CN107343351A - 用于等离子体射流产生的半导体微空心阴极放电器件 - Google Patents

用于等离子体射流产生的半导体微空心阴极放电器件 Download PDF

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Abstract

用于等离子体射流产生的半导体微空心阴极放电器件。一种微空心阴极放电器件(100)。该器件(100)包括包含第一电极的第一电极层(102)。在所述第一电极层(102)中设置孔(110)。该器件(100)还包括电介质层(104)，所述电介质层(104)具有设置在所述第一电极层(102)上的第一表面。孔(110)从第一电极层(102)延续贯穿电介质层(104)。该器件还包括半导体层(106)，所述半导体层(106)设置在电介质层(104)的与第一表面相反的第二表面上。半导体层(106)是半导体材料，所述半导体材料横跨孔(110)，使得所述孔(110)终止于半导体层(106)。该器件还包括第二电极层(108)，所述第二电极层(108)与电介质层(104)相反地设置在半导体层(106)上。

Description

用于等离子体射流产生的半导体微空心阴极放电器件
技术领域
本公开涉及微空心阴极放电器件中的等离子体射流产生。
背景技术
等离子体射流具有许多有用的应用。例如，等离子体射流发生器可以被放置在航天器上，并且然后等离子体射流可以用作推进器。等离子体射流发生器在工业和医学中具有各种其它应用。
对于一些应用，只有使用外部气流增强等离子体射流的长度才能产生所需尺寸的等离子体射流。然而，依赖于气流的集成等离子体射流发生器在仅有薄结构或有限空间可用的应用中可能是有问题的，因为基于气流的等离子体射流发生器对于这种应用来说易于体积太大。
发明内容
说明性实施方式提供了一种微空心阴极放电器件。该器件包括包含第一电极的第一电极层。在第一电极层中设置孔。该器件还包括电介质(dielectric)层，所述电介质层具有设置在第一电极层上的第一表面。孔从第一电极层延续贯穿电介质层。该器件还包括半导体层，所述半导体层设置在电介质层的与第一表面相反的第二表面上。半导体层是半导体材料，所述半导体材料横跨所述孔，使得所述孔终止于半导体层。该器件还包括第二电极层，所述第二电极层与电介质层相反地设置在半导体层上。
说明性实施方式还提供了一种从微空心阴极放电器件产生等离子体射流的方法，该微空心阴极放电器件包括：第一电极层，所述第一电极层包括第一电极，其中，在第一电极层中设置孔；电介质层，所述电介质层具有设置在第一电极层上的第一表面，其中，孔从第一电极层延续贯穿电介质层；半导体层，所述半导体层设置在电介质层的与所述第一表面相反的第二表面上，半导体层包括半导体材料，所述半导体材料横跨所述孔，使得所述孔终止于所述半导体层；以及第二电极层，所述第二电极层与电介质层相反地设置在半导体层上。该方法包括：通过在第一电极和第二电极的两端施加电压从孔产生等离子体射流。
说明性实施方式还提供了一种制造微空心阴极放电器件的方法。该方法包括制造具有第一表面和与第一表面相反的第二表面的电介质层。该方法还包括：在第一表面上设置包括第一电极的第一电极层，其中，在第一电极层中设置孔。孔从第一电极层延续贯穿电介质层。该方法还包括：在电介质层的第二表面上设置半导体层。半导体层包括半导体材料，所述半导体材料横跨孔，使得所述孔终止于所述半导体层。该方法还包括：在半导体层上与电介质层相反地设置第二电极层。
本发明可以涉及微空心阴极放电器件(100)，所述微空心阴极放电器件(100)可以包括：第一电极层(102)，所述第一电极层(102)包括第一电极，其中，在第一电极层(102)中设置孔(110)；电介质层(104)，所述电介质层(104)具有设置在所述第一电极层(102)上的第一表面，其中，所述孔(110)从所述第一电极层(102)延续贯穿所述电介质层(104)；半导体层(106)，所述半导体层(106)设置在电介质层(104)的与所述第一表面相反的第二表面上，半导体层(106)包括半导体材料，所述半导体材料横跨所述孔(110)，使得所述孔(110)终止于所述半导体层(106)；以及第二电极层(108)，所述第二电极层(108)与电介质层(104)相反地设置在半导体层(106)上。为了增强性能，第一电极层(102)、电介质层(104)、半导体层(106)和第二电极层(108)的组合厚度可以为约1.5毫米。孔(110)在与组合厚度垂直的方向上可以为约0.4毫米宽，以改善操作。根据权利要求1或2所述的微空心阴极放电器件(100)，其中，第一电极包括环形电极，所述环形电极的第一面积小于电介质层(104)的第一表面的第二面积。微空心阴极放电器件(100)还可以包括连接到第一电极的垫片，所述垫片被配置为容纳电触点。半导体层(106)可以包括碳带。可以用电绝缘的陶瓷给孔(110)做衬里，以提高效率。微空心阴极放电器件(100)还可以包括附接到第一电极并且附接到第二电极的电源(112)。微空心阴极放电器件(100)还可以包括脉冲发生器(316)，所述脉冲发生器(316)附接到电源(112)并且被配置为产生针对由电源(112)产生的电力的矩形信号。为了改善操作，微空心阴极放电器件(100)还可以包括：相机(318)，所述相机(318)被设置成拍摄孔(110)的图像；光谱仪，所述光谱仪与所述相机(318)通信；以及计算机(320)，所述计算机(320)与所述光谱仪通信，所述计算机(320)被配置为当作为电力被施加到第一电极和第二电极的结果从孔(110)发射等离子体射流(400)时分析使用相机(318)拍摄的图像的光谱。
本发明可以涉及一种从微空心阴极放电器件产生等离子体射流的方法，该微空心阴极放电器件可以包括：第一电极层(102)，所述第一电极层(102)包括第一电极，其中，在第一电极层(102)中设置孔(110)；电介质层(104)，所述电介质层(104)具有设置在第一电极层(102)上的第一表面，其中，孔(110)从第一电极层(102)延续贯穿电介质层(104)；半导体层(106)，所述半导体层(106)设置在电介质层(104)的与所述第一表面相反的第二表面上，半导体层(106)包括半导体材料，所述半导体材料横跨所述孔(110)，使得所述孔(110)终止于所述半导体层(106)；以及第二电极层(108)，所述第二电极层(108)与电介质层(104)相反地设置在半导体层(106)上。该方法可以包括：通过在第一电极和第二电极的两端施加电压从孔(110)产生等离子体射流(404)。产生等离子体射流(404)的步骤可以涉及产生大于约3毫米长的等离子体射流(404)。
附图说明
在所附权利要求中阐述了被认为是说明性实施方式的特性的新颖特征。然而，当结合附图阅读时，通过参考本公开的说明性实施方式的以下详细描述将最好地理解说明性实施方式以及优选的使用模式、其进一步的目的和特征，其中：
图1是根据说明性实施方式的半导体微空心阴极放电器件的图示；
图2是根据说明性实施方式的半导体微空心阴极放电器件的印刷电路板版本的图示；
图3是根据说明性实施方式的半导体微空心阴极放电器件的电气原理的图示；
图4是根据说明性实施方式的出于比较针对每个器件所得到的等离子体射流的目的的微空心阴极放电器件的图示；
图5是根据说明性实施方式的半导体微空心阴极放电器件的电气性能的曲线图的图示；
图6是根据说明性实施方式的测量来自半导体微空心阴极放电器件的射流的图示；
图7是根据说明性实施方式的由半导体微空心阴极放电器件产生的等离子体射流的一系列高速图像的图示；
图8是根据说明性实施方式的由半导体微空心阴极放电器件产生的压载等离子体射流(ballasted plasma jet)的近似速度的曲线图的图示；
图9是根据说明性实施方式的由半导体微空心阴极放电器件产生的等离子体射流的光谱光输出的曲线图的图示；
图10是根据说明性实施方式的用于计算等离子体射流的电子温度的方程的图示；
图11是根据说明性实施方式的从两个发射线的强度比所计算的温度表的图示；
图12是根据说明性实施方式的半导体微空心阴极放电器件的框图的图示；
图13是根据说明性实施方式的从微空心阴极放电器件产生等离子体射流的方法的流程图的图示；
图14是根据说明性实施方式的制造微空心阴极放电器件的方法的流程图的图示；以及
图15是根据说明性实施方式的数据处理系统的图示。
具体实施方式
说明性实施方式认识并考虑到电源技术的进步已经使得简单的大气等离子体源容易实现。这些器件可用于处理、流量控制、医疗应用、推进器等。精确应用将确定器件本身的配置。用于产生等离子体射流的最简单的配置之一是微空心阴极放电(MHCD)。传统的MHCD器件在一定范围的压力条件和气体混合物下操作。然而，在空气中的操作已经在低于大气压力下或者使用大约100m/s的外部气流供应来执行。
对于许多工业应用，优选的等离子体发生器将不需要外部气体供应，并且将能够在大气条件下操作。实现这样的操作参数将允许器件的小型化并且容易地将其集成到各种结构中。成形的和挠性MHCD器件也将更容易制造。
因此，对微空心阴极放电做出改进以在插在阴极孔的底部的半导体层的帮助下增强等离子体射流排放。使用微空心阴极放电器件观察大的等离子体射流，而无需外部的高速气体源。使用所提出的构造，生成10-20mm长的等离子体射流，其中排放速度为45m/s。进行包括高速成像和光谱学的进一步的研究。基于该发现，已经得出结论：紧凑的高性能等离子体射流是可能的。
图1示出了根据说明性实施方式的半导体微空心阴极放电器件。半导体微空心阴极放电器件100包括多个组件。在结构上，半导体微空心阴极放电器件100包括四层，这四层包括第一电极层102、电介质层104、半导体层106和第二电极层108。孔110穿过第一电极层102和电介质层104延伸到半导体层106。电源112向第一电极层102中的电极和第二电极层108中的另一电极供电。
总体上，半导体微空心阴极放电器件100可以具有如高度箭头114和宽度箭头116所指示的尺寸。在一些示例性实施方式中，高度可以是大约1.5mm。孔110的宽度可以是0.4mm。在一些说明性实施方式中，孔可以是圆形的，具有0.4mm的半径。沿着宽度箭头116的总宽度可以是几厘米或更长。半导体微空心阴极放电器件100的幅宽(进入和离开页面)也可以是几厘米或更长。这些尺寸都可以变化，并且不必限制说明性实施方式。孔110的尺寸和形状通常可以在约0.1mm至约2mm的范围内。半导体微空心阴极放电器件100沿着高度箭头114的高度可以在约0.5mm到10mm(或更大)之间变化。然而，在一些情况下，甚至这些范围可以被扩展。
现在将注意力转向用于开发和实现本文所述的说明性实施方式的示例性实验装置。以下仅是示例性的，因为其它装置可以用于实现本文描述的说明性实施方式。
微空心阴极放电器件(MHCD)由电介质层和附接到电介质的金属电极组成。这种器件可以利用印刷电路板(PCB)来构建。微空心阴极放电器件中的中心孔可以被认为是大多数电路板设计中存在的垂直互连通导(VIA)孔(access hole)。
说明性实施方式呈现了微空心阴极放电器件的用于提高等离子体射流在大气中的性能的新配置。为了提高微空心阴极放电器件的性能，半导体层可以附接在多个电极中的一个电极与电介质之间。这种布置在图1中被示出，其中，器件的横截面利用所示器件的主层绘制。利用半导体层包围孔的一端迫使两个电极之间的电通路也包括半导体。这种配置可以被指定为半导体微空心阴极放电(SC-MHCD)。
图2示出了根据说明性实施方式的半导体微空心阴极放电器件的印刷电路板版本。半导体微空心阴极放电器件200可以是半导体微空心阴极放电器件100。因此，与图1通用的附图标记共享相似的名称和描述。
在图2中，示出了半导体微空心阴极放电器件200的两个视图(第一侧和与第一侧相反的第二侧)。第一侧202包括孔110和第一电极层102。第二侧204示出半导体层106和第二电极层108二者。
现在将注意力转向继续被用在开发和实现本文描述的说明性实施方式的图1的示例性实验装置。以下仅是示例性的，因为其它实验装置可以用于实现本文描述的说明性实施方式。因此，半导体微空心阴极放电器件200的层的布置和形状以及其它方面不必限于在以下示例中示出或描述的内容。
在图2的说明性实施方式中，在器件的中间示出了小的环形电极(第一电极层102)。孔110可以在环形线圈的中心。孔110可以延伸到电路板的相反侧上的半导体层106。还示出了电介质层104和第二电极层108。
为了快速测试，可以设置将电源与半导体微空心阴极放电器件连接或断开的快速方式。连接到电极的宽垫(wide pad)可以被印刷在印刷电路板上，以确保用于鳄鱼夹的足够连接。可以使用其它类型的电极触点。
为了创建半导体层106，可以使用碳带层。在图2中可以在半导体微空心阴极放电器件200的第二侧204上看到碳带。在一些说明性实施方式中，带仅需要被应用于直接围绕孔110的小电极区域。为了易于制造，带可以完全覆盖半导体微空心阴极放电器件200的第二侧204。
基于印刷电路板面板的器件在使用中可能表现出不希望的侵蚀，特别是在可能表现出熔化迹象的电介质上。当铜和FR-4用于印刷电路板上的电介质时，可能发生这种侵蚀和熔化。FR-4是被指定用于玻璃增强环氧树脂层压板、管、杆和印刷电路板的等级名称。FR-4是一种由编织玻璃纤维布和环氧树脂粘合剂组成的复合材料，所述环氧树脂粘合剂为耐燃物。
为了实现较高的耐久性，可以使用1.5mm厚的陶瓷板来制造半导体微空心阴极放电器件200。是由Corning Inc.开发和销售的可机械加工的玻璃-陶瓷的商标。由硼硅酸盐玻璃基质中的氟金云母组成。然而，可以使用其它材料(包括其它类型的陶瓷材料)的板来实现较高的耐久性。
为了制造半导体微空心阴极放电器件200，铜箔可以被放置在陶瓷上，并且孔被钻孔同时贯穿箔和陶瓷。可以使用400微米的钻头，但是对于不同的说明性实施方式可以使用其它钻头尺寸。可以使用施加到陶瓷基底的后面的碳带和铜的层来构建第二电极。这些器件可以与图2所示的印刷电路板器件被同样地构建，并且被示出为类似地执行。本文件中呈现的所有数据是基于使用上述材料的布置和技术所构建的半导体微空心阴极放电器件。
图3示出了根据说明性实施方式的半导体微空心阴极放电器件的电气原理图300。半导体微空心阴极放电器件302可以是图2的半导体微空心阴极放电器件100或图1的半导体微空心阴极放电器件100。
半导体微空心阴极放电器件302连接到电流探针304、电阻器306、第二电流探针308和变压器310，如图3所示。变压器310可以是高压回扫变压器，但是可以使用能够按比例放大电压的其它变压器或其它器件。继而，变压器310可以连接到电阻器312、功率放大器314和脉冲发生器316，如图3中所布置的。相机318可以被设置成拍摄从半导体微空心阴极放电器件302发射的等离子体射流的图像。计算机320可以与相机318进行通信，以便记录和处理由相机318拍摄的数据。
其它电气布置是可能的。在一些说明性实施方式中，一个或两个电阻器可能不是必需的或不期望的。可以存在更多或更少的电流探针，或不存在电流探针。脉冲发生器可以不存在。因此，说明性实施方式不必限于图3所示的示例。
现在将注意力转向继续被用在开发和实现本文描述的说明性实施方式的图1和图2的具体示例性装置。以下仅是示例性的，因为其它实验装置可以用于实现本文描述的说明性实施方式。
为了向半导体微空心阴极放电器件供电，可以与图3所示的一组组件一起使用高压电源。脉冲发生器316可以用于产生等效于晶体管-晶体管逻辑(TTL)信号的低电压矩形信号。信号持续100微秒并且利用功率放大器314被放大。在具体非限制性说明性实施方式中，功率放大器314可以是AE TECHRON MODEL
为了获得高电压，可以使用回扫变压器用于变压器310。变压器的初级绕组可以连接到功率放大器314，而次级绕组连接到半导体微空心阴极放电器件302。
电阻器312可以与功率放大器314串联使用以限制电流。可以执行限制电流以保护变压器310。因此，在变压器310针对由特定布置产生的电流不需要保护的不同说明性实施方式中，电阻器312可能是不需要的或不期望的。
为了监测到半导体微空心阴极放电器件302的电力的输入，可以使用两个电流互感器(CT)(电流探针304和电流探针308)。在具体的说明性实施方式中，两个电流互感器可以是PEARSON ELECTRONICS MODEL第一电流互感器(电流探针304)可以附接到半导体微空心阴极放电器件302的高压侧，并且它测量提供给半导体微空心阴极放电器件302的电流。第二电流互感器(电流探针308)测量通过与半导体微空心阴极放电器件302并联连接的电阻器的电流。在具体的说明性实施方式中，电阻器306可以为约40kΩ。该测量允许与直接使用高压探针执行的电压测量相比以降低的噪声间接测量半导体微空心阴极放电器件302的两端的电压。
如上所指示的，相机318可以用于拍摄从半导体微空心阴极放电器件302发射的等离子体射流的图像。在具体的说明性实施方式中，NIKON相机可以用于捕获射流的长曝光图像，而VISION RESEARCH PHANTOM相机可以用于以每秒20,000帧提供高速影像。
可以使用配备有ISTAR增强电荷耦合器件(CCD)相机的ANDOR SHAMROCK光谱仪进行射流的光谱测量。等离子体射流的光可以经由光纤耦合到光谱仪。
可以使用本文描述的测量以在测试期间获得电离物质信息。对于光谱的初始测量，可以利用300l/mm光栅。使用高分辨率1800l/mm光栅来获得本文件中呈现的数据。可以选择较高分辨率光栅作为波长分辨率和可检测的波长跨度之间的良好折衷。利用1800l/mm光栅，能够以0.07nm的光谱分辨率在15个单独射击(shot)中获得跨越350nm至650nm的光谱信息。
图4示出了根据说明性实施方式的出于比较针对每个器件所得到的等离子体射流的目的的微空心阴极放电器件。因此，等离子体射流400由微空心阴极放电器件402产生；等离子体射流404由微空心阴极放电器件406产生；并且等离子体射流408由半导体微空心阴极放电器件410产生。对于每个射流，使用相同的尺子412来测量射流的长度。微空心阴极放电器件402使用延伸贯穿两个电极和介电材料而没有贯穿半导体层的孔。微空心阴极放电器件406使用延伸到第二电极但是没有贯穿第二电极且不具有半导体层的孔。半导体微空心阴极放电器件410使用图1和图2所示的布置。
关于图4描述的测量和说明性实施方式仅是示例性的，并且可以改变。然而，所示的测量是利用上述关于图1至图3描述的具体示例性实验装置而进行的。
继续该示例，在图4中示出了不同的微空心阴极放电器件配置的比较。上面两种配置如上所述。如图4的右列所示，这些普通配置的射流穿透性差。然而，与微空心阴极放电器件406的最大2mm相比，对于半导体微空心阴极放电器件410，测量从孔射出的长度大至15mm的相对大得多的射流。
对于所研究的每个配置，执行多次测试以消除噪声、制造不一致性等的影响。利用几十个单独的射击，每个配置被一致地执行并且仅半导体微空心阴极放电器件410示出了射流尺寸的显著改善。
基于这些结果，保证对半导体微空心阴极放电器件410的较仔细的检查。半导体微空心阴极放电器件410示出射流尺寸的显著增加，基于微空心阴极放电器件402和微空心阴极放电器件406处所示的先前研究没有预料到这种情况。器件之间的主要差异在于，存在施加到半导体微空心阴极放电器件410的下电极的导电碳带层。
所使用的带可以是由NISSHIN EM CO.制造的扫描电子显微镜(SEM)带，并且可以是近似120微米厚度。在一些情况下，带可能在喷射工艺中被消耗。在多个(通常多于20个)射击之后，可以消耗掉单层的SEM带。可以使用多层SEM带以增加可用射击次数。对于多达五层的带，注意到没有性能损失。
使用上述方法，测量半导体微空心阴极放电器件410的电气性能以确定电力要求。基于对多次射击的观察，从射击到射击仅观察到电行为的轻微变化。下面关于图5进一步描述半导体微空心阴极放电器件410的电气性能。
图5是根据说明性实施方式的半导体微空心阴极放电器件的电气性能的曲线图。曲线图500显示了针对半导体微空心阴极放电器件(诸如，关于图1至图4所描述的那些半导体微空心阴极放电器件)获得的电压502相对于时间504相对于电流506的关系。
现在将注意力转向继续用于开发和实现本文描述的说明性实施方式的图1至图4的具体示例性实验装置。以下仅是示例性的，因为其它实验装置可以用于实现本文描述的说明性实施方式。
图5示出了电流和电压的完整轨迹。半导体微空心阴极放电器件410的电气特性示出了峰值电流为500mA的放电的电容性质。最初，放电需要几乎2000V的高电压尖峰，这引发击穿(breakdown)并产生等离子体。一旦形成等离子体，进入稳态状态，在此状态期间300-500V的电压是足够的。射击的持续时间的平均功率被计算为34.7W。
到半导体微空心阴极放电器件的各种电流和电压脉冲是可能的。然而，用于产生针对放电的高压脉冲的变压器应该调节(accommodate)电流。变压器的电感负载和放电向半导体微空心阴极放电器件提供能量，从而在一些应用中限制电流脉冲的性质。在高速测试期间，可以增加电源的占空比以确定是否可得到接近稳定的射流。
利用上述示例，执行以100Hz速率的一系列射击。电源应提供足够的电力以此速率产生射流。100Hz的放电在高占空比测试的整个持续时间内看起来行为一致。随着占空比的增加，碳带的消耗也增加。对于这些测试，使用多层碳带，这允许在100Hz下4-5秒的运行时间。一旦碳带被消耗，喷射处理偶尔发生，并且最终开始表现为来自图4的微空心阴极放电器件406的等离子体射流404。
图6示出了根据说明性实施方式的对来自半导体微空心阴极放电器件的射流的测量。等离子体射流600是使用半导体微空心阴极放电器件(诸如，关于图1至图4所描述的那些半导体微空心阴极放电器件)产生的另一等离子体射流。与图4的尺子412相同的尺子602示出了对等离子体射流600的测量。注意，对于半导体微空心阴极放电器件的不同配置，可以观察到不同的测量。
现在将注意力转向继续用于开发和实现本文描述的说明性实施方式的图1至图5的具体示例性实验装置。以下仅是示例性的，因为其它实验装置可以用于实现本文描述的说明性实施方式。
图6从利用高分辨率数字单镜头反射式相机拍摄的等离子体射流600的实际高保真照片来获得。说明性实施方式的半导体微空心阴极放电器件产生使得标准尺子足以用于射流穿透的粗略测量的足够大的射流。平均来说，10-20mm长度的射流容易实现。
图7是根据说明性实施方式的由半导体微空心阴极放电器件产生的等离子体射流的一系列高速图像。用于获取图7所示的一系列图像的半导体微空心阴极放电器件可以是关于图1至图4描述的半导体微空心阴极放电器件中的任何一个。
半导体微空心阴极放电器件的单射击性质引起了对射流的时间变化的研究。高速相机用于捕获射流在电流脉冲的持续时间内的发展。图7中示出了结果。图像序列按照从图像700到图像702、图像704、图像706、图像708、图像710、图像712、图像714，图像716和最终图像718的顺序进行。在每个图像中示出了从引发等离子体射流开始的时间。
从利用信号发生器产生的晶体管-晶体管逻辑(TTL)信号的前沿触发相机，该信号发生器可以是图3的脉冲发生器316。由于来自半导体微空心阴极放电器件的等离子体射流的相对低光性质，所以整个帧间时间被用于曝光时间，在这种情况下为62微秒。相机在刚好0微秒之后对图像700进行时间标记，但是已经看到排放射流的第一证据。该结果是在半导体微空心阴极放电器件周围的快速变化的环境中长时间曝光的副作用。
图8是根据说明性实施方式的由半导体微空心阴极放电器件产生的压载等离子体射流的近似速度的曲线图。通过测量来自半导体微空心阴极放电器件(诸如，关于图1至图4描述的那些半导体微空心阴极放电器件)的等离子体射流来产生曲线图800。曲线图800表示等离子体射流的速度802与等离子体射流开始后的时间804之间的关系。
现在将注意力转向继续用于开发和实现本文描述的说明性实施方式的图1至图7的具体示例性实验装置。以下仅是示例性的，因为其它实验装置可以用于实现本文描述的说明性实施方式。
可以从图7所示的高速相机图像直接进行射流的长度增长的近似。结合相机提供的定时信息，可以计算近似排放速度值。在图8中示出了速度作为时间的函数。使用从图7所示的图像获得的值计算这些结果。
射流的峰值速度发生在脉冲的初始阶段期间。在该时间期间还测量电脉冲的最高功率电平。该方法允许估计排放速度。在峰值速度为45m/s的情况下，半导体微空心阴极放电器件产生的等离子体射流比使用外部气流的现有半导体微空心阴极放电器件慢5-10倍。
可以改变上述示例以进一步改进上述结果。例如，可以使用能够具有更高功率电平和增加的效率的专用电源。其它半导体材料的效果也可以改善半导体微空心阴极放电器件。
在半导体微空心阴极放电器件中产生的等离子体的更多细节可以使用光谱仪来进行。用于上述说明性实施方式的光谱仪能够耦合来自光纤电缆的光。在我们的情况下，光纤电缆由所有直径为200微米的20个单独光纤的线束构成。
光谱仪光纤馈入被定向使得光纤从侧面面向排放羽流，或者距排放孔90度。最初，光纤直接面向排放孔。在这种配置中，由于光纤间间隔导致光输出没有被有效地耦合到光纤。基于观察，可用的20光纤中只有3个光纤收集从半导体微空心阴极放电器件输出的光。改变光纤束的取向增加了耦合到光谱仪的光的量，这增加了信噪比。为了进一步增加信噪比，可以使用紧密封装的圆形阵列光纤束。
从器件的侧面对光进行采样可以限制对较冷的等离子体排放的研究。据信，在等离子体通过膨胀成射流而被绝热地冷却之前，最热的等离子体将驻留在放电通道内。
图9是根据说明性实施方式的由半导体微空心阴极放电器件产生的等离子体射流的光谱光输出的曲线图。图10是根据说明性实施方式的用于计算等离子体射流的电子温度的方程。
使用(诸如，关于图8所描述的)光谱仪产生曲线图900。曲线图900是使用上面关于图1至图4描述的半导体微空心阴极放电器件产生的等离子体射流的光的相对强度902针对光的波长904的比较。
在图9中示出了在上述具体实验期间获得的光输出光谱的示例。使用1800l/m的高分辨率光栅可以精确识别激励线。曲线图900中所示的光谱数据具有0.07nm的光谱分辨率。来自科学参考源的列表数据被用于确定图900中所示的激励线(诸如，例如，激励线906)的识别，尽管曲线图900示出了其它激励线。
在激励线906处的光输出信号的大部分来自以385nm为中心的近可见光谱线，这些主要是铜碘(Cu-1)激励线。除了铜，还检测到氧、碳和氮激励线。不执行电子密度和离子温度的计算。使用上述实验设置，通过使用相同电离物种的光谱线的强度比来计算电子温度(Te)。
为了计算Te，使用等式1000。在图10中示出了等式1000。对于等式1000，Emi、Ii、λi、gmiAni分别是上能级、线强度、线波长和制表转换概率。
对于在上述示例中进行的测量，检查彼此相对接近的线的比。通过组合等离子体射流的多个射击获得如图9所示的全光谱。在每个射击期间，我们能够获得近似20nm的全光谱。因此，仅对于温度计算，使用针对每个射击在该窗口内获得的光谱线。
在测试期间看到多个铜发射线；特别是，380.05nm、384.82nm、386.08nm、388.17nm和393.30nm处的Cu-I线。为了获得温度信息，由于国家标准和技术研究所(NIST)数据库中的发射系数的可用性，选择氧发射线。如图11的表1100中所示的结果表明产生的电子温度在约1-2eV之间。结果的精确度是基于在NIST数据库中找到的列表系数的精确度。
图11是根据说明性实施方式的从两个发射线的强度比计算的温度的表。表1100是从使用关于图1至图4描述的半导体微空心阴极放电器件所产生的等离子体射流的两条发射线的强度比计算的温度的表。如上面关于图9和图10所述，取得或计算表1100中所示的值。
如上所述，表1100表明产生的电子温度在约1-2eV之间。结果的精确度是基于在NIST数据库中找到的列表系数的精确度。
结论
以下是对于上面在图1至图11中描述的具体实验得出的结论。在大气中操作的大型微等离子体射流可以利用上述半导体微空心阴极放电器件来实现。从400微米直径的孔产生的微等离子体在不使用外部气体供应的情况下以超过45m/s的排放速度向下喷射至20mm。使用关于图1至图4描述的半导体微空心阴极放电器件，演示了温度为1.2-1.8eV或1至2eV的等离子体。与现有流辅助器件竞争或超过现有流辅助器件的产生大的射流的说明性实施方式的半导体微空心阴极放电器件已被更详细地研究。
图12是根据说明性实施方式的半导体微空心阴极放电器件的框图。半导体微空心阴极放电器件1200是关于图1至图4描述的半导体微空心阴极放电器件的变型。
半导体微空心阴极放电器件1200包括包含第一电极1204的第一电极层1202。孔1206被设置在第一电极层1202中。
半导体微空心阴极放电器件1200还包括电介质层1208，所述电介质层1208具有被设置在第一电极层1202上的第一表面1210。孔1206从第一电极层1202延续贯穿电介质层1208。
半导体微空心阴极放电器件1200还包括半导体层1212，所述半导体层1212被设置在电介质层1208的第二表面1214上。第二表面1214相对于电介质层1208与第一表面1210相反。半导体层1212包括横跨孔1206的半导体材料，使得孔1206终止于半导体层1212。半导体微空心阴极放电器件1200还包括第二电极层1216，所述第二电极层1216与电介质层1208相反地设置在半导体层1212上。
关于图12描述的说明性实施方式可以改变。例如，第一电极层、电介质层、半导体层和第二电极层的组合厚度可以为约1.5毫米。该厚度可以变化，但通常在厘米或更小的量级。
在具体的说明性实施方式中，孔在与组合厚度垂直的方向上为约0.4毫米宽。然而，孔尺寸可以变化，通常在10mm或更小的量级。
在另一说明性实施方式中，半导体微空心阴极放电器件可以是印刷电路板。然而，可以使用其它材料，并且说明性实施方式不限于印刷电路板。通常，任何阻燃电介质材料可以是合适的。在更具体的说明性实施方式中，孔可以是大约以印刷电路板为中心的垂直互连通导孔。
在说明性实施方式中，第一电极可以是环形电极，所述环形电极具有比电介质层的第一表面的第二面积小的第一面积。然而，电极的形状和相对面积可以变化以适合特定应用。然而，在更具体的说明性实施方式中，垫片可以连接到第一电极，垫片被配置为容纳电触点。
在另一具体说明性实施方式中，半导体层可以是碳带。碳带可以完全覆盖第二表面。碳带具有第一面积，第二电极具有第二面积，并且第一面积和第二面积可以都小于电介质层的第二表面的第三面积。在其它说明性实施方式中，可以使用其它半导体材料，并且不限于碳带。
在另一说明性实施方式中，可以用电绝缘的陶瓷给孔做衬里。陶瓷可以是由硼硅酸盐玻璃基质中的氟金云母组成的可机械加工的玻璃陶瓷。然而，可以使用其它阻燃陶瓷。
在另一示例性实施方式中，微空心阴极放电器件还可以包括附接到第一电极和第二电极的电源。微空心阴极放电器件还可以包括脉冲发生器，所述脉冲发生器被附接到电源并且被配置为产生针对由电源产生的电力的矩形信号。
微空心阴极放电器件还可以包括变压器，所述变压器连接到电源并且被配置为增加提供给第一电极和第二电极的电压。在该示例中，微空心阴极放电器件还可以包括电阻器，所述电阻器与电源以及第一电极和第二电极串联连接，并且被配置为减小提供给第一电极和第二电极的电流。
在又一不同的说明性实施方式中，微空心阴极放电器件可以包括：相机，所述相机被设置成拍摄孔的图像；光谱仪，所述光谱仪与相机通信；以计算机，所述计算机及与光谱仪通信。可以作为图15的数据处理系统1500的计算机可以被配置为当作为电力被施加到第一电极和第二电极的结果从孔发射等离子体射流时分析使用相机拍摄的图像的光谱。
图13是根据说明性实施方式的从微空心阴极放电器件产生等离子体射流的方法的流程图。方法1300可以使用半导体微空心阴极放电器件(诸如，关于图1至图4和图12所描述的那些半导体微空心阴极放电器件)来实现。
因此，方法1300可以是微空心阴极放电器件中的方法，所述微空心阴极放电器件包括：第一电极层，所述第一电极层包括第一电极，其中，孔被设置在第一电极层中；电介质层，所述电介质层具有被设置在第一电极层上的第一表面，其中，孔从第一电极层延续贯穿电介质层；半导体层，所述半导体层被设置在电介质层的与所述第一表面相反的第二表面上，半导体层包括横跨所述孔的半导体材料，使得所述孔终止于所述半导体层；以及第二电极层，所述第二电极层与电介质层相反地设置在半导体层上。该方法包括通过在第一电极和第二电极的两端施加电压从孔产生等离子体射流(操作1302)。
该方法可以改变。在刚刚的一个示例中，产生等离子体射流的步骤可以包括产生大于约3毫米长的等离子体射流。进一步的变型是可能的。
图14是根据说明性实施方式的制造微空心阴极放电器件的方法的流程图。方法1300可以用于创建半导体微空心阴极放电器件(诸如，关于图1至图4所描述的那些半导体微空心阴极放电器件)。
方法1400可以是制造微空心阴极放电器件的方法。方法1400可以包括制造具有第一表面和与第一表面相反的第二表面的电介质层(操作1402)。方法1400还可以包括在第一表面上设置包括第一电极的第一电极层，其中，在第一电极层中设置孔，其中，孔从第一电极层延续贯穿电介质层(操作1404)。
方法1400还可以包括在电介质层的第二表面上设置半导体层，半导体层包括横跨孔的半导体材料，使得孔终止于半导体层(操作1406)。方法1400还可以包括在半导体层上与电介质层相反地设置第二电极层(操作1408)。该方法此后可以终止。
方法1400可以进一步改变。例如，如上所述，可以使用不同的材料。也可以使用各个层的不同布置和形状。因此，说明性实施方式不一定受图14的示例或上面关于其它附图描述的示例的限制。
这里描述的说明性实施方式可以与上面关于图1至图14描述的示例不同。例如，多个半导体微空心阴极放电器件可以作为单个器件按行布置，其中，每个半导体微空心阴极放电器件串联附接到单个电源。因此，可以产生一排射流。其它布置是可能的。例如，可以使用多个协调电源用于多个半导体微空心阴极放电器件。半导体微空心阴极放电器件可以被布置成不同的图案(诸如，圆形或椭圆形或一些其它图案)，并且因此不限于一排。可以通过将不同的半导体微空心阴极放电器件放置在较大装置的不同部分上来将多个协调半导体微空心阴极放电器件以三维图案布置在较大装置上。因此，多个半导体微空心阴极放电器件的多种不同布置是可能的。
现在转到图15，根据说明性实施方式描绘了数据处理系统的图示。图15中的数据处理系统1500是可以用作针对关于图1至图14描述的说明性实施方式的数据获取和数据处理的一部分的数据处理系统的示例。在该说明性示例中，数据处理系统1500包括通信结构1502，通信架构1502提供处理器单元1504、存储器1506、永久存储器1508、通信单元1510、输入/输出(I/O)单元1512和显示器1514之间的通信。
处理器单元1504用于执行可以被加载到存储器1506中的软件的指令。该软件可以是关联存储器、内容可寻址存储器或用于实现本文其它地方描述的处理的软件。根据具体实现，处理器单元1504可以是多个处理器、多处理器核或一些其它类型的处理器。如本文中关于项所使用的数字表示一个或多个项。此外，处理器单元1504可以使用多个异构处理器系统来实现，其中，主处理器与辅处理器一起存在于单个芯片上。作为另一说明性示例，处理器单元1504可以是包含相同类型的多个处理器的对称多处理器系统。
存储器1506和永久存储器1508是存储设备1516的示例。存储设备是能够在临时的基础上和/或永久的基础上存储信息(诸如，例如(但不限于)数据、函数形式的程序代码和/或其它合适的信息)的任何硬件。在这些示例中，存储设备1516也可以被称为计算机可读存储设备。在这些示例中，存储器1506可以是例如随机存取存储器或任何其它合适的易失性或非易失性存储设备。永久存储器1508根据特定实现可以采取各种形式。
例如，永久存储器1508可以包含一个或更多个组件或设备。例如，永久存储器1508可以是硬盘驱动器、闪存、可重写光盘、可重写磁带或上述的某种组合。永久存储器1508使用的介质也可以是可移除的。例如，可移除硬盘驱动器可以用于存储器1508。
在这些示例中，通信单元1510提供与其它数据处理系统或设备的通信。在这些示例中，通信单元1510是网络接口卡。通信单元1510可以通过使用物理和无线通信链路中的任一个或二者来提供通信。
输入/输出(I/O)单元1512允许与可以连接到数据处理系统1500的其它设备输入和输出数据。例如，输入/输出(I/O)单元1512可以通过键盘、鼠标和/或一些其它合适的输入设备提供用于用户输入的连接。此外，输入/输出(I/O)单元1512可以将输出发送到打印机。显示器1514提供向用户显示信息的机制。
用于操作系统、应用和/或程序的指令可以位于存储设备1516中，所述存储设备1516通过通信结构1502与处理器单元1504进行通信。在这些说明性示例中，指令在永久存储器1508上处于功能形式。这些指令可以被加载到存储器1506中以便由处理器单元1504执行。不同实施方式的处理可以由处理器单元1504使用计算机实现的指令来执行，所述计算机实现的指令可以位于存储器(诸如，存储器1506)中。
这些指令被称为可由处理器单元1504中的处理器读取和执行的程序代码、计算机可用程序代码或计算机可读程序代码。不同实施方式中的程序代码可以体现在不同的物理或计算机可读存储介质(诸如，存储器1506或永久存储器1508)上。
程序代码1518以功能形式位于计算机可读介质1520上，并且可以被加载到或传送到数据处理系统1500以便由处理器单元1504来执行，所述计算机可读介质1520可选择性地移除。在这些示例中，程序代码1518和计算机可读介质1520形成计算机程序产品1522。在一个示例中，计算机可读介质1520可以是计算机可读存储介质1524或计算机可读信号介质1526。例如，计算机可读存储介质1524可以包括被插入或放置在驱动器或其它设备(所述驱动器或其它设备是永久存储器1508的一部分)中的光盘或磁盘以便传送到存储设备(诸如，硬盘驱动器)上，所述存储设备是永久存储器1508的一部分。计算机可读存储介质1524还可以采取连接到数据处理系统1500的永久存储器(诸如，硬盘驱动器、拇指驱动器或闪存)的形式。在一些情况下，计算机可读存储介质1524可能不能从数据处理系统1500移除。
另选地，程序代码1518可以使用计算机可读信号介质1526被传送到数据处理系统1500。例如，计算机可读信号介质1526可以是包含程序代码1518的传播数据信号。例如，计算机可读信号介质1526可以是电磁信号、光信号和/或任何其它合适类型的信号。这些信号可以通过诸如无线通信链路、光纤电缆、同轴电缆、电线和/或任何其它合适类型的通信链路的通信链路来传输。换句话说，在说明性示例中，通信链路和/或连接可以是物理的或无线的。
在一些说明性实施方式中，程序代码1518可以通过计算机可读信号介质1526通过网络从另一设备或数据处理系统下载到永久存储器1508，以在数据处理系统1500内使用。例如，存储在服务器数据处理系统中的计算机可读存储介质中的程序代码可以通过网络从服务器下载到数据处理系统1500。提供程序代码1518的数据处理系统可以是服务器计算机、客户端计算机或能够存储和传送程序代码1518的一些其它设备。
针对数据处理系统1500示出的不同组件不意味着给可以实现不同实施方式的方式提供架构限制。不同的说明性实施方式可以在数据处理系统中实现，该数据处理系统包括除了针对数据处理系统1500示出的组件之外的组件或代替针对数据处理系统1500示出的组件的组件。图15所示的其它组件可以与所示的说明性示例不同。可以使用能够运行程序代码的任何硬件设备或系统来实现不同的实施方式。作为一个示例，数据处理系统可以包括与无机组件集成的有机组件和/或可以完全由除人之外的有机组件组成。例如，存储设备可以由有机半导体构成。
在另一说明性示例中，处理器单元1504可以采用具有针对特定用途制造或配置的电路的硬件单元的形式。这种类型的硬件可以执行操作，而无需将程序代码从存储设备加载到存储器中以被配置为执行操作。
例如，当处理器单元1504采取硬件单元的形式时，处理器单元1504可以是被配置为执行多个操作的电路系统、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件或者一些其它合适类型的硬件。利用可编程逻辑器件，该器件被配置为执行多个操作。该器件可以在稍后时间被重新配置或者可以被永久地配置为执行多个操作。例如，可编程逻辑器件的示例包括可编程逻辑阵列、可编程阵列逻辑、现场可编程逻辑阵列、现场可编程门阵列和其它合适的硬件设备。对于这种类型的实现，可以省略程序代码1518，因为用于不同实施方式的处理在硬件单元中实现。
在又一说明性示例中，处理器单元1504可以使用计算机和硬件单元中找到的处理器的组合来实现。处理器单元1504可以具有被配置为运行程序代码1518的多个硬件单元和多个处理器。利用这个所描绘的示例，一些处理可以在多个硬件单元中实现，而其它处理可以在多个处理器中实现。
作为另一示例，数据处理系统1500中的存储设备是可以存储数据的任何硬件装置。存储器1506、永久存储器1508和计算机可读介质1520是有形形式的存储设备的示例。
在另一示例中，总线系统可以用于实现通信结构1502，并且可以包括一个或多个总线(诸如，系统总线或输入/输出总线)。当然，可以使用提供在附接到总线系统的不同组件或设备之间的数据传输的任何合适类型的架构来实现总线系统。另外，通信单元可以包括用于发送和接收数据的一个或多个设备(例如，调制解调器或网络适配器)。此外，例如，存储器可以是(诸如，在可以存在于通信结构1502中的接口和存储器控制器集线器中找到的)存储器1506或高速缓存。
不同的说明性实施方式可以采取完全硬件实施方式、完全软件实施方式或者包含硬件和软件元件二者的实施方式的形式。一些实施方式以软件实现，其包括但不限于诸如例如固件、驻留软件和微代码的形式。
此外，不同实施方式可以采用可从计算机可用或计算机可读介质访问的计算机程序产品的形式，所述计算机可用或计算机可读介质提供由计算机或执行指令的任何设备或系统使用或与其结合使用的程序代码。处于本公开的目的，计算机可用或计算机可读介质通常可以是可以包含、存储、传送、传播或传输由指令执行系统、装置或设备使用或与其结合使用的程序的任何有形装置。
计算机可用或计算机可读介质可以是例如但不限于电、磁、光、电磁、红外或半导体系统或传播介质。计算机可读介质的非限制性示例包括半导体或固态存储器、磁带、可移动计算机磁盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、硬磁盘和光盘。光盘可以包括高密度磁盘-只读存储器(CD-ROM)、高密度磁盘-读/写(CD-R/W)和DVD。
此外，计算机可用或计算机可读介质可以包含或存储计算机可读或计算机可用程序代码，使得当计算机可读或计算机可用程序代码在计算机上被执行时，该计算机可读或计算机可用程序代码的执行使得所述计算机通过通信链路发送另一计算机可读或计算机可用程序代码。该通信链路可以使用例如但不限于物理或无线的介质。
适于存储和/或执行计算机可读或计算机可用程序代码的数据处理系统将包括通过通信结构(诸如，系统总线)直接或间接耦合到存储器元件的一个或更多个处理器。存储器元件可以包括在程序代码的实际执行期间采用的本地存储器、大容量存储器和高速缓存存储器，所述高速缓存存储器提供至少一些计算机可读或计算机可用程序代码的临时存储，以减少在代码的执行期间可能从大容量存储器重新取回代码的次数。
输入/输出或I/O设备可以直接或通过中间I/O控制器耦合到系统。这些设备可以包括例如但不限于键盘、触摸屏显示器和指示设备。不同的通信适配器也可以耦合到系统，以使数据处理系统能够通过中间专用或公共网络耦合到其它数据处理系统或远程打印机或存储设备。调制解调器和网络适配器的非限制性示例仅仅是一些当前可用类型的通信适配器。已经出于说明和描述的目的给出了不同说明性实施方式的描述，并且不旨在穷尽或限于所公开的形式的实施方式。许多修改和变型对于本领域的普通技术人员来说将是显而易见的。此外，与其它说明性实施方式相比，不同的说明性实施方式可以提供不同的特征。为了最佳地解释实施方式的原理及实际应用选择并描述了所选的一个实施方式或多个实施方式，并且以使得本领域的其它普通技术人员针对具有适合于预期的特定用途的各种修改的各种实施方式能够理解本公开。

Claims (11)

1.一种微空心阴极放电器件(100)，所述微空心阴极放电器件(100)包括：
第一电极层(102)，所述第一电极层(102)包括第一电极，其中，在所述第一电极层(102)中设置孔(110)；
电介质层(104)，所述电介质层(104)具有设置在所述第一电极层(102)上的第一表面，其中，所述孔(110)从所述第一电极层(102)延续贯穿所述电介质层(104)；
半导体层(106)，所述半导体层(106)设置在所述电介质层(104)的与所述第一表面相反的第二表面上，所述半导体层(106)包括半导体材料，所述半导体材料横跨所述孔(110)，使得所述孔(110)终止于所述半导体层(106)；以及
第二电极层(108)，所述第二电极层(108)与所述电介质层(104)相反地设置在所述半导体层(106)上。
2.根据权利要求1所述的微空心阴极放电器件(100)，其中，所述第一电极层(102)、所述电介质层(104)、所述半导体层(106)和所述第二电极层(108)的组合厚度为约1.5毫米。
3.根据权利要求2所述的微空心阴极放电器件(100)，其中，所述孔(110)在与所述组合厚度垂直的方向上为约0.4毫米宽。
4.根据权利要求1所述的微空心阴极放电器件(100)，其中，所述第一电极包括环形电极，所述环形电极的第一面积小于所述电介质层(104)的所述第一表面的第二面积。
5.根据权利要求4所述的微空心阴极放电器件(100)，其中，所述微空心阴极放电器件(100)还包括垫片，所述垫片连接到所述第一电极，所述垫片被配置为容纳电触点。
6.根据权利要求1所述的微空心阴极放电器件(100)，其中，所述半导体层(106)包括碳带。
7.根据权利要求1所述的微空心阴极放电器件(100)，其中，用电绝缘的陶瓷给所述孔(110)做衬里。
8.根据权利要求1所述的微空心阴极放电器件(100)，其中，所述微空心阴极放电器件(100)还包括：
电源(112)，所述电源(112)附接到所述第一电极和所述第二电极。
9.根据权利要求1所述的微空心阴极放电器件(100)，其中，所述微空心阴极放电器件(100)还包括：
相机(318)，所述相机(318)被设置成拍摄所述孔(110)的图像；
光谱仪，所述光谱仪与所述相机(318)通信；以及
计算机(320)，所述计算机(320)与所述光谱仪通信，所述计算机(320)被配置为当作为电力被施加到所述第一电极和所述第二电极的结果从所述孔(110)发射等离子体射流(400)时分析使用所述相机(318)所拍摄的图像的光谱。
10.一种从微空心阴极放电器件(402)产生等离子体射流(404)的方法，所述微空心阴极放电器件(402)包括：第一电极层(102)，所述第一电极层(102)包括第一电极，其中，在所述第一电极层(102)中设置孔(110)；电介质层(104)，所述电介质层(104)具有设置在所述第一电极层(102)上的第一表面，其中，所述孔(110)从所述第一电极层(102)延续贯穿所述电介质层(104)；半导体层(106)，所述半导体层(106)设置在电介质层(104)的与所述第一表面相反的第二表面上，所述半导体层(106)包括半导体材料，所述半导体材料横跨所述孔(110)，使得所述孔(110)终止于所述半导体层(106)；以及第二电极层(108)，所述第二电极层(108)与所述电介质层(104)相反地设置在所述半导体层(106)上；所述方法包括以下步骤：
通过在所述第一电极和所述第二电极的两端施加电压从所述孔(110)产生等离子体射流(404)。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，产生所述等离子体射流(404)的步骤包括：产生大于约3毫米长的所述等离子体射流(404)。
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