一種對稱式碳納米管陰極電離規(guī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種對稱式碳納米管陰極電離規(guī)，屬于真空測量技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，高新技術(shù)領(lǐng)域?qū)φ婵諟y量過程中的熱敏感、強磁干擾、高功耗 等提出了新的要求，例如，航空航天、核聚變、表面科學(xué)、微納電子等高新技術(shù)領(lǐng)域，均對真 空測量提出了更加迫切的要求。碳納米管陰極的應(yīng)用，為解決高溫熱燈絲引起的各類問題， 提供了新的思路。
[0003] 電離規(guī)的電子發(fā)射極產(chǎn)生電子，形成電子流Ie，在電離規(guī)各個電極間形成的約束 電場下，電子振蕩運動并與氣體分子碰撞產(chǎn)生氣相離子，氣相離子在加速電場作用下被收 集極接收后形成離子流I。，以上參數(shù)和環(huán)境真空度P的關(guān)系為：
[0004] -f⑴ ..e.
[0005]與熱燈絲發(fā)射極相比較，碳納米管陰極在較高的電壓下，電流密度較大，但是總發(fā) 射電流較小，不利于微弱離子流信號的檢測，同時，傳統(tǒng)三極式電離規(guī)存在電子運動路徑較 短，靈敏度較低的問題，從而限制了微型電離規(guī)的發(fā)展。
[0006] Yang Yuanchao等提出了一種類似于三極管型的碳納米管陰極電離規(guī)（請 參見"Yang Y, Qian L, Tang J, Liu L, Fan S. A low-vacuum ionization gauge with HfC-modified carbon nanotube field emitters. Appl. Phys. Lett, 2008 ;92:153105)〇 Yang等制備出一種類似于三極管型CNT陰極電離規(guī)，如圖1所示，該電離規(guī)包括玻璃基座 a、導(dǎo)電層b、CNT陰極c、門極柵網(wǎng)d、玻璃墊塊e以及收集極f，此電離規(guī)在10 5Pa_100Pa范 圍內(nèi)具有較好地線性度，隨著壓力升高，CNT陰極場發(fā)射性能的逐漸退化，陰極發(fā)射電流逐 漸降低。
[0007] 因此，有必要提出一種新型電離規(guī)，克服熱陰極電離規(guī)高溫熱陰極引起的問題，同 時，延長電子軌跡，提高靈敏度，改善場發(fā)射性能，進而提高測量精度，擴展真空測量范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 有鑒于此，本發(fā)明提供了一種對稱式的三極碳納米管陰極電離規(guī)，具有較高的靈 敏度和較大的場發(fā)射電流。
[0009] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的：
[0010] -種對稱式三極碳納米管陰極電離規(guī)，包括位于同一平面上且互相平行的襯底， 陰極，兩個門極，兩個陽極以及兩個收集極；
[0011] 所述陰極在襯底的兩側(cè)平面對稱生長的碳納米管結(jié)構(gòu)；所述兩個門極對稱分布 于陰極的外側(cè)，兩個陽極對稱布置于兩個門極的外側(cè)，離子收集極對稱布置于兩個陽極外 側(cè)；
[0012] 所述陽極加載的電壓均高于所述門極加載的電壓和收集極加載的電壓。
[0013] 較佳的，所述襯底的兩個側(cè)面分別鍍制催化劑層后再成長所述陰極，催化劑層的 材料選用鐵、鈷或鎳。
[0014] 較佳的，所述陰極采用熱化學(xué)氣相沉積法、模板法、反粘法、粘接法或絲網(wǎng)印刷法 工藝制備。
[0015] 較佳的，所述襯底選用不銹鋼、因科鎳合金或硅片材料制備。
[0016] 較佳的，所述陰極與同側(cè)的門極之間的距離為100微米~200微米。
[0017] 較佳的，所述陽極與同側(cè)的門極之間的距離為2毫米~3毫米。
[0018] 較佳的，所述門極的制備方法包括：對金屬片進行化學(xué)刻蝕，激光刻蝕或者采用金 屬絲編織；門極的材料選用鎢、鉬、或者不銹鋼。
[0019] 較佳的，所述電離規(guī)還包括金屬法蘭和四根絕緣接線柱；所述金屬法蘭與所述電 離規(guī)欲測量的真空腔室開口密封連接；兩個所述收集極通過導(dǎo)線實現(xiàn)電連接，兩個所述陽 極通過導(dǎo)線實現(xiàn)電連接；
[0020] 所述絕緣接線柱穿過所述金屬法蘭，一端位于所述真空腔室內(nèi)，另一端位于真空 腔室外側(cè)；
[0021] 其中一個所述收集極由對應(yīng)位置的絕緣接線柱支撐在金屬法蘭上，該收集極的電 極連線通過所述絕緣接線柱引出至真空腔室之外，并串接靜電計后接收集極電源；另外一 個收集極通過支撐柱固定在所述金屬法蘭上；
[0022] 其中一個所述陽極由對應(yīng)位置的絕緣接線柱支撐在金屬法蘭上，該陽極的電極連 線通過所述絕緣接線柱引出至真空腔室之外，并接在陽極電源上；另外一個陽極通過支撐 柱固定在所述金屬法蘭上；
[0023] 其中一個所述門極由對應(yīng)位置的絕緣接線柱支撐在金屬法蘭上，該門極的電極連 線通過所述絕緣接線柱引出至真空腔室之外，并接在門極電源上；另外一個門極通過支撐 柱固定在所述金屬法蘭上；
[0024] 所述襯底由對應(yīng)位置的絕緣接線柱支撐在金屬法蘭上，該襯底的電極連線通過所 述絕緣接線柱引出至真空腔室之外，并接在陰極電源上。
[0025] 較佳的，所述陰極的兩端分別設(shè)置一對絕緣墊片，絕緣墊片設(shè)置在所述門極與襯 底之間，所述門極與同側(cè)的陰極之間的距離通過絕緣墊片的厚度調(diào)節(jié)。
[0026] 較佳的，所述門極的柵網(wǎng)透過率介于60%~85%之間。
[0027] 本發(fā)明具有如下有益效果：
[0028] (1)本發(fā)明采用室溫下可以實現(xiàn)電子場發(fā)射的碳納米管陣列作為陰極，克服了高 溫熱陰極對熱敏感、光敏感和強磁場系統(tǒng)的干擾，同時基于場發(fā)射機理，降低了功耗需求。 在襯底雙面生長碳納米管陣列陰極，并采用對稱雙電極設(shè)置，在不改變電路復(fù)雜性的前提 下，有效延長了電子運動軌跡長度，有利于提高此類電離規(guī)的靈敏度；另外，在門極4與收 集極6之間增加電壓更高的陽極5,使得電子在門極4與收集極6之間震蕩，也延長了電子 運動路徑，進一步提高了電離規(guī)的靈敏度。
[0029] (2)本發(fā)明涉及的襯底雙面生長碳納米管陣列陰極，不改變襯底面積條件下，有效 保證了碳納米管束的直立型和均勻性，也維持了較好的場發(fā)射性能，配合兩對門極，實現(xiàn)較 大的發(fā)射電流，有利于器件的微型化應(yīng)用。
【附圖說明】
[0030] 圖1為YangYuanchao等提出的三極管型碳納米管陰極電離規(guī)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031] 圖2為本發(fā)明的一種碳納米管陰極電離規(guī)側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032] 圖3為本發(fā)明的碳納米管陰極和門極結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖4為本發(fā)明的一種碳納米管陰極電離規(guī)中兩個場發(fā)射電子的軌跡模擬圖。
[0034] 其中，a-玻璃基座，b-導(dǎo)電層，c一CNT陰極，d-門極柵網(wǎng)，e-玻璃墊塊，f一收 集極；1-電離規(guī)，2-襯底，3-碳納米管陣列陰極，4-門極，5-陽極，6-收集極，7-法蘭，8-接 線柱，9-催化劑層，10-絕緣墊片，11-場發(fā)射電子。
【具體實施方式】
[0035] 下面結(jié)合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進行詳細描述。
[0036]本發(fā)明的電離規(guī)1包括陰極3、雙門極4、雙陽極5和雙收集極6,所有電極平行共 軸設(shè)置，各電極間相互絕緣，其中陰，3選用了雙面發(fā)射的碳納米管陣列結(jié)構(gòu)，電離區(qū)域采 用對稱分布三極式結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括陰極3、襯底2、門極4,陽極5和收集極 6。陰極陣列3生長于襯底2的兩側(cè)表面，以襯底2為對稱平面雙面生長，門極4對稱分布 于陰極陣列3外側(cè)，陽極5平行對稱安裝于門極4外側(cè)，離子收集極6平行對稱安裝于陽極 5外側(cè)。陰極3與門極4的間距分別為100微米~200微米，陽極5與門極4間距分別為2 毫米~3毫米。該電離規(guī)1還包括金屬法蘭7和電極引線8,法蘭7與真空腔室實現(xiàn)密封連 接，四根電極引線8分別與各個電極連接，另一端通過陶瓷芯柱從法蘭7引向大氣端，法蘭 7可根據(jù)實際需要選擇標準件和或非標件。
[0037] 如圖3所示，該碳納米管陣列陰極3可通過熱化學(xué)氣相沉積法、模板法、反粘法、粘 接法、絲網(wǎng)印刷法等各種工藝制備，生長襯底2可選用不銹鋼、因科鎳合金、硅片等材料，襯 底2兩面分別鍍制了催化劑層9,其成分通常選用鐵、鈷、鎳等，制備的碳納米