專利名稱：用于在大氣壓下產(chǎn)生低溫等離子體的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于在大氣壓下通過(guò)較低的放電開(kāi)始和保持電壓來(lái)產(chǎn)生高密度低溫等離子體的裝置。
背景技術(shù)：
通常，等離子體定義為部分離子化的氣體，它由幾乎等量的正負(fù)自由電荷組成，因此它為電中性。根據(jù)進(jìn)行離子化時(shí)的溫度，等離子體分成高溫等離子體和低溫等離子體子組，等離子體在化學(xué)上和物理上有很高的反應(yīng)性。
低溫等離子體用于合成各種材料，例如金屬、半導(dǎo)體、聚合物、尼龍、塑料、紙張、纖維和臭氧，或者改變材料的表面特性，同時(shí)提高各種物理和化學(xué)特性，例如連接強(qiáng)度、染色特性、可印刷性等。因此，低溫等離子體在半導(dǎo)體、金屬、陶瓷薄膜的合成以及清潔領(lǐng)域中有多種用途。
通常，低溫等離子體可以在低壓真空容器中產(chǎn)生。為了保持該真空，需要很昂貴的裝置。此外，當(dāng)要處理的材料尺寸較大時(shí)，將難以向它們施加等離子體。等離子體處理的另一問(wèn)題是難以自動(dòng)進(jìn)行等離子體處理。而且，等離子體難以處理具有很高蒸氣壓力或進(jìn)行脫氣的材料，例如橡膠、生物材料等。
為了避免這些問(wèn)題，已經(jīng)發(fā)展了各種技術(shù)，例如電暈放電、電介質(zhì)屏蔽放電和輝光放電，因此，低溫等離子體可以在大氣壓下產(chǎn)生。目前，除了前述領(lǐng)域，這些技術(shù)還廣泛用于多個(gè)領(lǐng)域，包括化學(xué)藥劑例如臭氧的合成、殺菌、解毒以及合成難以在真空中用等離子體處理的材料。
電暈放電是表現(xiàn)為當(dāng)電壓梯度超過(guò)臨界值時(shí)在導(dǎo)體表面上或附近產(chǎn)生藍(lán)紫色輝光的放電。通常，通過(guò)向由導(dǎo)電材料例如金屬形成的兩個(gè)尖角電極之間施加高電壓，由電極產(chǎn)生等離子體帶。當(dāng)在具有非常短距離的兩個(gè)電極之間施加電壓時(shí)，產(chǎn)生電弧，從而形成具有非常小直徑的線性等離子體。這時(shí)，為了防止等離子體轉(zhuǎn)變成電弧放電，電壓間歇施加，或者向電極提供電阻。
電介質(zhì)屏蔽放電利用由電介質(zhì)極化而產(chǎn)生的電荷積累，以便形成反向電勢(shì)，這時(shí)放電停止，也就是，它利用脈沖放電，從而防止發(fā)生電弧放電。
當(dāng)電暈放電時(shí)，等離子體形成條帶形狀，它并不均勻，且密度較低。此外，因?yàn)閮蓚€(gè)電極之間的間隙較窄，電暈放電難以用于三維形狀的物體。還有，電暈放電的其它問(wèn)題包括產(chǎn)生噪音和電極使用壽命較短。
盡管能提供均勻的等離子體，但是電介質(zhì)屏蔽放電并不能保證在較大區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生均勻、分散的等離子體，與電暈放電相同。當(dāng)提供附加裝置以防止發(fā)生電弧放電時(shí)，電介質(zhì)屏蔽放電的等離子體密度降低，且兩個(gè)電極之間的距離較窄，以致于限制了要處理的物體的尺寸和形狀。
當(dāng)使用具有較高放電開(kāi)始和保持電勢(shì)的氣體例如氬氣、氧氣和氮?dú)鈺r(shí)，電暈放電和電介質(zhì)屏蔽放電技術(shù)都需要較高電壓的電源。不過(guò)，該電源難以操作和控制，因?yàn)樗馨嘿F，且耗電量高。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是克服在現(xiàn)有技術(shù)中遇到的上述問(wèn)題，并提供用于在大氣壓下產(chǎn)生低溫等離子體的裝置，該裝置具有新穎的電極結(jié)構(gòu)，以便防止等離子體轉(zhuǎn)變成電弧放電。
本發(fā)明的另一目的是提供一種等離子體產(chǎn)生裝置，該裝置的放電電壓很低，以便大大降低工作和設(shè)備成本以及所裝備的電源的耗電量。
本發(fā)明的還一目的是提供一種等離子體產(chǎn)生裝置，該裝置能夠利用很寬頻帶的交流電和脈沖直流電。
本發(fā)明的還一目的是提供一種等離子體產(chǎn)生裝置，該裝置能夠在高放電開(kāi)始電勢(shì)的氣體例如氮?dú)?、氧氣和空氣中進(jìn)行放電。
本發(fā)明的還一目的是提供一種等離子體產(chǎn)生裝置，該裝置能夠在較低放電電壓下在很大區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生均勻、高密度的低溫等離子體。
根據(jù)本發(fā)明上述目的可以通過(guò)提供一種用于在大氣壓下產(chǎn)生低溫等離子體的裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，該裝置包括彼此相對(duì)的一對(duì)電極，該對(duì)電極間開(kāi)一定距離，它們中的一個(gè)與電源相連，另一個(gè)接地；一對(duì)厚度為25μm-10mm的電介質(zhì)，該對(duì)電介質(zhì)布置在電極的相對(duì)表面上，以便彼此相對(duì)，在它們中的一個(gè)內(nèi)有至少一個(gè)放電間隙；以及導(dǎo)體電極，該導(dǎo)體電極有至少一個(gè)尖端，該至少一個(gè)尖端布置在放電間隙內(nèi)，其中，通過(guò)采用頻帶為50Hz-10GHz的脈沖直流電或交流電，同時(shí)在電極之間供給反應(yīng)氣體，從而由電源在電極之間施加1-100KV/cm的電場(chǎng)強(qiáng)度。
由本發(fā)明裝置產(chǎn)生的等離子體適于形成高能自由基，該高能自由基廣泛用于各種領(lǐng)域，包括進(jìn)行粘接、拋光、清潔、薄膜沉積、殺菌、消毒、臭氧制備、印刷、染色以及各種材料的蝕刻，這些材料包括金屬、橡膠、纖維、合成樹脂和半導(dǎo)體。還有，等離子體的應(yīng)用領(lǐng)域包括自來(lái)水和廢水的凈化、空氣和汽車排氣的凈化(例如SOx和NOx)、燃料完全燃燒、制造高亮度燈等。


通過(guò)下面的詳細(xì)說(shuō)明并結(jié)合附圖，可以更清楚地了解本發(fā)明的上述和其它目的、特征和其它優(yōu)點(diǎn)，附圖中圖1是表示板結(jié)構(gòu)的電極的剖視圖，該電極適用于本發(fā)明第一實(shí)施例的、用于在大氣壓下產(chǎn)生低溫等離子體的裝置；圖2是表示管結(jié)構(gòu)的電極的剖視圖，該電極適用于本發(fā)明第二實(shí)施例的、用于在大氣壓下產(chǎn)生低溫等離子體的裝置；以及圖3提供了導(dǎo)體電極的尖端的視圖。
具體實(shí)施例方式
通過(guò)附圖，可以更好地了解本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的應(yīng)用，附圖中，相同的參考標(biāo)號(hào)分別用于相同和相應(yīng)的部件。
第一實(shí)施例參考圖1，圖中表示了電極結(jié)構(gòu)的剖視圖，該電極結(jié)構(gòu)適用于本發(fā)明第一實(shí)施例的、用于在大氣壓下產(chǎn)生低溫等離子體的裝置。在該實(shí)施例中，本發(fā)明利用板結(jié)構(gòu)的電極來(lái)在大氣壓下產(chǎn)生低溫等離子體。
如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明，裝置有一對(duì)電極1和2，該對(duì)電極1和2布置成彼此相對(duì)。這兩個(gè)電極中的一個(gè)與電源6相連，而另一電極接地。當(dāng)電源6提供直流電時(shí)，接地電極為陽(yáng)極2，與電源6相連的電極設(shè)置為陰極1。優(yōu)選是，兩個(gè)電極都由金屬制成，例如不銹鋼、鋁或銅。
電介質(zhì)3和4分別安裝在電極1和2，并布置成彼此相對(duì)。為了便于產(chǎn)生等離子體，優(yōu)選是各電介質(zhì)3和4的厚度為從25μm至10mm。在安裝在與電源相連的電極1上的電介質(zhì)3中，提供有放電間隙7，該放電間隙沿垂直于電介質(zhì)表面的方向穿過(guò)該電介質(zhì)3。另一方面，安裝在接地電極2表面上的電介質(zhì)4沒(méi)有放電間隙。也就是，一個(gè)具有垂直穿孔放電間隙的電介質(zhì)安裝在與電源6相連的電極1上，另一個(gè)沒(méi)有放電間隙的電介質(zhì)安裝在接地電極2上，然后，這兩個(gè)電介質(zhì)布置成彼此相對(duì)。
具有一定寬度(a)和一定高度(b)并從電極1上伸出的導(dǎo)體電極5布置在各個(gè)放電間隙7中。導(dǎo)體電極5有尖端8、8’或8”，這些尖端可以有圖3A、3B或3C所示形狀。通過(guò)利用電源6的電場(chǎng)，導(dǎo)體電極5在尖端8、8’或8”處積累電荷，這些尖端有利于積累電荷的放電。此外，尖端8、8’或8”還有控制各放電間隙7的寬度(a)和高度(b)的功能。
如圖3A、3B和3C所示，形成于導(dǎo)體電極5上的尖端的形狀可以為尖角形、矩形或曲線形。其它各種形狀也可以用于這些尖端。
優(yōu)選是，尖端的高度(b)為它們的寬度(a)的0.1-20倍，同時(shí)，這些尖端的密度為每10mm有1-100個(gè)。
對(duì)尖端的尺寸和數(shù)量的限制是因?yàn)楫?dāng)該尺寸和數(shù)量超出范圍時(shí)，電荷在尖端積累的效率太低，以致于不能降低放電開(kāi)始和保持電壓，且不能獲得高密度等離子體和不能產(chǎn)生均勻的等離子體。
盡管具有板結(jié)構(gòu)電極的裝置表示為在與電源6相連的電極1上有電介質(zhì)3以及在接地電極上有電介質(zhì)4，但是應(yīng)當(dāng)知道，本發(fā)明并不局限于此，而是可以有各種結(jié)構(gòu)。例如，上面布置有電介質(zhì)3和4的電極1和2可以改變位置，也就是，具有放電間隙7的電介質(zhì)3安裝在接地電極2上，而沒(méi)有放電間隙7的電介質(zhì)4安裝在與電源6相連的電極1上。此外，當(dāng)具有放電間隙7的電介質(zhì)安裝在電極1和2中的一個(gè)上時(shí)，剩下的一個(gè)可以沒(méi)有電介質(zhì)。
電介質(zhì)的厚度范圍為從25μm至10mm，該電介質(zhì)需要能耐高溫，并有極好的介電特性。優(yōu)選是，電介質(zhì)由從以下組中選定的材料制成玻璃、氧化鋁、氮化硼、碳化硅、氮化硅、石英和氧化鎂。
當(dāng)電介質(zhì)3上沒(méi)有提供放電間隙7時(shí)，產(chǎn)生等離子體需要很高電壓。且產(chǎn)生的等離子體的密度較低。相反，當(dāng)電介質(zhì)3提供有具有放電間隙7和尖端8的導(dǎo)體電極5時(shí)，施加在電極1、2和5上的電場(chǎng)在尖端處積累并因此加強(qiáng)，從而在放電間隙7中引起空心陰極放電和毛細(xì)管放電。因此，產(chǎn)生等離子體所需的電壓能夠降低，且產(chǎn)生的等離子體密度較高，且很穩(wěn)定。
優(yōu)選是，垂直穿過(guò)電介質(zhì)的放電間隙7的寬度(a)范圍為從5μm至2mm，高度(a)范圍為比寬度(b)長(zhǎng)5-250折(fold)。當(dāng)寬度和高度超出該限制范圍時(shí)，不能產(chǎn)生毛細(xì)管放電和空心陰極放電，這樣，不能將放電開(kāi)始和保持電勢(shì)降低至合適值。此外，還不能穩(wěn)定地產(chǎn)生高密度等離子體，且不能防止等離子體轉(zhuǎn)變成電弧。
第二實(shí)施例參考圖2，圖中表示了電極結(jié)構(gòu)的剖視圖，該電極結(jié)構(gòu)適用于根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的、用于在大氣壓下產(chǎn)生低溫等離子體的裝置中。在本實(shí)施例中，本發(fā)明將管結(jié)構(gòu)的電極用于能夠在大氣壓下產(chǎn)生低溫等離子體的裝置中。
如圖2所示，提供了管形電極1’，電介質(zhì)3’安裝在該管形電極1的內(nèi)周上。與該管形電極1’同心的柱形芯電極2’沿該管形電極1’的中心軸線布置在離安裝于管形電極1’內(nèi)表面上的電介質(zhì)3’一定距離處。各電極的兩端固定，同時(shí)進(jìn)行合適絕緣(未示出)，陽(yáng)極電介質(zhì)4’固定在芯電極2’的外周上，同時(shí)多個(gè)放電間隙7’等間距地布置在陽(yáng)極電介質(zhì)4’中。
各電極3’和4’的厚度可以在第一實(shí)施例中所述的范圍內(nèi)。還有，放電間隙7的寬度(a)和高度(b)也有與第一實(shí)施例中相同的限制。在芯電極2的外周上布置有導(dǎo)體電極5，該導(dǎo)體電極5的寬度(a)和高度(b)也與放電間隙7相配合。導(dǎo)體電極5也提供有尖端，該尖端的形狀如圖3中所示。
當(dāng)管形電極1’接地時(shí)，芯電極2’與電源6相連。
不過(guò)，在管結(jié)構(gòu)中，在電極1’和2’以及電介質(zhì)3’和4’的布置方式、形狀和構(gòu)造方面可以進(jìn)行各種變化。
為了產(chǎn)生等離子體，通過(guò)使用頻帶寬為50Hz-10GHz的脈沖直流電或交流電，由電源6向第一和第二實(shí)施例中的裝置施加的電場(chǎng)的強(qiáng)度為1-100kV/cm。當(dāng)存在這樣的電場(chǎng)時(shí)，在放電間隙的尖端和相對(duì)電極之間產(chǎn)生放電，從而產(chǎn)生等離子體。
通過(guò)使用本發(fā)明的裝置，可以穩(wěn)定地在較大區(qū)域中產(chǎn)生均勻的等離子體。
由本發(fā)明的裝置產(chǎn)生的等離子體用于各種材料，例如金屬、橡膠、纖維、紙張和合成樹脂例如塑料、尼龍、環(huán)氧樹脂等，并用于將材料的表面特性改變成適于進(jìn)行粘接、拋光、薄膜沉積、染色、印刷等。
還有，等離子體可以直接用于除去污染空氣中的有毒物質(zhì)和使該污染空氣凈化。此外，等離子體可用于制造臭氧，臭氧可用于自來(lái)水的殺菌和消毒、廢水的凈化、汽車排氣的凈化(例如SOx和NOx)以及使汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃料完全燃燒。還有，等離子體可以用于制造非常明亮的燈，該燈可用于光化學(xué)反應(yīng)，該光化學(xué)反應(yīng)可用于各種表面處理，包括半導(dǎo)體裝置的制造。例如，反應(yīng)氣體如空氣、水蒸氣、氧氣、氮?dú)狻錃?、氬氣、氦氣、甲烷、氨、四氟化碳、aectylene、丙烷等單獨(dú)或組合供給到安裝有電介質(zhì)的電極之間，然后通過(guò)電源施加高電場(chǎng)，以便產(chǎn)生等離子體。
該等離子體可用于進(jìn)行粘接、拋光、清潔、薄膜沉積、殺菌、消毒、臭氧制備、染色、印刷、蝕刻、水的凈化、空氣和汽車排氣的凈化、使汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃料完全燃燒、制造高亮度燈等。
實(shí)施實(shí)例本實(shí)施實(shí)例采用了與第二實(shí)施例相同的等離子體制造裝置，該裝置有板結(jié)構(gòu)，其中，兩個(gè)電極板1和2布置成彼此相對(duì)，且在電極板1和2的各相對(duì)表面上提供有電介質(zhì)。在一個(gè)電介質(zhì)3和4中形成有多個(gè)放電間隙7，每個(gè)放電間隙7的寬為200μm，高為2mm。對(duì)于導(dǎo)體電極5，提供有形狀如圖3a中所示的尖端8，每個(gè)尖端8的寬度(a)為2mm，高度(b)為1.5mm。在彼此相隔距離為7mm的兩個(gè)電極1和5之間引入氦氣，同時(shí)，在電極之間加上50KHz的直流雙極性脈沖電源，以便在大氣壓下放電。
結(jié)果，大約1KV電壓用于引起放電，而保持電壓為大約0.7KV。這時(shí)，在沒(méi)有產(chǎn)生電弧的情況下穩(wěn)定地產(chǎn)生高密度等離子體。
在大氣壓下，氦氣的放電開(kāi)始電壓測(cè)量為大約3.7KV/cm。當(dāng)電極之間的距離為7mm時(shí)，需要大約2.6KV的放電開(kāi)始電勢(shì)。
如前所述，用于產(chǎn)生低溫等離子體的本發(fā)明裝置有以下優(yōu)點(diǎn)首先，用于引起空心陰極放電、毛細(xì)管放電或高度積累電場(chǎng)的、在大氣壓下產(chǎn)生等離子體的裝置能防止等離子體轉(zhuǎn)變成電弧，從而產(chǎn)生穩(wěn)定、高密度的低溫等離子體。
其次，該裝置可以在非常低的電壓下引起和保持放電，并可以采用很寬頻帶，另外還有較低耗電量，并能以較低成本制造。
最后，該裝置可以在很大區(qū)域中產(chǎn)生高密度的均勻等離子體。該等離子體適于形成高能自由基，該高能自由基廣泛用于各種領(lǐng)域，包括進(jìn)行粘接、拋光、清潔、薄膜沉積、殺菌、消毒、臭氧制備、印刷、染色、蝕刻、自來(lái)水和廢水的凈化、空氣和汽車排氣的凈化、燃料完全燃燒、制造高亮度燈等。這時(shí)，等離子體能夠產(chǎn)生很好的結(jié)果，并大大減小處理時(shí)間。
本發(fā)明已經(jīng)通過(guò)示例方式進(jìn)行了說(shuō)明，但是應(yīng)當(dāng)知道，所用的術(shù)語(yǔ)是為了說(shuō)明，而不是為了限制。根據(jù)上述說(shuō)明，本發(fā)明可以進(jìn)行多種變化和改變。因此，應(yīng)當(dāng)知道，在附加權(quán)利要求的范圍內(nèi)，本發(fā)明可以以不同于特定說(shuō)明的方式來(lái)實(shí)施。
權(quán)利要求
1.一種用于在大氣壓下產(chǎn)生低溫等離子體的裝置，包括彼此相對(duì)的一對(duì)電極，該對(duì)電極間開(kāi)一定距離，它們中的一個(gè)與電源相連，另一個(gè)接地；一對(duì)電介質(zhì)，該對(duì)電介質(zhì)的厚度為25μm-10mm，布置在電極的相對(duì)表面上，以便彼此相對(duì)，在它們中的一個(gè)內(nèi)有至少一個(gè)放電間隙；以及導(dǎo)體電極，該導(dǎo)體電極有至少一個(gè)尖端，該至少一個(gè)尖端布置在放電間隙內(nèi)，其中，通過(guò)采用頻帶為50Hz-10GHz的脈沖直流電或交流電，同時(shí)在電極之間供給反應(yīng)氣體，從而由電源在電極之間施加1-100KV/cm的電場(chǎng)強(qiáng)度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中放電間隙的寬度為5μm至2mm，高度為寬度的5-250倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中電極由金屬制成，尖端的高度為它的寬度的0.1-20倍，且尖端的密度為每10mm電極長(zhǎng)度有1-100個(gè)尖端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中電介質(zhì)由從以下組中選定的絕緣材料制成玻璃、氧化鋁、氮化硼、碳化硅、氮化硅、石英和氧化鎂。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于在大氣壓下產(chǎn)生低溫等離子體的裝置，該裝置包括彼此相對(duì)的一對(duì)電極，該對(duì)電極間開(kāi)一定距離，它們中的一個(gè)與電源相連，另一個(gè)接地；一對(duì)厚度為25um－10mm的電介質(zhì)，該對(duì)電介質(zhì)布置在電極的相對(duì)表面上，從而彼此相對(duì)，它們中的一個(gè)內(nèi)有至少一個(gè)放電間隙；以及導(dǎo)體電極，該導(dǎo)體電極有至少一個(gè)尖端，該至少一個(gè)尖端布置在放電間隙內(nèi)，其中，通過(guò)采用頻帶為50Hz－10GHz的脈沖直流電或交流電，同時(shí)在電極之間供給反應(yīng)氣體，從而由電源在電極之間施加1－100KV/cm的電場(chǎng)強(qiáng)度，以便由放電間隙引起空心陰極放電、毛細(xì)管放電或電荷高度積累。本發(fā)明能防止等離子體轉(zhuǎn)變成電弧，從而產(chǎn)生穩(wěn)定、高密度的低溫等離子體。
文檔編號(hào)H01J37/32GK1491527SQ02804879
公開(kāi)日2004年4月21日 申請(qǐng)日期2002年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月12日
發(fā)明者南基錫, 李相老, 李九鉉, 羅鐘周, 金鐘國(guó) 申請(qǐng)人:Se等離子體公司