一种对称式碳纳米管阴极电离规的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种对称式碳纳米管阴极电离规，属于真空测量技术领域。
【背景技术】
[0002] 随着科学技术发展，高新技术领域对真空测量过程中的热敏感、强磁干扰、高功耗 等提出了新的要求，例如，航空航天、核聚变、表面科学、微纳电子等高新技术领域，均对真 空测量提出了更加迫切的要求。碳纳米管阴极的应用，为解决高温热灯丝引起的各类问题， 提供了新的思路。
[0003] 电离规的电子发射极产生电子，形成电子流Ie，在电离规各个电极间形成的约束 电场下，电子振荡运动并与气体分子碰撞产生气相离子，气相离子在加速电场作用下被收 集极接收后形成离子流I。，以上参数和环境真空度P的关系为：
[0004] -f⑴ ..e.
[0005]与热灯丝发射极相比较，碳纳米管阴极在较高的电压下，电流密度较大，但是总发 射电流较小，不利于微弱离子流信号的检测，同时，传统三极式电离规存在电子运动路径较 短，灵敏度较低的问题，从而限制了微型电离规的发展。
[0006] Yang Yuanchao等提出了一种类似于三极管型的碳纳米管阴极电离规（请 参见"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等制备出一种类似于三极管型CNT阴极电离规，如图1所示，该电离规包括玻璃基座 a、导电层b、CNT阴极c、门极栅网d、玻璃垫块e以及收集极f，此电离规在10 5Pa_100Pa范 围内具有较好地线性度，随着压力升高，CNT阴极场发射性能的逐渐退化，阴极发射电流逐 渐降低。
[0007] 因此，有必要提出一种新型电离规，克服热阴极电离规高温热阴极引起的问题，同 时，延长电子轨迹，提高灵敏度，改善场发射性能，进而提高测量精度，扩展真空测量范围。
【发明内容】
[0008] 有鉴于此，本发明提供了一种对称式的三极碳纳米管阴极电离规，具有较高的灵 敏度和较大的场发射电流。
[0009] 为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
[0010] -种对称式三极碳纳米管阴极电离规，包括位于同一平面上且互相平行的衬底， 阴极，两个门极，两个阳极以及两个收集极；
[0011] 所述阴极在衬底的两侧平面对称生长的碳纳米管结构；所述两个门极对称分布 于阴极的外侧，两个阳极对称布置于两个门极的外侧，离子收集极对称布置于两个阳极外 侧；
[0012] 所述阳极加载的电压均高于所述门极加载的电压和收集极加载的电压。
[0013] 较佳的，所述衬底的两个侧面分别镀制催化剂层后再成长所述阴极，催化剂层的 材料选用铁、钴或镍。
[0014] 较佳的，所述阴极采用热化学气相沉积法、模板法、反粘法、粘接法或丝网印刷法 工艺制备。
[0015] 较佳的，所述衬底选用不锈钢、因科镍合金或硅片材料制备。
[0016] 较佳的，所述阴极与同侧的门极之间的距离为100微米~200微米。
[0017] 较佳的，所述阳极与同侧的门极之间的距离为2毫米~3毫米。
[0018] 较佳的，所述门极的制备方法包括：对金属片进行化学刻蚀，激光刻蚀或者采用金 属丝编织；门极的材料选用钨、钼、或者不锈钢。
[0019] 较佳的，所述电离规还包括金属法兰和四根绝缘接线柱；所述金属法兰与所述电 离规欲测量的真空腔室开口密封连接；两个所述收集极通过导线实现电连接，两个所述阳 极通过导线实现电连接；
[0020] 所述绝缘接线柱穿过所述金属法兰，一端位于所述真空腔室内，另一端位于真空 腔室外侧；
[0021] 其中一个所述收集极由对应位置的绝缘接线柱支撑在金属法兰上，该收集极的电 极连线通过所述绝缘接线柱引出至真空腔室之外，并串接静电计后接收集极电源；另外一 个收集极通过支撑柱固定在所述金属法兰上；
[0022] 其中一个所述阳极由对应位置的绝缘接线柱支撑在金属法兰上，该阳极的电极连 线通过所述绝缘接线柱引出至真空腔室之外，并接在阳极电源上；另外一个阳极通过支撑 柱固定在所述金属法兰上；
[0023] 其中一个所述门极由对应位置的绝缘接线柱支撑在金属法兰上，该门极的电极连 线通过所述绝缘接线柱引出至真空腔室之外，并接在门极电源上；另外一个门极通过支撑 柱固定在所述金属法兰上；
[0024] 所述衬底由对应位置的绝缘接线柱支撑在金属法兰上，该衬底的电极连线通过所 述绝缘接线柱引出至真空腔室之外，并接在阴极电源上。
[0025] 较佳的，所述阴极的两端分别设置一对绝缘垫片，绝缘垫片设置在所述门极与衬 底之间，所述门极与同侧的阴极之间的距离通过绝缘垫片的厚度调节。
[0026] 较佳的，所述门极的栅网透过率介于60%~85%之间。
[0027] 本发明具有如下有益效果：
[0028] (1)本发明采用室温下可以实现电子场发射的碳纳米管阵列作为阴极，克服了高 温热阴极对热敏感、光敏感和强磁场系统的干扰，同时基于场发射机理，降低了功耗需求。 在衬底双面生长碳纳米管阵列阴极，并采用对称双电极设置，在不改变电路复杂性的前提 下，有效延长了电子运动轨迹长度，有利于提高此类电离规的灵敏度；另外，在门极4与收 集极6之间增加电压更高的阳极5,使得电子在门极4与收集极6之间震荡，也延长了电子 运动路径，进一步提高了电离规的灵敏度。
[0029] (2)本发明涉及的衬底双面生长碳纳米管阵列阴极，不改变衬底面积条件下，有效 保证了碳纳米管束的直立型和均匀性，也维持了较好的场发射性能，配合两对门极，实现较 大的发射电流，有利于器件的微型化应用。
【附图说明】
[0030] 图1为YangYuanchao等提出的三极管型碳纳米管阴极电离规结构示意图；
[0031] 图2为本发明的一种碳纳米管阴极电离规侧视结构示意图；
[0032] 图3为本发明的碳纳米管阴极和门极结构示意图；
[0033]图4为本发明的一种碳纳米管阴极电离规中两个场发射电子的轨迹模拟图。
[0034] 其中，a-玻璃基座，b-导电层，c一CNT阴极，d-门极栅网，e-玻璃垫块，f一收 集极；1-电离规，2-衬底，3-碳纳米管阵列阴极，4-门极，5-阳极，6-收集极，7-法兰，8-接 线柱，9-催化剂层，10-绝缘垫片，11-场发射电子。
【具体实施方式】
[0035] 下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0036]本发明的电离规1包括阴极3、双门极4、双阳极5和双收集极6,所有电极平行共 轴设置，各电极间相互绝缘，其中阴，3选用了双面发射的碳纳米管阵列结构，电离区域采 用对称分布三极式结构，具体结构如图2所示，包括阴极3、衬底2、门极4,阳极5和收集极 6。阴极阵列3生长于衬底2的两侧表面，以衬底2为对称平面双面生长，门极4对称分布 于阴极阵列3外侧，阳极5平行对称安装于门极4外侧，离子收集极6平行对称安装于阳极 5外侧。阴极3与门极4的间距分别为100微米~200微米，阳极5与门极4间距分别为2 毫米~3毫米。该电离规1还包括金属法兰7和电极引线8,法兰7与真空腔室实现密封连 接，四根电极引线8分别与各个电极连接，另一端通过陶瓷芯柱从法兰7引向大气端，法兰 7可根据实际需要选择标准件和或非标件。
[0037] 如图3所示，该碳纳米管阵列阴极3可通过热化学气相沉积法、模板法、反粘法、粘 接法、丝网印刷法等各种工艺制备，生长衬底2可选用不锈钢、因科镍合金、硅片等材料，衬 底2两面分别镀制了催化剂层9,其成分通常选用铁、钴、镍等，制备的碳纳米