SE530415C2 - Gastrustor - Google Patents

Description

530 415 2 kommer driva på trustorn och eventuell anordning fastsatt därtill i en motsatt riktning.

I det svenska patentet SE 527 154 visas ett gastrustorsystem, där gasen, när den passerar stagnatíonskammaren värms av inre värmare innan den kommer in i dysan. Eftersom gasens rörelsemängd ökar med kvadratroten ur gastemperaturen kan en mycket högre framdrivningseffektivitet för den lagrade gasen åstadkommas. Vidare, genom att använda gasens laminära flöde genom stagnationskammaren kan en mycket hög temperatur åstadkommas i mitten av gasströmmen medan man håller den gas som kommer i direkt kontakt med kammar- och dysväggarna vid en lägre temperatur. Medelgasternperaturen kan på ett sådant sätt tillåtas överskrida kammar- och dysväggarnas maximala driftstemperatur. I en utföringsform i SE 527 154 har en cylindrisk värmarspole av diamantliknande kol (DLC) använts. Spolarna tillverkades genom användning av tekniker för kemisk förångningsdeponering med laser.

Ett problem med högeffektiva gastrustorsystem enligt teknikens ståndpunkt är att komplexiteten för tillverkning och montering av värmare är stor. För att inte minska tillförlitligheten av driften av sådana system, blir tillverkningen såväl mycket tidsödande som dyr. Ett annat problem med högeffektiva gastrustorsystem enligt teknikens ståndpunkt är att värmararrangemangen är känsliga för slitage och/ eller korrosion. Vidare finns det ett allmänt behov av att ytterligare förbättra såväl robusthet som effektivitet.

SAMMANFATTNING Ett allmänt syfte med den föreliggande uppfinningen är därför att tillhandahålla förbättrade gastrustorer, förbättrade tillverkningsförfaranden därav och förbättrad drift därav. Ett ytterligare syfte är att tillhandahålla värmararrangemang för gastrustorer som är lätta att tillverka på ett tillförlitligt sätt. Ett annat ytterligare syfte är att tillhandahålla värmar- 530 415 arrangemang för gastrustorer som är möjliga att tona eller reparera in situ. Även ett annat ytterligare syfte är att tillhandahålla effektivare gastrustorer.

De ovanstående syftena åstadkoms genom anordningar och förfaranden enligt de bifogade patentkraven. I allmänna ordalag presenteras ett dysarrangemang för användning i en gastrustor, vilken har en stagnationskammare med en ingångsöppning och ett dysutlopp. Åtminstone en värmarmikrostruktur finns anordnad i stagnationskammaren. Värmar- mikrostrukturen innefattar en värmarmikrostrukturkärna av kisel eller en kiselförening belagd med en ytbeläggning av metall eller metallförening. Ett tillverkningsförfarande presenteras, där en stagnationskammare som har en ingångsöppning och ett dysutlopp tillhandahålls. En värmarmikrostruktur tillverkas i kisel eller en kiselförening och beläggs med en ytbeläggning av metall eller metallförening. Värmarmikrostrukturen monteras i stagnations- kammaren före eller efter beläggningen med metallytbeläggningen.

Beläggningen utförs genom uppvärmning av värmarmikrostrukturen, företrädesvis genom att leda en elektrisk ström därigenom och flöda en gas som innefattar små mängder av en metall eller metallförening över värmarmikrostrukturen. Andra beläggningstekniker, såsom förångning, sputtring eller plätering är också möjliga. Föreningen sönderdelas vid den upphettade värmarmikrostrukturen, och bildar ytbeläggningen av metall eller metallförening. Samma beläggningsprinciper kan användas för att reparera värmarmikrostrukturen in situ. Under drift frigörs gas från en behållare. Gasen innefattar företrädesvis en förening som uppvisar en exotermisk reaktion eller volymsexpansionsreaktion när den kommer i kontakt med ett katalytiskt aktivt material. Om gasen utsätts för värmar- mikrostrukturen som är täckt med det katalytiskt aktiva materialet, värms gasen ytterligare genom den katalytiskt aktiverade exotermiska reaktionen.

En fördel med den föreliggande uppfinningen är att en lättare och mer tillförlitlig tillverkning möjliggörs. Detta leder i sin tur till billigare tillverkningskostnader. En annan fördel är att nya driftsprinciper, vilka 530 415 4 använder den drivande materiens reaktivitet, kan användas, vilket ökar effektiviteten för användning av den lagrade drivmaterien.

KORT FIGURBESKRIVNING Uppfinningen, tillsammans med ytterligare syften och fördelar därav, kan bäst förstås genom att referera till den följande beskrivningen gjord tillsammans med de medföljande ritningarna, i vilka: FIG. 1A är en schematisk ritning av en gastrustor; FIG. lB är en schematisk ritning 'av en annan gastrustor, som har multipla dysarrangemang; FIG. 2A är en schematisk ritning av en utföringsform av en värrnarmikrostruktur enligt den föreliggande uppfinningen; FIG. 2B är en tvärsnittsvy av utföringsformen i Fig. 2A; FIG. 2C är en schematisk ritning av en annan utföringsform av en värmarmikrostruktur enligt den föreliggande uppfinningen; FIG. 2D är en schematisk ritning av ytterligare en annan utföringsform av en värmarrnikrostruktur enligt den föreliggande uppfinningen; FIG. 3A är ett flödesdiagram av huvudsteg i en utföringsform av ett tillverkningsförfarande enligt den föreliggande uppfinningen; FIG. 3B är ett ílödesdiagram av steg i en delprocess av Fig. 3A; FIG. 3C är ett flödesdiagram av huvudsteg i en annan utföringsform av ett tillverkningsförfarande enligt den föreliggande uppfinningen; FIG. 4A är en schematisk ritning av en utföringsform av en tillverkningsutrustning enligt den föreliggande uppfinningen; FIG. 4B är en schematisk ritning av en annan utföringsform av en tillverkningsutrustning enligt den föreliggande uppfinningen; FIG. 4C är en schematisk ritning av en utföringsforin av en gastrustor som tillåter in situ-reparation enligt den föreliggande uppfinningen; FIG. 5 är ett flödesdiagram av huvudsteg av en utföringsform av ett reparationsförfarande enligt den föreliggande uppfinningen; FIG. 6 är ett flödesdiagram av huvudsteg av en utföringsform av ett driftsförfarande enligt den föreliggande uppfinningen; 530 415 5 FIG. 7 är en perspektivvy av en utföringsform av en stagnations- kammare med monterade värmarmikrostrukturer enligt den föreliggande uppfinningen; FIG. 8 är en schematisk ritning som illustrerar en föredragen utföringsform för mekanisk och elektrisk montering av värmarmikro- strukturer; samt FIG. 9A-C är schematiska ritningar som illustrerar den allmänna användningen av kisel som elektriska vior.

DETALJERAD BESKRIVNING Genom den föreliggande presentationen kommer lika eller direkt motsvarande särdrag i olika figurer och utföringsformer att betecknas med samma referenssiffror.

Fig. 1 illustrerar schematiskt en utföringsform av en gastrustor 1, vilken fungerar med uppvärmning av gasen. Gastrustorn 1 innefattar en behållare som innehåller drivmateria, i den föreliggande utföringsformen ett gaslager 2, typiskt sett kapabelt till att lagra gas under högt tryck. Ett ventil- arrangemang, i den föreliggande utföringsformen en gasventil 4, reglerar gasflödet från gaslagret 2, genom ett ingångsrör 6, till ett dysarrangemang lO. Gasventilen är typiskt sett styrd av en flödesstyrenhet 8. Dys- arrangemanget 10 innefattar i sin tur en stagnationskammare 12 i en ingångsöppning 7 i vilket ingångsröret 6 mynnar ut. Den motsatta sidan av stagnationskarnmaren 12 är formad som ett dysutlopp 14 för att Öka hastigheten och därigenom rörelsemängden för den gas 16 som lämnar stagnationskammaren 12. Stagnationskammaren 12 innefattar vidare en värmarmikrostruktur 20, i denna utföringsform avbildad som en värmarspole, vilken värmer upp gasen inuti stagnationskammaren och därigenom ökar effektiviteten för den gas som flödar ut frän gaslagret 2.

Värmarmikrostrukturen 20 styrs genom en värmarstyrenhet 22, företrädesvis ansluten till flödesstyrenheten 8 för anpassning av den effekt som förs in till gasen som värme, beroende på gasflödeshastigheten. šO 530 415 6 Gastrustorn l i Fig. 1A kan därigenom påföra en kraft, på eventuell anordning som är mekaniskt kopplad till gastrustorn, som är riktad i en motsatt riktning F till riktningen 16 för den gas som strömmar ut frän gastrustorn 1.

I Fig. lA illustreras endast en värmarmikrostruktur. Det är också möjligt att använda ett flertal värmarmikrostrukturer 20 i en och samma stagnations- kammare. I ett sådant fall kan också de olika värmarmikrostrukturerna vara möjliga att driva oberoende av varandra, vilket tillåter ytterligare styrning av temperaturfördelningen inuti stagnationskammaren.

Fig. IB illustrerar en annan utföringsform av en gastrustor 1, vilken har fyra dysarrangemang lO anordnade i fyra vinkelräta riktningar. Alla fyra dysarrangemang lO är anslutna genom ett huvudgasrör 7 till ett och samma gaslager 2, via en huvudventil 4. För att emellertid driva varje dys- arrangemang mer eller mindre oberoende av varandra, tillhandahålls separata ventiler 5 på ingångsröret 6 till varje dysarrangemang 10. En sådan gastrustor l har en manövreringsförmåga i vilken riktning som helst i ett plan.

Dysarrangemanget 10 skapas typiskt sett genom användning av MEMS- teknik (Mikroelektromekaniskt system, eng. Micro Electro Mechanical System). Stagnationskammaren realiseras typiskt sett som ett hålrum i en kiselwafer, genom att använda olika etsningstekniker för att skapa formerna för t.ex. dysan. I SE 527 154, drogs slutsatsen att trots tillverknings- fördelarna med kisel har materialet vissa nackdelar. Det uppgavs att kisel förlorar sina goda mekaniska egenskaper vid höga temperaturer. Redan vid 1000 K reduceras den mekaniska styrkan och materialet smälter vid 1680 K.

Användningen av kisel för att bilda stagnationskammarväggarna och dysan är problematisk, eftersom önskemålet är att värma den gas som flödar genom stagnationskammaren. I SE 527 154 visades det emellertid att genom att använda inre värmare och att förlita sig på den värmeisolering som šO 530 415 7 tillhandahålls genom ett laminärt flöde kunde fordringarna på stagnations- kammarväggarna minskas.

En utföringsform i SE 527 154 framvisade spolvärmare gjorda av diamantliknande kol. Såsom nämndes ovan är emellertid tillverkningen och monteringen därav svår, och kolet kan enkelt oxideras genom spårmängder av syre i gasflödet. Den kemiska motståndskraften kan förbättras något genom att belägga spolen med wolfram.

Enligt den föreliggande uppfinningen går den föreslagna lösningen i totalt motsatt riktning. Istället för att diskutera behovet av att förkasta kisel som ett konstruktionsmaterial använder den föreliggande uppfinningen ett material baserat på kisel, dvs. kisel eller en kiselförening, till och med som den grundläggande delen av det inre värmararrangemanget. Huvud- nackdelen med att använda kisel som konstruktionsmaterial år minskningen i mekanisk styrka vid förhöjda temperaturer. Genom att emellertid tillhandahålla en kärna av kisel eller kiselförening med ett metall- ytbeläggning kan flera fördelar tillhandahållas. Materialet baserat på kisel kan väljas bland t.ex. ren låg-resistivitets-kisel eller helt eller delvis oxiderat kisel. I fall där materialet baserat på kisel uppvisar en alltför låg konduktivitet får metallbeläggningen också tjäna som elektrisk ledare.

För det första tillhandahåller rnetallbeläggningen mekanisk styrka till den sammansatta värmarmikrostrukturen. Kiselkärnan kan därigenom användas även vid temperaturer relativt nära smältpunkten. Vidare kan metallbeläggningen också dessutom tjäna som ett oxidationsskydd för kiselmaterialet, i synnerhet om relativt inerta metaller används. Metall- ytbeläggningen är därigenom mer motståndskraftig mot korrosiva omgivningar. Den största fördelen med att använda kisel som original- konstruktionsmaterial är att det finns väletablerade tekniker inom MEMS för tillverkning av små objekt med mycket noggranna former och dimensioner.

Detta diskuteras mer i detalj längre ned. Den geometriska formningen av kärnstrukturen kan därigenom åstadkommas genom relativt enkla medel. 530 415 När väl kärnstrukturen av materialet baserat på kisel är formad, bildas metallytbeläggningen på kärnstrukturen. Detta tillhandahålls genom deponering av metall på kärnstrukturen, tex. med hjälp av kemisk ångdeponering (CVD, eng. Chemical Vapour Deposition) eller liknande tekniker. I många fall ökas deponeringen vid förhöjda temperaturer, och om rent kisel används, kan kärnstrukturen värmas upp genom att sända en ström genom kärnstrukturen. Föredragna utföringsformer för deponeringen diskuteras mer i detalj längre nedan.

Fig. 2A illustrerar en utföringsform av en värmarmikrostruktur 20 enligt den föreliggande uppfinningen. Värmarmikrostrukturen 20 innefattar i denna utföringsform en tunn värmarskivstruktur 24, formad i en meanderform.

Värmarskivan 24 uppvisar därigenom ett antal väsentligen parallella skivsegment 26, mekaniskt förbundna vid motstående ändar 28 till intilliggande skivsegment 26. Värmarmikrostrukturen 20 är avsedd att placeras i en stagnationskammare med de parallella skivsegmenten 26 parallella med riktningen 30 för gasen som strömmar genom stagnations- kammaren. Värmarmikrostrukturen 20 i den föreliggande utföringsformen innefattar två elektriska anslutningar 32 anordnade vid motstående ändar av värmarskivstrukturen 24 för att kunna tillhandahålla en elektrisk ström därigenom.

I Fig. 2B illustreras ett tvärsnitt av en del av värmarmikrostrukturen från Fig. 2A. Värmarmikrostrukturen 20 innefattar en kärnstruktur 34 av låg- resistans-kisel, och en ytbeläggning 36 av metall eller metallförening. I den föreliggande utföringsformen innefattar metallytbeläggningen 36 platina- metall, men andra metaller är också möjliga att använda. I synnerhet är högtemperaturmetaller såsom Wolfram attraktiva på grund av deras höga smältpunkt. I vissa tillämpningar där katalytiska egenskaper efterfrågas kan emellertid metaller såsom W, Pd, Ir, Rh eller Pt eller blandningar därav vara att föredra. Även oxider, nitrider och karbider av W, Ir, Rh, Pd och Pt är möjliga. Denna aspekt diskuteras vidare nedan. I den föreliggande utförings- 30 530 415 9 formen är kiselkärnstrukturens 34 tjocklek ungefär 15 um, platina- beläggníngens 26 tjocklek är ungefär 5 um och avståndet 38 mellan två på varandra följande plattsegment är runt 25 um.

I Fig. 2C illustreras en annan utföringsform av en värmarmikrostruktur 20 enligt den föreliggande uppfinningen. Här baserar sig strukturen också på en tunn värmarskivstruktur 24. I denna utföringsform har emellertid strukturen skapats i en struktur som bildar en spiralrörsform 40. Detta förstärker värmningen av gasflödet inuti spiralröret 40, och alltså minskar värmebelastningen på stagnationskammarens väggar.

I Fig. 2D, illustreras ytterligare en annan utföringsform av en värmarmikrostruktur 20 enligt den föreliggande uppfinningen. Här skapas ett rör 42 av den tunna värmarskivstrukturen 24 och förses med elektriska anslutningar 32 vid motstående ändar. En sådan struktur liknar spolstrukturen som används i känd teknik, vilket ger en liknande värmeöverföring till gasflödet. Denna utföringsform har emellertid nackdelen att den tunna värmarskivstrukturen 24 måste skapas mycket tunn, för att öka resistansen tillräckligt för att ge en rimlig värmespridning från röret 42.

Såsom fackmannen inser kan värmarmikrostrukturen 20 även formas i många andra former. Ett gemensamt särdrag är emellertid att tunna värmarskivstrukturer 24 används, vilka har en relativt stor kontaktyta med den strömmande gasen. Den tunna värmarskivstrukturen 24 har företrädesvis en bredd i en riktning mot dysöppningen som är avsevärt större, företrädesvis mer än åtminstone en storleksordning större, än en tjocklek för den tunna värmarskivstrukturen 24. De tunna värmarskiv- strukturerna 24 har en kärnstruktur 34 av ett material som baserar sig på kísel, t.ex. låg-resistivitets-kisel eller en kiselförening, belagd med en tunn ytbeläggning 36 av metall eller metallförening.

Fig. 3 illustrerar ett flödesdiagram för huvudsteg i en utföringsform av ett tillverkningsförfarande enligt den föreliggande uppfinningen. Proceduren 530 415 10 börjar i steg 200. I steg 210 tillhandahålls en stagnationskammare och i steg 220 tillverkas en värmarmikrostrukturkärna. Stegen 210 och 220 utförs företrädesvis med MEMS, vilket ger kiselbaserade geometriska strukturer.

Andra angreppssätt för tillverkning enligt känd teknik kan emellertid också användas den föreliggande uppfinningens huvudprinciper, eftersom det speciella sätt på vilket stagnationskammaren och värmarmikrostruktur- kärnan produceras inte är av någon avgörande betydelse.

MEMS baseras traditionellt huvudsakligen på enkristallint kisel.

Procedurerna utvecklades ursprungligen av industrin för integrerade kretsar, men på grund av de attraktiva mönstringsegenskaperna tillverkas mekaniska arrangemang lätt genom liknande processer.

En typisk procedur börjar med att skapa ett maskskikt på en kiselwafer.

Först spinns en fotoresist i flytande form på Wafern. Resisten solidifieras genom en lätt bakningsprocedur, typiskt sett genom att placera Wafern på en varm platta tills lösningsmedlet förångats. Wafern beläggs och upplinjeras med en litografimask som har de efterfrågade strukturerna, och Wafern exponeras för UV-ljus. Den fotoresist som exponeras för UV-ljuset ändrar sina egenskaper, medan områdena som täcks av masken är oförändrade.

Masken avlägsnas och Wafern framkallas i ett bad med en kemisk framkallare, vilken avlägsnar antingen de exponerade eller oexponerade områdena av fotoresisten, beroende på den använda typen. Wafern täcks med ett etsmaskmaterial. Den kvarvarande fotoresisten, tillsammans med det etsmaskmaterial som täcker resisten avlägsnas, vilket lämnar kvar en etsmask som har samma strukturer som den ursprungliga litografimasken.

De icke-täckta områdena utsätts för etsning. Beroende på de efterfrågade geometriska formerna kan olika typer av våta eller torra etsprocesser, anisotropiska eller isotropiska, utnyttjas. För att möjliggöra skapande av plana vertikala väggar används typiskt sett torretsning. Reaktiv jon-etsning (RIE, eng. Reactive Ion Etching), sputteretsníng och ångfasetsning är exempel på torra etsningstekniker. För utföringsformerna som illustreras i den föreliggande uppfinningen har RIE använts. Såsom fackmannen inser är 30 530 415 11 emellertid den föreliggande uppfinningen inte beroende på den absoluta speciella etsningsmetod som används, varför även andra torra och våta etsningstekniker kan användas. Etsningen avlägsnar kisel som inte täcks av etsningsmasken (och för vissa metoder även en del material under etsnings- masken), och de efterfrågade tredimensionella geometriska strukturerna framkallas.

Steg 210 utförs företrädesvis genom att etsa två wafers med komplimenterande geometriska hålrum. Waferna bondas därefter ihop för att bilda stagnationskammaren som ett kombinerat hälrum mellan waferna.

Notera emellertid att ett sådant förfarande fordrar att åtminstone steg 220 utförs före bondningen.

Steg 220 utförs också företrädesvis med hjälp av MEMS. Såsom nämnts tidigare kan emellertid även andra produktionsförfaranden som ger liknande geometriska strukturer utnyttjas. Den tunna värmarskivstrukturens tvärsníttsrnönster tillhandahålls därigenom på wafern och etsningen tillåts fortsätta genom hela wafern. På detta sätt blir den tunna värmarskivstrukturens bredd lika med kiselwaferns ursprungliga tjocklek.

På detta sätt är det möjligt att tillverka nästan vilken geometrisk struktur som helst som har ett konstant tvärsnitt längs strukturens bredd.

I steg 230 beläggs värmarmikrostrukturkärnan med en metallytbeläggning.

Detta kan företrädesvis utföras genom vakuumdeponeringstekniker, t.ex.

CVD. En utföringsform av steg 230 illustreras i mer detalj i Fig. 3B.

Värmarmíkrostrukturkärnan värms upp i steg 232. Detta kan utföras på olika sätt, t.ex. genom bestrålning av värmarmikrostrukturkärnan med laserstrålning. En enkel lösning är emellertid att använda värmarmikro- strukturkärnan själv och sända en ström genom värmarmikrostruktur- kärnan, vilket därigenom alstrar resistiv uppvärmning. I steg 234 flödas gas som innefattar små mängder av en metallförening över värmarmikro- strukturkärnan. I steg 236 kommer den gas som kommer i kontakt med den uppvärmda värmarmikrostrukturkärnan att sönderdelas och metall eller lO l5 30 530 415 12 metallförening kommer att bildas på värmarmikrostrukturkärnan och successivt bygga upp ytbeläggningen av metall eller metallförening.

En metallförening, känd för metalldeponering som sådan, är WFa. När Wolframhexaflouriden kommer i kontakt med en varm kropp, i närvaro av vätgas, kommer den följande reaktionen att äga rum: WF, + sH, -> W(s)+ 6HF(g) Med andra ord, deponeras Wolfram på ytan, medan HF lämnar ytan i gasfas.

Processen blir mer uttalad vid högre temperaturer, vilket betyder att hetare ytor åstadkommer en tjockare deponering. När uppvärmning av värmarmikrostrukturkärnan sker resistívt kommer ett relativt tjockt deponerat metallskikt att minska den lokala resistansen och den alstrade värmen kommer alltså lokalt att minska. Detta är av nytta under deponeringsprocessen, eftersom ytor med en tunnare beläggning kommer bli något hetare än ytor med tjockare beläggning, vilket betyder att skillnaderna i beläggningstjocklek kommer att reduceras, eftersom deponerings- hastigheten är högre vid de hetare punkterna. Även oxider, nitrider, karbider av W, Ir, Rh, Pd och Pt är möjliga att använda som ytbeläggningar.

När en lämpligt tjock ytbeläggning av metall eller metallförening har åstadkommits avslutas deponeringen.

Värmarmíkrostrukturen monteras i steg 240 in i stagnationskammaren.

(Notera här att om stagnationskammaren bildas genom en vvaferbondings- process såsom beskrivits ovan, kommer en del av steg 210 att äga rum efter monteringen av värmarmikrostrukturen.) Proceduren avslutas i steg 299.

Steget med metallytbeläggning är möjligt att utföra i en dedikerad vakuumkammare. I en föredragen utföringsform kan emellertid beläggníngs 530 415 13 steget 230 utföras in situ, direkt på en värmarmikrostrukturkärna som redan monterats i stagnationskammaren. Fig. 3C illustrerar ett sådant förfarande.

Här börjar processen med stegen 210 och 220 på samma sätt som i Fig. 3A.

I utföringsformen i Fig. BC inträffar emellertid monteringssteget 240 innan någon ytbeläggning av metall eller metallförening utförs, dvs. före steg 230. Även här kommer, om stagnationskammaren bildas av en Waferbondnings- process såsom beskrivits ovan, en del av steg 210 att äga rum efter monteríngen 240 av värmarmikrostrukturen i stagnationskammaren. När monteringen och eventuellt waferbondningssteg utförs kan beläggningssteget 230 utföras in situ, inuti stagnationskammaren. En lämplig gas tillhandahålls genom ingången till stagnationskammaren och genom att ansluta en ström genom anslutningarna till värmarmikrostrukturen värms värmarmikrostrukturkärnan upp och en deponering äger rum.

Denna process har vissa fördelar. För det första behövs inga separata kammare för beläggningsprocessen, vilket sparar monteringstíd och reducerar eventuella möjligheter att bryta sönder de relativt bräckliga värmarmikrostrukturkärnorna. För det andra kommer anslutningarnas resistansförhållanden alltid att ändras under monteríngsprocessen, ibland mer, ibland mindre. Genom att övervaka resístansen över värmarmikro- strukturen före beläggningssteget kan kompenseringar göras på grund av de skiftande kontaktresistanserna. Vidare, genom att följa resístansen under deponeringen kan deponeringsgraden styras på ett mycket tillförlitligt sätt genom att avbryta uppvärmningssteget eller flödningssteget, varigenom en resistanstoning in sítu åstadkoms. Metallytbeläggningens homogenitet är typiskt sett inget stort problem, på grund av självutjämningen av beläggningen beskriven ovan.

När belåggningssteget 230 har slutförts skulle det till och med vara möjligt att etsa bort åtminstone en del av kislet eller kiselföreningen som bildar värrnarmikrostrukturkärnan, varvid kislet eller kiselföreningen alltså används mer som en offerstruktur. 530 415 14 Fig. 4A illustrerar en uppställning för metallbeläggning av en värmarmíkrostrukturkärna 34 som bildar en värmarmikrostruktur 20.

Värmarmikrostrukturkärnan 34 monteras i en deponeringskammare 50 och anslutningar 54 ansluter värmarmikrostrukturkärnan 34 till en deponeringsstyrenhet 52 som innefattar en styrd strömkälla. Gas som innefattar metallföreningar lagras i en beläggningsbehållare, i denna utföringsform ett lager 60 av metalliseringsgas och flödar 56 in i deponeringskammaren 50. När en ström läggs på genom värmar- mikrostrukturkärnan 34, värms värmarmikrostrukturkärnan 34 upp och metallföreningarna sönderdelas vid ytan. Den kvarvarande gasen lämnar deponeringskammaren 50. Deponeringsstyrenheten 52 innefattar företrädesvis även funktionalíteter för att övervaka utvecklingen av resistansen över den uppbyggande värmarmikrostrukturen 20, för att kunna avbryta deponeríngen när en lämpligt tjock beläggning har åstadkommíts.

Fig. 4B illustrerar en uppställning för in sim-beläggning av en värmar- mikrostrukturkärna 34. Deponeringskammaren 50 utgörs här av stagnationskammaren 12. Lagret 60 av metalliseringsgas är ansluten till ingångsröret 6 via en ventil 62. Efter deponering kan lagret 60 av metalliseringsgas kopplas bort. Alternativt kan lagret 60 av metalliseringsgas tillfällígtvis ersätta gaslagret 2, varvid den extra ventilen 62 kan utelärnnas.

Deponeringsstyrenheten 52 kan på samma sätt vara en separat enhet eller kan inbegripa även värmarstyrenheten 22.

Fig. 4C illustrerar en uppställning för in situ-beläggning av en vårmarmikrostruktur 20, anordnad för att drivas till och med parallellt med den vanliga framdrivníngsdriften. Eftersom alla delar finns närvarande för att både belägga och driva kan en sådan uppställning utnyttjas t.ex. för att utföra reparationer av metallytbeläggningen in situ, och till och med parallellt med eller instucket mellan driftsperioder. Om en värmarmikrostruktur 20 korroderas under användning, t.ex. på grund av föroreningar i de gaser som används för framdrivningsverkan, kan värmarmikrostrukturen 20 i själva verket repareras. Gas som innehåller metallföreningar flödas genom 530 415 15 stagnationskammaren 12 medan värmarmikrostrukturen 20 värms. På grund av den höga resistansen vid punkter med tunn metallytbeläggning blir dessa punkter hetare och sönderdelningen av metallföreningarna sker snabbare vid dessa punkter, tills den efterfrågade tjockleken har återfåtts.

Fig. 5 illustrerar reparationsaspekten såsom ett flödesdiagram. Proceduren börjar i steg 200. I steg 250 förbättras värmarmikrostrukturens metall- ytbeläggning. Detta steg innefattar i sin tur stegen 232, 234 och 236, kända från Fig. SB. Proceduren avslutas i steg 299. Likheten med den ursprungliga tillverkningen är uppenbar, eftersom det är resultatet av en och samma uppfinningsidé.

Gasen som används i reparationen av värmarmikrostrukturen kan till och med vidare användas för att driva fram gastrustorn.

En gastrustor enligt den föreliggande uppfinningen kan i grunden utnyttjas på ett liknande sätt som konventionella gastrustorer. Emellertid, såsom kommer att beskrivas här nedan, har gastrustorer enligt den föreliggande uppfinningen vissa fördelar. I en grundläggande version är den behållare som innehåller framdrivningsmateria ett konventionellt lager för gas, innefattande trycksatt gas, t.ex. H2, He, Ne, Ng, Ar, Xe, CF4, CH4, NHg, N20, CgHg eller C4H10, företrädesvis Ng, Xe, CH4, NH3 eller N20. Det är viktigt att gasen är så ren som möjligt, eftersom även små mängder föroreningar kan bidra till korrosion av värmarmikrostrukturen och stagnationskammaren.

Vidare, eftersom volymminskningen är viktig i rymdtillåmpningar, skulle det vara ännu bättre att utnyttja en gas som kan bli flytande när den utsätts för höga tryck, t.ex. Xe, N20, C3Hg eller C4H10. Om framdrivningsmaterialet i den behållare som innehåller framdrivningsmaterial är en gas som gjorts flytande genom höga tryck utnyttjas volymen effektivare. Även andra alternativ av framdrivningsmaterial år möjliga. I en utförings- form är framdrivningsmaterian en förening som uppvisar en exotermisk 530 415 16 reaktion och/ eller en volymexpanderande reaktion när den kommer i kontakt med ett katalytiskt aktivt material. Genom att tillhandahålla katalytiskt aktiva material på värmarmikrostrukturerna, t.ex. såsom metall- ytbeläggningen, kommer den framdrivningsgas som kommer i kontakt med den uppvärmda katalytiskt aktiva ytan att uppvisa en reaktion, vilken resulterar i en ytterligare ökad temperatur och / eller en ökad volym. Exempel på möjliga katalytiskt aktiva material att använda är Pd, lr, Rh och Pt. På ett sådant sätt utnyttjas framdrivningsmaterian ännu effektivare.

Det katalytiskt aktiva materialet utsätts inte endast för den avsedda framdrivningsmaterian, utan även för föroreningar i gasen och för höga temperaturer, och är därför föremål för t.ex. korrosion och / eller förångning. I en ytterligare utföringsform, skulle framdrivningsmaterian kunna innefatta mycket små mängder av föreningar med katalytiskt aktiva material. Når dessa föreningar utsätts för de heta värmarrnikrostrukturerna kan de sönderdelas och de katalytiskt aktiva materialen deponeras på vårmarmikrostrukturen. På detta sätt kan nytt katalytiskt aktivt material kontinuerligt tillhandahållas till värmarmikrostrukturens yta. Företrädesvis lagras föreningarna med katalytiskt aktiva material i en separat tank och blandas tillsammans med den rena framdrivningsmaterian när så behövs.

Om värmarmikrostrukturens slitagesituation är välkänd kan det också vara möjligt att ha en gemensam lagring av framdrivningsmateria och föreningarna för värmarmikrostrukturen. En möjlig kandidat för en framdrivningsgas är Ni(CO)4.

Fig. 6 illustrerar ett flödesdiagram över huvudsteg i en utföringsform av ett förfarande för att driva en gastrustor enligt den föreliggande uppfinningen.

Proceduren börjar i steg 201, i steg 206 frigörs en gas som innefattar en förening som uppvisar en exotermisk reaktion när den kommer i kontakt med ett katalytiskt aktivt material från en behållare. I steg 270 värms gasen.

Denna vårmning utförs åtminstone delvis genom en värmarmikrostruktur av kisel eller en kiselförening som har en metallytbelåggning av det katalytiskt aktiva materialet. Uppvärrnningen utförs också åtminstone delvis genom att 530 415 17 föreningen reagerar exotermiskt vid metallytbeläggningen. Slutligen, i steg 280, flödar den uppvärmda gasen genom en utloppsdysa för gastrustorn, vilket därigenom ger upphov till en kraft på gastrustorn i en motsatt riktning.

I Fig. 7 illustreras en testutrustning för en stagnationskammare 12 med sex värmarmikrostrukturer 20 monterade i serie. Stagnationskammaren är tillverkad i en kiselwafer 70. Värrnarmikrostrukturerna 20 är monterade i rännor 72 i kiselwafern, där hål i en underliggande kiselwafer 70' tillhandahålls för de elektriska anslutningarna (ej visade i denna flg.). På ett sådant sätt kan den elektriska anslutningen tillhandahållas från baksidan av kiselwafern, externt från stagnationskammaren.

I en föredragen utföringsform är värmarrnikrostrukturens 20 elektriska anslutning 32 utformad som i Fíg. 8. Den elektriska anslutningen 32 har en allmänt långsträckt form försedd med små krokar 74 nära den nedre änden.

Den elektriska anslutningens 32 huvuddimensioner är anpassad för att precis passa in i ett hål 84 i Wafern 70. Krokarnas 74 kanter är dimensionerade för att vara något större än hålets 84 dimension. På sådant sätt kan den elektriska anslutningen 32 tvingas genom hålet 84, men när krokarna penetrerar ut från hålet hindrar kanterna den elektriska anslutningen att avlägsnas igen. Kanterna på krokarna 74 vilar mot en kant 82 på Wafern vid hålets 84 utgång. Detta tillförsäkrar en mekanisk stabilitet.

Den elektriska anslutningen 32 tillverkas i låg-resistans-kisel och är därför ledande. För att förhindra eventuell elektrisk kontakt med kiselwafern 70 oxideras såväl hålets 84 insidesyta 78 som områden i närheten av hålöppningarna, vilket ger upphov till ett lager med isolerande kiseloxid. Vid hålets 84 nedre öppning förses wafern med ett tunt metallskikt 86, vilket har en vakuumtät vidhäftning mot kiselwafern 70. Ett lodmateríal 80 deponeras över den elektriska anslutningens 32 ände 76 och värms upp tills lod- materialet 80 väter mot såväl änden 76 som mot det tunna metallskiktet 86.

Företrädesvis kan uppvärmningen utföras genom att sända en elektrisk 530 415 18 ström genom det tunna metallskiktet 86. På ett sådant sätt tillhandahålls både en elektrisk anslutning och en vakuumtätning på ett enkelt sätt, utan behov av traditionella lödningsprocesser. Vidhäftningsegenskaperna kan förstärkas genom att forma änden 76, t.ex. som en sfär som visas i figuren, för att tillhandahålla en geometrisk struktur som tillhandahåller en ökad styrka till vidhäftningen till änden 76.

Såsom ses i Fig. 8 tillhandahålls hålets öppning på den undre Sidan i en fördjupning i wafern. Detta gör det möjligt att inrymma hela den elektriska anslutningen inom planet för waferns huvudyta, Vilket TCdI-ICCTaI' fiske? för mekaniska skador.

Principerna som presenteras ovan avseende den elektriska anslutningen för värmarmikrostrukturen kan utnyttjas på ett mer allmänt sätt som elektriska vior. Inom känd teknik, tillhandahålls elektriska vior typiskt sett genom att sticka in en metallpinne genom ett hål som tillhandahållits genom en Wafer.

Pinnen ansluts elektriskt på var sida av wafern. När de elektriska strukturerna blir mindre och mindre blir hanteringen av sådana vior svår, på grund av de små dimensionerna.

Vidare, i många tillämpningar idag tillhandahålls flera Wafers staplade på varandra i en waferstapel, möjligen ihopbondad. Elektriska vior tillhandahålls ofta mellan olika ytor på dessa wafers. Under bondnings- processen värms Waferna upp till höga temperaturer, vilket betyder att det år svårt att tillhandahålla lödda vior före bondningsprocessen. Vidare, om metallvior används, skiljer sig den termiska expansionen mellan Wafern och viorna åt. I synnerhet för vior genom multiwaferstaplar kan skillnaden i termisk expansion vara avsevärd, vilket leder till mekanisk påfrestning på anslutningarna. Detta är särskilt viktigt, tex. under bondningsprocesser eller andra hög-temperaturbehandlingar.

Användningen av låg-resistans-kisel som vior löser många av dessa problem.

Den termiska expansionen för viorna blir identisk med den termiska 25 šO 530 415 19 expansionen för wafern, vilket avlägsnar eventuell mekanisk spänning vid värmebehandlingen. Vidare, eftersom den geometriska formen för kiselvior kan skräddarsys med en mycket hög noggrannhet, kan krokar eller andra kvarhållande organ tillhandahållas för att tillförsäkra mekaniska anslutningar. Några icke-exklusiva exempel på vior presenteras i figurerna 9A-C. Fackmannen inser emellertid att det finns många andra varianter och modifieringar av samma grundläggande principer som är möjliga att utnyttja.

I fig. 9A finns en via 100 av låg-resistans-kisel insatt genom ett hål 84 i en Wafer 70. Vian 100 har en krok 74 i närheten av varje ände 76 därav. I denna utföringsform finns det endast en krok vid varje ände, vilket underlättar insättandet genom hålet 84. Hålet 84 är täckt med ett kiseloxidskikt för att förhindra elektrisk kortslutning mot wafern 70. Vid varje öppning av hålet 84, uppvisar wafern en nedsänkning, i vilken en kant 82 tillhandahålls, mot vilken kroken 74 är avsedd att vila. Nedsänkningen och en yta runt nedsänkningen är också täckt av en metallfilm 86 som hjälper till med att tillförsäkra en god vidhäftning och en vakuumtät tätning.

Metallfilmen 86 kan också användas såväl för uppvärmning av lodmateríalet när lödningen skapas, som en elektrisk ledning till vian 100 för driftsändamål. l Fig. 9B är vian 100 instucken genom en multiwaferstapel 102. l denna utföríngsform är de kvarhållande strukturerna 74A vid en ände tillräckligt små för att tvingas genom hålet 84. De kvarhållande strukturerna 74B vid den andra änden är emellertid större, vilket tillförsäkrar en ännu säkrare mekanisk montering.

I Fig. 9C visas en stapel av Wafers i tvärsnitt. En första via 10OA tillhandahålls genom hela stapeln, medan en andra via lOOB endast passerar genom tre av waferna. En ände av den andra vian lOOB slutar alltså inuti stapeln. Lodmaterialet för denna kan tillhandahållas genom ett hål 104, och den slutliga lödningsprocessen kan tillhandahållas genom att 530 415 20 använda metalliseringen runt viahålet 84. Det är alltså lätt att tillhandahålla vior mellan godtyckliga plan i Waferstapeln genom att använda de föreliggande principerna.

De utföringsformer som beskrivs ovan ska ses som några få illustrativa exempel på den föreliggande uppfinningen. Fackmannen inser att olika modifieringar, kombinationer och ändringar kan göras i utföringsformerna utan att avlägsna sig från omfånget av den föreliggande uppfinningen. I synnerhet kan olika dellösningar i de olika utföringsforrnerna kombineras i andra konfigurationer, där så är tekniskt möjligt. Omfånget för den föreliggande uppfinningen definieras emellertid av de medföljande patentkraven.

Claims (21)

10 15 20 25 30 530 415 21 PATENTKRAV

1. Dysarrangemang (10) för användning i en gastrustor (1), innefattande: stagnationskammare (12) som har en ingångsöppning (7) och Gti dysutlopp (l4); och åtminstone en värmarmikrostruktur (20) anordnad i stagnatíons- kammaren (12), kännetecknat av att nämnda åtminstone en värmarmikrostruktur (20) innefattar en värmarmikrostrukturkärna (34) av kisel eller kiselföreningar belagda med en ytbelåggníng (36) av metall eller metallförening.

2. Dysarrangemang enligt krav 1, kännetecknat av att ytbeläggningen (36) av metall eller metallförening är ett katalytiskt aktivt material.

3. Dysarrangemang enligt krav 2, kännetecknat av att det katalytiskt aktiva materialet är valt från listan av W, Ir, Rh, Pd, Pt samt oxider, nitrider, karbider av W, Ir, Rh, Pd och Pt.

4. Dysarrangernang enligt krav 1, kännetecknat av att ytbeläggningen (36) av metall eller metallförening är en högtemperaturmotståndskraftig metall.

5. Dysarrangemang enligt krav 4, kännetecknat av att ytbeläggningen (36) av metall eller metallförening är Wolfram.

6. Dysarrangemang enligt något av kraven 1 till 5, kännetecknat av att ytbeläggningen (36) av metall eller metallförening år motståndskraftig mot oxiderande och reducerande omgivningar.

7. Dysarrangemang enligt något av kraven l till 6, kännetecknat av att nämnda åtminstone en värmarmikrostruktur (20) innefattar en formad tunn värmarskivstruktur (24). lO 15 20 25 30 530 415 22

8. Dysarrangemang enligt något av kraven 1 till 7, kännetecknat av att den tunna värmarskivstrukturen (24) har en meandrande form sedd från dysutloppet (14).

9. Dysarrangemang enligt krav 7 eller 8, kännetecknat av att den tunna värmarskivstrukturen (24) har en bredd i en riktning mot dysutloppet (14) som är avsevärt större än en tjocklek av den tunna värmar- skivstrukturen (24).

10. Gastrustor (1), innefattande: en behållare (2) innehållande frarndrivande materia; ett dysarrangemang (10) enligt något av kraven 1 till 9; ett första ventilarrangemang (4) som förbinder behållaren (2) och dysarrangemanget (10) ; samt värmarstyrenhet (22) ansluten till nämnda åtminstone en värmar- mikrostruktur (20).

11. ll. Gastrustor enligt krav 10, kännetecknad av att den framdrivande materian är gas som blivit flytande när den utsatts för höga tryck.

12. Gastrustor enligt krav 10 eller 11, kännetecknad av att den framdrivande materian är en förening som uppvisar en exotermisk reaktion när den kommer i kontakt med ett katalytiskt aktivt material.

13. Gastrustor enligt något av kraven 10 till 12, kännetecknar! av att den framdrivande materian innefattar små mängder av en förening av ett katalytiskt aktivt material.

14. Gastrustor enligt något av kraven 10 till 12, kännetecknad av att vidare innefatta en beläggningsbehållare (60) innefattande en förening av ett katalytiskt aktivt material och ett andra ventilarrangemang (62) som förbinder beläggningsbehållaren (60) och dysarrangemanget (10). 10 15 20 25 30 530 41 5 23

15. Förfarande för tillverkning av ett dysarrangemang (10) för användning i en gastrustor (1), innefattande stegen: tillhandahållande (210) av en stagnationskammare (12) som har en ingångsöppning (7) och ett dysutlopp (14) ; tillverkning (220) av en värmarmikrostrukturkärna (34) i kisel eller en kiselförening; beläggning (230) av en yta av värmarrnikrostrukturkärnan (34) med en ytbeläggning (36) av metall eller metallförening; vilket beläggningssteg (230) i sin tur innefattar stegen: uppvärmning av värmarmikrostrukturkärnan (34) genom att leda en elektrisk ström därigenom; flödande (234) av en gas innefattande små mängder av en metallförening över värmarmikrostrukturkårnan (34) ; och sönderdelning (236) av föreningen vid den uppvärmda värmar- mikrostrukturkärnan (34) till metallen eller metallföreningen (36); samt montering (240) av värmarmikrostrukturen i stagnationskammaren (12).

16. Förfarande enligt krav 15, kännetecknat av att monteringssteget (240) utförs före beläggningssteget (230), varvid beläggningssteget (230) utförs in situ i stagnationskammaren (12).

17. Förfarande enligt krav 16, kännetecknat av att beläggníngssteget (230) innefattar de ytterligare stegen: övervakning av en resistans över värmarmikrostrukturen (20); och avbrytande av åtminstone ett av uppvärrnningssteget (232) och flödandesteget (234), varvid en resistanstoníng in-sítu åstadkoms.

18. Förfarande enligt något av kraven 15 till 17, kännetecknat av det ytterligare steget att etsa bort åtminstone en del av kislet eller kiselföreningen. 10 15 530 415 24

19. Förfarande för in-situ-reparation av ett dysarrangemang (10) för användning i en gastrustor (1), vilket dysarrangemang (10) innefattar åtminstone en värmarmikrostruktur (20), uppbyggd av kisel eller kiselförening med en ytbeläggning (36) av metall eller metallförening, och anordnad i en stagnationskammare (12), vilket förfarande innefattar stegen: reparering (250) av värmarmikrostrukturen (20) genom att förbättra ytbeläggningen (36) av metall eller metallförening; vilket repareringssteg (250) i sin tur innefattar stegen: uppvärmning (232) av värmarmikrostrukturen (20) genom att leda en elektrisk ström därigenom; flödande (234) av en gas som innefattar små mängder av en metallförening innefattande nämnda metall eller metallförening över värmar- mikrostrukturen (20); och sönderdelning (236) av föreningen vid den uppvärmda värmar- mikrostrukturen (20) till nämnda metall eller metallförening (36).

20. Förfarande enligt krav 19, kännetecknat av att gasen som används i flödandesteget av en gas vidare används för att driva fram gastrustorn.

21. Förfarande för drivning av en gastrustor (1), innefattande stegen: frigörande (260) av gas från en behållare (2) ; uppvärmning (270) av gasen; samt flödande (280) av den uppvärmda gasen genom en utloppsdysa (14) på gastrustorn (1), kännetecknat av att gasen innefattar en förening som uppvisar en exotermisk reaktion när den kommer i kontakt med ett katalytiskt aktivt material; uppvärmningssteget (270) utförs genom en värmarmikrostruktur (20) av kisel eller kiselförening som har en ytbeläggning (36) av metall eller metallförening av den katalytískt aktiva metallen, varvid uppvärmningssteget (280) av gasen åtminstone delvis utförs genom föreningen som exoterrniskt reagerar vid ytbeläggningen (36) av metall eller metallförening.