Realizzazione di un field emission array in tecnologia MEMS per la generazione di raggi X

In the past few years, there has been a growing interest in the miniaturization of X-ray tubes: the use of Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) for their generation represents a technological innovation that can cause a reduction in devices size, energy consumption and manufacturing costs. Some of the most useful applications of MEMS X-ray sources include portable medical diagnostics, scientific research, and electronics. However, the fundamental limitation of this technology is the ability to achieve a sufficiently high and stable vacuum inside these devices. An important turning point occurred in recent years when the first micro-pumps, compatible with MEMS technology, were developed. These are capable of generating low pressure without the need for encapsulation in glass, ceramic, or metal casings. These devices, known as cold cathodes, consist typically of a matrix of sharp tips, designed to exploit the local amplification of the electric field due to this geometry, facilitating electron extraction. Given the growing interest in studying these new devices, it is crucial to understand what voltage values are needed in order to achieve a sufficient electric field to obtain emission currents in the range of tens of nA for p-doped silicon or a few µA for n-doped silicon. Following a general introduction to cold X-ray generation and on the state of the art of emitters, the discussion will first focus on the electrostatic analysis of devices using finite element simulation software, carried out on different configurations of a MEMS emitter made of doped silicon, aiming to identify optimal voltage and electric field values for the extraction of significant currents; secondly, on the implementation of the PCB for the read-out of the current associated with electron emission and its characterization; and finally, on experimental tests done in the PoliFAB clean room, in order to verify whether the previously performed computational analysis is consistent with the obtained physical results.

Negli ultimi anni si è assistito ad un crescente interesse nella miniaturizzazione dei tubi a raggi X: l’utilizzo di Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) per la generazione degli stessi rappresenta un’innovazione tecnologica che consentirebbe di ridurre le dimensioni dei dispositivi, il loro consumo energetico e i relativi costi di fabbricazione. Alcune delle principali aree di utilizzo di MEMS per emissione di raggi X includono la diagnostica medica portatile, la ricerca scientifica e l’elettronica. Tuttavia, la limitazione fondamentale di questa tecnologia si è riscontrata nella capacità di ottenere un vuoto sufficientemente alto e stabile all’interno di tali dispositivi. Un notevole cambiamento è avvenuto negli ultimi anni, quando sono state sviluppate le prime micropompe, integrabili e compatibili con la tecnologia MEMS, in grado di generare una bassa pressione senza la necessità di incapsulamenti in involucri di vetro, ceramica o metallo. Tali dispositivi, chiamati cold cathodes, consistono tipicamente in una matrice di punte affilate, realizzate al fine di sfruttare l’amplificazione locale del campo elettrico dovuta a questa geometria, e di conseguenza facilitare l’estrazione di elettroni. Data la tendenza allo studio di questi nuovi dispositivi, è di grande interesse comprendere quali valori di tensione siano necessari per ottenere un campo elettrico sufficiente all’emissione di correnti nell’ordine di decine di nA per silicio drogato p o di qualche µA per silicio drogato n. A seguito di una introduzione generale sulla generazione di raggi X a freddo e sullo stato dell’arte degli emettitori, la discussione è volta in primo luogo all’analisi elettrostatica dei dispositivi mediante software di simulazione agli elementi finiti, effettuate su diverse configurazioni di un emettitore MEMS realizzato in silicio drogato, con lo scopo di identificare i valori di tensione e campo elettrico ottimali per l’estrazione di correnti significative; in secondo luogo all’implementazione della PCB di read-out della corrente associata all’emissione di elettroni e alla caratterizzazione della stessa; infine ai test sperimentali eseguiti in clean room presso il PoliFAB, al fine di verificare una presente o mancata coerenza con i risultati ottenuti all’analisi computazionale precedentemente svolta.