The concept of a miniature transmission electron microscope (TEM) on chip is presented. This idea assumes manufacturing of a silicon-glass multilayer device that contains a miniature electron gun, an electron optics column integrated with a high vacuum micropump, and a sample microchamber with a detector. In this article the field emission cathode, utilizing carbon nanotubes (CNT), and an electron optics column with Einzel lens, made of silicon, are both presented. The elements are assembled with the use of a 3D printed polymer holder and tested in a vacuum chamber. Effective emission and focusing of the electron beam have been achieved. This is the first of many elements of the miniature MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) transmission electron microscope that must be tested before the whole working system can be manufactured.
The article presents a detailed characterization of the ionization process taking place inside a miniature MEMS-type ion-sorption vacuum pump, based on the Penning pump architecture. Influence of a variety of parameters on the discharge current has been investigated. These include: magnetic field, type of material used for the electrodes as well as horizontal and vertical dimensions of the micropump. It was found that the micropump works efficiently as long as the magnetic field is higher than 0.3 T, and the pumping cell’s dimensions exceed 1x1x1 mm3. Best results have been obtained for copper and aluminum cathodes and low resistivity silicon anodes.
3
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
W artykule przedstawiono konstrukcję i technologię miniaturowego polowego źródła elektronów kompatybilnego z mikrosystemami MEMS (Micro-Electro-Mechanical System). Źródło składa się z katody polowej z warstwą nanorurek węglowych, elektrody ekstrakcyjnej w postaci siatki oraz krzemowej anody, przedzielonych szklanymi dystansownikami. Zaprezentowano charakterystyki prądowo-napięciowe wykonanych wyrzutni oraz określono wpływ geometrii elektrody ekstrakcyjnej na ich pracę. Uzyskano wysoki prąd emisji polowej 200 μA (U < 1000 V) oraz współczynnik transmisji elektronów przez siatkę sięgający 70%.
EN
In the article construction and technology of a miniature field-emission electron source compatible with MEMS-type microsystems are described. The electron source is formed as a silicon-glass sandwich and consists of carbon nanotube cathode, mesh extraction electrode and silicon anode, all separated by glass spacers. Influence of extraction electrode geometry on the emission characteristics of the device is presented. Emission current reaches 200 μA (U < 1000 V) and transmission ratio of electrons passing through the gate electrode can be as high as 70%.
4
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
W artykule przeanalizowano różne próby miniaturyzacji mikroskopów elektronowych lub ich elementów opublikowane w literaturze. Przedstawiono nową koncepcję miniaturyzacji mikroskopu transmisyjnego wytworzonego całkowicie metodami mikroinżynierii krzemu i szkła z wykorzystaniem nowoopracowanej mikropompy wysokiej próżni. Opisano problemy technologiczne, które muszą być rozwiązane, aby mógł powstać mikrosystemowy mikroskop elektronowy.
EN
This article analyzes different attempts of electron microscope (and it’s elements) miniaturization presented in literature. It describes a new concept of miniaturization of a transmission electron microscope, created with use of silicon and glass microengineering techniques, integrated with newly developed high vacuum micropump. Technological problems are described, which must be overcome for MEMS electron microscope to be created.
5
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
Rozwój urządzeń nanoelektroniki próżniowej jest ograniczony brakiem możliwości wytworzenia wysokiej i ultra wysokiej próżni w objętości mniejszej niż 1 cm3. W pracy przedstawiono konstrukcję i technologię mikropompy jonowo-sorpcyjnej, która może być zintegrowana z każdym urządzeniem wytworzonym technikami mikroinżynieryjnymi. Wykonano struktury testowe mikropompy i zmierzono ich właściwości.
EN
The development of vacuum nanoelectronics devices is limited due to an unsolved problem of high and ultrahigh vacuum generation inside cavity smaller than 1 cm3. In the work construction and technology of the ion-sorption vacuum micropump, which can be integrated with each microdevice that is fabricated using microingineering techniques, is described. The test structures of the micropump have been produced and preliminary characterized.
In the paper MEMS-type microsystems working in vacuum conditions are described. All the benefits and drawbacks of vacuum generated in microcavities are discussed. Different methods are used to produce vacuum in microcavity of MEMS. Some bonding techniques, sacrificial layer method or getter materials are presented. It is concluded that the best solution would be to invent some kind of vacuum micropump integrated with MEMS structure. Few types of already existing vacuum micropumps are shown, but they are not able to generate high vacuum. As the most promising candidate for miniaturization an orbitron pump was selected. The working principle and novel concepts of its construction are described. The most important part of the micropump, used for gas ionization, is a field-emission electron source. Results of a research on a lateral electron source with gold emissive layer for integration with a micropump are presented.
7
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
This paper reviews the current state of art of vacuum encapsulation of microsystems. Different types of bonding techniques and "integrated sealing process" are described. It is concluded that the step forward in vacuum sealing of MEMS structures should be elaboration of MEMS-type micropump, which would be integrated with microsystem structure. A novel concept of a miniature orbitron pump is presented. It is also reported how vacuum inside the micropump can be measured. It is proposed that for measurement of a low vacuum level, a membrane sensor can be used, and for a high or ultra-high vacuum level - an ionization sensor. Both sensors should be integrated with a micropump structure. The results of membrane sensor study are presented.
W artykule przedstawiono problem wytwarzania wysokiej próżni w mikrourządzeniach o objętości roboczej mniejszej niż 1 cm³ oraz propozycję jego rozwiązania. Brak odpowiednich technik hamuje rozwój mikrosystemów próżniowych typu MEMS/MOEMS (Mikro-Elektro-Mechaniczne Systemy/ Mikro-Opto-Elektro-Mechaniczne Systemy) oraz uniemożliwia wytwarzanie złożonych urządzeń Mikro- i Nanoelektroniki Próżniowej. Wydaje się, że optymalnym rozwiązaniem byłoby wytworzenie mikropompy próżniowej, która mogłaby być w pełni zintegrowana z mikrourządzeniem próżniowym. Przedstawiono opisane w literaturze miniaturowe pompy próżniowe, które zostały wykonane z zastosowaniem technologii mikroelektronicznych i mikroinżynieryjnych. Żadne z opublikowanych rozwiązań nie pozwala na uzyskanie wysokiej i ultrawysokiej próżni Przedyskutowano możliwości miniaturyzacji różnych typów pomp, ze szczególnym uwzględnieniem pomp sorpcyjnych oraz związane z tym ograniczenia technologiczne. W pracy przedstawiono koncepcję konstrukcji krzemowo-szklanej mikropompy orbitronowej, która powinna umożliwić wytworzenie wysokiej próżni w mikroobjętości. Prace technologiczne rozpoczęto od opracowania głównego elementu mikropompy orbitronowej, czyli źródła elektronów. Wykonano polowe, planarne źródło elektronów oraz zmierzono jego właściwości emisyjne. Uzyskano napięcie progowe emisji poniżej 30 V oraz prąd elektronowy przekraczający 100 µA (przy ok. 100 V). Wydaje się, że opracowane źródło umożliwi wykonanie demonstratora orbitronowej mikropompy próżniowej. Rozpoczęto badania nad technologią mikropompy.
EN
In this article a problem of high vacuum generation in microdevices (with volume less then 1 cm³) has been introduced. The inability to obtain and maintain high vacuum level within a microcavities inhibits further development of complex vacuum microsystems and nanoelectronics devices. It is assumed that the optimal solution would be to fabricate a micropump fully integrated with other microdevices. MEMS-type micropumps presented in the literature are only able to generate low vacuum (pressure above 1 kPa). Possibilities of miniaturization of different kind of pumps (especially sorption pumps) and associated with it limitations have been described. In this article a novel concept of a silicon-glass orbitron micropump has been presented. In our opinion, it could be integrated with other microsystems and be able to generate high vacuum. The experimental work started with elaboration of a thin-film planar electron source, which is the most important element of a micropump. Obtained data: high current (over 100 µA) and low threshold voltage (less then 30 V) give a chance for future implementation in a complete micropump's structure.
W pracy przedstawiono konstrukcję i technologię planarnego, polowego źródła elektronów. Planarny emiter polowy został fotolitograficznie uformowany z cienkiej warstwy złota naniesionej na utlenione podłoże krzemowe. Pomiary charakterystyk prądowo-napięciowych wykazały, że źródło elektronów w konfiguracji diodowej charakteryzuje się niskim napięciem progowym emisji i dużym prądem. Uzyskane wyniki pozwolą w przyszłości na zastosowanie opracowanego źródła elektronów w miniaturowych urządzeniach próżniowych typu MEMS.
EN
In the paper a construction and technology of the lateral, field-emission electron source are presented. Lateral nanoemitter is made from a thin gold layer, which has been deposited onto oxidized silicon wafer and photolitographically patterned. The obtained diode type structures were tested in oil-free vacuum chamber under the pressure of 2·10 ⁻³ Pa. Measurements of the current-voltage curves showed that the source has a Iow threshold voltage of field-emission (about 15 V) and high emission current (about 1 mAfor 100 V). In future, the presented results allow integration of the lateral field-emission source with miniature MEMS type vacuum devices.
JavaScript jest wyłączony w Twojej przeglądarce internetowej. Włącz go, a następnie odśwież stronę, aby móc w pełni z niej korzystać.