JP4718986B2 - 流体アクチュエータ並びにこれを用いた発熱装置及び分析装置 - Google Patents
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Description
そのため、非特許文献1に開示されているようにMPUのシリコン基板に流体通路を形成し、流体通路に流体を循環させる構造が提案されている。発熱部である半導体基板の極近傍で冷却が可能となり、MPUの高速化に伴う発熱増大に対応できる。しかしながら、非特許文献1に開示されているMPU水冷システムは、ポンプとして電気浸透流ポンプを用いるが、MPUのシリコン基板に形成される細い流体通路においては流体通路抵抗が大きくなるため、400V程度と高い駆動電圧が必要であるという問題がある。
Daniel J. Laser et. al., 「集積回路の熱管理用シリコン電気浸透流マイクロポンプ」"Silicon Electroosmotic Micropumps for Integrated Circuit Thermal Management", IEEE Transducers, pp151-154, 2003 R. J. Linderman, Oyvind Nilsen, Victor M. Bright , "The Resonant Micro Fan Gas Pump for Active Breathing Microchannels", IEEE TRANSDUCERS ’03 , pp1923-1926, 2003
非特許文献1のMPU水冷システムで用いられる、流体アクチュエータとしての電気浸透流ポンプは、MPUのシリコン基板に形成される細い流体通路においては流体通路抵抗が大きくなるため、400V程度と高い駆動電圧が必要である。
非特許文献2の共振フィンを用いたマイクロポンプは、流体が一方向にしか流れないように設計されているため、流体が流れる向きを可変にし難いという問題がある。
また、本発明の目的は、前記流体アクチュエータと一緒に集積化することで外部のポンプが不要で、さらにはバッチプロセスで同時に作製が可能な発熱装置及び分析装置を提供することである。
前記支持部上の前記振動体の取り付け位置が、該振動体の中心から、前記流体通路方向にずれた位置に配置されていることが好ましい。この構造であれば、前記振動印加部を所定振動数で振動させたときに、振動体は、流体通路方向の一方側と他方側とで異なる大きさの曲げ振動をするので、流体通路内の流体の流れは一方向に流れることとなる。いずれの方向に流れるかは、前記振動印加部の振動周波数に応じて異なる。
前記流体通路は、流体が循環可能である場合には、この流体通路に熱交換器又は放熱器を設けることにより、装置の冷却又は加熱が可能となる。
本発明の発熱装置は、前記流体アクチュエータを冷却装置として利用する発熱装置であって、当該発熱装置を実装する基板を有し、前記流体通路は、当該発熱装置を実装する基板に設けられているものである。この構成であれば、前記流体通路は、前記発熱装置の近傍を通過する放熱路として利用することができ、当該発熱装置を実装する基板から発生する熱を流体に移動させて当該発熱装置を冷却することができ、高い冷却効率が期待できる。
図1は、本発明の流体アクチュエータの実施の形態の一例を示す透視平面図(a)及びA−A線断面図(b)を示す。
この流体アクチュエータにおいて、上下二枚の平板4,3が接合されている。上側の平板4(以下「蓋体4」という)の接合面に、平面視したときにU字型となる形状の溝を作っている。このU字状の溝は、上下二枚の平板4,3を張り合わせたときに、流体通路2となる空洞部を形成する。
下側の平板3(以下「基体3」という)は、流体通路2の内壁面の一部を形成する。
基体3上の、流体通路2の一部には、1個又は複数個(この例では3個)の支持部22が取り付けられ、支持部22には、板状の振動体(フィン)21が取り付けられている。この振動体21が設置されている部分を「振動発生部1」という。
16は流体通路2に設置された流速センサである。流速センサ16は図示しない測定回路につながれており、流体通路内の流体の流速が測定できるようになっている。
図2(a)は、振動発生部1の付近を示す図(図1(b)の拡大図)である。図2(b)は、そのB−B線断面図である。
支持部22は、図2(b)に示すように、基体3から立設された2本の柱からなる。支持部22は、振動印加時に塑性変形しない程度に硬いものであればよく、その材質は問わない。例えば、アルミニウムなどを好適に使うことができる。
また、図3(b)に示すように、振動体21の厚さをT2、支持部22の高さをT1、支持部22の取り付け位置における幅(振動体21の長手方向に沿った幅)をWで示す。
この振動体21の振動により、流体通路2内の流体が所定方向に駆動される。「所定方向」とは、支持部22の取り付け位置から見て、振動体21の中心Cを向く方向となる。
図4(a)は、周波数4.5MHzで圧電振動印加部33を振動させたときの振動体21の振動変位を示す側面図である。
図4(b)は、周波数12.4MHzで圧電振動印加部33を振動させたときの振動体21の振動変位を示す側面図である。
以上の結果から、圧電振動印加部33の駆動周波数によって、流体通路2中の流体が流れる向きを左右にコントロールできることが分かる。
なお、このときの流量の比は、右向きの流量(4.5MHzの場合):左向きの流量(12.4MHzの場合)=37:26となる。流量の比は1から大きく異なることはなく、12.4MHzで駆動するときは、振動の振幅を大きくするなどして若干駆動力を強めることで、左右どちらにも同じ流速を得ることができることがわかる。
次に、振動体21の支持部22からのアンバランス度、即ちLとRの比を変化させて、左向き、右向きの流量を計算した結果を、図5のシミュレーションの結果を示す線図に示す。図5の横軸に、支持部22の取り付け位置から振動体21の左辺までの長さLをとっている。なお、L+R=40(μm)の関係を満たしている。縦軸は、流体の流量比(右向きの流量/左向きの流量)を対数スケールで表している。
また、Lが小さすぎて、支持部22を設ける位置が振動体21の端部に近づきすぎると、支持部22にかかるモーメントが大きくなり、構造の寿命に影響を与える可能性がある。
特に、周波数を変えたときにバランスの取れた左右の流れを作り出すことができるという観点から、Lは15μm以上19μmであることがより望ましい。
ここで、Lの長さで望ましい範囲を規定したが、実際はL+R=40μmの拘束があるため、LとRの比で規定することもできる。「Lが11μm以上19μm以下」という規定は、「L/Rが11/29以上19/21以下である」ことと同値である。
次に、犠牲層エッチング技術を用いる本発明の流体アクチュエータの製造方法について、図6を参照しながら説明する。
基体3としてシリコン板を用い、支持部22と振動体21の材質としてアルミニウムを用いる。
次に、RIE装置によって支持部22を形成する部分が開口するようにアモルファスシリコン膜29を除去し、フォトレジストをアセトンなどにより除去する。次にアルミニウムをスパッタにより1μmの厚さに成膜する。そして表面を丁度1μm研磨することにより、アモルファスシリコン膜29の開口部にアルミニウムの支持部22が形成された状態となる(図6(b)参照)。
なお、基体3の材料としてシリコンを使う場合を説明したが、ガラス基板やその他の基板を利用しても良い。また、支持部22と振動体21としてアルミニウムを用いたが、その他の金属や無機材料、有機材料を用いても構わない。また、プロセスも上記方法に限定するものではない。
このPDMSの蓋体4の溝の中に、先ほど作製した振動体21及び支持部22が入るようにして、蓋体4と基体3とを接合することで、内部に振動体21と支持部22が設置された流体通路2ができあがる。
前述のシミュレーションに用いた形状のアクチュエータの場合、圧電振動体21を4.5MHzで振動させることにより、所定方向に流体を流すことが可能となり、圧電振動体21を12.4MHzで駆動することにより、反対の方向に流体を流すことが可能となる。
また、上述において、圧電振動印加部を基体の下面に装着した例によって説明したが、これに限るものではなく、基体の中に埋め込んだり、嵌め込んだりするようにしても良い。さらに、基体自体を圧電体で構成し、基体と圧電振動印加部を共通の構成としても良い。
また、図に示した例では、フィンの数を3つとしているが、実際には、多数のフィンを流体通路に対して、縦横に複数列となるように配置して、同時に振動印加部から所定の振動を印加するようにして、必要な流量を得るようにすると良い。
図7では、流体アクチュエータの蓋体4として、半導体基板を用いている。半導体基板には例えば、シリコンの間に絶縁層としてSiO2が挟まれたSOI(Silicon on Insulator)基板を用いている。
基体3の流体通路2に対応する2つの位置には、それぞれ振動発生部1a,1bが配置されている。そして、半導体基板の流体通路2を形成した側を、振動発生部1a,1bが実装された基体3と接合している。基体3には、振動発生部1a,1bの裏側に圧電振動印加部33を貼り付けて、本発熱装置が完成する。
なお、振動発生部の数は、2つに限られるものではなく、1つでもよく、3つ以上でもよい。
流体通路2の両端口26,27には、配管を通して、流体を貯める容器6が接続されている。容器6の中の流体が、前記配管及び流体通路2を循環して容器6に戻ってくる。この循環の途中で、放熱フィンなどの熱交換器28が設けられていて、この熱交換器により、半導体回路で発生した熱を外部に逃がすことができる。
図8(a)は、本発明の分析装置の蓋体40を示す平面図であり、蓋体40には、略十字の溝が形成されている。この蓋体40を、基体3に接合させることで、横向きの流体通路2aと、縦向きの流体通路2bが形成される。
基体3上の流体通路2a,2bに対応する位置には、それぞれ振動発生部1c,1dが配置されている。振動発生部1c,1dは、スイッチ(図示せず)により、いずれか1つが駆動されるようになっている。43は、サンプル流体を測定する測定部である。測定部の測定原理は限定されないが、例えば吸光度スペクトルを測定することにより、サンプル流体の分析を行う。
サンプル流体としては、血液や、細胞やDNAを含有したサンプル溶液や、緩衝液などを用いることができる。
この状態でスイッチを切り替えて、振動発生部1dを駆動すると、図9(b)に示すように、流体通路2e,2b,2fを通してキャリア流体が流される。このとき、キャリア流体は、十字の連結部に存在するサンプル流体Sを、流体通路2bを通して搬送して測定部43の測定ポイントまで運ぶことができる。したがって、測定部43によってサンプル流体を測定することができる。
2 流体通路
3 基体
4 蓋体
5 電源
6 容器
21 振動体
22 支持部
32 発熱部
33 圧電振動印加部
40 分析装置
43 分析部
Claims (6)
- 基体と、
前記基体を内壁の一部に有し、内部を流体が移動可能な流体通路と、
前記基体の流体通路内壁に立設された支持部と、
該支持部に対して前記内壁に平行な方向に取着された平板状の振動体と、
前記支持部を介して前記振動体を曲げ振動させることにより前記流体通路内の前記流体を駆動する振動印加部とを備える、流体アクチュエータ。 - 前記支持部上の前記振動体の取り付け位置が、該振動体の中心から、前記流体通路方向にずれた位置に配置されている請求項1記載の流体アクチュエータ。
- 前記振動印加部の振動周波数が変更可能である請求項1又は請求項2記載の流体アクチュエータ。
- 前記流体通路は、流体が循環可能である請求項1から請求項3のいずれかに記載の流体アクチュエータ。
- 請求項4に記載の流体アクチュエータを冷却装置として利用する発熱装置であって、
当該発熱装置を実装する基板を有し、
前記流体通路は、当該基板に設けられている発熱装置。 - 請求項1から請求項4のいずれかに記載の流体アクチュエータを備えた分析装置であって、
流体状のサンプルを供給するサンプル供給部と、前記サンプルを分析する分析部とが設けられ、
前記流体通路は、前記サンプル供給部から前記分析部へ前記流体状のサンプルを輸送するように設けられている分析装置。
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