УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ГАЗОВОГО ПОТОКА И СИСТЕМЫ И СПОСОБЫ, В КОТОРЫХ ИСПОЛЬЗУЕТСЯ УСТРОЙСТВО
DEVICE FOR GAS STREAM MONITORING AND SYSTEMS AND METHODS, IN WHICH DEVICE IS USED

Область применения.
Данное изобретение относится к области устройств и способов для контроля газового потока, в частности, к устройствам и способам, у которых предусмотрена возможность контроля микропотоков газа.
Изобретение также относится к системам и способам контроля газового потока во многих областях применения, таких, как контроль потока и измерение с высокой точностью и разрешающей способностью, регулирование градиентов давления и/или отбор проб газа.
Описание известного уровня техники.
Известны многочисленные устройства для контроля газового потока. В широком смысле все клапанные системы могут относиться к этой категории.
В этом контексте также известны миниатюризованные клапанные системы, такие, как, например, микроклапаны с даже очень маленьким отверстием клапана, имеющим размеры порядка нескольких миллиметров.
Однако, известные клапанные системы, даже такие миниатюризованные, если они используются в условиях давления, которое не является вакуумным давлением, позволяют контролировать потоки, которые, хотя и небольшие, все еще находятся в вязком режиме. Это также влечет за собой то, что в этих известных системах разрешающая способность и точность контроля потока и/или измерения ограничены степенью детализации минимально управляемых потоков, которые являются вязкими потоками.
Термин «поток в вязком режиме», в соответствии с общеупотребительной терминологией, здесь относится к газовому потоку, в котором средняя длина свободного пробега (λ) частицы намного меньше размера D канала или контейнера, в котором она находится, из-за чего происходят непрерывные столкновения и непрерывный перенос импульса и энергии между частицами.
Напротив, термин «поток в молекулярном режиме», в соответствии с общеупотребительной терминологией, здесь означает газовый поток, в котором средняя длина свободного пробега λ частицы аналогична или больше размеров канала или контейнера, в котором она находится, из-за чего пробег каждой частицы почти свободный и независимый по сравнению с пробегом других частиц.
Некоторые теоретические определения иногда предлагают промежуточный режим (или «переходный поток»).
Все общепринятые определения, касающиеся классификации потоков, не противоречат друг другу в определении «вязкого режима потока», это поток, в котором параметр D/λ больше 100, в то время как «молекулярный режим потока» представляет собой поток, в котором параметр D/λ равен или меньше 1. «Поток в преимущественно молекулярном режиме» определяется как поток, в котором параметр D/λ имеет порядок величины нескольких единиц, вплоть до 10: фактически, в таких условиях, хотя столкновения между частицами, строго говоря, не сводятся к нулю, большинство частиц находится в условиях молекулярного режима большую часть времени.
Например, книга «Технология вакуума», написанная А. Ротом, NHPC, 1976, главы 2 и 3, может рассматриваться в качестве авторитетной теоретической базы по этому вопросу.
Очевидно, длина свободного пробега λ также зависит от условий давления и температуры; в частности, она прямо пропорциональна температуре, измеренной в градусах Кельвина, и обратно пропорциональна давлению (см. приведенный выше текст ссылки «Технология вакуума»). Предполагая, что клапанные системы значительное время используются в условиях температуры окружающей среды (например, в диапазоне от 273°К до 313°К) или при другой температуре, при условии, что она практически постоянная, давление является существенным параметром.
-3
В условиях вакуумного давления (например, ниже 1 мбар), и даже более, высокого вакуума (например, ниже 10 мбар) можно получать потоки в преимущественно молекулярном режиме даже через каналы, размер которых порядка нескольких миллиметров.
Напротив, при других условиях давления, не в вакууме, и, в частности, при атмосферном давлении или выше, это невозможно.
Этот факт создает проблему. Фактически, во все большем числе важных областей применения возникает необходимость контролировать микропотоки в «молекулярном» или «преимущественно молекулярном» режиме даже при отсутствии вакуума. Аналогично, желательно иметь возможность контролировать и/или измерять поток со степенью детализации и/или разрешением микропотоков в «молекулярном» или «преимущественно молекулярном» режиме, также для большей части промышленных применений, когда работы ведутся при давлении равном или превышающем атмосферное давление или при не вакуумном давлении.
Это может иметь преимущества, например, для повышения точности расходомера, подвергаемого воздействию окружающей среды (или «измерителя микропотока»), или для управления гидравлическим соединением между окружающей средой при атмосферном или более высоком давлении и окружающей средой при вакуумном давлении; или, опять же, чтобы обеспечить возможность отбора проб газа без установки дорогостоящих насосных систем для создания условий вакуума, при которых сам процесс отбора проб выполняется с достаточной точностью.
Ни одна из известных систем с микроклапанами не способна управлять и контролировать отверстия клапанов, например, для обеспечения микропотоков в молекулярном или преимущественно молекулярном режиме при атмосферном или более высоком давлении.
Фактически, с учетом этого аспекта, первой проблемой, которая остается нерешенной, является реализация отверстий микроклапанов достаточно малых размеров так, чтобы обеспечивался молекулярный режим даже при атмосферном или более высоком давлении.
Второй, еще более сложной, нерешенной проблемой является проблема надлежащего контроля таких отверстий микроклапанов, даже если бы их можно было реализовать.
Третья нерешенная проблема касается способности обеспечить работоспособность и, следовательно, исключения закупорки таких отверстий микроклапанов даже в условиях обычного использования, например, в промышленных условиях.
В связи с этим, поэтому существует неудовлетворенная потребность в устройствах, способных эффективно контролировать газовые потоки с разрешением микропотоков в молекулярном или преимущественно молекулярном режиме даже в условиях отсутствия вакуума.
Следовательно, другие потребности остаются неудовлетворенными, т.е. необходимость иметь системы и способы для отбора проб газа, для измерения и/или контроля газового потока и для контроля градиента давления, которые способны преимущественно работать с микропотоками в молекулярном или преимущественно молекулярном режиме даже при не вакуумном давлении.
В свете вышесказанного целью настоящего изобретения является разработка и внедрение устройства для контроля газовых потоков, а также соответствующих систем и способов, использующих такое устройство, которые улучшены таким образом, чтобы удовлетворять вышеупомянутым потребностям, и которые способны устранить, по меньшей мере, частично недостатки, описанные выше в контексте известного уровня техники.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ.
Эта цель достигается с помощью устройства по п. 1.
Другие варианты осуществления устройства определены в зависимых пунктах формулы изобретения 2-18.
Система отбора проб газа, использующая устройство в соответствии с настоящим изобретением, определена в п. 19 формулы изобретения. Дополнительный вариант осуществления такой системы определен в п. 20 формулы изобретения.
Система контроля градиента давления, использующая устройство в соответствии с настоящим изобретением, определена в п. 21 формулы изобретения.
Способ контроля газового потока, осуществляемый с использованием устройства в соответствии с настоящим изобретением, определяется в п. 22 формулы изобретения.
Способ измерения газового потока, осуществляемый с использованием устройства в соответствии с настоящим изобретением, определяется в п. 23 формулы изобретения.
Способ отбора проб газа, осуществляемый с использованием устройства в соответствии с настоящим изобретением, определяется в п. 24 формулы изобретения.
Способ управления градиентом давления, осуществляемый с использованием устройства в соответствии с настоящим изобретением, определяется в п. 25 формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Дополнительные характеристики и преимущества устройства для контроля газового потока в соответствии с настоящим изобретением, а также систем и способов, использующих такое устройство, будут получены из нижеследующего описания предпочтительных вариантов осуществления изобретения, представленных в качестве неограничивающих примеров, со ссылкой на прилагаемые чертежи, отличающиеся тем, что:
- Фиг. 1 - упрощенная структурная схема устройства согласно изобретению, вид сверху, с открытыми наноотверстиями;
- Фиг. 2 представляет структурную схему фиг. 1 в состоянии закрытых наноотверстий;
- Фиг. 3 - вид устройства, согласно фиг. 1, сбоку в разрезе, относящийся к сечению, проходящему вдоль средней линии относительно ряда наноотверстий;
- Фиг. 4, 5А и 5В - соответствующие виды в перспективе варианта осуществления устройства в состоянии всех открытых наноотверстий, в состоянии всех закрытых наноотверстий и в состоянии, в котором некоторые наноотверстия открыты, а другие закрыты, соответственно;
- На фиг. 6А и 6В показаны детали устройства, согласно фиг. 4 и 5, соответственно;
- Фиг. 7 - вид в перспективе еще одного варианта осуществления устройства;
- На фиг. 8А и 8В показаны детали устройства, согласно фиг. 7;
- Фиг. 9 - вид в перспективе еще одного варианта осуществления устройства;
- На фиг. 10A и 10В показаны детали устройства, согласно фиг. 9;
- Фиг. 11 - вид в перспективе другого варианта осуществления устройства;
- На фиг.12 показаны детали устройства, согласно фиг. 11;
- Фиг. 13 - покомпонентное изображение еще одного варианта осуществления устройства;
- На фиг. 14 показана система для отбора проб газа согласно изобретению в контексте одного возможного применения;
- На фиг. 15 показан другой вариант осуществления системы, согласно фиг. 14;
- На фиг. 16 показана система контроля градиента давления в соответствии с изобретением в контексте возможного применения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Со ссылкой на фиг. 1-13 описано устройство 1 для контроля газового потока.
Устройство 1 содержит регулирующий интерфейс 2 для регулирования газового потока, выполненный с возможностью сдерживания или пропускания газового потока через устройство 1 управляемым способом, а также содержит средства контроля 3, 4 регулирующего интерфейса.
Регулирующий интерфейс 2 содержит множество наноотверстий 20. Каждое из наноотверстий имеет субмикронные размеры и выполнено с возможностью открывания или закрывания управляемым способом.
Средства контроля 3, 4, в свою очередь, содержат приводные средства 3, выполненные с возможностью открывания или закрывания наноотверстий, и электронные средства управления 4, выполненные с возможностью активации приводных средств для индивидуального или совместного открывания или закрывания наноотверстий 20 управляемым способом.
На фиг. 1 и 2 показаны соответствующие виды сверху варианта осуществления устройства 1, на которых наноотверстия, соответственно, открыты и закрыты.
В соответствии с примером осуществления изобретения, каждое из наноотверстий 20 выполнено с возможностью пропускания газового микропотока в молекулярном или преимущественно молекулярном режиме даже в условиях атмосферного давления или выше, когда оно открыто, и наоборот сдерживания указанного газового микропотока, когда оно закрыто, так что общий газовый поток, проходящий через регулирующий интерфейс 2, представляет собой сумму микропотоков в молекулярном или преимущественно молекулярном режиме, проходящих через открытые наноотверстия 20.
Как уже упоминалось, указание того, что поток или микропоток находится в «молекулярном режиме», означает указание потока, в котором, принимая во внимание условия давления и температуры, параметр D/λ равен или меньше 1; указание того, что поток или микропоток находится в «преимущественно молекулярном режиме», означает указание потока, в котором параметр D/λ, хотя и больше 1, имеет порядок величины нескольких единиц (обычно < 10).
-8
-6
-1
В соответствии с примером осуществления изобретения, каждое наноотверстие 20 выполнено с возможностью пропускать микропотоки 10-10 мбар ⋅ I ⋅ сек. Таким образом, устройство 1 может контролировать газовые потоки с точностью и очень высокой степенью детализации, равные одному из этих микропотоков. Конечно, возможна другая интенсивность потока, в зависимости от размеров, с которыми сделаны наноотверстия, и от градиента давления, которому подвергаются наноотверстия.
Из вышеизложенного очевидно, что структурный аспект устройства, касающийся того факта, что регулирующий интерфейс потока позволяет прохождение газа исключительно через наноотверстия субмикрометрических размеров, обеспечивает способность, с точки зрения функциональности, пропускать потоки в молекулярном или преимущественно молекулярном режиме. Фактически можно рассчитать, что в очень широком температурном диапазоне, охватывающем все условия нормального использования, и для почти каждого типа газа каналы субмикронного диаметра позволяют получить желаемые значения D/λ (менее 10, в любом случае, и предпочтительно равные 1 или ниже) даже при атмосферном или более высоком давлении.
Предпочтительно конкретный размер, выбранный в пределах субмикрометрического интервала для наноотверстий в конкретном варианте осуществления устройства, может учитывать условия давления, указанные в условиях использования.
Под субмикрометрическими размерами каждого наноотверстия подразумевается, что диаметр наноотверстия (то есть размер на плоскости, по существу перпендикулярной потоку) имеет величину порядка сотен нанометров или менее.
В соответствии с примером осуществления изобретения, каждое наноотверстие 20 имеет диаметр в диапазоне от 10 до 100 нм и предпочтительно от 20 до 100 нм. Возможны и другие значения (например, от 50 и 500 нм), в зависимости от проектных требований к устройству.
В соответствии с примером осуществления изобретения, наноотверстия формируются в мембране 21, имеющей толщину порядка сотен нанометров (нм) или менее (таким образом, как правило, порядок величины, сравнимый с диаметром), и предпочтительно от 50 до 500 нм.
В соответствии с другими примерами осуществления изобретения, мембрана может быть толще.
В соответствии с предпочтительным осуществлением изобретения, каждое наноотверстие 20 имеет определенную геометрию и детерминированно измеряемую проводимость, причем проводимость является параметром, который количественно определяет микропотоки, которые могут проходить через наноотверстие.
Предпочтительно геометрия наноотверстий 20 является по существу цилиндрической.
Таким образом, в предпочтительном варианте осуществления изобретения, описанном выше, каждое наноотверстие представляет собой приблизительно цилиндр, или трубу, имеющую диаметр порядка десятков или сотен нм и высоту порядка сотен нм.
Такой вариант осуществления наноотверстий представлен, например, на виде сверху на фиг. 1 и на боковом разрезе на фиг. 3.
В других примерах осуществления изобретения, не показанных на чертежах, геометрией наноотверстий является почти усеченный конус, в котором, по меньшей мере, меньшее основание имеет субмикронный диаметр (обычно от 10 до 100 нм).
В соответствии с различными примерами осуществления изобретения, охватываемыми изобретением, распределение, количество и размер наноотверстий 20, сформированных в мембране 21 регулирующего интерфейса 2, могут быть самыми разнообразными. Таким образом, регулирующий интерфейс 2 может содержать наноотверстия 20 одинакового размера или отличающиеся друг от друга в любом сочетании.
Число наноотверстий 20 регулирующего интерфейса 2 может меняться от нескольких десятков до нескольких сотен или даже тысяч. Это выгодно позволяет получать потоки значительной интенсивности, даже если они сформированы микропотоками, путем открывания всех наноотверстий.
Расположение наноотверстий 20 на регулирующем интерфейсе 2 может быть самым различным.
В соответствии с предпочтительным примером осуществления изобретения, представленным на прилагающихся чертежах, наноотверстия 20 расположены в двухмерном массиве строк и столбцов.
В конкретном примере расстояние от центра до центра между двумя соседними наноотверстиями в строке или столбце соответствует примерно двойному диаметру наноотверстия.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, регулирующий интерфейс 2 содержит одно или несколько окон контроля потока, каждое окно содержит мембрану 21, в которой расположены наноотверстия 20.
Каждая мембрана 21 может быть плоской или неплоской.
В типичном примере осуществления изобретения мембрана 21 является плоской, по существу прямоугольной или квадратной, со сторонами, размер которых порядка десятков микрон, и она может содержать порядка нескольких сотен наноотверстий.
Следует отметить, что регулирующий интерфейс 2 с мембраной 21 и любым заданным расположением наноотверстий, имеющих требуемые размеры и геометрические параметры, может быть получен с помощью технологий, самих по себе известных, для изготовления мембран с отверстиями субмикрометрических размеров.
Такие технологии известны, например, в контексте нанотехнологий для производства мембран в химико-биологической области применения. Другим примером используемых технологий является использование кремниевых мембран, которые являются перфорированными, управляемым способом с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM), оборудованного модулем принудительного ионного пучка (FIB). Таким образом, на кремниевой мембране могут быть сформированы наноотверстия описанного выше типа (в литературе иногда называемые также «нанопроходами» или «нанопорами»), как показано, например, в научных статьях: Ло, Ареф, Безрядин «Изготовление симметричных суб-5 нм нанопор с использованием сфокусированных ионных и электронных пучков» (Нанотехнология 17 (2006) 3264-3267); и Штейн и др., «Шкала времени моделирования ионного пучка» (Обзор по физике, том 89, №27, 30.12.2002).
Обращаясь теперь к способам приведения в действие наноотверстий, следует отметить, что самые различные стратегии становятся возможными благодаря конструкции устройства 1, показанной здесь.
В предпочтительном примере осуществления изобретения, способном обеспечить максимальную гибкость использования, средства управления 4 выполнены с возможностью контроля приводных средств 3, так, что каждое наноотверстие 20 может открываться или закрываться индивидуально и независимо от других наноотверстий 20.
Согласно альтернативному примеру, также включенному в изобретение, средства управления 4 выполнены с возможностью контроля приводных средств 3 так, чтобы они избирательно открывали или закрывали одну или несколько групп таких наноотверстий 20, причем группы, содержащие, например, разновидности наноотверстий, примыкающих друг к другу в массиве наноотверстий. В этом случае наноотверстия каждой разновидности могут быть все открыты или все закрыты независимо от открытия/закрытия наноотверстий другой разновидности.
Согласно другому примеру, наноотверстия 20 все открыты или все закрыты вместе.
В силу вышеизложенного, устройство 1 согласно изобретению обеспечивает контроль, в котором возможно любое сочетание, шаблон и/или расположение открытых или закрытых наноотверстий: например, со всеми открытыми наноотверстиями (как показано на фиг. 4) или со всеми закрытыми наноотверстиями (как показано на фиг. 5А) или с некоторыми открытыми наноотверстиями, а другими закрытыми (как показано на фиг. 5В). Кроме того, сочетание, шаблон и/или расположение открытых или закрытых наноотверстий может динамически изменяться со временем желательным образом.
Согласно варианту осуществления изобретения, устройство 1 является интегрированным устройством.
В частности, в соответствии с вариантом осуществления изобретения, показанном, например, на фиг. 4 и 5А/5В, регулирующий интерфейс 2 и средства контроля 3 содержатся в едином миниатюризованном чипе 10 интегрированного устройства 1.
В примерах, показанных на фиг. 4-12, приводные средства 3 содержат множество миниатюризованных элементов открывания/закрывания 30 наноотверстий.
Каждый миниатюризованный элемент открывания/закрывания 30 наноотверстий выполнен с возможностью открывания или закрывания соответствующего наноотверстия 20, чтобы соответственно максимизировать или минимизировать проводимость наноотверстия 20.
В конкретном примере осуществления изобретения каждый миниатюризованный элемент открывания/закрывания 30 наноотверстий, выполнен с возможностью герметичного уплотнения соответствующего наноотверстия 20, таким образом, уменьшая до нуля его проводимость, или полностью открывая наноотверстие 20, таким образом, обеспечивая поток газа через него. Свойство «герметичного» закрытия может быть определено на этапе проектирования в зависимости от размера молекул газа, поток которых должен контролироваться.
Согласно варианту осуществления устройства (показанному на фиг. 4, 5А и 5В и подробно на фиг. 6А и 6В), каждый миниатюризованный элемент закрывания/открывания 30 наноотверстий содержит штекер 31, который приводится в действие электромеханическим способом, чтобы закрывать или открывать соответствующее наноотверстие 20 посредством осевого смещения относительно наноотверстия.
В частности, штекер 31 может содержать основание 310, имеющее более крупные размеры, чем наноотверстие 20, чтобы полностью блокировать выход наноотверстия 20 со стороны регулирующего интерфейса 2, на которой расположен штекер 31, при закрывании; и, кроме того, наконечник 311, выполненный как единое целое с основанием 310, подходящий для проникновения в наноотверстие 20 при закрывании.
В соответствии с дополнительным вариантом осуществления устройства (показанным на фиг. 7 и подробно на фиг. 8А и 8В), каждый миниатюризованный элемент закрывания/открывания 30 наноотверстий содержит цилиндр 32, имеющий диаметр, по существу равный диаметру соответствующего наноотверстия 20, причем цилиндр 32 электромагнитно приводится в действие для вставки в или извлечения из соответствующего наноотверстия 20 посредством осевого смещения относительно наноотверстия.
В примере этого варианта осуществления изобретения устройство 1 содержит множество соленоидов 320, каждый из которых соотнесен с соответствующим наноотверстием 20 и соответствующим цилиндром 32, и располагается соосно с ними. Кроме того, каждый цилиндр 32 содержит детали, выполненные из ферромагнитного или парамагнитного материала, чтобы он был чувствителен к магнитному полю, генерируемому соленоидами 320, и перемещался под действием указанного магнитного поля.
В соответствии с дополнительным вариантом осуществления устройства (показанным на фиг. 9 и подробно на фиг. 10A и 10В), каждый миниатюризованный элемент 30 закрывания/открывания наноотверстий содержит микрокантилевер 33, имеющий на колеблющемся конце по существу конический микронаконечник 330, выполненный с возможностью вставки в или извлечения из наноотверстия. Микрокантилевер 33 электромагнитно приводится в действие так, чтобы он колебался между положением закрывания, в котором микронаконечник 330 входит в наноотверстие 20, чтобы закрыть его, и положением открывания, в котором микронаконечник 330 выходит из наноотверстия 20, чтобы открыть его.
Описанные выше варианты осуществления изобретения предусмотрены для индивидуального и независимого приведения в действие каждого наноотверстия.
Для применений, в которых совместное приведение в действие наноотверстий является достаточным, еще один вариант осуществления устройства (показанный на фиг. 11 и 12) предусматривает то, что приводные средства 3 содержат колеблющийся плоский элемент (35) для многократного открывания/закрывания, выполненный с возможностью одновременного открывания/закрывания всех наноотверстий 20 регулирующего интерфейса 2.
В этом случае, как показано на фиг. 12, отдельные миниатюризованные элементы открывания/закрывания 30 наноотверстий могут быть расположены с одной стороны плоского элемента 35 в конфигурации, соответствующей конфигурации наноотверстий 20, так, что каждый миниатюризованный элемент открывания/закрывания 30 одновременно вставляется в или извлекается из соответствующего наноотверстия 20 при соответствующем смещении плоского элемента 35.
Колеблющийся плоский элемент для многократного открывания/закрывания 35 может приводиться в действие электромеханическим или электромагнитным способом, например, воздействуя на небольшие подвижные столбцы 36, расположенные в углах плоского элемента 35 и представляющие с ним единое целое.
В конкретном примере осуществления изобретения колеблющийся плоский элемент 35 также содержит отверстия 350 в тех зонах, в которых нет отдельных миниатюризованных элементов открывания/закрывания 30 наноотверстий, чтобы облегчить проводимость газа в соответствии с плоским элементом 35. Эти отверстия 350 могут быть освобождены от любых препятствующих отложений при каждом колебании, например, обратными наконечниками, предусмотренными на основании регулирующего интерфейса 2, в положениях, соответствующих отверстиям 350.
В соответствии с примером осуществления изобретения, приводные средства 3 в любом из описанных выше вариантов осуществления изобретения расположены на одной стороне регулирующего интерфейса и выполнены с возможностью открывания/закрывания отверстия каждого наноотверстия 20, соответствующего этой стороне.
Согласно альтернативному примеру осуществления изобретения, такие приводные средства 3 (или, по меньшей мере, их части) расположены на обеих сторонах регулирующего интерфейса 2 и выполнены с возможностью (или конфигурируются для) открывания/закрывания обоих отверстий каждого наноотверстия 20, соответствующих обеим сторонам регулирующего интерфейса 2, то есть обоим концам цилиндрического микроканала, сформированного наноотверстием. В этом случае каждый миниатюризованный элемент открывания/закрывания 30 наноотверстий выполнен с возможностью проникновения в наноотверстие 20 в условиях закупоривания, входа с соответствующей стороны.
Предпочтительно, миниатюризованные элементы открывания/закрывания 30 выполнены с возможностью освобождения и очистки каждого наноотверстия 20 от возможного закупоривания (например, из-за молекулярных монослоев, которые могут осесть), при каждом закрывании и последующем открывании или при определенных закрываниях/открываниях для устранения закупоривания. Следует отметить, что закрывания/открывания для устранения закупоривания также могут быть представлены в виде циклов открывания/закрывания соответствующей частоты.
Это свойство важно для обеспечения возможности использования устройства в самых различных средах, в том числе в средах промышленных процессов с загрязняющими веществами. Более того, это свойство, которое, в сущности, вытекает из конструкции и функциональности этого устройства, радикально отличает регулирующий интерфейс 2 от любой существующей мембраны с нанопорами, но без приведения в действие, которая не может работать вне исключительно чистой среды (такой, как, например, чистые помещения).
Обращаясь теперь к другим конструктивным и функциональным аспектам устройства, показанным на фиг. 4-13, следует отметить следующие аспекты.
Электронные средства управления 4 содержат процессор 40, функционально электрически связанный с приводными средствами 3 для того, чтобы контролировать их, отправляя электрические сигналы.
Предпочтительно, процессор 40 функционально электрически связан с каждым из элементов открывания/закрывания 30 наноотверстий.
В примере осуществления изобретения электронные средства управления 4 также содержат буфер (который может быть интегрирован в тот же процессор), ведущий элемент 41 и мультиплексор 42. Буфер функционально связан с процессором 40 для приема контрольных сигналов об открывании/закрывании, относящихся к множеству наноотверстий. Ведущий элемент 41 функционально связан с буфером для последовательного приема контрольных сигналов об открывании/закрывании и выполнен с возможностью последовательной генерации соответствующих управляющих сигналов об открывании/закрывании, относящихся к множеству наноотверстий. Мультиплексор 42 функционально связан с ведущим элементом 41 для последовательного приема указанных управляющих сигналов об открывании/закрывании и выполнен с возможностью направлять каждый управляющий сигнал об открывании/закрывании в соответствующее наноотверстие 20 из множества наноотверстий.
Осуществление изобретения, описанное выше, используя тот факт, что скорость генерации команд об открывании/закрывании может быть значительно выше, чем скорость выполнения приведения в действие, предпочтительно позволяет обеспечить устройство одним ведущим элементом, который последовательно генерирует контрольные сигналы для всех приводных средств отдельных наноотверстий.
Из конструктивных и функциональных аспектов, описанных выше, очевидно, что устройство 1 позволяет выполнять самые различные стратегии контроля потока.
В возможном примере средства контроля 3, 4 выполнены с возможностью контроля потока газа, проходящего через регулирующий интерфейс 2, путем определения шаблона открытых и закрытых наноотверстий 20 по количеству и положению открытых и закрытых наноотверстий.
В другом примере средства контроля 3, 4 выполнены с возможностью контроля потока газа, проходящего через регулирующий интерфейс 2, путем определения соотношения между временем открывания и временем закрывания наноотверстий 20, то есть рабочего цикла. В этом случае ведущий элемент 41 может дополнительно содержать схему генерации частоты.
Также возможно настроить средства контроля 3, 4 для контроля потока газа, проходящего через регулирующий интерфейс 2, путем индивидуального определения для каждого наноотверстия 20 и состояния открывания или закрывания и рабочего цикла.
В следующем примере осуществления изобретения каждое наноотверстие 20 выполнено с возможностью выполнения рабочего состояния полного открывания или полного закрывания или одного или нескольких рабочих состояний промежуточного открывания, в котором допускается наличие микропотока, который не равен нулю, но меньше, чем максимальный (полное открывание) микропоток. В этом случае средства контроля 3, 4 выполнены с возможностью контроля потока газа, проходящего через регулирующий интерфейс 2, также путем определения того или иного из таких рабочих состояний каждого отдельного наноотверстия.
Согласно варианту осуществления изобретения, устройство 1 дополнительно содержит один или более датчиков давления 50. Каждый из датчиков давления 50 выполнен с возможностью измерения соответствующего значения давления вблизи самого датчика и предоставления измеренного значения давления средствам управления 4.
В конкретном примере осуществления изобретения устройство 1 содержит уплотнительную опору, включающую регулирующий интерфейс 2, выполненную с возможностью пропускания между двумя противоположными сторонами уплотнительной опоры, совместимыми с условиями среды с разными давлениями, только контролируемого потока через регулирующий интерфейс.
В этом случае устройство 1 предпочтительно содержит на противоположных сторонах относительно уплотнительной опоры два соответствующих миниатюризованных датчика давления 50, выполненных с возможностью измерения соответствующего значения давления и предоставления измеренных значений давления электронным средствам управления 4.
Согласно варианту осуществления изобретения, устройство 1 также содержит интерфейс ввода-вывода 51, функционально связанный с электронными средствами управления 4 и выполненный с возможностью отправки за пределы устройства или для приема из-за пределов устройства контролирующих и/или управляющих и/или калибровочных и/или диагностических сигналов.
В нескольких примерах осуществления изобретения, включенных в изобретение, электронные средства управления 4 выполнены с возможностью контроля газового потока через регулирующий интерфейс 2 на основании контрольных сигналов, поступающих из-за пределов устройства через интерфейс ввода/вывода 51, и/или на основании значений давления, измеренных миниатюризованными датчиками давления 50.
В некоторых случаях устройство 1 также содержит датчик опорного давления 56 (показанный, например, на фиг. 7), заключенный в герметичную и/или открываемую среду и выполненный с возможностью подачи опорного сигнала средствам управления 4 для функций калибровки и/или диагностики устройства. В этом случае средства управления 4 могут дополнительно содержать схему синхронизации 49.
В соответствии с примером осуществления изобретения, устройство 1 также содержит интерфейс питания 55.
В соответствии с примером осуществления изобретения, устройство 1 также содержит средства регулируемого нагрева 52, выполненные с возможностью поддержания требуемой температуры под контролем средств управления 4.
В конкретном примере, не показанном на чертежах, средства регулируемого нагрева дополнительно содержат миниатюризованный резистор для каждого наноотверстия, расположенный вблизи соответствующего наноотверстия или в соответствии с соответствующим элементом открывания/закрывания.
Согласно еще одному примеру осуществления изобретения, устройство 1 дополнительно содержит средства для фильтрации твердых частиц, расположенные так, чтобы охватывать все устройство (например, оснащенное фильтрами с микрометрическими рамками).
Кроме того, устройство 1 может содержать тонкие защитные пленки 53, выполненные с возможностью уменьшения поглощения технологического газа (например, гидрофобные пленки для предотвращения поглощения влаги, присутствующей в технологической среде) и предотвращения коррозии.
В конкретном варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 13, устройство 1 дополнительно содержит полуразъем 54, выполненный с возможностью физического отделения регулирующего интерфейса 2 от средств управления 4, при одновременной функциональной связи таким образом, чтобы регулирующий интерфейс 2 своими сторонами был обращен к двум средам с разным давлением, в то время как средства управления 4 полностью окружены изобарической окружающей средой и/или окружающей средой с регулируемой температурой. Этот вариант осуществления изобретения может предпочтительно обеспечивать более эффективное охлаждение устройства.
Следует отметить, что электронные средства управления 4 могут быть выполнены с возможностью осуществления процедуры диагностики устройства на основе обработки данных, полученных, по меньшей мере, от одного датчика давления 50, или хранимых данных, относящихся к значениям номинальной проводимости или заданным условиям окружающей среды, в которой предполагается размещение устройства, для того, чтобы определить возможные эксплуатационные аномалии устройства.
Кроме того, электронные средства управления 4 могут быть выполнены с возможностью осуществления, если процедура диагностики дает отрицательный результат, процедуры для регулировки и/или компенсации и/или оптимизации устройства, для того, чтобы исправить и/или компенсировать эксплуатационные аномалии, на основании результатов вышеупомянутой диагностической процедуры.
Эта процедура регулировки, а также действия по предотвращению нежелательной конденсации и/или предотвращению непреднамеренных химических реакций могут быть выполнены, например, с использованием уже упомянутых средств регулируемого нагрева 52.
Устройство для контроля газового потока 1, благодаря функциональным и конструкционным характеристикам, описанным выше, может использоваться во множестве различных областей применения и систем. В частности, системы, использующие устройство 1 и включенные в это изобретение, будут описаны ниже.
Со ссылкой на фиг. 14, описывается система 100 для отбора проб газа между первой средой А1 при первом давлении Р1 и второй средой А2 при втором давлении Р2 ниже первого давления Р1.
Система 100 содержит, по меньшей мере, одно устройство для контроля газового потока 1, в соответствии с любым из вышеописанных вариантов осуществления изобретения.
Кроме того, система 100 содержит, по меньшей мере, одну разделительную структуру 101 между указанной первой средой А1 и второй средой А2, выполненную с возможностью размещения соответствующего, по меньшей мере, одного устройства 1 для контроля газового потока, так, что гидравлическое соединение между первой средой А1 и второй средой А2 возможно только в виде газового потока F через регулирующий интерфейс 2, по меньшей мере, одного устройства 1 для контроля газового потока.
Система 100 содержит средства откачки 102 (например, насос), выполненные с возможностью извлечения газа из второй среды А2, для поддержания требуемого постоянного давления Р2 в указанной второй среде. Следует отметить, что в случае, когда вторая среда А2 сообщается с другой средой при более низком давлении, средства откачки могут быть просто реализованы через отверстие, выполненное с возможностью открывания и закрывания.
Система 100 также содержит средства контроля системы 103, функционально связанные со средствами контроля 3, 4, по меньшей мере, одного устройства для контроля газового потока 1 и со средствами откачки 102. Средства контроля системы 103, содержащие устройство управления, выполнены с возможностью контроля, по меньшей мере, одного устройства для контроля газового потока и средств откачки 102, чтобы обеспечить во второй среде А2 те же концентрации газа, которые присутствуют в первой среде А1, но при более низком давлении Р2.
Согласно варианту осуществления системы (показанному на фиг. 15), она содержит множество устройств контроля потока 1 и соответствующее множество разделительных структур 101 для того, чтобы определять множество промежуточных сред An, Am между первой средой А1 и второй средой А2 при постепенно уменьшающемся давлении, начиная от значения давления первой среды Р1 до значения давления второй среды Р2, причем газовый поток Fnm между двумя последовательными промежуточными средами находится в молекулярном или преимущественно молекулярном режиме, так, что концентрации газа, которые присутствуют в каждой из промежуточных сред, представляют собой те же концентрации газа, которые присутствуют в первой среде А1.
В соответствии с типичным примером применения, первое давление Р1 равно атмосферному давлению или выше него, а второе давление Р2 представляет собой вакуумное давление.
Со ссылкой на фиг. 16, описана система 200 для контроля градиента давления между первой средой А1 и второй средой А2.
Система 200 содержит, по меньшей мере, одно устройство для контроля газового потока 1, в соответствии с вышеописанным вариантом осуществления изобретения, в котором два датчика давления 50 расположены с обеих сторон регулирующего интерфейса 2.
Система 200 также содержит разделительную структуру 101 между первой средой А1 и второй средой А2, подходящую для размещения в ней, по меньшей мере, одного устройства 1 для контроля газового потока, так, что гидравлическое соединение между первой средой А1 и второй средой А2 возможно только в виде газового потока F через регулирующий интерфейс 2, по меньшей мере, одного устройства 1 для контроля газового потока.
Средства контроля 3, 4, по меньшей мере, одного устройства для контроля газового потока 1 выполнены с возможностью контроля газового потока через регулирующий интерфейс 2 на основе значений давления, измеренных датчиками давления 50, относящихся соответственно к первой среде А1 и второй среде А2, чтобы обеспечить желаемый градиент давления между первой средой А1 и второй средой А2.
Следует отметить, что в системе 200 устройство 1 используется в качестве регулятора градиента давления или в качестве регулятора одного из двух давлений Р1 или Р2, когда другое является постоянным.
Ниже будут описаны способы, включенные в изобретение.
Изобретение содержит способ контроля газового потока с точностью, соответствующей микропотокам, включающий этапы: сдерживание или пропускание управляемым способом газового потока при прохождении через регулирующий интерфейс 2, регулирующий газовый поток, содержащий множество наноотверстий 20 субмикронных размеров, причем каждое из наноотверстий выполнено с возможностью открывания или закрывания таким образом, чтобы сдерживать или пропускать соответствующий микропоток.
Вышеупомянутый этап сдерживания или пропускания включает контроль открывания или закрывания каждого из наноотверстий 20, индивидуально или совместно, так что общий газовый поток, проходящий через регулирующий интерфейс, представляет собой сумму микропотоков, проходящих через открытые наноотверстия.
Изобретение также содержит способ измерения газового потока с точностью, соответствующим микропотокам, включающий этапы: сдерживание или пропускание управляемым способом прохождения газового потока через регулирующий интерфейс 2, регулирующий газовый поток, содержащий множество наноотверстий 20 субмикронных размеров, которые могут быть отрыты или закрыты, причем каждое из наноотверстий выполнено с возможностью открывания или закрывания таким образом, чтобы сдерживать или пропускать соответствующий микропоток и генерировать выходной газовый поток, соответствующий сумме микропотоков, проходящих через открытые наноотверстия; затем, измерение выходного газового потока.
Изобретение также содержит способ отбора проб газа между первой средой А1 и второй средой А2 при более низком давлении, чем давление в первой среде, включающий этапы: разделение первой среды А1 и второй среды А2 путем разделительной структуры 101, в которой размещено, по меньшей мере, одно устройство для контроля газового потока 1 в соответствии с любым из вышеописанных вариантов осуществления изобретения; затем, обеспечение гидравлического соединения между первой средой А1 и второй средой А2 исключительно в виде газового потока через регулирующий интерфейс 2 устройства для контроля газового потока 1; затем извлечение газа из второй среды А2, чтобы поддерживать требуемое постоянное давление Р2 во второй среде А2; наконец, контролирование газового потока через регулирующий интерфейс 2 и контролирование извлечения газа из второй среды А2 таким образом, чтобы обеспечить во второй среде А2 те же концентрации газа, что и в первой среде А1, но при более низком давлении Р2.
Изобретение также содержит способ контроля градиента давления между первой средой А1 и второй средой А2, включающий этапы: разделение первой среды А1 и второй среды А2 разделительной структурой 101, в которой размещено, по меньшей мере, одно устройство для контроля газового потока 1, в соответствии с описанным выше вариантом осуществления изобретения, и где два датчика давления 50 расположены с двух сторон регулирующего интерфейса 2. Затем способ содержит этап контролирования газового потока через регулирующий интерфейс 2 на основе значений давления, измеренных датчиками давления 50, относящихся соответственно к первой среде и второй среде, для того, чтобы обеспечить желаемый градиент давления между первой средой А1 и второй средой А2.
Как можно видеть, цель настоящего изобретения достигается путем устройства, описанного ранее, посредством указанных характеристик.
Из вышеприведенного описания очевидно, что устройство, в соответствии с настоящим изобретением, способно управлять, регулировать и контролировать газовые потоки с точностью и степенью детализации, равной микропотокам, в молекулярном или преимущественно молекулярном режиме даже при не вакуумном давлении и, в частности, при атмосферном или более высоком давлении.
На самом деле, благодаря субмикрометрическим размерам наноотверстий регулирующего интерфейса общий поток через этот интерфейс представляет собой сумму микропотоков, каждый из которых является микропотоком в молекулярном или преимущественно молекулярном режиме. Кроме того, благодаря приводным средствам устройства каждое наноотверстие может индивидуально контролироваться и даже в некоторых вариантах осуществления изобретения независимо от всех других наноотверстий. Таким образом, доступно множество степеней свободы для контроля общего потока, включая открывание/закрывание любого сочетания наноотверстий и/или цикл открывания/закрывания каждого наноотверстия, предпочтительно предлагая широкие возможности для осуществления различных стратегий контроля.
Кроме того, функциональность устройства обеспечивает непрерывную очистку наноотверстий, предотвращая закупорку даже в условиях использования в промышленных средах и/или в технологиях с загрязняющими веществами.
Аналогичные преимущества могут быть выявлены в системах для отбора проб газа, системах контроля и измерения потоков и контроля градиентов давления и связанных с ними способах, в соответствии с изобретением, в которых используется вышеупомянутое устройство.
Следует также отметить, что устройство может быть осуществлено в миниатюризованном виде и даже интегрировано в один чип с очевидными преимуществами мобильности и гибкости и простоты использования.
Устройство также может быть выполнено как автономное с точки зрения калибровки и самодиагностики.
В вариантах осуществления устройства для контроля газовым потоком, описанных выше (и вышеупомянутых системах и способах, в которых оно используется), технический специалист в данной области для соответствия дополнительным требованиям может вносить изменения, доработки и замены элементов другими функционально эквивалентными, не отступая от содержания следующей формулы изобретения. Каждая из характеристик, описанных как принадлежащие к возможной форме варианта осуществления изобретения, может быть достигнута независимо от других описанных вариантов осуществления изобретения. Также следует отметить, что термин «содержащий» не исключает другие элементы или этапы, а неопределенный артикль «а» или «один» не исключают множество. Более того, чертежи не обязательно представлены в масштабе; напротив, важность обычно придается иллюстрации принципов этого изобретения.