专利名称：反应器及其制造方法、重整装置和供电系统的制作方法
背景技术：
本发明涉及一种通过有效地利用热源的热的化学反应技术，该技术适用于利用微组装生产的反应器，基于所述反应器的重整装置和供电系统。
背景技术：
由于与二次电池相比燃料电池具有较高能量密度和较长寿命，因此期望燃料电池作为一种很好的用于便携式电子机械和电子装备。这里有小型燃料电池的几个类型，它们消耗氢(存储在氢吸附材料中)做燃料或者甲醇溶液做燃料，或者其采用直接的甲醇系统，这样设计使得在电池中通过直接反应产生输出。最近，企图开发改良类型的小型燃料电池，其这样进行构造使得碳氢化合物燃料(比如甲醇)通过一重整装置来接受氢，最后氢与氧在电池中反应来产生电能。
由于称为“微反应器”的化学设备中催化化学反应，高转换效率的生产成为可能。通过半导体工艺在硅片上形成该微反应器。这种技术适合小型重整装置。
悬臂结构的管状反应器是公知的这种重整装置的一实施例。(参见专利文献国际公开号03/013729，小册子。)这种反应器具有薄氮化硅管制成的两个分开的U形通道。通道的自由端形成覆盖硅的反应带。管之间是用做热交换的多个硅板(将它们结合在一起)。
可是，传统的设备具有存在于设备结构和热交换器中的温度分配的下述问题，热交换器使通道互相连接。
热交换器提供反应器中均匀的温度分配以得到高的热效率。(有必要避免局部温度波动。)这种要求导致热交换器复杂的结构，该结构需要多个部件和多个制造步骤。这些因素阻碍了尺寸减小，厚度减少，成本降低和效率提高。
而且，在反应器中不均匀的温度分布易导致副产品增多，因此降低了反应效率。
另外，从燃料燃烧产生的废热应该有效地用于为重整装置加热燃料；同样，流体的流出(逸出)伴随大量的热损耗，这降低了装置的效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种通过有效利用热执行反应的反应器，并能将其制造的尺寸薄而小。
为了实现上述目的，依照本发明的第一方面，提供一种反应器，其包括流体在那里进行化学反应的成对通道。该成对通道形成在基底上，使得通道相互接近、并排延伸，并且也提供执行成对通道之间的热交换的热交换器。
依照本发明的第二方面，提供一种用于制造反应器方法，该反应器具有流体在那里进行化学反应的成对通道。该方法包括在基底上形成相互接近、并排延伸的成对通道的步骤，在另一个基底上形成用于成对通道之间的热交换的热交换器的步骤，以及将这两个基底结合在一起的步骤。
依照本发明的第三方面，提供一种重整装置，其包括成对通道以重整流过通道的流体，具有用做燃料加热的第一通道和用做反应的第二通道，其中加热通道和反应通道形成在基底上，使得加热通道和反应通道相互接近、并排延伸，并具有用于成对通道之间热交换的热交换器依照本发明的第四方面，提供一种供电系统，其包括一重整装置和一发电机。该重整装置具有成对通道以重整流过通道的流体，具有用做燃料加热的第一通道和用做反应的第二通道，其中加热通道和反应通道形成在基底上，使得加热通道和反应通道相互接近、并排延伸，并具有用于成对通道之间热交换的热交换器。该发电机利用通过反应通道之后进行重整的流体与另外的材料反应来发电。
本发明要得到的反应器、重整装置和供电系统，每个包括形成在基底上的成对通道，使得它们相互接近、并排延伸，并具有用于通道之间热交换的热交换器。
依照本发明的反应器、重整装置和供电系统，每个具有相互接近、并排延伸的成对通道以及在特定区域(比如绝热空间中的地方)中通道之间的导热的热交换器。这种结构有利于高效的热交换和反应器中均匀的温度分配。而且，由于具有热交换器，这种结构提供足够大的热接触面积，与传统的热交换结构相比形成简单的相互热接触通道。该热交换器结构简单。
本发明还要得出用于制造反应器的方法，其包括在基底上形成相互接近、并排延伸的成对通道的步骤，在另一个基底上形成热交换器用于成对通道之间热交换的步骤，和结合该两个基底在一起的步骤。
依照本发明的方法具有简单结构和降低制造步骤数量的优点。通过在分开的基底上形成通道和热交换器并随后将基底结合在一起而获得这种优点。
由于具有这种构造，能够通过有效利用从一通道到另一通道有效地传递热来实现反应。这样有利于提高效率和减小尺寸。而且，通过将在其上形成通道的一基底和在其上形成热交换器的另一基底结合在一起，可实现简单结构和减少制造步骤。
附图的简要说明通过参考结合附图的描述将了解到本发明的这些目的和其他目的，其中
图1是依照本发明的供电系统的基本结构图。
图2是依照本发明的重整装置的基本结构的概念图。
图3A-3C是基底示意图，在基底上形成作为反应器组成的催化剂载体和热交换装置。
图4A-4C是基底示意图，在基底上形成作为反应器组成的通道的槽。
图5是与基底结合在一起的反应器结构的横截面图。
图6是绝热空间有反射膜内壁的实施例的示意图。
图7是反应器采用4个基底的实施例的透视图。
图8A-8I是解释第二基底制造方法的步骤示意图。
图9A-9E是解释第三基底制造方法的步骤示意图。
图10A-10C是解释结合4个基底的制造方法步骤示意图。
图11A-11E是第三基底(另一实施例中)制造方法的步骤示意图。
图12A-12C是结合4个基底(另一实施例中)的制造方法的步骤示意图。
图13A-13C是依照本发明的不同结构的示意图。
具体实施例方式
本发明涉及反应器、重整装置和供电系统。该反应器具有一装置以使在通道中的流体发生化学反应。基于该反应器的重整装置，例如是通过重整燃料产生氢的装置。该供电系统通过一种重整物质和另一物质之间的反应发电。(以燃料电池系统为例，燃料电池系统通过氢和氧之间的反应发电。)它们适用于高温反应器，其要求小而薄。顺便提及，“供电系统”包括基于燃料电池的任何电源装置和任何电子机械和设备，比如信息处理设备、视频设备、图像设备、移动通信终端和自动仪器。
图1是说明依照本发明的供电系统的基本结构的框图。
供电系统1带有重整装置2和发电机3。
重整装置2形成燃烧单元2a和重整单元2b。燃烧单元2a允许燃料和空气通过单元2a，重整单元2b被提供有燃料和水，单元2b用水蒸汽重整燃料。
顺便提及，燃料包括例如醇(比如甲醇和乙醇)、碳氢化合物(比如天然气、丙烷、挥发油和丁烷)和通过分解释放出氢的任何材料(比如氨水和化学氢化物象NaAlH4和NaBH4)。
重整装置2具有成对通道(一对或多对)，一通道构成燃烧单元2a(其用做燃料加热)，另一通道构成重整单元2b(其用做反应)。当燃料通过用于反应的通道时燃料进行重整，接着燃料提供到发电机3。
发电机3使已经通过用于重整的反应通道的流体与其他材料进行反应，由此发电。流体可以是通过重整产生的氢，这在重整单元2b的反应通道中放置的被支承的催化剂的帮助下实现。其他材料可为空气中的氧。因此，氢和氧之间反应产生电能，提供电能到连接发电机3的设备。顺便提及，重整装置2和发电机3可以有选择地经过中间处理单元连接，用于除去一氧化碳或分离氢。
图2是说明重整装置2的基本结构的概念框图。
成对通道4a和4b在基底上形，相互接近、并排延伸。例如，通道4a用做加热，通道4b用做反应。应该注意到，通道中的流体如箭头所示在相反方向上流动。
热交换装置(或热交换器)5执行通道4a和4b之间的热交换。交换装置5沿通道设置，使得交换装置5有效地将热从加热通道传递到反应通道。为加热通道提供热源或加热装置。热交换器5传递产生的热到反应通道，传递的热通过放置在反应通道中的被支承的催化剂促进重整。
顺便提及，本实施例中通道以曲折的形式形成在基底上，使得它们具有足够的长度，用于小型设备中热交换。此外，在基底上可以形成一对或多对通道。
期望通过使用所谓的MEMS(微机电系统)技术形成通道4a和4b以及热交换器5，该技术基于半导体制造工艺，使得产生的设备尺寸薄而小。(电子装置技术和微机械技术中最新的发展已经可以制造小型设备。)例如，通道4a和4b可以由在基底上形成槽的干法蚀刻形成。同样，热交换器5可以在基底上由导热材料形成，或者热交换器5可以具有热管结构。
图3A、3B和3C到图5是说明构成重整装置2(基底厚度被夸大)的反应器结构的示意图。顺便提及，图3A-3C说明基底，在基底中形成催化剂载体和热交换器，图4A-4C说明基底，在基底中形成通道，和图5说明结合在一起的基底横截面。
图3A是示出垂直于基底7表面的方向上看的基底7的平面图。图3B是沿线A-A的截面图。图3C是基底7的后视图。
基底7(硅基底或类似物)具有形成在它的一个表面中的矩形凹部7a。凹部7a中形成由高导热材料制成的热交换器8。热交换器是一矩形平衡器，该矩形平衡器由在硅基底上形成的硼扩散层(P++层)和随后除去其周围的硅形成，由此形成凹部7a，这在后面提及。
基底7也具有温度控制元件9、温度检测元件10、布线图11和连接端子12，这些形成在它的相反侧(相对形成热交换器8的一侧)。
温度控制元件9是加热器9a，比如由高阻材料制成的电阻式发热元件。加热器9a带电使得当装置启动时燃料燃烧。温度检测元件10是利用电阻器温度特性的温度传感器。在本实施例中，它安装在反应通道中。布线图11和11连接到连接端子12和12，加热器通过连接端子供应电，并且传感器通过连接端子输出信号。该端子还连接到外部电路或控制电路(未示出)。顺便提及，如图3B的A-A横截面所示，这些元件和布线图形成在二氧化硅的薄膜13(大约5-10微米厚)上。催化剂载体14a和14b形成在该薄膜的外表面上。
催化剂载体14a和14b是多孔氧化铝或支持催化剂的类似物。根据要使用的燃料，催化剂可从族8到10的金属中进行选择，比如镍、钴和其合金。催化剂载体14a支持用于燃烧的催化剂，该催化剂载体保持在加热器9a的表面。催化剂载体14b支持用于反应的催化剂，该催化剂载体保持在包括温度检测元件10的区域表面上。
图4A是从垂直其表面的方向上来看的基底15的平面图。图4B是沿线B-B的截面图。图4C是基底15的后视图。
基底15(硅基底或类似物)具有形成在它的一个表面上的两对槽15a和15b。这些槽分别构成上面提及的通道4a和4b。例如，槽15a构成加热通道，在加热通道两端形成燃料的进口16i和出口16o。加热通道允许燃料从入口16i流到出口16o，使得燃料在其流动过程中燃烧。槽15b构成反应通道，在反应通道两端形成用于重整(或燃烧)材料的进口17i和出口17o。反应通道允许燃料从入口17i流到出口17o，使得该材料在其流动过程中进行重整。由重整产生的气体从出口17o排出。
基底15还具有一矩形凹部(腔)18，其形成在相反侧(相对形成槽15a和15b的一侧)上。这个凹部可以通过在硅基底上执行部分蚀刻形成。
顺便提及，为了容易理解，这里说明的实施例假定有两个槽15a和15b在基底上并排延伸。形成这些槽部分是二氧化硅薄膜19(大约5-10微米厚)。
如图5所示，当基底7和基底15结合在一起时，槽15a构成用于燃烧的通道4a，槽15b构成用于重整的通道4b。这些通道经热交换器8相互热连接。
在加热通道4a中存在加热装置20，其由加热器9a和催化剂载体14a构成。加热装置使得提供给加热通道的燃料燃烧。来自燃烧通道4a的燃烧热通过热交换器8传递到反应通道4b。
在反应通道4b中存在催化剂载体14b，使得流过反应通道4b的燃料吸收来自热交换器8的热并进行重整。
结构21(图5中用椭圆虚线包围)包括通道4a和4b以及热交换器8，该结构最好是包含在绝热空间中。如果基底7中凹部7a用密封基底22(比如盖玻璃)封闭形成空间23，或者基底15中的凹部18用密封基底24(比如盖玻璃)封闭形成空间25，那么这个目标就实现了。这些空间防止热从热交换器和通道向基底外面逸出。顺便提及，绝热空间23和25可以保持在减小的压力下或填充具有低热导性的气体，使得它们不需要复杂的结构而产生更好的绝热效果。
同样，如图6所示，绝热空间的壁应该最好由比如铝反射膜26覆盖，其有效地阻止辐射热(或红外线)逸出。
上面提及的结构21支撑在绝热空间23和25中要求的位置。本实施例中用薄膜13和19实现支撑。
上面提及的优良结构能够通过使用微处理技术生产。这对小、薄装置有效热交换是有利的。
图7是说明形成4个基底的反应器6的实施例透视图，在基底中形成通道和热交换器。
第一基底22可以用任何材料形成，该材料没有特定的限制。可是，材料的选择应该考虑粘结到第二基底7、线性膨胀系数和导热性。例如，在第二基底7是硅材料的情况下，第一基底22最好应该是硅、陶瓷、玻璃或合成树脂(比如聚酰亚胺、聚三氟氯乙烯和PDMS[聚二甲基硅氧烷])。第一基底22和第二基底7之间的结合应该用阳极结合、粘结(用树脂粘结剂)、热接触结合或激光焊接来实现。
第二基底7通常是硅材料；然而，也可以由陶瓷或树脂制成。
第二基底7具有形成在它的一个表面(前面)中的凹部7a。凹部7a用做绝热空间23，凹部7a的底面留做薄膜。这可以用RIE(干法蚀刻)、湿法蚀刻、UV光蚀刻、激光蚀刻、质子束蚀刻、光子束书写蚀刻或微模塑法形成。等离子腐蚀或溶解各向异性蚀刻是令人满意的。除非必须为非常薄的底面，凹部7a可以通过比如喷砂处理的机械工艺形成。
凹部7a的底面上形成用做热交换器的平衡器27。平衡器27应该由高导热性的材料制成。通过扩散杂质离子(比如硼离子)到硅基底实现这个目标，由此部分地增加它的导热性。这个目标也可以通过在底面上用高导热性的金属材料(比如铜、铝、镍、金、银、铂等)形成金属层实现，或通过结合金属片或金属箔到底面实现。
第一基底22结合到第二基底7(具有在凹部7a中形成的平衡器27)，使得由第一基底22覆盖凹部7a，并形成绝热空间。两个基底的结合最好应该在真空(减少压力条件下)中实现或在低导热性的空气中通过阳极结合实现。阳极结合适用于两个半导体晶片之间的粘结或玻璃和半导体晶片之间的粘结。用于玻璃基底和硅基底的阳极结合通过在预定的温度下(400℃到450℃)施加负电压(大约-500V)到硅基底，同时玻璃基底接地(GND)实现，同时保持它们通过镜面加工面相互紧密接触。玻璃基底应该是碱性玻璃(派列克斯耐热玻璃)。在非碱性玻璃的情况下，有必要预先通过蒸汽沉积用碱性金属(比如钠)覆盖结合面。
在第二基底7的相反面(相对凹部7a)上形成加热器和传感器(未示出)、布线图11和用于外部连接的端子12，并且还形成催化剂载体14a和14b。催化剂载体应该是多孔层(比如烧结陶瓷)，其为催化剂提供的充分的表面积。利用具有结合到第三基底15的第二基底(以后提及)，催化剂载体14a和14b分别安置在通道中。如果多孔层在基底结合之前形成，那么催化剂能够放置在通道中的任何地方。
第三基底15具有槽以构成通道。它通常由硅制成；可是，它也可以由陶瓷或合成树脂制成。
第三基底15具有槽15a和15b，形成在它的一个表面(前面)内。槽可以通过象形成凹部7a一样的工艺来形成。可是，在硅基底的情况下，它们可以由图形和随后的蚀刻而简单形成。槽为曲折的而不是直的，使得所得的通道尽可能通过大的热交换区域进行有效的热交换。
在第三基底15的反面(相对于槽)形成凹部18。这通过在第三基底15的表面上形成氧化膜、氮化膜或杂质离子扩散层，接着从反面执行蚀刻使得保留该膜或层来实现。用这种方法薄膜形成构成通道的槽。通过蚀刻已经被去掉的那部分形成凹部18，其随后由第四基底24覆盖，形成绝热空间。
槽15a和15b的端部没有在反面蚀刻而原封不动的保留，通孔用做流体的入口(16i，17i)和出口(16o，17o)，由激光束加工形成。
第二基底7和第三基底15可以直接地或间接地(在它们之间插入粘结剂)结合在一起。在凹部7a和18形成之前，基底最好结合在一起。
第四基底24是一密封基底；它最好由与第三基底15(象在第一基底22中)高度相容的任何材料制成。
通过阳极结合、粘合剂结合、热接触结合或激光焊接方式实现第三基底15和第四基底24之间的结合。
用第四基底24覆盖凹部18(形成在第三基底15中)形成用于绝热的空间25。在对应于在第三基底15中形成的用于流体入口(16i，17i)和出口(16o，17o)的相应位置上，第四基底24具有流体的入口(28i，29i)和出口(28o，29o)。
用于绝热的空间由凹部7a和18的壁和密封基底(第一基底22和第四基底24)的内侧封闭。这些结合表面可以涂上上面提及的反射膜22。在这种情况下，在基底结合在一起之前，应该形成反射膜22。
第一基底到第四基底已经结合在一起后，加热器和传感器连接到布线。用这种方式就可以制成反应器6，提供流体就可以使用了。反应器可以单独使用或与另一个一起使用。在后种情况下，反应器可以串联或并联连接。
图8A-12C是图解产生所述反应器的方法的示意图。(在这些图中，为了容易理解，所示出的基底相对它的长度具有被夸大了的厚度。)依照本发明的制造方法形成了两个独立的步骤。第一步是在基底上形成相互靠近、并排延伸的通道。第二步是在其他基底上形成热交换装置。最后，这两个基底结合在一起来制成允许在通道之间通过热交换装置进行热交换的结构。
图8A-8I示出了在第二基底7上要实现的下面步骤，其中图8A说明形成图案；图8B说明硼扩散；图8C说明蚀刻；图8D说明氧化膜的形成；图8E说明加热器、传感器和布线图的形成；图8F说明催化剂载体的形成；图8G说明氧化膜的形成；图8H说明研磨；以及图8I说明蚀刻。
图8A是在硅基底30的每个表面的预定区域形成热氧化膜(SiO2)31，31……。(在图8A-8I中，上面的层和下面的层分别称为“第一表面”和“第二表面”。)图8B是扩散硼进入基底表面，在其中没有形成热氧化膜31。硼扩散形成对应于区域中的平衡器27的部分32，在该区域中基底30的第二表面上没有形成热氧化膜31。换句话说，依照这种方法，热交换器通过杂质扩散到基底30中形成。在本实施例中，通过杂质离子扩散到硅中而使基底局部提高导热性。顺便提及，扩散层33和33也形成在基底30的第一表面上，并在随后的步骤中用做掩膜。(参见图10B)图8C是通过蚀刻从基底30的第一表面和第二表面除去热氧化膜31。图8D是通过CVD(化学蒸气沉积法)在基底30的第二表面上形成氧化膜(SiO2)。
图8E是在氧化膜34上形成电路图案35(用于加热器、温度传感器和布线图)。这种图案利用多晶硅(多晶体硅)通过等离子体CVD实现。
图8F是以下面方式形成多孔材料的催化剂载体36。加热器和传感器的图案从铝(Al2O3)溶液通过丝网印刷和燃烧印刷图案形成。在图8G中，催化剂载体层36的表面涂有氧化膜(SiO2)37。该氧化膜用做电绝缘体，并且提供平面用于研磨后直接结合。由于其表面接地，氧化膜允许加热器、传感器和布线嵌入到其中。
图8H是执行研磨(CMP或类似)，使催化剂载体36的部分(催化剂床)暴露。图8I是通过蚀刻除去氧化膜37的部分，由此形成用于电连接外部电路的电极垫38。
顺便提及，如图8所示，依照本实施例中使用的方法，通过将杂质离子扩散到硅中形成平衡器。平衡器也可以用高导热性材料形成；例如，通过基底上蒸汽沉积金属膜或者结合金属片或金属箔到基底上(假定底面上具有足够强度)。虽然图8F说明形成载体层36的步骤并且接着使它支撑催化剂，但是这个步骤可以由直接形成催化剂层(用印刷技术或喷墨技术)来代替。
图9A-9E示出了在第三基底15上执行下面步骤，其中图9A说明形成图案；图9B说明槽的形成；图9C说明蚀刻；图9D说明硼扩散；和图9E说明蚀刻。
图9A是在硅基底39的每个表面的预定区域中形成热氧化膜(SiO2)40，40……。(在图9A-9E中，上面的层和下面的层分别称为“第一表面”和“第二表面”。)该步骤为随后的步骤提供掩膜。
图9B是在基底39第一表面上执行干法蚀刻(DRIE深反应离子蚀刻)或各向异性湿法蚀刻。这种蚀刻去掉了基底上没有形成热氧化膜40的部分(Si)，由此形成槽41(对应于上面提及的槽15a和15b)。
图9C是在基底39的第一表面上执行蚀刻，由此去掉热氧化膜40和40。图9D是在基底39第一表面的整个区域上和第二表面的未形成热氧化膜40的那个区域上形成硼扩散层42。硼扩散层在随后的步骤中用做掩模。
图9E是通过蚀刻从第二表面去掉热氧化膜40，40……。
图10A-10C示出了以下面的方式将4个基底结合在一起进行集成的步骤，其中图10A是将第二基底和第三基底结合在一起的步骤；图10B是蚀刻和制造孔的步骤；以及图10C是将第一基底和第三基底结合在一起并在第二基底上布线的步骤。
图10A是通过热或压力直接将第二基底7和第三基底15结合在一起。在基底的表面已经清洁干净后，执行结合。两个基底的结合要求结合表面是平的。通过图8G和8H中所示的研磨步骤实现这个目标。在这些步骤中，形成在第二基底7的第二表面的传感器和配线嵌入硅氧化膜37内，该硅氧化膜随后接地。这种研磨提供了不受由于布线引起的不平影响的平面。
图10B是在第二基底7的第一表面预定的区域内用湿法蚀刻选择性地去掉硅。在这个蚀刻步骤中，硼扩散层33和33形成在第一表面(图8B)用做掩膜。仅去掉硅形成了凹部7a，使该部分32(或平衡器27)暴露。图10B也在第三基底15的第二表面预定的区域内选择性地去掉硅。换句话说，这个步骤是通过使用硼扩散层42和42(形成在第二表面上)作为掩膜只去掉硅，由此形成凹部18。第三基底15的第二表面进行激光工艺来形成孔43和43。这些孔是上面提及的入口(16i，17i)和出口(16o，17o)。它们在厚度方向上穿透第三基底15并与形成通道的槽连通。
顺便提及，期望首先将第二基底7和第三基底15结合在一起，接着凹部7a和18分别形成在相对结合区域的侧面上。换句话说，在第二基底7和第三基底15结合之后，形成凹部7a和18。这种方法提供的优点超出基底结合之前形成结构21的支撑(薄膜)的方法。该优点是薄膜结合紧密，基底容易操作，加工中不会损坏结构，以及制造的高可靠性。
图10C是将第一基底22结合到第二基底7上，由此形成用于绝热的空间23。同样也将第四基底24结合到第三基底15上，由此形成用于绝热的空间25。为了得到高的可靠性，阳极结合是令人满意的，这要在真空(减小的压力条件下)或低导热性气体下执行。真空下结合的结果是绝热的空间保持了减小的压力。带有低导热性的气体(比如空气、氮气和氩气)下结合的结果是绝热的空间充满了这样的气体。这样获得的用于绝热的空间产生好的绝热效果。
图8I所示的步骤中形成的电极垫通过布线或类似做法连接到外部电路(未示出)。这样使得供电给加热器以及从传感器获得输出成为可能。
顺便提及，在第四基底24中的孔44、44……(对应于上面提及的入口[28i，29i]和出口[28o，29o])预先形成在对应于图10B形成的孔43、43……的每个位置。
在本实施例中，用第一基底22和第四基底24分别封闭第二基底7和第三基底15中的凹部，形成用于绝热的空间(23，25)。在凹部7a和18的壁以及基底22和24的表面上可以形成反射薄膜26(上面提及了)，阻止辐射热逸出。这个步骤应该设置在图10C的步骤之前。
图11A-11E示出了在第三基底15上制造另一个实施例(15A)的步骤，其中图11A说明形成图案，图11B是说明硼扩散；11C说明蚀刻；图11D说明槽的形成；和11E说明氧化膜的形成。
图11A是在硅基底45的每个表面的预定区域形成热氧化膜(SiO2)46，46……。(在图11A-11E中，上面的层和下面的层分别称为“第一表面”和“第二表面”。)该步骤为随后的步骤提供掩膜。
图11B是形成硼扩散层47，47……。基底45的第一表面上的扩散层形成在用来形成用做通道的槽的区域外的区域。在基底45的第二表面上形成的扩散层在随后的步骤中用做掩膜。
图11C是通过蚀刻去掉热氧化膜46，46……。
图11D是在基底45的第一表面上执行干法蚀刻(DRIE深反应离子蚀刻)或各向异性湿法蚀刻，由此除去没有形成扩散层47的部分(Si)并形成成为通道的槽48。图11E通过CVD在基底45的第一表面上形成硅氧化膜49。
第二基底(7A)进行由图8A-8F中所示的步骤的加工。图8E是通过诸如铂(Pt)和钛(Ti)等的金属材料形成图案来形成加热器和金属膜的传感器。
图12A-12C说明将基底结合起来进行集成的过程的实施例。该过程包括以下步骤，其中图12A是将第二基底和第三基底结合在一起的步骤；图12B是蚀刻和制造孔的步骤；以及图12C是将第一基底和第三基底结合在一起的步骤。
图12A是用低融点玻璃或陶瓷粘合剂通过粘结将第二基底7A和第三基底15A结合在一起。
图12B是执行湿法蚀刻，由此在第二基底7A的第一表面的特定区域内选择性地去掉硅。换句话说，采用作为掩膜的硼扩散层33和33，在图8B所示的步骤中该硼扩散层已经形成在第二基底7A的第一表面上，这种湿法蚀刻去掉硅并形成凹部7a，使平衡器32露出。在图12B中，第三基底15A的第二表面上也用与上面相同的方式执行湿法蚀刻，使得在特定的区域选择性的去掉硅。换句话说，采用作为掩膜的硼扩散层47和47，其已经形成在第二表面，该湿法刻蚀去掉硅并形成凹部18。接着，第三基底15A的第二表面进行激光加工形成孔50和50。这些孔与上面提及的入口(16i，17i)和出口(16o，17o)对应。这些孔在厚度方向上穿透第三基底15A并与每个通道的槽连通。
顺便提及，第二基底7A和第三基底15A已经结合在一起后，形成凹部7a和18。这确保了薄膜之间紧密结合，这导致了制造的高可靠性。
在图12C中，第一基底22结合到第二基底7A，第四基底24结合到第三基底15A。为了可靠的结合，期望在真空(减小压力的条件下)或低导热性气体中采用阳极结合，这些上面已提及。
用于布线的电路图案35有一个暴露端部作为电极垫，使得该垫通过布线连接或类似做法连接到外部电路(未示出)。这样使得供电给加热器并从传感器获得输出成为可能。
顺便提及，在第四基底24中的孔51、51……(对应于上面提及的入口28i，29i和出口28o，29o)预先形成在对应于图12B中形成的孔50、50……的位置。
在本实施例中，图12C可以是早于形成反射薄膜26的步骤，其中凹部7a和18的壁和基底22和24的表面由反射薄膜26覆盖，其阻止辐射热逸出。
本发明的实施例不限定上面提及的一种，相反，可以想到各种各样的结构，如下面参照图13A-13C进行的解释(为了容易理解在图中通道用直线简单地表示)。
加热通道4a保持在反应通道4b和4b之间的结构。见图13A，这种结构有助于有效的热利用。
加热通道4a、4a和反应通道4b、4b交替排列的结构。见图13B，这种结构有助于小型化。
多个单元并排排列的结构，每个单元形成结合在一起的加热通道4a和反应通道4b。见图13C，这种结构允许所有单元并行执行反应。
上面提及的结构和制造方法提供以下优点。
所得的设备具有通过构成热交换器的平衡器相互热连接的加热通道和反应通道热。这种结构允许热从热源有效传递到反应通道。
所得的设备具有在基底上并排延伸的加热通道和反应通道。能够用任何形式在基底上形成和排列这些通道以具有期望的长度。这意味着能够形成催化剂层和热交换器来占据基底上的更大区域，从而有利于小型化。
所得的设备具有能够执行有效热交换的加热流体和反应流体。这导致有效利用热流体的废热，当流体流到外面时，减少热损失。
所得的设备具有加热通道、反应通道和热交换器，它们排列在绝热空间内。这种结构减少逸出到外面的热损失。
所得的设备具有由薄膜形成的通道。这种结构减少通过通道壁逸出到外面的热损失。
所得的设备具有绝热空间，其内壁覆盖反射膜，该反射膜阻止辐射热逸出到外面。
所得的设备具有硼层，其预先形成在通道中。这种结构允许在任何地方支持催化剂。
虽然本发明的优选实施例已经采用特定术语作了描述，但是这样的描述仅仅是用于解释目的，可以理解在不脱离权利要求的精神和范围内能够进行各种改变和变形。
权利要求
1.一种反应器，包括成对通道，流体在所述成对通道中进行化学反应，所述成对通道形成在基底上，相互接近并排延伸，还设有在所述成对通道之间执行热交换的热交换器。
2.如权利要求1所述的反应器，其中所述成对通道包括用于加热的第一通道和用于反应的第二通道，允许流体在相反方向上流过所述第一通道和第二通道。
3.如权利要求1所述的反应器，其中所述成对通道以曲折的形状形成在所述基底上。
4.如权利要求2所述的反应器，其中所述加热通道具有加热装置，所述加热装置具有支撑用于燃烧的催化剂的催化剂载体。
5.如权利要求4所述的反应器，其中所述加热装置具有电阻加热器。
6.如权利要求1所述的反应器，其中所述热交换器由导热材料形成。
7.如权利要求1所述的反应器，其中包括所述通道和热交换器的结构包含在绝热空间中。
8.如权利要求7所述的反应器，其中所述绝热空间保持在减小的压力下或者填充有低导热性气体。
9.如权利要求7所述的反应器，其中所述绝热空间的壁覆盖有反射膜。
10.如权利要求7所述的反应器，其中通过由薄膜形成的一个部件支撑所述结构。
11.如权利要求1所述的反应器，其中所述通道具有用于温度检测或者温度控制的元件。
12.如权利要求1所述的反应器，其中通过将多个基底结合在一起形成所述通道，其中热交换器形成在所述基底中。
13.如权利要求12所述的反应器，其中在带有凹部的第二基底上放置第一基底形成所述绝热空间，其中所述热交换器形成在所述凹部中。
14.如权利要求13所述的反应器，其中在与形成所述凹部的侧面相对的侧面上，所述第二基底具有支撑催化剂的催化剂载体。
15.如权利要求12所述的反应器，其中通过在具有槽的通道形成基底的侧面中形成的凹部上放置密封基底形成所述绝热空间，所述槽构成所述通道，形成在相对侧面中。
16.如权利要求14所述的反应器，其中通过将第三基底结合到第二基底而将催化剂载体放置在所述通道中，所述第三基底上形成有槽，所述槽构成所述通道。
17.一种用于制造反应器的方法，所述反应器具有成对通道，流体在所述成对通道中进行化学反应，所述方法包括步骤在基底上形成相互接近、并排的成对通道，在另一个基底上形成用于所述成对通道之间热交换的热交换器，以及将这两个基底结合在一起。
18.如权利要求17所述的制造反应器的方法，还包括步骤与两个基底之间的结合面相对的表面中形成一凹部。
19.如权利要求18所述的制造反应器的方法，还包括步骤将第一基底结合到形成有热交换器的第二基底，使得所述第一基底覆盖所述第二基底的凹部，由此形成用于所述热交换的绝热空间。
20.如权利要求19所述的制造反应器的方法，还包括步骤在限定出绝热空间的壁上形成反射膜。
21.如权利要求19所述的制造反应器的方法，其中通过阳极结合实现所述第一基底和所述第二基底的结合。
22.如权利要求18所述的制造反应器的方法，还包括步骤在形成通道基底中形成凹部并用密封基底通过将所述形成通道基底和所述密封通道基底结合在一起而覆盖所述凹部，来形成绝热空间，所述形成通道基底具有槽，所述槽构成所述通道，形成在相对面中。
23.如权利要求22所述的制造反应器的方法，还包括步骤在限定出绝热空间的壁上形成反射膜。
24.如权利要求22所述的制造反应器的方法，其中通过阳极结合实现所述第一基底和所述第二基底的结合。
25.如权利要求17所述的制造反应器的方法，其中通过扩散杂质到所述基底中或者通过用高导热性材料形成导热层而形成所述热交换器。
26.如权利要求25所述的制造反应器的方法，还包括步骤在杂质扩散或导热层形成后形成氧化膜，形成用于温度检测或温度控制元件，以及在外表面上形成催化剂载体。
27.一种重整装置，其包括成对通道以重整流过所述通道的流体，第一通道用做燃料加热，第二通道用做反应，其中所述加热通道和反应通道形成在基底上，使得加热通道和反应通道相互接近并排延伸，还具有用于成对通道之间热交换的热交换器。
28.如权利要求27所述的重整装置，其中所述加热通道具有用于产生热的加热装置，所产生的热将通过热交换器传递到反应通道，使得通过放置在反应通道中的催化剂载体上支撑的催化剂实现重整。
29.一种供电系统，包括重整装置和发电机，所述重整装置具有成对通道以重整流过所述通道的流体，第一通道用做燃料加热，第二通道用做反应，其中所述加热通道和反应通道形成在基底上，使得加热通道和反应通道相互接近并排延伸，并具有用于成对通道之间热交换的热交换器，所述发电机利用通过反应通道后进行重整了的流体与另外的材料进行反应而发电。
30.如权利要求29所述的供电系统，其中放置在加热通道中的加热装置产生的热通过热交换器传递到反应通道，通过放置在反应通道中的催化剂载体支撑的催化剂重整的氢和空气中的氧供应到发电机用于反应。
全文摘要
本发明提供一种有效利用热的用于化学反应的小型反应器。该反应器具有形成在基底上的成对通道，通道相互接近、并排延伸，并具有用于该通道之间有效热交换的热交换器。通过在基底上形成成对通道和热交换器以及随后将基底结合在一起来制造该反应器。这种制造方法简单并减少步骤。
文档编号H01M8/04GK1572720SQ20041006403
公开日2005年2月2日 申请日期2004年5月31日 优先权日2003年5月30日
发明者高井雄一, 江刺正善, 田中秀治 申请人:索尼株式会社