CN106605091B - 用于控制气流的设备以及使用该设备的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

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)，以及调整接口控制装置(3、4)。气流调整接口(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。调整接口控制装置(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。

Description

用于控制气流的设备以及使用该设备的系统和方法
发明的技术背景
技术领域
本发明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。
本发明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，本发明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。
发明内容
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。
采用根据本发明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。
用于采用根据本发明的设备来控制压力梯度的系统被限定在权利要求21中。
使用本发明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。
使用本发明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。
使用本发明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。
使用本发明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
根据本发明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发明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发明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发明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控制装置3、4。
气流调整接口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。
调整接口控制装置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，使得穿过气流调整接口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之间的微流。这样，设备1可以利用等于这些微流中的一个微流的准确度和非常细的粒度来控制气流。根据纳米孔制成的尺寸以及纳米孔经受的压力梯度，其他流值当然是可能的。
从前述显而易见的是，相对于流调整接口允许气体仅仅穿过亚微米尺寸的纳米孔的这一事实，设备的结构方面是相对于允许分子或主要分子机制中的流的功能而启用。实际上，可以计算出，在覆盖合理使用的所有条件的很宽的温度范围内，且对于几乎每一种气体来说，亚微米直径的通道允许获得甚至在大气压力或较高压力下所期望的D/λ的值(在任何情况下小于10，且优选相当于1或低于1)。
有利地，对于设备的具体实施例的纳米孔，在亚微米间隔内选择的具体的尺寸会考虑在使用条件中指定的压力条件。
每个纳米孔的亚微米尺寸暗示着纳米孔的直径(即，基本垂直于该流的平面上的尺寸)为大约几百纳米或更小的量级。
根据实施示例，每个纳米孔20具有从10至100nm且优选在20至100nm之间的范围内的直径。根据设备的设计规格，其他值(例如在50和500nm之间)是可行的。
根据实施示例，纳米孔在膜片21中形成，膜片具有大约几百纳米(nm)或更小(因此，通常与直径的量级相当的量级)的厚度，且优选在50至500nm之间。
根据其他实施示例，膜片可更厚。
根据优选实施例，每个纳米孔20具有限定的几何形状和确定地可测传导率，传导率为量化可以穿过纳米孔的微流的参数。
优选地，纳米孔20的几何形状为基本圆柱形的。
因此，在上述优选实施例中，每个纳米孔约为圆柱体，或管子，其具有大约几十或几百nm的直径以及大约几百nm的高度。
例如在图1的顶视图和图3的侧截面中示出纳米孔的这种实施例。
在图中未示出的其他实施示例中，纳米孔的几何形状约为截头圆锥形的，其中至少副底座具有亚微米直径(通常10至100nm)。
根据本发明所覆盖的各种实施示例，气流调整接口2的膜片21中形成的纳米孔20的分布、数量和大小可以是多样变化的。气流调整接口2因此可包括所有相等大小、彼此不同或任何组合的纳米孔20。
气流调整接口2的纳米孔20的数量可以从几十变化到几百或甚至几千。这有利地允许通过打开所有纳米孔获得显著强度的流，即使通过微流形成。
纳米孔20在气流调整接口2上的布置可以是多样变化的。
根据附图中示出的优选实施示例，纳米孔20以排和列的二维阵列布置。
在特定示例中，一排或一列中两个相邻的纳米孔之间的中心到中心距离对应于纳米孔的直径的约两倍。
根据实施例选项，气流调整接口2包括一个或多个流控窗口，每个窗口包括膜片21，纳米孔20通过膜片得到。
每个膜片21可以为平面的或非平面的。
在典型的实施示例中，膜片21是平面的，基本矩形的或正方形的，其中侧边具有大约几十微米的尺寸，且可以包括大约几百的一些纳米孔。
应当注意的是，气流调整接口2，其中膜片21和纳米孔的任何预定的布置具有所需的尺寸和几何形状，可以通过它们本身因制造带有亚微米尺寸的孔的膜片而已知的技术获得。
这些技术例如在用于化学-生物应用的膜片的生产的纳米技术的背景中是已知的。可用的技术的另一示例涉及以受控的方式通过装备有FIB(聚焦离子束)模块的SEM(扫描电子显微镜)穿孔的硅膜片的使用。这样，上述类型的纳米孔(在文献中有时也称为“纳米孔口”或“纳米细孔”)可以在硅膜片上形成，如例如在以下科学论文中所示：Lo,Aref,Bezryadin的“使用聚焦离子和电子束的亚5nm纳米细孔的制造”(纳米技术17(2006)3264-3267)；以及Stein等人的“离子束雕刻时标(Ion Beam Sculpting Time Scales)”(物理评论快报，第89卷，第27期，2002.12.30)。
现在参考致动纳米孔的方法，应当注意的是，各种策略通过此处所示的设备1的结构变成可能。
在能够提供使用的最大灵活性的优选示例实施例中，电子处理装置4被配置成控制致动装置3，使得每个纳米孔20可以单独且以相对于其他纳米孔20的独立方式打开或关闭。
根据也包括在本发明中的替换性示例，电子处理装置4被配置成控制致动装置3，以便选择性打开或关闭一组或多组这些纳米孔20，组包括例如在纳米孔的阵列中彼此相邻的纳米孔的子集。在这种情况下，每个子集的纳米孔可以全部打开或全部关闭，独立于其他子集的纳米孔的打开/关闭。
根据另一示例，纳米孔20共同地全部打开或全部关闭。
通过上述内容，根据本发明的设备1提供了打开或闭合的纳米孔的任何组合、图案和/或布置是有可能的控制：例如，纳米孔全部打开(如图4所示)或纳米孔全部闭合(如图5A所示)，或一些纳米孔打开而其他闭合(如图5B所示)。此外，打开或闭合的纳米孔的组合、图案和/或布置可以随着时间以所需的方式动态地变化。
根据实施例，设备1为集成设备。
特别地，根据例如图4和图5A/5B中所示的实施选项，气流调整接口2和控制装置3被包括在集成设备1的单一小型化芯片10中。
在图4至图12所示的示例中，致动装置3包括多个小型化纳米孔开/合构件30。
每个小型化纳米孔开/合构件30适于打开或关闭对应的纳米孔20，以便分别最大化或最小化纳米孔20的传导率。
在特定的实施示例中，每个小型化纳米孔开/合构件30被配置成气密地密封各自的纳米孔20，从而将其传导率减至0，或完全打开纳米孔20，从而允许气流通过纳米孔。在设计阶段中“气密的”闭合的特性可以相对于必须控制其流的气体分子的大小被限定。
根据设备的实施例(图4、图5A和图5B以及图6A和图6B的细节中示出)，每个小型化纳米孔开/合构件30包括塞子31，该塞子可机电地致动以便通过相对于纳米孔的轴向移动关闭或打开各自的纳米孔20。
特别地，塞子31可包括底座310，该底座具有大于纳米孔20的尺寸，以便在闭合移动时完全阻塞塞子31所在的气流调整接口2的侧面上的纳米孔20的出口；以及此外，与底座310成整体的尖端311，其适于在闭合移动时穿过纳米孔20。
根据设备的进一步的实施例(图7以及图8A和图8B的细节中示出)，每个小型化纳米孔开/合构件30包括圆柱体32，该圆柱体具有与各自的纳米孔20的直径基本相等的直径，圆柱体32可机电地致动以通过相对于纳米孔的轴向移动而插入对应的纳米孔20中或从对应的纳米孔20中取出。
在该实施例的实施示例中，设备1包括多个螺线管320，每个与对应的纳米孔20和对应的圆柱体32相关联并与之共轴。此外，每个圆柱体32包括由铁磁或顺磁材料制成的零件，以便对由螺线管320生成的磁场敏感，并且根据所述磁场而移动。
根据设备的进一步的实施例(图9以及图10A和图10B的细节中示出)，每个小型化纳米孔开/合构件30包括微悬臂33，该微悬臂在摆动端(oscillating end，振荡端)具有基本圆锥形的微尖端330，其适于插入纳米孔中或从纳米孔中取出。微悬臂33可机电地致动以便在微尖端330进入纳米孔20以关闭纳米孔的闭合位置和微尖端330退出纳米孔20以打开纳米孔的打开位置之间摆动。
上述实施例提供了每个纳米孔的单独和独立的致动。
对于纳米孔的共同致动是充足的应用来说，设备的进一步的实施例(图11和图12示出)提供了致动装置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/关闭气流调整接口2的所有纳米孔20。
在这种情况下，如图12所示，以与纳米孔20的配置对应的配置，单个小型化纳米孔开/合构件30可以布置在多开/合摆动平面构件35的一侧上，使得在多开/合摆动平面构件35的对应移动时，每个小型化纳米孔开/合构件30同时插入对应的纳米孔20中或从对应的纳米孔20中取出。
多开/合摆动平面构件35可以以机电或电磁的方式例如通过对放置在多开/合摆动平面构件35的角部处并与平面构件成整体的小移动柱36起作用而致动。
在特定的实施示例中，在除了其中存在单一小型化纳米孔开/合构件30的那些区域的区域中，多开/合摆动平面构件35还包括孔350，以便促进对应于多开/合摆动平面构件35的气体的传导率。这些孔350可以在每个摆动事件时例如通过在对应于孔350的位置中设置在气流调整接口2的底座上的反尖端而从任何阻塞沉积物脱离出来。
根据实施示例，在上述实施例的任一个中的致动装置3布置在调整接口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。
根据替换性实施示例，这些致动装置3(或它们的至少部分)布置在气流调整接口2的两侧上，且适于(可被配置成)打开/关闭对应于气流调整接口2的两侧(即，由纳米孔形成的管状微型通道的两端)的每个纳米孔20的两个开口。在这种情况下，每个小型化纳米孔开/合构件30被配置成在闭合条件下从相应侧进入，穿入纳米孔20。
有利地，小型化纳米孔开/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的阻塞(例如由于可沉积的分子单层)的每个纳米孔20。应当注意的是，抗阻塞开/合事件也可设置为适当频率的开/合周期的形式。
该特性对于在各种环境中允许使用该设备来说是重要的，各种环境包括带有污染物的工业过程的环境。此外，本质上来源于该设备的结构和功能的该特性使气流调整接口2根本区别于不可以在非常干净的环境(例如，干净的房间)外工作的带有纳米细孔但没有致动的任何现有的膜片。
现在参考图4至图13所示的设备的进一步的结构和功能方面，需要注意以下方面。
电子处理装置4包括处理器40，处理器操作性地电连接到致动装置3，以便通过发送电信号控制它们。
有利地，处理器40操作性地电连接到小型化纳米孔开/合构件30中的每个。
在实施示例中，电子处理装置4还包括缓冲器(其可以集成在相同的处理器中)、驱动构件41和多路器42。缓冲器操作性地连接到处理器40以接收与多个纳米孔相关的开/合控制信号。驱动构件41操作性地连接到缓冲器以按顺序接收所述开/合控制信号，并被配置成按顺序生成与多个纳米孔相关的对应的开/合控制信号。多路器42操作性地连接到驱动构件41以依次接收所述开/合控制信号，并被配置成将每个开/合控制信号引导到多个纳米孔的对应的纳米孔20。
上述实施利用开/合命令的生成速度可以明显高于致动的执行速度的这一事实，有利地允许提供带有单一驱动构件的设备，单一驱动构件按顺序生成控制信号以用于单一纳米孔的所有致动构件。
从上述结构和功能方面，显而易见的是，设备1允许执行最多变化的流控策略。
在可能的示例中，调整接口控制装置3、4被配置成通过依据打开和闭合的纳米孔的数量和位置确定打开和闭合的纳米孔20的图案来控制穿过气流调整接口2的气体流。
在另一示例中，调整接口控制装置3、4被配置成通过纳米孔的打开时间和闭合时间的比率(即，占空比)的确定来控制穿过气流调整接口2的气体流。在这种情况下，驱动构件41还可包括频率发生电路。
也可能配置调整接口控制装置3、4以通过用于每个纳米孔20的打开或关闭条件以及占空比的单独确定来控制穿过气流调整接口2的气体流。
在进一步的实施示例中，每个纳米孔20被配置成呈现完全打开或完全关闭的操作条件，或中间打开的一个或多个操作条件，其中允许不为零但小于最大(完全打开)微流的微流。在这种情况下，调整接口控制装置3、4被配置成还通过确定每个单一纳米孔的这些可操作条件中的一个或另一个来控制穿过气流调整接口2的气体流。
根据实施例，设备1还包括一个或多个压力传感器50。压力传感器50中的每个被配置成测量存在于传感器自身附近的各自的压力值，且向电子处理装置4提供所测的压力值。
在特定的实施示例中，设备1包括并入气流调整接口2的密封支撑件，其被配置成使得支撑件的两个相对侧之间可能的唯一流是通过调整接口的受控制流，支撑件的两个相对侧适于面对具有不同压力的环境。
在这种情况下，设备1在相对于密封支撑件的相对侧上有利地包括两个对应的小型化压力传感器50，其被配置成测量对应压力值并向电子处理装置4提供所测的压力值。
根据实施例，设备1还包括输入/输出接口51，其操作性地连接到电子处理装置4，且被配置成将控制和/或监测和/或校准和/或诊断信号发送到设备外部或从设备外部接收这些信号。
在包括在本发明的若干实施示例中，电子处理装置4被配置成在经由输入/输出接口51从设备外部出来的控制信号的基础上，和/或在由小型化压力传感器50测量的压力值的基础上控制通过气流调整接口2的气流。
可选地，设备1还包括参考压力传感器56(例如图7中示出)，其被封装在密封和/或可打开的环境中，且被配置成向电子处理装置4提供参考信号以用于设备的校准和/或诊断功能。在这种情况下，电子处理装置4还可包括自保电路(lock-in circuit锁定电路)49。
根据实施示例，设备1还包括电源接口55。
根据示例实施例，设备1还包括受控制的加热装置52，其被配置成在电子处理装置4的控制下保持所需的温度。
在图中未示出的特定示例中，受控制的加热装置还包括用于每个纳米孔的小型化电阻器，其布置在各自的纳米孔附近或对应于各自的开/合构件。
根据进一步的示例实施例，设备1还包括用于过滤微粒的装置，其被布置成覆盖整个设备(例如，装备有带有微米框架的过滤器)。
此外，设备1可包括薄保护膜53，其被配置成减少工艺气体的吸收(例如，防止吸收存在于工艺环境中的水分的疏水性膜)并防止腐蚀。
在图13所示的特定的实施例中，设备1还包括连接器构件54，其被配置成将气流调整接口2和电子处理装置4物理分开，同时允许操作性连接，使得气流调整接口2的侧面面对不同压力的两种环境，而电子处理装置4被等压和/或温度受控制的环境完全包围。该实施例可以有利地允许更有效地冷却设备。
应当注意的是，电子处理装置4可以被配置成在从至少一个压力传感器50接收的数据的处理或与额定的传导值相关的存储数据的处理、或设备旨在置于其中的环境的预定条件的基础上进行设备的诊断程序，以便识别设备的可能的操作异常。
此外，电子处理装置4可以被配置成如果诊断程序给出负面结果，进行用于设备的调整和/或补偿和/或优化的程序，以校正和/或补偿基于前述诊断程序的结果识别的操作异常。
该调整程序以及防止不需要的凝结和/或防止不期望的化学反应的行动可以例如通过使用已经提到的受控制的加热装置52来进行。
由于上述功能和结构特征，用于控制气流的设备1可以用于多个不同的应用和系统中。特别地，以下将描述使用设备1并且包括在本发明中的系统。
参考图14，描述了用于在第一压力P1下的第一环境A1和低于第一压力P1的第二压力P2下的第二环境A2之间的气体取样的系统100。
系统100包括根据前述实施例中的任一个的用于控制气流的至少一个设备1。
此外，系统100包括在所述第一环境A1和第二环境A2之间的至少一个分离结构101，该分离结构适于容置用于控制气流的对应的至少一个设备1，使得第一环境A1和第二环境A2之间的流体连通仅通过流经用于控制气流的至少一个设备1的气流调整接口2的气流F是可能的。
系统100包括泵送装置102(例如，泵)，泵送装置被配置成从第二环境A2提取气体，以便在所述第二环境中保持所需的恒定压力P2。应当注意的是，在第二环境A2与较低压力下的另外的环境连通的情况下，泵送装置可以通过适于打开或关闭的孔口而简单地实施。
系统100还包括系统控制装置103，其与用于控制气流的至少一个设备1的调整接口控制装置3、4操作性地连接并与泵送装置102操作性地连接。包括处理器的系统控制装置103被配置成控制用于控制气流的至少一个设备和泵送装置102，以便在第二环境A2中再产生存在于第一环境A1中的相同的气体浓度，但在较低压力P2下。
根据系统的实施例(图15所示)，其包括多个流控设备1和对应的多个分离结构101以便限定第一环境A1和第二环境A2之间的在从第一环境的压力值P1到第二环境的压力值P2的范围内的递减压力下的多个中间环境An、Am，其中两个连续的中间环境之间的气流Fnm在分子或主要分子机制处，使得存在于中间环境的每个中的气体浓度是存在于第一环境A1中的相同的气体浓度。
根据典型的应用示例，第一压力P1等于或高于大气压力，且第二压力P2是真空压力。
现在参考图16，描述用于控制第一环境A1和第二环境A2之间的压力梯度的系统200。
系统200包括根据前述实施例的用于控制气流的至少一个设备1，其中两个压力传感器50存在于气流调整接口2的两侧上。
系统200还包括第一环境A1和第二环境A2之间的分离结构101，分离结构适于容置用于控制气流的至少一个设备1，使得第一环境A1和第二环境A2之间的流体连通仅通过流经用于控制气流的至少一个设备1的气流调整接口2的气流F是可能的。
用于控制气流的至少一个设备1的调整接口控制装置3、4被配置成基于由压力传感器50测量的分别与第一环境A1和第二环境A2相关的压力值控制通过气流调整接口2的气流，以便获得第一环境A1和第二环境A2之间的所需的压力梯度。
应当注意的是，在系统200中，设备1用作压力梯度控制器，或用作两个压力P1或P2的其中一个(当另一个恒定时)的控制器。
以下将描述本发明中所包括的方法。
本发明包括用于利用对应于微流的分辨率控制气流的方法，包括以下步骤：以受控的方式抑制或允许气流穿过包括具有亚微米尺寸的多个纳米孔20的气流调整接口2，其中纳米孔中的每个适于打开或关闭，以便抑制或允许对应的微流通过。
上述抑制或允许步骤包括单独或共同控制纳米孔20中的每个的打开或闭合，使得穿过调整接口的总气流是穿过打开的纳米孔的微流的总和。
本发明还包括用于利用对应于微流的分辨率测量气流的方法，包括如下步骤：以受控的方式抑制或允许气流通过包括具有亚微米尺寸的可以打开和关闭的多个纳米孔20的气流调整接口2，其中纳米孔中的每个适于打开或关闭，以便抑制或允许对应的微流通过并生成对应于穿过打开的纳米孔的微流的总和的输出气流；然后，测量所述输出气流。
本发明还包括用于在第一环境A1和低于第一环境的压力的较低压力下的第二环境A2之间对气体取样的方法，包括如下步骤：通过分离结构101分离第一环境A1和第二环境A2，根据前述实施例中的任一个的用于控制气流的至少一个设备1被容置在所述分离结构中；然后，允许第一环境A1和第二环境A2之间的流体连通仅仅通过流经用于控制气流的设备1的气流调整接口2的气流；然后，从第二环境A2提取气体以便在第二环境A2中保持所需的恒定压力P2；最后，控制通过气流调整接口2的气流并且控制从第二环境A2的气体提取，以便在第二环境A2中再产生存在于第一环境A1中的相同的气体浓度，但在较低压力P2下。
本发明还包括用于控制存在于第一环境A1和第二环境A2之间的压力梯度的方法，包括如下步骤：利用分离结构101分离第一环境A1和第二环境A2，根据前述实施例的用于控制气流的至少一个设备1被容置其中，且其中两个压力传感器50存在于气流调整接口2的两侧。该方法然后包括如下步骤：基于由压力传感器50测得的分别与第一环境和第二环境相关的压力值控制通过气流调整接口2的气流，以便获得第一环境A1和第二环境A2之间的所需的压力梯度。
如可以看出，本发明的目的通过前述设备借助于所示特征实现。
从上面的描述中，显而易见的是，本发明的设备能够利用甚至在非真空压力下且尤其在大气压力或较高压力下等于分子或主要分子机制下的微流的准确度和粒度来管理、调整并控制气流。
实际上，由于调整接口的纳米孔的亚微米尺寸，经过该接口的总流是微流的总和，微流中的每个为分子或主要分子机制下的微流。此外，由于设备的致动装置，每个纳米孔可以单独控制，且甚至在一些实施例中，相对于所有其他纳米孔独立控制。因此，许多自由度可用于控制总流，包括打开/关闭纳米孔的任何组合和/或打开/关闭每个纳米孔的周期，从而有利地提供充分的可能性以实施不同的控制策略。
此外，设备的功能确保纳米孔的连续清理，从而甚至在带有污染物的工业环境和/或过程中使用的背景下防止阻塞。
类似的优点可以在根据本发明的用于对气体取样、控制并测量流以及控制压力梯度的系统及相关方法中识别，在所述系统和相关方法中使用了上述设备。
还应当注意的是，该设备可以以小型化的形式实现且甚至集成到单一芯片中，具有可携带性和灵活性以及易用性的明显优点。
该设备也可以被配置成在校准和自诊断方面自给自足。
对于上述用于控制气流的设备(以及在其中使用该设备的上述系统和方法)的实施例，为了满足可能发生的需求，本领域技术人员可在不偏离下列权利要求书的范围的情况下利用功能上等效的其他构件对构件进行修改、适应和替换。被描述为属于实施例的可能的形式的特征中的每个可以独立于所述其他实施例而实现。另外，需要注意的是，术语“包括”不排除其他元件或步骤，且“一”或“一个”不排除复数。此外，附图不一定按比例绘制；正相反，通常重要的是本发明的原理的说明。

Claims (25)

1.一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)；
其中所述气流调整接口(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，以相应地允许或抑制相应的气体微流穿过；
且其中所述调整接口控制装置(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通过，且当纳米孔关闭时抑制所述气体微流，使得穿过所述气流调整接口(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.根据权利要求1或2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)，其中所述气流调整接口(2)和所述调整接口控制装置(3、4)被包括在所述集成设备(1)的单一小型化芯片(10)中。
5.根据权利要求1或2所述的设备(1)，其中所述电子处理装置(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.根据权利要求1或2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.根据权利要求1或2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.根据权利要求1或2所述的设备(1)，其中所述气流调整接口(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.根据权利要求1或2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)，每个所述小型化纳米孔开/合构件(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)，其中每个小型化纳米孔开/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)所在的所述气流调整接口(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)，其中每个小型化纳米孔开/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)，其中每个小型化纳米孔开/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/关闭所述气流调整接口(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多开/合摆动平面构件(35)的一侧上，使得在所述多开/合摆动平面构件(35)的对应移动时每个小型化纳米孔开/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所述的设备(1)，其中所述致动装置(3)布置在所述气流调整接口(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气流调整接口(2)的两侧上，且被配置成打开/关闭对应于所述气流调整接口(2)的两侧的每个纳米孔(20)的两个开口。
15.根据权利要求9所述的设备(1)，其中所述小型化纳米孔开/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/打开事件时清理可能阻塞的每个纳米孔(20)。
16.根据权利要求1或2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/合控制信号，且被配置成将每个开/合控制信号引导到多个所述纳米孔中的对应纳米孔(20)。
17.根据权利要求1或2所述的设备(1)，其中所述调整接口控制装置(3、4)被配置成，通过依据打开和闭合的纳米孔的数量和位置确定打开和闭合的纳米孔(20)的图案、或通过确定所述纳米孔(20)的打开时间和闭合时间之间的关系、或操作周期，利用对应于穿过所述纳米孔(20)的微流的精度和粒度来控制穿过所述气流调整接口(2)的气流。
18.根据权利要求1或2所述的设备(1)，包括并入所述气流调整接口(2)的密封支撑件，该密封支撑件被配置成使得所述密封支撑件的两个相对侧之间可能的唯一流是通过所述气流调整接口的受控制的流，所述密封支撑件的两个相对侧适于面对具有不同压力的环境，
并且所述设备在相对于所述密封支撑件的相对侧上还包括两个对应的小型化压力传感器(50)，该小型化压力传感器被配置成测量对应的压力值并向所述电子处理装置(4)提供所测量的压力值。
19.一种用于在第一压力(P1)下的第一环境(A1)与低于所述第一压力(P1)的第二压力(P2)下的第二环境(A2)之间进行气体取样的系统(100)，包括：
-根据权利要求1至18中任一项所述的用于控制气流的至少一个设备(1)；
-所述第一环境(A1)和所述第二环境(A2)之间的至少一个分离结构(101)，适于容置用于控制气流的对应的所述至少一个设备(1)，使得所述第一环境(A1)和所述第二环境(A2)之间仅通过流经用于控制气流的所述至少一个设备(1)的所述气流调整接口(2)的气流(F)而能够以流体方式连通；
-泵送装置(102)，被配置成从所述第二环境(A2)提取气体，
以便在所述第二环境中保持所需的恒定压力(P2)；
-系统控制装置(103)，操作性地连接到用于控制气流的所述至少一个设备(1)的所述调整接口控制装置(3、4)并且操作性地连接到所述泵送装置(102)，且被配置成控制用于控制气流的所述至少一个设备(1)和所述泵送装置(102)，以便在所述第二环境(A2)中再产生存在于所述第一环境(A1)中的相同的气体浓度，但是处于较低压力(P2)下。
20.根据权利要求19所述的系统(100)，包括多个设备(1)和对应的多个分离结构(101)以便在所述第一环境(A1)和所述第二环境(A2)之间限定处于从所述第一环境的压力值(P1)到所述第二环境的压力值(P2)范围内的递减压力下的多个中间环境(An、Am)，其中两个连续的中间环境之间的气流(Fnm)处于分子或主要分子机制下，使得存在于每个所述中间环境中的气体浓度是存在于所述第一环境(A1)中的相同的气体浓度。
21.一种用于控制存在于第一环境(A1)和第二环境(A2)之间的气压梯度的系统(200)，包括：
-根据权利要求18所述的用于控制气流的至少一个设备(1)；
-所述第一环境(A1)和所述第二环境(A2)之间的分离结构(101)，适于容置用于控制气流的所述至少一个设备(1)，使得所述第一环境(A1)和所述第二环境(A2)之间仅通过流经用于控制气流的所述至少一个设备(1)的所述气流调整接口(2)的气流(F)而能够以流体方式连通；
其中用于控制气流的所述至少一个设备(1)的所述调整接口控制装置(3、4)被配置成基于由存在于所述气流调整接口(2)的两侧处的所述压力传感器(50)测得的分别与所述第一环境(A1)和所述第二环境(A2)相关的压力值控制通过所述气流调整接口(2)的气流，以便获得所述第一环境(A1)和所述第二环境(A2)之间的所需的气压梯度。
22.一种用于利用对应于微流的分辨率来控制气流的方法，包括：
-以受控的方式抑制或允许气流穿过包括具有亚微米尺寸的多个纳米孔(20)的气流调整接口(2)，所述纳米孔中的每个适于打开或关闭以便抑制或允许对应的微流的通过；
-其中所述抑制或允许的步骤包括单独或共同控制所述纳米孔(20)中的每个的打开或闭合，使得穿过所述气流调整接口的总气流是穿过打开的所述纳米孔的微流的总和。
23.一种用于利用对应于微流的分辨率来测量气流的方法，包括：
-以受控的方式抑制或允许所述气流穿过包括具有亚微米尺寸的能打开和关闭的多个纳米孔(20)的气流调整接口(2)，所述纳米孔中的每个适于打开或关闭，以便抑制或允许对应的微流通过并生成对应于穿过打开的所述纳米孔的所述微流的总和的输出气流；
-测量所述输出气流。
24.一种用于在第一环境(A1)和低于所述第一环境的压力的较低压力下的第二环境(A2)之间对气体取样的方法，包括：
-通过分离结构(101)分离所述第一环境(A1)和所述第二环境(A2)，根据权利要求1至18中任一项所述的用于控制气流的至少一个设备(1)被容置在所述分离结构中；
-允许所述第一环境(A1)和所述第二环境(A2)之间的仅仅通过流经用于控制气流的所述至少一个设备(1)的所述气流调整接口(2)的气流的流体方式的连通；
-从所述第二环境(A2)提取气体，以便在所述第二环境(A2)中保持所需的恒定压力(P2)；
-控制通过所述气流调整接口(2)的所述气流并且控制从所述第二环境(A2)的所述气体的提取，以便在所述第二环境(A2)中再产生存在于所述第一环境(A1)中的相同的气体浓度，但是处在较低压力(P2)下。
25.一种用于控制存在于第一环境(A1)和第二环境(A2)之间的气压梯度的方法，包括：
-通过分离结构(101)分离所述第一环境(A1)和所述第二环境(A2)，根据权利要求18所述的用于控制气流的至少一个设备(1)被容置在所述分离结构中；
-基于由存在于所述气流调整接口(2)的两侧的所述压力传感器(50)测得的分别与所述第一环境和所述第二环境相关的压力值控制通过所述气流调整接口(2)的气流，以便获得所述第一环境(A1)和所述第二环境(A2)之间的所需的气压梯度。
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