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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-09-20
(54)【発明の名称】ガスポンプを動作させる装置及び方法
(51)【国際特許分類】
H10N 10/13 20230101AFI20240912BHJP
【ＦＩ】
H10N10/13
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024515569
(86)(22)【出願日】2022-09-09
(85)【翻訳文提出日】2024-04-22
(86)【国際出願番号】 US2022043069
(87)【国際公開番号】W WO2023039173
(87)【国際公開日】2023-03-16
(31)【優先権主張番号】63/242,042
(32)【優先日】2021-09-09
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】524090323
【氏名又は名称】トーラミックス インク
(74)【代理人】
【識別番号】100112737
【弁理士】
【氏名又は名称】藤田 考晴
(74)【代理人】
【識別番号】100136168
【弁理士】
【氏名又は名称】川上 美紀
(74)【代理人】
【識別番号】100196117
【弁理士】
【氏名又は名称】河合 利恵
(72)【発明者】
【氏名】セルゲイ エフ ギメルシーイン
(72)【発明者】
【氏名】ユージーン モスコヴェッツ
(72)【発明者】
【氏名】ピオトル エー ガーバス
(57)【要約】
ガス流、ガス圧縮及びガス希薄化を生成するナノガスポンプが開示される。ナノガスポンプは、数桁まで異なる圧力差を与え、数ミリトールから数気圧までの広範囲の圧力にわたって毎分数ナノリットルから数リットルまでのポンピング速度で動作する。ナノガスポンプは、可動部分を要さず、ガス流の方向に局所ガスの平均自由行程にわたって１００ミリケルビン超の急峻な温度勾配を用いてガス流を生成する。温度勾配は、導電相互接続部とともにＰＮＰ、ＮＰＮ、ＰＰ、ＮＮ熱電セグメントの構成を通じて生成され、仕事を行っているガスに対して大部分が制限される。ナノスケールの熱電ヒートポンプの効率を著しく低下させる接触抵抗が、熱電セグメント及び電気的接続部をオーバーラップさせることによって緩和される。幾つかの例示的実施形態が、線形（直線）及び非線形（曲折）ガス流路に基づいて記載される。種々の段構成も開示される。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ガスに急峻な温度勾配を発生させる装置であって、急峻な温度勾配をガスにインプリントする目的でガスと流通する第２の熱電材料と、
前記第２の熱電材料に対して相補的であり、該第２の熱電材料と直接接触し、ヒートシンク及び導電体と直接接触する第１の熱電材料と、
前記第２の熱電材料に対して相補的であり、該第２の熱電材料と直接接触し、ヒートシンク及び導電体と直接接触する第３の熱電材料であって、前記導電体は電流を前記第１の熱電材料から前記第３の熱電材料に供給するように構成された、第３の熱電材料と、
を備える装置。
【請求項2】
前記急峻な温度勾配は、平均自由行程当たり１００ｍＫより大きい、請求項１に記載の装置。
【請求項3】
前記第１の熱電材料及び前記第３の熱電材料はｐ型であり、前記第２の熱電材料はｎ型である、請求項１に記載の装置。
【請求項4】
前記第１の熱電材料及び前記第３の熱電材料はｎ型であり、前記第２の熱電材料はｐ型である、請求項１に記載の装置。
【請求項5】
前記第１の熱電材料及び前記第３の熱電材料は同型であり、前記第２の熱電材料が２５ｎｍよりも薄い導電体に置換された、請求項１に記載の装置。
【請求項6】
前記第１の熱電材料及び／又は前記第３の熱電材料は、電熱導体である、請求項１に記載の装置。
【請求項7】
前記第２の熱電材料が、前記第１の熱電材料及び前記第２の熱電材料並びに熱絶縁体のみに接続された、請求項１に記載の装置。
【請求項8】
前記第１の熱電材料及び前記第２の熱電材料並びに／又は前記第２の熱電材料及び前記第３の熱電材料が、導電体によって接続された、請求項１に記載の装置。
【請求項9】
前記熱電材料との接触が、接続の接触抵抗を低下させるようにオーバーラップする、請求項１に記載の装置。
【請求項10】
前記第１の熱電材料及び／又は前記第３の熱電材料は、導電体であり、共有ヒートシンクに接続されている、請求項１に記載の装置。
【請求項11】
前記ヒートシンクは、導電体である、請求項１に記載の装置。
【請求項12】
前記熱電材料は、コーティングを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項13】
前記急峻な温度勾配は、熱拡散を用いて該温度勾配の方向にガスをポンピングするのに使用される、請求項１に記載の装置。
【請求項14】
前記第２の熱電材料は、ガスの２つの分離した容積部の間に開口部を形成する、請求項１２に記載の装置。
【請求項15】
所望の流量又は圧縮比を与えるように所定の構成で並列及び／又は直列に流体接続された複数の請求項１に記載の装置をさらに備える請求項１２に記載の装置。
【請求項16】
ガスの急峻な温度勾配を隔離する方法であって、一次温度勾配を隣接するガスに第２の熱電材料でインプリントするステップと、
前記第２の熱電材料に対して相補的であり、該第２の熱電材料と直接接触し、ヒートシンク及び導電体と直接接触する第１の熱電材料を構成して、電流を供給して前記ヒートシンクから前記第２の熱電材料に温度勾配を発生させるステップと、
前記第２の熱電材料に対して相補的であり、該第２の熱電材料と直接接触し、ヒートシンク及び導電体と直接接触する第３の熱電材料を構成して、電流を供給して前記ヒートシンクから前記第２の熱電材料に温度勾配を発生させるステップと、
を備える方法。
【請求項17】
供給される前記電流が双方向のものであることにより、前記温度勾配の方向を変更する、請求項１６に記載の方法。
【請求項18】
供給される前記電流が連続的なものである、請求項１６に記載の方法。
【請求項19】
供給される前記電流がパルス状である、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、ガス流、ガス希薄化、ガス圧縮を与え、指定された圧力又は圧力差を維持することを目的としたマイクロポンプ並びにそれを使用及び製造する方法の分野に関する。
【背景技術】
【0002】
ガス流の動的制御は、広範な用途について望まれている。これは、ガスのフローが推進システム、ガス分析器及びマスフローコントローラにあるような直接的なメカニズム並びにマイクロポンプなどの空圧的に駆動されるシステム及びラボオンチップにあるような間接的なメカニズムである用途を含む。
【0003】
大規模なガス流の動的制御は確立された分野であり、主な技術はロータリーベーンポンプ、スクリューポンプ、スクロールポンプ、ターボファンポンプ、ターボ分子ポンプ、拡散ポンプ及びクライオポンプである。そのようなポンプは、推進、真空及びＨＶＡＣシステムの場合のように直接使用され、又は空圧工具、空圧アクチュエータ、マイクロフルイディクス、ナノフルイディクス及びマスフローコントローラなどにおいてガスが別個の容積部で圧縮若しくは希薄化され、その後にバルブを用いて導入される場合には間接的に使用される。
【0004】
毎分立方ナノメートルから立方センチメートルの範囲の小規模なガス流の動的制御は、立方ナノメートルから立方ミリメートルの範囲の体積において、医療分野、薬学分野及びマイクロ推進分野（例えば、電子制御される薬剤送達パッチ、ラボオンチップ及びマイクロドローン）によって要求される比較的新しい技術である。それは、ガス流の動的制御を可能とする種々のシステムの微細化を必要とし、小実装面積及び低価格で、低電力、高精度であることを要求する。このような課題は種々のコンセプト及び発明を通じて過去２０年間にわたって部分的に対処されているものの、効率及び適用性は大きく異なる。これらの発明の多くは、非特許文献１によって与えられる詳細な例に従うと、以下の４個のカテゴリに分けられ得る。
【0005】
第１のカテゴリのマイクロスケールガスポンプは、ベーン、スクロール、ルート、クロー、スクリュー、ダイアフラム、メンブレン又はピストンによって駆動される容積式ポンプのものである。動作の主な原理は、ダイアフラム、メンブレン又はピストンの連続的変位を通じた変位体積の圧縮及び膨張である。メンブレン動作の周波数及び振幅は、ポンプの性能を決定する。これらのポンプは、真空用途のために容積部を減圧し、分析のためにガスを注入し、流体の変位のために容積部を加圧し、又は機械システムの空圧制御を行うために直接使用されることが多い。このようなデバイスの初期のバージョンの１つが、特許文献１（Ｒｏｌａｎｄ Ｚｅｎｇｅｒｌｅ及びＡｘｅｌ Ｒｉｃｈｔｅｒ、「ｍｉｃｒｏ－ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄ，ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃａｌｌｙ ｄｒｉｖｅｎ ｄｉａｐｈｒａｇｍ ｍｉｃｒｏｐｕｍｐ」）によって記載されている。幾つか市販のマイクロ変位ポンプが、ＴＣＳ Ｍｉｃｒｏｐｕｍｐｓ Ｌｔｄ、Ｂｉｎａｃａ Ｐｕｍｐｓ、高砂電気工業及びその他などの種々の製造業者から入手可能である。
【0006】
第２のカテゴリのマイクロスケールガスポンプは、蒸気ジェット、拡散、分子抗力、再生抗力又はターボ分子などの動的ポンプのものである。それらの大型の類似物であるターボ分子ポンプと同様に、これらのポンプは、急速に移動する固体面との衝突の反復によってガス分子を駆動する。高速スピンローターがガス分子をポンプの入口から排気口に押し出すことで、圧力差を発生させ、このようなポンプは少なくとも一桁の圧力差を発生させることができ、ポンプ運転面積の平方センチメートル当たりの性能は１００ｍＬ／ｍｉｎを超え得る。ロータリーポンプは、精密な微細加工を用いることが必要なだけでなく、概ね半径の３乗に比例する性能低下のために、大幅な小型化が難しい。小型化ロータリーポンプの例は、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって開発されたものであり、直径２５ｍｍ、厚さ２．５ｍｍのプレートに押し込められた約２０００枚の羽根からなる。Ｗｅｉ Ｙａｎｇ及びＲｕｏｆｕ Ｘｉａｏは、それを非特許文献２においてより詳細に記載している。
【0007】
第３のカテゴリのマイクロスケールガスポンプは、クライオポンプ、ゲッター、スパッタイオン、オービトロンイオン及び他のイオン化ポンプなどの捕捉ポンプのものである。これらのポンプは、ガス分子をイオン化することによって、その後、電界を用いてイオンをそれらが捕捉される表面に向けて加速し、それによりイオンを排気容積部から除去することによって動作する。このようなマイクロポンプは、依然としてそれらの初期開発段階にある。例示は、非特許文献３及び非特許文献４を含む。
【0008】
第４のカテゴリのマイクロスケールガスポンプは、移動する構成要素を含まずかつ移動する補助流体又はガス種を含まない熱拡散ポンプである。そのメカニズムを、熱蒸散、分子蒸散及び熱クリープともいう。当初、この現象は、小さな孔及び長いチャネルを通じたガスの噴出に関連付けられ、非特許文献５によって、ガスの平均自由行程よりも小さな細孔径の多孔質材料によって接続された２つのチャンバ間のガスの移動として説明されていた。最近になって、蒸散は、熱拡散の観点で、すなわち、当該ガスにおける圧力差なしに温度差のみによって開始されるガスに対する熱的力の存在の観点で理解されるようにもなった。物理学者Ｊａｍｅｓ Ｃｌｅｒｋ Ｍａｘｗｅｌｌによって最初に理論的に説明され、物理学者Ｏｓｂｏｒｎｅ Ｒｅｙｎｏｌｄｓによって熱蒸散と当初呼ばれていた第２のメカニズムである熱クリープは、壁に沿う温度勾配によって開始されるガスの移動の現象であり、ガスは低温側から高温側に向かう方向にクリープを起こす。
【0009】
蒸散及び熱クリープ現象の発見は、クヌッセン圧縮機の理論的開発及び実用的実施をもたらした。クヌッセン圧縮機は、Ｍａｒｔｉｎ Ｋｎｕｄｓｅｎによって百年以上前に草案され、非特許文献６に記載されるデバイスである。Ｍａｒｔｉｎ Ｋｎｕｄｓｅｎは、段階式コンプレッサーを製造するために、キャピラリーの差動的加熱及び冷却を研究した。そして、さらに後に、これがＧ．Ｐｈａｍ－Ｖａｎ－Ｄｉｅｐ、Ｐ．Ｋｅｅｌｅｙ、Ｅ．Ｐ．Ｍｕｎｔｚ、Ｄ．Ｐ．Ｗｅａｖｅｒ（非特許文献７）によってマイクロスケールに応用された。Ｅ．Ｐ．Ｍｕｎｔｚは、複数段のカスケードを利用することによって大きな圧力変化を発生させることができる微小電気機械式分子蒸散クヌッセン圧縮機を概説した。各段は、キャピラリー及びコネクタ部分から構成される。キャピラリーにわたる温度上昇は、熱蒸散によって駆動される圧力上昇をもたらす。キャピラリー部分にコネクタ部分が続き、そこでは圧力は略一定となり、一方で温度はその段に入る当初の値に向かって低下する。製造の詳細は、特許文献２（Ｓ．Ｅ．Ｖａｒｇｏ、Ｅ．Ｐ．Ｍｕｎｔｚ及びＧ．Ｒ．Ｓｈｉｆｌｅｔｔ、「Ｔｈｅｒｍａｌ ｔｒａｎｓｐｉｒａｔｉｏｎ ｐｕｍｐ」）に記載されている。その後、ミシガン大学のＹ．Ｂ．Ｇｉａｎｃｈａｎｄａｎｉ及びＳ．Ｐ．ＭｃＮａｍａｒａによってそのコンセプトにいくつかの修正がなされ、それが特許文献３（「Ｐａｃｋａｇｅｄ ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ ｄｅｖｉｃｅ ｓｕｃｈ ａｓ ａ ｖａｃｕｕｍ ｍｉｃｒｏｐｕｍｐ，ｄｅｖｉｃｅ ｈａｖｉｎｇ ａ ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ ｓｅａｌｅｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ ａｎｄ ｄｅｖｉｃｅ ｈａｖｉｎｇ ａ ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ ｂｏｎｄｉｎｇ ｐａｄ」）に記載される。Ｙ．Ｂ．Ｇｉａｎｃｈａｎｄａｎｉ及びＮ．Ｇｕｐｔａはまた、特許文献４（「Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ ａ ｔｈｅｒｍａｌ ｔｒａｎｓｐｉｒａｔｉｏｎ ｇａｓ ｐｕｍｐ ｕｓｉｎｇ ａ ｎａｎｏｐｏｒｏｕｓ ｃｅｒａｍｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌ」）を開示した。後者の特許において、ゼオライトなどの多孔質セラミック材料で作製されてガス分子のフローを自由分子又は遷移流領域に制限するマイクロポンプが提案された。多段マイクロポンプの代替の設計が、Ｙ．Ｙ．Ｋｌｏｓｓ、Ｆ．Ｇ．Ｃｈｅｒｅｍｉｓｉｎ及びＤ．Ｖ．Ｍａｒｔｙｎｏｖによって提案され、特許文献５（「ｇａｓ ｍｉｃｒｏｐｕｍｐ」）に記載されている。Ｋｌｏｓｓ他の特許は、連続して接続された小径及び大径の少なくとも２つの交互の段の配管を有する連続筒状分離配管を含む構成を開示した。配管の一端は高温ゾーンを構成し、他端は低温ゾーンを構成する。このような配管では、大径の直線配管と小径のＵ字形状湾曲配管とが交互となる。熱蒸散マイクロポンプのための他の構成が、Ｒ．Ｂｅｒｎａｒｄ及びＨ．Ｋａｍｂａｒａによって特許文献６（「Ｐｕｍｐｉｎｇ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅｒｍａｌ ｔｒａｎｓｐｉｒａｔｉｏｎ ｍｉｃｒｏｐｕｍｐｓ」）において提案されている。ここで、各マイクロポンプは、小断面の入口チャネルに接続された入口及び出口チャネルに接続された出口を有する少なくとも１つのキャビティを構成する。それは、キャビティに隣接する入口チャネルの部分を加熱するためのヒータ要素も含み、複数のそのようなマイクロポンプが直列接続されている。他のマイクロ電気機械ポンプが、Ｊ．Ｗ．Ｌａｎｔｚ及びＨ．Ｌ．Ｓｔａｌｆｏｒｄによって特許文献７（「Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｕｍｐ ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ ｐｏｒｏｕｓ ｓｉｌｉｃｏｎ」）に記載されている。その設計は、入口チャンバと出口チャンバの間に挟まれた多孔質シリコン領域を含む。多孔質シリコン領域はシリコン基板内に形成され、入口チャンバと出口チャンバの間に延在する細孔を含み、各細孔はポンピングされているガスの概ね平均自由行程以下の断面寸法を有する。電力要件を軽減する微細加工されたポンプのコアとして混合セルロース－エステル膜を使用した他の機械加工された熱拡散ポンプが、ネバダ州ラスベガスでの２０１７ ＩＥＥＥ３０ｔｈ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ ＭＥＭＳにおいて、ミシガン大学のＱ．Ｃｈｅｎｇ、Ｙ．Ｑｉｎ及びＹ．Ｂ．Ｇｉａｎｃｈａｎｄａｎｉによって提示された（非特許文献８参照）。他のマイクロ熱拡散ポンプが提案及び実証されたが、２０２２年時点において市場に熱拡散ポンプはない。
【0010】
熱拡散ポンプを製品化することに対する２つの主な課題は、電力要件及び製造の複雑さである。２００９年において、Ｄ．Ｃｏｐｉｃ及びＳ．ＭｃＮａｍａｒａは、非特許文献９において、第一原理から、乾燥空気における熱拡散熱機関動作の最大効率を２８．３６％として導出した。しかし、Ｑ．Ｃｈｅｎｇ他によるミシガン大学の最新の研究によっては、２ワット（Ｗ）を用いる８８０パスカル（Ｐａ）の最大遮断圧力において、０．８２標準立方センチメートル（ｓｃｃｍ）の最大気流しか生成されなかった。遮断圧力は、ガス流量に対して線形であるので、最大効率は２Ｗにおいて０．４１ｓｃｃｍ及び４４０Ｐａであると求められる。
２Ｗにおいて、高温側温度は６５．７℃であり、低温側温度は４２．５℃であり、温度差は２３．２ケルビン（Ｋ）であり、それらの温度での最大カルノー熱機関効率は約６．８％である。
したがって、熱拡散熱機関の効率を動作温度における最大カルノー熱機関効率と比較する場合、我々は、熱拡散熱機関効率を、動作温度における最大カルノー熱機関効率の割合として比較できる。この場合、それは約０．００２％である。これは、熱電ヒートポンプを用いて温度勾配を発生させる場合に往復効率は広範囲の動作温度差に対して比較的平坦に留まるため、有用なメトリックであり、異なる温度勾配で動作する種々の熱拡散熱機関を比較する定量的メトリックを与える。
【数1】
【数2】
【0011】
第２の主な課題は、熱拡散マイクロポンプの生産の拡縮である。これは、市販のシステムの利用可能性及び商業的に実行可能なコストで精密なナノ構造を生成することができるプロセスに大きく起因する。主な原因は、市販されていない非標準の材料の使用である。シリコン系ナノ技術を開発するのに１兆ドル以上が費やされ、それは現在我々の生活に浸透している。新規の材料にはこのような贅沢なスケールはなく、したがって、魅力的かつ競争力のある価格のナノポンプを生成するには設備投資と研究開発へのより大きな投資が必要となる。例示的実施形態では、我々は、シリコンゲルマニウム及びシリコン系熱電材料を用いてこの課題に対処する。なお、熱電材料の例示的選択はナノガスポンプを製造する熱電材料の選択を制限するものではないことが理解されるべきである。
【0012】
したがって、まとめると、小容積部での動的な圧力制御は広範な用途での活発な研究分野であり、最も有望な技術の１つは熱拡散ガスポンプであり、それはこれまで効率の低さ及び製造の複雑さによって制限されてきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0013】
【特許文献1】米国特許第５５２９４６５号明細書
【特許文献2】米国特許第６５３３５５４号明細書
【特許文献3】米国特許第７３６７７８１号明細書
【特許文献4】米国特許第８２３５６７５号明細書
【特許文献5】米国特許第９６９５８０７号明細書
【特許文献6】米国特許第７５７２１１０号明細書
【特許文献7】米国特許第７９８０８２８号明細書
【非特許文献】
【0014】
【非特許文献1】Ｅ．Ｐｈｉｌｉｐ Ｍｕｎｔｚ及びＳｔｅｐｈｅｎ Ｅ．Ｖａｒｇｏ、ｔｈｅ ｃｈａｐｔｅｒ ｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃａｌｅ Ｇａｓ Ｐｕｍｐｓ、Ｔｈｅ ＭＥＭｓ Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｂｙ ＣＲＣ、２００２、ｈｔｔｐｓ：／／ｗｏｒｌｄｃａｔ．ｏｒｇ／ｔｉｔｌｅ／９２５７４２９６２
【非特許文献2】Ｗｅｉ Ｙａｎｇ及びＲｕｏｆｕ Ｘｉａｏ「Ｍｕｌｔｉ－ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ ｐｕｍｐ－ｔｕｒｂｉｎｅ ｉｍｐｅｌｌｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｎ ｉｎｖｅｒｓｅ ｄｅｓｉｇｎ ｕｓｉｎｇ ａ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｓｔｒａｔｅｇｙ」、ｔｈｅ ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｆｌｕｉｄｓ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、２０１４、ｈｔｔｐｓ：／／ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１１１５／１．４０２５４５４
【非特許文献3】Ｄ．Ｊａｎｇ、「Ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ－ｂａｓｅｄ ｆｉｅｌｄ ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｖａｃｕｕｍ」、Ｍ．Ｅｎｇ Ｔｈｅｓｉｓ、ＭＩＴ、２０１２、ｈｔｔｐ：／／ｈｄｌ．ｈａｎｄｌｅ．ｎｅｔ／１７２１．１／７７０２２
【非特許文献4】Ｖ．Ｊａｙａｎｔｙ、「Ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄ ｅｌｅｃｔｒｏｎ－ｉｍｐａｃｔ－ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｐｕｍｐｓ ｕｓｉｎｇ ｄｏｕｂｌｅ－ｇａｔｅｄ ｉｓｏｌａｔｅｄ ｖｅｒｔｉｃａｌｌｙ ａｌｉｇｎｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ａｒｒａｙｓ」、Ｍ．Ｓ．Ｔｈｅｓｉｓ、ＭＩＴ、２０１２、ｈｔｔｐ：／／ｈｄｌ．ｈａｎｄｌｅ．ｎｅｔ／１７２１．１／７５６５９
【非特許文献5】Ｅ．Ｈ．Ｋｅｎｎａｒｄ、Ｋｉｎｅｔｉｃ Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ Ｇａｓｅｓ、ＭｃＧｒａｗ Ｈｉｌｌ、１９３８、ｈｔｔｐｓ：／／ｗｏｒｌｄｃａｔ．ｏｒｇ／ｅｎ／ｔｉｔｌｅ／５３７１９７
【非特許文献6】Ｍａｒｔｉｎ Ｋｎｕｄｓｅｎ、「Ｅｉｎｅ Ｒｅｖｉｓｉｏｎ ｄｅｒ Ｇｌｅｉｃｈｇｅｗｉｃｈｔｓｂｅｄｉｎｇｕｎｇ ｄｅｒ Ｇａｓｅ Ｔｈｅｒｍｉｓｃｈｅ Ｍｏｌｅｋｕｌａｒｓｔｒｏｍｕｎｇｕｎｄ（ｏにウムラウト）」、１９１０、ｔｈｅ ａｎｎａｌｅｎ ｄｅｒ ｐｈｙｓｉｃｋ、ｈｔｔｐｓ：／／ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１００２／ａｎｄｐ．１９０９３３６０１１０
【非特許文献7】Ｇ．Ｐｈａｍ－Ｖａｎ－Ｄｉｅｐ、Ｐ．Ｋｅｅｌｅｙ、Ｅ．Ｐ．Ｍｕｎｔｚ、Ｄ．Ｐ．Ｗｅａｖｅｒ、「Ａ Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｋｎｕｄｓｅｎ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ」、Ｒａｒｅｆｉｅｄ Ｇａｓ Ｄｙｎａｍｉｃｓ、１９９５ ｂｙ Ｏｘｆｏｒｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ、ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｗｏｒｌｄｃａｔ．ｏｒｇ／ｔｉｔｌｅ／６０２８１６２３
【非特許文献8】Ｑ．Ｃｈｅｎｇ、Ｙ．Ｑｉｎ及びＹ．Ｂ．Ｇｉａｎｃｈａｎｄａｎｉ、「Ａ ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｋｎｕｄｓｅｎ ｐｕｍｐ ｗｉｔｈ ｓｕｐｅｒｉｏｒ ｔｈｅｒｍａｌ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ｍｉｃｒｏ－ｇａｓ ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」、ｈｔｔｐｓ：／／ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１１０９／ＭＥＭＳＹＳ．２０１７．７８６３３６７
【非特許文献9】Ｄ．Ｃｏｐｉｃ及びＳ．ＭｃＮａｍａｒａ、「Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｄｅｒｉｖａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｋｎｕｄｓｅｎ ｐｕｍｐ ｗｉｔｈ ａｎｄ ｗｉｔｈｏｕｔ ｔｈｅｒｍａｌ ｌｏｓｓｅｓ」、ＪＶＳＴ ２００８、ｈｔｔｐｓ：／／ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１１１６／１．３１１４４４４
【発明の概要】
【0015】
ここに開示される例示的実施形態は、上述した従来提案された熱拡散熱機関設計の低い効率及び量産の課題を改善し得る。これらの設計の主な障壁は、加熱チャンバと非加熱チャンバを接続するガス通路のための狭いチューブ又はチャネルを含むことである。そのようなチャネルは、チャンバを分離する多孔質材料において、微細加工されたものであっても又は本来的に存在するものであっても、圧力差をもたらしつつも、大きく質量流量を低減させるとともに製造の複雑さを増長してしまう。
【0016】
本開示の少なくとも１つの例示的実施形態を詳細に説明する前に、本開示は、本出願において、以降の説明に記載され又は図面に示される構成要素の構成の詳細及びその配置に限定されないことが理解されるべきである。本発明は、他の実施形態とすることもでき、種々の態様で実施及び実行可能である。また、ここで採用される表現及び用語は説明を目的とするものであり、限定とみなされるべきではないことが理解されるべきである。
【0017】
開示される技術の例示的実施形態の主な課題は、従来技術のデバイスの欠点を克服するガス流及びガス圧縮性能に供するために、熱拡散熱機関に統合される熱電ヒートポンプの効果的な設計である。一態様は、長く狭いコネクタチューブを熱電材料に置換することであり、その熱電材料は、仕事をしていない熱機関の部分における温度勾配によってもたらされる損失を最小化するとともに、構造的及び製造性の目的のために臨界的であっても熱損失を大幅に増加させるポンピングチャネルの側壁に必要な材料を減少させつつ、所望のガス流の概ねの方向に熱勾配を発生させるものである。
【0018】
ガス流及びガス圧縮を発生させる方法及び装置の例示的実施形態が、ここに開示される。例示的実施形態では、装置は、少なくとも２つの容積部と、ガスを流通させるための、容積部を分離する面における少なくとも１つの開口部と、２つの容積部の間の少なくとも１つの熱電セグメント及びその熱電セグメントに通信可能に接続されかつ電流を供給するように構成されたデバイスと、を備える。熱電素子に供給される電流は、２つの容積部を接続する開口部にわたって熱勾配を確立する。そして熱勾配は、温度勾配の概ねの方向に沿って一方の容積部から開口部を通じて次の容積部へのガスのフローをもたらす。熱電素子は、局所ガスの平均自由行程当たり少なくとも１００ミリケルビン（ｍＫ）の熱勾配を与えるように構成される。装置の最も実用的な実施形態の共通の特徴は、２つの容積部の間の開口部の長さが１００局所平均自由行程未満であることであり、距離を短くすることで、製造の複雑さ並びに電気的接触抵抗などの寄生特性及び近接場放射に対する感度を犠牲にして流量が高まる。理想的には、開口部の２つの高温端と低温端の間の目標距離は、性能要件に基づいて最適化される。「Ｑｕａｋｅバルブ」での場合など、直径１ｍｍのバルブを空圧的に駆動して標準温度及び圧力環境において流体のフローを制限又は許容するナノガスポンプの例示的実施形態では、開口部の長さは５ミクロン（μｍ）未満、側壁は５０ナノメートル（ｎｍ）未満、直径は１μｍ未満である。
【0019】
熱電又はペルチェ素子の動作は、ここではゼーベック効果の逆転現象に基づく。ゼーベック効果では、異なるゼーベック係数の２つの材料を接続する接合部を通じて流れる電流が、接合部における電流に比例するフォノンを放出又は吸収して当該２つの材料の化学ポテンシャルの差を均衡させる。したがって、ポンピングされる周囲ガスにおいて化学的に安定な異なる化学ポテンシャルの導電性又は半導電性材料の多数の対が、本開示に係る熱電素子を構築するのに使用され得る。ナノガスポンプを規模縮小する場合、電気的接触抵抗が、非効率性の主な原因の１つとなる。したがって、材料対の熱電効率が他の材料選択肢よりも低い場合であっても、ナノスケールにおいて電気的接触抵抗を最小化するように開発された材料及びプロセスが有利である。量産のために最適化された材料対の例は、ｐ型シリコン、ｎ型シリコン及びｐ型シリコンゲルマニウム、ｎ型シリコンゲルマニウムを含む。
【0020】
他の実施形態では、装置は流体接続された一連の容積部を含み、開口部が隣接チャンバ間のガスのための通路として作用する。ここに開示するさらに他の実施形態では、並列に動作する連続体のアレイが記載される。本開示の他の課題及び有利な効果が読者に明らかとなり、これらの課題及び有利な効果は本開示の範囲内であるものとする。
【図面の簡単な説明】
【0021】
【図3A】図３Ａは、熱電素子の相補的なｐ型－ｎ型－ｐ型又はｎ型－ｐ型－ｎ型の構成を用いてガス流及び／又はガス圧力差を発生させるようにガスに温度勾配を発生させる装置の最適化された例示的部分の断面図を示す。
【図3B】図３Ｂは、熱電素子の相補的なｐ型－ｎ型－ｐ型又はｎ型－ｐ型－ｎ型の構成を用いてガス流及び／又はガス圧力差を発生させるようにガスに温度勾配を発生させる装置の最適化された例示的部分の上面図を示す。
【図3C】図３Ｃは、熱電素子の相補的なｐ型－ｎ型－ｐ型又はｎ型－ｐ型－ｎ型の構成を用いてガス流及び／又はガス圧力差を発生させるようにガスに温度勾配を発生させる装置の最適化された例示的部分の上面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【0022】
本方法、装置及びシステムを例示的実施形態としてここに説明する。後続の特許請求の範囲によって規定される本発明は、その例示的実施形態に限定されない。本開示の１以上の例示的実施形態の詳細を添付図面及び以下の説明において説明する。他の特徴、課題及び有利な効果は、その説明及び図面並びに特許請求の範囲から明らかとなる。
【0023】
ガスを移動させ、圧力を制御し、力を生成し、質量によって分子を分離する目的のために過渡的な自由分子領域においてガスに温度勾配を発生させる目的のために可動部品のない装置が、ここに開示される。ガス流を発生させ、密閉容積部におけるガスを圧縮し、部分的に排気し、マイクロ流体システムにおけるように機械的動作に空圧的に影響を与え、飛行体を移動させる力を発生させるための例示的実施形態が、さらに開示される。
【0024】
熱拡散、熱蒸散、熱クリープ及び放射力を含むこの現象の種々の態様を説明するのに、様々な用語が使用されてきた。混乱を避けるために、我々は、これらの現象を熱拡散というものとする。歴史的背景について、温度勾配の存在下での狭いチャネルにおけるガスの移動を実証するのにクヌッセンポンプが用いられてきた。適切な長さ規模における温度勾配の存在下でベーンにかかる力を実証するためにクルックス放射計が用いられてきた。熱拡散は、ウラン２３５を分離するのに使用される当初の方法の１つであった。今日でも、それは、研究目的のために希ガスの同位体及び他の軽い同位体を分離するための実用的なプロセスである。
【0025】
温度勾配は、熱電材料の新規な構成を用いて第１の容積部［１０５］を第２の容積部［１０６］から分離するメンブレン［１００］の容積部において生成される。この温度勾配は、局所ガスの平均自由行程当たり少なくとも１００ミリケルビン（ｍＫ）である。これは、ガス分子の熱拡散を通じて低温側から高温側にフローを誘発させる。効率目的のために圧力生成領域で動作する場合、メンブレン［１００］における開口部の径、及び第１の容積部［１０５］を第２の容積部［１０６］から分離するメンブレン［１００］の厚さは、メンブレン内部の及びガスのフローに垂直な温度勾配が最小化されることを保証するように最適化され得る。コスト、製造時間、複雑さ及び熱電ヒートポンプ効率を含む製造の複雑さなどの実用上のトレードオフが、適用要件に基づいて最適化され得る。
【0026】
例示的実施形態では、広範囲の性能が達成可能である。充分な適正に構成された直列段があれば、密閉容積部におけるガスを数ミリトールまで排気し、又は複数の気圧に加圧することができる。充分な並列段があれば、ガス流量を毎分数ナノリットルから毎分数リットルの範囲とすることができる。直線フロー、曲折フロー及びそれらの組合せを含む幾つかの多段設計が可能である。
【0027】
ここに記載される例示的実施形態は、熱拡散に基づく現在のポンプ技術での本来的問題、特に、現在の技術で達成可能な質量流量及び圧力差に対する実用上の限界をさらにもたらす大型で低効率という問題を軽減することを目的とする。主な障壁は、長く狭いチャネルの使用を必要とする製造及び材料の制約であり、そのようなチャネルは質量流量又はヒートポンプの構造的安定性に必要な厚い熱電側壁［２０３］、［２０６］を大きく減少させ、それは熱損失を増加させて効率の低下をもたらす。
【0028】
ここに記載される例示的実施形態は、そのような障壁を新規な相補型熱電材料の使用を通じて回避する。その相補型熱電材料は、構造的安定性を維持しつつ、第１の容積部［１０５］と第２の容積部［１０６］とを分離するメンブレン［１００］における開口部において非常に薄い熱電性又は導電性の側壁の使用を可能とする。これにより、シリコンゲルマニウムなどの材料における低い接触抵抗をもたらす市販の材料及びプロセスの使用が可能となる。
【0029】
おそらく、熱電ヒートポンプ［図２Ａ］の高温面（Ｔｈｏｔ）と低温面（Ｔｃｏｌｄ）の間の距離（ｈ）を減少させる際の過小評価されている課題の１つは、接触抵抗（Ｒｃ）の課題である。最大温度降下（ＶＭＡＸ）における熱電素子［２０３、２０６］の電圧は、ゼーベック電圧（α）と高温面温度（Ｔｈｏｔ）の積であり、したがって、同じ材料を用いる場合の理想的な熱電ヒートポンプにおける同じ冷却性能（Ｑｃ）及び加熱性能（Ｑｈ）に対する電流（Ｉ）は、同じとなり得る。
熱電素子の高温端（Ｔｈｏｔ）と低温端（Ｔｃｏｌｄ）の間の距離（ｈ）を減少させると、抵抗値（Ｒ）が同じ率で減少し、したがって、同じ電圧を得るのに必要な電流（Ｉ）が反比例して増加する。ここで、冷却（Ｑｃ）及び加熱（Ｑｈ）に対する同じ熱伝達性能に対して、熱電素子の面積（Ａ）は同じ率で減少する。結果は、熱電素子の高さ（ｈ）にかかわらず、同じ冷却（Ｑｃ）性能及び加熱（Ｑｈ）性能において同じ電流（Ｉ）となる。接触抵抗率（ｒｃ）は抵抗値×面積の単位（Ω・ｃｍ２）であるので、熱電素子の厚さ（ｈ）を業界標準の１ｍｍから１０００分の１の１μｍに減少させ、対応する面積（Ａ）を同じ率で減少させることは、同じ率での接触抵抗（Ｒｃ）による更なる損失をもたらし、これは熱電ヒートポンプの効率を大きく低減し得る。したがって、いずれかの例示的実施形態を実施するために低減する場合、それは、内在的な接触抵抗率（ｒｃ）を最小化させ、接触面積（Ａｃ）を増加させることが必要となり得る。例示的実施形態は、接触面積（Ａｃ）を増加させることによって接触抵抗を低下させるための幾つかのメカニズムを教示する。内在的な接触抵抗率（ｒｃ）を低下させる方法は、半導体接触抵抗率を低下させる当業者には既に周知である。接触抵抗の適正な管理によって、高温面と低温面の間の距離を減少させることがさらに可能となり、これにより、熱勾配が増加し、ナノガスポンプの質量流量性能が増加する。
【数3】
【0030】
理想的には、温度勾配は、仕事をしているガスに対して隔離される。しかし、理想的な幾何形状の製造の複雑さ、経済性及び他の要因は、トレードオフを必要とすることが多い。異なる温度に保持され及び／又は電流に垂直な余剰面積の熱電素子によって駆動される大きなプレートは、以下に記載されるものなどの熱電ヒートポンプを使用できる他の熱拡散ガスポンプの場合のように、開示したような態様で実施するために縮小される場合に不要な加熱及び冷却をもたらしてしまう。
・米国特許第９８４５７９６号、Ｊａｓｏｎ Ｓａｎｃｈｅｚ，Ｐｉｏｔｒ Ｇａｒｂｕｚ及びＡｎｄｒｅｗ Ｚｏｎｅｎｂｅｒｇ、「Ｎａｎｏｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｔｈｒｕｓｔｅｒ」
・米国特許第９２４３６２４号、Ｓｈａｍｕｓ ＭｃＮａｍａｒａ及びＫｕｎａｌ Ｐｈａｒａｓ、「Ｔｈｅｒｍａｌｌｙ ｄｒｉｖｅｎ Ｋｎｕｄｓｅｎ ｐｕｍｐ」
・米国特許出願第１１／３０２８１８号、 Ｃ．Ｈ．Ｈｏ，Ｓ．Ｙ．Ｃｈｅｎ，Ｈ．Ｈ Ｈｓｕ，Ｊ．Ｔ．Ｙａｎｇ及びＣ．Ｃｈｅｎ、「Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｐｌａｔｅ ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅｒｍａｌ ｔｒａｎｓｐｉｒａｔｉｏｎ ｍｉｃｒｏｐｕｍｐ」
・米国特許第７５７２１１０号、Ｒｏｌａｎｄ Ｂｅｒｎａｒｄ及びＨｉｓａｎｏｒｉ Ｋａｍｂａｒａ、「Ｐｕｍｐｉｎｇ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅｒｍａｌ ｔｒａｎｓｐｉｒａｔｉｏｎ ｍｉｃｒｏｐｕｍｐｓ」
・米国特許出願第１１／０６８４７０号、Ｍａｒｃｏ Ｓｃａｎｄｕｒｒａ、「Ｒａｄｉｏｍｅｔｒｉｃ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ」
・米国特許第９８４５７９６号、Ｊａｓｏｎ Ｓａｎｃｈｅｚ，Ｐｉｏｔｒ Ｇａｒｂｕｚ及びＡｎｄｒｅｗ Ｚｏｎｅｎｂｅｒｇ、「Ｎａｎｏｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｔｈｒｕｓｔｅｒ」
・米国特許第９２４３６２４号、Ｓｈａｍｕｓ ＭｃＮａｍａｒａ及びＫｕｎａｌ Ｐｈａｒａｓ、「Ｔｈｅｒｍａｌｌｙ ｄｒｉｖｅｎ Ｋｎｕｄｓｅｎ ｐｕｍｐ」
・米国特許出願第１１／３０２８１８号、 Ｃ．Ｈ．Ｈｏ，Ｓ．Ｙ．Ｃｈｅｎ，Ｈ．Ｈ Ｈｓｕ，Ｊ．Ｔ．Ｙａｎｇ及びＣ．Ｃｈｅｎ、「Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｐｌａｔｅ ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅｒｍａｌ ｔｒａｎｓｐｉｒａｔｉｏｎ ｍｉｃｒｏｐｕｍｐ」
・米国特許第７５７２１１０号、Ｒｏｌａｎｄ Ｂｅｒｎａｒｄ及びＨｉｓａｎｏｒｉ Ｋａｍｂａｒａ、「Ｐｕｍｐｉｎｇ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅｒｍａｌ ｔｒａｎｓｐｉｒａｔｉｏｎ ｍｉｃｒｏｐｕｍｐｓ」
・米国特許出願第１１／０６８４７０号、Ｍａｒｃｏ Ｓｃａｎｄｕｒｒａ、「Ｒａｄｉｏｍｅｔｒｉｃ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ」
【0031】
ガスが流通する開口部に近接するプレートのエッジのみが、異なる温度に保持されるべきである。なお、用語「隣接する」及び「近接する」は以降にも使用されるが、熱電素子は必ずしも周囲ガスに曝露される必要はなく、好ましくは、酸化シリコン、酸化ハフニウム、パリレン又は同等物などの低い熱伝導率を有する保護材料の薄いコーティングを有することで、ポンピングされるガスでの反応性成分によって引き起こされる腐食から保護し、露出した導電体を電気的に隔離することによって迷走電流を低減してもよい。例示的実施形態は、新規な相補型構成の熱電材料を用いてガスの無用な加熱及び冷却をどのように最小化するのかを教示する。
【0032】
［動作の原理］
ガスは、ガスに作用する力が大きなスケールで作用する場合には流体のように挙動する。ガスに作用する力がガスの平均自由行程のオーダーのスケールで作用する場合、ガスはもはや流体として微視的レベルでは扱われるべきではなく、固有の挙動を示す個々の粒子として微視的レベルで扱われるべきである。ガスの平均自由行程（λ）は、（ｎ）を数密度、（ｄ）を分子径として、剛体球モデルを用いて近似され得る。ガスの数密度（ｎ）は、周囲圧力（Ｐ）に対するボルツマン定数（ｋＢ）×周囲温度（Ｔ）の比として計算可能である。
ガスは、ガスに作用する力が大きなスケールで作用する場合には流体のように挙動する。ガスに作用する力がガスの平均自由行程のオーダーのスケールで作用する場合、ガスはもはや流体として微視的レベルでは扱われるべきではなく、固有の挙動を示す個々の粒子として微視的レベルで扱われるべきである。ガスの平均自由行程（λ）は、（ｎ）を数密度、（ｄ）を分子径として、剛体球モデルを用いて近似され得る。ガスの数密度（ｎ）は、周囲圧力（Ｐ）に対するボルツマン定数（ｋＢ）×周囲温度（Ｔ）の比として計算可能である。
【数4】
【0033】
標準大気条件では、分子平均自由行程は約６７ｎｍであり、数ミクロン未満の特徴的スケールのフローはいずれも微視的レベルにおいて扱われる必要がある。これらのスケールにおいて出現する最も有用な挙動の１つは、図１Ａに示すように、２つの容積部が異なる温度で保持される場合の圧力の差である。ここで、我々は、高温容積部（１０５）と低温容積部（１０６）とを分離するメンブレン（１００）を有する。高温壁（１０３）は高温容積部（１０５）を密閉し、低温壁（１０４）は低温容積部（１０６）を密閉する。メンブレン（１００）は、高温面（１０１）及び低温面（１０２）をさらに有する。
【0034】
高温面から低温面への分子流束（φｈ）が低温面から高温面への分子流束（φｃ）に等しい場合に平衡が達成される。なお、（Ａα）はメンブレン（１００）における開口部の総面積である。バルク速度の不存在下での分子流束（φ）は、数密度（ｎ）とガスの平均熱速度
の積に比例する。ガスの平均熱速度
は、温度（Ｔ）と分子の分子質量（ｍ）との比の平方根に比例する。
【数5】
【数6】
【数7】
【0035】
古典的には、平衡の過程において、ガスは隣接ガス領域間の圧力差を減少させる傾向にあるが、平均自由行程（λ）にわたる温度差の存在下では、圧力差はゼロとはならない。これは、数密度（ｎ）は（Ｔ）に比例するが、速度は（Ｔ）の平方根に比例するためである。したがって、高温容積部（１０５）と低温容積部（１０６）とが異なる温度で保持される場合には、高温容積部の圧力（Ｐｈ）と低温容積部の圧力（Ｐｃ）との最大比は、高温容積部の温度（Ｔｈ）と低温容積部の温度（Ｔｃ）との比の平方根に比例することになる。重要な注記として、メンブレン（１００）は、メンブレンの高温面（１０１）を通過する粒子が高温面の温度（Ｔｈ）で通過し、メンブレンの低温面（１０２）を通過する粒子が低温面の温度（Ｔｃ）で通過するような理想的なメンブレンである。
【数8】
【0036】
第１の容積部（１０９）及び第２の容積部（１１０）が密閉されていない場合には（図１Ｂ）、圧力勾配は最大には到達せず、メンブレンの低温面（１０２）からメンブレンの高温面（１０１）へのフローが存在することになる。熱拡散による流量は、概ね高温面（１０１）と低温面（１０２）の間の確立された圧力差及び平均自由行程（λ）にわたる温度差の関数となる。
【0037】
この現象は、Ｘ．Ｗａｎｇ，Ｔ．Ｓｕ，Ｗ．Ｚｈａｎｇ，Ｚ．Ｚｈａｎｇ及びＳ．Ｚｈａｎｇ、「Ｋｎｕｄｓｅｎ ｐｕｍｐｓ：ａ ｒｅｖｉｅｗ」、２０２０年、Ｎａｔｕｒｅ，ｈｔｔｐｓ：／／ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１０３８／ｓ４１３７８－０２０－０１３５－５、並びにＡ．Ｋｅｔｓｄｅｖｅｒ，Ｎ．Ｇｉｍｅｌｓｈｅｉｎ，Ｓ．Ｇｉｍｅｌｓｈｅｉｎ及びＮ．Ｓｅｌｄｅｎ、「Ｒａｄｉｏｍｅｔｒｉｃ Ｐｈｅｎｏｍｅｎａ：Ｆｒｏｍ ｔｈｅ １９ｔｈ ｔｏ ｔｈｅ ２１ｓｔ Ｃｅｎｔｕｒｙ」、２０１２年、Ｖａｃｕｕｍ，ｈｔｔｐｓ：／／ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１０１６／ｊ．ｖａｃｕｕｍ．２０１２．０２．００６に詳細に説明されている。
【0038】
短い距離にわたって大きな温度勾配を効率的に確立及び維持するには、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、熱電ヒートポンプの適用が必要となる。この例示的実施形態では、基板（２００）が環境と流通し、余剰の熱を熱電ヒートポンプから抽出するヒートシンクとして作用する。ヒートポンプは、ｐ型熱電素子（２０３）及びｎ型熱電素子（２０６）からなる。第１の相互接続部（２０１）、第２の相互接続部（２０２）及び第３の相互接続部（２１０）は２つの熱電素子（２０３、２０６）及び電源（２５０）を有する回路を形成し、電源（２５０）はマイクロコントローラ（２５１）を含んでいてもよく、民生用、医療用、及び産業用電子機器を設計する当業者には周知のソフトウェア、暗号化、ストレージ、メモリ、有線又は無線ネットワーク接続、センサ、スイッチ、ソフトウェア、電源、バッテリ、ヒューマンマシンインターフェース、パッケージ及び他の構成要素を含み得る。以下において、電源（２５０）及び関連する任意選択的な構成要素（２５１）を電源という。
【0039】
電源（２５０）が第１の相互接続部（２０１）に適宜の正電圧を印加し、第３の相互接続部（２１０）を通じて回路を閉じると、熱がｐ型熱電素子の下部（２０５）からｐ型熱電素子の上部（２０４）にポンピングし始める。この熱フローの方向は、ｎ型熱電素子（２０６）については反転される。これにより、基板（２００）の温度が低下し、第２の相互接続部（２０２）の温度が上昇する。これにより、開口部の下部（２０８）から開口部の上部（２０７）へのガスのフローが生じる。電流が反転されると、熱は第２の相互接続部（２０２）から基板（２００）にポンピングされ、ガスのフローを反転させ、それにより、ガスは開口部の下部（２０８）から開口部の上部（２０７）に流れている。交互のｐ型熱電素子（２０３）及びｎ型熱電素子（２０６）を用いると、熱を基板（２００）にポンピングする場合よりも熱を基板（２００）からポンピングする場合の方が大きな温度差を形成することになる。基板（２００）と第２の相互接続部（２０２）の間に温度差がある場合、熱はｐ型熱電素子（２０３）、ｎ型熱電素子（２０６）及び基板（２００）を第２の相互接続部（２０２）から分離する絶縁体（２０９）を通じて、自然に低温側から高温側に流れる。したがって、低い熱伝導率の材料が選択されるべきであり、その材料はパリレン、ポリイミド及びその他などのポリマー、酸化シリコン、酸化ハフニウム及びその他などの酸化物、エアロゲル、空気、真空並びに他の低い熱伝導性の材料並びに／又はそれらの組合せを含み得る。
【0040】
熱電ヒートポンプの効率は、熱電材料（２０３、２０６）の性能指数（ＺＴ）によって制限される。性能指数（ＺＴ）は、熱電材料の温度（Ｔ）、ゼーベック係数（α）、電気抵抗率（ρ）及び熱伝導率（κ）の関数である。熱電材料は、テルル化ビスマス、テルル化アンチモン、シリコンゲルマニウム、シリコン、ビスマスマグネシウム、グラフェン、ナノチューブ、及び室温時の性能の係数（ＺＴ）が０．０１以上の他の熱電材料から作製可能である。この性能指数（ＺＴ）は、理想カルノーヒートポンプの性能係数（ＣＯＰＭＡＸ．Ｈｅａｔｉｎｇ）の効率比率（εＣａｒｎｏｔ．ＨＰ）によっても概ね表現され得る。
【数9】
【0041】
テルル化ビスマスタイプの材料について、性能指数が約１であり、高温面（２０４）が２５℃、低温面（２０５）が２０℃であれば、最大性能係数（ＣＯＰＭＡＸ．ＴＥ）は約１４となる。これにより、抵抗性ヒータよりも高い効率及び大きな設計自由度のナノガスポンプが提供可能となる。適正な設計は、熱電ヒートポンプの性能を要求ガス熱流束に一致させ、効率を最大化しつつ所望の性能を達成するように基板のコスト、製造性及び最大温度に対する適宜のトレードオフを行うことを含む。適宜の電圧とは、熱電ヒートポンプが設計される電圧範囲、及び要求性能を達成するのに必要な電圧のことをいう。またさらに、熱電ヒートポンプの適正な設計及び動作は、熱電ヒートポンプ及び半導体製造の当業者には周知である。
【0042】
図２Ａ及び図２Ｂに示すような熱電ヒートポンプの例示的実施形態では、幾つかの大きな課題が生じる。これらは、熱電ヒートポンプによって生成される基板（２００）を通じた余剰の熱の抽出を含む。この余剰な熱は、電気的相互接続部、熱電材料及び電気的接触抵抗を通じた抵抗性損失によって生成される。基板が除去できる余剰な熱の量は、その厚さ及びその熱特性に応じる。ナノガスポンプの性能は高温面と低温面の間の距離の短さに応じるので、基板が厚くなると、同じ温度勾配に対する流速及び／又は効率は低下する。基板はそのような損失を低減するように製造可能であり、それは製造のコスト及び複雑さを増大させる。次に、ｐ型熱電セグメント（２０３）及びｎ型熱電セグメント（２０６）の側壁の厚さは、重要な構造的支持を電気的な第２の相互接続部（２０２）に与える。通常、ナノガスポンプに対して完全に整合された熱電ヒートポンプの理想的な側壁の厚さは、０．５～２０ｎｍであり、開口部について選択される動作圧及び幾何形状に応じて１００ｎｍともなることもある。これにより、第２の相互接続部（２０２）の構造的安定性が低下し、上部（２０４）及び下部（２０５）の界面における接触抵抗が増加する。次に、耐障害性電気分布の存在下であっても、熱電側壁の損傷は、高圧側の容積部から低圧側の容積部への阻害されないフローを与えるのでナノガスポンプのポンピング効率を低下させ、ナノガスポンプがバイパスされる場合には、ナノガスポンプの開口部がガスのフローを低減する。次に、このナノガスポンプは、基板の下部（２０８）から第２の相互接続部の上部（２０７）への好適なガスポンピング方向を有する。なぜなら、熱を基板（２００）にポンピングして上部相互接続部（２０２）を冷却する場合よりも、熱を基板（２００）からポンピングして第２の相互接続部（２０２）を加熱する場合に大きな温度差が確立されるためである。
【0043】
［例示的実施形態：ＰＮＰナノガスポンプ］
図３Ａ及び図３Ｂに示すような提案される装置の例示的実施形態は、通常は、前出の図２Ａ及び図２Ｂに示すような交互の熱電素子によって設計されるヒートポンプを利用する熱拡散ガスポンプに関連する性能限界を緩和する。ここで、ナノガスポンプの開口部（３０６、３０７）は、基板（３００）の中央に構成される。第１の電気的相互接続部（３０１）は、第１のｐ型熱電材料（３０２）上に積層される。これには幾つかの有利な効果があり、第１の有利な効果は第１の相互接続部（３０１）から第１のｐ型熱電材料（３０２）までの接触抵抗の劇的な低下であり、第２の有利な効果は第１の相互接続部（３０１）の電気抵抗の低下であり、第３の有利な効果は第１のｐ型熱電材料（３０２）と基板（３００）の間の界面熱抵抗の劇的な低下である。基板は、ナノガスポンプの開口部を形成するｎ型熱電材料（３０３）を収容する低い熱伝導率の材料（３０８）の領域を有する。ｎ型熱電材料（３０３）は、第１のｐ型熱電材料（３０２）及び第２のｐ型熱電材料（３０４）に接続される。第２の電気的相互接続部（３０５）は、第２のｎ型熱電材料（３０４）の下方に積層されている。電源（３５０）は、第１の電気的相互接続部（３０１）と第２の電気的相互接続部（３０５）の間の回路を完結する。
図３Ａ及び図３Ｂに示すような提案される装置の例示的実施形態は、通常は、前出の図２Ａ及び図２Ｂに示すような交互の熱電素子によって設計されるヒートポンプを利用する熱拡散ガスポンプに関連する性能限界を緩和する。ここで、ナノガスポンプの開口部（３０６、３０７）は、基板（３００）の中央に構成される。第１の電気的相互接続部（３０１）は、第１のｐ型熱電材料（３０２）上に積層される。これには幾つかの有利な効果があり、第１の有利な効果は第１の相互接続部（３０１）から第１のｐ型熱電材料（３０２）までの接触抵抗の劇的な低下であり、第２の有利な効果は第１の相互接続部（３０１）の電気抵抗の低下であり、第３の有利な効果は第１のｐ型熱電材料（３０２）と基板（３００）の間の界面熱抵抗の劇的な低下である。基板は、ナノガスポンプの開口部を形成するｎ型熱電材料（３０３）を収容する低い熱伝導率の材料（３０８）の領域を有する。ｎ型熱電材料（３０３）は、第１のｐ型熱電材料（３０２）及び第２のｐ型熱電材料（３０４）に接続される。第２の電気的相互接続部（３０５）は、第２のｎ型熱電材料（３０４）の下方に積層されている。電源（３５０）は、第１の電気的相互接続部（３０１）と第２の電気的相互接続部（３０５）の間の回路を完結する。
【0044】
適宜の正電圧を第１の電気的相互接続部（３０１）に印加することで、熱を基板（３００）及び第１の電気的相互接続部（３０１）から、第１のｐ型熱電材料（３０２）とｎ型熱電材料（３０３）の間の界面にポンピングすることになる。次に、ｎ型熱電材料（３０３）は、さらに熱を第２のｐ型熱電材料（３０４）との界面から第１の熱電材料（３０２）との界面にポンピングする。最後に、第２のｐ型熱電材料（３０４）は、熱をｎ型熱電材料（３０３）との界面からポンピングし、第２の熱電材料と第２の電気的相互接続部（３０５）の間の界面及び基板（３００）にポンピングする。これは、適正に設計及び構成されると、第１の電気的相互接続部（３０１）での適宜の正電圧で動作する場合、温度が第１のｐ型熱電材料（３０２）とｎ型熱電材料（３０３）の間の界面において最大化され、第２のｐ型熱電材料（３０４）とｎ型熱電材料（３０３）の間の界面において最小化される熱プロファイルを発生させる。これにより、開口部の下部（３０７）から開口部の上部（３０６）へのガスのフローが発生する。開口部の上部（３０６）と開口部の下部（３０７）との間の温度勾配は、開口部の下部（３０７）が基板（３００）よりも高温となるという犠牲を払って、第１の電気的相互接続部（３０１）でのより高い正電圧において、さらに最大化可能である。これは、特定の場合では効率を低下させ得るが、より高いガス流量及びより高い圧力差の形態で更なる性能を提供することができる。多数の複雑なシステムと同様に、設計及び動作パラメータを最適化するのにロバストなマルチフィジックスシミュレーションが有用である。第１の電気的相互接続部（３０１）で電圧を反転することで、ｎ型熱電材料（３０３）での温度勾配が反転し、ガスのフローが反転し、それにより、ガスが開口部の上部（３０６）から開口部の下部（３０７）にポンピングされる。例示的実施形態の上部及び下部半分が対称である場合、これはガスの両方向へのより対称なフローを与える。フローの方向を最適化することが望まれる場合、開口部（３０６、３０７）の径の相違、ｐ型熱電材料（３０２、３０４）の厚さ及び他の特性に対する最適化によって、主にナノガスポンプが使用されて作動容積部を加圧又は排気する場合などに、所望の方向へのフローを向上することができる。
【0045】
図３Ａ及び図３Ｂに示す提案される装置の例示的実施形態は、図３Ｃに示すような矩形開口部（３１１）によっても構成され得る。またさらに、電気的相互接続部（３０１）及び（３０５）の配置は、図３Ｄに示すように基板（３００）に堆積され得る。これにより、非常に薄いｎ型熱電材料（３０３）が、少ない後処理で化学気相堆積法（ＣＶＤ）又は原子層堆積法（ＡＬＤ）を用いて等角的に堆積可能となる。これにより、性能が低下し得るが、特定の設計については製造が大幅に簡素化し得る。さらに、ｐ及びｎ型熱電材料の適正なドーピング調整によって、寄生性能の低下を低減することができる。またさらに、電気絶縁性の界面（３１４）及び（３１５）が、開口部（３０６）をエッチングしてｎ型熱電材料（３０３）を堆積させる前に、ｐ型熱電材料（３０２）及び（３０４）に堆積され得る。
【0046】
またさらに、ｎ型熱電材料（３０３）の側壁の最適な厚さは、図３Ｅ及び図３Ｆに示すような二次開口部（３０９）を用いてガスに対して行われる仕事を増加させることによって増加可能である。二次開口部の上部（３０９）と二次開口部の下部（３１０）との間の温度差を維持するために、一次開口部の上部（３０６）と一次開口部の下部（３０７）との間の温度差と同様に、他の金属相互接続部（３１２）及び（３１３）がｐ型熱電材料に配置されてもよい。これは、図２Ａ及び図２Ｂにおける第２の相互接続部（２０２）と同様の目的を果たす。
【0047】
またさらに、一次開口部の側壁を構成するｎ型熱電材料（３０３）は、図３Ｇに示すような薄い金属相互接続部（３１０）に置換されてもよい。これは、相補型熱電材料が準備されず、治癒不能な欠点を有し又は必要な側壁厚で堆積可能でない場合に、有利となり得る。治癒不能な欠点は、更なる温度変動、プロセスガス、構造上の検討、好ましくない結晶化及びその他の欠点などのプロセス不適合を含み得る。この方法はさらに、相補型ＣＶＤ熱電層が利用可能ではない第１の熱電層（３０２）及び第２の熱電層（３０４）並びに白金などのＡＬＤ金属層のためのＰＶＤプロセスの使用を可能とする。
【0048】
例示的実施形態の相互接続部、ｐ型、ｎ型、ｐ型、相互接続部の順序は、連続性のみを目的とするものである。以下を含む多数の異なる構成がある。
・相互接続部、ｐ型、ｎ型、ｐ型、相互接続部
・相互接続部、ｐ型、金属、ｎ型、金属、ｐ型、相互接続部
・相互接続部、ｎ型、ｐ型、ｎ型、相互接続部
・相互接続部、ｎ型、金属、ｐ型、金属、ｎ型、相互接続部
・相互接続部、ｎ型、金属、ｎ型、相互接続部
・相互接続部、ｐ型、金属、ｐ型、相互接続部
・相互接続部、ｐ型、ｎ型、金属、相互接続部
・相互接続部、ｎ型、ｐ型、金属、相互接続部
・相互接続部、金属、ｐ型、金属、相互接続部
・相互接続部、金属、ｎ型、金属、相互接続部
これは網羅的な列挙ではなく、フローの方向に大きな温度勾配を有し、反対の温度勾配を有する熱電材料を通じて又は金属相互接続部を通じて基板と熱流通する一次温度勾配の両端を有する開口部を生成するのに他の構成も可能である。
・相互接続部、ｐ型、ｎ型、ｐ型、相互接続部
・相互接続部、ｐ型、金属、ｎ型、金属、ｐ型、相互接続部
・相互接続部、ｎ型、ｐ型、ｎ型、相互接続部
・相互接続部、ｎ型、金属、ｐ型、金属、ｎ型、相互接続部
・相互接続部、ｎ型、金属、ｎ型、相互接続部
・相互接続部、ｐ型、金属、ｐ型、相互接続部
・相互接続部、ｐ型、ｎ型、金属、相互接続部
・相互接続部、ｎ型、ｐ型、金属、相互接続部
・相互接続部、金属、ｐ型、金属、相互接続部
・相互接続部、金属、ｎ型、金属、相互接続部
これは網羅的な列挙ではなく、フローの方向に大きな温度勾配を有し、反対の温度勾配を有する熱電材料を通じて又は金属相互接続部を通じて基板と熱流通する一次温度勾配の両端を有する開口部を生成するのに他の構成も可能である。
【0049】
［例示的構成：直線フロー及び曲折フロー］
またさらに、図３Ａ及び図３Ｂに開示される例示的実施形態は、図４Ａにおける例示的実施形態によって図示されるガスの直線フローのために直列にも構成され得る。電気的相互接続層（４０２）は、第１のｐ型熱電材料（４０３）の上方に構成される。電気絶縁性でかつ熱伝導性の層（４０１）が、第１のｐ型熱電材料（４０３）の下方でかつ第２のｐ型熱電層（４０５）の上方となるように構成される。ｎ型熱電材料（４０４）は、第１のｐ型熱電材料（４０３）及び第２のｐ型熱電材料（４０５）を接続する。熱伝導性の低い領域（４０８）が、寄生熱流束を低減しかつｎ型熱電材料（４０４）によって形成される開口部の上部開口（４０６）と下部開口（４０７）の間の温度勾配を最大化するように、活性熱電層（４０３、４０４、４０５）に覆われて構成され得る。そして、第２の電気的相互接続部（４０６）が、第２のｐ型熱電材料（４０５）を第３の熱電材料（４１０）に接続する。より厚い熱伝導層（４００）が、第１のナノガスポンプ（４０２～４０８）を第２のナノガスポンプ（４１０～４１６）から分離する。この熱伝導層（４００）は、直線フロー構成においては導電性であってもよい。第２の電気絶縁性でかつ熱伝導性の層（４０９）が、第３のｐ型熱電材料（４１０）の下方でかつ第４のｐ型熱電材料（４１２）の上方に構成される。熱伝導性の低い領域（４１６）が、寄生熱流束を低減しかつｎ型熱電材料（４１１）によって形成される開口部の上部開口（４１４）と下部開口（４１５）の間の温度勾配を最大化するように、活性熱電ヒートポンプ（４１０、４１１、４１２）に覆われて構成され得る。電源が、第１の電気的相互接続部（４０２）と第３の電気的相互接続部（４１３）の間の回路を完結する。正電圧を第１の相互接続部（４０２）に印加することで、ガスの熱拡散の条件を発生させることになり、それにより、ガスが第１の下部開口部（４０７）から第１の上部開口部（４０６）に流れ、ガスが第２の下部開口部（４１５）から第２の上部開口部（４１４）に流れて２つのナノガスポンプを分離する容積部（４１７）に流入する。第１の上部開口部（４０６）の上方のフローが制限され又は終端された場合には、２つのナノガスポンプを分離する容積部（４１７）内の圧力は、第２の下部開口部（４１５）の下方の容積部の圧力以上となる。
またさらに、図３Ａ及び図３Ｂに開示される例示的実施形態は、図４Ａにおける例示的実施形態によって図示されるガスの直線フローのために直列にも構成され得る。電気的相互接続層（４０２）は、第１のｐ型熱電材料（４０３）の上方に構成される。電気絶縁性でかつ熱伝導性の層（４０１）が、第１のｐ型熱電材料（４０３）の下方でかつ第２のｐ型熱電層（４０５）の上方となるように構成される。ｎ型熱電材料（４０４）は、第１のｐ型熱電材料（４０３）及び第２のｐ型熱電材料（４０５）を接続する。熱伝導性の低い領域（４０８）が、寄生熱流束を低減しかつｎ型熱電材料（４０４）によって形成される開口部の上部開口（４０６）と下部開口（４０７）の間の温度勾配を最大化するように、活性熱電層（４０３、４０４、４０５）に覆われて構成され得る。そして、第２の電気的相互接続部（４０６）が、第２のｐ型熱電材料（４０５）を第３の熱電材料（４１０）に接続する。より厚い熱伝導層（４００）が、第１のナノガスポンプ（４０２～４０８）を第２のナノガスポンプ（４１０～４１６）から分離する。この熱伝導層（４００）は、直線フロー構成においては導電性であってもよい。第２の電気絶縁性でかつ熱伝導性の層（４０９）が、第３のｐ型熱電材料（４１０）の下方でかつ第４のｐ型熱電材料（４１２）の上方に構成される。熱伝導性の低い領域（４１６）が、寄生熱流束を低減しかつｎ型熱電材料（４１１）によって形成される開口部の上部開口（４１４）と下部開口（４１５）の間の温度勾配を最大化するように、活性熱電ヒートポンプ（４１０、４１１、４１２）に覆われて構成され得る。電源が、第１の電気的相互接続部（４０２）と第３の電気的相互接続部（４１３）の間の回路を完結する。正電圧を第１の相互接続部（４０２）に印加することで、ガスの熱拡散の条件を発生させることになり、それにより、ガスが第１の下部開口部（４０７）から第１の上部開口部（４０６）に流れ、ガスが第２の下部開口部（４１５）から第２の上部開口部（４１４）に流れて２つのナノガスポンプを分離する容積部（４１７）に流入する。第１の上部開口部（４０６）の上方のフローが制限され又は終端された場合には、２つのナノガスポンプを分離する容積部（４１７）内の圧力は、第２の下部開口部（４１５）の下方の容積部の圧力以上となる。
【0050】
図４Ａにおける例示的実施形態は、第２及び第３のｐ型熱電材料（４１９）が図４Ｂに示すように接続されるようにも構成され得る。第２の相互接続部（４２１）は、温度差が望ましくない領域における第２及び第３のｐ型熱電材料（４１９）に構成される。電流が最も電気抵抗の低い経路に流れるため、電流の大部分は、中央のｐ型熱電材料（４１９）と第２の相互接続部（４２１）との間の界面（４２０）に流れることになる。この例示的実施形態は、より導電性の高い材料を熱電材料上に配置することによって熱電材料のある部分がバイパス可能であることを実証するものである。これは当該デバイスの製造を簡素化し得るだけでなく、熱電材料と電気的相互接続部の間の接触抵抗を低下させるものでもある。
【0051】
直線フローの他の例示的実施形態を図５Ａ、図５Ｂ及び図５Ｃに示す。図５Ａには断面（５２６）を示し、図５Ｂには断面（５２４）を示し、図５Ｃには断面（５２５）を示す。第１の相互接続部（５０１）は、第１のｐ型熱電セグメント（５０２）に接続され、次に第１のｎ型熱電セグメント（５０３）、次に第２のｐ型熱電セグメント（５０４）、次に第２の電気的相互接続部（５０５）、次に再度第２のｐ型熱電セグメント（５０４）、次に第２のｎ型熱電セグメント（５０６）、次に第３のｐ型熱電セグメント（５０７）、次に第３の電気的相互接続部（５０８）、次に再度第３のｐ型熱電セグメント（５０７）、次に第３のｎ型熱電セグメント（５０９）、次に第４のｐ型熱電セグメント（５１０）、次に第４の電気的相互接続部（５１１）に接続され、次に電源（５５０）を通じて第１の電気的相互接続部（５０１）で回路を完結する。適宜の正電圧が第１の電気的相互接続部（５０１）に印加されると、温度勾配が熱電セグメント（５２３）の表面で確立される。なお、淡色が高温側であり、濃色が低温側である。これにより、第４の容積部（５２２）から第３の開口部（５２０）を通じて第３の容積部（５１９）に、次に第２の開口部（５１７）を通じて第２の容積部（５１６）に、次に第１の開口部（５１４）を通じて第１の容積部（５１３）に流入するガスのフローが発生する。第１の容積部（５１３）又は第４の容積部（５２２）から流出するフローが制限される場合には、圧力は第１の容積部（５１３）で最大となり、第４の容積部（５２２）で最小となる。負電圧が第１の電気的相互接続部（５０１）に印加される場合には、ガスのフロー及び結果として得られる圧力差は反転する。
【0052】
またさらに、ナノガスポンプ装置の直線フローの実施形態の製造を簡素化するために、ポンプの上側半分は、図５Ｄに示すような電気的及び熱的に絶縁性の材料（５２７）に置換可能であり、流速の低下による損失を低減するのに開口部の高さ（５２８、５２９、５３０）を減少させることが必要となり得る。この実施形態は、効率及び性能を低下させるが、ナノガスポンプの製造の複雑さも減少させる。
【0053】
さらに、ナノガスポンプの上部分を除去する代わりに、上部は平坦化されてもよく、したがって、上部相互接続部（５０１、５０５、５０８、５１１）、ｐ型熱電セグメント（５０２、５０４、５０７、５１０）及びｎ型熱電セグメント（５０３、５０６、５０９）を図５Ｅに示すように構成することによって性能及び効率を大きく犠牲にすることなくプロセスの複雑さを減少させることができる。電気的相互接続部と熱電セグメントの間の電気的界面及び熱電セグメント同士の電気的界面は、大きなオーバーラップによって示されている。オーバーラップは、所望の接触抵抗及び利用可能な製造能力によって制限され得る。
【0054】
図３Ａ及び図３Ｂに開示する実施形態の例は、図６Ａに示す他の例示的実施形態によってガスの曲折フローのために直列にも構成され得る。ここで、第１の電気的相互接続部（６０１）は第１のｐ型熱電セグメント（６０３）の上部に積層され、それが第１のｎ型熱電セグメント（６０３）に接続され、次に第２のｐ型熱電セグメント（６０４）、次に第２の電気的相互接続部（６０５）、次に再度第２のｐ型熱電セグメント（６０４）、次に第２のｎ型熱電セグメント（６０６）、次に第３のｐ型熱電セグメント（６０７）、次に第３の電気的相互接続部（６０８）、次に再度第３のｐ型熱電セグメント（６０７）、次に第３のｎ型熱電セグメント（６０９）、次に第４のｐ型熱電セグメント（６１０）、次に第４の電気的相互接続部（６１１）、次に再度第４のｐ型熱電セグメント（６１０）、次に第４のｎ型熱電セグメント（６１２）、次に第５のｐ型熱電セグメント（６１３）、次に第５の電気的相互接続部（６１４）に接続され、次に電源（６５０）を通じて第１の電気的相互接続部（６０１）で回路を完結する。正電圧が第１の電気的相互接続部（６０１）に印加されると、交互の温度勾配が直列的なナノポンプの間に確立される。これにより、第５の容積部（６２４）から、第４のナノポンプ（６１０～６１４）の開口部（６１９）を通じて第４の容積部（６２３）に流入し、次に第３のナノポンプ（６０７～６１１）の開口部（６１８）を通じて第３の容積部（６２２）に流入し、次に第２のナノポンプ（６０４～６０８）の開口部（６１７）を通じて第２の容積部（６２１）に流入し、第１のナノポンプ（６０１～６０５）の開口部（６１６）を通じて第１の容積部（６２０）に流入するフローが発生する。ナノポンプは、効率を向上するように能動的熱勾配を有する領域に絶縁体（６１５）を含んでいてもよい。熱伝導性でかつ電気絶縁性の材料（６００）は、入口及び出口を設けて各内側容積部（６２０～６２４）を密閉し、ナノガスポンプの開口部（６１６～６１９）によって接続される。材料の熱伝導率の必要量は、用途及び必要な性能に応じる。導電性材料が、電気的相互接続部及び熱電セグメント（６０１～６１４）から適正に絶縁される場合に使用されてもよい。この材料は、複数の材料で作製されてもよく、一部の実施形態では、動作電力が充分に低く又は余剰の熱を除去する他の方法が充分である場合には低い熱伝導率の材料で作製されてもよい。ナノガスポンプの製造において、半導体製造の当業者には、第１（６０１）、第３（６０８）及び第５（６１４）の電気的相互接続部が、導電性材料の単一積層を堆積しかつ電気的接続を適正に隔離するようにそれをパターニングすることを通じて作製可能であることが分かるはずである。同じことが、第１（６０２）、第３（６０７）及び第５（６１３）のｐ型熱電セグメント、第２（６０４）及び第４（６１０）のｐ型熱電セグメント、並びに第２（６０５）及び第４（６１１）の導電性材料に当てはまる。
【0055】
一般に、製造方法には、その後に高選択的エッチングプロセスで除去される犠牲材料の堆積が必要である。例示は、二フッ化キセノン（ＸｅＦ２）で除去されるポリシリコン（ｐｏｌｙ－Ｓｉ）堆積、及びフッ化水素（ＨＦ）で除去される二酸化シリコン（ＳｉＯ２）堆積を含む。蒸気相ガスを用いる場合であっても、プロセス時間を短縮し、非犠牲材料の無用なエッチングを最小化するために充分なアクセスが望まれる。図６Ａにおける例示的装置は、図６Ｂに示すようにも構成されてアクセス孔（６４４）を主チャネル（６３５～６４３）内に含んでもよい。ナノガスポンプ（６２６～６３０、６３０～６３４）の絶縁材料（６４５）は犠牲材料で作製される場合、図３Ｅ及び図３Ｆに開示される方法に加えて、第１の熱電セグメント（６２７）、第２のセグメント（６２８）又は第３の熱電セグメント（６２９）は、エッチング剤が犠牲材料（絶縁材料）（６４５）にアクセスするためのアクセス孔（６４６）を有して構成されてもよい。加圧ガスが隣接容積部内に漏出して戻るのを防止するために、ナノガスポンプ内のアクセス孔（６４６）がナノガスポンプの１層のみに作製されもよい。これは、第１の熱電材料（６２７、６３１）及び第３の熱電材料（６２９、６３３）におけるアクセス孔（６４６）が、第２の材料（６２８、６３２）に沿う温度勾配よりも低い温度勾配を有することになるためである。第２の材料（６２８、６３２）に近接するアクセス孔（６４６）は、温度勾配が高くなるにつれて加圧ガスを漏出させにくくなるが、これは製造の複雑さ及び電気抵抗の増加によって制限される。
【0056】
エッチング剤が下側の容積部（６３５、６３９、６４３）にアクセスするために、図６Ｂに示すように、ナノガスポンプ段を除去して、下側の容積部へのアクセスを容易化すると有利となり得る。他の方法は、充分なナノガスポンプ開口部（６３８、６４２）の領域、側部アクセス口、ナノガスポンプを含むメンブレンへの容積部の直接の集積、及びその他の方法を含む。図６Ｂに示す例示的実施形態では、第１の電気的相互接続部（６２６）が第１のｐ型熱電セグメント（６２７）に接続され、それが第１のｎ型熱電セグメント（６２８）、次に第２のｐ型熱電セグメント（６２９）、次に第２の電気的相互接続部（６３０）、次に第３のｐ型熱電セグメント（６３１）、次に第２のｎ型熱電セグメント（６３２）、次に第４のｐ型熱電セグメント（６３３）、次に第３の電気的相互接続部（６３４）に接続され、次に電源（６５０）を通じて第１の相互接続部（６２６）で回路を完結する。正電圧が第１の電気的相互接続部（６２６）に印加されると、同じ方向の温度勾配が直列的なナノガスポンプの間に確立される。これにより、第７の容積部（６４３）から、第２のナノガスポンプ（６３０～６３４）の開口部（６４２）を通じて第６の容積部（６４１）に、次に、ナノガスポンプを排除して第４の容積部（６３９）を接続することによって発生した第５の容積部（６４０）に、次に第１のナノガスポンプ（６２６～６３０）の開口部（６３８）を通じて第３の容積部（６３７）に、次に、ナノガスポンプを排除して第１の容積部（６３５）を接続することによって発生した第２の容積部（６３６）に流入するガスのフローが発生する。ナノガスポンプ（６２６～６３４）を分離する内側容積部（６３５～６４３）をカプセル化する材料（６２５）は、最初に犠牲材料となり、その後にアクセス孔（６４４）を通じて除去される。その後、アクセス孔は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、タングステン（Ｗ）若しくは他の材料及び／又はプロセスの物理的気相堆積法（ＰＶＤ）などの他のプロセスによって封止される。酸素又は他の電気絶縁性材料の原子層堆積法（ＡＬＤ）が、アクセス孔（６４４）を封止するとともにナノガスポンプ（６２６～６３４）の表面を保護するためにさらに採用されてもよい。
【0057】
［例示的構成：段構成］
前出の図３Ａ～図３Ｂに示す例示的装置の例示的構成を図７Ａ、図７Ｂ及び図７Ｃに示す。図７Ａは外部容積部（７００）から中央容積部（７５０）への例示的流路を示し、図７Ｂは下方から上方に見た断面図を示し、基板（７５１）が前出の図６Ａに示すような密閉容積部を形成する。図７Ｃは上方から下方に見た断面図を示し、基板（７５１）が前出の図６Ａに示すような密閉容積部を形成する。フローは、開放外部容積部（７００）から、第１のナノガスポンプ（７０１）を通じて上部容積部（７０２）、第２のナノガスポンプ（７０３）へと、最後のナノガスポンプ（７４９）を通じて中央の開放容積部（７５０）に進むまで順に進む。通常、１つの開放容積部当たり複数のナノガスポンプ、並びにナノガスポンプの構成を電源に接続するのに適した方法及び位置において終端する電気的相互接続部の耐障害性分布がある。
前出の図３Ａ～図３Ｂに示す例示的装置の例示的構成を図７Ａ、図７Ｂ及び図７Ｃに示す。図７Ａは外部容積部（７００）から中央容積部（７５０）への例示的流路を示し、図７Ｂは下方から上方に見た断面図を示し、基板（７５１）が前出の図６Ａに示すような密閉容積部を形成する。図７Ｃは上方から下方に見た断面図を示し、基板（７５１）が前出の図６Ａに示すような密閉容積部を形成する。フローは、開放外部容積部（７００）から、第１のナノガスポンプ（７０１）を通じて上部容積部（７０２）、第２のナノガスポンプ（７０３）へと、最後のナノガスポンプ（７４９）を通じて中央の開放容積部（７５０）に進むまで順に進む。通常、１つの開放容積部当たり複数のナノガスポンプ、並びにナノガスポンプの構成を電源に接続するのに適した方法及び位置において終端する電気的相互接続部の耐障害性分布がある。
【0058】
開口部の数及び／又は段当たりの開口部面積の増減に加えて、予想圧力勾配が既知である場合には性能を向上するのに開口部の径が変更されてもよい。ガスの平均自由行程はガスの圧力に大きく依存し、したがって、図７Ｄに示すようにナノガスポンプ構成の外部から中心にガスを加圧する用途の場合には、ナノガスポンプの開口部の径は、さらに開示するような最適化法によって決定されるように、順に減少し得る（７６０～７６８）。
【0059】
図７Ｅに示すようにナノガスポンプの構成の中心からガスを排気する用途の場合には、ナノガスポンプの開口部の径は、さらに開示するような最適化法によって決定されるように、順に増加し得る（７７０～７７８）。
【0060】
［例示的用途：集積マイクロ流体バルブ及びポンプ］
ナノガスポンプの構成は、空圧装置を作動すること、質量流量制御、環境的制御、より軽い分子を分離及び階層化することの目的のために、又はさらにはマイクロドローンを上昇及び並進させるために、ガスを圧縮するのに使用され得る。
ナノガスポンプの構成は、空圧装置を作動すること、質量流量制御、環境的制御、より軽い分子を分離及び階層化することの目的のために、又はさらにはマイクロドローンを上昇及び並進させるために、ガスを圧縮するのに使用され得る。
【0061】
ナノガスポンプの構成は、空圧装置を作動すること、質量流量制御、環境的制御、より重い分子を分離及び階層化することの目的のために、又はさらには質量分析計などの分析機器のために真空を発生させることのために、ガスを希薄化するのに使用され得る。
【0062】
集積空圧バルブについての例示的用途を図８Ａ、図８Ｂ及び図８Ｃに示す。（８００）はメンブレン（８０６、８１０）を空圧的に作動させるためのナノガスポンプ（８０１）及び制御容積部（８０２）の構成を収容する下部基板であり、開口部径よりも小さな粒子をフィルタ除去することができるガスフィルタ（８０５）がナノガスポンプ（８０１）の構成の一端を保護し、ナノガスポンプの構成の他端は制御容積部（８０２）に対して開放されかつ密閉される。
【0063】
図８Ａは断面（８１１）を示し、図８Ｂは断面（８１２）を示し、図８Ｃは断面（８１３）を示す。これらの断面は、口語的には「Ｑｕａｋｅバルブ」として知られる通常は空圧的に駆動されるマイクロ流体バルブを示す。流体チャネル（８０８、８０９）は、上部基板（８０７）に形成され、メンブレン（８０６、８１０）及び下部基板（８００）に融合される。旧来的には、流体チャネル（８０８、８０９）内の二次流体のフローを阻害又は促進するのに圧縮又は希薄化空気が制御キャビティ（８０２）に導入される。メンブレン（８１０）は、制御容積部（８０２）を加圧するように操作された場合、図８Ｄに示すように、シール（８１４）を流体チャネル（８０８、８０９）の上部に形成する。メンブレン（８１０）は、制御容積部（８０２）を希薄化するように操作する場合、図８Ｅに示すように、流体を膨張した容積部（８１５）に引き込む。
【0064】
図８Ａ～図８Ｅに最初に示した集積空圧バルブの例示的実施形態が図９Ａの例示的実施形態に示すように接続される場合、より複雑な動作が実行可能となる。図９Ａにおいて、制御容積部（９０４）を有する第１の集積空圧バルブ（９０１）が制御容積部（９０５）を有する第２の集積空圧バルブ（９０２）に接続され、それが制御容積部（９０６）を有する第３の集積空圧バルブ（９０３）に接続され、単一の流体チャネル（９１０～９１３）を共有する。
【0065】
図９Ｂに示すように、３個のバルブ全てが作動されると（９１５）、全てのフローが停止する。（９１６）に示すように第１の制御容積部（９０４）を希薄化することによって、流体は入口（９１０）から第１のバルブ（９０１）に引き込まれる。次に（９１７）に示すように第２の制御容積部（９０５）を希薄化することによって、流体は入口（９１０）から第２のバルブ（９０２）にさらに引き込まれる。次に（９１８）に示すように第１の制御容積部（９０４）を加圧し、（９１９）に示すように第３の制御容積部（９０６）を希薄化することによって、流体は、出口（９１３）と流通することになる。次に（９２０）に示すように第２の制御容積部（９０５）を加圧することによって、流体は、第２のバルブ（９０２）から出口（９１３）に押し出されることになる。次に（９２１）に示すように第３の制御容積部（９０６）を加圧することによって、流体は第３のバルブ（９０３）から出口に押し出されることになる。この順序を繰り返すと、単一の既知量の流体が、流体チャネルの入口から出口に進む。順序を反転すると、単一の既知量の流体が、流体チャネルの出口（９１３）から入口（９１０）に進む。
【0066】
流体チャネルの構成は、図９Ｃに示すようにも構成され得る。ここで、入口（９２５）が、第１の基板の上部にある。主ポンピングバルブ（９２７）が中央にあり、出口バルブ（９２９）が端部にある。図９Ｃの構成は図９Ｄに示すように構成されてもよく、第２の入口（９２６）があり、これは薬剤を患者にポンピングするための構成の場合に有利となり得る。図９Ｃの構成は図９Ｅに示すように構成されてもよく、第２のポンピングバルブ（９２８）があり、これは第１のポンピングバルブ（９２７）が第２のポンピングバルブ（９２８）とは大きく異なる容積部を移動させる場合、又は流体を移動させるのにさらに高い圧力が必要な場合に有利となり得る。図９Ｃの構成は図９Ｆに示すように構成されてもよく、第２の出口バルブ（９３０）があり、これは流体をマイクロ流体回路内で分散させる場合に有利となり得る。図９Ｃの構成は、任意数の入口、ポンピングバルブ及び出口についても構成され得る。
【0067】
［製造］
図３Ｄの例示的装置を製造する例示的方法を図１０に示す。我々は（１００１）で示すような１μｍの厚さの薄い基板を用いて開始し得る。窒化シリコンの１００ｎｍの層を、後続のプロセス工程のためのエッチングストップとして成長させてもよい。基板は、シリコン・オン・インシュレーター・ウェハの一部であってもよい。（１００２）に示すように、活性領域を画定する開口部がパターニング及びエッチングされ、それは直径３μｍとなり得る。（１００３）に示すように、酸化シリコンを基板上に成長させ、基板が平坦化され、窒化シリコン層上で停止される。ハンドルの開口を、上部シリコンメンブレンを露出させるようにパターニング及びエッチングする。（１００４）に示すように、六フッ化タングステンからの１００ｎｍのタングステンを化学気相成長チャンバ内で成長させ、その後に３μｍの直径でパターニング及びエッチングする。（１００５）に示すように、室温でＺＴを最大化する最適なキャリア濃度の２５０ｎｍのｐ型シリコンゲルマニウム材料を化学気相成長炉内で基板上に成長させ、続いて原子層堆積法によって１０ｎｍの酸化アルミニウムを成長させる。（１００６）に示すように、２５０ｎｍの開口部を、メンブレンを通じてパターニング及びエッチングする。それに続いて（１００７）に示すように、室温でＺＴを最大化する最適なキャリア濃度の２５ｎｍのｎ型シリコンゲルマニウム材料を化学気相成長炉内で基板上に成長させる。埋め込まれた酸化物までメンブレンの上部に１００ｎｍのアクセス孔をパターニング及びエッチングしてもよく、その後にｐ型熱電材料の上部及び下部を分離する際に酸化物層を除去するのに蒸気ＨＦが使用可能である。その後、電源が、１０ｍＶをメンブレンの下部から上部に印加し得る。電圧は、メンブレンのエッジの温度が９０℃になるまで増加させられてもよい。
図３Ｄの例示的装置を製造する例示的方法を図１０に示す。我々は（１００１）で示すような１μｍの厚さの薄い基板を用いて開始し得る。窒化シリコンの１００ｎｍの層を、後続のプロセス工程のためのエッチングストップとして成長させてもよい。基板は、シリコン・オン・インシュレーター・ウェハの一部であってもよい。（１００２）に示すように、活性領域を画定する開口部がパターニング及びエッチングされ、それは直径３μｍとなり得る。（１００３）に示すように、酸化シリコンを基板上に成長させ、基板が平坦化され、窒化シリコン層上で停止される。ハンドルの開口を、上部シリコンメンブレンを露出させるようにパターニング及びエッチングする。（１００４）に示すように、六フッ化タングステンからの１００ｎｍのタングステンを化学気相成長チャンバ内で成長させ、その後に３μｍの直径でパターニング及びエッチングする。（１００５）に示すように、室温でＺＴを最大化する最適なキャリア濃度の２５０ｎｍのｐ型シリコンゲルマニウム材料を化学気相成長炉内で基板上に成長させ、続いて原子層堆積法によって１０ｎｍの酸化アルミニウムを成長させる。（１００６）に示すように、２５０ｎｍの開口部を、メンブレンを通じてパターニング及びエッチングする。それに続いて（１００７）に示すように、室温でＺＴを最大化する最適なキャリア濃度の２５ｎｍのｎ型シリコンゲルマニウム材料を化学気相成長炉内で基板上に成長させる。埋め込まれた酸化物までメンブレンの上部に１００ｎｍのアクセス孔をパターニング及びエッチングしてもよく、その後にｐ型熱電材料の上部及び下部を分離する際に酸化物層を除去するのに蒸気ＨＦが使用可能である。その後、電源が、１０ｍＶをメンブレンの下部から上部に印加し得る。電圧は、メンブレンのエッジの温度が９０℃になるまで増加させられてもよい。
【0068】
シリコンゲルマニウムのための最適なキャリア濃度は、化学量論に応じて、通常は立方センチメートル当たり約１０２０である。Ｎ．Ｍ．Ｒａｖｉｎｄｒａ，Ｂ．Ｊａｒｉｗａｌａ，Ａ．Ｂａｎｏｂｒｅ及びＡ．Ｍａｓｋｅは、「Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ ｇｅｒｍａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙｓ」、ｃｈａｐｔｅｒ ４、ＳｐｒｉｎｇｅｒＢｒｉｅｆｓ ｉｎ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｈｔｔｐｓ：／／ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１００７／９７８－３－３１９－９６３４１－９＿４を記載する。それは良好な開始点であり、シリコンゲルマニウムを扱う各商業施設はｐ型シリコンゲルマニウムトランジスタ及びｎ型シリコンゲルマニウムトランジスタに対して彼ら自身のレシピを有し、ドーピングは一般に熱電用途に対して立方センチメートル当たり２桁増加させる必要がある。したがって、適切なＤＯＥは、室温におけるピークＺＴに対応するドーピングレベルを求めるように実行される必要がある。
【0069】
［構成、装置最適化方法］
発明されたデバイスの幾何形状は、数値及び／又は解析手段を用いて調整及び微調整可能であり、通常は最適化の主題となる。最適化は反復して進められることになり、以下のアルゴリズムで表現可能である。
モデル進化アルゴリズム
Ｓｅｔ Ｃ ＃ モデル制約
Ｓｅｔ Ｐ ＃ 検索パラメータのセット
Ｓｅｔ Ｍ ＃ 実施形態の初期近似値
Ｄｏ Ｗｈｉｌｅ 性能基準Ｋが満たされない
Ｄｏ Ｗｈｉｌｅ 数値解精度Ａに達しない
Ｃを用いて運動ガスソルバーを実行する
Ｃを用いて固体熱電及び熱伝導ソルバーを実行する
気体－固体解Ｓを統合する
Ｅｎｄ Ｄｏ
Ｓ及びＰを用いてＭを更新する
Ｅｎｄ Ｄｏ
発明されたデバイスの幾何形状は、数値及び／又は解析手段を用いて調整及び微調整可能であり、通常は最適化の主題となる。最適化は反復して進められることになり、以下のアルゴリズムで表現可能である。
モデル進化アルゴリズム
Ｓｅｔ Ｃ ＃ モデル制約
Ｓｅｔ Ｐ ＃ 検索パラメータのセット
Ｓｅｔ Ｍ ＃ 実施形態の初期近似値
Ｄｏ Ｗｈｉｌｅ 性能基準Ｋが満たされない
Ｄｏ Ｗｈｉｌｅ 数値解精度Ａに達しない
Ｃを用いて運動ガスソルバーを実行する
Ｃを用いて固体熱電及び熱伝導ソルバーを実行する
気体－固体解Ｓを統合する
Ｅｎｄ Ｄｏ
Ｓ及びＰを用いてＭを更新する
Ｅｎｄ Ｄｏ
【0070】
最適化は、電気的及び構造的構成要素の寸法、熱電材料、ガス圧縮チャンバ、マウントの角度、連続段の間の距離、直列及び並列の段数、開口部サイズ、材料などの主要な幾何形状及びフローパラメータＰに基づくべきである。それは、好適な動作圧、ガス種、入力電力、材料及びプロセスのコストなどの制約Ｃのセットによって結合され得る。最適化プロセスは、所望の質量流量及び圧縮比などの最適化終了基準Ｋを用いてもよい。先述したように、質量流量と圧力勾配とは相互に対して逆となる。デバイスを通じた質量流量が高いほど、圧力勾配は低くなり、その逆に、圧力勾配が高いほど、質量流量は低くなる。したがって、システム設計を最適化するために、最小許容可能な圧力差及び質量流量の双方が必要となり得る。最適化は、装置モデルＭの初期近似値で開始すべきであり、それは上記に示した単一段及び多段実施形態の例となり得る。その後、メインループが、基準Ｋを満足する最適構成Ｍが求められるまで実行される。そのループでは、モデルＭは、検索パラメータＰ及び性能評価解ブロックからの出力を用いて調整される。後者は、何らかの規定数値精度に達するまで実行する「ｄｏ」ループとして表されてもよく、装置内部のガス流及びデバイスの固体ブロック内部の熱流についてのスタンドアローン又はユニファイドソルバーを含み得る。これらのソルバーステップに対して単純な分析推定が可能である一方で、数値解の最も高い精度は、運動ガスソルバー及び熱伝導についての有限要素ソルバーの有限体積、対流及び輻射などの熱伝達メカニズムも含み得る電気的及び熱電的な等式などによって与えられることになる。計算最適化プロセスは、実験的手段によって支援及び修正されてもよい。
【0071】
例示の最適化ループは、以下の通りである。ラボオンチップデバイスのためのマイクロチャネルの流体操作などの用途が、３次元の各々で１ｍｍ未満であり、１ｍＷ以下の電力を消費し、２０キロパスカル（ｋＰａ）の圧力降下を生成するポンプを必要とするものとする。そして、図６Ａに示すポンプ幾何形状から開始して、長さが２００μｍであると仮定することができる。その幾何形状は、所与の電圧に対して想定され得る熱電素子にわたる温度差の範囲を決定するようにＣＯＭＳＯＬなどの市販マルチフィジックスソルバーにおいてモデル化され得る。そして、気体力学シミュレーションが、単一段にわたる推定圧力降下を設定し、予想される気体－表面熱流束についてのフィードバックをＣＯＭＳＯＬに与える動力学アプローチを用いて実行され得る。ＣＯＭＳＯＬの結果は、その情報によって補正され、最終推定が単一段の質量流量、電力及び圧力降下に対して行われ得る。その後、多段幾何形状の特性が分析的に計算可能となり、又はより高い精度が必要な場合には、それがＣＯＭＳＯＬにおいて再構築可能であり、そこにおけるガス流が再度モデル化されてもよい。最後に、性能基準を満たす解が存在する場合、設計者は要求仕様ウィンドウに合うデバイスの幾何形状及び特性を得ることになる。
【0072】
［特定の例についての装置性能推定］
直接シミュレーションモンテカルロ（ＤＳＭＣ）及び楕円体統計Ｂｈａｔｎａｇａｒ－Ｇｒｏｓｓ－Ｋｒｏｏｋ（ＥＳ－ＢＧＫ）動力学法を用いて行われた数値解析によって、発明者らは、特定の幾何形状及びフローパラメータに対する開示の曲折フロー及び直線フローの設計の主要な性能パラメータを取得することができ、それらは、低温面と高温面の間の温度差が５０Ｋの１μｍ幅の熱電素子、１μｍ幅の開口部、３μｍの高さ及び長さのガスチャンバ、及び準２次元構成であった。連続３段の上記曲折フロー及び直線フローの実施形態によって発生した圧力差ΔＰを表１に示す。表から分かるように、圧力が３０倍変化する間にΔＰはそのピークから２．５倍以内となるため、変動ガス圧による性能劣化は概ね比較的弱い。０．３ａｔｍにおいて装置を通過するガスの平均流速Ｕｆは、曲折フローについて２．７ｍ／ｓであり、直線フロー設計について３．６ｍ／ｓであった。
直接シミュレーションモンテカルロ（ＤＳＭＣ）及び楕円体統計Ｂｈａｔｎａｇａｒ－Ｇｒｏｓｓ－Ｋｒｏｏｋ（ＥＳ－ＢＧＫ）動力学法を用いて行われた数値解析によって、発明者らは、特定の幾何形状及びフローパラメータに対する開示の曲折フロー及び直線フローの設計の主要な性能パラメータを取得することができ、それらは、低温面と高温面の間の温度差が５０Ｋの１μｍ幅の熱電素子、１μｍ幅の開口部、３μｍの高さ及び長さのガスチャンバ、及び準２次元構成であった。連続３段の上記曲折フロー及び直線フローの実施形態によって発生した圧力差ΔＰを表１に示す。表から分かるように、圧力が３０倍変化する間にΔＰはそのピークから２．５倍以内となるため、変動ガス圧による性能劣化は概ね比較的弱い。０．３ａｔｍにおいて装置を通過するガスの平均流速Ｕｆは、曲折フローについて２．７ｍ／ｓであり、直線フロー設計について３．６ｍ／ｓであった。
【表1】
【0073】
多段デバイスは、連続２５段までについても数値的に試験した。ΔＰ及びＵｆに基づく性能劣化は、約０．５％の数値誤差バー以内であった。４００段の装置について予想される質量流量劣化は５％未満である。圧力差及び流速は、熱電素子の低温端と高温端の間の５Ｋ～５０Ｋまで変動する温度勾配に対して線形に変化することが分かった。これらの推定によって、気体力学入力に基づく最大性能評価が可能となる（完全な性能評価は、ＤＳＭＣ及びＥＳ－ＢＧＫなどの動力学シミュレーションから得られる気体－表面熱流束とともに固体内部の熱伝達の解も含むべきである）。
【0074】
上記１ｍｍ×１ｍｍ×１ｍｍのデバイスに対して行われた性能評価は、１００ｍＷの入力電力に対して、最大体積流量は１．２の最大圧縮比において毎分約２ｍＬであることを示した。固定の入力電力について、所望の圧縮比の増加又は減少は、体積流量の比例的減少又は増加によって達成される。圧縮比及び質量流量は入力電力に直接比例し、デバイスの実際のポンピング容量は、デバイスの体積に吸収可能でありかつ環境に放散可能な最大電力によって主に制限される。
【0075】
本開示を好適な実施形態の観点で説明したが、明示的に記載されたもの以外にも、均等物、代替例及び変形例が可能であり、後続の特許請求の範囲の範囲内であることが認識される。
【図1A】
【図1B】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図3D】
【図3E】
【図3F】
【図3G】
【図4A】
【図4B】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図5D】
【図5E】
【図6A】
【図6B】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図7D】
【図7E】
【図8A】
【図8B】
【図8C】
【図8D】
【図8E】
【図9A】
【図9B】
【図9C】
【図9D】
【図9E】
【図9F】
【図10】
【国際調査報告】