Research and Development of Modern Emission MEMS Sensors

Disertační práce je zaměřená na základní výzkum a vývoj moderních emisních senzorů typu MEMS. Moderní emisní senzor na bázi emise z pole nanostrukturovaných materiálů představuje zcela inovativní přístup při snímání tlaku. Nanostruktury v emisním senzoru tlaku představují jednotlivá elektronová děla emitující elektrony v elektrickém poli mezi katodou a anodou. Emisní senzor tlaku je tedy tvořený dvěma elektrodami, přičemž na jednu z nich působí tlak okolí. Tato elektroda je vlastně snímací pružnou membránou senzoru tlaku. Se změnou okolního tlaku dochází k jejímu proměnnému prohnutí a tím pádem dochází i ke změně vzdálenosti elektrod. Pokud je elektrické napětí mezi elektrodami konstantní, dojde vlivem změny vzdálenosti elektrod ke zvýšení intenzity elektrického pole. Tato intenzita je úměrná emisnímu proudu z katody tvořené nanostrukturovaným materiálem směrem k anodě. V současném stavu techniky je provedena rozsáhlá rešerše s cílem nalézt nové nanostrukturované materiály s dobrými emisními vlastnostmi. Vzhledem k dostupným technologiím byly vybrány čtyři materiály, které jsou v práci experimentálně připraveny a charakterizovány na sestaveném vakuovém pracovišti. Toto pracoviště vyniká tím, že je v něm umístěno nanoposuvné zařízení SmarAct, pomocí kterého je možné ve vakuové komoře měnit vzdálenosti elektrod od sebe a simulovat tak vlastní průhyb deformačního členu (membrány). Pro predikci velikosti výchylky deformačního členu je také vytvořen jeho počítačový model v simulačním programu CoventorWare. Díky němu je možné předvídat chování membrán v širokém rozmezí rozměrů membrány, její tloušťky a působícím tlaku. Z naměřených emisních charakteristik nanostrukturovaných materiálů jsou sestaveny závislosti proudové hustoty na intenzitě elektrického pole a díky tomu mohou být tyto charakterizované nanostrukturované materiály porovnávány. Závislosti jsou dále přepočteny podle Fowler-Nordheimovy teorie na křivku (ln(J/E2) vs. 1/E), jejíž výhodou je lineární závislost. Díky tomu mohou být odečteny základní parametry popisující emisní vlastnosti charakterizovaných nanostrukturovaných materiálů. Pro vakuově těsné spojení elektrod senzoru jsou navrženy a otestovány dvě metody, které splňují specifické požadavky na vlastnosti spoje. První z testovaných metod spojení je použití technologie anodického pájení a druhou je použití skelných past. V obou případech jsou spojené vzorky podrobeny tlakovým zkouškám.The dissertation thesis is focused on research and development of modern emission MEMS sensors. The emission sensor based on the field emission from nanostructured materials represents innovative approach to pressure sensing. The nanostructures serve as electron emitter in an electric field between the cathode and anode in the pressure sensor. This electric field is constant and the change in ambient pressure causes the change of distance between electrodes, thereby the electric field is increasing. This intensity is proportional to the emission from the cathode made of nanostructured material. Changing the distance between the electrodes is caused by the deflection of the deformation element - the membrane, which operates the measured pressure. In the current state of the art an extensive research is carried out to find new nanostructured materials with good emission properties. Four nanostructured materials have been chosen and then experimentally prepared and characterized inside the vacuum chamber. For the simulation of diaphragm bending, the chamber is equipped with linear nano-motion drive SmarAct that enables precise changes of the distance between two electrodes inside the vacuum chamber. The computer model to predict the deformation of diaphragm was prepared in the simulation program CoventorWare. The behavior of diaphragm in a wide range of dimensions of the membrane, its thickness and the applied pressure are possible to predict. The dependencies of the current density on the electric field are plotted from the measured emission characteristics of nanostructured materials and thus characterized nanostructured materials can be compared. The dependencies are further converted by Fowler-Nordheimovy theory on the curve (ln(J/E2) vs. 1/E), whose advantage is linear shape. Basic parameters describing the emission properties of characterized nanostructured materials are deducted. Two methods for vacuum packaging of the sensor electrodes are designed. Anodic bonding technology and encapsulating using glass frit bonding are tested. To evaluate the bonding strength, the bonded substrates are tested for tensile strength.