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Silicon nanowire field emitters were fabricated on top of microtubes on a silicon chip (dimensions including contact pads: 8 × 8 mm). There are 2437 microtubes (diameter: 8 μm, height: 30 μm, spacing: 40 μm) in the array over an area of 3.38 mm2. A process was developed to create an integrated metal gate for the extraction electrode. This involved coating the emitters with a uniform benzocyclobutene layer and fabricating a titanium/nickel extraction gate using lift-off. A plasma etching process was used to selectively remove the benzocyclobutene anisotropically around the microtubes, ensuring the preservation of the emitters and the extraction gate. The design reduces the capacitance between the cathode and gate and maximizes the length of the leakage paths between the cathode and gate. This reduces the overall risk of discharges between the two electrodes as well as the energy stored in the system for a given extraction voltage. The electron sources demonstrated transmission rates exceeding 96%, with currents reaching 0.4 mA at extraction voltages of 250 V for several hours under voltage-controlled operation. Investigations after the measurements showed that isolated discharges destroyed individual emitters during operation, but the electron sources remained functional. Consequently, these cathodes demonstrated resilience to failure caused by discharge-related damage due to the low capacity of the system. At higher voltages (300 V) and currents (2 mA); however, these samples exhibited catastrophic arcing, as at these voltages, the energy stored in the capacitance was large enough to result in the destruction of larger areas of the arrays and the formation of conductive paths between the cathode and the gate.

Accurate characterization of silicon microstructures is essential for advancing microscale fabrication, quality control, and device performance. Traditional analysis using scanning electron microscopy (SEM) often requires labor-intensive, manual evaluation of feature geometry, limiting throughput and reproducibility. In this study, we propose SiMiC: Context-aware Silicon Microstructure Characterization Using Attention-based Convolutional Neural Networks for Field-Emission Tip Analysis. By leveraging deep learning, our approach efficiently extracts morphological features—such as size, shape, and apex curvature—from SEM images, significantly reducing human intervention while improving measurement consistency. A specialized dataset of silicon-based field-emitter tips was developed, and a customized convolutional neural network architecture incorporating attention mechanisms was trained for multiclass microstructure classification and dimensional prediction. Comparative analysis with classical image processing techniques demonstrates that SiMiC achieves high accuracy while maintaining interpretability. The proposed framework establishes a foundation for data-driven microstructure analysis directly linked to field-emission performance, opening avenues for correlating emitter geometry with emission behavior and guiding the design of optimized cold-cathode and SEM electron sources. The related dataset and algorithm repository that could serve as a baseline in this area can be found at https://research.jingjietan.com/?q=SIMIC.

Das grundlegende physikalische Verständnis und die kontinuierliche Weiterentwicklung von dielektrischen Oberflächenbarrierenentladungen (SDBDs) sowie der damit erbundenen elektrischen Diagnostik, sind für eine Vielzahl von Niedertemperaturplasmaanwendungen von entscheidender Bedeutung. In Bezug auf die Anwendung dieser Plasmatechnologie in der Luftfahrt liegt neben der bereits umfassend erforschten aktiven Strömungskontrolle zunehmend der Schwerpunkt auf der Vermeidung von Eisablagerungen auf aerodynamischen Komponenten. Die Bildung von Eis auf Oberflächen wie zum Beispiel den Tragflächen kann unter extremen Wetterbedingungen erhebliche Leistungsdefizite hervorrufen und zu ernsthaften Sicherheitsrisiken führen. In Anbetracht der signifikanten Vorteile gegenüber traditionellen Enteisungsmethoden steht die Erforschung von SDBDs im Mittelpunkt des anwendungsorientierten Abschnitts dieser Arbeit. Vorliegende Arbeit untergliedert sich in einen grundlegenden und einen anwendungsbezogenen Teil. Darin werden sowohl die physikalischen Eigenschaften und Prozesse von SDBDs analysiert als auch ihre potenziellen Anwendungen in Bezug auf Flugsicherheit und Effizienz untersucht. Die wissenschaftliche Forschung hat in der Vergangenheit erhebliche Anstrengungen unternommen, um ein umfassendes Verständnis der physikalischen Vorgänge, die im Zusammenhang mit SDBDs stehen, zu erarbeiten. Insbesondere die präzise Bestimmung der räumlichen Ausdehnung der Entladung entlang der dielektrischen Oberfläche - die üblicherweise in direkter Proportionalität zur Amplitude der angelegten Spannung steht - ist hierbei eine herausfordernde Aufgabe. Diese umfangreichen Studien sind essenziell, um die Entladungseigenschaften und die grundlegenden physikalischen Prozesse zu verstehen, was erhebliche Anwendungspotenziale eröffnet. Parallel zu diesen grundlegenden Studien hat sich auch der praktische Einsatz von SDBDs zur Verhinderung der Eisbildung auf aerodynamischen Bauteilen bedeutend weiterentwickelt. Untersuchungen legen nahe, dass Lösungen auf Basis von SDBDs im Vergleich zu konventionellen Enteisungsmethoden, wie beispielsweise chemischen Enteisungsmitteln oder thermischen Systemen, ein höheres Effizienz- und Wirkungspotential besitzen könnten. Allerdings wurden bisherige Entwicklungen von SDBDs hauptsächlich auf Basis der Leiterplattentechnologie realisiert, was bestimmte Begrenzungen in Bezug auf ihre Anwendbarkeit für Anti-Icing- Technologie mit sich bringt. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde die sequentielle Ausbreitung der SDBD-Entladung entlang der dielektrischen Al2O3-Oberfläche systematisch analysiert. Die durchgeführten experimentellen Untersuchungen zeigten, dass die Entladungen unmittelbar nach dem Erreichen der Zündspannung einen fest definierten Bereich belegen, der bis zum Erreichen einer kritischen Spannungsamplitude VL stabil bleibt. Anzumerken ist auch, dass das Ausbleiben der Plasmaausbreitung innerhalb dieses Spannungsbereichs zu einer linearen Korrelation zwischen der Entladungsleistung und der angelegten Spannungsamplitude führt. Diese tiefergehenden Einblicke in die Dynamik der Entladung können dazu beitragen, den Einsatz von SDBDs in diversen Anwendungsbereichen effizienter zu gestalten. Im zweiten Teil der Arbeit steht die Entwicklung und Implementierung eines innovativen Ansatzes zur Realisierung von SDBDs im Vordergrund, der auf der Nutzung von Dünnschichtsubstra-Vten und mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) basiert. Die Verwendung dieser Technologie erlaubt einen präziseren Design- und Fertigungsprozess von Elektrodenstrukturen, was sich positiv auf die Effizienz der Enteisung auswirken kann. Zur Beurteilung des Anti-Icing-Potenzials der entwickelten MEMS-SDBDs wurde ein direkter Vergleich mit konventionellen PCB-SDBDs durchgeführt. Die Ergebnisse legen nahe, dass die 35 μm dicken Elektroden der PCB-SDBDs eine Oberflächenvereisung fördern, die vorrangig durch die Elektrodenkanten induziert wird. Im Gegensatz dazu wurde dieser Effekt bei den deutlich dünneren, lediglich 0.3 μm dicken, mittels MEMS gefertigten Elektroden nicht festgestellt. Diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass SDBDs, die mit MEMS-Technologien gefertigt wurden, einen signifikanten Vorteil in Anti-Icing-Anwendungen aufweisen könnten und stellen somit einen wesentlichen Fortschritt in der Forschung und Anwendung von SDBDs dar. Die in dieser Arbeit vorgelegten Forschungsergebnisse und innovativen Methoden liefern zahlreiche neue Erkenntnisse, die das Potential besitzen, sowohl das Verständnis als auch die Anwendung von SDBDs wesentlich zu erweitern. So bestätigen die Langzeitbelichtungsaufnahmen das neu entdeckte Phänomen einer sequenziellen Ausbreitung des Entladungsplasmas, das bei SDBDs mit dickeren Dielektrika stärker ausgeprägt ist. Eine neu entwickelte Methodik ermöglicht die Anwendung der Ladungs-Spannungs-Charakteristik von SDBDs, um essenzielle Parameter für ein vereinfachtes Ersatzschaltbild abzuleiten. Darüber hinaus wurde eine bemerkenswerte numerische Übereinstimmung zwischen der Ladungs-Spannungs-Charakteristik für den positiven Halbzyklus der Entladung und der aus den optischen Aufnahmen abgeleiteten spannungsabhängigen Reaktorkapazität festgestellt. Diese Erkenntnisse öffnen neueWege für die Optimierung und Anwendung von SDBDs in verschiedenen technischen Bereichen. Weiterhin identifizierte die durchgeführte Erosionsstudie Titan als optimal geeignetes Material für MEMS-Elektroden aufgrund seiner hohen Korrosionsbeständigkeit und ausgezeichneten elektrischen Leitfähigkeit. Es wurden auch Potentiale zur Optimierung von MEMS-SDBDs durch die Auswahl geeigneter dielektrischer Materialien und geeigneter SDBD-Geometrien aufgezeigt. Eine solche Optimierung könnte die Enteisungseffizienz weiter verbessern, indem beispielsweise die dielektrischen Eigenschaften an die spezifischen Anwendungsanforderungen angepasst werden. Innovative Designkonzepte, wie eine gezielte Anordnung der Elektroden oder die Integration von Sensoren zur Überwachung des Enteisungsprozesses, könnten ebenfalls zur Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit von MEMS-SDBDs beitragen. Ein weiterer bedeutender Aspekt ist die Anwendung von Piezotransformatoren zur Generierung der benötigten Hochspannung für SDBD-Systeme. Dieser innovative Ansatz könnte die Effizienz des auf SDBD-Technologie basierenden Enteisungsverfahrens optimieren und somit zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit und Sicherheit von Flugzeugen unter extremen Wetterbedingungen beitragen. Das Forschungsfeld bietet viel Raum für zukünftige Studien, was die Bedeutung und Zukunftsrelevanz der in dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse hervorhebt.

This work presents preliminary results of the performance testing of exfoliated graphene layers deposited on the nanotip of a tungsten field emission cathode. The obtained tungsten-graphite cathodes were then operated in a 3D-printed MEMS electron microscope testing model for later applications. The results were promising, where a maximum emission current of 50.2 μA was obtained with an extraction voltage of 1 kV and anode voltage of 3 kV.

Pirani sensors measure the thermal conductivity of the residual gas in a vacuum by creating a thermal gradient between a heated sensor element and a heat sink. The heat flux from the sensor element to the heat sink over the residual gas is a measure of the vacuum and can be determined by the electrical power applied. In addition to the heat flux over the gas, there are further energy losses from the heating structure due to radiation and parasitic heat fluxes via the suspensions of the sensor element. These losses reduce the sensitivity of the sensor. For this reason, a Micro-Pirani sensor in the shape of a microhotplate was developed that actively compensates the heat flux via the suspensions. This was achieved by placing additional heating structures on the suspensions, which interrupt the heat flow from the sensor element via the suspensions during operation. This active compensation improves the sensitivity at low pressures, enabling vacuum measurements from atmospheric pressure down to 10e-6 mbar.