Solution de contrôle de pression variable, de l'ultra-vide à la pression normale

1. Qu'est-ce qu'un microscope à force atomique ?

Le microscope à force atomique est un instrument de précision capable de fonctionner dans différents environnements (vide, atmosphère ambiante, milieu liquide et température variable). Il repose sur la détection des interactions faibles entre l'échantillon et la sonde pour étudier la morphologie de surface et les propriétés physico-chimiques du matériau. Les microscopes à force atomique doivent impérativement fonctionner sous vide et sous atmosphère ambiante pour répondre aux exigences d'application suivantes :

(1) Comme chacun sait, la force d'interaction entre les atomes est extrêmement faible. Lors du fonctionnement d'un microscope à force atomique (AFM), afin de maintenir cette force, la distance entre la pointe et l'échantillon est infime, généralement de l'ordre de quelques nanomètres ou dizaines de nanomètres seulement, ce qui impose des exigences très strictes à l'environnement de l'instrument. Les microscopes à force atomique actuellement disponibles sur le marché fonctionnent dans l'air ambiant. Cependant, la présence de diverses molécules de gaz, de vibrations mécaniques et d'interférences électromagnétiques dans l'air rend difficile l'obtention d'une résolution extrêmement élevée. Pour atteindre une résolution véritablement atomique avec un microscope à force atomique, il est nécessaire de travailler sous vide, voire sous ultravide.

(2) Avec l'approfondissement progressif de la recherche à l'échelle micro-nano, dans de nombreuses études, il est nécessaire de réaliser in situ, dans la même zone expérimentale, sur la surface de l'échantillon, dans un environnement sous vide ou dans le même environnement atmosphérique (tel que l'azote, l'oxygène, l'humidité, la vapeur d'alcool, etc.), une variété d'expériences de détection différentes (telles que la mesure de la dissipation d'énergie de friction, qui nécessite le remplacement d'autres sondes aux fonctions différentes sans endommager l'environnement de travail pour parvenir à une détection in situ).

(3) Dans certaines études à l'échelle micro-nanométrique, les résultats de mesure du spectre de force sous différents degrés de vide et différentes atmosphères montrent que la force d'adhésion entre la pointe AFM et le matériau étudié dépend significativement de la pression du vide et du gaz auquel elle est exposée.

En bref, pour que le microscope à force atomique puisse être contrôlé en fonction de son environnement, la clé est de résoudre le problème du contrôle précis du degré de vide et de l'atmosphère ambiante du microscope à force atomique.

 

2. Comment résoudre le problème ?

Pour différentes plages de degrés de vide, on utilise le régulateur de pression proportionnel Kao Lu avec de faibles débits d'air d'admission et le régulateur de pression proportionnel Kao Lu avec des débits plus importants.

L'ensemble du système de contrôle en boucle fermée de la pression sous vide est divisé en quatre conduites de gaz, chacune ayant les fonctions suivantes :

(1) Plage de vide partiel (10 mbar à 1 bar) : Dans la plage de vide partiel, le premier canal du contrôleur de pression de vide à deux canaux recueille le signal de mesure de vide du manomètre à vide capacitif de 1 000 Torr (précision de mesure : 0,25 %).

(2) Plage de vide élevé (0,01 mbar ~ 10 mbar) : Dans la plage de vide élevé, le deuxième canal du contrôleur de pression de vide à deux canaux collecte le signal de mesure de vide de la jauge à vide capacitive de 10 Torr (précision de mesure 0,25 %) et le compare avec l'appareil.

 

Après comparaison des valeurs fixes, le régulateur de pression proportionnel Kao Lu est activé et le débit d'air d'admission est ajusté par une modification rapide de son ouverture, permettant ainsi une précision de contrôle inférieure à 1 % dans la plage de vide poussé. Il est important de noter que, lors du contrôle dans cette plage, la vanne à bille électrique située sur la conduite d'échappement doit toujours être complètement ouverte.

 

Plage de vide poussé (10 mbar à 0,01 mbar) : Dans la plage de vide poussé, le contrôleur de pression de vide collecte le signal de mesure de vide de la jauge à vide à ionisation (précision de mesure de 15 %) et pilote la vanne de fuite électrique variable après l'avoir comparée à la valeur de consigne, en modifiant rapidement le débit d'entrée de la vanne de fuite, atteignant ainsi une précision de contrôle de 15 % dans la plage de vide poussé.

 

Dans le processus de contrôle de la pression du vide, afin d'obtenir un contrôle de haute précision, les composants suivants doivent répondre aux spécifications techniques correspondantes :

(1) Capteur de degré de vide : La précision de mesure du capteur de degré de vide est un indicateur clé de la précision de la régulation. Cette solution utilise une jauge à vide capacitive à couche mince d'une précision de 0,25 % dans les plages de vide partiel et de vide poussé, et dans la plage d'ultra-vide.

Un manomètre à vide à ionisation d'une précision allant jusqu'à 15 % a été mis au point.

(2) Soupapes : La précision et la vitesse de réglage des différentes soupapes d'admission et d'échappement sont également des indicateurs clés qui déterminent la précision du contrôle.

Tous les régulateurs de pression proportionnels Kao Lu utilisés offrent une excellente précision de réglage et un temps de réponse inférieur à une seconde.

Dans cette plage de fonctionnement, la vitesse de réponse de la vanne de fuite variable peut atteindre plus de dix microsecondes, ce qui permet de répondre pleinement aux exigences de contrôle de l'admission d'air sous ultra-vide.

(3) Régulateur de pression sous vide : Les fonctions de précision de collecte, de précision de réglage de la sortie et de linéarisation du régulateur de pression sous vide sont également

L'indicateur clé qui détermine la précision du contrôle, la solution utilise le régulateur de pression proportionnel de Kao Lu qui permet un contrôle précis du vide à pleine échelle.

 

En résumé, le régulateur de pression proportionnel de Kao Lu permet un contrôle précis de la pression de vide dans les microscopes à force atomique à environnement contrôlé, depuis l'ultravide jusqu'au vide absolu (une atmosphère). Il est également possible de le contrôler en fonction du degré de vide souhaité. La courbe de variation est programmable. De plus, cette solution convient au contrôle précis des environnements de vide et d'atmosphère de divers microscopes.