Устройство для контроля газового потока и системы и способы, в которых используется устройство - RU2017103498A

1. Устройство (1) для контроля газового потока, содержащее:

- регулирующий интерфейс (2) для регулирования газового потока, выполненный с возможностью сдерживания или пропускания газового потока через устройство (1) управляемым способом, а также

- средства контроля (3, 4) регулирующего интерфейса;

причем регулирующий интерфейс (2) содержит множество наноотверстий (20), каждое из наноотверстий имеющее субмикронные размеры и выполненное с возможностью открывания или закрывания управляемым способом; и

средства контроля (3, 4) содержат:

- приводные средства (3), выполненные с возможностью открывания или закрывания указанных наноотверстий, и

- электронные средства управления (4), выполненные с возможностью активации приводных средств для индивидуального или совместного открывания или закрывания наноотверстий (20) управляемым способом.

2. Устройство (1) по п. 1, отличающееся тем, что каждое из наноотверстий (20) выполнено с возможностью пропускания газового микропотока в молекулярном или преимущественно молекулярном режиме даже в условиях атмосферного давления или выше, когда оно открыто, и сдерживания указанного газового микропотока, когда оно закрыто, так что общий газовый поток, проходящий через регулирующий интерфейс (2), представляет собой сумму микропотоков в молекулярном или преимущественно молекулярном режиме, проходящих через открытые наноотверстия (20).

3. Устройство (1) по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что указанное устройство (1) является интегрированным устройством (1).

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что регулирующий интерфейс (2) и средства контроля (3, 4) содержатся в едином миниатюризованном чипе (10) интегрированного устройства (1).

5. Устройство (1) по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что электронные средства управления (4) выполнены с возможностью контроля приводных средств (3) таким образом, что каждое наноотверстие 20 может быть открыто или закрыто индивидуально и независимо от других наноотверстий (20).

6. Устройство (1) по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что каждое наноотверстие (20) имеет определенную геометрию и детерминированно измеряемую проводимость.

7. Устройство (1) по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что каждое наноотверстие (20) имеет диаметр в диапазоне от 10 до 100 нм.

8. Устройство (1) по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что регулирующий интерфейс (2) содержит одно или несколько окон контроля потока, каждое окно содержит мембрану (21), в которой расположены наноотверстия (20), причем наноотверстия (20) расположены в двухмерном массиве строк и столбцов, и количество наноотверстий (20) составляет порядка нескольких сотен.

9. Устройство (1) по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что приводные средства (3) содержат множество миниатюризованных элементов открывания/закрывания (30) наноотверстий, каждый из указанных элементов (30) выполнен с возможностью открывания или закрывания соответствующего наноотверстия (20), чтобы соответственно максимизировать или минимизировать проводимость наноотверстия (20).

10. Устройство (1) по п. 9, отличающееся тем, что каждый миниатюризованный элемент закрывания/открывания (30) наноотверстий содержит штекер (31), который приводится в действие электромеханическим способом, чтобы закрывать или открывать соответствующее наноотверстие (20) посредством осевого смещения относительно наноотверстия, причем указанный штекер (31) содержит:

- основание (310), имеющее более крупные размеры, чем наноотверстие (20), чтобы полностью блокировать выход наноотверстия (20) со стороны регулирующего интерфейса (2), на которой расположен штекер (31), при закрывании;

- наконечник (311), выполненный как единое целое с основанием (310), подходящий для проникновения в наноотверстие (20) при закрывании.

11. Устройство (1) по п. 9, отличающееся тем, что каждый миниатюризованный элемент закрывания/открывания (30) содержит:

- цилиндр (32), имеющий диаметр, по существу равный диаметру соответствующего наноотверстия (20), причем цилиндр (32) электромагнитно приводится в действие для вставки в или извлечения из соответствующего наноотверстия (20) посредством осевого смещения относительно наноотверстия;

- множество соленоидов (320), причем каждый соленоид (320) соотнесен с соответствующим наноотверстием (20) и соответствующим цилиндром (32), и располагается соосно с ними;

причем каждый цилиндр (32) содержит детали, выполненные из ферромагнитного или парамагнитного материала, чтобы он был чувствителен к магнитному полю, генерируемому соленоидами (320), и перемещался под действием указанного магнитного поля.

12. Устройство (1) по п. 9, отличающееся тем, что каждый миниатюризованный элемент закрывания/открывания (30) содержит микрокантилевер (33), имеющий на колеблющемся конце по существу конический микронаконечник (330), выполненный с возможностью вставки в или извлечения из наноотверстия (20), причем указанный микрокантилевер (33) электромагнитно приводится в действие так, чтобы он колебался между положением закрывания, в котором микронаконечник (330) входит в наноотверстие (20), чтобы закрыть его, и положением открывания, в котором микронаконечник (330) выходит из наноотверстия (20), чтобы открыть его.

13. Устройство (1) по п. 9, отличающееся тем, что приводные средства (3) содержат колеблющийся плоский (35) элемент для многократного открывания/закрывания, выполненный с возможностью одновременного открывания/закрывания всех наноотверстий (20) регулирующего интерфейса (2), и

отдельные миниатюризованные элементы открывания/закрывания (30) наноотверстий расположены с одной стороны плоского элемента (35) в конфигурации, соответствующей конфигурации наноотверстий (20), так, что каждый миниатюризованный элемент открывания/закрывания (30) одновременно вставляется в или извлекается из соответствующего наноотверстия (20) при соответствующем смещении плоского элемента (35).

14. Устройство (1) по любому из пп. 9-13, отличающееся тем, что приводные средства (3) расположены на одной стороне регулирующего интерфейса (2) и выполнены с возможностью открывания/закрывания отверстия каждого наноотверстия (20), соответствующего указанной стороне, или они расположены на обеих сторонах регулирующего интерфейса (2) и выполнены с возможностью открывания/закрывания обоих отверстий каждого наноотверстия (20), соответствующих обеим сторонам регулирующего интерфейса (2).

15. Устройство (1) по любому из пп. 9-14, отличающееся тем, что миниатюризованные элементы открывания/закрывания (30) выполнены с возможностью освобождения и очистки каждого наноотверстия (20) от возможного закупоривания при каждом закрывании и последующем открывании или при определенных закрываниях/открываниях для устранения закупоривания.

16. Устройство (1) по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что электронные средства управления (4) содержат:

- процессор (40), функционально электрически связанный с приводными средствами (3) для того, чтобы контролировать их, отправляя электрические сигналы;

- буфер, функционально связанный с процессором (40) для приема контрольных сигналов об открывании/закрывании, относящихся к множеству наноотверстий;

- ведущий элемент (41), функционально связанный с буфером для последовательного приема указанных контрольных сигналов об открывании/закрывании и выполненный с возможностью последовательной генерации соответствующих управляющих сигналов об открывании/закрывании, относящихся к множеству наноотверстий;

- мультиплексор (42), функционально связанный с ведущим элементом (41) для последовательного приема указанных управляющих сигналов об открывании/закрывании и выполненный с возможностью направлять каждый управляющий сигнал об открывании/закрывании в соответствующее наноотверстие 20 из указанного множества наноотверстий.

17. Устройство (1) по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что средства контроля (3, 4) выполнены с возможностью контроля потока газа, проходящего через регулирующий интерфейс (2), с точностью и степенью детализации, соответствующими микропотокам, проходящим через наноотверстия (20), путем определения шаблона открытых и закрытых наноотверстий (20) по количеству и положению открытых и закрытых наноотверстий или путем определения соотношения между временем открывания и временем закрывания наноотверстий (20), то есть рабочего цикла.

18. Устройство (1) по любому из предыдущих пунктов, содержащее уплотнительную опору, включающую регулирующий интерфейс (2), выполненную с возможностью пропускания между двумя противоположными сторонами уплотнительной опоры, совместимыми с условиями среды с разными давлениями, только контролируемого потока через регулирующий интерфейс,

и содержащее на противоположных сторонах относительно уплотнительной опоры два соответствующих миниатюризованных датчика давления (50), выполненных с возможностью измерения соответствующего значения давления и предоставления измеренных значений давления электронным средствам управления (4).

19. Система (100) для отбора проб газа между первой средой (А1) при первом давлении (Р1) и второй средой (А2) при втором давлении (Р2) ниже первого давления (Р1), содержащая:

- по меньшей мере, одно устройство (1) для контроля газового потока, по любому из пп. 1-18;

- по меньшей мере, одну разделительную структуру (101) между первой средой (А1) и второй средой (А2), подходящую для размещения в ней соответствующего, по меньшей мере, одного устройства (1) для контроля газового потока, так, что гидравлическое соединение между первой средой (А1) и второй средой (А2) возможно только в виде газового потока (F) через регулирующий интерфейс (2), по меньшей мере, одного устройства (1) для контроля газового потока;

- средства откачки (102), выполненные с возможностью извлечения газа из второй среды (А2), для поддержания требуемого постоянного давления (Р2) в указанной второй среде;

- средства контроля системы (103), функционально связанные со средствами контроля (3, 4), по меньшей мере, одного устройства (1) для контроля газового потока и со средствами откачки (102), и выполненные с возможностью контроля, по меньшей мере, одного устройства (1) для контроля газового потока и средств откачки (102), чтобы обеспечить во второй среде (А2) те же концентрации газа, которые присутствуют в первой среде (А1), но при более низком давлении (Р2).

20. Система (100) по п. 19, содержащая множество устройств (1) и соответствующее множество разделительных структур (101) для определения множества промежуточных сред (An, Am) между первой средой (А1) и второй средой (А2) при постепенно уменьшающемся давлении, начиная от значения давления первой среды (Р1) до значения давления второй среды (Р2), причем газовый поток (Fnm) между двумя последовательными промежуточными средами находится в молекулярном или преимущественно молекулярном режиме, так, что концентрации газа, которые присутствуют в каждой из промежуточных сред, представляют собой те же концентрации газа, которые присутствуют в первой среде (А1).

21. Система (200) для контроля градиента давления между первой средой (А1) и второй средой (А2), содержащая:

- по меньшей мере, одно устройство для контроля газового потока (1), по п. 18;

- разделительную структуру (101) между первой средой (А1) и второй средой (А2), подходящую для размещения в ней, по меньшей мере, одного устройства (1) для контроля газового потока, так, что гидравлическое соединение между первой средой (А1) и второй средой (А2) возможно только в виде газового потока (F) через регулирующий интерфейс (2), по меньшей мере, одного устройства (1) для контроля газового потока;

отличающаяся тем, что средства контроля (3, 4), по меньшей мере, одного устройства для контроля газового потока (1) выполнены с возможностью контроля газового потока через регулирующий интерфейс (2) на основе значений давления, измеренных датчиками давления (50), которые расположены на обеих сторонах регулирующего интерфейса (2), относящихся соответственно к первой среде (А1) и второй среде (А2), чтобы обеспечить желаемый градиент давления между первой средой (А1) и второй средой (А2).

22. Способ контроля газового потока с точностью, соответствующей микропотокам, включающий:

- сдерживание или пропускание управляемым способом газового потока при прохождении через регулирующий интерфейс (2), регулирующий газовый поток, содержащий множество наноотверстий (20) субмикронных размеров, каждое из наноотверстий выполнено с возможностью открывания или закрывания таким образом, чтобы сдерживать или пропускать соответствующий микропоток;

- отличающийся тем, что этап сдерживания или пропускания включает контроль открывания или закрывания каждого из указанных наноотверстий (20), индивидуально или совместно, так что общий газовый поток, проходящий через регулирующий интерфейс, представляет собой сумму микропотоков, проходящих через открытые наноотверстия.

23. Способ измерения газового потока с точностью, соответствующей микропотокам, включающий:

- сдерживание или пропускание управляемым способом прохождения газового потока через регулирующий интерфейс (2), регулирующий газовый поток, содержащий множество наноотверстий (20) субмикронных размеров, которые могут быть отрыты или закрыты, каждое из наноотверстий выполнено с возможностью открывания или закрывания таким образом, чтобы сдерживать или пропускать соответствующий микропоток и генерировать выходной газовый поток, соответствующий сумме микропотоков, проходящих через открытые наноотверстия;

- измерение выходного газового потока.

24. Способ отбора проб газа между первой средой (А1) и второй средой (А2) при более низком давлении, чем давление в первой среде, включающий:

- разделение первой среды (А1) и второй среды (А2) путем разделительной структуры (101), в которой размещено, по меньшей мере, одно устройство для контроля газового потока (1), по любому из пп. 1-18;

- обеспечение гидравлического соединения между первой средой (А1) и второй средой (А2) исключительно в виде газового потока через регулирующий интерфейс (2), по меньшей мере, одного устройства для контроля газового потока (1);

- извлечение газа из второй среды А2, чтобы поддерживать требуемое постоянное давление Р2 в указанной второй среде А2;

- контролирование газового потока через регулирующий интерфейс (2) и контролирование извлечения газа из второй среды (А2) таким образом, чтобы обеспечить во второй среде (А2) те же концентрации газа, что и в первой среде (А1), но при более низком давлении (Р2).

25. Способ контроля градиента давления между первой средой (А1) и второй средой (А2), включающий:

- разделение первой среды (А1) и второй среды (А2) разделительной структурой (101), в которой размещено, по меньшей мере, одно устройство для контроля газового потока (1), по п. 18;

- контролирование газового потока через регулирующий интерфейс (2) на основе значений давления, измеренных датчиками давления (50), которые расположены с двух сторон регулирующего интерфейса (2), относящихся соответственно к первой среде и второй среде для того, чтобы обеспечить желаемый градиент давления между первой средой (А1) и второй средой (А2).