(57)【要約】【課題】熱遷移マイクロポンプを使用するポンピング装置を提供すること。【解決手段】熱遷移マイクロポンプを使用する本発明のポンピング装置は、複数のマイクロポンプ１、６、・・・、７、８、９でそれぞれが作成された複数の行Ａ、Ｂ、Ｃ、・・・、Ｄとして基板５の上に分布し、それにより複数の列ａ、ｂ、・・・、ｃ、ｄを構築する複数の個々の熱遷移マイクロポンプを備える。熱遷移マイクロポンプの各々にあるそれぞれのヒータ素子４は、行制御導体１０Ａおよび列制御導体１１ａを適切に制御することによって制御される。これにより、多数の個々のマイクロポンプの多重制御が非常に簡単になり、ポンピング能力を適合させることが可能になる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
各熱遷移マイクロポンプ（１）が、小断面の入口チャネル（３）に接続された入口（２ａ）を有し、かつ出口チャネル（３ａ）に接続された出口（２ｂ）を有する少なくとも１つの空洞（２）を備え、空洞（２）に隣接する入口チャネル（３）のセグメントを加熱するためのヒータ素子（４）を含み、複数のそのようなマイクロポンプ（１、１ａ、１ｂ、１ｃ）が直列に接続される、熱遷移マイクロポンプを使用するポンピング装置であって、
マイクロポンプ（１、１ａ、１ｂ、１ｃ）が、複数のマイクロポンプ（１、６、・・・７、８、９）でそれぞれが作成される複数の行（Ａ、Ｂ、Ｃ、・・・、Ｄ）において基板（５）の上に分布し、それにより、複数の列（ａ、ｂ、・・・、ｃ、ｄ）を構築することと、
マイクロポンプのそれぞれのヒータ素子（４）が、行制御導体（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、・・・、１０Ｄ）および列制御導体（１１ａ、１１ｂ、・・・、１１ｃ、および１１ｄ）を適切に制御することによってそれぞれ制御されることとを特徴とするポンピング装置。
【請求項２】
行制御導体（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、・・・、１０Ｄ）が、基板（５）の第１縁に沿った電気接続用にアクセス可能であり、列制御導体（１１ａ、１１ｂ、・・・、１１ｃ、および１１ｄ）が、基板（５）の第２縁に沿った電気接続用にアクセス可能であることを特徴とする請求項１に記載のポンピング装置。
【請求項３】
制御手段が、マイクロポンプのアレイにおいて各個々のマイクロポンプを個別に制御するように、行制御導体（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、・・・、１０Ｄ）および列制御導体（１１ａ、１１ｂ、・・・、１１ｃ、および１１ｄ）を選択的に制御することを特徴とする請求項１に記載のポンピング装置。
【請求項４】
各ヒータ素子（４）が、電気抵抗タイプであり、トランジスタ（１４）と直列である電源（１２、１３）の端子に接続され、トランジスタ（１４）自体は、対応する行制御導体（１０Ａ）および対応する列制御導体（１１ａ）にそれぞれ接続された入力を有するＡＮＤゲート（１６）によって制御されることを特徴とする請求項１に記載のポンピング装置。
【請求項５】
各ヒータ素子（４）が、双安定によって制御され、双安定自体は、対応する行制御導体（１０Ａ）および対応する列制御導体（１１ａ）から来る制御パルス信号を同時に受信するとすぐに状態を変化させるように構成されることを特徴とする請求項１に記載のポンピング装置。
【請求項６】
マイクロポンプの１つまたは複数の行が、直列サブアセンブリを構成するように接続され、複数の直列サブアセンブリが、並列に接続されることを特徴とする請求項１に記載のポンピング装置。
【請求項７】
マイクロポンプの少なくともいくつかが、加熱されるチャネルセグメントに沿ってほぼ規則的な温度分布を達成するために、加熱されるチャネルセグメントの長さに沿って一様に加熱を分布させるように構成されるそれぞれのヒータ素子（４）を含むことを特徴とする請求項１に記載のポンピング装置。
【請求項８】
ヒータ素子（４）が、電気抵抗タイプであり、加熱されるチャネルセグメントに沿って互いに縦方向に離れて位置する２つの連続ゾーンに配置された少なくとも２つの導電性ゾーン（４１、４２、４３）を備えることを特徴とする請求項７に記載のポンピング装置。
【請求項９】
電気抵抗タイプのヒータ素子（４）が、中心穴（４ｅ）を含む抵抗領域を備えることを特徴とする請求項７に記載のポンピング装置。
【請求項１０】
ヒータ素子（４）が、平坦２重らせんに巻かれたヒータトラックの形態の電気抵抗タイプであることを特徴とする請求項７に記載のポンピング装置。
【請求項１１】
ヒータ素子が、ペルティエ効果素子の加熱ゾーンであることを特徴とする請求項７に記載のポンピング装置。
【請求項１２】
マイクロポンプの少なくともいくつかが、入口（２ａ）から出口（２ｂ）に向かって先細りになる断面の空洞（２）を有し、同様の形状の空洞（２、２ｃ）が、空洞が断面において共通して占有する空間の量を低減するように、反対方向に交互配置されることを特徴とする請求項１に記載のポンピング装置。
【請求項１３】
長さに沿って考慮しているすべての点における空洞（２）の断面が、気体分子が粘性媒体条件下で運動することを保証するように、十分大きいままであることを特徴とする請求項１２に記載のポンピング装置。
【請求項１４】
空洞の厚さが一定であり、幅が、入口（２ａ）から出口（２ｂ）に向かって減少し、空洞（２、２ｃ）が、空洞が横方向において占有する全空間を低減するように、反対方向に並んで交互配置されることを特徴とする請求項１２に記載のポンピング装置。
【請求項１５】
空洞（２）の厚さが、入口（２ａ）から出口（２ｂ）に向かって減少することを特徴とする請求項１２に記載のポンピング装置。
【請求項１６】
基板（５）が、２層の空洞（２、２ｃ；２１、２１ｃ）を作成するために、両面について処理されることを特徴とする請求項１２に記載のポンピング装置。
【請求項１７】
空洞（２、２１）が、基板（５）の厚さにおいて反対方向に交互配置されることを特徴とする請求項１５及び１６に記載のポンピング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低気体圧力を小容積のエンクロージャにおいて生成して維持することを可能にする熱遷移（ｔｈｅｒｍａｌ  ｔｒａｎｓｐｉｒａｔｉｏｎ）マイクロポンプを使用するポンピング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、半導体産業では、基板を扱うためのシステムが、そのような基板を隔離して、ごく少量であっても無塵室に依然として存在する薬剤汚染物質と基板が接触することを防止するために現在使用されている。内側の大気がマイクロポンプによって低圧に維持される容器に各基板を配置し、それにより携帯式自蔵アセンブリを提供することが提案されてきた。
【０００３】
そのようなマイクロポンプは、非常に小さいサイズでなければならず、真空を生成する、または真空を少なくとも維持するのに適した能力を呈示しなければならない。すなわち、マイクロポンプは、十分な圧縮比および十分な気体流量を生成することができなければならない。
【０００４】
そのようなマイクロポンプの１つの提案は、熱遷移効果によって動作するマイクロポンプのアレイを使用するものであった。
【０００５】
熱遷移効果では、１９００年代にクヌーセンによって示されたように、２つの大容積が、断面が非常に小さく、かつ存在する気体分子の平均自由行程長より半径が小さいチャネルによって相互接続されるとき、およびチャネルの両端部が異なる温度にあるとき、圧力差が、２つの大容積の間に確立される。小サイズのチャネルでは、分子は、分子条件下において運動し、その結果、圧力は、温度差のために、チャネルの２つの端部において異なる。分子条件下では、熱平衡に到達するとき、チャネルの２つの端部における圧力は、比が、対応する温度の比の平方根に等しくなるようなものである。
【０００６】
分子がチャネルの高温端部に隣接する大容積に到達するとき、分子条件下ではもはや進行は行われないが、粘性媒体条件下では行われる。その結果、チャネルの高温端部では、分子はチャネルから逃げて、隣接する大容積内に貫通し、チャネルには戻らない。これにより、温度比の平方根と同程度とすることができる圧縮比を有するポンピング効果が生成される。
【０００７】
多数の熱遷移マイクロポンプステージを直列に接続することによって、大きな圧縮比を達成することができることが知られている。理論的には、Ｎステージの全圧縮比は、Ｎ個の個々の圧縮比の積である。
【０００８】
そのようなマイクロポンプは、チャネルが、圧縮される気体分子の平均自由行程長と共存可能であるように十分小さい寸法を有して作成されることを必要とする。分子の平均自由行程長は、圧力の減少と共に長くなり、したがって、チャネルは、ポンプの内側の圧力が小さいとき、より大きな寸法とすることができることが理解されるであろう。基板を扱う際に半導体産業において見られる圧力の範囲では、分子の平均自由行程長は、数マイクロメートルの大きさである。したがって、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）技術を使用して、満足できる寸法のチャネルを作成することが可能である。チャネルおよび空洞は、半導体ウエハの表面においてディープエッチングすることによって作成することができる。次いで、空洞は、半導体ウエハの表面にリークタイトな方式で貼付されたガラスプレートによって閉鎖される。
【０００９】
しかし、意図した応用分野に十分であり、かつそれと共存可能な圧縮比および流量を得ることを要求するとき、いくつかの問題に遭遇する。これを実施するために、多数の熱遷移マイクロポンプを互いに直列に接続して、連続する空洞を相互接続するチャネルのそれぞれの端部の１つを加熱するために、それらのマイクロポンプに給電することが必要である。しかし、使用条件に応じてポンピング能力を適合させることができることが必要である。
【００１０】
これに関して、従来、微小環境の室またはエンクロージャにおける圧力は、得られるポンピング条件にパイプのコンダクタンスを整合させるために、ポンプへの入口において機械式調整弁を提供することによって制御される。この構造は、要素をシステムに追加するという欠点の影響を受け、弁を作成する移動機械部品は、機械部分間の摩擦のために、有害な汚染を生成することがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、熱遷移マイクロポンプを使用するポンピング装置は、これらの欠点を回避することを可能にし、装置のポンピング能力を制御することが可能であることを提供する。
【００１２】
したがって、第１の問題は、調整弁を追加せずにポンピング能力を制御することを可能にするように、簡単かつ有効な方式で、個々の熱遷移マイクロポンプセルに給電し、マイクロポンプセルを制御することである。
【００１３】
装置において共に接続される個々のマイクロポンプの数を増やすには、個々のマイクロポンプのセットを容易に管理することを可能にする特別な制御手段を必要とする。
【００１４】
このために、本発明は、調整弁を追加せずに、個々のマイクロポンプの全体的なポンピング機能を制御することを可能にするために、多数のマイクロポンプで作成される装置について、特に簡単かつ効果的な制御を提供することを要求する。
【００１５】
ポンピング装置が接続される微小環境の圧力を制御するために、マイクロポンプの流量および装置の圧縮比の両方を制御することが必要である。
【００１６】
第２の問題は、２つの連続する空洞を相互接続するチャネルのそれぞれの端部の一方において高温源を提供することに関連する。圧縮比は、チャネルの２つの端部間の温度比を決定する高温源の有効性に直接関係することが理解されるであろう。
【００１７】
有用な構成では、熱遷移マイクロポンプの高温源は、上部ガラスプレートにおいて、抵抗材料の矩形バーの形態にヒータ素子を統合し、外部エネルギー源から給電することができる電気抵抗を構成することによって作成される。
【００１８】
問題は、チャネルの入口に隣接するバーの端部に向かって、温度が低下するので、チャネルへの入口、すなわちマイクロポンプの隣接空洞との境界において適切な温度を得るために、バー型のヒータ素子が、バーの中心ゾーンにおいて明らかにより高い温度を伝達することである。
【００１９】
この結果、エネルギーが過剰に消費されるだけでなく、ヒータ素子の中心ゾーンの近傍において、材料を劣化させる危険性がある。
【００２０】
反対に、ヒータ素子の中心ゾーンにおける劣化の危険性を低減することが所望される場合、マイクロポンプのチャネルと隣接空洞との間の境界における高温源の温度は不十分であり、ポンプの有効性は低下する。
【００２１】
したがって、本発明の他の態様は、マイクロポンプの有効性を高め、一方、マイクロポンプの高温源の中心ゾーンにおける過度に高い温度による劣化の危険性を低減するものである。
【００２２】
同時に、この他の態様では、本発明は、マイクロポンプの最適な有効性を達成し、一方、エネルギー消費を低減することを要求する。
【００２３】
第３の問題は、個々のマイクロポンプの数を増やすことが必要であることにより、ポンピング装置によって占有される全容積が比例して増大することである。
【００２４】
これまで使用されてきたものなど、矩形の形状の空洞では、ポンピング装置の全容積は、意図した応用分野に利用可能な空間と比較して過大となることがある。
【００２５】
したがって、他の態様では、本発明は、個々の熱遷移マイクロポンプの所与の数についてポンピング装置の全容積を低減することを要求する。
【００２６】
簡単かつ有効な方式で多数の個々の熱遷移マイクロポンプを有するポンピング装置を制御するために、本発明は、熱遷移マイクロポンプを使用するポンピング装置を提供し、
各熱遷移マイクロポンプは、断面の小さい入口チャネルに接続された入口を有し、かつ出口チャネルに接続された出口を有する少なくとも１つの空洞を備え、空洞に隣接する入口チャネルのセグメントを加熱するヒータ素子を含み、複数のそのようなマイクロポンプは、直列に接続され、
マイクロポンプは、複数のマイクロポンプでそれぞれが作成される複数の行（ｒｏｗ）において基板の上に分布し、それにより、複数の列（ｃｏｌｕｍｎ）を構築し、
マイクロポンプのそれぞれのヒータ素子は、行制御導体および列制御導体を適切に制御することによってそれぞれ制御される。
【００２７】
実際には、行制御導体は、基板の第１縁に沿った電気接続用にアクセス可能であり、列制御導体は、基板の第２縁に沿った電気接続用にアクセス可能であるように提供することができる。
【００２８】
個々のマイクロポンプのこの行列配置のために、マイクロポンプのアレイの各個々のマイクロポンプを個別に制御するような方式で、行制御導体および列制御導体を選択的に制御する制御手段を提供することが可能であることが有利である。
【００２９】
行と列との間の交点に配置されるマイクロポンプのヒータ素子に個別方式で給電するために、行制御導体と列制御導体との間で様々なインタフェース回路を使用することが可能である。
【００３０】
たとえば、各ヒータ素子が電気抵抗タイプであるとき、ヒータ素子は、トランジスタと直列である電源の端子に接続することが可能であり、トランジスタ自体は、対応する行制御導体および対応する列制御導体のそれぞれ接続された入力を有するＡＮＤゲートによって制御される。列制御導体と同時に行制御導体に給電することは、ヒータ素子に給電するために、トランジスタをスイッチオンするように作用する。
【００３１】
代替として、各ヒータ素子は、双安定によって制御することができることが有利であり、双安定自体は、対応する行制御導体および対応する列制御導体から来る制御パルス信号を同時に受信するとすぐに状態を変化させるように構成される。
【００３２】
高い圧縮比を得るために、個々のマイクロポンプのすべては、互いに直列に接続することができる。
【００３３】
それにもかかわらず、十分な容積流量を同時に得ることができることが有利である。そのような状況下では、直列のサブアセンブリを構成するように、マイクロポンプの１つまたは複数の行を直列に接続し、複数の直列サブアセンブリが並列に接続されるように提供することができる。
【００３４】
個々のマイクロポンプの有効性を高め、一方、熱劣化の危険性を低減し、かつエネルギー消費を低減するために、本発明のポンピング装置は、加熱されるチャネルセグメントの長さに沿って温度がほぼ一様に分布することを達成することによって、ヒータ素子が、加熱されるチャネルセグメントのあるゾーンを過熱することを回避するように構成される、個々の熱遷移マイクロポンプを使用することが可能である。
【００３５】
実際には、マイクロポンプの少なくともいくつかが、加熱されるチャネルセグメントの長さに沿ってほぼ規則的である温度分布を達成するように、加熱されるチャネルセグメントの長さに沿って加熱を一様に分布させるように構成されるヒータ素子を有するように提供することができる。
【課題を解決するための手段】
【００３６】
第１実施態様では、ヒータ素子は、電気抵抗タイプであり、加熱されるチャネルセグメントに沿って互いに縦方向に間隔をおいて位置する２つの連続ゾーンに位置する少なくとも２つの導電性ゾーンを備える。
【００３７】
第２実施形態では、電気抵抗タイプのヒータ素子は、中心穴を含む抵抗領域である。
【００３８】
第３実施形態では、ヒータ素子は、平坦２重らせんとして巻かれたヒータトラックの形態にある電気抵抗タイプである。
【００３９】
代替として、または上記の実施形態の追加として、ヒータ素子は、ペルティエ効果素子の加熱ゾーンとすることが可能であることが有利である。
【００４０】
第３の問題を解決するために、すなわち、熱遷移マイクロポンプを使用してポンピング装置の全容積を低減するために、本発明は、空洞が統合される程度を増大させることを提案する。
【００４１】
したがって、第１概念は、統合するのがより容易である形状を空洞に与え、総合的な全サイズを低減するような方式で、空洞を互いに関して配置することである。
【００４２】
統合は、当初は、マイクロポンプの複数の行が並行の形態にある水平方向とすることが可能である。
【００４３】
統合は、代替として、または追加として、個々のマイクロポンプの複数の層を有することによって、垂直方向において行うことが可能である。
【００４４】
したがって、ポンピング装置では、本発明は、マイクロポンプの少なくともいくつかが、入口から出口に向かって先細りになる空洞のセクションを有するように提供し、空洞が断面において共通して占有する全空間を低減するように、同様の形状の空洞が反対方向に交互配置されるように提供することを提案する。
【００４５】
断面が変化するそのような空洞では、それにもかかわらず、隣接ヒータ素子によって生成される高温の分子タイプ条件下において、気体分子が運動を停止し、次いで、粘性媒体運動条件を採用することが可能であるように、空洞の断面が、入口において十分大きいことを保証することが必要であり、また同時に、分子が、断面はより小さいが、温度はより低い空洞の他端において、粘性媒体進行条件下において運動し続けることを保証することが必要である。したがって、本発明は、温度が空洞の入口から出口に向かって低下するとき、分子の平均自由行程長の漸進的な短縮を利用し、それに応じて空洞の断面を小さくし、長さに沿ったすべての点における空洞の断面が、粘性媒体条件下において気体分子が進行するのに十分大きいままであるように配慮する。
【００４６】
第１実施形態では、空洞の厚さは一定であり、幅は、入口から出口まで先細りになり、空洞は、横方向において全体的なサイズを低減するように、反対方向において対面して並列に交互配置される。
【００４７】
代替として、または追加として、空洞の厚さは、入口から出口に向かって減少するとすることが可能である。
【００４８】
複数層の統合は、２層の空洞を作成するように、基板ウエハが両面を処理されるように提供することによって実施することができる。
【００４９】
したがって、２層の空洞が、入口から出口に向かって減少する厚さを有し、空洞が、基板の厚さにおいて反対方向に交互配置されるように提供されることが好ましい。
【００５０】
多数のマイクロポンプの簡単かつ有効な制御を達成するための特定の制御手段は、本特許出願において記述される他の手段と組み合わせて、またはそれとは独立に使用することができる第１の発明を構成することが理解されるであろう。
【００５１】
同様に、熱散逸の危険性を低減することによってマイクロポンプの有効性を高めることを要求する手段は、本特許出願において記述される他の手段と組み合わせて、またはそれとは独立に使用することができる第２の発明を構成する。
【００５２】
最後に、ポンピング装置の全容積を低減することを要求する手段は、本特許出願において記述される他の手段と組み合わせて、またはそれとは独立に使用することができる第３の発明を構成する。
【００５３】
本発明の他の目的、特徴、および利点は、添付の図面に関連して与えられる特定の実施形態の以下の記述から明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５４】
図１は、各マイクロポンプが、空洞２、チャネル３、および空洞２への接続の近傍においてチャネル３と接触して配置されるヒータ素子４のマイクロポンプ１と同じ方式で構成される、それぞれの参照符合１、１ａ、１ｂ、および１ｃを与えられた４つの個々のマイクロポンプを示す。
【００５５】
チャネル３は、個々のマイクロポンプ１の入口チャネルを構成し、空洞２の入口２ａに接続される。
【００５６】
空洞２は、出口チャネル３ａに接続される出口２ｂを有し、出口チャネル３ａ自体は、第２の個々のマイクロポンプ１ａの入口チャネルを構成する。
【００５７】
入口チャネル３の断面は、入口チャネル３に沿って進行する気体分子が分子条件下において運動するように十分小さい。対照的に、空洞２は、空洞２が包含する分子が粘性媒体条件下で進行するように十分大きい。
【００５８】
熱遷移マイクロポンプが動作することを意図する低圧力では、チャネルは、数マイクロメートルの大きさの断面を有することが必要である。空洞２は、数１０マイクロメートルの断面を有することが可能である。そのような形状は、エッチングし、次いで、エッチングした基板に接して押されるガラスのプレートによって基板を閉鎖することによって、半導体基板において作成することができる。
【００５９】
ヒータ素子４は、ガラスプレート上で実施される熱酸化でケイ素硝酸塩を付着させることによって構成することが可能である。
【００６０】
図２は、適切な数の関連する空洞およびチャネルをエッチングすることによって、共有の半導体基板５において作成されたマイクロポンプのより大きなアレイを示し、対応するヒータ素子は、適切な位置、すなわち空洞２などの空洞の入口に隣接して配置される。
【００６１】
したがって、マイクロポンプ１は、空洞２、チャネル３、およびヒータ素子４によって構成されることがわかる。
【００６２】
基板５には、行Ａのマイクロポンプ１、６、７、８、および９などの直列の複数の個々のマイクロポンプによってそれぞれが構成される複数の行Ａ、Ｂ、Ｃ、・・・、Ｄを占有し、それにより、列ａ、ｂ、・・・、ｃ、およびｄをも構成するマイクロポンプのアレイがある。
【００６３】
各行Ａ、Ｂ、Ｃ、・・・、Ｄは、それぞれの行制御導体１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、・・・、１０Ｄと結合される。各列ａ、ｂ、・・・、ｃ、ｄは、それぞれの列制御導体１１ａ、１１ｂ、・・・、１１ｃ、１１ｄと結合される。
【００６４】
行Ａと列ａとの交点に位置するマイクロポンプ１のヒータ素子４などの各ヒータ素子は、対応する行制御導体１０Ａおよび列制御導体１１ａの同時稼動によって制御される。
【００６５】
行制御導体１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、・・・、１０Ｄは、基板５の第１縁に沿った接続のためにアクセス可能であることが有利である。同様に、列制御導体１１ａ、１１ｂ、・・・、１１ｃ、および１１ｄは、基板５の第２縁に沿った接続のためにアクセス可能である。
【００６６】
行と列との間の交点に位置するヒータ素子を自在に制御することを可能にするように、制御装置（図には示さず）が、行制御導体１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、・・・、１０Ｄおよび列制御導体１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、・・・、および１１ｄを選択的に給電するために適している。これにより、圧縮比、およびポンピング速度、または流量について、マイクロポンプのアレイに所望の特性を与えるように、各個々のマイクロポンプを個別に制御することが可能である。
【００６７】
たとえば、ヒータ素子４などの各ヒータ素子と、行制御導体１０Ａおよび列制御導体１１ａに同時にパルスを加えることによって状態を変化させる電子双安定回路とを結合することによって、ヒータ素子の多重制御を考慮することが可能である。次いで、双安定により、ヒータ素子４は、外部電源から給電される。
【００６８】
簡略化した制御方法を図３に示す。この場合、ヒータ素子４は、トランジスタ１４と直列である電源の正端子１２と負端子１３との間に接続され、トランジスタ１４のベース１５は、行制御導体１０Ａおよび列制御導体１１ａにそれぞれ接続された２つの入力を有するＡＮＤゲート１６の出力に接続される。トランジスタ１４は、行制御導体１０Ａおよび列制御導体１１ａの両方が、ＡＮＤゲート１６が状態を変化させて、トランジスタ１４をスイッチオンするのに適切な電位に同時にあるとき、ヒータ素子４に給電するように導電性となる。
【００６９】
図１から３に関する上記の記述は、多数の個々の熱遷移マイクロポンプのアレイを簡単かつ有効な方式で制御することを可能にする制御手段に関する。
【００７０】
ここで、個々のマイクロポンプの有効性を改善するための手段を示す図４から７を参照する。
【００７１】
図４は、矩形抵抗バー４によって構成される熱遷移マイクロポンプのための高温源における温度の分布を示す。破線曲線は、チャネルの長さに沿って測定され、かつ横座標に沿ってプロットされた縦方向位置の関数として、縦座標に沿って温度変化をプロットする。
【００７２】
温度は、チャネル３（図１）に沿って抵抗材料のバーを考慮したゾーンの関数として変化することがわかる。温度は、一様ではないが、正弦分布を呈示し、バー４の上流端部４ａの近傍においてゆっくり上昇し、続いてバー４の中心４ｃにおいて最大値Ｍまで急速に上昇し、続いて急速に低下し、続いてバー４の下流端部４ｂの近傍においてより漸進的に低下する。
【００７３】
この正弦温度分布は、具体的には、チャネルの縦軸にほぼ垂直な方向にバー４に沿って流れる電流の分布が一般に不均一である結果である。電流は、１つの端子から他の端子に流れるために、最短の可能な経路に沿って流れようとし、最短経路は、本質的にバー４の中心４ｃを通過し、それにより、最大値Ｍにおける中心温度は最大になる。
【００７４】
対照的に、矩形バーのためのこの従来の構造は、バーに続く空洞２に最も近い端部であるバー４の下流端部４ｂの近傍において比較的低い温度を生成する。
【００７５】
残念ながら、熱遷移ポンプの最大圧縮比を得るための重要なファクタは、チャネル３の下流端部（すなわち空洞２への入口オリフィス）における温度と空洞２内の温度との間の比にある。したがって、図４に示したヒータ素子４の矩形セクション抵抗バーは、最適圧縮比を得ることが可能ではないことがわかる。このためには、バーの中心４ｃの最大値Ｍにおける温度を過度に上昇させることを必要とする。
【００７６】
したがって、本発明の概念は、ヒータ素子の下流端部４ｂの近傍における温度が、ヒータ素子の中心部分および他の部分における温度より低いことがほとんどないように、ヒータ素子に沿った温度の分布を修正するものである。これにより、ヒータ素子の他の部分において対応する温度上昇を必要とせずに、ヒータ素子が、チャネル３の下流端部の近傍においてより高い温度を生成することが可能になるはずである。したがって、電気消費を最小限に抑えることができ、ヒータ素子の中心において過度な温度を有することによって素子を劣化させる危険を冒すことを回避することが可能である。
【００７７】
ヒータ素子がチャネル３を横断して配置され、かつチャネルに沿って縦方向にずれている３つの連続ヒータ素子４１、４２、４３によって形成される第１実施形態を、図５に示す。図５は、３つのヒータ素子４１、４２、４３が存在する場合の温度分布を示す。温度は、チャネルを考慮した縦方向ゾーンの関数としてより規則的であることがわかる。変形形態は、２つのみのヒータ素子を提供し、チャネル３においてより短いヒータセグメントを提供することが可能である。
【００７８】
図６は、抵抗素子を有さない中心空洞４ｅを含み、それにより、電流がヒータ素子４の上流端部４ａおよび下流端部４ｂの近傍を流れることを促進するヒータ素子４の他の実施形態を示す。これにより、ヒータ素子４の中心において到達する温度が低下する。
【００７９】
図７は、平坦２重らせんストリップを形成するように巻かれた抵抗材料のストリップによって構成されるヒータ素子４の他の実施形態を示す。これにより、電気がヒータ素子４の中心を流れることを促進することが回避され、その結果、ヒータ素子４の中心における過熱作用が低減される。
【００８０】
これらの実施形態のすべてにおいて、ヒータ素子４は、チャネルを通過する気体の分子との十分な接触を保証するように、チャネル３の十分な長さにわたって加熱を生成することが必要である。ヒータ素子４は、分子が後続の空洞２に入る前に攪拌され、かつ適切な高温を呈示するように、十分な分子を加熱することができることが必要である。その理由は、ヒータ素子４自体は、長さを短くし、空洞２への入口オリフィスのごく近傍に集中させることができず、対照的に、十分な長さを達成するために、チャネル３に沿って上流に延びることが必要であるからである。
【００８１】
上記の記述では、ヒータ素子４は、電気抵抗であるとして記述されている。
【００８２】
代替として、ヒータ素子４は、ペルティエ効果熱電対の高温部分とすることができ、一方、ペルティエ効果熱電対の冷却素子は、マイクロポンプの空洞２を有するレジスタ、またはチャネル３の上流部分を有するレジスタに配置される。
【００８３】
以下の記述は、熱遷移マイクロポンプで作成されるポンピング装置の全容積を低減するための手段を示す図８から１２を参照する。
【００８４】
図８は、空洞の厚さは一定であるが、幅が入口から出口に向かって減少する第１実施形態を示す。したがって、この図は、それぞれが、図１の実施形態と同様に、空洞２、入口チャネル３、ヒータ素子４、および出口チャネル３ａを有する４つの個々のマイクロポンプ１、１ａ、１ｂ、および１ｃを示す。空洞は、入口２ａおよび出口２ｂを介して２つのそれぞれのチャネルに接続される。
【００８５】
図９は、面Ｉ−Ｉの断面においてみた図８のマイクロポンプのセットを示す。これらの２つの図において、２つの空洞２および２ｃは並んで位置することがわかる。
【００８６】
図９においてより良好にわかるように、空洞２および２ｃは、基板５においてエッチングすることによって作成され、次いで、空洞は、エッチングされた基板５の上にガラスプレート１７をはめ込むことによって閉鎖される。この実施形態では、空洞２および２ｃの厚さは一定である。
【００８７】
図８からわかるように、この実施形態では、空洞２などの空洞の幅は、入口２ａから出口２ｂに向かって減少する。幅の漸進的減少は、図８に示すようにほぼ３角形の空洞２を形成するように、規則的とすることが可能である。空洞２についてそのような形状を採用することが可能であるが、その理由は、気体の温度が、空洞２の入口２ａから同じ空洞２の出口２ｂに向かって漸進的に低下し、それと共に、分子の平均自由行程長が同時に短くなり、それにより、空洞２の幅は、考慮している任意の縦方向位置において分子の平均自由行程長より依然としてかなり大きく、そのために、粘性媒体運動条件下において、分子が空洞２内を進行することが保証されるからである。
【００８８】
図８は、空洞２および２ｃが、反対方向において対面して交互配置されることを示す。これは、３角形の形状が与えられると、空洞が占有する空間量の全体が、断面方向において低減されることを意味する。
【００８９】
図１０は、上述した実施形態の改善を示す断面である。この改善では、基板５は、第１面において上述した空洞２および２ｃを構成し、かつ対向面において２つの空洞２１および２１ｃを構成するように、対抗面の両方においてエッチングされる。２つの面は、それぞれのガラスプレート１７および１７１によって閉鎖される。これにより、基板５の単位面積あたりの個々のマイクロポンプの数は２倍になる。
【００９０】
それにもかかわらず、この実施形態は、装置の全体的な厚さを厚くすることになる。
【００９１】
図１１に縦方向の断面において示す実施形態は、断面が変化する空洞２を提供するように、空洞の幅ではなく、空洞の深度を修正するものである。
【００９２】
したがって、図は、基板５をエッチングすることによって構成され、かつガラスプレート１７によって覆われる空洞２を示し、空洞の深度は、入口２ａから出口２ｂに向かって先細りになる。この図は、入口チャネル３および出口チャネル３ａをも示す。ヒータ素子４が存在することもわかる。
【００９３】
最後に、図１２は、直列の個々のマイクロポンプ１および１ａについて図１１に示したように深度を変化させる概念と、両面がエッチングされ、かつ２つのガラスプレート１７と１７１との間に係合された基板５において図１０に示したように２層を重ね合わせる概念と、また、図８に示したように空洞を交互配置する概念とを組み合わせる実施形態を示す。したがって、空洞２および２１は、反対方向に交互配置され、それにより、図１０に示した実施形態と比較して、アセンブリの全体的な厚さが低減される。
【００９４】
空洞はこのように交互配置されるので、空洞密度は増大する、すなわち、基板５の所与の面積あたりの個々のマイクロポンプの数は増大し、基板５の所与の容積におけるマイクロポンプの数も増大する。マイクロポンプの数は、４倍に近く増大させることができ、それにより、ポンピング速度が比例して増大する。
【００９５】
本発明は、上記で明確に記述した実施形態に限定されず、当業者の能力内にある一般化および変形を含む。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】４つの個々の熱遷移マイクロポンプを示す図である。
【図２】共通基板上において行列構成に配置されたマイクロポンプのより大きいアレイを示す図である。
【図３】図２に示した種類のアレイにおける行列制御のための電気抵抗ヒータ素子について、制御の可能な実施形態を示す図である。
【図４】抵抗材料の矩形バーによって加熱されるチャネルセグメントに沿った温度の正弦波分布を示す図である。
【図５】３つの平行バーの形態にある構造を有する高温源の温度分布を示す図である。
【図６】中心凹みを有する矩形バーを備える高温源の他の形態を示す図である。
【図７】平坦２重らせんとして巻かれたヒータトラックの形態にある他の高温源の構造を示す図である。
【図８】空洞の厚さは一定であるが、幅が入口から出口に向かって先細りになり、かつ空洞が反対方向に配置される実施形態を示す図である。
【図９】図８の面Ｉ−Ｉ上の垂直断面において見た図１の空洞を示す図である。
【図１０】２層の空洞を実施するように、両面が処理された基板の実施形態を示す垂直断面図である。
【図１１】空洞の深度が規則的に変化し、入口から出口に向かって減少する他の実施形態を示す図である。
【図１２】深度が変化する２層の空洞を嵌合させる１つの可能な方式を示す図である。
【符号の説明】
【００９７】
１、１ａ、１ｂ、１ｃ、６、７、８、９  マイクロポンプ
２、２ｃ、２１、２１ｃ  空洞
２ａ  入口
２ｂ  出口
３  チャネル
３ａ  出口チャネル
４、４１、４２、４３  ヒータ素子
４ａ  上流端部
４ｂ  下流端部
５  基板
Ａ、Ｂ、Ｃ、・・・、Ｄ  行
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、・・・、１０Ｄ  行制御導体
ａ、ｂ、ｃ、ｄ  列
１１ａ、１１ｂ、・・・、１１ｃ、１１ｄ  列制御導体
１２  正の端子
１３  負の端子
１４  トランジスタ
１５  ベース
１６  ＡＮＤゲート
１７、１７１  ガラスプレート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【外国語明細書】
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