CN1331792A - 用于在微型机械热水器中控制流体的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一个微型机械流体控制设备,其包括一个具有导热外壳的微型机械热水器(52),该外壳具有壳外表面和壳内表面。壳内表面确定一个空腔,其内放置流体(62)。热源(54)与外壳外表面结合。热源(54)有选择地产生热,其通过导热外壳传导,使得以预定方式有选择地膨胀该流体(62)。可以在导热外壳内放置一个负载电阻(64)。可以以预定方式驱动电流通过该负载电阻(64)以进一步控制有选择地膨胀该流体(62)。

Description

用于在微型机械热水器中控制流体的设备和方法
发明领域
本发明一般涉及微型机械流体控制装置，诸如阀门和泵。特别说，本发明涉及由一个放置在热水器室外面的热源控制的导热热水器。
微型机械装置(也称为微机装置或微电子机械装置)是使用半导体处理技术制造的小型(微米级)机器。微型机器包括多种装置，诸如类似常规微型机械的流体控制装置(例如阀门和泵)、马达和齿轮链。这里所用的术语“微型机器”指的是任何至少部分依赖半导体处理技术制造的三维物体。
图1表示一个按照现有技术制造的微型机械阀门20。该阀门20包括3个主要部件：一个热绝缘基片22、一个可变形膜片24和一个导流基片26。热绝缘基片22可以用派热克斯玻璃(Pyrex)形成，而可变形膜片可以用硅形成。工作流体28设置在热绝缘基片22和可变形膜片24之间形成的空穴内。在热绝缘基片22上形成一个薄膜加热器30。更特别的是，如图1所示，薄膜加热器30接附于阀门20的内表面上。使用电触点32和供电通路34向薄膜加热器30提供电流。虽然为简单起见未表示，但是至少还使用一个附加的触点和供电通路。图1还表示一个密封盖36，其可以用来向阀门20内提供工作流体28。
可变形膜片24设置在基座38上，并载有阀座40。阀座40安放在阀孔42上。这样，图1的设备表示一个通常的闭合阀门。也就是说，图1的阀门在未施加电源时是闭合的。
图2表示图1的阀门在施加电源后的打开状态。当通过薄膜电阻30施加电流时，工作流体28被加热，并随之膨胀，从而使可变形膜片24变形。结果，流体可以通过阀孔42流出，如箭头44所示。
本技术领域内的技述人员能看到伴随图1和图2的设备的一些缺点。首先，现有技术装置相对慢，因为它用薄膜加热器30加热工作流体28较费时。另外，现有技术装置制造和测试相对较贵。这一花费的主要部分与薄膜加热器的制造和测试相关。薄膜加热器30的制造本身很贵。薄膜结构的测试因为薄膜加热器在阀门内部的位置是很困难的。此外，给薄膜加热器提供精细的温度和电流控制能力相对较贵。
鉴于上述，非常希望提供一种改进的微型机械流体控制装置。这样的装置应该提供在控制工作流体温度时改进的速度。另外，这种装置在制造和测试时相对便宜。
发明概要
本发明的设备是一种微型机械热水器，它带有一个导热的外壳，该外壳有壳外表面和壳内表面。该壳内表面确定一个内部空穴，其内设置有流体。该壳外表面结合有热源。该热源有选择地产生热量，热量通过导热外壳传导，使得以预定方式有选择地膨胀流体。可以在导热外壳内放置一个负载电阻。可以以预定方式驱动电流通过该负载电阻，以进一步控制流体的有选择的膨胀。
本发明的方法包括用导热外壳把工作流体封闭在一个微型机械热水器中的步骤。随后加热该导热外壳以控制在微型机械热水器内的工作流体的膨胀。可以有选择地驱动电流通过放置在导热外壳内的负载电阻，以控制微型机械热水器内的工作流体的膨胀。
导热热水器外壳和在外部放置的热源的结合对在该热水器中的工作流体提供迅速的成比例的控制。本发明的热源相对容易组装。热源的位置也方便测试。该热源可以以低成本的外部安装的控制器实现。另外的方案为，热源可以与热水器整体形成。无论在哪一种实施例中，该热源是一个外部热源，因为它对热水器室的内部来说在外面。导热外壳有效地利用了与该热源相关的所有热能。
附图的简要描述
为更好理解本发明，结合附图参考下面的详细说明，附图中：
图1表示一个现有技术的阀门，它使用对工作流体的内加热以控制阀门状态；
图2表示处于打开状态的图1所示现有技术的阀门；
图3表示按照本发明的一个实施例的微型机械流体控制设备；
图4是按照本发明的一个实施例的微型机械流体控制设备的放大的横断面视图；
图5表示对应于图4所示设备的电路；
图6是按照本发明的另一个实施例的微型机械流体控制设备的放大的横断面视图；
图7表示对应于图6所示设备的电路；
图8是按照本发明的又一个实施例的微型机械流体控制设备的放大的横断面视图；
图9表示对应于图8所示设备的电路；
图10是按照本发明的另一个实施例的微型机械流体控制设备的放大的横断面视图；
图11表示对应于图10所示设备的电路；和
图12表示按照本发明的又一个实施例的微型机械流体控制设备。
在整个附图中类似的参考标记指示相对应的零部件。
本发明的优选实施例的详细描述
图3表示按照本发明的一个实施例的微型机械流体控制设备50。该设备50包括一个微型机械热水器52。微型机械热水器52包括确定一个内部空穴(在后面的图中表示)的导热外壳。热源54与微型机械热水器52的外部结合。热源54既可以是连接到热水器52上的分离装置，如图3所示，也可以是集成在热水器内的装置。无论在哪种实施例中，热源都在由该热水器确定的内部空腔的外面。加热器连接线56连接到热源54上。
微型机械热水器52优选放置在绝缘基片58上面，该绝缘基片可以有一个流体密封帽60。绝缘基片可以用派热克斯玻璃(Pyrex)形成。可变形膜片62连接到绝缘基片58上。作为示例，可变形膜片62可以用硅形成。导流基片64连接到可变形膜片62上。可变形膜片62、导流基片64和绝缘基片58可以是本技术公知的类型。本发明指向微型机械热水器52及其相关的加热器54。本技术领域内的技述人员理解，任何数目的阀门构形或任何外部装置都可以与该公开的热水器52结合使用。
微型机械热水器52用导热材料制成。这里所用的术语“导热材料”指的是热导率至少为40W/m K的材料，优选至少为80W/mK。本发明已经用硅微型机械热水器52实现。在该实施例中，使用标准半导体处理技术制造热水器筒的各两半筒。如下所述，一个负载电阻可以在单个半筒中形成，或可以放置在两个半筒的接口处。该负载电阻可以是一个植入装置，一个薄膜装置，或类似装置。把单个半筒密封以形成一个封闭的腔。
外部加热器54提供一个抵抗热源。优选外部加热器54包括一个控制电路，以便在热输出达到预定温度时减少加热器54的热输出。另外可选的方案为，外部加热器54包括一个控制电路，以便在电流达到预定值时减少通过加热器54的电流。作为一个示例，外部加热器54已经用由依利诺斯州的Schaumburg市的莫托罗拉公司销售的MC7805集成电路实现。
本技术领域内的技述人员会看到与图3的设备关联的一些优点。首先，热水器52完全由导热材料形成。这样，任何与加热器54相关联的热都传输给热水器52内的工作流体。这使工作流体迅速加热。可注意，使用图1和图2的设备，使薄膜加热器30在绝缘基片22上形成。
图3的设备50还有利的是因为它使用一个外部放置的加热器54。分离的外部加热器提供一种低成本装置。集成的外部加热器提供一种紧凑而高效的装置。
参考图4可以更充分理解本发明的操作和优点。图4是本装置的“常开”实施例的一个放大的横断面。该图表示热水器52，它确定一个热水器室60。工作流体62放置在热水器室60内。在图4的实施例中，负载电阻64放置在热水器52的壁内。
电压输入连接垫66放置在绝缘基片58上。电压输入连接线68从连接垫66延伸到加热器54的顶部。接地连接垫70也放置在绝缘基片58上。接地连接线72连接到热水器52和加热器54。在热水器52的顶部形成接地平面74。输出连接线78从加热器54的顶部延伸到输出引线80，后者与负载电阻64电连接。
图5表示相应于图4所示设备的电路。图5表示电压输入连接线68被施加到加热器54。来自加热器的输出连接线78连接到负载电阻64，后者在其另一端接地。加热器54也通过接地连接线72接地。从节点68施加的输入电压施加在加热器54上，使加热器产生抵抗热，其传导给工作流体62。抵抗热也由负载电阻64产生。
施加的热使工作流体62膨胀。其结果，可变形膜片62膨胀，以阻塞导流基片64的输出端口84。工作流体62的控制提供阀门的比例控制。本技术领域内的技述人员可理解，本发明的热水器可以与任何数目的流体控制路径、阀门或泵使用。图4的结构只作为例子提供。
图6表示本发明的微型机械热水器的另一个实施例。图6的设备不包括负载电阻。代之以提供一个负载晶体管92。该晶体管用作负载和辅助加热源。负载晶体管92允许动态输出负载。晶体管92可以安装在热水器54上、制造在热水器54内、或分开安装。
图6的热水器90封装工作流体62。热水器90放置在绝缘基片58上。电压输入连接垫66放置在基片58上。电压输入连接线68从连接垫66延伸到加热器54的顶部。接地垫70也放置在基片58上。接地连接线72延伸到接地平面74、负载晶体管92和加热器54。负载晶体管92通过控制输入连接线96连接到控制输入垫94。输出连接线78将加热器54的一个输出节点连接到负载晶体管92。
图7表示对应于图7的装置的电路。加热器54的一个输出节点连接到负载晶体管92。控制输入连接线96连接到晶体管92的栅级或基级。在该实施例中，加热器54给工作流体提供热，和晶体管92一样。
图8表示本发明的另一个实施例。在该实施例中，热水器100包括一个内部负载电阻64和一个外部安装的晶体管102。图9是对应于图9装置的原理图。控制输入连接线104连接到晶体管102的栅级或基级。晶体管输出引线106电连接到负载电阻64上。这样，在该实施例中，晶体管102用作电源控制装置，允许快速、高效地加热。
图10表示本发明的再一个实施例。在该实施例中，热水器120包括一组放置在热水器内室中的热传输翅片122。热传输翅片122改善了该装置的热传输特性。在该实施例中提供一个分开的电阻输入引线124以建立负载电阻64的单独控制。图11表示对应于图10装置的电原理图。
图12表示一个其加热器54与热水器外壳集成在一起的热水器130。连接线132用于建立需要的电连接。图12的装置的操作与本发明前面公开的实施例一致。
前面的描述是为了说明的目的，它使用特定的术语以提供对本发明的完全的理解。然而，对于本技术领域内的技述人员来说明显的是，为实现本发明，不需要特定的细节。在其它的事例中，以方框图形式表示公知的电路和装置以便避免对基础发明不必要的误解。于是，前面对本发明特定实施例的描述仅为表示和说明的目的。它们不打算详尽地或者限制本发明到所公开的具体形式。显然，考虑到上述教导，许多变型和改变是可能的。选择和说明实施例是为了最好地解释本发明的原理及其实际应用，从而能使本技术领域的技术人员使用适合于打算的实际使用的各种变型最好地应用本发明和各种实施例。本发明的范围由下面的权利要求及其等同物定义。

Claims (17)

1.一种微型机械流体控制设备，其包括：
微型机械热水器，它包括导热外壳，该外壳具有壳外表面和壳内表面，它们确定一个空腔，流体放置在其内；以及
与所述壳外表面结合的热源，所述热源有选择地产生热，其通过所述导热外壳传导，以预定方式有选择地膨胀所述流体。
2.根据权利要求1所述的微型机械流体控制设备，其中，所述热源是放在
所述壳外表面上的一个分离装置。
3.根据权利要求1所述的微型机械流体控制设备，其中，所述热源集成在
所述壳外表面内。
4.根据权利要求1所述的微型机械流体控制设备，其中，所述导热外壳用
硅形成。
5.根据权利要求1所述的微型机械流体控制设备，其中，所述导热外壳在
其内放置有一个负载电阻。
6.根据权利要求1所述的微型机械流体控制设备，其中，所述导热外壳包
括多个在所述内部空腔内放置的热传输翅片。
7.根据权利要求1所述的微型机械流体控制设备，其中，所述热源是一个
抵抗热源。
8.根据权利要求5所述的微型机械流体控制设备，其中，所述热源是一个
抵抗热源，并且电连接到所述负载电阻，使得所述负载电阻在所述导热外壳内产生热。
9.根据权利要求1所述的微型机械流体控制设备，其中，所述热源包括一
个控制电路，以便当所述热源达到预定温度时减少所述热源的热输出。
10.根据权利要求1所述的微型机械流体控制设备，其中，所述热源包
括一个控制电路，以便当在所述热源中的电流达到预定值时减少流过所述热源的电流。
11.根据权利要求5所述的微型机械流体控制设备，其还包括一个晶体管，以控制驱动通过所述负载电阻的电流，从而控制施加在所述内部空腔内的所述流体上的热。
12.根据权利要求1所述的微型机械流体控制设备，其还包括一个连接
到所述微型机械热水器上的绝缘基片，所述绝缘基片包括一个孔，其与所述外壳内表面的所述内部空腔流体连通。
13.根据权利要求12所述的微型机械流体控制设备，其还包括一个连
接到所述绝缘基片上的可变形膜片。
14.根据权利要求13所述的微型机械流体控制设备，其还包括一个连接到所述可变形膜片上的导流基片，所述流体从所述热水器有选择地压靠所述可变形膜片，以阻塞在所述导流基片内的受控流体流。
15.一种控制流体流的方法，所述方法包括步骤：
用导热外壳将工作流体封装在一个微型机械热水器内；以及
加热所述导热外壳，以控制在所述微型机械热水器内的所述工作流体的膨胀。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，其还包括步骤：有选择地驱动电流通过放置在所述导热外壳内的一个负载电阻，以控制在所述微型机械热水器内的所述工作流体的膨胀。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述驱动步骤通过有选择地控制一个晶体管来控制。
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