Результат интеллектуальной деятельности: ГАЗОВЫЙ МИКРОНАСОС

Изобретение относится к классу молекулярных газовых насосов, использующих эффект теплового скольжения газа вдоль неравномерно нагретых стенок для создания откачки. Насосы такого типа состоят только из стационарных деталей и могут быть использованы для откачки газа из микроустройств или в микроаналитических системах, анализирующих малые объемы газов, когда механическое перемещение газа становится неэффективным, а также может найти применение для процесса фильтрации газов.

Насосы используются для откачки газа из устройств, для работы которых необходим низкий (760 Торр - 1 мТорр), высокий (1 мТорр - 10^-7 Торр) или ультравысокий (10^-7 Торр - 10^-11 Торр) вакуум. Примерами таких устройств являются масс-спектрометр, оптический спектрометр, электронные оптические приборы. Еще одно применение насосов состоит в отборе пробного газа из окружающей среды для его анализа в газовых датчиках и сенсорах.

В настоящее время существует тенденция, направленная на уменьшение размеров приборов для сокращения потребляемой энергии, размеров и массы устройства, а также возможности использования в микроэлектромеханических системах (MEMS). Попытки уменьшить существующие широко используемые механические насосы встречают большие трудности в связи с наличием в конструкции насосов движущихся частей. Немногие классы насосов, существующие в настоящее время в уменьшенном масштабе, такие как мезомасштабные насосы и микронасосы, как правило, имеют недостаточную эффективность, ограниченную применимость и портят систему разрушающими толчками.

Альтернативным решением является интеграция термонасосов без движущихся механических частей, работающих за счет эффекта теплового скольжения газа вдоль неравномерно нагретых стенок. В предлагаемом устройстве на протяжении работы насоса поддерживается градиент температуры, за счет которого образуется направленный поток газа.

Аналогом устройства является классический насос Кнудсена, состоящий их прямых последовательно соединенных цилиндрических узких и широких трубок. Диаметры всех узких трубок одинаковы и во много раз меньше диаметров широких трубок. Таким образом, классический насос Кнудсена представляет собой периодическую структуру, периодом которой являются последовательно соединенные узкая и широкая цилиндрические трубки. Распределение температуры периодично с тем же периодом, линейно возрастая вдоль узкой трубки от T₁ до Т₂ и линейно убывая вдоль широкой трубки от Т₂ до T₁. В патентах US 6533554 и US 2008/0178658 представлена современная реализация микроскопического насоса Кнудсена, который состоит из двух тепловых перегородок с отверстиями для протекания газа, пористого материала и нагревателя. Пористый материал является аналогом узких трубок в классическом насосе Кнудсена. Нагреватели создают необходимое распределение температуры для эффекта теплового скольжения газа вдоль стенок.

При давлениях газа, меньших чем 0.1 Торр, длина свободного пробега молекулы газа становится большой по сравнению с диаметрами микротрубок, поэтому необходимо, чтобы насос работал эффективно в свободно молекулярном режиме, образовавшемся как в узкой, так и в широкой трубке. Основной недостаток классического насоса Кнудсена состоит в том, что он недостаточно эффективен в таком режиме. Из-за того, что формы трубок одинаковы, небольшое отношение давлений создается только за счет разного отношения длины узкой и широкой трубок к своим диаметрам.

Современные аналоги классического насоса Кнудсена конструируются таким образом, чтобы в узких трубках был свободно-молекулярный режим, в то время как в широких трубках наблюдался сплошной режим, т.е. число Кнудсена в широких трубках должно быть Kn≤0.01. Чтобы насос работал при давлениях, меньших чем 0.1 Торр, необходимо создавать широкие трубки большого диаметра, что существенно увеличивает размеры насоса и делает его не пригодным для перекачки газа в микромасштабах. Например, для того чтобы при температуре T=300 K число Кнудсена в узкой трубке равнялось 10, в широкой трубке - 0.01, и при этом насос мог работать с газом при давлении 0.1 Торр, диаметр широких трубок должен быть равен 38 мм, а при давлении 0.01 Торр - 38 см. В современных реализациях насосов используются широкие трубки диаметром не больше 50 мкм, что не позволяет им эффективно работать с давлениями 0.1 Торр и ниже.

Технический результат изобретения - увеличение эффективности и уменьшение габаритных размеров насоса, работающего за счет эффекта теплового скольжения, путем изменения формы и относительных размеров элементов конструкции. Необходимо устранить основной недостаток классического насоса - невысокую эффективность при работе в свободно-молекулярном режиме, созданном в узких и широких трубках.

Раскрытие изобретения

Технический результат достигается за счет того, что в газовом микронасосе, содержащем разделительные цилиндрические непрерывные трубки, состоящие по меньшей мере из двух чередующихся ступеней последовательно соединенных трубок малого и большого радиуса, при этом один конец трубок является горячей зоной, а противоположный - холодной зоной, согласно изобретению конструкция насоса состоит из чередующихся прямых трубок большого радиуса R и изогнутых трубок U-образной формы малого радиуса r, а оптимальный режим работы микронасоса осуществляется при следующих соотношениях параметров: отношение большого радиуса R прямой трубки к малому радиусу r трубки U-образной формы лежит в интервале величин R/r=2-10000 при отношении температуры T₂ горячей зоны к температуре T₁ холодной зоны T₂/T₁=1,1-3,0, причем размеры длины и радиуса прямой трубки и трубки U-образной формы выбирают таким образом, чтобы обеспечить указанное изменение температуры газа от температуры горячей зоны до температуры холодной зоны.

Также трубки U-образной формы выполнены из материала аэрогеля, причем горячая и холодная зоны зона представляют собой силиконовые чипы цилиндрической формы с радиусом широкой трубки, а поверхность силиконового чипа горячей зоны содержит золотую пленку.

Предлагаемое изобретение, схема которого представлена на фиг.1, позволяет улучшить работу классического насоса (прототипа) в его рабочем диапазоне давлений за счет модификации геометрии. Использования U-образных трубок вместо прямых цилиндрических трубок делает устройство эффективным в свободно-молекулярном режиме.

Предлагаемое изобретение создает эффект откачки за счет направленного потока газа в микромасштабных устройствах в широком диапазоне чисел Кнудсена в узкой U-образной и широкой прямой цилиндрических трубках. Поток газа возникает в приграничной области за счет скольжения газа вдоль градиента температуры, приложенного к стенке с помощью нагревателя, расположенного на стыке трубок. Вследствие того, что градиент температуры приложен как к узкой U-образной трубке, так и к широкой трубке, в обеих трубках образуются противоположно направленные потоки газа в приграничных областях. Поток, создаваемый U-образной трубкой, сильней потока, возникающего в прямой трубке. В результате этого физического явления создается отношение давлений газа на концах насоса, причем это отношение больше, чем отношение давлений, создаваемое на концах классического насоса при том же распределении температуры.

Технический результат (повышение эффективности откачки газа по сравнению с классическим насосом) достигается за счет внедрения U-образной трубки в конструкцию предлагаемого изобретения. Компьютерные модели прямых и U-образных трубок изображены на фиг.2 и 3. Благодаря замене прямых трубок на U-образные, насос стал гибким, что позволяет создавать его компактные реализации.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 представлен возможный вариант конструкции предлагаемого насоса. Изогнутые U-образные трубки последовательно соединены с широкими трубками, каждый второй стык содержит горячую зону (нагревается).

На фиг.2 изображена цилиндрическая трубка, используемая в классическом насосе Кнудсена и ее геометрические размеры.

На фиг.3 изображена U-образная трубка, используемая в предлагаемом изобретении и ее геометрические размеры.

На фиг.4 изображена конструкция классического насоса Кнудсена с указанием параметров, обозначающих геометрические параметры, и трехмерная модель, использовавшаяся при численном решении кинетического уравнения Больцмана.

На фиг.5 изображена конструкция одной ступени предлагаемого насоса с указанием параметров, обозначающих геометрические размеры, и его трехмерная модель.

На фиг.6 представлен возможный вариант конструкции предлагаемого насоса. Широкие прямые трубки создаются за счет внедрения непроницаемых перегородок в более длинную трубку. Узкие U-образные трубки располагаются по бокам от широких трубок.

На фиг.7 приведены сравнительные графики отношения давлений на концах прямой и U-образной трубках в зависимости от числа Кнудсена.

На фиг.8 приведено сравнительные графики отношения давлений на концах предлагаемого и классического насосов в зависимости от числа Кнудсена в узкой трубке.

На фиг.9 представлены схемы возможного расположения тетраэдров для иллюстрации численного решения уравнения переноса при компьютерном моделировании устройства.

На фиг.10 приведена координатная сетка, построенная в компьютерной модели изобретения.

Согласно чертежу, представленному на фиг.1, микронасос содержит цилиндрическую трубку 1 большого радиуса, цилиндрическую трубку 2 малого радиуса U-образной формы, горячую зону 3 (силиконовый чип), холодную зону 4 (силиконовый чип), золотую пленку 5, к которой приложено напряжение для создания горячих и холодных температурных зон.

Осуществление изобретения

Широкие прямые трубки 1 могут быть реализованы с помощью пористого материала с теплопроводностью, не превышающей 0.1 Вт/мК, поры которого имеют диаметр 30 мкм при длине трубки 300 мкм. Диаметр и длина широких трубок 1 выбираются таким образом, чтобы газ успевал охлаждаться от температуры нагревателя 3 (горячая зона) до температуры холодной зоны 4 (например, окружающей среды). Для реализации широких трубок 1 может быть использован материал - аэрогель с порами соответствующих размеров или может быть заполнен микроскопическими стеклянными или керамическими шариками, создающими поры, с размерами, равными приблизительно 0.2 их диаметра.

Узкие U-образные трубки 2 могут быть изготовлены из пористого материала аэрогеля. Этот материал (трубки 2) имеет диаметр пор в среднем 20 нм и очень низкую теплопроводность (0.017 Вт/мК), за счет чего обеспечивается устойчивый градиент температуры и тепловое скольжение газа вдоль стенок пор. Длина U-образной трубки 2 равняется 150 мкм, ширина - 20 мкм, радиус кривизны - 48 мкм.

Нагревание и охлаждение газа осуществляется за счет силиконовых чипов длиной 30 мкм, в которых проделаны отверстия диаметром около 5 мкм. Силикон обладает высокой теплопроводностью (150 Вт/мК), что позволяет создавать постоянную (одинаковую) температуру вдоль чипа. Геометрические размеры отверстий выбираются таким образом, чтобы газ, проходящий через отверстия в чипах, успевал принимать температуру чипа. Отверстия в силиконовых чипах могут быть проделаны стандартными методами MEMS путем выборочного удаления материала.

В каждом втором стыке трубок силиконовый чип на своей поверхности содержит тонкую золотую пленку 5, которая нагревается (горячая зона 3) под действием электрического тока. Вместо золотой пленки для создания градиента температуры могут быть использованы и другие материалы, доступные для использования в промышленности. Например, возможно создание необходимого температурного режима посредством облучения стенок. Вместо нагревателя можно использовать охлаждающие устройства для понижения температуры холодной стенки (холодной зоны 4) относительно окружающей среды.

Предлагаемое устройство герметично соединяется с накачиваемыми и откачиваемыми емкостями. Направленный поток газа в насосе возникает за счет эффекта теплового скольжения газа вдоль стенок с созданным нагревателями 3 или охладителями 4 градиентом температуры. В результате через трубку первой ступени газ поступает в насос из откачиваемой емкости или устройства и выходит из него через вторую трубку последней ступени в накачиваемую емкость или окружающую среду. Таким образом направленный поток газа последовательно протекает по ступеням широких и узких U-образных трубок через температурные зоны 3 и 4.

Насосы, дающие значительные отношения давлений, должны состоять из нескольких ступеней последовательно соединенных узких U-образных 1 и широких 1 трубок. Варианты таких конструкций представлены на фиг.1 и 6.

Примеры конкретного выполнения изобретения.

Ввиду гибкости предлагаемого насоса, его конструкция может зависеть от области применения. Рассмотрим некоторые из возможных примеров конкретного выполнения комбинированного насоса.

1) В отличие от линейной классической конструкции (аналоги), широкие трубки можно расположить так, как показано на фиг.1. Их соединяют несколько U-образных узких трубок. Вдоль каждой из трубок приложен градиент температуры, создаваемый нагревателями (золотыми пленками 5 в виде пластин с приложенным напряжением). Они расположены вплотную с силиконовыми чипами с большой теплопроводностью, что позволяет газу нагреваться до нужной температуры.

2) Широкие трубки можно соединить в одну трубку с перегородками, которые через одну нагреваются, кривые узкие U-образные трубки установлены по боковым поверхностям широких трубок. Маневрируя расположением узких трубок, можно переставлять широкие трубки в другие области поверхности широких трубок так, чтобы насос не получился слишком длинным. Схема насоса представлена на фиг.6. Вдоль каждой трубки приложен градиент температуры - T₂>T₁. Если искривленные узкие U-образные трубки закреплять на различных расстояниях вдоль широких трубок, то такая установка искривленных U-образных трубок позволяет изменять уровень накачки. Например, если установить каждую из искривленных трубок в центре боковых поверхностей широких трубок, то эффект накачки будет отсутствовать. А если установить их у противоположных концов широких трубок, то накачка пойдет в другую сторону.

Оптимальный режим работы микронасоса осуществляется при следующих соотношениях параметров.

а) Отношение радиуса широкой трубки R к радиусу узкой U-образной трубки лежит в интервале величин R/r=2-10000. Чем больше отношение R/r, тем больше отношение чисел Кнудсена в узкой U-образной и широкой трубках и тем эффективнее работает насос. Однако очень большие отношения R/r приводят к увеличению размеров насоса (его габаритов)

б) Отношение температуры горячей зоны к температуре холодной зоны T₂/T₁=1.1-3. Чем выше отношение температур T₂/T₁, тем больше градиент температуры вдоль трубок. Скорость теплового скольжения газа вдоль неравномерно нагретых стенок зависит линейно от градиента температуры, поэтому увеличение отношения T₂/T₁ приведет к повышению эффективности работы насоса. Однако очень большие температуры (большой перепад температур) могут привести к разрушению конструкции насоса, например, к расправлению нагревателя или трубок.

в) Отношение длины L широкой трубки к ее радиусу L/R=2-1000, отношение длины 1 узкой U-образной трубки к ее радиусу I/r=2-1000. Длины трубок необходимо брать такими, чтобы температуры газа на их концах устанавливались равными температурам силиконовых чипов, поэтому нельзя брать трубки очень короткими. Устанавливать очень длинные трубки в насосе не имеет смысла, т.к. это не приводит к увеличению эффективности его работы, но увеличивает размеры (габариты).

Пример 1

При геометрических параметрах насоса R/r=5, L/R=5, I/r=5 и отношений температур горячей и холодной зоны T₂/T₁=1,2 один каскад насоса в оптимальном режиме будет давать отношение давлений на концах приблизительно 1,07. Таким образом, для откачки резервуара с давлением 760 Торр до 1 Торр необходимо использовать около ста каскадов.

Пример 2

При геометрических параметрах насоса R/r=1000, L/R=1000, 1/r=1000 и отношений температур горячей и холодной зоны T₂/T₁=3,0 один каскад насоса в оптимальном режиме будет давать отношение давлений на концах приблизительно 1,65. Таким образом, для откачки резервуара с давлением 760 Торр до 1 Торр необходимо использовать около тринадцати каскадов.

Пример 3

Работоспособность обеспечивается при следующих соотношениях параметров устройства:

r<50 нм, , , , , T₂>T₁

В данном примере работоспособность устройства подтверждена расчетным путем посредством численного решения уравнения переноса при компьютерном моделировании устройства.

В отличие от линейной классической конструкции (прототипа), широкие трубки можно расположить так, чтобы насос занимал отведенную ему область системы. Широкие трубки соединяются U-образными узкими трубками. Для увеличения скорости откачивания насоса к каждой широкой трубки подсоединяются несколько узких трубок.

Устройство работает следующим образом:

Насос герметично подключают к резервуарам или откачиваемому устройству.

С помощью генератора тока на золотые пленки (пластинки) подают напряжение, в результате чего они нагреваются.

Под действием эффекта теплового скольжения, вызванного неравномерным распределением температуры стенок насоса, газ перетекает из откачиваемого резервуара в накачиваемый.

Работа насоса регулируется с помощью изменения напряжения на золотых пленках (пластинках), что приводит к изменению температур горячих зон и отношения давлений на концах насоса.

После достижения необходимого вакуума насос отсоединяют от откачиваемого резервуара или устройства и отключают генератор тока.

Работа предлагаемого изобретения анализировалась с помощью компьютерного моделирования устройства. Рассматривалось течение газа в насосе с помощью численного решения кинетического уравнения Больцмана с соответствующими начальными и граничными условиями.

Кинетическое уравнение Больцмана записывается в виде:

,

где f - функция распределения по скоростям, ξ - трехмерная скорость молекул газа, t - время, x - трехмерная координата, I - интеграл столкновений.

Уравнение Больцмана численно решается с помощью метода расщепления по физическим процессам: решение уравнения переноса и расчет упругих столкновений.

Верхнее уравнение аппроксимируется с помощью явной консервативной схемы первого или второго порядка точности на неравномерных тетраэдрических сетках. Нижнее уравнение решается с помощью консервативного проекционного метода. Его основная идея заключается в рассмотрении столкновений двух молекул с определенными скоростями, прицельным расстоянием и азимутальным углом. С помощью законов кинематики вычисляются скорости после столкновения, которые в общем случае не попадают на построенную скоростную сетку. Значение физических величин, зависящих от скоростей после столкновения, рассчитываются с помощью степенной интерполяции по двум соседним скоростным узлам, которая устроена таким образом, чтобы выполнялись законы сохранения вещества, импульса и энергии и не нарушалось термодинамическое равновесие. После рассмотрения каждого столкновения вносятся соответствующие изменения в функцию распределения.

Пригодность метода для численного решения кинетического уравнения Больцмана проверялась с помощью моделирования устройств, изученных экспериментально, таких как классический насос Кнудсена, а также численного решения задач, таких как поиск коэффициента теплопроводности и вязкости, для которых получены теоретические формулы. Для предлагаемого изобретения сходимость метода установлена с помощью изменения размеров сетки в координатном и скоростном пространствах.

Во время первого численного эксперимента с помощью описанного метода рассматривались компьютерные модели прямолинейной цилиндрической и U-образной трубок, изображенных на фиг.2 и 3. Изучалась зависимость отношения давлений на концах трубок от числа Кнудсена Kn. Температура стенок вдоль трубок изменялась линейно от значения T₁ до T₂=2T₁. Отношения длин трубок к радиусу бралось l/r=10.

Геометрические параметры и распределение температуры на стенках трубок одинаковы. Отличие состоит только в форме трубок. На фиг.7 представлено отношение давлений на концах трубок от числа Кнудсена для прямой цилиндрической и U-образной трубок. Фиг.7 показывает, что отношение давлений на концах U-образной трубки больше отношения давлений на концах прямой трубки для всех рассмотренных чисел Кнудсена. Это означает, что применение U-образных трубок позволить увеличить эффективность насоса, работающего за счет эффекта теплового скольжения газа вдоль неравномерно нагретых стенок.

Во время второго численного эксперимента рассматривались компьютерные модели классического насоса и предлагаемого изобретения, изображенные на фиг.4 и 5. Рассматривались следующие геометрические параметры:

A/r=5, L/r=50, l/r=19, R/r=6.

Температуры стенок на концах устройства брались T₁, а на стыке T₂=2T₁.

На фиг.8 приведен график зависимости отношения давлений на концах классического насоса и предлагаемого устройства от числа Кнудсена в узких трубках. В широких трубках числа Кнудсена были примерно в R/r раз меньше, чем в узких трубках. При малых числах Кнудсена предлагаемый насос сохраняет эффективность классического насоса (прототипа), в то время как для средних и больших числах Кнудсена в узкой трубке предлагаемое устройство дает отношение давлений выше, чем известный классический насос.

Выводы

Предлагаемое устройство является микронасосом, работающим за счет эффекта теплового скольжения газа вдоль неравномерно нагретых стенок, и может быть внедрено в микроэлектромеханические системы (MEMS). Описанный насос обладает бòльшей эффективностью, чем его известные аналоги. Исследования показали, что эффект теплового скольжения сильнее в изогнутых U-образных трубках, чем в прямых цилиндрических. В предлагаемом насосе создается поток газа от входа насоса к выходу с бòльшей скоростью, чем в классическом насосе (прототипе), что приводит к увеличению эффективности откачки. Изогнутые трубки позволяют создавать более гибкие конструкции, уменьшая размеры насосов.

Предлагаемое устройство имеет периодическую структуру, состоящую из ступеней чередующихся последовательно соединенных трубок двух видов. Трубки первого вида имеют меньший диаметр, чем трубки второго вида, и имеют U-образную форму. Трубки второго вида прямые и цилиндрические. Распределение температуры в микронасосе периодично с тем же периодом, что имеет структура, за счет нагревателей, которые помещаются на каждом втором стыке трубок.

Таким образом, в предлагаемом техническом решении установлена новая взаимосвязь известных и дополняемых признаков, что привело к получению более высокого технического результата - увеличение эффективности работы и уменьшение габаритных размеров насоса путем изменения формы и относительных размеров элементов конструкции.