CN1653274A

CN1653274A - 微机械元件

Info

Publication number: CN1653274A
Application number: CNA038102277A
Authority: CN
Inventors: 凯文·史密斯; 约瑟夫·塞菲; 朱利安·沙普利; 彼得·马蒂诺
Original assignee: Starbridge Systems Ltd
Current assignee: Starbridge Systems Ltd
Priority date: 2002-03-23
Filing date: 2003-03-21
Publication date: 2005-08-10
Also published as: DE60315616D1; EP1490601B1; ATE370338T1; US20060044084A1; EP1490601A1; WO2003081052A1; AU2003214432A1

Abstract

用于元件如阀或泵的致动器包括柔性材料的室或膜盒(30)，所述室或膜盒(30)被安装在基片(18)上。在膜盒(30)内是一些热气动材料(32)(即，加热时体积膨胀的材料)。同样被放置在膜盒(30)内的还有红外线辐射吸收层(16)。在使用时，红外线辐射在位于或接近红外线辐射吸收层(16)的位置处被施加到膜盒(30)，由此导致膜盒(30)内的热气动材料(32)被加热。当热气动材料(32)被加热时，它的体积膨胀并且导致形成膜盒(30)的柔性材料的运动，即它导致其机械运动。当热气动材料(32)冷却时，它返回到其原始的体积并且膜盒的柔性材料相应地返回到其原始的位置。

Description

微机械元件

背景技术

本发明涉及一种系统元件，其操作要求向至少其一部分提供热；以及涉及一种包括一个或更多个如此元件的系统。

存在许多不同的采用至少一个需要被加热以实现其操作的元件的系统和设备。在现有技术的系统和设备中，如此元件通常通过要求使用到每个元件的两个连接的电，典型地电阻加热器而得到加热。显然地，在系统或设备内所采用的这种元件的数量越多，则为实现加热操作所要求的电连接的数量越多，其显著地增加了最后所得到的电路的复杂性并且限制了在单系统或设备中可以采用的元件数量。具有同样问题的其它类型致动机构包括静电致动设备、压电致动设备、使用电加热器或热电泵以提供所要求的温升的热气动致动设备以及借助于电流而被加热的双金属带和形状记忆合金。

在采用微元件的系统和设备情况下这尤其是所不希望的。这种系统典型地包括大量微元件的三维布置。然而，在每个微元件均要求机械致动的情况下，考虑到每个致动器所要求的单独连接对，则最后所得到的系统相对复杂，并且在任何一个系统中可以使用的微元件数量也被严重地加以限制。

GB专利申请GB-2150 780-A说明了一种用于对受控设备，例如液压阀进行远程致动的光学致动器。例如来自激光器的光功率经由光纤被传输到受控设备，在此它落在热吸收表面上面，其结果是操纵受控设备的输出棒得到驱动。通过提供挥发性流体(例如氟里昂)这可以被实现，当所述挥发性流体由光功率加热时其蒸发以驱动波纹管、双金属带、恒温类型膜盒或记忆金属带。

GB-2072 756-A说明一种引擎，其包括其上安装有第一和第二相应滑轮的第一和第二轴。由形状记忆合金组成的单皮带被串(train)在滑轮上，所述皮带在第一区域被加热且在第二区域被冷却。当被冷却时受到加热的皮带收缩以在滑轮上产生驱动力矩。

国际专利申请号WO 98/38931说明了一种具有热吸收构件的导管(catheter)微夹，电磁能(例如热、激光)经由光纤被传递到所述热吸收构件。电磁能到机械功率转换器被连接以接收电磁能并且从机械上对微夹进行致动。

US专利号6,166,361说明了一种致动器，其包括由脆性金属封闭(closure)所包容在贮存器(reservoir)内的活塞和加压流体。所述封闭由微波辐射来加热以允许流体膨胀并且向上推动活塞，其运动导致在致动器外部的位置位移。

德国专利说明号DE-2908694-A说明了一种用于驱动例如水泵的驱动单元。所述驱动单元包括被热气动材料所填充的室并且在所述室内放置有活塞。热气动材料可包括例如腊、石腊、硬脂等，并且在快速将所述热气动材料加热到熔化温度之上或冷却到所述温度之下期间，所述单元利用体积变化来移动活塞。所述材料靠环绕所述室的热传递介质而被加热和冷却，并且优选地加热是借助于太阳辐射而实现。

除了对双金属部件采用交替的加热(通过太阳辐射)和冷却以使气缸内的活塞产生位移以外，德国专利说明号DE-2944732-A说明了一种类似于DE-2908694-A中驱动单元的驱动单元。

日本专利说明号JP-61070175-A说明了一种包括处于半导体形式的光开关部件的致动器。红外光经由光纤被传输到半导体上。如果半导体的温度低，则IR光穿过它到达第二光纤，经由所述第二光纤所述光被传输到可热变形的金属上。因此，可热变形的金属被加热以便于它膨胀并且产生机械移动。然而，如果温度高，则它吸收红外光以便于它并不被传输到第二光纤。因此，可热变形的材料被冷却且收缩以产生机械运动。

日本专利说明号JP-8326648-A说明了一种光驱动致动器，其包括带有与光纤对准的热传导层的形状记忆合金构件。来自激光器的光被传输到形状记忆合金的中心(经由光纤)。热传导层导致能量快速地扩散到整个形状记忆合金以对其加热并且产生致动力。

英国专利号1 540 330说明了一种通过加热(靠辐射)和冷却转子的双金属叶片来产生力矩的测微计。

然而，没有一个上述所说明的布置尤其适合于在采用微元件的系统或设备中使用。

发明内容

现在我们已经设计出一种经改善的布置，其克服了上面所概述的问题。根据本发明，提供有一种元件，至少其一部分要求得到加热以实现其操作，所述元件包括至少其一部分是由柔性材料所形成的室，所述室容纳着热气动材料，借此当所述热气动材料被加热时，它在室内膨胀从而导致所述柔性材料的运动，所述热气动材料借助于电磁辐射被加热。

因此所述元件的有源部分被设置成吸收电磁辐射(优选地选择性地，并且可能地在具体波长处)以便于在元件的有源部分内产生热。元件可例如被涂上电磁辐射吸收层或(至少部分地)由电磁吸收材料制作成。

因此，元件包括被设置用于响应于温升而产生机械运动的装置。这在阀、泵、镜、透镜等的致动器情况下，特别是在这种元件是微元件的情况下尤为有用，其中系统包括多个这样的元件以及它们相应的致动器。

热气动材料(即经历响应于相变(响应于温升)的体积膨胀的材料可包括蜡等)。室有利地被提供有(或至少被部分地涂有)电磁辐射吸收层以便于所要求的温升可以通过向其上施加电磁辐射而得以实现。

有机材料如聚合物和蜡吸收处在具体波长处的红外线。这是靠材料化学结构中的某些化学键的存在而被加以确定。由于存在被确定数量的可能化学键这一事实，有机材料也对未被不同化学组范围所吸收的红外线区域中的某些波长完全透明。有利地是采用并不被有机材料所吸收的红外线波长以取得通过可用在热气动致动设备结构中的材料的优良透射率。这些材料包括工程聚合物和塑料以及玻璃和硅。在热气动设备中的红外线吸收元素，典型地为蜡，在这些具体红外线波长处在其自然的未加以修改的状态下将不吸收，并且因此将不得不被化学性地加以修改，将添加剂引入到蜡中，或新材料将不得不被化学地合成以赋予材料上的吸收。

上面所说明的布置的使用，即并不被结构材料所吸收的红外线波长以及为吸收这个波长而对热气动材料的修改导致对能量吸收的局部化并且因此将加热局部化到热气动材料而不是到周围的结构材料。显著的优点在于功率消耗、功率传送的控制和热管理等方面。

另一优点涉及将辐射能量传送到设备所需要的光学系统。使用正常地并不被有机材料所吸收的波长导致有能力将并不昂贵且通常可得到的材料和方法用于这个过程。举例说明，甚至在非常高的能量透射密度下使用聚合物和玻璃光学元件将是可能的。

本发明扩展到提供包括多个上面所定义的元件的系统。在这种元件是微元件的情况下，所述系统可包括微元件例如微阀和它们相应的致动器的三维阵列。在本发明的一个实施例中，需要电磁能量以实现其加热的每个元件可包括它本身，可能地是内部的电磁能量源。在提供内部电磁源如LED或激光器二极管的情况下，这可代替外部电磁源或除外部电磁源以外的电磁源。在一个具体的实施例中，其中系统包括多个元件，这种元件优选地被从相同的一个或更多个电磁能量源被供给。在一个具体的实施例中，包括多个元件的系统的电磁能量源可包括至少两个源，所述源被设置成相交在需要被加热的元件位置处。

元件优选地被安置在基片上，并且电磁能量源可包括一个或更多个被聚焦的或激光束(在所述情况下元件典型地直接由源来照射)、光发射二极管、激光器二极管、任何其它的激光器或白炽光源。电磁辐射可经由一个或更多个光学波导或光纤被提供给元件。因此，在本发明的一个实施例中，元件及辐射源的相对位置可被固定，使辐射源如所要求被开启和断开以使元件致动。

在本发明的另一实施例中，辐射源和/或元件(或其上安装有元件的基片)相对于彼此可移动。因此，电磁辐射源可被移动以便于被导引到元件本身(或需要被加热的元件的至少一部分)上或被导引到一个或更多个光学波导或光纤的可达到的光学小面处，如适当地。在上述所提及的实施例中，其中要求两个或更多个源在具体的位置相交，或者这个或者那个源可移动以便于改变源的相交点。

在另一实施例中，元件(或其上安装有元件的基片)可相对于辐射源(或两个或更多源的相交点)被移动，这样需要被加热以实现其操作的元件(或元件的一部分)可如所需要移进或移出致动源。作为另外选择地，或此外，光学波导或光纤的可接近光学小面如所需要可相对于辐射路径或两个或更多个源的相交点被移动。

在一个特定的实施例中，元件可被安装在致密盘(CD)等上面，所述盘相对于被导引到CD播放器平面上具体点处的一个或更多个辐射源旋转，这样在CD正在旋转时，当所选择的元件穿过这些具体点时，则其进入并且离开辐射路径。辐射源还可同时地或以别的方式被移动。

附图说明

现在仅借助于实例，并且参考所附的附图将详细说明本发明的实施例，其中：

图1是根据本发明第一示范性实施例的致动器的示意性横断面侧视图；

图2是根据本发明第二示范性实施例的致动器的示意性横断面侧视图；

图3是根据本发明第三示范性实施例的致动器的示意性横断面侧视图；

图4是图1、2或3中致动器的透视图；

图5是根据本发明第六示范性实施例的致动器的示意性横断面侧视图；

图6是根据本发明第七示范性实施例的致动器的示意性横断面侧视图；

图7是根据本发明第八示范性实施例的致动器的示意性横断面侧视图；

图8是根据本发明示范性实施例包括多个致动器的三维系统的透视图；

图9是根据本发明另一示范性实施例的系统的示意性侧视图；

图10是包括一个或更多个根据本发明另一示范性实施例的元件的流体平台，以及用于接收所述流体平台的基底单元的示意性透视图；

图11A和11B是示例图12中流体结构方法的示意性横断面视图；

图12是图10中流体平台的示意性横断面视图；

图13是图12中流体平台的示意性平面视图；

图14A和14B是图12中流体平台(当使用时)的示意性横断面视图；

图15是对根据本发明示范性实施例的元件或系统的配置的示意性示例；

图16是根据本发明示范性实施例的微阀的示意性横断面视图；

图17是根据本发明另一示范性实施例的微阀的示意性横断面视图；

图18A、B和C示例用在根据本发明示范性实施例的元件或系统中的可能的致动器隔膜(diaphragm)结构；

图19是根据本发明另一示范性实施例的微阀的示意性横断面视图；

图20是根据本发明另一示范性实施例的微阀的示意性横断面视图；

图21是根据本发明另一示范性实施例的微阀的示意性横断面视图；

图21A是图21中阀的阀膜(membrane)的平面视图；

图22是根据本发明另一示范性实施例的微阀的示意性横断面视图；

图23是根据本发明另一示范性实施例的微阀的示意性横断面视图；

图23A是图23中设备的致动器体的基底的平面视图；

图24是根据本发明另一示范性实施例的微阀的示意性横断面视图；

图25是冷却根据本发明另一示范性实施例的微阀的方法示意性示例；

图26是根据本发明另一示范性实施例的微阀的示意性横断面视图；

图27是根据本发明另一示范性实施例的微阀的示意性横断面视图；

图27A是图27中设备的致动器体的基底的示意性平面视图；

图28是根据本发明另一示范性实施例的微阀的示意性横断面视图；

图28A是图28中设备的致动器体的基底的示意性平面视图；

图29是示例蜡贮存器阵列的示意性平面视图；

图30是包括贮存器隔离器结构的蜡贮存器阵列的示意性平面视图；

图30A和30B是示例两个蜡贮存器之间的示范性贮存器隔离器结构的结构示意性视图；

图31是蜡贮存器阵列的示意性透视图；

图31A是图31中布置的示意性横断面视图；

图32是根据本发明另一示范性实施例的微阀的示意性横断面视图，其示例照明的一个方法；

图33是将电磁能量传送到根据本发明示范性实施例的微阀的蜡贮存器的可能方法的示意性示例；

图33A是通过图33中断面A-A的示意性横断面视图；

图34是将电磁能量传送到根据本发明示范性实施例的微阀系统的蜡贮存器的另一方法的示意性示例；

图34A是通过图34中断面A-A的示意性横断面视图；

图35是将电磁能量传送到根据本发明示范性实施例的微阀系统的蜡贮存器的又一可能方法的示意性示例；

图36是对用于提供照明的LED矩阵的示意性示例；

图37是用于提供照明的光纤束的示意性透视图；

图38是将电磁能量传送到根据本发明示范性实施例的微阀系统的蜡贮存器的另外又一可能方法的示意性表示；

图39是将电磁能量传送到根据本发明示范性实施例的微阀系统的蜡贮存器的另外又一可能方法的示意性表示；

图40是根据本发明示范性实施例的微阀系统的示意性透视图；

图41A，B和C是根据本发明另一示范性实施例的微阀(当使用时)的示意性横断面视图；

图42A，B和C是根据本发明另一示范性实施例的微阀(当使用时)的示意性横断面视图；

图43是采用根据本发明示范性实施例的一个或更多个元件的胰岛素(insulin)泵的示意性示例；

图44是适合于用在图43中布置中的泵的示意性横断面；

图45是适合于用在图43中布置中的阀的示意性横断面；以及

图46是图43中泵的另外选择性配置的示意性横断面。

虽然在此特别地提及微阀，但是将要理解为本发明可同等地适用于任何流体元件，包括广义地阀和流体泵浦室。

具体实施方式

参考所附附图的图1，根据本发明第一示范性实施例的致动器包括柔性材料的室或膜盒(capsule)30，所述室或膜盒30被安装在基片18上。在膜盒30内的是一些热气动材料32。同样被放置在膜盒30内的还有红外线辐射吸收层16。在使用时，在位于或接近红外线辐射吸收层16的位置处红外线辐射被施加到膜盒30，由此导致膜盒30内的热气动材料32被加热。当热气动材料32被加热时，它的体积膨胀并且导致形成膜盒30的柔性材料的运动，即它导致其机械运动。当热气动材料32冷却时，它返回到其原始的体积并且膜盒的柔性材料相应地返回到其原始位置。

参考所附附图的图2，在本发明的另外选择性的示范性实施例中，膜盒30内的热气动材料32本身就其本性而言可是红外线辐射吸收性的，由此消除了对膜盒30内红外线吸收层的需求。热气动材料32可例如通过向其中添加染料而被处理以便于使它对入射辐射(在这种情况下为IR)具有可吸收性。

参考所附附图的图3，根据本发明另外示范性实施例的致动器包括被安装在基片18上的红外线辐射吸收材料52的室或毛细管50。在毛细管50内的是需要加热的流体54。光学波导56也被安装在基片18上并且从红外线辐射源蔓延到毛细管50的外壁。在使用时，红外线辐射束58被施加到光学波导56，所述波导56将辐射携带到毛细管50的外壁上，在此它被吸收并且导致毛细管50内的流体54被加热。

除了在这种情况下，致动器包括由柔性密封(containment)层82所形成的室80，并且红外线吸收热气动材料84(例如蜡)被提供在室80内以外，被示例在附图的图4和5中的致动器在许多方面类似于图5至7中所示(以及参考其所说明)的致动器。再次地，在使用时，红外线辐射束58被施加到光学波导56，其将辐射携带到柔性密封层82，通过此密封层它传播并且导致室80内的热气动材料84得到加热。当热气动材料84的温度升高时，则材料在体积上膨胀并且导致柔性密封层82的机械运动。当热气动材料84冷却时，它返回到其原始体积并且柔性密封层82返回到其原始位置。

参考所附附图的图6，根据本发明另一示范性实施例的致动器包括被安装在帽102上的外壳100。外壳100对在顶端上带有间隙106的室104加以限定。在室104内有一些热气动材料108和红外线辐射吸收层110。柔性密封层112被提供在室104内间隙106的上方。在使用时，再次地，红外线辐射被施加到红外线辐射吸收层110，从而导致热气动材料108得到加热并且相应地在体积上膨胀。热气动材料108在体积上的这种膨胀导致柔性密封层112的运动。当热气动材料108冷却时，最后得到的相变导致它返回到其原始体积以便于柔性密封层112返回到其原始位置。

除了热气动材料108本身就其本性而言是红外线辐射吸收性的，由此消除了对室104内单独红外线辐射吸收层的需要以外，附图的图7中所示的致动器在许多方面类似于图8中所示(以及参考其所说明)的致动器。

参考所附附图的图8，根据本发明示范性实施例的系统120包括根据本发明的元件122的三维阵列。提供两个红外线辐射源124、126以供给系统120内的所有元件。辐射源124、126成一角度，即彼此垂直，如图所示，并且它们的束被设置成在需要被加热的至少一个元件内或上面的一位置处相交。在束相交处的能量足够用来加热。在任何其它点处的能量通常不是这样。提供控制系统(未被示出)以使即将被加热的元件能够得到选择并且相应地用来控制来自源124、126的红外线辐射的施加。

参考所附附图的图9，在本发明另一具体的示范性实施例中，多个微阀222被安装在盘式基片223的表面上。基片223被提供有中央孔隙230以用于将基片223安装在致密盘播放器233等的心轴232上。提供一个或更多个激光源234、236(如在用于播放音乐或运行软件的标准致密盘读取器中，例如)，来自所述激光源的激光辐射入射到基片223的上表面。微阀222同心地围绕基片223被设置。在所示例的实例中，提供有两个激光源234、236，来自所述源的辐射束在零点交叉。当通过操纵心轴232来旋转基片223时，每个元件222反过来穿过点240并且如所需要的被致动。

参考所附附图的图10，本发明另外又一具体的示范性实施例包括被提供在流体平台300内或上面的一个或更多个阀，所述平台300被配置成用来被接收到基底单元304的凹槽302内。

参考所附附图的图11A和11B，本发明这个示范性实施例的被建成两个半形300a、300b的流体平台300，当被放置到一起时限定了它们之间的空凹槽301。平台的上半部300a具有引导到凹槽301上半部的流体入口306，并且平台的下半部300b具有引导出凹槽301下半部的流体出口308。阀310包括两个柔性膜312、314，其围绕着一些热气动材料316被集合到一起，并且在边缘处被封闭以限制充满了热气动材料316，如蜡的柔性室。

所附附图的图12和13示例了完整的流体平台300。阀膜312、314及致动器结构的外部(被封闭的)边缘313被提供有一个或更多个通孔322。阀座320总体上被限定成同心地，并且波导324可被提供以将电磁辐射传输到阀310，虽然EM辐射当然地可被直接提供于其上。

参考所附附图的图14A和14B，在使用时，当阀打开时，流体可以经由阀膜313内的通孔322从入口306流动到出口308。然而，当电磁辐射经由波导324被传输到阀310时，热气动材料316膨胀，从而导致凹槽301内的阀室膨胀并且阻挡了入口306与出口308之间的通路，由此防止流体的流动(图14B)。当热气动材料316被冷却时，它收缩回到其原始体积，由此减少了阀室的大小并且解除对入口306与出口308之间通路的阻挡，这样可以恢复在此之间的流体流动(见图14A)。

所附附图的图15是对根据本发明示范性实施例的IR致动元件或系统的示意性示例，其包括包含阀结构、微泵等的流体层401，有效地只表示致动器功能的致动器“层”402，光学层403，以及冷却层404，其可作为选择性地被放置在流体层401的另一侧上面。

现在将说明每个上述所提到的层的若干设计选项。

参考所附附图的图16，流体元件，如微阀500或泵室，根据本发明示范性实施例包括致动器层501和流体层502，并带有被夹在它们之间的柔性阀膜503。致动器层501包括致动器块504，其限定包含热气动材料如蜡，氟代惰性气体(fluoro-inert gas)等的室505。阀膜503被直接地结合到致动器块504上，对室505进行封闭，而无需粘接剂。可被直接地结合到致动器块502上的流体层限定了入口通道506、出口通道507、以及阀座508，借此阀座508与阀膜503共同合作来选择性地打开或关闭入口与出口通道506、507之间的流体流动通路。

在下面将仅通过实例来注解用于制作致动器块的各种方案。将要理解为用于致动器层的若干设计是可能的，一些设计将在下面的说明中被注解，所使用的实际设计可以基于“混合及匹配”方法，即使用致动器块的不同部分的各种设计方案，不管是在此或另外加以说明的。

参考所附附图的图17，根据本发明另一示范性实施例的微阀500在许多方面类似于参考图18所说明的微阀，即它包括致动器层501和流体层502，并带有被夹在它们之间的阀膜503。致动器502再次包括致动块504，其限定包含热气动材料的室505。流体层502限定入口通道506、出口通道507和阀座502，借此阀座508与阀膜503共同合作来选择性地打开或关闭入口与出口通道506、507之间的流体流动通路。

然而，在这种情况下通过使用直接结合，流体层502和阀膜可作为集成单元被制作，这样在这些部件之间不存在粘接。致动器块504可被单独地加以制作，使致动器隔膜(diaphragm)509封闭室505，并且通过例如可被丝网印刷或相反被提供在致动器块504上的一个或更多个粘性垫510，粘接剂被结合到流体层502上。

附图18A，B和C仅借助于实例示例了致动器隔膜509的可能性设计。附图18A的致动器隔膜509被设计成获得隔膜中心的最大偏转，附图18B的致动器隔膜509被设计成将膜的偏转部分维持成相对平的，并且图18C示例另一平的致动设计，在平偏转部分的边缘处带有折叠式结构511，以允许膜509较大的行进。

参考附图19，其示例了图17中阀的经修改版本，其中致动器膜509被取消，并且其中围绕包含有热气动材料(例如蜡)的室或贮存器505的开孔提供有封闭结构512。封闭结构512是被提升的区域，当其与阀膜503接触时且当处于受压压力时，其封闭储存器505的容积。这个结构的主要优点在于致动器储存器505与用来构建所述设备的粘接剂之间不存在直接接触。

正如在附图17的实施例中，流体层502和阀膜503通过两层之间的粘接垫(adhesive pad)510，可保持与致动器层501的接触。粘接剂可是例如，a).聚合的，两部分或单体元件，热、UV或光硬化的，热熔化等；b).金属间层共晶结合，例如焊接类型；c)及其它。

在所优选的实施例中，粘接剂可作为底层填料被引入，但是其它方法包括喷涂、丝网印刷、滴配制(drop dispensing)、喷洒、旋涂、浸渍等以提供相对简单结构的致动阀。

所述附图的图20示例出与图19中那个阀相类似的阀，其中阀膜503被拦在流体和致动器层502、501两者上所分别提供的相对封闭结构512a、513b之间。它可以例如作为被夹在流体和致动器层502、501之间的单独层被引入。将理解为这个设计要求将流体和致动器层502、501直接粘接到膜503，在其中膜503由非粘性材料如PTFE等组成或被涂有所述非粘性材料的情况下，这是不可能的。

参考所附附图的图21和21A，示例有根据本发明另一示范性实施例的阀500，其中通过提供在阀膜503中的通孔513这个问题得到克服，通过所述通孔粘接剂510可以流动以便于它可以粘接到流体层502和致动器块504的表面。

参考所述附图的图22，除了阀座508的设计以外，根据本发明另一示范性实施例的阀500在许多方面类似于图23中的阀，其中所述阀座508的结构是如此这般以致于阀膜503在操作中选择性地打开且关闭入口和出口通道506、507(即，在入口与出口通道506、507之间没有提供阶梯)。可以设想阀座508的许多设计，并且本发明并不旨在被限制在这个方面。

除了在这种情况下，编码通道514围绕储存器505被提供在致动器块504中以外，所述附图的图23和23A示例在很多方面与图22中那个阀类似的阀。气体和/或液体codants可以被致使流过编码通道514(经由入口编码通道515和出口通道516)以提供对设备的冷却。将理解到所示例的设计是示意性的且将针对具体的实施例得到优化。

作为另外选择地，或外加地，并且参考所述附图的图24，热电构件517可以被附着到设备500上的策略点上以提供局部性的冷却。通过提供将热从设备传导到热电构件的热传导层，对设备的这个冷却可以得到减缓。例如，致动器体504可由硅或金属加以制作并且热电构件517可被直接附着到致动器块504。至少在其中致动器体由金属制成的情况下，波导或光纤被提供成与储存器505内的热气动材料直接接触，以向其供应电磁辐射。

此外，或作为另外选择地，还可以由下述来提供冷却：

1.将气体(优选地经冷却的)吹到芯片上；

2.冰箱系统可以被构建在芯片内。例如，并且参考所述附图27，经加压的气体金属罐(cannister)600可以被附着到通道系统601。通道被构建成提供被直接连接到气体金属罐600的段602，并且其具有与来自气体金属罐600的开孔相比较小的或类似的横断面。然后这个通道602直接连接到较大横断面的另一通道603上并且其以通到外部的通风开孔604而终止。打开系统允许来自金属罐600的气体通过通道系统601逃逸。第一通道602的收缩保持气体处于压力。到第二通道603的开孔605允许气体快速膨胀并且产生冷却。

将理解到蜡致动器的内部结构可以被设计成适应改善蜡与致动器体之间热传导的特征。如果用于制造致动器体的材料是IR透明的，则这才起作用。这将避免用于构建IR辐射的复杂方案以与被建在致动器体内的设计特征相匹配。

这些结构的设计可以变化但是基本上我们将增加可得到的蜡与致动器体之间接触的表面面积。

在本发明的一个实施例中，致动器体可由IR透明材料来形成，其中借助于直接蚀刻形成一个或更多个坑。在所优选的实施例中，为致动器体所选择的材料被结合到IR透明材料520(致动器体封顶层)上并且致动器贮存器505被蚀刻以暴露出IR透明材料。这将IR透明窗建立进入贮存器。这还可以通过在致动器体504内形成贮存器505且然后结合IR透明窗材料520来完成。这被示例于所述附图的图26中。

在制作上面所说明的致动器时必须强调的一个议题是如何处理将致动器贮存器填充上热气动材料如蜡的要求。

参考所述附图的图27和27A，一个可能性是在设备500的后期制作时填充贮存器505。在所示例的实施例中，入口521和出口522被用来将处于熔化状态的蜡引入贮存器505，紧接其后入口和出口521、522将被阻挡。本领域的技术人员将要理解到存在几种可用来做到这点的方法。然后蜡被冷却且硬化。

在图28和28A中所示例的实例中，其原理与图27和27A实施例中的原理相同，只是入口和出口通道521和522被重新取向。在蜡已经被引入到贮存器505之后，通过封闭构件523，入口521和出口522被封闭。

参考图29，其中示例出被如此构建的蜡贮存器505阵列以便于允许整个致动器集同时被填充。

图30示例出类似的布置，其中贮存器隔离器结构或止回阀524被提供在相联系的入口521和出口522之间的贮存器505彼此之间。止回阀524的概念是防止蜡从一个致动器505到另一个致动器的回流。止回阀524可包括大量蜡，其被构建成尤其当相邻的致动器505已经被启动且处于液体状态时用来提供显著封闭结构。设想了止回阀的几个不同设计，并且本发明并不旨在被局限在这个方面。足以说地是止回阀524应该不仅起到封闭作用，而且还有利地被构建成均匀地沿着整个致动器505集进行填充。实例被示例于所述附图的图30A和30B。

在另一实施例中，如在所述附图的图31中所示例，提供用于蜡材料的开口贮存器525，其中致动器505由IR束526的位置和致动器体504上稀疏区域的位置来加以确定。

设想了用于将IR发送到系统内部存在的致动器上的许多不同方法。例如，IR能量可以通过设备的IR透明段被直接发送到致动器场地，如所述附图的图32中所示例。

在可供选择性的实施例中，电磁能量可借助于利用包括如下的各种方法而制作的光学波导被发送到致动器：

1.较简单的(plainer)波导(如所附附图的图33中所示)

2.光纤

3.及其它

在所述附图的图33中所示的设计表示被连接到每个致动器上的波导边缘。这些将存在于设备外部上方便位置处的光学接口链接到位于设备内部的致动器上。每个波导被链接到单独的致动器。

电磁能量，例如红外线辐射，被聚焦在相应波导的光学小面上，且然后波导使辐射通到(port)致动器上。将理解为这些波导的较简单布局可以根据设计要求进行变化。

在所附附图的图34中所示的实施例中，每个致动器被放置在波导上。波导执行如在所述附图的图33中所示实施例的方面中所概述的相同功能。其中还可包括光学结构(例如光栅，其将来自波导纵向通路(access)的光重新取向进入致动器)。

正如前面所述，每个波导被链接到单独的致动器，红外线辐射被聚焦到相应波导的光学小面上，且然后波导将辐射通到致动器。再次，这些波导的较简单布局可以根据设计要求发生变化。

光学波导和致动器之间的接口可被修改以控制致动器可得到的光的数量。虽然在单个致动器系统中这可并不重要，但是在多致动器系统方面这可变成重要的事宜。这些接口可以是以直角将一部分光偏转向波导的纵向通路的光学光栅、光学孔隙(虹彩)、光学部件反射涂层等。

采用束发送的传统方法借助于单束布置可以进行红外线束的发送。这些可是透镜、纤、镜子等。通过使用所述附图的图35中所示例的XY扫描镜方法，可以执行将束发送到两维平面上面的位置上。光学接口将是到蜡致动器的直接链接或是到光学导管的接口，所述光学导管将系统的外部与位于系统三维结构内的致动器进行链接。

作为选择性地，在可供选择的实施例中，通过高能量LED设备可实现红外线辐射的发送。这些可以单个地(每致动器一个)或以与致动器层上的光学输入阵列对准的阵列被使用。所附附图的图36示例出LED阵列，其LED可单独地赋址，并且与致动器视域或服务于这些致动器的光学接口对准。

来自激光器二极管(或其它激光源)或LED的红外线束的发送可以经由纤束。所述附图的图37示例出光纤束，其中光学小面与相应的致动器视域或相应的服务于这些视域的光学接口排成行。每个光纤可以精确地位于两维上且每个位置与致动器的位置对准。

在所述附图的图35中所示例的IR XY扫描器定向(beamed)发送系统的扩展中，提供有允许束被开启和断开的虹彩。通过将激光器开启和断开，可以提供相同的控制。这尤其但并不排他地适用于激光器二极管。XY扫描镜600和虹彩或激光器二极管的切换可以经由计算机程序来控制。在本发明的一个示范性实施例中，控制数据被用公式表达成系列图像(即像电影序列中的帧)。每个帧以表示每个致动器的开/断状态的棋盘格(checkered)位图画出。计算机滚过这些帧，通过使用XY镜600和激光器开/断控制将它们转换成系统的光学接口上的图像，类似于电视上E束的控制(见所述附图的图38)。

图39示例LED屏幕，其可以被用来建立或限定借此EM辐射不能够穿过的不透明区域。

所述附图的图40示例如此系统，所述系统包括通过一个或更多个IR透明窗直接可接近的多个致动器505，以及经由波导，例如光纤服务于致动的多个光学接口700。

图41A、B和C示例出根据本发明另一示范性实施例的阀，其中致动器层501限定了由相对窄的流体结803所链接的两个室801、802。在关闭位置，热气动材料如蜡填充了上部室801并且将致动器隔膜509维持在水平位置，由此将在流体层502的入口和出口通道506、507之间的流体流动路径保持关闭。

当蜡被加热时，它膨胀且填充第二室802，并且因为流体结803相对窄，所以它首先冷却以将蜡的流动阻挡回到第一阀室801。然后蜡被冷却，这样室801内的体积得到降低，并且致动器隔膜509收缩以打开入口与出口通道506、507之间的流体流动路径。

根据本发明另一示范性实施例的阀被示例于图42A、B和C中，其中图41的第二蜡贮存器(802)由毛细管通道804所代替。在关闭位置，固态蜡基本上填充了第一室801并且将致动器隔膜509维持在其水平位置，由此将入口和出口通道506、507之间的流体流动路径保持关闭。当蜡被施以加热时，蜡膨胀并且填充毛细管通道804。然后，当蜡在毛细管通道804内冷却时，它容纳蜡容积的附加部分，其减少了在上部阀室801内的体积，并且致使致动器隔膜509收缩并且打开了阀。

参考所附附图的图43，其中示出包括泵902的胰岛素泵900的主要部件的示意性示例，所述泵902具有在其每一侧面上的止回阀904、906。

参考图44，根据示范性实施例的泵902可包括限定室909，所述室909具有其间具有流动路径的入口908和出口910。柔性膜912被提供在将热气动材料体如蜡914限制在其中的室909内。在热气动材料914体内提供有电磁源916，如LED或激光器二极管，并且提供电接触918以向其上供应能量。

在使用时，向热气动材料914提供电磁能(来自源916和/或外部源)以对其加热并且导致相变，其导致材料914膨胀。结果是膜912向上移动以阻挡入口908和出口910之间的流动路径。当蜡914被允许冷却时，它变硬并且收缩，这样流动路径重新被打开。

参考所附附图的图45，止回阀(904或906)可包括外壳，所述外壳限定具有入口922和出口924的室920。入口922由第一柔性活瓣(flap)或膜926从室920分开且出口924由第二柔性活瓣(flap)或膜928从室920分开分开。每个活瓣926、928具有被填充有附着到其上的蜡的相应室930、932，以及电磁辐射源934，如LED被提供在室920内。

在使用时，当电磁辐射被施加到蜡室930、932上时，蜡经受相位变化并且膨胀，从而导致相应的活瓣926、928在远离室920的方向上移动，由此打开入口922与出口924之间的路径。当蜡被允许冷却时，它变硬且收缩，从而导致活瓣926、928向室920的中心移回并且再一次阻挡流动路径。如果外部压力经由入口922或出口924被施加到阀，则它将顶住(act against)相应的活瓣926、928，并且阀904、906将保持被封闭。

在所有的情况下，液压室936等可被提供在膜912和流动路径之间，如例如在图46中所示，以抵消膜912的不平稳运动效应(由热气动材料914的膨胀和收缩所导致)并且改善控制。

使用电磁辐射来加热本发明的元件基本上简化了将致动能量发送到系统内现场具体点的过程。它提供高强度的能量，其当然可以是用于操作元件的具体波长。

本发明的其它主要优点包括：

1.从光源，并且尤其是激光器源可得到的功率，意味着供应给元件的功率速率远远高出通过电加热或热电泵所获得的功率速率，效果是热膨胀速率要高得多。此外，尤其在元件的有源部分是致动器的情况下，它必须像被加热一样快地被冷却，以便于取得由现代系统所要求的循环时间。在本发明的情况下，元件的有源部分始终可以被冷却(即使当它被加热时)，因为由光源所提供的功率强度足以来克服这种背景冷却。此外，借此可以得到这种功率的速率，尤其在小型和微型系统中，被认为是快于到冷却系统的热消散速率。

2.参考上面所说明的一些具体示范性实施例，来自光源的热并不来自加热器的点源，电磁辐射可由热气动材料的整个体积来吸收。这样，致动材料的整个体积可以基本上被均匀地加热，其克服了在采用热气动材料的已知设备中普遍的热传导问题。

3.复杂的加热器结构得到避免：复杂悬挂式加热器及热绝缘加热器从前已经被应用来减少进入元件散装结构的热损失(在小型和微型元件中其尤其重要)并且增加了热气动设备的效率。

4.光束较电信号要容易控制得多：在上面所说明的具体示范性系统中，即1000个元件的布置将要求两个经扫描的激光束来供应所必要的加热能力，而可比较的电系统将要求1001个电连接来提供相同的加热能力，或复杂的复用系统。

仅借助于实例，本发明的实施例已经在上述加以说明，并且对于本领域的技术人员将显然地是对所说明的实施例可以进行修改和变动而不偏离如所附权利要求所定义的本发明范围。

Claims

1.一种元件，至少其一部分要求得到加热以实现其操作，所述元件包括至少其一部分是由柔性材料所形成的室，所述室容纳着热气动材料，借此当所述热气动材料被加热时，它在室内膨胀从而导致所述柔性材料的运动，所述热气动材料借助于电磁辐射被加热。

2.根据权利要求1所述的元件，其中所述元件是阀，如小型或微型阀，或泵浦室。

3.根据权利要求1所述的元件，其中所述室被至少部分地涂有电磁辐射吸收材料。

4.根据权利要求1所述的元件，其中所述热气动材料是在加热时因相变而经受体积膨胀的蜡。

5.根据权利要求1所述的元件，其中所述元件是致动器。

6.根据权利要求5所述的元件，其中所述元件是小型或微型致动器。

7.根据权利要求1所述的元件，其中所述元件是阀、泵、可移动镜、可移动透镜、反应器、传感器(例如流量、压力、温度等)、反应室、或其小型或微型版本(version)中的一个。

8.一种包括至少一个根据权利要求1的元件以及电磁辐射源的系统。

9.根据权利要求8的系统，其中所述电磁辐射源是所述每个元件的一部分或被提供在所述每个元件之内。

10.根据权利要求8或权利要求9的系统，其中所述电磁辐射源与所述元件分开。

11.根据权利要求8至10任何一项的系统，包括单个电磁辐射源。

12.根据权利要求8至10任何一项的系统，包括至少两个电磁辐射源，来自所述辐射源的辐射束被设置成在需要得到加热的所述至少一个元件内或上面的一位置处相交。

13.根据权利要求11的系统，其中所述至少一个元件相对于所述电磁辐射源可移动。

14.根据权利要求11的系统，其中所述至少一个元件相对于所述位置可移动并且所述辐射束被设置成相交。

15.根据权利要求11的系统，其中所述电磁辐射源可移动。

16.根据权利要求12的系统，其中一个或更多个所述电磁辐射源可移动以便于改变所述位置，所述辐射束被设置成相交在此位置上。

17.根据权利要求8至16任何一项的系统，其中所述至少一个元件被安装在基片上。

18.根据权利要求8至17任何一项的系统，包括用于冷却元件的冷却装置。

19.根据权利要求18的系统，其中所述冷却装置被设置成当它(或它们)被加热的同时冷却所述元件。

20.根据权利要求8至19任何一项的系统，包括多个根据权利要求1的元件，至少一些所述元件被设置成由相同的一个或更多个电磁辐射源选择性地加热。

21.根据权利要求1至7任何一项的元件，其中所述电磁辐射是红外线辐射。

22.根据权利要求8至20任何一项的系统，其中所述电磁辐射是红外线辐射。

23.根据权利要求1至7任何一项的元件，其中所述电磁辐射被直接地提供到所述元件。

24.根据权利要求8至20任何一项的系统，其中所述电磁辐射被直接地提供到所述一个或更多个元件。

25.根据权利要求23的元件，其中所述元件相对于电源辐射源可移动性地被安装。

26.根据权利要求24的系统，其中所述至少一个元件相对于所述电磁辐射源可移动性地被安装。

27.根据权利要求1至7任何一项的元件，包括相对于所述元件可移动的电磁辐射源。

28.根据权利要求8至20任何一项的系统，其中所述电磁辐射源相对于所述至少一个元件可移动。

29.根据权利要求1至7任何一项的元件，其中所述电磁辐射由一个或更多个光发射二极管、激光器二极管、激光器源以及白炽光源来提供。

30.根据权利要求8至20任何一项的系统，其中所述电磁辐射源是一个或更多个光发射二极管、激光器二极管、激光器源以及白炽光源。

31.根据权利要求1至7任何一项的元件，其中借助于被聚焦的或激光束所述电磁辐射被直接地提供到所述元件。

32.根据权利要求8至20任何一项的系统，其中所述电磁辐射源是被设置成将电磁辐射直接提供到所述一个或更多个元件的被聚焦的或激光束。

33.根据权利要求1至7任何一项的元件，其中所述电磁辐射经由一个或更多个光学波导或光纤被提供到元件。

34.根据权利要求8至20任何一项的系统，包括一个或更多个用于将电磁辐射提供到所述一个或更多个元件的光学波导或光纤。

35.根据权利要求33的元件，其中所述光学波导或纤相对于电磁辐射源可移动。

36.根据权利要求34的系统，其中所述光学波导或纤相对于所述电磁辐射源可移动。

37.根据权利要求33的元件，其中提供相对于所述光学波导或纤可移动的电磁辐射源。

38.根据权利要求34的系统，其中所述电磁辐射源相对于所述一个或更多个光学波导或光纤可移动。

39.根据权利要求1至7任何一项的元件，其中所述元件被容纳在被限定在流体平台内的凹槽内，所述流体平台被配置成用来被接收在基底单元的凹槽内。

40.根据权利要求39的元件，包括两个柔性膜，在其边缘所述膜被封闭到一起并且限定在它们之间的室，所述室包含热气动材料。

41.根据权利要求39的元件，包括阀所述流体平台包括流体入口和流体出口，使流体流动路径被限定在所述入口和所述出口之间，所述阀被放置在所述流体流动路径内。

42.根据权利要求41的元件，其中所述阀被设置成当借助于电磁辐射加热时用来阻挡所述流体流动路径。

43.根据权利要求1至7任何一项的元件，包括：包括输入通道和输出通道的流体层、包括容纳所述热气动材料的所述室的致动器层，以及被放置在所述流体和致动器层之间的柔性膜。

44.根据权利要求43的元件，其中所述膜和所述致动器层被直接地结合到一起。

45.根据权利要求44的元件，其中所述流体层借助于粘接性材料被结合到所述致动器层和膜布置。

46.根据权利要求43的元件，其中所述膜和所述流体层被直接地结合到一起。

47.根据权利要求46的元件，其中所述致动器层借助于粘接性材料被结合到所述流体层和膜布置。

48.根据权利要求43的元件，其中在所述流体和致动器层之间的所述膜内提供有一个或更多个通孔。

49.根据权利要求43的元件，包括冷却装置。

50.根据权利要求49的元件，其中所述冷却装置包括一个或更多个冷却通道，在使用时通过所述冷却通道导致冷却流体流动。

51.根据权利要求50的元件，其中在相邻于包含所述热气动材料的室处提供所述一个或更多个冷却通道。

52.根据权利要求49的元件，其中所述冷却装置包括用于使用中将流体穿过所述元件的装置。

53.根据权利要求52的元件，其中所述冷却装置包括被连接到流动通道的气源，所述流动通道包括：具有连接到所述气源的入口的第一段以及具有连接到所述第一段的入口及具有出口的第二段，所述第二段的直径大于所述第一段的直径。

54.根据权利要求1至7任何一项的元件，其中所述室被提供有入口，用于允许所述热气动材料被引入到所述室内。

55.根据权利要求54的元件，包括当热气动材料已经被引入到所述室内时用于阻挡所述入口的装置。

56.根据权利要求54的元件，其中所述室包括出口。

57.根据权利要求8至20任何一项的系统，包括根据权利要求1的元件的阵列，以及电磁辐射源。

58.根据权利要求57的系统，其中所述阵列的每排元件由流体流动路径来链接。

59.根据权利要求58的系统，其中所述阵列的每排被提供有入口，以允许热气动材料被引入到所述元件的室内。

60.根据权利要求57的系统，其中所述阵列的每排包括多个所述元件，以及被提供在所述元件的每对之间的贮存器隔离器结构或止回阀，所述贮存器隔离器结构与其相邻的元件的室进行流体连通。

61.根据权利要求1至7任何一项的元件，包括彼此进行流体连通的两个室。

62.根据权利要求1至7任何一项的元件，包括与所述室进行流体连通的毛细管通道布置。

63.根据权利要求1至7任何一项的元件，除了包含所述热气动材料的室以外还包括液压室。