CN107385417A - 一种反应腔导流装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及空气动力学反应装置，特别是涉及一种反应腔导流装置。本发明所提供的反应腔导流装置包括第一导流鳍和第二导流鳍，所述第一导流鳍和第二导流鳍互相配合形成导流空间，所述导流空间中第一导流鳍和第二导流鳍之间的间距沿流体的流向逐渐减小、且至少部分的用于形成导流空间的导流鳍的表面为柔性表面，所述第一导流鳍和/或第二导流鳍中还设有用于调节柔性表面形状的导流面调节件。

Description

一种反应腔导流装置

技术领域

本发明涉及空气动力学反应装置，特别是涉及一种反应腔导流装置。

背景技术

在现代科学技术的发展中，特别是纳米科学技术的发展中，几乎所有的相关应用都涉及以实现各种表面功能为目的的纳米镀膜技术，特别是可以在原子尺度进行厚度控制的纳米镀膜技术。在镀膜方法的选取上，液相条件的湿化学方法虽然成本低廉，却难以形成等厚且均匀致密的高质量纳米镀膜层。目前被广泛采用的纳米镀膜技术都是基于气相条件下的纳米镀膜技术，例如物理气相沉积、化学气相沉积以及原子层沉积等。其中原子层沉积技术由于具有独特的表面自限制生长机理，其应用范围在近年来随着半导体及微电子产业的发展得到了迅速拓展。

原子层沉积技术采用反应物分子有序交替输运、表面自限制性生长、步进式表面覆盖等方式和机理来控制物体表面的气相化学反应，从而实现纳米/亚纳米尺度内薄膜生长速率的精确控制。目前，在需要制备超薄、高均匀性和保型性极好的各种薄膜材料的应用中，原子层沉积技术具有不可替代的地位。正因如此，原子层沉积技术有着广泛的应用领域。具不完全统计，原子层沉积技术的应用在过去的十年中成指数增长，目前这种方法已经被广泛应用于半导体及相关产业，例如：集成电路、传感器、III-V器件、微/纳机电系统制造业、光学器件和光电工程、防锈耐磨材料和可再生能源应用(比如：太阳能)。其他大规模的应用包括防腐、能源存储和生产(例如：先进薄膜电池和燃料电池)、柔性电子水分或者气体密封涂层、针对医疗设备和植入体的生物相容性涂层、水净化、先进的照明设备(例如：LED)、生态包装材料、装饰涂料、玻璃防裂层、防水涂料等。

如果从材料制备角度来看，在以原子层沉积为代表的纳米镀膜技术中，应用对象基本都局限于流线型基底(即平板基底)，例如硅片、石英片、玻璃片等。其主要原因在于上述纳米镀膜技术都是在半导体及微电子产业的不断发展下应运而生的，而现代半导体及微电子产业的主要载体就是各种平板基底。而从气相纳米镀膜技术所涉及的过程控制角度来看，在原子层沉积技术中，反应物分子的输运、表面及界面物理化学反应、反应副产物及杂质的排出都发生在流动气体环境中。反应腔内气体的流体动力学环境继而构成了基底表面薄膜生长的全局环境并对镀膜的过程控制以及膜层的最终质量起着至关重要的作用。

反应腔内的流体动力学环境实际上是反应腔设计、基底形状及尺寸、基底表面态、镀膜参数控制(温度、压强、气体流速)等因素共同作用的结果。当气相纳米镀膜技术扩展到三维钝体(即非平板基底)时，由于钝体取代了原有的平板流线体，反应腔内的空气动力学环境发生了根本的改变。其中一个最重要的改变即为空气动力学边界层会与三维钝体表面发生分离。这时，反应物分子的输运、与表面膜层生长相关的物理及化学机理、膜层生长的控制以及最终的镀膜质量都会受到严重的影响。事实上，传统原子层沉积技术所涉及的表面自限制生长机理以及步进式膜层包覆方式并不是无条件发生的，而是被严格限制在空气动力学边界层不与被镀基底表面发生分离的空气动力学条件下。而在以往平板基底的原子层沉积应用中，由于空气动力学界面层不会与基底表面发生分离，因此空气动力学因素在原子层沉积过程控制中的作用被长期忽略。而当原子层沉积技术拓展到三维钝体表面时，传统原子层沉积的参数控制(包括温度、真空度、气体流速等)已不能保证整个钝体表面的自限制及步进式薄膜生长，所以，如果能够提供一种适用于三维钝体表面原子层沉积的装置，则能够把原子层沉积技术进一步推广到更为广阔的应用领域。同时，也能够有利于其它涉及在流动气相条件下发生钝体表面化学反应沉积技术的控制优化及进一步发展。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种反应腔导流装置，用于解决现有技术中的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种反应腔导流装置，所述反应腔导流装置包括第一导流鳍和第二导流鳍，所述第一导流鳍和第二导流鳍互相配合形成导流空间，所述导流空间中第一导流鳍和第二导流鳍之间的间距沿流体的流向逐渐减小、且至少部分的用于形成导流空间的导流鳍的表面为柔性表面，所述第一导流鳍和/或第二导流鳍中还设有用于调节柔性表面形状的导流面调节件。

在本发明一些实施方式中，所述导流面调节件为用于调节柔性表面形状从而调节导流空间形状以使得导流空间内的流体形成稳定流体的导流面调节件。

在本发明一些实施方式中，所述稳定流体为雷诺数不高于5000的流体。

在本发明一些实施方式中，所述待处理器件至少部分地位于导流空间内，所述柔性表面包括待处理器件表面沿流体流向的(0.8倍最大曲率～最大曲率)的部分以垂直于流体的流动方向在导流鳍上的投影。

在本发明一些实施方式中，所述反应腔导流装置为三维钝体表面沉积反应腔导流装置。

在本发明一些实施方式中，所述反应腔导流装置为三维钝体表面原子层沉积反应腔导流装置。

在本发明一些实施方式中，所述导流面调节件的位置与柔性表面相配合。

在本发明一些实施方式中，所述导流面调节件为沿导流空间延伸方向延伸的柱体。

在本发明一些实施方式中，所述导流面调节件通过偏心的转动轴与导流鳍的内壁相连。

在本发明一些实施方式中，所述导流面调节件上还设有用于带动导流面调节件转动的第一传动杆。

在本发明一些实施方式中，所述导流面调节件上与柔性表面接触的部分为光滑曲面。

在本发明一些实施方式中，导流面调节件的一端通过偏心的转动轴与导流鳍的内壁相连，第一传动杆位于导流面调节件的另一端。

在本发明一些实施方式中，还包括驱动器，所述驱动器与第一传动杆传动。

在本发明一些实施方式中，所述第一传动杆为柔性材料。

在本发明一些实施方式中，所述第一导流鳍和/或第二导流鳍上还分别设有导流鳍位置调节件。

在本发明一些实施方式中，所述第一导流鳍和/或第二导流鳍上还设有柔性支撑件。

在本发明一些实施方式中，所述导流鳍位置调节件包括用于带动导流鳍转动的第二传动杆。

在本发明一些实施方式中，所述第二传动杆为柔性材料。

在本发明一些实施方式中，所述导流鳍位置调节件包括用于带动导流鳍平动的第三传动杆。

在本发明一些实施方式中，所述第一导流鳍和/或第二导流鳍为沿导流空间延伸方向延伸的柱体。

在本发明一些实施方式中，所述导流鳍位置调节件位于导流鳍的一端。

在本发明一些实施方式中，还包括驱动器，所述驱动器与导流鳍位置调节件传动。

本发明第二方面提供一种空气动力学反应装置，所述空气动力学反应装置包括空气动力学反应腔，所述反应腔导流装置位于所述空气动力学反应腔内。

在本发明一些实施方式中，所述空气动力学反应腔为三维钝体表面沉积反应腔。

在本发明一些实施方式中，所述空气动力学反应腔为三维钝体表面原子层沉积反应腔。

附图说明

图1显示为本发明整体结构立体示意图。

图2显示为本发明导流鳍结构立体示意图。

图3显示为本发明整体结构侧视图。

元件标号说明

1 导流鳍

11 第一导流鳍

12 第二导流鳍

2 导流面

3 导流面调节件

41 第一传动杆

42 转动轴

5 导流鳍位置调节件

51 第二传动杆

52 第三传动杆

6 待处理器件

7 导流空间

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1至图3。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1-3所示，本发明一方面提供一种反应腔导流装置，所述反应腔导流装置包括第一导流鳍11和第二导流鳍12，所述第一导流鳍11和第二导流鳍12互相配合形成导流空间7，所述导流空间7通常包括流体入口和流体出口，依照流体流动的方向，所述导流空间7通常可以相对流体流动方向的竖直方向延伸，所述导流空间7中第一导流鳍11和第二导流鳍12之间的间距可以沿流体的流向逐渐减小。本领域技术人员可根据反应腔内流体的流动方向确定导流空间7的延伸方向，在本发明一实施方式中，第一导流鳍11和第二导流鳍12位于同一水平面上，所述导流空间7可以是沿水平方向延伸的空间，更具体可以是沿水平方向直线延伸的空间(如图1所示)，流体自上而下通过导流空间7，导流空间7中第一导流鳍11和第二导流鳍12之间的间距自上而下逐渐减小。

本发明所提供的反应腔导流装置中，用于形成导流空间7的导流鳍1的表面为导流面2，至少部分的用于形成导流空间7的导流鳍1的表面(导流面2)为柔性表面，所述柔性表面通常指受外力作用后形状可以被改变的表面，所述第一导流鳍11和/或第二导流鳍12中还设有用于调节柔性表面形状从而可以调节导流空间7形状的导流面调节件3，待处理器件6通常至少部分地位于导流空间7内，通过调节导流空间7的形状可以使得导流空间7内的流体形成稳定的流体(例如，稳定的气流，所述稳定的气流可以是层流或弱湍流，例如，可以是雷诺数不高于5000的气流)。在本发明一具体实施方式中，导流鳍1可以为中空结构，导流面调节件3位于导流鳍1中。本领域技术人员可根据待处理器件6的位置，调整柔性表面在导流空间7中所处的位置。在本发明一具体实施方式中，用于形成导流空间7的导流鳍1的表面均可以为柔性表面。在本发明另一具体实施方式中，依照流体的流动方向，所述柔性表面包括待处理器件6以垂直于流体的流动方向(例如，导流空间入口处流体的流动方向)在导流鳍1上的投影。在本发明另一具体实施方式中，所述柔性表面包括待处理器件6表面易发生表面层分离的部分(通常为气体与待处理器件6表面之间发生表面层分离，例如，可以待处理器件6表面的点、线、面等)以垂直于流体的流动方向(例如，发生表面层分离的待处理器件6的表面处流体的流动方向)在导流鳍1上的投影，通常来说，当发生表面层分离的部分为线和/或面时，在确定投影时，线和/或面内的每个点均以垂直于该点表面流体的流动方向进行投影。本领域技术人员可根据经验或具体的实验结果确定待处理器件6表面会发生表面层分离的部分，并进一步确定柔性表面的位置，例如，发生表面层分离的部分可以是待处理器件6沿流体流向曲率较大的部分(通常是曲率最大位置的附近区域)，具体可以是待处理器件6表面沿流体流向的(0.8倍最大曲率～最大曲率)的部分，也可以是(0.9倍最大曲率～最大曲率)的部分；再例如，发生表面层分离的具体位置与被处理表面粗糙程度以及流体本身的特性有关；再例如，可以先对待处理器件6进行处理，通过被处理后物体的表面分析，确定发生表面层分离的位置。

通常来说，待处理器件6可以位于导流空间7中，本领域技术人员可根据待处理器件6的形状，选择合适尺寸和形状的第一导流鳍11和第二导流鳍12形成适当的导流空间7，并可以进一步根据待处理器件6的形状，通过导流面调节件3对导流面2进行调整，以进一步形成适合待处理器件6的反应空间。例如，在对三维钝体(三维钝体通常指非平面的钝体，所述钝体通常指非流线体，例如可以是柱形、球形等，柱形的截面可以是例如圆形、椭圆形、长方形、正方形、菱形、三角形等)进行表面原子层沉积反应时，钝体表面的流动气体界面层分离主要源于两个和界面层内流动气体的阻滞力相关的因素，即钝体表面粘性对流动气体的阻滞力以及钝体表面形状形成的逆压对流动气体的阻滞力，而在三维钝体表面进行原子尺度薄膜层沉积时，一旦被镀物体被确定，以上两个决定界面层分离的因素都已无法调整，而通过柔性表面对导流空间7进行调整，可以通过调整流体参数以补偿钝体表面流体动能损失(例如，当钝体表面与柔性表面之间的间距缩小时，势必造成通道内压强的增加，进而导致通道内钝体外部气体流速的增加)，从而可以抑制钝体表面流体界面层分离效应。

本发明所提供的反应腔导流装置中，导流面调节件3通常可以位于第一导流鳍11和/或第二导流鳍12中，且位置与柔性表面相配合。在本发明一具体实施方式中，所述导流面调节件3可以是沿导流空间7延伸方向延伸的柱体。在本发明另一具体实施方式中，至少部分的导流面调节件3的表面可以与柔性表面的内侧接触。在本发明另一具体实施方式中，导流面调节件3上可以用于改变柔性表面形状的部分，即导流面调节件3上可以与柔性表面接触的部分通常为光滑曲面。

本发明所提供的反应腔导流装置中，导流面调节件3通常通过偏心的转动轴42与导流鳍1的内壁相连，由于转动轴42偏离导流面调节件3的轴线，所以导流面调节件3转动时可以使得导流面调节件3相对于柔性表面的位置发生改变，通过与柔性表面的接触从而改变柔性表面的形状，以进一步改变导流空间7的形状。导流面调节件3可以是始终保持与柔性表面保持接触，也可以是只在需要调节柔性表面形状时，通过导流面调节件3其自身的转动进行位置调整，从而与柔性表面进行接触。所述导流面调节件3上还可以设有用于带动导流面调节件3转动的第一传动杆41，所述第一传动杆41通常通过自身的转动以带动导流面调节件3转动。所述第一传动杆41可以是具有一定强度的柔性材料(例如，可以是软钢、高分子聚合物材料(例如，聚四氟乙烯、橡胶、有机玻璃等)等)，从而可以在需要时(例如，导流面调节件3转动时或导流鳍发生平移时)发生一定的弯曲。如图3所示为本发明一具体实施方式，导流面调节件3的一端通过偏心的转动轴42与导流鳍1的内壁相连，第一传动杆41位于导流面调节件3的另一端，所述反应腔导流装置中还可以包括驱动器(图中未示出)，所述驱动器可以是磁性联轴器(magnetic coupling)、机械臂等，其中，所述驱动器可以与第一传动杆41传动，传动的方式可以是机械传动，也可以是非机械或非接触式的传动，从而可以提供动力驱使第一传动杆41转动，并进一步带动导流面调节件3转动。第一传动杆41可以使导流面调节件3做相应的转动，本领域技术人员可根据需要选择两个导流面调节件3的转动角Ф1’和/或Ф2’的调节范围，例如，转动角Ф1’和/或Ф2’的调节范围可以是90°、120°、150°、或180°等。由于导流面调节件3上的转动轴42是偏心的，导流面调节件3的转动可以挤压柔性表面，从而可以调节气流通过导流空间7的体积，气流通过导流空间7体积的变化可以调节气流流速及压强，从而克服表面层分离效应。

本发明所提供的反应腔导流装置中，第一导流鳍11和/或第二导流鳍12上还可以设有导流鳍位置调节件5。所述导流鳍位置调节件5通常可以用于调节第一导流鳍11和/或第二导流鳍12的位置，从而改变柔性表面之间所形成的形状，以进一步改变第一导流鳍11和第二导流鳍12之间导流空间7的形状。本领域技术人员可根据需要，选择合适的装置作为第二位置调节件5，例如，所述第二位置调节件5可以包括用于带动导流鳍转动的第二传动杆51和/或用于带动导流鳍平动的第三传动杆52，其中，第二传动杆51可以为柔性材料(例如，可以是软钢、高分子聚合物材料(例如聚四氟乙烯、橡胶、有机玻璃等)等)，从而可以在需要时(例如，导流鳍1转动时或导流鳍1发生平移时)发生一定的弯曲。如图3所示为本发明一具体实施方式，第一导流鳍11和第二导流鳍12均为沿导流空间7延伸方向延伸的柱体，第二位置调节件5位于导流鳍1的一端，所述反应腔导流装置中还可以包括一个或多个驱动器(图中未示出)，所述驱动器可以是磁性联轴器(magnetic coupling)、机械臂等，其中，所述驱动器可以与第二传动杆51传动，用于实现第一导流鳍11和/或第二导流鳍12自身的转动，所述驱动器还可以与第三传动杆52传动，用于实现第一导流鳍11和/或第二导流鳍12整体的位置平移，平移的幅度通常不宜过大，以保证柔性的第二传动杆51和/或第一传动杆41在发生一定弯曲的同时，依然能够实现带动导流鳍1和/或导流面调节件3转动的功能，传动的方式可以是机械传动，也可以是非机械或非接触式的传动。所述导流鳍1上通常还设有柔性支撑件，从而使得导流鳍1处于一定的位置，并可以在需要时进行转动和平移，柔性支撑件可以是例如弹簧等。第二传动杆51和第三传动杆52可以使导流鳍1做相应的转动及平动，本领域技术人员可根据需要选择两个导流鳍1的转动角Ф1和/或Ф2的调节范围，例如，转动角Ф1和/或Ф2的调节范围可以是90°、120°、150°、或180°等。导流鳍1的平动和/或转动可以调节气流通过导流空间7的体积，气流通过导流空间7体积的变化可以调节气流流速及压强，从而克服表面层分离效应。

本发明所提供的反应腔导流装置中，导流空间7的形状和大小通常可以与待处理器件6的形状相匹配。所述导流鳍1通常可以采用具有抗腐蚀、高强度、耐受反应温度的材料，例如EP级别抛光316不锈钢等；所述导流鳍1上的柔性表面通常具有延展性，例如可以采用具有抗腐蚀、高强度、耐受反应温度、具有较好延展性的材料，例如EP级别抛光316不锈钢薄片等；位于导流鳍1中的导流面调节件3通常可以采用耐受反应温度、热膨胀系数小、质量轻的材料，例如铝、不锈钢、塑料(例如，硬质塑料)等材料。

本发明另一方面提供一种空气动力学反应装置，所述空气动力学反应装置包括空气动力学反应腔，本领域技术人员可根据需要调整空气动力学反应腔的形状和大小，以使得空气动力学反应腔内的流体形成稳定的流体(例如，稳定的气流，所述稳定的气流可以是层流或弱湍流，例如，可以是雷诺数不高于5000的气流)。所述空气动力学反应腔通常设有流体入口和流体出口，所述反应腔导流装置位于所述空气动力学反应腔内，本领域技术人员可根据流体情况调整反应腔导流装置在空气动力学反应腔内的位置，通常来说，反应腔导流装置位于空气动力学反应腔内流体稳定的位置。在本发明一具体实施方式中，所述空气动力学反应腔可以为三维钝体表面沉积反应腔，所述反应腔通常适用于各种流动气相条件下发生的三维钝体表面沉积，更具体可以为三维钝体表面原子层沉积反应腔。

本发明所提供的反应腔导流装置可以应用于各种需要空气动力学调整的应用领域，例如，所述反应腔导流装置可以为三维钝体表面沉积反应腔导流装置，所述反应腔导流装置通常适用于各种流动气相条件下发生的三维钝体表面沉积，更具体可以为三维钝体表面原子层沉积反应腔导流装置。所述反应腔导流装置通常可以位于反应腔体中，例如可以是三维钝体表面原子层沉积反应腔体中。所述反应腔导流装置能够通过调整被镀钝体表面流动气体的动能，从而抑制流体界面层分离效应，使得原子层自限制表面生长及高均匀性高保形性镀膜可以在整个三维钝体表面得以实现。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (12)

1.一种反应腔导流装置，其特征在于，所述反应腔导流装置包括第一导流鳍(11)和第二导流鳍(12)，所述第一导流鳍(11)和第二导流鳍(12)互相配合形成导流空间(7)，所述导流空间(7)中第一导流鳍(11)和第二导流鳍(12)之间的间距沿流体的流向逐渐减小、且至少部分的用于形成导流空间(7)的导流鳍(1)的表面为柔性表面，所述第一导流鳍(11)和/或第二导流鳍(12)中还设有用于调节柔性表面形状从而调节导流空间(7)形状的导流面调节件(3)。

2.如权利要求1所述的一种反应腔导流装置，其特征在于，所述导流面调节件(3)为用于调节柔性表面形状从而调节导流空间形状(7)以使得导流空间(7)内的流体形成稳定流体的导流面调节件(3)。

3.如权利要求2所述的一种反应腔导流装置，其特征在于，所述稳定流体为雷诺数不高于5000的流体。

4.如权利要求1所述的一种反应腔导流装置，其特征在于，还包括待处理器件(6)，所述待处理器件(6)至少部分地位于导流空间(7)内，所述柔性表面包括待处理器件(6)表面沿流体流向的(0.8倍最大曲率～最大曲率)的部分以垂直于流体的流动方向在导流鳍(1)上的投影。

5.如权利要求1所述的一种反应腔导流装置，其特征在于，所述反应腔导流装置为三维钝体表面沉积反应腔导流装置；

或，所述反应腔导流装置为三维钝体表面原子层沉积反应腔导流装置。

6.如权利要求1所述的一种反应腔导流装置，其特征在于，所述导流面调节件(3)的位置与柔性表面相配合；

所述导流面调节件(3)为沿导流空间(7)延伸方向延伸的柱体；

所述导流面调节件(3)通过偏心的转动轴(42)与导流鳍(1)的内壁相连；

所述导流面调节件(3)上还设有用于带动导流面调节件转动的第一传动杆(41)；

所述导流面调节件(3)上与柔性表面接触的部分为光滑曲面。

7.如权利要求6所述的一种反应腔导流装置，其特征在于，导流面调节件(3)的一端通过偏心的转动轴(42)与导流鳍(1)的内壁相连，第一传动杆(41)位于导流面调节件(3)的另一端。

8.如权利要求6所述的一种反应腔导流装置，其特征在于，还包括驱动器，所述驱动器与第一传动杆(41)传动；

所述第一传动杆(41)为柔性材料。

9.如权利要求1所述的一种反应腔导流装置，其特征在于，所述第一导流鳍(11)和/或第二导流鳍(12)上还分别设有导流鳍位置调节件(5)；

所述第一导流鳍(11)和/或第二导流鳍(12)上还设有柔性支撑件。

10.如权利要求9所述的一种反应腔导流装置，其特征在于，所述导流鳍位置调节件(5)包括用于带动导流鳍转动的第二传动杆(51)；

所述第二传动杆(51)为柔性材料；

所述导流鳍位置调节件(5)包括用于带动导流鳍平动的第三传动杆(52)；

所述第一导流鳍(11)和/或第二导流鳍(12)为沿导流空间(7)延伸方向延伸的柱体；

所述导流鳍位置调节件(5)位于导流鳍的一端。

11.如权利要求9所述的一种反应腔导流装置，其特征在于，还包括驱动器，所述驱动器与导流鳍位置调节件(5)传动。

12.一种空气动力学反应腔，其特征在于，所述空气动力学反应腔包括如权利要求1-11任一权利要求所述的反应腔导流装置。