專利名稱：熱效微量操作裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及一種流體的高效熱處理的微量操作裝置。尤其是，本發(fā)明涉及一種具有改進熱效率的進行流體處理的微量操作裝置。這里所使用的流體處理包括將流體流進行化學反應，加熱，冷卻，過濾，吸附，解吸附，和/或相變(例如蒸發(fā)和凝結(jié))。本發(fā)明可以用于，例如，發(fā)電的化學物質(zhì)的處理。
背景技術(shù)：
微量操作流體裝置包含所有處理成分(例如氣體，液體，固體顆粒(例如小珠)，復雜分子(DNA)，及其混合物)和具有微小特性(最小特征尺寸小于500μm)的系統(tǒng)。這樣的微量操作裝置已經(jīng)應用于眾多領(lǐng)域，包括生化分析(例如毛細血管電泳分離)，小規(guī)?；瘜W合成，以及反應動態(tài)測量。微量操作裝置的固有小尺寸使得流體流率明顯變小，減小系統(tǒng)尺寸，在很多情況下提高了性能。
現(xiàn)有技術(shù)公開了不同的流體處理微量操作裝置。例如美國專利No.6192596提供了一種活性微通道流體處理單元以及制造這種單元的方法。平行的微通道陣列由熱導翅片所分隔，從而提供了與通過上述微通道的流體進行熱傳遞的機構(gòu)。
美國專利No.6193501公開了一種亞毫米級的微燃燒室。優(yōu)選的實施例包括至少三個晶片的晶片堆棧，中央的晶片容納有一燃燒腔。還至少包括一個出口和一個入口，用以放入試劑，和排出火焰。
美國專利No.4516632公開了一種微通道層間交滲流體熱交換器以及這種交換器的制造方法。上述熱交換器是由薄金屬板粘在一起的堆棧而形成。
流體處理微量操作裝置的一個可行應用就是便攜式發(fā)電機。該應用前景廣闊，是因為化學燃料的能量密度超過現(xiàn)有可用電池的兩倍。但是要利用高能量密度的化學燃料和完成用以便攜式電源的電池，就必須有合適的高效設(shè)計用以將化學能轉(zhuǎn)換成電能的微小尺寸的燃料處理器/發(fā)生器。燃料處理器/發(fā)生器通常需要高溫區(qū)以保持所需的反應。上述為維持溫度而消耗的能量減小了整個系統(tǒng)的效率。當裝置的尺寸變小，就越來越難以保持高效燃料處理所需的熱梯度和熱絕緣?，F(xiàn)有的微量操作燃料處理裝置中，需要用以維持高溫區(qū)域溫度的能量比燃料中所含有的能量還要多，這就排除了上述裝置用以便攜式發(fā)電的可能性。
熱管理(thermal management)對于生產(chǎn)在不同溫度下具有單獨特性的高效裝置是至關(guān)重要的。尤其是微量操作發(fā)電系統(tǒng)反應帶的熱隔絕是最重要的。對于微量操作非流體裝置，熱管理是通過利用長、薄和/或非導支撐物并通常由真空包裝協(xié)助下來得以完成。舉例來說，提供有熱管理的非流體微量操作裝置包括由美國專利No.5021663和5789753公開的測輻射熱儀。但本發(fā)明人認為微量操作流體裝置增加了三個獨特的難題需要閉合連接熱區(qū)域的流體結(jié)構(gòu)；通過熱對流增加熱流的趨勢；經(jīng)常需要具有所在的區(qū)域等溫的流體導管側(cè)壁。這樣除了用于非流體熱裝置中的已知發(fā)明和技術(shù)以外，一個成功的微量操作流體裝置的熱管理技術(shù)方案必須包括一個同高溫區(qū)域流體連通的裝置，而并不會引起過多的熱量流經(jīng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)或運動流體。這就需要在該技術(shù)方案中，可以保證上述裝置的特定區(qū)域的熱均勻性。
所以，有利的是提供一種微量操作裝置能夠高效的至少進行一種流體的化學處理，其中高溫反應帶和周圍環(huán)境相隔開。同樣有利的是提供一種微量操作裝置用以進行流體試劑的化學反應，其中裝置的操作消耗的能量小于流體試劑所產(chǎn)生的能量。這樣的裝置可以作為便攜式發(fā)電機的一部分。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明滿足上述的需要，提供一種微量操作裝置用以熱處理至少一種流體流。上述微量操作裝置包括至少一個流體導管，至少一個流體導管的區(qū)域具有小于50μm的壁厚。
本發(fā)明進一步滿足上述的需要，提供一種微量操作裝置用以處理至少一種流體流，其中該裝置結(jié)合有至少一個流體導管和至少一個熱導結(jié)構(gòu)。上述熱導結(jié)構(gòu)同上述流體導管的第一熱絕緣部分和第二熱絕緣部分相熱連通。
本發(fā)明進一步滿足上述的需要，提供一種微量操作裝置用以處理至少兩種流體流，其中包括第一流體導管，第二流體導管和至少一個熱導結(jié)構(gòu)。熱導結(jié)構(gòu)同上述第一流體導管的熱絕緣部分和第二流體導管的熱絕緣部分相熱連通。
本發(fā)明額外提供一種解決方案，提供一種微量操作裝置用以處理至少一種流體流，其中上述裝置包括熱導區(qū)域和至少一具有至少一熱絕緣部分的流體導管。上述流體導管的至少一熱絕緣部分設(shè)置在熱導區(qū)域之內(nèi)。
本發(fā)明進一步涉及一種方法，用以處理流體流。該方法包括提供一具有至少一流體導管的微量操作裝置，上述流體導管具有熱絕緣入口部分和熱絕緣出口部分，以及至少一個和上述出入口相連通的熱導結(jié)構(gòu)。至少一個流體的流被引入流體導管的入口，流體流在流體導管內(nèi)被處理。上述熱導結(jié)構(gòu)在上述管的出入口之間傳導熱能。
本發(fā)明還提供一種包括按照本發(fā)明構(gòu)造的微量操作裝置的發(fā)電機。上述微量操作裝置包括至少一個流體導管和至少一個熱導結(jié)構(gòu)。熱導結(jié)構(gòu)同上述流體導管的第一熱絕緣部分和第二熱絕緣部分相熱連通。燃料電池和流體導管相流體連通，燃料在流體導管中產(chǎn)生并被輸送到燃料電池用以發(fā)電。
本發(fā)明還公開了一種方法，用以制造處理至少一個流體流的裝置。上述方法包括將基板設(shè)置花紋，從而形成至少一個具有接近外界的壁的管模，以及形成至少一個與外界不接近的釋放凹部，沉淀一薄膜，用以覆蓋上述管模的壁，而不是釋放凹部，利用化學蝕刻劑去除基板的選擇區(qū)域，從而形成至少一個流體導管。
本發(fā)明的微量操作裝置實施例克服了上述將該裝置用于便攜式發(fā)電所遇到的困難。利用流體試劑，本發(fā)明的微量操作裝置可以用于化學反應，而上述裝置消耗的能量完全小于反應生成物產(chǎn)生的能量。本發(fā)明的這些和其他優(yōu)點將通過本發(fā)明的下列說明變得更加顯而易見。讀者也可以在制造和/或使用本發(fā)明中的微量操作裝置時，理解本發(fā)明那些額外的細節(jié)和優(yōu)點。說明書正文。


圖1(a)是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的、用以處理流體的微量操作裝置的實施例的簡圖。圖1(b)是圖1(a)的實施例的側(cè)視圖。圖1(c)是圖1(a)的頂視圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的、用以處理流體的微量操作裝置實施例放大約20倍的掃描電子顯微圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的、用以處理流體的微量操作裝置實施例放大約100倍的掃描電子顯微圖，其中特別示出了根據(jù)本發(fā)明的柱。
圖4(a)是結(jié)合有柱的本發(fā)明實施例的簡圖。圖4(b)是圖4(a)的實施例的頂視圖，其中包括有被動流體截止閥。
圖5(a)到5(k)說明了形成根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的微量操作裝置的制造過程。
圖6(a)為利用真空包裝，反射涂層和低放射涂層的本發(fā)明實施例頂視圖。圖6(b)是圖13(a)的實施例的側(cè)視圖，并進一步示出了包裝層。
圖7描述了本發(fā)明的通常U型薄壁管的實施例。
圖8(a)和圖8(b)說明了在一個根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的、用以處理流體的微量操作裝置實施例中，在流體導管出口和入口部分，流體和熱流的有限元模擬結(jié)果。
圖9是顯示根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的微量操作裝置的作為系統(tǒng)功率函數(shù)的模擬氨水裂解器和系統(tǒng)效率的圖表，并且加入了傳統(tǒng)的質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池系統(tǒng)。
圖10(a)描述了根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的微量操作裝置進行氨水裂解的過程。圖10(b)描述了根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的微量操作裝置進行甲醇重組的過程。圖10(c)描述了根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的微量操作裝置進行的丁烷部分氧化。圖10(d)描述了根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的微量操作裝置產(chǎn)生熱電的過程。
圖11是微量操作裝置電阻加熱器的電阻在三種不同的電壓下作為大氣壓力的函數(shù)的坐標圖。
圖12(a)是在根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的微量操作裝置實施例中，流體導管中的銥催化劑放大約20倍的反射光學顯微圖。圖12(b)是在根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的微量操作裝置實施例中，流體導管中的銥催化劑放大約50倍的透射光學顯微圖。圖12(c)是在氨水每分鐘4標準立方厘米的流率(SCCM)的情況下，在根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的微量操作裝置的熱導區(qū)域內(nèi)，四極質(zhì)譜儀(QMS)信號強度對于銥催化劑之上的氨水裂解的時間的坐標圖。
圖13(a)是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的、用以處理流體的微量操作裝置的照片。圖13(b)為圖13(a)實施例的圖像，其中熱導區(qū)域被加熱到1832°F(1000℃)。
具體實施例方式
本發(fā)明提供有用以解決微量操作裝置高效流體處理所需的保持熱漸變和熱絕緣的解決方案。可以相信，本發(fā)明的發(fā)明人對于微量操作流體系統(tǒng)熱管理的解決方案足以完成便攜式燃料處理和發(fā)電裝置。本發(fā)明用以燃料處理和發(fā)電領(lǐng)域的應用使得微量操作便攜式電源得以發(fā)展，其能量強度至少大于現(xiàn)有電池一倍。
可以相信，本發(fā)明可以為便攜式發(fā)電機帶來極大的好處。便攜式發(fā)電機的能量強度的巨大改進極大沖擊了具有數(shù)百億美元計的電池工業(yè)，并為整個目前低能量強度電池現(xiàn)有的市場，通過技術(shù)開辟了新的市場和應用。除了發(fā)電領(lǐng)域，本發(fā)明還可以用于其他更廣泛的領(lǐng)域，包括小規(guī)?；瘜W合成，化學感應與分析，微制冷(例如電子或超導)，微熱量計，熱光電發(fā)電，斯特林循環(huán)，催化劑測試以及大范圍的生化試驗，這包括生物測定，化學和生物傳感和高通量掃描。
這里所使用的詞“流體”是指一個或多個氣體，液體，固定顆粒(例如小珠)，復雜分子(DNA)及其組合物。
這里所使用的詞“微量操作裝置”具有本領(lǐng)域通常的含義，是指包括具有小于500μm的最小尺寸結(jié)構(gòu)的裝置。
這里所使用的詞“柱”意味著一具有任何幾何截面的中空或?qū)嵭募氶L結(jié)構(gòu)。舉例來說，但并不限制本發(fā)明，柱的截面可以具有任何閉合形狀的周界，例如圓形，橢圓，方形或矩形。
這里所使用的詞“基本等溫”意味著基本等溫區(qū)域上的溫度變化小于整個裝置溫度變化的五分之一。裝置的溫度變化可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員以不同方式來測量。一種方式可以為裝置的熱紅外成像。另一種方法可以為將溫度傳感器放置于裝置的各個位置上。
這里所使用的詞“基本絕緣”和“基本傳導”在本發(fā)明給定的實施例中限定了熱導系數(shù)的一相對區(qū)別。尤其是如需要維持所需結(jié)構(gòu)溫差的能量所確定的，熱絕緣結(jié)構(gòu)的熱導系數(shù)至少小于熱導結(jié)構(gòu)兩倍，優(yōu)選為10倍。例如可以通過直接測量，在合適的時候，模擬來確定熱導系數(shù)。例如“熱絕緣”管可以具有薄壁，優(yōu)選厚度小于50μm，但本發(fā)明并不限定于此。
這里所使用的詞“管”意味著具有內(nèi)、外周界的中空結(jié)構(gòu)，截面可為任意幾何形狀并允許流體通過。例如管的截面可以具有任何閉合形狀的周長，例如圓形，橢圓，方形或矩形，但本發(fā)明并不局限于此。
本發(fā)明的一個實施例提供了一種單獨薄壁管，其可以利用于高溫流體處理。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)具有薄壁的管，優(yōu)選厚度小于50μm，尤其是優(yōu)選為厚度小于5μm，對于本發(fā)明尤其有用，這是因為薄壁可以減少沿著管縱向軸線的熱傳導，即使管跨越不同溫度的區(qū)域。為了進一步減小熱傳導，上述管還可以優(yōu)選為由熱絕緣材料制造。
具有薄壁的管可以由現(xiàn)有多種技術(shù)制造。一種詳述的優(yōu)選技術(shù)涉及用包管(encased tubes)制造一相對的實體模，隨后于管材料的薄膜沉淀，通過侵蝕環(huán)繞模將上述管釋放。該技術(shù)提供了具有由沉淀厚度確定的壁厚的獨立管。
在本發(fā)明微量操作裝置的一個實施例中，至少一個熱導結(jié)構(gòu)同上述流體導管的第一熱絕緣部分和第二熱絕緣部分熱連通。和上述熱導結(jié)構(gòu)相熱連通的兩個部分溫度不同，熱能從高溫部傳遞到低溫部。
當從一個區(qū)域流到另一區(qū)域時，質(zhì)量守恒需要固態(tài)操作的裝置具有精確的質(zhì)量。結(jié)果，由于氣體離開區(qū)域的熱量損失就可以在轉(zhuǎn)換為流體時減少為最小。本發(fā)明的另一實施例，通過將上述熱導結(jié)構(gòu)放在流體導管的熱絕緣出口和入口之間而進行熱交換。優(yōu)選的是上述管平行于上述出入口的縱向軸線，可以布置為U型。熱量從上述管流出，由于對流因熱量從出口的傳導而得以改善，高溫反應產(chǎn)生熱流動，經(jīng)過上述流體導管入口所在的區(qū)域。理想的是，熱導結(jié)構(gòu)在裝置操作過程中基本等溫。并具有最小尺寸，通常大于管壁的尺寸，并由相對高熱導系數(shù)的材料制成，從而產(chǎn)生熱流。優(yōu)選的是，熱導結(jié)構(gòu)由硅制成。
本發(fā)明的另一實施例提供了一種具有至少一個熱導結(jié)構(gòu)的流體導管，上述熱導結(jié)構(gòu)和流體導管的熱絕緣入口和熱絕緣出口向熱連通。這些熱導結(jié)構(gòu)進一步減小了對流損失，從而使得流體處理可以在高溫和/或低流率條件下進行。例如，熱導結(jié)構(gòu)可以基本和流體導管相正交，以使得當在出入口之間進行熱傳動時，沿著上述管的長度不會增加熱傳導。可以理解，流體的方向平行于流體導管特定區(qū)域的縱向軸線。多重熱導結(jié)構(gòu)沿著上述流體導管的出入口相間隔開，用以提高上述管任何所需長度的熱交換。
在本發(fā)明的一個實施例中，流體導管可以包括柱。下面將詳細說明包括柱的好處。
本發(fā)明的另一實施例提供有一種基本絕緣的熱導區(qū)域，至少設(shè)置有一流體導管的部分。至少流體導管的一區(qū)域是熱絕緣的。例如，但本發(fā)明并不限定于此，流體導管部分可以為整體或部分嵌入或包住熱導區(qū)域。上述熱導區(qū)域的熱均勻性有助于薄壁管的嵌入或包住部分上發(fā)生的反應均勻，這樣就可以提高反應生成物的可選擇性和/或改善對流。上述熱均勻區(qū)域也可以通過消除局部過熱來最小化材料限制，最大化熱光電(TPV)應用的放射，和/或最大化產(chǎn)生熱電(TE)的區(qū)域。熱均勻性還可以有助于分析應用，其中至關(guān)重要的就是在一已知的溫度測量某一物理性能?？梢岳斫?，當熱導區(qū)域內(nèi)的流體導管的壁在流體處理過程中基本等溫時，上述管內(nèi)的流體并不需要等溫。
本發(fā)明還認識到流體導管內(nèi)的流體可以為較差的熱導體，在上述管的中央，引起上述管壁到流體區(qū)域的熱漸變。這種非均勻性可以由流體導管內(nèi)的結(jié)構(gòu)所減小，上述結(jié)構(gòu)設(shè)計用以降低必須通過流體到達上述管壁的平均距離。例如，但本發(fā)明并不限定于此，柱陣列可以位于上述管內(nèi)，突出于管的內(nèi)壁并伸進管內(nèi)空間中。上述柱優(yōu)選為熱導材料，尤其是直徑大于流體導管壁厚，并相對于管壁材料，選用熱導系數(shù)較高的材料。上述柱也可以用以上述位于上述出入口之間的熱導結(jié)構(gòu)，出口包含高溫流體，管的入口包含溫度較低的流體。上述柱也可以用以等溫結(jié)構(gòu)，以提高等溫結(jié)構(gòu)內(nèi)的流體的熱均勻性。
在本發(fā)明微量操作裝置的另一實施例中，至少一個熱導結(jié)構(gòu)同上述流體導管的第一熱絕緣部分和第二熱絕緣部分熱連通。和上述熱導結(jié)構(gòu)相熱連通的兩個部分溫度不同，熱能從高溫部傳遞到低溫部。
在不限制本發(fā)明的范圍內(nèi)，一個實施例中結(jié)合有具有基本等溫熱導區(qū)域和/或熱導結(jié)構(gòu)的多重管。該結(jié)合提供了一種額外的改進，使反應產(chǎn)生的熱量用以其他的吸熱反應。例如氫氣可以在存在空氣的條件下燃燒產(chǎn)生水。該反應產(chǎn)生熱能，用于氨水分解為氫和氮。
在本發(fā)明的實施例中，上述管的開口端被包在一普通基板上，以便于和外界相連通。
在本發(fā)明微量操作裝置的實施例中，上述管端部的外殼延伸，從而產(chǎn)生一密封腔環(huán)繞上述微量操作裝置部分。密封腔用以控制上述結(jié)構(gòu)周圍的壓力。例如密封腔可以被抽真空以減少從上述微量加工裝置外表面的傳導和對流損失。而且密封腔可以充滿氣溶膠，用以減少傳導和對流和/或放射損失。另外，將上述腔的內(nèi)表面涂覆反射膜和/或在上述微量操作裝置外表面涂覆非放射材料都可以減少放射損失。
本發(fā)明的微量操作裝置的實施例中，可以構(gòu)造為上述裝置的高溫部分用以直接電能轉(zhuǎn)換。這可以通過利用熱電(TE)或熱光電(TPV)方法來得以實現(xiàn)。
可以考慮，本發(fā)明的某些實施例中，流體導管可以具有不僅一個出口和入口部分。這樣的導管可以根據(jù)這里的描述進行制造，并進行合適的修改，成型為多重入口和/或出口。
在本發(fā)明的某些實施例中，流體導管可以分為多個導管。另外，一個導管可以由至少兩個導管的結(jié)合處形成。
例如，但本發(fā)明并不限定于此，可以考慮兩個或更多下列的結(jié)合薄壁管，熱絕緣管，柱，熱導結(jié)構(gòu)，等溫區(qū)域，熱導柱，多重管，多重出入口，一個管分為多個管，多重管結(jié)合為一個管，管端部包管，具有不同特性的密封腔的包裝，和/或包括直接能量轉(zhuǎn)換裝置。本發(fā)明人還考慮到這些元件可以和已知流體裝置的其他元件、裝置、特性相結(jié)合。這些包括熱電堆，例如發(fā)電機，冷卻，或溫度感應。一可選或黑體發(fā)射器用以發(fā)光，可以結(jié)合到本發(fā)明的裝置中，用于熱光電發(fā)電機。微量操作裝置也可以結(jié)合不同的傳感器，包括阻抗溫度傳感器，圖像聲音光譜機構(gòu)，IR光譜機構(gòu)，電容傳感器，熱導傳感器，流量傳感器，化學傳感器，以及其他不同的傳感器。上述微量操作裝置還可以結(jié)合有驅(qū)動器，例如電阻加熱器，用以電泳或電滲流體的電極，用以電化學的電極，閥，泵以及其他驅(qū)動器。
根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的微量操作裝置的一個實施例中包括至少一個具有熱絕緣入口部分的流體導管。該入口將流體引入到導管位于熱導區(qū)域的中部。流體導管還具有將流體引出導管中部的出口部分。熱導結(jié)構(gòu)和出入口都接觸。這樣流體流的方向和傳導熱流的方向就可以分開控制。也就是說，流體流的方向就是導管的方向，傳導熱流至少部分經(jīng)過上述熱導結(jié)構(gòu)。流體流和傳導熱流就可以由熱絕緣管部分和熱導結(jié)構(gòu)相差巨大的熱導系數(shù)而隔開。這種熱導系數(shù)的差別是利用導管非常薄的壁尺寸結(jié)構(gòu)(50μm以下)和熱導結(jié)構(gòu)的大尺寸結(jié)構(gòu)而獲得的。優(yōu)選的是，額外的熱導系數(shù)差別是通過熱絕緣管部分和熱導結(jié)構(gòu)的不同材料來加以獲得的。熱導結(jié)構(gòu)的材料熱導系數(shù)高于熱絕緣管的材料。上述裝置可以被包裝，利用本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所熟知的微制造技術(shù)，使得上述出入口和中間部分處于真空環(huán)境中。上述裝置也可以利用IR反射器襯里在真空中和在裝置上涂覆低發(fā)射率涂層進行包裝，以使得輻射熱量損失最小。例如，但本發(fā)明并不限定于此，可以利用IR反射材料例如鋁來涂覆硅板。
在用以流體處理的微量操作裝置的一個實施例中，冷流體制劑在室溫情況下經(jīng)過一基板，被引入到流體導管的熱絕緣入口。上述流體進入流體導管的中間部分，該流體導管被一熱導區(qū)域包住。反應發(fā)生在流體導管的中間部分。但流體也可以在總監(jiān)或其他部分發(fā)生反應。由于反應，上述流體被引到流體導管的絕緣出口部分。出入口之間設(shè)置有一個或多個熱導結(jié)構(gòu)并與之接觸，熱量從流體導管出口部分的流體轉(zhuǎn)移到入口部分的流體試劑中。由于熱量從流體導管到上述基板的對流過程中，僅僅有少量的熱損失。
一種和周圍良好絕緣的結(jié)構(gòu)是一種由薄膜陶瓷絕緣器(硅氮化合物)制成的懸置流體導管。上述流體導管結(jié)合有硅板，目的是進行熱管理。上述硅板為熱導和/或基本等溫結(jié)構(gòu)，以維持局部的熱均勻區(qū)域和不同處理流體之間的熱交換，使得流體導管的出入口部分之間的熱量得以回收。流體導管可以進一步利用氣溶膠或真空包裝進行隔離。上述流體導管通常在基板的密封腔內(nèi)包裝，從而最小化發(fā)射損失，或其可以抽空以減小對流/傳導損失。IR反射器和/或前述的低放射率涂層可以單獨利用或結(jié)合利用真空和/或氣溶膠。
在本發(fā)明的一個實施例中，兩個U型硅氮化物管可以彼此鄰近放在一起，從而形成四個通道。U型導管起著重要的作用，其可以減小導管間導致熱膨脹的應力。通過減小應力，當管彎曲的時候，就可以避免上述麻煩的結(jié)果。所以，當這里只探討了U型實施例，當然也可以考慮其他任何可以減小應力的形狀。每一導管的U型端部(中間部分)完全被包在一單一相對較厚的硅層(至少30μm)上。該硅層可以保證兩個導管的中間部分之間的熱交換。這樣的熱交換正是利用一個放熱反應的化學熱源進行吸熱反應所需要的。一個實例中，在一個導管的中間部分進行氫氣燃燒，從而提供維持反應帶溫度所需的熱量，以及在另一導管的中間部分進行吸熱氫氣生成反應所需的熱量。上述硅層結(jié)構(gòu)的熱導性能為整個硅層提供了基本的通用溫度。這樣，上述硅層區(qū)域和其他處于被包著的中間部分之內(nèi)的熱導材料可以作為一“基本等溫熱導區(qū)域”。在意義上說沒有任何區(qū)別，上述區(qū)域在這里通常作為“熱導區(qū)域”。例如但本發(fā)明并不限定于上述“其他熱導材料”可以包括任何金屬，例如銅。本發(fā)明人相信，提供這樣的區(qū)域可以在微量操作裝置的多重處理流體流的熱整合中提供更有利的特點。
在上述熱導區(qū)域和基板之間，在流體導管上可以跨越一個或多個熱導硅結(jié)構(gòu)。上述熱導結(jié)構(gòu)為通過硅氮化物導管的出口離開上述熱導區(qū)域的熱流體和通過硅氮化物導管的入口進入上述熱導區(qū)域的冷流體之間的熱量回收(heat recuperation)提供一熱鏈路。一具有四個懸置在上述導管之上的引出端的鉑加熱器/溫度感應電阻器(TSR)蜿蜒在上述熱導區(qū)域上。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，上述加熱器/TSR是一電阻加熱器。通過測量電阻器的電壓降和電流，以及在一參考溫度的已知電阻，就可以確定上述加熱器的溫度。所以上述加熱器和傳感器可以為一具有多功能的單一裝置，或為分開的裝置。多重加熱器和溫度傳感器也可以設(shè)置在上述裝置的不同位置。構(gòu)造上述加熱器/TSR的材料為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知。而且可以利用放射或熱電來加熱。在熱導區(qū)域和上述環(huán)繞的硅片(基板)之間沒有直接的硅材料路徑。
本發(fā)明還提供有包括用以處理流體流的微量操作裝置的便攜式發(fā)電機。該發(fā)電機可以包括一例如下面的實例3-5所述的微量操作裝置，其中上述裝置和一燃料電池相連接。利用上述微量操作裝置生產(chǎn)的優(yōu)選產(chǎn)物就是氫氣，其可以用作眾多燃料電池中的燃料。而且利用上述微量操作裝置可以生產(chǎn)氫氣和一氧化碳，并用于某些燃料電池。
本發(fā)明的另一實施例就是制冷裝置，使得上述熱絕緣結(jié)構(gòu)處于低于周圍環(huán)境溫度的溫度中。例如，Peltier冷卻裝置將上述熱絕緣管區(qū)域連接到上述基板。在上述Peltier裝置上施加電壓，使得熱量從熱絕緣管區(qū)域流到上述基板，相對基板和周圍環(huán)境，就有效地減低了上述熱絕緣管區(qū)域的溫度。在一個實施例中，熱導結(jié)構(gòu)和上述流體導管的熱絕緣出入口相連。上述熱導結(jié)構(gòu)用以冷卻進入的流體，并加熱現(xiàn)有的流體，從而改善了熱效率。上述熱絕緣管和出入口之間的熱交換用以最小化應用上述Peltier裝置所需的能量，以及維持上述的低溫。這樣這里所有相關(guān)高溫的探討也可以構(gòu)造在低于環(huán)境溫度的溫度下進行操作。
根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的微量操作裝置的一個實施例可以包括具有至少一個靜態(tài)流體混合結(jié)構(gòu)的流體導管，該混合結(jié)構(gòu)向內(nèi)突出于導管側(cè)壁，并突出到導管內(nèi)部。這些混合結(jié)構(gòu)可以由本領(lǐng)域的技術(shù)人員設(shè)計以提高流體內(nèi)的混合性能，而且對于反應以及熱傳遞也很重要。這些混合結(jié)構(gòu)可以以不規(guī)則模式定位，以增加管內(nèi)流體的混合程度。上述混合提高了管內(nèi)流體的熱均勻性，并降低流體成分向上述側(cè)壁擴散的距離。上述靜態(tài)混合結(jié)構(gòu)也可以用以混合至少兩種不同的流體。
本發(fā)明還包括將上述微量操作裝置的不同部分進行多相催化。流體導管的中間部分的內(nèi)容積，即被包在熱導區(qū)域內(nèi)的容積經(jīng)常必須進行催化。上述柱或等效結(jié)構(gòu)如上所述可以用于催化支持，以增加催化面積，并減小流體成分擴散接觸催化劑的距離。本發(fā)明的微量操作裝置還可以包括其他已知的結(jié)構(gòu)用以流體系統(tǒng)中的催化。這樣的結(jié)構(gòu)可以是多孔催化支持劑，用以粉末催化劑的間隔柱，或集中溶液沉淀的固定流體截止閥。一組“間隔柱”之間的間隔要小于催化劑顆粒的尺寸。
本發(fā)明人利用濕浸漬技術(shù)將貴金屬催化劑引入到流體導管中。在這一過程，貴金屬的成分(鉑的H2PtCl6)在水中溶解，并被移液到上述流體導管。下面將進一步描述的被動截止閥可以用于確定具有催化劑溶液的管區(qū)域，從而控制催化劑沉淀的區(qū)域。在上述水蒸發(fā)的過程中，金屬成分沉淀在至少一流體導管區(qū)域的側(cè)壁上。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知，在某一升高溫度，這些固體由于和氫氣反應，從而就會減少金屬純度。
本發(fā)明人還利用了多種包裝技術(shù)，并開發(fā)了玻璃密封技術(shù)。玻璃移動帶用于上述基板和包裝層之間作為優(yōu)選粘接劑獲得良好的效果。上述玻璃帶好處很多，因為其在高溫下的熱穩(wěn)定性，有助于靈活地制造。
本發(fā)明一個有代表性的玻璃應用就是作為氣相化學反應器，用以在窄小系統(tǒng)中的有效傳導高溫反應。這種類型氣相反應器的一個特定應用就是用于便攜式發(fā)電機的燃料處理。
本發(fā)明的一個實施例，如圖1(a)-(c)所示，設(shè)計用以便攜式燃料處理和發(fā)電的應用就是指定為1的上述氣相化學反應器。這個特定實施例包括發(fā)生化學反應的熱導區(qū)域2。構(gòu)造上述區(qū)域2材料的熱導性，其結(jié)構(gòu)的幾何形狀使得發(fā)生反應時上述區(qū)域2可以基本等溫。區(qū)域2通過兩個流體導管5、6和一基板3相連，以便于兩個單獨的流體流通過區(qū)域2。流體基本沿著每一流體導管5、6的縱向軸線流動。為了方便起見，討論主要集中在流體導管5。但下列討論也可以應用在導管6上。導管5通常為U型，并包括熱絕緣入口部分5b，熱絕緣出口5a，以及中間部分5c。如圖1(a)所示，導管5具有矩形周長。可以理解，導管5截面還可以為圓形或其它合適的閉合形狀。上述流體導管5的出入口5a，5b通過多個熱導結(jié)構(gòu)7相互導熱連接，用以熱吸收。流體導管5的入口5b通過熱導結(jié)構(gòu)7和出口5a相連。流體導管5的出入口5a，5b和上述基板3相熱連通，并通過基板3上的支柱4。流體進入上述入口5b，從而出口5a流出。
上述流體導管5由化學氣相沉積(CVD)硅氮化物制成，優(yōu)選利用下面描述的模制和釋放技術(shù)，壁厚為0.1-3μm。上述的小壁厚就防止了熱能沿著導管5傳導。上述熱導結(jié)構(gòu)7和熱導區(qū)域2由具有高熱導性能的硅構(gòu)成。上述熱導結(jié)構(gòu)7和熱導區(qū)域2的最小尺寸厚度在20-200μm內(nèi)變化。上述流體導管5的出入口5a，5b區(qū)域，即從基板3延伸到熱導區(qū)域2的區(qū)域每一都大約為3mm長，上述流體導管5的出入口跨越3-14個熱導結(jié)構(gòu)?？梢岳斫?，當額外的結(jié)構(gòu)提高熱吸收時，每一額外結(jié)構(gòu)都可以減少邊緣利用。上述熱導結(jié)構(gòu)7為50-500μm寬(平行于上述流體導管5的縱向軸線測量)，并完全環(huán)繞上述流體導管5的出入口5a，5b區(qū)域。熱導區(qū)域2為2mm長，1.6mm寬。在區(qū)域2內(nèi)，上述流體導管5的出入口5a，5b通過上述流體導管5的中間部分5c相連，從而構(gòu)成包在區(qū)域2內(nèi)的簡單U型，以便于上述中間部分5c內(nèi)產(chǎn)生的熱量傳導到整個區(qū)域2上。上述流體導管5，6，熱導結(jié)構(gòu)和熱導區(qū)域2最好是真空包裝，以便與最小化傳導和對流引起的熱量損失。區(qū)域2也可以在導管5、6之間的中間部分導熱。熱導結(jié)構(gòu)7被用于上述流體導管5的出入口5a，5b之間的熱回收。
圖2是圖1(a)-(c)所示的實施例放大20倍的掃描電子顯微圖。所以圖1(a)-(c)中使用的零件標號在圖2中也同樣適用。也可作為溫度傳感器的電阻加熱器9可以整合到上述結(jié)構(gòu)中用以電加熱(在起始階段)，以及操作階段的溫度測量。上述電阻加熱器9設(shè)置在熱導區(qū)域2的外表面并將區(qū)域2加熱到所需的操作溫度。上述電阻加熱器9具有多個電接頭端10。上述流體導管5、6的出入口5a，5b以及6a，6b設(shè)置在上述接頭端10以下。上述流體導管5的中間部分(沒有示出)被包在熱導區(qū)域2內(nèi)。熱導結(jié)構(gòu)7跨越上述流體導管5的出入口5a，5b之間的間隙和上述流體導管6的出入口6a，6b之間的間隙。
圖3是流體導管5的電子掃描顯微圖，其中示出了柱15從管壁突出并位于上述流體導管5的內(nèi)空間內(nèi)。上述支柱15設(shè)置在流體導管的底壁5f和頂壁(沒有示出)之間。同樣還示出了流體導管的側(cè)壁5e，由間隙從上述柱15上隔開。這些柱15可以設(shè)置在一個或多個上述流體導管的出入口以及中間部分上。圖3中柱15的布置僅僅是一種實例，而并不是由本發(fā)明對柱配置的一種限制。
另外，圖4(a)，(b)示出了柱15的非限制性實例。圖4(a)是本發(fā)明實施例的簡圖，示出了柱15沿著上述流體導管5入口5b上熱導結(jié)構(gòu)7的可能位置。柱15將提高鄰近熱導結(jié)構(gòu)7的流體到導管5側(cè)壁的熱能傳導性能，熱量通過上述結(jié)構(gòu)7傳遞到低溫區(qū)域。這樣柱15和結(jié)構(gòu)7的結(jié)合將進一步有助于防止熱量從管5的中間部分5c上損耗。上述中間部分5c被包在熱導帶2內(nèi)。
圖4(b)是圖4(b)的頂視圖。圖4(b)示出了兩個流體導管5、6。圖4(b)示出的實施例也包括固定流體閥11用于管內(nèi)的催化劑沉淀。上述截止閥11用于控制流體在流體導管5內(nèi)的流動，以使得當催化劑中的液體蒸發(fā)時，催化劑就沉淀在流體導管5的壁上。
本發(fā)明的裝置可以根據(jù)圖5(a)-5(k)所述的方法制造。該方法的前幾步驟的目的是提供一種結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)用作為上述管所用材料沉積位置上的模子。上述模子不僅包括限定有管的結(jié)構(gòu)，而且還包括不會由上述管沉淀處理的材料涂覆的內(nèi)置釋放凹部(release pit)，并用以限定熱導結(jié)構(gòu)和熱導區(qū)域。對于制造過程，釋放凹部是很重要的。釋放凹部是上述模內(nèi)在上述管材料沉淀的過程中不可進入的小洞。但其在利用化學侵蝕去掉部分模的過程中卻可以進入。它們限定上述管模制側(cè)壁的厚度，如下所述，使得模制側(cè)壁可以在離開另一區(qū)域的模制側(cè)壁材料時完全去除。
本發(fā)明的討論將集中在利用至少兩個基板的過程上。但可以利用多種方法來提供上述僅僅包括一個基板的模結(jié)構(gòu)。多于兩個、具有不同厚度的有圖案或沒有圖案的基板層層疊在一起以獲得這種結(jié)構(gòu)。這里描述的是一種具有不同變形的雙基板加工。本發(fā)明人利用上述雙基板加工，形成上述管模結(jié)構(gòu)，用于生產(chǎn)本發(fā)明微量操作裝置的流體導管。
上述雙基板加工開始于薄基板。用于基板的材料可以包括SOI(絕緣硅)晶片和普通硅晶片。SOI晶片使管形狀在后續(xù)的加工步驟中更加均勻，普通硅晶片也同樣很好。如圖5(a)-(c)所示，基板103在一側(cè)面設(shè)置有較窄的孔作為花紋，干或濕的蝕刻劑用于上述基板103的花紋設(shè)置。在這個實例中，使用深度活性離子蝕刻(DRIE)來為硅設(shè)置花紋。
上述基板103在另一側(cè)設(shè)置花紋，使得整個基板103均由上述初始窄花紋所修飾。在該實例中，上述花紋也可以利用合適的蝕刻劑和再次利用上述DRIE處理來完成，這個花紋步驟對于裝置最終幾何形狀是很重要的。如圖5(d)和5(e)所示，在該步驟中，管模135a和135b和第二管模140a和140b的形狀得以確定。圖5(e)是圖5(d)中裝置在位置I-I，II-II，III-III和IV-IV的截面圖。為了便于探討，僅僅描述了上述管模135a和135b。但上述描述管模140a和140b也同樣適用。上述釋放凹部120的形狀也同樣在該步驟中得以確定。改變該厚度，結(jié)合后續(xù)的蝕刻，從而去掉部分模壁122，得以確定最終裝置的形狀。例如如圖5(e)所示，上述壁位于上述管模的位置II-II，比位置III-III的管模壁薄得多。所以如果上述兩個區(qū)域都暴露在相同蝕刻劑中相同的時間，在位置III-III就會保持有壁碎片，而位置II-II處沒有。
在這個第二設(shè)置花紋步驟中，可以提供從管壁延伸導管的特性。圖5(d)示出了被動流體截止閥111，用以在加工中催化劑沉淀。利用DRIE工藝形成上述流體截止閥。類似的，通過DRIE工藝，基板材料制造的支柱可以在整個管?？臻g設(shè)置花紋。上述柱增加了催化劑的表面區(qū)域，并有助于獲得管中心內(nèi)流體的熱均勻分布。由基板材料制成的流體混合材料也可以通過DRIE工藝，在整個管?？臻g設(shè)置花紋。這些混合結(jié)構(gòu)可以提高流體的混合性能，并對于反應和熱傳遞也很重要。這種可以利用任意復雜裝置幾何結(jié)構(gòu)而并不影響整個加工過程的能力對于設(shè)計優(yōu)化非常關(guān)鍵。
隨著管模和釋放凹部的花紋設(shè)置，如圖5(f)-(i)所示，上述管模和釋放凹部被一基板材料蓋125即第四壁封口。當圖5(i)是圖5(h)中所示的裝置在位置I-I，II-II，III-III和IV-IV的截面圖時，圖5(g)是圖5(f)中裝置在位置I-I，III-III和IV-IV的截面圖。而且上述壁位于上述管模的位置II-II，比位置III-III的管模壁薄得多。所以如果上述兩個區(qū)域都暴露在相同蝕刻劑中相同的時間，在位置III-III就會保持有壁碎片，而位置II-II處沒有。一些策略可以用于封口層。厚基板材料蓋125可以粘接到上述原始基板103，然后通過化學或機械加工打薄到所需厚度。而且SOI晶片可以被粘接到上述薄硅層側(cè)面下方。這樣隱埋氧化物就為上述基板材料蓋125的薄背部(thinback)提供一刻蝕阻擋層，產(chǎn)生一由原始SOI層的厚度所限定的薄蓋層。在另一實例中，所需厚度的基板可以直接粘接到上述花紋設(shè)置的基板103上。
制造過程中的硅封口基板以及SOI晶片僅有20μm厚。而且如圖5(i)所示，上述封口基板厚度確定上述結(jié)構(gòu)107和102頂壁的厚度。圖5(f)和5(g)示出了在薄背部之前，利用用為上述基板材料蓋125的SOI晶片的過程，而圖5(h)和5(i)在薄背部之后，示出利用SOI蓋125晶片的過程。
上述封口步驟利用內(nèi)置釋放凹部完成管模基板的制造。如上所述，這種制造也可以通過多種方式獲得。例如多個兩個基板層可以層疊在一起，生成上述釋放凹部和管模結(jié)構(gòu)。上述結(jié)構(gòu)也可以利用犧牲層電鍍或其他快速成型方式生成。
如圖5(f)和5(g)所示，隨著上述封口步驟，上述管材料130沉淀在上述模的所有暴露表面上。本發(fā)明人利用低壓CVD技術(shù)來沉淀2μm高硅氮化物薄膜。也可以通過溶膠，利用電鍍或無電涂覆，利用溶膠凝膠的陶瓷濕沉積以及其他本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的方式獲得其他管材料的沉淀。這個步驟的關(guān)鍵特征就是上述釋放凹部120在封口步驟過程中要密封，在沉淀步驟中不能暴露在外。所以上述管材料就不會沉淀在上述釋放凹部120內(nèi)。一旦上述釋放凹部120暴露在后續(xù)的步驟中，當上述管在管模135a和136b完整成型時，上述環(huán)繞這些凹部的基板103就可以有選擇的去除。這種去除可以利用液體或氣體刻蝕劑有選擇地去掉上述基板，而不是管材料來完成，如圖5(h)和5(i)所示的下一步驟為直接在基板103的至少一個頂部和底部區(qū)域上的屏蔽層設(shè)置花紋。如果上述封口層為超薄基板，基板模的兩側(cè)將由管材料涂覆，這樣可以利用光刻法和刻蝕法設(shè)置花紋。如果利用SOI封口層，上述硅層將打薄為隱埋氧化物層，隱埋氧化物被設(shè)置花紋。如果使用厚平基板，上述基板將打薄，并沉淀為一合適的屏蔽層，以在該屏蔽層上設(shè)置花紋。這些屏蔽層在裝置釋放刻蝕的過程中保護戰(zhàn)略區(qū)域(strategic area)內(nèi)的上述基板。
在該步驟，也可以在上述基板模的表面上沉淀其他材料并設(shè)置花紋。例如發(fā)明人利用薄鈦粘結(jié)劑層沉淀鉑薄膜，通過本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的方法用作為加熱器和電阻式溫度傳感器。尤其是，可以利用電子束蒸發(fā)進行物理氣相沉積。
如果上述基板103暴露在策略區(qū)域，上述基板可以暴露于基板刻蝕劑，用以同步刻蝕。圖5(j)和5(k)示出了最終的釋放管結(jié)構(gòu)。圖5(k)是圖5(j)中裝置在位置I-I，II-II，III-III和IV-IV的截面圖。上述刻蝕可以通過例如定時來進行控制，使得當基板位于具有厚或屏蔽基板的區(qū)域內(nèi)，基板壁可以完全去掉。對于硅板，多種硅刻蝕劑效果良好，包括氫氧化鉀溶液，二氟化氙，氟，硝酸/氫氟酸混合物等。示出了兩個流體導管105和106。為了便于討論，都將集中討論流體導管105。但這種討論同樣也適用于管106。上述導管具有熱絕緣入口部分105b，熱絕緣出口105a，以及中間部分105c。中間部分105c的至少一部分包含至少一固定流體截止閥111，并被包在一熱導區(qū)域102內(nèi)。上述熱絕緣入口部分105b，熱絕緣出口105a都和熱導結(jié)構(gòu)107相接觸。流體導管105被包在基板103內(nèi)，而且熱絕緣入口部分105b和熱絕緣出口105a通過接口104可以相互接近。
可以利用多種方法在管內(nèi)沉淀催化劑，包括濕整合技術(shù)，CVD或電鍍。
重要的是，通過前述的DRIE刻蝕工藝，基板模的任一部分都可以和管材料相整合。通過這種工藝，熱導結(jié)構(gòu)就和熱絕緣管結(jié)合到一起。而且上述基板材料可以選擇保持在上述管材料的一個，兩個或所有四個面上。
和管結(jié)合的基板材料厚度可以通過控制頂/底封口層的厚度和圖5(d)和5(e)中的花紋的厚度、形狀來得以控制。管的深度也可以通過控制圖5(d)和5(e)中基板的厚度和/或調(diào)節(jié)刻蝕深度來得以控制。
通過控制的方式，基板模和上述管相結(jié)合的能力改善了現(xiàn)有技術(shù)。通過去除原始基板內(nèi)的釋放凹部并利用上述模區(qū)域內(nèi)的所需花紋屏蔽保持在最終微量操作裝置內(nèi)的基板表面來得以實現(xiàn)?？梢岳斫?，當圖5(a)-(k)示出了如何完成一微量操作裝置，利用結(jié)構(gòu)性模形成整合結(jié)構(gòu)，即在材料去除步驟之后保持在一起的結(jié)構(gòu)，也可以用于其他非微量操作的應用。
圖6(a)描述了本發(fā)明一個實施例的頂視圖，示出了真空包裝12，反射涂層31和低發(fā)射涂層32。圖6(b)是圖6(a)中實施例的側(cè)視圖，進一步示出了裝置層1a之上或之下的包裝層33。
圖7描述了本發(fā)明的一個薄壁管的實施例。在該實施例中，流體導管5為U型，并具有熱絕緣入口部分5b，熱絕緣出口5a，以及中間部分5c。
實例1圖8(a)和圖8(b)示出了本發(fā)明的微量操作裝置中流體導管205內(nèi)流體和熱流的有限元模擬結(jié)果。該特定模擬是以裝置在1652°F(900℃)，基板保持在86°F(30℃)條件下，燃燒1瓦化學計量的丁烷混合氣體產(chǎn)生的熱交換為模型，并忽略管外表面和熱導結(jié)構(gòu)的損失。但注意，也可以利用任何可燃材料。冷流體流從基板203進入到流體導管205的入口205b，并被熱導區(qū)域202內(nèi)的流體預熱，并在上述流體導管的中間部分(被包在熱導區(qū)域202內(nèi))燃燒，然后通過流體導管205的出口205a返回上述基板203。這些模擬表示熱導區(qū)域內(nèi)的熱流體流中50-70％的熱量可以利用這個設(shè)計進行回收，回收的熱量可以用以預熱進入流體導管205的3mm長的熱回收段的流體流。計算結(jié)果也顯示在熱導區(qū)域操作溫度為1652°F(900℃)時，通過管的傳導損失為大約0.1W。
實例2進行作為氨水裂解裝置的熱導區(qū)域的理論分析。該分析結(jié)果如圖9所示?？梢约俣ㄉ鲜鱿到y(tǒng)利用燃料電池陽極的氫氣提供能量以獲得熱導區(qū)域的溫度升高，從而用以吸熱氨水裂解反應。可以認為在1652°F(900℃)下，足夠的催化劑將有助于裂解30sccm的氨水。熱導區(qū)域的溫度反映出在氨水高流率的情況下，高裂解溫度的需求。上述裝置的一個優(yōu)化工作點基于在高能級情況下低能操作和排熱回收性差的導熱損失以及氨水流率為所期望值的重要性逐漸增加。
實例3如圖10(a)所述，在便攜式發(fā)電應用中利用上述本發(fā)明的氣態(tài)反應器是一種流體試劑到流體生成物的熱量分解。在該實例中，上述流體試劑為氨氣，流體生成物為用于燃料電池的氫氣和氮氣。氫氣是多種燃料電池系統(tǒng)的優(yōu)選燃料。但存儲和運輸氫氣是非常困難和危險的。這種方式使得氨水可以運輸，從而增加了能量存儲密度。
氨水分解方法就是利用流體導管5的熱絕緣入口5b將氨氣引入到流體導管5的中間部分5c。上述中間部分5c被包在熱導區(qū)域2內(nèi)，包括硅或其他高熱導性能的材料。熱導區(qū)域2保持在一升高溫度，使得氨氣分解(在上述中間部分內(nèi)的催化劑作用下)。組成上述熱導區(qū)域2的材料可以選擇，以使得區(qū)域2在圖10(a)的裝置操作過程中為基本等溫。流體導管5的熱絕緣出口5a將上述氨水分解的氮氣和氫氣返回到基板3，在那里將直接用于燃料電池(沒有示出)。燃料電池并不消耗的氫氣和空氣結(jié)合，并通過第二流體導管6的熱絕緣入口6b進入第二流體導管6的中間部分6c中。如圖10(a)所示，第二流體導管被包在熱導區(qū)域2中，從而上述中間部分5c，6c相鄰近。進入第一導管6的氫氣在中間部分6c和空氣反應(可能在催化劑的作用下)，從而生成水和熱。氫氣燃燒產(chǎn)生的熱量用于維持熱導區(qū)域2的升高溫度，從而提供能量用以氨水分解，氨水分解產(chǎn)生額外的氫氣用于燃料電池。
實例4圖10(b)描述了本發(fā)明的一個如圖10(a)構(gòu)造的實施例，用于便攜式發(fā)電機，但卻利用了甲醇。上面實例3中氨水裂解中，所需的為氫氣。該系統(tǒng)設(shè)計非常類似于氨水分解，但1∶1甲醇-水混合物為流體反應試劑，氫氣和二氧化碳為反應生成物。一部分燃料電池不消耗的氫氣和空氣結(jié)合，用于維持熱導區(qū)域2的升高溫度，并向反應供能。
實例5圖10(c)描述了本發(fā)明一實施例利用一流體導管進行丁烷氧化的過程。丁烷部分氧化，產(chǎn)生氫氣和一氧化碳。然后上述生成物可以移動，用于燃料電池。
實例6如圖10(d)所示，利用便攜式發(fā)電機構(gòu)中上述裝置產(chǎn)生電能的另一方法就是在在裝置中將丁烷和空氣進行放熱燃燒。需要注意的是圖10(d)所述的實施例利用了熱電元件28。丁烷和空氣的混合物經(jīng)過燃燒，形成水和二氧化碳。
實例7本發(fā)明的微量操作裝置的一個關(guān)鍵特性就是將高溫反應和周圍環(huán)境熱絕緣的性能。本發(fā)明的反應器/熱交換器如圖10(a)-(d)的熱導區(qū)域和熱連通管所述，在真空中包裝時，僅僅向周圍環(huán)境擴散一小部分熱量。為了測試真空包裝的重要性，以及真空需求等級，進行了一系列的試驗，包括在不同的大氣壓力下，將已知電壓施加在電阻加熱器上以加熱熱導區(qū)域。上述裝置如圖13(a)所示。由于可以計算上述加熱器的電流和加熱器電阻，而且當上述電阻是上述反應器溫度的函數(shù)時，就可以推導出上述溫度。如圖10(a)-(d)所述，這些測試提供了上述反應器/熱交換器的熱傳遞函數(shù)。
圖11綜述了上述測試結(jié)果。在大約40mTorr以下，大氣壓力增加對上述反應器的溫度幾乎沒有影響，系統(tǒng)的熱量損失狀態(tài)穩(wěn)定。但在大約40mTorr以上，大氣壓力增加使得空氣中的熱量損失增加。圖11這樣就驗證了本發(fā)明中真空包裝所起的重要作用。
實例8圖12(a)和圖12(b)示出了具有沉淀在內(nèi)壁305g和306上的銥催化劑的流體導管305和306。催化劑沉積技術(shù)在上面已經(jīng)利用過。熱導結(jié)構(gòu)307如上述圖所示。這些附圖證明沉淀在上述管內(nèi)的催化劑效能很高。
圖12(c)描述了氨水流率為4sccm的測試結(jié)果。在框圖中，四極質(zhì)譜儀(QMS)信號繪出了氫氣、氮氣、和氨水對時間的圖。整合加熱器上的電壓周期性地增加，從而增加反應溫度。上述框圖示出了當加熱器上的電壓增加(對應于溫度的增加)時，氨(由NH3曲線表示)轉(zhuǎn)換為氫氣和氮氣(分別由H2和N2曲線表示)逐漸增加。在最高電壓設(shè)置，氨的轉(zhuǎn)化率為35％。從而有大約2sccm氫氣生成。上述在最高電壓的溫度大約為1832°F(1000℃)。
實例9圖13(a)和3(b)提供了微量操作裝置1的圖像。圖13(a)提供了在室溫下裝置1的圖像。上述懸置的熱導區(qū)域2為自由設(shè)置，導管5、6為U型，從而最小化熱膨脹產(chǎn)生的應力。圖13(b)示出了具有熱導區(qū)域2的裝置。上述區(qū)域利用也可作為區(qū)域2的溫度傳感器的電阻式加熱器9加熱到1832°F(1000℃)。在大氣中將熱導區(qū)域2加熱到1832°F(1000℃)所需的能量為1.4W。該測試用以確定上述裝置在熱漸變的過程中的狀態(tài)。而且重要的是，只有熱導區(qū)域2是灼熱的，相鄰流體導管5和6基本很涼。如基板3上參考溫度傳感器26測量結(jié)果所驗證的那樣，上述環(huán)繞基板3保持室溫。這些結(jié)果都證明上述熱導區(qū)域2達到了燃料處理所需的高熱絕緣，以及在單一微量操作裝置內(nèi)感應、計算、執(zhí)行和發(fā)電所需的上述基板熱漸變。
可以理解，為了便于理解本發(fā)明，現(xiàn)有的說明揭示了本發(fā)明的某些方面。本發(fā)明的某些方面，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員顯而易見，所以沒有更詳細的描述是為了簡化現(xiàn)有的說明。
盡管本發(fā)明通過實施例已經(jīng)描述過，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解本發(fā)明的多種修改和變化也是可以的。本發(fā)明所有這樣的變化和修改都由前述的說明書和隨后的權(quán)利要求書所覆蓋。
權(quán)利要求
1.一種用以熱處理至少一個流體流的微量操作裝置，上述微量操作裝置包括至少一個流體導管，其特征在于上述流體導管的至少一區(qū)域具有小于50μm的壁厚。
2.如權(quán)利要求1所述的微量操作裝置，其特征在于流體導管具有入口，出口和在上述入口和出口之間的中間部分。
3.如權(quán)利要求1所述的微量操作裝置，其特征在于流體導管由硅氮化物構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求1所述的微量操作裝置，其特征在于流體導管的至少一個區(qū)域的壁厚小于5μm。
5.如權(quán)利要求1所述的微量操作裝置，其特征在于流體導管的至少一個區(qū)域的壁厚為0.1-3μm。
6.如權(quán)利要求1所述的微量操作裝置，其特征在于上述微量操作裝置包括至少一個入口，用以將流體引入上述流體導管中。
7.如權(quán)利要求1所述的微量操作裝置，其特征在于上述微量操作裝置包括至少一個出口，用以將流體從上述流體導管中排出。
8.如權(quán)利要求1所述的微量操作裝置，其特征在于流體導管具有減輕應力的形狀。
9.如權(quán)利要求1所述的微量操作裝置，其特征在于流體導管通常為U型。
10.如權(quán)利要求1所述的微量操作裝置，其特征在于至少一個柱設(shè)置在流體導管內(nèi)。
11.如權(quán)利要求10所述的微量操作裝置，其特征在于柱由催化劑構(gòu)成。
12.如權(quán)利要求1所述的微量操作裝置，其特征在于至少一個靜態(tài)流體混合結(jié)構(gòu)設(shè)置在流體導管內(nèi)。
13.如權(quán)利要求1所述的微量操作裝置，其特征在于至少一個被動流體截止閥設(shè)置在流體導管內(nèi)。
14.如權(quán)利要求2所述的微量操作裝置，進一步包括一基板，其中流體導管包括一個或多個設(shè)置在上述基板上的入口和出口部分的區(qū)域。
15.如權(quán)利要求1所述的微量操作裝置，其特征在于催化劑設(shè)置在流體導管內(nèi)。
16.如權(quán)利要求2所述的微量操作裝置，其特征在于催化劑設(shè)置在流體導管的中間部分內(nèi)。
17.如權(quán)利要求1所述的微量操作裝置，進一步包括一傳感器。
18.如權(quán)利要求1所述的微量操作裝置，進一步包括一驅(qū)動器。
19.如權(quán)利要求1所述的微量操作裝置，進一步包括一形成有一密封腔的基板，其中流體導管的主要部分位于上述密封腔內(nèi)。
20.如權(quán)利要求1所述的微量操作裝置，進一步包括一熱電裝置。
21.如權(quán)利要求1所述的微量操作裝置，其特征在于上述微量操作裝置是熱光伏器件的一組件。
22.如權(quán)利要求1所述的微量操作裝置，其特征在于上述微量操作裝置是便攜式發(fā)電機的一組件。
23.如權(quán)利要求1所述的微量操作裝置，其特征在于上述微量操作裝置是制冷裝置。
24.一種用以熱處理至少一個流體流的微量操作裝置，上述微量操作裝置包括至少一個流體導管，和至少一個熱導結(jié)構(gòu)，上述熱導結(jié)構(gòu)同上述流體導管的第一熱絕緣部分和第二熱絕緣部分相熱連通。
25.如權(quán)利要求24所述的微量操作裝置，其特征在于流體導管的第一熱絕緣部分是一入口部分，流體導管的第二熱絕緣部分是一出口部分。
26.如權(quán)利要求24所述的微量操作裝置，其特征在于熱導結(jié)構(gòu)包含硅。
27.如權(quán)利要求24所述的微量操作裝置，其特征在于流體導管的至少一個區(qū)域的壁厚小于50μm。
28.如權(quán)利要求24所述的微量操作裝置，其特征在于流體導管的至少一個區(qū)域的壁厚小于5μm。
29.如權(quán)利要求24所述的微量操作裝置，其特征在于流體導管的至少一個區(qū)域的壁厚為0.1-3μm。
30.如權(quán)利要求24所述的微量操作裝置，其特征在于至少一個柱設(shè)置在流體導管內(nèi)。
31.如權(quán)利要求24所述的微量操作裝置，其特征在于流體導管具有減輕應力的形狀。
32.如權(quán)利要求24所述的微量操作裝置，其特征在于催化劑設(shè)置在流體導管內(nèi)。
33.如權(quán)利要求25所述的微量操作裝置，進一步包括一形成有一密封腔的基板，至少一個入口部分和至少一個出口部分設(shè)置在上述基板上，其中流體導管的主要部分位于上述密封腔內(nèi)。
34.一種用以熱處理至少兩個流體流的微量操作裝置，上述微量操作裝置包括第一流體導管，第二流體導管；和至少一個熱導結(jié)構(gòu)，上述熱導結(jié)構(gòu)同上述第一流體導管的熱絕緣部分和第二流體導管的熱絕緣部分相熱連通。
35.如權(quán)利要求34所述的微量操作裝置，其特征在于第一流體導管和第二流體導管中至少一個流體導管的至少一個區(qū)域的壁厚小于50μm。
36.如權(quán)利要求34所述的微量操作裝置，其特征在于第一流體導管和第二流體導管中至少一個流體導管的至少一個區(qū)域的壁厚小于5μm。
37.如權(quán)利要求34所述的微量操作裝置，其特征在于第一流體導管和第二流體導管中至少一個流體導管的至少一個區(qū)域的壁厚為0.1-3μm。
38.一種用以熱處理至少一個流體流的微量操作裝置，上述微量操作裝置包括熱導區(qū)域；和至少一個具有至少一熱絕緣部分的流體導管，上述流體導管的至少一熱絕緣部分設(shè)置在熱導區(qū)域之內(nèi)。
39.如權(quán)利要求38所述的微量操作裝置，其特征在于至少一個柱設(shè)置在熱導區(qū)域內(nèi)的流體導管部分內(nèi)。
40.如權(quán)利要求39所述的微量操作裝置，其特征在于柱具有熱導性能。
41.如權(quán)利要求38所述的微量操作裝置，其特征在于熱導區(qū)域在上述微量操作裝置操作的過程中基本等溫。
42.如權(quán)利要求38所述的微量操作裝置，其特征在于熱導區(qū)域包含硅。
43.如權(quán)利要求38所述的微量操作裝置，其特征在于設(shè)置在熱導區(qū)域內(nèi)的流體導管部分被包在熱導區(qū)域內(nèi)。
44.如權(quán)利要求38所述的微量操作裝置，其特征在于第一流體導管和第二流體導管中的至少一個流體導管的至少一個區(qū)域的壁厚小于50μm。
45.如權(quán)利要求38所述的微量操作裝置，其特征在于第一流體導管和第二流體導管中的至少一個流體導管的至少一個區(qū)域的壁厚小于5μm。
46.如權(quán)利要求38所述的微量操作裝置，其特征在于第一流體導管和第二流體導管的至少一個流體導管的至少一個區(qū)域的壁厚為0.1-3μm。
47.如權(quán)利要求38所述的微量操作裝置，其特征在于至少一個柱設(shè)置在至少一個流體導管內(nèi)。
48.一種處理至少一個流體流的方法，該方法包括提供一微量操作裝置，包括至少一流體導管，上述流體導管具有熱絕緣入口部分和熱絕緣出口部分；以及至少一個和上述出口部分和入口部分相熱連通的熱導結(jié)構(gòu)；引入至少一個流體的流進入流體導管的入口部分；在流體導管內(nèi)處理流體流；及通過上述熱導結(jié)構(gòu)，在上述管的出口部分和入口部分之間傳導熱能。
49.如權(quán)利要求48所述的方法，其特征在于微量操作裝置進一步包括熱導區(qū)域，至少流體導管的一部分設(shè)置在上述熱導區(qū)域內(nèi)。
50.如權(quán)利要求48所述的方法，其特征在于流體導管內(nèi)的至少一種流體發(fā)生反應，產(chǎn)生至少兩個流體反應生成物，上述流體包括氨水，上述流體反應生成物包括氫和氮。
51.如權(quán)利要求48所述的方法，其特征在于流體導管內(nèi)的至少兩種流體發(fā)生反應，產(chǎn)生至少兩個流體反應生成物，上述流體包括甲醇和水，上述流體反應生成物包括氫和二氧化碳。
52.如權(quán)利要求48所述的方法，其特征在于流體導管內(nèi)的至少兩種流體發(fā)生反應，產(chǎn)生至少兩個流體反應生成物，上述流體包括空氣和丁烷，上述流體反應生成物包括水和二氧化碳。
53.如權(quán)利要求48所述的方法，其特征在于流體導管內(nèi)的至少兩種流體發(fā)生反應，產(chǎn)生至少兩個流體反應生成物，上述流體包括空氣和丁烷，上述流體反應生成物包括氫和一氧化碳。
54.如權(quán)利要求49所述的方法，進一步包括提供具有入口部分和出口部分的第二流體導管，上述流體導管的至少一部分設(shè)置在熱導區(qū)域內(nèi)；將上述流體反應生成物的至少一部分從上述流體導管的出口部分引入燃料電池；將存在于上述燃料電池的至少一部分流體引入到第二流體導管的入口部分；在上述第二流體導管內(nèi)，將上述燃料電池存有的流體部分發(fā)生反應，生成熱能，并加熱上述熱導區(qū)域。
55.如權(quán)利要求48所述的方法，進一步包括在至少流體導管的一區(qū)域內(nèi)提供催化劑。
56.一種便攜式發(fā)電機包括一微量操作裝置，上述微量操作裝置包括至少一個流體導管，和至少一個熱導結(jié)構(gòu)，上述熱導結(jié)構(gòu)同上述流體導管的第一熱絕緣部分和第二熱絕緣部分相熱連通；及一燃料電池和上述流體導管相流體連通。
57.一種發(fā)電方法包括提供一微量操作裝置，上述微量操作裝置包括至少一個流體導管，和至少一個熱導結(jié)構(gòu)，上述熱導結(jié)構(gòu)同上述流體導管的第一熱絕緣部分和第二熱絕緣部分相熱連通；提供燃料電池和流體導管相流體連通；在上述流體導管內(nèi)生成燃料；及將上述燃料輸送到上述燃料電池。
58.如權(quán)利要求57所述的方法，其特征在于燃料包括氫。
59.如權(quán)利要求57所述的方法，其特征在于燃料的生成包括在流體導管內(nèi)將至少一種流體流發(fā)生反應，從而生成至少兩種流體反應生成物，上述流體包括氨水，上述流體反應生成物包括氫和氮。
60.如權(quán)利要求57所述的方法，其特征在于燃料的生成包括在流體導管內(nèi)將至少兩種流體流發(fā)生反應，從而生成至少兩種流體反應生成物，上述流體包括甲醇和水，上述流體反應生成物包括氫和二氧化碳。
61.如權(quán)利要求57所述的方法，其特征在于燃料的生成包括在流體導管內(nèi)將至少兩種流體流發(fā)生反應，從而生成至少兩種流體反應生成物，上述流體包括空氣和丁烷，上述流體反應生成物包括氫和一氧化碳。
62.一種制造用以處理至少一個流體流的裝置的方法，上述方法包括將基板設(shè)置花紋，從而形成至少一個具有接近外界的壁的管模，以及形成至少一個與外界不接近的釋放凹部；沉淀一薄膜，用以覆蓋上述管模的壁；及利用化學蝕刻劑去除基板的選定區(qū)域，從而形成至少一個流體導管。
63.如權(quán)利要求62所述的方法，進一步包括通過控制沉淀在上述管模壁上的薄膜厚度，來限定至少流體導管的一個區(qū)域的壁厚。
64.如權(quán)利要求62所述的方法，進一步包括提供具有至少一個設(shè)置在基板上的開口端的流體導管。
65.如權(quán)利要求62所述的方法，其特征在于上述刻蝕使得保留的上述基板的不連續(xù)部分和上述流體導管熱連通。
66.如權(quán)利要求62所述的方法，其特征在于去除基板的選擇區(qū)域提供了至少一個基板的熱導結(jié)構(gòu)，上述熱導結(jié)構(gòu)同流體導管的熱絕緣的第一部分和流體導管的熱絕緣的第二部分相熱連通。
67.如權(quán)利要求62所述的方法，其特征在于去除基板的選擇區(qū)域提供了至少一個基板的熱導結(jié)構(gòu)，其中上述熱導結(jié)構(gòu)同第一流體導管的熱絕緣部分和第二流體導管的熱絕緣部分相熱連通。
68.如權(quán)利要求62所述的方法，其特征在于流體導管的部分保持在基板的一非刻蝕熱導部分上。
69.如權(quán)利要求62所述的方法，其特征在于上述裝置包括流體導管內(nèi)的柱。
70.如權(quán)利要求62所述的方法，其特征在于支柱包括基板材料。
71.如權(quán)利要求62所述的方法，其特征在于基板的花紋設(shè)置提供了在上述管模內(nèi)的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)為流體導管內(nèi)的靜態(tài)流體混合結(jié)構(gòu)。
72.如權(quán)利要求62所述的方法，其特征在于基板的花紋設(shè)置提供了在上述管模內(nèi)的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)為流體導管內(nèi)的被動流體截止閥。
73.如權(quán)利要求1所述的微量操作裝置，其特征在于流體導管包括至少一個結(jié)合處，在此處一個導管和至少兩個導管相連。
74.如權(quán)利要求30所述的微量操作裝置，其特征在于柱具有熱傳導性能。
75.如權(quán)利要求57所述的方法，其特征在于燃料包括氫和一氧化碳。
全文摘要
一種用以熱處理至少一個流體流的微量操作裝置(1)，上述微量操作裝置包括至少一個流體導管(5)，上述流體導管的至少一區(qū)域具有小于50μm的壁厚。上述裝置可以包括一個或多個熱導結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)同上述流體導管(5)的第一熱絕緣部分和第二熱絕緣部分相熱連通。上述裝置還可以包括一熱導區(qū)域，至少一部分流體導管(5)設(shè)置在熱導區(qū)域內(nèi)。多個結(jié)構(gòu)可以從流體導管的壁突出到導管(5)內(nèi)空間中。上述結(jié)構(gòu)提高了導管內(nèi)流體和導管(5)壁之間的熱傳導。一種從基板(3)制造用以處理流體流的微量操作裝置的方法，使得基板(3)的部分可選擇的去除，從而提供所需的結(jié)構(gòu)整合到上述裝置中。例如上述微量操作裝置可以高效地反應流體試劑，生成用于燃料電池的燃料，從而獲得將化學能轉(zhuǎn)換為電能的系統(tǒng)。
文檔編號B01F13/00GK1539035SQ02815411
公開日2004年10月20日 申請日期2002年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月6日
發(fā)明者莉奧奈爾·R·阿萊那, 莉奧奈爾 R 阿萊那, 亞歷山大·J·弗蘭茲, 大 J 弗蘭茲, 茲 F 詹森, 弗萊弗茲·F·詹森, B 沙維茲, 薩姆爾·B·沙維茲, A 施密特, 馬丁·A·施密特 申請人:麻省理工學院