WO2006136467A1 - Method and device for identifying characteristics of the surface of a workpiece - Google Patents

Method and device for identifying characteristics of the surface of a workpiece Download PDF

Info

Publication number
WO2006136467A1
WO2006136467A1 PCT/EP2006/061749 EP2006061749W WO2006136467A1 WO 2006136467 A1 WO2006136467 A1 WO 2006136467A1 EP 2006061749 W EP2006061749 W EP 2006061749W WO 2006136467 A1 WO2006136467 A1 WO 2006136467A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
plasma
light
plasma jet
light intensity
workpiece
Prior art date
Application number
PCT/EP2006/061749
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Christian Buske
Alexander Knospe
Original Assignee
Plasmatreat Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Plasmatreat Gmbh filed Critical Plasmatreat Gmbh
Priority to EP06792456A priority Critical patent/EP1875212A1/en
Publication of WO2006136467A1 publication Critical patent/WO2006136467A1/en

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/71—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light thermally excited
    • G01N21/73—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light thermally excited using plasma burners or torches

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for characterizing a surface of a workpiece, which is acted upon by an atmospheric plasma jet.
  • an atmospheric plasma jet is generated and directed onto a surface.
  • An interaction of the plasma jet with the surface causes the plasma treatment.
  • Plasma treatments with an atmospheric plasma jet are of great importance in industrial production due to the large number of possible applications. Because in addition to a surface cleaning with cleaning and activation of the surface also plasma coatings and surface conversions for a subsequent cohesive joining of components by means of this technology can be performed.
  • the energy supply for the plasma treatment is preferably generated with a plasma source or plasma nozzle in which a plasma jet is generated by applying a high-frequency high voltage in a nozzle tube between two electrodes by means of a non-thermal discharge from a working gas.
  • the working gas is preferably under atmospheric pressure, which is why it is also referred to as an atmospheric plasma.
  • the plasma jet emerges from the nozzle opening, wherein one of the two electrodes is arranged in the region of the nozzle opening.
  • the non-thermal plasma jet preferably has no electrical streamer outside the plasma nozzle at a suitably set flow rate, ie discharge channels of the electrical discharge, so that only the high-energy but low-tempered plasma jet is directed onto the surface.
  • Such an atmospheric plasma jet is also called a potential-free plasma jet.
  • the voltage difference between the nozzle opening and the workpiece is preferably below 100 V.
  • the high electron temperature causes a high reactivity of the plasma gas or plasma gas mixture.
  • the low ion temperature causes a low heat energy, which is transferred to the surface upon impact of the plasma jet on the surface.
  • Such plasma sources are known per se from the prior art of EP 0 761 415 A1 and EP 1 335 641 A1.
  • the rotary nozzles known from WO 99/52333 and WO 01/43512 are suitable.
  • the plasma jet is generated by means of an atmospheric discharge in an oxygen-containing working gas.
  • an oxygen-containing working gas This increases the reactivity of the plasma jet.
  • air is used as the working gas.
  • a working gas can be used from a mixture of hydrogen and nitrogen, a so-called forming gas. As working gas, only nitrogen comes into question.
  • the non-thermal plasma discharge takes place in particular by using a high-frequency high voltage, wherein a series of discharges between two electrodes of the plasma nozzle is generated and the working gas is excited to a plasma emerging from the plasma nozzle.
  • a high-frequency sequence of the discharges ensures that no thermal equilibrium arises in the discharge space.
  • the imbalance between electron temperature and ion temperature can be maintained even in continuous operation.
  • the effectiveness of the plasma treatment depends on the choice of process gas, performance, duration of treatment and plant design, and adjustments can be made as required.
  • the voltage values frequency and amplitude represent suitable means for influencing the effectiveness of the plasma treatment.
  • the device consists of a ceramic tube which is surrounded on the outer wall with an outer electrode. With a few millimeters from the inner wall of the ceramic tube, an inner electrode is arranged as a rod. Through the gap between the inner wall of the ceramic tube and the inner electrode, an ionizable gas such as air or oxygen is passed. A high-frequency high-voltage field is applied to the two electrodes, as used in corona pretreatment of films.
  • the gas is ionized and exits at the end of the pipe.
  • the plasma treatment of surfaces is also used in very sensitive areas.
  • this technology is used in aircraft construction to clean surfaces of composites.
  • adhesive residues of adhesive bonds can adhere to the surface, which are disadvantageous for subsequent processing, for example.
  • the subsequent bonding of the components can be cleaned very carefully by means of an atmospheric plasma jet.
  • Another application of the plasma treatment is the plasma coating, as it is known from WO 01/32949. Again, there is the problem that can not be determined properly when a plasma coating is completed, so when, for example, a complete layer thickness has been achieved.
  • a surface layer of hydrated alumina may be converted prior to sticking by dehydrating and thus solidifying the alumina layer by a plasma impingement. Also in this process can not be determined exactly in the treatment process, when the plasma treatment can be stopped.
  • the invention is therefore based on the technical problem of providing a method and a device which enable a characterization of a surface of a workpiece and, moreover, a monitoring of a plasma treatment.
  • the above-mentioned technical problem is solved according to the invention by a method for characterizing a surface of a workpiece according to claim 1, wherein an atmospheric plasma jet is generated and directed to the surface, wherein the light generated in the plasma jet in the area of the applied surface is analyzed and wherein the light intensity in at least one spectral range as a measure of the concentration of at least one of the surface of the workpiece by exposure to the atmospheric plasma jet detached substance is determined.
  • the concentration of the substance in the plasma can be determined by means of a wavelength-selective analysis of the light emitted by the plasma.
  • the method described above may also be referred to as plasma emission spectroscopy. Because the plasma serves not only to detach the substance from the surface, but also as an excitation source for the emission generated by this substance.
  • the composition of the surface of the workpiece can be at least partially characterized by measuring the concentrations of the substances of interest in the plasma. So it depends on a state determination and not on a plasma treatment.
  • the light intensity in the at least one wavelength range is compared with the light intensity of another wavelength range, in particular by determining the difference or performing a normalization. If the light intensity in the other wavelength range is independent of the emission of the substance to be analyzed, then the light intensity in the at least one Wavelength range is set by the light intensity of the other wavelength range in relation and normalized. Variations in plasma intensity that are not caused by a variation in the concentration of the analyte can thus be eliminated.
  • the light intensity changes and, for example, decreases
  • a decreasing concentration of the substance can be deduced.
  • the decrease in light intensity may give an indication of the degree of completeness of a plasma treatment. Because during the plasma treatment, there may be a certain substance in the plasma due to the respective surface process, whose decreasing concentration represents a measure of the quality and completeness of the plasma treatment.
  • the measured light intensity increases, preferably increases asymptotically, if the detected substance can escape from the surface only after the treatment.
  • the concentration of the substance will asymptotically approach a threshold.
  • a criterion for the quality of the plasma treatment can be assumed. This method is particularly well suited because the light intensity is superimposed by radiation in the same wavelength range by other, independent of the concentration of the substance to be analyzed processes.
  • the light intensity in the spectral regions of interest is continuously or temporally measured during the plasma treatment and the temporal behavior of the measured values is compared with a predetermined reference or threshold value, then a condition can be established from which it can be established that the treatment in the current surface area is completed or can be completed.
  • the surface is cleaned by the plasma jet and the light intensity in the at least one wavelength range is determined as a measure of the degree of cleaning. If, for example, a surface of residues of a silicone adhesive is to be cleaned, then characteristic emission lines of silicon in the spectrum of the emitted light can be analyzed. The degree of cleaning of an oil spill or the degree of degreasing can be analyzed and determined, for example, by an analysis of characteristic bands in the spectrum of the oil concerned.
  • a particularly preferred embodiment of the method consists in enriching the substance which adheres to the surface and contaminating the surface with a messenger substance and in which the light intensity generated by the messenger substance is analyzed. This measure can lead to an improved analysis.
  • the addition of a messenger substance is possible just when the contamination of the surface caused by an upstream process using the substance.
  • the messenger substance can then be added to the substance before the upstream process so that it can be detected when it is removed from the surface.
  • a striking feature here is that the emission lines or emission bands differ significantly from the remaining spectrum of the light emitted from the plasma and that thus the detection of the messenger substance is simplified.
  • a plasma treatment of the surface usually also leads to a surface activation, which is aimed for a better wettability with liquids. This plays an important role especially for painting or for an adhesive application. Above all, the degree of activation is important, since only from a certain degree of activation wetting with a particular liquid is possible. The improvement in wettability is of particular interest in plastics, since they often have poor wettability.
  • the surface can be plasma-coated by the plasma jet and the light intensity in the at least one wavelength range can be determined as a measure of the degree of coating.
  • a plasma coating such as a
  • Plasma polymerization can be used as a measure of the completeness of the coating, the emission intensity of a substance that emerges from the uncoated surface. Because the intensity of the atmospheric plasma can be adjusted so that substances are dissolved out of the surface of the workpiece. This takes place only as long as the surface has not been completely coated. When the coating is complete, the substance of interest no longer emerges from the surface and the characteristic lines or bands are no longer present in the spectrum of the analyzed light.
  • the surface can be modified by the plasma jet, wherein the light intensity in the at least one wavelength range is determined as a measure of the degree of modification.
  • the light intensity in the at least one wavelength range is determined as a measure of the degree of modification.
  • a plasma jet treatment for surface modification for example in the above-mentioned dehydration of an aluminum oxide layer, occurs in the conversion of a substance, such as water molecules whose spectral characteristics in the spectrum can be used as a measure of the completeness of the modification.
  • the plasma is preferably analyzed by means of emission spectroscopy. These are spontaneous emission processes of the atoms and / or molecules contained in the plasma and excited by this plasma. Due to the high level of excitation, these emissions occur in great intensity.
  • the analysis of the emitted light is then carried out by means of a spectrograph, which spectrally dissolves and wavelength-selectively absorbs the incident light by means of diffraction or refraction.
  • the spectra thus obtained can then be monitored in individual wavelength sections in order to identify and measure the lines or bands in the wavelength spectrum characteristic of the substance to be analyzed.
  • the intensity of the spectrum in the spectral region of interest can be determined beforehand without the presence of the substance. In the presence of the substance, an increased intensity is then detected in the spectral region of interest, which is compared with the reference value or with the reference intensity. To determine the intensity, the integral is usually carried out over a plurality of measuring points or spectral ranges in order to keep the measuring error low. However, with a low wavelength resolution, only the measured value of a measuring channel can be evaluated.
  • the spectra are preferably determined using optical emission spectroscopy (OES), which is a widely used technology.
  • OES optical emission spectroscopy
  • This spectroscopy is to spectrally dissect a light beam by means of a diffraction grating and then record by means of a line scan camera or CCD camera.
  • the spectra thus obtained show an intensity distribution as a function of the wavelength. so that a wavelength-selective analysis of the light obtained from the plasma is made possible.
  • OES optical emission spectroscopy
  • Emission spectra are analyzed.
  • the plasma itself serves as an excitation source.
  • a targeted excitation of the substance to be detected is carried out by means of a separate excitation source, preferably by means of a laser beam, which leads to an emission of light with a specific spectral distribution.
  • This technology is also known laser-induced fluorescence (LIF).
  • LIF laser-induced fluorescence
  • a control signal may be generated which indicates to a user of the plasma nozzle that the previously treated area has been finished. The user can then proceed to another portion of the surface, thus systematically treating the surface to be processed with the plasma.
  • control an automatic plasma treatment as a function of the control signal.
  • the control means generates a control and control signal in response to an output signal of the analysis means, which is fed to the control of the plasma treatment plant.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a device according to the invention, which is attached to a first embodiment of a plasma nozzle
  • FIG. 2 shows a second embodiment of a device according to the invention, which is attached to a second embodiment of a plasma nozzle
  • Fig. 3 shows a third embodiment of a device according to the invention, which is fixed in a third embodiment of a plasma nozzle
  • Fig. 4 shows the second embodiment of a device according to the invention, which is attached to a fourth embodiment of a plasma nozzle
  • Fig. 5-8 diagrams for explaining the method according to the invention.
  • the plasma nozzle 10 shown in Fig. 1 has a nozzle tube 12 made of metal, which tapers conically to an outlet opening 14. At the end opposite the outlet opening 14, the nozzle tube 12 has an inlet 16 for a working gas, for example for compressed air.
  • An intermediate wall 18 of the nozzle tube 12 has a ring of obliquely set in the circumferential direction holes 20 and thus forms a swirl device for the working gas.
  • the downstream, conically tapered part of the nozzle tube is therefore traversed by the working gas in the form of a vortex 22, whose core extends on the longitudinal axis of the nozzle tube.
  • an electrode 24 is arranged centrally, which protrudes coaxially into the tapered portion of the nozzle tube 12.
  • the electrode 24 is formed by a rotationally symmetrical, rounded at the tip pin, for example made of copper, by an insulator 26 electrically opposite to Between wall 18 and the remaining parts of the nozzle tube 12 is isolated. Via an insulated shaft 28, a high-frequency AC voltage is applied to the electrode 24, which is generated by a high-frequency transformer 30.
  • the voltage is variably adjustable and is for example 500 V or more, preferably 2-5 kV, in particular more than 5 kV.
  • the frequency is for example in the order of 0.5 kHz to 50 kHz, preferably in the range of 15 to 30 kHz, and is preferably also adjustable. By a specific variation of the frequency and / or the amplitude of the voltage, the properties of the plasma can be influenced.
  • the shaft 28 is connected to the high frequency transformer 30 via a flexible high voltage cable 32.
  • the inlet 16 is connected via a hose, not shown, to a variable flow compressed air source, which is preferably combined with the high frequency generator 30 to form a supply unit.
  • the plasma nozzle 10 can be easily moved by hand or with the help of a robot arm.
  • the nozzle tube 12 and the intermediate wall 18 are grounded. By a targeted variation of the flow, the properties of the plasma can also be influenced.
  • the applied voltage becomes a
  • FIG. 2 shows, in contrast to FIG. 1, a plasma nozzle which is suitable for carrying out a plasma polymerization.
  • the same reference numerals designate the same components and features as previously described with reference to FIG. 1.
  • a lance 40 is provided in the area of the nozzle opening through which a precursor is introduced during operation of the plasma nozzle 10.
  • the precursor material is excited in the plasma jet 36 by supplying energy and brought to reaction. At least one of the reaction products is then deposited on the surface as a plasma coating.
  • Fig. 3 shows a plasma nozzle which is very similar to the plasma nozzle shown in Fig. 1, the difference between the two figures is essentially in the nature of the arrangement and attachment of a light guide.
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of a plasma nozzle 10, which generates a rotating plasma jet 36.
  • the nozzle tube 12 is rotatably supported by a bearing 80 and can be driven by a gear 82.
  • the mouthpiece 84 is connected by a thread 86 to the nozzle tube 12 and has a channel 88 directed away from the axis. The channel thus generates an obliquely to the axis extending plasma jet 36, the 12 upon rotation of the nozzle tube performs a circular motion and thus detects an enlarged area of the surface 54.
  • the rotatability of the mouthpiece 84 can also be achieved in that the mouthpiece 84 is rotatably mounted relative to the nozzle tube 12 and carries out the rotational movement independently of the nozzle tube 12. By a slight tangential tilting of the outlet of the mouthpiece 84 beyond the emerging plasma jet 36 can also be used for driving the rotational movement.
  • a spectrometer 50 which serves the spectral analysis.
  • the spectrometer 50 has an element which diffracts or refracts the incident light, for example a diffraction grating, so that the light is decomposed into its spectral components.
  • the spectrometer 50 has a plurality of photosensitive measuring cells which detect the different wavelength ranges. Examples of such measuring cell arrangements are line scan cameras or CCD cameras.
  • the device has as an optical means an optical fiber in the form of a fiber or a fiber bundle 52 for guiding a portion of the light which is emitted from the plasma 36 coming into contact with the surface 54 of the treated workpiece 56.
  • the light guide 52 directs the received light to the spectrometer 50, where it is then spectrally analyzed.
  • a fiber or a fiber bundle can also be a Lens optics may be provided.
  • the use of a fiber or a fiber bundle is preferred.
  • the spectrometer 54 is connected to evaluation means 58 for analyzing the measured intensity distribution of the light and to control means for controlling the plasma treatment.
  • the light guide 52 is directed on the input side to the surface area, which is acted upon by the plasma 36. This ensures that exactly the area is observed whose degree of plasma treatment is to be determined.
  • the light guide 52 may be provided on the input side with a collecting optics 60 in order to increase the detection range.
  • the collection optics 60 has two lenses, but the number of lenses of the collection optics 60 is not predetermined.
  • FIG. 1 shows that the light guide 52 is connected to the plasma jet 10 generating the plasma jet via a holder 62 and thus attached laterally to the plasma nozzle 10. This ensures that the observation of the plasma treatment is always directed to the same solid angle below the nozzle opening 14.
  • the holder 62 holds the collecting optics 60.
  • the light guide 52 is arranged in a guide 64 arranged inside the plasma nozzle 10.
  • the guide 64 extends through the entire nozzle assembly and is preferably made of a non-conductive material, such as ceramic.
  • the guide 64 can also be shorter be formed and end, for example, within the nozzle tube 12. The plasma is thus generated around the holder 64 without substantially limiting the intensity of the plasma.
  • the particular advantage of this arrangement of the light guide 52 is that the light guide 52 axially on the
  • Beauftschungs Kunststoff of the plasma 36 is directed to the surface 56, regardless of the distance from which the surface of the plasma nozzle is arranged.
  • the arranged inside the plasma nozzle 10 holder 64 does not necessarily have to be aligned axially. If required by the application, the bracket 64 may be disposed in a different orientation within the nozzle tube 12.
  • the light guide 52 is designed with collection optics 60 as in the embodiment of FIG. 2, but I connected to the rotating nozzle tube 12.
  • the illustration in Fig. 4 is intended to illustrate that the measurement of the light is not only carried out continuously, but also can be done at intervals. Because the rotational movement of the rotating nozzle tube 12 and the rotating mouthpiece 84 is so fast that it is preferable not to carry the optics. Therefore, the light guide 52 with the collection optics 60 observes a portion of the surface which is traversed once every rotation.
  • the measuring signal is thus a periodic signal.
  • the measurement of the light intensity then preferably takes place only in the time interval of the rotation in which the plasma jet 36 passes through the observed area of the surface.
  • a meaningful spectrum can be obtained.
  • the arrangement of a light guide 52 has been described with reference to four embodiments.
  • the invention is not limited to the use of only one light guide 52, because it can also be used a plurality of optical fibers or optical fiber bundles to collect the light to be analyzed.
  • FIG. 3 also shows that a laser 66 is provided to excite a portion of the plasma.
  • the laser 66 generates a laser beam 67 with a defined wavelength in order to achieve a targeted excitation of one of the substances in the plasma jet, in addition to the excitation already present in the plasma jet.
  • the laser beam 67 is slightly widened in FIG. 3 in order to indicate that the laser beam 67 radiates through a sufficiently large volume within the plasma to be examined.
  • the laser-induced fluorescence caused by the laser light in the atoms or molecules of the substance to be investigated can then be utilized in a targeted manner in the analysis of the measured spectrum.
  • a laser other means of excitation can be used. For example, microwave excitations or UV light excitations can be used.
  • the spectrometer 50 has been described as having a light-diffracting or refractive element, such as a diffraction grating.
  • This structure can alternatively be replaced by two different color filters, behind each of which a photosensitive element, for example a photodiode, is arranged.
  • a filter has an optionally narrow-band transmission characteristic, which transmits the light of the radiation to be observed, while the other filter preferably the light of a reference line or Passing reference band. Because it is usually not necessary to record the entire spectrum, but it is sufficient to observe the only interesting wavelength ranges.
  • the required structure is more compact than when using a diffraction grating.
  • the asymptotic behavior of the intensity can also be determined only by determining and evaluating the intensity of the light transmitted through the one color filter in the wavelength range of interest.
  • bandpass filters which allow light to pass only at wavelengths which lie between two cut-off wavelengths. Different colored light is not transmitted above and below the cutoff wavelengths.
  • a spectroscope in the context of this description thus means any device which enables a spectral analysis of the observed light in at least two different wavelength ranges.
  • a diffraction grating, which is a widely used component of a spectroscope, is not required.
  • FIG. 1 further shows that display means 68 are provided for displaying a control signal, which are provided with light-emitting diodes 69 arranged on the plasma nozzle 10. Thereby, it is possible to generate an optical signal indicating whether the plasma treatment of the surface should be finished or not. For example, the activation of a red LED may indicate that the surface treatment has not yet completed. and a green LED may indicate that the treatment of the surface section being treated has been completed.
  • FIGS. 2 and 4 show that the control means 58 are connected to control means 70 which controls automatic movement of the plasma nozzle 10 relative to the workpiece 56.
  • control means 70 which controls automatic movement of the plasma nozzle 10 relative to the workpiece 56.
  • the movement drive (not shown) of the plasma nozzle 10 can thus be controlled.
  • the drive means can be influenced in their adjustment speed.
  • FIG. 3 shows that the control means 58 is connected to a control device 72 having a display 74.
  • a control device 72 having a display 74.
  • more detailed information can be displayed via binary information by means of the two light-emitting diodes 69.
  • the development of the plasma treatment in the currently treated area of the surface could be displayed with the help of a bar graph.
  • the plasma treatment can be carried out in such a way that flashovers of the discharges generated in the plasma nozzle on the workpiece surface are avoided in order to avoid damaging a sensitive surface.
  • This is a so-called potential-free plasma.
  • an electrically conductive workpiece can be grounded so that targeted electrical discharges are pulled over to the workpiece. If this does not lead to an unwanted influence on the surface 54, higher processing speeds and at the same time significantly greater light intensities can be achieved.
  • FIGS. 5 to 8 show test results which relate to the detection of silicon emissions which result from contamination of the surface by silicones and their removal by the plasma treatment. Depending on the cleaning success, the different emission intensities were investigated.
  • the silicon atoms have an emission spectrum which, inter alia, has spectral lines at wavelengths of 251 nm and 288 nm.
  • the spectral lines are thus in the ultraviolet range of the spectrum.
  • FIGS. 4 and 5 show the optical emission spectra (emission as a function of the wavelength in nm) in different intensity scaling.
  • the spectra were recorded during a plasma treatment of a plastic panel with silicon-containing residues on the surface.
  • the lines labeled a and b indicate the emission wavelengths of the silicon at 251 and 288 nm.
  • threshold values for difference formation or for the asymptotic intensities for the emissions at 251 nm and 288 nm a Quality assurance with regard to the cleaning of silicon-containing residues on the surface.
  • the method according to the invention has been explained with reference to an example of a silicon-containing surface contamination. If other impurities such as oils, greases or other organic substances are to be cleaned from the surface, then the measured spectra must be evaluated on the basis of the spectral lines or spectral bands characteristic of these substances.
  • a substance which is dissolved out of the material of the workpiece to be coated by the plasma can be used for analysis.
  • a substance emerging from the surface during the modification can be used for the analysis.
  • the plasma can be used to detach a substance or several substances from the material of the workpiece which are determined in their concentration by means of the method described.
  • the relevant emission lines to be observed are preferably related to at least one other reference line or reference band which does not change due to changes in the surface, so that the influence of variations in the total optical intensity can be eliminated.
  • Which reference line or reference band is suitable for this purpose must be determined as a function of the overall system to be examined so as to ensure that fluctuations in the intensity of this reference line or reference band really only come about through process fluctuations and not changes in the surface.

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Abstract

The invention relates to a method for identifying characteristics of the surface (54) of a workpiece (56). According to said method, an atmospheric plasma jet (36) is generated and directed onto the surface, the light that is produced in the plasma jet in the vicinity of the surface that is struck by said jet is analysed (50) and the light intensity in at least one spectral range is determined as a measurement of the concentration of at least one material that is detached from the surface of the workpiece by the impact of the atmospheric plasma jet. The method can be used to analyse the surface itself or the quality of the treatment of said surface by the plasma jet. The invention also relates to a device for identifying characteristics of the surface of a workpiece using an atmospheric plasma jet and to a plasma nozzle comprising the aforementioned device.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Charakterisierung einer Oberfläche eines Werkstückes Method and device for characterizing a surface of a workpiece
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Charakterisierung einer Oberfläche eines Werkstückes, die mit einem atmosphärischen Plasmastrahl beaufschlagt wird.The invention relates to a method and a device for characterizing a surface of a workpiece, which is acted upon by an atmospheric plasma jet.
Bei der Plasmabeaufschlagung oder auch bei einer Palsmabehandlung wird ein atmosphärischer Plasmastrahl erzeugt und auf eine Oberfläche gerichtet. Durch eine Wechselwirkung des Plasmastrahls mit der Oberfläche wird die Plasmabehandlung hervorgerufen.During the plasma treatment or even during a palsmage treatment, an atmospheric plasma jet is generated and directed onto a surface. An interaction of the plasma jet with the surface causes the plasma treatment.
Plasmabehandlungen mit einem atmosphärischen Plasmastrahl haben aufgrund der Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten einen großen Stellenwert in der industriellen Fertigung. Denn neben einer Oberflächenreinigung mit Säuberung und Aktivierung der Oberfläche können auch Plasmabeschichtungen und Oberflächenumwandlungen für ein anschließendes Stoffschlüssiges Verbinden von Bauteilen mittels dieser Technologie durchgeführt werden.Plasma treatments with an atmospheric plasma jet are of great importance in industrial production due to the large number of possible applications. Because in addition to a surface cleaning with cleaning and activation of the surface also plasma coatings and surface conversions for a subsequent cohesive joining of components by means of this technology can be performed.
Die Energiezufuhr für die Plasmabehandlung wird bevorzugt mit einer Plasmaquelle bzw. Plasmadüse erzeugt, bei der mittels einer unter Anlegen einer hochfrequenten Hochspannung in einem Düsenrohr zwischen zwei Elektroden mittels einer nicht-thermischen Entladung aus einem Arbeitsgas ein Plasmastrahl erzeugt wird. Dabei steht das Arbeitsgas vorzugsweise unter Atmosphärendruck, man spricht daher auch von einem atmosphärischen Plasma. Der Plasmastrahl tritt aus der Düsenöffnung aus, wobei eine der beiden Elektroden im Bereich der Düsenöffnung angeordnet ist. Der nicht-thermische Plasmastrahl weist bevorzugt außerhalb der Plasmadüse bei einer geeignet eingestellten Strömungsrate keine elektrischen Streamer auf, also Entladungskanäle der elektrischen Entladung, so dass nur der energiereiche, aber niedrig temperierte Plasmastrahl auf die Oberfläche gerichtet wird. Ein solcher atmosphärischer Plasmastrahl wird auch als potentialfreier Plasmastrahl bezeichnet. Die Spannungsdifferenz zwischen der Düsenöffnung und dem Werkstück liegt dabei bevorzugt unterhalb von 100 V.The energy supply for the plasma treatment is preferably generated with a plasma source or plasma nozzle in which a plasma jet is generated by applying a high-frequency high voltage in a nozzle tube between two electrodes by means of a non-thermal discharge from a working gas. The working gas is preferably under atmospheric pressure, which is why it is also referred to as an atmospheric plasma. The plasma jet emerges from the nozzle opening, wherein one of the two electrodes is arranged in the region of the nozzle opening. The non-thermal plasma jet preferably has no electrical streamer outside the plasma nozzle at a suitably set flow rate, ie discharge channels of the electrical discharge, so that only the high-energy but low-tempered plasma jet is directed onto the surface. Such an atmospheric plasma jet is also called a potential-free plasma jet. The voltage difference between the nozzle opening and the workpiece is preferably below 100 V.
Zur Charakterisierung der Gaseigenschaften des Plasmastrahls wird von einer hohen Elektronentemperatur und einer niedrigen Ionentemperatur gesprochen. Die hohe Elektronentemperatur bewirkt eine hohe Reaktivität des Plasmagases oder Plasmagasgemisches. Die niedrige Ionentemtemperatur dagegen bewirkt eine geringe Wärmeenergie, die beim Auftreffen des Plasmastrahls auf der Oberfläche auf diese übertragen wird.For the characterization of the gas properties of the plasma jet is spoken of a high electron temperature and a low ion temperature. The high electron temperature causes a high reactivity of the plasma gas or plasma gas mixture. In contrast, the low ion temperature causes a low heat energy, which is transferred to the surface upon impact of the plasma jet on the surface.
Aus dem Stand der Technik der EP 0 761 415 Al und der EP 1 335 641 Al sind derartige Plasmaquellen an sich bekannt. Für einen großflächigere Anwendung des Plasmastrahls eignen sich die aus der WO 99/52333 und der WO 01/43512 bekannten Rotationsdüsen.Such plasma sources are known per se from the prior art of EP 0 761 415 A1 and EP 1 335 641 A1. For a larger-scale application of the plasma jet, the rotary nozzles known from WO 99/52333 and WO 01/43512 are suitable.
In bevorzugter Weise wird der Plasmastrahl mit Hilfe einer atmosphärischen Entladung in einem Sauerstoff enthaltenden Arbeitsgas erzeugt. Dadurch wird die Reaktivität des Plasmastrahls erhöht. In bevorzugter Weise wird Luft als Arbeitsgas verwendet. Ebenso kann ein Arbeitsgas aus einer Mischung aus Wasserstoff und Stickstoff eingesetzt werden, ein sogenanntes Formiergas . Als Arbeitsgas kommt auch nur Stickstoff in Frage.Preferably, the plasma jet is generated by means of an atmospheric discharge in an oxygen-containing working gas. This increases the reactivity of the plasma jet. Preferably, air is used as the working gas. Likewise, a working gas can be used from a mixture of hydrogen and nitrogen, a so-called forming gas. As working gas, only nitrogen comes into question.
Die nicht-thermische Plasmaentladung erfolgt insbesondere unter Anwendung einer hochfrequenten Hochspannung, wobei eine Folge von Entladungen zwischen zwei Elektroden der Plasmadüse erzeugt wird und das Arbeitsgas zu einem aus der Plasmadüse austretenden Plasma angeregt wird. Gerade die hochfrequente Folge der Entladungen gewährleistet, dass kein thermisches Gleichgewicht im Entladungsraum entsteht. Somit kann auch im Dauerbetrieb das Ungleichgewicht zwischen Elektronentemperatur und Ionentemperatur aufrecht gehalten werden.The non-thermal plasma discharge takes place in particular by using a high-frequency high voltage, wherein a series of discharges between two electrodes of the plasma nozzle is generated and the working gas is excited to a plasma emerging from the plasma nozzle. Especially the high-frequency sequence of the discharges ensures that no thermal equilibrium arises in the discharge space. Thus, the imbalance between electron temperature and ion temperature can be maintained even in continuous operation.
Die Effektivität der Plasmabehandlung hängt natürlich von der Wahl des Prozessgases, der Leistung, der Behandlungsdauer und des Anlagenkonzeptes ab und es können je nach Anforderung Anpassungen vorgenommen werden. Insbesondere stellen die Spannungswerte Frequenz und Amplitude geeignete Mittel dar, um die Effektivität der Plasmabehandlung zu beeinflussen.Of course, the effectiveness of the plasma treatment depends on the choice of process gas, performance, duration of treatment and plant design, and adjustments can be made as required. In particular, the voltage values frequency and amplitude represent suitable means for influencing the effectiveness of the plasma treatment.
Beim Stand der Technik der DE 37 33 492 erfolgt das Erzeugen des atmosphärischen Plasmastrahls mittels einer Koronaentladung durch eine Ionisation eines Arbeitsgases, bspw. Luft. Die Vorrichtung besteht aus einem Keramikrohr, das an der äußeren Wandung mit einer äußeren Elektrode umgeben ist. Mit wenigen Millimetern Abstand zur Innenwandung des Keramikrohres ist eine innere Elektrode als Stab angeordnet. Durch den Spalt zwischen der Innenwandung des Keramikrohres und der inneren Elektrode wird ein ionisierbares Gas wie Luft oder Sauerstoff geleitet. An die beiden Elektroden wird ein hochfrequentes Hochspannungsfeld angelegt, wie es bei einer Koronavorbehandlung von Folien eingesetzt wird. Durch das - A -In the prior art DE 37 33 492, the generation of the atmospheric plasma jet by means of a corona discharge by an ionization of a working gas, eg. Air takes place. The device consists of a ceramic tube which is surrounded on the outer wall with an outer electrode. With a few millimeters from the inner wall of the ceramic tube, an inner electrode is arranged as a rod. Through the gap between the inner wall of the ceramic tube and the inner electrode, an ionizable gas such as air or oxygen is passed. A high-frequency high-voltage field is applied to the two electrodes, as used in corona pretreatment of films. By the - A -
Wechselfeld wird das durchgeführte Gas ionisiert und tritt am Rohrende aus .Alternating field, the gas is ionized and exits at the end of the pipe.
Ebenso ist das Erzeugen eines atmosphärischen Plasmastrahls durch Anwendung eines hochfrequenten Spannungsfeldes, beispielsweise eines Mikrowellenfeldes, in einem Arbeitsgas bekannt. Diese Anregungsart kommt ohne das Erzeugen einer Gasentladung aus und ist somit weniger effizient als die zuerst beschriebene Plasmaquelle.Likewise, the generation of an atmospheric plasma jet by application of a high-frequency voltage field, for example a microwave field, in a working gas is known. This type of excitation does not require the generation of a gas discharge and is thus less efficient than the plasma source described first.
Letztlich kommt es aber auf die Art der Anregung des Arbeitsgases zur Plasmaerzeugung nicht an, solange eine ausreichende Intensität eines Plasmastrahls erzeugt werden kann .Ultimately, however, it does not depend on the type of excitation of the working gas for plasma generation, as long as a sufficient intensity of a plasma jet can be generated.
Die Plasmabehandlung von Oberflächen kommt auch in sehr sensitiven Bereichen zur Anwendung. Beispielsweise wird diese Technologie im Flugzeugbau eingesetzt, um Oberflächen von Verbundwerkstoffen zu reinigen. So können nach Lackierarbeiten Klebstoffreste von Abklebungen an der Oberfläche haften bleiben, die für die nachfolgende Verarbeitung, bspw. für das nachfolgende Verkleben der Bauteile nachteilig sind. Hier kann mittels eines atmosphärischen Plasmastrahls die Oberfläche sehr sorgfältig gereinigt werden.The plasma treatment of surfaces is also used in very sensitive areas. For example, this technology is used in aircraft construction to clean surfaces of composites. Thus, after painting work adhesive residues of adhesive bonds can adhere to the surface, which are disadvantageous for subsequent processing, for example. For the subsequent bonding of the components. Here, the surface can be cleaned very carefully by means of an atmospheric plasma jet.
Dabei tritt das Problem auf, dass der Grad der Reinigung nicht eindeutig vom Bearbeiter festgestellt werden kann, der die Plasmaquelle bedient. Um sicher zu gehen, wird der Bearbeiter daher oft eine zu langeThe problem arises that the degree of cleaning can not be clearly determined by the processor who operates the plasma source. To be sure, the editor is therefore often too long
Plasmabeaufschlagungszeit wählen. Diese ist sowohl technisch als auch wirtschaftlich nicht sinnvoll.Select plasma loading time. This is not sensible both technically and economically.
Auch bei anderen Arten der Reinigung von Verschmutzungen von Werkstücken, beispielsweise eine Verschmutzunσ mit Ölen kann der Grad der Reinigung mittels eines atmosphärischen Plasmas nicht überprüft werden.Also with other types of cleaning of contaminants of workpieces, such as a Schmutzutunσ with oils the degree of cleaning by means of an atmospheric plasma can not be checked.
Eine weitere Anwendung der Plasmabehandlung besteht in der Plasmabeschichtung, wie sie aus der WO 01/32949 bekannt ist. Auch hier stellt sich das Problem, das nicht einwandfrei bestimmt werden kann, wann eine Plasmabeschichtung abgeschlossen ist, also wann beispielsweise eine vollständige Schichtdicke erreicht worden ist.Another application of the plasma treatment is the plasma coating, as it is known from WO 01/32949. Again, there is the problem that can not be determined properly when a plasma coating is completed, so when, for example, a complete layer thickness has been achieved.
Des Weiteren ist kann eine Oberflächenschicht aus hydratisiertem Aluminiumoxid vor einem Verkleben umgewandelt werden, indem durch eine Plasmabeaufschlagung die Aluminiumoxidschicht dehydratisiert und somit verfestigt wird. Auch bei diesem Prozess kann im Behandlungsprozess nicht genau festgestellt werden, wann die Plasmabehandlung beendet werden kann.Furthermore, a surface layer of hydrated alumina may be converted prior to sticking by dehydrating and thus solidifying the alumina layer by a plasma impingement. Also in this process can not be determined exactly in the treatment process, when the plasma treatment can be stopped.
Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die eine Charakterisierung einer Oberfläche eines Werkstückes und darüber hinaus eine Überwachung einer Plasmabehandlung ermöglichen .The invention is therefore based on the technical problem of providing a method and a device which enable a characterization of a surface of a workpiece and, moreover, a monitoring of a plasma treatment.
Das zuvor aufgezeigte technische Problem wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Charakterisierung einer Oberfläche eines Werkstückes nach Anspruch 1 gelöst, bei dem ein atmosphärischer Plasmastrahl erzeugt wird und auf die Oberfläche gerichtet wird, bei dem das in dem Plasmastrahl im Bereich der beaufschlagten Oberfläche entstehende Licht analysiert wird und bei dem die Lichtintensität in mindestens einem Spektralbereich als Maß für die Konzentration mindestens eines von der Oberfläche des Werkstückes durch Beaufschlagung mit dem atmosphärischen Plasmastrahl abgelösten Stoffes bestimmt wird.The above-mentioned technical problem is solved according to the invention by a method for characterizing a surface of a workpiece according to claim 1, wherein an atmospheric plasma jet is generated and directed to the surface, wherein the light generated in the plasma jet in the area of the applied surface is analyzed and wherein the light intensity in at least one spectral range as a measure of the concentration of at least one of the surface of the workpiece by exposure to the atmospheric plasma jet detached substance is determined.
Dieser Lösung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das Plasma in dem Bereich, in dem es mit der Oberfläche des Werkstückes in Kontakt steht, Stoffe enthält, die durch das Plasma von der Oberfläche abgelöst worden sind. Diese Stoffe sind zudem durch die im Plasma enthaltene Energie angeregt und emittieren Licht. Da diese Stoffe ein charakteristisches wellenlängenabhängigesThis solution is based on the knowledge that the plasma in the area in which it is in contact with the surface of the workpiece, contains substances that have been detached from the surface by the plasma. These substances are also excited by the energy contained in the plasma and emit light. Because these substances have a characteristic wavelength-dependent
Emissionsverhalten aufweisen, lässt sich die Konzentration des Stoffes im Plasma anhand einer wellenlängenselektiven Analyse des vom Plasma abgestrahlten Lichtes bestimmen.Having emission behavior, the concentration of the substance in the plasma can be determined by means of a wavelength-selective analysis of the light emitted by the plasma.
Daher kann das zuvor beschriebene Verfahren auch als Plasmaemissionspektroskopie bezeichnet werden. Denn das Plasma dient nicht nur zum Ablösen des Stoffes aus der Oberfläche, sondern auch als Anregungsquelle für die von diesem Stoff erzeugte Emission.Therefore, the method described above may also be referred to as plasma emission spectroscopy. Because the plasma serves not only to detach the substance from the surface, but also as an excitation source for the emission generated by this substance.
Mit dem zuvor beschriebenen Verfahren kann also die Oberfläche des Werkstückes in ihrer Zusammensetzung zumindest teilweise charakterisiert werden, indem die Konzentrationen der interessierenden Stoffe im Plasma gemessen werden. Hierbei kommt es also auf eine Zustandsbestimmung und nicht auf eine Plasmabehandlung an.With the method described above, therefore, the composition of the surface of the workpiece can be at least partially characterized by measuring the concentrations of the substances of interest in the plasma. So it depends on a state determination and not on a plasma treatment.
In bevorzugter Weise wird die Lichtintensität in dem mindestens einen Wellenlängenbereich mit der Lichtintensität eines anderen Wellenlängenbereiches verglichen wird, insbesondere indem die Differenz bestimmt wird oder eine Normierung durchgeführt wird. Wenn die Lichtintensität im anderen Wellenlängebereich von der Emission des zu analysierenden Stoffes unabhängig ist, dann wird die Lichtintensität in dem mindestens einen Wellenlängenbereich durch die Lichtintensität des anderen Wellenlängenbereich in Relation gesetzt und normiert. Schwankungen der Plasmaintensität, die nicht durch eine Schwankung der Konzentration des zu analysierenden Stoffes hervorgerufen werden, können somit eliminiert werden.In a preferred manner, the light intensity in the at least one wavelength range is compared with the light intensity of another wavelength range, in particular by determining the difference or performing a normalization. If the light intensity in the other wavelength range is independent of the emission of the substance to be analyzed, then the light intensity in the at least one Wavelength range is set by the light intensity of the other wavelength range in relation and normalized. Variations in plasma intensity that are not caused by a variation in the concentration of the analyte can thus be eliminated.
Darüber hinaus ist es möglich, die zeitliche Entwicklung der Lichtintensität in dem mindestens einen Spektralbereich zu bestimmen, mit oder ohne Normierung mit der Lichtintensität in einem anderen Wellenlängenbereich. Ändert sich die Lichtintensität nicht oder nur geringfügig, dann kann daraus eine konstante Intensität des Stoffes im Plasma geschlossen werden. Insbesondere bei der Charakterisierung der Oberflächenzusammensetzung kann dieses Verfahren zu besonders stabilen Messergebnissen führen .In addition, it is possible to determine the temporal evolution of the light intensity in the at least one spectral range, with or without normalization with the light intensity in another wavelength range. If the light intensity does not change, or only slightly, then a constant intensity of the substance in the plasma can be deduced from this. In particular, in the characterization of the surface composition, this method can lead to particularly stable measurement results.
Ändert sich dagegen die Lichtintensität und nimmt beispielsweise ab, dann kann auf eine abnehmende Konzentration des Stoffes geschlossen werden. Somit kann die Abnahme der Lichtintensität einen Hinweis über den Grad der Vollständigkeit einer Plasmabehandlung geben. Denn während der Plasmabehandlung kann es durch den jeweiligen Oberflächenprozess einen bestimmten Stoff im Plasma geben, dessen abnehmende Konzentration ein Maß für die Qualität und Vollständigkeit der Plasmabehandlung darstellt. Ebenso ist es denkbar, dass die gemessene Lichtintensität zunimmt, vorzugsweise asymptotisch zunimmt, wenn der nachgewiesene Stoff aus der Oberfläche erst nach der Behandlung austreten kann .If, on the other hand, the light intensity changes and, for example, decreases, then a decreasing concentration of the substance can be deduced. Thus, the decrease in light intensity may give an indication of the degree of completeness of a plasma treatment. Because during the plasma treatment, there may be a certain substance in the plasma due to the respective surface process, whose decreasing concentration represents a measure of the quality and completeness of the plasma treatment. Likewise, it is conceivable that the measured light intensity increases, preferably increases asymptotically, if the detected substance can escape from the surface only after the treatment.
In bevorzugter Weise wird sich die Konzentration des Stoffes asymptotisch einem Grenzwert nähern. Somit kann dann, wenn für mindestens ein Paar von aufeinander folgenden Messungen der Lichtintensität die Differenz der Messwerte einen vorgegebener Grenzwert unterschreitet, ein Kriterium für die Qualität der Plasmabehandlung angenommen werden. Diese Methode ist insbesondere deswegen gut geeignet, da die Lichtintensität durch Strahlung in dem gleichen Wellenlängenbereich durch andere, von der Konzentration des zu analysierenden Stoffes unabhängige Prozesse überlagert wird.Preferably, the concentration of the substance will asymptotically approach a threshold. Thus, if for at least a pair of successive measurements of the light intensity the difference of the Measured values falls below a predetermined limit, a criterion for the quality of the plasma treatment can be assumed. This method is particularly well suited because the light intensity is superimposed by radiation in the same wavelength range by other, independent of the concentration of the substance to be analyzed processes.
Wird also während der Plasmabehandlung kontinuierlich oder in zeitlichen Abständen die Lichtintensität in den interessierenden Spektralbereichen gemessen und ggf. das zeitliche Verhalten der Messwerte mit einem vorgegebenen Referenz- oder Schwellenwert verglichen, so kann eine Bedingung aufgestellt werden, ab der festgestellt werden kann, dass die Behandlung in dem aktuellen Oberflächenbereich abgeschlossen ist bzw. abgeschlossen werden kann.Thus, if the light intensity in the spectral regions of interest is continuously or temporally measured during the plasma treatment and the temporal behavior of the measured values is compared with a predetermined reference or threshold value, then a condition can be established from which it can be established that the treatment in the current surface area is completed or can be completed.
Bei einer bevorzugten Anwendung wird die Oberfläche durch den Plasmastrahl gereinigt und die Lichtintensität in dem mindestens einen Wellenlängenbereich wird als Maß für den Grad der Reinigung ermittelt. Soll also beispielsweise eine Oberfläche von Resten eines Silikonklebstoffes gesäubert werden, dann können charakteristische Emissionslinien von Silizium im Spektrum des abgestrahlten Lichtes analysiert werden. Der Grad der Reinigung einer Ölverschmutzung oder der Grad einer Entfettung kann beispielsweise durch eine Analyse von charakteristischen Banden im Spektrum des betreffenden Öls analysiert und bestimmt werden.In a preferred application, the surface is cleaned by the plasma jet and the light intensity in the at least one wavelength range is determined as a measure of the degree of cleaning. If, for example, a surface of residues of a silicone adhesive is to be cleaned, then characteristic emission lines of silicon in the spectrum of the emitted light can be analyzed. The degree of cleaning of an oil spill or the degree of degreasing can be analyzed and determined, for example, by an analysis of characteristic bands in the spectrum of the oil concerned.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, dass der auf der Oberfläche anhaftende und die Oberfläche verschmutzende Stoff mit einem Botenstoff angereichert wird und bei dem die durch den Botenstoff erzeugte Lichtintensität analysiert wird. Diese Maßnahme kann zu einer verbesserten Analyse führen. Das Hinzufügen eines Botenstoffes ist gerade dann möglich, wenn die Verschmutzung der Oberfläche durch einen vorgelagerten Prozess unter Einsatz des Stoffes hervorgerufen wird. Der Botenstoff kann dann dem Stoff vor dem vorgelagerten Prozess zugefügt werden, um dann beim Entfernen von der Oberfläche nachgewiesen werden zu können. Somit ist es möglich, gezielt einen Stoff mit einem markanten Emissionsverhalten einzusetzen. Markant bedeutet dabei, dass sich die Emissionslinien oder Emissionsbanden deutlich gegenüber dem restlichen Spektrum des aus dem Plasma abgestrahlten Lichtes unterscheiden und dass somit der Nachweis des Botenstoffes vereinfacht wird.A particularly preferred embodiment of the method consists in enriching the substance which adheres to the surface and contaminating the surface with a messenger substance and in which the light intensity generated by the messenger substance is analyzed. This measure can lead to an improved analysis. The addition of a messenger substance is possible just when the contamination of the surface caused by an upstream process using the substance. The messenger substance can then be added to the substance before the upstream process so that it can be detected when it is removed from the surface. Thus, it is possible to selectively use a substance with a distinctive emission behavior. A striking feature here is that the emission lines or emission bands differ significantly from the remaining spectrum of the light emitted from the plasma and that thus the detection of the messenger substance is simplified.
Eine Plasmabehandlung der Oberfläche führt in der Regel auch zu einer Oberflächenaktivierung, die für eine bessere Benetzbarkeit mit Flüssigkeiten angestrebt wird. Dieses spielt insbesondere für ein Lackieren oder für einen Klebstoffauftrag eine große Rolle. Dabei ist vor allem das Maß der Aktivierung wichtig, da erst ab einem bestimmten Aktivierungsgrad eine Benetzung mit einer bestimmten Flüssigkeit möglich ist. Die Verbesserung der Benetzbarkeit ist insbesondere bei Kunststoffen interessant, da diese oftmals eine schlechte Benetzbarkeit besitzen.A plasma treatment of the surface usually also leads to a surface activation, which is aimed for a better wettability with liquids. This plays an important role especially for painting or for an adhesive application. Above all, the degree of activation is important, since only from a certain degree of activation wetting with a particular liquid is possible. The improvement in wettability is of particular interest in plastics, since they often have poor wettability.
Während der Aktivierung der Oberfläche werden bestimmte Stoffe aus der Oberfläche herausgelöst oder durch chemische Umwandlung erzeugt. Beispiele dafür sind OH-Gruppen, Carboxylgruppen oder Carbonylgruppen. Weitere Beispiele solcher Stoffe sind extern zugeführte Trennmittel oder interne Additive, die bei Beaufschlagung mit einem Plasmastrahl aus dem Werkstück und somit aus der Oberfläche abgelöst werden. Durch Bestimmmung des zeitlichen Verlaufes der Konzentration eines solchen Stoffes im Plasma in der zuvor erläuterten Weise kann ein Maß der Aktivierung der Oberfläche bestimmt werden.During the activation of the surface, certain substances are dissolved out of the surface or produced by chemical conversion. Examples are OH groups, carboxyl groups or carbonyl groups. Further examples of such substances are externally supplied release agents or internal additives which are removed when exposed to a plasma jet from the workpiece and thus from the surface. By determining the time course of the concentration of such a substance in the plasma in the previously explained, a measure of the activation of the surface can be determined.
Bei einer weiteren bevorzugten Anwendung des Verfahrens kann die Oberfläche durch den Plasmastrahl plasmabeschichtet werden und die Lichtintensität in dem mindestens einen Wellenlängenbereich als Maß für den Grad der Beschichtung ermittelt werden. Bei einer Plasmabeschichtung, beispielsweise einerIn a further preferred application of the method, the surface can be plasma-coated by the plasma jet and the light intensity in the at least one wavelength range can be determined as a measure of the degree of coating. In a plasma coating, such as a
Plasmapolymerisation, kann als Maß für die Vollständigkeit der Beschichtung die Emissionsintensität eines Stoffes herangezogen werden, der aus der noch nicht beschichteten Oberfläche austritt. Denn die Intensität des atmosphärischen Plasmas kann so eingestellt werden, dass Stoffe aus der Oberfläche des Werkstückes herausgelöst werden. Dieses erfolgt nur so lange, wie die Oberfläche noch nicht vollständig beschichtet worden ist. Ist die Beschichtung abgeschlossen, so tritt der interessierende Stoff nicht mehr aus der Oberfläche aus und die charakteristischen Linien oder Banden sind nicht mehr im Spektrum des analysierten Lichtes vorhanden.Plasma polymerization, can be used as a measure of the completeness of the coating, the emission intensity of a substance that emerges from the uncoated surface. Because the intensity of the atmospheric plasma can be adjusted so that substances are dissolved out of the surface of the workpiece. This takes place only as long as the surface has not been completely coated. When the coating is complete, the substance of interest no longer emerges from the surface and the characteristic lines or bands are no longer present in the spectrum of the analyzed light.
Des Weiteren kann die Oberfläche durch den Plasmastrahl modifiziert werden, wobei die Lichtintensität in dem mindestens einen Wellenlängenbereich als Maß für den Grad der Modifikation ermittelt wird. Denn bei einer Plasmastrahlbehandlung zur Oberflächenmodifikation, beispielsweise bei der oben genannten Dehydratisierung einer Aluminiumoxidschicht, tritt bei der Umwandlung ein Stoff aus, beispielsweise Wassermoleküle, dessen spektrale Charakteristik im Spektrum als Maß für die Vollständigkeit der Modifikation herangezogen werden kann.Furthermore, the surface can be modified by the plasma jet, wherein the light intensity in the at least one wavelength range is determined as a measure of the degree of modification. For in a plasma jet treatment for surface modification, for example in the above-mentioned dehydration of an aluminum oxide layer, occurs in the conversion of a substance, such as water molecules whose spectral characteristics in the spectrum can be used as a measure of the completeness of the modification.
Wie bereits erwähnt worden ist, wird vorzugsweise das Plasma mittels einer Emissionsspektroskopie analysiert. Dabei handelt es sich um spontane EmissionsVorgänge der im Plasma enthaltenen und von diesem Plasma angeregten Atome und/oder Moleküle. Aufgrund des hohen Anregungsgrades treten diese Emissionen in großer Intensität auf. Die Analyse des emittierten Lichtes wird dann mittels eines Spektrographen durchgeführt, der mittels Beugung oder Brechung das einfallende Licht spektral auflöst und wellenlängenselektiv aufnimmt. Die so erhaltenen Spektren können dann in einzelnen Wellenlängenabschnitten überwacht werden, um die für den zu analysierenden Stoff charakteristischen Linien oder Banden im Wellenlängenspektrum zu identifizieren und zu vermessen.As already mentioned, the plasma is preferably analyzed by means of emission spectroscopy. These are spontaneous emission processes of the atoms and / or molecules contained in the plasma and excited by this plasma. Due to the high level of excitation, these emissions occur in great intensity. The analysis of the emitted light is then carried out by means of a spectrograph, which spectrally dissolves and wavelength-selectively absorbs the incident light by means of diffraction or refraction. The spectra thus obtained can then be monitored in individual wavelength sections in order to identify and measure the lines or bands in the wavelength spectrum characteristic of the substance to be analyzed.
Als Referenzwert für einen Vergleich mit den zu messenden Lichtintensitäten kann zuvor die Intensität des Spektrums in dem interessierenden Spektralbereich ohne das Vorhandensein des Stoffes bestimmt werden. Bei Vorhandensein des Stoffes ist in dem interessierenden Spektralbereich dann eine erhöhte Intensität festzustellen, die mit dem Referenzwert bzw. mit der Referenzintensität verglichen wird. Zur Bestimmung der Intensität wird üblicher Weise das Integral über mehrere Messpunkte bzw. Spektralbereiche durchgeführt, um den Messfehler gering zu halten. Jedoch kann bei einer geringen Wellenlängenauflösung auch nur der Messwert eines Messkanals ausgewertet werden.As a reference value for a comparison with the light intensities to be measured, the intensity of the spectrum in the spectral region of interest can be determined beforehand without the presence of the substance. In the presence of the substance, an increased intensity is then detected in the spectral region of interest, which is compared with the reference value or with the reference intensity. To determine the intensity, the integral is usually carried out over a plurality of measuring points or spectral ranges in order to keep the measuring error low. However, with a low wavelength resolution, only the measured value of a measuring channel can be evaluated.
Bevorzugt wird zur Bestimmung der Spektren die Optische Emissionsspektroskopie (OES) eingesetzt, die eine weit verbreitete Technologie darstellt. Diese Spektroskopie besteht darin, einen Lichtstrahl mittels eines Beugungsgitters spektral zu zerlegen und anschließend mittels einer Zeilenkamera oder CCD-Kamera aufzuzeichnen. Die so ermittelten Spektren zeigen eine Intensitätsverteilung in Abhängigkeit von der Wellenlänσe. so dass eine wellenlängenselektive Analyse des aus dem Plasma gewonnenen Lichtes ermöglicht wird. Selbstverständlich können auch andere Spektroskopen verwendet werden.The spectra are preferably determined using optical emission spectroscopy (OES), which is a widely used technology. This spectroscopy is to spectrally dissect a light beam by means of a diffraction grating and then record by means of a line scan camera or CCD camera. The spectra thus obtained show an intensity distribution as a function of the wavelength. so that a wavelength-selective analysis of the light obtained from the plasma is made possible. Of course, other spectroscopes can be used.
Zuvor ist das Verfahren dahingehend beschrieben worden, dass die durch das Plasma selbst angeregtenPreviously, the method has been described as being excited by the plasma itself
Emissionsspektren analysiert werden. Dabei dient das Plasma selber als Anregungsquelle. Dagegen ist es auch möglich, den im Plasma enthaltenen Stoff mittels einer separaten Quelle anzuregen und die dadurch hervorgerufene Emission zu analysieren. Dazu wird mittels einer separaten Anregungsquelle, bevorzugt mittels eines Laserstrahls eine gezielte Anregung des nachzuweisenden Stoffes durchgeführt, die zu einer Emission von Licht mit einer bestimmten spektralen Verteilung führt. Diese Technologie ist auch also laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) bekannt. Das aufgenommene Spektrum zeigt dann eine in den Bereichen der LIF-Linien erhöhte Intensität, die als Nachweis des interessierenden Stoffes dient.Emission spectra are analyzed. The plasma itself serves as an excitation source. In contrast, it is also possible to excite the substance contained in the plasma by means of a separate source and to analyze the emission caused thereby. For this purpose, a targeted excitation of the substance to be detected is carried out by means of a separate excitation source, preferably by means of a laser beam, which leads to an emission of light with a specific spectral distribution. This technology is also known laser-induced fluorescence (LIF). The recorded spectrum then shows an increased intensity in the areas of the LIF lines which serves as evidence of the substance of interest.
Ist die Behandlung weitgehend abgeschlossen, so wird die Differenz zwischen der Lichtintensität zu einem Referenzwert oder zu einem zuvor aufgenommenen Messwert sehr klein und kann schließlich nicht mehr festgestellt werden. In diesem Fall kann ein Kontrollsignal erzeugt werden, das einem Benutzer der Plasmadüse anzeigt, dass die zuvor behandelte Fläche fertig behandelt worden ist. Der Benutzer kann dann zu einem anderen Abschnitt der Oberfläche übergehen und somit systematisch die zu bearbeitende Oberfläche mit dem Plasma behandeln.If the treatment is largely completed, the difference between the light intensity to a reference value or to a previously recorded measured value is very small and finally can no longer be determined. In this case, a control signal may be generated which indicates to a user of the plasma nozzle that the previously treated area has been finished. The user can then proceed to another portion of the surface, thus systematically treating the surface to be processed with the plasma.
Ebenso ist es möglich, eine automatisch ablaufende Plasmabehandlung in Abhängigkeit von dem Kontrollsignal zu steuern. Beispielsweise kann der Vortrieb oder die Verstellgeschwindigkeit der Plasmadüse relativ zur zu behandelnden Oberfläche verändert werden. Dazu erzeugen die Kontrollmittel in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal der Analysemittel ein Kontroll- und Steuersignal, das der Steuerung der Plasmabehandlungsanlage zugeleitet wird.It is also possible to control an automatic plasma treatment as a function of the control signal. For example, the propulsion or the Adjustment of the plasma nozzle relative to the surface to be treated to be changed. For this purpose, the control means generates a control and control signal in response to an output signal of the analysis means, which is fed to the control of the plasma treatment plant.
Das oben aufgezeigte technische Problem wird auch durch eine Vorrichtung zur Charakterisierung einer Oberfläche eines Werkstückes mit den Merkmalen des Anspruches 11 sowie durch eine Plasmadüse zum Erzeugen eines atmosphärischen Plasmastrahls mit einer Vorrichtung zur Charakterisierung einer Oberfläche eines Werkstückes nach Anspruch 20 gelöst. Weitere Ausgestaltungen dieser Vorrichtungen sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.The above-indicated technical problem is also solved by a device for characterizing a surface of a workpiece with the features of claim 11 and by a plasma nozzle for producing an atmospheric plasma jet with a device for characterizing a surface of a workpiece according to claim 20. Further embodiments of these devices are set forth in the dependent claims.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigenIn the following the invention will be explained in more detail by means of embodiments, reference being made to the accompanying drawings. In the drawing show
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die an einer ersten Ausgestaltung einer Plasmadüse befestigt ist,1 shows a first embodiment of a device according to the invention, which is attached to a first embodiment of a plasma nozzle,
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die an einer zweiten Ausgestaltung einer Plasmadüse befestigt ist,2 shows a second embodiment of a device according to the invention, which is attached to a second embodiment of a plasma nozzle,
Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die in einer dritten Ausgestaltung einer Plasmadüse befestigt ist, und Fig. 4 das zweite Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die an einer vierten Ausgestaltung einer Plasmadüse befestigt ist, undFig. 3 shows a third embodiment of a device according to the invention, which is fixed in a third embodiment of a plasma nozzle, and Fig. 4 shows the second embodiment of a device according to the invention, which is attached to a fourth embodiment of a plasma nozzle, and
Fig. 5-8 Diagramme zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens .Fig. 5-8 diagrams for explaining the method according to the invention.
Bevor auf die Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Charakterisierung einer Oberfläche mittels eines atmosphärischen Plasmastrahls eingegangen wird, wird zunächst auf die Funktionsweise von bevorzugten Plasmadüsen zum Erzeugen eines atmosphärischen Plasmastrahls eingegangen.Before discussing the exemplary embodiments of the device according to the invention for characterizing a surface by means of an atmospheric plasma jet, the mode of operation of preferred plasma nozzles for generating an atmospheric plasma jet will first be described.
Die in Fig. 1 gezeigte Plasmadüse 10 weist ein Düsenrohr 12 aus Metall auf, das sich konisch zu einer Auslassöffnung 14 verjüngt. Am der Auslassöffnung 14 entgegengesetzten Ende weist das Düsenrohr 12 einen Einlass 16 für ein Arbeitsgas auf, beispielsweise für Druckluft. Eine Zwischenwand 18 des Düsenrohres 12 weist einen Kranz von schräg in Umfangsrichtung angestellten Bohrungen 20 auf und bildet so eine Dralleinrichtung für das Arbeitsgas . Der stromabwärtige, konisch verjüngte Teil des Düsenrohres wird deshalb von dem Arbeitsgas in der Form eines Wirbels 22 durchströmt, dessen Kern auf der Längsachse des Düsenrohres verläuft .The plasma nozzle 10 shown in Fig. 1 has a nozzle tube 12 made of metal, which tapers conically to an outlet opening 14. At the end opposite the outlet opening 14, the nozzle tube 12 has an inlet 16 for a working gas, for example for compressed air. An intermediate wall 18 of the nozzle tube 12 has a ring of obliquely set in the circumferential direction holes 20 and thus forms a swirl device for the working gas. The downstream, conically tapered part of the nozzle tube is therefore traversed by the working gas in the form of a vortex 22, whose core extends on the longitudinal axis of the nozzle tube.
An der Unterseite der Zwischenwand 18 ist mittig eine Elektrode 24 angeordnet, die koaxial in den verjüngten Abschnitt des Düsenrohres 12 hineinragt. Die Elektrode 24 wird durch einen rotationssymmetrischen, an der Spitze abgerundeten Stift gebildet, beispielsweise aus Kupfer, der durch einen Isolator 26 elektrisch gegenüber der Zwischenwand 18 und den übrigen Teilen des Düsenrohres 12 isoliert ist. Über einen isolierten Schaft 28 wird an die Elektrode 24 eine hochfrequente Wechselspannung angelegt, die von einem Hochfrequenztransformator 30 erzeugt wird.At the bottom of the intermediate wall 18, an electrode 24 is arranged centrally, which protrudes coaxially into the tapered portion of the nozzle tube 12. The electrode 24 is formed by a rotationally symmetrical, rounded at the tip pin, for example made of copper, by an insulator 26 electrically opposite to Between wall 18 and the remaining parts of the nozzle tube 12 is isolated. Via an insulated shaft 28, a high-frequency AC voltage is applied to the electrode 24, which is generated by a high-frequency transformer 30.
Die Spannung ist variabel regelbar und beträgt beispielsweise 500 V oder mehr, vorzugsweise 2 - 5 kV, insbesondere mehr als 5 kV. Die Frequenz liegt beispielsweise in der Größenordnung von 0,5 kHz bis 50 kHz, vorzugsweise im Bereich von 15 bis 30 kHz, und ist vorzugsweise ebenfalls regelbar. Durch eine gezielte Variation der Frequenz und/oder der Amplitude der Spannung können die Eigenschaften des Plasmas beeinflusst werden.The voltage is variably adjustable and is for example 500 V or more, preferably 2-5 kV, in particular more than 5 kV. The frequency is for example in the order of 0.5 kHz to 50 kHz, preferably in the range of 15 to 30 kHz, and is preferably also adjustable. By a specific variation of the frequency and / or the amplitude of the voltage, the properties of the plasma can be influenced.
Der Schaft 28 ist mit dem Hochfrequenztransformator 30 über ein flexibles Hochspannungskabel 32 verbunden. Der Einlass 16 ist über einen nicht gezeigten Schlauch mit einer Druckluftquelle mit variablem Durchsatz verbunden, die vorzugsweise mit dem Hochfrequenzgenerator 30 zu einer Versorgungseinheit kombiniert ist. Die Plasmadüse 10 lässt sich so mühelos mit der Hand oder mit Hilfe eines Roboterarms bewegen. Das Düsenrohr 12 und die Zwischenwand 18 sind geerdet. Durch eine gezielte Variation des Durchflusses können ebenfalls die Eigenschaften des Plasmas beeinflusst werden.The shaft 28 is connected to the high frequency transformer 30 via a flexible high voltage cable 32. The inlet 16 is connected via a hose, not shown, to a variable flow compressed air source, which is preferably combined with the high frequency generator 30 to form a supply unit. The plasma nozzle 10 can be easily moved by hand or with the help of a robot arm. The nozzle tube 12 and the intermediate wall 18 are grounded. By a targeted variation of the flow, the properties of the plasma can also be influenced.
Durch die angelegte Spannung wird eineThe applied voltage becomes a
Hochfrequenzentladung in der Form einer Bogenentladung 34 zwischen der Elektrode 24 und dem Düsenrohr 12 erzeugt. Aufgrund der drallförmigen Strömung des Arbeitsgases wird dieser Lichtbogen jedoch im Wirbelkern auf der Achse des Düsenrohres 12 kanalisiert, so dass er sich erst im Bereich der Auslassöffnung 14 zur Wand des Düsenrohres 12 verzweigt. Das Arbeitsgas, das im Bereich des Wirbelkerns und damit in unmittelbarer Nähe des Lichtbogens 34 mit hoher Strömungsgeschwindigkeit rotiert, kommt mit dem Lichtbogen in innige Berührung und wird dadurch zum Teil in den Plasmazustand überführt, so dass ein Strahl 36 eines verhältnismäßig kühlen atmosphärischen Plasmas aus der Auslassöffnung 14 der Plasmadüse 10 austritt.High frequency discharge in the form of an arc discharge 34 between the electrode 24 and the nozzle tube 12 is generated. Due to the swirling flow of the working gas, however, this arc is channeled in the vortex core on the axis of the nozzle tube 12, so that it branches only in the region of the outlet opening 14 to the wall of the nozzle tube 12. The working gas in the area of the vortex core and thus in the immediate vicinity of the arc 34 with rotated high flow velocity, comes into intimate contact with the arc and is thereby partially transferred to the plasma state, so that a jet 36 of a relatively cool atmospheric plasma emerges from the outlet opening 14 of the plasma nozzle 10.
Fig. 2 zeigt im Unterschied zur Fig. 1 eine Plasmadüse, die geeignet ist eine Plasmapolymerisation durchzuführen. Dabei beizeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile und Merkmale, wie sie zuvor anhand der Fig. 1 beschrieben worden sind.FIG. 2 shows, in contrast to FIG. 1, a plasma nozzle which is suitable for carrying out a plasma polymerization. In this case, the same reference numerals designate the same components and features as previously described with reference to FIG. 1.
Zusätzlich zur Düsen- und Elektrodenanordnung ist bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel im Bereich der Düsenöffnung eine Lanze 40 vorgesehen, durch die während des Betriebes der Plasmadüse 10 ein Precursor eingelassen wird. Das Precursormaterial wird im Plasmastrahl 36 durch Energiezufuhr angeregt und zur Reaktion gebracht. Mindestens eines der Reaktionsprodukte wird dann auf der Oberfläche als Plasmabeschichtung abgelagert.In addition to the nozzle and electrode arrangement, in the exemplary embodiment illustrated in FIG. 2, a lance 40 is provided in the area of the nozzle opening through which a precursor is introduced during operation of the plasma nozzle 10. The precursor material is excited in the plasma jet 36 by supplying energy and brought to reaction. At least one of the reaction products is then deposited on the surface as a plasma coating.
Fig. 3 zeigt eine Plasmadüse, die zur in Fig. 1 dargestellten Plasmadüse sehr ähnlich ist, der Unterschied zwischen beiden Figuren besteht im Wesentlichen in der Art der Anordnung und Befestigung eines Lichtleiters .Fig. 3 shows a plasma nozzle which is very similar to the plasma nozzle shown in Fig. 1, the difference between the two figures is essentially in the nature of the arrangement and attachment of a light guide.
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Plasmadüse 10, die einen rotierenden Plasmastrahl 36 erzeugt. Dazu ist das Düsenrohr 12 mittels eines Lagers 80 drehbar gelagert und kann über ein Zahnrad 82 angetrieben werden. Das Mundstück 84 ist über ein Gewinde 86 mit dem Düsenrohr 12 verbunden und weist einen von der Achse weggerichteten Kanal 88 auf. Der Kanal erzeugt somit einen schräg zur Achse verlaufenden Plasmastrahl 36, der bei einer Drehung des Düsenrohres 12 eine Kreisbewegung durchführt und somit einen vergrößerten Bereich der Oberfläche 54 erfasst.4 shows an exemplary embodiment of a plasma nozzle 10, which generates a rotating plasma jet 36. For this purpose, the nozzle tube 12 is rotatably supported by a bearing 80 and can be driven by a gear 82. The mouthpiece 84 is connected by a thread 86 to the nozzle tube 12 and has a channel 88 directed away from the axis. The channel thus generates an obliquely to the axis extending plasma jet 36, the 12 upon rotation of the nozzle tube performs a circular motion and thus detects an enlarged area of the surface 54.
Die Drehbarkeit des Mundstückes 84 kann auch dadurch erreicht werden, dass das Mundstück 84 gegenüber dem Düsenrohr 12 drehbar gelagert ist und unabhängig vom Düsenrohr 12 die Drehbewegung ausführt. Durch eine geringe tangentiale Kippung des Auslasses des Mundstückes 84 kann darüber hinaus der austretende Plasmastrahl 36 auch für einen Antrieb der Drehbewegung genutzt werden.The rotatability of the mouthpiece 84 can also be achieved in that the mouthpiece 84 is rotatably mounted relative to the nozzle tube 12 and carries out the rotational movement independently of the nozzle tube 12. By a slight tangential tilting of the outlet of the mouthpiece 84 beyond the emerging plasma jet 36 can also be used for driving the rotational movement.
Im Folgenden werden die verschiedenen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Charakterisierung einer Oberfläche eines Werkstückes mittels eines atmosphärischen Plasmastrahls erläutert.In the following, the various embodiments of the device according to the invention for characterizing a surface of a workpiece by means of an atmospheric plasma jet will be explained.
Zunächst ist ein Spektrometer 50 vorgesehen, das der Spektralanalyse dient. Dazu weist das Spektrometer 50 ein das einfallende Licht beugendes oder brechendes Element, wie beispielsweise ein Beugungsgitter auf, so dass das Licht in seine spektralen Bestandteile zerlegt wird. Des Weiteren weist das Spektrometer 50 ein eine Vielzahl von photoempfindlichen Messzellen auf, die die unterschiedlichen Wellenlängenbereiche erfassen. Beispiele solche Messzellenanordnungen sind Zeilenkameras oder CCD- Kameras .First, a spectrometer 50 is provided, which serves the spectral analysis. For this purpose, the spectrometer 50 has an element which diffracts or refracts the incident light, for example a diffraction grating, so that the light is decomposed into its spectral components. Furthermore, the spectrometer 50 has a plurality of photosensitive measuring cells which detect the different wavelength ranges. Examples of such measuring cell arrangements are line scan cameras or CCD cameras.
Des Weiteren weist die Vorrichtung als optisches Mittel einen Lichtleiter in Form einer Faser oder eines Faserbündels 52 zum Leiten eines Teils des Lichtes auf, das aus dem mit der Oberfläche 54 des behandelten Werkstückes 56 in Berührung kommenden Plasma 36 abgestrahlt wird. Der Lichtleiter 52 leitet das aufgenommene Licht zum Spektrometer 50, wo es dann spektral analysiert wird. Anstelle einer Faser oder eines Faserbündels kann auch eine Linsenoptik vorgesehen sein. Jedoch ist der Einsatz einer Faser bzw. eines Faserbündels bevorzugt.Furthermore, the device has as an optical means an optical fiber in the form of a fiber or a fiber bundle 52 for guiding a portion of the light which is emitted from the plasma 36 coming into contact with the surface 54 of the treated workpiece 56. The light guide 52 directs the received light to the spectrometer 50, where it is then spectrally analyzed. Instead of a fiber or a fiber bundle can also be a Lens optics may be provided. However, the use of a fiber or a fiber bundle is preferred.
Das Spektrometer 54 ist mit Auswertemitteln 58 zum Analysieren der gemessenen Intensitätsverteilung des Lichtes und mit Kontrollmitteln zum Kontrollieren der Plasmabehandlung verbunden.The spectrometer 54 is connected to evaluation means 58 for analyzing the measured intensity distribution of the light and to control means for controlling the plasma treatment.
Der Lichtleiter 52 ist eingangsseitig auf den Oberflächenbereich gerichtet, der mit dem Plasma 36 beaufschlagt ist. Dadurch wird sichergestellt, dass genau der Bereich beobachtet wird, dessen Grad an Plasmabehandlung bestimmt werden soll.The light guide 52 is directed on the input side to the surface area, which is acted upon by the plasma 36. This ensures that exactly the area is observed whose degree of plasma treatment is to be determined.
Wie Fig. 2 zeigt, kann der Lichtleiter 52 eingangsseitig mit einer Sammeloptik 60 versehen sein, um den Erfassungsbereich zu vergrößern. Im dargestellten Beispiel weist die Sammeloptik 60 zwei Linsen auf, jedoch ist die Zahl der Linsen der Sammeloptik 60 nicht vorgegeben.As shown in FIG. 2, the light guide 52 may be provided on the input side with a collecting optics 60 in order to increase the detection range. In the illustrated example, the collection optics 60 has two lenses, but the number of lenses of the collection optics 60 is not predetermined.
Fig. 1 zeigt, dass der Lichtleiter 52 mit der den Plasmastrahl erzeugenden Plasmadüse 10 über eine Halterung 62 verbunden und somit seitlich an der Plasmadüse 10 befestigt ist. Dadurch wird sichergestellt, dass die Beobachtung der Plasmabehandlung immer auf den gleichen Raumwinkel unterhalb der Düsenöffnung 14 gerichtet ist. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel hält die Halterung 62 die Sammeloptik 60.FIG. 1 shows that the light guide 52 is connected to the plasma jet 10 generating the plasma jet via a holder 62 and thus attached laterally to the plasma nozzle 10. This ensures that the observation of the plasma treatment is always directed to the same solid angle below the nozzle opening 14. In the exemplary embodiment illustrated in FIG. 2, the holder 62 holds the collecting optics 60.
Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Lichtleiter 52 in einer innerhalb der Plasmadüse 10 angeordneten Führung 64 angeordnet. Die Führung 64 erstreckt sich durch die gesamte Düsenanordnung und besteht in bevorzugter Weise aus einem nicht leitenden Material, beispielsweise aus Keramik. Die Führung 64 kann auch kürzer ausgebildet sein und beispielsweise innerhalb des Düsenrohres 12 enden. Das Plasma wird somit um die Halterung 64 herum erzeugt, ohne dass die Intensität des Plasmas dadurch wesentlich eingeschränkt wird. Der besondere Vorteil dieser Anordnung des Lichtleiters 52 ist, dass der Lichtleiter 52 axial auf denIn the exemplary embodiment illustrated in FIG. 3, the light guide 52 is arranged in a guide 64 arranged inside the plasma nozzle 10. The guide 64 extends through the entire nozzle assembly and is preferably made of a non-conductive material, such as ceramic. The guide 64 can also be shorter be formed and end, for example, within the nozzle tube 12. The plasma is thus generated around the holder 64 without substantially limiting the intensity of the plasma. The particular advantage of this arrangement of the light guide 52 is that the light guide 52 axially on the
Beaufschlagungsbereich des Plasmas 36 auf der Oberfläche 56 gerichtet ist, unabhängig davon in welchem Abstand die Oberfläche von der Plasmadüse angeordnet ist.Beaufschlagungsbereich of the plasma 36 is directed to the surface 56, regardless of the distance from which the surface of the plasma nozzle is arranged.
Die innerhalb der Plasmadüse 10 angeordnete Halterung 64 muss nicht zwingend axial ausgerichtet sein. Wenn es die Anwendung erfordert, kann die Halterung 64 in einer anderen Ausrichtung innerhalb des Düsenrohres 12 angeordnet sein.The arranged inside the plasma nozzle 10 holder 64 does not necessarily have to be aligned axially. If required by the application, the bracket 64 may be disposed in a different orientation within the nozzle tube 12.
Gemäß Fig. 4 ist der Lichtleiter 52 mit Sammeloptik 60 wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ausgeführt, jedoch ich mit dem rotierenden Düsenrohr 12 verbunden. Die Darstellung in Fig. 4 soll verdeutlichen, dass die Messung des Lichtes nicht nur kontinuierlich durchgeführt wird, sondern auch in zeitlichen Abständen erfolgen kann. Denn die Drehbewegung der rotierenden Düsenrohres 12 bzw. des rotierenden Mundstückes 84 ist so schnell, dass es bevorzugt ist, die Optik nicht mitzuführen. Daher beobachtet der Lichtleiter 52 mit der Sammeloptik 60 einen Bereich der Oberfläche, der bei jedem Umlauf der Rotation einmal durchlaufen wird. Das Messsignal ist also ein periodisches Signal. Die Messung der Lichtintensität erfolgt dann bevorzugt nur in dem Zeitintervall der Rotation, in dem der Plasmastrahl 36 den beobachteten Bereich der Oberfläche durchläuft. Durch eine einzelne Messung bzw. bevorzugt durch Aufsummieren einer Mehrzahl von Messungen kann dann ein aussagekräftiges Spektrum gewonnen werden. Zuvor ist anhand von vier Ausführungsbeispielen die Anordnung eines Lichtleiters 52 beschrieben worden. Die Erfindung ist aber nicht auf die Verwendung von nur einem Lichtleiter 52 beschränkt, denn es können auch mehrere Lichtleiter oder Lichtleiterbündel eingesetzt werden, um das zu analysierende Licht einzusammeln.4, the light guide 52 is designed with collection optics 60 as in the embodiment of FIG. 2, but I connected to the rotating nozzle tube 12. The illustration in Fig. 4 is intended to illustrate that the measurement of the light is not only carried out continuously, but also can be done at intervals. Because the rotational movement of the rotating nozzle tube 12 and the rotating mouthpiece 84 is so fast that it is preferable not to carry the optics. Therefore, the light guide 52 with the collection optics 60 observes a portion of the surface which is traversed once every rotation. The measuring signal is thus a periodic signal. The measurement of the light intensity then preferably takes place only in the time interval of the rotation in which the plasma jet 36 passes through the observed area of the surface. By a single measurement or preferably by summing up a plurality of measurements then a meaningful spectrum can be obtained. Previously, the arrangement of a light guide 52 has been described with reference to four embodiments. However, the invention is not limited to the use of only one light guide 52, because it can also be used a plurality of optical fibers or optical fiber bundles to collect the light to be analyzed.
Fig. 3 zeigt darüber hinaus, dass ein Laser 66 zum Anregen eines Teils des Plasmas vorgesehen ist. Der Laser 66 erzeugt einen Laserstrahl 67 mit einer definierten Wellenlänge, um eine gezielte Anregung eines der Stoffe im Plasmastrahl - über die bereits im Plasmastrahl vorhandene Anregung hinaus - zu erzielen. Der Laserstrahl 67 ist in Fig. 3 leicht aufgeweitet dargestellt um anzudeuten, dass der Laserstrahl 67 ein ausreichend großes Volumen innerhalb des zu untersuchenden Plasmas durchstrahlt. Die durch das Laserlicht in den Atomen oder Molekülen des zu untersuchenden Stoffes hervorgerufene laserinduzierte Fluoreszenz kann dann gezielt bei der Analyse des gemessenen Spektrums ausgenutzt werden. Anstelle eines Lasers können auch andere Mittel zur Anregung eingesetzt werden. Beispielsweise können Mikrowellenanregungen oder UV-Licht-Anregungen eingesetzt werden.FIG. 3 also shows that a laser 66 is provided to excite a portion of the plasma. The laser 66 generates a laser beam 67 with a defined wavelength in order to achieve a targeted excitation of one of the substances in the plasma jet, in addition to the excitation already present in the plasma jet. The laser beam 67 is slightly widened in FIG. 3 in order to indicate that the laser beam 67 radiates through a sufficiently large volume within the plasma to be examined. The laser-induced fluorescence caused by the laser light in the atoms or molecules of the substance to be investigated can then be utilized in a targeted manner in the analysis of the measured spectrum. Instead of a laser, other means of excitation can be used. For example, microwave excitations or UV light excitations can be used.
Zuvor ist das Spektrometer 50 derart beschrieben worden, dass ein das Licht beugendes oder brechendes Element, beispielsweise ein Beugungsgitter vorhanden ist. Dieser Aufbau kann alternativ durch zwei verschiedene Farbfilter ersetzt werden, hinter denen jeweils ein lichtempfindliches Element, beispielsweise eine Photodiode angeordnet ist. Ein Filter weist eine ggf. schmalbandige Durchlasscharakteristik auf, die das Licht der zu beobachtenden Strahlung durchlässt, während der andere Filter bevorzugt das Licht einer Referenzlinie oder Referenzbande durchlässt. Denn es ist in der Regel nicht erforderlich, das gesamte Spektrum aufzunehmen, sondern es reicht dagegen aus, die lediglich interessierenden Wellenlängenbereiche zu beobachten. Der dafür erforderliche Aufbau ist kompakter als bei der Anwendung eines Beugungsgitters .Previously, the spectrometer 50 has been described as having a light-diffracting or refractive element, such as a diffraction grating. This structure can alternatively be replaced by two different color filters, behind each of which a photosensitive element, for example a photodiode, is arranged. A filter has an optionally narrow-band transmission characteristic, which transmits the light of the radiation to be observed, while the other filter preferably the light of a reference line or Passing reference band. Because it is usually not necessary to record the entire spectrum, but it is sufficient to observe the only interesting wavelength ranges. The required structure is more compact than when using a diffraction grating.
Ein Aufbau des Spektrometers mit nur einem Farbfilter ist ebenso möglich. Beispielsweise kann das asymptotische Verhalten der Intensität auch nur damit bestimmt werden, dass die Intensität des durch den einen Farbfilter durchgelassenen Lichtes im interessierenden Wellenlängenbereich bestimmt und ausgewertet wird.A construction of the spectrometer with only one color filter is also possible. For example, the asymptotic behavior of the intensity can also be determined only by determining and evaluating the intensity of the light transmitted through the one color filter in the wavelength range of interest.
Als Filter für den zuvor genannten Aufbau kommen vor allem Bandfilter in Frage, die Licht nur mit Wellenlängen durchlassen, die zwischen zwei Grenzwellenlängen liegen. Andersfarbiges Licht wird oberhalb und unterhalb der Grenzwellenlängen nicht durchgelassen.As a filter for the above-mentioned construction, especially bandpass filters come into question, which allow light to pass only at wavelengths which lie between two cut-off wavelengths. Different colored light is not transmitted above and below the cutoff wavelengths.
Unter einem Spektroskop im Rahmen dieser Beschreibung ist also jede Vorrichtung zu verstehen, die eine spektrale Analyse des beobachteten Lichtes in mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängenbereichen ermöglicht. Ein Beugungsgitter, das ein weit verbreitetes Bauteil eines Spektroskopes ist, ist nicht erforderlich.A spectroscope in the context of this description thus means any device which enables a spectral analysis of the observed light in at least two different wavelength ranges. A diffraction grating, which is a widely used component of a spectroscope, is not required.
Fig. 1 zeigt weiterhin, dass Anzeigemittel 68 zum Anzeigen eines Kontrollsignals vorgesehen sind, die mit an der Plasmadüse 10 angeordneten Leuchtdioden 69 versehen sind. Dadurch ist es möglich ein optisches Signal zuerzeugen, das anzeigt, ob die Plasmabehandlung der Oberfläche beendet werden soll oder nicht. Beispielsweise kann die Ansteuerung einer roten Leuchtdiode anzeigen, dass die Oberflächebehandlung noch nicht abgeschlossen ist. und eine grüne Leuchtdiode kann anzeigen, dass die Behandlung des gerade behandelten Oberflächenabschnittes fertig gestellt ist .FIG. 1 further shows that display means 68 are provided for displaying a control signal, which are provided with light-emitting diodes 69 arranged on the plasma nozzle 10. Thereby, it is possible to generate an optical signal indicating whether the plasma treatment of the surface should be finished or not. For example, the activation of a red LED may indicate that the surface treatment has not yet completed. and a green LED may indicate that the treatment of the surface section being treated has been completed.
Fig. 2 und 4 zeigen, dass die Kontrollmittel 58 mit Steuermitteln 70 verbunden sind, die eine automatische Bewegung der Plasmadüse 10 relativ zum Werkstück 56 steuert. In Abhängigkeit vom Kontrollsignal der Kontrollmittel 58 kann somit der Bewegungsantrieb (nicht dargestellt) der Plasmadüse 10 gesteuert werden. Insbesondere können die Antriebsmittel in ihrer Verstellgeschwindigkeit beeinflusst werden.FIGS. 2 and 4 show that the control means 58 are connected to control means 70 which controls automatic movement of the plasma nozzle 10 relative to the workpiece 56. Depending on the control signal of the control means 58, the movement drive (not shown) of the plasma nozzle 10 can thus be controlled. In particular, the drive means can be influenced in their adjustment speed.
Fig. 3 zeigt schließlich, dass die Kontrollmittel 58 mit einer Kontrollvorrichtung 72 mit einem Display 74 verbunden ist. Somit können über eine binäre Information mittels der beiden Leuchtdioden 69 hinaus detailliertere Informationen dargestellt werden. Beispielsweise könnte mit Hilfe einer Balkendarstellung die Entwicklung der Plasmabehandlung im aktuell behandelten Bereich der Oberfläche dargestellt werden.Finally, FIG. 3 shows that the control means 58 is connected to a control device 72 having a display 74. Thus, more detailed information can be displayed via binary information by means of the two light-emitting diodes 69. For example, the development of the plasma treatment in the currently treated area of the surface could be displayed with the help of a bar graph.
Die Plasmabehandlung kann zum einen so durchgeführt werden, dass Überschläge der in der Plasmadüse erzeugten Entladungen auf die Werkstückoberfläche vermieden werden, um eine Beschädigung einer empfindlichen Oberfläche zu vermeiden. Hierbei handelt es sich um ein sogenanntes potentialfreies Plasma. Zum anderen kann ein elektrisch leitendes Werkstück geerdet werden, so dass gezielt elektrische Entladungen auf das Werkstück herüber gezogen werden. Wenn es dadurch nicht zu einer ungewollten Beeinflussung der Oberfläche 54 kommt, können höhere Bearbeitungsgeschwindigkeiten und gleichzeitig deutlich größere Lichtintensitäten erreicht werden. In den Fig. 5 bis 8 sind Versuchsergebnisse dargestellt, die eine Detektion von Silizium-Emissionen zum Gegenstand haben, die sich durch eine Verunreinigung der Oberfläche durch Silikone und deren Abtragen durch die Plasmabehandlung ergeben. In Abhängigkeit vom Abreinigungserfolg wurden die unterschiedlichen Emissionenintensitäten untersucht .On the one hand, the plasma treatment can be carried out in such a way that flashovers of the discharges generated in the plasma nozzle on the workpiece surface are avoided in order to avoid damaging a sensitive surface. This is a so-called potential-free plasma. On the other hand, an electrically conductive workpiece can be grounded so that targeted electrical discharges are pulled over to the workpiece. If this does not lead to an unwanted influence on the surface 54, higher processing speeds and at the same time significantly greater light intensities can be achieved. FIGS. 5 to 8 show test results which relate to the detection of silicon emissions which result from contamination of the surface by silicones and their removal by the plasma treatment. Depending on the cleaning success, the different emission intensities were investigated.
Die Siliziumatome weisen ein Emissionsspektrum auf, das unter anderem Spektrallinien bei Wellenlängen von 251 nm und 288 nm aufweist. Die Spektrallinien liegen also im Ultraviolettbereich des Spektrums .The silicon atoms have an emission spectrum which, inter alia, has spectral lines at wavelengths of 251 nm and 288 nm. The spectral lines are thus in the ultraviolet range of the spectrum.
In den Fig. 4 und 5 sind die optischen Emissionsspektren (Emission in Abhängigkeit von der Wellenlänge in nm) in unterschiedlicher Intensitätsskalierung dargestellt. Die Spektren sind während einer Plasmabehandlung eines Kunststoffpaneels mit siliziumhaltigen Rückständen auf der Oberfläche aufgenommen worden. Mit den mit a und b bezeichneten Linien sind die Emissionswellenlängen des Siliziums bei 251 und 288 nm gekennzeichnet.FIGS. 4 and 5 show the optical emission spectra (emission as a function of the wavelength in nm) in different intensity scaling. The spectra were recorded during a plasma treatment of a plastic panel with silicon-containing residues on the surface. The lines labeled a and b indicate the emission wavelengths of the silicon at 251 and 288 nm.
Von unten nach oben sind jeweils fünf Spektren des Paneels bei mehrmaliger Behandlung gezeigt. Zu diesem Zweck wurde die gleiche Strecke auf dem Paneel fünf Mal nacheinander abgefahren. Auf diese Weise wurde der reinigende Einfluss des Plasmas auf die Oberfläche untersucht und in wie weit sich dieses auf die Emissionsspektren auswirkte. In Fig. 4 und 5 ist jeweils die Anzahl der Behandlungen rechts durch Zahlen zwischen 1 und 5 angegeben.From bottom to top five panels of the panel are shown with repeated treatment. For this purpose, the same route was run on the panel five times in succession. In this way the purifying influence of the plasma on the surface was examined and how it affected the emission spectra. In Figs. 4 and 5, the number of treatments on the right is indicated by numbers between 1 and 5, respectively.
Insbesondere aus der vergrößerten Darstellung der Fig. 5 wird deutlich, dass die Intensität der Siliziumlinien bei a und b in Abhängigkeit von der Anzahl der Behandlunσen asymptotisch abnimmt. Im Spektrum der einfachen Behandlung sind die Linien noch deutlich zu erkennen, während nach 5 Behandlungen die Linien nicht mehr aus dem übrigen Spektrum herausragen.In particular, from the enlarged view of Fig. 5 it is clear that the intensity of the silicon lines at a and b depending on the number of Behandlungslunσen decreases asymptotically. In the spectrum of simple treatment, the lines are still clearly visible, while after 5 treatments, the lines no longer stand out from the rest of the spectrum.
Fig. 6 und 7 zeigen jeweils den Verlauf der Intensitäten des optischen Spektrums bei der Wellenlänge 251 nm und 288 nm über fünf nacheinanderfolgende Behandlungsschritten. Es ist ein deutlicher abnehmender Trend der Intensität zu erkennen, der sich asymptotisch einem Grenzwert bei einer Intensität von 100 Einheiten (Fig. 7) bzw. bei ca. 60 Einheiten (Fig. 8) annähert. Dieser Trend ist auf die Abnahme des Siliziumanteils auf der Oberfläche des Paneels auf Grund der reinigenden Wirkung des Plasmas zurückzuführen. Der asymptotische Verlauf führt zu einer immer geringer werdenden Differenz zwischen jeweils zwei aufeinander folgenden Messwerten. Liegt beispielsweise die Differenz unterhalb eines Grenzwertes, so kann das zum Auslösen des Kontrollsignals dienen um anzuzeigen, dass die Plasmabehandlung der Oberfläche in dem behandelten Bereich abgeschlossen werden kann.6 and 7 respectively show the course of the intensities of the optical spectrum at the wavelengths of 251 nm and 288 nm over five successive treatment steps. There is a clear decreasing trend in the intensity that asymptotically approaches a threshold at an intensity of 100 units (Figure 7) and approximately 60 units (Figure 8). This trend is due to the decrease in the silicon content on the surface of the panel due to the cleaning effect of the plasma. The asymptotic course leads to an ever decreasing difference between two consecutive measured values. For example, if the difference is below a threshold, this may be used to trigger the control signal to indicate that the plasma treatment of the surface in the treated area can be completed.
Es wurden darüber hinaus Untersuchungen gleicher Art mit unterschiedlichen Behandlungsdauern bzw. Behandlungsgeschwindigkeiten der einzelnen Plasmabehandlungen durchgeführt. Diese ergaben das zu erwartende Resultat, dass je langsamer und somit intensiver die einzelnen Behandlungsschritte gewesen sind, desto schneller die Intensität der Siliziumlinien in den einzelnen aufeinander folgenden Spektren abnahm.In addition, investigations of the same type were carried out with different treatment periods or treatment rates of the individual plasma treatments. These gave the expected result that the slower and thus more intensive the individual treatment steps were, the faster the intensity of the silicon lines in the individual successive spectra decreased.
Bei einer Definition von Grenzwerten für die Differenzbildung oder für die asymptotischen Intensitäten für die Emissionen bei 251 nm und 288 nm kann somit eine Qualitätssicherung bezüglich der Reinigung von siliziumhaltigen Rückständen auf der Oberfläche erfolgen.For a definition of threshold values for difference formation or for the asymptotic intensities for the emissions at 251 nm and 288 nm, a Quality assurance with regard to the cleaning of silicon-containing residues on the surface.
Zuvor ist das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Beispiels einer siliziumhaltigen Oberflächenverunreinigung erläutert worden. Wenn andere Verunreinigungen wie Öle, Fette oder andere organische Stoffe von der Oberfläche abgereinigt werden sollen, dann müssen die gemessenen Spektren anhand der für diese Stoffe charakteristischen Spektrallinien oder Spektralbanden ausgewertet werden.Previously, the method according to the invention has been explained with reference to an example of a silicon-containing surface contamination. If other impurities such as oils, greases or other organic substances are to be cleaned from the surface, then the measured spectra must be evaluated on the basis of the spectral lines or spectral bands characteristic of these substances.
Wird eine Plasmapolymerisationsbehandlung durchgeführt, so kann ein Stoff, der aus dem Material des zu beschichtenden Werkstückes durch das Plasma herausgelöst wird, zur Analyse herangezogen werden. Bei einer Oberflächenmodifikation wiederum kann ein während der Modifikation aus der Oberfläche austretender Stoff zur Analyse herangezogen werden.When a plasma polymerization treatment is carried out, a substance which is dissolved out of the material of the workpiece to be coated by the plasma can be used for analysis. In the case of a surface modification, in turn, a substance emerging from the surface during the modification can be used for the analysis.
Soll dagegen nur die Oberfläche analysiert und nicht behandelt, modifiziert oder beschichtet werden, dann kann durch das Plasma ein Stoff oder können mehrere Stoffe aus dem Material des Werkstückes abgelöst werden, die in ihrer Konzentration mittels des beschriebenen Verfahrens bestimmt werden.If, on the other hand, only the surface is to be analyzed and not treated, modified or coated, the plasma can be used to detach a substance or several substances from the material of the workpiece which are determined in their concentration by means of the method described.
Unabhängig von den zuvor erläuterten Ausführungsbeispielen gilt für alle Messungen, dass, da die Intensität des Plasmas selbst schwankt, auch die Gesamtintensität der optischen Emission schwankt. Daher werden in bevorzugter Weise die relevanten zu beobachtenden Emissionslinien auf mindestens eine weitere Referenzlinie bzw. Referenzbande bezogen, die sich nicht auf Grund von Änderungen an der Oberfläche ändert, so dass der Einfluss von Schwankungen der optischen Gesamtintensität ausgeschaltet werden kann. Welche Referenzlinie bzw. Referenzbande für diesen Zweck geeignet ist, muss in Abhängigkeit des zu untersuchenden Gesamtsystems festgelegt werden, um so sicherzustellen, dass Schwankungen in der Intensität dieser Referenzlinie bzw. Referenzbande wirklich nur durch Prozessschwankungen und nicht durch Änderungen in der Oberfläche zustande kommen . Irrespective of the embodiments explained above, it applies to all measurements that, since the intensity of the plasma itself fluctuates, the total intensity of the optical emission also fluctuates. Therefore, the relevant emission lines to be observed are preferably related to at least one other reference line or reference band which does not change due to changes in the surface, so that the influence of variations in the total optical intensity can be eliminated. Which reference line or reference band is suitable for this purpose must be determined as a function of the overall system to be examined so as to ensure that fluctuations in the intensity of this reference line or reference band really only come about through process fluctuations and not changes in the surface.

Claims

P A T E N T AN S P R Ü C H E PATENT AT SPRU
1. Verfahren zur Charakterisierung einer Oberfläche eines Werkstückes, bei dem ein atmosphärischer Plasmastrahl erzeugt wird und auf die Oberfläche gerichtet wird, bei dem das in dem Plasmastrahl im Bereich der beaufschlagten Oberfläche entstehende Licht analysiert wird und bei dem die Lichtintensität in mindestens einemA method for characterizing a surface of a workpiece, wherein an atmospheric plasma jet is generated and directed to the surface, wherein the light generated in the plasma jet in the area of the applied surface is analyzed and in which the light intensity in at least one
Spektralbereich als Maß für die Konzentration mindestens eines von der Oberfläche des Werkstückes durch Beaufschlagung mit dem atmosphärischenSpectral range as a measure of the concentration of at least one of the surface of the workpiece by exposure to the atmospheric
Plasmastrahl abgelösten Stoffes bestimmt wird.Plasma jet detached substance is determined.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Lichtintensität in dem mindestens einen Wellenlängenbereich mit der Lichtintensität eines anderen Wellenlängenbereiches verglichen wird.2. The method of claim 1, wherein the light intensity in the at least one wavelength range is compared with the light intensity of another wavelength range.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die zeitliche Entwicklung der Lichtintensität in dem mindestens einen Spektralbereich bestimmt wird.3. The method of claim 1 or 2, wherein the temporal evolution of the light intensity in the at least one spectral range is determined.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Lichtintensität in dem mindestens einen Wellenlängenbereich als Maß für den Grad einer Behandlung der Oberfläche ermittelt wird.4. The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the light intensity in the at least one wavelength range is determined as a measure of the degree of treatment of the surface.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Oberfläche durch den Plasmastrahl gereinigt wird und bei dem die Lichtintensität in dem mindestens einen Wellenlängenbereich als Maß für den Grad der Reinigung ermittelt wird.5. The method of claim 4, wherein the surface is cleaned by the plasma jet and wherein the light intensity in the at least a wavelength range is determined as a measure of the degree of cleaning.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der auf der Oberfläche anhaftende und die Oberfläche verschmutzende Stoff mit einem Botenstoff angereichert wird und bei dem die durch den Botenstoff erzeugte Lichtintensität analysiert wird.6. The method of claim 5, wherein the adhering to the surface and the surface contaminating substance is enriched with a messenger and in which the light intensity generated by the messenger substance is analyzed.
7. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Oberfläche durch den Plasmastrahl plasmabeschichtet wird und bei dem die Lichtintensität in dem mindestens einen Wellenlängenbereich als Maß für den Grad der Beschichtung ermittelt wird.7. The method of claim 4, wherein the surface is plasma coated by the plasma jet and wherein the light intensity in the at least one wavelength range is determined as a measure of the degree of coating.
8. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Oberfläche durch den Plasmastrahl modifiziert wird und bei dem die Lichtintensität in dem mindestens einen Wellenlängenbereich als Maß für den Grad der Modifikation ermittelt wird.8. The method of claim 4, wherein the surface is modified by the plasma jet and wherein the light intensity in the at least one wavelength range is determined as a measure of the degree of modification.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das Plasma mittels einer durch das Plasma angeregten Emissionsspektroskopie analysiert wird.9. The method according to any one of claims 1 to 8, wherein the plasma is analyzed by means of an excited by the plasma emission spectroscopy.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das Plasma mittels einer Anregungsquelle angeregten Emissionsspektroskopie analysiert wird.10. The method according to any one of claims 1 to 8, wherein the plasma is analyzed by means of an excitation source excited emission spectroscopy.
11. Vorrichtung zur Charakterisierung einer Oberfläche eines Werkstückes,11. Apparatus for characterizing a surface of a workpiece,
- mit einem Spektrometer (50),with a spectrometer (50),
- mit optischen Mitteln (52) zum Leiten eines Teils des Lichtes, das aus dem mit der Oberfläche in Berührung kommenden Plasma abgestrahlt wird, zum Spektrometer (50),- With optical means (52) for directing a portion of the light, which is in contact with the surface radiating to the spectrometer (50),
- mit Auswertemitteln (58) zum Analysieren der Intensitätsverteilung des Lichtes und- With evaluation means (58) for analyzing the intensity distribution of the light and
- mit Kontrollmitteln zum Kontrollieren der Plasmabehandlung .- with control agents to control the plasma treatment.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Mittel (52) eingangsseitig auf den Oberflächenbereich gerichtet sind, der mit dem Plasma beaufschlagt ist.12. The device according to claim 11, characterized in that the optical means (52) are directed on the input side to the surface region, which is acted upon by the plasma.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass als optisches Mittel mindestens ein Lichtleiter (52) vorgesehen ist.13. The apparatus of claim 11 or 12, characterized in that as optical means at least one light guide (52) is provided.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter (52) eingangsseitig mit einer Sammeloptik versehen ist.14. Device according to one of claims 11 to 13, characterized in that the light guide (52) is provided on the input side with a collection optics.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Mittel (52) mit einer den Plasmastrahl erzeugenden Plasmadüse (10) verbunden sind.15. Device according to one of claims 11 to 14, characterized in that the optical means (52) are connected to a plasma jet generating the plasma jet (10).
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Mittel (52) seitlich an der Plasmadüse (10) befestigt sind. 16. The apparatus according to claim 15, characterized in that the optical means (52) are attached laterally to the plasma nozzle (10).
17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Mittel (52) in einer innerhalb der Plasmadüse (10) angeordneten Führung (64) angeordnet sind.17. The apparatus according to claim 15, characterized in that the optical means (52) in a within the plasma nozzle (10) arranged guide (64) are arranged.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Anregen eines Teils des Plasmas vorgesehen sind, insbesondere ein Laser (66) .18. Device according to one of claims 11 to 17, characterized in that means are provided for exciting a part of the plasma, in particular a laser (66).
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrollmittel Anzeigemittel (68,72) zum Anzeigen eines Kontrollsignals aufweisen.19. Device according to one of claims 11 to 18, characterized in that the control means display means (68,72) for displaying a control signal.
20. Plasmadüse zum Erzeugen eines atmosphärischen Plasmastrahls mit einer Vorrichtung zur Charakterisierung einer Oberfläche eines Werkstückes nach einem der Ansprüche 11 bis 19. 20. Plasma nozzle for producing an atmospheric plasma jet with a device for characterizing a surface of a workpiece according to one of claims 11 to 19.
PCT/EP2006/061749 2005-04-22 2006-04-21 Method and device for identifying characteristics of the surface of a workpiece WO2006136467A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP06792456A EP1875212A1 (en) 2005-04-22 2006-04-21 Method and device for identifying characteristics of the surface of a workpiece

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE200510018926 DE102005018926B4 (en) 2005-04-22 2005-04-22 Method and plasma nozzle for generating an atmospheric plasma jet generated by means of high-frequency high voltage comprising a device in each case for characterizing a surface of a workpiece
DE102005018926.1 2005-04-22

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2006136467A1 true WO2006136467A1 (en) 2006-12-28

Family

ID=36754303

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2006/061749 WO2006136467A1 (en) 2005-04-22 2006-04-21 Method and device for identifying characteristics of the surface of a workpiece

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP1875212A1 (en)
DE (1) DE102005018926B4 (en)
WO (1) WO2006136467A1 (en)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007119520A1 (en) 2006-03-29 2007-10-25 Denso Corporation Installation structure for fuel injection valve and fuel injection system
KR101498392B1 (en) * 2013-12-11 2015-03-03 주식회사 에이피아이 Plasma generating apparatus
KR101742483B1 (en) * 2015-10-23 2017-06-01 (주)세신기전시스템 Gouging Device
DE102015121252A1 (en) * 2015-12-07 2017-06-08 Plasmatreat Gmbh Apparatus for generating an atmospheric plasma jet and method for treating the surface of a workpiece
WO2018020434A1 (en) 2016-07-26 2018-02-01 BORISSOVA, Anastasiia Olegovna Tissue tolerable plasma generator and method for the creation of protective film from the wound substrate
KR101924429B1 (en) 2017-10-12 2018-12-03 이창훈 Apparatus and Method for Producing Carbon Fiber Reinforced Plastic Using Plasma

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007041329B4 (en) * 2007-08-31 2016-06-30 Thermico Gmbh & Co. Kg Plasma torch with axial powder injection
DE102008052102B4 (en) * 2008-10-20 2012-03-22 INPRO Innovationsgesellschaft für fortgeschrittene Produktionssysteme in der Fahrzeugindustrie mbH Device for pre- and / or after-treatment of a component surface by means of a plasma jet
DE102009006016A1 (en) * 2009-01-23 2010-07-29 Plasma Treat Gmbh Method and device for the detection of ionizable gases, in particular organic molecules, preferably hydrocarbons
CN102103291B (en) * 2010-12-17 2013-09-18 深圳市华星光电技术有限公司 Repair equipment of alignment film and repair method thereof
DE102015121253A1 (en) * 2015-12-07 2017-06-08 Plasmatreat Gmbh Apparatus for generating an atmospheric plasma jet for treating the surface of a workpiece
DE102017120017A1 (en) * 2017-08-31 2019-02-28 Plasmatreat Gmbh A nozzle arrangement for a device for generating an atmospheric plasma jet, system and method for monitoring and / or control of the system

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3344683A1 (en) 1983-12-10 1985-06-20 Gustav Stähler GmbH & Co KG, 5909 Burbach Method and device for monitoring or controlling the welding operation during the welding of workpieces by the arc welding process
EP0761415A2 (en) 1995-09-01 1997-03-12 Agrodyn Hochspannungstechnik GmbH Method and apparatus for surface pretreatment of articles
DE19635046A1 (en) 1996-08-29 1998-03-05 Nis Ingenieurgesellschaft Mbh Spectroanalyser for determining element compositions and concentrations
WO1999052333A1 (en) 1998-04-03 1999-10-14 Agrodyn Hochspannungstechnik Gmbh Plasma processing device for surfaces
WO2001032949A1 (en) 1999-10-30 2001-05-10 Agrodyn Hochspannungstechnik Gmbh Method and device for plasma coating surfaces
WO2001043512A1 (en) 1999-12-09 2001-06-14 Agrodyn Hochspannungstechnik Gmbh Plasma nozzle
EP1335641A1 (en) 2002-02-09 2003-08-13 Plasma Treat GmbH Plasma nozzle
EP1410852A1 (en) 2002-10-18 2004-04-21 Plasma Treat GmbH Method and apparatus for the removal of a polymer-based layer of paint
DE102004004666B3 (en) * 2004-01-30 2005-09-15 Daimlerchrysler Ag Weld seam/thermally sprayed layer`s quality determining method for e.g. land vehicle, involves using Echelle spectrometer to find grade of mixture of coated material relative to base material by analyzing spectral lines from surface plasma

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2076185A5 (en) * 1970-01-05 1971-10-15 Commissariat Energie Atomique
SU742065A1 (en) * 1977-08-26 1980-06-25 Предприятие П/Я Р-6476 Electric-arc welding process control method
DE4140182A1 (en) * 1991-12-05 1993-06-09 Carl Baasel Lasertechnik Gmbh, 8130 Starnberg, De Control of a laser process on workpiece - with the same optical fibre cable used for the applied laser beam and the opposite plasma light beam
DE4313287A1 (en) * 1993-04-23 1994-10-27 Fraunhofer Ges Forschung Method and apparatus for the on-line monitoring and control of the weld-in depth during laser beam welding

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3344683A1 (en) 1983-12-10 1985-06-20 Gustav Stähler GmbH & Co KG, 5909 Burbach Method and device for monitoring or controlling the welding operation during the welding of workpieces by the arc welding process
EP0761415A2 (en) 1995-09-01 1997-03-12 Agrodyn Hochspannungstechnik GmbH Method and apparatus for surface pretreatment of articles
DE19635046A1 (en) 1996-08-29 1998-03-05 Nis Ingenieurgesellschaft Mbh Spectroanalyser for determining element compositions and concentrations
WO1999052333A1 (en) 1998-04-03 1999-10-14 Agrodyn Hochspannungstechnik Gmbh Plasma processing device for surfaces
WO2001032949A1 (en) 1999-10-30 2001-05-10 Agrodyn Hochspannungstechnik Gmbh Method and device for plasma coating surfaces
WO2001043512A1 (en) 1999-12-09 2001-06-14 Agrodyn Hochspannungstechnik Gmbh Plasma nozzle
EP1335641A1 (en) 2002-02-09 2003-08-13 Plasma Treat GmbH Plasma nozzle
EP1410852A1 (en) 2002-10-18 2004-04-21 Plasma Treat GmbH Method and apparatus for the removal of a polymer-based layer of paint
DE102004004666B3 (en) * 2004-01-30 2005-09-15 Daimlerchrysler Ag Weld seam/thermally sprayed layer`s quality determining method for e.g. land vehicle, involves using Echelle spectrometer to find grade of mixture of coated material relative to base material by analyzing spectral lines from surface plasma

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP1875212A1 *

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007119520A1 (en) 2006-03-29 2007-10-25 Denso Corporation Installation structure for fuel injection valve and fuel injection system
KR101498392B1 (en) * 2013-12-11 2015-03-03 주식회사 에이피아이 Plasma generating apparatus
WO2015088069A1 (en) * 2013-12-11 2015-06-18 주식회사 에이피아이 Plasma generating device
US20160314938A1 (en) * 2013-12-11 2016-10-27 Applied Plasma Inc Co., Ltd. Plasma Generating Device
US9779915B2 (en) 2013-12-11 2017-10-03 Applied Plasma Inc Co., Ltd. Plasma generating device comprising a rotating body
RU2649314C1 (en) * 2013-12-11 2018-04-02 Эпплайд Плазма Инк Ко., Лтд. Plasma generator
EP3082384B1 (en) 2013-12-11 2019-05-01 Applied Plasma Inc Co., Ltd. Plasma generating device
KR101742483B1 (en) * 2015-10-23 2017-06-01 (주)세신기전시스템 Gouging Device
DE102015121252A1 (en) * 2015-12-07 2017-06-08 Plasmatreat Gmbh Apparatus for generating an atmospheric plasma jet and method for treating the surface of a workpiece
US10555411B2 (en) 2015-12-07 2020-02-04 Plasmatreat Gmbh Device for generating an atmospheric plasma beam, and method for treating the surface of a workpiece
WO2018020434A1 (en) 2016-07-26 2018-02-01 BORISSOVA, Anastasiia Olegovna Tissue tolerable plasma generator and method for the creation of protective film from the wound substrate
KR101924429B1 (en) 2017-10-12 2018-12-03 이창훈 Apparatus and Method for Producing Carbon Fiber Reinforced Plastic Using Plasma

Also Published As

Publication number Publication date
EP1875212A1 (en) 2008-01-09
DE102005018926A1 (en) 2006-11-02
DE102005018926B4 (en) 2007-08-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102005018926B4 (en) Method and plasma nozzle for generating an atmospheric plasma jet generated by means of high-frequency high voltage comprising a device in each case for characterizing a surface of a workpiece
DE19822672B4 (en) Method and device for producing a directional gas jet
DE19532412C2 (en) Device for surface pretreatment of workpieces
EP2382460B1 (en) Method and device for detecting gases that can be ionized
DE2110421A1 (en) Method and device for mixing liquids
DE102005027260B4 (en) Method and device for determining the quality of a weld or a thermal sprayed layer and use
EP0994637A2 (en) Device for plasma treatment of bar or wire shaped material
DE4415381A1 (en) Laser-based method for the determination of precious metal concentrations in metals
DE112014001620T5 (en) Apparatus and method for mixing a liquid sample to be introduced into an analyzer
DE112014001615T5 (en) Apparatus and method for liquid sample introduction
EP1819846B1 (en) Method for cleaning a workpiece with halogen ions
DE1929429C3 (en) Device for the spectrochemical analysis of a material
DE19957808C2 (en) Method for determining substance concentrations and / or the flow rate in a gas, aerosol or dust and devices for carrying out the method
DE2410892A1 (en) METHOD AND APPARATUS FOR EXAMINATION OF SPECIMENS USING FLAMELESS ATOMIC ABSORPTION SPECTROSCOPY
DE10140299B4 (en) Method for monitoring and online diagnosis of a thermal spraying process
DE102009038563B4 (en) Apparatus and method for monitoring a plasma jet
EP1867219B1 (en) Arrangement for monitoring thermal spray processes
DE102019128706B3 (en) Method and measuring head for plasma-assisted measurement of a body
DE1464755B2 (en) Device for generating a plasma jet by means of a high-frequency gas discharge
EP0192919A1 (en) Method and device for quantitatively determining gaseous combustion components
DE102004004666B3 (en) Weld seam/thermally sprayed layer`s quality determining method for e.g. land vehicle, involves using Echelle spectrometer to find grade of mixture of coated material relative to base material by analyzing spectral lines from surface plasma
DE102011085394B4 (en) Device for analyzing a fluid by means of evanescence field spectroscopy and dielectrophoresis
DE102021108009B4 (en) Multi-wavelength UV radiation source and UV probe, especially for fluorescence analysis
DE102018128754B4 (en) Device and method for element analysis of materials
DE102022203056A1 (en) Device for selective material removal from structural elements or layers formed on surfaces of substrates

Legal Events

Date Code Title Description
DPE1 Request for preliminary examination filed after expiration of 19th month from priority date (pct application filed from 20040101)
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2006792456

Country of ref document: EP

WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: 2006792456

Country of ref document: EP