CN108702837B - 用于产生非热大气压等离子体的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于产生非热大气压等离子体的装置，其具有：第一压电变压器（1）、第二压电变压器（101）和被设计用于将输入电压施加到每个压电变压器（1、101）上的控制电路，其中施加到第一变压器（1）上的输入电压相对于施加到第二变压器（101）上的输入电压相移90°。本发明还涉及一种用于借助至少一个第一压电变压器（1）和第二压电变压器（101）来产生非热大气压等离子体的方法。

Description

用于产生非热大气压等离子体的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于产生非热气压等离子体的装置和一种用于产生等离子体的方法。

该装置尤其具有第一和第二压电变压器，在其输出侧产生高电位，该高电位可用于工艺气体的电离。由压电变压器产生的等离子体可以作用的体积原则上受限于压电变压器的输出侧前面的区域。特别是在工业应用中，通常需要处理较大的面积。与此相应地，应该为此使用多个压电变压器，它们应尽可能彼此靠近地布置，而在此不发生变压器的相互影响。

背景技术

从EP 1902599 B1中已知，运行多个压电变压器，这些压电变压器以相互小的距离布置，这些压电变压器具有180°相移输入电压。 然而，在此已经表明，由变压器产生的等离子体的相互消融是不可避免的。

发明内容

本发明的任务现在是说明一种用于产生非热大气压等离子体的改进的装置，其特别能够实现多个压电变压器以彼此小的距离来布置，而不发生变压器的相互影响。另一任务是说明一种用于产生非热大气压等离子体的改进方法。

这些任务通过根据当前权利要求1的装置以及根据第二独立权利要求的方法来解决。

提出了一种用于产生非热大气压等离子体的装置，该装置具有：第一压电变压器、第二压电变压器和控制电路。所述控制电路被设计用于将输入电压施加到每个压电变压器上，其中被施加到第一变压器上的输入电压相对于被施加到第二变压器上的输入电压相移90°。

相移在此始终相对地说明。与此相应地，90°相移的说明可以考虑为为相移的量，除非明确地指明+90°的正相移或-90°的负相移。

如果两个压电变压器以彼此90°相移的输入电压来运行，则等离子体产生始终在第一压电变压器中和在第二压电变压器中交替进行。以这种方式，可以避免两个变压器同时产生等离子体，由此两个等离子体产生将相互影响。通过用第一和第二变压器交替产生等离子体，整体上可以实现改进的等离子体产生率。

第一和第二压电变压器可以彼此以小于5cm的距离来布置。变压器的小的距离由此能够实现在等离子体产生期间两个变压器不相互干扰。两个变压器彼此应具有至少5 mm的距离。

控制电路可以设计成使得施加到压电变压器上的输入电压分别具有相同的频率。否则，输入电压由于不同的频率将发散，使得在持续运行中不能遵守90°的相移。另外，在这种情况下会产生颤动和相应的颤动效应。通过变压器以相同频率控制的方式可以避免形成颤动。

变压器可以通过磨削方法修整到相同的长度，并且因此调整到相同的谐振频率。替代地，为了控制变压器可以选择以下频率，该频率从装置的压电变压器的谐振频率的平均值得出。

该装置还可以具有另外的压电变压器，其中控制电路可以被设计用于将输入电压施加到变压器上，使得施加到彼此直接相邻的变压器上的输入电压分别彼此相移90°。

通过使用另外的压电变压器能够实现利用该装置处理大的面积，其中通过增加压电变压器的数量扩大了同时可处理的面积。

压电变压器可以彼此平行地布置并形成唯一的行。

压电变压器可以彼此平行布置并形成具有至少两行和至少两列的阵列。控制电路可以被设计用于将输入电压施加到变压器上，使得施加到在阵列的同一对角线上布置的变压器上的输入电压分别彼此相移0°。

第一和第二压电变压器可以布置成使得它们的输出侧端面彼此面对。在此，待处理的对象、例如薄膜可以穿过在两个变压器的输出侧端面之间构造的间隙来引导。与此相应地，对象的两个彼此相对的表面可以同时加载由装置产生的等离子体。

替代地或补充地，所述装置可以具有压电变压器的第一组和压电变压器的第二组，所述第一组具有第一压电变压器和另外的压电变压器，它们彼此平行地布置并形成唯一的行，所述第二组具有第二压电变压器和另外的压电变压器，它们彼此平行布置并形成唯一的行。压电变压器的第一组和压电变压器的第二组可以彼此面对地布置，其中控制电路被设计用于将输入电压分别施加到一行的变压器上，使得施加在彼此直接相邻的变压器上的输入电压分别彼此相移90°，并且此外施加在彼此面对的变压器上的输入电压分别彼此相移90°。

替代地或补充地，所述装置可以具有压电变压器的第一组和压电变压器的第二组，所述第一组具有第一压电变压器和另外的压电变压器，它们彼此平行地布置并且形成具有至少两列和至少两行的阵列，所述第二组具有第二压电变压器和另外的压电变压器，它们彼此平行地布置并且形成具有至少两列和至少两行的阵列。压电变压器的第一组和压电变压器的第二组可以相互面对地布置，其中控制电路被设计用于将输入电压分别施加到变压器上，使得施加在彼此直接相邻的变压器上的输入电压分别彼此相移90°，施加到在阵列的同一对角线上布置的变压器上的输入电压分别彼此相移0°，并且此外施加在彼此面对的变压器上的输入电压分别彼此相移90°。

根据另一方面，本发明涉及一种用于借助至少一个第一压电变压器和第二压电变压器来产生非热大气压等离子体的方法，其中在第一压电变压器上和在第二压电变压器上分别施加彼此相移90°的输入电压。

该方法尤其可以用上述装置实施。与此相应地，结合该装置公开的每个功能和结构特征也可以适用于该方法。

附图说明

在下文中，参考附图更详细地解释本发明。

图1以透视图示出了压电变压器。

图2A至2C示出了利用两个压电变压器的等离子体产生，其中在图中，施加到变压器上的输入电压在其相移上分别彼此改变。

图3和4示出了在变压器的输出侧端面处产生的输出电压的变化过程。

图5示出了用于等离子体产生的装置，其中压电变压器以唯一的行来布置。

图6示出了压电变压器阵列。

图7示出了用于等离子体产生的装置，其中压电变压器彼此面对。

具体实施方式

图1以透视图示出了压电变压器1。压电变压器1尤其可以用在产生非热大气压等离子体的装置中。

压电变压器1是一种基于压电现象并且与传统的磁变压器不同而是一种机电系统的谐振变压器的结构形式。压电变压器1例如是罗森型变压器。

压电变压器1具有输入区域2和输出区域3，其中输出区域3在纵向方向z上邻接输入区域2。在输入区域2中，压电变压器1具有电极4，在该电极上可以施加交流电压。电极4在压电变压器1的纵向方向z上延伸。电极4在垂直于纵向方向z的堆叠方向x上与压电材料5交替堆叠。压电材料5在此沿堆叠方向x极化。

电极4布置在压电变压器1的内部，并且也称为内部电极。压电变压器1具有第一侧面6和与第一侧面6相对的第二侧面7。在第一侧面6上布置有第一外电极8。在第二侧面7上布置有第二外电极（未示出）。内部电极4在堆叠方向x上与第一外电极8或第二外电极交替地电接触。

另外，压电变压器1具有彼此相对的并垂直于第一侧面6和第二侧面7布置的第三侧面20和第四侧面21。第三和第四侧面20,21的面法线分别指向堆叠方向x。

输入区域2可以用低交流电压驱动，该交流电压施加在电极4之间。由于压电效应，在输入侧施加的交流电压首先被转换成机械振荡。机械振动的频率在此主要取决于压电变压器1的几何形状和机械结构。

输出区域3具有压电材料9并且没有内部电极。输出区域中的压电材料9沿纵向方向z极化。输出区域3的压电材料9可以是与输入区域2的压电材料5相同的材料，其中压电材料5和9可以在其极化方向上不同。在输出区域3中，压电材料9形成唯一的单片层，该单片层完全沿纵向方向z极化。在此，输出区域3中的压电材料9仅具有唯一的极化方向。

如果在输入区域2中的电极4上施加交流电压，则在压电材料5、9内形成机械波，该机械波通过输出区域3中的压电效应产生输出电压。输出区域3具有输出侧端面10。在输出区域3中，因此在端面10和输入区域2的电极4的端部之间产生电压。在此，在输出侧端面10处产生高电压。在此，在输出侧端面和压电变压器的周围环境之间也形成高电位差，该高电位差足以产生强电场使得工艺气体被电离。

以这种方式，压电变压器1产生能够通过电激励使气体或液体电离的高电场。在此，相应气体或相应液体的原子或分子被电离并形成等离子体。当压电变压器1的表面处的电场强度超过等离子体的点燃场强时，总是发生电离。在此，原子或分子电离所需的场强被称为等离子体的点燃场强。

图2A至2C示意性地示出借助于具有第一压电变压器1和第二压电变压器101的装置产生等离子体。此外，该装置具有控制电路，该控制电路能够实现将输入电压施加到两个变压器1、101中的每一个上。

第一变压器1和第二变压器101彼此平行布置。特别地，第一变压器1的输出区域3与第二变压器101的输出区域103直接相邻地布置。第一变压器的输出侧端面10的和第二变压器101的输出侧端面110的面法线彼此平行。在第一变压器1和第二变压器101之间存在间隙11。

通过在用于产生非热大气压等离子体的装置中使用多个压电变压器1、101，能够实现用等离子体同时处理较大的面积。特别是在工业应用中，对于有效的工艺设计重要的是，可以在短的处理时间内给大的面积加载非热大气压等离子体。

图2A示出了非本发明的装置，其中分别将输入电压施加到两个变压器1、101上，其中施加在第一变压器1上的输入电压和施加在第二变压器101上的输入电压不彼此相移。在此，在两个变压器1、101中的每一个上施加正弦输入电压。与此相应地，在输出侧端面10、110处产生的电位的时间变化过程同样具有正弦形变化过程，其中在两个变压器1、101上在相同时刻产生最大电位。

由两个变压器1、101产生的电位的场分布在图2A中由虚线指示。虚线在此分别是等位线。

图2A关注在两个变压器1、101处在相应的输出侧端面10、110处产生最大电位的时刻的电位变化过程。得出以下电位变化过程，其中在两个变压器1、101之间的间隙11中的电位保持近似恒定。而在输出侧端面10、110的边缘处出现高的场梯度，所述边缘远离间隙11。这里，虚线标明的等位线彼此接近。

为了点燃等离子体，需要高的场梯度。与此相应地，在等离子体产生时在相位相同地控制两个压电变压器1、101的情况下产生以下图像：在两个变压器1、101之间的间隙11的区域中，由于电位的平整而没有点燃等离子体。仅在输出侧端面10、110的远离间隙11的边缘处发生等离子体点燃，因为只在这里存在足够高的场梯度。

利用压电变压器1、101的这种控制可以产生的等离子体的量不明显高于利用唯一的压电变压器1可以实现的等离子体的量。

图2B示出了两个压电变压器1、101的另一种非根据本发明的控制。在此，在两个压电变压器1、101的每个上分别施加正弦输入电压，它们彼此相移180°。

与此相应地，如果在相同时刻在第二压电变压器101的输出侧端面110处存在最大负电位，则在第一压电变压器1的输出侧端面10处存在最大正电位。

在这种情况下，特别是在两个压电变压器1,101之间的间隙11中出现高的场梯度。与此相应地，在第一压电变压器1处发生等离子体点燃，在该等离子体点燃的情况下产生等离子束，该等离子束强烈地指向第二压电变压器101。在第二压电变压器101中，发生等离子体点燃，在该等离子体点燃的情况下产生等离子束，该等离子束强烈地指向第一压电变压器1。

在输出侧端面10、110的远离间隙11的边缘处，与间隙11相比出现较小的场梯度。因此，在这些边缘处不发生等离子体点燃。因此，总的来说，在这种情况下产生的等离子体的量并不显著高于在相同时间内利用唯一的压电变压器1可产生的等离子体的量。

图2C现在关注一种控制，其中在第一压电变压器1上施加相对于施加到第二压电变压器101上的输入电压相移了90°的输入电压。两个输入电压分别具有正弦形变化过程。

在这种情况下，当第二压电变压器101是准零场时，在第一压电变压器1的输出侧端面10处产生的电位达到其最大值。与此相应地，通过第一压电变压器1的等离子体产生不受到第二压电变压器101的显著影响。

此外，当第一压电变压器1是准零场时，在第二压电变压器101的输出侧端面110处产生的电位达到最大值。与此相应地，通过第二压电变压器101的等离子体产生也不受到第一压电变压器1的显著影响。

与此相应地，在图2C中所描述的配置导致比利用唯一的压电变压器1能实现的等离子体产生率明显更大的等离子体产生率。此外，产生的等离子体在大的立体角上均匀地沿着向前的方向产生。

图3示出了在第一压电变压器1的输出侧端面10处产生的电位的时间变化过程和在第二压电变压器101的输出侧端面110处产生的电位的时间变化过程。在此，曲线U₁示出了在第一压电变压器1的输出侧端面10处产生的电位的时间变化过程并且曲线U₂相应地示出了在第二压电变压器101的输出侧端面110处产生的电位的时间变化过程。施加到第二压电变压器101上的输入电压相对于施加到第一压电变压器1上的输入电压相移+ 90°。

可以通过介质阻挡放电（DBD=Dielectric Barrier Discharge）由压电变压器1产生等离子体和臭氧。基于介质阻挡放电的等离子体产生在很大程度上取决于在输出侧端面10、110处产生的电位的变化速度。如果现在如图3所中示，在两个直接彼此相邻的压电变压器1，101上产生的电位彼此相移90°，则电位分别交替地示出最大变化速度。

例如，曲线U₁在时刻t₁具有最大上升速度。相反，曲线U₂在时刻t₁具有仅最小的变化。与此相应地，在时刻t1在第一压电变压器1处点燃等离子体并且在第二压电变压器101处没有点燃等离子体。因此，因为两个变压器1、101总是彼此交替产生等离子体，所以它们不彼此干扰等离子体产生。

图4同样示出了在第一和第二压电变压器1、101的输出侧端面10、110处产生的电位的变化过程，其中从现在起第二压电变压器101的输入电压相对于第一压电变压器1的输入电压相移-90°。又出现在图3中已经解释的配置，其中两个变压器1、101总是彼此交替产生等离子体，因为当分别另外的变压器1、101示出近似恒定的电位时，它们分别达到输出侧电位的上升速度的最大值。

因此，两个变压器1、101偏移90°的控制能够实现，不仅优化所产生的场的几何场梯度而且优化所产生的场的变化速度的时间变化过程，使得由两个变压器1、101产生的等离子体的量可以被最大化。

图5示出用于产生非热大气压等离子体的装置，该装置除了第一压电变压器1和第二压电变压器101之外还具有第三变压器201和第四变压器301。此外，该装置还可以具有另外的压电变压器。压电变压器1、101、201、301在此彼此平行布置。压电变压器的输出侧端面的面法线彼此平行。

此外，压电变压器1、101、201、301彼此以小的距离来布置。压电变压器1、101、201、301可以彼此在大于5毫米和小于5厘米的距离下来布置。压电变压器1、101、201、301布置成它们形成一行。压电变压器1、101、201、301的这种布置成唯一的行能够实现，例如给传送带上的薄膜有效地加载等离子体。

第一变压器1与第二变压器101直接相邻地布置。第二变压器101与第一变压器1和第三变压器201直接相邻地布置，等等。

该装置还具有将输入电压施加到每个压电变压器1、101、201、301上的控制电路。在此施加输入电压，使得将分别彼此相移90°的输入电压施加到分别彼此相邻的压电变压器上。

作为示例，现在考虑第一至第四压电变压器1、101、201、301的控制。

根据第一实施例，控制电路可以向第一和第三压电变压器1、201分别施加相同的输入电压、即不彼此相移的输入电压，并且在第二和第四压电变压器101、301上分别施加相对于在第一和第三变压器1、101上所施加的输入电压相移90°的输入电压。

根据第二实施例，第一变压器1的输入电压具有0°的相移，第二变压器101和第四变压器301的输入电压分别具有+ 90°的相移并且第三变压器201的输入电压具有+ 180°的相移。在第一至第四压电变压器1、101、201、301上施加的输入电压的其他可能的相移可以从下表中获取。始终相对于彼此地来看相移。与此相应地，具有正和负号以及移位n°的位移的所有排列也是可能的。

	第一变压器	第二变压器	第三变压器	第四变压器
					示例 1	0°	+90°	0°	+90°
示例 2	0°	+90°	+180°	+90°
					示例 3	0°	+90°	0°	-90°
示例 4	0°	+90°	+180°	+270°

在表中，分别列举在第一至第四压电变压器1、101、201、301上施加的输入电压的相移。在此，始终相对于彼此地来看相移。与此相应地，具有正号和负号的所有排列都是可能的。此外，包括所有移位，其中所有相移都移位任意量n°。

图6示出了该装置的另一实施例。在此，以俯视图示出装置的压电变压器1、101、201、301的输出侧端面10、110。压电变压器彼此平行地布置并且形成阵列1、101、201、301，该阵列具有多个行和多个列。例如，第一和第三变压器1、201布置成一行。第一和第二变压器1、101布置成一列。第一和第四变压器1、301沿相同的对角线布置。第二和第三变压器101、201也沿相同的对角线布置。

控制变压器1、101、201、301，使得直接彼此相邻的压电变压器1、101分别供应彼此相移90°的输入电压。位于一个对角线上的压电变压器1、301或101、201分别供应彼此同相的输入电压。由此可以防止沿对角线点燃等离子体。

图7示出了用于产生非热大气压等离子体的装置的另一实施例。在此，第一压电变压器1和第二压电变压器101彼此面对布置。特别是，第一压电变压器1的输出侧端面10指向第二压电变压器101的输出侧端面110。

在这种情况下，两个压电变压器1、101也由控制电路供应以下输入电压，使得在第一压电变压器1上施加的输入电压相对于在第二压电变压器101上施加的输入电压相移了90°。

图7中所示的装置特别适合于用等离子体同时处理薄膜的两侧。在此，薄膜可以穿过在压电变压器1、101的两个输出侧端面10、110之间形成的中间空间12来引导。在此，薄膜的上侧可以面对第一压电变压器1并且薄膜的下侧可以面对第二压电变压器101。第一压电变压器1产生用来处理薄膜的上侧的等离子体，并且第二压电变压器101产生用来处理薄膜的下侧的等离子体。

在图5和图6中所示的实施例（其中压电变压器1布置成唯一的行或具有多个列和多个行的阵列）也可以以面对的布置来实施。在此，压电变压器的的第一组可以形成一行或一个阵列，并且与压电变压器的第二组相对地来布置，所述第二组同样形成一行或一个阵列。在此，变压器被供应输入电压，其中应该注意的是，直接彼此相邻的变压器应该被供应彼此错开90°的输入电压，使得彼此面对的变压器应该同样被供应彼此错开90°的输入电压，并且布置在一个对角线上的变压器分别被供应同相的输入电压。

附图标记列表

1 压电变压器

2 输入区域

3 输出区域

4 电极

5 压电材料

6 第一侧面

7 第二侧面

8 第一外电极

9 压电材料

10 输出侧端面

11 间隙

12 中间空间

101 第二压电变压器

103 输出区域

110 输出侧端面

201 第三压电变压器

301 第四压电变压器

x 堆叠方向

z 纵向方向

Claims (10)

1.一种用于产生非热大气压等离子体的装置，具有：

第一压电变压器（1）、第二压电变压器（101）和被设计用于将输入电压施加到每个压电变压器（1、101）上的控制电路，其中施加到所述第一压电变压器（1）上的输入电压相对于施加到所述第二压电变压器（101）上的输入电压相移90°，并且在所述第一压电变压器（1）和所述第二压电变压器（101）之间存在间隙（11），

其中，施加到所述第一压电变压器的输入电压的频率和施加到所述第二压电变压器的输入电压的频率是相同的，并且

其中所述输入电压的频率是所述第一压电变压器的谐振频率和所述第二压电变压器的谐振频率的平均值。

2.根据权利要求1所述的装置，

其中第一和第二压电变压器（1、101）彼此以小于5厘米的距离来布置。

3.根据权利要求1所述的装置，

其中所述控制电路被设计成使得施加到压电变压器（1、101）上的输入电压分别具有相同的频率。

4.根据权利要求1所述的装置，

具有另外的压电变压器（201、301），其中所述控制电路被设计用于将输入电压施加到变压器（1、101、201、301）上，使得在直接彼此相邻的变压器（1、101）上施加的输入电压分别彼此相移90°。

5.根据权利要求4所述的装置，

其中所述压电变压器（1、101、201、301）彼此平行布置并形成唯一的行。

6.根据权利要求4所述的装置，

其中所述压电变压器（1、101、201、301）彼此平行布置并形成具有至少两行和至少两列的阵列，以及

所述控制电路被设计用于将输入电压施加到变压器（1、101、201、301）上，使得施加到在阵列的同一对角线上布置的变压器（1、301）上的输入电压分别彼此相移0°。

7.根据权利要求1至4之一所述的装置，

其中第一和第二压电变压器（1、101）被布置成使得它们的输出侧端面（10、110）彼此面对。

8.根据权利要求1至4之一所述的装置，

其中压电变压器的第一组具有第一压电变压器（1）和另外的压电变压器，它们彼此平行地布置并形成唯一的行，并且

其中压电变压器的第二组具有第二压电变压器（101）和另外的压电变压器，它们彼此平行布置并形成唯一的行，

其中压电变压器的第一组和压电变压器的第二组彼此面对地布置，

其中所述控制电路被设计用于将输入电压分别施加到一行的变压器上，使得施加在彼此直接相邻的变压器上的输入电压分别彼此相移90°，并且此外施加在彼此面对的变压器上的输入电压分别彼此相移90°。

9.根据权利要求1至4之一所述的装置，

其中压电变压器的第一组具有第一压电变压器（1）和另外的压电变压器，它们彼此平行布置并且形成具有至少两列和至少两行的阵列，并且

其中压电变压器的第二组具有第二压电变压器（101）和另外的压电变压器，它们彼此平行布置并形成具有至少两列和至少两行的阵列，

其中压电变压器的第一组和压电变压器的第二组彼此面对地布置，

其中所述控制电路被设计用于将输入电压分别施加到变压器上，使得施加在彼此直接相邻的变压器上的输入电压分别彼此相移90°，施加到在阵列的同一对角线上布置的变压器上的输入电压分别彼此相移0°，并且此外施加在彼此面对的变压器上的输入电压分别彼此相移90°。

10.一种用于借助至少一个第一压电变压器（1）和第二压电变压器（101）来产生非热大气压等离子体的方法，

其中将彼此相移90°的输入电压分别施加到第一压电变压器（1）和第二压电变压器（101）上，以及

其中在所述第一压电变压器（1）和所述第二压电变压器（101）之间提供间隙（11），

其中施加到所述第一压电变压器的输入电压的频率和施加到所述第二压电变压器的输入电压的频率是相同的，并且

其中所述输入电压的频率是所述第一压电变压器的谐振频率和所述第二压电变压器的谐振频率的平均值。

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