Mikromechaniczna jonowo-sorpcyjna pompa próżniowa i mikromechaniczny próżniomierz jonizacyjny

Istota wynalazku

Przedmiotem zgłoszenia jest grupa 3 wynalazków, które tworzą komplementarną całość. Są to 2 miniaturowe jonowo-sorpcyjne pompy próżniowe i próżniomierz jonizacyjny typu MEMS (Mikro-Elektro-Mechaniczny system). Należy podkreślić, że są to jedyne w skali światowej przyrządy umożliwiające wytwarzanie i pomiar wysokiej próżni (10‒7 hPa) w objętości mniejszej niż 1 cm3. Mogą one znaleźć zastosowanie w tak zwanych mikrosystemach próżniowych (MEMS) oraz miniaturowych urządzeniach nanoelektroniki próżniowej.

Opracowane urządzenia wytwarzane są przy wykorzystaniu zaawansowanych procesów mikroelektronicznych i mikroinżynieryjnych. Zbudowane są one z naprzemiennie ułożonych trzech krzemowych elektrod (2 katody i 1 anoda) i dwóch szklanych izolujących je dystansowników. W anodzie i dystansownikach wykonano współśrodkowe otwory, które tworzą mikrokomorę o objętości równej ok. 0,08 cm3. Urządzenia te nie wymagają żadnej dodatkowej obudowy, gdyż zewnętrzne warstwy krzemu i dystansowniki szklane połączone ze sobą metodą bondingu anodowego tworzą próżnioszczelną obudowę.

Co istotne, każdy z omawianych wynalazków jest kompatybilny technologicznie i materiałowo z innymi mikrosystemami próżniowymi typu MEMS i może on być w stosunkowo łatwy sposób zintegrowany z nimi na jednym chipie. Całkowite wymiary mikropompy/próżniomierza to kilkadziesiąt milimetrów sześciennych, a ich waga to zaledwie 3 gramy.

W urządzeniach tych dochodzi do jonizacji gazów, które zostały zamknięte w ich wnętrzu. Odbywa się to na skutek zderzeń cząstek gazów z elektronami rozpędzonymi w polu elektrycznym. W próżniomierzu prąd jonowy docierający do ujemnie spolaryzowanej elektrody (katody) jest proporcjonalny do ciśnienia, a jego wartość stanowi podstawę do oszacowania poziomu próżni. Miniaturowy spektrometr połączony światłowodem z próżniomierzem pozwala również na określenie rodzaju zjonizowanych gazów resztkowych – w niskiej próżni są one źródłem charakterystycznego promieniowania. W mikropompach zjonizowane cząstki gazów uderzają z dużą energią w kolektor ( ujemnie spolaryzowana elektroda zbierająca dodatnie jony) pokryty cienką warstwą tytanu, która jest rozpylana i wchodzi w reakcje chemiczne wiążąc zjonizowane molekuły gazu.

Zasadniczy problem, który rozwiązano przy konstruowaniu przedmiotów wynalazków, to zapewnienie warunków dla jonizacji gazów wewnątrz miniaturowej komory nawet w zakresie wysokiej próżni. Problem polega na tym, że przy niskim ciśnieniu elektrony poruszające się pomiędzy blisko położonymi elektrodami bardzo rzadko wchodzą w kolizje z cząstkami gazów (średnia droga swobodna elektronu w wysokiej próżni może wynosić nawet kilometr), a to powoduje, że jonizacja gazu jest mało prawdopodobna. W zaproponowanych konstrukcjach wykorzystano dwa czynniki, które zwiększają prawdopodobieństwo jonizacji gazu. W mikropompach zastosowano bardzo wydajne źródło elektronów z katodą polową z warstwą nanorurek węglowych i zoptymalizowano rozkład potencjałów wewnątrz mikrokomory. W próżniomierzu zastosowano silne pole magnetyczne, które nadaje elektronom ruch obrotowy, co znacznie wydłuża ich drogę swobodną.

W zastrzeżeniach wynalazków uwzględniono również inne metody, które prowadzą z jednej strony do wzrostu wartości prądu jonowego, a z drugiej – do zwiększenia współczynnika absorpcji gazów. Wzrost prądu jonowego i poprawa jego stabilności mogą być zapewnione przez odpowiednie pokrycie elektrod, np. nanomateriałami o dużym współczynniku emisji wtórnej i/lub szerokiej przerwie zabronionej. Materiały te chronią wrażliwą na bombardowanie jonami powierzchnię katody, a dodatkowo powodują wzrost liczby emitowanych elektronów. Wyższą absorpcję gazów osiąga się odpowiednio kształtując powierzchnię elektrod, w które uderzają jony. Jeśli będzie ona mocno rozbudowana (mikroostrza, krzem porowaty), to pochłonięte jony trudniej będą desorbować do mikroobjętości pompy.

Potencjał komercjalizacji

Dotychczas nie istniały żadne metody wytwarzania ani pomiaru wysokiej próżni w urządzeniach o bardzo małej objętości (MEMS). Opracowanie miniaturowych pomp oraz miniaturowego próżniomierza wypełnia tę lukę i wychodzi naprzeciw zapotrzebowaniu naukowców i przemysłu. Wpisuje się to w aktualne trendy miniaturyzacji wielu urządzeń specjalistycznych i codziennego użytku. Należy podkreślić, że bez możliwości wytwarzania wysokiej i stabilnej próżni oraz kontrolowania jej poziomu nie jest możliwa komercjalizacja miniaturowych urządzeń próżniowych.

Zgłoszonymi wynalazkami oraz wynikami naszych badań zainteresowało się już kilka firm i instytucji badawczych na świecie. Wraz z National Institute of Standards and Technology (Boulders, USA) prowadzone są badania nad wytworzeniem miniaturowych zegarów optycznych nowej klasy, z firmą KETEK GmbH (Monachium, Niemcy) nad wykorzystaniem mikropomp w źródłach i detektorach promieniowania rentgenowskiego. Firma Thyracont (Passau, Niemcy) jest zainteresowana zastosowaniem mikropompy w próżniomierzach pojemnościowych, w celu wytworzenia próżni referencyjnej.