JP2012102710A - Micropump and semiconductor device using the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a micropump autonomously operating without supply of electric energy from the outside.SOLUTION: This micropump includes: a high temperature side member located on a heat source side; a low temperature side member located on a heat radiation side; an intermediate layer located between the high temperature side member and the low temperature side member; and a chamber forming a part of a flow passage between the intermediate layer and the low temperature side member. The intermediate layer includes: a diaphragm; and displacement means for displacing the diaphragm by heat absorption from the high temperature side member and heat radiation from the low temperature side member. The diaphragm displaces between a first position before displacement and a second position in contact with the low temperature side member by the displacement to take in fluid into the chamber and discharge fluid from the chamber.

Description

本発明は、マイクロポンプと、これを用いた半導体装置に関する。   The present invention relates to a micropump and a semiconductor device using the micropump.

マイクロポンプはダイアフラムの変形に追従して生じる流路の容積変化を利用して流路内の流体を搬送、送出するものである。メカニカルに駆動されるマイクロポンプでは、ダイアフラムに圧電材料が用いられるのが一般的である。マイクロポンプは、マイクロチャネルやインクジェットヘッドに適用されている他、ＣＰＵ等の発熱体の水冷システムにも適用が検討されている。   The micropump conveys and sends the fluid in the flow path by utilizing the volume change of the flow path that occurs following the deformation of the diaphragm. In a mechanically driven micropump, a piezoelectric material is generally used for the diaphragm. In addition to being applied to microchannels and inkjet heads, micropumps are also being considered for application to water cooling systems for heating elements such as CPUs.

近年のＬＳＩの微細化・高集積による発熱量の増大に対しては、電源電圧の低減をはかる方向で発熱量を緩和する開発が進められてきた。しかし、低電圧で動作する回路ではトランジスタの閾値電圧を低く設定する必要があり、リーク電流を増大させてしまい、低電圧化による発熱量の低減は限界に達している。このような背景で、１cm2あたり100Wという原子炉に並ぶ極めて高密度な熱源であるＬＳＩを高効率に冷却できる低コストの冷却システムが望まれている。また、ＣＰＵなどの信号処理を行う半導体素子だけでなく、半導体レーザーや照明用発光ダイオードにおいても、同様に低コストの冷却システムが望まれている。   In response to the recent increase in heat generation due to the miniaturization and high integration of LSIs, development has been advanced to reduce the heat generation in the direction of reducing the power supply voltage. However, in a circuit operating at a low voltage, it is necessary to set the threshold voltage of the transistor low, increasing the leakage current, and the reduction in the amount of heat generated by the low voltage has reached its limit. Against this background, a low-cost cooling system that can cool LSIs, which are extremely high-density heat sources lined up in a reactor of 100 W per cm 2, with high efficiency is desired. Further, not only a semiconductor element that performs signal processing, such as a CPU, but also a semiconductor laser and a light emitting diode for illumination are similarly desired to have a low cost cooling system.

従来の空冷ファンに代わる高効率冷却の手段の一つに水冷システムがある。水冷システムではウォータジャケット（水枕）と呼ばれる密閉型ヒートシンクに冷媒（冷却水）を流して冷却を行う。冷媒の循環にはポンプが用いられる。しかし、ポンプの使用は、コスト面でもそれ自体の消費電力を要する点でも従来にない負担が付加されるため、導入が遅れている。また、水枕を微細化してウォータジャケットを作成すると、水路の圧力損が増えるためポンプが行う機械的仕事量の増加を招き、その結果消費電力を増大させるという欠点がある。ポンプの大型化はコスト増を招き、消費電力の増加は排出熱量の増加となる。   A water cooling system is one of high-efficiency cooling means that can replace conventional air cooling fans. In the water cooling system, cooling is performed by flowing a coolant (cooling water) through a sealed heat sink called a water jacket. A pump is used for circulating the refrigerant. However, the use of the pump is delayed in introduction because it adds an unprecedented burden in terms of cost and power consumption. Further, when the water jacket is made by miniaturizing the water pillow, the pressure loss of the water channel increases, leading to an increase in mechanical work performed by the pump, resulting in an increase in power consumption. Increasing the size of the pump causes an increase in cost, and an increase in power consumption results in an increase in exhaust heat.

これらの理由から、有効な手段は補助ポンプの使用である。しかし、従来から用いられている圧電ダイアフラムによるポンプでは、ポンプに機械的な仕事を行わせるために電力の供給が必要である。しかし、圧電アクチュエータは動作電圧が高く、駆動回路における電気エネルギーを伴う。また、圧電体の変位量が小さいためポンプの流量を増やすのが困難である。   For these reasons, an effective means is the use of an auxiliary pump. However, conventionally used piezoelectric diaphragm pumps require power to be supplied to the pump to perform mechanical work. However, the piezoelectric actuator has a high operating voltage and involves electrical energy in the drive circuit. Further, since the displacement amount of the piezoelectric body is small, it is difficult to increase the flow rate of the pump.

インク噴出装置の可撓性ダイアフラムにバイメタル積層体を用いる構成が知られている（たとえば、特許文献１参照）。また、弁の可撓部にバイメタルを用いて弁の開閉を行なうマイクロバルブも知られている（たとえば、特許文献２参照）。しかし、特許文献１では、バイメタル積層体を磁場の作用で湾曲させているため、バイメタル積層体上に複数の電極を直列に設けて電流を印加しなければならない。また、特許文献２では、ヒーターで加熱することによってバイメタルを熱変形させているので、電気エネルギーの供給が必要である。   A configuration using a bimetal laminate for a flexible diaphragm of an ink ejection device is known (for example, see Patent Document 1). Also known is a microvalve that opens and closes the valve using a bimetal in the flexible part of the valve (see, for example, Patent Document 2). However, in Patent Document 1, since the bimetal laminate is curved by the action of a magnetic field, a current must be applied by providing a plurality of electrodes in series on the bimetal laminate. Moreover, in patent document 2, since the bimetal is thermally deformed by heating with a heater, supply of electrical energy is necessary.

特開昭５２−０５５５３４号公報JP 52-055534 A 特開２０００-２６６２２３２号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2000-2622232

上記課題に鑑みて、外部からの電気エネルギーの供給なしに自律的に動作するマイクロポンプと、これを利用した半導体装置を提供することを課題とする。   In view of the above problems, it is an object to provide a micropump that operates autonomously without supplying external electric energy and a semiconductor device using the micropump.

上記課題を達成するために、第１の側面では、マイクロポンプは、
熱源側に位置する高温側部材と、
放熱側に位置する低温側部材と、
前記高温側部材と前記低温側部材の間に位置する中間層と、
前記中間層と前記低温側部材の間で流路の一部を形成するチャンバーと、
を備え、
前記中間層は、ダイアフラムと、前記高温側部材からの吸熱及び前記低温側部材からの放熱により前記ダイアフラムを変位させる変位手段と、を含み、
前記ダイアフラムは、変位前の第１位置と、前記変位により前記低温側部材と接する第２位置との間を変位することにより、前記チャンバー内への流体の取り込みと排出を行なわせる。 In order to achieve the above object, in the first aspect, the micropump comprises:
A high temperature side member located on the heat source side;
A low temperature side member located on the heat dissipation side;
An intermediate layer located between the high temperature side member and the low temperature side member;
A chamber forming a part of a flow path between the intermediate layer and the low temperature side member;
With
The intermediate layer includes a diaphragm, and displacement means for displacing the diaphragm by heat absorption from the high temperature side member and heat radiation from the low temperature side member,
The diaphragm displaces between a first position before displacement and a second position in contact with the low temperature side member due to the displacement, thereby allowing fluid to be taken into and out of the chamber.

第２の側面では、マイクロポンプを用いた半導体装置を提供する。半導体装置は、
上述した構成を有するマイクロポンプと、
前記マイクロポンプの高温側部材に接触する半導体素子と、
前記マイクロポンプに接続されて前記流体を循環させる循環系と
を含む。 In a second aspect, a semiconductor device using a micropump is provided. Semiconductor devices
A micropump having the above-described configuration;
A semiconductor element in contact with the high temperature side member of the micropump;
A circulation system connected to the micropump for circulating the fluid.

上記の構成により、外部からの電気エネルギーの供給なしにマイクロポンプを自律的に動作させることが可能になる。冷却システムを内蔵する半導体装置にマイクロポンプを組み込む場合は、高い冷却効率を達成することができる。   With the above configuration, the micropump can be operated autonomously without supplying external electric energy. When a micropump is incorporated in a semiconductor device incorporating a cooling system, high cooling efficiency can be achieved.

実施例１のマイクロポンプの原理を説明するための概略構成図である。It is a schematic block diagram for demonstrating the principle of the micropump of Example 1. FIG. 図１のマイクロポンプの動作シーケンスを示す図である。It is a figure which shows the operation | movement sequence of the micropump of FIG. 第１基板を用いた中間層の形成工程を示す図である。It is a figure which shows the formation process of the intermediate | middle layer using a 1st board | substrate. 第１基板を用いた中間層の形成工程を示す図である。It is a figure which shows the formation process of the intermediate | middle layer using a 1st board | substrate. 第１基板を用いた中間層の形成工程を示す図である。It is a figure which shows the formation process of the intermediate | middle layer using a 1st board | substrate. 第１基板を用いた中間層の形成工程を示す図である。It is a figure which shows the formation process of the intermediate | middle layer using a 1st board | substrate. 第１基板を用いた中間層の形成工程を示す図である。It is a figure which shows the formation process of the intermediate | middle layer using a 1st board | substrate. 第１基板を用いた中間層の形成工程を示す図である。It is a figure which shows the formation process of the intermediate | middle layer using a 1st board | substrate. 第１基板を用いた中間層の形成工程を示す図である。It is a figure which shows the formation process of the intermediate | middle layer using a 1st board | substrate. 第２基板を用いた高温側部材の形成工程を示す図である。It is a figure which shows the formation process of the high temperature side member using a 2nd board | substrate. 第２基板を用いた高温側部材の形成工程を示す図である。It is a figure which shows the formation process of the high temperature side member using a 2nd board | substrate. 第２基板を用いた高温側部材の形成工程を示す図である。It is a figure which shows the formation process of the high temperature side member using a 2nd board | substrate. 第２基板を用いた高温側部材の形成工程を示す図である。It is a figure which shows the formation process of the high temperature side member using a 2nd board | substrate. 第２基板を用いた高温側部材の形成工程を示す図である。It is a figure which shows the formation process of the high temperature side member using a 2nd board | substrate. 第１基板と第２基板の積層加工の工程を示す図である。It is a figure which shows the process of the lamination process of a 1st board | substrate and a 2nd board | substrate. 第３基板を用いた低温側部材の形成工程を示す図である。It is a figure which shows the formation process of the low temperature side member using a 3rd board | substrate. 第３基板の第１基板への積層加工の工程を示す図である。It is a figure which shows the process of the lamination process to the 1st board | substrate of a 3rd board | substrate. 実施例で用いたバイメタルによるダイアフラムの変形シミュレーションの結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the deformation | transformation simulation of the diaphragm by the bimetal used in the Example. 図８Ａのデータに基づく変位分布図である。It is a displacement distribution map based on the data of FIG. 8A. バイメタルによるマイクロポンプの変形例１を示す図である。It is a figure which shows the modification 1 of the micro pump by a bimetal. バイメタルによるマイクロポンプの変形例２を示す図である。It is a figure which shows the modification 2 of the micro pump by a bimetal. バイメタルによるマイクロポンプの変形例３を示す図である。It is a figure which shows the modification 3 of the micro pump by a bimetal. バイメタルによるマイクロポンプを用いた半導体装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the semiconductor device using the micro pump by a bimetal. 実施例２のマイクロポンプの概略構成図である。FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a micropump of Example 2. 図１３のマイクロポンプの動作シーケンスを示す図である。It is a figure which shows the operation | movement sequence of the micropump of FIG. 実施例２のマイクロポンプの中間層の形成工程図である。FIG. 6 is a process diagram of forming an intermediate layer of the micropump of Example 2. 実施例２のマイクロポンプの中間層の形成工程図である。FIG. 6 is a process diagram of forming an intermediate layer of the micropump of Example 2. 実施例２のマイクロポンプの中間層の形成工程図である。FIG. 6 is a process diagram of forming an intermediate layer of the micropump of Example 2. 実施例２のマイクロポンプの中間層の形成工程図である。FIG. 6 is a process diagram of forming an intermediate layer of the micropump of Example 2. 実施例２のマイクロポンプの中間層の形成工程図である。FIG. 6 is a process diagram of forming an intermediate layer of the micropump of Example 2. 実施例２のマイクロポンプの中間層の形成工程図である。FIG. 6 is a process diagram of forming an intermediate layer of the micropump of Example 2. 実施例２のマイクロポンプの第１基板と第２基板の積層工程図である。It is a lamination process figure of the 1st substrate of the micro pump of Example 2, and the 2nd substrate. 実施例２のマイクロポンプの第１基板と第３基板の積層工程図である。It is a lamination process figure of the 1st substrate of the micro pump of Example 2, and the 3rd substrate. 実施例２のマイクロポンプの第１基板と第３基板の積層工程図である。It is a lamination process figure of the 1st substrate of the micro pump of Example 2, and the 3rd substrate.

以下、図面を参照して、実施例によるマイクロポンプの構成、動作、及び製造方法を説明する。実施例を通して、マイクロポンプは、熱源側に設けられる高温側部材と放熱側に設けられる低温側部材の界面に位置する中間層に、流路内で変形・変位が可能なダイアフラムを有する。ダイアフラムの変形・変位は、バイメタルを利用し、高温側部材からの吸熱作用と低温側部材での放熱作用とにより自立的に行なわせる。バイメタルとは、熱膨張率の異なる二種以上の金属薄板を組み合わせたものであり、温度変化に応じて湾曲するようにしたものである。バイメタルを用いてダイアフラムを変形・変位させることにより、流路内の圧力が変化させて、マイクロポンプへの流体の流入、流出を実現する。   Hereinafter, the configuration, operation, and manufacturing method of a micropump according to an embodiment will be described with reference to the drawings. Through the embodiments, the micropump has a diaphragm that can be deformed and displaced in the flow path in an intermediate layer located at the interface between the high temperature side member provided on the heat source side and the low temperature side member provided on the heat dissipation side. The deformation / displacement of the diaphragm is performed independently by using a bimetal and by the heat absorption action from the high temperature side member and the heat radiation action from the low temperature side member. Bimetal is a combination of two or more types of thin metal plates having different thermal expansion coefficients, and is bent according to a temperature change. By deforming and displacing the diaphragm using bimetal, the pressure in the flow path is changed, and inflow and outflow of fluid to the micropump are realized.

図１は、実施例１のバイメタルによるマイクロポンプ１０の基本的な原理を説明するための図である。実施例１では、ダイアフラム変位手段として、ダイアフラム３３自体をバイメタルで構成する。すなわち、ダイアフラムを構成するバイメタルがダイアフラム変位手段となる。   FIG. 1 is a diagram for explaining the basic principle of the bimetal micropump 10 according to the first embodiment. In the first embodiment, the diaphragm 33 itself is made of bimetal as the diaphragm displacing means. That is, the bimetal constituting the diaphragm serves as the diaphragm displacement means.

実施例１において、図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示すように、マイクロポンプ１０は、図示しない熱源側に位置する高温側部材２０と、放熱側に位置する低温側部材４０と、高温側部材２０と低温側部材の４０の間に位置する中間層３０とを有する。中間層３０は、バイメタルのダイアフラム３３と、インレット側のインバルブ３５及びアウトレット側のアウトバルブ３７を含む。中間層３０と低温側部材４０との間は、マイクロポンプ１０内の流路を構成するチャンバー４５及びバルブ室４２となっている。   In Example 1, as shown in FIGS. 1 (A) and 1 (B), the micropump 10 includes a high temperature side member 20 located on the heat source side (not shown), a low temperature side member 40 located on the heat dissipation side, It has the intermediate | middle layer 30 located between the high temperature side member 20 and 40 of the low temperature side member. The intermediate layer 30 includes a bimetallic diaphragm 33, an inlet-side inlet valve 35, and an outlet-side outlet valve 37. Between the intermediate layer 30 and the low temperature side member 40 are a chamber 45 and a valve chamber 42 which constitute a flow path in the micropump 10.

高温側部材２０は、熱源と接するか又は熱源を含む。低温側部材４０は、冷却（放熱）部と接するか又は冷却（放熱）部を構成する。バイメタルによるダイアフラム３３は、変位前の第１位置と、熱変形により低温側部材４０と接触する第２位置との間を変位可能である。第１位置は、実施例１ではダイアフラム３３が高温側部材２０と接する初期位置に一致する。バイメタルのダイアフラム３３は、第１位置で高温側部材２０から熱を吸収することによって、チャンバー４５内を低温側部材４０に向かって張り出す方向に変形し、放熱部４１と接触する。低温側の放熱部４１と接触することによって熱を放出し、変形前の形状に復帰して第１位置に戻る。第１位置において、高温側部材２０と接して熱を吸収することによって、再び変形・変位する。ダイアフラム３３が熱変形による上記の動作を繰り返すことによって、インバルブ３５とアウトバルブ３７を駆動し、チャンバー４５内への流体の取り込みと、チャンバー４５からの流体の排出を行なう。   The high temperature side member 20 is in contact with or includes a heat source. The low temperature side member 40 is in contact with the cooling (heat radiation) part or constitutes the cooling (heat radiation) part. The bimetal diaphragm 33 is displaceable between a first position before displacement and a second position in contact with the low temperature side member 40 due to thermal deformation. In the first embodiment, the first position corresponds to the initial position where the diaphragm 33 contacts the high temperature side member 20. The bimetallic diaphragm 33 absorbs heat from the high temperature side member 20 at the first position, thereby deforming the chamber 45 in a direction projecting toward the low temperature side member 40, and comes into contact with the heat radiating portion 41. Heat is released by coming into contact with the low-temperature heat radiation part 41, and the shape returns to the first position after returning to the shape before deformation. In a 1st position, it deform | transforms and displaces again by contacting the high temperature side member 20 and absorbing heat. When the diaphragm 33 repeats the above-described operation due to thermal deformation, the in-valve 35 and the out-valve 37 are driven to take in the fluid into the chamber 45 and discharge the fluid from the chamber 45.

ダイアフラム３３は弾性体で構成され、線膨張率の異なる２種類以上の弾性体板で構成される。具体例として、ダイアフラム３３は、第１位置で高温側部材２０と直接接触する高い線膨張係数（高ＣＴＥ）を有する第１部材３１と、高温側部材２０と反対側の面に位置する低い線膨張係数（低ＣＴＥ）の第２部材３２を組み合わせたものである。第１部材（高ＣＴＥ部材）３１は、たとえば、Ａｌ、Ｃｕ、Ｓｅ、又はこれらを含む合金である。第２部材（低ＣＴＥ部材）３２は、たとえば、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ、Ｎｉ、又はこれらを含む合金である。第１部材と第２部材のいずれか一方を半導体としてもよい。   The diaphragm 33 is composed of an elastic body and is composed of two or more types of elastic body plates having different linear expansion coefficients. As a specific example, the diaphragm 33 includes a first member 31 having a high linear expansion coefficient (high CTE) in direct contact with the high temperature side member 20 in the first position, and a low line positioned on the surface opposite to the high temperature side member 20. The second member 32 having an expansion coefficient (low CTE) is combined. The first member (high CTE member) 31 is, for example, Al, Cu, Se, or an alloy containing these. The second member (low CTE member) 32 is, for example, Si, Mo, W, Cr, Ni, or an alloy containing these. Either one of the first member and the second member may be a semiconductor.

ダイアフラム３３の周縁部は保持部材３８で保持されているので、受熱により変形する場合は、中央部分が低温側に向かって張り出すように変形する。ダイアフラム３３の位置変化に応じて、インバルブ３５とアウトバルブ３７は、ポンプ動作時に流体の取り込みと排出を行い、流体（冷媒）の逆流を阻止する。   Since the peripheral edge portion of the diaphragm 33 is held by the holding member 38, when the diaphragm 33 is deformed by heat reception, the diaphragm 33 is deformed so that the central portion projects toward the low temperature side. In response to a change in the position of the diaphragm 33, the in-valve 35 and the out-valve 37 take in and discharge the fluid during the pump operation, and prevent the backflow of the fluid (refrigerant).

高温側部材２０は、発熱体（図１では不図示）と接触して熱を受け取る受熱部２１と、受熱部２１で受けた熱をダイアフラムに伝える伝熱部２２を含む。伝熱部２２は、実施例１ではバイメタルのダイアフラム３３と高温側部材２０との接触、非接触を制御する接触調整手段として機能する。高温側部材２０と中間層３０は、断熱材５２を介して接続されている。同様に、中間層３０と低温側部材４０は断熱材５１を介して接続されている。   The high temperature side member 20 includes a heat receiving part 21 that receives heat by contacting a heating element (not shown in FIG. 1), and a heat transfer part 22 that transfers the heat received by the heat receiving part 21 to the diaphragm. In the first embodiment, the heat transfer unit 22 functions as a contact adjusting unit that controls contact and non-contact between the bimetallic diaphragm 33 and the high temperature side member 20. The high temperature side member 20 and the intermediate layer 30 are connected via a heat insulating material 52. Similarly, the intermediate layer 30 and the low temperature side member 40 are connected via a heat insulating material 51.

図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は、図１のマイクロポンプ１０の動作シーケンスを示す図である。図１（Ｂ）の実線で描かれている状態、すなわち、ダイアフラム３３が変形することなく第１位置で高温側部材２０と接しており、インバルブ３５とアウトバルブ３７が閉じている状態を初期位置とする。   2A and 2B are diagrams showing an operation sequence of the micropump 10 of FIG. The state depicted by the solid line in FIG. 1B, that is, the state in which the diaphragm 33 is in contact with the high temperature side member 20 at the first position without deformation and the in-valve 35 and the out-valve 37 are closed is the initial position. And

図２（Ａ）のように、高温側部材２０の受熱部２１上に、発熱体としてのＬＳＩ素子７０が置かれているとする。ＬＳＩ素子７０は、基板９０への接合面と反対側の面で高温側部材２０と接している。ＬＳＩ素子７０の動作により発生する熱は、受熱部２１及び伝熱部２２を介してバイメタルのダイアフラム３３に吸収される。これにより、中間層３０の温度が上昇し、ダイアフラム３３が低温側部材４０に向かって凹変形して、低温側部材４０と接触する第２位置へと変位する。ダイアフラム３３の変形により、チャンバー４５内の流路体積が減少して、アウトレット側での流体圧が上昇する。アウトバルブ３７が押し上げられて開放状態となり、流体が排出管５４へと排出される。このとき、インバルブ３５は閉じられている。   Assume that an LSI element 70 as a heating element is placed on the heat receiving portion 21 of the high temperature side member 20 as shown in FIG. The LSI element 70 is in contact with the high temperature side member 20 on the surface opposite to the bonding surface to the substrate 90. The heat generated by the operation of the LSI element 70 is absorbed by the bimetallic diaphragm 33 through the heat receiving part 21 and the heat transfer part 22. As a result, the temperature of the intermediate layer 30 rises, and the diaphragm 33 is concavely deformed toward the low temperature side member 40 and is displaced to the second position where it contacts the low temperature side member 40. Due to the deformation of the diaphragm 33, the volume of the flow path in the chamber 45 decreases, and the fluid pressure on the outlet side increases. The out valve 37 is pushed up to open, and the fluid is discharged to the discharge pipe 54. At this time, the in-valve 35 is closed.

次に、図２（Ｂ）のように、バイメタルのダイアフラム３３が低温側部材４０の放熱部４１と接触することによって熱を放出し、高温側部材２０と接触する第１位置へと復帰する。これにより、チャンバー内の流路体積が増大し（回復し）、流体圧が低減する。インレット側のインバルブ３５が導入路３４内の流体圧により下方に開いて、チャンバー４５内に流体が流れ込む。このとき、アウトバルブ３７は閉じられた状態であり、チャンバー４５内を満たす流体によって低温側部材４０の放熱部４１が冷却される。初期位置に復帰したダイアフラム３３が高温側部材２０と接触して吸熱することで、マイクロポンプ１０は再び図２（Ａ）の状態へ移行し、以後、図２（Ａ）と図２（Ｂ）の動作を繰り返す。   Next, as shown in FIG. 2B, the bimetallic diaphragm 33 is brought into contact with the heat radiating portion 41 of the low temperature side member 40 to release heat, and returns to the first position where it contacts the high temperature side member 20. This increases (recovers) the flow path volume in the chamber and reduces the fluid pressure. The inlet side in-valve 35 opens downward by the fluid pressure in the introduction path 34, and the fluid flows into the chamber 45. At this time, the out valve 37 is in a closed state, and the heat radiating portion 41 of the low temperature side member 40 is cooled by the fluid filling the chamber 45. When the diaphragm 33 that has returned to the initial position comes into contact with the high temperature side member 20 and absorbs heat, the micropump 10 shifts to the state of FIG. 2A again, and thereafter, FIG. 2A and FIG. Repeat the operation.

図３Ａ〜図３Ｇは、マイクロポンプ１０の製造プロセスの一部として、中間層３０に用いる第１基板の加工工程を示す図である。実施例１では、ダイアフラム３３を構成するバイメタルの少なくとも一層に、半導体材料、たとえば単結晶シリコンを用いる。シリコンは半導体プロセスを用いて加工が容易であるばかりでなく、163W・mKと金属と遜色ない熱伝導率を有し、2.9ppm/Kの線拡張係数を有するため、マイクロポンプの構成材料に適している。また金属と表面で共晶するので、強力な接合が可能である。   3A to 3G are diagrams showing a processing step of the first substrate used for the intermediate layer 30 as part of the manufacturing process of the micropump 10. In the first embodiment, a semiconductor material such as single crystal silicon is used for at least one layer of the bimetal constituting the diaphragm 33. Silicon is not only easy to process using semiconductor processes, but also has a thermal conductivity comparable to that of metals at 163 W · mK, and has a line expansion coefficient of 2.9 ppm / K, making it suitable as a component material for micro pumps. ing. In addition, since it is eutectic with the surface of the metal, strong bonding is possible.

まず、図３Ａに示すように、第１基板としてシリコン単結晶ウェーハ（適宜、「シリコン基板」と称する）６１を準備し、レジスト６２を塗布し、マスク１を用いてパターニング（露光・現像）する。次に、図３Ｂに示すように、レジスト６２をマスクとしてシリコン基板６１を１００μｍの深さにエッチングし、その後レジストを剥離、洗浄する。これにより、シリコン基板６１にフレーム状の突起６８が形成される。   First, as shown in FIG. 3A, a silicon single crystal wafer (referred to as “silicon substrate” as appropriate) 61 is prepared as a first substrate, a resist 62 is applied, and patterning (exposure / development) is performed using the mask 1. . Next, as shown in FIG. 3B, the silicon substrate 61 is etched to a depth of 100 μm using the resist 62 as a mask, and then the resist is removed and washed. As a result, a frame-like protrusion 68 is formed on the silicon substrate 61.

次に、図３Ｃに示すようにレジスト６４を塗布し、ダイアフラム部を開口したマスク２を用いてレジスト６４をパターニングし、全面に膜厚約５０ｎｍのクロム膜６５をスパッタリングする。次に、図３Ｄに示すように、リフトオフ法によりクロム膜６５のパターニングを行なう。   Next, as shown in FIG. 3C, a resist 64 is applied, the resist 64 is patterned using the mask 2 having an opening in the diaphragm portion, and a chromium film 65 having a thickness of about 50 nm is sputtered on the entire surface. Next, as shown in FIG. 3D, the chromium film 65 is patterned by a lift-off method.

次に、図３Ｅに示すように、メッキ用の１００μｍの厚膜レジスト６６を塗布し、マスク２を用いてクロム膜６５が露出する開口６７を形成する。次に、図３Ｆに示すように、電解メッキにより銅又はニッケルの層３１を１００μｍにメッキ成長する。この金属層３１は、バイメタルの高ＣＴＥ部材（第１部材）３１となる。その後、図３Ｇに示すようにメッキレジスト６６を除去する。フレーム状の突起６８は、図１でダイアフラム３３を保持する保持部３８となる。これにより、シリコン基板６１上で保持部３８に取り囲まれた領域に高ＣＴＥのＣｕ膜３１が形成された第１基板６０が出来上がる。   Next, as shown in FIG. 3E, a 100 μm thick film resist 66 for plating is applied, and an opening 67 through which the chromium film 65 is exposed is formed using the mask 2. Next, as shown in FIG. 3F, a copper or nickel layer 31 is plated and grown to 100 μm by electrolytic plating. The metal layer 31 becomes a bimetallic high CTE member (first member) 31. Thereafter, the plating resist 66 is removed as shown in FIG. 3G. The frame-like protrusion 68 becomes the holding portion 38 that holds the diaphragm 33 in FIG. Thereby, the first substrate 60 in which the high CTE Cu film 31 is formed in the region surrounded by the holding portion 38 on the silicon substrate 61 is completed.

上述した中間層３０の形成はあくまでもひとつの例であり、バイメタルの低膨張側の層３２にシリコンを用いた場合に、高膨張側の層３１としてシリコンよりも線膨張率が数倍以上大きい任意の材料を用いることができる。高膨張側の層３１として、金属等、選択肢は多様であるが、マンガン、クロム、ニッケル、銅やこれらの合金が一般的である。半導体プロセスを用いる場合は、上述したようにエッチングやメッキが容易な銅やニッケルがよい。銅の熱伝導率は300W/mK、線膨張係数は145ppm/Kであり、単結晶シリコンと組み合わせることによって良好なバイメタルを作製することができる。なお、現在市販されているバイメタルの種類は現行JISC2530「電気用バイメタル板」に分類記載されている。この分類によれば、記号ＴＭ１に分類される材料では湾曲係数が20×10-6/K前後の材料を容易に入手することができる。 The formation of the intermediate layer 30 described above is merely an example, and when silicon is used for the low-expansion side layer 32 of the bimetal, the linear expansion coefficient of the high-expansion side layer 31 is several times greater than that of silicon. These materials can be used. There are various options for the high expansion layer 31 such as metal, but manganese, chromium, nickel, copper, and alloys thereof are generally used. In the case of using a semiconductor process, copper or nickel that is easy to etch or plate is preferable as described above. Copper has a thermal conductivity of 300 W / mK and a linear expansion coefficient of 145 ppm / K, and a good bimetal can be produced by combining with single crystal silicon. The types of bimetals currently on the market are classified and described in the current JISC2530 “Bimetal plates for electricity”. According to this classification, a material having a curvature coefficient of around 20 × 10 −6 / K can be easily obtained as a material classified into the symbol TM1.

図４Ａ〜図４Ｅは、マイクロポンプ１０の製造プロセスの一部として、高温側部材２０に用いる第２基板の加工工程を示す図である。まず、図４Ａに示すように、第２基板として第２のシリコン単結晶ウェーハ（適宜、「シリコン基板」と称する）２５を準備する。全面にレジスト２６を塗布し、マスク３を用いてレジスト２６をパターニングし、所定の箇所に開口２７を形成する。次に、図４Ｂに示すように、レジスト２６をマスクとして、ＤＲＩＥ法により、シリコン基板２５にインレット・アウトレット穴部２８を形成する。その後、レジスト２６を除去する。   4A to 4E are diagrams showing a process of processing the second substrate used for the high temperature side member 20 as a part of the manufacturing process of the micropump 10. First, as shown in FIG. 4A, a second silicon single crystal wafer (referred to as a “silicon substrate” as appropriate) 25 is prepared as a second substrate. A resist 26 is applied to the entire surface, and the resist 26 is patterned using the mask 3 to form an opening 27 at a predetermined location. Next, as shown in FIG. 4B, inlet / outlet holes 28 are formed in the silicon substrate 25 by the DRIE method using the resist 26 as a mask. Thereafter, the resist 26 is removed.

次に、図４Ｃに示すように、シリコン基板２５の裏面、すなわちインレット・アウトレット穴部２８を形成したのと反対側の面にレジスト２９を塗布し、マスク４を用いてレジスト２９をパターニングし、ＤＲＩＥ法によりシリコン基板２５をエッチングしてリセス２３を形成する。リセス２３の平面形状は、中間層３０のダイアフラム３３とインバルブ３５及びアウトバルブ３７に対応する形状となっている。その後、レジスト２９を除去する。   Next, as shown in FIG. 4C, a resist 29 is applied to the back surface of the silicon substrate 25, that is, the surface opposite to the side where the inlet / outlet holes 28 are formed, and the resist 29 is patterned using the mask 4, A recess 23 is formed by etching the silicon substrate 25 by the DRIE method. The planar shape of the recess 23 corresponds to the diaphragm 33, the in-valve 35, and the out-valve 37 of the intermediate layer 30. Thereafter, the resist 29 is removed.

次に、図４Ｄに示すように、シリコン基板２５の裏面側にレジスト７１を塗布し、マスク５を用いてレジスト７１をパターニングする。そして、図４Ｅに示すように、レジスト７１をマスクとして、ＤＲＩＥ法により、インレット・アウトレット穴部２８と連通するまでシリコン基板２５をエッチングして、高温側部材２０の受熱部２１、伝熱部（接触調整手段）２２、流体の導入路３４、排出路３６、及びハウジング２４を形成する。これにより高温側の第２基板５０が出来上がる。   Next, as shown in FIG. 4D, a resist 71 is applied to the back side of the silicon substrate 25, and the resist 71 is patterned using the mask 5. Then, as shown in FIG. 4E, the silicon substrate 25 is etched by the DRIE method using the resist 71 as a mask until it communicates with the inlet / outlet hole 28, and the heat receiving portion 21 and the heat transfer portion ( Contact adjusting means) 22, a fluid introduction path 34, a discharge path 36, and a housing 24 are formed. Thereby, the second substrate 50 on the high temperature side is completed.

図５は、中間層３０を構成する第１基板６０と、高温側の第２基板５０との積層加工の工程を示す図である。図５（ａ）に示すように、第２基板５０の裏面（伝熱部２２側）にエポキシ接着剤５２をディスペンス塗布し、その下面に第１基板６０を接合する。この場合、第２基板５０の受熱部２１に伝熱部（接触調整手段）２２を取り囲むようにディスペンスされたエポキシ接着材５２は、第１基板６０のフレーム状の突起、すなわち保持部３８に接合される。   FIG. 5 is a view showing a process of laminating the first substrate 60 constituting the intermediate layer 30 and the second substrate 50 on the high temperature side. As shown in FIG. 5A, the epoxy adhesive 52 is dispensed on the back surface (heat transfer section 22 side) of the second substrate 50, and the first substrate 60 is bonded to the lower surface thereof. In this case, the epoxy adhesive 52 dispensed so as to surround the heat transfer portion (contact adjusting means) 22 in the heat receiving portion 21 of the second substrate 50 is joined to the frame-shaped protrusion of the first substrate 60, that is, the holding portion 38. Is done.

次に、図５（ｂ）に示すように、接合した第１基板６０の裏面、すなわち高ＣＴＥ層としてのＣｕ層３１を形成した面と反対側の面を、シリコン基板６１が所望の厚さになるまで研削・研磨する。この例では、シリコン基板６１の厚さが１００μｍになるまで研削・研磨する。その後、研磨した裏面に図示しないレジストを塗布し、マスク６を用いてダイアフラム３３と、インバルブ３５及びアウトバルブ３７を形成する。レジストを除去して、マイクロポンプ１０の高温側部材２０と中間層３０が完成する。保持部３８の内側にあるシリコン基板は、ダイアフラム３３の低ＣＴＥ層（第２部材）３２となる。また、流体導入路３４に対応する部分のシリコン基板がインバルブ３５となり、流体排出路３６に対応する部分のシリコン基板がアウトバルブ３７となる。この段階で、ダイアフラム３３とインバルブ３５、アウトバルブ３７の裏面（研磨面）に、高分子保護膜を形成しておいてもよい。高温側部材２０と中間層３０とを接合するエポキシ接着材５２は、断熱材として機能する。インバルブ３５は、マイクロポンプ１０の動作時に導入路３４側に開かないように、ハウジング２４で係止されている。他方、アウトバルブ３７は、排出路３６側に開くように構成されている。   Next, as shown in FIG. 5B, the silicon substrate 61 has a desired thickness on the back surface of the bonded first substrate 60, that is, the surface opposite to the surface on which the Cu layer 31 as the high CTE layer is formed. Grind and polish until In this example, the silicon substrate 61 is ground and polished until the thickness becomes 100 μm. Thereafter, a resist (not shown) is applied to the polished back surface, and the diaphragm 33, the in-valve 35 and the out-valve 37 are formed using the mask 6. The resist is removed, and the high temperature side member 20 and the intermediate layer 30 of the micropump 10 are completed. The silicon substrate inside the holding portion 38 becomes the low CTE layer (second member) 32 of the diaphragm 33. Further, the silicon substrate corresponding to the fluid introduction path 34 becomes the in-valve 35, and the silicon substrate corresponding to the fluid discharge path 36 becomes the out-valve 37. At this stage, a polymer protective film may be formed on the back surface (polished surface) of the diaphragm 33, the in-valve 35, and the out-valve 37. The epoxy adhesive material 52 that joins the high temperature side member 20 and the intermediate layer 30 functions as a heat insulating material. The in-valve 35 is locked by the housing 24 so as not to open to the introduction path 34 when the micropump 10 is operated. On the other hand, the out valve 37 is configured to open to the discharge path 36 side.

図６は、マイクロポンプ１０の製造プロセスの一部として、低温側部材４０に用いる第３基板の加工工程を示す図である。図６（ａ）に示すように、第３基板として第３のシリコン単結晶ウェーハ４１を準備する。全面に永久レジスト５１を塗布し、マスク７を用いて永久レジスト５１をパターニングして、所定の形状の空間５５を形成する。空間５５は、組み立て後のマイクロポンプ１０のチャンバー４５とバルブ室４２に相当する。空間５５を区画する永久レジスト５１は、マイクロポンプ１０のハウジング５１として機能するとともに、中間層４０と低温側部材４０との間の断熱材として機能する。永久レジスト５１は、たとえばエポキシ系樹脂、ポリイミド等である。次に、図６（ｂ）に示すように、パターニングした永久レジスト５１上の所定の箇所にエポキシ接着剤５６をディスペンス形成する。   FIG. 6 is a diagram illustrating a process of processing the third substrate used for the low temperature side member 40 as a part of the manufacturing process of the micropump 10. As shown in FIG. 6A, a third silicon single crystal wafer 41 is prepared as a third substrate. A permanent resist 51 is applied to the entire surface, and the permanent resist 51 is patterned using the mask 7 to form a space 55 having a predetermined shape. The space 55 corresponds to the chamber 45 and the valve chamber 42 of the micropump 10 after assembly. The permanent resist 51 that partitions the space 55 functions as the housing 51 of the micropump 10 and also functions as a heat insulating material between the intermediate layer 40 and the low temperature side member 40. The permanent resist 51 is, for example, an epoxy resin or polyimide. Next, as shown in FIG. 6B, an epoxy adhesive 56 is dispensed at a predetermined location on the patterned permanent resist 51.

図７は、図５で形成した第１基板６０と第２基板５０との積層体に、第３基板４１を接合する工程を示す図である。図７（ａ）に示すように、第３基板４１のエポキシ形接着剤５６上に第１基板６０の裏面を接合する。このとき、エポキシ接着剤５６は、アウトレット側のアウトバルブ３７に抵触しないように塗布されていなければならない。次に、図７（ｂ）に示すように、接合体をダイサーでチップ分離する。ダイシングの際には、流体導入路３４となる開口３４及び流体排出路３６となる開口３６を保護してチップ分離するのが望ましい。ことにより、マイクロポンプ１０の主要部が完成する。ダイアフラム３３と低温側部材４０の間に流路の一部となるチャンバー４５が形成され、インバルブ３５とアウトバルブ３７の下方に、流路の一部となるバルブ室４２が形成される。アウトバルブ３７は下方のバルブ室４２に向けて開かないように、ハウジング５１により係止されている。この状態での概略上面図が図７（ｃ）である。   FIG. 7 is a diagram illustrating a process of bonding the third substrate 41 to the stacked body of the first substrate 60 and the second substrate 50 formed in FIG. As shown in FIG. 7A, the back surface of the first substrate 60 is bonded onto the epoxy adhesive 56 of the third substrate 41. At this time, the epoxy adhesive 56 must be applied so as not to interfere with the outlet valve 37 on the outlet side. Next, as shown in FIG. 7B, the joined body is separated into chips by a dicer. When dicing, it is desirable to protect the opening 34 serving as the fluid introduction path 34 and the opening 36 serving as the fluid discharge path 36 to separate the chips. Thus, the main part of the micropump 10 is completed. A chamber 45 that is a part of the flow path is formed between the diaphragm 33 and the low temperature side member 40, and a valve chamber 42 that is a part of the flow path is formed below the in-valve 35 and the out-valve 37. The out valve 37 is locked by a housing 51 so as not to open toward the lower valve chamber 42. FIG. 7C is a schematic top view in this state.

マイクロポンプ１０の内面を、高分子保護膜（不図示）で保護してもよい。たとえば、マイクロポンプ１０の機密性を高め、リークを低減するために、ポリバラキシレン膜を気相蒸着重合法による成膜する。最後に、流体導入路３３と流体排出路３６に図示しない流入管５３と排出管５４（図１参照）を結合し、流体を封入することによってマイクロポンプが完成する。   The inner surface of the micropump 10 may be protected with a polymer protective film (not shown). For example, in order to increase the confidentiality of the micropump 10 and reduce leaks, a polyxylene film is formed by a vapor deposition polymerization method. Finally, an inflow pipe 53 and a discharge pipe 54 (see FIG. 1) (not shown) are connected to the fluid introduction path 33 and the fluid discharge path 36, and the fluid is sealed to complete the micropump.

図８Ａは、バイメタルによるダイアフラムの変形シミュレーションデータ、図８Ｂは図８Ａのデータに基づく変位分布図である。シミュレーションでは、上面側に高ＣＴＥ部材（第１部材）として膜厚１００μｍのＣｕを、下面側に低ＣＴＥ部材（第２部材）として膜厚１００μｍの単結晶シリコンを用い、２０ｍｍ×２０ｍｍのバイメタルダイアフラムとした。また、図１のように、ダイアフラム３３がフレーム（保持部）３８と一体形成されているものとした。５０℃の温度上昇を与えた場合、図８Ａ及び図８Ｂに示すように、ダイアフラムの中央部が凹状に変形することがわかる。もっともこの場合、変位量はＺ軸方向に−４μｍと小さいので、マイクロポンプとして機能させる場合は、流路となるチャンバー４５の空間高さを４μｍとしなければならない。マイクロポンプにおけるバイメタルのより有効な適用例は、後述する実施例２で述べることとする。   FIG. 8A is a deformation simulation data of diaphragm deformation by bimetal, and FIG. 8B is a displacement distribution diagram based on the data of FIG. 8A. In the simulation, a 100 mm thick Cu film is used as the high CTE member (first member) on the upper surface side, and a single crystal silicon film is used as the low CTE member (second member) 100 μm thickness on the lower surface side. It was. Further, as shown in FIG. 1, the diaphragm 33 is formed integrally with the frame (holding portion) 38. When a temperature increase of 50 ° C. is given, it can be seen that the central portion of the diaphragm is deformed into a concave shape as shown in FIGS. 8A and 8B. In this case, however, since the displacement is as small as −4 μm in the Z-axis direction, the space height of the chamber 45 serving as a flow path must be 4 μm when functioning as a micropump. A more effective application example of the bimetal in the micropump will be described in Example 2 described later.

図９は実施例１のマイクロポンプの変形例１、図１０はマイクロポンプの変形例２、図１１はマイクロポンプの変形例３を示す。図１のマイクロポンプ１と同じ構成要素には同じ符号を付して、その説明を省略する。図９のマイクロポンプ１１０Ａでは、インレット側の流入管５３と、アウトレット側の排出管５４を、低温側に設けている。この構成では、高温側部材２０の受熱部２１が流路に面しているので、高温側部材２０を直接冷却することができる。したがって、冷却効率を向上することができる。マイクロポンプ１１０Ａを作製する場合は、低温側部材４０となる基板４１に、マスク３（図４Ａ参照）を用いて開口を形成して流体導入路及び流体排出路を形成する。高温側部材２０からの熱によるダイアフラム３３の変位と、インバルブ３５及びアウトバルブ３７の開閉動作は、実施例１と同様である。   9 shows a first modification of the micropump of the first embodiment, FIG. 10 shows a second modification of the micropump, and FIG. 11 shows a third modification of the micropump. The same components as those of the micropump 1 in FIG. In the micropump 110A of FIG. 9, the inlet side inflow pipe 53 and the outlet side discharge pipe 54 are provided on the low temperature side. In this configuration, since the heat receiving portion 21 of the high temperature side member 20 faces the flow path, the high temperature side member 20 can be directly cooled. Therefore, the cooling efficiency can be improved. When the micropump 110A is manufactured, an opening is formed in the substrate 41 serving as the low temperature side member 40 using the mask 3 (see FIG. 4A) to form a fluid introduction path and a fluid discharge path. The displacement of the diaphragm 33 due to heat from the high temperature side member 20 and the opening / closing operations of the in-valve 35 and the out-valve 37 are the same as in the first embodiment.

図１０のマイクロポンプ１１０Ｂは、図９の構成をさらに変形したものであり、低温側部材４０に冷却水路１２０が設けられている。冷却水路１２０はウォータジャケットとし機能する。半導体プロセスを用いてマイクロポンプとウォータジャケットを一体的に形成することができる。   A micropump 110 </ b> B in FIG. 10 is a further modification of the configuration in FIG. 9, and a cooling water channel 120 is provided in the low temperature side member 40. The cooling water channel 120 functions as a water jacket. The micropump and the water jacket can be integrally formed using a semiconductor process.

図１１のマイクロポンプ１１０Ｃは、インバルブ１３５とアウトバルブ１３７をバイメタルで形成したものである。アウトバルブ１３７において、高ＣＴＥ材（第１部材）と低ＣＴＥ材（第２部材）の積層を、ダイアフラム３３の積層と逆にする。図１１の構成によると、インバルブ１３５とアウトバルブ１３７の動作を、チャンバー４５内の圧力変動のみに依存させるのではなく、より自律的なものにすることができるので、ダイアフラム３３は、その機械的な運動（変位）を、流体の輸送だけに割り振ることができる。このような効果は、インバルブ１３５とアウトバルブ１３７のいずれか一方だけをバイメタルで構成してもある程度達成することができる。   A micropump 110C in FIG. 11 is formed by forming an in-valve 135 and an out-valve 137 with bimetal. In the out valve 137, the stacking of the high CTE material (first member) and the low CTE material (second member) is reversed from the stacking of the diaphragm 33. According to the configuration of FIG. 11, the operation of the in-valve 135 and the out-valve 137 can be made more autonomous rather than depending only on the pressure fluctuation in the chamber 45, so that the diaphragm 33 can be mechanically operated. Dynamic movement (displacement) can be allocated to fluid transport only. Such an effect can be achieved to some extent even if only one of the in-valve 135 and the out-valve 137 is made of bimetal.

図１２は、マイクロポンプの使用形態の一例として、マイクロポンプを組み込んだ半導体装置１００を示す概略図である。半導体装置１００は、マイクロポンプ１１０Ａと、マイクロポンプ１１０Ａの高温側部材２０に接するＬＳＩ素子７０と、マイクロポンプ１１０Ａに接続されて流体を循環させる循環系８５とを含む。循環系８５は、配管８１と、熱交換器又はラジエター８２とを含む。循環系８５に主ポンプ８３を接続してもよい。この場合、マイクロポンプ１１０Ａは自律的に動作する補助ポンプとして機能する。また、循環系８５の一部として、低温側部材４０に接するウォータジャケット８０を配置するのが望ましい。   FIG. 12 is a schematic diagram showing a semiconductor device 100 incorporating a micropump as an example of a usage pattern of the micropump. The semiconductor device 100 includes a micropump 110A, an LSI element 70 that contacts the high temperature side member 20 of the micropump 110A, and a circulation system 85 that is connected to the micropump 110A and circulates fluid. The circulation system 85 includes a pipe 81 and a heat exchanger or radiator 82. A main pump 83 may be connected to the circulation system 85. In this case, the micropump 110A functions as an auxiliary pump that operates autonomously. Further, it is desirable to dispose a water jacket 80 in contact with the low temperature side member 40 as a part of the circulation system 85.

主ポンプ８３から排出された冷媒流体はウォータジャケット８０に入り、マイクロポンプ１１０Ａを通してＬＳＩ素子７０から伝達された熱量を受け取り、マイクロポンプ１１０Ａのインレットに入る。熱源とウォータジャケット８０の温度差を利用してマイクロポンプ１１０Ａが動作すると、アウトレットから流体が排出され、熱交換器８２をとおり主ポンプ８３に循環する。熱交換器８２は熱源から受け取った熱量を２次側冷媒に移動する装置であり、２次側冷媒が空気の場合はラジエターである。   The refrigerant fluid discharged from the main pump 83 enters the water jacket 80, receives the amount of heat transferred from the LSI element 70 through the micro pump 110A, and enters the inlet of the micro pump 110A. When the micro pump 110 </ b> A operates using the temperature difference between the heat source and the water jacket 80, the fluid is discharged from the outlet and circulates through the heat exchanger 82 to the main pump 83. The heat exchanger 82 is a device that moves the amount of heat received from the heat source to the secondary refrigerant, and is a radiator when the secondary refrigerant is air.

近年のＬＳＩはエネルギー密度が100W/cm2を越え原子炉レベルに近づいている。さらに厄介なのは、省電力機能の発達により使用状況により発熱量が大きく変動することである。マイクロポンプ１１０Ａが無い場合、主ポンプ８３は、ウォータジャケット８０と往復の配管８１と熱交換器８２の間のすべての圧力損を加味して流体を加圧・循環しなければならず、高い圧力を生成する必要がある。また、主ポンプ８３からウォータジャケット８０への配管８１は高い陽圧となり、接続部に高度の信頼性を必要とする。流体の流量を制御して主ポンプ８３の消費電力を低減したり、排出する流体の温度を上げて熱交換器８２での交換率を稼ぐことは理論的には可能であるが、ウォータジャケット８０から熱源へ熱の逆流を伴うリスクが高く、高度なポンプ制御を必要とするため実現が困難である。   LSI in recent years has an energy density of more than 100 W / cm2 and is approaching the reactor level. What is more troublesome is that the amount of heat generation varies greatly depending on the use situation due to the development of the power saving function. In the absence of the micropump 110A, the main pump 83 must pressurize and circulate the fluid in consideration of all pressure losses between the water jacket 80, the reciprocating piping 81, and the heat exchanger 82. Must be generated. In addition, the pipe 81 from the main pump 83 to the water jacket 80 has a high positive pressure, and the connection portion requires high reliability. Although it is theoretically possible to control the flow rate of the fluid to reduce the power consumption of the main pump 83 or to raise the temperature of the fluid to be discharged to increase the exchange rate in the heat exchanger 82, the water jacket 80 The risk of backflow of heat from the heat source to the heat source is high, and it is difficult to realize because it requires sophisticated pump control.

これに対し、図１２の構成では、マイクロポンプ１１０Ａのダイアフラムの自律的な動作により、ウォータジャケット８０から流体を吸い出す機能を果たすことができる。マイクロポンプ１１０Ａが動作しているときは、主ポンプ８３は主ポンプ８３からウォータジャケット８０までの流路と、ウォータジャケット８０の圧力損の一部をカバーする圧力だけを生成すればよい。このようにマイクロポンプ１１０Ａを補助ポンプとして機能させることによって、圧力の上昇点を全体に分散することができるため、流体の循環システムにとっても信頼性を向上する手段となる。   On the other hand, in the configuration of FIG. 12, the function of sucking out the fluid from the water jacket 80 can be achieved by the autonomous operation of the diaphragm of the micropump 110A. When the micro pump 110 </ b> A is operating, the main pump 83 only needs to generate a pressure that covers the flow path from the main pump 83 to the water jacket 80 and part of the pressure loss of the water jacket 80. Since the micropump 110A functions as an auxiliary pump in this way, the pressure rising points can be dispersed throughout, so that it is a means for improving the reliability of the fluid circulation system.

マイクロポンプ１１０Ａが動作していないときは、全流路の圧力損を主ポンプ８３がカバーする必要があり、概算では流量が１／２〜１／３程度に低下する。しかし、マイクロポンプ１１０Ａが動作していないというのは、熱源からの発熱が少なくことを意味するので、冷却の必要性が高くないことを意味する。したがって、冷却能力の低下は影響せず、むしろ望ましいともいえる。しかもマイクロポンプ１１０Ａでは熱源（ＬＳＩ素子７０）からウォータジャケット８０に向かって一方通行に熱が移動し逆流することはない。したがって、従来に比べてポンプの消費電力を低減することが可能である。   When the micro pump 110A is not operating, it is necessary for the main pump 83 to cover the pressure loss of all the flow paths, and the flow rate is reduced to about 1/2 to 1/3. However, the fact that the micropump 110A is not operating means that the heat generation from the heat source is small, and therefore the necessity for cooling is not high. Therefore, the decrease in cooling capacity is not affected and can be said to be desirable. Moreover, in the micropump 110A, heat moves in one direction from the heat source (LSI element 70) toward the water jacket 80 and does not flow backward. Therefore, it is possible to reduce the power consumption of the pump as compared with the conventional case.

このように、半導体装置１００にマイクロポンプ１１０Ａを組み込むことにより、熱源のＬＳＩ素子７０において強い冷却が必要になると、マイクロポンプ１１０Ａの自律的な動作により自動的に冷却効率を上げることができる。マイクロポンプ１１０Ａを補助ポンプとして機能させることにより、主ポンプ８３の電力削減や低グレード化によるコストダウンが可能となる。また、冷却循環路内で最も大きな圧力損失を生ずるウォータジャケット８０の近傍にマイクロポンプ１１０Ａを置くことによって、水路配管の水圧を低下させて漏水事故に対してのリスクを軽減することができる。   As described above, by incorporating the micro pump 110A into the semiconductor device 100, when strong cooling is required in the LSI element 70 of the heat source, the cooling efficiency can be automatically increased by the autonomous operation of the micro pump 110A. By causing the micro pump 110A to function as an auxiliary pump, it is possible to reduce the cost by reducing the power of the main pump 83 or reducing the grade. Further, by placing the micropump 110A in the vicinity of the water jacket 80 that causes the largest pressure loss in the cooling circuit, the water pressure in the water pipe can be reduced and the risk of a water leakage accident can be reduced.

図１２の例では、メイン回路基板９０にはんだバンプ７２を介して実装された単一のＬＳＩ素子７０のみを描いているが、半導体装置１００において、メイン回路基板９０上に複数のＬＳＩ素子７０を配置する構成とすることもできる。この場合は、各ＬＳＩ素子７０にマイクロポンプ１１０Ａを配置しつつ、熱交換器（又はラジエター）８２と主ポンプ８３を共用にすることができる。また、図１２の例ではマイクロポンプ１１０Ａを用いているが、半導体装置１００において、図１のマイクロポンプ１０や変形例２又は３のマイクロポンプ１１０Ｂ、１１０Ｃを同様の形態で使用できることは言うまでもない。   In the example of FIG. 12, only a single LSI element 70 mounted on the main circuit board 90 via the solder bumps 72 is depicted. However, in the semiconductor device 100, a plurality of LSI elements 70 are arranged on the main circuit board 90. It can also be set as the structure to arrange. In this case, the heat exchanger (or the radiator) 82 and the main pump 83 can be shared while the micro pump 110A is disposed in each LSI element 70. Although the micropump 110A is used in the example of FIG. 12, it goes without saying that in the semiconductor device 100, the micropump 10 of FIG. 1 and the micropumps 110B and 110C of the second or third modification can be used in the same form.

図１３は、実施例２のバイメタルによるマイクロポンプ２００の概略構成図、図１４はマイクロポンプ２００の動作を説明するための図である。実施例２では、ダイアフラム２３３と高温側部材２０との間に、バイメタルによる変位手段２５３を挿入する。図１３に示すように、変位手段２５３は、線膨張率の異なる２種類以上の弾性部材を含むバイメタルであり、高温側部材２０の伝熱部２２と直接接触する高ＣＴＥ材の第１部材２３１と、高温側部材と反対側に位置する低ＣＴＥ材の第２部材２３２を含む。変位手段２５３は、初期位置で高温側部材２０の伝熱部２２と接しているものとする。   FIG. 13 is a schematic configuration diagram of the bi-pump micro pump 200 according to the second embodiment, and FIG. 14 is a diagram for explaining the operation of the micro pump 200. In the second embodiment, a bimetal displacement means 253 is inserted between the diaphragm 233 and the high temperature side member 20. As shown in FIG. 13, the displacement means 253 is a bimetal including two or more types of elastic members having different linear expansion coefficients, and is a first member 231 of a high CTE material that is in direct contact with the heat transfer portion 22 of the high temperature side member 20. And a second member 232 of low CTE material located on the opposite side to the high temperature side member. The displacement means 253 shall be in contact with the heat transfer part 22 of the high temperature side member 20 at the initial position.

マイクロポンプ２００は、図示しない熱源側に位置する高温側部材２０と、放熱側に位置する低温側部材４０と、高温側部材２０と低温側部材の４０の間に位置する中間層２３０とを有する。中間層２３０は、ダイアフラム２３３、ダイアフラムを変形させる変位手段２５３、インレット側のインバルブ２３５、及びアウトレット側のアウトバルブ２３７を含む。中間層２３０と低温側部材４０との間に、マイクロポンプ１０内の流路を構成するチャンバー４５及びバルブ室４２が設けられている。熱源は、たとえば高温側部材２０の受熱部２１上に搭載される電子部品等の発熱体（不図示）である。   The micropump 200 includes a high temperature side member 20 located on the heat source side (not shown), a low temperature side member 40 located on the heat dissipation side, and an intermediate layer 230 located between the high temperature side member 20 and the low temperature side member 40. . The intermediate layer 230 includes a diaphragm 233, displacement means 253 for deforming the diaphragm, an inlet-side inlet valve 235, and an outlet-side outlet valve 237. Between the intermediate layer 230 and the low temperature side member 40, a chamber 45 and a valve chamber 42 that constitute a flow path in the micropump 10 are provided. The heat source is a heating element (not shown) such as an electronic component mounted on the heat receiving portion 21 of the high temperature side member 20, for example.

ダイアフラム２３３は、変位手段２５３の動きに応じて、変位前の第１位置と、変位手段２５３に押圧されて低温側部材４０と接触する第２位置との間を変位する。すなわち、図１４（Ａ）に示すように、変位手段２５３が高温側部材２０の受熱部２１及び伝熱部２２を介して熱を吸収することにより、伝熱部２２から離れる方向（図面の下方）に湾曲する。これによりダイアフラム２３３は低温側部材４０に向かって押圧され、低温側部材４０と接触する第２位置へと変位する。ダイアフラム２３３の変位によりチャンバー４５内の体積が変化し、圧力上昇に伴ってアウトバルブ２３７が上方に開き、チャンバー４５内の流体が排出される。   The diaphragm 233 is displaced between the first position before displacement and the second position that is pressed by the displacement means 253 and contacts the low temperature side member 40 according to the movement of the displacement means 253. That is, as shown in FIG. 14 (A), the displacement means 253 absorbs heat through the heat receiving part 21 and the heat transfer part 22 of the high temperature side member 20 to thereby move away from the heat transfer part 22 (downward in the drawing). Curved). As a result, the diaphragm 233 is pressed toward the low temperature side member 40 and is displaced to the second position in contact with the low temperature side member 40. The volume in the chamber 45 changes due to the displacement of the diaphragm 233, the out valve 237 opens upward as the pressure rises, and the fluid in the chamber 45 is discharged.

変位手段２５３に吸収された熱は、ダイアフラム２３３を介して、低温側部材４０の放熱部４１から放出される。これにより、図１４（Ｂ）に示すように変位手段２５３の湾曲が解消され、高温側部材２０と接触する初期位置へ復帰する。変位手段２５３の初期位置への復帰に伴って、押圧されていたダイアフラム２３３も第１位置へと復帰する。チャンバー内の体積も元の状態に回復し、内圧が減少する。インバルブ２３５が下側に開いて流体がチャンバー４５内に流入する。熱源、たとえば高温側部材２０の受熱部２１に搭載される発熱体（不図示）の存在により、図１４（Ａ）と図１４（Ｂ）の動作が自律的に繰り返され、マイクロポンプ２００の動作が継続する。   The heat absorbed by the displacement means 253 is released from the heat radiation part 41 of the low temperature side member 40 via the diaphragm 233. Thereby, as shown in FIG. 14B, the bending of the displacement means 253 is eliminated, and the initial position where the high temperature side member 20 comes into contact is restored. As the displacement means 253 returns to the initial position, the pressed diaphragm 233 also returns to the first position. The volume in the chamber is also restored to the original state, and the internal pressure is reduced. The in-valve 235 opens downward and the fluid flows into the chamber 45. The operation of FIG. 14A and FIG. 14B is autonomously repeated due to the presence of a heat source (not shown) mounted on the heat receiving portion 21 of the high temperature side member 20, for example, and the operation of the micropump 200. Will continue.

実施例２の構成では、バイメタルによる変位手段２５３は、片持ち梁構造に形成され、ダイアフラム２３３を第１位置から第２位置へ駆動するアクチュエータとして機能する。たとえば、ＴＭ１（KOSC2530による分類）相当のバイメタル材で、厚さ２００μｍ、長さ１０ｍｍ、幅１０ｍｍのバイメタルを片持ち梁状に保持した場合、温度が５０℃上昇したときに、自由端の最大変位量は３００〜５００μｍとなる。実施例２では、後述するように平面形状が三角型の変位手段を複数組み合わせて配置する。 In the configuration of the second embodiment, the bimetal displacement means 253 is formed in a cantilever structure and functions as an actuator that drives the diaphragm 233 from the first position to the second position. For example, if a bimetal material equivalent to TM1 (classified by KOSC2530) with a thickness of 200 μm, a length of 10 mm, and a width of 10 mm is held in a cantilever shape, the maximum displacement of the free end when the temperature rises by 50 ° The amount is 300 to 500 μm. In Example 2, as will be described later, a plurality of displacement means having a triangular shape in plan view are arranged in combination.

図１５Ａ〜図１５Ｆは、実施例２のマイクロポンプ２００の中間層２３０の形成工程を示す図である。まず、図１５Ａに示すように、中間層２３０を構成する第１基板として、ＳＯＩ基板２１０を用いる。ＳＯＩ基板は、シリコン基板２１１と表面シリコン（Ｓｉ）膜２１３との間に、シリコン酸化膜（ＳｉＯ2）２１２を挿入した基板である。実施例では、シリコン酸化膜２１２は犠牲膜として用いられる。ＳＯＩ基板２１０上にレジスト２１４を塗布し、マスク１１を用いてレジスト２１４をパターニングする。次に、図１５Ｂに示すように、レジスト２１４をマスクとして、Ｓｉ膜２１３とＳｉＯ2膜２１２をエッチングし、エッチング終了後にレジスト２１４を除去する。   15A to 15F are diagrams illustrating a process of forming the intermediate layer 230 of the micropump 200 according to the second embodiment. First, as shown in FIG. 15A, an SOI substrate 210 is used as a first substrate constituting the intermediate layer 230. The SOI substrate is a substrate in which a silicon oxide film (SiO 2) 212 is inserted between a silicon substrate 211 and a surface silicon (Si) film 213. In the embodiment, the silicon oxide film 212 is used as a sacrificial film. A resist 214 is applied on the SOI substrate 210, and the resist 214 is patterned using the mask 11. Next, as shown in FIG. 15B, the Si film 213 and the SiO2 film 212 are etched using the resist 214 as a mask, and the resist 214 is removed after the etching is completed.

次に、図１５Ｃに示すように、全面にレジスト２１６を形成し、マスク１２を用いてレジスト２１６をパターニングする。パターニングにより、レジスト２１６に平面形状で４つの三角形を組み合わせた開口２１９が形成され、開口２１９内にＳｉ膜２１３が露出する。次に、図１５Ｄに示すように、全面に膜厚５０ｎｍのＣｒ膜２１７をスパッタし、リフトオフ法でＣｒ膜２１７をパターニングする。これにより、ＳＯＩ基板２１０の表面Ｓｉ膜２１３は、バイメタルの一方の側の層を構成する低ＣＴＥ部材（Ｓｉ膜）２３２となる。   Next, as illustrated in FIG. 15C, a resist 216 is formed on the entire surface, and the resist 216 is patterned using the mask 12. By patterning, an opening 219 that is a combination of four triangles in a planar shape is formed in the resist 216, and the Si film 213 is exposed in the opening 219. Next, as shown in FIG. 15D, a Cr film 217 having a thickness of 50 nm is sputtered on the entire surface, and the Cr film 217 is patterned by a lift-off method. Thereby, the surface Si film 213 of the SOI substrate 210 becomes a low CTE member (Si film) 232 constituting a layer on one side of the bimetal.

次に、図１５Ｅに示すように、全面にめっきレジスト２２１を形成し、図１５Ｃで用いたマスク１２を用いてパターニングし、露出したＣｒ膜をシードとして、電解メッキによりＳｉ膜２３２上にＣｕ又はＮｉ膜２３１を形成する。次に、図１５Ｆに示すように、等方性エッチングによりＳｉＯ2犠牲膜２１２を除去して、片持ち梁構造のバイメタル変位手段２５３を形成する。この例では、四角形のダイアフラム２３３に合わせて、４つの三角形を組み合わせた片持ち梁状の変位手段２５３を構成しているが、ダイアフラム２３３やチャンバー４５を６角形、８角形、円形等にすることによって、６個、８個又はそれ以上の変位手段２５３を設ける構成としてもよい。いずれの場合も三角形の頂点部分でダイアフラムを押圧して低温側に変位させる。   Next, as shown in FIG. 15E, a plating resist 221 is formed on the entire surface, patterned using the mask 12 used in FIG. 15C, and Cu or Cu is deposited on the Si film 232 by electrolytic plating using the exposed Cr film as a seed. A Ni film 231 is formed. Next, as shown in FIG. 15F, the SiO2 sacrificial film 212 is removed by isotropic etching to form a bimetal displacement means 253 having a cantilever structure. In this example, the cantilever-shaped displacement means 253 is formed by combining four triangles in accordance with the quadrangular diaphragm 233. However, the diaphragm 233 and the chamber 45 may be hexagonal, octagonal, circular, or the like. 6, 8 or more displacement means 253 may be provided. In either case, the diaphragm is pressed at the apex of the triangle and displaced to the low temperature side.

図１６Ａは、変位手段２５３を形成した第１基板２６０と、高温側部材２０となる第２基板５０との積層加工の工程を示す図である。第２基板５０の作製方法は実施例１と同様であり、説明を省略する。第２基板５０の接合側の面にエポキシ接着層５２をディスペンス形成して、第１基板２６０上に接合する。   FIG. 16A is a diagram showing a process of laminating the first substrate 260 on which the displacement means 253 is formed and the second substrate 50 to be the high temperature side member 20. The manufacturing method of the second substrate 50 is the same as that of the first embodiment, and the description is omitted. An epoxy adhesive layer 52 is dispensed on the bonding side surface of the second substrate 50 and bonded onto the first substrate 260.

図１６Ｂ及び図１６Ｃは、第２基板を積層した第１基板に、低温側部材４０となる第３基板４１を積層する工程を示す図である。図１６Ｂに示すように、接合に先立ち、第２基板を積層したシリコン基板２１１の裏面を、ダイアフラム２３３と、インバルブ２３５及びアウトバルブ２３７に適した所望の厚さ、たとえば１００μｍの膜厚になるまで研削・研磨する。これにより、高温側部材２０、中間層２３０、及びハウジング２４を含む積層体が出来上がる。他方で、実施例１と同様にして第３基板４１上の所定の箇所で永久レジスト５１を加工した低温側部材４０を準備しておく。永久レジスト５１にエポキシ接着材５６を塗布しておく。   FIG. 16B and FIG. 16C are diagrams illustrating a process of laminating a third substrate 41 to be the low temperature side member 40 on the first substrate on which the second substrate is laminated. As shown in FIG. 16B, prior to bonding, the back surface of the silicon substrate 211 on which the second substrate is laminated is changed to a desired thickness suitable for the diaphragm 233, the in-valve 235 and the out-valve 237, for example, 100 μm. Grind and polish. Thereby, the laminated body containing the high temperature side member 20, the intermediate | middle layer 230, and the housing 24 is completed. On the other hand, a low temperature side member 40 is prepared by processing the permanent resist 51 at a predetermined location on the third substrate 41 in the same manner as in the first embodiment. An epoxy adhesive 56 is applied to the permanent resist 51.

図１６Ｃに示すように、エポキシ接着材を介して、第３基板を第１基板と第２基板の積層体に接合することによって、高温側部材２０、中間層２３０、及び低温側部材４０を有するマイクロポンプ２００が完成する。中間層２３０は、ダイアフラム２３３、インバルブ２３５、アウトバルブ２３７、バイメタルの変位手段２５３を含み、中間層２３０と低温側部材４０の間にチャンバー４５が形成される。インレット側の開口３４とアウトレット側の開口３６に循環系を構成する配管（不図示）を接続し、流体を封入することでマイクロポンプ２００が完成する。   As shown in FIG. 16C, the high temperature side member 20, the intermediate layer 230, and the low temperature side member 40 are obtained by bonding the third substrate to the laminate of the first substrate and the second substrate through an epoxy adhesive. The micropump 200 is completed. The intermediate layer 230 includes a diaphragm 233, an in-valve 235, an out-valve 237, and bimetal displacement means 253, and a chamber 45 is formed between the intermediate layer 230 and the low temperature side member 40. The micropump 200 is completed by connecting piping (not shown) constituting the circulation system to the inlet side opening 34 and the outlet side opening 36 and enclosing the fluid.

実施例２の構造では、ダイアフラム２３３の面積は２０ｍｍ×２０ｍｍであり、変位手段２５３を構成するバイメタルの熱容量は0.1uJ/K程度である。接触熱抵抗を含めた総熱抵抗が1K・Wであるとすると、温度変化の時定数はその積より、0.1us（マイクロ秒）となり、瞬時に吸熱あるいは放熱を完了することが可能である。実際の動作は流体の粘性抵抗によって制約を受けるが、仮に１００Ｈｚの動作を行うと、10ｍｌ/ｓの流量が得られることになり、数百Wの熱量を輸送できることが期待される。実際の使用形態では中間層２３０にある程度の熱容量を持たせるか、図示しないバイパス流路を形成して高温側の冷却を行うと、さらに効率的な冷却が可能となる。   In the structure of the second embodiment, the area of the diaphragm 233 is 20 mm × 20 mm, and the heat capacity of the bimetal constituting the displacement means 253 is about 0.1 uJ / K. If the total thermal resistance including contact thermal resistance is 1K · W, the time constant of temperature change is 0.1us (microseconds) from the product, and heat absorption or heat dissipation can be completed instantaneously. The actual operation is limited by the viscous resistance of the fluid, but if the operation at 100 Hz is performed, a flow rate of 10 ml / s is obtained, and it is expected that a heat quantity of several hundred W can be transported. In an actual usage mode, if the intermediate layer 230 has a certain heat capacity, or a bypass channel (not shown) is formed to cool the high temperature side, further efficient cooling is possible.

以上説明したように、本発明のマイクロポンプは、バイメタ構造からなる変位手段の熱変形を動力とする。バイメタル構造の変位手段は、実施例１ではダイアフラム自体を構成するバイメタル、実施例２ではダイアフラムを押圧変形する変位手段である。中間層のバイメタルが高温側と接触することにより吸熱変形してダイアフラムを低温側に変位させる。低温側との接触により放熱することによって、ダイアフラム（及び変位手段）は、もとの位置に復帰する。このような構成により、外部からの電気エネルギーの供給や電圧印加なしに、マイクロポンプを自律的に動作させることが可能になる。マイクロポンプを冷却システム内蔵型の半導体装置の補助ポンプとして用いる場合は、強い冷却が必要になると自動的に冷却効率が上がる効率的な冷却構造を提供することができる。   As described above, the micropump of the present invention is powered by thermal deformation of the displacement means having a bimeta structure. The displacement means of the bimetal structure is a displacement means that pressurizes and deforms the diaphragm in the second embodiment. When the bimetal of the intermediate layer comes into contact with the high temperature side, the endothermic deformation is caused to displace the diaphragm to the low temperature side. By radiating heat through contact with the low temperature side, the diaphragm (and the displacement means) returns to its original position. With such a configuration, the micropump can be operated autonomously without supplying external electric energy or applying a voltage. When a micro pump is used as an auxiliary pump for a semiconductor device with a built-in cooling system, it is possible to provide an efficient cooling structure that automatically increases the cooling efficiency when strong cooling is required.

なお、上述したようにダイアフラムやチャンバーの形状は矩形に限定されず、多角形、円形でもよい。また、変位手段となるバイメタルの作製は、シリコン基板上への金属膜の形成に限定されず、線膨張係数の異なる２種類の金属を張り合わせたものを用いてもよい。また、マイクロポンプの高温側部材、中間層、及び低温側部材を半導体プロセスで形成するかわりに、鋳型成形など任意の方法で作製してもよい。また、図１２に示す半導体装置に組み込まれるマイクロポンプとして、実施例２のマイクロポンプ２００を用いてもよい。   As described above, the shape of the diaphragm or chamber is not limited to a rectangle, and may be a polygon or a circle. Further, the production of the bimetal serving as the displacement means is not limited to the formation of the metal film on the silicon substrate, and a laminate of two kinds of metals having different linear expansion coefficients may be used. Further, instead of forming the high temperature side member, the intermediate layer, and the low temperature side member of the micropump by a semiconductor process, the micro pump may be manufactured by an arbitrary method such as molding. Further, the micropump 200 of the second embodiment may be used as a micropump incorporated in the semiconductor device shown in FIG.

以上の説明に対して以下の付記を提示する。
（付記１）
熱源側に位置する高温側部材と、
放熱側に位置する低温側部材と、
前記高温側部材と前記低温側部材の間に位置する中間層と、
前記中間層と前記低温側部材の間で流路の一部を形成するチャンバーと、
を備え、
前記中間層は、ダイアフラムと、前記高温側部材からの吸熱及び前記低温側部材からの放熱により前記ダイアフラムを変位させる変位手段(31,32,253)と、を含み、
前記ダイアフラムは、変位前の第１位置と、前記変位により前記低温側部材と接する第２位置との間を変位することにより、前記チャンバー内への流体の取り込みと排出を行なわせることを特徴とするマイクロポンプ。
（付記２）
前記変位手段は、第１の線膨張係数を有して前記高温側部材側に位置する第１部材と、前記第１の線膨張係数よりも小さい第２の線膨張係数を有して前記高温側部材と反対側に位置する第２部材とを含む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。
（付記３）
前記ダイアフラムは、前記第１位置において前記高温側部材と接していることを特徴とする付記２に記載のマイクロポンプ。
（付記４）
前記変位手段は、前記ダイアフラムと前記高温側部材の間に配置される片持ち梁構造のバイメタル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。
（付記５）
前記片持ち梁構造のバイメタルは、前記高温側部材からの熱により湾曲して、前記ダイアフラムを前記低温側部材と接する前記第２の位置へ変位させることを特徴とする付記４に記載のマイクロポンプ
（付記６）
前記中間層は、前記チャンバーに前記流体を導入する流体導入路に位置する第１バルブと、前記チャンバーから前記流体を排出する流体排出路に位置する第２バルブをさらに含み、前記ダイアフラム、前記第１バルブ、及び前記第２バルブは一体形成されていること
いることを特徴とする付記１〜５のいずれか１に記載のマイクロポンプ。
（付記７）
前記ダイアフラムの前記第１部材と前記第２部材の少なくとも一方は半導体であることを特徴とする付記１〜６のいずれか１に記載のマイクロポンプ。
（付記８）
前記ダイアフラムの前記第１部材と前記第２部材の少なくとも一方は金属であることを特徴とする付記１〜６のいずれか１に記載のマイクロポンプ。
（付記９）
前記ダイアフラムの第１部材は、Ａｌ、Ｃｕ、Ｓｅ、Ｎｉ又はこれらを含む合金であることを特徴とする付記１〜６のいずれか１に記載のマイクロポンプ。
（付記１０）
前記ダイアフラムの第２部材は、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ、Ｎｉ又はこれらを含む合金であることを特徴とする付記１〜６のいずれか１に記載のマイクロポンプ。
（付記１１）
前記バイメタルの表面は高分子膜で保護されていることを特徴とする付記１〜１０のいずれか１に記載のマイクロポンプ。
（付記１２）
前記高温側部材は、前記熱源と接して熱を受け取る受熱部(21)と、前記受熱部で受け取った熱を前記変位手段へ伝えて前記変位手段との接触、非接触を制御する接触調整手段とを含むことを特徴とする付記１に記載のマイクロポンプ。
（付記１３）
前記低温側部材は、内部に流体が通るチャネルを有し、前記チャネル壁面から前記流体へ熱交換を行うことを特徴とする付記１に記載のマイクロポンプ。
（付記１４）
付記１〜６のいずれか１に記載のマイクロポンプと、
前記マイクロポンプの高温側部材に接触する半導体素子と、
前記マイクロポンプに接続されて前記流体を循環させる循環系と
を含む半導体装置。
（付記１５）
前記循環系に接続される主ポンプをさらに含むことを特徴とする付記１４に記載の半導体装置。
（付記１６）
前記循環系に接続され、前記マイクロポンプの低温側部材と接触するウォータジャケットをさらに含むことを特徴とする付記１４又は１５に記載の半導体装置。 The following notes are presented for the above explanation.
(Appendix 1)
A high temperature side member located on the heat source side;
A low temperature side member located on the heat dissipation side;
An intermediate layer located between the high temperature side member and the low temperature side member;
A chamber forming a part of a flow path between the intermediate layer and the low temperature side member;
With
The intermediate layer includes a diaphragm and displacement means (31, 32, 253) for displacing the diaphragm by heat absorption from the high temperature side member and heat radiation from the low temperature side member,
The diaphragm is displaced between a first position before displacement and a second position in contact with the low temperature side member due to the displacement, thereby allowing fluid to be taken into and out of the chamber. A micro pump.
(Appendix 2)
The displacement means has a first linear expansion coefficient and a first member located on the high temperature side member side, and a second linear expansion coefficient smaller than the first linear expansion coefficient and the high temperature The micropump according to appendix 1, wherein the micropump is a bimetal including a side member and a second member located on the opposite side.
(Appendix 3)
The micropump according to appendix 2, wherein the diaphragm is in contact with the high temperature side member at the first position.
(Appendix 4)
The micropump according to appendix 2, wherein the displacement means is a bimetal having a cantilever structure disposed between the diaphragm and the high temperature side member.
(Appendix 5)
The micropump according to claim 4, wherein the bimetal having the cantilever structure is bent by heat from the high temperature side member, and the diaphragm is displaced to the second position in contact with the low temperature side member. (Appendix 6)
The intermediate layer further includes a first valve located in a fluid introduction path for introducing the fluid into the chamber, and a second valve located in a fluid discharge path for discharging the fluid from the chamber, the diaphragm, the first The micropump according to any one of appendices 1 to 5, wherein the one valve and the second valve are integrally formed.
(Appendix 7)
The micropump according to any one of appendices 1 to 6, wherein at least one of the first member and the second member of the diaphragm is a semiconductor.
(Appendix 8)
The micropump according to any one of appendices 1 to 6, wherein at least one of the first member and the second member of the diaphragm is a metal.
(Appendix 9)
The micropump according to any one of appendices 1 to 6, wherein the first member of the diaphragm is Al, Cu, Se, Ni, or an alloy containing these.
(Appendix 10)
The micro pump according to any one of appendices 1 to 6, wherein the second member of the diaphragm is Si, Mo, W, Cr, Ni, or an alloy containing these.
(Appendix 11)
11. The micropump according to any one of appendices 1 to 10, wherein a surface of the bimetal is protected with a polymer film.
(Appendix 12)
The high temperature side member is in contact with the heat source and receives heat (21), and contact adjusting means for controlling the contact and non-contact with the displacement means by transmitting the heat received by the heat reception section to the displacement means The micropump according to appendix 1, characterized by comprising:
(Appendix 13)
The micropump according to appendix 1, wherein the low temperature side member has a channel through which a fluid passes, and performs heat exchange from the channel wall surface to the fluid.
(Appendix 14)
The micropump according to any one of appendices 1 to 6,
A semiconductor element in contact with the high temperature side member of the micropump;
A semiconductor device including a circulation system connected to the micropump to circulate the fluid.
(Appendix 15)
15. The semiconductor device according to appendix 14, further comprising a main pump connected to the circulation system.
(Appendix 16)
The semiconductor device according to appendix 14 or 15, further comprising a water jacket connected to the circulation system and in contact with a low temperature side member of the micropump.

任意の熱源を有する微細構造の循環チャネルに適用することができる。たとえば、微細な電子部品のための冷却システムに適用可能である。また、冷却システムを組み込んだ半導体装置に用いることができる。   It can be applied to microstructured circulation channels with any heat source. For example, the present invention can be applied to a cooling system for fine electronic components. Moreover, it can be used for a semiconductor device incorporating a cooling system.

１０、１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ、２００ マイクロポンプ
２０ 高温側部材
２１ 受熱部
２２ 伝熱部（接触調整手段）
２５、６１ シリコン基板
３０、２３０ 中間層
３１、２３１ バイメタルの第１部材（高ＣＴＥ部材）
３２、２３２ バイメタルの第２部材（低ＣＴＥ部材）
３３、２３３ ダイアフラム
３４ 流体導入路
３５、２３５ インバルブ
３６ 流体排出路
３７、２３７ アウトバルブ
３８ 保持部
４０ 低温側部材
４１ シリコン基板（第３基板）
５０ 第２基板
５１ 断熱材（永久レジスト）
５２ 断熱材（エポキシ接着剤）
６０ 第１基板
２５３ 変位手段 10, 110A, 110B, 110C, 200 Micro pump 20 High temperature side member 21 Heat receiving portion 22 Heat transfer portion (contact adjusting means)
25, 61 Silicon substrate 30, 230 Intermediate layer 31, 231 Bimetal first member (high CTE member)
32,232 Bimetallic second member (low CTE member)
33, 233 Diaphragm 34 Fluid introduction path 35, 235 In valve 36 Fluid discharge path 37, 237 Out valve 38 Holding part 40 Low temperature side member 41 Silicon substrate (third substrate)
50 Second substrate 51 Insulating material (permanent resist)
52 Thermal insulation (epoxy adhesive)
60 First substrate 253 Displacement means

Claims (7)

熱源側に位置する高温側部材と、
放熱側に位置する低温側部材と、
前記高温側部材と前記低温側部材の間に位置する中間層と、
前記中間層と前記低温側部材の間で流路の一部を形成するチャンバーと、
を備え、
前記中間層は、ダイアフラムと、前記高温側部材からの吸熱及び前記低温側部材からの放熱により前記ダイアフラムを変位させる変位手段と、を含み、
前記ダイアフラムは、変位前の第１位置と、前記変位により前記低温側部材と接する第２位置との間を変位することにより、前記チャンバー内への流体の取り込みと排出を行なわせることを特徴とするマイクロポンプ。 A high temperature side member located on the heat source side;
A low temperature side member located on the heat dissipation side;
An intermediate layer located between the high temperature side member and the low temperature side member;
A chamber forming a part of a flow path between the intermediate layer and the low temperature side member;
With
The intermediate layer includes a diaphragm, and displacement means for displacing the diaphragm by heat absorption from the high temperature side member and heat radiation from the low temperature side member,
The diaphragm is displaced between a first position before displacement and a second position in contact with the low temperature side member due to the displacement, thereby allowing fluid to be taken into and out of the chamber. A micro pump. 前記変位手段は、第１の線膨張係数を有して前記高温側部材側に位置する第１部材と、前記第１の線膨張係数よりも小さい第２の線膨張係数を有して前記高温側部材と反対側に位置する第２部材とを含む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。   The displacement means has a first linear expansion coefficient and a first member located on the high temperature side member side, and a second linear expansion coefficient smaller than the first linear expansion coefficient and the high temperature The micropump according to claim 1, wherein the micropump is a bimetal including a side member and a second member located on the opposite side. 前記ダイアフラムは、前記第１位置において前記高温側部材と接していることを特徴とする請求項２に記載のマイクロポンプ。   The micro pump according to claim 2, wherein the diaphragm is in contact with the high temperature side member at the first position. 前記変位手段は、前記ダイアフラムと前記高温側部材の間に配置される片持ち梁構造のバイメタルであることを特徴とする請求項２に記載のマイクロポンプ。   3. The micropump according to claim 2, wherein the displacement means is a bimetal having a cantilever structure disposed between the diaphragm and the high temperature side member. 前記中間層は、前記チャンバーに前記流体を導入する流体導入路に位置する第１バルブと、前記チャンバーから前記流体を排出する流体排出路に位置する第２バルブをさらに含み、前記ダイアフラム、前記第１バルブ、及び前記第２バルブは一体形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のマイクロポンプ。   The intermediate layer further includes a first valve located in a fluid introduction path for introducing the fluid into the chamber, and a second valve located in a fluid discharge path for discharging the fluid from the chamber, the diaphragm, the first 5. The micropump according to claim 1, wherein the first valve and the second valve are integrally formed. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のマイクロポンプと、
前記マイクロポンプの高温側部材に接触する半導体素子と、
前記マイクロポンプに接続されて前記流体を循環させる循環系と
を含む半導体装置。 The micropump according to any one of claims 1 to 5,
A semiconductor element in contact with the high temperature side member of the micropump;
A semiconductor device including a circulation system connected to the micropump to circulate the fluid. 前記循環系に接続される主ポンプをさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 6, further comprising a main pump connected to the circulation system.
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