Unser Luftsensor
Erkennen, was in der Luft ist!
Was unser Produkt
so einzigartig macht?
SNIPS (Smart Nano Imaging Particle Sensor) von MeiLuft ermöglicht es, Teilchen im Bereich von 100 nm und kleiner bildlich darzustellen und über eine KI zu erkennen.
Optische Mikroskope können Teilchen unterhalb 200 nm nicht mehr darstellen. Ein Virus, Ultrafeinstaub oder Nanoplastik sind jedoch viel kleiner, im Bereich von 100 nm und darunter.
Diese Teilchen bildlich darzustellen ist momentan nur über aufwändige, teure Verfahren möglich welche meist nur in einem Labor durchgeführt werden können. Chemische und biologische Verfahren helfen hier, allerdings immer mit Einbußen bei der Erkennungsgenauigkeit sowie vor allem der Erkennungsrate.
Zusätzlich sind diese Verfahren nur sehr spezifisch für einen speziellen Anwendungsfall einsetzbar.
Die Entwicklung von SNIPS
Im Nachfolgenden soll die technische Entwicklung des Sensors kurz beschrieben werden.
SNIPS gewährleistet die Erkennbarkeit kleiner Partikel, wofür im Fertigstellungszustand eine Auflösung im Bereich weniger Nanometer erforderlich ist. Die Auflösung hängt dabei wesentlich vom Durchmesser des Elektronenstrahles ab, dessen Durchmesser im selben Bereich liegen muss. Um diesen Strahldurchmesser zu erhalten, muss der Strahlengang der Elektronen, analog des Strahlengangs des Lichtes bei optischen Mikroskopen, berechnet werden. Die Grundlagen für die dafür notwendigen elektrischen Linsen können dementsprechend analog der Berechnung optischer Linsen betrachtet werden. Diese elektrischen Linsen bündeln die Elektronenwolke, ausgehend von der Kathode, zu einem feinen Elektronenstrahl. Die Grundlage zur Auslegung dieser elektrostatischen Linsen sind die Maxwellschen Gleichungen, welche in einem Finite-Elemente Programm zur Simulation von Elektronenbahnen hinterlegt sind. Die Elektronenbahnen folgen dabei den elektrischen Feldlinien, welche immer senkrecht auf den Äquipotentiallinien des elektrischen Feldes stehen.
Die FEM-Simulation liefert dazu im ersten Schritt die elektrostatischen Potentiale, gezeigt an einem vereinfachten Linsensystem:
Links das Axialsymmetrische 3 Elektroden Linsensystem, rechts die berechneten Potentialverläufe.
Aus der FEMM (Finite Element Method Magnetics) Berechnung folgt im Postprozessing der Potentialverlauf U(Z) auf der Rotations Z-Achse:
Potentialverlauf U(Z) (Ordinate) entlang der Rotations Z-Achse (Abszisse)
Aus dem Potentialverlauf auf der Z-Achse lässt sich nun durch Polynom Approximation, nach Reimer die Brennweite f wie folgt berechnen:
Aufgrund der Simulationen kann nun ein Optimierungsprozess begonnen werden, bei welchem ein Strahlsystem mechanisch konstruiert wird, was als Schnittmodell (in Vergussmasse) in der nachfolgenden Abbildung zu sehen ist:
Links die Glühkathode als thermische Elektronenquelle, gefolgt vom Wehneltzylinder, Annode und Fokusierungslinse. Am rechten Bildrand sind noch die Kondensatorplatten für die vertikale und horizontale Strahlablenkung zu sehen.
Das Strahlsystem ist anschließend in einer Vakuumkammer auf seine elektrischen Eigenschaften zu untersuchen, um in einem iterativen Prozess das Strahlsystem zu optimieren bis der gewünschte Strahldurchmesser erreicht ist, beziehungsweise das Simulationsmodell auf Anhieb die gewünschte Auslegung liefert.
Die nachfolgende Abbildung zeigt den Aufbau mit dem in vorheriger Abbildung gezeigten Strahlsystem im Experiment:
Strahlsystem in Rezipienten Glocke, mit Leuchtschirm zur Überprüfung des Elektronenstrahldurchmessers
Für den vollständigen Strahlengang eines REM muss auch noch die Kathode, der Wehneltzylinder und die Anode berücksichtigt werden. Die nachfolgende Abbildung zeigt exemplarisch die Anordnung dieser Komponenten:
Rasterelektronenmikroskop, mit elektrostatischer Linse G2, Wehneltzylinder G1, Anode A1 und Kathode K. D1 bis D4 stellen die Ablenkplatten für den Strahl dar.
