ES2212593T3 - Dispositivo para la formacion de un haz de electrones, procedimiento para la fabricacion del dispositivo y uso del mismo. - Google Patents
Dispositivo para la formacion de un haz de electrones, procedimiento para la fabricacion del dispositivo y uso del mismo.Info
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Abstract
Dispositivo para la formación de un haz de electrones que se compone de un cuerpo de cerámica con una estructura (11) monolítica de múltiples capas con - como mínimo dos capas (131, 132, 133) de cerámica de los electrodos que presentan en cada caso como mínimo una abertura de paso para el haz de electrones y en cada caso como mínimo un electrodo (141, 142, 143) dispuesto junto a la abertura (12) de paso con contactos (161, 162) eléctricos, y - como mínimo una capa (152, 153) cerámica aislante que presenta una abertura (12) de paso para el haz de electrones y que está dispuesta entre las capas (131, 132, 133) de cerámica de los electrodos para el aislamiento de las capas (131, 132, 133) de cerámica de los electrodos, con lo que - las capas (131, 132, 133) de cerámica de los electrodos y la capa (152, 153) de cerámica aislante están dispuestas a lo largo de una dirección de propagación del haz de electrones, de tal manera que las aberturas de paso de las capas (131, 132, 133) de cerámica de los electrodos y la capa (152, 153) de cerámica aislante forman una abertura (12) de paso común.
Description
Dispositivo para la formación de un haz de
electrones, procedimiento para la fabricación del dispositivo y uso
del mismo.
En la técnica, los tubos electrónicos se emplean
en reiteradas ocasiones, así, por ejemplo, en microscopios
electrónicos o monitores. El objetivo de muchos desarrollos en el
sector de los tubos electrónicos es la mejora de la resolución de
los aparatos en los que se emplean estos tubos. La resolución de un
aparato de este tipo depende, entre otras cosas, del cañón
electrónico que esté integrado en el tubo electrónico del aparato.
El cañón electrónico genera un haz de electrones. Éste comprende una
fuente de electrones y una disposición de electrodos adecuada. Como
fuente de electrones se considera, por ejemplo, un cátodo calentado
que, por medio de la energía térmica, emite electrones excitados.
Los electrodos sirven como diafragmas para la focalización, la
modulación de la intensidad y, dado el caso, para la desviación del
haz de electrones.
Según el estado actual de la técnica, los cañones
electrónicos de los monitores de alta resolución tienen la siguiente
estructura: el cátodo y un primer electrodo en forma de rejilla se
unen en un recipiente de metal que está incrustado en un soporte de
cristal del tubo electrónico. En la dirección de propagación del haz
de electrones están colocados otros dos electrodos en forma de
rejilla que también están incrustados en el soporte de cristal.
Para alcanzar una resolución muy alta del
monitor, las aberturas de paso muy finas de los electrodos en forma
de rejilla o del diafragma de electrodos para la focalización de los
electrones deben estar dispuestas de forma exactamente circular y
coaxiales entre sí. Además, una condición básica para conseguir un
alto ancho de banda de las señales es una estructura con una
capacitancia extremadamente baja de la disposición de los
electrodos.
Hasta el momento estos requisitos no se han
satisfecho con éxito por la técnica convencional de tubos. Por
ejemplo, sólo es posible de forma limitada la orientación coaxial de
las aberturas de paso para el haz de electrones mediante la
incrustación de los electrodos por separado en el cristal.
A partir del documento
US-A-5 661 363 se deduce una
solución alternativa a ello. El dispositivo conocido a partir de
ello para la formación de un haz de electrones es un cuerpo de
cerámica de estructura monolítica con múltiples capas con como
mínimo una capa de cerámica de los electrodos que presenta como
mínimo una abertura de paso para el haz de electrones. La capa de
cerámica de los electrodos se compone de óxido de rutenio, un
material cerámico conductor eléctrico. Además, la propia capa de
cerámica de los electrodos es un electrodo con cuya ayuda puede
formarse el haz de electrones. En una forma de realización, en la
dirección de propagación del haz de electrones están dispuestas de
forma alterna varias capas de cerámica de los electrodos y capas de
cerámica aislantes para el aislamiento eléctrico de las capas de
cerámica de los electrodos.
La tarea de la invención es indicar un
dispositivo de baja capacitancia para la formación de un haz de
electrones y un procedimiento para su fabricación.
Esta tarea se soluciona mediante las
características de la reivindicación 1 de la invención. De las
reivindicaciones 2 a 7 se desprenden configuraciones especiales del
dispositivo según la invención.
Según la reivindicación 1, se indica un
dispositivo para la formación de un haz de electrones que se compone
de un cuerpo de cerámica con una estructura monolítica de múltiples
capas con al menos dos capas de cerámica de los electrodos, que
presentan en cada caso como mínimo una abertura de paso para el haz
de electrones y en cada caso como mínimo un electrodo dispuesto
junto a la abertura de paso con contacto eléctrico, y como mínimo
una capa de cerámica aislante que presenta una abertura de paso para
el haz de electrones y que, para el aislamiento de las capas de
cerámica de los electrodos, está dispuesta entre las capas de
cerámica de los electrodos, con lo que las capas de cerámica de los
electrodos y la capa de cerámica aislante están dispuestas a lo
largo de una dirección de propagación del haz de electrones, de tal
manera que las aberturas de paso de las capas de cerámica de los
electrodos y la capa de cerámica aislante forman una abertura de
paso común. El dispositivo se caracteriza porque las capas de
cerámica de los electrodos y la capa de cerámica aislante presentan
una cerámica de vidrio con una constante dieléctrica relativa
seleccionada a partir del intervalo de 6 a 8, ambos inclusive, los
electrodos son electrodos anulares dispuestos alrededor de la
abertura de paso, y los electrodos y los contactos eléctricos de las
capas de cerámica de los electrodos son de un metal elemental.
Este dispositivo, que en lo sucesivo también se
denomina disposición de electrodos, comprende, por ejemplo, tres
electrodos y sirve, en un cañón electrónico, para la focalización
del haz de electrones.
Preferiblemente, el cuerpo de cerámica está
conformado como cilindro redondo y plano y tiene como mínimo una
abertura de paso a través de la cual puede conducirse el haz de
electrones.
La disposición de electrodos está configurada de
forma monolítica a partir de varias capas de cerámica. Las capas
individuales de cerámica están formadas preferiblemente de modo
diferente y, con ello, también asumen diferentes funciones. Las
capas de cerámica de los electrodos presentan electrodos con
contactos eléctricos correspondientes, por ejemplo, en forma de
pistas conductoras. Además, los electrodos están colocados junto a
la abertura de paso, preferiblemente junto a la superficie de la
capa de cerámica de los electrodos. Las capas de cerámica aislantes
sirven para aislar unas de otras las capas de cerámica de los
electrodos y para disponerlas con una separación determinada entre
ellas. Las capas de cerámica de los electrodos y las capas de
cerámica aislantes están dispuestas, preferiblemente de forma
alterna, en la dirección de propagación del haz de electrones.
Los contactos eléctricos permiten determinar el
potencial de los electrodos. Las pistas conductoras están dispuestas
preferiblemente en el interior del cuerpo de cerámica.
Cada una de las aberturas de paso de las capas de
cerámica de los electrodos es, en especial, exactamente circular.
Cada uno de los electrodos está conformado preferiblemente como un
anillo de material eléctricamente conductor. Es especialmente
ventajoso que el anillo esté cerrado. Sin embargo, también puede
estar dividido en electrodos individuales. El diámetro interior del
anillo corresponde preferiblemente al diámetro de la abertura de
paso de la cerámica en el punto correspondiente. No obstante, estos
diámetros también pueden variar de unos a otros. En especial, pueden
desearse desviaciones de una forma exactamente circular cuando se
compensan las deformaciones del haz de electrones que se producen
durante la formación del haz de electrones a partir de la estructura
global del tubo electrónico. Por ejemplo, la abertura de paso y el
anillo de electrodos de una capa de cerámica de los electrodos
pueden estar conformados de manera elíptica.
También se consigue la mencionada compensación de
las deformaciones, por ejemplo, porque en dos o más electrodos de un
anillo de electrodos dividido se aplica diferente potencial a una
capa de cerámica de los electrodos.
Como material cerámico se considera sobre todo
cerámica de vidrio de baja temperatura de sinterizado que contiene,
por ejemplo, óxido de aluminio, óxido de boro u óxido
alcalinotérreo. Además, la composición de la cerámica de vidrio se
elige de tal manera que la cerámica se compacta en el intervalo de
temperaturas del punto de fundición del metal empleado. Para
conseguir, según la invención, una estructura con la capacitancia
más baja posible de la disposición de electrodos, el material del
cuerpo de cerámica debe presentar, además, una constante dieléctrica
relativa lo más baja posible (6 \leq \varepsilon_{r} \leq
8).
Los electrodos y los contactos se componen de
molibdeno, paladio, platino, plata o wolframio. También son posibles
otros metales, tales como cobre u oro, así como aleaciones de los
metales mencionados, tales como, por ejemplo, plata / paladio. Las
pistas conductoras se componen preferiblemente del mismo material
que los electrodos. No obstante, también pueden concebirse de
diferente material.
Es especialmente ventajoso que una capa de
cerámica de los electrodos tenga varios electrodos que estén
dispuestos unos tras otros en la dirección de propagación del haz de
electrones. Estos electrodos pueden estar unidos unos con otros de
forma eléctricamente conductora. Especialmente, los electrodos
también pueden estar aislados eléctricamente entre sí. Con ello, en
el proceso de formación del haz de electrones pueden aplicarse
diferentes potenciales a los electrodos. Una disposición de este
tipo suple el deseo de la técnica de tubos clásica de utilizar
aberturas de paso cónicas para la focalización y la modulación de la
intensidad del haz de electrones.
La disposición de los electrodos puede presentar
varias aberturas de paso a través de las cuales se conduce un haz de
electrones en cada caso. Una disposición de este tipo se emplea, por
ejemplo, en los tubos de imágenes en color con tres cañones
electrónicos. Para cada uno de los tres colores básicos (por
ejemplo, azul, amarillo, rojo) se genera un haz de electrones
propio.
Para la aplicación en tubos electrónicos es
especialmente ventajoso que la disposición de electrodos disponga de
contactos eléctricos en forma de conexiones interfaciales. Una
conexión interfacial eléctrica atraviesa, por ejemplo, una o varias
capas de cerámica. Por medio de una conexión interfacial eléctrica
están conectados entre sí de forma eléctricamente conductora, por
ejemplo, dos electrodos de una capa de cerámica de los
electrodos.
Por medio de puntos eléctricos de conexión que
están dispuestos en la superficie del cuerpo de cerámica y que están
conectados con los electrodos por medio de pistas conductoras y / o
conexiones interfaciales, se fijan, por ejemplo, los potenciales de
los electrodos.
Es especialmente ventajoso que las conexiones
interfaciales eléctricas, las pistas conductoras y las conexiones
estén dispuestas dentro de y / o en la disposición de electrodos, de
tal manera que resulte una estructura con la capacitancia más baja
posible. Esto significa que los contactos eléctricos, que se
alimentan con potenciales diferentes, están desacoplados en la
medida de lo posible.
Con ayuda de puntos eléctricos de conexión y / o
contactos, en la disposición cerámica de electrodos pueden
integrarse funciones de control adicionales de un cañón electrónico
de forma especialmente sencilla. Por ejemplo, la excitación del
cátodo puede realizarse por medio de este tipo de conexiones
eléctricas. Es especialmente ventajoso que en este caso el cátodo
esté unido con la disposición de electrodos, por ejemplo, por medio
de una base de cerámica con vidrio para soldadura. Con ello resultan
superfluos los orificios y conductos adicionales en la carcasa del
cátodo. De esta manera, se simplifica considerablemente la
fabricación de un cañón electrónico. Además, se evitan posibles
fugas que podrían afectar negativamente a la evacuación del tubo
electrónico.
Una disposición de electrodos aquí descrita puede
instalarse de forma habitual en un cañón electrónico mediante la
incrustación en el cristal. Ésta sirve para la modulación de la
intensidad y la focalización del haz de electrones. Es especialmente
ventajoso que la disposición de electrodos, tal como se ha descrito
anteriormente, esté unida directamente con la fuente de
electrones.
Adicionalmente, pueden estar conectados con la
disposición de electrodos otros componentes de un tubo electrónico
por medio de vidrio para soldadura, tales como, por ejemplo, la
lente principal de un tubo electrónico.
La fabricación de una disposición de electrodos
descrita con una estructura monolítica de múltiples capas se lleva a
cabo, preferiblemente, según la tecnología LTCC (Low Temperature
Cofired Ceramic-Cerámica de Baja Temperatura de
Sinterizado). Esta tecnología es apropiada para la fabricación de
sistemas monolíticos de cerámica de varias capas con elementos
estructurales pasivos integrados (véase, por ejemplo, D.L. Wilcox,
Proc. 1997 ISHM Filadelfia, pp. 17-23). Esta
tecnología es apropiada especialmente para componentes de cerámica
en las que debe integrarse material muy buen conductor eléctrico,
tal como oro, cobre o plata.
Las etapas fundamentales del procedimiento de la
tecnología LTCC son las siguientes:
- \bullet
- Fabricación de una lámina verde de cerámica que contiene un aglutinante orgánico, presentando esta lámina cerámica de vidrio.
- \bullet
- Realización de aberturas en la lámina verde de cerámica que están concebidas para contactos.
- \bullet
- Rellenar las aberturas con material conductor eléctrico.
- \bullet
- Estampación de estructuras conductoras eléctricas en la lámina verde de cerámica.
- \bullet
- Superposición y laminado de las láminas verdes de cerámica para formar un ensamblaje.
- \bullet
- Sinterizado del ensamblaje para formar un cuerpo con estructura monolítica de múltiples capas.
Gracias a la compactación del material cerámico
durante el proceso de sinterizado, se presenta una contracción del
volumen del 10-20%. Si se empleara la tecnología
LTCC o un procedimiento similar, de forma conocida, para la
fabricación de una disposición de electrodos, deberían tenerse en
cuenta sobre todo las tolerancias laterales que son inaceptables en
relación con los requisitos de un monitor de alta resolución. Por
eso, se modifica el procedimiento LTCC.
Además, en la fabricación de la disposición de
electrodos se apilan unas sobre otras capas de cerámica previamente
sinterizadas y se sinterizan conjuntamente. El sinterizado previo se
realiza a una temperatura que se sitúa por debajo de la temperatura
de sinterizado del material cerámico empleado. El proceso de
contracción de la cerámica casi está concluido tras el sinterizado
previo. De esta manera, se reprime la influencia de la contracción
de la cerámica sobre las tolerancias que se presentan.
Mediante esta modificación de la tecnología LTCC
pueden alcanzarse tolerancias de las longitudes de las dimensiones
de los electrodos de \pm5 \mum. Además, se mejora
considerablemente la orientación coaxial de la rejilla. No obstante,
con ayuda de esta técnica puede hacerse realidad, sobre todo, una
estructura con una capacitancia extremadamente baja de la unidad de
focalización de hasta 1pF.
Junto a estas ventajas respecto al estado de la
técnica, la invención con el procedimiento basado en la tecnología
LTCC presenta un procedimiento económico y que puede modificarse y
automatizarse fácilmente para la fabricación de la disposición
cerámica de electrodos. La tecnología LTCC puede emplearse de forma
muy sencilla en las piezas troqueladas (multi up).
La fabricación de una lámina verde de cerámica se
realiza según un procedimiento conocido. La lámina verde de cerámica
se corta en la forma deseada mediante cortado o punzonado que, por
ejemplo, puede ser directamente la forma de la disposición de
electrodos, tal como, por ejemplo, se emplea en un tubo electrónico.
O se selecciona una forma que se corta en el tratamiento posterior
de la lámina verde de cerámica (por ejemplo, en piezas
troqueladas).
Las aberturas u orificios en la lámina verde de
cerámica se realizan de forma especialmente sencilla por punzonado.
De la misma manera, también pueden emplearse aquí otros
procedimientos para la estructuración de las láminas verdes de
cerámica, tales como, por ejemplo, fotolitografía o la realización
de aberturas con ayuda de rayo láser.
En cuanto a la disposición de electrodos, en la
lámina verde de cerámica se realiza como mínimo una abertura de paso
a través de la cual se conduce el haz de electrones en el proceso de
generación del haz de electrones. Entran en consideración varias de
estas aberturas de paso cuando deben manipularse varios haces de
electrones con ayuda de la disposición de electrodos (por ejemplo,
en los tubos electrónicos de los monitores a color).
Junto a esta abertura de paso que se presenta en
cada una de las láminas verdes de cerámica, se realizan orificios
adicionales. Éstos se seleccionan según las funciones específicas
que tienen que integrarse con la lámina verde de cerámica
correspondiente en la disposición de electrodos. Por ejemplo, si
tiene que generarse una conexión interfacial eléctrica vertical a
través de una capa de cerámica, todas las láminas verdes de cerámica
que se apilan unas sobre otras para la formación de la capa de
cerámica contienen un orificio en la misma posición. Este orificio
se rellena de metal en una etapa adicional del procedimiento. A este
respecto, se propone en especial el procedimiento de impresión a
troquel.
Junto a las aberturas citadas sobre las que se
basa la funcionalidad de la disposición de electrodos, es
especialmente ventajoso realizar orificios adicionales en las
láminas verdes de cerámica, con cuya ayuda se simplifica
considerablemente la fabricación de la disposición de electrodos. De
esta manera, por ejemplo, los orificios de centrado en el proceso de
fabricación, posibilitan un apilado exacto de las láminas verdes de
cerámica unas sobre otras. Es especialmente ventajoso crear
estructuras de orificios en las láminas verdes de cerámica que se
correspondan con la forma de la disposición de electrodos que se va
a fabricar. Con ayuda de estos orificios puede separarse fácilmente
las capas de cerámica individuales previamente sinterizadas o la
disposición de electrodos sinterizada completamente.
Tras la realización de los orificios, para la
fabricación de los electrodos y las pistas conductoras, se aplica
material conductor eléctrico a la superficie de la lámina verde de
cerámica, generándose las láminas verdes de cerámica de los
electrodos. Aquí es especialmente ventajoso aplicar el procedimiento
de impresión serigráfica. También pueden concebirse otros
procedimientos como, por ejemplo, la impresión a troquel. Además, se
aplica para el electrodo una pasta de metal en la abertura de paso
para el haz de electrones. Es especialmente ventajoso conformar el
electrodo como un anillo, de tal manera que la abertura y el vaciado
interno del anillo están dispuestos uno sobre otro. El diámetro
exterior del anillo se selecciona tan pequeño como sea posible para
obtener una disposición con la capacitancia más baja posible. Es
especialmente ventajoso aplicar un electrodo, en cada caso, en la
cara superior e inferior de la lámina verde de cerámica. Durante el
transcurso del procedimiento de fabricación, los dos electrodos
pueden unirse de forma eléctricamente conductora o permanecer
aislados el uno del otro.
Los electrodos se unen mediante la aplicación de
pistas conductoras, por ejemplo, con conexiones interfaciales
eléctricas. No obstante, sólo puede tener lugar una unión eléctrica
de un electrodo a una conexión interfacial cuando se han apilado
unos sobre otros y se han laminado una lámina verde de cerámica con
un electrodo anular y una lámina de cerámica con una pista
conductora estampada.
En contraposición a la tecnología LTCC habitual
en la que todas las láminas verdes de cerámica necesarias se laminan
y sinterizan conjuntamente, aquí las láminas verdes de cerámica se
apilan unas sobre otras para formar ensamblajes más pequeños, se
laminan, se liberan del aglutinante orgánico y se sinterizan para
formar capas de cerámica individuales. El sinterizado tiene lugar a
una temperatura que se sitúa por debajo de la temperatura T_{s} de
sinterizado del material cerámico empleado. La diferencia de
temperatura es de, por ejemplo, 100K. En la segunda etapa se apilan
unas sobre otras las capas de cerámica previamente sinterizadas en
las que, preferiblemente, están integradas diferentes funciones, y
se sinterizan posteriormente bajo presión a la temperatura T_{s}
de sinterizado de la cerámica. La presión, que, por ejemplo, se
genera por carga de peso, posibilita una coalescencia plana de las
capas de cerámica.
La modificación decisiva de la tecnología LTCC es
la subdivisión del sinterizado en dos procesos de sinterizado. Tras
el sinterizado previo casi está concluida la contracción de la
cerámica. Por tanto, en el segundo proceso de sinterizado apenas se
produce una compactación de la cerámica. Con ello, en el segundo
proceso de sinterizado apenas se presentan deformaciones de la
disposición de electrodos que se reducirían a una compactación
diferente de la cerámica.
Además de la posibilidad indicada, estas
deformaciones pueden suprimirse mediante la aplicación de una
técnica de sinterizado que impida la contracción lateral de una
cerámica durante el sinterizado. A este respecto, se sinterizan
conjuntamente, por ejemplo, láminas verdes de cerámica que presentan
diferente material cerámico. Es especialmente ventajoso que la
lámina verde superior e inferior de una pila laminada de láminas
verdes contenga un material cerámico que presente una temperatura de
sinterizado más alta que la de las láminas verdes en el interior de
la pila. La pila laminada se sinteriza a la temperatura de
sinterizado del material cerámico interior, de tal manera que sólo
se compacta este material. El material cerámico exterior que no se
compacta impide la contracción lateral del material cerámico
interior. La compactación del material cerámico interior sólo tiene
lugar perpendicularmente a los planos de las láminas. Como ejemplo
para el material cerámico de las láminas verdes de cerámica
exteriores ha de mencionarse el óxido de aluminio.
Otra posibilidad de impedir la contracción
lateral consiste en forzar, mediante la presión en un solo eje, una
compactación encauzada de la cerámica.
Tras el proceso de sinterizado, eventualmente,
deben procesarse posteriormente las capas de cerámica. Mediante
rectificado y / o pulimentado de las superficies se obtienen capas
de cerámica que presentan espesores de capa definidos y superficies
exactamente planas. Esto es importante sobre todo en relación con la
orientación coaxial de las aberturas de paso para el haz de
electrones.
El rectificado y / o pulimentado es necesario,
sobre todo, cuando se aplica la técnica de sinterizado expuesta con
las láminas verdes que contienen diferente material cerámico. El
material cerámico exterior debe separarse de las superficies de las
capas de cerámica antes de apilar unas sobre otras las capas de
cerámica.
Cuando se rectifican las superficies de las capas
de cerámica previamente sinterizadas, entonces, dependiendo de la
funcionalidad de la capa de cerámica, debe aplicarse material
conductor eléctrico en las capas de cerámica tras el
rectificado.
En ciertas circunstancias, también deben
procesarse posteriormente las propias aberturas de paso para cumplir
con las tolerancias prescritas de las dimensiones de los electrodos.
El procesamiento posterior tiene lugar preferiblemente de forma
mecánica (por ejemplo, mediante amolado o taladros por láser). Aquí
también pueden emplearse otros procedimientos como, por ejemplo,
fotolitografía o erosión del material mediante rayo láser.
El apilado de las láminas verdes de cerámica y de
las capas de cerámica tiene lugar de forma apropiada en un
dispositivo de apilado correspondiente. El dispositivo de apilado
está conformado, por ejemplo, de tal manera que las láminas o capas
pueden disponerse de forma que se adapten perfectamente al
dispositivo. Es especialmente ventajoso que el dispositivo disponga
de pitones de centrado de forma correspondiente a los orificios de
centrado del cuerpo de cerámica. Con ayuda de los orificios y
pitones de centrado, las láminas verdes de cerámica o capas de
cerámica pueden apilarse exactamente unas sobre las otras. Además,
con ello se evita que las capas individuales se deslicen
lateralmente durante el procesamiento. El sinterizado de láminas
verdes de cerámica o capas de cerámica apiladas exactamente unas
sobre otras es de importancia decisiva para la orientación coaxial
de los electrodos.
El material del que se componen los dispositivos
de apilado está seleccionado de tal manera que no se produce ninguna
adherencia entre el dispositivo y la cerámica de vidrio. Además, el
material debe presentar un alto coeficiente de conductividad térmica
para que no se presente ningún gradiente de temperatura durante el
transcurso del sinterizado. Es especialmente apropiado para la
aplicación del carburo de silicio. También pueden concebirse otros
materiales, tales como, por ejemplo, el óxido de zirconio.
Resulta una ventaja especial porque la tecnología
LTCC puede aplicarse fácilmente en las piezas troqueladas. Esto
significa que en una lámina verde de cerámica se generan varias
estructuras idénticas (por ejemplo, 2x2). Para el procesamiento
posterior hay diversas posibilidades: tras el laminado de las piezas
troqueladas de las láminas verdes de cerámica, se fracciona toda la
pila, por ejemplo, mediante el corte en subpilas individuales
idénticas que posteriormente se sinterizan de forma independiente
entre sí. De forma alternativa a ello, puede eliminarse el
aglutinante de las piezas troqueladas de las láminas verdes de
cerámica laminadas y éstas pueden sinterizarse, con lo que las
subpilas se separan unas de otras tras el sinterizado, por ejemplo,
por serrado.
En relación con la fabricación de la disposición
de electrodos, es especialmente ventajosa la siguiente forma de
proceder: en la etapa del procedimiento de la formación de los
orificios se generan estructuras de orificios adicionales en la
lámina verde de cerámica. Estas estructuras de orificios están
dispuestas, por ejemplo, en cuadrados sobre la lámina verde de
cerámica. En el interior de cada uno de los cuadrados se encuentran
los orificios o estructuras de orificios anteriormente
descritos.
Las piezas troqueladas de las láminas verdes de
cerámica, tal como se describió anteriormente, se sinterizan
previamente para formar una pieza troquelada formada por capas de
cerámica. Gracias a las estructuras de orificios es posible separar
las capas de cerámica, por ejemplo, mediante desprendimiento por
rotura. En el desarrollo posterior, las capas de cerámica
sinterizadas previamente y separadas se sinterizan conjuntamente,
tal como se ha descrito anteriormente.
De forma alternativa a ello, pueden sinterizarse
conjuntamente las piezas troqueladas de las capas de cerámica
previamente sinterizadas. Aquí se propone emplear el mismo
dispositivo de apilado que se emplea para la fabricación de las
piezas troqueladas de las capas de cerámica. La separación sólo
tiene lugar tras el sinterizado conjunto de las capas de cerámica
para formar un cuerpo monolítico de cerámica.
No obstante, el sinterizado de las capas de
cerámica separadas tiene la ventaja de que se amortiguan de forma
fundamentalmente más suave las tolerancias e inhomogeneidades de la
contracción. Además, es posible separar las piezas defectuosas antes
del procesamiento posterior. A ello está ligado un pequeño deshecho
y una alta seguridad en el proceso.
A continuación se presenta una disposición de
electrodos y el proceso para su fabricación según la invención
basándose en un ejemplo de realización y las figuras
correspondientes. Las figuras no muestran ninguna representación a
escala fidedigna de los objetos indicados.
La figura 1 muestra un dispositivo según la
invención en la sección transversal A-A.
La figura 2 muestra un dispositivo según la
invención desde arriba.
La figura 3 muestra un dispositivo según la
invención desde abajo.
La figura 4 muestra un dispositivo según la
invención en la sección transversal B-B.
La figura 5 muestra, partiendo de la fabricación
de una lámina verde de cerámica, las etapas fundamentales del
procedimiento para la fabricación del dispositivo.
La figura 6 muestra una pieza troquelada de la
lámina verde de cerámica con estructuras de orificios.
La figura 7 muestra una pieza troquelada de la
lámina verde de cerámica con recubrimientos metálicos.
La figura 8 muestra, en vista en planta, las
láminas verdes de cerámica, en el estado con recubrimientos
metálicos, a partir de las cuales está construido el
dispositivo.
La figura 9 muestra un dispositivo según la
invención que está unido con un cátodo.
El objeto es un dispositivo de capacitancia
extremadamente baja para la formación de un haz de electrones. El
dispositivo se compone de un cuerpo 11 de cerámica con una
estructura monolítica de múltiples capas. El cuerpo contiene una
abertura 12 de paso para el haz de electrones. Con ayuda de tres
electrodos 141 - 143 en forma de rejilla que están dispuestos junto
a la abertura de paso, el dispositivo se introduce en un tubo de
monitor en blanco y negro de gran resolución para la modulación de
la intensidad y la focalización del haz de electrones. Los
electrodos están dispuestos de forma coaxialmente exacta entre sí.
Las dimensiones de los electrodos presentan tolerancias de un máximo
de \pm5 \mum. Con esta estructura se alcanzan capacitancias
bajas de hasta 1pF.
En la figura 1 puede observarse el dispositivo en
la sección transversal a través de la línea de unión
A-A (véase la figura 3). La figura 2 muestra la
misma disposición en la sección transversal a través de la línea de
unión B-B. En las figuras 3 y 4 puede observarse la
disposición desde arriba o desde abajo.
En el ejemplo de realización el dispositivo está
conformado como cilindro plano redondo que se compone de cerámica de
vidrio de baja temperatura de sinterizado (T_{s} 850 - 950ºC).
Además, el diámetro del cilindro es fundamentalmente mayor que su
altura (por ejemplo, altura h = 985 \mum; diámetro d = 1- 3
cm).
La disposición de electrodos presenta una
estructura monolítica de múltiples capas. Ésta está construida a
partir de tres capas 151 - 153 de cerámica aislantes y tres capas
131 - 133 de cerámica de los electrodos. Las capas de cerámica de
los electrodos y las capas de cerámica aislantes están dispuestas de
forma alterna en la dirección de propagación del haz de
electrones.
Los grosores h_{j} de capa de las capas
individuales de cerámica y el diámetro \diameter_{j} de las
aberturas de paso correspondientes de las capas de cerámica pueden
presentar, por ejemplo, valores que se resumen en la siguiente
tabla:
Cada una de las capas de cerámica de los
electrodos dispone de un electrodo directamente junto a la abertura
de paso. Además, en la cara superior e inferior de cada una de las
capas de cerámica de los electrodos están aplicados anillos de metal
que están unidos entre sí de forma eléctricamente conductora
mediante una conexión 162 interfacial eléctrica vertical. El
diámetro de los contactos es de, por ejemplo, 300 \mum. Los
electrodos están conformados como anillos circulares. El diámetro
interior de un anillo se corresponde con el diámetro del cuerpo de
cerámica en el punto correspondiente. El diámetro exterior es de,
por ejemplo, 1000 \mum.
En una configuración especial de la invención,
los dos anillos de metal de una capa individual de cerámica de los
electrodos están eléctricamente aislados entre sí. Con ello, cada
una de las capas de cerámica de los electrodos tiene dos electrodos
que presentan un contacto eléctrico propio por medio de una pista
conductora y / o una conexión interfacial eléctrica.
Los electrodos están unidos, por medio de pistas
161 conductoras horizontales eléctricas y las conexiones 162
interfaciales eléctricas verticales unidas a ellas, con puntos 163
de conexión eléctricos en forma de, por ejemplo, revestimientos de
aleación de soldadura que se encuentran en la superficie de la
disposición de electrodos. Las pistas conductoras tienen, por
ejemplo, un diámetro de 100 a 200 \mum.
Las tres pistas conductoras con las que están
unidos los electrodos de las tres capas de cerámica de los
electrodos, están desacopladas en la medida de lo posible.
Considerado en la dirección de propagación del haz de electrones,
éstas están dispuestas de tal manera que no se cubren. Las pistas
conductoras de capas de cerámica contiguas de los electrodos forman
un ángulo de, por ejemplo, 90º.
En la disposición también están integrados, en
forma de los puntos 164 y 165 de conexión, tres contactos eléctricos
para la excitación de un cátodo, en la cara inferior, las conexiones
162 interfaciales y las pistas 161 conductoras en la capa 151 de
cerámica aislante inferior (figura 4).
Como material para los electrodos y los contactos
eléctricos se consideran, por ejemplo, oro, cobre, molibdeno,
paladio, platino, plata o aleaciones de los metales citados.
Una disposición de electrodos de este tipo puede
incrustarse en el cuerpo de cristal de un tubo electrónico. Es
especialmente ventajoso unir la disposición de electrodos, por medio
de una base 91 de cerámica, con un cátodo 92, incluyendo la unidad
93 de calentamiento (figura 9). El cátodo está colocado, por
ejemplo, mediante soldadura por láser, en la base 91 de cerámica
que, a su vez, está unida con la disposición de electrodos mediante
una aleación 172 soldante para vidrio en forma de un anillo. En este
sentido, las piezas individuales están dispuestas unas respecto a
las otras de tal manera que las conexiones eléctricas del cátodo
están en contacto con los puntos 165 de conexión previstos en la
disposición de electrodos. Con ello, mediante esta disposición se
controla el cátodo como fuente de electrones.
La fabricación de una disposición de electrodos,
descrita anteriormente, con una estructura monolítica de múltiples
capas tiene lugar ventajosamente en piezas troqueladas. Mediante la
figura 5 pueden observarse las etapas fundamentales del
procedimiento.
Primero se genera una lámina verde de cerámica
que contiene un aglutinante orgánico (proceso 501). El material de
partida de cerámica de cerámica de vidrio con la composición deseada
se fabrica, por ejemplo, mediante el procedimiento de óxidos mixtos
o de gel-sol. Junto con el aglutinante orgánico y
agua, a partir del material de partida se genera barbotina, a partir
de la cual se extruye y moldea la lámina verde de cerámica. Tras el
secado, las láminas verdes presentan un grosor de capa de, por
ejemplo, 30 a 300 \mum.
En la siguiente etapa 502 del procedimiento, se
generan orificios en la lámina verde de cerámica, por ejemplo, por
punzonado. Para una pieza 61 troquelada de 2X2, esto significa que
se generan cuatro combinaciones idénticas de orificios en la lámina
verde (figura 6). Una combinación de orificios contiene una abertura
12 de paso por la que tiene que conducirse el haz de electrones,
aberturas 121 con las que se fabrican conexiones 162 interfaciales,
orificios 122 de centrado y una hilera 123 de orificios que
posibilita la separación de la capa de cerámica que se va a fabricar
a partir de la lámina verde de cerámica. Además, en la lámina verde
de cerámica se generan orificios 124 de centrado con ayuda de los
cuales se apilan unas sobre otras las láminas verdes de cerámica en
piezas troqueladas. La figura 6 muestra, a modo de ejemplo, una
pieza troquelada de lámina verde con estructuras de orificios que se
necesitan en la fabricación de la capa 132 de cerámica de los
electrodos.
En la siguiente etapa 503 se estampan electrodos
y / o estructuras eléctricas de conductor sobre la lámina verde de
cerámica, por ejemplo, mediante el procedimiento de impresión
serigráfica. Se fabrican, por ejemplo, pistas 161 conductoras de 100
\mum. Los electrodos en las cuatro aberturas de paso de la pieza
troquelada se colocan en forma de anillos (figura 7).
Siempre y cuando estén presentes los orificios
para las conexiones interfaciales eléctricas, éstos se rellenan con
material conductor eléctrico, por ejemplo, en el procedimiento de
impresión a troquel. La impresión a troquel y la serigráfica pueden
realizarse, por ejemplo, con el mismo dispositivo. La figura 7
muestra la pieza troquelada de la figura 6 después de las etapas de
recubrimiento metálico.
En la fase (504) que sigue, dependiendo de la
funcionalidad de la capa de cerámica que se vaya a fabricar, se
apilan unas sobre otras las láminas verdes de cerámica en piezas
troqueladas y se laminan, presionando en un solo eje, o de forma
isostática, para formar un ensamblaje. Por ejemplo, mediante el
lento aumento de la temperatura a 500ºC, se libera de aglutinante al
ensamblaje y se sinteriza previamente para dar lugar a piezas
troqueladas de capas de cerámica. Tras eliminar el aglutinante,
tiene lugar el sinterizado previo del ensamblaje para formar una
capa de cerámica. La temperatura T_{s} de sinterizado se sitúa,
por ejemplo, 100K por debajo de la temperatura de sinterizado de la
cerámica de vidrio empleada. La capa inferior de sinterizado durante
el sinterizado previo es, preferiblemente, de carburo de
silicio.
La capa 132 de cerámica de los electrodos está
construida, por ejemplo, a partir de dos láminas verdes de cerámica.
En consecuencia, las piezas troqueladas de las correspondientes
láminas verdes de cerámica se apilan unas sobre otras (figura 8). El
apilado superpuesto se ajusta según los orificios de centrado, con
lo que las estructuras de orificios y conductores se colocan en las
láminas verdes de cerámica de tal manera que, con la superposición y
subsiguiente laminado y sinterizado, se forman las estructuras
tridimensionales deseadas (por ejemplo, conexiones interfaciales
eléctricas).
Tras el sinterizado previo se separan las capas
de cerámica (505). Esto se consigue, con ayuda de las estructuras
123 de orificios, simplemente mediante desprendimiento por rotura de
una capa de cerámica a partir de las piezas troqueladas de capas de
cerámica.
Tras esta etapa pueden someterse las capas de
cerámica separadas a un control 506 de calidad. Pueden separarse las
capas de cerámica defectuosas o, sin embargo, si se cumplen las
tolerancias de fallos exigidas, procesarse posteriormente de forma
eventual. El procesamiento posterior se refiere en primer lugar a la
mejora posterior de la abertura de los electrodos (por ejemplo, por
amolado o taladros por láser) y el rectificado de la superficie de
la capa de cerámica. Con ello se obtienen superficies plano -
paralelas de la cara superior e inferior de las capas de cerámica.
La capa de cerámica se caracteriza entonces por un grosor de capa
definido. El procesamiento posterior puede incluir, por ejemplo,
también el rectificado de la superficie de revestimiento del cuerpo
de cerámica.
Empleando un segundo dispositivo de apilado se
apilan entonces unas sobre otras las capas de cerámica separadas y
se sinterizan conjuntamente, presionando a la temperatura T_{s} de
sinterizado de la cerámica de vidrio, presionando en un solo eje,
para dar lugar a la disposición de electrodos con estructura
monolítica de múltiples capas (507).
Para unir la disposición de electrodos con otro
material cerámico, por ejemplo, la base de cerámica de un cátodo, se
aplica, preferiblemente en forma de un anillo, aleación 172 soldante
de vidrio en el procedimiento de impresión serigráfica en la cara
inferior de la disposición de electrodos (508).
La figura 8 muestra en una visión global la
estructura de capas de la disposición 11 de electrodos formada por
láminas verdes de cerámica individuales. Las láminas verdes de
cerámica se muestran en el estado tras la aplicación de los
recubrimientos metálicos. En cada caso, dos láminas verdes de
cerámica forman una capa de cerámica. Esto corresponde también a las
capas de cerámica aislantes. Mediante la estructura de dos capas se
mejora considerablemente la característica plana de estas capas de
cerámica y con ello se simplifica considerablemente la orientación
coaxial de las aberturas de paso de las capas de cerámica de los
electrodos. Mediante la orientación de las pistas conductoras las
unas hacia las otras, se obtiene un dispositivo con una capacitancia
extremadamente baja.
Claims (16)
1. Dispositivo para la formación de un haz de
electrones que se compone de un cuerpo de cerámica con una
estructura (11) monolítica de múltiples capas con
- -
- como mínimo dos capas (131, 132, 133) de cerámica de los electrodos que presentan en cada caso como mínimo una abertura de paso para el haz de electrones y en cada caso como mínimo un electrodo (141, 142, 143) dispuesto junto a la abertura (12) de paso con contactos (161, 162) eléctricos, y
- -
- como mínimo una capa (152, 153) cerámica aislante que presenta una abertura (12) de paso para el haz de electrones y que está dispuesta entre las capas (131, 132, 133) de cerámica de los electrodos para el aislamiento de las capas (131, 132, 133) de cerámica de los electrodos, con lo que
- -
- las capas (131, 132, 133) de cerámica de los electrodos y la capa (152, 153) de cerámica aislante están dispuestas a lo largo de una dirección de propagación del haz de electrones, de tal manera que las aberturas de paso de las capas (131, 132, 133) de cerámica de los electrodos y la capa (152, 153) de cerámica aislante forman una abertura (12) de paso común,
caracterizado porque
- -
- las capas (131, 132, 133) de cerámica de los electrodos y la capa (152, 153) de cerámica aislante presentan una cerámica de vidrio con una constante dieléctrica relativa seleccionada a partir del intervalo de 6 a 8, ambos inclusive,
- -
- los electrodos (141, 142, 143) son electrodos anulares dispuestos alrededor de la abertura de paso, y
- -
- los electrodos (141, 142, 143) y los contactos (161, 162) eléctricos de las capas de cerámica de los electrodos están hechos de un metal elemental.
2. Dispositivo según la reivindicación 1, en el
que como mínimo dos electrodos de como mínimo una de las capas de
cerámica de los electrodos están dispuestos uno tras otro a lo largo
de la dirección de propagación del haz de electrones.
3. Dispositivo según la reivindicación 2, en el
que los electrodos de la capa de cerámica de los electrodos están
aislados eléctricamente entre sí.
4. Dispositivo según la reivindicación 2, en el
que los electrodos de la capa de cerámica de los electrodos están
unidos de forma eléctricamente conductora unos con otros.
5. Dispositivo según una de las reivindicaciones
1 a 4, en el que el metal presenta como mínimo una sustancia del
grupo de oro, cobre, molibdeno, paladio, platino, plata y / o
wolframio.
6. Dispositivo según una de las reivindicaciones
1 a 5, en el que varios electrodos y contactos eléctricos están
dispuestos de tal manera que se forma una disposición de
capacitancia cuyas capacitancias si sitúan por debajo de 3pF.
7. Dispositivo según una de las reivindicaciones
1 a 6, en el que el cuerpo está unido con el cátodo, por medio de
una aleación soldante de vidrio, para generar el haz de
electrones.
8. Empleo de un dispositivo según una de las
reivindicaciones 1 a 7, para la modulación de la intensidad y la
focalización del haz de electrones.
9. Procedimiento para la fabricación de un
dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 7, en el que
- a)
- a partir de como mínimo una lámina verde de cerámica que contiene un aglutinante se fabrican como mínimo tres capas de cerámica con, en cada caso, como mínimo una abertura de paso para el haz de electrones, con lo que como mínimo dos de las capas de cerámica se configuran como capas de cerámica de los electrodos y como mínimo una de las capas de cerámica se configura como capa de cerámica aislante,
- b)
- las capas de cerámica se apilan empleando un primer dispositivo de apilado, de tal manera que las aberturas de paso de las capas de cerámica están dispuestas unas sobre otras, y
- c)
- las capas de cerámica se sinterizan, presionando en un solo eje, a una temperatura de sinterizado del material cerámico utilizado, para formar el cuerpo (11).
10. Procedimiento según la reivindicación 9, en
el que para la fabricación de una de las capas de cerámica
- a)
- en la lámina verde de cerámica se genera como mínimo una abertura (12) de paso,
- b)
- se apilan como mínimo dos de las láminas verdes de cerámica empleando un segundo dispositivo de apilado, de tal manera que las aberturas de paso están dispuestas unas sobre otras,
- c)
- las láminas verdes de cerámica apiladas se laminan para formar un ensamblaje,
- d)
- el ensamblaje se libera de aglutinante a temperatura elevada, y
- e)
- el ensamblaje se sinteriza previamente a una temperatura, para formar la capa de cerámica, que se sitúa por debajo de la temperatura de sinterizado del material cerámico empleado.
11. Procedimiento según la reivindicación 9 o 10,
en el que el procedimiento para la fabricación de la capa de
cerámica incluye la fabricación de una conexión (162) interfacial
eléctrica en la capa de cerámica, con lo que
- a)
- en como mínimo una de las láminas verdes de cerámica se realiza como mínimo una abertura (121) de contacto, que
- b)
- se rellena con material conductor eléctrico.
12. Procedimiento según la reivindicación 10 u
11, en el que para la fabricación de una capa de cerámica de los
electrodos, tras el sinterizado previo, se aplica material conductor
eléctrico sobre una superficie de la capa de cerámica de los
electrodos.
13. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 9 a 12, en el que, para la fabricación de una capa
de cerámica de los electrodos, se aplica material conductor
eléctrico en la superficie de como mínimo una lámina verde de
cerámica.
14. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 11 a 13, en el que como material conductor
eléctrico se elige como mínimo una sustancia del grupo de oro,
cobre, molibdeno, paladio, platino, plata y / o wolframio.
15. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 9 a 18, en el que, para la fabricación de como
mínimo una de las capas de cerámica,
- a)
- las láminas verdes de cerámica se apilan unas sobre otras de tal manera que la lámina verde de cerámica superior y la inferior del ensamblaje presentan material cerámico cuya temperatura de sinterizado se sitúa por encima de la del material cerámico que presentan las láminas verdes de cerámica que se sitúan en el interior del ensamblaje, y
- b)
- tras el sinterizado previo se separa el material cerámico de temperatura de sinterizado más alta.
16. Procedimiento según la reivindicación 16, en
el que durante el apilado se utiliza como lámina verde de cerámica
superior e inferior, en cada caso, una lámina verde de cerámica que
presenta óxido de aluminio.
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