ОТКАЗОУСТОЙЧИВАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ МИКРОДВИЖИТЕЛЕЙ
FAULT-TOLERANT CONTROL SYSTEM FOR DISTRIBUTED MICROACTUATORS

Перекрестная ссылка
[0001] Данная заявка содержит ссылки на предварительные патентные заявки US 61/239446, поданную 3 сентября 2009 г., US 61/264778, поданную 27 ноября 2009 г., US 61/296198, поданную 19 января 2010 г., и US 61/448621, поданную 2 марта 2011 г., и международную заявку PCT № US2010/002428, поданную 3 сентября 2010 г., содержание которых в полном объеме включено в данное описание посредством ссылки. Испрашивается приоритет предварительной патентной заявки US 61/448621, поданной 2 марта 2011 г.
Область техники
[0002] Настоящее изобретение относится к способам и устройствам для управления системами газовой тяги, генерацией вакуума, газовой компрессией и к другим вариантам использования.
Уровень техники
[0003] Устройства для перемещения газов широко используются. Самые первые авиационные двигатели представляли собой пропеллеры с поршневым приводом. Они работали за счет соединения поршневого двигателя с пропеллером. Их простота обусловила их широкое распространение, пока не были изобретены реактивные двигатели. Турбореактивные двигатели работают по принципу соединения турбины с системой создания топливной смеси. Вращение турбины сжимает топливовоздушную смесь, которая, при сгорании, обеспечивает тягу и крутящий момент для вращения турбины. Первые турбореактивные двигатели развивали свою тягу за счет продуктов сгорания, покидающих двигатели. Современные варианты турбореактивных двигателей включают в себя турбовинтовые и турбовентиляторные двигатели, которые используют крутящий момент, развиваемый продуктами сгорания, для приведения в действие пропеллера или вентилятора помимо сжатия топливовоздушной смеси. Ракетные двигатели, возможно, являются одними из старейших систем механической тяги и не претерпели значительных изменений с момента своего возникновения. Ракета содержит трубу или конус, где находится (или куда подается) смесь топлива и окислителя. Расширяющийся газ, образующийся в результате сгорания этой смеси, создает тягу. Ракеты, хотя и обеспечивают наивысшее отношение тяги к массе топлива из всех существующих систем тяги, не могут легко изменять величину развиваемой ими тяги. Даже добавление возможности выключать и отключать ракету значительно усложняет ее конструкцию.
[0004] Адгезия между двумя материалами может характеризоваться пятью типами: механический, химический, дисперсионный, электростатический и диффузионный. Из этих пяти типов, до сих пор, только электростатический и определенные типы механической адгезии являются легко обратимыми процессами. Вакуум можно использовать для адгезии поверхностей и подъема материалов. Однако такие устройства в общем случае требуют отдельных механизмов для создания пониженного давления и применения вакуума к поверхности. Система генерации вакуума, в общем случае, включает в себя вакуумный насос, регулирующий клапан, воздушный фильтр, вакуумметр, вакуумный резервный бак и источник мощности. Преимущество использования вакуума для адгезии, однако, состоит в том, что не остается остатка. Обычно другие типы адгезии оставляют после себя остаток, который часто является нежелательным.
[0005] В общем случае, вышеупомянутые традиционные системы тяги также можно использовать для сжатия газа. Можно также сжимать газ по закону идеального газа, например в поршневых или диафрагменных насосах. Современные устройства, в общем случае, требуют устройства нагнетания, отдельные от резервуара повышенного давления.
[0006] Способность создавать поток газа путем создания перепада температур на поверхности давно известна. В 1873 г. Вильям Крукс изобрел радиометр для измерения лучистой энергии тепла и света. В настоящее время, радиометр Крукса часто продается как новинка в антикварных магазинах. Он состоит из четырех лопастей, каждая из которых зачернена с одной стороны и является светлой с другой. Они присоединены к ротору, который может вращаться с очень малым трением. Механизм заключен внутри прозрачной стеклянной колбы, из которой полностью или почти полностью удален воздух. Когда свет падает на лопасти, лопасти вращаются так, как будто свет толкает черные поверхности.
[0007] Крукс первоначально объяснял, что световое излучение оказывает давление на черные стороны, вращая лопасти. На его статью ссылался Джеймс Клерк Максвелл, который принял объяснение, поскольку ему казалось, что оно согласуется с его теориями электромагнетизма. Однако свет, падающий на черную сторону лопастей, поглощается, тогда как свет, падающий на серебристую сторону, отражается. Это должно было создавать вдвое большее давление излучения на светлую сторону, чем на черную, а это означает, что крыльчатка вращается не в том направлении, в каком она должна была бы вращаться согласно первоначальному объяснению Крукса. Затем были предложены другие неверные объяснения, некоторые из которых бытуют по сию пору. Одна гипотеза состоит в том, что газ в колбе нагревается в большей степени излучением, поглощаемым на черной стороне, чем на светлой стороне. Предлагалось, что давление более теплого газа толкает темную сторону лопастей. Однако, проведя более скрупулезный анализ, Максвелл показал, что этот эффект не может привести к созданию равнодействующей силы, а только к устойчивому потоку тепла через лопасти. Еще одно неверное объяснение, которое широко предлагается даже в наши дни, состоит в том, что более быстрое движение горячих молекул на черной стороне лопасти обеспечивают толкание.
[0008] Правильное объяснение действия радиометра Крукса приведено в работе, которую Осборн Рейнольдс представил на рассмотрение Королевского Общества в начале 1879 г. Он описал поток газа через пористые пластины, обусловленный разностью температур на противоположных сторонах пластин, который он назвал "тепловой транспирацией". Газ при однородном давлении течет через пористую пластину от холодной стороны к горячей. Если пластины не могут двигаться, равновесие достигается, когда отношение давлений по обе стороны равно квадратному корню из отношения абсолютных температур. В статье Рейнольдса также рассмотрен радиометр Крукса. Рассмотрим края лопастей радиометра. Край более теплой стороны действует более высокой силой на наклонно ударяющие молекулы газа, чем холодный край. Этот эффект заставляет газ проходить через область температурного градиента на краевой поверхности. Лопасть движется от нагретого газа в сторону более холодного газа, при этом газ проходит вокруг краев лопастей в противоположном направлении. Максвелл также ссылался на статью Рейнольдса, который предложил ему написать свою собственную статью, “On stresses in rarefied gases arising from inequalities of temperature”. Статья Максвелла, где он проверяет и критикует Рейнольдса, была опубликована в Philosophical Transactions of the Royal Society в конце 1879 г., до публикации самой статьи Рейнольдса. См. Philip Gibbs в “The Physics and Relativity FAQ,” 2006, на math.ucr.edu/home/baez/physics/General/LightMill/light-mill.html.
[0009] Несмотря на то, что Рейнольдс и Максвелл описывали поток газа на поверхности под действием тепла еще в конце 19-го века, потенциал применения перемещения газов за счет взаимодействия с горячей и холодной поверхностями долгое время не был по достоинству оценен. Для работы радиометра Крукса требуется разреженный газ (т.е. газ, давление которого много меньше атмосферного давления), и поток газа через пористые пластины не дает полезную тягу, частично вследствие толщины и вследствие случайного расположения пор в пористых пластинах.
[0010] Кроме того, необходима система управления для управления правильным функционированием тепловой транспирации в данном наборе пористых пластин. Это позволило бы использовать пластину для ряда приложений, включая тяговые, вакуумные системы и т.д.
Сущность изобретения
[0011] Здесь раскрыта система управления для управления работой множества микродвижителей, размещенных в множестве параллельных горизонтальных строк и множестве параллельных вертикальных столбцов. Система управления содержит источник мощности, первое множество линий питания, подключенных к источнику мощности и присоединенных к, по меньшей мере, одному микродвижителю из множества микродвижителей в горизонтальной строке из множества параллельных горизонтальных строк, второе множество линий питания, подключенных к источнику мощности и присоединенных к, по меньшей мере, одному микродвижителю из множества микродвижителей в вертикальном столбце из множества параллельных вертикальных столбцов, и блок управления, присоединенный к источнику мощности для управления активацией первого множества линий питания и активацией второго множества линий питания.
[0012] Кроме того, первое множество линий питания пересекается со вторым множеством линий питания во множестве положений, и при активации выбранной линии питания из первого множества линий питания и выбранной линии питания из второго множества линий питания, электрическая цепь завершается. Электрическая цепь активирует, по меньшей мере, один выбранный микродвижитель из множества микродвижителей.
[0013] В одном варианте осуществления, источник мощности содержит батарею.
[0014] В другом варианте осуществления, блок управления содержит центральный процессор.
[0015] В дополнительном варианте осуществления, множество микродвижителей состоит из устройств NMSet.
[0016] В еще одном варианте осуществления, система управления дополнительно содержит третье множество линий питания, подключенных к источнику мощности и присоединенных к тому же, по меньшей мере, одному микродвижителю из множества микродвижителей, что и первое множество линий питания, и четвертое множество линий питания, подключенных к источнику мощности и присоединенных к тому же, по меньшей мере, одному микродвижителю из множества микродвижителей, что и второе множество микродвижителей. Дополнительно, активация третьего множества линий питания и четвертого множества линий питания регулируется блоком управления.
[0017] В еще одном варианте осуществления, каждая из линий питания третьего множества является резервной для первого множества линий питания.
[0018] В другом варианте осуществления, каждая из линий питания четвертого множества является резервной для второго множества линий питания.
[0019] В еще одном варианте осуществления, система управления дополнительно содержит устройство обнаружения отказа для обнаружения отказа в, по меньшей мере, одной из первого множества линий питания или в, по меньшей мере, одной из второго множества линий питания. Устройство обнаружения отказа присоединено к блоку управления для регистрации отказа.
[0020] В еще одном варианте осуществления, блок управления регистрирует отказ в одном из первого множества линий питания или второго множества линий питания, и блок управления управляет выбранной линией питания из третьего множества линий питания или выбранной линией питания из четвертого множества линий питания для завершения электрической цепи для активации, по меньшей мере, одного выбранного микродвижителя.
[0021] В дополнительном варианте осуществления, блок управления одновременно управляет выбранным множеством микродвижителей из множества микродвижителей.
[0022] В еще одном варианте осуществления, электрическая цепь активирует, по меньшей мере, один выбранный микродвижитель путем нагрева, по меньшей мере, одного выбранного микродвижителя.
[0023] В еще одном варианте осуществления, множество микродвижителей содержит множество проводящих областей, и каждая из проводящих областей окружена тепловым барьером, благодаря чему, электрическая цепь активирует, по меньшей мере, одну проводящую область из множества проводящих областей, и активированная, по меньшей мере, одна проводящая область оказывается изолированной от других проводящих областей.
[0024] Далее раскрыт способ управления множеством микродвижителей, размещенных в множестве параллельных горизонтальных строк и множестве параллельных вертикальных столбцов. Способ содержит этапы, на которых обеспечивают источник электрической мощности для, по меньшей мере, одной линии питания из первого множества линий питания. Первое множество линий питания присоединено к, по меньшей мере, одному микродвижителю из множества микродвижителей в горизонтальной строке из множества параллельных горизонтальных строк. Способ также требует обеспечения источника электрической мощности для, по меньшей мере, одной линии питания из второго множества линий питания. Второе множество линий питания присоединено к, по меньшей мере, одному микродвижителю из множества микродвижителей в вертикальном столбце из множества параллельных вертикальных столбцов.
[0025] Способ дополнительно требует завершения электрической цепи, состоящей из, по меньшей мере, одной линии питания из первого множества линий питания и, по меньшей мере, одной линии питания из второго множества линий питания, и активации, по меньшей мере, одного выбранного микродвижителя через электрическую цепь. Блок управления управляет обеспечением источника электрической мощности для, по меньшей мере, одной линии питания из первого множества линий питания и обеспечением источника электрической мощности для, по меньшей мере, одной линии питания из второго множества линий питания.
[0026] В одном варианте осуществления, источник электрической мощности содержит батарею.
[0027] В другом варианте осуществления, блок управления содержит центральный процессор.
[0028] В еще одном варианте осуществления, множество микродвижителей состоит из устройств NMSet.
[0029] В дополнительном варианте осуществления, устройства NMSet содержат по меньшей мере, первый слой и второй слой, размещенные в стопке; средство для нагрева и/или охлаждения первого слоя и второго слоя для формирования горячего слоя и холодного слоя; причем холодный слой имеет более низкую температуру, чем горячий слой; в стопке образован, по меньшей мере, один сквозной канал; поверхность каждого горячего слоя открывается внутрь, по меньшей мере, одного сквозного канала; поверхность каждого холодного слоя открывается внутрь, по меньшей мере, одного сквозного канала; и полная длина сквозного канала до 10 раз превышает среднюю длину свободного пробега газа, в который погружено устройство NMSET, и/или не превышает 1500 нм.
[0030] В еще одном варианте осуществления, способ дополнительно содержит этапы, на которых обеспечивают источник электрической мощности для третьего множества линий питания, присоединенных к тому же, по меньшей мере, одному микродвижителю из множества микродвижителей, что и первое множество линий питания, и обеспечивают источник электрической мощности для четвертого множества линий питания, присоединенных к тому же, по меньшей мере, одному микродвижителю из множества микродвижителей, что и второе множество линий питания. Блок управления активирует третье множество линий питания и активирует четвертое множество линий питания.
[0031] В еще одном варианте осуществления, третье множество линий питания является резервным по отношению к первому множеству линий питания.
[0032] В другом варианте осуществления, четвертое множество линий питания является резервным по отношению ко второму множеству линий питания.
[0033] В еще одном варианте осуществления, способ дополнительно содержит этап, на котором регистрируют отказ в, по меньшей мере, одной из первого множества линий питания или в, по меньшей мере, одной из второго множества линий питания, так что отказ регистрируется посредством устройства обнаружения отказа, присоединенного к блоку управления.
[0034] В еще одном варианте осуществления, способ дополнительно содержит этап, на котором блок управления управляет, по меньшей мере, одной из третьего множества линий питания или, по меньшей мере, одной из четвертого множества линий питания для активации, по меньшей мере, одного выбранного микродвижителя.
[0035] В дополнительном варианте осуществления, способ дополнительно содержит этап, на котором одновременно управляют множеством микродвижителей из множества микродвижителей.
[0036] В еще одном варианте осуществления, способ дополнительно содержит этап, на котором электрическая цепь активирует, по меньшей мере, один выбранный микродвижитель путем нагрева, по меньшей мере, одного выбранного микродвижителя.
[0037] В еще одном варианте осуществления, множество микродвижителей содержит множество проводящих областей, и каждая из проводящих областей окружена тепловым барьером. Дополнительно, этап активации, по меньшей мере, одного выбранного микродвижителя через электрическую цепь содержит подэтап, на котором активируют, по меньшей мере, одну проводящую область из множества проводящих областей, таким образом, что, активированная, по меньшей мере, одна проводящая область оказывается изолированной от других проводящих областей.
[0038] Другие детали, задачи и преимущества настоящего изобретения раскрыты в нижеследующем описании определенных предпочтительных в настоящее время вариантов осуществления.
Краткое описание чертежей
[0039] Настоящие способы, устройства и системы будут описаны ниже посредством примерных вариантов осуществления, которыми не ограничивается изобретение, заданное нижеследующей формулой изобретения. Детали одного или более вариантов осуществления изложены в нижеследующем описании и показаны на прилагаемых чертежах. Другие признаки, задачи и преимущества следуют из описания и чертежей, а также из формулы изобретения.
На чертежах:
[0040] Фиг. 1 изображает тепловой насос. Это может быть плита Пельтье, плита, приводимая в действие термоэлектронной эмиссией, или любым другим подходящим средством;
[0041] Фиг. 2 - потоки газа вокруг теплового насоса, показанного на фиг. 1;
[0042] Фиг. 3 - газ, заключенный в квадратную коробку с параллельными горячими стенками и параллельными холодными стенками;
[0043] Фиг. 4 - равнодействующие силы, развиваемые на стопке наномолекулярных твердотельных электродинамических движителей ("NMSET") с пилообразной геометрией;
[0044] Фиг. 5 - скорости частиц газа вокруг стопки NMSET с пилообразной геометрией;
[0045] Фиг. 6 - эффект Пельтье, усиленный термотуннелированием;
[0046] Фиг. 7 - стопку NMSET с параболической геометрией;
[0047] Фиг. 8 - картины потока газа вокруг стопки NMSET, показанной на фиг. 7, и пространство импульсов газа;
[0048] Фиг. 9 - стопку NMSET с треугольной геометрией;
[0049] Фиг. 10 - пространство импульсов газа вокруг стопки NMSET с треугольной геометрией;
[0050] Фиг. 11 - стопку NMSET с пилообразной геометрией;
[0051] Фиг. 12 - пространство импульсов газа вокруг стопки NMSET с пилообразной геометрией;
[0052] Фиг. 13 - вид в разрезе NMSET с внутренним размещением твердотельных тепловых насосов. Эти тепловые насосы могут приводиться в действие эффектом Пельтье, термоэлектронной эмиссией или любым другим подходящим средством;
[0053] Фиг. 14 - общий вид NMSET с внутренним размещением твердотельного теплового насоса, показанного на фиг. 13;
[0054] Фиг. 15 - общий вид NMSET с внешним размещением твердотельного теплового насоса;
[0055] Фиг. 16 - вид в разрезе NMSET с внешним размещением твердотельного теплового насоса, показанного на фиг. 15;
[0056] Фиг. 17 - общий вид NMSET с внешним размещением нетвердотельного теплового насоса;
[0057] Фиг. 18 - вид в разрезе ступенчатого размещения NMSET;
[0058] Фиг. 19 - NMSET с прямолинейной геометрией;
[0059] Фиг. 20 - примерный способ изготовления NMSET;
[0060] Фиг. 21 - другой примерный способ изготовления NMSET;
[0061] Фиг. 22 - вид в разрезе сбоку, иллюстрирующий устройство тепловой транспирации;
[0062] Фиг. 23 - вид в разрезе сбоку, демонстрирующий работу устройства тепловой транспирации;
[0063] Фиг. 24 - вид в разрезе сбоку устройства тепловой транспирации с одним расширенным слоем и наклонными стенками;
[0064] Фиг. 25 - вид в разрезе сверху устройства тепловой транспирации, представленного на фиг. 24;
[0065] Фиг. 26 - вид в разрезе сбоку устройства тепловой транспирации с одним расширенным слоем и стенками, подвергнутыми сухому или влажному травлению;
[0066] Фиг. 27 - вид в разрезе сверху устройства тепловой транспирации, представленного на фиг. 26;
[0067] Фиг. 28 - вид в разрезе сбоку устройства тепловой транспирации с двумя расширенными слоями и наклонными стенками;
[0068] Фиг. 29 - вид в разрезе начала формирования одного варианта осуществления устройства тепловой транспирации;
[0069] фиг. 30 - вид в разрезе продолжения формирования устройства тепловой транспирации, показанного на фиг. 29;
[0070] Фиг. 31 - вид в разрезе сбоку продолжения формирования устройства тепловой транспирации, показанного на фиг. 30;
[0071] Фиг. 32 - вид в разрезе, демонстрирующий дополнительно формирование устройства тепловой транспирации, показанного на фиг. 31;
[0072] Фиг. 33 - вид в разрезе, демонстрирующий островки, образующиеся при формировании устройства тепловой транспирации;
[0073] Фиг. 34 - вид сверху варианта осуществления системы управления в соответствии с настоящим изобретением;
[0074] Фиг. 35 - вид сверху системы управления, представленной на фиг. 34, демонстрирующий операцию подачи мощности на набор соединительных путей;
[0075] Фиг. 36 - вид сверху системы управления, представленной на фиг. 34, демонстрирующий последствия отказа в одной из линий питания;
[0076] Фиг. 37 - вид сверху варианта осуществления системы управления в соответствии с настоящим изобретением, которая включает в себя отказоустойчивые признаки;
[0077] Фиг. 38 - вид сверху другого варианта осуществления системы управления, предназначенной для управления более крупными решетками распределенных движителей, чем система управления на фиг. 34;
[0078] Фиг. 39 - вид сверху другого предпочтительного варианта осуществления системы управления, предназначенного для управления более крупными решетками распределенных движителей, чем система управления на фиг. 38;
[0079] Фиг. 40А - вид сверху другого варианта осуществления настоящего изобретения, демонстрирующий первичные и вторичные области воздействия, когда система управления активирует целевую область;
[0080] Фиг. 40В - вид в разрезе варианта осуществления, показанного на фиг. 40А, с пересекающимися линиями питания, расположенными на нагретой стороне устройства;
[0081] Фиг. 40С - другой вид в разрезе варианта осуществления, показанного на фиг. 40А, с пересекающимися линиями питания на каждой стороне устройства;
[0082] Фиг. 41А - вид сверху другого варианта осуществления настоящего изобретения с электрическим и/или тепловым изолятором;
[0083] Фиг. 41В - вид в разрезе варианта осуществления, показанного на фиг. 41А, с пересекающимися линиями питания, расположенными на нагретой стороне устройства;
[0084] Фиг. 42А - вид сверху сетчатой структуры для решетки распределенных движителей, которая включает в себя линию подачи мощности и множество линий ответвления в точке пересечения линий питания, для использования с системой управления;
[0085] Фиг. 42В - вид сверху промежуточного изолирующего слоя, расположенного поверх фиг. 42А;
[0086] Фиг. 42С - вид сверху сетчатой структуры из линии подачи мощности и множества линий ответвления, которая располагается поверх фиг. 42В и создает множество целевых точек из единственной точки пересечения линий питания, для использования с системой управления;
[0087] Фиг. 43 и 44 - схемы для создания температурного градиента;
[0088] Фиг. 45 - диаграммы, демонстрирующие полезный рост и спад температуры в устройстве, имеющем температурный градиент;
[0089] Фиг. 46 - вид в разрезе сверху множества зон движителя, размещенных в горизонтальных и вертикальных строках в соответствии с настоящим изобретением;
[0090] Фиг. 47 - вид в разрезе сверху множества зон движителя, демонстрирующий эффект нагрева соседних зон при активации зоны движителя;
[0091] Фиг. 48 - последовательность активации для устройств температурного градиента из множества устройств температурного градиента в соответствии с настоящим изобретением.
Подробное описание
[0092] В предпочтительных вариантах осуществления, одним примером распределенных движителей, является описанное здесь устройство, которое может именоваться наномолекулярным твердотельным электродинамическим движителем ("NMSET"). Принцип работы NMSET позволяет применять NMSET, например, в области тяги, адгезии, компрессии и холодильной техники, в зависимости от характера применения NMSET. В предпочтительных вариантах осуществления, NMSET и родственные распределенные движители устройства обеспечивают легкое, компактное, энергоэффективное создание перепада давления газа с регулируемой скоростью течения.
Тяга
[0093] В некоторых вариантах осуществления, распределенные движители, например NMSET, могут обеспечивать одно или более из следующих усовершенствований в области газовой тяги:
1. Повышенная упругость: повреждение любой области в традиционной системе газовой тяги, вероятно, приведет к разрушению всей системы. Распределенные движители обеспечивают повышенное резервирование и надежность.
2. Легкость: распределенные движители с электрическим приводом, могут использовать фотогальванические тонкие пленки, что позволяет избавиться от необходимости заправки топливом. Кроме того, поскольку каждый движитель в системе распределенных движителей создает локальный перепад давления газа, этот локальный эффект может требовать менее и/или более легкие устройства для поддержания структурной целостности такой системы газовой тяги, чем обычно требуется в нераспределенной системе газовой тяги, которая генерирует такой же объем потока газа.
3. Масштабируемость: традиционные системы газовой тяги нелегко масштабировать; оптимальные турбореактивные двигатели для малых самолетов не получаются пропорциональным уменьшением размеров оптимальных турбореактивных двигателей для больших самолетов. Распределенные движители проще масштабировать, поскольку масштабирование, в основном, изменяет количество движителей, оставляя размеры отдельного движителя по большей части неизменными.
4. Время реакции: менее массивные устройства создания тяги быстрее повышают и снижают обороты; таким образом, тягу, развиваемую системой газовой тяги с распределенным движителем, легче регулировать в соответствии с изменениями необходимости.
5. Независимость мощности: для работы большинства традиционных систем тяги требуется топливо конкретного типа или класса, тогда как некоторые варианты осуществления распределенных движителей, например, NMSET, требуют лишь источник перепада температур, который может генерироваться с помощью электричества.
6. Зеленая тяга: некоторые варианты осуществления распределенных движителей, например, некоторые варианты осуществления NMSET, предполагают электрическое питание и, таким образом, не требуют ископаемых видов топлива для работы; поэтому они не вырабатывают загрязняющих продуктов сгорания (например, угарного газа, оксида азота) в ходе обычной эксплуатации, когда они используют незагрязняющий способ генерации необходимых электрических токов.
Адгезия
[0094] В некоторых вариантах осуществления, распределенные движители, например, NMSET, можно использовать как легкий механический адгезив, который прилепляется к поверхности посредством всасывания. Процесс может быть обратимым, поскольку единственный этап, необходимый для обращения адгезии, состоит в снижении мощности, подаваемой в систему в некоторых вариантах осуществления. Использование такой системы может обеспечивать дополнительное преимущество над электростатической адгезией, состоящее в том, что такая система не требует, чтобы прилепляемый материал, был плоским или проводящим, и не оставляет после себя остатка. По сравнению с другими процессами механической адгезии, использование такой системы может не требовать предварительной обработки прилепляемой поверхности.
Газовая компрессия
[0095] Поскольку распределенные движители, например, NMSET, могут размещаться так, чтобы обеспечивать поток газа через поверхность; резервуар повышенного давления может, полностью или частично, функционировать для обеспечения газовой компрессии. Таким образом, в некоторых конфигурациях, может не требоваться разделение нагнетательного узла и резервуара повышенного давления. Кроме того, поскольку действие такой системы, в общем случае, происходит в пределах малых расстояний, в некоторых вариантах осуществления, можно использовать такую систему в качестве очень компактного компрессора путем укладки в стопку множественных ступеней распределенных движителей. Традиционные системы газовой тяги, в общем случае, работают на расстояниях порядка сантиметром и иногда метров. Таким образом, укладка в стопку традиционных систем тяги в большинстве случаев является сложным и дорогостоящим предложением. Напротив, распределенные движители можно упаковывать для работы на малых расстояниях, например, вплоть до микронов. Кроме того, универсальность таких систем означает, что такую систему можно легко адаптировать для работы в качестве насоса высокого давления, стандартного воздушного насоса или с достаточным количеством ступеней, в качестве насоса высокого вакуума.
Конструкция NMSET
[0096] В одном аспекте и варианте осуществления, NMSET и некоторые родственные устройства, описанные здесь, можно рассматривать как функционирующие путем снижения энтропии газа, контактирующего с системой. В необязательном порядке, такое устройство может сообщать газу добавочную энергию, помимо энергии, теряемой из-за неэффективностей в системе, например, тепловую энергию. В другом аспекте и варианте осуществления, геометрия NMSET и некоторых родственных устройств может влиять на направление потока газа и удобство использования. Некоторые варианты осуществления NMSET и некоторых родственных устройств могут дополнительно отличаться от предыдущих устройств тепловой транспирации и пр. совместным применением параметров масштабирования, материалов, имеющих преимущественные молекулярные свойства отражения, геометрии, конструкции, формирования и размещения элементов, которые обеспечивают значительное увеличение эффективности, и/или возможности для работы при более высоких внешних давлениях и/или создания более высоких расходов. Здесь описаны различные примерные варианты осуществления NMSET с рассмотрением этих и других параметров, которые, в предпочтительных вариантах осуществления, могут создавать сильный поток газа в конкретном направлении с минимальными термодинамическими потерями, и/или работать при более высоких внешних давлениях, и/или создавать более высокие расходы.
[0097] Снижение энтропии газа с помощью NMSET можно представить преобразованием A в пространстве k импульсов газа. A можно выразить в виде матрицы, выбрав набор подходящих базисных векторов для пространства k импульсов. Если ожидаемое значение преобразованного пространства Ak импульсов является ненулевым, NMSET принимает результирующий импульс в противоположном направлении ожидаемого значения в соответствии с законом сохранения импульса.
[0098] Геометрию NMSET можно оптимизировать для более эффективного функционирования. Геометрия NMSET влияет на матрицу A преобразования. Геометрия, которая создает матрицу A, по существу равную единичной матрице I, не создает смещения результирующего импульса (т.е. преобразованное пространство Ak импульсов не будет иметь ненулевого ожидаемого значения). Напротив, могут генерироваться газовые вихри. Геометрии, которые приводят к увеличенным собственным значениями A, по большей части, предусматривают более эффективное функционирование, например, в том смысле, что частицы газа, движущиеся в конкретном направлении, переносят больший импульс.
[0099] В порядке примера, рассмотрим тепловой насос 100, погруженный в газ, показанный на фиг. 1. Тепловой насос 100 содержит верхний слой 101 и нижний слой 102. Для простоты, декартова система координат может быть представлена осью y, указывающей направление от нижнего слоя 102 к верхнему слою 101. Перепад температур может устанавливаться устройством Пельтье (не показано) между слоями или любым подходящим средством, благодаря чему, верхний слой 101 холоднее, чем газ, и нижний слой 102 горячее, чем газ. Для простоты, предположим, что тепловой насос 100 имеет цикл Карно со 100%-ным кпд. Однако допустимы и другие кпд. В этом случае, тепловой насос 100 не будет переносить чистое тепло в газ. Преобразование пространства k импульсов газа, обусловленное тепловым насосом 100, можно выразить эрмитовой матрицей A. Когда частица газа (молекула или атом) сталкивается с нижним слоем 102, предполагая, что столкновение является диабатическим, частица газа отскакивает с более высокой скоростью, чем до столкновения. Когда частица газа сталкивается с верхним слоем 101, предполагая, что столкновение является диабатическим, частица газа отскакивает от верхнего слоя 101 с более низкой скоростью, чем до столкновения. Тепловой насос 100 подвергается равнодействующей силе в направлении y. Другими словами, нижний слой 102 нагревается и, таким образом, увеличивает давление газа под нижним слоем 102, тогда как верхний слой 101 охлаждается и, таким образом, уменьшает давление газа над верхним слоем 101. Перепад давления воздействует силой на тепловой насос 100 в направлении y. В отношении преобразования пространства k импульсов газа, поскольку частицы газа, отскакивающие от верхнего слоя 101, остаются с меньшим импульсом, чем частицы газа, отскакивающие от нижнего слоя 102, преобразованное пространство Ak импульсов перекашивается, предпочтительно, в направлении -y, т.е. ожидаемое значение p преобразованного пространства Ak импульсов является ненулевым и указывает в направлении -y. Предполагая, что газ и тепловой насос 100 образуют замкнутую систему (т.е. не взаимодействующую с другими объектами), тепловой насос 100 приобретает импульс -p для сохранения суммарного импульса замкнутой системы.
[0100] Хотя геометрия теплового насоса 100, показанного на фиг. 1, создает направленную силу, в определенных обстоятельствах он может быть непрактичен по следующим причинам:
1. Если тепловой насос 100 велик, поступательное движение теплового насоса 100 в направлении y заставляет газ постоянно течь вокруг краев теплового насоса.
2. Тепло, в основном, переносится от поверхностей теплового насоса 100 посредством конвекции газа.
3. Газ вблизи поверхностей оказывает изолирующее действие. Перенос импульса между тепловым насосом 100 и газом не является эффективным кроме как вблизи краев плиты, как показано на фиг. 2.
4. Площадь поверхности теплового насоса 100 равна площади поверхности его выпуклой оболочки.
[0101] Все эти проблемы сводятся к тому, что очень малое количество газа напрямую контактирует с поверхностью. Таким образом, можно отдать предпочтение более сложной геометрии. Здесь описаны примерные варианты осуществления с тремя разными геометриями.
Принципы работы
[0102] Хотя возможны многие разные геометрии NMSET или родственных устройств, принцип действия NMSET остается одним и тем же. Не желая ограничиваться какой-либо конкретной теорией, в работе используется энергия для снижения энтропии на некоторых поверхностях устройства и сообщения сниженной энтропии газу, контактирующему с поверхностью. Устройство, в необязательном порядке, может сообщать энергию газу, повышая температуру газа. Поэтому функцию NMSET можно разделить на три области: средство для снижения энтропии на поверхностях устройства, средство для сообщения газу сниженной энтропии, и необязательное средство, отличное от неэффективного цикла Карно теплового насоса, для повышения температуры газа.
Перепад температур
[0103] Перепад температур между слоями материала или, более точно, между двумя противоположными поверхностями, в общем случае, требуется для работы NMSET или родственного устройства. В описанных здесь предпочтительных вариантах осуществления, перепад температур может устанавливаться в твердотельном электродинамическом механизме, т.е. “SE” NMSET. Однако описанные здесь устройства и способы не ограничиваются электронными или исключительно твердотельными устройствами. Например, перепад температур можно устанавливать посредством переноса тепла, выделяющегося при сгорании, с использованием жидкого теплоносителя, экзотермической химической реакции или другого химического источника. Перепад температур можно устанавливать посредством простого резистивного нагрева, посредством эффекта Пельтье, посредством термоэлектронной эмиссии, посредством эффекта Пельтье, усиленного термотуннелированием, или любым другим подходящим средством, который объяснен ниже. Средство установления перепада температур между двумя объектами можно феноменологически описать двумя характеристиками: снижением энтропии (теплопередачей между двумя объектами), и диабатичностью (полной теплопередачей между окружающей средой и двумя объектами).
A
B
A
B
[0104] В одном варианте осуществления, эффект Пельтье можно использовать для установления перепада температур. Эффект Пельтье происходит, когда электрический ток подается через контур, образованный двумя материалами с разными коэффициентами Пельтье, соединенными на двух переходах. В зависимости от направления электрического тока, тепло течет от одного перехода к другому, приводя к установлению перепада температур между переходами. Эффект Пельтье можно понять следующим образом: теплоемкость носителей заряда в материале характеризуется коэффициентом Π Пельтье, который определяется как количество теплоты, переносимое носителями единичного заряда в материале. Когда электрический ток I течет через переход материала A с коэффициентом Π Пельтье и материала B с коэффициентом Π, Пельтье, количество теплоты, переносимое носителями заряда к переходу за единицу времени, равно I×(Π-Π).
[0105] Идеальный эффект Пельтье локально снижает энтропию и является адиабатическим. Предполагая, что можно игнорировать джоулев нагрев и/или неэффективность цикла Карно, в эффекте тепло Пельтье переносится от одного перехода к другому, но тепло не добавляется в контур из двух материалов. Это снижение энтропии может обеспечивать преимущества укладываемости в стопку NMSET и родственных устройств. Следовательно, эффект Пельтье особенно хорошо применим к некоторым вариантам осуществления.
[0106] В этом варианте осуществления, источник мощности возбуждает электрический ток между двумя поверхностями. Носители заряда, например, электроны и/или дырки переносят тепло, поскольку они образуют электрический ток, и, таким образом, создают перепад температур между двумя поверхностями. Энтропия снижается за счет установления перепада температур.
[0107] Фононный поток снижает перепад температур, установленный посредством эффекта Пельтье. Если фононы имеют возможность свободно течь (т.е. теплопроводность равна бесконечности или теплоемкость равна нулю), их поток будет сводить на нет перепад температур, установленный посредством эффекта Пельтье. Эффективность эффекта Пельтье можно повысить путем снижения электрического сопротивления и теплопроводности.
[0108] Один подход к снижению теплопроводности состоит в обеспечении узкого вакуумного промежутка на пути электрического тока. Фононам нелегко преодолеть вакуумный промежуток, но носители заряда могут делать это под действием напряжения на вакуумном промежутке. Это называется эффектом Пельтье, усиленным термотуннелированием (или термотуннельным охлаждением). Фиг. 6 демонстрирует схему эффекта Пельтье, усиленного термотуннелированием. Носители 601 заряда могут туннелировать через вакуумный промежуток 602.
[0109] Эффект Пельтье, усиленный термотуннелированием, является значительным, в общем случае, только при высоких температурах или напряжениях, если не усиливается выбором геометрии поверхности и материалов, которые могут ограничивать поведение носителей заряда вблизи вакуумного промежутка и увеличивать вероятность туннелирования. Например, подходящие поверхностные покрытия и структуры могут функционировать в качестве фильтра, который блокирует низкоэнергичные состояния носителей заряда и допускает только высокоэнергичные состояния носителей заряда вблизи вакуумного промежутка.
[0110] В другом варианте осуществления, перепад температур может создаваться и поддерживаться термоэлектронной эмиссией, усиленной полем. Термоэлектронная эмиссия это порожденный теплом поток носителей заряда через энергетический барьер. Носителями заряда могут быть электроны или ионы (т.е. термионы). В первом приближении, энергетический барьер действует наподобие дамбы, сдерживая носители, тепловая энергия которых меньше его высоты и позволяя носителям, тепловая энергия которых больше его высоты, течь через него. Когда переполняющие носители минуют энергетический барьер, они отводят тепло. Носители, остающиеся за энергетическим барьером, ретермализуются (перераспределяются по энергии) до более низкой температуры. Термоэлектронная эмиссия обычно требует рабочей температуры в несколько сот градусов Цельсия, чтобы заметная доля носителей имела достаточно большие тепловые энергии для преодоления энергетического барьера. Электрическое поле может способствовать термоэлектронной эмиссии, снижая высоту энергетического барьера и снижая необходимую рабочую температуру.
[0111] Перепад температур в NMSET или родственном устройстве также можно устанавливать с использованием резистивного нагрева (объясненного ниже) и/или подходящих химических процессов. Для поддержания перепада температур без увеличения общей температуры устройства, также может быть предусмотрено некоторое средство охлаждения, например, теплоотвод с выходом в атмосферу. Независимо от используемого средства охлаждения, перепад температур является более заметным, если более теплые поверхности устройства не охлаждаются столь эффективно, как более холодные поверхности, чего можно добиться, например, с помощью теплоизоляции.
Генерация силы
[0112] В одном аспекте, создание суммарной тяги можно рассматривать как перенос сниженной энтропии из установленного перепада температур в газ. Не желая ограничиваться теорией, рассмотрим единичное устройство, работающее в газе, как адиабатический процесс. В этом примере, перепад температур между горячим и холодным слоями может устанавливаться подходящим средством, например, эффектом Пельтье. Для простоты, предположим, что суммарной теплопередачи между газом и устройством не существует. Частицы газа будут ударять по горячему и холодному слоям с равными вероятностями, и их взаимодействие с этими слоями будет оказывать влияние на локальное пространство импульсов газа вблизи поверхностей горячего и холодного слоев. Локальное пространство импульсов газа, очень близко к поверхности горячего и холодного слоев, имеет ненулевое ожидаемое значение, когда газ и поверхность имеют разные температуры. Предполагая также, что ни одна частица газа не проникает в поверхность, частицы газа отскакивают от поверхности с импульсами, отличными от их импульсов падения, что перекашивает пространство импульсов вдоль нормали к поверхности, и величина перекоса непосредственно связана с разностью температур между поверхностью и газом.
[0113] При размещении со случайной геометрией (т.е. нормали к поверхности в разных положениях на поверхности указывают в случайных направлениях), взвешенная сумма ожидаемых значений локальных пространств импульсов газа близка к нулю, что приводит к почти полному отсутствию суммарной тяги. Однако в NMSET с оптимизированной геометрией взвешенная сумма ожидаемых значений локальных пространств импульсов газа может быть ненулевой, что обеспечивает наличие суммарной тяги.
[0114] Тривиальный пример размещения, которое обеспечивает ненулевую суммарную тягу, показан на фиг. 1, как описано выше. Эта геометрия не очень эффективна, поскольку макроскопические конвекционные потоки газа и формирование вихрей увеличивают энтропию и ограничивают величину полезной работы. Примерные конвекционные потоки 120, 130 газа показаны на фиг. 2. Газ при температуре 110 окружающей среды течет в сторону холодного слоя 101 и охлаждается. Охлажденный газ 120 течет от холодного слоя 101 и вокруг краев теплового насоса 100 в сторону горячего слоя 102. Нагретый газ течет 130 от горячего слоя 102.
[0115] Для упрощения описания, может быть полезно рассматривать систему с точки зрения второго закона Ньютона и кинетической теории газов. Вокруг теплового насоса 100 на фиг. 1 и 2, предполагая, что температура газа принимает промежуточные значения между температурами слоев 101 и 102, частицы газа, которые сталкиваются со слоем 102, покидают слой 102 с большим импульсом, чем до столкновения. Аналогично, частицы газа, которые сталкиваются со слоем 101, покидают слой 101 с меньшим импульсом, чем до столкновения. Поскольку давление газа непосредственно связано с импульсами частиц газа, газ вблизи слоя 102 имеет более высокое давление, чем газ вблизи слоя 101. Это смещение давления толкает весь тепловой насос 100 в направлении y.
c
c
h
h
[0116] В другом варианте осуществления, тепловой насос 100 может иметь, по меньшей мере, один сквозной канал между слоями 101 и 102. Газ спонтанно течет от слоя 101 к слою 102 через отверстие, что обеспечивает более высокую скорость нагрева газа. Такой предпочтительный поток газа именуется тепловой транспирацией. Предполагая, что газ вблизи слоя 101 имеет температуру T и давление P и что газ вблизи слоя 102 имеет температуру T и давление P, тепловая транспирация заставляет газ течь от слоя 101 к слою 102 через отверстие, если выполняется следующее условие:
[0117] Для повышения эффективности, полезно понимать, где существует классический предел в потоках газа. Описания конвекционных потоков газа утрачивает смысл в масштабах длин, где возникает число Кнудсена. В результате, в некоторых аспектах, средняя длина свободного пробега газа оказывается полезным параметром при определении преимущественных геометрий NMSET.
[0118] Рассмотрим, например, газ при конкретном давлении, имеющий среднюю длину свободного пробега 10 нм. Если заключить облако такого газа в двухмерную квадратную коробку 20 нм на 20 нм, как показано на фиг. 3, частица газа, перемещающаяся в пределах 10 нм, совершит соударение с другой частицей газа приблизительно с такой же вероятностью, как и со стенками коробки. Если нагревать стенки коробки, то коробки меньших размеров будут достигать термодинамического равновесия с заключенным в них газом быстрее, чем более крупные коробки, поскольку частицы газа в меньших коробках имеют больше шансов столкнуться со стенками и принять участие в теплообмене с ними. В общем случае, когда большинство столкновений в газе совершается между частицами газа и поверхностью, термодинамическое равновесие может достигаться приблизительно за среднее время свободного пробега (время, за которое частица газа проходит среднюю длину свободного пробега).
[0119] По этой причине, в некоторых вариантах осуществления, характерный масштаб отдельных признаков NMSET и родственных устройств может быть наноскопическим, т.е. “нм” NMSET. Однако нужно понимать, что описанные здесь способы и устройства не ограничиваются наноскопическими вариантами осуществления. Параметр средняя длина свободного пробега зависит от плотности газа, поэтому в некоторых вариантах осуществления и использования, можно применять более крупномасштабные признаки. Кроме того, как описано здесь, множества элементов NMSET и родственных устройств можно комбинировать для обеспечения действия по большой поверхности. Например, распределенные движители, например NMSET, можно преимущественно размещать в виде решеток и/или массивов решеток для обеспечения направленного перемещения газа по большим поверхностям, например, как показано на фиг. 15-17. Распределенные движители, например NMSET, также могут размещаться в одной или более ступенях для достижения более высокого перепада давления, например, как показано на фиг. 18A-18D. Фиг. 18A иллюстрирует вид в разрезе решетки ступенчатых распределенных движителей, например, конфигураций 1800 NMSET. Каждая ступенчатая конфигурация 1800 образована ступенями 1810, 1820, 1830 в форме концентрических полусфер, содержащих решетки распределенных движителей, например NMSET 1840, 1850, 1860, показанные в разобранном виде на фиг. 18B-18D. Отдельные апертуры 1845, 1855, 1865 распределенного движителя в каждой ступени увеличиваются в оптимальном размере и толщине в соответствии со снижением внешнего давления, испытываемого на каждой предыдущей ступени в ходе эксплуатации.
Поверхностное взаимодействие
[0120] Взаимодействие между поверхностями может влиять на матрицу A преобразования пространства импульсов. Если близкорасположенные поверхности могут легко обмениваться фононами через частицы газа, то энтропия на этих поверхностях будет локально увеличиваться с более высокой скоростью, чем на поверхностях, которые не могут легко обмениваться фононами через развитие вихрей. Это, в общем случае, будет приводить к снижению эффективности системы.
[0121] Один способ ослабления обмена фононами состоит в ограничении или исключении любых совместно используемых базисных векторов между поверхностями. Например, рассмотрим частицы газа в коробке 300 на фиг. 3. Коробка 300 содержит две плоские горячие стенки 302, параллельные друг другу, и две плоские холодные стенки 301 параллельные друг другу и перпендикулярные горячим стенкам 302. Если коробка 300 сравнима по размеру со средней длиной свободного пробега частиц газа в ней, и стенки 301 и 302 совершенно зеркальны, частицы газа могут независимо достигать теплового равновесия с холодными стенками 301 и горячими стенками 302. Дело в том, что нормали к поверхности стенок совместно используются только между двумя холодными стенками 301 или между двумя горячими стенками 302, но не между холодной стенкой 301 и горячей стенкой 302. Следовательно, обмен импульсом между горячими стенками 302 и холодными стенками 301 посредством частиц газа осуществляется слабо или вовсе не осуществляется. Дело в том, что взаимодействие между частицами газа и холодными стенками 301 влияет только на импульсы в направлении x, но не на импульсы в направлении y; и взаимодействие между частицами газа и горячими стенками 302 влияет только на импульсы в направлении y, но не на импульсы в направлении x, и что импульсы в направлении x ортогональны импульсам в направлении y, исходя из отсутствия столкновений между частицами газа. По достижении теплового равновесия между частицами газа и стенками, частицы газа движутся быстрее в направлении y, чем в направлении x.
[0122] На практике, поверхности обычно не являются совершенно зеркальными. Однако зеркальные свойства поверхности проявляются очень сильно в некоторых материалах, из-за чего проявляются углы, для которых конвекционные потоки в углах могут ослабевать. Этот эффект, в общем случае, наблюдается при больших числах Кнудсена, что является предпочтительным условием для NMSET и родственных устройств, особенно в наноскопических вариантах осуществления. Число Кнудсена (Kn), названное в честь датского физика Мартина Кнудсена (1871-1949), является безразмерной величиной, заданной как отношение средней длины свободного пробега молекулы к репрезентативному физическому масштабу длин. В рассмотренных здесь NMSET или родственных устройствах, репрезентативный физический масштаб длин берется порядка величины диаметра апертуры устройства, т.е. репрезентативный физический масштаб длин равен, например, нанометру, если апертура измеряется в нанометрах, и микрону, если апертура измеряется в микронах. В предпочтительных способах использования раскрытых здесь устройств число Кнудсена, предпочтительно, больше 0,1, или больше 1, или больше 10.
Способы оптимизации NMSET и родственных устройств
Моделирование
[0123] Рабочие характеристики NMSET с конкретной геометрией можно моделировать методом Монте-Карло для оптимизации. В частности, моделирование NMSET или родственного устройства с любой данной геометрией начинается с группы частиц газа со случайными начальными положениями и импульсами вокруг устройства. Положения и импульсы этих частиц по прошествии малого интервала времени вычисляются из начальных положений и импульсов, на основании известных физических законов, параметров, например, температуры, давления, химической идентичности, геометрии устройства, взаимодействия между поверхностями устройства и частицами газа. Моделирование выполняется на протяжении выбранного числа итераций, и результаты моделирования анализируются. Геометрию устройства можно оптимизировать с использованием результатов моделирования. В предпочтительных вариантах осуществления, устройство строится с использованием результатов анализа моделирования.
[0124] В предпочтительном варианте осуществления, моделирование можно представить в виде следующей таблицы:
Алгоритм 1 EVOLVE MODEL (РАЗВИТИЕ МОДЕЛИ) (M, P, k)
M ← 0P ← набор параметров поискаk ← число итерацийдля i=1-kV ← экземпляр PV ← V возмущенный посредством ME ← MONTE CARLO(V)обновить M с использованием Eзакончить
[0125] Модель M возмущения оценивается через число (k) итераций. Прежде всего, M инициализируется как пустое множество, указывающее отсутствие известного решения. Затем начинается цикл, в котором параметры поиска генерируют произвольный элемент из определенного пространства P поиска, и ранее полученное знание M используется для возмущения P. Конкретный алгоритм используется для возмущения в качестве детали реализации.
[0126] В случае выполнения в сеточной вычислительной среде, M, в идеале, должна быть идентичной среди всех узлов, но это не обязательно вследствие стохастичного по своей природе характера процесса. Этап EVOLVE_MODEL, который фактически выполняет моделирование Монте-Карло, несомненно, является наиболее вычислительно затратным из всех и требует большого времени для синхронизации M.
[0127] Конкретные параметры зависят от окружающей среды. Параметры, которые может задавать пользователь, включают в себя следующие:
2
2
1. Молекулярные диаграммы, в некоторых вариантах осуществления содержащие до трех атомов, например CO или HO;
2. Частичные концентрации образующих молекул;
3. Первоначальные температура и давление всего газа.
[0128] При стационарном моделировании, моделирование Монте-Карло может выполняться с периодическими граничными условиями на всех осях. Однако на оси y, частицы, встречающиеся с периодическим граничным условием, стохастически термостатируются согласно настройкам температуры и давления для моделирования условий окружающей среды. На оси x, скорости частиц остаются неизменными для моделирования периодического ансамбля идентичных комплектов устройств в этом направлении. Моделирование может выполняться в двух измерениях для снижения вычислительной сложности моделирования. Трехмерное моделирование должно давать аналогичные результаты, где моделируемое устройство имеет цилиндрическую симметрию. Заметим, что в целом, симулятор не обязан использовать указанную здесь периодичность и может вовсе не задавать никаких граничных условий; они задаются только для удобства вычисления.
[0129] В предпочтительных вариантах осуществления, возможные геометрии устройства можно оценивать с учетом условий, в которых будет использоваться устройство, и известных свойств отражения поверхности материала, из которого оно будет построено. Геометрические параметры можно оптимизировать, анализируя результаты моделирования до того, как геометрия будет фактически использована при изготовлении NMSET и родственных устройств.
Примерные геометрии
[0130] Ниже конкретно рассмотрены четыре варианта осуществления с разными геометриями. Эти четыре геометрии будем именовать прямолинейной, параболической, треугольной и пилообразной. Нужно отметить, что геометрии описанных здесь NMSET и родственных устройств могут значительно различаться, и эти примеры следует рассматривать только как иллюстрации в целях рассмотрения влияния выбора той или иной конструкции на эффективности системы.
Прямолинейная
[0131] Фиг. 19 демонстрирует вариант осуществления NMSET или родственного устройства 1900 с прямолинейной геометрией. В этом варианте осуществления, устройство 1900 содержит горячий слой 1902 и холодный слой 1901. Термины "горячий слой" и "холодный слой" означают, что эти слои отличаются температурой, а не что "горячий слой" обязательно является более горячим, или "холодный слой" обязательно является более холодным, чем газ, в который погружен NMSET или родственное устройство. По меньшей мере, один прямой сквозной канал 1910 проходит через все слои устройства 1900 и, предпочтительно имеет аналогичные форму поперечного сечения и размер для каждого набора слоев. Прямой сквозной канал 1910 может иметь любую форму поперечного сечения, например, круглую, щелевую и гребенчатую.
[0132] Предпочтительно, полная длина 1910L (т.е. расстояние от одного входного отверстия до другого входного отверстия) прямого сквозного канала 1910 до 10 раз, до 5 раз или до 2 раз больше средней длины свободного пробега газа, в который погружено устройство 1900. Средняя длина свободного пробега воздуха при стандартном атмосферном давлении составляет около 55 нм. С увеличением высоты, средняя длина свободного пробега воздуха увеличивается. Для атмосферных применений, полная длина 1910L, предпочтительно, не превышает 1500 нм, и, в зависимости от применения, более предпочтительно, не превышает 550 нм, не превышает 275 нм или не превышает 110 нм. Перепад температур между горячим слоем 1902 и холодным слоем 1901, предпочтительно, составляет, по меньшей мере, 0,5°C, более предпочтительно, по меньшей мере, 30°C, более предпочтительно, по меньшей мере, 50°C, и, наиболее предпочтительно, по меньшей мере, 100°C.
[0133] Горячий слой 1902 и холодный слой 1901 могут быть разделены зазором для тепловой изоляции. Зазор, предпочтительно, представляет собой вакуумный промежуток и/или содержит тепловой изолятор. В одном примере, зазор содержит множество тонких столбиков, выполненных из хорошего теплового изолятора, например диоксида кремния.
[0134] Устройство 1900 имеет, предпочтительно, по меньшей мере, 10 прямых сквозных каналов на квадратный сантиметр. Полная длина периметра всех прямых сквозных каналов устройства 1900 на квадратный сантиметр, предпочтительно, составляет, по меньшей мере, два сантиметра.
Параболическая
[0135] Фиг. 7 демонстрирует вариант осуществления NMSET или родственного устройства 700 с параболической геометрией. В этом варианте осуществления, горячие слои 702 и холодные слои 701 попеременно уложены в стопку. В иллюстрации, каждый горячий слой 702 и холодный слой 701 имеет прямой сквозной канал. Все каналы выровнены. Канал в каждом горячем слое 702 имеет примерно такой же размер, как канал в холодном слое 701, расположенном непосредственно над ним, и меньше канала в холодном слое 701, расположенном непосредственно под ним. Каждый холодный слой 701 холоднее, чем непосредственно соседствующие с ним горячие слои 702, и каждый горячий слой 702 горячее, чем непосредственно соседствующие с ним холодные слои 701. Поверхность 702a каждого горячего слоя 702, который имеет нормаль к поверхности в направлении -y, открыт. Все каналы совместно образуют сопло с контуром параболической поверхности. Эта геометрия минимизирует совместно используемые базисные векторы между горячими и холодными слоями. Однако поскольку NMSET или родственное устройство может существенно не увеличивать энергию газа, увеличение диаметра канала может приводить к падению давления газа на краях. Это может создавать сильные вихри вблизи нижней апертуры, что снижает полную эффективность. NMSET с параболической геометрией может быть адиабатическим или изобарическим, но не обоими сразу. Аппроксимация потока газа в NMSET или родственном устройстве с параболической геометрией показана на фиг. 8. Пространство импульсов газа перекашивается, в результате чего, ожидаемое значение импульса указывает направление -y.
[0136] Хотя параболическая геометрия эффективна в NMSET или родственном устройстве, падение давления газа устанавливает ограничение сверху на размер нижней апертуры. В целом, любое адиабатическое устройство, в котором движущийся газ претерпевает изменение объема, будет терять в эффективности.
[0137] Если перепад температур в устройстве с параболической геометрией устанавливается диабатическими средствами (т.е. устройство повышает общую температуру газа), то NMSET с параболической геометрией может не терять в эффективности вследствие изменения объема газа, при условии, что количества теплоты, сообщаемого газу, достаточно для предотвращения формирования вихрей. Однако такое устройство теряет в эффективности из-за более высокой полной энтропии, т.е. собственные векторы пространства импульсов газа не так сильно отличаются друг от друга, если газ должен расширяться, но подача тепла в малых масштабах обычно проще, чем его отвод.
Треугольная
[0138] Треугольная геометрия, детализированная на фиг. 9, является частичной оптимизацией параболической геометрии для адиабатических потоков. В этом случае, газу не разрешается испытывать достаточное расширение для инициирования генерации крупномасштабных вихрей. Кроме того, поскольку апертуры не изменяются в размерах, треугольную конфигурацию наподобие этой легко укладывать в стопку.
[0139] Пространство импульсов этой треугольной геометрии смещается более эффективно, что представлено на фиг. 10. Как и в параболической конфигурации, открытые горячая и холодная поверхности стыкуются, предпочтительно, под прямым углом; однако, источник неэффективности возникает, когда частицы переносят тепло в обоих направлениях между поверхностями через центральный зазор.
[0140] Фиг. 9 демонстрирует стопку 900 NMSET или родственного устройства с треугольной геометрией. Каждое устройство в стопке 900 содержит горячий слой 902 и холодный слой 901 одинаковой толщины. Перепад температур между холодным и горячим слоями 901 и 902 может устанавливаться любым подходящим средством, например, эффектом Пельтье или любым другим тепловым насосом. Каждое устройство имеет сквозной канал 903. Каждый сквозной канал 903 имеет фаску (9031 и 9032) приблизительно под 45° на каждом входном отверстии. Поверхность фасок 9031 и 9032 превышает, например, от 1,40 до 1,42 раз толщину холодного и горячего слоев 901 и 902, не включая модификации до острых углов по структурным соображениям. Сквозные каналы 903 во всех слоях в стопке 900 выровнены. В целом, температуры горячих слоев 902 в устройстве в стопке 900 не испытывают монотонного увеличения от одной стороны стопки к другой стороне. В целом, температуры холодных слоев 901 в устройстве в стопке 900 не испытывают монотонного уменьшения от одной стороны стопки к другой стороне. Предпочтительно, каждый холодный слой 901 холоднее, чем непосредственно соседствующие с ним горячие слои 902, и каждый горячий слой 902 горячее, чем непосредственно соседствующие с ним холодные слои 901. По инженерным причинам, горячая и холодная поверхности треугольной конфигурации могут не сходиться строго в одной точке.
Пилообразная
h
c
1
2
1
2
c
h
1
2
2
[0141] Фиг. 11 демонстрирует стопку 1100 NMSET или родственного устройства с пилообразной геометрией. Каждое устройство в стопке 1100 содержит горячий слой 1102 толщиной t и холодный слой 1101 толщиной t. Перепад температур между холодным и горячим слоями 1101 и 1102 может устанавливаться любым подходящим средством, например эффектом Пельтье или любым другим тепловым насосом. Каждое устройство имеет сквозной канал 1103. В проиллюстрированном устройстве, каждый сквозной канал 1103 имеет фаску 11031 на входном отверстии со стороны холодного слоя 1101 и фаску 11032 на входном отверстии со стороны горячего слоя 1102. Угол между фаской 11031 и центральной осью сквозного канала 1103 равен θ; угол между фаской 11032 и центральной осью сквозного канала 1103 равен θ. Сумма θ и θ составляет предпочтительно от 75° до 105°, более предпочтительно от 85° до 95 и более предпочтительно от 88° до 92°. Отношение t к t, по существу, равно отношению котангенса θ к котангенсу θ. θ составляет предпочтительно от 70° до 85°.
[0142] Описанные здесь соотношения углов фасок являются предпочтительными ограничениями, а не строгими граничными условиями. В целом, чтобы материалы демонстрировали молекулярные свойства совершенно зеркального отражения, соотношения углов фасок можно слегка ослабить. Чтобы материалы демонстрировали молекулярные свойства не вполне зеркального отражения, соотношения следует сделать более строгими. Предпочтительно, фаски имеют геометрии, позволяющие минимизировать совместно используемые базисные векторы. Таким образом, предпочтительно, чтобы нормали к поверхности зеркально отражающих поверхностей фасок были ортогональными. Отклонения от ортогональности могут приводить к потере эффективности по закону косинуса. По инженерным причинам, горячая и холодная поверхности пилообразной конфигурации могут не сходиться строго в одной точке.
[0143] В проиллюстрированном устройстве, сквозные каналы 1103 во всех слоях в стопке 1100 выровнены. Температуры горячих слоев 1102 в каждом устройстве в стопке 1100 не испытывают монотонного увеличения от одной стороны стопки к другой стороне. Температуры холодных слоев 1101 в каждом устройстве в стопке 1100 не испытывают монотонного уменьшения от одной стороны стопки 1100 к другой стороне. Каждый холодный слой 1101 холоднее, чем непосредственно соседствующие с ним горячие слои 1102, и каждый горячий слой 1102 горячее, чем непосредственно соседствующие с ним холодные слои 1101.
2
[0144] Пилообразная геометрия, показанная на фиг. 11, дает преимущество над треугольной геометрией в том, что все горячие слои 1102 предпочтительно ориентированы примерно в одном направлении (т.е. θ предпочтительно близок к 90°). Это ослабляет прямое взаимодействие между горячим и холодным слоями 1102 и 1101 через сквозной канал 1103, и повышает общую эффективность.
[0145] Кроме того, поскольку горячие слои 1102 имеют меньшую площадь открытой поверхности, чем холодные слои 1101, и поскольку холодные слои 1101, предпочтительно, ориентированы под более острым углом относительно центральной оси сквозного канала 1103, чем в треугольной геометрии, пилообразная геометрия позволяет более эффективно снижать энтропию газа (и, таким образом, заставляя его совершать увеличенную работу), чем треугольная геометрия. Пространство импульсов этой пилообразной геометрии смещается более эффективно, чем пространство импульсов треугольной геометрии, что представлено на фиг. 12.
<mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><msqrt><mn>2</mn></msqrt></mrow>
[0146] В треугольной конфигурации, срезы устройства на противоположных сторонах поперечного сечения имеют величину
на оси y ввиду их угла разделения в 90 градусов. Это ограничивает эффективность снижения энтропии, поскольку части энтропии свойственно нейтрализоваться при прямом межповерхностном взаимодействии.
[0147] Однако в пилообразной конфигурации горячие слои 1102 не только не пользуются общим базисом с соседними холодными слоями 1101, но и в очень малой степени совместно используют базис с горячими и холодными слоями через сквозной канал 1103. Это комбинированное свойство делает пилообразную геометрию более эффективной, чем треугольная геометрия.
[0148] После подачи энергии на NMSET или родственное устройство (т.е. установления перепада температур), частицы газа, отскакивающие от холодных слоев, имеют более низкую результирующую скорость, а частицы газа, отскакивающие от горячих слоев, имеют более высокую результирующую скорость. Фиг. 4 демонстрирует равнодействующие силы, действующие на слои стопки 1100 (в пилообразной геометрии). В стабильном состоянии, низкое давление создается на входной апертуре (верхней апертуре на фиг. 4), что, в свою очередь, приводит к образованию соответствующей зоны низкого давления над стопкой 1100, и зоны высокого давления под стопкой 1100. Скорости частиц газа стопки 1100, обусловленные столкновениями частиц газа, показаны на фиг. 5.
Средство для установления перепада температур
Внутреннее устройство Пельтье
[0149] Согласно одному варианту осуществления, каждый элемент в геометрии устройства действует и как средство направления частиц, и как средство снижения энтропии. В устройстве Пельтье, горячая и холодная пластины выполнены из материалов с разными коэффициентами Пельтье. Электрический ток течет между холодной и горячей пластинами. Этот ток несет с собой тепло Пельтье, устанавливая перепад температур, необходимый для работы устройства. В некоторых вариантах осуществления, пьезоэлектрические прокладки могут располагаться между элементами устройства для поддержания разделительных зазоров между ними.
[0150] Поперечное сечение NMSET или родственного устройства согласно варианту осуществления с внутренним размещением устройства Пельтье детализировано на фиг. 13 и 14. Все горячие слои 1302 соединены. Все холодные слои 1301 соединены. Электрический ток течет через устройство Пельтье, помещенное между холодным и горячим слоями, для установления перепада температур. Чем тоньше слои, тем больше необходимая сила электрического тока.
[0151] NMSET или родственное устройство с внутренним размещением устройства Пельтье может способствовать уменьшению размера устройства. Единичная стопка, например, показанная на фиг. 14, может быть полностью функциональной для генерации тяги. NMSET или родственное устройство с внутренним тепловым насосом дополнительно пригодны для использования в микроэлектромеханических системах (MEM), которые подчеркивают наивысшую степень гранулярности.
Термоэлектронная эмиссия, усиленная полем
[0152] В другом варианте осуществления, перепад температур может генерироваться термоэлектронной эмиссией, усиленной полем. Как показано на фиг. 19, электрическое поле может устанавливаться между слоями 1901 и 1902, благодаря чему, носители заряда, образовавшиеся вследствие тепловой эмиссии из холодного слоя 1901, переносят тепло из холодного слоя 1901 в горячий слой 1902.
Внешнее устройство Пельтье
[0153] В другом варианте осуществления, перепады температур могут генерироваться тепловым насосом, например, устройством Пельтье, внешним по отношению к NMSET или родственному устройству. Это устройство Пельтье, размещенное наподобие шахматной доски, термически связано со стопкой 1500 NMSET или родственных устройств через промежуточные слои 1510 и 1520, детализированные на фиг. 15 и 16.
[0154] Устройство с внешним устройством Пельтье обладает преимуществом отделения материалов, используемых для генерации потока газа, от материалов, используемых для генерации перепада температур. С инженерной точки зрения это может быть желательно, поскольку материалы, пригодные для теплового насоса, могут быть непригодными для микроструктур, или наоборот. Кроме того, внешний тепловой насос можно сделать более крупным и более эффективным, и может требовать меньшего тока для установления достаточного перепада температур.
[0155] Можно использовать пьезоэлектрические прокладки между слоями. Материалы, пригодные для использования в NMSET, предпочтительно являются достаточно прочными, чтобы механически выдерживать тепловое расширение и сжатие, и/или предпочтительно имеют очень малые коэффициенты расширения. В противном случае, может нарушаться выравнивание каналов в слоях, что может приводить к снижению эффективности.
Внешнее устройство не на основе эффекта Пельтье
[0156] Согласно еще одному варианту осуществления, перепад температур устанавливается любыми пригодными источниками тепла и/или теплоотводами. Например, источниками тепла могут быть термоэлектронная эмиссия, усиленная полем, резистивные нагреватели, химическая реакция, сгорание и/или прямое освещение ярким светом или другими формами излучения. Иллюстрация такого варианта осуществления показана на фиг. 17. В показанном примере, поверхностью 1702 нагрева может быть материал резистивного нагрева или материал, способный эффективно принимать излучательный нагрев. Внешний тепловой насос не на основе эффекта Пельтье удобен, поскольку он не требует встроенного теплового насоса, например устройства Пельтье. Для некоторых применений, может быть удобно направлять поверхность нагрева в сторону источника излучения, например Солнца, вместо того, чтобы сначала преобразовывать излучение в электричество, а затем приводить в действие тепловой насос. Альтернативно, источник излучения можно направлять к теплопоглощающей поверхности, находящейся в тепловой связи с горячим слоем NMSET или родственного устройства. Однако при использовании внешнего теплового насоса не на основе эффекта Пельтье, требуется уделять особое внимание тому, чтобы не возникал перегрев NMSET или родственного устройства.
[0157] Капилляры 1750, представленные на фиг. 17, обеспечивают примерный механизм обеспечения теплоотвода; однако для теплоотвода также можно использовать просто ряд лопастей или любых других подходящих теплоотводов. Альтернативно, внешний тепловой насос не на основе эффекта Пельтье, показанный на фиг. 17, можно сконфигурировать для обеспечения источника тепла через капилляры 1750. Источником тепла может быть экзотермическая химическая реакция предпочтительно, которая не создает слишком высокого давления.
Материалы
[0158] NMSET и родственные устройства можно построить из самых разнообразных материалов. В различных аспектах, свойства материалов можно использовать в сочетании с желательными геометриями.
[0159] Зеркальное отражение молекул газа является предпочтительным свойством материалов, которые образуют взаимодействующие с газом поверхности NMSET или родственного устройства, например, нагретую и охлажденную поверхности, которые контактируют с текущим газом. Зеркальное отражение - это отражение света наподобие отражения от зеркала, или, в этом случае, частиц газа, от поверхности. На зеркальной поверхности, частицы газа, приходящие под единичным углом падения, отражаются от поверхности под единичным углом отскока. Если приходящие частицы газа и поверхность имеют одинаковую температуру, угол падения и угол отскока относительно нормали к поверхности одинаковы. Таким образом, угол падения равен углу отражения. Второй отличительной характеристикой зеркального отражения является то, что направления падения, нормали и отражения компланарны. Если приходящие частицы газа и поверхность не находятся при одинаковой температуре, и отражение является диабатическим (т.е. с теплообменом между частицами газа и поверхностью), угол отражения является функцией тепла, переносимого между поверхностью и частицами газа.
[0160] Степень зеркальности материала можно представить ядром отражения (например, ядром Черчиньяни-Лампис), которое определяется как функция плотности вероятности отраженного состояния частиц газа на единицу объема фазового пространства. Детали по ядру отражения раскрыты в работе "Numerical Analysis of Gas-Surface Scattering Effect on Thermal Transpiration in the Free Molecular Regime", Vacuum, Vol. 82, Page 20-29, 2009, и приведенных в ней ссылках, которые все, таким образом, включены посредством ссылки.
[0161] Отдельные горячие и холодные слои также могут быть построены из одного или более структурных элементов, которые могут содержать конструкционные материалы, например, средство для придания жесткости, теплопроводящий материал, например, средство для теплообмена со средством генерации перепада температур, и материал атомного отражения, например, средство для обеспечения желаемых свойств ядра отражения. В одном варианте осуществления, отдельные горячие и холодные слои можно построить из многослойных композитов таких материалов.
[0162] Таким образом, выбор материалов и состав варьируется в широких пределах. В некоторых вариантах осуществления, материалы, пригодные для формирования NMSET или родственного устройства, могут включать в себя титан, кремний, сталь, и/или железо. Титан отличается легкостью и обладает гексагональной кристаллической структурой. Фазовые границы титана могут создаваться под прямыми углами без искривления кристаллической решетки и поэтому без предела нагрузки. Материальные затраты титана высоки. Кремний не дорог и имеет хорошо изученные свойства и процессы для механической обработки. Кристаллическая структура кремния является алмазно-кубической. Сталь дешевле, чем титан, обладает кубической кристаллической структурой и высокой устойчивостью к газовой интрузии. Железо дешевле, чем сталь и имеет кристаллическую форму, что делает его пригодным для применения в NMSET и родственных устройствах.
Примерные способы изготовления NMSET или родственного устройства
2
x
y
[0163] Согласно одному варианту осуществления, показанному на фиг. 20, способ изготовления NMSET или родственного устройства содержит: (a) обеспечение подходящей подложки 2001, например, из аморфного кремния, кристаллического кремния, керамики и т.д., причем подложка, предпочтительно, имеет толщину от 500 до 1500 микрон; однако возможны более тонкие и более толстые подложки; (b) осаждение первого слоя 2002, по большей части, расходуемого слоя, предпочтительно, электрического изолятора, например диоксида кремния, причем первый слой 2002 предпочтительно, имеет толщину от 200 нм до 50 микрон, однако возможны более тонкие и более толстые слои. Кроме того, в зависимости от площади окна 2001a подложки, предпочтительно, чтобы этот слой имел регулируемый уровень напряжения. Например для окна 2001a подложки площадью 1 см успешные результаты были достигнуты для SiON с пределом прочности на растяжение 60 МПа; (c) формирование шаблона дискретных островков любой подходящей формы, например, полоски, квадрата, круга, из первого слоя 2002 посредством фотолитографии и травления первого слоя 2002; (d) осаждение второго слоя 2003 поверх дискретных островков, причем второй слой 2003 является электрическим проводником, например, Al, Nb или Zn, предпочтительно, имеющим толщину от 5 до 200 нм, однако допустимы другие значения толщины; (e) осаждение третьего слоя 2004 поверх второго слоя 2003, причем третий слой 2004 является электрическим изолятором, например диоксидом кремния или тем же материалом, который используется в слое 2002, предпочтительно, имеющим такую же толщину, как первый слой 2002, однако допустимы другие значения толщины; (f) частичное удаление третьего слоя 2004 и второго слоя 2003, пока не обнажится первый слой 2002; (g) осаждение четвертого слоя 2005, причем четвертый слой 2005 является электрическим изолятором, например диоксидом кремния, предпочтительно, из того же материала, что и 2003, причем четвертый слой 2005 предпочтительно, имеет толщину от 3 до 15 нм, причем, чем тоньше, тем лучше, при условии, что в покрытии имеется мало или вовсе не имеется зазоров; (h) осаждение пятого слоя 2006, причем пятый слой является электрическим проводником, например, Pt, Ni или Cu, и, предпочтительно, имеет толщину от 5 до 200 нм, однако допустимы другие значения толщины; (i) осаждение шестого слоя 2007, причем этот слой формируется для защиты лицевой стороны подложки, при этом тыльная сторона подвергается обработке. Такой слой может быть выполнен, например, из воска, фоторезиста, или подложки из диоксида кремния и присоединен к пятому слою 2006 через ленту теплового расцепления, причем шестой слой 2007 предпочтительно, имеет толщину от 500 до 1500 микрон, однако допустимы другие значения толщины; (j) формирование сквозных каналов 2001a в подложке 2001 посредством фотолитографии и травления подложки 2001, так что в него открывается, по меньшей мере, один дискретный островок первого слоя 2002, причем сквозные каналы 2001a имеют любую подходящую форму, например, шестиугольную, квадратную и круглую, причем сквозные каналы 2001 размещены в любом подходящем шаблоне, например, шестиугольной сетке, квадратной сетке и полярной сетке; (k) удаление открытых дискретных островков посредством травления, пока участки четвертого слоя 2005 над ними не откроются; (l) удаление открытых участков четвертого слоя 2005 посредством травления, пока участки пятого слоя 2006 над ними не откроются; (m) удаление открытых участков пятого слоя 2006 посредством травления; (n) частичное удаление четвертого слоя 2005 посредством травления в поперечном направлении, в результате чего, второй слой 2003 и пятый слой 2006 нависают над четвертым слоем 2005 на 2-10 нм; (o) полное удаление шестого слоя 2007 посредством теплового расцепления, растворения или травления. Второй слой 2003 и пятый слой 2006, предпочтительно, отличаются в своей работе выхода, по меньшей мере, на 0,1 эВ, по меньшей мере, на 1 эВ, по меньшей мере, на 2 эВ или, по меньшей мере, на 3 эВ.
2
x
y
[0164] Согласно другому варианту осуществления, показанному на фиг. 21, способ изготовления NMSET или родственного устройства содержит: (a) обеспечение подходящей подложки 2101, например, из аморфного кремния, кристаллического кремния, керамики и т.д., причем подложка, предпочтительно, имеет толщину от 500 до 1500 микрон; однако возможны более тонкие и более толстые подложки; (b) осаждение первого слоя 2102, по большей части, расходуемого слоя, предпочтительно, электрического изолятора, например, диоксида кремния, причем первый слой 2102 предпочтительно, имеет толщину от 50 нм до 1000 нм; однако возможны более тонкие и более толстые слои. Кроме того, в зависимости от площади окна 2101a подложки, предпочтительно, чтобы этот слой имел регулируемый уровень напряжения. Например, для окна 2101a подложки площадью 1 см успешные результаты были достигнуты для SiON с пределом прочности на растяжение 60 МПа; (c) осаждение второго слоя 2103 поверх первого слоя 2102, причем второй слой 2103 является электрическим проводником, например, Al, Nb или Zn, и, предпочтительно, имеет толщину от 5 до 150 нм, однако допустимы другие значения толщины; (d) осаждение третьего слоя 2104 поверх второго слоя 2103, причем третий слой 2104 является электрическим изолятором, например диоксидом кремния, и предпочтительно, имеет толщину от 5 до 100 нм, однако допустимы другие значения толщины, и, предпочтительно, такой же материал, как 2102; (e) осаждение четвертого слоя 2105 поверх третьего слоя 2104, причем четвертый слой 2105 является электрическим проводником, например, Pt, Ni или Cu, и, предпочтительно, имеет толщину 5-150 нм, однако допустимы другие значения толщины; (f) формирование каналов через второй слой 2103, третий слой 2104 и четвертый слой 2105 посредством фотолитографии и травления, причем каналы имеют любую подходящую форму, например, полосок, квадратов, кругов; (g) частичное удаление третьего слоя 2104 посредством травления в поперечном направлении, в результате чего, второй слой 2103 и четвертый слой 2105 нависают над третьим слоем 2104; (h) формирование сквозных каналов 2101a в подложке 2101 посредством фотолитографии и травления подложки 2101, так что, по меньшей мере, один канал через второй слой 2103, третий слой 2104 и четвертый слой 2105 перекрывается с одним сквозным каналом 2101a, причем сквозные каналы 2101a имеют любую подходящую форму, например, шестиугольную, квадратную и круглую, причем сквозные каналы 2101 размещены в любом подходящем шаблоне, например, шестиугольной сетке, квадратной сетке и полярной сетке; (i) удаление участков первого слоя 2102, открытых в сквозные каналы 2101a. Второй слой 2103 и четвертый слой 2105, предпочтительно, отличаются в своей работе выхода, по меньшей мере, на 0,1 эВ, по меньшей мере, на 1 эВ, по меньшей мере, на 2 эВ или, по меньшей мере, на 3 эВ.
Примерные устройства тепловой транспирации с вакуумным слоем
[0165] Несмотря на некоторое резервирование, на фиг. 22 показан вид в разрезе сбоку, иллюстрирующий устройство тепловой транспирации, например NMSET или родственное устройство, обозначенное в целом позицией 2204. Устройство тепловой транспирации включает в себя мембрану 2202 холодной стороны и мембрану 2201 горячей стороны, с тепловым изолятором 2200, предусмотренным между ними. Тепловой изолятор 2200 может быть сформирован из вакуума, которого можно достичь, например, посредством эффекта Вентури. Устройство 2204 тепловой транспирации включает в себя толщину 2203, определяемую мембраной 2202 холодной стороны, тепловым изолятором 2200 и мембраной 2201 горячей стороны.
[0166] На фиг. 23 показан вид в разрезе сбоку, демонстрирующий работу устройства тепловой транспирации, обозначенного в целом позицией 2309. Устройство 2309 включает в себя более горячий слой 2301, более холодный слой 2302, с тепловым изолятором 2300 предусмотренным между ними. Апертуры 2308 сформированы в устройстве 2309 наподобие описанного ранее. Устройство 2309 тепловой транспирации включает в себя толщину 2303, определяемую более холодным слоем 2302, тепловым изолятором 2300 и более горячим слоем 2301. Тепловой изолятор 2300 может быть сформирован из вакуума, которого можно достичь, например, посредством эффекта Вентури.
[0167] Более холодные частицы 2304 газа, имеющие среднюю длину свободного пробега (среднее расстояние, преодолеваемое до соударения с другой частицей) изображенное радиусом 2305, входят в апертуру 2308, или ее край, и сталкиваются с другими частицами, таким образом, обмениваясь энергией. Более горячие частицы 2306 газа, имеющие среднюю длину свободного пробега изображенное радиусом 2307, сталкиваются с более горячим слоем 2301, таким образом, приобретая энергию в процессе и развивая положительную силу тяги. Более холодные частицы 2304 газа снижают температуру более горячих частиц 2306 газа, которые снова сталкиваются с более горячим слоем 2301, таким образом, приобретая энергию и развивая положительную силу тяги и оказывая повышенное давление на горячий слой 2301.
[0168] На фиг. 24 и 25 показаны соответствующие виды в разрезе сбоку и сверху устройства тепловой транспирации, обозначенного в целом позицией 2414, с одним расширенным слоем, имеющим наклонные стенки. Устройство 2414 включает в себя более горячий слой 2401 и более холодный слой 2402, с тепловым изолятором 2400 предусмотренным между ними. Тепловой изолятор 2400 может быть сформирован как вакуум, которого можно достичь, например, посредством эффекта Вентури. Полная толщина устройства 2414 обозначена ссылочной позицией 2403, и определяется более холодным слоем 2402, тепловым изолятором 2400 и более горячим слоем 2401.
[0169] В устройстве 2414 предусмотрены апертуры 2408, образующие наклонные стенки 2415 в более горячем слое 2401, наподобие описанного ранее. Апертуры 2408 и/или их края помогают в образовании более горячей поверхности 2409, более холодной поверхности 2410, активной области 2411, где, в общем случае, происходит тепловая транспирация, и опорной области 2412. Как показано на фиг. 24, угол 2413 более горячей поверхности 2409 меньше 90 градусов для формирования наклонных стенок 2415.
[0170] Хотя фиг. 24 и 25 иллюстрируют расширенный слой, имеющий наклонные стенки, как более горячий слой 2401, специалисту в данной области техники очевидно, что более холодный слой 2402 можно реализовать как расширенный слой, имеющий наклонные стенки, в качестве приемлемой альтернативы.
[0171] На фиг. 26 и 27 показаны соответствующие виды в разрезе сбоку и сверху устройства тепловой транспирации, обозначенного в целом позицией 2615, с одним расширенным слоем, имеющим стенки, подвергнутые сухому или влажному травлению. Устройство 2615 включает в себя более горячий слой 2601, более холодный слой 2602, с тепловым изолятором 2600 предусмотренным между ними. Тепловой изолятор 2600 может быть сформирован как вакуум, которого можно достичь, например, посредством эффекта Вентури. Полная толщина устройства 2615 обозначена ссылочной позицией 2603 и определяется более холодным слоем 2602, тепловым изолятором 2600 и более горячим слоем 2601.
[0172] В устройстве 2615 предусмотрены апертуры 2608, образующие стенки, подвергнутые сухому или влажному травлению 2614 в более горячем слое 2601, имеющие, в общем случае, параболическую форму, наподобие описанного ранее. Апертуры 2608 и/или их края помогают в образовании более горячей поверхности 2609, более холодной поверхности 2610, активной области 2611, где, в общем случае, происходит тепловая транспирация, опорной области 2612 и поверхностей 2614, подвергнутых сухому или влажному травлению.
[0173] Ссылочная позиция 2605 обозначает радиус средней длины свободного пробега более холодных частиц 2604 газа. Ссылочная позиция 2607 обозначает радиус средней длины свободного пробега (среднее расстояние, преодолеваемое до соударения с другими частицами) более горячих частиц 2606 газа. Более холодные частицы 2604 газа, входят в апертуру 2608, или ее край, и сталкиваются с другими частицами, таким образом, обмениваясь энергией. Более горячие частицы 2606 газа сталкиваются с более горячим слоем 2601 на его наружном краю или на поверхности 2614, подвергнутой влажному травлению, таким образом, приобретая энергию в процессе и развивая положительную силу тяги. Более холодные частицы 2604 газа снижают температуру более горячих частиц 2606 газа, которые снова сталкиваются с более горячим слоем 2601, таким образом, приобретая энергию и развивая положительную силу тяги и оказывая повышенное давление на горячий слой 2601.
[0174] Хотя фиг. 26 и 27 иллюстрируют расширенный слой, имеющий стенки, подвергнутые влажному травлению, как более горячий слой 2601; специалисту в данной области техники очевидно, что более холодный слой 2602 можно реализовать как расширенный слой, имеющий наклонные стенки, в качестве приемлемой альтернативы.
[0175] На фиг. 28 показан вид в разрезе сбоку устройства тепловой транспирации, обозначенного в целом позицией 2816, с двумя расширенными слоями, имеющими наклонные стенки. Устройство 2816 включает в себя более горячий слой 2801 и более холодный слой 2802, с тепловым изолятором 2800, предусмотренным между ними. Тепловой изолятор 2800 может быть сформирован как вакуум, которого можно достичь, например, посредством эффекта Вентури. Устройство 2816 имеет полную толщину 2803, определяемую более холодным слоем 2802, тепловым изолятором 2800 и более горячим слоем 2801.
[0176] В устройстве 2816 предусмотрены апертуры 2808, образующие наклонные стенки 2817 и 2818 в более горячем 2801 и более холодном 2802 слоях, соответственно, наподобие описанного ранее. Апертуры 2808 и/или их края, помогают в образовании более горячей поверхности 2809, более холодной поверхности 2810, активной области 2811 где, в общем случае, происходит тепловая транспирация, опорной области 2812 для более горячего слоя 2801, и опорной области 2815 для более холодного слоя 2802. Как показано на фиг. 28, угол 2819 обеих из более горячей 2809 и более холодной 2810 поверхностей меньше 90 градусов для формирования наклонных стенок 2818 и 2817, соответственно. Хотя углы 2819 более горячей 2809 и более холодной 2810 поверхностей показаны на фиг. 28 приблизительно равными, более горячая 2809 и более холодная 2810 поверхности могут быть наклонены под разными углами в качестве приемлемой альтернативы в зависимости от варианта осуществления.
[0177] В идеальном устройстве тепловой транспирации, полная толщина активной области устройства, предназначенного для работы в атмосфере, должна быть меньше 500 нм. В целях оптимизации, толщина между горячей и холодной поверхностями не должна превышать 100 нм. Столь малые значения толщины делают устройство чрезвычайно хрупким, и затрудняет его эксплуатацию. Если, например, слои или мембраны устройства сделать более толстыми для обеспечения толщины, необходимой для стабильности и прочности устройства, его общая толщина увеличится сверх идеальной толщины, рассмотренной выше.
[0178] На фиг. 29 показан вид в разрезе начальной стадии формирования одного варианта осуществления устройства тепловой транспирации, показанного, в целом, в соответствии с настоящим раскрытием, что позволяет увеличить толщину устройства тепловой транспирации для повышения его долговечности и прочности, в то же время поддерживая толщину устройства в ее критической области, соответствующей диапазону идеальной толщины.
[0179] Как показано на фиг. 29, формирование устройства осуществляется следующим образом. Прежде всего, обеспечивается слой 2916 кремниевой подложки. На подложку 2916 осаждается первый металлический слой 2917, например алюминия, толщиной приблизительно 40 нм. Процесс осаждения может осуществляться посредством испарения, но можно использовать и другие способы осаждения, например, напыление, осаждение паров металлоорганических соединений и т.д. Следовательно, первый металлический слой 2917 может представлять собой 40 нм испаренного алюминия.
[0180] Поверх первого металлического слоя 2917 осаждается диэлектрический слой 2918. Диэлектрический слой 2918 должен быть слабо напряженным, и может быть сформирован из пластика или неэлектропроводящей пленки неорганического материала. Пленка (т.е. диэлектрический слой 2918) может представлять собой, в частности, слабо напряженный (например, 60 МПа) оксинитрид, полученный плазмохимическим осаждением из паровой фазы толщиной 2 микрона. Допустимы и другие значения толщины.
[0181] Слой 2919 усиления адгезии можно осаждать на диэлектрический слой 2918 для усиления адгезии с диэлектриком и/или для функционирования в качестве расширенного маскирующего слоя. Такой материал может представлять собой химический монослой, например HMDS, тонкую пленку органического резиста или металла, в частности, хрома толщиной 6 нм. Слой 2919 усиления адгезии может не требоваться на определенных комбинациях тонких пленок и способов травления или химикатов травления.
[0182] Затем устройство подвергается травлению, традиционно известным способом, с использованием маски 2920 толщиной приблизительно 1,3 микрон, например SPR-3012, с немаскированной областью 2921. Травление может осуществляться путем осаждения слоя фоторезиста, или маски, 2920 на слой 2919 усиления адгезии, как известно специалисту в данной области техники. В качестве фоторезиста предпочтительно применять Shipley SPR-3012; однако можно использовать и другие фоторезисты. Затем слой 2920 фоторезиста можно экспонировать через традиционную маску для проявки немаскированных областей 2921. Экспозиция может осуществляться, например, с использованием света надлежащей длины волны. Также можно использовать контактную литографию, известную специалисту в данной области техники. После экспонирования, слой 2920 фоторезиста можно проявлять в соответствующем растворе для формирования немаскированных областей 2921. В качестве такого раствора можно использовать, например, 0,26 M тертраметиламмоний гидроксид для SPR-3012 в течение приблизительно 60 секунд.
[0183] Как показано на фиг. 30, устройство подвергается травлению в немаскированных областях 2921 (фиг. 29) для формирования травленых областей 3022. Травленые области 3022 формируются посредством травления слоя 2919 усиления адгезии и диэлектрического слоя 2918 пока не откроются участки первого металлического слоя 2917. Затем слой 2920 фоторезиста (фиг. 29) удаляется. Слой 2919 усиления адгезии может подвергаться травлению с использованием влажного реагента травления, например, chromium etch 1020, фирмы Transene, пока не откроется кремниевая подложка 2916. Диэлектрический слой 2918 может подвергаться травлению, например, с помощью химиката, который не будет травить первый металлический слой 2917. В случае оксинитрида на алюминии, можно использовать водный раствор кислоты Silox Vapox II, Transene. Также можно использовать другие влажные химические реакции, или сухое плазменное травление.
[0184] На фиг. 31 показан вид в разрезе сбоку, демонстрирующий дополнительное травление устройства тепловой транспирации, показанного на фиг. 29-30. Ссылочная позиция 2916 обозначает кремниевую подложку, ссылочная позиция 2917 обозначает первый металлический слой, ссылочная позиция 2918 обозначает диэлектрический слой, и ссылочная позиция 2919 обозначает слой усиления адгезии. На фиг. 31, устройство, а именно, травленая область 3022 (Фиг. 30), подвергается дополнительному травлению для обеспечения травленой области 3122 области 3123 подреза. Для формирования травленой области 3122, первый металлический слой 2917 подвергается травлению, и затем подвергаются травлению участки подложки 2916. Согласно одному способу формирования областей 3123 подреза, участки подложки 2916, находящиеся под первым металлическим слоем 2917, подвергаются изотропному травлению.
3
3
3
2
[0185] Первый металлический слой 2917 может подвергаться травлению с помощью влажного или сухого реагента травления. В случае алюминия, например, реагент для травления алюминия в реактивно-ионном травильном аппарате с хлором и аргоном при низком давлении можно использовать для травления первого металлического слоя 2917. Примером реагента травления для 40 нм алюминия является 50 см/мин BCl, 20 см/мин Cl, 10 мТорр, с РЧ мощностью 300 Вт.
2
4
3
[0186] Влажное или паровое травление можно использовать для травления подложки 2916, при условии, что химия не травит первый металлический слой 2917, диэлектрический слой 2918 или второй металлический слой 2919. В случае кремниевой подложки с алюминием и оксинитридом, кремний может подвергаться травлению, например, газом XeF. Подложку 2916 также можно обрабатывать для удаления бора. Один примерный способ такой обработки предусматривает использование реактивно-ионной плазмы на основе фтора в условиях 35 см/мин CF, 20 мТорр и РЧ мощности 300 Вт.
[0187] На фиг. 32 показан вид в разрезе, демонстрирующий дополнительное формирование устройства тепловой транспирации, показанного на фиг. 29-31. Тонкий слой 3224 диоксида кремния или другого электрического изолятора обеспечивается поверх устройства. Толщина слоя 3224 диоксида кремния может составлять, например, приблизительно 2-10 нм. В общем случае, чем меньше толщина, тем лучше, при условии, что в покрытии имеется мало или вовсе не имеется зазоров, особенно вблизи первого металлического слоя 2917. Слой 3224 диоксида кремния обеспечивается для управления толщиной туннелирования. Слой 3224 можно добавлять путем испарения, или другими известными методами. Например, другие способы, например, напыление, плазмохимическое осаждение из паровой фазы, осаждение атомного слоя и т.д. также можно использовать, совместно с другими материалами. Второй металлический слой 3225 обеспечивается поверх слоя 3224 диоксида кремния. Второй металлический слой 3225 может представлять собой слой металла, например, никеля или меди, и может иметь толщину приблизительно 40 нм. Второй металлический слой 3225 может быть сформирован путем испарения, но также можно использовать другие способы, например, напыление или ионное осаждение.
[0188] Затем подложка 2916 устанавливается на несущую подложку (не показана), при этом стопка тонких пленок должна быть обращена к носителю. Монтажным материалом может быть, например, двусторонняя лента, например лента теплового расцепления Revalpha. Однако также можно использовать другие ленты и материалы, например, воск или фоторезист.
2
[0189] Затем оставшаяся кремниевая подложка 2916 удаляется, например, травлением паром XeF. Малые участки слоя 3224 диоксида кремния и второго металлического слоя 3225, сформированные в травленом участке подложки 2916, удаляются с подложкой 2916. Влажную химию также можно использовать для удаления подложки 2916, при условии, что она не травит первый и второй металлические слои 2917 и 3225. Слева на фиг. 33 показаны островки 3127, образованные первым металлическим слоем 2917, диэлектрическим слоем 2918, слоем 2919 усиления адгезии, слоем 3224 термотуннелирования и вторым металлическим слоем 3225. Затем устройство подвергается воздействию ультразвука для удаления любых никелевых пробок. Например, в случае ленты теплового расцепления Revalpha, несущая подложка может располагаться на горячей пластине с температурой, достаточной для помощи в удалении устройства.
Отказоустойчивая система управления для распределенных микродвижителей
[0190] Для приведения в движение объекта с использованием распределенных движителей в конкретном направлении и/или с желаемой скоростью, необходима система управления. Система управления используется для того, чтобы выборочно активировать распределенный движитель или множество распределенных движителей и/или регулировать их уровни мощности для обеспечения нужной силы в желаемом направлении.
[0191] В соответствии с настоящей системой управления, систему управления для управления работой распределенных движителей можно построить как сетку элементов (каждый из которых содержит один или более движителей), получающих питание от, по меньшей мере, резервной двухмерной сети проводки распределения мощности. Распределительная сеть построена как множество контуров, состоящих из горизонтальных и вертикальных линий или проводов, которые подключены к множеству горизонтальных строк и вертикальных столбцов движителей.
[0192] Согласно одному варианту осуществления настоящей системы управления, каждый контур строк и столбцов встречается или пересекается с другими в, по меньшей мере, четырех положениях, но можно спроектировать перемежающиеся топологии для балансировки резервирования, количества контуров и гранулярности адресации. Перемежающиеся топологии могут отличаться количеством пересечений.
[0193] По меньшей мере, один источник мощности может быть предусмотрен для каждого элемента в сетке или для множества элементов. Один элемент может содержать множество движителей. Одна клемма источника мощности подключена к горизонтальной линии, и другая клемма источника мощности подключена к вертикальной линии. Это соединение позволяет обращаться к элементу или группе элементов путем подключения клемм источника мощности к надлежащим строке и столбцу.
[0194] В соответствии с общим принципом работы распределенных движителей, например NMSET, электрическая цепь используется для активации распределенных движителей путем подачи и/или регулировки количества теплоты на распределенный движитель. Электрическая цепь образована контуром, состоящим из горизонтальных и вертикальных линий. Оба конца данного контура приводятся в действие при одном и том же электрическом потенциале. Это означает, что единичный разрез где-либо в данном контуре (например, в результате, повреждения поверхности решетки) будет минимизировать лавинообразную потерю функциональности. Нагрев или охлаждение, обусловленное электрической цепью, можно реализовать посредством теплового насоса, например, приводимого в действие посредством эффекта Пельтье с использованием плиты Пельтье. В этом примере, проводка располагается по обе стороны распределенных движителей, и в объясненном ниже варианте осуществления сопротивления, она может располагаться только на горячей стороне. В дополнительных вариантах осуществления распределенных движителей, можно использовать другие способы подачи питания на распределенные движители.
[0195] На фиг. 34 показан вид сверху одного варианта осуществления системы управления 3400 для решетки 3401 распределенных движителей 3402 в соответствии с системой управления. Согласно фиг. 34, в решетке 3401, множество распределенных движителей 3402 размещены в виде сетки в параллельных горизонтальных строках и параллельных вертикальных столбцах.
[0196] По меньшей мере, один источник 3406 питания подает мощность на выбранные распределенные движители 3402 с использованием первого множества линий питания 3404 и второго множества линий питания 3405, которые подключены к распределенным движителям в каждой из горизонтальных строк и в каждом из вертикальных столбцов, соответственно. При выборе одной из линий питания 3404 совместно с одной из линий питания 3405, электрическая цепь завершается, и, по меньшей мере, один из распределенных движителей активируется способами, согласно которым распределенные движители преобразуют энергию в тягу. Блок 3403 управления управляет активацией и/или уровнями мощности выбранных линий 3404 и 3405 питания для нужного движителя или группы движителей.
[0197] Используемый в настоящей системе управления, источник 3406 питания может быть батареей, и блок 3403 управления может быть центральным процессором. Дополнительно, движитель 3402 может содержать множество движительных устройств.
[0198] Устройство NMSET может содержать устройство, выполненное с возможностью создавать поток газа, где устройство содержит, по меньшей мере, первый слой и второй слой, размещенные в стопке, и средство для нагрева и/или охлаждения первого и второго слоев для формирования горячего слоя и холодного слоя, причем холодный слой имеет более низкую температуру, чем горячий слой, и, по меньшей мере, один сквозной канал в стопке. Поверхность каждого горячего слоя открывается внутрь сквозного канала, поверхность каждого холодного слоя открывается внутрь сквозного канала, и полная длина активной области сквозного канала до 10 раз превышает среднюю длину свободного пробега газа, в который погружено устройство, и/или не превышает 1500 нм, как объяснено выше.
[0199] В данном устройстве NMSET, по меньшей мере, один сквозной канал может иметь прямолинейную геометрию, пилообразную геометрию, треугольную геометрию, параболическую геометрию или любую геометрию, которую можно определить как полезную для устройства NMSET, как объяснено выше.
[0200] Фиг. 35 иллюстрирует линии 3504 и 3505 питания, которые встречаются в области 3506 для активации области 3506, соседствующей с распределенным движителем. Блок 3503 управления активирует область 3506, соседствующую с распределенным движителем, предписывая источнику 3506 питания подавать электричество в линии 3504 и 3505 питания.
[0201] Фиг. 36 иллюстрирует состояние отказа, когда в линии 3605 питания существует разрыв. Как показано на фиг. 36, линия 3605 питания связана с вертикальным столбцом движителей, которые связаны с областью вокруг точек 3608. Поскольку в линии 3605 питания существует разрыв 3607, движители, связанные с областью вокруг точек 3608, не могут активироваться вследствие своего состояния отказа.
[0202] В одном варианте осуществления системы управления, для достижения резервирования и избежания разрушения системы, когда состояние отказа возникает в линии питания, предусмотрены соединения в виде резервных путей, как показано на фиг. 37. Линии 3701 питания подключены к горизонтальным строкам движителей и линии питания 3702 подключены к вертикальным столбцам движителей. Таким образом, обеспечивается резервный путь к точке 3706 в случае, когда в линии 3705 происходит отказ 3707, как показано на фиг. 37. Резервирование обеспечивается за счет линий 3705 и 3704 питания, в которых блок 3700 управления перенаправляет электричество от первой ко второй точке соединения линии 3707 питания, или линия питания внутренне замыкается для активации движителей вблизи точки 3706. В другом варианте осуществления настоящей системы управления, предусмотрено устройство 3708 обнаружения отказа для обнаружения состояния отказа в любой из линий питания, как показано на фиг. 37. Устройство 3708 обнаружения отказа подключено к источнику 3703 питания и блоку 3700 управления, который управляет активацией надлежащей линии питания для компенсации, перенаправления, извещения и/или замены линии питания, в которой присутствует состояние отказа.
[0203] Для обнаружения отказа можно использовать метод регистрации напряжения на банке конденсаторов. Сконструировав банк конденсаторов так, чтобы он полностью не разряжался в одиночном импульсе, и измеряя напряжение на нем до и после отправки импульса мощности на движительный элемент или группу движительных элементов, можно определять мощность, потребляемую движителем или группой движителей, и сравнивать ее с ожидаемой мощностью. Если падение значительно меньше ожидаемого, это свидетельствует о наличии разрыва; значительное увеличение падения свидетельствует о наличии короткого замыкания.
[0204] Для обнаружения отказа также можно использовать последовательную регистрацию тока. Шунтирующий резистор может располагаться последовательно с линиями распределения мощности для измерения мгновенного тока, снимаемого решеткой. Если ток, как обычно, низок, некоторые ячейки могут быть разомкнуты. Если ток чрезмерно высок, имеет место короткое замыкание. Главным недостатком этого способа является то, что он увеличивает последовательное сопротивление между источником питания и движителями на малую (но не нулевую) величину.
[0205] Значительное преимущество этого способа над регистрацией напряжения на конденсаторе после импульса состоит в том, что систему можно достаточно быстро перестраивать (наиболее вероятно, с частотой дискретизации на уровне нескольких МГц), чтобы реагировать в реальном времени на короткое замыкание и прерывать импульс до того, как высвободится энергия, достаточная для того, чтобы вызвать серьезное повреждение соседних движителей дуговым разрядом или источника питания по причине быстрого разряда и, следовательно, перегрева. Эту систему также можно применять к распределенным движителям, работающим в режиме непрерывной нагрузки.
[0206] После определения неисправности части распределенных движителей любым из вышеописанных способов или другим способом, известным специалисту в данной области техники, должно быть предпринято корректирующее действие для минимизации потери тяги и/или предотвращения лавинообразных отказов.
[0207] При осуществлении анализа хронирования импульсных распределенных движителей на этапе конструирования, разумно разрешить более чем минимальное необходимое время охлаждения между последовательными импульсами для любой секции движителей. В этом случае, общая тяга может поддерживаться путем удаления поврежденных движителей или секции движителей из последовательности запуска и эксплуатации оставшихся неповрежденными движителей или секций со слегка увеличенным рабочим циклом.
[0208] Увеличение рабочего цикла может только компенсировать максимальную величину повреждения системы. В случае превышения этого порога неизбежно происходит снижение доступной тяги; система управления решетки может быть спроектирована для компенсации потери запаса тяги с одной стороны летательного аппарата или другого применения с использованием распределенного движителя за счет небольшого снижения тяги на соответствующей противоположной панели для поддержания дифферента уровня.
[0209] На фиг. 38 показан вид сверху другого варианта осуществления примерной системы управления, особенно полезной для более крупных систем распределенных движителей и/или применений, где может использоваться менее гранулированное управление. Этот вариант осуществления может иметь преимущество вследствие уменьшения количества линий питания и/или управления, и/или уменьшения необходимой вычислительной мощности, по сравнению с обычно необходимой для более гранулированного управления. Примерная система управления демонстрирует решетку линий 3801 и 3802 подачи мощности и вспомогательной линии 3810 питания, которые используются для активации секций группы распределенных движителей 3803, 3804, 3805 и 3806 (показаны пунктирной линией и которые могут дополнительно включать в себя множество отдельных движителей на пересечениях линий питания). Например, блок 3800 управления может подключать источник 3803 питания к надлежащей линии питания линий 3801 подачи мощности и надлежащей линии питания линий 3802 подачи мощности, чтобы заставить электричество течь в соответствующих вспомогательных линиях 3810 питания на и вокруг соответствующего движителя или зон движителей в 3803, 3804, 3805, 3806. Дополнительно, блок 3800 управления может быть спроектирован для активации зоны 3803 движителей и зоны 3805 или 3804 или 3806 движителей одновременно, последовательно, или в нужном шаблоне или для нужного эффекта, заставляя электричество течь в надлежащих линиях питания линий 3801, 3802 подачи мощности и вспомогательных линий 3810 питания и посредством включения дополнительного микропроцессора на пересечениях вспомогательных линий питания с линиями питания, и с использованием цифрового сигнала для осуществления связи с этими микропроцессорами.
[0210] На фиг. 39 показан вид сверху дополнительного варианта осуществления, аналогичного показанному на фиг. 38 примерной системы управления. Фиг. 39 иллюстрирует множество линий 3901 и 3902 подачи мощности и множество вспомогательных линий 3910 подачи мощности, которые образуют показанную сетчатую структуру. Блок 3900 управления может подключать источник питания 3911 к надлежащей линии питания линий 3901 подачи мощности и надлежащей линии питания линий 3902 подачи мощности, чтобы заставить электричество течь во вспомогательных линиях 3910 питания на и вокруг соответствующего движителя или зон 3903 движителей. Кроме того, согласно фиг. 38, блок 3900 управления может активировать любой из распределенных движителей 3903, 3904, 3905, 3906, 3907, 3908 и 3909 в группе или по отдельности.
[0211] Фиг. 40А, 40В и 40С демонстрирует увеличенную иллюстрацию варианта осуществления системы управления, показанной на фиг. 34. Линии 4001 и 4002 питания используются для адресации зон движителя, которые работают на температурных градиентах 4006 вокруг адресной точки 4003. Когда движители вокруг точки 4003 адресуются вследствие прохождения электрического тока через линии 4001 и 4002 питания, точка 4003 нагревается, причем область 4004 является областью, подвергающейся влиянию в первую очередь, и область 4005 является областью, подвергающейся влиянию во вторую очередь.
[0212] Поскольку может быть нежелательно нагревать одну точку, чтобы вызвать нагрев соседних точек, другой примерный вариант осуществления проиллюстрирован на фиг. 41А и 41В, которые демонстрируют включение теплового барьера 4117, который может быть выполнен в форме проводящей площадки, изолятора, зазора, или любой другой формы теплового барьера, известной специалисту в данной области техники. Тепловой барьер 4117 имеет эффект изменения теплопроводности и изоляции проводящих областей. Тепловой барьер 4117 показан как периметр вокруг зон 4108 движителя, соседствующих с переходом 4106 линий 4105 и 4104 питания, однако тепловой барьер 4117 может быть сконфигурирован по разному на основании того или иного нужного эффекта. Благодаря подаче мощности в линии 4105 и 4104 питания, зоны 4108 движителя, соседствующие с переходом 4106, активируются, и тепловой барьер 4117 препятствует непреднамеренной активации других зон движителя вне заштрихованной прямоугольной области, обозначенной 4119.
[0213] На фиг. 42А, 42В и 42С показаны линии питания или проводящие структуры другого варианта осуществления системы управления. Фиг. 42А демонстрирует сетчатую структуру 4202 верхнего слоя из проводящих линий, подлежащих использованию для активации зон движителя, где линия 4200 подачи мощности сконструирована для подключения к источнику питания, и множество линий 4201 ответвления сконструировано для размещения вблизи множества зон движителя.
[0214] Фиг. 42В иллюстрирует оптимизированный промежуточный слой, демонстрируя изоляторы 4202 и резисторы, устройство генерации температурного градиента или другие средства активации зон 4203 движителя, подлежащие использованию между сетчатой структурой, показанной на фиг. 42А, и дополнительной сетчатой структурой, которая будет пересекать линии 4201 ответвления на фиг. 42А в зонах 4203 движителя.
[0215] Фиг. 42С иллюстрирует комбинацию фиг. 42А и 42В, где верхний слой, показанный на фиг. 42А, располагается поверх промежуточного слоя, показанного на фиг. 42В. Фиг. 42С демонстрирует линию 4200 подачи мощности и линии 4201 ответвления, наложенные на терморезистивные нагревательные переходы, образованные резисторами 4203 или устройством генерации температурного градиента или другими средствами активации зон движителя и изоляторами 4202, как и в варианте осуществления системы управления, для управления множеством целевых точек из единственной точки пересечения линий питания.
Примерное резистивное формирование температурного градиента
[0216] Обратимся к вышеприведенному разделу, озаглавленному "принципы работы" и подразделу “перепад температур”, включенным сюда посредством ссылки. На фиг. 43 показана схема устройства, которое можно использовать для создания температурного градиента в соответствии с настоящим изобретением. В этом разделе, тепловой насос или устройство теплового градиента может, но без ограничения, приводить в действие устройство NMSET. Устройство включает в себя более холодный слой 4301 электропроводящего материала, имеющий верхнюю поверхность 4302 и нижнюю поверхность 4305. Верхняя поверхность 4306 более горячего слоя 4304 находится в непосредственной близости и может быть присоединена к нижней поверхности 4305 более холодного слоя 4301 непосредственно или через тепло- и/или электроизоляционный промежуточный материал в зависимости от реализации.
[0217] Одна клемма источника 4307 питания подключена к верхней поверхности 4302 более холодного слоя 4301, и другая клемма источника 4307 питания подключена к одной стороне переключателя 4308. Другая сторона переключателя 4308 подключена к нижней поверхности 4303 более горячего слоя 4304. Более горячий слой 4304 выполнен из или является структурой со вспомогательными слоями, которые включают в себя слой резистивного материала, который нагревается посредством резистивного или джоулева нагрева при прохождение через него электрического тока. Согласно вариантам осуществления со вспомогательными слоями, это могут быть изоляционный материал уменьшенной толщины вблизи положений, где требуется создавать тепловой градиент, и слой металлизации, который сконфигурирован для ускоренного нагрева в положениях теплового градиента.
[0218] Более холодный слой 4301 может быть выполнен из материала, менее подверженного джоулеву нагреву в рабочих положениях. Различие в характеристиках резистивного, джоулева нагрева можно обеспечивать посредством выбора материалов, конфигурации (например, более горячий слой является более тонким в областях, где должно генерироваться тепло, по сравнению с противоположным положением более холодного слоя, в связи с чем, плотность электронов в более горячем слое способствует джоулеву нагреву в большей степени, чем в более холодном слое) или других факторов, которые позволяют одному слою нагреваться в большей степени или быстрее, чем соседнему слою, или комбинаций этих характеристик, в зависимости от конкретного варианта осуществления. Например, более горячий слой может быть выполнен из поверхностных проводов, которые тонки или становятся более узкими, или, иным образом, имеют меньшее поперечное сечение в областях, где нужен нагрев, например, в структуре NMSET или группах структур NMSET, благодаря чему, плотность носителей заряда/сопротивление больше в этих областях, и джоулев нагрев проявляется сильнее. Более холодный слой может быть более толстым, менее резистивным материалом, имеющим увеличенную площадь (например, покрывающим всю поверхность более горячего слоя) для снижения плотности носителей. Независимо от механизма, ток в одном слое способствует джоулеву нагреву, а в другом слое - нет, по крайней мере, не в такой степени, как джоулеву нагреву в одном слое.
[0219] Дополнительно, механизм прохождения тока от одного слоя к другому может соответствовать любому подходящему способу или механизму, например, квантового туннелирования, полупроводниковой проводимости, где более холодный и более горячие слои являются полупроводниками p-типа и n-типа, образующими pn-переход, на противоположных поверхностях которых сформировано по электроду, транзисторов, подключенных к адресной линии, аналогичной линиям чтения/записи и адресным линиям запоминающих устройств, которые позволяют соседнему электроду нагреваться на одной поверхности, где переключатель сильно напоминает структуру адресуемой ячейки памяти или пикселя, но где структура ячейки памяти или пикселя заменена электродом, который осуществляет тепловой нагрев, или почти любой другой тип структуры, которая будет выборочно адресовать устройства теплового градиента или кластеры таких устройств.
[0220] Альтернативно или дополнительно, более горячий слой может иметь входную сторону и выходную сторону в одном и том же слое, где ток проходит от одной стороны к другой, резистивно нагревая более горячий слой. Этот вариант осуществления позволяет вырабатывать тепло в выбранных областях, и в меньшей степени в другом месте, когда более горячая поверхность не полностью покрыта электропроводящим материалом, но, вместо этого имеет проводящие линии, причем линии имеют характеристики, которые допускают нагрев в выбранных областях, например, структурах NMSET группировок. Таким образом, линии могут иметь достаточно большое поперечное сечение, чтобы не нагреваться, но в выбранных областях имеют уменьшенное поперечное сечение для выборочного нагрева при подаче тока.
[0221] Согласно варианту осуществления, представленному на фиг. 43, электрический ток проходит от верхнего слоя 4301 к нижнему слою 4304. Как показано на фиг. 43, переключатель 4308 находится в разомкнутом состоянии. Таким образом, ток не течет через слои 4301 и 4304. Соответственно, температурного градиента или разницы температур между поверхностью 4302 и поверхностью 4303 не существует.
[0222] На фиг. 44 показано состояние, когда переключатель 4406 замкнут. Таким образом, ток из источника 4407 питания течет через слои 4401 и 4402. В результате прохождения тока, слой 4402 начинает нагреваться вследствие его резистивных характеристик, что также приводит к нагреву слоя 4401. Нагрев слоя 4402 приводит к созданию температурного градиента 4405 между верхним слоем 4403 и нижним слоем 4404. При размыкании переключателя 4406, ток перестает течь через слои 4401 и 4402. Таким образом, температурный градиент 4405 начинает снижаться, в конце концов, достигая нулевой разницы температур между поверхностями 4403 и 4404.
[0223] На фиг. 45 изображены диаграммы роста температуры поверхности 4404, когда ток начинает течь при замыкании переключателя 4406. Температура отложена по оси y, и время отложено по оси x. Заметим, что температура поверхности 4404 на фиг. 45 быстро растет, как указано линией 4501 до равновесной температуры 4504. Затем переключатель 4406 на фиг. 44 размыкается, и ток прекращает течь, и температура начинает падать.
[0224] Температура поверхности 4403 при замыкании переключателя 4406 подчиняется аналогичному, но отстающему шаблону 4507, когда тепло от слоя 4402 начинает перетекать к поверхности 4403 через слой 4401, что показано линией 4502. Температура поверхности 4403 продолжает понемногу расти даже после размыкания переключателя 4406 на фиг. 44, до своей равновесной температуры 4505. Ссылочная позиция 4506 на фиг. 45 обозначает продолжительность времени, когда переключатель 4406 остается замкнутым. Если продолжительность времени 4506, когда переключатель 4406 остается замкнутым, превышает время достижения равновесной температуры 4504, то температура поверхности 4403 продолжает расти, пока не исчезнет температурный градиент 4503.
[0225] Таким образом, температурный градиент между температурой 4504 поверхности 4404 и температурой 4505 поверхности 4403 в данное время представлен на фиг. 45 как температурный градиент 4503.
[0226] Согласно фиг. 45 для возврата температур поверхностей 4403 и 4404 к состоянию равновесия с окружающей средой после того, как ток прекращает течь через слои 4301 и 4304, требуется конечное время. Остаточное тепло может создавать проблемы, если соседние устройства температурного градиента находятся в непосредственной близости.
[0227] На фиг. 46 показан вид в разрезе сверху множества распределенных движительных устройств, например, действующих на основе устройств 4603 температурного градиента, размещенных в горизонтальных и вертикальных строках в соответствии с другим примерным вариантом осуществления. Ток подводится на каждое устройство через множество линий 4601 и 4602 питания от блока 4300 питания и управления, расположенных наподобие матрицы. Блок управления может быть сформирован в виде процессора, в частности, программируемого процессора, который может выборочно активировать конкретные области, как объяснено выше в отношении управляющей электроники в активных областях, когда линии питания действуют наподобие линий чтения/записи и адресных линий для управления соседней управляющей электроникой в активной области, или просто путем добавления тока в горизонтальные и вертикальные линии питания, чтобы в точках пересечения присутствовал достаточный ток для создания температурного градиента. Источник электрической энергии может быть сформирован из батареи или любого другого источника носителей, переменного или постоянного тока, в зависимости от реализации. Вышеприведенный раздел под названием "отказоустойчивая система управления" также включен в описание.
[0228] Возвращаясь к фиг. 46, если соседнее устройство 4603 температурного градиента активируется до того, как первое устройство 4603 температурного градиента получит возможность полностью охладиться, температурный градиент вновь активированного устройства может не быть ожидаемым градиентом. В зависимости от применения, это может быть неоптимально. Такое состояние представлено на фиг. 47 (и аналогично, например, на фиг. 40a, 40b и 40c), где устройство 4703 температурного градиента активируется линиями 4704 и 4705 питания. Как показано на фиг. 47, генерируемое тепло излучается на первичную область 4701 и, дополнительно, на вторичную область 4702. Заметим, что облученная область вторгается в другие соседние устройства температурного градиента, в результате чего, эти устройства могут не создавать правильный температурный градиент при активации. Эту потенциальную проблему можно сгладить или разрешить избирательной активацией устройств теплового градиента.
[0229] Например, блок 4600 управления, показанный на фиг. 46, избегает активации этих устройств температурного градиента, которые соседствуют с ранее активированными устройствами температурного градиента в течение заранее определенного периода времени. Это позволяет ранее активированному устройству температурного градиента полностью охладиться или, по меньшей мере, охладиться до достаточно низкой температуры, чтобы остаточное тепло не мешало работе соседних устройств температурного градиента. Дополнительно, устройства температурного градиента допускают выборочную адресацию, по отдельности или кластерами, посредством линий чтения и адресных линий аналогично тому, как осуществляется адресация и управление пикселями на цифровом дисплее или ячейками памяти в матрице ячеек памяти.
[0230] Фиг. 48 иллюстрирует один вариант осуществления последовательности активации устройств температурного градиента в решетке устройств температурного градиента в соответствии с этим вариантом осуществления. Ссылочная позиция 4801 представляет устройство температурного градиента в решетке таких устройств, как показано на фиг. 46. Ссылочная позиция 4802 представляет соседнее устройство температурного градиента или соседнюю решетку таких устройств. Шаблон повторяется, как указано ссылочными позициями 4803-4816 для всего 16 проиллюстрированных устройств температурного градиента или решеток таких устройств, хотя, конечно, в большинстве вариантов осуществления предусматривающих устройства NMSet, их может быть больше.
[0231] На основании фиг. 48, специалист в данной области техники легко сможет понять, что можно определить последовательность активации для отдельных устройств температурного градиента или их наборов, которая позволяет избежать или избавиться от тепловой помехи со стороны ранее активированного соседнего устройства. Это возможно потому, что прошло достаточно времени, чтобы ранее активированное соседнее устройство могло достаточно охладиться. Например, сначала могут активироваться пары устройств (4801, 4809), (4803, 4811), (4805, 4813) и (4807, 4815) температурного градиента, а затем пары (4802, 4810), (4804, 4812), (4806, 4814) и (4808, 4816), не создавая значительной тепловой помехи каким-либо ранее активированным соседним устройствам. На основании фиг. 48, специалисты в данной области техники могут предложить другие последовательности активации.
[0232] Очевидно, что раскрытые варианты осуществления могут находить многочисленные применения для создания и поддержания тепловых градиентов. В частности, хотя и без ограничения, структуры теплового градиента могут присутствовать в тепловых насосах для приведения в действие распределенных движителей, и, в более частном случае, распределенных движителей, приводимых в действие NMSET во многих формах и разновидностях, раскрытых в других местах настоящего описания.
[0233] Хотя вышеизложенное описание изобретения раскрывает принципы настоящего раскрытия, на примерах, обеспеченных исключительно в целях иллюстрации, специалист в данной области техники, на основании этого раскрытия, может предложить различные изменения и модификации, касающиеся формы и деталей, а также применяемые эквиваленты, не выходящие за рамки объема нижеследующей формулы изобретения, которая охватывает их в полном объеме.