CN101832928A - 监控等离子放电的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种用于监控表面处理工艺期间的等离子放电的方法及装置(MON)，其中给气态介质内的电极提供交流电压(UHV)以用于产生等离子，其中所述装置(MON)包括用于检测测量信号的检测器构件(M1)，所述测量信号表示由所述交流电压(UHV)在所述介质内产生的电能的测量值(I)。此外，提供用于分离所述测量信号的信号分量的分离构件(M2)，所述分量高于预置频率，且还提供用于通过将所述测量信号(I)的所述分离的信号分量与至少一个预置参考进行比较来对所述测量信号(I)的所述分离的信号分量进行评价的评价构件(M3)。优选地，借助电介质势垒放电来实现所述等离子的所述产生，其中测量穿透所述介质的电流、明确地说电介质位移电流(I)作为测量值。

Description

监控等离子放电的方法
技术领域
本发明涉及一种根据技术方案1及独立技术方案的序言的用于监控等离子放电的方法及装置。明确地说，本发明涉及一种用于监控表面处理工艺期间的等离子放电(也称为等离子点火)的方法及装置，其中以交流电压给气态介质中的电极充电以用于产生等离子。
背景技术
在这些方法及装置中，存在(例如)产生用于涂覆并改良例如由玻璃及/或塑料制成的医药包装材料等混杂产物的表面的等离子的方法。在这些方法中，通常应用所谓的电介质势垒放电(也称作DBD)。在DBD短时间及仅几微秒中，通过(例如)10到100kHz的交流电压的影响以及通过对电极的电介质屏蔽来产生持续的等离子放电。
等离子放电的稳定性及因此还有此类表面处理工艺的质量取决于数个条件，例如压力、气流、气体组成及表面条件。因此，对于此类表面处理工艺的工业实践，必须使用用于监控等离子放电的充足测量方法及构件。
已知用于借助光发射的光学监控来监控等离子放电的方法及装置，所述光发射可在发生等离子放电期间由于伴随的光子的产生而检测到。举例来说，借助于光发射的强度且明确地说光发射的光谱光学鉴别，监控并控制处理工艺的活动。举例来说，此途径(也称作“光学发射光谱学”或OES)还揭示于以下公开案中：US-A-2003223055、EP-A-1630848及EP-A-0821079。然而，OES方法具有如下缺点：由于光电组件、滤光器、光谱仪等的操作而需要高度努力来实现。
还已知用于在通过RF能量的影响产生等离子的情况下使用的用于监控等离子放电的其它方法。在此情况下，(例如)13MHz的高频交流电压导致在静态条件中产生等离子。对于监控工艺，通过所谓的火柴盒(matchbox)来测量等离子的阻抗。举例来说，此类方法揭示于以下专利及公开案中：US-B-6291999及US-A-5576629。从专利US-B-7169625B中，甚至已知其中提出测量光学光发射(OES)与RF参数的组合的用于监控等离子放电的方法，然而，并未更详细地描述将测量哪些RF参数。此外，这些已知的方法在测量仪器及装置方面需要相当高度的努力。
因此，本发明的目标是提出一种优选地可简单地且以低成本来实现的用于监控等离子放电的方法及装置。明确地说，将提出一种可以极其有利的方式结合电介质势垒放电(DBD)应用的用于监控等离子放电的方法及装置。
发明内容
所述目标由包括技术方案1的特征的方法及由包括独立技术方案的特征的装置来解决。
因此，提出首先检测表示由交流电压在介质中产生的电能的指标的测量信号且接着单独地检测测量信号的位于预定频率上面的此类信号部分且最终通过将所述测量信号的分离的信号部分与至少一个预置参考或模式进行比较来对所述测量信号的分离的信号部分进行评价。因此，本发明的装置包括检测器构件、分离构件及评价构件。
借助于本发明，可实现根据计量时间周期对电能进行直接测量，此优选地可通过测量在外加电压下的电流来执行。通过实行测量信号的分离及评价(优选地在对应信号处理内)，可提取对于等离子特性及性质来说为相关的有用信号。优选地，当应用DBD时，测量穿透介质的电介质位移电流作为测量值。此可借助于(例如)串联连接的测量电阻器来完成—所述测量电阻器产生电压降并输出与电流成比例的电压信号。依据此所测量的信号，分离具有较高频率的信号部分，且出于此目的，可应用滤波及/或光谱分析、明确地说快速傅里叶分析。所观察的信号分量优选地确实超过激励频率，此激励频率可以在(例如)10与100kHz之间。
不仅信号分量的分离而且所述分离的信号分量的评价也可借助光谱分离、明确地说快速傅里叶分析来执行，其中将对应于所述信号分量的光谱分量与用作参考的参考光谱进行比较。所述参考光谱是在发生等离子放电或点火之前记录的。替代此，发生的信号分量的评价还可通过计算差异来执行，在于将测量信号的信号分量与参考信号进行比较。此参考信号也是在发生等离子点火之前记录的。
为评价显著的高频信号分量，可使用阈值，例如所述阈值是光谱范围(量值、相位)内或时域(波形)内的信号值(量值、相位)。
这些及其它有利实施例还从子技术方案得出。
附图说明
在下文中，将更详细地并通过优选实施例且借助于附图来描述本发明，附图中：
图1显示产生用于涂覆医药封装(例如注射器)的等离子的结构的等效电路图。
图2显示在等离子放电的显现之前测量信号的波形。
图3显示在等离子放电的显现期间测量信号的波形。
图4对应于图2，但现在在更长的时间周期内显示在未显现等离子放电的情况下测量信号的波形且显示所获得的测量信号光谱。
图5对应于图3，但现在在更长的时间周期内显示在等离子放电的显现期间测量信号的波形且显示所导出的测量信号光谱；
图6显示根据本发明的方法的流程图。
具体实施方式
图1以电路框图的形式显示等效电路图形成通过电介质势垒放电(DBD)产生等离子的布置或结构。在此等效电路图中，此结构表示包括电介质DIEL的电容器，其中在所述电容器中，当施加交流电压UHV时产生电介质位移电流I。在此实例中，例如产生器G提供具有2kV的振幅且具有15kHz的频率的正弦形交流电UHV，其施加到等离子室PK内的电极，其中所述电极中的一者由电介质(例如玻璃板)屏蔽以避免欧姆短路。因此，仅产生电介质位移电流I，其可经由供应线处的测量电阻器R引取对应电压降UR且可供应到监控装置MON。
只要不发生等离子放电，即有理想地为纯正弦的且在相移方式上跟随所产生的电压UHV的电介质位移电流I流动(还参见图2)。根据本发明，此电流I由装置MON检测作为测量值以监控介质中及等离子室PK中的发生的等离子放电。图2及3中所示的相对于时间轴的振幅波形具备以下间隔(行盒)：在时间轴上一个盒意味着2微秒且在振幅轴上一个盒意味着1000伏或10毫安。
如通过这些图还可看出，本发明的一个内容是已通过测量电流I或对应测量值，可以可靠方式检测等离子室PK中的能量状态且更明确地说等离子放电或等离子点火的发生。因此，不需要光学测量构件等。此外且借助测量值I的评价，可导出等离子放电的数量及质量的特性。
由于电流I在等离子放电的显现期间于有限时间周期内快速增加，其中可检测特性信号波形(在图3中参见所包围区域)。这是由于如下事实：在交流电压UHV高于系统特有场强度的最大振幅的区域中，有效电介质DIEL改变且阻抗降低以使得电流I快速增加且发生等离子点火。接着，在交流电压的正在进行的时间周期期间，振幅值再次减小且等离子终止，则电流I再次对应于纯正弦或正弦形位移电流。当等离子显现时，则在正半部的上部区域及在负半部的下部区域中发生周期性电流脉冲(参见图3)，其具有典型特性，且因此各自指示等离子点火。
换句话说，本发明提出以时间分辨方式对电能进行测量，此处呈通过压印电压的电流测量的形式。通过应用单个信号处理功能(例如鉴别器、高通及低通滤光器、傅里叶变换、光谱分析)或其组合，可从所测量的信号提取有用信号，其中所述有用信号反映等离子的特性或性质。此还可借助适当评价逻辑或智能计算技术及所采用的软件来实现。所导出的有用信号可不仅用于工艺监控而且用于工艺控制。
因此，本发明揭示监控正电信号的显现且接着检测气体放电或气体点火的发生，其中监控装置MON(参见图1)包括适当构件或单元，明确地说包括检测测量信号的检测器构件M1、分离其较高频率信号分量的分离构件M2以及通过比较评价所述信号分量的评价构件M3。
为更详细地解释本发明，图4在较大的时间周期内显示在交流电压UHV的时间中的波形且显示由其产生的电介质位移电流I。在所述图的下部区段中，显示电流信号I的傅里叶变换结果FFT的光谱表示。图4涉及位于等离子点火的显现之前的时间周期。因此，且明确地说高于500kHz的较高频率范围不显示可观的光谱分量。
图5涉及其中发生等离子放电或等离子点火的情形。同样，显示交流电压UHV、电流I以及傅里叶变换结果FFT。清晰地显示，现在较高频率范围中也存在可观的光谱分量。
图6最终显示本发明的方法100的流程图，其包括步骤110到130。明确地说，方法100包括以下步骤(还参见之前所描述的图1到5)：
在第一步骤110中，检测表示测量值的测量信号，在此情况下其为表示由交流电压UHF在介质内产生的电能的电流I。在下一步骤120中，分离所述测量信号的高于激励频率的那些信号分量。此处，所述激励频率是(例如)100kHz且分离的信号分量高于此，在约500kHz的范围内。在随后的步骤130中，接着通过将测量信号I的分离的信号分量与至少一个预置参考进行比较来对测量信号I的分离的信号分量进行评价。因此，本发明提出监控电脉冲信号的显现以由此检测气体放电或气体点火的发生。
所述方法及执行所述方法的装置MON(参见图1)特别适用于监控电介质势垒放电。在这些情况下，产生由玻璃塑料等制成的中空本体内的大气等离子。可施加氦气或氩气或这些气体的混合物作为气态介质。提供具有(例如)10kW(SS)的输出功率的高电压产生器G。交流电压UHV可具有对应于激励频率的(例如)10到100kHz的频率。将交流电压UHV供应到位于所述中空本体内的尖端或电极。从所述中空本体外侧及周围，存在作为反电极的金属盖。引导所述气态介质穿过所述中空本体的特定孔。因此，如图1中所示的结构表示共轴形电容器。当施加交流电压UHV时，则电介质位移电流相移90°地流动。一旦发生或显现等离子，其即经由中心电极与玻璃密壁之间的气体区域形成交流电的部分短路。
图3及4显示电压、电流的波形且显示所描述的实施例的光谱分析。举例来说，借助快速傅里叶变换，电流信号可为光谱分析的目标。在等离子点火的情况下，则在测量信号的光谱中，可看到高量的高频光谱分量。接着，可以经验方式容易地使借助测量信号及光谱分析评价的光谱频率及/或其振幅与现有等离子条件(例如压力、气体通量及组成、表面条件等)相协调。以此方式，在使用几个测量构件的情况下可进行等离子放电的监控。此外，可控制总体工艺控制。
参考符号列表
G      高频产生器
UHV    交流电压(20到100kHz)
DIEL   电介质材料
PK     等离子室
MON       监控装置
M1        检测器构件(包含电阻器R)
M2        分离构件(此处：滤光器)
M3        评价构件(包含FFT分析仪)
R         测量电阻器
I         测量值或测量信号
          (此处：电介质位移电流)
UR        电压降(测量电压)
FFT       测量信号I的光谱

Claims (16)

1.一种监控在表面处理工艺期间发生的等离子放电的方法(100)，其中给气态介质内的电极供应交流电压(UHV)以用于产生等离子，所述方法的特征在于以下步骤：
检测表示由所述交流电压(UHV)在所述介质中产生的电能的测量值(I)的测量信号(步骤110)；
分离所述测量信号(I)的信号分量，所述信号分量高于预置频率(步骤120)；
通过将所述测量信号(I)的所述分离的信号分量与至少一个预置参考进行比较来对所述测量信号(I)的所述分离的信号分量进行评价(步骤130)。
2.根据权利要求1所述的方法(100)，其特征在于通过电介质势垒放电来实现所述等离子的所述产生。
3.根据权利要求1或2所述的方法(100)，其特征在于测量穿透所述介质的电流作为所述测量值，明确地说测量电介质位移电流(I)(步骤110)。
4.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法(100)，其特征在于通过滤光及/或光谱分析、明确地说通过快速傅里叶分析(FFT)来执行所述测量信号(I)的所述信号分量的所述分离(步骤120)。
5.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法(100)，其特征在于为了分离所述测量信号(I)的所述信号分量，预置确实超过激励频率的频率(步骤120)。
6.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法(100)，其特征在于借助光谱分析、明确地说通过快速傅里叶分析(FFT)来执行对所述测量信号(I)的所述分离的信号分量的所述评价，其中将对应于所述信号分量的光谱分量与用作参考的参考光谱进行比较(步骤130)。
7.根据权利要求6所述的方法(100)，其特征在于在所述发生等离子放电之前记录所述参考光谱。
8.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的方法(100)，其特征在于通过计算差异来执行对所述测量信号(I)的所述分离的信号分量的评价，在于将所述测量信号(I)的所述信号分量与参考信号进行比较。
9.根据权利要求8所述的方法(100)，其特征在于在所述发生等离子放电之前记录所述参考信号。
10.根据权利要求6到9中任一权利要求所述的方法(100)，其特征在于借助阈值、明确地说借助谱域或时域中的信号值来执行对所述测量信号(I)的所述分离的信号分量的所述评价(步骤130)。
11.一种用于监控在表面处理工艺期间发生的等离子放电的装置(MON)，其中给气态介质内的电极供应交流电压(UHV)以用于产生等离子，所述装置的特征在于：
检测器构件(Ml)，其用于检测表示由所述交流电压(UHV)产生的电能的测量值(I)的测量信号；
分离构件(M2)，其用于分离所述测量信号(I)的信号分量，所述分量高于预置频率；及
评价构件(M3)，其用于通过将所述测量信号(I)的所述分离的信号分量与至少一个预置参考进行比较来对所述测量信号(I)的所述分离的信号分量进行评价。
12.根据权利要求11所述的装置(MON)，其特征在于所述检测器构件(Ml)包括具有产生电压降(UR)的电流的测量电阻器(R)，所述电流是穿透所述介质的电流，明确地说是电介质位移电流(I)。
13.根据权利要求11或12所述的装置(MON)，其特征在于用于分离所述测量信号(I)的高于所述预置频率的所述信号分量的所述分离构件(M2)至少包括用于光谱分析、明确地说用于快速傅里叶分析(FFT)的滤光器及/或装置。
14.根据权利要求11到13中任一权利要求所述的装置(MON)，其特征在于所述评价构件(M3)至少包括用于光谱分析、明确地说用于快速傅里叶分析(FFT)的装置。
15.根据权利要求11到14中任一权利要求所述的装置(MON)，其特征在于所述评价构件(M3)包括将所述信号分量与用作参考的参考光谱进行比较的比较或比较器构件。
16.根据权利要求11到14所述的装置(MON)，其特征在于所述评价构件(M3)包括将所述测量信号(I)的所述信号分量与参考信号进行比较的比较构件。
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