DISPOSITIVO MULTIPLICADOR DE ELECTRONES MICROMECANIZADO Y PARA DETECCIÓN DE PARTÍCULAS IONIZANTES,SISTEMA DE DETECCIÓN DE PARTÍCULAS IONIZANTES Y MÉTODO DE FABRICACIÓN DEL DISPOSITIVO.

Dispositivo multiplicador de electrones micromecanizado para detección de partículas ionizantes,

sistema de detección de partículas ionizantes y método de fabricación del dispositivo.

Dispositivo multiplicador (1) de electrones micromecanizado y apilable para la detección de partículas ionizantes que comprende un sustrato sólido con una cavidad central micromecanizada (14) en el centro de la cara inferior del sustrato definiendo un contorno perimétrico de soporte del sustrato (12) alrededor de la cavidad y una pluralidad de orificios pasantes micromecanizados (13) situados en correspondencia con la cavidad (14); una primera capa dieléctrica aislante (17) depositada sobre todas las superficies del sustrato solido; un primer electrodo metálico de polarización (15) situado sobre la cara superior de la primera capa eléctrica aislante (17); y un segundo electrodo metálico de polarización (16) situado sobre la cara inferior de la primera capa eléctrica aislante (17).

Dispositivo multiplicador de electrones micromecanizado para detección de partículas ionizantes, sistema de detección de partículas ionizantes y método de fabricación del dispositivo

OBJETO DE LA INVENCIÓN

El objeto de la presente invención es un dispositivo multiplicador de electrones(GEM) micromecanizado y apilable para la detección de partículas ionizantes y un método para fabricarlo. Además se describe en la presente invención un sistema de detección de partículas ionizantes que hace uso de una pluralidad de dispositivos multiplicadores apilados en un mismo plano vertical y que están conectados a un circuito de detección de partículas ionizantes.

La presente invención se enmarca en el sector de los sistemas microelectromecánicos (MEMS) y micromecanizados y en la tecnología de los dispositivos multiplicadores de electrones y su fabricación y, en particular, en detectores de partículas ionizantes e instrumentación para la investigación científica y aplicaciones médicas.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

El uso de un gas noble como medio activo para detectar partículas fundamentales se viene aplicando desde principios del siglo XX. La principal ventaja de utilizar un gas está relacionada con el hecho de que es más fácil de recoger la carga eléctrica en un gas de lo que es en medios sólidos o líquidos. Simplemente disponiendo de electrodos polarizados en el recipiente que contiene el gas, se consigue que los electrones sean conducidos al ánodo y los iones positivos al cátodo. La elección de la geometría de los electrodos sirve para ajustar el detector para funcionar como un contador de eventos, sensible a la energía de dichos eventos, o como un integrador de eventos. En este último caso el dispositivo se conoce como cámara de ionización. En cuanto al primer caso, los contadores de partículas basados en detectores gaseosos han evolucionado a lo largo de los años y para finales de los años sesenta, ya se propuso un instrumento para la detección de la posición de cada partícula ionizante incidiendo sobre una superficie determinada [G. Charpak, R. Bouclier, T. Bressani, J. Favier, C. Zupancic. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 62, 235 (1968)]. Este fue un paso importante para los dispositivos de rayos X de imágenes electrónicas. El diseño se basa en el uso de alambres delgados colocados de lado a lado en un plano (contadores proporcionales multifilares), que impone limitaciones mecánicas y eléctricas en la separación entre alambres. Esto tiene un impacto en la resolución espacial, que

está típicamente en el rango de 1mm. Para mejorar la resolución apareció otra implementación a base de microtiras metálicas depositadas sobre una superficie sólida aislante [A. Oed. Nuc. Inst. & Meth., A263, 351 (1988)]. Posteriormente, se desarrollaron otras técnicas para reemplazar los cables en los contadores de partículas: El "Compteur a Trou" [F. Bartol, M. Bordessoule, G. Chaplier, M. Lemonnier, S. Megtert. Journal de Physique III, 6, 3, 337 (1996)] y el multiplicador de electrones en un Gas (GEM) [F. Sauli. Nuc. Inst. & Meth, A386, 531 (1997)]. En estos dispositivos, los orificios se realizan en un sustrato de plástico delgado que se metaliza por ambos lados. Se aplica una diferencia de tensión que establece un alto campo eléctrico en el interior de los orificios (miles de voltios por milímetro). Un electrón liberado por la ionización de las partículas del gas es conducido a la región de los agujeros, donde se somete a una aceleración intensa por el campo eléctrico, lo cual produce una multiplicación de carga muy similar a lo que sucede en la avalancha que tiene lugar en los detectores de alambre. Este tipo de detectores es más estable debido a que la carga eléctrica casi no cruza el sustrato, por lo que no hay carga espuria. Los detectores GEM se han estudiado y producido por muchos grupos de todo el mundo y pronto fueron probados en configuraciones que proporcionaban imágenes de partículas ionizantes. Se pueden identificar dos problemas en el desarrollo de detectores de imágenes GEM: en primer lugar, ya que el sustrato es muy delgado y flexible, la imagen obtenida es modulada por deformaciones en este sustrato. El estiramiento de la lámina de un GEM para obtener una superficie perfectamente plana no es fácil. En segundo lugar, la resolución de la energía es diferente de un agujero a otro en la malla de agujeros ya que la precisión del patrón obtenido es baja: en un campo eléctrico intenso, cada agujero puede tener un comportamiento diferente, estropeando así la calidad de la imagen.

El dispositivo micromecanizado propuesto en este documento evita las problemáticas expuestas mediante el uso de técnicas de microfabricación. Los agujeros se hacen con resolución micrométrica con tecnologías MEMS como por ejemplo el grabado profundo con iones reactivos (DRIE). Este aspecto del dispositivo dará lugar a detectores con mejor resolución en energía y mejor calidad de imagen. Al mismo tiempo, todo el GEM objeto de esta invención está fabricado sobre una superficie rígida y plana, lo que impide deformaciones.

Otros dispositivos GEM también han propuesto el uso de microfabricación y técnicas de microingeniería. El documento US 2011/0089042 propone un método para fabricar un GEM utilizando un sustrato de poliamida y el grabado fotolitográfico y húmedo, eludiendo los problemas de los sustratos no rígidos al usar su método. Sin embargo, tales GEM son dispositivos de multiplicación única, es decir, los sistemas de detección basados en estos GEM sólo pueden ser de un solo nivel, no apilables.

La estructura GEM que propone el documento US7,294,954 mejora la fiabilidad mediante el uso de silicio, óxidos y electrodos metálicos, en donde el silicio es anisotrópicamente grabado con ácido para formar los agujeros de GEM. El dispositivo está diseñado para funcionar produciendo la multiplicación de electrones en una dirección paralela al plano del sustrato. El apilamiento permite aumentar la superficie sensible, pero no el factor de multiplicación. La presente invención permite lograr un factor de multiplicación elevado mediante etapas individuales, lo que nunca puede lograrse con la patente citada.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

El objeto de la presente invención es un dispositivo multiplicador de electrones micromecanizado y apilable para la detección de partículas ionizantes, un método para fabricar dicho dispositivo y un sistema de detección de partículas ionizantes que hace uso de una pluralidad de dispositivos multiplicadores de electrones apilados.

Así un primer objeto de la invención es el dispositivo multiplicador de electrones micromecanizado y apilable para detección de partículas ionizantes, donde el material que se emplea para detectar las partículas estará en estado gaseoso. Este dispositivo al menos comprende:

un sustrato sólido, rígido y plano que a su vez comprende: una cavidad central micromecanizada en el centro de la cara inferior del sustrato que define un contorno perimétrico de soporte del sustrato alrededor de la cavidad, donde se almacena el material en estado gaseoso empleado para detectar las partículas; y una pluralidad de orificios pasantes micromecanizados situados en correspondencia con la cavidad. Este sustrato será preferentemente de silicio para mejorar la robustez y fiabilidad estructural del dispositivo debido a la baja tensión mecánica residual del silicio, por lo que el dispositivo multiplicador no está sujeto a plegamiento u otras deformaciones que son típicas de los dispositivos multiplicadores fabricados sobre sustratos de plástico;

una primera capa dieléctrica aislante depositada sobre todas las superficies del sustrato solido, rígido y plano que reduce al mínimo las corrientes de fuga en el sustrato;

un primer electrodo metálico de polarización situado sobre la cara superior de la primera capa dieléctrica aislante; y,

un segundo electrodo metálico de polarización situado sobre la cara inferior de la primera capa dieléctrica aislante.

Los espesores, tamaños, cantidad y disposición de los orificios pasantes del sustrato serán diseñados dependiendo de las necesidades del momento y controlados durante la fabricación de los dispositivos. Preferentemente y dada la naturaleza de la invención estos orificios serán del orden de las mieras. Además las dimensiones del sustrato se podrán de igual modo diseñar dependiendo de las necesidades.

En una realización particular de la invención se ha previsto que el sustrato sólido y rígido del dispositivo multiplicador de electrones esté realizado en un material aislante o semiaislante que evite la conducción eléctrica y deriva electrónica hacia el propio...

1. Dispositivo multiplicador de electrones (1) micromecanizado para detección de partículas ionizantes, donde se emplea un material gaseoso para la detección de las partículas ionizantes en estado gaseoso, caracterizado por que comprende:

un sustrato sólido (2), rígido y plano que a su vez comprende:

- una cavidad central (14) micromecanizada en el centro de la cara inferior del sustrato (2) que define un contorno perimétrico de soporte del sustrato (12) alrededor de la cavidad central (14) donde se almacena el material gaseoso; y,

- una pluralidad de orificios pasantes micromecanizados (13) situados en correspondencia con la cavidad central (14);

una primera capa dieléctrica aislante (17) depositada sobre al menos las superficies superior e inferior del sustrato solido (2);

un primer electrodo metálico de polarización (15) situado sobre la cara superior de la primera capa dieléctrica aislante (17); y,

un segundo electrodo metálico de polarización (16) situado sobre la cara inferior de la primera capa dieléctrica aislante (17).

2. Dispositivo multiplicador de electrones (1) micromecanizado, según la reivindicación 1, caracterizado por que el sustrato sólido (2) está realizado de un material aislante o semiaislante para evitar la conducción eléctrica y deriva electrónica hacia el propio sustrato y para evitar que el sustrato se cargue eléctricamente.

3. Dispositivo multiplicador de electrones micromecanizado, según la reivindicación 2,

caracterizado por que el sustrato sólido (2) está realizado en un material seleccionado entre vidrio y silicio de alta resistividad sobre aislante.

4. Dispositivo multiplicador de electrones micromecanizado, según la reivindicación 1,

caracterizado por que el primer electrodo metálico de polarización (15) cubre la totalidad de la cara superior del sustrato a excepción de los orificios pasantes micromecanizados (13).

5. Dispositivo multiplicador de electrones micromecanizado, según la reivindicación 4,

caracterizado por que el segundo electrodo metálico de polarización (16) cubre la totalidad de la cara inferior del sustrato a excepción de los orificios pasantes micromecanizados (13).

6. Dispositivo multiplicador de electrones micromecanizado, según una cualquiera de las

reivindicaciones anteriores, caracterizado porque tanto el primer electrodo metálico de

polarización (15) como el segundo electrodo metálico de polarización (16) están conectados a una fuente de alimentación para la polarizar el dispositivo multiplicador de electrones (1).

7. Dispositivo multiplicador de electrones micromecanizado, según una cualquiera de las

reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende una segunda capa dieléctrica

aislante (18) depositada sobre todas las superficies del dispositivo multiplicador de electrones (1).

8. Sistema de detección de partículas ionizantes caracterizado porque comprende al menos dos dispositivos multiplicadores de electrones (5,6,7) apilados en un plano normal a la superficie superior del los dispositivos multiplicadores de electrones, donde los dispositivos multiplicadores de electrones están definidos en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, donde el sistema comprende:

unos medios aislantes eléctricos situados entre la superficie inferior del contorno perimétrico de soporte del sustrato de cada dispositivo multiplicador de electrones (5,6,7) y el segundo electrodo metálico de polarización (16) de cada dispositivo inmediatamente inferior y entre el segundo electrodo metálico de polarización (16) del dispositivo multiplicador más inferior (7) de la pila de dispositivos multiplicadores con un circuito de detección de partículas ionizantes (8); y,

unos medios de sujeción dieléctrica entre los dispositivos multiplicadores adyacentes y entre el dispositivo multiplicador de electrones (7) más inferior de la pila de dispositivos multiplicadores (5,6,7) con el circuito de detección de partículas ionizantes (8).

9. Sistema de detección de partículas ionizantes, según la reivindicación 8, caracterizado porque los medios de interconexión dieléctrica entre el dispositivo multiplicador de electrones (7) más inferior de la pila de dispositivos multiplicadores de electrones (5,6,7) con el circuito de detección de partículas ionizantes (8) son puntos de contacto dieléctricos (4) entre el segundo electrodo metálico de polarización (16) del dispositivo multiplicador de electrones (7) y el circuito de detección de partículas ionizantes (8).

10. Método de fabricación del dispositivo multiplicador de electrones descrito en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por que partiendo de un sustrato sólido (2), el método comprende al menos las siguientes fases:

micromecanizar los orificios (13) en la cara superior del sustrato sólido (2);

micromecanizar la cavidad central (14) en la cara inferior del sustrato sólido (2), en correspondencia con los orificios micromecanizados (13) hasta que los orificios sean pasantes, de manera que se define un contorno perimétrico de soporte del sustrato (12) alrededor de la cavidad central (14);

depositar una primera capa dieléctrica aislante (17) sobre al menos las superficies superior e inferior del sustrato sólido (2) micromecanizado;

depositar el primer electrodo metálico de polarización (15) sobre la cara superior de la primera capa dieléctrica aislante (17), asegurando la continuidad eléctrica en la cara superior de la primera capa dieléctrica aislante (17); y,

depositar el segundo electrodo metálico de polarización (16) sobre la cara inferior de la primera capa dieléctrica aislante (17) asegurando la continuidad eléctrica en la cara inferior de la primera capa dieléctrica aislante (17).

11.- Método de fabricación del dispositivo multiplicador de electrones, según la reivindicación 10, caracterizado por que comprende aislar eléctricamente las paredes interiores de los orificios pasantes micromecanizados.

12. Método de fabricación del dispositivo multiplicador de electrones, según la reivindicación 10, caracterizado por que adicionalmente comprende una fase de pasivación del dispositivo multiplicador de electrones (1).

13. Método de fabricación del dispositivo multiplicador de electrones, según la reivindicación 10, caracterizado por que las fases de micromecanizado se llevan a cabo mediante grabado químico.

14. Método de fabricación del dispositivo multiplicador de electrones, según la reivindicación 10, caracterizado por que las fases de depósito del primer y segundo electrodo metálico de polarización (15,16) se realizan mediante el depósito de un metal evaporado sin máscara.

15. Método de fabricación del dispositivo multiplicador de electrones, según la reivindicación 10, caracterizado por que las fases de depósito del primer y segundo electrodo metálico de polarización (15,16) se realizan mediante el depósito de una combinación de máscaras de serigrafía con evaporación de metal.

16. Método de fabricación del dispositivo multiplicador de electrones, según la reivindicación 10, caracterizado por que cuando el sustrato solido (2) está realizado en silicio de alta resistividad

sobre aislante, la fase de micromecanizado de los orificios (13) se realiza mediante grabado químico de una capa de silicio superior y una capa de oxido enterrada del sustrato.

17. Método de fabricación del dispositivo multiplicador de electrones, según la reivindicación 16, caracterizado por que cuando el sustrato sólido (2) está realizado en silicio de alta resistividad sobre aislante, la fase de micromecanizado de la cavidad (14) se realiza mediante grabado químico de una capa de silicio inferior del sustrato sólido (2).

18. Método de fabricación del dispositivo multiplicador de electrones, según la reivindicación 10, caracterizado por que la primera capa dieléctrica aislante (15) se deposita mediante técnicas conformes para asegurar que quede eléctricamente aislado el interior de los orificios pasantes micromecanizados (13).

19. Método de fabricación del dispositivo multiplicador de electrones, según la reivindicación 10, caracterizado por que el depósito del primer y segundo electrodo metálico de polarización (15,16) se realiza mediante técnicas no conformes/selectivas que evitan la penetración de metal en el interior de los orificios pasantes micromecanizados (13) y que evitan la aparición de cortocircuitos entre el primer y segundo electrodo metálico de polarización (15,16).

20. Método de fabricación del dispositivo multiplicador de electrones, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende estructurar el primer y segundo electrodo metálico de polarización (15,16) en los bordes de los orificios pasantes micromecanizados (13).

21. Método de fabricación del dispositivo multiplicador de electrones, según la reivindicación 20, caracterizado por que la estructuración del primer electrodo metálico de polarización (15) se realiza mediante un recubrimiento con resina y una posterior fotolitografía del primer electrodo metálico de polarización (15).

22. Método de fabricación del dispositivo multiplicador de electrones, según la reivindicación 20, caracterizado por que la estructuración del segundo electrodo metálico de polarización (16) se realiza mediante un revestimiento por pulverización y posterior fotolitografía del segundo electrodo metálico de polarización (16).

23. Método de fabricación del dispositivo multiplicador de electrones, según la reivindicación 10, caracterizado por que la micromecanización de los orificios (13) se realiza mediante técnicas de grabado anisotrópico de elevada relación de aspecto.

24. Método de fabricación del dispositivo multiplicador de electrones, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende las siguientes fases adicionales:

depositar una segunda capa aislante dieléctrica (18) sobre todas las superficies del dispositivo multiplicador de electrones (1) mediante técnicas conformes; y

realizar aberturas (19) en la segunda capa aislante dieléctrica (18) para conectar unas conexiones eléctricas (20) con el primer y segundo electrodo metálico de polarización (15,16).