Diffusion high vacuum pump with integrated pressure monitoring in microsystem technology
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projektes wurde die Umsetzung des Pumprinzips von Treibmittel- und Diffusionspumpen in Mikrosystemtechnik zur Entwicklung einer miniaturisierten Vakuumpumpe untersucht. Es wurde ein Konzept für die Umsetzung in Silizium-Glas Mikrotechnologie erarbeitet und das Gesamtsystem der Mikropumpe in drei individuell herstell- und charakterisierbare Subsysteme unterteilt: Pumpeinheit, Treib mittelkreislauf und Drucksensor. Für die Pumpeinheit wurde nachgewiesen, dass das Pumpprinzip in Mikrosystemtechnik anwendbar ist. Die geometrischen Einflussgrößen wurden untersucht und eine optimale Geometrie ermittelt. Bei einer Strukturtiefe von z = 100 um konnte mit gasförmigem Stickstoff als Treibmittel ein minimaler Enddruck von 0.685 x 105 Pa sowie ein Durchsatz >55 ml/min erreicht werden. Für die Treibmitte Rückführung wurde eine poröse Silizium-Membran untersucht, die auf Grund der hohen in ihr auftretenden Kapillarkräfte als Druckabsorber zwischen Siederaum und kondensiertem Treibmittel fungieren soll. Die hergestellten porösen Membranen eigneten sich als Druckabsorber für Differenzdrücke von bis zu 2x105 Pa. Dieser Wert kann durch Minimierung des Porendurchmessers sowie die Optimierung der Oberflächeneigenschaften der Poren weiter erhöht werden. Das verwendete metall-unterstützte Herstellungsverfahren für die porösen Schichten lieferte sehr inhomogene und kaum kontrollierbare Poren-Morphologien. Ein elektrochemisches Ätzverfahren scheint nach ersten Untersuchungen besser zur Herstellung der Membranen geeignet zu sein, da die Porendichte, der Porendurchmesser und die Porentiefe homogen und durch die Prozessparameter kontrollierbar sind. Um die vollständige Verteilung des flüssigen Treibmittels in der gesamten Mikropumpe zu verhindern, wurden hydrophobe Schichten untersucht, die in der Pumpe feuchte und trockene Bereiche definieren. Dampfphasenabgeschiedene Monolagen aus Trichlorsilanen sind für die Abscheidung in hohen Aspektverhältnissen sehr gut geeignet, lassen sich einfach herstellen und strukturieren und weisen sehr gute Oberflächeneigenschaften (Wasser Kontaktwinkel ca. 110°) auf. Die benötigte Temperaturstabilität der Schichten für die anodischen Bondprozesse (< 350 °C im Vakuum) und die Betriebstemperaturen (< 150 °C in Umgebungsluft) wurden nachgewiesen. Allerdings werden die Schichten durch das elektrische Feld und die lonenströme beim anodischen Bonden zerstört. Ein Drucksensor basierend auf dem Pirani-Prinzip wurde entwickelt und zeigt sehr reproduzierbare Messergebnisse mit einem leicht variierbaren Messbereich, der auch den atmosphärischen Druckbereich umspannen kann. Auf Grund der Zerstörung der hydrophoben Schichten im finalen anodischen Bondprozess konnten keine Messungen am Gesamtsystem vorgenommen werden. Grundsätzlich wurde jedoch das Funktionsprinzip einer Dampfstrahlpumpe in Mikrosystemtechnik nachgewiesen und ein geschlossenes Konzept zu ihrer Realisierung erarbeitet. Die benötigten Teilsysteme wurden entwickelt und charakterisiert; sie weisen größtenteils die erforderlichen Eigenschaften auf und müssen nur noch geringfügig modifiziert werden. Die noch bestehenden Probleme am Gesamtsystem lassen sich durch technologische und geringe geometrische Veränderungen des Systems lösen ohne in das Gesamtkonzept einzugreifen. Die zeitnahe Realisierung einer Treibmittel Vakkumpumpe in Mikrosytemtechnik für den mobilen Einsatz erscheint nach den hier präsentierten Berechnungen und Messungen möglich.
Publications
- M. Doms, A. Bekesch, J. Müller, A Microfabricated Pirani Pressure Sensor Operating Near Atmospheric Pressure, J. Micromech. Microeng., Vol. 15/8; 1504-1510, 2005
- M. Doms, A. Bekesch, J. Müller, Micro Pirani Pressure Sensor for Atmospheric Pressure, Sensor, 12th International Conference, Nürnberg, Vol. 1:115-120. IMA, 2005
- M. Doms, H. Feindt, A. Matar, D. Shewtanasoontorn, S. Brinkhues, J. Müller, Investagation of Different Hydrophobie Coatings for MEMS Applications, Int. Conf. Mat. for Advanced Appl. (ICMAT), Symp. J, Singapur, 2007
- M. Doms, J. Müller, A Micro Vapour-Jet Pump, Sens. Act. A, Vol. 119/2, 462-467, 2005
- M. Doms, J. Müller, A Microfabricated Pirani Pressure Sensor for Pressure Measurement Near Atmospheric Pressure, Eurosensors, 19th International Conference Barcelona, 2005
- M. Doms, J. Müller, A Microfabricated Vapor-Jet Pump for Low Pressure Generation, uTAS, 9th International Conference Boston, 2005
- M. Doms, J. Müller, A Microfabricated Vapor-Jet Vacuum Pump, Int. Conf. Mat. for Advanced Appl. (ICMAT), Symp. H, Singapur, 2007
- M. Doms, J. Müller, A Micromachined Vapor-Jet Pump Generating Low pressure and High Pumping Speed, MME, 16th Workshop Göteborg, 350-353, 2005
- M. Doms, J. Müller, A Micromachined Vapor-Jet Vacuum Pump, Transducers, Int. Conf. Solid St. Sens. Act, 2007
- M. Doms, J. Müller, Design, Fabrication and Characterization of a Fully Integrated Micro Vapor-Jet Vacuum Pump, Fluids Engineering Summer Meeting (FEDSM), Miami. ASME, 2006
- M. Doms, J. Müller, Treibmittel-Vakuumpumpe mit integrierter Druckmessung in Mikrosystemtechnik, Mikrosystemtechnikkongress Freiburg, 333-336. VDE, 2005
