型及びPDMSのY接合の製造
本開示の好適実施例では、気化冷却用装置の製造方法が供される。当該方法は、最初にワックスプリンタを用いて鋳型を形成する工程を有する。ワックスの設計を得るには、3次元モデリング装置（ソリッドワークス(SolidWorks)（登録商標））が用いられ、続いてソリッドスケープ(SolidScape)のモデルワークス(ModelWorks)ソフトウエアを用いて、利用可能なフォーマットに変換される。流体チャネルのワックスモデルは、ソリッドスケープのT66ワックスプリンタ(wax
printer)を用いて生成される。ワックス鋳型は、ペトロファーム(Petroferm)バイオアクト(Bioact)VS-0プレシジョンクリーナ(Precision
Cleaner)を用いて化学的に処理され（不要なワックスが除去される）、続いて夜通し37℃で加熱することで、熱的に処理される。

ダウコーニング社製のシルガード（登録商標）から得られる184ポリジメチルシロキサン(PDMS)エラストマーは、キーエンス社製ハイブリッドミキサーHM501で混合されることで、流体チャネルを形成する。PDMSの第1層は、最初に真空チャンバ内で10分間脱ガス処理され、続いて80℃で処理された。続いて第1層よりも薄いPDMSの第2層が第1層に塗布された。その後ワックス鋳型がこの処理されていない第2層上に設けられた。最後に第3PDMS層がワックス鋳型に塗布された。続いて3層からなるブロックは、真空下で乾燥されて、54℃で4時間加熱された。

[例2]Y接合気化冷却装置の組み立て
作製されたPDMSのY接合は、一のアームチャネルを介して冷媒と接し、かつ第2アームチャネルを介して吸入する窒素ガスと接する。k型熱電対であるオメガプレシジョン(Omega Precision)微細ワイヤが、流体チャネルの排出口に挿入された。この熱電対は0.125mmの直径を有する。よってこの熱電対の直径は、冷媒又は気体の排出口と干渉しない程度の小ささである。熱電対は、オメガアイシリーズi/32（Omega iSeries i/32）温度制御装置に取り付けられた。その温度制御装置は、1秒間に約3回の割合で温度を測定し、かつ記録を残す。温度の測定は、シリアルポート及びマイクロソフト（登録商標）製ハイパーターミナルを介したコンピュータがインターフェースとなる制御装置を用いて行われた。冷媒及び気体の吸入口圧力は、デジタル圧力メーター（TIFインスツルメンツ）によって監視された。

[例3]図2
図2に図示されているように、4の冷媒（ジエチルエーテル、イソプロパノール、アセトン、及びエタノール）の中で、最低冷媒温度は、ジエチルエーテルを用いたときに得られた。その際、窒素ガスは21psiで与えられ、かつ2のアームチャネル間の角度は10°であった。

[例4]図3
図3に図示されているように、21psiで与えられた窒素ガスは、最低冷媒温度を得るのに必要な最低圧力であった。その際、2のアームチャネル間の角度は10°で、かつ冷媒はジエチルエーテルである。より詳細には図3では、最も上のデータ線は12psiでのデータを表し、時間0分で-12.5℃から開始される中間のデータ線は15psiでのデータを表し、かつ、最低温度である最下部の2のデータ線は21psi及び24psiでのデータを表す。

[例5]図4及び5
図4及び5に図示されているように、冷媒がジエチルエーテルで、かつ窒素ガスが21psiで与えられるときには、最低冷媒温度を得るための2のアームチャネル間の角度は10°が最も好適である。

[例6]半導体素子への装置の集積
本開示のY接合冷却装置は、半導体素子をエッチングして形成されて良い。チャネルは、フォトリソグラフィプロセス及び酸によるエッチングプロセスによって、誘電体中及び半導体層を介して作製されて良い。さらにチャネルは、ウエハ上面若しくは背面、又は絶縁層（たとえばシリコン・オン・インシュレータ(SOI)チップセット）中をエッチングして形成されても良い。

以上をまとめると、気化冷却は、システム素子から熱を急速に除去するための有効でかつ効率的な方法である。本開示によると、低温を生成し、かつマイクロ素子への集積が可能なマイクロ流体Y接合装置は供される。

上記記載では図示された実施例が示され、かつ説明されているが、当業者は、多数の変化型及び代替実施例を思いつく。そのような変化型及び代替実施例は予想され、かつ「特許請求の範囲」の請求項で定義された本発明の技術的範囲から逸脱することなく思いつくことができる。

冷媒入力チャネルアーム(10)、気体入力チャネルアーム(20)、接合領域(30)、出力チャネル(40)、及び任意の選択膜(50)を有するY接合を概略的に図示している。 4の冷媒を用いた場合の時間に対する温度降下のグラフを図示している。 複数の圧力での時間に対する最小の到達可能温度のグラフを図示している。 複数のY接合アーム角度での時間に対する最小の到達可能温度のグラフを図示している。 Y接合アーム角度に対する最小の到達可能温度のグラフを図示している。

Claims (37)

1. 第1入力チャネル、第2入力チャネル、接合領域、及び出力チャネルを有するY接合を有する気化冷却用装置であって、
   冷媒は前記第1入力チャネルを介して供給され、
   気体は前記第2入力チャネルを介して供給され、かつ
   前記冷媒と前記気体とは、前記接合領域で混合する、
   装置。
2. 前記Y接合がポリジメチルシロキサンで作られる、請求項1に記載の装置。
3. 前記第1入力チャネル及び前記第2入力チャネルがそれぞれ、6.5mmの長さ及び0.650mmの直径を有する、請求項1に記載の装置。
4. 前記第1入力チャネルと前記第2入力チャネルとが互いに、10°から180°の間の角度をなすように位置する、請求項1に記載の装置。
5. 前記冷媒が、ジエチルエーテル、イソプロパノール、アセトン、及びエタノールからなる群から選択される、請求項1に記載の装置。
6. 前記冷媒がジエチルエーテルである、請求項1に記載の装置。
7. 前記第1入力チャネルと前記第2入力チャネルとが互いに、10°の角度をなすように位置する、請求項1に記載の装置。
8. 熱電対をさらに有する装置であって、前記熱電対が前記出力チャネル内に位置する、請求項1に記載の装置。
9. 前記気体が窒素である、請求項1に記載の装置。
10. 前記第2入力チャネルが、0から36psiの圧力で与えられる気体を含む、請求項1に記載の装置。
11. 前記第2入力チャネルが、21psiの圧力で与えられる気体を含む、請求項1に記載の装置。
12. 少なくとも-20℃の冷却を供する、請求項1に記載の装置。
13. 毎秒約40℃の冷却速度を供する、請求項1に記載の装置。
14. 半導体素子をエッチングすることによって作製される、請求項1に記載の装置。
15. フォトリソグラフィプロセス又は酸によるエッチングプロセスによってエッチングされて作製される、請求項14に記載の装置。
16. 気化冷却用装置の製造方法であって：
    第1入力チャネル、第2入力チャネル、接合領域、及び出力チャネルを有するY接合の鋳型を形成する工程；
    前記のワックス鋳型を化学的に処理する工程；
    前記ワックス鋳型を熱的に処理する工程；
    ポリジメチルシロキサンを調製する工程；
    前記ポリジメチルシロキサンを前記ワックス鋳型に塗布することでポリジメチルシロキサンブロックを生成する工程；
    前記ポリジメチルシロキサンブロックを切り取る工程；
    熱によって前記ポリジメチルシロキサンブロックを脱ワックスする工程；
    前記ポリジメチルシロキサンブロックを洗浄して残ったワックスを除去する工程；
    前記第1入力チャネルに冷媒を供する工程；並びに
    前記第2入力チャネルに気体を供する工程；
    を有する方法。
17. 前記出力チャネルに熱電対を挿入する工程をさらに有する、請求項16に記載の方法。
18. 前記出力チャネルに選択膜を挿入する工程をさらに有する、請求項17に記載の方法。
19. 前記選択膜がポリジメチルシロキサンである、請求項18に記載の方法。
20. 第1入力チャネル、第2入力チャネル、接合領域、及び出力チャネルを有するY接合素子を前記システムに取り付ける工程、
    前記第1入力チャネルを介して冷媒を供給する工程、並びに
    前記第2入力チャネルを介して気体を供給する工程、
    を有する、システムに局所気化冷却を供する方法であって、
    冷媒と気体とは接合領域で混合する、
    方法。
21. 前記第1入力チャネル及び前記第2入力チャネルがそれぞれ、6.5mmの長さ及び0.650mmの直径を有する、請求項20に記載の方法。
22. 前記冷媒が、ジエチルエーテル、イソプロパノール、アセトン、及びエタノールからなる群から選択される、請求項20に記載の方法。
23. 前記気体が窒素である、請求項20に記載の方法。
24. 前記第1入力チャネルと前記第2入力チャネルとが互いに、10°の角度をなすように位置する、請求項20に記載の方法。
25. 前記出力チャネルに熱電対を挿入する工程をさらに有する、請求項20に記載の方法。
26. 前記熱電対に温度計を取り付ける工程をさらに有する、請求項20に記載の方法。
27. 前記熱電対及び前記温度計の手段によって温度を測定する工程をさらに有する、請求項20に記載の方法。
28. 前記Y接合素子がポリジメチルシロキサンで作られる、請求項20に記載の方法。
29. 選択膜が前記出力チャネルに挿入される、請求項20に記載の方法。
30. 前記選択膜がポリジメチルシロキサンである、請求項29に記載の方法。
31. 前記選択膜によって、
    前記気体は前記出力チャネルを貫流することが可能となり、かつ
    前記冷媒は保持される、
    請求項29に記載の方法。
32. 前記Y接合素子をシリコンに取り付ける工程をさらに有する、請求項20に記載の方法。
33. 請求項1に記載の装置の使用方法であって、前記装置をマイクロ流体素子に接続する工程をさらに有する、方法。
34. -20℃の冷却温度が、前記マイクロ流体素子内部で維持される、請求項33に記載の方法。
35. 冷却速度が毎秒40℃である、請求項33に記載の方法。
36. 半導体をエッチングすることによって前記装置を作製する工程をさらに有する、請求項19に記載の方法。
37. 前記エッチングが、フォトリソグラフィプロセス又は酸によるエッチングプロセスである、請求項36に記載の方法。

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