用于控制气流的设备以及使用该设备的系统和方法技术方案

描述了用于控制气流的设备1，包括被配置成以受控的方式抑制或允许气流通过设备1的气流调整接口2，以及调整接口的控制装置3、4。调整接口2包括多个纳米孔20。纳米孔中的每个具有亚微米尺寸并且适于以受控的方式打开或关闭。控制装置3、4反过来包括适于打开或关闭这些纳米孔的致动装置3，以及被配置成激活致动装置从而以受控的方式单独或共同打开或关闭纳米孔20的电子处理装置4。本发明专利技术还包括用于气体取样的系统和方法，用于控制和测量气流的系统和方法以及用于使用上述设备控制压力梯度的系统和方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】专利技术的技术背景
本专利技术涉及用于控制气流的设备和方法的领域，尤其是能够控制气体的微流的设备和方法。本专利技术还涉及用于控制多个应用中的气流的系统和方法，诸如带有高准确度和分辨率(resolution，分辨度)的流控和测量，压力梯度的管理和/或气体取样。现有技术的描述许多气流控制设备是已知的。广义上讲，所有阀系统可参考该范畴。在这种背景下，小型化阀系统也是已知的，例如，带有甚至非常小的开口的微型阀，其具有大约几毫米的尺寸。然而，如果在除了真空压力的压力条件下使用，已知的阀系统，甚至那些小型化的阀系统，允许控制尽管小但仍在粘滞机制中的流。这也使得，在那些已知系统中，流控制和/或测量的分辨率和精度局限于为粘滞流的最小易管理流的粒度。根据常用命名法，术语“粘滞机制中的流”此处指这样的气流：在该气流中，颗粒的平均自由程(λ)更小于其所在的通道或容器的大小D，由此，在颗粒之间存在连续的碰撞以及动量和能量的连续转移。正相反，根据常用命名法，术语“分子机制中的流”此处意指这样的气流：在该气流中，颗粒的平均自由程λ相当于或大于其所在的通道或容器的尺寸，由此，每个颗粒的路径几乎是自由的且相对于其他颗粒的路径是独立的。一些理论定义有时提供中间机制(或“过渡流”)。关于流的分类，所有普遍接受的定义均同意将参数D/λ大于100的流定义为“粘滞机制流”，而“分子机制流”是参数D/λ相当于或小于1的流。“主要分子机制流”被定义为参数D/λ是大约几个单位的量级(多至10)的流：实际上，在这些情况下，尽管严格地说，颗粒之间的碰撞没有减至零，但在大部分时间内大部分颗粒在分子机制条件中。例如，书“真空技术”(A.Roth，NHPC，1976，第2章和第3章)可以被认为是关于本主题的权威理论参考。显然，平均自由程λ也取决于压力和温度的条件；特别地，其与以开尔文测量的温度成正比，且与压力成反比(参见上述参考文本“真空技术”)。假定阀系统的重要使用条件在环境温度条件下(例如，在273°K和313°K之间的范围内)，或在不同的温度下，只有基本恒定，压力产生为基本参数。在真空压力(例如，低于1mbar)，且甚至在高真空(例如，低于10-3mbar)的条件下，获得甚至通过大约几毫米的尺寸的通道的主要分子机制中的流是可能的。正相反，在其他压力条件下(非真空)且尤其在大气压力或较高压力下，这是不可能的。这一事实引起问题。实际上，在越来越多的重要的应用中，出现了甚至在非真空压力下能够控制“分子”或“主要分子”机制中的微流的需要。类似地，还对于在等于或大于大气压力的压力下，或在非真空压力下操作的大部分工业应用来说，能够利用“分子”或“主要分子”机制中的微流的粒度和/或分辨率控制和/或测量流是期望的。这对于例如改善暴露于环境的流量计(或“微流量计”)的准确度来说，或对于管理大气压力或较高压力下的环境和真空压力下的环境之间的流体连通来说是有利的；或，此外，这对允许对气体取样而不必安装昂贵的泵送系统以用于创造利用足够的准确度进行自身取样的真空条件来说是有利的。已知的微型阀系统均不能管理并控制阀开口以确保也在大气压力或较高压力下的分子或主要分子机制中的微流。实际上，参考该方面，未解决的第一问题是实现足够小尺寸的微型阀开口，以便确保甚至在大气压力或较高压力下的分子机制。甚至更难以解决的第二问题是适当地控制这些微型阀开口，即使有可能实现它们。第三未解决的问题涉及确保甚至在习惯性使用的环境(诸如工业环境)中这些微型阀开口的可操作性且因此无阻塞的能力。因此，鉴于此，对甚至在非真空压力的条件下能够利用分子或主要分子机制中的微流的分辨率有效地控制气流的设备存在未满足的需要。因此，其他需要仍未满足，即对具有用于气体取样、用于测量和/或控制气流和用于控制压力梯度的甚至在非真空压力下能够有利地操作分子或主要分子机制中的微流的系统和方法的需要。鉴于以上所述，本专利技术的目的是设计用于控制气流的设备以及采用这种设备的相关系统和方法并使所述设备、系统和方法可用，这些被改善以便满足上述需要，且能够至少部分克服上面参考已知技术描述的缺点。
技术实现思路
该目的通过根据权利要求1的设备实现。设备的进一步的实施例被限定在从属权利要求2至18中。采用根据本专利技术的设备的用于气体取样的系统被限定在权利要求19中。这种系统的进一步的实施例被限定在权利要求20中。用于采用根据本专利技术的设备来控制压力梯度的系统被限定在权利要求21中。使用本专利技术的设备实施的用于控制气流的方法被限定在权利要求22中。使用本专利技术的设备实施的用于测量气流的方法被限定在权利要求23中。使用本专利技术的设备实施的用于对气体取样的方法被限定在权利要求24中。使用本专利技术的设备实施的用于管理压力梯度的方法被限定在权利要求25中。附图的简要说明根据本专利技术的用于控制气流的设备以及采用这种设备的系统和方法的进一步的特征和优点将从参考附图被提供为非限制性示例的优选实施例的下列描述中产生，其中：-图1是从上面看的根据本专利技术的设备的简化结构图，其中纳米孔打开；-图2表示在纳米孔闭合条件中的图1的结构图；-图3是与沿相对于一排纳米孔的中线通过的截面相关的图1的设备的侧面截面图；-图4、图5A和图5B是分别在纳米孔全打开的条件、纳米孔全闭合的条件以及一些纳米孔打开而其他纳米孔闭合的条件中的设备的实施例的各自的透视图；-图6A和图6B分别示出图4和图5的设备的细节；-图7是设备的进一步的实施例的透视图；-图8A和图8B示出图7的设备的细节；-图9是设备的进一步的实施例的透视图；-图10A和图10B示出图9的设备的细节；-图11是设备的进一步的实施例的透视图；-图12示出图11的设备的细节；-图13是设备的仍进一步的实施例的分解图；-图14示出在一个可能的应用背景下根据本专利技术的用于气体取样的系统；-图15示出图14的系统的进一步的实施例；-图16示出在可能的应用背景下根据本专利技术的用于控制压力梯度的系统。具体实施方式参考图1至图13，描述了用于控制气流的设备1。设备1包括气流调整接口2，其被配置成以受控的方式抑制或允许气流通过设备1，且该设备还包括调整接口的控制装置3、4。调整接口2包括多个纳米孔20。纳米孔中的每个具有亚微米尺寸并且适于以受控的方式打开或关闭。控制装置3、4反过来包括适于打开或关闭纳米孔的致动装置3，以及被配置成激活致动装置从而以受控的方式单独或共同打开或关闭纳米孔20的电子处理装置4。图1和图2示出设备1的实施例的各自的顶视图，其中纳米孔分别打开和关闭。根据实施示例，纳米孔20中的每个被配置成当其打开时甚至在大气压力或高于大气压力的条件下允许分子或主要分子机制下的气体微流，且相反，当其关闭时抑制这种气体微流，使得穿过调整接口2的总气流是穿过打开的纳米孔20的分子或主要分子机制下的微流的总和。如上所述，表明流或微流在“分子机制”下意味着表明这样的流：在所述流中，假定压力和温度的条件，参数D/λ相当于或小于1；表明流或微流在“主要分子机制”下意味着表明这样的流：在所述流中，参数D/λ尽管大于1，但是为大约几个单位(通常，<10)的量级。根据实施示例，每个纳米孔20被配置成允许10-8和10-6mbar·l·sec-1之间的微本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于控制气流的设备(1)，包括：‑气流调整接口(2)，被配置成以受控的方式抑制或允许气流通过所述设备(1)，以及‑调整接口控制装置(3、4)；其中所述调整接口(2)包括多个纳米孔(20)，所述纳米孔中的每个具有亚微米尺寸并且适于以受控的方式打开或关闭；且其中所述控制装置(3、4)包括：‑致动装置(3)，适于打开或关闭所述纳米孔，以及‑电子处理装置(4)，被配置成激活所述致动装置从而以受控的方式单独或共同打开或关闭所述纳米孔(20)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.07.07 IT MI2014A0012271.一种用于控制气流的设备(1)，包括：-气流调整接口(2)，被配置成以受控的方式抑制或允许气流通过所述设备(1)，以及-调整接口控制装置(3、4)；其中所述调整接口(2)包括多个纳米孔(20)，所述纳米孔中的每个具有亚微米尺寸并且适于以受控的方式打开或关闭；且其中所述控制装置(3、4)包括：-致动装置(3)，适于打开或关闭所述纳米孔，以及-电子处理装置(4)，被配置成激活所述致动装置从而以受控的方式单独或共同打开或关闭所述纳米孔(20)。2.根据权利要求1所述的设备(1)，其中每个所述纳米孔(20)被配置成当纳米孔打开时甚至在大气压力或高于大气压力的情况下允许分子或主要分子机制下的气体微流，且当纳米孔关闭时抑制所述气体微流，使得穿过所述调整接口(2)的总气流是穿过打开的所述纳米孔(20)的分子或主要分子机制下的微流的总和。3.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，其中所述设备(1)为集成设备(1)。4.根据权利要求3所述的设备(1)，其中所述调整接口(2)和所述控制装置(3、4)被包括在所述集成设备(1)的单一小型化芯片(10)中。5.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，其中所述处理装置(4)被配置成控制所述致动装置(3)，使得每个纳米孔(20)能够单独地且以相对于其他纳米孔(20)独立的方式打开或关闭。6.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，其中每个纳米孔(20)具有限定的几何形状和确定地可测传导率。7.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，其中每个纳米孔(20)具有包括在从10至100nm范围内的直径。8.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，其中所述调整接口(2)包括一个或多个流控窗口，每个窗口包括膜片(21)，所述纳米孔(20)通过所述膜片而获得，其中所述纳米孔(20)根据行和列上的二维阵列布置，且其中所述纳米孔(20)的数量为数百个的量级。9.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，其中所述致动装置(3)包括多个小型化纳米孔开/合构件(30)，每个所述构件(30)适于打开或关闭对应的纳米孔(20)，以便相应地最大化或最小化所述纳米孔(20)的传导率。10.根据权利要求9所述的设备(1)，其中每个小型化开/合构件(30)包括塞子(31)，所述塞子能机电地致动以通过相对于所述纳米孔的轴向移动而关闭或打开对应的所述纳米孔(20)，且其中所述塞子(31)包括：-底座(310)，具有比所述纳米孔(20)更大的尺寸，以便在闭合移动时完全阻塞所述塞子(31)所在的所述调整接口(2)的一侧上的所述纳米孔(20)的出口；-尖端(311)，该尖端与所述底座(310)成一整体，适于在所述闭合移动时穿过所述纳米孔(20)。11.根据权利要求9所述的设备(1)，其中每个小型化开/合构件(30)包括：-圆柱体(32)，具有基本等于对应的所述纳米孔(20)的直径的直径，所述圆柱体(32)能机电地致动以通过相对于所述纳米孔的轴向移动而插入对应的所述纳米孔(20)中或从对应的所述纳米孔取出；-多个螺线管(320)，每个螺线管(320)与对应的纳米孔(20)和对应的圆柱体(32)相关联，并且与对应的纳米孔和对应的圆柱体共轴；且其中每个圆柱体(32)包括由铁磁或顺磁材料制成的零件，以便对由所述螺线管(320)生成的磁场敏感，并且根据所述磁场而移动。12.根据权利要求9所述的设备(1)，其中每个开/合构件(30)包括微悬臂(33)，该微悬臂在摆动端处具有基本圆锥形微尖端(330)，所述微尖端适于插入所述纳米孔(20)中或从所述纳米孔取出，所述微悬臂(33)能机电地致动以便在所述微尖端(330)进入所述纳米孔(20)以关闭所述纳米孔的闭合位置与所述微尖端(330)退出所述纳米孔(20)以打开所述纳米孔的打开位置之间摆动。13.根据权利要求9所述的设备(1)，其中所述致动装置(3)包括多开/合摆动平面构件(35)，该多开/合摆动平面构件被配置成同时打开/关闭所述调整接口(2)的所有所述纳米孔(20)，且其中单个的所述小型化纳米孔开/合构件(30)以与所述纳米孔(20)的配置对应的配置布置在所述平面构件(35)的一侧上，使得在所述平面构件(35)的对应移动时每个小型化开/合构件(30)同时插入对应的所述纳米孔(20)或从对应的所述纳米孔取出。14.根据权利要求9至13中任一项所述的设备(1)，其中所述致动装置(3)布置在所述调整接口(2)的一侧上，且被配置成打开/关闭对应于该侧的每个纳米孔(20)的开口，或者所述致动装置布置在所述调整接口(20)的两侧上，且被配置成打开/关闭对应于所述调整接口(2)的两侧的每个纳米孔(20)的两个开口。15.根据权利要求9至14中任一项所述的设备(1)，其中所述小型化开/合构件(30)还被配置成在闭合和随后打开的每个操作事件时或在具体的抗阻塞闭合/打开事件时清理并清除可能阻塞的每个纳米孔(20)。16.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，其中所述电子处理装置(4)包括：-处理器(40)，操作性地电连接到所述致动装置(3)，以便通过发送电信号控制所述致动装置；-缓冲器，操作性地连接到所述处理器(40)以接收与多个纳米孔相关的开/合控制信号；-驱动构件(41)，操作性地连接到所述缓冲器以按顺序接收所述开/合控制信号，且被配置成按顺序生成与多个纳米孔相关的对应的开/合驱动信号；-多路器(42)，操作性地连接到所述驱动构件(41)以依次接收所述开/合控制信...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹皮耶罗·门萨，拉法埃莱·科雷亚莱，
申请(专利权)人：纳米技术分析责任有限公司，
类型：发明
国别省市：意大利;IT