Dr hab. Tadeusz PISARKIEWICZ

Prof. dr hab. Tadeusz PISARKIEWICZ
Katedra Elektroniki
Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji
Akademia Górniczo-Hutnicza
al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków
RECENZJA
rozprawy doktorskiej
mgr inż. Tomasza GRZEBYKA
Miniaturowa pompa MEMS do wytwarzania próżni
w mikro- i nanosystemach
1. Analiza stanu wiedzy związanej z przedmiotem rozprawy
Istnieją mikro- i nanosystemy pracujące w środowisku próżniowym, stąd potrzeba
wytwarzania i utrzymywania próżni w małej objętości. Małe objętości (mniejsze niż ok.
1cm3) stwarzają jednak problemy odnośnie wytwarzania i utrzymania próżni głównie ze
względu na wysoką wartość stosunku powierzchni do objętości mikrostruktury. Duża
powierzchnia odpowiedzialna jest za wzmożony proces desorpcji gazów, nacieki
spowodowane mikrodefektami w obszarach łączenia a nawet przenikanie zewnętrznej
atmosfery gazowej przez cienkie ścianki mikroobudów. Zmiany ciśnienia w małej objętości
powodowane tymi zjawiskami są szybko „odczuwalne” i nie sprzyjają utrzymaniu próżni.
Uzyskanie próżni w mikrostrukturze na poziomie lepszym niż 10-5 hPa jest możliwe w
tzw. procesie uszczelniania na poziomie obudowy. Jest to w istocie metoda pośrednia, gdzie
mikroukład montuje się w zewnętrznej obudowie w warunkach wysokiej próżni. Obudowa
wytwarzana jest na ogół z materiałów o dobrej szczelności próżniowej, ale jednocześnie nie
zapewnia pełnej miniaturyzacji systemu a jej technologia nie jest kompatybilna z technologią
mikrosystemów. Jest to jednak najczęściej stosowana technika montażu próżniowych MEMSów dla większości komercyjnie produkowanych urządzeń.
Inną techniką wytwarzania mikrosystemów próżniowych jest uszczelnianie na poziomie
podłoży. Mikrosystem wytwarzany jest razem z obudową w jednym procesie
technologicznym, co zapewnia pełną miniaturyzację i ułatwia wielkoseryjność produkcji.
Stosuje się tu zarówno różne typy bondingu (anodowy, eutektyczny) jak i technologię tzw.
zintegrowanego uszczelniania. Omawiana technika zapewnia jednak uzyskanie próżni niskiej,
w zakresie od 0,1 do 1 hPa. Poprawę tej próżni można osiągnąć stosując tzw. getery i w
efekcie możliwe jest obniżenie ciśnienia do ok. 10-3 hPa, które można stabilnie utrzymać
przez okres kilku lat.
Istnieją jednak urządzenia z obszaru nanoelektroniki próżniowej, które do poprawnego
działania wymagają próżni wysokiej. Emitery polowe o stosunkowo dużych rozmiarach, takie
jak klistrony, są na stałe podłączane do klasycznych układów pompujących. W
wyświetlaczach polowych o średniej skali integracji (objętość rzędu kilkuset cm3) wysoką
próżnię uzyskuje się omawianą już metodą uszczelniania na poziomie obudowy. Urządzenia
nanoelektroniki próżniowej skali mikro są na etapie badań laboratoryjnych i problem
wytwarzania wysokiej stabilnej próżni wewnątrz mikroobjętości jest tu aktualny. Jego
rozwiązanie jest jednym z istotnych warunków komercjalizacji tych urządzeń.
2. Cel rozprawy i jej realizacja
Autor rozprawy we wstępie stwierdza, że podstawowym zagadnieniem naukowym
podjętym w rozprawie jest odpowiedź na pytanie, czy możliwe jest otrzymanie stabilnej i
wysokiej próżni lepszej niż 10-3 hPa wewnątrz szczelnej komory mikrosystemu (o objętości
mniejszej niż 1 cm3) wytworzonego w technologii MEMS. Towarzyszy temu teza, że taką
próżnię można wytworzyć za pomocą miniaturowej pompy próżniowej, która jest
kompatybilna materiałowo i technologicznie z typowymi krzemowo-szklanymi mikro- i
nanosystemami. W tym celu autor zamierzał taką mikropompę wytworzyć i sprawdzić
praktycznie jej działanie. Na podstawie szczegółowej analizy danych literaturowych odnośnie
mikropomp MEMS autor doszedł do wniosku, że jedynie zminiaturyzowane pompy jonowosorpcyjne dają szansę zrealizowania postawionego celu.
Sama rozprawa doktorska składa się ze wstępu gdzie sformułowana została teza i cel
pracy, sześciu wydzielonych rozdziałów o charakterze zarówno przeglądowym jak i
związanych ściśle z realizacją pracy, zakończenia z zestawieniem wyników i weryfikacją tezy
pracy oraz spisu literatury, liczącego 179 pozycji. Tomasz Grzebyk jest współautorem 13 z
cytowanych prac. Rozprawa zawiera ponadto spis używanych akronimów.
W oparciu o dane literaturowe w rozdziale 2 dokonany został przegląd miniaturowych
urządzeń próżniowych oraz podane zostały powody dlaczego próżnia jest niezbędna dla ich
poprawnej pracy. Wielkość tej próżni jest związana z charakterem pracy danego
mikrosystemu i tak przykładowo akcelerometry wymagają próżni niskiej ale stabilnej w
długim okresie czasu, żyroskopy pracują na ogół przy ciśnieniu rzędu 10-3 hPa a urządzenia
nanoelektroniki próżniowej wymagają próżni wysokiej. Przeprowadzona analiza stanu
techniki i potrzeb jednoznacznie wskazują na konieczność opracowania miniaturowych
urządzeń do wytwarzania wysokiej próżni w systemach MEMS.
Rozdział 3 omawia stosowane obecnie techniki wytwarzania próżni w mikro- i
nanosystemach. Krótką analizę tego zagadnienia przedstawiono już w pkt.1 recenzji.
W rozdziale 4 przedstawiona została budowa i działanie wybranych miniaturowych
pomp próżniowych MEMS znanych z literatury. Pompy te wytwarzają co najwyżej średnią
lub niską próżnię. Omówione zostały mikropompy membranowe, turbomolekularne, cieplnoprzewodnościowe (Knudsena), dyfuzyjne oraz znane konstrukcje makroskopowych pomp
jonowo-sorpcyjnych.
Przedyskutowano
zagadnienie
możliwości
wytworzenia
zminiaturyzowanej pompy jonowo-sorpcyjnej z docelową próżnią lepszą niż 10-3 hPa.
Technologia wytworzenia takiej pompy powinna być spójna z technologią fabrykacji
mikrosystemów krzemowo-szklanych i takiego zadania podjął się autor niniejszej rozprawy.
W rozdziale 5 dokonano analizy wykonalności miniaturowej pompy jonowo-sorpcyjnej.
Autor podkreśla, że taka analiza była konieczna, gdyż w momencie rozpoczęcia prac nie była
znana żadna działająca mikropompa jonowo-sorpcyjna MEMS. Biorąc za punkt wyjścia
dobrze znany mechanizm działania takiej pompy w skali makro, rozważono możliwość
realizacji dwóch typów mikropomp jonowo-sorpcyjnych: mikropompy „polowej”
wykorzystującej do jonizacji gazu polowe źródło elektronów oraz „jarzeniowej”
wykorzystującej wyładowanie w gazie rozrzedzonym w obecności stałego pola
magnetycznego. Przeprowadzono analizę materiałową zapewniającą kompatybilność z
technologią mikrosystemów oraz przedstawiono kilka koncepcji konstrukcji proponowanych
mikropomp. W wyniku przeprowadzonych analiz autor doszedł do wniosku, że proponowane
rozwiązanie zapewni efektywną jonizację i adsorpcję gazów, próżnioszczelność oraz
odporność na przebicia i zwarcia.
W rozdziale 6 omówiono szczegółowo procesy wytwarzania obu rodzajów mikropomp,
t.j. polowej i jarzeniowej. W podsumowaniu autor stwierdza, iż opracowane konstrukcje i
2
przeprowadzone technologie spełniły założone wymagania. Zastosowano materiały i
procedury typowe dla technologii MEMS, uzyskano próżnioszczelność, odporność na
przebicia i zwarcia. Zapewniona została możliwość polaryzacji każdej z elektrod.
Wytworzenie membrany w obrębie struktury mikropomp umożliwiło dodatkowo kontrolę
poziomu próżni.
Rozdział 7 to omówienie wyników testów wytworzonych mikropomp. Szczególnie
korzystne właściwości przypisuje autor mikropompie jarzeniowej. Po stosunkowo krótkim
czasie możliwe było odpompowanie objętości ok. 300 razy większej niż własna objętość
pompy. Najniższe uzyskane ciśnienie oceniono na 10-7 hPa. Możliwa była praca bez
dodatkowego getera.
Zakończenie, tworzące rozdział 8, to podsumowanie rozprawy z przeglądowym
zestawieniem przeprowadzonych badań i uzyskanych wyników w odniesieniu do
postawionych w pracy celów.
3. Najważniejsze osiągnięcia autora rozprawy
•
Zaprojektowanie i wytworzenie mikropompy jonowo-sorpcyjnej, która umożliwia
wytworzenie w mikroobjętości próżni na poziomie lepszym niż 10-3hPa.
•
Praktyczna optymalizacja wersji pompy pod kątem spełnienia wymogów
kompatybilności z technologią mikrosystemów, prostej w konstrukcji i zapewniającej
najlepszą próżnię.
•
Zastosowanie autorskich rozwiązań konstrukcyjnych i technologicznych, które
umożliwiły stosowanie wysokich napięć zasilających układ elektrod bez ryzyka
przebić elektrycznych i zwarć oraz pozwoliły na uzyskanie wystarczającej
próżnioszczelności.
•
Praktyczna realizacja prostych metod szacowania próżni w mikroobjętości.
4. Uwagi krytyczne
W pracy nie dostrzeżono błędów merytorycznych związanych z tematyką rozprawy.
Język rozprawy jest bardzo poprawny, brak jest zasadniczo błędów stylistycznych czy
gramatycznych. Drobną nieścisłość zauważono w zapisie wzoru (4.3) na str. 54 oraz
omówieniu związanego z nim zjawiska odchylania cząstek w polu magnetycznym.
Oznaczenia wektorowe powinny występować po obu stronach równania a ponadto
stwierdzenie, że „w jednorodnym polu elektrycznym prowadzi to do poruszania się cząstek po
orbicie kołowej” nie jest do końca poprawne. Pole elektryczne nie musi być jednorodne.
Wzór (4.4) obowiązuje dla jednorodnego pola magnetycznego.
Inne uchybienie dotyczy jakości krzywych kalibracyjnych prezentowanych na rys.7.10.
Są to proste poprowadzone przez zaledwie 2 punkty. Autor rozprawy zdawał sobie zapewne
sprawę z tego mankamentu, o czym świadczy dyskusja omawiająca wykorzystanie tych
zależności kalibracyjnych, m.in. stwierdzenie, że: „otrzymane krzywe wykorzystywane mogą
być do oceny poziomu próżni panującej w hermetycznie zamkniętej mikrownęce pompy”.
5. Ocena końcowa
Wymienione szczątkowe uwagi krytyczne nie wpływają w sposób oczywisty na jakość
rozprawy doktorskiej, którą oceniam bardzo wysoko. Brak zasadniczo błędów redakcyjnych
oraz nie zauważono istotnych błędów merytorycznych, o których należałoby wspomnieć.
3
Uważam, iż autor w pełni potwierdził tezę rozprawy, że możliwe jest wytworzenie
wysokiej próżni w mikro- i nanosystemach przy wykorzystaniu miniaturowej pompy
próżniowej. Pompa taka została zbudowana i jej działanie zostało zweryfikowane
eksperymentalnie. Prace tego typu należy bez wątpienia kontynuować bo takie jest
zapotrzebowanie rynku w segmencie związanym z nanoelektroniką próżniową. Dopracowania
wymaga zagadnienie połączenia opracowanej pompy jonowo-sorpcyjnej z mikropompą
próżni wstępnej, co umożliwiłoby wytworzenie kompletnego zestawu pompującego na
potrzeby techniki mikrosystemów.
Reasumując stwierdzam, że cel pracy został osiągnięty i recenzowana rozprawa
doktorska spełnia wymagania wynikające z Ustawy o Stopniach Naukowych i Tytule
Naukowym oraz o Stopniach i Tytule w zakresie Sztuki z 14 marca 2003 r oraz wnioskuję o
dopuszczenie mgr inż. Tomasza Grzebyka do publicznej obrony.
Kraków, 24.02.2014 r.
4