Tytuł: "Wytwarzanie wysokiej próżni w mikro- i nanosystemach"

Instytucja Finansująca: Narodowe Centrum Nauki

Kierownik Projektu na PWr: prof. dr hab. inż. Anna Górecka-Drzazga

Okres realizacji na PWr: 15.01.2014 – 14.01.2017

Wartość projektu: 889 600 zł

Opis: O ile istnieją systemy próżniowe umożliwiające wytwarzanie nawet bardzo wysokiej próżni w urządzeniach o dużych wymiarach, takich jak na przykład Wielki Zderzacz Hadronów, to nie ma ich odpowiedników dla urządzeń miniaturowych. W mikro skali występuje szereg procesów ograniczających możliwości uzyskania wysokiej czy ultra wysokiej próżni. Wiele miniaturowych urządzeń, tzw. mikrosystemów, wymagających wysokiej próżni do poprawnej pracy, działa jedynie w warunkach laboratoryjnych lub w kosmosie, i nie doczekało się jeszcze komercjalizacji. Dopiero rozwiązanie problemu wytwarzania i podtrzymywania próżni powinno umożliwić ich masową produkcję.

Przed rozpoczęciem prac nad projektem próżnię na poziomie zaledwie 10^‒3 hPa uzyskiwano  na etapie pakowania mikrourządzeń. Po tym procesie traciło się jednak kontrolę nad ciśnieniem wewnętrznym, które z biegiem czasu się podnosiło. Aby uzyskać wyższą próżnię i wydłużyć czas poprawnej pracy mikrourządzeń, zaproponowano  opracowanie miniaturowej pompy próżniowej, która będzie mogła być z nimi zintegrowana, i która wytwarzałaby w nich próżnię po procesie uszczelnienia.

W trakcie realizacji projektu opracowano konstrukcje i technologie kilku wersji miniaturowych pomp jonowo-sorpcyjnych, wykonanych z materiałów (krzem i szkło) i technikami kompatybilnymi z mikrosystemami. W jednych wersjach mikropomp cząstki gazu jonizowane są przez wiązkę elektronów emitowanych z polowego źródła elektronów, a jony absorbowane są w cienkiej warstwie tytanu. W innych, z kolei jonizacja gazów zachodzi w wyładowaniu jarzeniowym (podobnym do tego które zachodzi w świetlówkach), przy dodatkowej obecności silnego pola magnetycznego.

Wykonane mikropompy poddano pełnej charakteryzacji. Ustalono, że mikropompy  przy wymiarach 5×5×3 mm³, i objętości wewnętrznej 0,08 cm³ są w stanie wytworzyć próżnię na poziomie 10^‒7 hPa, czyli o 4 rzędy wyższą niż próżnia uzyskiwana innymi metodami. Jest to wynik dotychczas niespotykany w literaturze i rekordowy w skali światowej. Stanowi on przełomowe osiągnięcie w dziedzinie mikrosystemów, które otwiera drogę do miniaturyzacji urządzeń wymagających wysokiej próżni do poprawnej pracy.

1. T. Grzebyk, A. Górecka-Drzazga, J. Dziuban, T. Dankovic, A. Feinerman, H. Busta, Miniature integrated high vacuum MEMS, Procedia Engineering 87 (2014) 891-894.
2. T. Grzebyk, A. Górecka-Drzazga, J. Dziuban, K. Maamari, S. An, T. Dankovic, A. Feinerman, H. Busta, Integration of a MEMS-type vacuum pump with a MEMS-type Pirani pressure gauge, Journal of Vacuum Science and Technology B 33, 3 (2015) 03C103.
3. T. Grzebyk, P. Szyszka, A. Górecka-Drzazga, Polowa wyrzutnia elektronów dla miniaturowych urządzeń typu MEMS, Przegląd Elektrotechniczny 2 (2015) 219-221.
4. T. Grzebyk, A. Górecka-Drzazga, J. Dziuban, MEMS-type self-packaged field-emission electron source, IEEE Transactions on Electron Devices 62, 7 (2015) 2339-2345.
5. T. Grzebyk, A. Górecka-Drzazga, J. Dziuban, Vacuum and residual gas composition MEMS sensor, Procedia Engineering 120 (2015) 671-674.
6. T. Grzebyk, P. Szyszka, A. Górecka-Drzazga, J. Dziuban, Lateral MEMS-type field-emission electron source, IEEE Transactions on Electron Devices 63, 8 (2016) 809-813;
7. T. Grzebyk, A. Górecka-Drzazga, MEMS type ionization vacuum sensor, Sensors & Actuators A 246 (2016) 148-155.
8. T. Grzebyk, P. Knapkiewicz, P. Szyszka, A. Górecka-Drzazga, J. A. Dziuban, MEMS ion-sorption high vacuum pump, Journal of Physics: Conference Series 773,1 (2016) 012047.
9. P. Szyszka, T. Grzebyk, A. Górecka-Drzazga, J. Dziuban, MEMS ion source for mass spectrometer integrated on a chip, Journal of Physics. Conference Series. 2016, vol. 773, nr 1, art. 012099, s. 1-4.
10. T. Grzebyk, A. Górecka-Drzazga, J. A. Dziuban, Low vacuum MEMS ion-sorption micropump, Procedia Engineering 168 (2016) 1593 – 1596.
11. T. Grzebyk, MEMS vacuum pumps, Journal of Microelectromechanical Systems 99 (2017) 1-13.
12. T. Grzebyk, MEMS tandem ion-sorption micropump, Journal of Micromechanics and Microengineering 7 (2017) 125019.
13. T. Grzebyk, A. Górecka-Drzazga, J. Dziuban, Improved properties of the MEMS-type ion-sorption micropump, Journal of Vacuum Science and Technology B 35 (2017) 062001.