CN110914610A - Mems低温冷却器系统和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了用于使用微机电系统MEMS技术以提供装置或传感器系统的低温和/或一般冷却的系统和方法的技术。在一个实施例中，一种系统包括压缩机组件和MEMS膨胀器组件，所述MEMS膨胀器组件经由气体输送管线与所述压缩机组件流体连通，所述气体输送管线配置成将所述MEMS膨胀器组件与所述压缩机组件物理分离并热解耦。所述MEMS膨胀器组件包括多个膨胀器单元，每个膨胀器单元包括MEMS置换器、单元蓄热器，以及布置在所述MEMS置换器和所述单元蓄热器之间的膨胀体积，并且所述多个单元蓄热器配置成组合以形成用于所述MEMS膨胀器组件的邻接共用蓄热器。

Description

MEMS低温冷却器系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年6月23日提交的，名称为“MEMS低温冷却器系统和方法(MEMSCRYOCOOLER SYSTEMS AND METHODS)”的美国临时专利申请No.62/524,318的优先权和权益，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本发明的一个或多个实施例总体上涉及低温制冷装置，并且更具体地，例如涉及微机电低温制冷系统和方法。
背景技术
低温制冷系统或低温冷却器通常用于将其他装置冷却至接近或低于约120开尔文的温度，并且更一般地，可以用于将装置冷却至200至60开尔文之间，这例如取决于特定装置呈现的总热负荷。这样的冷却装置通常是在冷却时更好地操作(例如，产生具有更少的噪声、更高的灵敏度、更高的精度、更高的响应度的测量结果和/或具有其他通常更期望的性能指标的测量结果)的各种不同类型的传感器系统中的一种。例如，可以从冷却受益的一种这样的传感器系统包括红外相机(例如，包括单独的红外传感器的焦平面阵列(FPA))，其测量或捕获来自物体的红外(例如热)发射作为红外/热图像和/或视频。冷却这样的红外相机通常会增加检测器灵敏度(例如，通过减小单独的红外传感器固有的热噪声)，这会导致整体上更准确和可靠的红外图像。
常规的机械低温冷却器相对较大，制造和维护成本高，并且可能具有机械噪声，这会降低耦合传感器系统的性能。抵消机械振动的技术通常非理想地增加了冷却器的复杂性和制造成本。微型低温冷却器设计是可用的，并且一些这样的设计采用微机电系统(MEMS)技术，但是迄今为止，这样的常规制冷机提供相对较差的冷却能力(例如，通常以瓦特为单位来衡量制冷机从耦合装置吸热的能力)，并且在遇到工作红外相机的典型热负荷时，无法达到例如相对较低噪声的热成像所需的温度。
因此，在本领域中需要一种紧凑、便宜且可靠的制冷机或低温冷却器，其具有相对高的冷却能力，足以将至少工作红外相机的FPA冷却到大约低温和/或接近200至60开尔文的温度范围，或更窄地接近160至60开尔文的温度范围或大约77开尔文的温度。
发明内容
公开了一种用于使用微机电系统以提供装置或传感器系统的低温和/或一般冷却的系统和方法的技术。在一个实施例中，一种系统可以包括压缩机组件和微机电系统(MEMS)膨胀器组件，所述微机电系统膨胀器组件经由气体输送管线与所述压缩机组件流体连通，所述气体输送管线配置成将所述MEMS膨胀器组件与所述压缩机组件物理分离并热解耦。所述MEMS膨胀器组件可以包括多个膨胀器单元，每个膨胀器单元包括MEMS置换器、单元蓄热器、以及布置在所述MEMS置换器和所述单元蓄热器之间的膨胀体积，并且所述多个单元蓄热器可以配置成组合以形成用于所述MEMS膨胀器组件的邻接共用蓄热器。
在另一实施例中，一种方法包括形成MEMS膨胀器组件，并且使所述MEMS膨胀器组件经由气体输送管线与压缩机组件流体连通，其中所述气体输送管线配置成将所述MEMS膨胀器组件与所述压缩机组件物理分离并热解耦。所述MEMS膨胀器组件可以包括多个膨胀器单元，每个膨胀器单元包括MEMS置换器、单元蓄热器、以及布置在所述MEMS置换器和所述单元蓄热器之间的膨胀体积，并且所述多个单元蓄热器可以配置成组合以形成用于所述MEMS膨胀器组件的邻接共用蓄热器。
在另一实施例中，一种方法包括将MEMS制冷机的工作气体的至少第一部分置换到所述MEMS制冷机的MEMS膨胀器组件中，并且使用所述MEMS膨胀器组件膨胀所述MEMS制冷机内的工作气体。所述MEMS膨胀器组件可以包括多个膨胀器单元，每个膨胀器单元包括MEMS置换器、单元蓄热器、以及布置在所述MEMS置换器和所述单元蓄热器之间的膨胀体积，并且所述多个单元蓄热器可以配置成组合以形成用于所述MEMS膨胀器组件的邻接共用蓄热器。
本发明的范围由权利要求限定，权利要求通过引用并入本部分。通过考虑一个或多个实施例的以下详细描述，本领域技术人员可以更全面地理解本发明的实施例，并且可以实现本发明的附加优点。参考将首先简要描述的附图。
附图说明
图1A示出了一般的常规斯特林(Stirling)制冷机的框图。
图1B示出了图1A的一般的常规斯特林制冷机的斯特林循环。
图2示出了基于斯特林制冷机的第一常规的微机电系统(MEMS)。
图3A-B示出了第二常规的基于MEMS的斯特林制冷机。
图4A-B示出了根据本公开的实施例的MEMS低温冷却器。
图5A示出了根据本公开的实施例的包括压缩机单元缓冲体积和膨胀器单元缓冲体积的MEMS低温冷却器的框图。
图5B示出了根据本公开的实施例的包括压缩机单元缓冲体积的MEMS低温冷却器的压缩子循环。
图5C示出了根据本公开的实施例的包括压缩机单元缓冲体积和膨胀器单元缓冲体积的MEMS低温冷却器的压缩循环和膨胀循环的图形。
图5D示出了根据本公开的实施例的执行包括压缩机单元缓冲体积和膨胀器单元缓冲体积的MEMS低温冷却器的制冷循环(例如，斯特林循环)的致动器状态的表。
图6示出了根据本公开的实施例的用于MEMS低温冷却器的膨胀器单元。
图7A-C示出了根据本公开的实施例的用于MEMS低温冷却器的膨胀器单元的剖视图。
图7D示出了根据本公开的实施例的用于MEMS低温冷却器的膨胀器单元的蓄热器的气体速度图。
图8A示出了根据本公开的实施例的用于MEMS低温冷却器的膨胀器单元的剖视图。
图8B示出了根据本公开的实施例的用于MEMS低温冷却器的膨胀器单元的MEMS置换器的操作。
图9示出了根据本公开的实施例的用于MEMS低温冷却器的压缩机单元的MEMS压缩机的操作。
图10A-B示出了根据本公开的实施例的用于MEMS低温冷却器的膨胀器单元的MEMS阀的操作。
图11示出了根据本公开的实施例的用于MEMS低温冷却器的MEMS膨胀器组件的膨胀器单元布置的框图。
图12示出了根据本公开的实施例的用于MEMS低温冷却器的膨胀器单元布置。
图13示出了根据本公开的实施例的用于MEMS低温冷却器的膨胀器单元布置。
图14示出了根据本公开的实施例的MEMS低温冷却器。
图15示出了根据本公开的实施例的用于MEMS低温冷却器的线性压缩机。
图16示出了根据本公开的实施例的用于MEMS低温冷却器的MEMS致动器的操作。
图17是示出了根据本公开的实施例的用于操作MEMS低温冷却器的方法的流程图。
图18是示出了根据本公开的实施例的用于制造MEMS低温冷却器的方法的流程图。
通过参考下面的详细描述将最好地理解本发明的实施例及其优点。应当理解，相同的附图标记用于标识在一个或多个附图中示出的相同的元件。
具体实施方式
根据本公开的各种实施例，紧凑且强大的制冷系统和方法可以有利地采用包括MEMS膨胀器组件的微机电系统(MEMS)低温冷却器，所述MEMS膨胀器组件具有通过气体输送管线与MEMS低温冷却器的压缩机组件分离的基本上连续的共用蓄热器。气体输送管线配置成允许气体在MEMS膨胀器组件和压缩机组件之间流动，并且使MEMS膨胀器组件与压缩机组件充分热解耦以允许MEMS低温冷却器生成足够的冷却能力，从而低温冷却热耦合到MEMS膨胀器组件的工作传感器系统(例如工作红外相机)。
MEMS膨胀器组件可以由多个单独的膨胀器单元实现，每个膨胀器单元包括其自身的MEMS置换器、膨胀体积和单元蓄热器，它们一起形成MEMS膨胀器组件和用于MEM膨胀器组件的邻接共用蓄热器。通过采用MEMS技术，可以相对便宜地且以高精度来制造MEMS膨胀器组件的实施例，由此提高了MEMS低温冷却器的总体制造和运行效率以及可靠性，同时总体上降低了对耦合传感器系统的有害机械干扰的风险。
由于单独的单元蓄热器和集合的共用蓄热器与MEMS膨胀组件集成并构成MEMS膨胀组件的一部分，因此蓄热器尺寸实际上与传输管和/或压缩机组件的尺寸无关/解耦，这允许共用蓄热器比常规MEMS制冷机的蓄热器更大，并且这有助于本发明的MEMS低温冷却器的实施例比类似尺寸的常规系统达到更高的冷却能力和更低的工作温度，尤其是在以相似的输入功率操作时(例如，操作单独的MEMS置换器和压缩机组件)。而且，由于MEMS膨胀器组件及其集成的共用蓄热器通过传输管与压缩机组件热解耦，因此与常规MEMS制冷机相比，从压缩机组件到MEMS膨胀组件的热泄漏相对较低，这进一步增加了本MEMS低温冷却器的冷却能力(并降低了可达到的工作温度)。
在一些实施例中，压缩机组件可以通过常规的机械压缩机和/或线性压缩机来实现。在其他实施例中，压缩机组件可以是由多个单独的压缩机单元实现的MEMS压缩机组件，每个压缩机单元包括其自身的MEMS压缩机、压缩体积和气体通道腔，其结构可以与膨胀器单元大致相似。当采用这样的MEMS技术时，MEMS压缩机组件和MEMS低温冷却器整体上可以如关于MEMS膨胀器组件所描述的那样类似地受益。
由于本公开的实施例提供了相对较高的冷却能力和较低的工作温度，因此可以使耦合冷却传感器系统比常规的MEMS制冷机和/或机械低温冷却器更好地工作，特别是在紧凑性和效率非常重要的情况下，例如在涉及太空飞行、无人飞行器系统，相对较大和/或高功率耗散的传感器系统和/或电池或太阳能系统的应用中。特别地，较高的冷却能力和/或较低的工作温度对于红外相机的操作可能是有益的。
例如，当周围光线不足或环境条件不利于可见光谱成像时，红外相机可用于夜间或其他应用，并且也可用于期望关于场景的附加非可见光谱信息的应用，例如用于气体泄漏检测。在每种应用中，通常期望通过在捕获图像的同时将红外相机的至少焦平面阵列(FPA)冷却至低温和/或相对稳定的温度来减少由红外相机捕获的图像中的噪声和可变性。通常还期望最小化机械振动和/或对红外相机的操作的干扰。本公开的实施例提供的较高的冷却能力可以例如冷却更大和/或更多的功率消耗型FPA(例如，高性能FPA)，和/或可以提供更低和更稳定的工作温度；更低的工作温度导致所产生的红外图像中的更低噪声，而更稳定的工作温度导致更可靠、更准确的红外图像(例如，特别是热图像)。实施例通常也比常规系统更高效，并且可以以更严格的低温冷却器体积、重量和/或功率使用限制来达到类似的冷却能力。
本MEMS低温冷却器的实施例可以采用类似于常规斯特林制冷机所使用的冷却循环。例如，图1A示出了一般的常规斯特林制冷机100的框图，并且图1B示出了图1A的一般的常规斯特林制冷机100的斯特林循环。如图1A中所示，斯特林制冷机100包括用于在压缩空间内压缩气体的暖活塞和用于提取至少部分地通过压缩产生的气体中的热的相邻的暖热交换器(用于有效地等温压缩)，用于在气体行进通过蓄热器时储存来自气体的热和将热释放到气体的蓄热器(用于等容置换)，用于在膨胀空间内膨胀气体的冷活塞和用于从环境吸收热并将热提供给膨胀气体的相邻的冷热交换器(用于有效地等温膨胀)。系统越接近纯等温和/或等容理想状态，系统的整体效率就越高。
如图1B中所示，斯特林制冷机100的典型斯特林循环包括暖活塞和冷活塞根据图1B的一系列状态a、b、c和d移动，然后返回到状态以再次开始斯特林循环。移动通过如图1B中所示状态的结果是，来自热耦合到冷热交换器的热源的热从冷热交换器传递到暖热交换器，然后其在此沉积到耦合到暖热交换器的散热器(例如，通常是环境)中。例如，来自耦合到冷热交换器的传感器系统的热可以传递到辐射器，所述辐射器通过施加输入功率以操作暖和冷活塞来将热辐射到大气中，如图1B中所示。制冷机的电效率的一种量度是制冷机的冷却能力与输入电功率的比，其可以在一段时间内平均。
在图1A-B的常规斯特林制冷机中，蓄热器在整个斯特林循环中被示出为静止，这简化了操作和制造，但是要求冷活塞在最冷的温度下可移动。对于大型机械斯特林制冷机，可能难以制造能够在这样的低温下可靠地操作而又不会有工作气体从制冷机的冷侧泄漏的风险的活塞。因此，在许多大型机械斯特林制冷机中，蓄热器耦合到往复杆，所述往复杆由制冷机的暖侧(其上遍布相对可靠的暖气体密封件)上的机械系统驱动，其使蓄热器在斯特林制冷机内移动以相对于不动的气缸座交替膨胀和收缩膨胀空间(例如，再现状态b到d的一系列状态以膨胀或产生膨胀空间，然后回到状态a以收缩或消除膨胀空间)。
图1A中的蓄热器是斯特林制冷机100的重要部分，是任何斯特林制冷机的基本部分，并且在斯特林制冷机100内的使用方式和在斯特林制冷机100内的定位方式上与暖和冷热交换器不同。如上所述，当气体从斯特林制冷机100的热侧行进到斯特林制冷机100的冷侧时，蓄热器主要用于从气体内提取和储存热，并且然后当气体从斯特林制冷机100的冷侧行进到斯特林制冷机100的暖侧时将该相同热传回到气体。储存的热通量越大，提取/储存的热通量与传递的热通量越接近，斯特林制冷机100效率越高，并且斯特林制冷机100产生的冷却能力就越高(例如，每单位时间斯特林制冷机100可以从冷热交换器传递到暖热交换器的热的度量)。
从该基本构思，(不可能)理想的蓄热器应当具有大的体积热容量(以便能够储存相对大量的热)，在气体行进通过蓄热器时提供与气体的完美热接触，提供对气体的零流动阻力，具有零孔隙率，并具有在气流方向上的零热导率。相比之下，理想的热交换器应当在所有方向上(包括气流方向上)都具有很高/无限的热导率，并且不需要具有很大的体积热容量—热交换器仅用于通过热交换器材料的主体将热传递到散热器，而不是将热储存在材料的主体内。
另外，斯特林制冷机100的蓄热器也应当与环境(例如，暖和冷热交换器和/或斯特林制冷机100的任何其他部分)完全热解耦，并且仅与斯特林制冷机100的工作气体热相互作用。相比之下，斯特林制冷机100的暖和冷热交换器用于将工作气体热连接到环境(例如，大气或其他散热器，以及传感器系统或其他热源，两者都在斯特林制冷机100的基本结构的外部)。没有实际的系统是完美理想的，因此在实际的制冷机中，蓄热器和斯特林制冷机100的其他结构之间存在一些非理想的杂散热耦合，但是该杂散热耦合不会起到将蓄热器转换成热交换器的作用，并且至少由于上述原因，本文中称为蓄热器的结构与常规热交换器根本不同。
已经使用各种MEMS结构来形成类似于常规斯特林制冷机100的MEMS制冷机。例如，图2示出了第一常规的基于MEMS的斯特林制冷机200的各种表示。图201是常规的基于MEMS的斯特林制冷机200的侧视图的总体框图，其示出了其与常规斯特林制冷机100的相似性，具有中心固定蓄热器和用作暖和冷活塞的两个MEMS隔膜，如图所示。图202示出了常规的基于MEMS的斯特林制冷机200的俯视图，其示出了常规的基于MEMS的斯特林制冷机200的相对较小的(在体积上和在沿着气流方向的长度上)蓄热器如何位于压缩空间和膨胀空间之间并且部分地位于连接两个空间的气体通道内。图A-A示出了沿着图202中的矩形切口A-A的侧视截面图，其再次示出了常规的基于MEMS的斯特林制冷机200的蓄热器的最小体积。
图3A-B示出了第二常规的基于MEMS的斯特林制冷机300。图3A示出了位于电路板301中的芯片302顶部的两个微冷却器阵列310，其中每个微冷却器阵列310包括多个单独的基于MEMS的竖直斯特林制冷机312。图3B示出了芯片302顶部的微冷却器阵列310的放大，包括多个基于MEMS的斯特林制冷机312。如图3B中所示，每个基于MEMS的斯特林制冷机312包括通过完全物理地布置在膨胀空间322和压缩机空间326之间的单独的蓄热器324耦合到单个压缩机致动器328和压缩机空间326的单个膨胀器致动器320和膨胀空间322。金属层热交换器314从芯片302提取热并将其传递到膨胀空间322中的气体，并且金属层热交换器316从压缩空间326中的气体提取热并将其传递到环境，类似于图1A的常规斯特林制冷机100。值得注意的是，在微冷却器阵列310中每个蓄热器324与所有其他蓄热器324分离，这限制了它们各自的体积，每个蓄热器沿着气流的方向相对较短(例如，如图3B中所示竖直)，并且每个蓄热器的横截面被限制到大约单个压缩和膨胀空间322和326的宽度，所有这些都用于限制蓄热器324的可用尺寸，并且由此限制微冷却器阵列310的可达到的冷却能力。
在每个常规的基于MEMS的斯特林制冷机200和300中，制冷机的暖端和冷端的邻近产生升高的热传导损失，从而导致制冷机效率的显著损失。相反，在暖端和冷端之间的较长距离减少了这种损失并提高了制冷机的效率，并且在存在任何明显的热负荷的情况下，达到低温通常需要这样的更长的距离。特别地，图2和3A-B中所示的制冷机结构通常不能产生低温冷却，至少是因为它们的基本结构不能容易地修改以增加它们的相应蓄热器的有效体积和功能。蓄热器的效率高度取决于其沿着工作气体的流动方向的长度，其气体接触表面面积和其质量(例如，质量通常与其储存热的能力成正比关系)。图2和3A-B中所示的制冷机设计为蓄热器留有相对较小的空间和气流长度，并且简单地修改其设计以增加其相应的蓄热器尺寸，例如将引入其他设计缺陷(例如，相对于蓄热器体积的泵送体积)，所述设计缺陷进一步降低了其用作制冷机的能力。而且，简单地增加它们的尺寸将不会导致冷却能力的明显增加。因而，这样的设计的制冷效率和冷却能力相对很小。即使对于这样的结构的较大阵列也是如此，因为这些结构的冷却能力与输入功率的比率不会因添加其他阵列元件而改变。
本MEMS低温冷却器的实施例通过提供一种MEMS膨胀器组件来解决这些效率和冷却能力问题，所述MEMS膨胀器组件通过气体输送管线与压缩机组件分离，所述气体输送管线至少通过允许两个组件彼此相对分开较远地形成/放置/间隔而使MEMS膨胀器组件与压缩机组件热解耦，由此限制暖压缩机组件和冷MEMS膨胀器组件之间的热泄漏。另外，MEMS膨胀器组件由多个膨胀器单元实现，每个膨胀器单元具有其自身的单元蓄热器，并且其中多个单元蓄热器布置成形成整个MEMS膨胀器组件的共用蓄热器，其大致占据整个MEMS膨胀器组件的占地面积，或至少多个膨胀器单元的总占地面积。这样的布置允许共用蓄热器具有与压缩机组件的尺寸和形状基本不相关的大小和形状，而且允许共用的蓄热器相对较大，由此增加MEMS低温冷却器的可达到的冷却能力，如本文所述。
图4A-B示出了根据本公开的实施例的MEMS低温冷却器。特别地，图4A示出了MEMS低温冷却器400的外部透视图，所述MEMS低温冷却器包括MEMS压缩机组件410，所述MEMS压缩机组件通过气体输送管线430与MEMS膨胀器组件440物理间隔并热解耦，使得仅气体输送管线430(例如，以及可能的共用衬底或支撑结构)在空间432上物理地连接MEMS压缩机组件410和MEMS膨胀器组件440。因而，气体输送管线430使MEMS膨胀器组件440与MEMS压缩机组件410流体连通。如图4A中所示，MEMS压缩机组件410包括多个单独的压缩机单元412，并且MEMS膨胀组件包括多个单独的膨胀器单元442。MEMS低温冷却器400产生从右到左的热流，在冷接口441处接受热(例如，从耦合到MEMS低温冷却器400的传感器系统)并在暖接口411处传热(例如，从MEMS低温冷却器400到辐射器或其他散热器)。MEMS压缩机组件410和MEMS膨胀器组件440中的每一个可以包括任何数量的压缩机或膨胀器单元，包括不同数量的单元。在各种实施例中，多个压缩机单元412可以相对于彼此基本布置在一个平面中，并且多个膨胀器单元442可以相对于彼此基本布置在一个平面中。
尽管在图4A中示出为管，但是气体输送管线430可以实现为配置成在MEMS压缩机组件410和MEMS膨胀器组件440之间输送工作气体并提供MEMS压缩机组件410和MEMS膨胀器组件440之间的热解耦和/或距离的通道或其他结构。在一些实施例中，MEMS压缩机组件410、MEMS膨胀器组件440和/或气体输送管线430可以使用普通的MEMS制造技术形成在单个衬底上。在其他实施例中，MEMS压缩机组件410，MEMS膨胀器组件440和气体输送管线430中的每一个可以独立形成并耦合在一起以形成MEMS低温冷却器400。在另外的其他实施例中，MEMS低温冷却器400可以用常规压缩机和/或气体输送管线代替例如MEMS压缩机组件440和气体输送管线430来实现，并且使用MEMS技术仅形成MEMS膨胀器组件440。
图4B示出了包括MEMS压缩机组件410的MEMS低温冷却器401的横截面内部视图，所述MEMS压缩机组件通过气体输送管线430与MEMS膨胀器组件440间隔并热解耦。如图4B中所示，MEMS压缩机组件410包括多个压缩机单元412，每个压缩机单元包括压缩体积415(例如，压缩单元体积)和由MEMS致动器418致动的MEMS压缩机417(例如，柔性隔膜或其他MEMS致动结构)。在MEMS压缩机组件410中还示出了通过共用气体通道416进入和离开压缩体积415，暖热交换器420和压缩机壳体422的双向气流414。在各种实施例中，压缩机单元412均可以包括共用气体通道的一部分(例如，单元气体通道)。在图4B所示的实施例中，压缩机壳体422封闭可以填充气体的后空间423以便于在MEMS压缩机组件410内的各种结构之间进行热传递并向MEMS压缩机417提供适当的背压以促进MEMS压缩机417的操作。在功能上，暖热交换器420、后空间423内的气体和压缩机壳体422用于从压缩体积415和共用气体通道416内的气体提取热并将提取的热传递到暖接口411，所述暖接口又可以耦合到散热器，例如大气辐射器和/或例如冷水容器。
同样如图4B中所示，MEMS膨胀器组件440包括多个膨胀器单元442，每个膨胀器单元包括膨胀体积445和由MEMS致动器448致动的MEMS置换器447(例如，柔性隔膜或其他MEMS致动结构)。在MEMS膨胀器组件440中还示出了通过共用蓄热器460进入和离开膨胀体积445，冷热交换器450和膨胀器壳体452的双向气流444。在图4B所示的实施例中，膨胀器壳体452封闭可以填充气体的后空间453，以便于在MEMS膨胀器组件440内的各种结构之间进行热传递，并向MEMS置换器447提供适当的背压以促进MEMS置换器447的操作。在功能上，冷热交换器450，后空间453内的气体和膨胀器壳体452用于从冷接口441传递热，所述冷接口又可以耦合到热源，例如电子装置490，例如压缩体积415和共用气体通道416内的气体。电子装置可以是传感器系统或传感器系统的一部分，例如FPA和/或红外相机的其他结构。值得注意的是，气体输送管430不包括任何蓄热器矩阵，其允许气体输送管相对较窄，这连同其长度一起可以帮助减少从压缩机组件410到MEMS膨胀器组件440的热泄漏。
与MEMS低温冷却器400一样，在一些实施例中，MEMS低温冷却器401可以用常规的压缩机和/或气体输送管线代替MEMS压缩机组件410和/或气体输送管线430来实现。在替代实施例中，MEMS低温冷却器401的大部分或全部结构可以使用普通的MEMS制造工艺在共同衬底上建立MEMS低温冷却器401的结构而形成。例如，MEMS致动器418和/或448都可以由基于压电致动器(例如，基于PZT(Pb[Zr，Ti]O3)的设计或其他基于压电的系统)，动圈马达，动磁马达和/或其他MEMS致动器来实现，其在每个MEMS压缩机组件410和/或膨胀器组件440上可以相同或不同。通常，这样的致动器的直径为几微米。
通常，MEMS膨胀器组件440可以实现为多级系统，所述多级系统包括由共用蓄热器460和每个膨胀体积445与共用蓄热器460之间的气体通道互连的一系列膨胀器单元442。每个膨胀器单元440产生其自身的增量冷却能力，其可以用于冷却MEMS膨胀器组件440的特定部分和/或总体上用于冷却耦合到冷接口441的电子装置490。通过根据典型的热力学斯特林循环(例如参考图1B描述的循环)改变膨胀体积445的体积来产生冷却能力。例如，MEMS置换器447的MEMS致动器448确定相对于系统压力和质量流量(例如，由MEMS压缩机组件410生成)的膨胀体积445的变化的相移、定时和幅度。
为了获得最佳的膨胀器性能，可以针对每个膨胀器单元442单独优化膨胀体积445的调制。这是有利的，原因是温度和其他边界条件沿着温度梯度变化，所述温度梯度是从膨胀器单元到膨胀器单元的温度下降(例如，从左到右)的积分结果。冷却电子装置490可以附接到MEMS膨胀器组件440上的最冷位置，例如图4B中所示的冷接口441，或者电子装置490或电子装置490的部分(例如，电源线，较大质量部件，和/或其他部分)可以例如在更高温度下附接在其他位置。特别地，共用蓄热器460相对于现有技术设计具有明显更高的效率。例如，共用蓄热器460：对于给定的膨胀器包络，具有相对较大的质量、体积和表面积；较大的液压直径，导致减少的气体压力损失；沿着气流方向的相对较大的蓄热器长度，导致沿着共用蓄热器460的长度的减小的传导损失。
通常，MEMS压缩机组件410可以由多个压缩机单元412实现，所述多个压缩机单元可以配置成同时压缩和置换/膨胀位于MEMS低温冷却器401的工作空间内的气体。通过减小所有压缩机单元412的压缩机体积415将气体泵送到MEMS膨胀器组件440中。增加压缩机体积415产生相反的效果。压缩机单元412产生的总质量流被合并并且通过共用气体通道416泵送到MEMS膨胀器组件440中(或从其泵送)。压缩的热的大部分在MEMS压缩机组件410处消除，这是典型的斯特林制冷机。气体输送管线430至少部分地将MEMS压缩机组件410与MEMS膨胀器组件440热解耦/绝热，并且这有助于减少向MEMS膨胀器组件440的热传递。MEMS压缩机417的MEMS致动器418确定压缩体积415的变化的相移、定时和幅度以生成系统压力和质量流量。
如图1A中所示的一般的常规斯特林制冷机和MEMS低温冷却器之间的一个基本区别是压缩和膨胀体积的尺寸。如果以与一般的常规斯特林制冷机相同的频率操作，则MEMS低温冷却器的相对较小的压缩和膨胀体积将大大限制其冷却能力，并且因此MEMS低温冷却器可以以一般的常规斯特林制冷机的大约十倍的频率(例如600Hz对60Hz)操作。然而，另外，共用蓄热器460的相对较大的气体体积会需要增加的压缩和膨胀体积，这会超过通过简单的MEMS致动的压缩机和膨胀器(例如，致动的柔性隔膜)容易实现的体积变化。仅增加操作频率通常不足以完全补偿减小的压缩与蓄热器体积比，这会导致减小的压力比和减小的总冷却能力。解决该问题的一种方式是将缓冲体积组件包含在压缩机/膨胀器单元内以增加其有效的压缩/膨胀体积，如本文中更完整的描述。
图5A示出了根据本公开的实施例的包括压缩机单元缓冲体积526和膨胀器单元缓冲体积556的MEMS低温冷却器500的简化框图。在图5A中，压缩机单元512包括图4B的压缩机单元412的所有特征，但是另外包含压缩机缓冲体积组件，所述压缩机缓冲体积组件包括在压缩体积415和暖热交换器420和/或共用气体通道416之间的压缩机阀524，缓冲体积阀525和缓冲体积526。类似地，膨胀器单元542包括图4B的膨胀器单元412的所有特征，但是另外包含膨胀器缓冲体积组件，所述膨胀器缓冲体积组件包括膨胀器阀554、缓冲体积阀555和缓冲体积556。通常，MEMS低温冷却器500包括多个压缩机单元512和膨胀器单元542。
在各种实施例中，MEMS低温冷却器500可以包括控制器592，所述控制器通过控制线594电耦合到压缩机单元512和膨胀器单元542，并且配置成在控制线594上提供控制信号，以至少控制MEMS压缩机417、MEMS置换器447、压缩机阀524、膨胀器阀554、缓冲体积阀525和555，和/或MEMS低温冷却器500的其他元件的操作。控制器592可以实现为单片装置，如图5A中所示，或者可以实现为分布式微控制器的选择，每个微控制器控制MEMS压缩器单元512和/或MEMS膨胀器单元542中的一个或多个的操作。在这样的分布式实施例中，每个微控制器可以用传感器和/或传感器接口实现以监视一个或多个单元的操作并调节一个或多个单元的操作，例如在检测到损坏或性能不佳的情况下停止操作(例如，将压缩机/膨胀器/缓冲体积与相应的压缩机单元/膨胀器单元组件的其余部分隔离)，增加或减小冷却能力(例如，通过相对于MEMS低温冷却器500的其他元件调节单元和/或组件操作的相位)，和/或以另外方式调节MEMS低温冷却器500的操作温度或性能。在各种实施例中，无论是实现为单片装置和/或实现为分布式微控制器的选择，控制器592都可以用一个或多个逻辑和/或模拟装置、电路和/或电路元件来实现，其配置成控制和/或感测MEMS压缩机单元512、MEMS压缩机组件410、MEMS膨胀器单元542和/或MEMS膨胀器组件440中的一个或多个的操作，如本文中所述。
阀524、525、554和555在一些实施例中可以实现为例如MEMS阀，如本文中更完整的描述。例如，阀524、525、554和555可以由压电致动器(例如，基于PZT(Pb[Zr，Ti]O3)的设计或其他基于压电的系统)、动圈马达、动磁马达和/或其他MEMS致动器来实现，其在每个MEMS压缩机组件410和/或膨胀器组件440上可以相同或不同。
通常，通过将阀524、525、554和555以及缓冲体积526和556添加到如图所示的压缩机单元512和/或膨胀器单元542中一个或多个可以相对于MEMS低温冷却器401增加MEMS低温冷却器500的有效压缩(和膨胀)体积。气体朝着最大目标压力的压缩可以通过在气体从缓冲体积526移动到压缩空间(例如，压缩机体积415，共用气体通道416，气体输送管线430和/或膨胀器单元542)中时多次致动MEMS压缩机417来实现。在膨胀过程期间，工作气体可以从压缩空间收集并且泵送到缓冲体积556中。
图5B示出了根据本公开的实施例的包括压缩机单元缓冲体积的MEMS低温冷却器的压缩子循环。在阶段1期间，压缩机阀524打开并且缓冲体积阀525关闭。气体在通过暖热交换器420之后由MEMS压缩机417移动进入MEMS低温冷却器500的其余部分。在压缩热的一部分释放到环境时压力增加一定量。在阶段2期间，压缩机阀524关闭并且缓冲体积阀525打开。MEMS压缩机417向相反方向移动以将气体从缓冲体积526吸入压缩体积415。在阶段3期间，一旦MEMS压缩机417到达完全打开位置并且压缩机阀524打开以准备系统往回移动到阶段1，缓冲体积阀525就关闭。重复整个循环，直到已达到压缩空间中的峰值期望气压。在从膨胀器单元542到压缩机单元512的基本上等容气体置换期间(例如，对应于从图1B中的步骤d到步骤a的过渡)，该过程反转以将工作气体泵送回到缓冲体积526中。对膨胀器单元542的缓冲体积组件执行类似的过程以通过将工作气体泵送到缓冲体积556中来膨胀和冷却工作气体，并且然后通过将气体从缓冲体积556泵出将气体置换回到压缩机单元512。
通常，类似于参考图5B描述的气体压缩过程，从膨胀体积445到缓冲体积556的增量气体去除增加了有效膨胀体积。MEMS压缩机417和MEMS置换器447通常在MEMS低温冷却器500内(几乎)正弦地移动(尽管有相位差)。这通常是操作共振运转压缩机组件和相移膨胀器组件的最有效方法。然而，配备有压缩机/膨胀器缓冲体积组件的MEMS低温冷却器500会不同地工作。MEMS低温冷却器500在两个频率下工作：基于在特定时间段内达到最大气压和置换体积所需的泵送或置换循环次数的阀切换频率；和斯特林冷却器循环频率。
图5C示出了根据本公开的实施例的包括压缩机单元缓冲体积526和膨胀器单元缓冲体积556的MEMS低温冷却器500的压缩循环和膨胀循环的图形。特别地，图形502示出了对于完整斯特林冷却循环绘制的作为时间的函数的正弦压力511和有效膨胀体积541。插图595再现为图形503，其详细示出了压缩机单元512和膨胀器单元542的压缩机和膨胀器缓冲体积组件如何随时间生成正弦压力511和有效膨胀体积541，相应的步骤597和599示出了例如来自缓冲体积526的气体通过压缩机阀524和缓冲体积阀525的作用而逐渐累积以生成相对较高的峰值压力，并且相同的气体通过膨胀器阀554和缓冲体积阀555的作用而逐渐吸入缓冲体积556中以生成相对较大的峰值膨胀体积，即使当两者都耦合到相对大量的蓄热器460时。
在一些实施例中，压缩机单元512和膨胀器单元542可以被布置和/或控制(例如，由控制器592)以提供数字机械机器或MEMS装置，其中在MEMS压缩机417，MEMS置换器447和阀524、525、554和555的操作状态之间的转变相对快速地致动，并且仅达到极限，例如完全打开(1)或关闭(0)(例如，对于阀524、525、554和555)或达到最小(1)和最大(0)压缩和膨胀状态(例如，对于MEMS压缩机417和MEMS置换器447)。例如，图5D示出了根据本公开的实施例的执行包括压缩机单元缓冲体积526和膨胀器单元缓冲体积556的MEMS低温冷却器500的制冷循环(例如，完整的斯特林循环)的致动器状态的表504。在各种实施例中，控制器592可以配置成实现表504的制冷循环，如图所示，由此将MEMS低温冷却器500用作数字机械机器，如本文所述。
如图5D以及表504和表504下方的MEMS低温冷却器500的图例图所示，MEMS压缩机417被标记为P列，压缩机单元缓冲体积526被标记为Vp列，压缩机阀524被标记为Vrw列，MEMS置换器447被标记为D列，膨胀器缓冲体积阀被标记为Vd列，并且膨胀器阀554标记为Vrc列。各种装置的致动由(1)(完全打开或最小压缩/膨胀)或(0)(完全关闭或最大压缩/膨胀)指示。从表504可以看出，致动压缩机单元512的压缩机缓冲体积组件以通过两个压缩子循环来压缩MEMS低温冷却器500的工作气体(步骤a->b，参考图1B的步骤a至d)，通过两个置换子循环来致动压缩机单元512和膨胀器单元542的压缩机和膨胀器缓冲体积组件以朝向膨胀器单元542置换工作气体(步骤b->c)，通过两个膨胀子循环来致动膨胀器单元542的膨胀器缓冲体积组件以使工作气体朝向膨胀器单元542膨胀(步骤c->d)，并且通过置换器子循环来致动压缩机单元512和膨胀器单元542的压缩机和膨胀器缓冲体积组件以朝向压缩机单元512置换工作气体(步骤d->a)。
可以设想其他制冷循环，其子循环的数量和/或顺序或布置与表504中所示不同。而且，尽管可以重复制冷循环504从而以设定的近似冷却能力继续冷却电子装置，但后续的循环可以替代地根据需要修改以增加或减小总冷却能力(例如，增加或减小输入功率需求)。在一些实施例中，数字制冷循环的行之间(例如，表504的行之间)的控制转变可以以基本上恒定的速率或频率发生。在其他实施例中，数字制冷循环内的某些子循环或单独控制转变可以在不同的选定频率下执行，例如，以调节单独控制转变、子循环和/或数字制冷循环作为整体的时间演变。例如，可以在反馈回路中执行这样的修改，例如通过使用向控制器592提供温度反馈的温度传感器(例如，电子装置490)。
图6示出了根据本公开的实施例的用于MEMS低温冷却器500的膨胀器单元542。在图6所示的实施例中，膨胀器单元542是四层MEMS结构(例如，使用四个材料层制造)，其用膨胀器缓冲体积组件、PZT致动器(例如，MEMS置换器447的膨胀器致动器448，以及MEMS膨胀器阀554和MEMS缓冲体积阀555的致动器)、单元热交换器650(例如，冷热交换器450的一部分)和单元蓄热器660(例如，共用蓄热器460的一部分)实现，所述单元蓄热器具有配置成根据通用双向气流444操作的蓄热器矩阵元件662。
例如，第一基础层可以是形成单元蓄热器660的硅层(例如，包括配置成帮助密封蓄热器660的衬底层)。第二层可以是形成单元热交换器650(例如，以及各种其他膨胀器单元结构)的金属层。第三层可以是膜层，例如用于形成用于MEMS置换器447的隔膜的柔性材料层。第四层可以是致动器层，并且包括能够形成致动器448和/或用于阀554和555的致动器的结构和材料，以及任何相关的电路659(例如，迹线和/或其他电路)，接口658(例如，焊盘，引线键合焊盘和/或其他接口)，以及用于膜层的背面支撑。在一些实施例中，膨胀器单元542可以包括切口680以促进将膨胀器单元彼此固定和/或将MEMS膨胀器组件固定到例如工作表面。
膨胀器单元542例如可以单独形成并组装成MEMS膨胀器组件，或者可以与其他类似的膨胀器单元一起形成以形成MEMS膨胀器组件，其可以包括为特定的冷却应用选择的膨胀器单元的布置，如本文更完整地所述。一般而言，每个膨胀器单元542通常可以形成有大约1平方毫米的长*宽的俯视表面积和在0.2至1毫米之间的高度(例如，如图所示，被单元蓄热器650大量占据)。由类似于膨胀器单元542的一组膨胀器单元实现的MEMS膨胀器组件可以配置成在一定温度范围内提供各种不同的冷却能力，从而将耗散高达大约170-200mW的装置冷却到大约200K至60K之间的温度，例如冷却到大约160K至110K之间的温度。在一些实施例中，当联接到适当的压缩机组件时，这样的膨胀器组件可以配置和/或布置成以大约77K提供大约1W的冷却能力(例如，跨越大约平方英寸的冷接口441)，并且可以在各种实施例中配置和/或布置成以大约77K提供大约5W的冷却能力。
图7A-C示出了根据本公开的实施例的用于MEMS低温冷却器500的膨胀器单元542的剖视图。例如，图7A是通过膨胀器单元542的中心的横截面图700，其示出了膨胀缓冲体积556、膨胀体积445和单元热交换器650的顶表面/腔。如图7A中所示，膨胀缓冲体积556可以在单元热交换器650和膨胀器单元基座764之间布置在单元蓄热器660(例如，和/或共用蓄热器440)内和/或集成在其中以便减少必要的MEMS层的总数。
图7B是通过图7A中的线B-B的自顶向下的截面图，其示出了膨胀器单元基座764的顶表面763(例如，其可以与单元蓄热器660的蓄热器矩阵元件662一体地形成)以及膨胀缓冲体积/室556相对于气流444的轮廓和相对位置。如图7B中所示，膨胀器单元542可以包括多个膨胀器单元缓冲体积556，其可以布置在膨胀器单元542的不同半部(例如，靠近相对侧)内并且基本上在单元蓄热器660内，并且可以沿着膨胀器单元542内的气流444的方向相对于它们的相对位置交错。
在一些实施例中，膨胀缓冲体积/室556的横截面轮廓可以在沿膨胀器单元542内的气流444的方向上是细长的，例如，具有相对平滑的横向侧(例如，单个连续的曲线表面)，其渐缩到膨胀缓冲空间/室556的前端/后端处的窄接合部，大致类似于美式足球的细长轮廓。在相关的实施例中，细长膨胀缓冲体积/室556沿着气流444的方向的长度可以是其宽度的大约两倍。由于普通的MEMS制造技术的典型局限，这样的横截面轮廓(例如，垂直于膨胀器单元基座764的平面观察)大体上从膨胀器单元基座764竖直延伸到例如单元热交换器650。
图7C是单元蓄热器660和蓄热器矩阵元件662的一部分的特写视图702，其示出了单独的蓄热器矩阵元件662相对于气流444的总体轮廓以及膨胀器单元542的总体平面布局。在各种实施例中，每个蓄热器矩阵元件662可以实现为与单元热交换器650和膨胀器单元基座764正交并在两者之间布置的支柱。而且，单独的蓄热器矩阵元件662的横截面轮廓(例如，从膨胀器单元基部764垂直观察)可以大致类似于相对于膨胀器单元542内的气流444的方向的膨胀缓冲体积/室556的横截面轮廓，但是更小。因而，蓄热器矩阵元件662的横截面轮廓可以是与通过膨胀器单元542的气流方向对准的细长横截面轮廓。
例如，图7D示出了根据本公开的实施例的用于MEMS低温冷却器500的膨胀器单元542的蓄热器矩阵元件662的布置的气体速度图703。图形703中所示的蓄热器矩阵元件662的每个横截面轮廓具有大致等于其宽度763的两倍的长度764。从图形703中再现的层流速度场可以看出，蓄热器矩阵元件662的细长横截面轮廓和其相对于气流444的取向产生不可辨别的流分离(例如，如后缘流744所示，其未示出层流从一个元件的表面分离或沿流动方向跳到相邻元件)和非常小的压降，这有助于增加共用蓄热器460和/或MEMS低温冷却器500的效率。
一般而言，可以调节蓄热器矩阵元件662的宽度763、长度764、纵向间隔765和横向间隔以限制或促进流动，例如，以便提供具有温度依赖粘度的已知工作气体流。蓄热器矩阵元件662可以由例如硅、掺杂硅和/或金属化/涂覆材料形成，以便于用作共用蓄热器460的一部分。
图8A示出了根据本公开的实施例的用于MEMS低温冷却器500的膨胀器单元542的剖视图。更具体地，图8A是通过图7A中的线C-C的自顶向下的横截面图，其示出了单元热交换器650的顶表面、单元热交换器650内以及膨胀体积445和膨胀器阀/膨胀器缓冲体积阀854/855(或其阀座)之间的气体通道846，所有这些都可以由单个MEMS层形成。
图8B示出了根据本公开的实施例的用于MEMS低温冷却器500的膨胀器单元542的MEMS置换器447的操作。在状态图801的左侧，将MEMS置换器447的MEMS致动器448断电以产生膨胀体积445的最大体积，通常通过气体通道846从单元蓄热器660、共用蓄热器460和/或膨胀器单元缓冲体积556(例如，取决于当前的阀设置)吸引工作气体并穿过单元热交换器650进入膨胀体积445。在状态图801的右侧，为MEMS致动器448通电以产生膨胀体积445的最小体积，通常将工作气体从膨胀体积445穿过单元热交换器650通过气体通道846排出并进入单元蓄热器660、共用蓄热器460和/或膨胀器单元缓冲体积556。
图9示出了根据本公开的实施例的用于MEMS低温冷却器500的压缩机单元512的MEMS压缩机417的操作。在状态图900的左侧，将MEMS压缩机417的MEMS致动器418断电以产生压缩体积415的最大体积，通常从共用气体通道416和/或压缩机单元缓冲区526(例如，取决于当前的阀设置)吸引工作气体通过气体通道916并穿过单元热交换器620进入压缩体积415。在状态图900的右侧，为MEMS致动器418通电以产生压缩体积415的最小体积，通常将工作气体从压缩体积415穿过单元热交换器620通过气体通道916排出并进入共用气体通道416和/或压缩机单元缓冲体积526。
图10A-B示出了根据本公开的实施例的用于MEMS低温冷却器的膨胀器单元的MEMS阀的操作。特别地，图10A示出了通过膨胀器阀554和膨胀器缓冲体积阀555的膨胀器单元542的横截面，其示出了膨胀体积445以及在膨胀体积445与膨胀器阀554和膨胀器缓冲体积阀555之间的气体通道846。在状态图1001中再现插入1054。
图10B示出了根据本公开的实施例的用于MEMS低温冷却器500的膨胀器单元542的MEMS膨胀器阀554的操作。在状态图1001的左侧，将MEMS膨胀器阀554的MEMS致动器1048断电以允许工作气体通过气体通道846和阀端口1050并且在膨胀体积445和单元蓄热器660和/或共用蓄热器460之间自由流动。在状态图1001的右侧，为MEMS致动器1048通电以使MEMS膨胀器阀554停止并阻塞阀端口1050，由此阻塞通过气体通道846和阀端口1050并且在膨胀体积445和单元蓄热器660和/或共用蓄热器460之间的工作气体的流动。类似的阀结构和操作可用于实现压缩机阀524和缓冲体积阀525、555中的任何一个。在一些实施例中，两个或更多个这样的阀结构可布置(例如，并联)并用于以阀上的相对较高的压力差控制气流。
如本文所述，本公开的实施例包括由膨胀器单元实现的MEMS膨胀组件，所述膨胀器单元可以被分组和/或布置成用于增加冷却能力和/或用于实现包括低温的相对较低的冷却温度。图11示出了根据本公开的实施例的用于MEMS低温冷却器500的MEMS膨胀器组件1140的膨胀器单元布置1142的框图。如图11中所示，对称膨胀器单元布置1142包括与气流411并联布置的三排膨胀器单元542，这导致在每个并联排内的膨胀器单元以大约相同的冷却能力和/或温度操作(例如，相对于共同耦合的热负荷)。另外，膨胀器单元布置1142包括沿着气流411的方向串联布置的三排膨胀器单元542，这导致每个串联排内的膨胀器单元以增加的冷却能力和减小的温度操作。
借助对一般趋势的了解，特定MEMS膨胀器组件内的膨胀器单元布置可以包括选定的多个膨胀器单元542，所述多个膨胀器单元彼此并联(相对于气流的方向)耦合以生成指定的冷却能力(例如，在给定温度下)，而附加的膨胀器单元542可以串联地(相对于气流的方向)耦合以生成期望的温度梯度。这样的膨胀器单元布置可以用于在特定温度和/或空间位置处提供特定的冷却能力，例如，在特定空间区域上提供特定的温度梯度，和/或对于MEMS低温冷却器500的特定总体设计体积内的给定热负荷，便于达到最高的冷却能力/最低的温度。
膨胀器单元组件内的各种膨胀器单元布置是可能的。例如，图12示出了根据本公开的实施例的用于MEMS低温冷却器500的MEMS膨胀器组件1240的梯形膨胀器单元布置1242。如图12中所示，MEMS膨胀器组件1240通过气体输送管线430耦合到压缩机组件，其允许气体在膨胀器单元542之间大体上沿着气流方向411在MEMS膨胀器组件1240的相对暖端和冷端之间流动。气体输送管430可以通过接口/夹具1232固定到MEMS膨胀器组件壳体1252，并且MEMS膨胀器组件壳体1252可以包括一个或多个固定特征(例如，螺钉孔和/或其他固定特征)1282，其配置成帮助将MEMS膨胀器组件1240固定到支撑结构和/或待冷却的电子装置。如图12中所示，MEMS膨胀器组件1240的膨胀器单元布置1242可以是梯形的，使得在较高的温度和较低的工作气体密度下每排使用更多的膨胀器单元542，并且在较低的温度下使用更少的膨胀器单元542(或更小的膨胀器单元542)，在较低的温度下工作气体的密度较高(例如，需要置换较少的体积，以便在特定膨胀器单元542处达到期望的冷却能力/部分冷却能力)。
图13示出了根据本公开的实施例的用于MEMS低温冷却器500的MEMS膨胀器组件1340的螺旋膨胀器单元布置1342。如图12中所示，MEMS膨胀器组件1340包括成对的膨胀器单元542，每对膨胀器单元具有膨胀器单元缓冲体积556，以对应于气流1344的螺旋布置进行布置并在冷端1343处终止。内螺旋通过螺旋绝缘体1336与外螺旋热解耦/绝缘，在一些实施例中所述螺旋绝缘体可以用真空空间或隔热材料来实现。在一些实施例中，MEMS膨胀器组件1340可以包括一个或多个气流解耦器1337，所述气流解耦器配置成使另外邻接的膨胀器单元子布置热解耦，以使这样的膨胀器单元子布置例如彼此热解耦或隔离，和/或使气流1344重新定向，如图所示。
同样如图1300所示，可以使用包括从硅蚀刻的MEMS制造技术一次形成多个这样的MEMS膨胀器组件1340(例如十二个或更多)。在一些实施例中，螺旋MEMS膨胀器组件1340可以是次级MEMS膨胀器组件，其耦合到初级MEMS膨胀器组件(例如，对称MEMS膨胀器组件1140，梯形MEMS膨胀器组件1240和/或其他MEMS膨胀器组件)的端部以提供例如具有增加的冷却效率和/或功率的局部螺旋图案化冷却表面。一般而言，螺旋MEMS膨胀器组件可以帮助提高MEMS冷却器杜瓦设计的形状因数，以使诸如热相机的冷却传感器系统小型化。例如，冷端1343和到红外相机的FPA的热接口可以位于螺旋MEMS膨胀器组件的中心，并且到FPA的引线可以沿着沿螺旋逐渐增加的温度分布。
如上所述，有可能将MEMS膨胀器组件与常规压缩机组件而不是MEMS压缩机组件配对，但仍可获得本文所述的许多益处。图14示出了根据本公开的实施例的包括线性压缩机1410的MEMS低温冷却器1400。例如，在一些实施例中，图5A的控制器592可以配置成控制线性压缩机1410和MEMS膨胀器组件1240的操作以提供操作的MEMS低温冷却器1400，其中MEMS膨胀器组件1240通过气体输送管线1400与线性压缩机1410间隔并热解耦，如图所示。图15是根据本公开的实施例的用于MEMS低温冷却器1400的线性压缩机1410的框图。如图15中所示，线性压缩机1410包括压缩体积1515，所述压缩体积由往复活塞1517压缩以通过气体通道1516(例如，其耦合到气体输送管线430)在工作气体中产生质量流和/或压力波。往复活塞1517可以由线性马达/马达部件1518致动。所有这样的部件可以在压缩机壳体1520内密封在一起，所述压缩机壳体可以包括弹跳空间1523以允许往复活塞1517和各种马达部件1518的运动。
图16示出了根据本公开的实施例的用于MEMS低温冷却器的MEMS致动器1617的操作。在状态图1600的左侧，将致动器1617断电，这导致相应的MEMS置换器、压缩机或阀大体上与例如组成的隔膜或膜层的静止形状相符。在状态图1600的右侧，为致动器1617通电，由此响应于24伏的施加电压使组成隔膜在其中心变形约5um，如图所示。这样的致动变形可以用于实现本文所述的任何MEMS致动阀、膨胀器、压缩机和/或其他部件。
图17是示出根据本公开的实施例的用于操作MEMS低温冷却器的方法的流程图。过程1700的一个或多个部分可以由控制器592并且利用参考图1A-16描述的MEMS制冷机/低温冷却器的任何元件来执行。应当理解，可以以与图17所示的实施例不同的顺序或布置来执行过程1700的任何步骤、子步骤、子过程或框。在一些实施例中，过程1700的任何部分可以循环地实现，从而例如在制冷循环中连续操作。
在框1702处，在MEMS制冷机内压缩工作气体。例如，控制器592可以配置成控制线性压缩机1410或MEMS压缩机组件410以在MEMS制冷机1400和/或400内压缩工作气体，类似于图1B中从步骤a到步骤b的转变。在包括具有膨胀器单元缓冲体积的MEMS压缩机组件的实施例中，框1702可以包括类似于在图5D的表504中描述和示出的一个或多个压缩子循环。
在框1704处，将工作气体的一部分置换到MEMS制冷机的MEMS膨胀器组件中。例如，控制器592可以配置成控制线性压缩机1410或MEMS压缩机组件410和MEMS膨胀器组件1440或440以将MEMS制冷机1400和/或400内的工作气体的一部分置换到相应的MEMS膨胀器组件中，类似于图1B中从步骤b到步骤c的转变。在包括具有膨胀器单元缓冲体积的MEMS压缩机组件的实施例中，框1704可以包括类似于在图5D的表504中描述和示出的一个或多个冷置换子循环。
在框1706处，在MEMS制冷机内膨胀工作气体。例如，控制器592可以配置成控制MEMS膨胀器组件1440或440以膨胀MEMS制冷机1400和/或400内的工作气体，类似于图1B中从步骤c到步骤d的转变。在包括具有膨胀器单元缓冲体积的MEMS压缩机组件的实施例中，框1706可以包括类似于在图5D的表504中描述和示出的一个或多个膨胀子循环。
在框1708处，将工作气体的一部分置换到MEMS制冷机的压缩机组件中。例如，控制器592可以配置成控制线性压缩机1410或MEMS压缩机组件410和MEMS膨胀器组件1440或440以将MEMS制冷机1400和/或400内的工作气体的一部分置换到相应的压缩机组件中，以将热从MEMS膨胀器组件传递到压缩机组件，类似于在图1B中从步骤d到步骤a的转变。在包括具有膨胀器单元缓冲体积的MEMS压缩机组件的实施例中，框1706可以包括类似于图5D的表504中描述和示出的一个或多个冷置换子循环。因此，有利地包括如本文所述的MEMS膨胀器组件的MEMS低温冷却器/制冷机可以被操作以冷却耦合的电子装置。
图18是示出根据本公开的实施例的用于制造MEMS低温冷却器的方法的流程图。过程1800的一个或多个部分可以由MEMS制造系统(例如，材料生长，蚀刻，图案化和/或其他MEMS制造子系统)和/或其他制造系统执行，所述其他制造系统可以配置成形成参考1A-16描述的MEMS制冷机/低温冷却器和/或其他电子装置，传感器系统和/或红外相机的任何元件。应当理解，可以以与图18所示的实施例不同的顺序或布置来执行过程1800的任何步骤、子步骤、子过程或框。在一些实施例中，过程1800的任何部分可以循环地执行，从而例如在制造组装线中形成多个MEMS低温冷却器。
在框1802处，形成MEMS膨胀器组件。例如，MEMS制造系统可以配置成形成MEMS膨胀器组件540，其包括多个膨胀器单元542，每个膨胀器单元包括MEMS置换器447、单元蓄热器660，以及布置在MEMS置换器447和单元蓄热器660之间的膨胀体积445。如本文所述，相应的多个单元蓄热器可以配置成组合以形成用于MEMS膨胀器组件540的邻接共用蓄热器460。
在一些实施例中，多个膨胀器单元542中的至少一个包括膨胀器缓冲体积组件，并且形成MEMS膨胀器组件包括在蓄热器单元660中形成膨胀器单元缓冲体积556，形成布置在至少一个膨胀器单元542的膨胀器单元缓冲体积556和膨胀体积445之间的缓冲体积阀555，并且形成布置在膨胀体积445和单元蓄热器660之间的膨胀器阀554。单元蓄热器660本身可以包括多个蓄热器矩阵元件662，并且每个蓄热器矩阵元件662的特征可以在于与通过至少一个膨胀器单元542的气流444的方向对准的细长横截面轮廓。
在框1804处，形成压缩机组件。例如，制造系统可以配置成提供或形成线性压缩机1410。在压缩机组件是MEMS压缩机组件的实施例中，MEMS制造系统可以配置成形成MEMS压缩机组件510，其包括多个压缩机单元512，每个压缩机单元包括MEMS压缩机417、单元热交换器420、以及布置在MEMS压缩机417和单元热交换器420之间的压缩体积415。
在一些实施例中，多个压缩机单元512中的至少一个包括压缩机缓冲体积组件，并且形成MEMS压缩机组件包括形成压缩机单元缓冲体积526，形成布置在至少一个压缩机单元512的压缩机单元缓冲体积526和压缩体积415之间的缓冲体积阀525，并且形成布置在压缩体积415和单元热交换器420之间的压缩机阀524。
在框1806处，将MEMS膨胀器组件放置成与压缩机组件流体连通。例如，组装系统可以配置成将MEMS膨胀器组件540耦合到气体输送管线430的一个端部，并且将线性压缩机1410或MEMS压缩机组件410耦合到气体输送管线430的另一端部，以便形成MEMS制冷机/低温冷却器1400或400。因此，形成包含MEMS膨胀器组件的MEMS制冷机，所述膨胀器组件具有与压缩机组件热解耦的改进的共用蓄热器，以便增加总体冷却能力，如本文所述。
在适用的情况下，可以使用硬件、软件或硬件和软件的组合来实现由本公开提供的各种实施例。同样在适用的情况下，在不脱离本公开的精神的情况下，本文中阐述的各种硬件部件和/或软件部件可以被组合成包括软件、硬件和/或两者的复合部件。在适用的情况下，在不脱离本公开的精神的情况下，本文阐述的各种硬件部件和/或软件部件可以被分成包括软件、硬件或两者的子部件。另外，在适用的情况下，可以预期软件部件可以实现为硬件部件，反之亦然。
可以将根据本公开的软件(如非暂时性指令，程序代码和/或数据)存储在一个或多个非暂时性机器可读介质上。还预期可以使用联网和/或以其他方式的一个或多个通用或专用计算机和/或计算机系统来实现本文中标识的软件。在适用的情况下，可以改变本文描述的各种步骤的顺序，组合为复合步骤，和/或分成子步骤以提供本文描述的特征。
上述实施例说明但不限制本发明。还应当理解，根据本发明的原理，可以进行多种修改和变化。因此，本发明的范围仅由以下权利要求限定。

Claims (20)

1.一种系统，所述系统包括：
压缩机组件；以及
微机电系统(MEMS)膨胀器组件，所述微机电系统膨胀器组件经由气体输送管线与所述压缩机组件流体连通，所述气体输送管线配置成将所述MEMS膨胀器组件与所述压缩机组件物理分离并热解耦，其中：
所述MEMS膨胀器组件包括多个膨胀器单元，每个膨胀器单元包括MEMS置换器、单元蓄热器以及布置在所述MEMS置换器和所述单元蓄热器之间的膨胀体积，并且
所述多个单元蓄热器配置成组合以形成用于所述MEMS膨胀器组件的邻接共用蓄热器。
2.根据权利要求1所述的系统，其中：
所述多个膨胀器单元中的至少一个包括膨胀器缓冲体积组件；以及
所述膨胀器缓冲体积组件包括膨胀器单元缓冲体积、布置在所述至少一个膨胀器单元的所述膨胀体积和所述膨胀器单元缓冲体积之间的缓冲体积阀、以及布置在所述至少一个膨胀器单元的所述单元蓄热器和所述膨胀体积之间的膨胀器阀。
3.根据权利要求2所述的系统，其中：
所述膨胀器单元缓冲体积布置在所述至少一个膨胀器单元的所述单元蓄热器内；并且
所述膨胀器单元缓冲体积包括与通过所述单元蓄热器的气流方向对准的细长横截面轮廓。
4.根据权利要求2所述的系统，其中：
所述MEMS置换器、所述膨胀器阀或所述缓冲体积阀包括MEMS致动器。
5.根据权利要求1所述的系统，其中：
所述单元蓄热器包括多个蓄热器矩阵元件；并且
每个蓄热器矩阵元件包括与通过所述至少一个膨胀器单元的气流方向对准的细长横截面轮廓。
6.根据权利要求1所述的系统，其中：
所述压缩机组件包括MEMS压缩机组件；并且
所述MEMS压缩机组件包括多个压缩机单元，每个压缩机单元包括MEMS压缩机、单元热交换器以及布置在所述MEMS压缩机和所述单元热交换器之间的压缩体积。
7.根据权利要求6所述的系统，其中：
所述多个压缩机单元中的至少一个包括压缩机缓冲体积组件；并且
所述压缩机缓冲体积组件包括压缩机单元缓冲体积、布置在所述至少一个压缩机单元的压缩机体积和所述压缩机单元缓冲体积之间的缓冲体积阀、以及布置在所述至少一个压缩机单元的所述单元热交换器和所述压缩机体积之间的压缩机阀。
8.根据权利要求6所述的系统，其中：
所述压缩机单元缓冲体积布置在所述至少一个压缩机单元的单元气体通道内；并且
所述压缩机单元缓冲体积包括与通过所述单元气体通道的气流方向对准的细长横截面轮廓。
9.根据权利要求1所述的系统，还包括控制器，所述控制器配置成控制所述压缩机组件和/或所述MEMS膨胀器组件的操作，其中：
所述MEMS膨胀器组件包括对称的、梯形或螺旋形膨胀器单元布置。
10.根据权利要求9所述的系统，其中：
所述压缩机组件包括线性压缩机；并且
所述多个膨胀器单元中的至少一个包括布置在所述至少一个膨胀器单元的所述单元蓄热器内沿着所述单元蓄热器内的气流方向具有交错相对位置的两个或更多个膨胀器单元缓冲体积。
11.根据权利要求1所述的系统，还包括电子装置，其中：
所述电子装置耦合到所述MEMS膨胀器组件；并且
所述电子装置包括传感器系统或红外相机的至少一部分。
12.一种方法，所述方法包括：
形成微机电系统MEMS膨胀器组件，其中，所述MEMS膨胀器组件包括多个膨胀器单元，每个膨胀器单元包括MEMS置换器、单元蓄热器、以及布置在所述MEMS置换器和所述单元蓄热器之间的膨胀体积，并且其中，所述多个单元蓄热器配置成组合以形成用于所述MEMS膨胀器组件的邻接共用蓄热器；
使所述MEMS膨胀器组件经由气体输送管线与压缩机组件流体连通，其中，所述气体输送管线配置成将所述MEMS膨胀器组件与所述压缩机组件物理分离并热解耦。
13.根据权利要求12所述的方法，其中：
所述多个膨胀器单元中的至少一个包括膨胀器缓冲体积组件；并且
形成所述MEMS膨胀器组件包括在所述单元蓄热器中形成膨胀器单元缓冲体积、形成布置在所述至少一个膨胀器单元的所述膨胀体积和所述膨胀器单元缓冲体积之间的缓冲体积阀、以及形成布置在所述至少一个膨胀器单元的所述单元蓄热器和所述膨胀体积之间的膨胀器阀。
14.根据权利要求12所述的方法，其中：
所述单元蓄热器包括多个蓄热器矩阵元件；并且
每个蓄热器矩阵元件包括与通过所述至少一个膨胀器单元的气流方向对准的细长横截面轮廓。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述压缩机组件包括MEMS压缩机组件，所述方法还包括：
形成所述MEMS压缩机组件，其中，所述MEMS压缩机组件包括多个压缩机单元，每个压缩机单元包括MEMS压缩机、单元热交换器、以及布置在所述MEMS压缩机和所述单元热交换器之间的压缩体积。
16.根据权利要求15所述的方法，其中：
所述多个压缩机单元中的至少一个包括压缩机缓冲体积组件；并且
形成所述MEMS压缩机组件包括形成压缩机单元缓冲体积、形成布置在所述至少一个压缩机单元的所述压缩机体积和所述压缩机单元缓冲体积之间的缓冲体积阀、以及形成布置在所述至少一个压缩机单元的所述单元热交换器和所述压缩机体积之间的压缩机阀。
17.根据权利要求12所述的方法，其中，所述MEMS膨胀器组件、所述气体输送管线和所述压缩机组件被耦合以形成MEMS制冷机，所述方法还包括：
使用所述压缩机组件压缩所述MEMS制冷机内的工作气体；
使用所述压缩机组件和所述MEMS膨胀器组件将工作气体的至少第一部分置换到所述MEMS膨胀器组件中；
使用所述MEMS膨胀器组件膨胀所述MEMS制冷机内的工作气体；以及
使用所述压缩机组件和所述MEMS膨胀器组件将工作气体的至少第二部分置换到所述压缩机组件中，以将热从所述MEMS膨胀器组件传递到所述压缩机组件。
18.一种方法，所述方法包括：
将微机电系统MEMS制冷机的工作气体的至少第一部分置换到所述MEMS制冷机的MEMS膨胀器组件中，其中，所述MEMS膨胀器组件包括多个膨胀器单元，每个膨胀器单元包括MEMS置换器、单元蓄热器以及布置在所述MEMS置换器和所述单元蓄热器之间的膨胀体积，并且其中，所述多个单元蓄热器配置成组合以形成用于所述MEMS膨胀器组件的邻接共用蓄热器；以及
使用所述MEMS膨胀器组件膨胀所述MEMS制冷机内的工作气体。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括：
在置换工作气体的第一部分之前，使用所述MEMS制冷机的压缩机组件压缩所述MEMS制冷机内的工作气体，其中，所述MEMS膨胀器组件经由气体输送管线与所述压缩机组件流体连通，所述气体输送管线配置成将所述MEMS膨胀器组件与所述压缩机组件物理分离并热解耦。
20.根据权利要求18所述的方法，还包括：
在膨胀工作气体之后，将工作气体的至少第二部分置换到所述MEMS制冷机的压缩机组件中，从而将热从所述MEMS膨胀器组件传递到所述压缩机组件。
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