PL220506B1 - Pompa jonowa - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest pompa jonowa wymuszająca w warunkach ciśnienia atmosferycznego i w temperaturze pokojowej przepływ medium gazowego.

Powszechnie znane są właściwości materii gazowej w skali makroskopowej. Wiedza ta jest zawarta w licznych publikacjach z dziedziny fizyki i chemii. W szczególności znane są klasyczne prawa stanu gazu doskonałego, zależności między ciśnieniem, objętością, temperaturą, pojęcia ruchów Browna, liczby Avogadro, oddziaływania mechaniczne, elektryczne, radiacyjne, optyczne, chemiczne, itd. Opracowane klasyczne modele bardzo dobrze opisują właściwości materii gazowej i możliwości technicznego oddziaływania na parametry fizyko-chemiczne. Jak dotąd stan techniki i dostępne narzędzia badawcze nie pozwalały na prowadzenie pomiarów i oddziaływanie na materię gazową w skalach mikro-, nano- i piko-, tj. w skalach, przy których długość drogi swobodnej cząsteczek w warunkach normalnych (tj. przy temperaturze zbliżonej do temperatury pokojowej i przy ciśnieniu zbliżonym do ciśnienia atmosferycznego) jest porównywalna z wymiarami elementów przyrządu.

Znane są silniki jonowe pojazdów kosmicznych działające w warunkach próżni kosmicznej i temperatury bliskiej zera bezwzględnego. Liczba cząsteczek materii w jednostce objętości jest w takich warunkach bardzo mała, a ich średnia długość drogi swobodnej między zderzeniami bardzo duża. W silnikach jonowych cząsteczki chemiczne gazu pochodzą ze zbiornika. Jest ważnym, aby masa netto gazu była duża w porównaniu z masą całkowitą pojazdu. Cząsteczki gazu są jonizowane i rozpędzane w polu elektrycznym do prędkości bliskiej prędkości światła. Siła rozpędzająca zjonizowane cząsteczki gazu jest równa sile reakcji o przeciwnym zwrocie wektora oddziałującej na pojazd (efekt siły odrzutu). Im większa jest masa cząsteczkowa, im większa prędkość wylotowa cząsteczek, im większa liczba cząsteczek w strumieniu tym większa jest siła oddziałująca na pojazd kosmiczny. Silniki jonowe są bardzo efektywną formą napędu w porównaniu z silnikami bazującymi na energii pochodzącej od reakcji chemicznych, jednak ich wadą jest bardzo mała dynamika co znaczy, że takie silniki wymagają dużo czasu aby nadać pojazdowi pożądaną prędkość.

Znane są implantatory jonów wykorzystywane w technologii elektronicznych układów scalonych, w których zjonizowanym cząsteczkom gazów, w warunkach zbliżonych do próżni nadawane są bardzo duże energie. Jony uderzają w powierzchnię implantowanej próbki i wbijają się w materiał próbki na pewną głębokość, zmieniając powierzchniowe właściwości krystalograficzne (amorfizacja struktury atomowej), elektroniczne (domieszkowanie), mechaniczne, optyczne, i in. materiału.

Z patentu PL 201429 znana jest pompa jonowa, w której pod wpływem pola magnetycznego emitowane z katody elektrony jonizują napotkane na swej drodze cząsteczki gazu a powstałe jony powodują rozpylanie materiału katody.

Znane są także przyrządy do elektroforezy, które posiadają układ elektrod oddziaływujących dużym polem elektrycznym na cząsteczki chemiczne ale w cieczy. Różnica dotyczy więc rodzaju medium, na które oddziałuje pole elektryczne - w pompie jonowej jest to gaz a w przyrządzie elektroforetycznym ciecz. W polu elektrycznym przyrządów do elektroforezy cząsteczki chemiczne poruszają się w polu elektrycznym między elektrodami w kierunku zależnym od znaku i z szybkością wyznaczoną przez wielkość ładunku elektrycznego, oraz masę cząsteczkową. Ta właściwość pozwala na separację cząsteczek i prowadzenie analizy składu chemicznego próbek. W przyrządach e lektroforetycznych najczęściej na jeden mikrokanał przypadają po dwie elektrody rozmieszczone w odległości od siebie od pojedynczych milimetrów do kilkunastu centymetrów.

Znane są konstrukcje ostrzowych emiterów polowych w formie krzemowych piramidek, stożków z ostrymi zakończeniami, pojedynczych lub w układzie regularnych macierzy, wytwarzanych w technologii MEMS przeważnie na podłożach krzemowych. Emitery polowe są umiejscowione w zagłębieniach tak aby ich ostrza znajdowały się w płaszczyźnie lub nieco poniżej płaszczyzny elektrod bramek. Elektrody bramek są wytwarzane z warstwy przewodzącej prąd elektryczny odizolowanej od podłoża dielektrycznie. Posiadają otwory umożliwiające emisję elektronów z ostrza emitera w kierunku anody umiejscowionej ponad powierzchnią przyrządu. Ostrzowe emitery polowe są przyrządami przeznaczonymi do działania w warunkach obniżonego ciśnienia.

Celem wynalazku jest opracowanie zasilanej zewnętrznym polem elektrycznym pompy jonowej, w której dzięki odpowiednio rozmieszczonym elektrodom, możliwe jest wymuszenie kontrolowanego ruchu zjonizowanych cząstek medium gazowego, a zatem i przepływ masy.

W pompie jonowej według wynalazku zjonizowane cząsteczki medium gazowego poruszają się między elektrodami sterowanymi z zewnętrznego źródła zasilania. Pompa ta posiada co najmniej dwie

PL 220 506 B1 nieizolowane, cienkowarstwowe elektrody uziemienia z materiału dobrze przewodzącego prąd elektryczny umieszczone w mikrokanale i będące w kontakcie z medium gazowym będącym pod ciśnieniem zbliżonym do ciśnienia atmosferycznego. Jedna z nieizolowanych elektrod znajduje się na jednym końcu mikrokanału, a druga na drugim jego końcu. Między tymi elektrodami znajduje się układ przynajmniej ośmiu elektrod, równoległych i równo oddalonych od siebie o nie więcej niż 500 nanometrów, pokrytych warstwą dielektryczną i połączonych z zewnętrznym układem zasilania elektrycznego. Korzystnie jest jeżeli elektrody pokryte warstwą dielektryczną mają kształty prostokątów. Elektrody te mogą być elektrodami wielowarstwowymi lub mogą być wykonane z nanorurek i/lub z nanodrutów. Korzystnie jest jeżeli przekrój wzdłużny mikrokanału, w którym umieszczone są elektrody jest prostokątny, a kąt zawarty między osią mikrokanału, a izolowanymi elektrodami wynosi od 30° do 150°. Mikrokanał może znajdować się w strukturze krzemowej, w strukturze szklanej lub w warstwie łączącej strukturę krzemową i szklaną, bądź też częściowo w strukturach a częściowo w warstwie łączącej te struktury.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest brak części ruchomych, prosta konstrukcja i możliwość stosowania w warunkach ciśnienia atmosferycznego. Przy średnich i dużych częstotliwościach fali napięciowej możliwe jest uzyskanie dużych szybkości przepływu medium gazowego (mierzonych w m/s). Rozwiązanie według wynalazku może być wykorzystane również w formie struktury bez mikrokanału, czyli w postaci powłoki pokrywającej obudowy szybkich pojazdów i zmniejszającej opór tarcia powietrza wskutek wymuszenia laminarnego przepływu powietrza.

Wynalazek zostanie bliżej objaśniony na przykładzie wykonania pokazanym na rysunku. Figura 1 przedstawia pompę jonową w przekroju poprzecznym względem osi mikrokanału. Figura 2 pokazuje schemat oddziaływania pola elektrycznego na elektrody pompy wzdłuż, osi mikrokanału.

Do konstrukcji pompy jonowej według wynalazku można wykorzystać elementy strukturalne wykonane z różnych materiałów: może to być polimer, ceramika, szkło, ale szczególnie korzystne jest wykorzystanie krzemu. Użycie krzemu pozwala na wykorzystanie potencjału zaawansowanych technologii mikroelektronicznych i nanotechnologii. Podłoża krzemowe (ale także i z innych materiałów) nie muszą być płaskie. Płaskość powierzchni jest pożądana z uwagi na łatwość wykonania przyrządów z wykorzystaniem technologii mikroelektronicznych i odwzorowania kształtów z operacji litografii. Przepływ cząsteczek chemicznych gazu może być wymuszany w mikrokanale lub w systemie mikrokanałów znajdujących się w spoinie łączącej elementy pompy. W skrajnym przypadku przepływ może być wymuszony w otwartej przestrzeni i wtedy pompa jonowa byłaby przyrządem jednoelementowym.

Przykładowa pompa według wynalazku składa się z dwóch elementów strukturalnych, z których jeden ma postać struktury krzemowej 1, a drugi ma postać struktury szklanej 2. Obie struktury są wzajemnie połączone, przy czym struktura szklana jest mniejsza od struktury krzemowej. Powierzchnię struktury krzemowej 1 pokrywają dwie warstwy dielektryczne 3 złożone z SiO2 i Si3N4. Na górnej warstwie dielektrycznej znajduje się układ metalowych elektrod 4. Elektrody mają kształt równoległych pasków o szerokości 70 nm każdy. Odległość między sąsiadującymi paskami wynosi również 70 nm. Elektrody 4 są pokryte warstwą dielektryczną 5 złożoną z SiO2 i Si3N4. Elektrody posiadają połączenia elektryczne do pól montażowych 6 przez układ ścieżek metalowych, ścieżek polikrzemowych 7 i otworów kontaktowych 8. Dzięki temu, że struktura szklana 2 jest mniejsza od struktury krzemowej 1 pola montażowe 6 znajdują się poza obszarem spoiny 9 struktur 1 i 2. Spoiną struktur jest warstwa emulsji światłoczułej SU-8. W spoinie 9 znajduje się długi i wąski mikrokanał 10 o wysokości 0,3 pm, szerokości 100 pm i długości 10 mm. Natomiast w strukturze szklanej 2 znajdują się dwa przelotowe otwory łączące się z mikrokanałem 10. Otwory te umożliwiają podłączenie przyrządu do zewnętrznego układu fluidycznego z wykorzystaniem złączek i rurek. Elektrody 4 w przykładowym rozwiązaniu są pogrupowane w 12-elektrodowe moduły. Poszczególne elektrody w modułach są elektrycznie połączone z odpowiadającymi im polami montażowymi. Takie połączenie elektrod pozwala na uproszczenie zewnętrznego systemu zasilania elektrycznego pompy jonowej i na dobór optymalnego okresu fali napięciowej wytworzonej wzdłuż osi mikrokanału 10. Maksymalny okres fali napięciowej może mieć w tej wersji konstrukcyjnej długość równą 12 modułom, 6 modułom i 4 modułom. Ponadto pompa posiada skrajne elektrody 11 i 12 znajdujące się na początku i na końcu mikrokanału 10 struktury 1. Rolą tych elektrod jest uziemienie i odprowadzanie ładunków elektrycznych przez odpowiadające im pola montażowe oraz oddziaływanie na gaz przez zastosowanie dodatkowej zewnętrznej polaryzacji. Skrajne elektrody 11 i 12 nie są pokryte warstwą dielektryczną 5, dzięki czemu metal ma bezpośredni kontakt ze zjonizowanymi cząsteczkami gazu znajdującymi się w mikrokanale 10.

PL 220 506 B1

Pompę według wynalazku wykonano w technologii mikroelektronicznej z wykorzystaniem kilku operacji niestandardowych. Strukturę krzemową pompy wykonano na podłożu krzemowym (płytce). W przyrządzie nie wykorzystuje się właściwości półprzewodnikowych krzemu, a zatem typ przewodnictwa, rezystywność i orientacja krystalograficzna podłoża krzemowego nie są istotnymi parametrami technologicznymi. Wybór liczby 12 wynikał z tego, że jest podzielna przez 1, 2, 3, 4, 6, 12. To zwiększa możliwości wyboru długości okresu fali napięciowej doprowadzonej do układu elektrod. Dwie skrajnie położone elektrody są połączone z osobnymi dwoma polami montażowymi. Rolą tych dwóch elektrod jest uziemienie układu elektrycznego i neutralizacja ładunków zjonizowanych cząsteczek gazu na wylocie pompy jonowej. Zatem te dwie skrajne elektrody 11 i 12, w odróżnieniu od pozostałych elektrod 4 nie są w finalnym przyrządzie pokryte warstwą dielektryczną 5.

Płytki krzemowe zostały wstępnie utlenione, a następnie została osadzona na nich warstwa polikrzemu domieszkowanego fosforem i wykonana litografia odwzorowująca kształty ścieżek przewodzących prąd elektryczny i łączących elektrody w 12 grup. Później osadzono warstwę dielektryczną, w której wykonano metodą litografii otwory kontaktowe. W następnej kolejności na warstwie dielektrycznej metodą litografii („lifi-off”) wykonano kształty elektrod, ścieżek przewodzących i pól montażowych, osadzono warstwę metalu Ti/Au, przy czym tytan jest stosowany jako bardzo cienka, podłożowa warstwa polepszająca mechaniczną adhezję górnej warstwy metalu do podłoża, po czym usunięto emulsję światłoczułą wraz z nadmiarową częścią warstwy metalu. Następnie osadzono warstwę dielektryczną, a w niej metodą litografii wytrawiono obszary otworów montażowych i odsłonięto dwie skrajne elektrody. W dalszej kolejności osadzono warstwę emulsji światłoczułej SU-8 o grubości 0,3 mikrometra i w procesie litografii wykonywano mikrokanał o długości 10 milimetrów i szerokości 100 mikrometrów. Po zakończeniu tych operacji technologicznych płytki krzemowe pocięto z użyciem piły tarczowej na pojedyncze struktury.

Strukturę szklaną wykonano z okrągłych płytek szklanych o średnicy 100 milimetrów i grubości 0,5 mm, które pocięto na prostopadłościany i wykonano w nich z użyciem lasera IR przelotowe otwory umożliwiające na przepływ gazu wzdłuż mikrokanału. Dobra przezroczystość szkła umożliwia centrowanie otworów względem mikrokanału. Łączenie obu struktur było realizowane z użyciem emulsji SU-8. Ponieważ struktura szklana jest mniejsza od krzemowej, to pola montażowe na strukturze krzemowej przeznaczone do wykonania połączeń drutowych są po połączeniu struktur odsłonięte i dostępne.

Technologia struktur szklanych i krzemowych może być realizowana, w zależności od przeznaczenia pompy, w kilku wersjach materiałowych. Mikrokanały mogą być wykonywane w strukturze krzemowej, szklanej, w obu strukturach jednocześnie, a także w warstwie spoiny, jaką w przykładzie jest warstwa emulsji SU-8. Krawędzie elektrod nie muszą być proste, ale warunkiem koniecznym prawidłowego funkcjonowania przyrządu jest ich wzajemna równoległość i stałość wymiarowa (szerokość kształtu elektrod i wzajemna separacja sąsiadujących elektrod) w obszarze mikrokanału. Potencjał na elektrody może być podawany poprzez ścieżki przewodzące sygnały z pól montażowych lub indukcyjnie.

W pompie według wynalazku jonizację cząsteczek gazu w mikrokanale można wywołać na dwa sposoby - z osobna lub jednocześnie działając polem elektrycznym i wysokoenergetycznym promieniowaniem, np. UV. Małe rozmiary geometryczne elektrod (nanometrowe) i ich ukształtowanie w postać igieł lub ostrych krawędzi sprzyja lokalnemu zwiększeniu natężenia pola elektrycznego i lokalnej jonizacji cząsteczek gazu. Na zjonizowane cząsteczki gazu (czystych gazów, mieszanin gazów, w szczególności powietrza) można działać zmiennym polem elektrycznym o profilu zależnym od układu sterującego zewnętrznym zasilaniem elektrycznym i od geometrii systemu elektrod.

W układzie statycznym, w przestrzeniach bliskich elektrodom spolaryzowanym ujemnie gromadzą się zjonizowane cząsteczki gazu o dodatnim ładunku, a w przestrzeniach bliskim elektrodom dodatnim gromadzą się zjonizowane cząsteczki gazu o ładunku ujemnym. Fala napięciowa generowana przez zewnętrzny układ elektroniczny jest doprowadzana do elektrod, ma kształt prostokątny (ale też może mieć sinusoidalny, piłokształtny lub bardziej złożony). Okres fali napięciowej obejmuje w przykładzie 12 elektrod, a to w celu nadania pożądanego zwrotu wektorowi siły wymuszającej przepływ gazu w mikrokanale. Mikrokanał jest prostopadły do elektrod ale też może być ułożony pod innym kątem (od 30-150°C. Fala napięciowa indukuje w gazie, w warstwie przypowierzchniowej periodyczny rozkład chmur zjonizowanych cząsteczek. Z uwagi na to, że odległość między elektrodami jest zbliżona do średniej długości drogi swobodnej cząsteczek gazu, zjonizowana cząsteczka gazu może przebyć drogę większą niż dystans między elektrodami bez rekombinacji z innymi zjonizowanymi cząsteczkami i z powierzchnią wewnętrzną mikrokanału.

PL 220 506 B1

Jeżeli stacjonarną falę napięciową przesunąć o wektor równy jednemu modułowi w matrycy elektrod (gdzie jako moduł przyjęto sumę szerokości elektrody i odległości od sąsiedniej elektrody) to chmury zjonizowanych cząsteczek gazu również przesuną się w tym samym kierunku na odległość równą jednemu modułowi. Przemieszczeniu o jeden moduł ładunków towarzyszy przesunięcie masy cząsteczkowej, bowiem zjonizowana cząsteczka chemiczna poza ładunkiem elektrycznym posiada również masę. Przesunięcie fali napięciowej o kolejne moduły w jednostce czasu oznacza wymuszenie przepływu zjonizowanych cząsteczek gazu w określonym kierunku i z określoną prędkością. Prędkość przepływu zależy od modułu matryc) i częstotliwości przesunięcia fali napięciowej.

Claims (8)

1. Pompa jonowa, w której zjonizowane cząsteczki medium gazowego są przemieszczane w zmiennym polu elektrycznym między elektrodami sterowanymi z zewnętrznego źródła napięcia, znamienna tym, że posiada przynajmniej dwie nieizolowane, cienkowarstwowe elektrody uziemienia (11) i (12) z materiału dobrze przewodzącego prąd elektryczny umieszczone w mikrokanale (10) i będące w kontakcie z medium gazowym będącym pod ciśnieniem zbliżonym do ciśnienia atmosferycznego, przy czym jedna z elektrod (11) znajduje się w pobliżu jednego końca mikrokanału (10) a jedna z elektrod (12) znajduje się w pobliżu drugiego końca mikrokanału (10), natomiast pomiędzy elektrodami (11) i (12) znajduje się układ przynajmniej ośmiu również cienkowarstwowych, równoległych i równo oddalonych od siebie elektrod (4) pokrytych warstwą dielektryczną i połączonych z zewnętrznym układem zasilania elektrycznego, przy czym odległość między sąsiednimi elektrodami (4) jest mniejsza niż 500 nanometrów.

2. Pompa jonowa według zastrz. 1, znamienna tym, że elektrody (4) mają kształt prostokątów.

3. Pompa jonowa według zastrz. 1, znamienna tym, że elektrody (4) są elektrodami wielowarstwowymi.

4. Pompa jonowa według zastrz. 1, znamienna tym, że elektrody (4) są wykonane z nanorurek i/lub nanodrutów.

5. Pompa jonowa według zastrz. 1, znamienna tym, że mikrokanał (10) w przekroju ma kształt prostokąta.

6. Pompa jonowa według zastrz. 1, znamienna tym, że kąt zawarty między osią mikrokanału (10), a elektrodami (4) wynosi od 30° do 150°.

7. Pompa jonowa według zastrz. 1, znamienna tym, że mikrokanał (10) znajduje się w strukturze krzemowej (1) i lub w warstwie (9) łączącej strukturę krzemową i szklaną.

8. Pompa jonowa według zastrz. 1, znamienna tym, że mikrokanał (10) znajduje się w strukturze szklanej (2) i/lub w warstwie (9) łączącej strukturę krzemową ze szklaną.