PL228498B1 - Mikromechaniczny próżniomierz jonizacyjny - Google Patents

Description

RZECZPOSPOLITA

POLSKA

(12)OPIS PATENTOWY ₍i₉₎PL ₍n)228498 (13) B1 (51) Int.CI.

(21) Numer zgłoszenia: 408320 G01L 21/30 (2006.01)

Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 26.05.2014 (54)

Mikromechaniczny próżniomierz jonizacyjny

(43) Zgłoszenie ogłoszono: 03.08.2015 BUP 16/15	(73) Uprawniony z patentu: POLITECHNIKA WROCŁAWSKA, Wrocław, PL
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 30.04.2018 WUP 04/18	(72) Twórca(y) wynalazku: TOMASZ GRZEBYK, Wrocław, PL ANNA GÓRECKA-DRZAZGA, Wrocław, PL JAN DZIUBAN, Wrocław, PL

oo σ>

'st

CM

CM

Ω.

PL 228 498 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest mikromechaniczny próżniomierz jonizacyjny, stosowany zwłaszcza do oceny poziomu próżni wewnątrz obudowy próżniowej, w szczególności obudowy mikromechanicznej lub w próżni kosmicznej.

W literaturze przedmiotu znanych jest kilka typów próżniomierzy MEMS, na przykład próżniomierze membranowe, cieplno-przewodnościowe oraz rezonansowe. Z publikacji S. Tadigadapa, S. M-Ansari, Applications of highperformance MEMS pressure sensors using Dissolved Wafer Process (DWP), Proc. of MEMS/MST/Microsystems Session, Sensors Expo 1999, pp. 389-393 znana jest konstrukcja próżniomierza membranowego, w którym do pomiaru ciśnienia wykorzystuje się ugięcie krzemowej membrany. Ugięcie membrany jest proporcjonalne do różnicy ciśnień po jej obu stronach i zmienia się w zależności od jej wymiarów. Detekcja ugięcia dokonywana jest metodą pojemnościową, w której mierzy się pojemność pomiędzy elektrodą znajdującą się na membranie i drugą na nieruchomym podłożu.

Z publikacji T. M. Berlicki, S. J. Osadnik, E. L. Prociów, Vacuum pressure thermal thin-film sensor, Vacuum 53, 3-4 (1999) 373-376. Znana jest konstrukcja próżniomierza cieplno-przewodnościowego termoelektrycznego. Wykorzystuje się w nim zależność przewodności cieplnej gazu od ciśnienia. Na jednym z cienkowarstwowych podłoży szklanych znajduje się mikrogrzejnik, a na drugim umieszczony jest stos termopar. Energia cieplna z mikrogrzejnika jest przekazywana do stosu termopar przede wszystkim na skutek przewodnictwa cieplnego gazu. Im niższa jest próżnia tym więcej ciepła przejdzie pomiędzy oboma elementami i tym wyższe napięcie zostanie zarejestrowane na termoparach.

Z publikacji O. Brand, Micromechanical resonators for ultrasound-based proximity sensing, PhD dissertation, ETH Zurich, No. 10896, 1994. Znana jest konstrukcja próżniomierza rezonansowego, w którym masa sejsmiczna wykonana z monokrystalicznego krzemu podwieszona na trzech wspornikach wprawiana jest w drgania. Dobroć drgań jest funkcją ciśnienia, wraz z obniżaniem się próżni następuje coraz większe tłumienie ruchu masy. Do wywołania ruchu stosowane jest pobudzenie termiczne, detekcja następuje z wykorzystaniem piezorezystorów.

Powyższe urządzenia mają wymiary od milimetrów do centymetrów i mierzą ciśnienie w zakresie od atmosferycznego do ok. 1(T³ hPa, w próżni wysokiej ich czułość jest bardzo mała.

W klasycznych systemach próżniowych do pomiaru wysokiej próżni stosowane są próżniomierze jonizacyjne, w których cząsteczki gazu są jonizowane przez strumień elektronów emitowanych z termokatody, a liczba zjonizowanych cząstek (wartość prądu jonowego) jest miarą ciśnienia. Próżniomierze tego typu poddano częściowej miniaturyzacji, zastępując termiczne źródła elektronów - źródłami polowymi, co uwidoczniono w publikacji J. X. Huang, J. Chen, S. Z. Deng, N. S. Xu, Bayard-Alpert ionization gauge using carbon-nanotube cold cathode, J. Vac. Sei. Technol. B 25 (2) 2007 651-654.

W literaturze przedmiotu opisano również konstrukcje całkowicie miniaturowych próżniomierzy jonizacyjnych MEMS, opisanych między innymi w publikacjach I.-M. Choi, S.-Y. Woo, Application of carbon nanotube field emission effect to an ionization gauge, Applied Physics Letters 87 (2005) DOE173104 oraz J. Su D.-Z. Guo, G-M Zhang, Miniature cold cathode ionization gauge based on composite films of carbon nanotubes and MgO nanoparticles, 25th IVNC International Vacuum Nanoelectronics Conference (2012) 258-259. Próżniomierze składają się z układu 3 elektrod: katody polowej, elektrody ekstrakcyjnej oraz kolektora jonów. Elektrony emitowane są z katody, w przestrzeni między elektrodami dochodzi do kolizji z cząsteczkami gazu i do ich jonizacji. Powstałe jony przyciągane są do kolektora. Wraz ze wzrostem ciśnienia w obszarze miedzy elektrodowym znajduje się coraz więcej cząsteczek i częściej dochodzi do aktów jonizacji, stąd ciśnienie jest proporcjonalne do prądu kolektora.

Wadą tych konstrukcji jest wrażliwość polowego źródła elektronów na obecność gazów resztkowych. Jony uderzając w katodę powodują jej degradację. Z tego powodu ograniczony jest górny zakres pracy sond z katodami polowymi do ok. 10^-3 hPa.

Z amerykańskiego dokumentu patentowego nr US 2,197,097 znana jest jonizacyjna sonda pomiarowa, w której nie stosuje się źródła elektronów. Składa się ona z cylindrycznej anody umieszczonej pomiędzy dwoma płaskimi katodami. Pomiędzy katody i anodę przykładane jest silne pole elektryczne. Całość umieszczona jest w obudowie, a do przestrzeni między elektrodami wprowadzone jest silne prostopadłe do powierzchni katod pole magnetyczne. We wnętrzu sondy zapala się wyładowanie elektryczne, a wartość prądu wyładowania jest miarą ciśnienia. Wyładowanie zapoczątkowywane jest przez elektrony samoistne (powstałe np. w wyniku promieniowania kosmicznego), a podtrzymywane dzięki emisji elektronów wtórnych. Do tej pory nie powstała żadna koncepcja miniaturowego czujnika ciśnienia tego typu.

PL 228 498 B1

Istota mikromechanicznego próżniomierza jonizacyjnego wykonanego metodami mikro inżynieryjnymi, zawierającego krzemowe elektrody, oddzielone szklanymi dystansownikami, według wynalazku polega na tym, że składa się z połączonych kolejno ze sobą i tworzących jednocześnie obudowę próżniomierza współosiowych warstw-pierwszej katody, dystansownika dolnego, anody, dystansownika górnego oraz drugiej katody, przy czym pierwsza i druga katoda są ze sobą połączone elektrycznie, ponadto w dystansowniku dolnym i dystansowniku górnym wykonane są współśrodkowe otwory przelotowe, odpowiednio otwór dolny i otwór górny, a w anodzie wykonana jest matryca otworów o osiach symetrii równoległych do osi otworów dolnego i górnego, ponadto przynajmniej w jednym dystansowniku wykonany jest przynajmniej jeden kanał łączący komorę roboczą próżniomierza z atmosferą zewnętrzną, zaś obudowa czujnika jest umieszczona w jednorodnym polu magnetycznym o liniach równoległych do osi obudowy, natomiast do anody przykładany jest potencjał od 200 V do 4 kV względem obu katod.

Korzystnie, matryca otworów ma kształt prostokątny o wymiarach co najmniej 1 wiersz na 1 kolumnę.

Korzystnie, otwory w matrycy mają przekrój poprzeczny okrągły.

Korzystnie, otwory w matrycy mają przekrój poprzeczny prostokątny

Korzystnie, otwór dolny ma średnicę większą niż otwór środkowy i równą otworowi górnemu, przy czym proporcja średnic wynosi najkorzystniej 1,5.

W wariantach wynalazku elektrody pokryte są materiałami wybranymi z grupy: MgO, Ta, Au.

Korzystnie, pole magnetyczne pochodzi od magnesów stałych rozmieszczonych pod pierwszą katodą i nad drugą katodą, najkorzystniej połączonych ze sobą klamrą z materiału ferromagnetycznego.

W wariancie wynalazku, zamiast magnesów stałych użyte są elektromagnesy.

W wariancie wynalazku, pole magnetyczne pochodzi od materiału magnetycznego naniesionego na zewnętrzne powierzchnie katod.

Korzystnie, w obwodzie pomiarowym jest włączony amperomierz mierzący prąd katoda-anoda.

W wariancie wynalazku, w ścianie bocznej dowolnego z dystansowników wykonany jest nieprzelotowy otwór, do którego wprowadzony jest koniec światłowodu, podłączonego z drugiej strony do spektrometru.

Korzystnie, z obudową próżniomierza zintegrowany jest badany mikrosystem, w ten sposób iż anoda i jedna z katod pomiędzy którymi znajduje się dystansownik z kanałem mają jednakowo powiększoną powierzchnię i stanowią jednocześnie ściany dolną i górną obudowy mikrosystemu, zaś ściany boczne tej obudowy stanowią dystansowniki obwodowe.

Zaletą wynalazku są małe wymiary (korzystnie mniejsze niż 3 cm łącznie z magnesami, w tym komora wewnętrzna mniejsza niż 0,1 cm3) i waga (mniejsza niż 5 g łącznie z magnesami) oraz kompatybilność technologiczna i materiałowa z mikrosystemami MEMS. Zaletą wynalazku jest również możliwość wytworzenia mikrosystemu wyposażonego w czujnik ciśnienia w jednym cyklu technologicznym, przy zastosowaniu tych samych materiałów.

Próżniomierz jest bliżej przedstawiony w przykładach realizacji i w oparciu o rysunek, którego fig. 1 przedstawia przekrój próżniomierza, fig. 2 próżniomierz zintegrowany z mikrosystemem, zaś fig. 3 wariant wykorzystujący spektrometr.

P r z y k ł a d 1

Próżniomierz jonizacyjny składa się z połączonych kolejno ze sobą i tworzących jednocześnie obudowę próżniomierza współosiowych warstw - 3 podłoży krzemowych (krzem monokrystaliczny typu n, o orientacji krystalograficznej (100), o grubości 400 pm, dwustronnie polerowany) i 2 podłoży szklanych (szkło borokrzemowe, grubość 1,1 mm) - pierwszej katody 1, dystansownika dolnego 2, anody 3, dystansownika górnego 4 oraz drugiej katody 5, przy czym pierwsza i druga katoda 1, 5 są ze sobą połączone elektrycznie, ponadto w dystansowniku dolnym 2 i dystansowniku górnym 4 wykonane są współśrodkowe otwory przelotowe, odpowiednio otwór dolny 6 i otwór górny 7, a w anodzie 3 wykonana jest matryca o wymiarach 1 wiersz na 1 kolumnę, będąca jednym otworem okrągłym 8 o osi symetrii równoległej do osi otworów dolnego 6 i górnego 7, ponadto w jednym dystansowniku górnym 4 wykonany jest kanał 9 łączący komorę roboczą próżniomierza z atmosferą zewnętrzną, zaś obudowa czujnika jest umieszczona w jednorodnym polu magnetycznym o liniach równoległych do osi obudowy i o indukcji 0,6 T, wytwarzanym przez znajdujące się na zewnątrz struktury dwa magnesy neodymowe 10 połączone ze sobą klamrą z materiału ferromagnetycznego 11. Do anody 3 natomiast przykładany jest potencjał równy 1000 V względem obu katod 1, 5. Całkowite wymiary próżniomierza to 20 x 12 x 3,5 mm³. Otwór dolny 6 ma średnicę większą niż otwór środkowy 8 i równą otworowi górnemu 7, przy czym

PL 228 498 B1 proporcja średnic wynosi 1,5. W obwodzie pomiarowym jest włączony amperomierz mierzący prąd katoda-anoda.

P r z y k ł a d 2

Próżniomierz jak w przykładzie 1, z tą różnicą, że w ścianie bocznej dystansownika górnego 4 wykonany jest nieprzelotowy otwór 12, do którego wprowadzony jest koniec światłowodu 13, podłączonego z drugiej strony do spektrometru 14. Matryca otworów 8 ma kształt prostokątny o wymiarach 3 wiersze na 3 kolumny zaś otwory 8 są w przekroju poprzecznym kwadratowe. Elektrody pokryte są warstwą MgO a pole magnetyczne pochodzi od materiału magnetycznego 10 naniesionego na zewnętrzne powierzchnie katod 1,5. Do anody 3 przykładany jest potencjał 200 V względem obu katod 1,5.

P r z y k ł a d 3

Próżniomierz jak w przykładzie 1 albo 2, z tą różnicą, że do anody 3 przykładany jest potencjał 4 kV względem obu katod 1,5, zaś wszystkie elektrody są pokryte warstwą Ta. Zamiast magnesów stałych użyte są elektromagnesy 10.

P r z y k ł a d 4

Próżniomierz jak w przykładzie 1, 2 albo 3, z tą różnicą, że z obudową próżniomierza zintegrowany jest badany mikrosystem 15, w ten sposób iż anoda 3 i druga katoda 5 pomiędzy którymi znajduje się dystansownik górny z kanałem 9 mają jednakowo powiększoną powierzchnię i stanowią jednocześnie ściany dolną 16 i górną 17 mikrosystemu 15, zaś ściany boczne stanowią dystansowniki obwodowe 18. Wszystkie elektrody pokryte są warstwą Au.

Działanie próżniomierza polega na tym, że mierzy ciśnienie atmosfery zewnętrznej (gaz z zewnątrz wnika do wnętrza czujnika poprzez mikrokanał wykonany w szklanym dystansowniku) lub wewnątrz hermetycznie zamkniętej obudowy mikrosystemu zintegrowanego z czujnikiem. W mikrokomorze wewnętrznej czujnika gaz jest jonizowany w wyniku zderzeń elektronów z obojętnymi cząstkami gazu. W procesie tym powstają jony oraz dodatkowe elektrony, które mogą brać udział w kolejnych zderzeniach. Powstałe jony dodatnie uderzają w powierzchnię katod i powodują generację elektronów wtórnych. Zastosowanie pola magnetycznego wydłuża drogę elektronów i tym samym zwiększa prawdopodobieństwo jonizacji gazów. Krzemowe elektrody pokryte są materiałami metalicznymi, półprzewodnikowymi lub izolacyjnymi (korzystnie materiałami o dużym współczynniku emisji wtórnej lub materiałami odpornymi na rozpylanie). Tlenek magnezu MgO wykazuje duży współczynnik emisji wtórnej elektronów, dzięki czemu prąd płynący w próżniomierzu przy danym ciśnieniu będzie większy (wzrośnie czułość i dokładność wskazań ciśnienia), obniży się również napięcie niezbędne do zapalenia wyładowania jarzeniowego. Tantal jest materiałem o bardzo dużej masie atomowej, jest odporny na bombardowanie jonowe (towarzyszące wyładowaniu jarzeniowemu), dzięki czemu parametry czujnika nie będą ulegały zmianie w czasie jego pracy. Złoto jest materiałem nieaktywnym chemicznie, co również wpływa na stabilność pracy próżniomierza. Mierzony jest prąd wyładowania elektrycznego płynący w obwodzie miedzy katodami i anodą, który jest miarą ciśnienia. W obwodzie może znajdować się również system elektroniczny, który na podstawie parametrów próżniomierza oraz wartości prądu automatycznie przeliczy i wyświetli wartość ciśnienia. Wyładowaniu elektrycznemu wewnątrz czujnika towarzyszy widoczna poświata. W wariancie z wykorzystaniem światłowodu, mierząc spektrum emitowanego światła można ustalić także skład atmosfery gazów resztkowych.

Claims (13)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Mikromechaniczny próżniomierz jonizacyjny wykonany metodami mikroinżynieryjnymi, zawierający krzemowe elektrody, oddzielone szklanymi dystansownikami, znamienny tym, że składa się z połączonych kolejno ze sobą i tworzących jednocześnie obudowę próżniomierza współosiowych warstw- pierwszej katody (1), dystansownika dolnego (2), anody (3), dystansownika górnego (4) oraz drugiej katody (5), przy czym pierwsza i druga katoda (1,5) są ze sobą połączone elektrycznie, ponadto w dystansowniku dolnym (2) i dystansowniku górnym (4) wykonane są współśrodkowe otwory przelotowe, odpowiednio otwór dolny (6) i otwór górny (7), a w anodzie (3) wykonana jest matryca otworów (8) o osiach symetrii równoległych do osi otworów dolnego (6) i górnego (7), ponadto przynajmniej w jednym dystansowniku (7) wykonany jest przynajmniej jeden kanał (9) łączący komorę roboczą próżniomierza z atmosferą zewnętrzną, zaś obudowa czujnika jest umieszczona w jednorodnym polu magnetycznym

   PL 228 498 B1 o liniach równoległych do osi obudowy, natomiast do anody (3) przykładany jest potencjał od 200 V do 4 kV względem obu katod (1,5).
2. 2. Próżniomierz według zastrz. 1, znamienny tym, że matryca otworów (8) ma kształt prostokątny o wymiarach co najmniej 1 wiersz na 1 kolumnę.
3. 3. Próżniomierz według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że otwory (8) w matrycy mają przekrój poprzeczny okrągły.
4. 4. Próżniomierz według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że otwory (8) w matrycy mają przekrój poprzeczny prostokątny.
5. 5. Próżniomierz według zastrz. 1, znamienny tym, że otwór dolny (6) ma średnicę większą niż otwór środkowy (8) i równą otworowi górnemu (7), przy czym proporcja średnic wynosi najkorzystniej 1,5.
6. 6. Próżniomierz według zastrz. 1, znamienny tym, że elektrody pokryte są materiałami wybranymi z grupy: MgO, Ta, Au.
7. 7. Próżniomierz według zastrz. 1, znamienny tym, że pole magnetyczne pochodzi od magnesów stałych (10) rozmieszczonych pod pierwszą katodą (1) i nad drugą katodą (5).
8. 8. Próżniomierz według zastrz. 7, znamienny tym, że magnesy stałe (10) połączone są ze sobą klamrą z materiału ferromagnetycznego (11).
9. 9. Próżniomierz według zastrz. 1, znamienny tym, że pole magnetyczne pochodzi od elektromagnesów (10) rozmieszczonych pod pierwszą katodą (1) i nad drugą katodą (5).
10. 10. Próżniomierz według zastrz. 1, znamienny tym, że pole magnetyczne pochodzi od materiału magnetycznego (10) naniesionego na zewnętrzne powierzchnie katod (1,5).
11. 11. Próżniomierz według zastrz. 1, znamienny tym, że w obwodzie pomiarowym jest włączony amperomierz mierzący prąd katoda-anoda.
12. 12. Próżniomierz według zastrz. 1, znamienny tym, że w ścianie bocznej dowolnego z dystansowników (2,4) wykonany jest nieprzelotowy otwór (12), do którego wprowadzony jest koniec światłowodu (13), podłączonego z drugiej strony do spektrometru (14).
13. 13. Próżniomierz według zastrz. 1, znamienny tym, że z obudową próżniomierza zintegrowany jest badany mikrosystem (15), w ten sposób iż anoda (3) i jedna z katod (5) pomiędzy którymi znajduje się dystansownik (4) z kanałem (9) mają jednakowo powiększoną powierzchnię i stanowią jednocześnie ściany dolną (16) i górną (17) obudowy mikrosystemu (15), zaś ściany boczne tej obudowy stanowią dystansowniki obwodowe (18).