(57)【要約】プラットフォームと、プラットフォームの周囲に連結され、加圧ガスを維持する包囲空間をプラットフォーム下方に提供するスカートと、包囲空間内でガスを加圧するためにプラットフォームに連結された推力推進装置とを備える可動サポートプラットフォームが開示される。推力推進装置は、プラットフォーム下方の包囲空間の中にガスを押し出すガス推進デバイスアレイ「分散型スラスタ」を含む。分散型スラスタは、ナノ分子固体電気力学スラスタ（ＮＭＳＥＴ: Nano Molecular Solid-state Electrodynamic Thrusters）で構成できる。
2014512294.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラットフォームと、
プラットフォームの周囲に連結され、プラットフォームと走行面との間に加圧ガスを維持するために、プラットフォーム下方に包囲空間を規定するスカートと、
包囲空間内でガスを加圧するためにプラットフォームに連結された推力推進装置とを備え、
推力推進装置は、プラットフォーム下方の包囲空間の中にガスを押し出すガス推進デバイスアレイで構成され、
前記複数のガス推進デバイスの各々が、
・スタック状に配置された、少なくとも第１層および第２層と、
・スタックおよびプラットフォームに配置された、少なくとも１つのスルーホールであって、前記層の各々の表面がスルーホールの内部に露出しているスルーホールと、
・個々のガス推進デバイスの第１層および第２層を選択的に加熱及び／又は冷却する加熱／冷却デバイスと、で構成される、
可動サポートプラットフォーム。
【請求項２】
ガス推進デバイスの各々の加熱及び／又は冷却は、コントローラによって選択可能である請求項１記載の可動サポートプラットフォーム。
【請求項３】
ガス推進デバイスの各々が、対応する加熱及び／又は冷却デバイスを含む請求項１記載の可動サポートプラットフォーム。
【請求項４】
ガス推進デバイスの各々が、１つ又はそれ以上のＮＭＳｅｔデバイスで構成される請求項１記載の可動サポートプラットフォーム。
【請求項５】
ＮＭＳｅｔは、鋸歯形状に積層されている請求項４記載の可動サポートプラットフォーム。
【請求項６】
ＮＭＳｅｔは、三角形状に積層されている請求項４記載の可動サポートプラットフォーム。
【請求項７】
加熱／冷却デバイスは、ペルチェデバイスである請求項１記載の可動サポートプラットフォーム。
【請求項８】
加熱／冷却デバイスは、第１層と第２層の間に電界を確立する電場増強熱電子放出(Field-Enhanced Thermionic Emission)デバイスを設置している請求項１記載の可動サポートプラットフォーム。
【請求項９】
スカートは、水平推力を供給するように配置されたガス推進デバイスで構成される請求項１記載の可動サポートプラットフォーム。
【請求項１０】
スカートは、走行方向に合力を発生する請求項９記載の可動サポートプラットフォーム。
【請求項１１】
プラットフォームと、
プラットフォームと走行面との間にある包囲空間内に加圧ガスを維持するための手段と、
包囲空間内のガスを加圧するための手段とを備え、
ガスを加圧するための手段は、プラットフォーム下方の包囲空間の中にガスを押し出すガス推進デバイスアレイで構成され、
前記複数のガス加圧デバイスの各々が、
・スタック状に配置された、少なくとも第１層および第２層と、
・スタックおよびプラットフォームに配置された、少なくとも１つのスルーホールであって、前記層の各々の表面がスルーホールの内部に露出しているスルーホールと、
・個々のガス加圧手段の第１層および第２層を選択的に加熱／冷却するための手段と、で構成される、
可動サポートプラットフォーム。
【請求項１２】
加熱及び／又は冷却手段を選択するための手段を備える請求項１１記載の可動サポートプラットフォーム。
【請求項１３】
ガス加圧デバイスの各々が、対応する加熱及び／又は冷却手段を含む請求項１１記載の可動サポートプラットフォーム。
【請求項１４】
ガス加圧デバイスの各々が、１つ又はそれ以上のＮＭＳｅｔデバイスで構成される請求項１１記載の可動サポートプラットフォーム。
【請求項１５】
ＮＭＳｅｔは、鋸歯形状に積層されている請求項１４記載の可動サポートプラットフォーム。
【請求項１６】
ＮＭＳｅｔは、三角形状に積層されている請求項１４記載の可動地面効果プラットフォーム。
【請求項１７】
加熱／冷却デバイスは、ペルチェデバイスである請求項１１記載の可動地面効果プラットフォーム。
【請求項１８】
加熱／冷却手段は、第１層と第２層の間に電界を確立するための手段である請求項１１記載の可動サポートプラットフォーム。
【請求項１９】
ガス維持手段は、水平推力を供給するように配置された横方向ガス推進デバイスで構成される請求項１１記載の可動サポートプラットフォーム。
【請求項２０】
ガス維持手段は、走行方向に合力を発生する請求項１８記載の可動サポートプラットフォーム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（相互参照）
本発明は、本願は、米国仮出願（６１／２３９４４６号（２００９年９月３日出願）、６１／２６４７７８号（２００９年１１月２７日出願）、６１／２９６１９８号（２０１０年１月１９日出願）、６１／４４８５８９号（２０１１年３月２日出願））およびＰＣＴ国際出願（ＵＳ２０１０／００２４２８号（２０１０年９月３日出願）への参照を含み、これらの全体内容は参照によりここに組み込まれる。６１／４４８５８９号（２０１１年３月２日出願）について優先権を主張する。
【０００２】
本開示は、一般に可動式輸送システムの分野に関し、特に地面効果(ground effect)を用いてホバリングを行う輸送システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
ホバークラフトは、下向きファンによって作られ、船体下方の可撓性スカート内で維持されるエアクッションを用いて、地面または水面の上を移動する乗り物である。ホバークラフトは、地面または水面の上で重量物を高速に運搬できる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、他のタイプの動力車両と比べて、ホバークラフトは、大型で騒々しく危険である。住宅エリアでホバークラフトを運転することは、許容できないレベルのノイズとリスクを伴うであろう。その結果、ホバークラフトの民生用途は限界がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
プラットフォームと、プラットフォームの周囲に連結され、加圧ガスを維持する包囲空間をプラットフォーム下方に提供するスカートと、包囲空間内でガスを加圧するためにプラットフォームに連結された推力推進装置とを備える可動サポートプラットフォームが開示される。推力推進装置は、プラットフォーム下方の包囲空間の中にガスを押し出すガス推進デバイスアレイ、例えば、「分散型マイクロスラスタ」または「分散型スラスタ」を含む。分散型スラスタの一例がＮＭＳＥＴであり、その一実施形態が第１層と第２層を含み、スタック状に配置され、スタック内に少なくとも１つのスルーホールを含む。前記層の各々の表面がスルーホールの内部に露出している。加熱／冷却デバイスが、個々のガス推進デバイスの層を選択的に加熱及び／又は冷却できる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】ヒートポンプを示す。これは、ペルチェ板、熱電子放出により駆動される板、または他の任意の好適な手段であってもよい。
【図２】図１のヒートポンプの周囲のガスフローパターンを示す。
【図３】平行な高温壁および平行な低温壁を有する正方形の箱の中に閉じ込められたガスを示す。
【図４】鋸歯形状を有するナノ分子固体電気力学的スラスタ（ＮＭＳＥＴ）の積層体に加わる合力を示す。
【図５】鋸歯形状を有するＮＭＳＥＴ積層体の周囲のガス粒子速度を示す。
【図６】熱トンネル効果による改善されたペルチェ効果を示す。
【図７】放物線形状を有するＮＭＳＥＴ積層体を示す。
【図８】図７のＮＭＳＥＴ積層体の周囲のガスフローパターン、およびそのガスの運動量空間を示す。
【図９】三角形状を有するＮＭＳＥＴ積層体を示す。
【図１０】三角形状を有するＮＭＳＥＴ積層体の周囲のガスの運動量空間を示す。
【図１１】鋸歯形状を有するＮＭＳＥＴ積層体を示す。
【図１２】鋸歯形状を有するＮＭＳＥＴ積層体の周囲のガスの運動量空間を示す。
【図１３】ＮＭＳＥＴの断面図であって、固体ヒートポンプの内部構造を示す。これらのヒートポンプは、ペルチェ効果、熱電子放出または他の任意の好適な手段により駆動できる。
【図１４】図１３のＮＭＳＥＴの斜視図であって、固体ヒートポンプの内部構造を示す。
【図１５】ＮＭＳＥＴの斜視図であって、固体ヒートポンプの外部構造を示す。
【図１６】図１５のＮＭＳＥＴの断面図であって、固体ヒートポンプの外部構造を示す。
【図１７】ＮＭＳＥＴの斜視図であって、非固体ヒートポンプの外部構造を示す。
【図１８】段差構造(staged arrangement)を有するＮＭＳＥＴの断面図を示す。
【図１９】直線形状を有するＮＭＳＥＴを示す。
【図２０】ＮＭＳＥＴの１つの例示的な製造方法を示す。
【図２１】ＮＭＳＥＴの別の例示的な製造方法を示す。
【図２２】熱遷移デバイスを示す側面断面図である。
【図２３】熱遷移デバイスの動作を示す側面断面図である。
【図２４】熱遷移デバイスを示す側面断面図であって、１つの延長層および複数の傾斜壁を示す。
【図２５】図２４に示す熱遷移デバイスの上面断面図である。
【図２６】熱遷移デバイスの側面断面図であって、１つの延長層、およびウェットエッチングまたはドライエッチングされた壁部を示す。
【図２７】図２６に示す熱遷移デバイスの上面断面図である。
【図２８】熱遷移デバイスの側面断面図であって、２つの延長層および傾斜壁を示す。
【図２９】一実施形態に係る熱遷移デバイスの初期の製造工程における断面図である。
【図３０】図２９に示す熱遷移デバイスの次の製造工程における断面図である。
【図３１】図３０に示す熱遷移デバイスの次の製造工程における断面図である。
【図３２】図３１に示す熱遷移デバイスのさらに次の製造工程における断面図である。
【図３３】熱遷移デバイスの断面図であって、構造内で形成される島状部を示す。
【図３４】本開示内容に係る制御システムの一実施形態の上面図である。
【図３５】図３４に示す制御システムの上面図であって、一連の接続経路への電力供給動作を示す。
【図３６】図３４に示す制御システムの上面図であって、１つの電源ラインの故障の影響を示す。
【図３７】本開示内容に係る耐故障性機能を備えた制御システムの一実施形態の上面図である。
【図３８】制御システムの別の実施形態の上面図であって、複数の分散型スラスタからなるより大きいアレイを制御するように設計された、図３４のものより大きい制御システムを示す。
【図３９】制御システムの別の好適な実施形態の上面図であって、複数の分散型スラスタからなるより大きいアレイを制御するように設計された、図３８のものより大きい制御システムを示す。
【図４０ａ】本開示内容の別の実施形態の上面図であって、制御システムが標的領域を駆動したときの第１および第２の作動領域(affected area)を示す。
【図４０ｂ】図４０ａに示す実施形態の断面図であって、交差電源ラインがデバイスの加熱側に配置されている。
【図４０ｃ】図４０ａに示す実施形態の別の断面図であって、交差電源ラインがデバイスの両側に配置されている。
【図４１ａ】本開示内容に係る、電気絶縁材および／または断熱材を含む別の実施形態の上面図を示す。
【図４１ｂ】図４１ａに示す実施形態の断面図であって、交差電源ラインがデバイスの加熱側に配置されている。
【図４２ａ】複数の分散型スラスタからなるアレイの格子構造を示す上面図であって、この分散型スラスタは、制御システムが利用する１つの電源ラインおよび複数の支流ラインを含む。
【図４２ｂ】図４２ａの上方に配置された中間絶縁層の上面図である。
【図４２ｃ】図４２ｂの上方に配置された制御システムが利用する１つの電源ラインおよび複数の支流ラインからなる格子構造の上面図であって、１つの電源ラインの交差点において複数の標的点が形成される。
【図４３】温度勾配を形成するための概略図である。
【図４４】温度勾配を形成するための概略図である。
【図４５】温度勾配を有するデバイス内での温度の有効な増減を示すグラフである。
【図４６】本開示内容に係る水平行および垂直列に配列された複数のスラスタ領域の上面断面図である。
【図４７】複数のスラスタ領域の上面断面図であって、スラスタ領域を駆動した際の隣接する領域の加熱効果を示す。
【図４８】本開示内容に係る複数の温度勾配デバイスのうちの温度勾配デバイスの駆動シーケンスを示す。
【図４９Ａ】例示のエアクッション式輸送機関の横断面図である。
【図４９Ｂ】エアクッション式輸送機関の平面図である。
【図４９Ｃ】推力を生成するために用いられるガスフローを示す、エアクッション式輸送機関の横断面図である。
【図５０】移動中の例示のエアクッション式輸送機関の横断面図である。
【図５１Ａ】スカートが複数の分散型マイクロスラスタ表面で形成されている輸送機関の一例を示す。
【図５１Ｂ】スカートが複数の分散型マイクロスラスタ表面で形成されている輸送機関の一例を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
添付の請求項で規定される本発明の方法、デバイスおよびシステムについて、例示的な実施形態によって以下で説明することになるが、本発明はこれに限定されない。添付の図面と以下の説明において、本開示内容の１つ以上の実施形態の詳細について説明している。他の特徴、目的および利点は、説明、図面および請求項から明らかになるであろう。
【０００８】
［総論］
好ましい実施形態で、分散型スラスタの一例は、本明細書で説明するナノ分子固体電気力学的スラスタ（Nano Molecular Solid-state Electrodynamic Thrusters:ＮＭＳＥＴ）と呼ぶことができるデバイスである。ＮＭＳＥＴの動作の基礎は、ＮＭＳＥＴを利用する態様に応じて、推進、接着、圧縮および冷却といった複数の分野にＮＭＳＥＴを応用することを可能とする。好ましい実施形態で、ＮＭＳＥＴおよび関連する分散型スラスタデバイスは、調整可能な流速を用いて、軽量かつコンパクトで、エネルギ効果的なガス圧力差を作り出す。
【０００９】
［推進］
幾つかの実施形態で、ＮＭＳＥＴのような分散型スラスタは、ガス推進の分野で下記の複数の改良点の１つ以上を提供できる。
１．改良した弾性：従来のガス推進システム内の任意の領域に対する損傷は、システム全体の故障につながる可能性があった。分散型スラスタは、向上した冗長性(redundancy)とロバスト性を提供する。
２．軽量：電気駆動される分散型スラスタは太陽電池薄膜を利用でき、その場合燃料負荷がなくなる。さらに、分散型スラスタシステム内の各スラスタは局所的なガス圧力差を作り出すので、このようなガス推進システムの構造的完全性を維持するために、この局所的な影響により、同じガスフロー体積を生成する非分散型ガス推進システムで通常必要とされるであろうものより小さいか、または軽い装置が必要となることがある。
３．スケーラビリティ：従来のガス推進システムを容易に拡大縮小する(scale)ことはできない。小型の航空機に最適なターボジェットは、大型の航空機に最適なターボジェットを縮小したものではない。分散型スラスタは、拡大縮小が容易である。なぜなら、スケーリングは、個々のスラスタ寸法をほぼそのままにして、まずスラスタの量を変化させるからである。
４．応答時間：より小型の推進力生成デバイスは、より高速で取り込み(spool up)と送り出し(spool down)を行う。分散型スラスタガス推進システムから得られる推進力は、ニーズの変化に応じて容易に調節できる。
５．電力非依存性(power independence)：従来の推進システムの多くは、動作するために特定のタイプまたはクラスの燃料を必要とする一方で、例えばＮＭＳＥＴのような分散型スラスタの幾つかの実施形態は、電気が作る温度差源のみを必要とする。
６．グリーン推進：分散型スラスタの幾つかの実施形態、例えばＮＭＳＥＴの幾つかの実施形態は、動作に電気入力を必要とし、化石燃料を必要としない。それゆえ、必要とされる電流を生成する無公害の方法を使用する場合には、通常の動作中に汚染排気ガス（例えば、一酸化炭素、窒素酸化物等）は生成されない。
【００１０】
［接着］
幾つかの実施形態で、例えばＮＭＳＥＴのような分散型スラスタは、吸引を通じて面に接着する軽量の機械的接着材として使用できる。接着を解消する(reverse)ために必要である唯一のステップは、幾つかの実施形態においてシステムに加わる電力をカットすることであるので、当該プロセスは可逆的とすることができる。このようなシステムの使用は、当該システムが、接着されて平坦性や導電性を有するような材料を必要とせず、また残渣を残さない点で、静電接着を上回る利点を提供できる。他の機械的な接着プロセスと比較すると、このようなシステムの使用は、接着面の前処理を必要としないであろう。
【００１１】
［ガス圧縮］
例えばＮＭＳＥＴのような分散型スラスタは、表面を流れるガスフローを駆動するように配列できるので、加圧型容器のすべてまたは一部がガス圧縮を提供するように機能してもよい。したがって、幾つかの配列では、分離したポンプ容器(containment)と加圧型容器は必要とされないことがある。さらに、一般に、このようなシステムの動作は短い距離にわたって生じるので、幾つかの実施形態では、複数段の分散型スラスタを積層することにより、充分にコンパクトな圧縮機として当該システムを使用できる。従来のガス推進システムは、典型的にセンチメートルの長さスケール、ときにはメートルの長さスケールで動作する。このように、従来の推進システムを積層することは、複雑で高価となる傾向がある。対照的に、分散型スラスタは、より小さいスケール、例えばマイクロメートルで動作するように包装できる。さらに、このようなシステムの汎用性は、高圧ポンプや標準の大気ポンプ(atmospheric pump)として、あるいは充分な数の段を用いて高真空ポンプとして機能するように、当該システムを容易に構成できることを意味する。
【００１２】
［ＮＭＳＥＴデザイン］
一態様および実施形態で、ＮＭＳＥＴおよび本明細書で説明する、関連する幾つかのデバイスは、システムに接触しているガス中でのエントロピーを低下させることにより機能すると考えることができる。このようなデバイスは、必要に応じて、システムの非効率性を通じて失われたエネルギに加えて、例えば熱エネルギをガスに追加できる。別の態様および実施形態で、ＮＭＳＥＴおよび関連する幾つかのデバイスの形状は、ガスフローの向きと使用の利便性に影響を与えうる。さらに、ＮＭＳＥＴおよび関連する幾つかのデバイスの実施形態は、スケールパラメータの併用、有利な分子反射特性、形状、設計、効率性の大幅な増加を与えるエレメントの構造と配列、および／またはより高い周囲圧力で動作し、かつ／またはより大きい流速を作り出す能力により、従来の熱遷移デバイス(thermal transpiration)等と区別できる。好ましい実施形態で、最小限の熱力学的損失である特定の方向で強いガスフローを作り出すことができ、かつ／または、より大きい周囲圧力で動作でき、かつ／または、より大きい流速を作り出すことができる、これらおよび他のパラメータの説明と併せて、ＮＭＳＥＴの種々の例示的な実施形態について、本明細書で説明している。
【００１３】
ＮＭＳＥＴによるガス中のエントロピーの低下は、ガスの運動量空間ｋ内の変換Ａで表すことができる。一組の好適な基底(base)が運動量空間ｋについて選択されると、Ａを行列で表すことができる。変換された運動量空間Ａｋの期待値がゼロでない場合、ＮＭＳＥＴは、運動量保存則により、期待値の反対方向で全運動量(net momentum)を受ける。
【００１４】
ＮＭＳＥＴの形状は、より効果的に機能するように最適化できる。ＮＭＳＥＴの形状は、変換行列Ａに影響を与える。単位行列Ｉに本質的に等しい行列Ａを生成する形状は、全運動量のバイアスを作らない（すなわち、変換された運動量空間Ａｋがゼロ以外の期待値を持たないようにする）。正しくは、ガスの渦が生じてもよい。Ａのより大きい固有値を生じさせる形状は、より効果的な機能、例えば、特定の方向に移動するガス粒子がより大きい運動量を運搬するという機能を示す傾向がある。
【００１５】
一例として、図１に示すように、ガス中のヒートポンプ１００を考える。ヒートポンプ１００は、上部層１０１と下部層１０２とを備える。簡単にするために、下部層１０２から上部層１０１の方向を向くｙ軸で、デカルト座標系を規定する。温度差は、層の間のペルチェ素子（図示せず）や、上部層１０１がガスより低温で下部層１０２がガスより高温となるような任意の好適な手段により確立される。簡単にするために、ヒートポンプ１００は、１００％のカルノーサイクル効率性を有すると仮定できる。しかし、他の効率性も考えられる。この場合、ヒートポンプ１００は、真の熱をガスまで伝達させないことになる。ヒートポンプ１００によるガス運動量空間ｋへの変換は、エルミート行列Ａにより表現できる。ガス粒子（分子または原子）が下部層１０２と衝突する場合、衝突が非断熱的であると仮定すると、ガス粒子は跳ね返って衝突前より高速となる。ガス粒子が上部層１０１と衝突する場合、衝突が非断熱的であると仮定すると、ガス粒子は上部層１０１で跳ね返って衝突前より低速となる。ヒートポンプ１００は、ｙ方向に合力(net forces)を感知する。換言すると、下部層１０２は高温となって下部層１０２より下のガスの圧力を増加させる一方で、上部層１０１は低温となって上部層１０１より上のガスの圧力を減少させる。圧力差により、ヒートポンプ１００にｙ方向の力が加わる。ガスの運動量空間ｋの変換に関して、上部層１０１から跳ね返ったガス粒子は、下部層１０２から跳ね返ったガス粒子より小さい運動量を持って離れるので、変換された運動量空間Ａｋは、−ｙ方向で優先的に歪み、すなわち変換された運動量空間Ａｋの期待値ｐはゼロでなく、向きは−ｙ方向である。閉じた系（すなわち、他の物体との相互作用がない）をガスとヒートポンプ１００が構成すると仮定すると、ヒートポンプ１００は、運動量−ｐを得て、閉じた系の全運動量が保存される。
【００１６】
図１中のヒートポンプ１００の形状が方向性の力(direction force)を発生させるが、それは以下の理由のために特定の状況では実用的でない。
１．ヒートポンプ１００が大きい場合、ヒートポンプ１００のｙ方向に沿った並進運動により、ガスは強制的にヒートポンプの縁を一周して流れる。
２．熱の大部分は、ガスの対流を通じてヒートポンプ１００の表面から伝達される。
３．表面近くのガスは、断熱効果を有する。図２に示すように、ヒートポンプ１００とガスとの間の運動量の移動は、板の縁の近傍を除いて効果的でない。
４．ヒートポンプ１００の表面積は、その凸包(convex hull)の表面積である。
【００１７】
これらの問題はすべて、非常に少量のガスが任意の直接的な表面接触を有するという１つの核心問題に関する。したがって、より複雑な形状が有利な場合がある。本明細書では、３つの異なる形状を用いた例示的な実施形態について説明する。
【００１８】
［動作原理］
ＮＭＳＥＴまたは関連するデバイスの多くの異なる形状が可能であるが、ＮＭＳＥＴの動作原理は同一のままである。いずれかの特定の理論に限定されることは望まないが、動作は、エネルギを使用して、幾つかのデバイス表面でのエントロピーを低下させ、低下したエントロピーを表面に接触するガスに伝達する。デバイスは、ガス温度を上昇させることにより、必要に応じてガスにエネルギを提供できる。それゆえ、ＮＭＳＥＴの機能は３つの領域に分割できる。すなわち、デバイス表面でエントロピーを低下させる手段と、低下したエントロピーをガスに伝達する手段と、ヒートポンプのカルノーサイクルの非効率性以外の方法によってガスの温度を上昇させるオプションの手段とである。
【００１９】
［温度差］
ＮＭＳＥＴまたは関連するデバイスが動作するためには、材料層の間の温度差、より正確には対向する２つの面の温度差が一般に必要とされる。本明細書で説明する好ましい実施形態では、固体電気力学的メカニズム、すなわちＮＭＳＥＴの「ＳＥ」において、温度差を確立できる。しかし、本明細書で説明するデバイスと方法は、電子デバイスや純粋な固体デバイスに限定されない。例えば、流体冷却剤、発熱化学反応または他の化学的熱源を使用して、燃焼からの熱伝導により温度差を確立してもよい。以下で説明するように、単純な抵抗加熱、ペルチェ効果、熱電子放出(thermoionic emission)、熱トンネル効果による改善された(thermo-tunneling enhanced)ペルチェ効果、または他の任意の好適な手段により温度差を確立してもよい。二物体間に温度差を確立する手段は、２つの特性により現象学的に説明できる。すなわち、エントロピーの減少（二物体間での熱伝達）と非断熱性（環境と二物体との間での全熱伝達）である。
【００２０】
一実施形態では、温度差を確立するためにペルチェ効果を使用できる。ペルチェ効果は、２つの接合部で接合されかつペルチェ係数が異なる２つの材料から構成されたループを印加電流が流れる際に発生する。電流の方向に応じて、一方の接合部から他方の接合部に熱が流れ、これにより接合部間に温度差が確立される。ペルチェ効果は、以下のように理解できる。すなわち、材料内での電荷キャリアの熱容量は、当該材料内で単位電荷キャリア当たりに運搬される熱量であるペルチェ係数Пにより特徴付けられる。ペルチェ係数ПＡの材料Ａとペルチェ係数ПＢの材料Ｂとの接合部を電流Ｉが流れる場合、電荷キャリアが単位時間に接合部に運搬する熱量は、Ｉ×（ПＡ−ПＢ）である。
【００２１】
理想的なペルチェ効果は、局所的にエントロピーを減少させ、かつ断熱的である。ジュール熱および／またはカルノーサイクルの非効率性を無視できると仮定すると、ペルチェ効果では、一接合部から他の接合部に熱伝達されるが、２つの材料のループ内には熱が加わらない。このエントロピーの減少は、ＮＭＳＥＴおよび関連するデバイスの積層可能性（stackability）において利点を提供できる。結果として、ペルチェ効果は、幾つかの実施形態に特によく適する。
【００２２】
この実施形態では、２つの表面間の電流を電源が駆動する。電子および／または正孔のような電荷キャリアは、電流内を流れる際に熱を運搬し、これにより、２つの表面間には更なる温度差が作成される。温度差が確立されると、エントロピーは減少する。
【００２３】
フォノンの流れは、ペルチェ効果により確立された温度差を減少させる。フォノンが自由に流れることができる場合（すなわち、無限の熱伝導率またはゼロ熱容量）、それらの流れは、ペルチェ効果により確立された温度差を相殺することになる。ペルチェ効果の効率性は、電気抵抗と熱コンダクタンスを減少させることにより増加させることができる。
【００２４】
熱コンダクタンスを減少させる１つの方法は、電流経路に狭い真空ギャップを設けることである。フォノンは真空ギャップを容易には通過できないが、電荷キャリアは真空ギャップに対して交差する(across)電圧の下で通過できる。これは、熱トンネル効果による改善されたペルチェ効果（または熱トンネル冷却(thermotunnel cooling)）と呼ばれる。図６は、熱トンネル効果による改善されたペルチェ効果の略図を示す。電荷キャリア６０１は、真空ギャップ６０２を通り抜けることができる。
【００２５】
一般に、熱トンネル効果による改善されたペルチェ効果は、真空ギャップ近傍での電荷キャリアの挙動を制限し、トンネル確率を増加させる可能性がある表面形状と材料を選択して増強されない限り、高温または高電圧でのみ重要となる。例えば、好適な表面コーティングと構造は、電荷キャリアの低エネルギ状態でなく、真空ギャップ近傍での電荷キャリアの高エネルギ状態のみを可能とするフィルタとして機能することができる。
【００２６】
別の実施形態では、電界増強された熱電子放出により温度差を作成および維持できる。熱電子放出は、ポテンシャルエネルギ障壁を越えた電荷キャリアの、熱により誘導された流れである。電荷キャリアは、電子またはイオン（すなわち、熱電子）であってもよい。簡単な近似で、ポテンシャルエネルギ障壁は、その高さよりも小さい熱エネルギを有するキャリアを抑制し、その高さよりも高い熱エネルギを有するキャリアが溢れ出る(flow over)ようにするという点で、ダムのように動作する。溢れ出たキャリアがポテンシャルエネルギ障壁を通過するときに、熱が一緒に運び出される。ポテンシャルエネルギ障壁の後方に残ったキャリアは、再熱運動化(re-thermalize)（エネルギにおける再分配）してより低い温度へ至る。無視できない少量のキャリアが、ポテンシャルエネルギ障壁を超えるのに充分大きい熱エネルギを有するように、通常、熱電子放出には摂氏数百度の動作温度が必要となる。ポテンシャルエネルギ障壁の高さを低下させると共に、必要とされる動作温度を低下させることにより、電界が熱電子放出を支援できる。
【００２７】
また、ＮＭＳＥＴまたは関連するデバイスにおける温度差は、抵抗加熱（以下で説明する）を使用することにより、および／または好適な化学処理により確立できる。デバイスの全体温度を上昇させず温度差を維持するために、例えば大気に対して曝露されたヒートシンクのような幾つかの冷却手段を設けることができる。どのような冷却手段を使用しても、デバイスの高温側表面が低温側表面と同程度に効果的に冷却（例えば断熱により達成可能な）されなければ、温度差はより顕著となる。
【００２８】
［力の生成］
一態様で、全推進力の生成は、確立された温度差からガスへの減少したエントロピーの伝達であると考えることができる。理論に縛られることは望まないが、断熱処理として、ガス中で動作する単一のデバイスについて考える。この例では、ペルチェ効果等の好適な手段により、高温層(hot layer)と低温層(cold layer)との間の温度差を確立できる。簡単にするために、ガスとデバイスとの間で正味の熱は伝達されないと仮定する。ガス粒子は、高温層と低温層に等確率で衝突することになり、ガス粒子とこれらの層との相互作用は、高温層と低温層の表面近傍で、ガスの局所的な運動量空間に影響を与えることになる。ガスと表面が異なる温度を有する場合、高温層と低温層の表面に充分に近接したガスの局所的な運動量空間は、ゼロでない期待値を有する。また、どのガス粒子も表面を貫通しないと仮定すると、ガス粒子は入斜運動量と異なる運動量を持って表面から跳ね返り、表面法線に沿って運動量空間を歪ませる。歪みの大きさは表面とガスとの間の温度差に直接に関係する。
【００２９】
ランダム状の配列で（すなわち、種々の表面位置での表面法線は、ランダムな方向を向く）、ガスの局所的な運動量空間の期待値の加重和はほぼゼロであり、それは結果として全推進力をほぼ生じさせない。しかし、最適化された形状のＮＭＳＥＴでは、ガスの局所的な運動量空間の期待値の加重和をゼロでない値とすることができ、それは全推進力につながる。
【００３０】
ゼロでない全推進力を有する配列の簡単な例を前述の通り図１に示す。巨視的な対流ガスフローと渦の形成が、エントロピーを増加させると共に有効な仕事量を制限するので、この形状はあまり効果的でない。例示的な対流ガスフロー１２０，１３０を図２に示す。周囲温度のガス１１０は、低温層１０１に向かって流れ、冷却される。冷却されたガスフロー１２０は、低温層１０１から離れてヒートポンプ１００の縁周りを流れる。加熱されたガス１３０は、高温層１０２から離れて流れる。
【００３１】
説明を簡単にするために、ニュートンの第２法則と気体運動論の観点からシステムについて考えることが有効であろう。図１と２のヒートポンプ１００の周囲で、層１０１と１０２の温度によってガスの温度がひとくくりにされる(bracketed)と仮定すると、層１０２と衝突したガス粒子は、衝突前より大きい運動量を持って層１０２から離れる。同様に、層１０１と衝突したガス粒子は、衝突前より小さい運動量を持って層１０１から離れる。ガス圧力はガス粒子の運動量に直接に関連するので、層１０２近傍のガスは、層１０１近傍のガスより高い圧力を有する。この圧力バイアスは、ヒートポンプ１００全体をｙ方向に押す。
【００３２】
別の実施形態で、ヒートポンプ１００は、層１０１と層１０２との間に少なくとも１つのスルーホールを有することができる。ガスは、ガスのより大きい加熱速度を可能とするホールを通り、層１０１から層１０２に向けて自発的に流れる。このような優先的な(preferential) ガスフローを熱遷移と呼ぶ。層１０１近傍のガスが温度Ｔｃ、圧力Ｐｃであり、層１０２近傍のガスが温度Ｔｈ、圧力Ｐｈであると仮定し、以下の式が満たされると、熱遷移により、ガスがホールを通って層１０１から層１０２に流れる。
【００３３】
【数１】
2014512294.tif 000003
【００３４】
効率性を向上させるために、ガスフロー内に従来の制限が存在する場合について理解することが有効である。クヌーセン数が現れる辺りの長さスケールでは、ガスフローの対流の説明は機能しない(break down)。結果として、幾つかの態様で、ガスの平均自由行程は、ＮＭＳＥＴの有利な形状を決定する際の有効なパラメータとなる。
【００３５】
例えば、１０ｎｍの平均自由行程を有する特定の圧力のガスを考える。図３に示すように、このようなガスの雲が、２０ｎｍ×２０ｎｍの２次元の正方形の箱の中に閉じ込められた場合、ガス粒子は、１０ｎｍの移動範囲内で、近似的に、それが箱の壁と衝突する可能性があるのと同じように、別のガス粒子と衝突する可能性があるだろう。箱の壁が加熱される場合、小さい箱は大きい箱よりも速く中のガスと熱力学的平衡に達することになる。これは、小さい箱中のガス粒子は、壁と衝突して熱交換する多くの機会を持つからである。一般に、ガスでの衝突の多くがガス粒子と表面との衝突である場合、平均自由時間（ガス粒子が平均自由行程を移動する時間）内に熱力学的平衡を近似的に達成できる。
【００３６】
このため、幾つかの実施形態では、ＮＭＳＥＴおよび関連するデバイスの個々の特徴の特性スケールは、ナノスケール、すなわちＮＭＳＥＴの「ＮＭ」であってもよい。しかし、本明細書で説明した方法とデバイスは、ナノスケールの実施形態に限定されないことを理解する必要がある。平均自由行程パラメータは、幾つかの実施形態と使用において、より大きいスケールの特徴を利用できるように、ガス密度に依存する。さらに、本明細書で説明しているように、複数のＮＭＳＥＴおよび関連するデバイスエレメントは、大きい表面にわたる動作を提供するように組み合わせることができる。例えば、図１５，１６，１７に示すように、ＮＭＳＥＴのような分散型スラスタを、有利にはアレイ内またはアレイの配列(array)内に配置して、大きい表面間にわたって、方向性を有するガスの移動を提供できる。また、例えばＮＭＳＥＴのような分散型スラスタは、例えば図１８Ａから１８Ｄに示すように、１段以上で配置して、より大きい圧力差が達成されるようにすることができる。図１８Ａは、多段の分散型スラスタ、例えばＮＭＳＥＴの配列１８００のアレイの断面図を示す。各段の配列１８００は、図１８Ｂから１８Ｄで拡大して図示したＮＭＳＥＴ１８４０，１８５０，１８６０のような分散型スラスタからなるアレイを含む同心半球状の段１８１０，１８２０，１８３０から構成される。各段での個々の分散型スラスタの開口部１８４５，１８５５，１８６５は、動作中に各前段で受けるだろう周囲圧力の減少に従って、最適な大きさと厚さが大きくなる。
【００３７】
［表面相互作用］
表面間の相互作用は、運動量空間変換行列Ａに影響を与えうる。ガス粒子を介して近接表面が容易にフォノンを交換できる場合、これらの表面でのエントロピーは、渦の成長を通じてフォノンを容易に交換できない表面よりも高速で、局所的に増加することになる。一般に、これがシステムの効率性を低下させることになる。
【００３８】
フォノン交換を減少させることができる１つの方法は、複数の表面間で、任意の共有のベースを制限または削除することである。例えば、図３の箱３００内のガス粒子について考える。箱３００は、互いに平行な２つの平面状の高温壁３０２と、互いに平行な２つの平面状の低温壁３０１とを含む。箱３００の大きさがその中のガス粒子の平均自由行程と同等であり、壁３０１と３０２が完全に鏡面反射性を有する場合、ガス粒子は、独立して、低温壁３０１および高温壁３０２と熱平衡に達することができる。これは、壁の表面法線が、２つの低温壁３０１の間のみまたは２つの高温壁３０２の間のみで共有され、低温壁３０１と高温壁３０２との間では共有されていないからである。結果として、ガス粒子は高温壁３０２と低温壁３０１との間で、運動量を少ししか、あるいはまったく交換できない。これは、ガス粒子間に衝突が生じないと仮定すると、ガス粒子と低温壁３０１との間の相互作用はｘ方向の運動量のみに影響を与え、ｙ方向の運動量に影響を与えず、ガス粒子と高温壁３０２との間の相互作用はｙ方向の運動量のみに影響を与え、ｘ方向の運動量には影響を与えないからであり、また、ｘ方向の運動量はｙ方向の運動量と直交するという事実があるからである。ガス粒子と壁との間で熱平衡に到達した後、ガス粒子はｘ方向よりｙ方向に高速で移動する。
【００３９】
実施上の問題として、表面は通常、完全には鏡面反射性を有しない。しかし、鏡面反射性の表面特性は幾つかの材料で非常に強く存在し、隅部(corner)で対流フローが減少しうる角度が存在する。一般にこの効果はクヌーセン数が大きい場合に観察され、これは、ＮＭＳＥＴおよび関連するデバイスについて、特にナノスケールの実施形態で好ましい条件である。デンマーク人の物理学者のマルティンクヌーセン（１８７１−１９４９）の名を取って名付けられたクヌーセン数（Ｋｎ）は、代表的な物理学的長さスケールに対する分子の平均自由行程の比として定義された無次元数である。本明細書で説明しているＮＭＳＥＴまたは関連するデバイスでの代表的な物理学的長さスケールは、デバイスの開口径の大きさの次数であると解釈される。すなわち、代表的な物理学的スケール長さは、例えば、ナノメートルで開口を測定する場合はナノメートルであり、マイクロメートルで開口を測定する場合はマイクロメートルである。本明細書で開示した、デバイスを使用する好ましい方法では、クヌーセン数は、好ましくは０．１より大きく、または１より大きく、または１０より大きい。
【００４０】
［ＮＭＳＥＴおよび関連するデバイスの最適化方法］
（モデリング）
特定の形状を有するＮＭＳＥＴの性能は、最適化のためのモンテカルロ法によりシミュレートできる。具体的には、任意の所定形状を有するＮＭＳＥＴまたは関連するデバイスについてのシミュレーションが、デバイス周辺でランダムな初期位置と初期運動量を有するガス粒子のグループから開始する。短い時間間隔の後、既知の物理法則、例えば温度や圧力、化学的同一性、デバイスの形状、デバイス表面とガス粒子との間の相互作用等のパラメータを使用して、これら粒子の位置と運動量を初期位置と初期運動量から計算する。シミュレーションは、選択された反復回数繰り返され、シミュレーションの結果が分析される。デバイスの形状は、シミュレーション結果を用いて最適化できる。好ましい実施形態では、シミュレーション分析の結果を用いてデバイスを構成する。
【００４１】
好ましい実施形態では、シミュレーションを下記の表で表すことができる。
【００４２】
【表１】
2014512294.tif 000004
【００４３】
反復回数（ｋ）を経て摂動モデルＭを展開する。最初に、Ｍを初期化して、ソリューションの知識を示さない空集合とする。次に、探索パラメータにより有限の探索空間Ｐから任意の要素が内部で生成されるようなループを開始し、先に学習した知識Ｍを使用してＰに摂動を与える(perturb)。実施に当たっての詳細(implementation detail)として具体的なアルゴリズムを使用し、摂動を与える。
【００４４】
グリッドコンピューティング環境で実行する場合、理想的には全ノード間でＭが同一である必要がある。しかしこれは、本質的に確率的である処理の性質に起因して、必ずしも必要ではない。実際にモンテカルロシミュレーションを実行するＥＶＯＬＶＥ＿ＭＯＤＥＬのステップは、全体の中で断然計算コストが高く、Ｍを同期させるために多くの時間を割く。
【００４５】
具体的なパラメータは、環境に依存する。ユーザが指定できるパラメータは、以下のものを含む。
１．ＣＯ２やＨ２Ｏのような、最大３原子を含む幾つかの実施形態での分子ダイアグラム。
２．構成分子についての部分的な濃度。
３．ガス全体の初期温度と初期圧力。
【００４６】
定常シミュレーションでは、すべての軸で周期的境界を用いたモンテカルロシミュレーションを実行できる。ただし、ｙ軸では、周期的境界に遭遇する粒子は、温度と圧力の設定に従って確率的に温度自動調整化され(thermostatted)、周囲条件がシミュレートされる。ｘ軸では、粒子速度を変更せず、同一デバイスのアセンブリの周期的な集合体(ensemble)を当該方向に沿ってシミュレートする。シミュレーションは、計算の複雑性を減少させるために二次元で実行してもよい。モデル化されたデバイスが円筒対称性を有する場合には、三次元シミュレーションが同様の結果を与える必要がある。一般に、シミュレータは本明細書に示した周期性を使用する必要はなく、境界をまったく特定化しなくてもよいことに留意されたい。境界は、計算上の利便性として規定されるのみである。
【００４７】
好ましい実施形態で、可能なデバイスの形状は、デバイスをその下で使用することになるような条件と、それを構成することになる材料の既知の表面反射特性とを考慮して評価できる。ＮＭＳＥＴおよび関連するデバイスの製造において、幾何学的パラメータは、実際に形状を使用する前にシミュレーションの結果を分析することにより最適化できる。
【００４８】
［例示的な形状］
以下、形状の異なる４つの実施形態について特に説明する。これら４つの形状を、直線形状、放物線形状、三角形状および鋸歯形状と呼ぶ。本明細書で説明するＮＭＳＥＴおよび関連するデバイスの形状は大きく変化することがあり、これらの例は、システムの効率性に対する或る設計上の選択の影響を説明するための図面としてのみ解釈するべきであることに留意する必要がある。
【００４９】
（直線形状）
図１９は、直線形状を有するＮＭＳＥＴまたは関連するデバイス１９００の一実施形態を示す。この実施形態で、デバイス１９００は、高温層１９０２と低温層１９０１とを備える。用語「高温層」(hot layer)と低温層(cold layer)は、これらの層の間に温度差があることを意味しており、ＮＭＳＥＴまたは関連するデバイスが浸漬しているガスより「高温層」が必ず高温であること、あるいは当該ガスより「低温層」が必ず低温であることを意味するのではない。少なくとも１つの直線形状を有するスルーホール１９１０がデバイス１９００の全層を貫通して延び、好ましくは各層の組について同一の断面形状と大きさを有する。直線形状を有するスルーホール１９１０は、円状、スリット状およびくし状といった任意の断面形状を有することができる。
【００５０】
好ましくは、直線形状を有するスルーホール１９１０の全長１９１０Ｌ（すなわち、一方の入口から他方の入口までの距離）は、デバイス１９００が浸漬しているガスの平均自由行程の最大１０倍、最大５倍または最大２倍である。標準の大気圧における空気の平均自由行程は、約５５ｎｍである。より高度では、空気の平均自由行程は増加する。大気中での利用の場合、全長１９１０Ｌは、好ましくは１５００ｎｍ以下であり、用途に応じて、より好ましくは５５０ｎｍ以下、２７５ｎｍ以下または１１０ｎｍ以下である。高温層１９０２と低温層１９０１との間の温度差は、好ましくは最低０．５℃、より好ましくは最低３０℃、より好ましくは最低５０℃、最も好ましくは最低１００℃である。
【００５１】
高温層１９０２と低温層１９０１は、それらの間の断熱用のギャップにより分離できる。当該ギャップは、好ましくは真空ギャップであり、かつ／または断熱材を含む。一例で、ギャップは、二酸化ケイ素等の良好な断熱材からなる複数の薄い柱状物(pillar)を含む。
【００５２】
デバイス１９００は、好ましくは平方センチメートル当たり少なくとも１０個の直線状スルーホールを有する。平方センチメートル当たりのデバイス１９００のすべての直線状スルーホールの全周囲長は、好ましくは少なくとも２センチメートルである。
【００５３】
（放物線形状）
図７は、放物線形状を有するＮＭＳＥＴまたは関連するデバイス７００の一実施形態を示す。この実施形態では、高温層７０２と低温層７０１とが交互に積層される。図面で、各高温層７０２と低温層７０１は、直線状のスルーホールを有する。すべてのホールは整列している(aligned)。各高温層７０２でのホールは、すぐ上の低温層７０１でのホールと同じ大きさを有し、すぐ下の低温層７０１でのホールよりも小さい。各低温層７０１は、直接に隣接した高温層７０２よりも低温で、各高温層７０２は直接に隣接した低温層７０１よりも高温である。各高温層７０２の、−ｙ方向に表面法線を有する表面７０２ａが露出する。すべてのホールは、まとめて放物線表面の輪郭を有するノズルを形成する。この形状は、高温層と低温層との間の共有のベースを最小化する。しかし、ＮＭＳＥＴまたは関連するデバイスは、ガスのエネルギを充分に増加させなくてもよいので、ホールの直径を増加させることにより、ガス圧力が縁部で降下することがある。これは、下側の開口付近で強い渦を作り出し、全体の効率性を低下させる可能性がある。放物線形状を有するＮＭＳＥＴは、断熱または定圧とすることが可能だが、これら両方とすることはできない。放物線形状を有するＮＭＳＥＴまたは関連するデバイス内でのガスフローの近似を図８に示している。ガスの運動量空間は、運動量の期待値が−ｙ方向を向くように歪んでいる。
【００５４】
放物線形状は、ＮＭＳＥＴまたは関連するデバイスにおいて有効であるが、ガス圧力の降下が、下側の開口の大きさの上限を制限する。一般に、移動するガスが内部で体積変化を受けるような任意の断熱デバイスは、その効率性の点に影響を受けることになる。
【００５５】
放物線形状を有するデバイスでの温度差が非断熱手段により確立される（すなわち、デバイスがガスの全体温度を上昇させる）場合、放物線形状を有するＮＭＳＥＴは、ガスに加えられた熱量が渦の形成を妨げるのに充分である限り、その効率性の点で、体積の変化を受けるガスに影響を受けないであろう。しかし、このようなデバイスは、その効率性の点で、高い全体エントロピーに影響を受ける。すなわち、ガスの運動量空間の固有ベクトルは、ガスが膨張せざるをえない場合ほどには遠く離れていないが、通常、小規模で熱を供給することは、それを運び去るよりも容易である。
【００５６】
（三角形状）
図９に詳細に示した三角形状は、断熱フローのための放物線形状の部分的な最適化である。この場合、ガスは充分に膨張して大規模な渦生成を引き起こす過程を経ることがないようになっている。さらに、開口部は大きさを変更させないので、このような三角形配列は容易に積層できる。
【００５７】
図１０に示すように、この三角形状の運動量空間には、より効果的にバイアスが加わる。放物線構造と同様に、露出した高温表面と低温表面は、好ましくは角度９０°で交わる。しかし、中心のギャップを横切り、表面の間を前後して粒子が熱を運搬する場合、非効率性の源が生じる。
【００５８】
図９は、三角形状のＮＭＳＥＴまたは関連するデバイスの積層体(stack)９００を示す。積層体９００内の各デバイスは、等しい厚さの高温層９０２と低温層９０１とを備える。低温層９０１と高温層９０２との間の温度差は、ペルチェ効果またはヒートポンプ等の他の任意の好適な手段により確立できる。各デバイスは、スルーホール９０３を有する。各スルーホール９０３は、各入口に約４５°の面取り部(chamfer)（９０３１と９０３２）を有する。面取り部９０３１と９０３２の面は、構造的考察のために鋭角を修正することを含まないで、例えば低温層９０１と高温層９０２の厚さの１．４０倍から１．４２倍である。スルーホール９０３は、積層体９００内のすべての層で整列している。一般に、積層体９００内のデバイスでの高温層９０２の温度は、積層体の片側から反対側に向けて単調増加しない。一般に、積層体９００内のデバイスでの低温層９０１の温度は、積層体の片側から反対側に向けて単調減少しない。好ましくは、各低温層９０１は直接に隣接した高温層９０２よりも低温で、各高温層９０２は直接に隣接した低温層９０１よりも高温である。工学的理由のために、三角構造の高温表面と低温表面は先端(fine point)に達しなくてもよい。
【００５９】
（鋸歯形状）
図１１は、鋸歯形状を有するＮＭＳＥＴまたは関連するデバイスの積層体１１００を示す。積層体１１００内の各デバイスは、厚さｔｈを有する高温層１１０２と厚さｔｃを有する低温層１１０１とを備える。低温層１１０１と高温層１１０２との間の温度差は、ペルチェ効果またはヒートポンプ等の他の任意の好適な手段により確立できる。各デバイスは、スルーホール１１０３を有する。図示したデバイスで、各スルーホール１１０３は、低温層１１０１側の入口で面取り部１１０３１を有し、高温層１１０２側の入口で面取り部１１０３２を有する。面取り部１１０３１とスルーホール１１０３の中心軸との間の角度はθ１であり、面取り部１１０３２とスルーホール１１０３の中心軸との間の角度はθ２である。θ１とθ２の合計は、好ましくは７５°から１０５°であり、より好ましくは８５°から９５°であり、さらに好ましくは８８°から９２°である。ｔｃのｔｈに対する比は、θ１のコタンジェントのθ２のコタンジェントに対する比にほぼ等しい。θ２は、好ましくは７０°から８５°である。
【００６０】
本明細書で説明した面取り角度の関係は、好ましい制限であって、厳しい境界ではない。一般に、完全に鏡面反射性の分子反射特性を示す材料の場合、面取り角度の関係を若干緩和できる。完全には鏡面反射性の分子反射特性を示さない材料の場合、関係は厳しいであろう。面取り形状は、好ましくは共有のベースを最小化するように配列される。したがって、鏡面反射的に反射する面取り部表面の表面法線は、好ましくは直交する。直交から離れると、効率性の点で、ペナルティがコサイン関数として発生することがある。工学的理由のために、鋸歯構造の高温表面と低温表面は、先端に達する必要はない。
【００６１】
図示したデバイスで、積層体１１００中のすべての層で、スルーホール１１０３は整列している。積層体１１００中の各デバイスでの高温層１１０２の温度は、積層体１１００の片側から反対側に単調増加しない。積層体１１００中の各デバイスでの低温層１１０１の温度は、積層体１１００の片側から反対側に単調増加しない。各低温層１１０１は、直接に隣接した高温層１１０２より低温で、各高温層１１０２は、直接に隣接した低温層１１０１よりも高温である。
【００６２】
図１１に示す鋸歯形状は、すべての高温層１１０２が好ましくはほぼ同じ方向に配向している（すなわち、θ２は好ましくはほぼ９０°である）という点で、三角形状を上回る改良点を提供する。これは、スルーホール１１０３に対して交差する高温層１１０２と低温層１１０１との間の直接的な相互作用を減少させ、全体の効率性を向上させる。
【００６３】
さらに、高温層１１０２は低温層１１０１よりも露出表面の面積が小さく、低温層１１０１は好ましくはスルーホール１１０３の中心軸に対して三角形状より浅い角度に配向しているので、鋸歯形状は三角形状より効果的にガス中のエントロピーを減少させる（これにより、より大きい仕事をさせる）ことができる。図１２に示すように、当該鋸歯形状の運動量空間には、三角形状の運動量空間より効果的にバイアスが加えられる。
【００６４】
三角形の構成では、断面の反対側でのデバイスのスライス(slice)は、分離角度が９０度であることから、ｙ軸で１／√２の大きさを有する。これは、エントロピー減少の効率性を制限する。なぜなら、エントロピーの幾らかは、直接的な表面間の相互作用において中性化される(neutralized)ことになるからである。
【００６５】
しかし、鋸歯の構成では、高温層１１０２は、隣接した低温層１１０１とベース(basis)を共有しないだけでなく、スルーホール１１０３に対して交差する高温層および低温層とほとんどベースを共有しない。組み合わされたこの特性により、鋸歯形状は三角形状よりも有効となる。
【００６６】
ＮＭＳＥＴまたは関連するデバイスが電力供給された後（すなわち、温度差が確立される）、低温層から跳ね返るガス粒子は、低下した合成速度を有する。一方、高温層から跳ね返るガス粒子は、より大きい合成速度を有する。図４は、積層体１１００の層（鋸歯形状）が受ける合力を示す。安定状態では、対応する積層体１１００上方の低圧領域と積層体１１００下方の高圧領域を順に生成する入口側の開口部（図４の上側の開口部）で、低圧が生成される。ガス粒子の衝突により生じる積層体１１００のガス粒子速度を図５に示す。
【００６７】
［温度差を確立する手段］
（内部ペルチェ）
一実施形態によれば、デバイス形状における各エレメントは、粒子誘導デバイスとして、また、エントロピー減少装置(reducer)として機能する。ペルチェ素子では、加熱プレートと冷却プレートは、ペルチェ係数が異なる材料から作られる。電流は、加熱プレートと冷却プレートとの間を流れるようになっている。この電流の流れは、ペルチェ熱を運搬し、デバイスを動作させるのに必要となる温度差を確立させる。幾つかの実施形態では、圧電スペーサをデバイスエレメント間に配置して、それらの間の分離ギャップを維持できる。
【００６８】
内部ペルチェ構造を有する一実施形態に係るＮＭＳＥＴまたは関連するデバイスの断面を、図１３と１４に詳細に示している。すべての高温層１３０２が接続されている。すべての低温層１３０１が接続されている。低温層と高温層との間に介在するペルチェ素子を通して電流が流れ、温度差が確立される。層が薄いほど、大きい電流が必要となる。
【００６９】
内部ペルチェ構造を有するＮＭＳＥＴまたは関連するデバイスは、デバイスの小型化を容易にする。図１４に示したような単一の積層体は、推進力を生成するのに充分に機能的とすることができる。さらに、内部ヒートポンプを有するＮＭＳＥＴまたは関連するデバイスは、最大粒度を重視するマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）での使用に適している。
【００７０】
（電界増強された熱電子放出）
別の実施形態では、電界増強された熱電子放出により、温度差を生成できる。図１９に示すように、電界は、低温層１９０１から熱放出された複数の電荷キャリアが低温層１９０１から高温層１９０２に熱を運搬するように、層１９０１と層１９０２との間に確立できる。
【００７１】
（外部ペルチェ）
別の実施形態では、ＮＭＳＥＴまたは関連するデバイスに対して外部に存在するペルチェ素子のようなヒートポンプにより、温度差を生成できる。図１５と１６に詳細に示すように、この市松模様状(checker board fashion)に配列されたペルチェ素子（図示せず）は、界面層１５１０と１５２０を介して、ＮＭＳＥＴまたは関連するデバイスの積層体１５００に熱的に結合される。
【００７２】
外部ペルチェ素子を有するデバイスは、温度差の生成に使用する材料からガスフローの生成に使用する材料が分離されるという利益を有する。工学的な観点から、ヒートポンプに適した材料が微細構造に適さないことがあり、またはその逆もあるので、これが好ましいであろう。なお、外部ヒートポンプは、より大きく、より効果的に作ることができ、充分な温度差を確立するために、より小さい電流を必要とする場合がある。
【００７３】
圧電スペーサは、層の間で使用できる。ＮＭＳＥＴでの使用に適した材料は、好ましくは熱膨張と熱収縮に機械的に耐えるのに充分に強く、かつ／または、好ましくは非常に小さい膨張係数を有する。それ以外の場合、層中のホールは位置ずれして、効率性が低下する可能性がある。
【００７４】
（外部非ペルチェ）
さらに別の実施形態によれば、任意の好適な熱源および／またはヒートシンクにより、温度差を確立できる。熱源は、例えば、電界増強熱電子放出、抵抗加熱器、化学反応、燃焼、および／または明るい光の直接照明、または、他の形態の放射線であってもよい。このような実施形態の図を図１７に示す。示した実施形態で、加熱表面１７０２は、抵抗加熱材料、または放射加熱を効果的に受けることができる材料とすることができる。外部の非ペルチェヒートポンプは、ペルチェ素子のような内蔵式のヒートポンプを必要としないので便利である。幾つかの用途では、まず放射線を電気に変化するのでなく、加熱表面を例えば太陽等の放射線源の方向へ向け、さらにペルチェ素子を駆動させることは便利であろう。あるいは、ＮＭＳＥＴまたは関連するデバイスの高温層と熱をやりとりする熱吸収表面の方向へ放射線源を向けてもよい。しかし、外部の非ペルチェヒートポンプでは、ＮＭＳＥＴまたは関連するデバイスが確実に過熱されないように注意することが好ましい。
【００７５】
図１７に示す毛細管１７５０は、ヒートシンクを与える例示的な機構である。しかし、ヒートシンクを簡単に一連のベーン、または他の任意の好適なヒートシンクとすることもできる。あるいは、図１７における外部の非ペルチェヒートポンプは、毛細管１７５０を通じて熱源を提供するように構成できる。熱源は、発熱化学反応であって、好ましくは大きすぎる圧力を生成しないものとすることができる。
【００７６】
［材料］
ＮＭＳＥＴおよび関連するデバイスは、広範囲の材料で構成できる。種々の態様において、材料の特性は、好ましい形状と組み合わせて利用できる。
【００７７】
ガス分子の鏡面反射は、ＮＭＳＥＴまたは関連するデバイスのガス露出表面、例えば流動ガスと接触する加熱表面と冷却表面を形成する材料の好ましい特性である。鏡面反射は、鏡のように光を、あるいはこの場合はガス粒子を表面から反射するものである。鏡面反射面の上に単一の入射角で入射するガス粒子は、表面で反射されて単一の出射角度となる。入射ガス粒子と表面とが同一の温度を有する場合、表面法線に対して入射角度と出射角度とは同一である。つまり、入射角は反射角に等しい。鏡面反射を規定する第２の特性は、入射方向と、法線方向と、反射方向とが同一平面上にあることである。入射ガス粒子と表面とが同一の温度でなく、非断熱（すなわち、ガス粒子と表面との間の熱交換がある）である場合、反射角は、表面とガス粒子との間で伝達される熱の関数である。
【００７８】
材料の鏡面性の度合いは、位相空間の単位体積当たりのガス粒子の反射状態の確率密度関数として定義された（例えば、Ｃｅｒｃｉｇｎａｎｉ−Ｌａｍｐｉｓカーネルのような）反射カーネルにより表すことができる。反射カーネルの詳細について、論文("Numerical Analysis of Gas-Surface Scattering Effect on Thermal Transpiration in the Free Molecular Regime", Vacuum, Vol. 82, Page 20-29, 2009）と、その中で引用された文献に開示されているが、それらすべてが参照により本明細書に組み込まれる。
【００７９】
また、個々の高温層と低温層は、例えば剛性を与える手段である構造材料と、例えば温度差生成手段と熱を伝達し合う手段である熱伝導性材料と、例えば好ましい反射カーネル特性を付与する手段である原子反射材料(atomic reflection material)とを含みうる１つ以上の構造エレメントから構築できる。幾つかの実施形態で、個々の高温層と低温層は、そのような材料の層状の複合材料で構築されてもよい。
【００８０】
このように、材料の選択と組成は広く可変的である。幾つかの実施形態で、ＮＭＳＥＴまたは関連するデバイスの構造に好適な材料は、チタン、シリコン、鋼鉄、および／または鉄を含むことができる。チタンは軽量で、かつ六角形の結晶構造を有する。チタンの界面は、結晶歪み(crystalline warping)なく直角で作成でき、それゆえ応力限界は存在しない。チタンの材料コストは高い。シリコンは安価で、特性や機械加工用処理が充分に理解されている。シリコンの結晶構造はダイアモンド立方晶である。鋼鉄は、チタンよりも安価で、立方晶構造を有し、ガスの侵入に対して高い耐性を有する。鉄は、鋼鉄よりも安価で、ＮＭＳＥＴおよび関連するデバイスでの利用に適するような結晶形状を有する。
【００８１】
［ＮＭＳＥＴまたは関連するデバイスを製造する例示的な方法］
図２０に示す一実施形態によれば、ＮＭＳＥＴまたは関連するデバイスを製造する方法は、以下の工程を含む。
（ａ）例えばアモルファスシリコン、結晶シリコン、セラミックのような好適な基板２００１を設ける工程。基板２００１は好ましくは５００ミクロンから１５００ミクロンの厚さを有する。しかし、これより薄い基板または厚い基板も可能である。
（ｂ）主として犠牲層であり、好ましくは電気絶縁体、例えば二酸化ケイ素等である第１層２００２を堆積させる工程。第１層２００２は、好ましくは２００ｎｍから５０ミクロンの厚さを有する。しかし、これより薄い層または厚い層も可能である。さらに、基板のウインドウ２００１ａの面積に応じて、この層が調整可能な応力レベルを有することは好都合である。例えば、１ｃｍ２の基板ウインドウ２００１ａの場合、ＳｉＯｘＮｙを用いた６０ＭＰａの引っ張り強度での結果が成功であった。
（ｃ）フォトリソグラフィと第１層２００２のエッチングにより、第１層から、例えば帯状(strip)、正方形、円等任意の好適な形状の分離した島状部のパターンを形成する工程。
（ｄ）分離した島状部の上に第２層２００３を堆積させる工程。第２層２００３は、例えばＡｌ、Ｎｂ、Ｚｎのような導電体であり、好ましくは５ｎｍから２００ｎｍの厚さを有するところ、他の厚さも考えられる。
（ｅ）第２層２００３の上に第３層２００４を堆積させる工程。第３層２００４は、例えば二酸化ケイ素や層２００２で使用されるものと同じ材料のような電気絶縁体であり、好ましくは第１層と同じ厚さを有するが、他の厚さも考えられる。
（ｆ）第１層２００２が露出するまで第３層２００４と第２層２００３を部分的に除去する工程。
（ｇ）第４層２００５を堆積させる工程。第４層２００５は、例えば二酸化ケイ素等、好ましくは第２層２００３と同じ材料の電気絶縁体であり、好ましくは３ｎｍから１５ｎｍの厚さを有するところ、被覆(coverage)にギャップが少ししか、あるいは全く存在しない限り、より薄い方が好ましい。
（ｈ）第５層２００６を堆積させる工程。第５層は、例えばＰｔ、Ｎｉ、Ｃｕのような導電体であり、好ましくは５ｎｍから２００ｎｍの厚さを有するところ、他の厚さも考えられる。
（ｉ）第６層２００７を堆積させる工程。当該層は、基板の裏面での作業を行いつつ前面を保護するために形成する。当該層は、例えば、熱剥離テープ(thermal release tape)を用いて第５層２００６に貼付されたワックス、フォトレジストまたは二酸化ケイ素基板から作成できる。第６層２００７は、好ましくは５００ｎｍから１５００ｎｍの厚さを有するところ、他の厚さも考えられる。
（ｊ）フォトリソグラフィと基板２００１のエッチングにより、第１層２００２の少なくとも１つの分離した島状部が内側に露出するように、基板２００１中にスルーホール２００１ａを形成する工程。スルーホール２００１ａは、例えば六角形、正方形および円のような任意の好適な形状を有し、かつ、例えば六角格子、正方格子および極格子(polar grid) のような任意の好適なパターンで配列する。
（ｋ）上側の第４層２００５の一部が露出するまでエッチングすることにより、露出した状態の分離した島状部を除去する工程。
（ｌ）上側の第５層２００６の一部が露出するまでエッチングすることにより、第４層２００５の露出部分を除去する工程。
（ｍ）エッチングにより、第５層２００６の露出部分を除去する工程。
（ｎ）第２層２００３と第５層２００６が第４層２００５から２ｎｍから５ｎｍだけ張り出すように横方向エッチングすることにより、第４層２００５を部分的に除去する工程。
（ｏ）熱剥離、溶解またはエッチングにより、第６層２００７を完全に除去する工程。
好ましくは、第２層２００３と第５層２００６は、仕事関数が少なくとも０．１ｅＶ、少なくとも１ｅＶ、少なくとも２ｅＶ、少なくとも３ｅＶ異なる。
【００８２】
図２１に示す別の実施形態によれば、ＮＭＳＥＴまたは関連するデバイスを製造する方法は、以下の工程を含む。
（ａ）例えばアモルファスシリコン、結晶シリコン、セラミックのような好適な基板２１０１を設ける工程。基板２１０１は好ましくは５００ミクロンから１５００ミクロンの厚さを有する。しかし、これより薄い基板または厚い基板も可能である。
（ｂ）主として犠牲層であり、好ましくは電気絶縁体、例えば二酸化ケイ素等である第１層２１０２を堆積させる工程。第１層２１０２は、好ましくは５０ｎｍから１０００ｎｍの厚さを有する。しかし、これより薄い層または厚い層も可能である。さらに、基板のウインドウ２１０１ａの面積に応じて、この層が調整可能な応力レベルを有することは好都合である。例えば、１ｃｍ２の基板ウインドウ２１０１ａの場合、ＳｉＯｘＮｙを用いた６０ＭＰａの引っ張り強度での結果が成功であった。
（ｃ）第１層２１０２の上に第２層２１０３を堆積させる工程。第２層２１０３は、例えばＡｌ、Ｎｂ、Ｚｎのような導電体であり、好ましくは５ｎｍから１５０ｎｍの厚さを有するところ、他の厚さも考えられる。
（ｄ）第２層２１０３の上に第３層２１０４を堆積させる工程。第３層２１０４は、例えば二酸化ケイ素のような電気絶縁体であり、好ましくは５ｎｍから１００ｎｍの厚さを有するところ、他の厚さも考えられ、好ましくは第１層２１０２と同じ厚さを有する。
（ｅ）第３層２１０４の上に第４層２１０５を堆積させる工程。第４層２１０５は、例えばＰｔ、Ｎｉ、Ｃｕのような導電体で、好ましくは５ｎｍから１５０ｎｍの厚さを有するところ、他の厚さも考えられる。
（ｆ）フォトリソグラフィとエッチングにより、第２層２１０３、第３層２１０４および第４層２１０５を貫通するホールを形成する工程。ホールは、例えば複数の帯状、正方形、円のような任意の好適な形状を有する。
（ｇ）第２層２１０３と第４層２１０５が第３層２１０４から張り出すように横方向エッチングすることにより、第３層２１０４を部分的に除去する工程。
（ｈ）フォトリソグラフィと基板２１０１のエッチングにより、基板２１０１にスルーホール２１０１ａを形成する工程。これにより、第２層２１０３、第３層２１０４および第４層２１０５を貫通する少なくとも１つのホールが、１つのスルーホール２１０１ａと重なり合うようにする。スルーホール２１０１ａは、例えば六角形、正方形および円のような任意の好適な形状を有する。スルーホール２１０１は、例えば六角格子、正方格子および極格子のような任意の好適なパターンで配列される。
（ｉ）スルーホール２１０１ａ内に露出した第１層２１０２の一部を除去する工程。
好ましくは、第２層２１０３と第４層２１０５は、仕事関数が少なくとも０．１ｅＶ、少なくとも１ｅＶ、少なくとも２ｅＶ、少なくとも３ｅＶ異なる。
【００８３】
［例示的な真空層を有する熱遷移デバイス］
いくぶん冗長であるが、図２２は、全体を２２０４で示す、ＮＭＳＥＴまたは関連するデバイスのような熱遷移デバイスを示す側面断面図である。熱遷移デバイスは、低温側膜２２０２と高温側膜２２０１とを含み、その間に断熱材２２００が設けられている。断熱材２２００は、真空で形成できる。真空は、例えばベンチュリ効果により達成できる。熱遷移デバイス２２０４は、低温側膜２２０２、断熱材２２００および高温側膜２２０１によって画定される厚さ２２０３を含む。
【００８４】
図２３は、全体を２３０９で示す、熱遷移デバイスの動作を示す側面断面図である。デバイス２３０９は、高温層２３０１と低温層２３０２とを含み、その間に断熱材２３００が設けられている。デバイス２３０９内には、前述のようにして開口部２３０８が形成されている。熱遷移デバイス２３０９は、低温層２３０２、断熱材２３００および高温層２３０１によって画定される厚さ２３０３を含む。断熱材２３００は、例えばベンチュリ効果によって達成可能な真空で形成できる。
【００８５】
半径２３０５で示す平均自由行程（他の粒子に衝突する前に移動した平均距離）を有する低温ガス粒子２３０４は、開口部２３０８に入り、またはそのエッジに到達し、さらに他の粒子と衝突し、エネルギを交換する。半径２３０７で示す平均自由行程を有する高温ガス粒子２３０６は、高温層２３０１と衝突し、プロセスにおいてエネルギを取得して正の運動量による力(momentum force)を与える。低温ガス粒子２３０４は、高温ガス粒子２３０６の温度を低下させ、高温ガス粒子２３０６は衝突して高温層２３０１へ戻り、これによりエネルギを取得して、正の運動量の力と増加した圧力を高温層２３０１に与える。
【００８６】
図２４と２５は、全体を２４１４で示す熱遷移デバイスを示す側面断面図と上面断面図であって、複数の傾斜壁を有する１つの延長層(extended wall)を示す。デバイス２４１４は、高温層２４０１と低温層２４０２とを含み、その間に断熱材２４００が設けられている。断熱材２４００は、例えばベンチュリ効果によって達成可能な真空で形成できる。デバイス２４１４の全厚さは、参照符号２４０３で示され、低温層２４０２、断熱材２４００および高温層２４０１によって画定される。
【００８７】
デバイス２４１４内には、前述のようにして、開口部２４０８が設けられ、高温層２４０１に傾斜壁２４１５が形成されている。開口部２４０８および／またはそのエッジは、高温表面２４０９、低温表面２４１０、一般的に熱遷移が生じる活性領域２４１１、および支持領域２４１２の画定に役立つ。図２４に示すように、高温表面２４０９の角度２４１３は９０度未満であり、傾斜壁２４１５を形成する。
【００８８】
図２４と２５は、傾斜壁を有する延長層を高温層２４０１として示すが、当業者ならば、許容される代替として、低温層２４０２を、傾斜壁を有する延長層として実装可能であると理解するであろう。
【００８９】
図２６と２７は、それぞれ、全体を２６１５で示す熱遷移デバイスの側面断面図と上面断面図であって、ウェットエッチングまたはドライエッチングされた壁部を有する１つの延長層を示す。デバイス２６１５は、高温層２６０１と低温層２６０２とを含み、その間に断熱材２６００が設けられている。断熱材２６００は、例えばベンチュリ効果によって達成可能な真空で形成できる。デバイス２６１５の全厚さは、参照符号２６０３で示され、低温層２６０２、断熱材２６００および高温層２６０１によって画定される。
【００９０】
デバイス２６１５内には、前述のようにして、開口部２６０８が設けられ、高温層２６０１内に、一般的に放物線形状を有するウェットエッチング壁またはドライエッチング壁２６１４が形成される。開口部２６０８および／またはそのエッジは、高温表面２６０９、低温表面２６１０、一般的に熱遷移が生じる活性領域２６１１、支持領域２６１２およびウェットエッチングまたはドライエッチングされた表面２６１４の画定に役立つ。
【００９１】
参照符号２６０５は、低温ガス粒子２６０４の平均自由行程の半径を示す。参照符号２６０７は、高温ガス粒子２６０６の平均自由行程の半径（他の粒子に衝突する前に移動した平均距離）を示す。低温ガス粒子２６０４は、開口部２６０８に入り、またはそのエッジに到達し、さらに他の粒子と衝突し、エネルギを交換する。高温ガス粒子２６０６は、高温層２６０１と、その外縁またはウェットエッチングされた表面で衝突し、プロセスにおいてエネルギを取得して、正の運動量の力と増加した圧力を高温層２６０１に与える。
【００９２】
図２６と２７は、ウェットエッチング壁を有する延長層を高温層２６０１として示すが、当業者ならば、許容される代替として、低温層２６０２を傾斜壁を有する延長層として実装可能であると理解するであろう。
【００９３】
図２８は、全体を２８１６で示す熱遷移デバイスの側面断面図であって、複数の傾斜壁を有する２つの延長層を示す。デバイス２８１６は、高温層２８０１と低温層２８０２とを含み、その間に断熱材２８００が設けられている。断熱材２８００は、例えばベンチュリ効果によって達成可能な真空で形成できる。デバイス２８１６は、低温層２８０２、断熱材２８００および高温層２８０１によって画定される全厚さ２８０３を有する。
【００９４】
デバイス２８１６内には開口部２８０８が設けられ、前述のようにして、高温層２８０１と低温層２８０２にそれぞれ傾斜壁２８１７と２８１８が形成される。開口部２８０８および／またはそのエッジは、高温表面２８０９、低温表面２８１０、一般的に熱遷移が生じる活性領域２８１１、高温層２８０１のための支持領域２８１２、および低温層２８０２のための支持領域２８１５の画定に役立つ。図２８に示すように、高温表面２８０９と低温表面２８１０の両方が９０度未満であり、傾斜壁２８１８と２８１７をそれぞれ形成する。高温表面２８０９の角度２８１９と低温表面２８１０の角度２８１９を、ほぼ同一の角度で図２８に示しているが、高温表面２８０９と低温表面２８１０は、許容される代替として、実施形態において異なる角度で傾斜してもよい。
【００９５】
理想的な熱遷移デバイスでは、大気中で動作するよう設計される活性領域の厚さは、５００ｎｍ未満である必要がある。最適化のために、高温表面と低温表面との間の厚さは、１００ｎｍ以下である必要がある。このように小さい厚さは、デバイスを非常に壊れ易くし、動作を困難にする。例えば、デバイスの層または膜をより厚くして、デバイスの安定性や強度に必要な厚さを付与する場合、その全体厚さは、上記の理想的な厚さを超えた値まで増加することになる。
【００９６】
図２９は、熱遷移デバイスの一実施形態の当初の構造の断面図であり、本開示内容に従って一般的に示しているところ、デバイスの臨界領域での厚さを理想的な厚さ範囲内に維持しつつ、熱遷移デバイスの厚さをより大きくして、耐久性と強度を向上させることができる。
【００９７】
図２９に示すように、デバイスの構造は以下の通りである。まず、シリコン基板層２９１６が設けられている。基板２９１６の上に、例えば約４０ｎｍのアルミニウムの第１金属層２９１７が堆積する。堆積プロセスは、蒸着であってもよいし、例えばスパッタリング、有機金属気相成長等のような他の方法を使用してもよい。したがって、第１金属層２９１７は、蒸着した４０ｎｍのアルミニウムであってもよい。
【００９８】
第１金属層２９１７の上に、誘電体層２９１８が堆積する。誘電体層２９１８は低応力である必要があり、プラスチックや無機の非導電性膜材料で形成されてもよい。膜（すなわち誘電体層２９１８）は、特に、低応力（例えば６０ＭＰａ）である、プラズマ増強化学気相成長した厚さ２ミクロンの酸窒化物であってもよい。他の厚さも考えられる。
【００９９】
誘電体層２９１８の上に接着促進層(adhesion promoter)層２９１９を堆積させ、誘電体に対する接着を促進し、かつ／または強化されたマスク層として機能するようにしてもよい。このような材料は、例えばＨＭＤＳの化学的単層(chemical monolayer)、有機レジストの薄膜、または金属、特に６ｎｍのクロムであってもよい。接着促進層２９１９は、薄膜とエッチング方法またはエッチング薬剤との特定の組み合わせに応じて必要でない場合がある。
【０１００】
従来から知られているようにして、約１．３ミクロンのＳＰＲ−３０１２のマスク２９２０を使用し、例えば非マスク領域２９２１の部分でデバイスをエッチングする。当業者に知られているように、接着促進層２９１９の上にフォトレジスト層またはマスク２９２０を堆積させることにより、エッチングを達成できる。このようなフォトレジストは、好ましくはShipley ＳＰＲ−３０１２である。しかし、他のフォトレジストを利用してもよい。次に、従来のマスクを用いてフォトレジスト層２９２０を露光し、非マスク領域２９２１を成長させてもよい。露光は、例えば好適な波長の光を使用して実施できる。当業者に知られているように、接触型リソグラフィ(contact lithography)を使用してもよい。一度露光すると、非マスク領域２９２１を形成するという目的に適した溶液中で、フォトレジスト層２９２０を成長させてもよい。この溶液は、例えば、ＳＰＲ−３０１２に対して約６０秒間用いる、０．２６Ｍの水酸化テトラメチルアンモニウムであってもよい。
【０１０１】
図３０に示すように、デバイスを非マスク領域２９２１（図２９参照）の部分でエッチングして、エッチング領域３０２２を形成する。エッチング領域３０２２は、接着促進層２９１９と誘電体層２９１８を第１金属層２９１７の一部が露出するまでエッチングすることにより形成される。次に、フォトレジスト層２９２０（図２９参照）を除去する。接着促進層２９１９は、例えばTransene社のクロムエッチングのようなウェットエッチングを使用して、シリコン基板２９１６が露出するまでエッチングできる。例えば第１金属層２９１７をエッチングしないであろう薬剤を用いて、誘電体層２９１８をエッチングしてもよい。アルミニウムの上の酸窒化物の場合、Transene社の含水酸溶液Silox Vapox IIを使用できる。他の湿式薬剤を使用してもよいし、ドライプラズマエッチングを使用してもよい。
【０１０２】
図３１は、図２９から３０に示す熱遷移デバイスの更なるエッチングを示す側面断面図である。参照符号２９１６はシリコン基板であり、参照符号２９１７は第１金属層であり、参照符号２９１８は誘電体層であり、参照符号２９１９は接着促進層である。図３１で、デバイス、すなわちエッチング領域３０２２（図３０参照）はさらにエッチングされてエッチング領域３１２２とアンダーカット領域３１２３を与える。エッチング領域３１２２を形成するために、第１金属層２９１７がエッチングされ、次に基板２９１６の一部をエッチングする。アンダーカット領域３１２３を形成する１つの方法は、第１金属層２９１７の下側を等方的にエッチングすることである。
【０１０３】
第１金属層２９１７は、ウェットエッチングまたはドライエッチングのいずれかによってエッチングできる。例えばアルミニウムの場合、低圧で塩素とアルゴンを用いる反応性イオンエッチャ内でのアルミニウムエッチングを使用して、第１金属層２９１７をエッチングできる。４０ｎｍのアルミニウムについてのエッチングの例は、５０ｓｃｃｍのＢＣｌ３、２０ｃｃｍのＣｌ２、１０ｍＴｏｒｒ、３００ＷのＲＦ電力である。
【０１０４】
薬剤が第１金属層２９１７、誘電体層２９１８または第２金属層２９１９をエッチングしない限り、ウェットエッチングまたは気相エッチングを使用して基板２９１６をエッチングできる。アルミニウムと酸窒化物を有するシリコン基板の場合、例えばガスＸｅＦ２を用いてシリコンをエッチングしてもよい。基板２９１６を処理してホウ素を除去してもよい。この処理の１つの例示的な方法は、３５ｓｃｃｍのＣＦ４、２０ｍＴｏｒｒ、３００ＷのＲｆ電力という条件下、反応性イオンプラズマベースでフッ素を使用することである。
【０１０５】
図３２は、図２９から３１に示す熱遷移デバイスの更なる形成を示す断面図である。二酸化ケイ素または他の電気絶縁体の薄層３２２４がデバイスの上に設けられる。二酸化ケイ素層３２２４は、例えば約２ｎｍから約１０ｎｍの厚さとすることができる。特に第１金属層２９１７近くでのカバレッジでギャップが少ししかないか全くない限りにおいて、一般的に薄い方が優れている。二酸化ケイ素の層３２２４は、トンネル厚さを制御するために設けられている。層３２２４は、蒸着または他の既知の技術によって付加できる。他の材料と同様に、例えば、スパッタリング、プラズマ増強化学気相成長、原子層堆積等の他の方法を使用してもよい。二酸化ケイ素層３２２４の上に、第２金属層３２２５を設ける。第２金属層３２２５は、ニッケルや銅のような金属の層でもよく、約４０ｎｍの厚さであってもよい。第２金属層３２２５は、蒸着によって形成してもよく、例えばスパッタリングやイオンアシスト蒸着のような他の方法を使用してもよい。
【０１０６】
次に、基板２９１６をキャリア基板（図示せず）に、当該キャリアに面する薄膜積層体を用いて実装する。実装材料は、Revalphaの熱剥離テープのような両面テープであってもよい。しかし、例えばワックスやフォトレジストのような他のテープまたは材料を使用してもよい。
【０１０７】
次に、残りのシリコン基板２９１６を、例えばＸｅＦ２気相エッチングによって除去する。基板２９１６のエッチング部分に形成された二酸化ケイ素層３２２４と第２金属層３２２５のごく一部は、基板２９１６と一緒に除去される。また、第１金属層２９１７と第２金属層３２２５をエッチングしない限りにおいて、湿式薬剤を用いて基板２９１６を除去できる。図３３に示すように、残るのは、第１金属層２９１７、誘電体層２９１８、接着促進層２９１９、熱トンネル層３２２４および第２金属層３２２５によって形成された島状部３１２７である。次に、デバイスを超音波処理してニッケル塊(plug)を除去する。例えばRevalphaの熱剥離テープの場合、デバイスの除去に役立つように、充分な温度のホットプレートの上にキャリア基板を配置できる。
【０１０８】
［分散型マイクロクラスタのための耐故障性制御システム］
分散型マイクロクラスタを用いて、特定の方向におよび／または所望の速さで、物体を駆動推進するためには、制御システムが必要となる。制御システムは、分散型マイクロクラスタまたは複数の分散型マイクロクラスタに対して、選択的に出力を起動し、および／または出力レベルを調整することにより、所望の方向の所望の推進力を得ることができる。
【０１０９】
本発明に係る制御システムによれば、分散型マイクロクラスタの駆動を制御するための制御システムは、出力分配配線からなる少なくとも１つの冗長化２次元ネットワークにより供給される、格子上に配置された構成要素として構成してもよい（各構成要素は１つまたはそれ以上のスラスタを含むものである。）。分配ネットワークは、水平方向の行および垂直方向の列を構成する複数のスラスタに接続された水平ラインおよび垂直ラインまたは水平配線および垂直配線からなる複数のループとして構成されるものである。
【０１１０】
本発明の実施形態に係る制御システムによれば、水平ラインおよび垂直ラインのそれぞれは、４つの位置で出合い、交差するものであるが、別の接続形態は、冗長性（重複性）、ループ数、およびアドレス精度のバランスを考慮して設計してもよい。さらに別の接続形態は、交差位置の数が異なるものであってもよい。
【０１１１】
格子内の構成要素、すなわち複数の構成要素のそれぞれに、少なくとも１つの電源を提供するようにしてもよい。１つの構成要素が複数のスラスタを含むものであってもよい。電源の一方の端子が水平ラインに接続され、電源の他方の端子が垂直ラインに接続される。このように電源の端子を適当な行ラインおよび列ラインに接続することにより、１つの構成要素または一群の構成要素にアドレスすることを可能にするものである。
【０１１２】
ＮＭＳＥＴ等の分散型スラスタの一般的な動作において、電気回路を用いて、分散型スラスタに熱量を加え、または調節することにより、分散型スラスタを駆動する。電気回路は、水平ラインおよび垂直ラインからなるループにより構成される。所与のループの両方の端子は同電位を有するように駆動される。これは、（例えばアレイ表面に対するダメージに起因する）所与のループにおける任意の位置での単一の断線が、カスケード接続の機能損失を最小限に抑えるということを意味する。電気回路による加熱および冷却は、ペルチェスラブ（ペルチェ板(Peltier slab)）を用いたペルチェ効果により駆動されるヒートポンプ方式で実現してもよい。この具体例では、分散型スラスタのいずれか一方の表面に配線し、後述する抵抗式の実施形態では、高温側のみに配線する。さらに別の実施形態に係る分散型スラスタでは、分散型スラスタに電力供給する別の方法を用いることができる。
【０１１３】
図３４は、本発明の制御ユニットを用いた、分散型スラスタ３４０２のアレイ３４０１のための１つの実施形態に係る制御システム３４００の平面図である。図３４から分かるように、アレイ３４０１において、複数の分散型スラスタ３４０２が互いに平行な水平行および垂直列で格子状に配置されている。
【０１１４】
少なくとも１つの電源３４０６は、水平行および垂直列のそれぞれにより分散型スラスタに接続された複数の第１の電源ライン３４０４および複数の第２の電源ライン３４０５を用いて、選択された分散型スラスタ３４０２に電力を供給する。１つの第１の電源ライン３４０４が１つの第２の電源ライン３４０５に沿って選択されたとき、電気回路が形成され、少なくとも１つの分散型スラスタがエネルギを推進力に変換するように駆動する。制御ユニット３４０３は、所望のスラスタまたは所望の一群のスラスタのために選択された電源ライン３４０４，３４０５の電圧印加および／または電力レベルを制御する。
【０１１５】
本発明に係る制御システムで採用されているように、電源３４０６は電池であり、制御ユニット３４０３は中央演算ユニットであってもよい。さらにスラスタは、複数のスラスタデバイスを含むものであってもよい。
【０１１６】
ＮＭＳＥＴデバイスは、ガスを推し出すことができる装置であって、積層体を構成する少なくとも１つの第１および第２の層と、高温層およびこれより低温である低温層を形成するために第１および第２の層を加熱および／または冷却する手段と、積層体を貫通する少なくとも１つの貫通孔とを備えるものであってもよい。各高温層の表面は貫通孔内で露出し、各低温層の表面は貫通孔の内面において露出し、貫通孔の活性領域全体の長さは、上述したように、装置周囲にあるガスの平均自由行程の１０倍未満であり、１５００ｎｍ以下である。
【０１１７】
所与のＮＭＳＥＴデバイスにおいて、少なくとも１つの貫通孔は、直線形状、鋸歯形状、三角形形状、放物線形状、または上述したようなＮＭＳＥＴデバイスに有効であると判断される任意の形状を有するものであってもよい。
【０１１８】
図３５は、分散型スラスタの隣接領域３５０６を駆動するために、隣接領域で交差する電源ライン３５０４，３５０５を図示するものである。制御ユニット３５０３は、電源ライン３５０４，３５０５に電源供給することにより、分散型スラスタの隣接領域３５０６を駆動する
【０１１９】
図３６は、電源ライン３６０５の開回路の故障状態（不具合）を示すものである。図３６に示すように、電源ライン３６０５は、複数のポイント３６０８付近の領域に隣接する垂直列のスラスタに関連するものである。電源ライン３６０５に開回路３６０７があるため、複数のポイント３６０８の周囲の領域に隣接するスラスタが、この故障状態に起因して作動できない。
【０１２０】
１つの実施形態に係る制御システムにおいて、電源ラインに不具合が生じた場合に、冗長性を実現し、システム障害を回避するために、図３７に示すように、冗長経路接続が設けられている。電源ライン３７０１は水平行のスラスタに接続され、別の電源ライン３７０２は垂直列のスラスタに接続されている。すなわち電源ライン３７０５上の不具合（開回路）３７０７が生じた場合に備えて、冗長経路がポイント３７０６に設けられている。冗長性は電源ライン３７０５，３７０４により提供され、制御ユニット３７００は、電源ライン３７０７の第１の接続ポイントから第２の接続ポイントに電気回路の経路を変更するか、または電源ラインを内部で迂回させて、ポイント３７０６付近のスラスタを駆動する。別の実施形態に係る制御システムにおいて、図３７に示すように、任意の電源ラインのうちの１つに故障状態（不具合）を検出するために、故障検出デバイス３７０８が提供される。故障検出デバイス３７０８は、電源３７０３および制御ユニット３７００に接続され、故障状態が存在する電源ラインを補償し、経路変更し、通知し、および／または置換することにより、適当な電源ラインの駆動を制御するものである。
【０１２１】
キャパシタバンク電圧検出技術を用いて、故障状態（不具合）を検出する。単一パルスで完全に放電させないようにキャパシタバンクを設計し、電力パルスが１つのスラスタ要素または一群のスラスタ要素に出力された前後における帯電電圧を測定することにより、１つのスラスタ要素または一群のスラスタ要素が消費する電力を特定し、その電力と予定される電圧とを比較できる。測定された電圧降下が、予定される電圧より実質的に小さいときには開回路の兆候があり、電圧降下が実質的に大きい場合には、短絡回路の兆候がある。
【０１２２】
埋め込み式電流検出素子を用いて、故障状態を検出してもよい。アレイに流れる瞬間的な電流を測定するために、シャント抵抗を電力配線ラインに直列に接続してもよい。通常、電流が小さい場合、いくつかのセルが開回路状態である。電流が過剰に大きいとき、短絡回路が存在する。この方法の主たる問題点は、電源とスラスタとの間の直列抵抗が僅かに（ゼロではなく）増大する点にある。
【０１２３】
この方法の実用的な利点は、パルス出力後のキャパシタ電圧を検出する際、充分に迅速に（おそらくは数ＭＨｚレベルのサンプリング速度で）、短絡回路に対してリアルタイムで応答するようにシステムを設計することにより、多大なエネルギが供給されてアーク放電により隣接するスラスタに甚大な被害を与え、急激に放電した電源を過熱させるパルス出力を中断できる点にある。このシステムは、連続使用モードで作動する分散型スラスタに応用できる。
【０１２４】
上記任意の方法または当業者により理解される別の方法により、分散型スラスタの一部が故障していると検出されると、推進力の喪失、および／またはカスケード接続の不具合を最小限に抑えるために、矯正処理を施す必要がある。
【０１２５】
設計段階において、バルス出力式分散型スラスタのタイミング解析を実行する場合、任意のスラスタ領域（スラスタ部分）において連続してパルス出力する際の冷却時間を最小必要時間より長くすることに留意すべきである。このように設計した場合、損傷したスラスタ、すなわちスラスタ領域を推進シーケンスから除外し、非損傷の残りのスラスタを、デューティサイクルを少し増大させて駆動することにより、全体的な推進力を維持できる。
【０１２６】
デューティサイクルを増大させることにより、システムに対する損傷の最大限度のみを補償できる。この最大限度を超えると、利用可能な推進力が低減することは避けられない。すなわち、スラスタアレイの制御システムは、平衡レベルを維持するために、対応する対向パネルの推進力が多少低減したことにより、航空機または分散型スラスタを用いた他の用途の一方の推進能力の損失を補償するように設計できる。
【０１２７】
図３８は、例示的な制御システムの別の実施形態の平面図であり、特に、より大型の分散型スラスタ、および／またはあまり精緻に制御できない用途において有効なものである。この実施形態は、より精緻な制御が必要される通常の場合に比して、電源ラインおよび／または制御ラインを少なくし、必要なコンピュータの機能を低いものとすることができる点において有効である。例示的な制御システムは、（破線で示し、電源供給ラインの交差点における複数の個別のスラスタを含む）一群の分散型スラスタ３８０３，３８０４，３８０５，３８０６を駆動するために用いられる電源ライン３８０１，３８０２および／またはサブ電源ラインを示すものである。例えば制御ユニット３８００は、電源供給ライン３８０３を電源供給ライン３８０１の１つの適当な電源ライン、および電源供給ライン３８０２の１つの適当な電源ラインに接続して、相当するサブ電源ライン３８１０、および対応するスラスタ、すなわち一群のスラスタ３８０３，３８０４，３８０５，３８０６に、またはその付近に電流を供給するものである。さらに制御ユニット３８００は、スラスタ領域３８０３およびスラスタ領域３８０５，３８０４，または３８０６を同時に、順次に、または所望のパターンで駆動して、電源供給ライン３８０１，３８０２およびサブ電源ライン３８１０に電流を供給し、これらの電源ラインおよびサブ電源ラインの交差ポイントにおける追加的なマイクロプロセッサに電流を供給し、デジタル信号を用いて、これらのマイクロプロセッサと通信することにより、所望の効果が得られるように設計できる。
【０１２８】
図３９は、図３８に示すものと同様のさらなる実施形態を示す平面図である。図３９は、図示のような格子状の態様を有する電源供給ライン３９０１，３９０２および複数のサブ電源ライン３９１０を示す。制御ユニット３９００は、電源３９１１を電源供給ライン３９０１のうちの１つの適当な電源供給ラインおよび電源供給ライン３９０２のうちの１つの適当な電源供給ラインに接続して、相当するスラスタまたは一群のスラスタ３９０３の付近に電流を供給するものである。さらに図３８で説明したように、制御ユニット３９００は、任意の分散型スラスタ３９０３，３９０４，３９０５，３９０６，３９０７，３９０８，３９０９のグループ全体に、またはこれらを個別に駆動できる。
【０１２９】
図４０ａ，４０ｂ，４０ｃは、図３４に示す制御システムの実施形態の拡大図を示すものである。電源ライン４００１，４００２を用いてスラスタ領域をアドレス選択し、このスラスタ領域がアドレス選択ポイント４００３の周囲の温度勾配４００６に作用するものである。アドレス選択ポイント４００３の周囲の複数のスラスタ領域がアドレス選択され、電源ライン４００１，４００２を介して電流が供給され、アドレス選択ポイント４００３が加熱され、エリア４００４が第１に加熱され、エリア４００５が第２に加熱される。
【０１３０】
１つのアドレス選択ポイントが加熱され、隣接するポイントが加熱されることは好ましくない場合があり、図４１ａ，４１ｂに図示された別の例示的な実施形態は、ヒートバリア（熱遮断部）４１１７を有する。ヒートバリアは、導電性パッド、絶縁物、間隙（ギャップ）、または当業者により認識される他の任意のヒートバリアであってもよい。ヒートバリア４１１７は、導電性領域の熱伝導性および熱遮断性を変える効果を有する。ヒートバリア４１１７は、電源ライン４１０５，４１０４の接合部４１０６に隣接するスラスタ領域４１０８の周囲の境界部として図示されているが、異なる所望する効果に応じて、ヒートバリア４１１７を構成してもよい。電源ライン４１０５，４１０４に電源供給することにより、接合部４１０６に隣接するスラスタ領域４１０８は駆動され、ヒートバリア４１１７は、クロスハッチング４１１９で示すボックス領域の外側クラスタ領域が意図せず駆動することを防止する。
【０１３１】
図４２ａ，４２ｂ，４２ｃは、制御システムの別の実施形態に係る電源ラインまたは導電構造体を示すものである。図４２ａは、スラスタ領域を駆動するために用いられる導電性ラインの上層格子構造体４２０２を示し、電源供給ライン４２００は、電源に接続され、複数のブランチライン（支流ライン）４２０１は複数のスラスタ領域の近傍に配置されるように設計される。
【０１３２】
図４２ｂは、絶縁体４２０２および抵抗体を示す最適化された中間層、または図４２ａに示す格子構造体と、図４２ａのブランチライン４２０１がスラスタ領域４２０３で交差する別の格子構造体との間で用いられる温度勾配形成デバイスまたはスラスタ領域４２０３を駆動する他の手段を図示するものである。
【０１３３】
図４２ｃは、図４２ａおよび図４２ｂを組み合わせた図であり、図４２ａの上層が図４２ｂの中間層の上方に配置されている。図４２ｃは、単一の電源ラインポイントから複数の標的ポイントを制御するために、抵抗体４２０３すなわち温度勾配形成デバイス、またはスラスタ領域を駆動する手段、および制御システムの１つの実施形態で示す絶縁体４２０２により構成された耐熱性温度接合部上に積層された電源供給ライン４２００およびブランチライン４２０１を図示するものである。
【０１３４】
［抵抗性温度勾配形成の具体例］
上述した［動作原理］および［温度差］と題した章を参考にしながら説明する。図４３は、温度勾配を形成するために用いられる本明細書に係るデバイスの概略図である。この章において、ヒートポンプまたは温度勾配形成デバイスは、これに限定するものではないが、ＮＭＳＥＴデバイスを駆動するものであってもよい。このデバイスは、上側表面４３０２および下側表面４３０５を有し、導電性材料からなる、より低温の低温層４３０１を有する。より高温の高温層４３０４の上側表面４３０６は、低温層４３０１の下側表面４３０５にきわめて隣接させるか、直接的に、または実施形態によるが、熱的および／または電気的に絶縁された中間層を介して、低温層４３０１の下側表面４３０５に接合されるものである。
【０１３５】
電源４３０７の一方の端子は、低温層４３０１の上側表面４３０２に接続され、電源４３０７の他方の端子は、スイッチ４３０８の一方の端子に接続されている。スイッチ４３０８の他方の端子は、高温層４３０４の下側表面４３０３に接続されている。高温層４３０４は、電流が流れたときに抵抗熱またはジュール熱により加熱される抵抗材料からなる層を含む複数の副層（sub-layers）から構成される構造体である。副層に関する実施形態において、１つの層は、温度勾配が形成される位置付近に配置される、絶縁材料からなる薄膜であってもよいし、温度勾配が形成される位置に配置される、より迅速に加熱するように構成された金属膜であってもよい。
【０１３６】
低温層４３０１は、動作位置においてジュール熱にあまり影響を受けない材料で構成してもよい。抵抗性のジュール熱特性は、材料や、（例えば熱が発生する位置において高温層が対向する位置における低温層より薄く形成して、高温層内の電子密度が高いために、低温層より多量のジュール熱が生じるように支援する）構成、その他特定の実施形態に依存するが、一方の層において他方の層より多量の熱を発生させ、もしくは迅速に加熱させ、またはこれらの特性を組み合わせる要素の選択によって変更できる。例えば高温層を薄膜の表面配線で構成してもよく、すなわち高温層は、ＮＭＳＥＴ構造体または一群のＮＭＳＥＴ構造体等の加熱する必要がある位置における高温層の断面をより狭くするか、またはより小さくして構成してもよい。その結果、こうした位置における電荷キャリア密度／抵抗を増大させ、より多量のジュール熱を発生させる。低温層は、キャリア密度を低減するために、より膜厚で、より低い抵抗率を有する材料からなり、（例えば高温層の全体表面を覆うように）より面積の大きくしてもよい。どのようなメカニズムであれ、一方の層に電流が流れるとジュール熱が発生し、他方の層に電流が流れないと、少なくとも一方の層で発生するのと同程度のジュール熱は発生しない。
【０１３７】
一方の層から他方の層に電流を流すメカニズムは、量子トンネル効果等の任意の適当な方法またはメカニズムを利用できる。半導体の導電性は、低温層がＰ型半導体で、高温層がＮ型半導体であるときＰＮ接合を構成し、これらの対向する表面上に電極を形成し、トランジスタがアドレスラインに接続され、読み出し／書き込みラインやメモリデバイスのアドレスラインと同様、一方の表面上で隣接する電極を加熱し、スイッチは、アドレス選択可能なメモリサイトまたはメモリピクセルの構造とほとんど同じような構造体を有するが、メモリサイトまたはメモリピクセルの構造体が温度的に加熱する電極、または温度勾配デバイスまたはこうしたデバイスのクラスタに選択的にアドレス選択可能な任意の他のタイプの構造体と置き換えられる。
【０１３８】
択一的または追加的には、高温層は、同一層内で入力表面および出力表面を有し、一方の表面から他方の表面に電流が流れ、高温層を抵抗式に加熱できる。この実施形態は、選択された複数の部位で発熱させ、高温層が導電性材料で完全に覆われていない場合には、選択された複数の部位より部位で発熱させるが、導電性ラインを有し、このとき導電性ラインが一群のＮＭＳＥＴ構造体等の選択部位で発熱させることができる特性を有する。すなわち、この導電性ラインは、電流を供給すると選択的に加熱されるように、加熱されない断面積は充分に大きいが、選択された部位は小さい断面積を有する。
【０１３９】
図４３の実施形態において、電流が上層４３０１の上側表面４３０２から下側表面４３０４に流れる。図４３に示すように、スイッチ４３０８が開回路状態にある。すなわち上層４３０１と下層４３０４との間に電流は流れない。したがって、表面４３０２と表面４３０３との間の温度勾配または温度差は生じない。
【０１４０】
図４４は、スイッチが閉回路状態にある場合を示すものである。すなわち、電源４４０７からの電流が層４４０１および層４４０２に流れる。電流が流れると、層４４０２がその抵抗特性に起因して発熱し始め、層４４０１も同様に加熱する。層４４０２が加熱されると、上側表面４４０３および下側表面４４０４の間に温度勾配４４０５が形成される。スイッチ４４０６が開回路状態にすると、もはや層４４０１および層４４０２の間に電流は流れない。すなわち、上側表面４４０３および下側表面４４０４の間の温度差がやがてゼロになるように、温度勾配４４０５は消滅する。
【０１４１】
図４５は、スイッチ４４０６を閉じて、電流を流したときの表面４４０４の温度上昇をプロットしたものである。ｘ軸に沿って時間、ｙ軸に沿って温度をプロットしている。図４５に示す表面４４０４の温度は、プロット曲線４５０１で示すように急激に増大し、平衡温度に達している。その後、図４４のスイッチ４４０６を開いて、電流を流さないようにすると、温度は下降し始める。
【０１４２】
スイッチ４４０６を閉じたときの表面４４０３の温度は、層４４０２からの熱が層４４０１を介して表面４４０３に伝導するものであるので、そのプロット曲線４５０２で示すように、プロット曲線４５０１と同様に推移するが、遅延パターン４５０７を示す。表面４４０３の温度は、図４４のスイッチ４４０６を開いた後も若干上昇し続け、平衡温度４５０５に達する。図４５の符号４５０６は、スイッチ４４０６が閉じている時間を示す。スイッチ４４０６が閉じている時間４５０６が、平衡温度４５０４に達するまでに必要な時間を超えると、温度勾配４５０３がなくなるまで、表面４４０３の温度が上昇し続ける。
【０１４３】
すなわち、表面４４０４の温度４５０４と表面４４０３の温度４５０５との間の温度勾配は、ある所定の時刻において、図４５の温度勾配４５０３で図示されている。
【０１４４】
図４５に示すように、層４３０１，４３０４への電流を流すことを止めた後、表面４４０３および表面４４０４の温度が、その周囲の雰囲気温度に戻るのに有限な時間がかかる。隣接する温度勾配デバイスが近接して配置されている場合、余熱により問題が生じることがある。
【０１４５】
図４６は、別の例示的な実施形態に係る水平行および垂直列に配置された温度勾配デバイス４６０３により操作される複数の分散型スラスタデバイスの上面断面図である。電流が、マトリックス（行列）形式で、電源から各デバイスに複数の電源ライン４６０１，４６０２を介して供給される。制御ユニットは、プロセッサ、とりわけプログラム可能なプロセッサで構成してもよく、このプロセッサは、活性領域における制御電子回路に関して上記説明したように、電源ラインが読み込み／書き込みのアドレス選択ラインのように作動して、活性部位に隣接する制御電気回路を制御するか、または単に、水平および垂直電源ラインに電流を供給して交差ポイントで充分な電流を流し、温度勾配を形成するときに、特定の部位を選択的に作動させるものである。電気エネルギ源は、実施態様に応じて、電池や、その他任意の電源、ＡＣ電源またはＤＣ電源で構成されるものであってもよい。また、上述の［耐故障性制御システム］と題した章をここで参照する。
【０１４６】
再び、図４６を参照すると、第１の温度勾配デバイス４６０３が完全に冷却される前に、１つの隣接する温度勾配デバイス４６０３が作動すると、新たに作動するデバイスの温度勾配は、予定した温度勾配とはならない可能性がある。用途にもよるが、これは最適なものではありえない。こうした状態が図４７に図示されるが（例えば図４０ａ，図４０ｂ，図４０ｃに類似のものである。）、このとき温度勾配デバイス４７０３は電源ライン４７０４，４７０５により駆動される。図４７に示すように、発生した熱は、第１のエリア４７０１を加熱し、続いて第２のエリア４７０２を加熱する。加熱されたエリアは、他の隣接する温度勾配デバイスにも拡大し、これらのデバイスを駆動したときに、適正な温度勾配が形成されない可能性がある。この潜在的な問題は、温度勾配デバイスの選択的な駆動により緩和または解消できる。
【０１４７】
例えば、図４６に示す制御ユニット４６００は、所定時間前に隣接した駆動された温度勾配デバイスの駆動を回避するものである。そうすることにより、以前に駆動された温度勾配デバイスを充分に冷却でき、または少なくとも許容可能な温度まで冷却できるため、余熱により隣接する温度勾配デバイスの動作を阻害することがなくなる。さらに温度勾配デバイスは、読み出し／アドレス選択ラインを介して、温度勾配デバイスを個別に、または一群の温度勾配デバイスを選択的にアドレス選択できるので、デジタルディスプレイ上の画素またはメモリアレイのメモリ部位をアドレス選択し、制御できる。
【０１４８】
図４８は、この実施形態に係る複数の温度勾配デバイスからなるアレイの各温度勾配デバイスの駆動シーケンスの実施形態を示すものである。参照符号４８０１は、図４６に示す複数の温度勾配デバイスからなるアレイのうちの１つの温度勾配デバイスを示すものである。参照符号４８０２は、これに隣接する１つの温度勾配デバイスまたは隣接する１つの温度勾配デバイスアレイを示すものである。このパターンは、参照符号４８０３〜４８１６で示され、全体で１６個の温度勾配デバイスもしくは図示の温度勾配デバイスアレイ、または当然により適当なものとして最良の実施形態に係るＮＭＳＥＴデバイスで示されている。
【０１４９】
図４８を用いて、当業者ならば容易に理解されるが、最近過去に駆動された隣接する温度勾配デバイスによる熱干渉を防止または低減するように、個々の温度勾配デバイスまたは一軍の温度勾配デバイスの駆動シーケンスを決定できる。最近過去に駆動された隣接する温度勾配デバイスを充分に冷却させるために充分な時間を経過させるためである。例えば温度勾配デバイスの対（４８０１，４８０９）、対（４８０３，４８１１）、対（４８０５，４８１３）、対（４８０７，４８１５）、対（４８０１，４８０９）ごとに順次駆動して、最近過去に駆動された隣接する温度勾配デバイスに対して実質的な熱干渉が生じないようにすることができる。当業者ならば図４８から他の駆動シーケンスを認識できる。
【０１５０】
図示のように、開示された実施形態は、温度勾配を形成し、維持するための数多くの用途を有し得る。特に、これに限定するものではないが、温度勾配構造体は、分散型スラスタを駆動するヒートポンプであってもよく、本明細書で開示された数多くの態様および変形例に係るＮＭＳＥＴにより駆動される、より特別の分散型スラスタであってもよい。
【０１５１】
図４９Ａは、走行面４９０５の上に配置され、コントローラ４９５０および電源４９６０と電気接続された例示のエアクッション式輸送機関４９００の横断面図である。図４９Ｂは、輸送機関４９００の平面図である。輸送機関４９００は、プラットフォーム４９１０と、推力推進装置４９１２と、サスペンション４９１４と、スカート４９２０と、センサ４９２２とを含む。
【０１５２】
プラットフォーム４９１０は、乗員及び／又は貨物を支持する構造体である。図４９Ａにおいて、プラットフォーム４９１０は、矩形状プレートとして示している。他の実施形態では、プラットフォーム４９１０は、異なる及び／又は複雑な形状を有してもよい。プラットフォーム４９１０は、他の構造、例えば、車両フレーム、乗員室、貨物室と組み合わせてもよい。
【０１５３】
推力推進装置４９１２は、スカート４９２０で包囲された空間内でガスを加圧するためにプラットフォームと連結される。推力推進装置４９１２は、輸送機関４９００を持ち上げて推進するための力を発生する。推力推進装置４９１２は、分散型スラスタ４９１３を含む。分散型スラスタは、多くの実施形態の１つにおいて一群のＮＭＳＥＴデバイス４９１３でもよく、または他の推力発生デバイスアレイでもよい。
【０１５４】
図４９Ａと図４９Ｂに示すように、分散型スラスタ４９１３は、推力推進装置４９１２を横断して矩形アレイ状に均等に分布している。図４９Ａと図４９Ｂでのアレイ形状は、図示のためである。分散型スラスタ４９１３の特定の配置及び／又は密度は、輸送機関４９００の環境及び／又はサイズ、重量および所望の速度に基づいて選択してもよい。例えば、１つ又はそれ以上の矩形状、円形状または他の幾何形状のアレイに配置された分散型スラスタ４９１３は、プラットフォーム４９１０と連結された１つ又はそれ以上の推力推進装置の周りに分布している。
【０１５５】
アレイ状の分散型スラスタ４９１３は、個々のスラスタ４９１３が選択的に駆動され、可変に制御可能なようにアドレス指定が可能である。例えば、アレイ状の各スラスタ４９１３が、コントローラ４９５０が圧力差を駆動する個々の手段を可変制御するためのアドレスを有してもよい。
【０１５６】
サスペンション４９１４は、輸送機関４９００の車台の上に設置され、推力推進装置４９１２が動作を停止した場合、及び／又は、設計したものより大きな下向き力を受けた場合に輸送機関４９００を支持するシステムである。サスペンション４９１４は、車輪４９１６と、面４９０５から可動プラットフォーム４９００へのショックを吸収するスプリング４９１８とを含んでもよい。サスペンション４９１４は、移動面４９０５が液体である場合、プラットフォームを浮かせるための浮力装置を含んでもよい。幾つかの実施形態では、サスペンション４９１４は格納可能である。
【０１５７】
スカート４９２０は、プラットフォーム４９１０の周囲に連結された１つ又はそれ以上の材料ピースであり、推力推進装置４９１２によって発生した加圧ガスをプラットフォーム４９１０と走行面４９０５との間に維持するために、プラットフォーム４９１０の下方に実質的に包囲された空間を規定する。スカート４９２０は、走行面４９０５に対してほぼ平行な環状ダクトを提供してもよい。幾つかの実施形態では、スカート４９２０は、可撓性の布で構成される。他の実施形態では、後述するように、スカート４９２０は、分散型スラスタからなる剛性プレートで形成される。
【０１５８】
センサ４９２２は、輸送機関４９００の状態を決定し、情報を電子的形態に変換するためのデバイスである。センサ４９２２は、輸送機関４９００の位置および動きを検知する１つ又はそれ以上のデバイスでもよい。速度、速さ、加速度は、６つの自由度（即ち、前／後、右／左、上／下、ヨー、ピッチ、ロール）でセンサ４９２２によって測定可能である。センサ４９２２は、プラットフォームの動きを検知する、例えば、加速度計、ジャイロスコープでもよく、対応した情報を、動きの他のパラメータを導出できるコントローラ４９５０に提供する。センサによって提供された情報は、輸送機関４９００を能動的に制御し安定化するために高いレート（例えば、３０＋  Ｈｚ）で発生できる。レートは、輸送機関４９００の所望の安定性、走行面４９０５の種類、および走行速度に応じて、より速くてもより遅くてもよい。
【０１５９】
輸送機関４９００はまた、他のセンサ４９２２を含んでもよい。例えば、サスペンション４９１４に設置された荷重センサは、輸送機関４９００の全体重量を決定するために使用できる。さらに、荷重センサは、プラットフォーム４９１０の上または下に配置でき、コントローラ４９５０が輸送機関４９００の荷重の相対分布を決定し、移動するように制御されていない場合にはプラットフォームが水平に保たれるように補償できる。
【０１６０】
コントローラ４９５０は、輸送機関４９００の運転を制御するためのデバイスである。それは、輸送機関４９００の上に搭載しても搭載しなくてもよい。コントローラ４９５０は、輸送機関４９００の起動、リフト、推進力及び／又は方向を制御するように自動または手動で動作可能である。コントローラ４９５０は、例えば、パーソナルコンピュータ、ミニコンピュータ、マイクロプロセッサ、サーバー、ワークステーション、メインフレーム、類似のコンピュータプラットフォームなど、１つ又はそれ以上のコンピュータシステムとして実装できる。
【０１６１】
コントローラ４９５０は、１つ又はそれ以上の情報リンクを介して輸送機関４９００と電気接続でき、輸送機関は直接または遠隔で制御できるようになる。情報リンクは、有線接続または無線接続でもよい。例えば、情報リンクは、直接リンク、例えば、アナログインタフェース、シリアルインタフェース、パラレルインタフェースでもよい。例えば、情報リンクは、ワイドエリアネットワーク、ローカルエリアネットワーク、例えば、エクストラネット、イントラネット、インターネット、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、ワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）でもよい。
【０１６２】
コントローラ４９５０は、プロセッサ４９５２と、データストレージ装置４９５４と、オペレータ入力装置４９５６とを含んでもよい。また、図示していないが、コントローラ４９５０は、コンピュータ読み取り可能なメモリ（例えば、リードオンリーメモリ、ランダムアクセスメモリ）、さらには他のコンポーネント、例えば、クロック、通信インタフェース、、データバス、入力／出力デバイス、オペレータ入力装置、ディスプレイ装置を含んでもよい。
【０１６３】
コンピュータ読み取り可能なデータストレージ装置４９５４は、ハードウエア、ソフトウエア、ファームウエア、これらの組合せを含んでもよく、コンピュータ読み取り可能なプログラム命令およびデータを含む情報を保存し検索する。データストレージ装置４９５４は、例えば、半導体、磁気または光学ベースの情報保存／検索装置（例えば、フラッシュメモリ、ハードディスクドライブ、ＣＤ−ＲＯＭ、フラッシュＲＡＭ）でもよい。データストレージ装置４９５４は、単一エレメントとして図示しているが、装置４９５４は、任意の追加の数のストレージ媒体を備えてもよい。
【０１６４】
オペレータ入力装置４９５６は、輸送機関４９００のオペレータから制御および操縦コマンドを受信するためのコントローラと電気接続された装置である。オペレータ入力装置４９５６は、例えば、ジョイスティック、マウス、キーボード、重量分散(weight distribution)システム、及び／又はタッチスクリーンディスプレイでもよい。幾つかの実施形態では、オペレータは、輸送機関４９００の乗員でもよい。他の実施形態では、オペレータは、輸送機関４９００を遠隔で制御してもよい。
【０１６５】
コントローラ４９５０は、コンピュータ実行可能な命令（例えば、ソフトウエア、ファームウエア、アプリケーション、プログラム、コード、コードの一部、およびこれらの組合せ）およびデータ（例えば、データ編集、データベース、データセット）をデータストレージ装置４９５４に保存してもよく、これらは、プロセッサ４９５２によって検索および実行した場合、コントローラ４９５０を制御して、センサ情報を入手し、コマンド入力を受信し、輸送機関４９００の動きを制御するものである。コンピュータ実行可能な命令は、例えば、Ｃ＋＋、ＪＡＶＡ、ＳＣＡＬＡなど、任意の適切なコンピュータプログラム言語を用いてコード化できる。図示していないが、データストレージ装置４９５４は、コントローラ４９５０を制御する他のコンピュータ実行可能な命令（例えば、ブートローダ、オペレーションシステム、制御モジュール、ハードウエアドライバ）を含んでもよい。
【０１６６】
電源４９６０は、推力推進装置４９２０、コントローラ４９５０、及び／又は、可動式プラットフォーム４９００の他の動力付きコンポーネントに電力を供給する。電源４９６０は、例えば、１つ又はそれ以上のバッテリ、モータ、発電機、燃料電池または太陽電池でもよい。電源４９６０から供給される電力は、分散型スラスタ４９１３の動作を通電するために使用できる。
【０１６７】
コントローラ４９５０は、輸送機関４９００を走行面４９０５の上でホバリングさせ、支持用のサスペンション４９１４に依存しつつ、命令された方向に移動させることができる。最初、輸送機関４９００は、サスペンション４９１４を用いて走行面４９０５の上で静止し休止していてもよい。コントローラ４９５０は、例えば、オペレータ入力装置４９５６を介してオペレータによって命令され、推力推進装置４９１２を起動し、輸送機関４９００をホバリング状態に持ち上げてもよい。図４９Ｃは、推力を生成するために用いられるガスフロー４９７０を示す、輸送機関４９００の横断面図である。コントローラ４９５０によってそうするように命令された場合、推力推進装置４９１２は、輸送機関４９００を取り囲むガスを包囲空間４９２２の中に押し込んで、輸送機関４９００を走行面４９０５から持ち上げる下向き方向の推力を発生する。発生した推力は、スカート４９２０によって包囲空間４９２２とともに収容されたエアクッションを結成する。
【０１６８】
輸送機関４９００をホバリングさせるために推力推進装置４９１２から出力される推力量は、オペレータ入力装置４９５６を用いてコントローラ４９５０を介してオペレータによって制御できる。さらに、コントローラ４９５０は、どの分散型スラスタ４９１３を起動すべきか、そして、輸送機関を走行面４９０５から持ち上げるエアクッションを発生するために、選択したスラスタ４９１３の各々から要求される力の量を決定できる。コントローラ４９５０は、センサ４９２２から受信した重量情報に基づいて、輸送機関を持ち上げるのに必要な力の量を決定してもよい。また、センサ４９２２からの情報を用いて、コントローラ４９５０は、バランスを失った重量、風、水平でない表面などに順応することによって、自動的にホバリングを行う推力を調整してもよい。
【０１６９】
コントローラ４９５０はまた、輸送機関４９００を所望の方向に移動させるために、例えば、オペレータ入力装置４９５６を介してオペレータによって命令を受けてもよい。コントローラは、分散型スラスタ４９１３によって供給される力を個別またはグループ毎に選択的に変化させ、輸送機関４９００を種々の方向に移動させる種々の推力量を出力する。推力推進装置４９１２において種々の場所にある分散型スラスタ４９１３によって出力される揚力を変化させることによって、エアクッションを成形するプラットフォーム４９１０のエッジ間で不均等な推力が発生可能であり、これによって輸送機関４９００は操縦および推進が可能になる。
【０１７０】
追加または代替として、輸送機関４９００は、プラットフォーム４９１０の前エッジに作用する圧力を下向きに作用させることによって、ある方向に走行するように制御可能である。例えば、図５０は、プラットフォーム４９１０の前エッジに作用する下向き圧力に応答して前方向５００６に移動する輸送機関４９００の横断面図である。下向き圧力は、前縁５００２と後縁５００４との間にエアクッションを成形し、輸送機関４９００の後方から逃げる移動空気に起因して、輸送機関４９００を前向きに移動させる。
【０１７１】
幾つかの実施形態では、コントローラ４９５０によって命令された方向に合力を共に発生する力を横方向に供給することによって、輸送機関４９００の安定性および加速が改善できる。図５１Ａと図５１Ｂは、スカート４９２４が分散型スラスタ４９１３で形成されている輸送機関４９００の一例を示す。分散型スラスタ４９１３は、横方向推力を発生するために用いられる周囲の空気を取り込む。輸送機関４９００の安定性を増やすために、コントローラは、スカート４９２０での分散型スラスタを能動的に制御して、反対の力（例えば、左／右、前／後）を供給し、前向き合力を命令した方向に発生してもよい。この手法では、輸送機関４９００は能動力クッションによって安定化される。
【０１７２】
上述の明細書は、説明目的で用意した例を用いて本発明の原理を教示するとともに、本発明の真の範囲から逸脱することなく、形態および詳細の種々の変化が実施できることは、本開示の解釈から当業者によって理解されるであろう。さらに、例示の実施形態をここで説明したが、本開示に基づいて当業者によって理解されるように、更なる実施形態が等価の要素、変更、省略、組合せ（例えば、種々の実施形態に渡る態様のもの）、適合、及び／又は、修正を含んでもよい。本開示の他の実施形態は、ここで開示した実施形態の明細および実践の考慮から当業者にとって明らかとなるであろう。従って、明細書および実施形態は例示のみとして考えられることを意図している。
【０１７３】
ここで説明したように、例えば、本発明は、ソフトウエア（例えば、プラグイン式またはスタンドアローン式のソフトウエア）、メモリ、または制御機構を実行するように構成された、持続性のコンピュータ読み取り可能なストレージ媒体（例えば、特に自立型シリコンデバイス、固体メモリ、光ディスクまたは磁気ディスクにおいて）にソフトウエアを含む機械（例えば、コンピュータシステム、マイクロプロセッサベースの機器など）において具体化してもよい。
【０１７４】
上述の明細書は、説明目的で用意した例を用いて本発明の原理を教示するとともに、その全容を与える添付の請求項の範囲から逸脱することなく、形態および詳細の種々の変化および変更が実施できることは、本開示の解釈から当業者によって理解されるであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８Ａ−１８Ｄ】
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【図１９】
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【図２０（ａ）】
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【図２０（ｂ）】
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【図２０（ｃ）】
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【図２０（ｄ）】
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【図２０（ｅ）】
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【図２０（ｆ）】
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【図２０（ｇ）】
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【図２０（ｈ）】
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【図２０（ｉ）】
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【図２０（ｊ）】
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【図２０（ｋ）】
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【図２０（ｌ）】
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【図２０（ｍ）】
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【図２０（ｎ）】
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【図２０（ｏ）】
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【図２１（ａ）】
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【図２１（ｂ）】
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【図２１（ｃ）】
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【図２１（ｄ）】
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【図２１（ｅ）】
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【図２１（ｆ）】
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【図２１（ｇ）】
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【図２１（ｈ）】
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【図２１（ｉ）】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０Ａ】
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【図４０Ｂ】
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【図４０Ｃ】
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【図４１Ａ】
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【図４１Ｂ】
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【図４２Ａ】
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【図４２Ｂ】
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【図４２Ｃ】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９Ａ】
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【図４９Ｂ】
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【図４９Ｃ】
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【図５０】
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【図５１Ａ】
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【図５１Ｂ】
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【国際調査報告】
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