氣體微型泵的製作方法

2023-09-18 02:30:05

氣體微型泵的製作方法
【專利摘要】該裝置包括連續的柱形分離管，其包括至少兩級交替的依次連接的小半徑和大半徑管。管的一端構成熱區，相反一端構成冷區。泵是由交替的大半徑（R）的直管和小半徑（r）的U型彎管制成。為獲得最佳性能，可選用以下的尺寸比：直管的大半徑（R）與U型管的小半徑（r）的比在R/r=2～10000的值域範圍內，熱區的溫度（T2）與冷區溫度（T1）的比T2/T1=1.1～3.0。直管和U型管的長度和半徑尺寸的選擇是為了確保氣體溫度從熱區溫度到冷區溫度的給定變化。
【專利說明】氣體微型泵
【技術領域】
[0001]本發明涉及分子氣泵領域，可用於當氣體的機械運動變得無效時，將氣體從微型裝置抽出或泵入用於分析小容量氣體的分析微系統，也可以用於過濾氣體。另外，發明也可用於包括毒性物質、化學危險性物質、劇毒物質的多種物質存在時，對空氣的指示和表達分析領域，也可以與醫療器械關聯使用，尤其是用於人造肺通氣的運動器械。泵用於將氣體從裝置中泵出，該操作需要低真空度(760Torr?ImTorr),高真空度(ImTorr?I(T7Torr)或超高真空度(10_7Torr?10_nTorr)。這種裝置的例子是質譜儀、光譜儀、光電設備。這類泵的另一種應用是為了在氣體檢測器和感應器中分析氣體的目的，從環境中對氣體進行抽樣。
【背景技術】
[0002]現在減小儀器的體積已經成為一種趨勢，目的是降低設備的電力消耗、體積和重量，並使它們適用於微機電系統(MEMS)中。由於在泵設計中的移動部件的存在，對於降低現存的常用機械泵的體積的嘗試面臨著巨大的問題。現在，在規模減小的泵類型中的少數這類泵，例如中型泵和微型泵，總是表現出效率不足和有限的可應用性，並且發生破壞性衝擊而損壞系統。
[0003]由於沿非均勻加熱壁的氣體熱滑效應，一個可替代的解決方法是將具有非移動機械部件的熱力泵整合再運行。由於在運行過程中形成了定向氣體流，所主張的裝置保持了溫度梯度。
[0004]對於所提出的裝置的模擬解是經典克努森泵，其包括相繼連接的直的、柱形的小半徑和大半徑的管。所有小半徑的管直徑是類似的，並小於大半徑管的半徑很多倍。因此，經典努克森泵是具有周期性結構的，其周期是相繼連接的小半徑管和大半徑管形成的。溫度分布是周期性的，並具有同樣周期，沿小半徑管從Tl線性地升到T2，並沿著大半徑管從T2線性地降到Tl。已知的技術方案(US6533554和US2008/0178658)展示出了微小的克努森泵的現代化的實施，其包括兩個具有用於氣體流的孔的隔熱板、多孔材料和加熱器。多孔材料是在經典克努森泵中的小半徑的管的模擬。加熱器提供了產生氣體沿著壁的熱滑效應所需的溫度分布。
[0005]當氣體的壓力低於0.1Torr時，氣體分子自由運行的長度會大於微型泵的直徑。因此，泵能夠在小半徑管和大半徑管內形成的自由分子模式中有效地運行是有必要的。經典克努森泵的主要缺陷在於在該模式下它是效率不足的。由於管的形狀是相似的，小壓力比僅僅是依據小半徑管和大半徑管不同的長度-直徑的比而產生的。
[0006]經典克努森泵的現代模擬設計為以下方式:自由分子模式存在於小半徑管中，連續模式存在於大半徑管中，例如大半徑管的克努森數應為Kn ( 0.01。為了使泵能夠在低於0.1Torr的壓力下運行，有必要產生具有大直徑的大半徑管，它大大增加了泵的體積，並且對於抽出微小容積的氣體是並不適合的。例如，在溫度T=300K下，小半徑管的克努森數為10，大半徑管為0.01，並且泵可以在0.1Torr的壓力下轉移氣體，大半徑管的直徑應為38mm,在0.0lTorr的壓力下,它應等於38cm。泵的現代設計是利用具有不大於50微米的直徑的管，該泵在0.1Torr或更低的壓力時無法有效的利用它們。

【發明內容】

[0007]本發明的目的是提供一種氣體微型泵，其能夠提高效率並降低熱滑效應。
[0008]為了基於已知的氣體微型泵而解決上述問題和達到上述技術效果，，該已知的氣體微型泵包括連續的柱形分離管，其包括至少兩級交替的相繼連接的小半徑和大半徑管，其中管的一端是熱區，相反端是冷區。根據所提出的裝置，泵由交替的大半徑R的直管和小半徑r的U形彎管制成，微型泵能在以下參數比的最佳模式下運行:直管的大半徑R與U形管的小半徑r的比在R/r=2?10000的值域範圍內，熱區的溫度T2與冷區溫度Tl的比T2/Tl=L I?3.0，直管的U形管的長度和半徑值的選擇是為了確保氣體溫度從熱區溫度到冷區溫度的所述變化。
[0009]該裝置可以有附加的實施例，其中:
[0010]-熱區和冷區是柱形的矽片，具有與大半徑管相似的半徑；
[0011 ]-熱區矽片的表面包括金膜。
[0012]所提出的裝置能夠消除經典的泵的主要缺陷，即在小半徑和大半徑管中產生的自由分子模式的運行期間的低效率。
[0013]由於在微型裝置中在U形的小半徑柱形管和直的大半徑柱形管中的寬範圍內克努森數下的被導向的氣體流，所提出的發明產生了泵送效應。由於沿著由設在管的接合處的加熱器給予壁的溫度梯度的氣體的滑動，因此氣體流在邊界區域出現。由於溫度梯度被施加於小半徑U形管和大半徑管，相反方向的氣流在兩個管的邊緣區域產生。在U形管中產生的氣流比直管中產生的氣流大。在該物理現象的結果中，氣體的壓力比在泵端部產生，這個比大於在同樣的溫度分布下經典泵的端部產生的壓力比。由於在所提出的發明的設計中加入了 U形管，獲得了技術效果(相比經典泵在氣體抽運效率上的增大)。由於用U形管替代直管，泵變得更有靈活性，能夠產生緊湊的實施。
[0014]本發明的以上優勢和特徵將會通過它的最佳實施例並藉助附圖進行說明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1示意性示出了根據本發明設計的氣體微型泵的可能的實施例。U形彎曲管相繼與大半徑管連接，每個第二節處包括熱區(被加熱);
[0016]圖2示出了傳統克努森泵中使用的柱形管和其幾何尺寸標註；
[0017]圖3示出了使用在所提出的發明中的U形管和其幾何尺寸標註；
[0018]圖4示出了傳統克努森泵的設計，表示了代表幾何尺寸的參數，以及在數值求解玻爾茲曼動力學方程時使用的3D模型；
[0019]圖5示出了根據所主張的發明的氣體微型泵的一級的設計，表示了代表幾何尺寸的參數和其3D模型；
[0020]圖6示出了所提出的泵涉及的可能實施例。製作大半徑直管是為了將不可滲透的擋板插入較長的管中。小半徑U形管側向地放置於大半徑管上；
[0021]圖7示出了根據克努森數，直管和U形管的端部的壓力比的比較圖；[0022]圖8示出了根據小半徑管的克努森數，所主張的泵和現有技術已知的泵的端部的壓力比的比較圖；
[0023]圖9示出了四面體可能的排列的示圖，其目的是顯示出在裝置的計算機模擬時的轉化方程的數值解；
[0024]圖10示出了為本發明的計算機模型所構造的坐標網。
【具體實施方式】
[0025]所主張的氣體微型泵(圖1)包括大半徑柱形直管1、連接著柱形管I的小半徑柱形U形管2、熱區3 (矽片)、熱區4 (矽片)、和金膜5，金膜5上施加有用於產生熱和冷溫度區的電壓。
[0026]大半徑管I可由具有不超過0.1ff/mK的導熱性的多孔材料製成，當管的長度為300微米時，其孔具有30微米的直徑。大半徑管I的直徑和長度的選擇是考慮氣體可從加熱器3的溫度(熱區)冷卻至冷區4的溫度(例如環境溫度)的方式。具有合適尺寸或填充玻璃或陶瓷球的孔的氣凝膠材料由於其產生具有約等於其尺寸的0.2的孔，因此被用於實施大孔徑管I。
[0027]小半徑U形管2可由氣凝膠多孔材料製成。(管2的)材料具有平均20nm的孔直徑和非常低的熱導率(0.017W/mK)，其確保穩定的溫度梯度和氣體沿孔壁的熱滑效應。U形管2的長度是150微米，其寬度是20微米，曲率半徑為48微米。
[0028]氣體的加熱和冷卻是由具有直徑為約5微米的孔的30微米長的矽片。矽展現出高導熱率(150W/mK)，這能夠確保沿矽片保持恆定(相似的)溫度。這樣選擇孔的幾何尺寸是因為穿過片中的孔的氣體可以取為片的溫度。矽片的孔可使用MEMS標準方法通過選擇性去除材料的方式製成。
[0029]管I和管2的每兩個接合處的矽片包括薄的金膜5 (在圖1中以粗線示出)，其通過電流的方式加熱(熱區3 )。作為金膜的替代，其他工業中可用的材料也可用作產生溫度梯度。例如，可通過輻照壁的方式產生合適的溫度模式。加熱器可以被用於將冷區相對於環境降低溫度(冷區4)的冷卻裝置替代。
[0030]所提出的裝置密封地與泵入或泵出容器連接。在所提出的泵內的定向的氣流的出現是由於沿著具有由加熱器3或冷卻器4產生的溫度梯度的壁的氣體熱滑效應。結果，來自泵出容器或裝置的氣體通過第一級的管流入泵中，並離開泵通過最後一級的第二個管進入泵入容器或環境中。因此，定向氣流連續地通過溫度區3和4進入U形大半徑和小半徑管。
[0031]用於大壓力比的泵應包括連續連接的幾級U形小半徑管2和大半徑直管I。這種構造的實施例在圖1和圖6中示出。
[0032]本發明的具體實施例
[0033]由於所提供的泵的靈活性，其設計可取決於應用的領域。下面將描述特別製作的組合泵的一些可能的例子。
[0034]I)和傳統的線性設計(模擬解)不同，大半徑管I可以按照圖1所示的方式設置。它們通過多個U形小半徑管2連接。沿每個管施加溫度梯度，該梯度由加熱器(以板的形式、並在其上施加有電壓的金膜5)產生。它們設置在靠近具有更大導熱率的矽片處，能夠將氣體加熱至所需溫度。
[0035]2)大半徑管I可以接成一個帶有擋板的管(圖6)，加熱該帶擋板的管中的每兩個中的第二個，並且小半徑U形管可被設置在大半徑管I的側面上。通過重新設置小半徑管，能夠將大半徑管I移動至大半徑管的其他表面區域上，從而使泵不會太長。這種泵的示圖在圖6中示出。沿每個管施加溫度梯度T2> T I。如果U形彎曲小半徑管沿著它們的長度被附接在大半徑管I上，那麼U形彎曲管2的這種設置能夠改變泵送能級。例如，如果每個彎曲管被安裝在大半徑管I的側面的中心，那麼將會失去泵送效果。如果它們被安裝在大半徑管I的相反一端，那麼泵送將會被引向另一側。
[0036]所提出的氣體微型泵的最佳操作方式可通過以下參數比來獲得。
[0037]a)大半徑管I的半徑R與小半徑U形管2的半徑r的比在R/r=2 - 10, 000的值域範圍內。R/r比值越大，小半徑U形管2內的克努森數與大半徑管I內的克努森數之比就越大，泵效率也就越高。然而，非常大的R/r的比值會導致泵的體積增大。
[0038]b)熱區3的溫度Tl與冷區的溫度T2的比值T 2/T 1=1.1-3。T 2/T I的比值越大，沿管I和2的溫度梯度越大。沿著非均勻加熱壁氣體熱滑速率線性地取決於溫度梯度。因此T2/T1比值的增大將會提高泵的效率。然而，非常高的溫度(高的溫差)可能會導致泵結構的損壞，例如損壞加熱器或管1、2的直度。
[0039]c)大半徑管I的長度L與其半徑的比L/R=2 -1, 000 ;小半徑U形管2的長度I與其半徑r的比例如是l/r=2 -1, 000。管I和管2的長度的選擇應使得管兩端的氣體的溫度等於矽片的溫度。因此管不應太短。 如果在泵中安裝非常長的管是沒有意義的，因為它不會帶來更高的效率，卻增加了體積。
[0040]實施例1
[0041]當泵的幾何參數為R/r=5，L/R=5，l/r=5，並且熱區與冷區溫度比是T2/T1=1.2，在最佳方式中的泵的級聯將會給出大約等於1.07的端部的壓力比。因此，有必要使用約100個級聯，從而泵出容器具有760Torr至ITorr的壓力。
[0042]實施例2
[0043]當泵的幾何參數為R/r=1000，L/R=1000，l/r=1000,並且熱區與冷區溫度比是T 2/ T 1=3.0，在最佳方式中泵的一個級聯將會給出大約等於1.65的端部的壓力比。因此，有必要使用約13個級聯，從而泵出容器具有760Torr至ITorr的壓力。
[0044]實施例3
[0045]提供以下的裝置參數關係:
RAfI
[0046]r〈50nm，一>5，^>5?^>10t->10sr,>f；
rr Rr一
[0047]在該例子中，裝置的可操作性是通過在裝置的計算機模擬期間對轉化方程進行數值求解的方式計算確定的。
[0048]與線性經典構造(模擬)不同，大半徑管I可以以泵佔據用於它的系統區域的方式來設置。大半徑管I之間是通過小半徑U形管2相互連接。為了增大泵的抽運速率，多個小半徑U形管連接著每個大半徑管I。
[0049]可按照以下方式操作該裝置。
[0050]泵與容器或待泵出的裝置密封地連接。[0051]電流發生器對金膜(板)5施加電壓，從而使它們加熱。
[0052]在由泵壁上的非均一溫度分布引起的熱滑效應的影響下，氣體從待泵出容器流向接收容器。
[0053]泵的運行是由改變在金膜(板)5上的電壓來控制的，這會帶來熱區的溫度改變以及泵端部的壓力比的改變。
[0054]在達到要求的真空度後，泵與容器或泵出裝置斷開，並且將電流發生器關閉。
[0055]所提出的發明的運行是由裝置的計算機模擬來分析的。泵中的氣體流是由玻爾茲曼動力學方程運用相關起始和邊界條件數字求解的方式來檢驗的。
[0056]玻爾茲曼動力學方程具有以下形式:
【權利要求】
1.氣體微型泵，包括連續的柱形分離管，其包括相繼連接的至少有兩級交替的小半徑管和大半徑管，其中所述管的一端是熱區，相反端是冷區，其特徵在於所述泵是由交替的大半徑R的直管和小半徑r的U形彎管制成，所述微型泵能在以下參數比的最佳模式下運行:直管的所述大半徑R與U形管的所述小半徑r的比在R/r=2?10000的值域範圍內，所述熱區的溫度T2與所述冷區溫度Tl的比T2/T1=1.1?3.0，所述直管和所述U形管的長度和半徑值被選擇，以確保氣體溫度從所述熱區溫度到所述冷區溫度的所述變化。
2.根據權利要求1所述氣體微型泵，其特徵在於，所述U形管由氣凝膠材料製成。
3.根據權利要求1所述的氣體微型泵，其特徵在於，所述熱區和所述冷區是具有與大半徑管相似的半徑的柱形的矽片。
4.根據權利要求3所述的氣體微型泵，其特徵在於，所述熱區矽片的所述表面包括金膜。
【文檔編號】F04B19/24GK103502642SQ201280019603
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2012年2月13日 優先權日:2011年4月19日
【發明者】尤裡·伊瑞維奇·克魯斯, 費利克斯·格瑞戈瑞維奇·切列米辛, 丹尼斯·弗拉基米羅維奇·馬丁諾夫 申請人:俄羅斯聯邦政府預算機構《聯邦軍事、特殊及雙用途智力活動成果權利保護機構》, 莫斯科物理技術學院（Mipt）