Dr hab. Tadeusz PISARKIEWICZ
Transkrypt
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