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CN1228999C - 用于在大气压下产生低温等离子体的装置 - Google Patents

用于在大气压下产生低温等离子体的装置 Download PDF

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CN1228999C CNB028048792A CN02804879A CN1228999C CN 1228999 C CN1228999 C CN 1228999C CN B028048792 A CNB028048792 A CN B028048792A CN 02804879 A CN02804879 A CN 02804879A CN 1228999 C CN1228999 C CN 1228999C
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Abstract

本发明公开了一种用于在大气压下产生低温等离子体的装置，该装置包括：彼此相对的一对电极，该对电极间开一定距离，它们中的一个与电源相连，另一个接地；一对厚度为25um-10mm的电介质，该对电介质布置在电极的相对表面上，从而彼此相对，它们中的一个内有至少一个放电间隙；以及导体电极，该导体电极有至少一个尖端，该至少一个尖端布置在放电间隙内，其中，通过采用频带为50Hz-10GHz的脉冲直流电或交流电，同时在电极之间供给反应气体，从而由电源在电极之间施加1-100KV/cm的电场强度，以便由放电间隙引起空心阴极放电、毛细管放电或电荷高度积累。本发明能防止等离子体转变成电弧，从而产生稳定、高密度的低温等离子体。

Description

用于在大气压下产生低温等离子体的装置
技术领域
本发明涉及一种用于在大气压下通过较低的放电开始和保持电压来产生高密度低温等离子体的装置。
背景技术
通常，等离子体定义为部分离子化的气体，它由几乎等量的正负自由电荷组成，因此它为电中性。根据进行离子化时的温度，等离子体分成高温等离子体和低温等离子体子组，等离子体在化学上和物理上有很高的反应性。
低温等离子体用于合成各种材料，例如金属、半导体、聚合物、尼龙、塑料、纸张、纤维和臭氧，或者改变材料的表面特性，同时提高各种物理和化学特性，例如连接强度、染色特性、可印刷性等。因此，低温等离子体在半导体、金属、陶瓷薄膜的合成以及清洁领域中有多种用途。
通常，低温等离子体可以在低压真空容器中产生。为了保持该真空，需要很昂贵的装置。此外，当要处理的材料尺寸较大时，将难以向它们施加等离子体。等离子体处理的另一问题是难以自动进行等离子体处理。而且，等离子体难以处理具有很高蒸气压力或进行脱气的材料，例如橡胶、生物材料等。
为了避免这些问题，已经发展了各种技术，例如电晕放电、电介质屏蔽放电和辉光放电，因此，低温等离子体可以在大气压下产生。目前，除了前述领域，这些技术还广泛用于多个领域，包括化学药剂例如臭氧的合成、杀菌、解毒以及合成难以在真空中用等离子体处理的材料。
电晕放电是表现为当电压梯度超过临界值时在导体表面上或附近产生蓝紫色辉光的放电。通常，通过向由导电材料例如金属形成的两个尖角电极之间施加高电压，由电极产生等离子体带。当在具有非常短距离的两个电极之间施加电压时，产生电弧，从而形成具有非常小直径的线性等离子体。这时，为了防止等离子体转变成电弧放电，电压间歇施加，或者向电极提供电阻。
电介质屏蔽放电利用由电介质极化而产生的电荷积累，以便形成反向电势，这时放电停止，也就是，它利用脉冲放电，从而防止发生电弧放电。
当电晕放电时，等离子体形成条带形状，它并不均匀，且密度较低。此外，因为两个电极之间的间隙较窄，电晕放电难以用于三维形状的物体。还有，电晕放电的其它问题包括产生噪音和电极使用寿命较短。
尽管能提供均匀的等离子体，但是电介质屏蔽放电并不能保证在较大区域内产生均匀、分散的等离子体，与电晕放电相同。当提供附加装置以防止发生电弧放电时，电介质屏蔽放电的等离子体密度降低，且两个电极之间的距离较窄，以致于限制了要处理的物体的尺寸和形状。
当使用具有较高放电开始和保持电势的气体例如氩气、氧气和氮气时，电晕放电和电介质屏蔽放电技术都需要较高电压的电源。不过，该电源难以操作和控制，因为它很昂贵，且耗电量高。
发明内容
因此，本发明的目的是克服在现有技术中遇到的上述问题，并提供用于在大气压下产生低温等离子体的装置，该装置具有新颖的电极结构，以便防止等离子体转变成电弧放电。
本发明的另一目的是提供一种等离子体产生装置，该装置的放电电压很低，以便大大降低工作和设备成本以及所装备的电源的耗电量。
本发明的还一目的是提供一种等离子体产生装置，该装置能够利用很宽频带的交流电和脉冲直流电。
本发明的还一目的是提供一种等离子体产生装置，该装置能够在高放电开始电势的气体例如氮气、氧气和空气中进行放电。
本发明的还一目的是提供一种等离子体产生装置，该装置能够在较低放电电压下在很大区域内产生均匀、高密度的低温等离子体。
根据本发明上述目的可以通过提供一种用于在大气压下产生低温等离子体的装置来实现，该装置包括：彼此相对的一对电极，该对电极间开一定距离，它们中的一个与电源相连，另一个接地；一对厚度为25μm-10mm的电介质，该对电介质布置在电极的相对表面上，以便彼此相对，在它们中的一个内有至少一个放电间隙；以及导体电极，该导体电极有至少一个尖端，该至少一个尖端布置在放电间隙内，其中，通过采用频带为50Hz-10GHz的脉冲直流电或交流电，同时在电极之间供给反应气体，从而由电源在电极之间施加1-100KV/cm的电场强度。
由本发明装置产生的等离子体适于形成高能自由基，该高能自由基广泛用于各种领域，包括进行粘接、抛光、清洁、薄膜沉积、杀菌、消毒、臭氧制备、印刷、染色以及各种材料的蚀刻，这些材料包括金属、橡胶、纤维、合成树脂和半导体。还有，等离子体的应用领域包括自来水和废水的净化、空气和汽车排气的净化(例如SOx和NOx)、燃料完全燃烧、制造高亮度灯等。
附图说明
通过下面的详细说明并结合附图，可以更清楚地了解本发明的上述和其它目的、特征和其它优点，附图中：
图1是表示板结构的电极的剖视图，该电极适用于本发明第一实施例的、用于在大气压下产生低温等离子体的装置；
图2是表示管结构的电极的剖视图，该电极适用于本发明第二实施例的、用于在大气压下产生低温等离子体的装置；以及
图3提供了导体电极的尖端的视图。
具体实施方式
通过附图，可以更好地了解本发明优选实施例的应用，附图中，相同的参考标号分别用于相同和相应的部件。
第一实施例
参考图1，图中表示了电极结构的剖视图，该电极结构适用于本发明第一实施例的、用于在大气压下产生低温等离子体的装置。在该实施例中，本发明利用板结构的电极来在大气压下产生低温等离子体。
如图1所示，根据本发明，装置有一对电极1和2，该对电极1和2布置成彼此相对。这两个电极中的一个与电源6相连，而另一电极接地。当电源6提供直流电时，接地电极为阳极2，与电源6相连的电极设置为阴极1。优选是，两个电极都由金属制成，例如不锈钢、铝或铜。
电介质3和4分别安装在电极1和2，并布置成彼此相对。为了便于产生等离子体，优选是各电介质3和4的厚度为从25μm至10mm。在安装在与电源相连的电极1上的电介质3中，提供有放电间隙7，该放电间隙沿垂直于电介质表面的方向穿过该电介质3。另一方面，安装在接地电极2表面上的电介质4没有放电间隙。也就是，一个具有垂直穿孔放电间隙的电介质安装在与电源6相连的电极1上，另一个没有放电间隙的电介质安装在接地电极2上，然后，这两个电介质布置成彼此相对。
具有一定宽度(a)和一定高度(b)并从电极1上伸出的导体电极5布置在各个放电间隙7中。导体电极5有尖端8、8’或8”，这些尖端可以有图3A、3B或3C所示形状。通过利用电源6的电场，导体电极5在尖端8、8’或8”处积累电荷，这些尖端有利于积累电荷的放电。此外，尖端8、8’或8”还有控制各放电间隙7的宽度(c)和高度(d)的功能。
如图3A、3B和3C所示，形成于导体电极5上的尖端的形状可以为尖角形、矩形或曲线形。其它各种形状也可以用于这些尖端。
优选是，尖端的高度(f)为它们的宽度(e)的0.1-20倍，同时，这些尖端的密度为每10mm有1-100个。
对尖端的尺寸和数量的限制是因为当该尺寸和数量超出范围时，电荷在尖端积累的效率太低，以致于不能降低放电开始和保持电压，且不能获得高密度等离子体和不能产生均匀的等离子体。
尽管具有板结构电极的装置表示为在与电源6相连的电极1上有电介质3以及在接地电极上有电介质4，但是应当知道，本发明并不局限于此，而是可以有各种结构。例如，上面布置有电介质3和4的电极1和2可以改变位置，也就是，具有放电间隙7的电介质3安装在接地电极2上，而没有放电间隙7的电介质4安装在与电源6相连的电极1上。此外，当具有放电间隙7的电介质安装在电极1和2中的一个上时，剩下的一个可以没有电介质。
电介质的厚度范围为从25μm至10mm，该电介质需要能耐高温，并有极好的介电特性。优选是，电介质由从以下组中选定的材料制成：玻璃、氧化铝、氮化硼、碳化硅、氮化硅、石英和氧化镁。
当电介质3上没有提供放电间隙7时，产生等离子体需要很高电压。且产生的等离子体的密度较低。相反，当电介质3提供有具有放电间隙7和尖端8的导体电极5时，施加在电极1、2和5上的电场在尖端处积累并因此加强，从而在放电间隙7中引起空心阴极放电和毛细管放电。因此，产生等离子体所需的电压能够降低，且产生的等离子体密度较高，且很稳定。
优选是，垂直穿过电介质的放电间隙7的宽度(c)范围为从5μm至2mm，高度(d)范围为比宽度(c)长5-250折(fold)。当宽度和高度超出该限制范围时，不能产生毛细管放电和空心阴极放电，这样，不能将放电开始和保持电势降低至合适值。此外，还不能稳定地产生高密度等离子体，且不能防止等离子体转变成电弧。
第二实施例
参考图2，图中表示了电极结构的剖视图，该电极结构适用于根据本发明另一实施例的、用于在大气压下产生低温等离子体的装置中。在本实施例中，本发明将管结构的电极用于能够在大气压下产生低温等离子体的装置中。
如图2所示，提供了管形电极3’，电介质3’安装在该管形电极1的内周上。与该管形电极1’同心的柱形芯电极2’沿该管形电极1’的中心轴线布置在离安装于管形电极1’内表面上的电介质3’一定距离处。各电极的两端固定，同时进行合适绝缘(未示出)，阳极电介质4’固定在芯电极2’的外周上，同时多个放电间隙7’等间距地布置在阳极电介质4’中。
各电极3’和4’的厚度可以在第一实施例中所述的范围内。还有，放电间隙7的宽度(c)和高度(d)也有与第一实施例中相同的限制。在芯电极2的外周上布置有导体电极5，该导体电极5的宽度(a)和高度(b)也与放电间隙7相配合。导体电极5也提供有尖端，该尖端的形状如图3中所示。
当管形电极1’接地时，芯电极2’与电源6相连。
不过，在管结构中，在电极1’和2’以及电介质3’和4’的布置方式、形状和构造方面可以进行各种变化。
为了产生等离子体，通过使用频带宽为50Hz-10GHz的脉冲直流电或交流电，由电源6向第一和第二实施例中的装置施加的电场的强度为1-100kV/cm。当存在这样的电场时，在放电间隙的尖端和相对电极之间产生放电，从而产生等离子体。
通过使用本发明的装置，可以稳定地在较大区域中产生均匀的等离子体。
由本发明的装置产生的等离子体用于各种材料，例如金属、橡胶、纤维、纸张和合成树脂例如塑料、尼龙、环氧树脂等，并用于将材料的表面特性改变成适于进行粘接、抛光、薄膜沉积、染色、印刷等。
还有，等离子体可以直接用于除去污染空气中的有毒物质和使该污染空气净化。此外，等离子体可用于制造臭氧，臭氧可用于自来水的杀菌和消毒、废水的净化、汽车排气的净化(例如SOx和NOx)以及使汽车发动机中的燃料完全燃烧。还有，等离子体可以用于制造非常明亮的灯，该灯可用于光化学反应，该光化学反应可用于各种表面处理，包括半导体装置的制造。例如，反应气体如空气、水蒸气、氧气、氮气、氢气、氩气、氦气、甲烷、氨、四氟化碳、aectylene、丙烷等单独或组合供给到安装有电介质的电极之间，然后通过电源施加高电场，以便产生等离子体。
该等离子体可用于进行粘接、抛光、清洁、薄膜沉积、杀菌、消毒、臭氧制备、染色、印刷、蚀刻、水的净化、空气和汽车排气的净化、使汽车发动机中的燃料完全燃烧、制造高亮度灯等。
实施实例
本实施实例采用了与第二实施例相同的等离子体制造装置，该装置有板结构，其中，两个电极板1和2布置成彼此相对，且在电极板1和2的各相对表面上提供有电介质。在一个电介质3和4中形成有多个放电间隙7，每个放电间隙7的宽为200μm，高为2mm。对于导体电极5，提供有形状如图3a中所示的尖端8，每个尖端8的宽度(e)为2mm，高度(f)为1.5mm。在彼此相隔距离为7mm的两个电极1和5之间引入氦气，同时，在电极之间加上50KHz的直流双极性脉冲电源，以便在大气压下放电。
结果，大约1KV电压用于引起放电，而保持电压为大约0.7KV。这时，在没有产生电弧的情况下稳定地产生高密度等离子体。
在大气压下，氦气的放电开始电压测量为大约3.7KV/cm。当电极之间的距离为7mm时，需要大约2.6KV的放电开始电势。
如前所述，用于产生低温等离子体的本发明装置有以下优点：
首先，用于引起空心阴极放电、毛细管放电或高度积累电场的、在大气压下产生等离子体的装置能防止等离子体转变成电弧，从而产生稳定、高密度的低温等离子体。
其次，该装置可以在非常低的电压下引起和保持放电，并可以采用很宽频带，另外还有较低耗电量，并能以较低成本制造。
最后，该装置可以在很大区域中产生高密度的均匀等离子体。该等离子体适于形成高能自由基，该高能自由基广泛用于各种领域，包括进行粘接、抛光、清洁、薄膜沉积、杀菌、消毒、臭氧制备、印刷、染色、蚀刻、自来水和废水的净化、空气和汽车排气的净化、燃料完全燃烧、制造高亮度灯等。这时，等离子体能够产生很好的结果，并大大减小处理时间。
本发明已经通过示例方式进行了说明，但是应当知道，所用的术语是为了说明，而不是为了限制。根据上述说明，本发明可以进行多种变化和改变。因此，应当知道，在附加权利要求的范围内，本发明可以以不同于特定说明的方式来实施。

Claims (4)

1.一种用于在大气压下产生低温等离子体的装置，包括：彼此相对的一对电极，该对电极间开一定距离，它们中的一个与电源相连，另一个接地；一对电介质，该对电介质的厚度为25μm-10mm，布置在电极的相对表面上，以便彼此相对，在它们中的一个内有至少一个放电间隙；以及导体电极，该导体电极有至少一个尖端，该至少一个尖端布置在放电间隙内，其中，通过采用频带为50Hz-10GHz的脉冲直流电或交流电，同时在电极之间供给反应气体，从而由电源在电极之间施加1-100KV/cm的电场强度。
2.根据权利要求1所述的装置，其中：放电间隙的宽度为5μm至2mm，高度为宽度的5-250倍。
3.根据权利要求1所述的装置，其中：电极由金属制成，尖端的高度为它的宽度的0.1-20倍，且尖端的密度为每10mm电极长度有1-100个尖端。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其中：电介质由从以下组中选定的绝缘材料制成：玻璃、氧化铝、氮化硼、碳化硅、氮化硅、石英和氧化镁。
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