CN102326285A - 储气系统 - Google Patents

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Abstract

一种储气系统，除了其他方面，还包括：囊状器的组和与该组耦接的激发元件。该囊状器的组形成在基体内，并且容纳以比大气压力相对较高的压力存储的气体。该激发元件配置为传输足够量的能量，以使这些囊状器中的至少一个囊状器释放所存储的气体。

Description

储气系统
相关申请的交叉引用
该申请要求于2008年12月23日提交的美国临时专利申请No.61/140,349和于2009年12月22日提交的美国申请No.12/645,263的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本发明涉及一种储气系统。
背景技术
燃料电池是通过使燃料和氧化剂起电化学反应来产生电能的设备。燃料电池系统由于与传统化学蓄电池相比通常使用更高能的燃料而很有利。燃料电池与燃料子系统组合，可产生一种存储更多的能量从而提供长得多的运行时间的蓄电池替代设备。期望的是，使整个蓄电池替代设备的体积能量密度和/或重量能量密度远远超过它所替代的蓄电池的体积能量密度和/或重量能量密度。通常，这需要减少或最小化燃料电池和燃料子系统的尺寸、重量和复杂度。
发明内容
一方面，本公开的特征在于一种储气系统，包括：囊状器(capsule)的组，和与该组耦接的激发元件，该囊状器的组形成在基体内，并容纳以比大气压力相对较高的压力存储的气体。该激发元件配置为传输足够量的能量，以使这些囊状器中的至少一个囊状器释放所存储的气体。
另一方面，本公开的特征在于一种用于构建储气的系统的方法。该方法包括：将一定量的液化气体引入到装配室中，该装配室中放置有具有多个微囊状器和盖基体的设备，多个微囊状器充当容纳加压气体的容器；。液化气体的量被选择为在该液化气体转化为气态后，在囊状器内提供预定的压力。该方法还包括将该盖基体接合到这些囊状器以将气体密封在这些囊状器内部。
另一方面，本公开的特征在于一种用于数字控制流体的释放的系统。该系统包括基体。该基体包括：流体填充囊状器的组，耦接到激发元件；和控制电路，配置为传输控制信号到选定的激发元件。该控制信号引起选定的激发元件使流体填充囊状器的相应组破裂，以释放相应组中的流体到接受该流体的设备中。
另一方面，本公开的特征在于一种用来传输能量到一个或多个电子设备的燃料电池系统。该燃料电池系统包括燃料电池元件和燃料源。该燃料源包括基体，该基体包括耦接到激发元件的气体填充的囊状器的组和配置为传输控制信号到选定的激发元件的控制电路。该控制信号引起选定的激发元件使气体填充的囊状器的相应组破裂，以向该燃料电池元件发送相应组中的气体。
另一方面，本公开特征在于一种用来控制储气系统的操作的控制器。该控制器包括用来选择被制造在基体上的气体填充的囊状器的组的逻辑电路。该电路包括用来确定该组的地址的电路，该地址包括行号和列号，和用来确定与气体填充的囊状器的组对应的基体号的电路。
数字储气(DGS)系统用于不同的应用，其中之一包括燃料电池系统。该DGS系统以高压存储气体并在数字控制下释放气体。该DGS可为独立的系统，也可与另一个系统，比如，燃料电池耦接，其中该DGS向该燃料电池供应气体。在一些实施中，该DGS系统与燃料电池耦接以提供发电系统。相比传统的能源，比如蓄电池，包括燃料电池的发电系统的单位重量的电能比大多数化学蓄电池高出一个数量级。该DGS系统包括一个或者多个具有储气部件的DGS基体的组合件，其可以在微观尺度上构建在硅基体内。
该DGS系统可与不同的燃料电池组合。其例子包括体积小、重量轻且能量密度高的燃料电池，如在2004年9月11日递交的专利申请No.10/985,736(现在是美国专利7,029,779)且命名为“Fuel cell and power chiptechnology”所描述的，其内容通过引用整体合并于此。
在与参考专利(“PT”)中描述的燃料电池类似的燃料电池组合时，DGS系统的预期能量密度与传统的锂离子(Li-Ion)蓄电池的能量密度的比较表明DGS系统在重量上和体积上有明显的改进，具体比较如下面的表格1所示。该DGS系统的另一个有利特征是其可在亚毫米尺度上实现，这使得能够制造新能源系统和其他设备。
表格1.能量存储密度对比.
Figure BDA0000085359800000031
除了在微观水平上提供大量的存储的能量，DGS设备还可以用于其他的应用。比如，该DGS设备可用于存储解毒剂，流体或固体。该DGS设备可推进(propel)物品，比如，标枪(dart)，或用于与探测设备连接、或用于部署传感器。在另一应用中，该DGS设备可在不同的区域或囊状器中存储不同气体，比如氢气或氧气。该DGS设备可为微小型水下机器人提供浮力控制，并且可选地，也可存储真空。
本发明的一个或多个实施例的细节将在以下的附图和说明中阐述。通过说明书、附图和权利要求书，本发明的其他特征、目的和优势将变得显而易见。
附图说明
图1A和1B是以分级方式描述数字储气(DGS)系统的透视图和剖视图。
图2是DGS系统的简图。
图3A-3B是DGS基体的行寻址和列寻址的俯视图
图4是示出用于DGS系统的热激发元件的图3B的部分的放大俯视图。
图5是DGS系统中囊状器的底帽基体的透视图。
图6是囊状器的顶帽基体的内部仰视图。
图7A-7B是囊状器的圆柱状内部的透视图。
图8是流程图。
图9是主控制电路的框图。
图10是从属控制电路的框图。
图11是囊状器的级联(cascade)构造的示意性剖视图。
图12A-12B是图11中示出的构造的部分的放大图。
具体实施方式
该DGS系统在微压力容器(vessel)中以很高的压力存储气体，压力容器在这里称作囊状器，形成在高抗拉强度的材料的基体内。使用诸如计数器、状态机、控制器或处理器的数字控制器之类的数字控制器选择性地从微压力囊状器中释放气体的单位。例如，在一些实施中，该DGS系统在由单晶硅形成的压力囊状器中存储高压氢气。
氢气具有很高的重量能量密度，但是压缩得却不好。为了以体积测量为基础开始与其他能源竞争，氢气被压缩成很高压力以包装足量的氢原子。商业用氢气以2,200磅/平方英尺(psi)存储在罐中。即使在这种150倍于正常大气压的压力下，它每单位体积或单位重量存储的能量还是要低于普通蓄电池。为了达到像表格1示出的高能量密度，该DGS系统以大约17,500psi(大约是1,190倍的正常大气压)存储氢气。在其中存储氢气的材料具有高强度以容纳这么高的压力，同时还要最小化结构的重量和体积，从而达到高体积能量密度和高重量能量密度。
为了支撑这么高额的压力，还有安全的额外考虑，本发明中的DGS系统使用晶体硅，例如，具有理论上的抗拉强度高于1,000,000psi的单晶硅。抗拉强度是一种材料属性，其定义了造成材料断裂所施加给材料的临界应力。在一些实施例中，DGS压力囊状器以大约17,500psi的压力容纳气体。施加于囊状器的内表面的高压产生在材料的抗拉强度范围内的应力，且必须留有足够的安全余量。因为安全的原因，选择该DGS系统的参数，以便硅材料内的压力不超过预定的安全阈值。例如，提供17,500psi的存储压力的参数选择包括直径大约为50μm且最小壁厚为大约1.37μm的微囊状器几何构型。其他参数值也是可能的。
微压力容器囊状器中可维持高压，比如高于一个大气压的压力，具体地，大约2,200psi至大约17,500psi的压力。另外，如果减小材料的关于抗拉强度的安全余量，则也可使用超过17,500psi的压力。
参考图1A，DGS设备10至少包括一个或多个基体12，按功能，可将基体12划分为区域14，每个区域14包括一组被气体填充的微囊状器14a、14b、...、14xx。域14以网格格式布置，囊状器14a、....、14xx以六方形布置。也可使用其它布置。每个囊状器14a、....、14xx是具有半球形端帽的圆柱体(图1B)。圆柱体区域具有在基体12的表面上暴露的圆形横截面。将气体，比如氢气存储在每个囊状器14a、...、14xx中，并且通过硅盖基体114将气体密封在囊状器中(图1B)。通过从属控制电子器件16激发每个区域14(或每个囊状器)破裂并释放气体。区域14被配置为释放存储在特定的、选择的区域14中的全部囊状器14a，...，14xx中的气体，而不会释放存储在其它区域14的囊状器中的气体。
如图所示，每个DGS基体12都有从属控制电路16，其负责选择基体的哪个区域14被寻址以进行气体释放。对于DGS设备10，存在一个主控制电路20(图2)，其控制用于相应数目的DGS基体12的从属控制电路16。主控制电路20可在它自己的控制芯片基体上。在一些实施例中，主控制电路20可以在DGS基体12之一上。也可以提供其他控制配置方式。
可同时或在不同时间激发两个或多个区域14以释放存储在区域14中的气体。可基于期望的气体存储和释放规范(profile)选择基体12的尺寸和构造、区域14(包括单独的囊状器)的尺寸和构造以及每个区域14中囊状器14a、...、14xx的尺寸和构造。例如，基体12的面积为1cm2，厚度为1mm。可将1cm2的面积划分为一百(100)个1mm2的区域14。每个1mm2的区域14包括一组378个以六方形打包(pack)并填充有气体的微囊状器。
参考图1B，区域14中的一个囊状器14t可具有形成在一层或多层(例如，三层，50a，50b，50c)材料中的圆柱形主体48t。由形成在一层材料44中的底帽42t和形成在另一层材料47中的顶帽46t覆盖圆柱形主体48t的两端。另外，顶帽42t包括端口40，一旦端口40暴露到囊状器14t外部区，就允许在该囊状器的内部与外部区之间流通流体，比如，流通气体。例如，用形成为一层材料的盖114密封该端口。在该端口上方将一个热激发元件38放置于盖上。热激发元件38一旦被激发，其产生的热量就会使盖破裂并使端口40暴露给囊状器的外部区。下面将更详细的说明囊状器的结构和形状。
参考图2，DGS设备10包括控制芯片基体20(图9)和DGS系统22，DGS系统22由与控制芯片基体20叠积在一起的一个或多个DGS基体12(再参见图1A)组成。主控制电路位于控制芯片20上面。该主控制电路从控制芯片基体20发送控制信号给DGS系统22，用来指示激发哪个(些)DGS基体12上的哪个(些)区域(例如，图1A中的区域14)。控制芯片基体20也监测从DGS系统释放的气体的压力。具体地，控制芯片基体20与每个基体12上的从属控制电子器件16电耦接。控制芯片基体20可包括控制电路，例如，电极26、28，和数据控制器30，数据控制器30传输电信号(比如数据信号)到期望的从属控制电子器件16，以激发该基体12的区域。
DGS系统22可有多种构造。例如，可将主控制芯片基体20和基体12以不同于图2中所示的构造进行布置。在一些实施例中，该控制芯片基体20和DGS设备10可分别位于，例如通过有线连接或无线连接彼此电耦接的分离的设备上。在一些实施例中，可将控制芯片基体20和DGS设备10集成在相同的设备上，例如，如完全独立的设备。从属控制电子器件16可位于每个基体12上，或者可以位于与基体12耦接的分离的部件上。DGS系统22可包括它自己的电源，也可耦接到外部电源(未示出)。
参考图3A-3B，从属控制电子器件16的导体被布置成标准的行-列矩阵(行导体线32，列导体线34)和激发元件38的形式。该从属电子器件的这部分具有位于区域14内的节点36(即相应的行导体线与交叉的列导体线介质绝缘所在的地址线交叉点)。从每个节点36开始，一对导体37a，37b将它们各自的行导体32和列导体34耦接至相应的激发元件38。行线32和行导体37a之间的、通过激发元件38到达相应的列导体37b和列导体线34的电流完成了电气回路(与下面讨论的剩余的从属控制电子器件一起)，并且允许激发元件38产生热量而使相应区域14的盖基体部分破裂。
将行-列矩阵放置在该基体12顶部，例如，放置在用于密封囊状器的盖基体顶部，或者可嵌入基体12中。基于相应的激发元件38的位置对每个区域14进行索引(例如，具有基体12内的地址)。根据这些地址，通过选定的从属控制电路16，将从控制芯片基体20(图2)传输的电信号(图9)施加到期望的区域14上。在每一个区域14中，至少一个囊状器14t的盖耦接到与从属控制电子器件16连接的热激发元件38。当主控制芯片基体20选择特定基体上的特定区域14时，该特定基体上的从属控制电子器件16基于X行地址和Y列地址激发该区域14。从属控制电子器件16经由适合的行导体和列导体发送电流到选定区域14，以加热热激发元件38。当热激发元件38到达足够高的温度时，其通过局部地使选定区域14中的一个或多个囊状器的硅盖变弱或破裂来激发所述区域14中的囊状器，以从破裂的囊状器中释放密封的氢气。热激发元件38可由多种不同的导电材料组成，例如，钨，其他金属，或合金。热激发元件38也可包含化学物，当由从属控制电子器件16电触发所述化学物时，所述化学物通过化学反应释放热量和/或压力。热激发元件38也可包含用来释放存储气体的机电设备。
参考图4，热激发元件38的一个实施例具有蛇形(serpentine)形状以覆盖囊状器14t的横截面并高效地传递热量。基于区域14和囊状器14t的尺寸选择盘旋形状的尺寸。也可使用其它形状的元件38。
每个囊状器具有底帽，顶帽和圆柱体主体，其例子在图1B、图5、图6和图7A-B中进行了描绘。每个部件都可在单晶硅晶片上形成。尽管囊状器的尺寸可改变，但是下面将对应于图1B、图5、图6和图7A-B描述这样一组可能的大约的厚度尺寸。
参考图5，在单晶硅构件44上形成底帽42a、42b、42c、...、42xx的阵列，该硅构件44的厚度约为30μm，每个底帽42a、...、42xx都是具有统一直径(比如，50μm)的半球形。该硅构件44可包括几百到几千个底帽。将底帽的阵列以六方形打包形式同向刻蚀到硅构件44里。也可使用其他构造，比如其它多边形构造，圆形构造，线状构造等。
参考图6，类似于图5的底帽，在厚度为大约30μm的单晶硅构件47中形成顶帽46a、46b、...、46xx的阵列。另外，顶帽之一46p具有连接囊状器内外部的气体填充/释放端口40。端口40为圆形的，直径例如大约为20μm。端口40可具有其他形状。在一些实施例中，通过小的通道(未示出)将一个区域14(图1A)中的这些囊状器相互连接，以使气体在这些囊状器之间流通。仅仅被选择的那些囊状器(比如一个囊状器46p)包括端口40，用于将气体填充到全部相互连接的囊状器或从全部相互连接的囊状器释放出来。多个顶帽可具有类似端口40的端口。在一区域中的囊状器以级联构造方式布置(在下面讨论)的其他实施例中，囊状器的每个顶帽都包括一个端口40(未全部示出)。
通过形成在大约20μm厚的单晶硅构件(图1B)中的密封盖将端口40密封。如先前说明的，一部分控制电子器件16(行线导体和列线导体)制造在盖基体的顶部。这些控制电子器件还可形成在盖基体的顶部，并可在用盖基体密封这些囊状器之前被形成。
参考图7B，在厚度大约为900μm(微米)至大约1000μm(这仅仅是示例性的范围，其它范围也是可能的)的单晶硅构件50中形成圆柱形主体48a、48b、...、48xx的阵列。具体厚度为940μm。通常，该厚度可取决于DGS应用而变化。在一些实施例中，每个圆柱形主体的直径为大约50μm，而每个面积为1mm×1mm的单晶硅构件50可包括378个以六方形打包的圆柱形主体。叠积多层硅构件，以形成加长的圆柱主体。在图7A所示的例子中，将各具有图7B中的硅构件50的特征的三层硅构件50a，50b，50c叠积，以便圆柱形主体48a、48b、...、48xx具有三倍的长度(再参见图1B)。可以叠积任何数量的硅构件50。
通过叠积带有底帽的硅构件44、至少一个带有圆柱形主体的硅构件50、带有顶帽的硅构件47以及带有密封盖的硅构件114，来形成图1A的DGS基体12。每个区域14(图1A)中的囊状器14a、...、14xx可具有各种不同的构造。在一种构造中，每个囊状器都具有连接至其它囊状器的微小开式通道。该通道可位于每个囊状器的侧壁上，并且可在制造囊状器的过程中建成。这些通道为每个囊状器提供气体填充/释放的途径。对于每一个区域14，只需要一个释放端口(未示出)来释放该区域中所有相互连接的囊状器中的气体。
在一些实施例中，囊状器14a、...、14xx之间相互隔离(例如，没有相互连接的通路)。在一区域里，如果在环境压力包围的情况下囊状器独立，则每个囊状器的侧壁设计为比容纳高压气体所需的厚度要薄。如果被隔离，则由低环境压力包围的单个高压填充囊状器会破裂，然而，当将这些囊状器打包在一起时，这些囊状器可支撑存储压力而不会使它们的侧壁爆裂，因为这些囊状器相互施加在彼此的侧壁的反作用力对它们的壁的厚度进行了平衡和补偿了。
使用中，该区域的囊状器的总体强度足以支撑存储压力，而独立的囊状器的强度则不足以支撑存储压力。当打开该区域的特定囊状器的密封盖时，该特定囊状器内的压力降低至大约环境压力。如果(相邻特定囊状器的)周围囊状器的最小壁厚不足以允许它们独立(内部为17,500psi，外部为环境压力)，则这些周围囊状器和特定囊状器之间的壁将会破碎。存储在周围囊状器中气体将会从打开的盖中释放。这个过程将会作为级联故障重复进行直到达到该区域的周边囊状器。整个区域14中的气体都会通过一个打开的盖释放。相邻区域14之间的壁被建成支撑该压力所需的厚度，以便一个区域14内的级联故障不会蔓延到其他区域中，并且每个区域14中的气体释放可被独立控制和操作而不会影响其它区域14。
如上所述，用于从区域14的微囊状器14a、...、14xx释放气体的机制是加热至少一个囊状器的盖。材料的抗拉强度受温度的影响，即，其随着温度的升高而变弱。只有在一定的温度范围内，用于这些囊状器的盖的单晶硅才有足够高的材料强度经受住囊状器内的高气体存储压力。当暴露于高于该范围的温度时，硅盖的抗拉强度降低到盖破裂并释放其容纳的气体的点。使单晶硅的抗拉强度下降到维持该存储压力所需的水平之下的温度称为“破裂温度”。破裂温度依赖于囊状器的顶帽和密封盖的几何构型(geometry)。对于包括具有图1A所示的尺寸的囊状器的DGS设备，该破裂温度大约为150℃。在这个温度下，密封盖破裂，气体逸出。
由热激发元件38(图4)用于加热硅盖至破裂点的能量称之为“激发能量”，是系统能量的寄生损失。系统能量的损失取决于囊状器的构造，通过加热一个囊状器并使区域14中的所有囊状器释放存储的气体可减少系统能量的损失。激发能量可以表示为占区域内总存储能量的百分比。在一些研究中，图1A中描述的DGS设备的激发能量被计算出为小于1％。
氢分子是最小的分子，并且众所周知，给定足够的时间，氢分子可渗入到所有的材料中。比如，可基于存储材料的特点、温度和氢气上的压力确定渗入的程度。在一些实施例中，在500℃的存储温度(高于DGS设备10的预期使用和存储的温度)下，我们认为，大约73年之后，可能浪费总的存储氢气的大约1％。
单晶硅由于其超过1,000,000psi的高抗拉强度(整体性质)而被用于构建压力囊状器及其盖。不受理论约束，我们认为单晶硅的晶格结构提供较高的抗拉强度。可以接合多片硅材料，比如，通过熔融接合，在这种方式下，可以“高效地”制造单片。单晶硅的整体性质以及囊状器的几何构型允许囊状器以17,500psi的压力容纳气体。其他材料，比如金刚石，也可用于构建囊状器，包括取决于容纳在这些囊状器内的气体和其压力的其任何部件。
通过阳极接合将用于覆盖囊状器的填充/释放端口的单晶硅密封盖接合至囊状器(下面将进一步描述)。该工艺在囊状器和盖之间生成掺杂钠的二氧化硅(SiO2)的过渡层。掺杂钠的二氧化硅可具有不同于晶体硅的关于抗拉强度的整体性质。二氧化硅是一薄层，比如，类似于亚微米层，诸如，具有接缝材料厚度的界面层。掺杂钠的二氧化硅被共价接合至囊状器主体的晶体硅和盖的硅晶体两者，并且完全填充囊状器和盖之间的表面粗糙或空隙。由于过渡层的很大的长高比(大于50比1)，过渡层可经受住囊状器中将硅盖向外推的压力，并且不会因容纳的气体的高压而从囊状器主体和盖子之间逸出。该过渡层也有较低的氢分子渗透性。
在将盖接合至囊状器以密封气体之前，将从属控制电子器件16置于盖上，从属控制电子器件可包括半导体电路，比如，COMS(互补金属氧化物半导体)电路和金属镀层。所使用的材料允许这些电路耐受高温，比如，阳极接合工艺中使用的大约400℃。
下面将详细描述用于制作DGS基体12的工艺。总体来说，DGS囊状器的子部件(图11)，主体50a、50b、50c、顶帽47和底帽44，是用不同的单晶硅基体或晶片分别加工而成。将这些囊状器子部件装配以形成单个“囊状器子组合件”55。在一些实施例中，在可利用例如熔融接合进行预装配的不只一个硅基体上形成囊状器的主体。底帽被熔融接合至该囊状器的圆柱体主体的一端，而顶帽被熔融接合至另外一端。在一些实施例中，在装配期间，可在不同的时间将顶帽片和底帽片附接至包含有圆柱形囊状器主体的硅基体上。囊状器部件，包括它们的子部件，可分别用其他的顺序装配。盖基体114用激发元件38、X寻址32和Y寻址34以及电子从属控制电路16来构造。随后，在高压装配室中，囊状器子组合件内的囊状器被填充有高压气体并用盖基体114密封。
DRIE(深反应离子刻蚀)是可用来制造囊状器的圆柱体主体或侧壁以及气体填充/释放端口/通道的若干工艺之一。DRIE是一种干法刻蚀工艺，适合形成纵横比(例如，DGS设备上的囊状器的深度和宽度比)达到大约20比1的零件。可选地，可通过电化学刻蚀硅基体来制造这些圆柱体。通过选择性地刻蚀晶体硅基体的圆柱形区域来制造这些圆柱体，作为电化学电池(cell)的一部分，以在这些圆柱形区域中形成多孔硅区域。在圆柱形区域中形成多孔硅之后，通过在高温下使多孔硅接触氧气，可将多孔硅转换为二氧化硅，并且可利用氢氟酸(HF)浸洗去除二氧化硅，而硅构件的其他区域中的晶体硅保持实质上不受影响。
这些制造工艺可引起所形成的囊状器壁的表面粗糙，这可能对材料的抗拉强度产生不利影响。期望的是，在确定相邻囊状器之间的壁厚和相邻区域14之间的壁厚时考虑该因素。
可选地，可利用激光切除去除硅材料并形成囊状器的侧壁。高能量激光脉冲，比如，飞秒激光脉冲或微微秒激光脉冲，被施加到硅构件的选定位置，以在这些位置形成囊状器。通过控制切除的相关参数，比如，激光能量和工艺的持续时间，来控制囊状器的尺寸和形状。可精确快速形成囊状器的侧壁而不会实质上改变剩余硅材料的晶体性质。
利用湿法刻蚀制造囊状器的半球形底帽和顶帽。制造方案可选地包括在晶体硅构件的选定位置形成气孔。选定位置处的多孔硅，如果被实施的话，作为气体流量节流阀。通过例如熔融接合(也称作硅焊接)将包括顶帽的硅基体和底帽的硅基体附接至包含有囊状器的圆柱形主体的硅基体，以完全形成其囊状器为空的且没有被密封的囊状器子组合件55。通常，在高温下，比如，1000℃左右，并且在低压、合适的气体环境中，在一室中进行熔融接合。可将硅基体的表面处理干净平滑，以有利于在它们之间形成接合。
如以下所讨论的，将包含有将进行气体填充和密封的完全形成的囊状器(“囊状器子组合件”)的熔融硅基体，放置于将以大约17,500psi容纳氢气的高压装配室中。该室被设计和建成能够经受住高压的设备，比如能够支撑的压力达到大约50,000psi。该室将硅囊状器子组合件和分离的盖硅基体加热至大约300℃到大约500℃，比如400℃。然后，布置两个将要阳极接合的硅片，以使一片相对于另一片具有大约1,000伏的电压。高温和高电压将硅片接合在一起以形成存储高压氢气的密封囊状器。
参考图8，利用工艺60，在高压装配室中，对存储氢气的囊状器进行气体填充和密封。该装配室已被初步建立并处于适合使用状态。一旦装配室处在期望的压力下(比如，17,500psi)，就提供机械装置，用于将盖基体放置在囊状器子组合件上。该装配室配有电连接和加热元件，电连接用于提供在阳极接合期间使用的电压，加热元件用来加热这两个硅基体。
在建立工艺62中，将硅囊状器子组合件和密封盖基体正确地放置于装配室中并密封装配室。在装配室中进行氮气吹洗工艺(64)，其通过利用一种惰性气体，比如氮气，吹洗装配室，来去除装配室中的氧气。利用惰性气体代替装配室中滞留的空气，该惰性气体不会实质上干涉装配室中将要进行的工艺。在一些实施例中，氮吹洗工艺(64)是一种包括将装配室抽成适度真空(比如，1微米汞柱)并回填纯氮气的交替步骤的泵吹洗工艺。例如，为了工艺安全，在高电压阳极接合工艺期间，期望的是，装配室实质上无氧。由于氢气密封在压力囊状器中，去除气体也可有利于使氢的潜在污染最小化。在彻底吹洗干净装配室(比如，氧气)之后，也将氮气排空，比如，直到装配室处于轻真空(light vacuum)。执行该排空过程是为了防止接下来充入囊状器中的气体被氮气稀释。也可防止氮气在囊状器中滞留并被压缩。
在装配室中(66)引入一种液化气体，比如，一定量被加压并冷却至极低的温度而以液相存在的低温液化的氢气。随着液体变热，液体可迅速转化为气体，从而给装配室加压。选择引入装配室中液化气体的量，从而使高压装配室中的最终气体压力达到预定的压力，比如在环境温下为17,500psi。需要引入的液化气体量基于该装配室的内部总体积、低温液体的热力学状态和平衡温度(环境)下的最终状态进行计算。如果需要，可通过调整引入装配室内液化气体的量和控制高压气体的排放，来控制最终的气体压力。以上面描述的方式用气体填充装配室并达到期望的压力，提供了一种用来以有效方式填充氢气至囊状器中的相对简单有效的方法。在另外一些实施例中，压缩设备，比如，多级压缩机和液压缸(hydraulic ram)系统，可将气体加压至期望的压力。
由于装配室内的高压，氢气进入囊状器中。然后，在装配室内利用阳极接合工艺通过盖基体对囊状器进行密封。再次，不受理论约束，我们认为，在盖硅基体和囊状器顶帽中的硅原子与通过阳极接合工艺形成的二氧化硅之间形成共价键。
密封工艺(68)首先将对齐的囊状器子组合件55(图11)和盖基体114压在一起。将两个硅构件加热至大约400℃。并在两硅构件之间施加1000伏的电压。该电压可加速两硅构件之间的接合工艺并填充两构件的表面之间可能存在的(比如，由于表面的粗糙度而引起的)空隙。可形成坚固和气密的密封。随后释放压力。
冷却(70)容纳氢气的密封囊状器。装配室中的温度也降低至环境温度。装配室被减压(72)。装配室内的剩余氢气可再循环回到低温系统或者被安全排放。
完成工艺60之后，根据具体应用需要，将带有囊状器的基体切成预定的大小，并集成到图2的DGS设备10中。使用时，可将图2的DGS设备10放置在用作气室的外壳11(图2)中。该气室收集该DGS设备释放的气体，也可阻止该气室外的气体进入该DGS设备。从DGS设备释放到气室的气体被供应给与气室耦接的设备，比如，燃料电池。为了知道何时指示DGS设备释放更多的气体，图2的控制芯片基体20监测气室中的压力。在一些实施例中，图2的控制芯片基体20可包括在气室11之内，而在其他实施例中，如图2所示，它位于气室11外部。在一些实施例中，为了在区域14破裂时促进气体从该DGS设备10中流出，基体12可在基体的背面上具有一个或多个凹槽，比如，V型凹槽或其他类似类型的(采用各种未示出的构造的)通道。
最初从DGS设备10释放的气体膨胀到具有环境温度和压力的气室的体积。假如气室的体积是固定的，随后从该DGS设备10释放的气体将会增加气室内的压力。在一些实施例中，气室包括蓄压器(accumulator)，以阻止该压力上升至预定的值(比如，1psi)之上。储蓄器具有塌缩态和膨胀态，在塌缩态体积很小，而膨胀态用来适应上升的压力。使用时，蓄压器进行膨胀以适应近期释放的气体的体积，从而阻止气室中的压力大幅上升。蓄压器的体积受到DGS设备释放的气体量的影响，并且依据具体的应用，形状是可变的。蓄压器可集成在气室中。
再次参见图2，在每个DGS基体12之间，比如从属控制电子器件16和主控制芯片基体20之间，建成一个三线通信接口方案。基体12、20可通过串联或并联的方式电连接。分别对应于电源和信息的两种类型信号被该接口使用。电源信号包括一个-V信号，比如，此信号来自于控制基体20上的电极或导体28。该-V信号可作为信息信号的参考信号，也可作为电流源的接收器。电源信号也包括经由电极或导体26的+V信号，其向作为图3A中选定的热激发元件38提供电流。
参考图9，控制基体20包括用来监测和管理从DGS设备10释放的气体的电路78。在控制基体20上包括用来为电路78提供电能的电源电路80，该电源电路80经由电极或导体26、28传输电能，以控制每个DGS基体12上的从属电路16。用来为控制电路78和16提供电能的其它装置也是可能的，并且包括电源电路的电压调节。电路78包括X行计数器84、Y列计数器86和基体计数器88。电路78利用该基体计数器88选择特定的基体12，并且利用X行和Y列计数器84、86选择该特定基体12上的特定区域14。可以利用三种计数器84、86、88定位该DGS设备中的任何区域14。
电路78还包括时钟电路90。时钟信息利用X、Y寻址数据和基体来调制，然后发送到控制电子器件16。从并行到串行转化电路92发送调制时钟和数据信息，在并行到串行转化电路92中，将与X行号、Y列号和基体对应的并行数据和时钟信息转换为数据和嵌入的时钟信息的串行流。基于计数器84、86和88选择的地址，数据和时钟信息从电路92通过数据线30(再参见图2)传输到解码电路，然后传输到选定的区域14，以释放区域14中存储的气体。
控制基体20也可包括一个压力传感器电路96，该压力传感器电路96具有预定的压力阈值，并输出信号从而当感测的压力低于压力阈值时指示低压力。该压力传感器电路96可用来发起从一个或多个特定区域14释放气体，以使控制芯片基体20所在的气室维持压力。
另外，控制基体20包括睡眠模式电路98。当释放气体的消耗量减小或停止时，睡眠模式电路98与电路78相互作用，以使DGS系统22进入(以下描述的)睡眠模式。期望的是，在不需要高压时阻止施加到控制基体20的高的气体压力，从而不提供给外部气体消耗设备过量的气体。例如，氢分子有渗透过消耗氢气的燃料电池中使用的膜的趋势，并且过量的氢气提供会加速渗透的高压。
所述信息信号携带时钟和数据信息。将该数据信息和该时钟信息一起调制，以使得只使用一根电线(参考-V信号)。该数据信息包括基体号、X行号和Y列号，在控制芯片基体20上存储并管理该数据信息。其他方案可用于允许使用单脉冲(时钟)，其使每个基体上的本地计数器增数。由在DGS 12之间的菊花链式进位输入/输出(carry in/out)信号使能每个本地计数器。可以使用其它方案在控制芯片基体20和DGS基体12之间进行通信。
放置有DGS设备10的气室中的压力传感器自动地监测气室的气体压力，并传输关于气体的需求信息到控制芯片。气室中的压力用于确定何时释放下一批气体。气体释放过程可连续不断直到DGS设备10中没有气体。在一些实施例中，如果外界气体消耗设备停止、中止或者实质上减小消耗释放的气体，气体释放将会中止并且DGS系统22进入睡眠模式。在睡眠模式中，气体的使用量实质上小于正常操作状态下。在睡眠模式中，气体在较低的压力下释放，所以通过控制芯片的泄漏也会减小，和/或者因为更少的气体消耗，气体释放的间隔将会加大。在一些实施例中，基体12包括一些特殊睡眠模式囊状器，其存储较少量的气体，以在这些睡眠模式囊状器释放气体时在气室中产生较小的压力。
参考图10，每个DGS基体12(图1A)上的DGS从属控制电子器件16解码由图9的控制电路78发送的数据和时钟信息。串行/并行转换电路100接收该串行数据和时钟信息，并解调该信息以恢复该数据，并且使串行数据转换回为并行格式。
在一例子中，选定的基体12包括100(10x10)个区域14，分别利用X行解码器102和Y列解码器104，将X行数据和Y列数据解码到十条选择线之一。将选定的行Xn和选定的列Ym分别连接至电流源106和接收器(sink)驱动电路108。该电流源106和接收驱动电路108传输电流给热激发元件38，该热激发元件38在每个基体12上的热激发元件矩阵中的地址为(Xn、Ym)。另外，与选择基体12相关的数据也被解码，该数据好比是本地基体ID号。当具有特定ID号码的基体12被选定时，基体使信号能打开电源开关(未示出)以供应电流给Xn。当没有基体被选定时，不传输电流以加热地址为(Xn，Ym)的选定的热激发元件。
参考图11，DGS基体12的一部分的剖视图，包括以级联构造布置的区域14的囊状器14a、14b、...。通过可破裂的壁112将每个囊状器14a、14b、...分别隔开。如水平实线所指示的，DGS基体12由多硅构件44、50a、50b、50c、47和盖11形成，相互叠积且彼此接合。这些区域14的囊状器相互之间通过厚壁110隔开，厚壁110构造为将级联破裂限于激发区域14的囊状器，从而阻止未激发的相邻区域破裂。
现在参考图12A，将详细示出圆形区域A中的图11的囊状器的顶部区域。囊状器14i、14j、14k的顶帽46i、46j、46k包括被薄盖114覆盖的气体填充端口40。将热激发元件38与薄盖114接触并可将其放置于一个或多个端口的中心上。可破裂的壁112都可相对较薄，厚度可为大约0.8微米到大约1.2微米。
参考图12B，通过底帽42m、42n密封囊状器14m、14n的底部区域。将来自不同区域14中的囊状器14m、14n隔开的侧壁110具有相对较大的厚度，比如，大约20微米到大约50微米。
DGS系统22(图2)具有较小的尺寸且质量轻。存储在DGS系统22中的DGS设备10中的氢气具有高能量密度，比如，高的重量能量密度。DGS系统22或DGS设备10可以适用于低质量和便携式应用，比如微自动传感器和机器人(比如小飞行机器人)，和便携式电子产品(比如移动电话)。
控制基体20除了产生能量，也减小或消除以上提到的应用中通常与电源和电源管理相关的机载电子产品的数量。控制基体20通过集成控制每个基体12上的控制电子器件16所需的电路和软件来实现这一点。这些电源功能不仅可以被监测和控制，也可被动态调整到实时的情形和事件。
除了在微观水平上提供大量的存储能量外，该DGS设备/系统也可执行其他功能。比如，DGS设备/系统可用来存储解毒剂。当需要时，比如，在战争状态、恐怖袭击、健康危机期间或者在检测到生物威胁时，就可激发该DGS设备/系统，并从囊状器释放解毒剂。囊状器中的压力可用于将解毒剂直接注入对象或者作为气雾剂释放。通常，该DGS设备/系统可用于将材料的组合作为注射剂或气雾剂释放。
该DGS设备/系统也可有其它使用。在一个例子中，该DGS设备/系统可推进物品，比如标枪(dart)。在另一个例子中，也可将该DGS设备/系统用于与诸如小飞行机器人之类的探测设备连接中，以对准并部署一个定向发射设备，比如，标枪。为了各种期望的效果，可将该推进器(projectile)进行化学处理。该推进器可包括一个或多个传感器，以使得DGS设备/系统的推进器也可用来部署传感器。
在另一应用中，DGS设备10在不同的区域或囊状器中可存储不同的气体。例如，氢气和氧气可存储在供无空气或存在低质量空气环境或水下环境使用的隔开的囊状器中。如果预料到耦接至DGS设备/系统的外部气体消耗设备在其操作期间会遇到有毒的或被污染的空气，则该气体消耗设备可配置为携带反应物。DGS设备/系统提供的氧气可使该气体消耗设备在陆地、水下和太空中起作用。在一些应用中，DGS设备/系统可为微小型水下机器人提供浮力控制。
可替代地，该DGS设备10也可存储真空。在该应用中，气体从囊状器中被移出，而后这些囊状器被密封，以产生真空环境。当一个囊状器或一区域的囊状器被激发时，外部的气体或液体可流入囊状器，并破坏真空。基于这些区域的地址的真空区域的选择类似于数字控制的真空。精确地控制哪个真空区域被激发可用来引起气体或液体通过连接至DGS设备的外部流电路流动。
热激发元件38可具有其他构造。除了热激发元件38外，其他激发元件，比如，磁激发元件，可与热激发元件38一起使用，也可代替热激发元件38。囊状器也可具有其他形状，比如，椭圆形，正方形或三角形的截面。可在同一硅构件上形成囊状器的一部分或多部分。例如，可在同一硅构件上形成囊状器的底帽和主体。
控制电路可实现为数字电子电路或者实现为计算机软件、固件或硬件，比如，逻辑电路，包括：计数器、状态机、专用逻辑电路，比如FPGA(现场可编程门电路)或者ASIC(专用集成电路)。
以上已描述了本发明的若干实施例，然而，将会理解的是，可以进行很多改进而不会背离本发明的精神和范围。
例如，除了描述的DGS设备和其任意组部件所用的材料，也可利用或替换其他材料。除了先前已经描述的，也可使用其他尺寸或构造，包括，每个区域中囊状器的数量、每个DGS基体中区域的数量、各区域的布置方式、囊状器的尺寸。该DGS设备可用于任何气体，包括但不限于氢气、氧气和气体混合物，比如空气。如以上所述的，该DGS设备也可存储真空。
除了以上所描述的制造工艺，也可用其他工艺来代替。其他实施例也在所附权利要求的保护范围之内。

Claims (32)

1.一种储气系统，包括：
囊状器的组，形成在基体内，并且容纳以比大气压力相对较高的压力存储的气体；和
激发元件，与所述组耦接，所述激发元件配置为传输足够量的能量，以使所述囊状器中的至少一个囊状器释放所存储的气体。
2.根据权利要求1所述的储气系统，还包括：
控制电子器件，与所述激发元件耦接，所述控制电子器件配置为传输电信号以控制所述激发元件的操作。
3.根据权利要求1所述的储气系统，其中所述囊状器通过通道相互连接，所述通道允许气体在所述囊状器之间流动，所述囊状器配置为当至少一个囊状器被所述激发元件激发时，同时释放所述气体。
4.根据权利要求1所述的储气系统，其中所述囊状器是彼此相邻放置的分离元件，所述囊状器具有被选择为只有当所述囊状器彼此相邻放置时才足以支撑预定的存储压力的壁厚，其中所述囊状器中的一个囊状器的破裂引起所述组中剩余囊状器的级联破裂。
5.根据权利要求1所述的储气系统，其中所述基体的材料为单晶硅。
6.根据权利要求1所述的储气系统，其中所述囊状器的组以六方打包的形式布置。
7.根据权利要求1所述的储气系统，还包括：
多个基体，所述多个基体中的每个基体都具有在其中制造的填充了气体的囊状器的组和用于所述囊状器的组的相应激发元件，所述激发元件配置为传输足够量的能量，以使每个组中的至少一个囊状器释放所存储的气体；和
控制电子器件，与所述激发元件耦接。
8.根据权利要求1所述的储气系统，其中所述囊状器的组是所述基体内形成的多个囊状器的组的矩阵的一部分，其中，所述囊状器的组对于激发是可寻址的。
9.一种构建储气系统的方法，所述方法包括：
将一定量的液化气体引入装配室中，所述装配室中放置有具有多个微囊状器和盖基体的设备，所述多个微囊状器充当容纳加压气体的容器，所述液化气体的量被选择为在所述液化气体转化为气态后，在所述囊状器内提供预定的压力；和
将所述盖基体接合到所述囊状器，以将所述气体密封在所述囊状器内部。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括：利用惰性气体吹洗所述装配室；和
从所述装配室排空所述惰性气体。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述预定压力在1,000psi到100,000psi之间。
12.根据权利要求9所述的方法，其中将所述盖基体接合到具有所述多个微囊状器的所述设备上包括阳极接合，并且所述盖基体和所述设备的材料由晶体材料组成。
13.一种用于数字控制流体的释放的系统，所述系统包括：
基体，该基体包括：
流体填充的囊状器的组，耦接到激发元件；和
控制电路，配置为传输控制信号到选定的激发元件，所述控制信号引起所述选定的激发元件使流体填充的囊状器的相应组破裂，以释放所述相应组中的流体。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述流体是以比大气压力相对较高的压力容纳的气体。
15.根据权利要求13所述的系统，其中所述囊状器是微压力容器。
16.根据权利要求13所述的系统，其中所述囊状器是微压力容器，并布置成组，每个组配置为允许流体在该组内的囊状器之间流通，使得当当该组中的囊状器的盖中至少一个通过激活元件而破裂时，该组内的囊状器同时释放所述流体。
17.根据权利要求13所述的系统，其中，所述囊状器是彼此相邻放置的分离元件，所述囊状器具有被选择为只有当所述囊状器彼此相邻放置时才足以支撑预定的存储压力的壁厚，其中，所述囊状器中的一个囊状器的破裂引起所述组中剩余囊状器的级联破裂。
18.根据权利要求13所述的系统，其中所述基体的材料为单晶硅。
19.根据权利要求13所述的系统，其中所述所囊状器的组以六方打包的形式布置。
20.根据权利要求13所述的系统，还包括：
多个基体，每个所述基体都具有在其中制造的气体填充的囊状器的组和用于所述气体填充的囊状器的组的相应激发元件，所述激发元件配置为传输足够量的能量，以使所述囊状器中的至少一个囊状器释放所存储的气体；和
控制电子器件，与所述激发元件耦接。
21.根据权利要求13所述的系统，其中，所述囊状器的组是所述基体内形成的多个囊状器的组的矩阵的一部分，其中所述囊状器的组对于激发是可寻址的。
22.一种用于传输能量到一个或多个电子设备的燃料电池系统，所述燃料电池系统包括：
燃料电池元件；和
燃料源，所述燃料源包括：
基体，所述基体包括：
气体填充的囊状器的组，耦接到激发元件；和
控制电路，配置为传输控制信号到选定的激发元件，所述控制信号引起所述选定的激发元件使气体填充的囊状器的相应组破裂，以向所述燃料电池元件发送所述相应组中的气体。
23.如权利要求22所述的燃料电池系统，其中所述组中的囊状器通过通道相互连接，所述通道配置为允许气体在所述囊状器之间流动，并且所述组中的囊状器配置为当至少一个囊状器被所述激发元件激发时，同时释放所述气体。
24.根据权利要求22所述的燃料电池系统，其中所述组中的囊状器是彼此相邻放置的分离元件，所述囊状器具有被选择为只有当所述囊状器彼此相邻放置时才足以支撑预定的存储压力的壁厚，其中所述囊状器中的一个囊状器的破裂引起所述组中剩余囊状器的级联破裂。
25.如权利要求22所述的燃料电池系统，其中所述基体是第一基体，所述燃料电池系统还包括：
第二基体，所述第二基体包括：
气体填充的囊状器，布置在与激发元件耦接的组中；和
控制电路，用于激发与所述第二基体的所述组对应的所述激发元件。
26.如权利要求22所述的燃料电池系统，还包括：
逻辑电路，耦接到所述第一基体，所述逻辑电路配置为向所述控制电路发送所述选定的激发元件的地址。
27.一种用于控制储气系统的操作的控制器，所述控制器包括：
逻辑电路，用于选择在基体内制造的气体填充的囊状器的组，所述电路包括：
用来确定所述组的地址的电路，所述地址包括行号和列号；和
用来确定与所述气体填充的囊状器的组对应的基体号的电路。
28.如权利要求27所述的控制器，还包括：
电路，用于传输足以引起所述激发元件产生足够量的能量以从所述囊状器的组释放气体的控制信号。
29.如权利要求27所述的控制器，还包括：
传感器，配置为监测气体压力。
30.如权利要求29所述的控制器，其中所述逻辑电路进一步配置为基于监测来调节所选择的用于激发的后续组的号。
31.如权利要求29所述的控制器，其中所述逻辑电路进一步配置为基于监测调节后续组的用于激发的选择的频率。
32.如权利要求9所述的方法，其中所述盖基体和所述设备的材料由晶体材料组成，所述晶体材料选自硅、金刚石和具有足够抗拉强度以经得住所述微囊状器中的气体的压力的材料组成的组。
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