CN104934276A - 基于薄膜边缘场发射极的微离子泵 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于薄膜边缘场发射极的微离子泵。提供了一种微离子泵。该微离子泵包括多个薄膜边缘场发射极、第一门电极、第二门电极和高压阳极。该多个薄膜边缘场发射极位于第一X-Z平面中。该多个薄膜边缘场发射极具有在至少一个Y-Z平面中的具有高纵横比的相应的多个端面。第一门电极处于第二X-Z平面，该第二X-Z平面与第一X-Z平面偏离。第二门电极放置在第三X-Z平面，该第三X-Z平面与第一X-Z平面偏离。高压阳极处于第四X-Z平面，该第四X-Z平面与在第一X-Z平面中的多个薄膜边缘场发射极偏离。第二门电极位于高压阳极和多个薄膜边缘场发射极之间。

Description

基于薄膜边缘场发射极的微离子泵
技术领域
本专利申请要求于2014年2月24日提交的、题目为″基于薄膜边缘场发射极的微离子泵″的、美国临时专利申请号No.61/943,778的优先权，该申请由此通过引用完全并入本文。
背景技术
虽然冷原子定时和导航基准提供极高的准确性，但它们要求在高真空(～10-8托)操作。已经进行了持续的努力以小型化冷原子技术，例如DARPA的集成微型主原子钟技术(Integrated Micro primary Atomic Clock Technology，IMPACT)和芯片规模组合原子导航仪(Chip-Scale Combinatorial AtomicNavigator，CSCAN)，还要求微尺寸的真空技术发展以能够实现装置的便携性。由于对于冷原子及其他高真空微电-机系统(MEMS)应用对尺寸、功率、寿命和磁场强度的约束条件，目前没有可获得的微真空技术能满足所有的要求。
发明内容
提供了一种微离子泵。微离子泵包括多个薄膜边缘场发射极，第一门电极，第二门电极，和高压阳极。多个薄膜边缘场发射极处于第一X-Z平面。多个薄膜边缘场发射极具有相应的多个端面，该端面在至少一个Y-Z平面中具有高的纵横比(高宽比)(aspect ratio)。第一门电极处于第二X-Z平面，该第二X-Z平面偏离第一X-Z平面。第二门电极放置在第三X-Z平面，该第三X-Z平面偏离第一X-Z平面。高压阳极处于第四X-Z平面，该第四X-Z平面偏离处于第一X-Z平面的多个薄膜边缘场发射极。第二门电极位于高压阳极和多个薄膜边缘场发射极之间。
附图说明
应当理解的是，附图仅仅描绘了示例性的实施例，因此不能认为是对范围的限制，将通过利用附图用附加的特征和细节来描述所述示例性的实施例，图中：
图1是基于薄膜边缘场发射极的微离子泵的实施例的第一侧面剖视图；
图2是图1的基于薄膜边缘场发射极的微离子泵的第二侧面剖视图；
图3是图1的基于薄膜边缘场发射极的微离子泵的一部分的俯视图；
图4是基于薄膜边缘场发射极的微离子泵的实施例的一部分的俯视图；
图5是封装在壳体中的包括基于薄膜边缘场发射极的微离子泵的系统的一部分的俯视图；和
图6是用于形成微离子泵的示例性方法的流程图。
根据惯例，多个描述的特征不是按照比例绘制的，而是用于强调与示例性实施例相关的特别的特征。在整个附图和文字中相同的附图标记表示相同的元件。
具体实施方式
在下面的详细描述中，参考形成说明书的一部分的附图，并且附图仅仅是以举例的方式显示了具体示例性的实施方式。然而，应当理解的是，也可以使用其他的实施方式，并且可以作出结构、机械和电气的改变。此外，在附图和说明书中出现的方法并不能看作对可执行各独立步骤的次序的限制。因此，下面的详细说明并没有作为限制性的意义。
为了克服上面提及的问题，需要一种新的微真空泵技术用于小型化冷原子技术的最后的成功。在此描述的微离子泵的实施方式具有几个重要的优点。在此描述的微离子泵的实施方式具有小于1cc体积的小尺寸。这比市场上可买到的最小的离子泵小70倍，市场上可买到的离子泵的体积是大于70cc的。不同于目前可得到的离子泵，不需要磁场来操作在此描述的微离子泵的实施例。这是一个优点，因为磁场降低了其中使用了微离子泵的装置的性能。例如，对于其中需要微离子泵的冷原子装置，磁场降低了冷原子装置的性能。在此描述的微离子泵的发射极的边缘是相对较大的(相对于在微离子泵中使用的传统的微端头而言)，并且是不太可靠从而被破坏。特别地，在此描述的边缘发射极具有比端头大的发射面积，因此不太可能遭受由于在强电流密度形成的场的阴极衰减的损害。此外，使微离子泵的发射极边缘免受通过上部门电极的高能离子的损害。来自高能离子的损害被认为是造成微端头场发射极故障的主要原因。
图1是基于薄膜边缘场发射极的微离子泵10的实施例的第一侧面剖视图。图2是图1的基于薄膜边缘场发射极的微离子泵10的第二侧面剖视图。图2的截面图所在的平面由图1中的剖面线2-2指明。图3是图1的基于薄膜边缘场发射极的微离子泵10的一部分的俯视图。特别地，图3显示了重叠在平面(X-Z)上的第二门电极110的开口160，其中薄膜边缘场发射极100(1-8)、背部连接器105(1-2)、发射极电阻器106(1-2)和接触垫107(1-2)放置在平面中。基于薄膜边缘场发射极的微离子泵10在此也被称为″微离子泵10″。
基于薄膜边缘场发射极的微离子泵10包括多个薄膜边缘场发射极100(1-8)(图3)、第一门电极115、第二门电极110和高压阳极150。薄膜边缘场发射极100(1-8)在此也被称为″高纵横比边缘发射极100(1-8)″或者″发射极100(1-8)″。薄膜边缘场发射极100(1-8)的第i个在本文被称为发射极100-i，其中i是正整数。
薄膜边缘场发射极100(1-4)位于第一X-Z平面(X1，Z1)(图1)，并且具有相应的多个在第一Y-Z平面(Y′1，Z′1)中具有高纵横比的端面101(1-4)(图2和3)。薄膜边缘场发射极100(5-8)处于第一X-Z平面(X1，Z1)(图1)，其也在图3中被示为X-Z平面(X′2，Z′2)。薄膜边缘场发射极100(5-8)具有在第二Y-Z平面(Y′2，Z′2)(图3)中具有高纵横比的相应的多个端面101(5-8)。端面101(1-8)是薄膜边缘场发射极100(1-8)的边缘，电子e-从所述边缘发射。
第一门电极115在第二X-Z平面(X2，Z2)中(图1)，该平面与第一X-Z平面(X1，Z1)偏离。第二门电极110在第三X-Z平面(X3，Z3)中(图1)，该平面与第一X-Z平面(X1，Z1)偏离。第一门电极115在本文也被称为″下部门电极115″。第二门电极110在本文也被称为″上部门电极110″或″阴极110″。
高压阳极150位于第四X-Z平面(X4，Z4)(图1)，该平面以距离D(图1和2)从第一X-Z平面(X1，Z1)中的多个薄膜边缘场发射极100(1-8)偏离。第二门电极110位于高压阳极150和多个薄膜边缘场发射极100(1-8)之间。这样，第三X-Z平面(X3，Z3)与第一X-Z平面(X1，Z1)和第四X-Z平面(X4，Z4)平行，并且位于它们之间。
下部门电极115通过绝缘体层180的第一部分180-1与发射极100(1-8)分开。上部门电极110通过绝缘体层180的第二部分180-2与发射极100(1-8)分开。上部门电极110通过间隙185与高压阳极150偏离。如本文中所定义的，间隙185不包括绝缘材料，除了空气。当微离子泵10在一个封装内操作时，在间隙185中的空气被认为是包括保持在真空中的任何气体分子。一旦微离子泵10已经达到真空，在间隙185中存在真空。术语″间隙185″和″真空间隙185″在本文是可互换地使用的。
如图1和3所示，薄膜边缘场发射极100-1包括通常在102-1表示的本体部分和通常在103-1表示的端面部分。端面部分103-1包括高纵横比端面101-1(图2)。类似地，如图1和3所示，薄膜边缘场发射极100-5包括本体部分102-5和端面部分103-5。端面部分103-5包括高纵横比端面101-5。另一个薄膜边缘场发射极100(2-4)和100(6-8)也被类似地构造。如图2所示，高纵横比端面101(1-4)是矩形的形状，但是其他细长的形状也是可能的。
在第一X-Z平面(X1，Z1)中的相应的薄膜边缘场发射极100(1-8)的主体102(1-8)是由绝缘层180-1的第一部分180-1和第二部分180-2封装的。端面部分103(1-8)从绝缘层180-1的第一部分180-1和第二部分180-2伸出。如图1和3所示，高纵横比端面101(1-4)通过由通常在161表示的具有距离DEF的间隙与相对的高纵横比端面101(5-8)分隔开。在相对的高纵横比端面101(1-4)和高纵横比端面101(5-8)之间的间隙161没有用任何绝缘材料填充。一旦微离子泵10已经达到真空，在间隙161中存在真空。术语″间隙161″和″真空间隙161″在本文中是可互换地使用的。
第二门电极110是带有矩形开口160的金属层(图1和3)。开口160在X方向具有宽度WO(图3)，其小于第一Y-Z平面(Y′1，Z′1)和第二Y-Z平面(Y′2，Z′2)之间的距离DEF(图3)，因此端面部分103(1-8)由第二门电极110保护，免受高压阳极150的影响。
如图3所示，在端面101(1-4)和相对的端面101(5-8)之间的距离DEF比在第二门电极110的开口160的宽度WO大两倍的长度δOL。以长度δOL伸出高纵横比的第一端面101(1-4)的第二门电极110的那部分，为各个端面101(1-4)提供保护，免受通常以i+表示的高能气体离子的损坏。同样地，以长度δOL伸出高纵横比的第二端面101(5-8)的第二门电极110的那部分，为各个端面101(5-8)提供保护，免受高能气体离子i+的损坏。高能气体离子i+通过由发射极100(1-8)发射出的电子e-被离子化，并且通过在阳极150和上部门电极110之间的场加速。
现有技术的微离子泵使用端头发射极，该端头发射极变尖并且并没有通过门保护。因此，气体离子轰击变尖的端头发射极并且损害它们，这样显著地减少了现有技术微离子泵的寿命。在此描述的微离子泵的实施例由于两个理由被设计为具有延长的寿命。第一，薄膜边缘场发射极100(1-8)的端面部分103(1-8)是受气体离子保护的。第二，薄膜边缘场发射极100(1-8)的端面101(1-8)的高纵横比与以尖点结束的发射极相比不易受到损害。
如图3所示，高纵横比的边缘发射极100(1-4)通过背部连接器105-1彼此电连接。高纵横比的边缘发射极100(1-4)在此被称为″多个高纵横比边缘发射极100(1-8)的第一部分100(1-4)″。背部连接器105-1通过发射极电阻器106-1连接到接触垫107-1。同样地，高纵横比的边缘发射极100(5-8)通过背部连接器105-2彼此电连接。高纵横比的边缘发射极100(5-8)在此被称为″多个高纵横比边缘发射极100(1-8)的第二部分100(5-8)″。背部连接器105-2通过发射极电阻器106-2连接到接触垫107-2。
如图2所示，发射极100(1-8)具有厚度TE和宽度WE。如图3所示，发射极100(1-8)具有长度LE。宽度WE具有在Y′-Z′平面的Z′方向的延伸度，厚度TE具有在Y′-Z′平面的Y′方向的延伸度，长度LE具有在X′-Z′平面的X′方向的延伸度。发射极100(1-8)的厚度TE比发射极100(1-8)的长度LE和宽度WE要小得多。
微离子泵的其他的实施例包括不同数量的薄膜边缘场发射极，这些场发射极可以具有与图4所示的相同的或者不同的形状。图4是基于薄膜边缘场发射极的微离子泵12的实施例的一部分的俯视图。微离子泵12与微离子泵10的不同之处在于发射极的形状是不同的。如图4所示，图4所示的发射极100(1-12)的宽度WE比图2和3的发射极100(1-8)的宽度WE窄(在Z方向)。
在该实施方式的一个实施例中，宽度WE是厚度TE的至少10倍。在该实施方式的另一个实施例中，长度LE大约是几微米，宽度WE大约是几至几十微米，厚度TE大约是数十纳米。在该实施方式的又一个实施例中，宽度WE是在二至二十微米的范围内，而厚度TE是在十纳米至三十纳米的范围内。在该实施方式的又一个实施例中，高纵横比边缘发射极100(1-8)的厚度TE是20纳米厚。在该实施方式的又一个实施例中，高纵横比边缘发射极100(1-8)由铂层组成。
现在描述微离子泵的操作。当微离子泵10操作时，高压阳极150在高压下(例如大约千伏特)是带正电荷的，第一门电极115和第二门电极110在低压(例如小于100伏特)是带正电荷的，并且薄膜边缘场发射极100(1-8)是接地的。如此，高压阳极150比第一门电极115，第二门电极110和薄膜边缘场发射极100(1-8)中的任何一个的电势高。第一门电极115和第二门电极110比薄膜边缘场发射极100(1-8)的电势高。
当电压(＜100V)施加到上部门电极110和下部门电极115时，由于发射极100-1和100-5的端面101-1和101-5的高纵横比，通常在200表示的超高电场分别形成在发射极100-1和100-5的端面101-1和101-5(图1)。如图1所示，由于高电场200，从发射极100-1和100-5的端面101-1和101-5发射出电子e-。发射出的电子e-朝向阳极150加速，如由虚线/曲线箭头所示的通过开口160和间隙185。加速的电子e-在间隙185中轰击残余气体分子并使之电离。由于在阳极150和第二门电极110之间的电场，电离的气体分子i+朝向第二门电极110加速。电离的气体分子i+在本文也被称为″离子i+″。
因为端面101(1-8)由上部门电极110覆盖，因此各个发射极100-i的端面101-i和端面部分103-i没有暴露于从阳极150加速离开的离子i+。这样，在微离子泵10利用离子i+操作时，各个发射极100-i的端面101-i和端面部分103-i不会退化。WE＞＞TE(即，边缘发射极100(1-4)有高的纵横比)的事实是，在微离子泵10的操作中各个发射极100-i的端面101-i和端面部分103-i不会退化的另一个理由。
在该实施方式的一个实施例中，高压阳极150在2千伏特和3千伏特之间。在该实施方式的另一个实施例中，高压阳极150以在6毫米至10毫米的范围内的距离D(图1)偏离薄膜边缘场发射极100(1-8)。
离子泵能够达到极低压力(例如接近10-11毫巴)。为了降低在真空内部的压力(例如泵作用)，气体分子必须从封闭空间去除。在该实施例的一个实施中，封闭空间由用于微离子泵10的壳体形成。有两种机制去除气体分子，两者同时进行。第一机制对惰性气体起作用。当惰性气体离子i+轰击到阴极110中时，惰性气体离子i+的一部分中性化，并且从阴极110反射离开。这些反射的惰性气体离子i+穿透入阳极150或泵壁(例如，封装微离子泵的壁)。在离子碰撞过程中，一些阴极材料溅射离开。溅射的阴极材料涂覆阳极150和泵壁，从而掩埋在过程中穿入壁/阳极中的中性化的离子。这是用于惰性气体的主要泵送机制。
第二机制对化学活性气体(例如，对于本领域技术人员所公知的O2，CO2等)起作用。第一机制也对化学活性气体起作用，但是它不是用于化学活性气体的主要泵送机制。在该实施方式的一个实施例中，第二门电极(阴极)110由化学活性材料组成。当阴极110的化学活性材料溅射离开时，它如上所述地涂覆阳极150和泵壁表面。化学活性气体分子化学地附着于涂覆面，并且所述分子涂覆在阴极110的化学活性材料上并用阴极110的化学活性材料掩埋。例如，在阴极110中的化学活性材料溅射离开阴极110以掩埋注入的中性分子并且吸收化学活性气体分子。
在该实施方式的另一个实施例中，第二门电极110由钽组成。钽有利地具有高原子量，这增加了气体离子i+由高能反射以穿入阳极150和/或泵壁的概率。该高能增加了惰性气体的泵送速率。在该实施方式的又一个实施例中，第二门电极110由钛组成。在该实施方式的又一个实施例中，第二门电极110由钽和钛的组合物组成。在该实施方式的又一个实施例中，第二门电极110由可以溅射的非化学活性材料组成。概括地说，为了泵送惰性气体，第二门电极110不需要是化学活性的，只要它可以被溅射就行。为了泵送化学活性气体(除了惰性气体之外的气体)，第二门电极110需要是化学活性的以具有高泵送速度。
在该实施方式的另一个实施例中，阳极150由不锈钢组成。在该实施方式的另一个实施例中，绝缘体层180-1和180-2由四氮化三硅和/或二氧化硅组成。在该实施方式的另一个实施例中，发射极电阻器106-1和106-2由TaN组成。在该实施方式的又一个实施例中，基材120是硅基材120。其它的尺寸和材料也可以用于形成微离子泵10。
在此所示的微离子泵10或12能够在延长的时间段内没有性能降低的情况下实现非常高的真空，大约(～10-8托)。
图5是高真空微电机系统(MEMS)11的一部分的俯视图，其包括如图1-3所示的基于薄膜边缘场发射极的微离子泵10。当放置在壳体300中时，在此描述的微离子泵12的实施方式可以被用于高真空MEMS11。壳体300是视情况来设计的，以用于其中使用微离子泵10的技术。在该实施方式的一个实施例中，壳体300的壁是泵壁。如图5所示，示例性的电路175在壳体300中。电路175连接到微离子泵10，以施加微离子泵10所要求的电压，从而减少在壳体300中的压力。电路175构造为可操作地在高压阳极150与下部门电极115、上部门电极110和多个薄膜边缘场发射极100(1-8)之间施加电压势差。在该实施方式的另一个实施例中，电路175是位于壳体300之外的。在该实施方式的又一个实施例中，附加的罩位于壳体300中，将电路175与微离子泵10分开。在后者的情形中，内部罩包括壁，阴极材料溅射到该壁上。
在该实施方式的一个实施例中，小型化的冷原子系统11利用壳体300制造以封装微离子泵10。用于小型化的冷原子系统11中的微离子泵的实施例包括：在第一X-Z平面中的多个薄膜边缘场发射极100(1-8)，其具有由绝缘层180封装的各自的多个主体102(1-8)，而各自的多个高纵横比端面101(1-8)和端面部分103(1-8)从绝缘层180伸出；在第二X-Z平面中的第一门电极115，其通过绝缘层180的第一部分180-1偏离第一X-Z平面；在第二X-Z平面中的第二门电极110，其通过绝缘层180的第二部分180-2偏离第一X-Z平面；和高压阳极150，其与多个薄膜边缘场发射极100(1-8)偏离距离D。第二门电极110位于高压阳极150和多个薄膜边缘场发射极100(1-8)之间。
在该实施方式的另一个实施例中，用于其他应用的其他高真空MEMS系统利用适当设计的壳体制造以封装在此描述的微离子泵。
图6是用于形成微离子泵的示例性方法的流程图。方法600可适用于在此描述的微离子泵的任何实施例。微离子泵作为MEMS装置形成，在MEMS系统中使用。
在方框602，下部门电极形成在X-Z平面中的基材的表面上。下部门电极115可以利用用于沉积导电材料的多个已知技术中的一种由金属形成，用于沉积导电材料的多个已知技术包括但不限于，金属溅射或金属电镀。在该实施方式的一个实施例中，下部门电极115由钽层组成。
在方框604，第一绝缘层形成在下部门电极上。第一绝缘层180-1可以由用于沉积绝缘材料的多种已知技术的一种来形成。在该实施方式的一个实施例中，第一绝缘层180-1由四氮化三硅和/或二氧化硅组成。
在方框606，多个薄膜边缘场发射极被图案化在第一绝缘层上。在该实施方式的一个实施例中，多个薄膜边缘场发射极100(1-8)的第一部分100(1-4)的第一端面101(1-4)位于第一Y-Z平面中，多个薄膜边缘场发射极100(1-8)的第二部分100(5-8)的第二端面101(5-8)位于第二Y-Z平面中。此外，在方框606，将适当的电压施加到电极的电路被图案化在第一绝缘层上。在该实施方式的一个实施例中，第一背部连接器105-1被图案化成接触多个薄膜边缘场发射极100(1-8)的第一部分100(1-4)，第二背部连接器105-2被图案化成接触多个薄膜边缘场发射极100(1-8)的第二部分100(5-8)，第一发射极电阻器106-1被图案化成接触第一背部连接器105-1，并且第二发射极电阻器106-2被图案化成接触第二背部连接器105-2。在该实施方式的另一个实施例中，第一接触垫107-1被图案化成接触第一发射极电阻器106-1，而第二接触垫107-2被图案化成接触第二发射极电阻器106-2。
在方框608，在被图案化的薄膜边缘场发射极和暴露的第一绝缘层之上形成第二绝缘层。第二绝缘层180-2可以由用于沉积绝缘材料的多种已知技术的一种来形成。如果在方框606处第一背部连接器105-1、第二背部连接器105-2、第一发射极电阻器106-1和第二发射极电阻器106-2被图案化在第一绝缘层180-1上，那么第二绝缘层180-2也形成在第一背部连接器105-1、第二背部连接器105-2、第一发射极电阻器106-1、第二发射极电阻器106-2、任何暴露的第一绝缘层180-1和薄膜边缘场发射极100(1-8)之上。
在该实施方式的一个实施例中，如果在方框606，第一接触垫107-1和第二接触垫107-2被图案化成接触各自的第一发射极电阻器106-2和第二发射极电阻器106-2，第二绝缘层180-2不形成在第一接触垫107-1和第二接触垫107-2之上。在该实施方式的另一个实施例中，如果在方框606，第一接触垫107-1和第二接触垫107-2被图案化成接触各自的第一发射极电阻器106-2和第二发射极电阻器106-2，第二绝缘层180-2不形成在第一接触垫107-1和第二接触垫107-2之上。在这种情况下，随后开口被形成穿过第二绝缘层180-2以为电路提供电接触点，该电路是用于施加适当的电压到薄膜边缘场发射极100(1-8)所要求。
在方框610，上部门电极形成在第二绝缘层上。上部门电极110(即阴极110)可以利用参考方框602的如上所述的用于沉积导电材料的多种已知技术的一种由金属形成。
在方框612，开口被蚀刻穿过上部门电极、第二绝缘层、第一绝缘层和下部门电极。通过蚀刻开口160和间隙161(图1)形成的腔是这样的，使得第一端面101(1-4)从绝缘层180的第一部分180-1和第二部分180-2伸出，且第二端面101(5-8)也从绝缘层180的第一部分180-1和第二部分180-2伸出。在上部门电极110中的开口190具有在X方向的宽度WO，其小于在第一Y-Z平面(Y′1，Z′1)和第二Y-Z平面(Y′2，Z′2)之间的距离DEF(图3)。
在此描述的基于薄膜边缘场发射极的微离子泵中的薄膜边缘场发射极可以通过传统的薄膜沉积、光刻形成图案(photo-lithography patterning)和蚀刻工艺技术制造。
在方框614，高压阳极150放置在与基材120的表面平行并且与基材120的表面偏离的平面中，从而上部门电极110位于多个薄膜边缘场发射极100(1-8)和高压阳极150之间。
在方框616，电路175连接到高压阳极150，下部门电极115，上部门电极110和多个薄膜边缘场发射极100(1-8)。电路175可构造为如上所述在高压阳极150与下部门电极115、上部门电极110和多个薄膜边缘场发射极100(1-8)之间可操作地施加电压势差。
在该实施方式的实施例中，基于薄膜边缘场发射极的微离子泵整合到小型化的冷原子时间和导航基准中。由于在此描述的基于薄膜边缘场发射极的微离子泵的坚固耐用性，预期小型化的冷原子时间和导航基准能操作超过10年。因为在此描述的基于薄膜边缘场发射极的微离子泵的体积小于1立方厘米，因此它们能够适合于在冷原子室内部以连续地泵作用。
示例实施例
例子1包括微离子泵，包括：在第一X-Z平面中的多个薄膜边缘场发射极，其中多个薄膜边缘场发射极具有相应的多个端面，该端面在至少一个Y-Z平面中具有高纵横比；第一门电极，其中处于与第一X-Z平面偏离的第二X-Z平面中；第二门电极，其放置在与第一X-Z平面偏离的第三X-Z平面中；和高压阳极，其位于第四X-Z平面中，该第四X-Z平面偏离在第一X-Z平面中的多个薄膜边缘场发射极，其中第二门电极位于高压阳极和多个薄膜边缘场发射极之间。
例子2包括例子1的微离子泵，还包括绝缘层，该绝缘层包括第一部分和第二部分，其中在第二X-Z平面的第一门电极通过绝缘层的第一部分偏离在第一X-Z平面中的多个薄膜边缘场发射极，并且其中在第三X-Z平面中的第二门电极通过绝缘层的第二部分偏离在第一X-Z平面中的多个薄膜边缘场发射极，其中第一X-Z平面中的各自的多个薄膜边缘场发射极的多个主体由绝缘层的第一部分和第二部分封装，而多个薄膜边缘场发射极的多个高纵横比端面从绝缘层的第一部分和第二部分伸出。
例子3包括例子2的微离子泵，其中多个薄膜边缘场发射极包括：多个薄膜边缘场发射极的第一部分，其具有在第一Y-Z平面中的多个第一端面；和多个薄膜边缘场发射极的第二部份，其具有在第二Y-Z平面中的多个第二端面，其中在第二门电极中的开口在X方向具有宽度，该宽度小于在第一Y-Z平面和第二Y-Z平面之间的差值，其中多个高纵横比第一端面和多个高纵横比第二端面由第二门电极保护，免于高能离子的影响。
例子4包括例子1-3的微离子泵，其中第二门电极由化学活性材料组成。
例子5包括例子1-4中的任一个的微离子泵，第二门电极由钽和钛的至少一个组成。
例子6包括例子1-5中的任一个的离子泵，还包括：背部连接器，其与多个薄膜边缘场发射极中的至少两个电接触；和发射极电阻器，其与背部连接器电接触。
例子7包括例子6的微离子泵，还包括接触垫，其与发射极电阻器电接触。
例子8包括例子1-7中的任一个的离子泵，还包括：第一背部连接器，其与多个薄膜边缘场发射极的第一部份电接触；第一发射极电阻器，其与第一背部连接器电接触；第二背部连接器，其与多个薄膜边缘场发射极的第二部份电接触；和第二发射极电阻器，其与第二背部连接器电接触。
例子9包括例子8的微离子泵，还包括：第一接触垫，其与第一发射极电阻器电接触；和第二接触垫，其与第二发射极电阻器电接触。
例子10包括例子1-9中的任一个的微离子泵，其中多个薄膜边缘场发射极具有在第一Y-Z平面的Z方向具有延伸范围的宽度，并且多个薄膜边缘场发射极具有在第一Y-Z平面的Y方向具有延伸范围的厚度，其中宽度至少是厚度的10倍。
例子11包括例子10的微离子泵，其中宽度WE在二至二十微米的范围内，厚度在十纳米至三十纳米的范围内。
例子12包括例子1-11中的任何一个的微离子泵，其中第二门电极以真空间隙偏离高压阳极。
例子13包括形成微离子泵的方法，该方法包括：在X-Z平面中在基材的表面上形成第一门电极；在第一门电极上形成第一绝缘层；在第一绝缘层上图案化多个薄膜边缘场发射极，其中多个薄膜边缘场发射极的第一部份的第一端面位于第一Y-Z平面中，并且其中多个薄膜边缘场发射极的第二部份的第二端面位于第二Y-Z平面中；在被图案化的薄膜边缘场发射极和暴露的绝缘层之上形成第二绝缘层；在第二绝缘层之上形成第二门电极；和蚀刻穿过第二门电极、第二绝缘层、第一绝缘层和第一门电极的开口，其中第一端面从绝缘层的第一部分和第二部分伸出，并且其中第二端面从绝缘层的第一部分和第二部份伸出。
例子14包括例子13的方法，其中蚀刻所述开口包括：蚀刻所述开口，所述开口具有在X方向的宽度，该宽度小于在第一Y-Z平面和第二Y-Z平面之间的距离。
例子15包括例子13-14的任一个的方法，还包括：图案化第一背部连接器以与多个薄膜边缘场发射极的第一部份接触；图案化第二背部连接器以与多个薄膜边缘场发射极的第二部份接触；图案化第一发射极电阻器以与第一背部连接器接触；和图案化第二发射极电阻器以与第二背部连接器接触，其中在图案化的薄膜边缘场发射极之上形成第二绝缘层包括：在图案化的薄膜边缘场发射极、第一背部连接器、第二背部连接器、第一发射极电阻器、第二发射极电阻器和暴露的绝缘层之上形成第二绝缘层。
例子16包括例子15的方法，还包括：形成第一接触垫的图案，以与第一发射极电阻器电接触；和形成第二接触垫的图案，以与第二发射极电阻器电接触。
例子17包括例子13-16的任一个的方法，还包括：将高压阳极放置在一个平面中，该平面与基材的表面平行并且与其偏离，其中第二门电极位于多个薄膜边缘场发射极和高压阳极之间；并且连接电路到高压阳极，第一门电极，第二门电极和多个薄膜边缘场发射极，该电路可构造为可操作地在高压阳极与第一门电极、第二门电极和多个薄膜边缘场发射极之间施加电压势差。
例子18包括高真空微电机系统(MEMS)，包括：封装微离子泵的壳体；和微离子泵，该微离子泵包括：在第一X-Z平面中的多个薄膜边缘场发射极，其中薄膜边缘场发射极具有在至少一个Y-Z平面中的相应的多个高纵横比端面，并且其中在第一X-Z平面中的相应的多个薄膜边缘场发射极的多个主体由绝缘层封装，同时多个高纵横比端面从绝缘层伸出；在第二X-Z平面中的第一门电极，该第二X-Z平面通过绝缘层的第一部份偏离第一X-Z平面；在第三X-Z平面中的第二门电极，该第三X-Z平面通过绝缘层的第二部分偏离第一X-Z平面；和在第四X-Z平面中的高压阳极，该第四X-Z平面偏离在第一X-Z平面中的多个薄膜边缘场发射极，其中第二门电极位于高压阳极和多个薄膜边缘场发射极之间。
例子19包括例子18的高真空微电机系统，其中多个薄膜边缘场发射极包括：多个薄膜边缘场发射极的第一部分，其具有在第一Y-Z平面中的多个第一端面；和多个薄膜边缘场发射极的第二部份，其具有在第二Y-Z平面中的多个第二端面，其中在第二门电极中的开口在X方向具有宽度，该宽度小于在第一Y-Z平面和第二Y-Z平面之间的差值，其中多个高纵横比第一端面和多个高纵横比第二端面由第二门电极保护，免于高能离子影响。
例子20包括例子19的高真空微电机系统，还包括：背部连接器，其与多个薄膜边缘场发射极中的至少两个电接触；和发射极电阻器，其与背部连接器电接触。
尽管在此图示和描述了具体的实施方式，但是本领域普通技术人员应当领会的是，为了实现相同的目的而计划的任何布置可以用来替换所示的具体的实施方式。因此，明显的是，本发明仅仅由权利要求及其等价物所限定。

Claims (3)

1.一种微离子泵(10)，包括：
在第一X-Z平面(X1，Z1)中的多个薄膜边缘场发射极(100(1-8))，其中多个薄膜边缘场发射极具有在至少一个Y-Z平面(Y′1，Z′1)中具有高纵横比的相应的多个端面(101(1-8))；
在第二X-Z平面(X2，Z2)中的第一门电极(115)，该第二X-Z平面(X2，Z2)与第一X-Z平面偏离；
位于第三X-Z平面(X3，Z3)中的第二门电极(110)，该第三X-Z平面(X3，Z3)与第一X-Z平面偏离；
在第四X-Z平面中的高压阳极(150)，该第四X-Z平面与在第一X-Z平面中的多个薄膜边缘场发射极偏离，其中第二门电极位于高压阳极和多个薄膜边缘场发射极之间；和
绝缘层(180)，该绝缘层包括第一部分(180-1)和第二部分(180-2)，
其中在第二X-Z平面中的第一门电极(115)通过绝缘层的第一部份与在第一X-Z平面中的多个薄膜边缘场发射极(100(1-8))偏离，和
其中在第三X-Z平面中的第二门电极(110)通过绝缘层的第二部份与在第一X-Z平面中的多个薄膜边缘场发射极偏离，
其中在第一X-Z平面中的相应的多个薄膜边缘场发射极的多个主体102(1-8)由绝缘层的第一部分和第二部分封装，而多个薄膜边缘场发射极的多个高纵横比的端面(101(1-8))从绝缘层的第一部分和第二部份伸出。
2.根据权利要求1所述的微离子泵(10)，其中多个薄膜边缘场发射极(100(1-8))包括：
多个薄膜边缘场发射极的第一部分(100(1-4))，其具有在第一Y-Z平面(Y′1，Z′1)中的多个第一端面(101(1-8))；和
多个薄膜边缘场发射极的第二部分(100(5-8))，其具有在第二Y-Z平面(Y′2，Z′2)中的多个第二端面(101(1-8))，
其中在第二门电极(110)中的开口(160)具有在X方向的宽度(WO)，该宽度小于在第一Y-Z平面和第二Y-Z平面之间的距离(DEF)，其中多个高纵横比的第一端面(101(1-4))和多个高纵横比的第二端面(101(1-8))由第二门电极(110)保护，免受高能离子(i+)的影响。
3.一种高真空微电机系统(MEMS)(12)，包括：
壳体(300)，其封装微离子泵(10)；和
微离子泵，该微离子泵包括：
在第一X-Z平面(X1，Z1)中的多个薄膜边缘场发射极(100(1-8))，其中多个薄膜边缘场发射极具有在至少一个Y-Z平面(Y′1，Z′1)中具有高纵横比的相应的多个端面(101(1-8))；
在第二X-Z平面(X2，Z2)中的第一门电极(115)，该第二X-Z平面(X2，Z2)偏离第一X-Z平面；
位于第三X-Z平面(X3，Z3)中的第二门电极(110)，该第三X-Z平面(X3，Z3)偏离第一X-Z平面；和
在第四X-Z平面中的高压阳极(150)，该第四X-Z平面偏离在第一X-Z平面中的多个薄膜边缘场发射极，其中第二门电极位于高压阳极和多个薄膜边缘场发射极之间。
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