CN109310461B - 非热等离子体发射器和用于控制的设备 - Google Patents

Abstract

AC电源在受控制的功率电平处以期望频率驱动和控制非热等离子体发射器的阵列。该电源包括升压变压器、平衡驱动器和控制器。该变压器在阵列与将阵列连接到电源的电缆的组合电容的谐振频率下操作。进入阵列中的功率由控制器监控，并且可以由用户调整。平衡驱动器可以由控制器直接驱动。控制器监控变压器初级绕组电压与栅极驱动电压之间的相位关系，并且将驱动频率调整为谐振。替换地，平衡驱动器被配置为振荡器，该振荡器默认以谐振驱动变压器。来自变压器驱动器的信号生成对控制器的中断以用于同步用于功率控制的电流和电压测量。

Description

非热等离子体发射器和用于控制的设备

相关申请的交叉引用

本申请要求保护2016年2月26日提交的序列号为15/055,028的美国专利申请和2016年7月18日提交的序列号为15/213,201的美国专利申请的优先权的权益，这两个专利申请都通过引用全部并入本文。

技术领域

本发明涉及一种用于驱动非热等离子体发射器并且控制所发射的等离子体以用在包括治疗应用和诊断应用的等离子体医学中的设备。

背景技术

等离子体是一种离子化的物质状态，其以当被施加于无生命的表面或施加于组织时的清洁的、去污的、消毒的、抗菌的和愈合的属性而众所周知。当能量被施加到物质时可以产生等离子体。随着能量输入增加，物质状态从固态变成液态、变成气态。如果将附加能量馈送到气态中，则气体中的原子或分子将发生电离并且变成富含能量的等离子体状态或物质的第四基本状态。

存在两种类型的等离子体，热等离子体和非热等离子体，非热等离子体也被称为冷等离子体。热等离子体处于热平衡中，即电子和重粒子在相同温度处。当前技术通过加热气体或使气体经受利用发电机所施加的强电磁场来产生热等离子体。当利用热或电磁场施加能量时，电子的数目可以减少或增加，从而产生被称为离子的带正电或带负电的粒子。热等离子体可以通过等离子炬或者在高压放电中产生。如果热等离子体被用在处理对热敏感的材料或表面中，其可能导致显著的热干燥、烧灼、疤痕以及其他损坏。

为了减轻这样的损坏，已经产生了用于将非热等离子体施加到热敏材料和表面的方法和设备。然而在热等离子体中，重粒子和电子处于与彼此的热平衡中，在非热等离子体中，离子和中性粒子在比电子低得多的温度（有时低至室温）处。非热等离子体在接触点处常常可以以小于104°F进行操作。因此，非热等离子体不太可能损坏人体组织。

为了产生非热等离子体，在两个电极之间施加电势梯度。通常，电极在诸如氦气、氮气、氦氧混合气、氩气或空气之类的流体环境中。当高压电极与接地电极之间的电势梯度足够大时，电极之间的流体发生电离并且变得导电。例如，在等离子体笔（plasma pencil）中，电介质管包含两个具有与该管大约相同的直径的被小空隙隔开的圆盘形电极。该盘是穿孔的。高压施加在两个电极之间，并且诸如氦气和氧气之类的气体混合物流过电极的孔。当电势梯度足够大时，等离子体在电极之间的空隙中被点燃，以及到达上至12 cm长的等离子体羽流通过外电极的孔口放电并且放电到周围的房间空气中。该羽流可以被用来通过跨越表面对其进行扫描来处理该表面。

需要强制气体的等离子体系统可能非常大型且笨重，从而需要使用气罐来供给必要的流体以产生等离子体。另一个缺点是，等离子体羽流与其要接触的表面之间仅存在狭窄的接触点。通常，羽流在直径上常常是大约1厘米。这使得处理较大区域是耗时且繁琐的，这是由于接触点必须跨越要处理的区域来回移动。遍及处理区域的处理均匀性可能难以控制。

用于产生非热等离子体的另一种常用方法是介质阻挡放电（“DBD”），其是在被绝缘电介质阻挡层隔开的两个电极之间施加高压之后所导致的放电。DBD是在外界温度下根据空气生成非热等离子体的实用方法，并且有若干个变体。例如，体积介质阻挡放电（“VDBD”）发生在两个相似电极之间，其中一个电极上具有电介质阻挡层，并且电极面对彼此。VDBD受限于两个电极之间的空间、电极尺寸，并且不能与不同表面形貌相符。表面介质阻挡放电（“SDBD”）可以在一个电极与诸如皮肤、金属或塑料之类的表面之间发生。在SDBD的具体示例中，其被称为浮动电极介质阻挡放电（“FE-DBD”）变化，电极中的一个被诸如石英之类的电介质所保护，并且第二电极是人或动物的皮肤或器官。在FE-DBD设置中，第二电极未接地并且保持处于浮动电势处。SDBD处理区域受限于电极尺寸，并且像VDBD一样，其不能与电极要接触的表面相符。在当前的SDBD技术中，在等离子体羽流与其要接触的表面之间仅存在单个接触点。

另一类型的非热等离子体被称为电晕放电，其是通过带电导体周围的流体的电离所导致的放电。电晕放电在极度不均匀的电场的区域中以相对高压力发生，该相对高压力包括大气压力。一个或两个电极附近的场必须比流体其余部分的场更强。这在尖点、边缘或小直径电线处发生。电晕在下述情况下出现：导体周围电场的电势梯度对于在流体中形成导电区域而言是足够高的，但是对于引起对附近物体的电击穿或电弧作用而言不够高。电晕的电离气体是化学上活跃的。在空气中，这生成了诸如臭氧（O₃）和一氧化氮（NO）之类的气体，并且进而生成二氧化氮（NO₂）。臭氧是在臭氧发生器中以该方式故意产生的，但是除此之外这些高腐蚀性物质通常是不适宜的，因为它们是高活性的。利用这些气体分子的活性性质将是合期望的。

除了生成非热等离子体之外，能够控制等离子体以使得其可以被用于有益目的将是合期望的。控制生成等离子体的时间长度、等离子体的功率电平、并调制等离子体的频率和波形将是合期望的。具体的调制频率与具体微生物的杀灭相关，该具体微生物包括细菌、病毒、真菌和霉菌的形式。因此，还能够控制等离子体的这样的脉冲频率将是合期望的。以这种方式，等离子体可以被用来产生除了由活性物质所产生的那些之外的生物效应。为了确保所发射的等离子体满足期望参数，将发射限制成期望的参数并且由授权人员进行将是有用的。出于方便，这样的控制器是便携式的并且是电池供电的也将是合期望的。还将合期望的是，控制器可用于多个尺寸和形状的等离子体发生器。

因此，本发明的目的是提供一种驱动非热等离子体发射器并且控制所发射的等离子体以用在等离子体医学中的设备。

发明内容

该设备是一种电源，其以期望的频率和受控制的功率电平来驱动和控制非热等离子体发射器的阵列。其以高频率产生高压。该电源利用微同轴电缆连接到阵列。该电源包括升压变压器、平衡驱动器和控制器。电源被设计成使得变压器在阵列与连接电缆的组合电容的谐振频率下操作。能量源优选地是电池，并且进入阵列中的功率由控制器监控并且可以由用户调整。

在一个实施例中，平衡驱动器由控制器直接驱动。控制器监控变压器初级绕组电压与栅极驱动电压之间的相位关系，并且将驱动频率调整成谐振。在另一实施例中，平衡驱动器被配置为振荡器，其默认以谐振驱动变压器。来自变压器驱动器的信号生成对控制器的中断以用于同步用于功率控制的电流和电压测量。

附图说明

图1是非热等离子体发射器的阵列的第一实施例的顶视图。

图2是沿着图1的线A-A的等离子体发射器的横截面图。

图3是非热等离子体发射器的第二实施例的部分顶视图。

图4是在基板中没有通孔的情况下的非热等离子体发射器的第三实施例的部分顶视图。

图5是阵列的第四实施例的顶视图，该阵列具有等离子体发射器的编织阵列。

图6是透视地图示了图5的编织阵列的一部分的示意图。

图7是具有柔性基板及其端子连接点的阵列的第一实施例的照片。

图8图示了具有控制器和外部能量源的非热等离子体设备的总体概述。

图9是利用柔性护套部分地覆盖的非热等离子体阵列的顶视图。

图10是部分地覆盖非热等离子体阵列的刚性护套的顶部透视图。

图11是其中等离子体发射器是以矩形布置的本发明的非热等离子体阵列的第五实施例的顶视图。

图12是其中等离子体发射器是六边形布置的本发明的非热等离子体阵列的第六实施例的顶视图。

图13是图示了作为管的非热等离子体阵列的第七实施例的透视图。

图14图示了被用来处理患者面部的等离子体阵列，其中若干个较小的阵列彼此连接以有效地产生更大的等离子体放电区域。

图15A-D图示了接地电极，该接地电极具有各种形状的点。

图16是连接到以部分剖视图示出的等离子体发射器的阵列的本发明的电源的前透视图。

图17是所提出电源的一个实施例的示意图。

图18是所提出电源的第二实施例的示意图。

图19是平面变压器的优选实施例的剖视图。

图20是连接到以部分剖视图示出的等离子体发射器的阵列的本发明的替换电源的前透视图。

图21是用于反向功率检测的电路的示意图。

图22是针对等离子体驱动器中的频率扫描功能的电路的示意图。

图23A-D图示了驱动器和阵列的替换布置。

具体实施方式

阵列100包括设置在刚性或柔性基板上的多个非热等离子体发射器107。发射器107被布置成使得当阵列100连接到电压源时，该发射器生成多个电晕放电。该放电生成电离气体，这进而产生了包括臭氧和一氧化氮的活性物质。

首先参照图1，在100处一般示出了非热等离子体阵列。该阵列包括具有至少两个相对表面的基板102，该相对表面为了方便在本文中有时被称为顶部和底部。在基板102中制成多个通孔118。多个驱动电极110放置在基板102的顶部上，其中每个驱动电极110在基板102中的一个通孔118之上居中。多个接地电极108放置在基板102的底部上，其中每个接地电极108在基板102中的一个通孔118之上居中。具有通孔、接地电极和驱动电极的得到的结构包括等离子体发射器107。图2示出了具有通孔的等离子体发射器的横截面图。每个驱动电极110和接地电极108一般在通孔118上居中，但是在某些实施例中，其可以是偏心的。每个电极110的形状优选地围绕通孔118对称，例如六边形、圆形、三角形、矩形、正方形或其他形状，但是在某些实施例中可以是不对称的。图1和3图示了其中驱动电极110是六边形的实施例。

图4示出了非热和臭氧等离子体阵列200的另一实施例，其中基板不具有通孔。此处，多个驱动电极110放置在基板102的顶部上，其中每个驱动电极110在基板102的底部上的接地电极108之上居中。具有在接地电极之上的电介质基板上的驱动电极的得到的结构在本文中也被称为等离子体发射器107。

基板102的顶部上的导电驱动轨迹112连接到至少一个驱动电极110。基板102的底部上的导电接地轨迹104连接到至少一个接地电极108。一个或多个驱动轨迹112可以被用来将如期望那么多的驱动电极110互连在一起。类似地，一个或多个接地轨迹104可以被用来将如期望那么多的接地电极108互连在一起。发射器可以以串联或并联方式连接，并且针对较低驱动电压优选地以并联方式。

驱动端子111连接到驱动轨迹112，并且接地端子106连接到接地轨迹104。驱动电极110互连并且连接到驱动端子111。类似地，接地电极互连并且连接到接地端子106。由此导致的结构非常像印刷电路板。

基板102由电介质材料制成，该电介质材料诸如氧化铝、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚酯、聚四氟乙烯注入的编织玻璃布、聚丙烯、玻璃增强环氧树脂层压板，或类似材料。在某些实施例中，基板具有多于一层，并且多层可以由不同材料制成。基板102由刚性或柔性材料制成，该刚性或柔性材料可以被制成与诸如粗糙表面、纹理表面、光滑表面之类的变化的表面形貌和形状相符。基板可以是二维的，诸如正方形的、弯曲的、矩形的、圆形的或六边形的。其也可以是三维的，诸如弯曲的、立方的、管状的或球形的。

基板还可以具有不均匀形状或非对称形状。刚性材料的基板可以在等离子体发射器在其中制成之前或之后被定形成期望的构造。柔性材料的基板通常在阵列被制造之后与期望的形状相符。

在优选实施例中，基板由薄FR-4制成。在大约0.2 mm的厚度处，由FR-4制成的基板是稍微柔性的。作为替换方案，阵列可以由更柔性的材料制成，诸如聚酰亚胺膜或PTFE注入的玻璃纤维。

使用大规模制造技术，制成阵列的成本足够小，使得阵列可以被认为是可消耗的或一次性的，在一次或几次使用之后被简单地扔掉或再循环。在通常被称为灰化的过程中，阵列中的任何聚合物被氧等离子体消耗。可以通过在整个阵列的顶部上添加薄玻璃层来减缓该侵蚀过程。溶胶凝胶过程可以被用来沉积约为大约100 nm的厚层。SiO2、Al2O3或Y2O3的较薄结晶层也起作用，并且可以通过原子层沉积或等离子体辅助原子层沉积来沉积，可选地在针对均匀等离子体的阵列老化之后进行。

通孔118有助于减小阵列电容，并且是用于流体从驱动电极110流到接地电极108的通风孔。此类流体包括氧气、氦气、氮气、六氟化硫、二氧化碳、空气和其他气体。在优选实施例中，流体是外界压力下的空气，大约1个大气压。空气中的氧气被发射器107生成的等离子体电离，从而产生臭氧。通孔118通过钻孔、蚀刻、切割、激光切割、冲孔或其他方法制成。在某些实施例中，通孔衬有将流体引导到每个电极的结构，该结构例如管道、管、通道或类似结构。通孔118可以是圆形的、矩形的、三角形的、梯形的、六边形的或其他形状。

驱动电极110在接地电极接触驱动电极的一个点或多个点处电容性地耦合到接地电极108，使得当将足够高的电压施加到驱动电极110时，周围的流体被电离并且产生等离子体，从而使电子在驱动电极与接地电极之间流动。

具有其中生成等离子体的尖点是合期望的，这是由于其被用来帮助启动等离子体。该尖点可以采用任何形式，诸如尖点、钝点、矛点、放射状或类似形式。图3图示了其中接地电极108为具有六个尖点120的星形的实施例。图4图示了其中接地电极108为具有三个尖点120的三角形的实施例。图15A图示了具有六个尖点的电极；图15B示出了钝点；图15C示出了矛点；以及图15D示出了放射状点。

驱动电极110、驱动轨迹112、接地电极108和接地轨迹104可以被印刷、蚀刻、层压或以其他方式设置在基板102上。它们可以由铜、银、镍或任何其他导电材料制成。它们可以诸如通过焊接掩模、诸如Mylar®之类的聚酯膜、云母、聚丙烯、诸如Teflon®之类的聚四氟乙烯或类似物而绝缘，并且在其他实施例中，他们不是绝缘的。为了制造方便，驱动电极110和接地驱动器112优选地由相同材料制成并且同时设置到基板102上。类似地，接地电极108和接地轨迹104优选地由相同材料制成并且同时设置到基板102上。替换地，驱动电极110、驱动轨迹112、接地电极108和接地轨迹104由不同材料制成，并且可以在相同或不同时间发生的过程中设置在基板上。

图5和6示出了非热阵列100的另一实施例，其中在编织在一起的电线的交叉处产生多个等离子体发射器107。驱动电极408的电线410与接地电极404的电线406进行编织以形成编织阵列。一个电极连接到多个绝缘电线，并且另一个电极连接到多个非绝缘电线。如果电线绝缘层是聚合物，则优选诸如SiO2之类的涂层以防止灰化。电线之间的间隙空间中的空气被点燃以形成等离子体。电线可以是铜、银、镍或任何其他导电材料。电线利用诸如塑料、橡胶状聚合物或清漆之类的非导电或电介质材料而被绝缘。在图5中，发射器107由具有六边形孔口521的刚性护套520覆盖。

驱动端子111和接地端子106分别被印刷、切割、冲压、层压、蚀刻、连接或以其他方式附接于驱动轨迹112和地面轨迹104。针对每个发射器的阵列存在至少那两个端子，但是可能存在如期望那么多的端子。例如，针对每个发射器107可以存在两个端子，或者针对每个发射器107可以存在多于两个端子，例如，如果期望额外的端子以用于在故障情况下的冗余，或者用以具有针对与电压源的连接的更好布置。优选地，端子111和106附接到基板或与基板成为一体，诸如利用焊盘、香蕉插头、环形端子、铲形端子、引脚端子或类似物。

发射器107可以布置在各种各样相对位置中，诸如线、同心圆、随机放置等。发射器的布置在本文中有时被称为阵列。阵列可以呈现任何形状以符合用户的需要。通常，发射器107的布置一般是对称的，诸如矩形或六边形，但是该布置还可以是非对称的，这对于使用具有不同等离子体浓度的单个基板目标单独区域而言是有用的。图1图示了布置成行的发射器107，并且每个行与先前的行偏移。该同一图案被重复如用户需要那么多的行以形成期望的阵列尺寸。图1中所图示的行均具有8个发射器，但是可以在每个行中使用任何数量的发射器。图7中所图示的行均具有8个发射器，但是可以在每个行中使用任何数量的发射器。

阵列尺寸的范围是从微观的到宏观的，并且（尽管在理论上是无限的）实际上受限于制造技术。实际上，阵列在任何维度中通常小于5英寸。如果期望更大面积的等离子体放电，则较小阵列可以并排放置并且彼此连接以有效地产生作为单个阵列而受控制的较大阵列。图14图示了被用来处理患者面部的等离子体阵列100，其中若干个较小阵列彼此连接以有效地产生更大面积的等离子体放电。在其他情况下，较小阵列并排放置以产生较大阵列，但是不彼此连接以使得可以独立地控制它们。

可以按许多特性来定义等离子体，该特性包括尺寸（通常以米为单位）、寿命（秒）、密度（每立方米的颗粒）以及温度。在某些实施例中，第一发射器107具有与第二发射器107不同的等离子体强度。等离子体强度由许多因素确定，该因素包括电介质厚度、驱动电压（其确定了其中等离子体被点燃和保留的占空比）以及大气压力。通常，由此导致的等离子体是扇形的，从该点延伸大约0.8 mm并且延伸大约120度的扇形。

图7示出了非热等离子体阵列100，其中绝缘层304在接地端子106和驱动器端子111下面附接到基板102。绝缘层304可以是氯丁橡胶、聚合物涂层、Mylar®、Teflon®或类似物。

图9示出了非热等离子体阵列100，其具有覆盖在等离子体发射器处的护套520。在一些实施例中，发射器中的仅一些被覆盖。在优选实施例中，护套520是电绝缘体，其充当阵列与关注表面之间的屏障。电绝缘体520允许从阵列生成的等离子体影响关注表面并且与关于表面起反应，但是不允许流体通过该盖子渗透到所产生的等离子体和基板的表面。因此，其对气态分子是透气的、保护用户或表面免受可能的电击并且防止液体到达电极，而这可能导致电学短路。优选地，护套520是柔性的并且由聚四氟乙烯（“PTFE”）制成，其提供防水但透气的覆盖物。柔性护套也可以由膨胀的聚四氟乙烯、氯丁橡胶、疏水聚酯、亲水聚酯或类似物制成。图10示出了刚性护套520的一个实施例，其中孔口521在通孔118上居中，该通孔118在非热等离子体阵列100上。护套520在长度、宽度和高度上可以变化以符合非热等离子体阵列的尺寸和形状。通常，护套还是可移除的。

非热等离子体阵列100可以与任何形状或尺寸、用于在各种解剖位置（诸如，脚趾、耳朵、手指、面部等）中处理人类疾病的尺寸相符。图11、12和13示出了阵列100的附加实施例的示例。图11示出了等离子体发射器107的矩形阵列100，其中该阵列的一侧比另一侧长得多。该布置可以对大的狭窄表面区域的处理特别有用。图12示出了等离子体发射器107的六边形阵列100。图13示出了形成为管的阵列100，其中等离子体发射器沿着该管的表面布置。该布置可以对于诸如手指之类的管状形区域的处理特别有用，使得管的内部保持与手指的外面相接触。该布置还可以对于处理诸如耳道之类的管状人体部分的内表面而言特别有用，其在该治疗中管的外面保持与耳道的内表面相接触。管状阵列100可以在刚性或柔性基板上预成型。替换地，柔性基板上的矩形阵列100可以在处理的时候弯曲成管。

为了产生等离子体，利用电源500将电压施加到一个或多个驱动电极110，该电源500在本文中有时也被称为驱动器。它以高频率产生高压。在驱动电极110处于相对于接地电极108的高电势的情况下，电流通过驱动电极110并且通过通孔118中的流体并且围绕阵列而流动。流体被电离以在每个驱动电极110、接地电极108或者两者的周围产生等离子体区域。来自电离流体的离子将电荷传递到多个接地电极108或传递到低电势区域。在优选实施例中，电源500以受控制的功率电平在期望频率下驱动和控制非热等离子体发射器的阵列100。电源500通过电线或者无线地连接到控制器204。控制器204控制阵列100的功能性，诸如开/关时间、等离子体的强度、从电极到电极的等离子体场的强度、频率、功率或类似功能性。电源的特性将很大程度上取决于阵列的尺寸。

电源500利用本文中一般被称为电缆202的微同轴电缆、引线502或其他连接器连接到阵列100。参见图16。电源500包括升压变压器201、平衡驱动器和控制器204。参见图17。电源500进一步包括优选地是电池的能量源506。进入阵列中的功率由控制器204监控并且可以由用户调整。

变压器的次级绕组的电感和阵列与电缆的组合电容形成了具有特定谐振频率的并联LC电路。该布置利用了谐振现象，该谐振现象当振动系统或外力（诸如，电源500）驱动另一系统（诸如，阵列100）以在具体择优的频率下以更大振幅进行振荡时发生。可以手动地设定调制频率。然而，由于谐振电路Q因子相对较高（300以上），因此设备以其进行谐振的频率的范围相对较小，所以自动调谐机制对于可靠的操作而言是优选的。这是通过监控初级绕组上的电压与电流之间的相位关系以确定变压器何时在谐振下操作来完成的。在优选实施例中，驱动频率在100 kHz的范围内，以允许相对较宽范围的调制频率。然而，取决于驱动电子器件，所描述的发明可以在非常宽的范围（10 kHz到超过10 MHz）上操作。

优选实施例将利用谐振升压变压器以阵列100与电缆202的组合电容进行谐振，以在阵列100处生成高压AC。调谐电路的高Q产生干净的正弦驱动波形以使谐波辐射最小化并且提供电压升高。控制器204将变压器驱动频率调整成调谐电路的谐振频率。由此导致的等离子体频率通常保持稳定并且被脉冲地调节以产生经调制的治疗频率。然而，还可以在调整调制频率时监控变压器次级或初级电压，以检测击穿电压对比调制频率方面的改变。这可以被用来针对最大治疗效果而调整调制频率。

被用于阵列驱动器的输入功率通常是DC，尽管阵列本身固有地要求AC。电源500将DC转换成AC。通常，等离子体频率将在大约50-100 kHz之间的给定频率下操作。在优选实施例中，施加到驱动电极的AC电压以脉冲方式进行调制，通常以0 Hz以上到大约10k Hz之间的频率。通过打开和关闭该频率来完成调制，即，通过变压器初级驱动波形的脉冲宽度调制来数字地生成该调制。这可以是方波调制或者诸如正弦波之类的其他波形类型。例如，对于50 Hz的等离子体频率而言，阵列发射50 Hz能量的周期性爆发。替换地，将连续波电压施加于驱动电极。

已经在调制频率与生物效应之间观察到相关性。等离子体驱动器中的调制频率扫描功能可以使用相对的等离子体功率测量来确定用于处理特定状况或者用于测量处理进展的最佳调制频率。为了获得与等离子体阵列的生物相互作用之间更详细的信息，在氧气主机制的范围内针对无线电信号进行搜索。参见图22。

如果找到治疗的等离子体频率，则可以通过添加适当值的并联电容来调整等离子体频率。由于电压是大约1kV RMS，因此这通常通过利用继电器切换高压电容器来完成。实际的解决方案将通常使用七个二进制相关的值的集合。如果找到治疗的调制频率，则还可以调制AC驱动电压。这将通常通过调整在驱动器中的数字控制器中的定时器值来完成。

优选实施例监控变压器初级电压和电流，将该数据用于功率控制以及用于硬件互锁，以减轻对电子设备的灾难性故障。过度的功率将缩短阵列的寿命。由于阵列将最终由于电介质的腐蚀而失效，所以迅速的电流限制将允许适度且安全地结束操作。

图18示出了典型的系统级框图。阵列100利用电缆202连接到电源500，优选地使用连接器（如与硬连线的相对的），使得可以在最终阵列故障的情况下容易地移除和再使用该电缆。电缆202优选地在两端上都具有连接器。变压器703为等离子体阵列100提供高压。电阻器705为次级电压监控器706提供高压监控点。次级电流监控器704连接到变压器次级的冷侧。

在优选实施例中，可变电压能量源506连接到变压器初级中心抽头，并且一对MOSFET 708向变压器703的初级绕组提供平衡驱动。初级电压和电流幅度和相位监控器709被控制器204用来为变压器提供适当的占空比和频率。

在替换的实施例中，变压器驱动器可以被配置为振荡器，所以变压器默认在谐振频率下操作。在这种情况下，来自变压器驱动器的信号被发送到控制器以同步电压和电流的测量。例如，这可以被用于准确的功率测量。

在另一实施例中，电源500包括谐振变压器201，其在变压器初级上具有半桥驱动器。参见图17。变压器初级偏压源自连接到能量源的升压转换器212。该能量源可以在电源（诸如，电池208）内部，或者在其（诸如是连接到主电源的手机充电器，或者是车辆电源插座）外部。为了精确的功率监控，通过电容器205和206来监控变压器次级电压。通过检测电阻器207来监控次级电流。

在一个示例中，与4英尺长的RG-178同轴电缆进行组合的典型的大阵列（例如，在大约2.5英寸×6英寸的区域中具有间隔很近的发射器的阵列）将具有720 pF的典型电容。升压变压器201与电容性负载一起进行谐振，该电容性负载由同轴电缆202和平面微等离子体阵列100组成。主能量源是可充电锂电池208。其通过USB连接器223充电，该USB连接器还是对控制器204的外部数据接口。

为了允许阵列电源在由阵列故障引起的过电流的情况下快速关掉，升压转换器212开关元件由控制器204来驱动。电容器211为通过升压电感器212的高电流脉冲提供电荷存储。可以通过放大器来驱动开关元件213以获得附加的驱动电流和/或电压。经升压的回扫电压被二极管214整流并且被电容器215滤波。电阻器216将电压降到对于控制器204而言合适的范围。

电感器217是可选的，但是允许驱动开关元件218上的更高占空比，从而减少开关元件损耗，同时针对EMC兼容性改善变压器输出的频谱纯度。通过电阻器219对变压器初级电压进行采样来确定自动调谐模式中的变压器谐振频率。

优选实施例使用具有“EI”型芯的平面变压器。参见图19。“I”侧601被放置在顶部处，远离绕组PCB 603。“E”侧602被放置在底部处。这将被用来设定变压器电感的气隙604放置到顶部而不是核的中间。集中在气隙周围的磁通量将增加AC损耗，所以将变压器绕组（特别是初级绕组）放置得尽可能远离该气隙。典型的变压器设计使用具有12层FR-4 PCB的平面铁氧体磁芯。在135：1：1匝数比的情况下，典型的大阵列将在50 kHz下操作，其中气隙A_L值为700 nH/N²。

优选实施例使用诸如微控制器、FPGA或CPLD之类的控制器来直接控制变压器初级绕组上的电流切换。这通常在50 kHz与500 kHz之间，使用一对N沟道MOSFET。缓冲放大器可以被用来增加栅极驱动电压和/或电流。该布置的优势是控制器在由阵列故障引起的过电流状况下立即停止切换的能力。

优选实施例由锂电池供电，其中电源电压在2.8与4.2V之间。参见图17。变压器初级中心抽头电压源自升压转换器212，其中电流是使用N沟道MOSFET切换的。缓冲放大器可以被用来增加栅极驱动电压和/或电流。在优选实施例中，每个变压器FET的占空比为50％，从而以平衡的配置进行操作。升压转换器212在变压器驱动的频率的两倍下操作，并且由控制器204驱动。变压器中心抽头上的任何纹波对于正被切换的任一侧而言将为相同的瞬时值。

替换实施例在交叉连接的反馈中连接变压器初级平衡驱动器，使得该驱动器在变压器谐振频率下自动地操作。然而，这要求附加的电子部件允许快速关闭、与升压转换器同步、以及与控制器同步。在典型的实施例中，对控制器的中断信号将由变压器初级的两个支路生成。

在优选实施例中，控制器如下确定变压器谐振频率。在该自动调谐模式下，控制器将变压器驱动占空比减小成较小值以保护电子器件。利用具有比其初级绕组具有更多匝数的次级绕组的升压变压器，增加了输出电压。对于给定的驱动频率，控制器测量变压器次级上的等离子体驱动电压。如果变压器初级上的电压相位领先驱动信号，则频率过高。控制器实行频率扫描以找到最高谐振峰值。一个替换方法是，将变压器初级的一个支路上的波形与对应的栅极驱动波形进行比较，并且以二分搜索来调整驱动频率以确定针对过零处切换的频率。这将以变压器谐振频率发生。

通过测量变压器次级上的电压和电流来确定进入阵列100中的驱动功率。等离子体启动电压受湿度和气压的影响，所以准确的电压测量是合期望的。在优选实施例中，跨低值电阻器来感测变压器次级电流。

一种测量阵列中的等离子体功率的替换方法是测量高次谐波频率处的反射（“反向”）功率。由于等离子体阵列跨相对大的电容具有较高AC电压，因此与等离子体中的实功率的量相比，电介质中的无功功率的量非常大。因此，如果在基本驱动频率处进行测量，则测量等离子体中的实功率耗散非常困难。因为等离子体的I/V曲线是非线性的，而阵列的电容对比电压是相对平坦的，因此该测量在驱动频率的高次谐波处容易得多。由于廉价陶瓷滤波器的可用性，实际测量频率为10.7 MHz。这也减小了谐振电路中的部件的尺寸。精确调谐是必需的，所以电感器优选地具有非磁芯以实现更严格的公差。这简化了下述问题：从等离子体的效果中隔离阵列负载的较大无功分量和来自阵列中的电介质加热的任何功率损耗。典型的实施例将使用并联谐振元件调谐的LC电路701在10.7 MHz处阻挡来自驱动器的能量。参见图21。串联谐振元件调谐的LC电路702在10.7 MHz处提供低阻抗电流返回。变压器703在10.7 MHz处提供高的电隔离并且实行电流到电压转换。滤波器714阻挡来自驱动器的未被谐振电路阻挡的谐波。检测器715优选地是用以允许在大功率范围上的测量的对数检测器。由于可以在10.7 MHz处传递谐波能量的高压变压器的绕组间电容，并联调谐的LC电路701被用来阻挡该情况。串联调谐的LC电路702在10.7 MHz处提供低阻抗，这允许通过变压器703的电流测量。串联调谐的LC电路702中的电容器通常将额定为1.5 kV。在典型的实施例中，变压器703是围绕铁氧体棒的双线缠绕PTFE绝缘线。由于l kV AC的隔离是必需的，因此绕组通常由绝缘漆覆盖以防止绕组之间的空气放电。需要滤波器714来移除未被调谐电路阻挡的谐波能量。检测器715通常是对数检测器。当在等离子体驱动器中提供以高分辨率测量高次谐波反向功率的相对电平的装置时，无论湿度或气压如何，其都可以被用来设定恒定的等离子体功率电平。

在独立驱动器中，外壳501包含电源500、用户界面222、对电源的一个或多个输入端、以及对阵列的一个或多个输出端。参见图16。输入端包括USB端口223、HMDI端口、耳机插孔224、微型USB插孔、闪电插孔和触摸按钮或触摸屏。对阵列的输出端包括耳机插孔224、微型USB插孔、闪电插孔和多针插孔。音频换能器可以被用来辅助视障人士。在可穿戴应用中，可以添加振动器以用于离散的用户反馈。在电池供电的设备中，外壳还包含电池，该电池可以是原电池或可充电电池。通过USB连接的实施例可能不需要电池，因为USB端口可以被用于输入和电池充电。

用户界面将通常是小型LCD显示器222。还可以添加蓝牙硬件以便于连接到智能电话。控制器204连接到用户界面222。在优选实施例中，多色LED将指示包括电池充电的操作模式。尽管驱动器的一些实施例使用预编程存储器以使得操作参数不能改变，但是其他实施例是可编程的。输入可以被用来对等离子体操作参数（诸如，操作时间和功率电平）进行编程。USB连接还以可被用来创建附加特征，该附加特征诸如对所定义的SSID的WiFi连接以及网络密码。然而，用户用以控制阵列100的完全自由可能不是针对所有实施例的最佳解决方案。

在优选实施例中，设备被配置成以由医生、药剂师或临床医生所提供的规定治疗方案来发射等离子体，该治疗方案非常像用于与其他给药设备一起使用的药品的常规处方。该设备还可以检索患者信息。可以以许多方式配置驱动器和阵列来这样做。参见图23A-D。一般而言，处方者将低成本适配器板或加密狗连接到计算设备。在该计算设备上运行的软件应用程序实行认证、加载所记录数据并且对该处方进行编程。来自治疗的数据被记录在适配器板或加密狗上以用于在治疗后上传到计算设备。该数据可以在治疗后被用来确定疗效并且验证该处方被应用。为了更好的控制，并且为了促进受控制的商业模式，处方者可能被限值成从中央数据库下载处方而不是直接输入处方。

在一个实施例中，移动计算设备610连接到适配器板225，该适配器板225进而连接到加密狗220，该加密狗220通过电缆202连接到阵列。参见图23A。适配器板225起到医生的处方书的作用，其包含每个医生、临床医生、药剂师或药房所登记的验证码。适配器板225还是加密协议与从加密狗220上传和下载的用户的隐私数据之间的网守。适配器板225具有板载MCU以在加密狗220与安装在移动计算设备或台式计算机上的专有软件应用之间进行对接。

加密狗220包括针对期望治疗的功率、调制细节和时间的设置。因此，可以利用治疗处方对加密狗220进行编程以与驱动器一起使用。加密狗220可以包括识别特征，该识别特征确保驱动器与适当尺寸或形状的阵列一起被用于期望的治疗或患者。在优选实施例中，识别特征是利用嵌入式代码进行编码的芯片，该嵌入式代码充当阵列100与加密狗220之间的认证握手，以确保仅授权阵列与给定电源一起使用。在另一实施例中，阵列上的连接器具有与电源上的连接器配对的物理形状，使得仅具有匹配的连接器的设备进行操作以生成等离子体。

为了确保阵列以期望的参数发射能量，在优选实施例中，阵列将仅在其嵌入的识别码匹配加密狗时才工作。例如，可以将经编程的加密狗220及其配对的阵列与患者的处方一起给予患者。然后患者将加密狗220附接到电源，无论它是专用设备还是移动计算设备，并且给等离子体阵列供电以利用等离子体能量进行治疗。在没有必需代码的情况下，阵列将不是可供使用的。因此，驱动器可以通过柜台在没有处方的情况下出售，非常像诸如BandAids®之类的织物绷带，并且在需要时与处方加密狗220和阵列配对。医生和药剂师可以利用定制的协议直接对加密狗220进行编程，或者他们可以利用存储在集中式处方数据库中的通用协议对它们进行编程。加密狗220可以被编程来记录治疗的参数，可以在治疗后估计该治疗的参数以验证该处方被应用以及判断其功效。参见下面的示例。

在另一实施例中，移动计算设备610连接到适配器板225，该适配器板225进而连接到电缆202，该电缆202连接到阵列。加密狗的功能（即处方）被嵌入在阵列上或电缆中。将加密狗功能集成到阵列100上在本文中被称为智能阵列203。参见图23B。闪存可以被用来将期望数据存储在阵列上或电缆中。这可能要求定制的电缆，但也将允许阵列上的温度传感器。这对于一些糖尿病患者或者已经失去感觉并且对热不敏感的其他人而言可能是重要的。另一替换实施例使用移动或台式计算设备的存储器。

在另一实施例中，驱动器500连接到加密狗220，该加密狗220通过电缆202连接到阵列。参见图23C。如果使用智能阵列，则可以利用电缆将驱动器直接连接到它。参见图23D。

通常，移动计算设备使用其耳机插孔224或USB端口连接到阵列100，但是可以与定制接口相连接。移动计算设备包括智能电话606、膝上型计算机607或平板设备。在图20上，虚线指示的是，电话或膝上型计算机可以连接到适配器板和阵列。台式计算机还可以被用来给阵列供电和控制阵列。使用具有已下载的移动应用或已安装程序的板载储存器，移动和桌面计算设备是可编程的。

出于包括清洁、去污、消毒和愈合的目的，本发明的等离子体设备可以被用于处理许多类型的表面。例如：

示例1：手机的去污

个人将手机带到他们去的任何地方，并且在使用厕所、触摸脏的门把手、与其他人握手、与他人分享手机以及触摸货币之后不断地使用手机。全部这些物品都充满了细菌，该细菌可以传播至个人的手机。因此，手机具有比公共厕所多18倍的细菌。在某些实施例中，非热阵列100或智能阵列203可以被放置在手机周围或被合并到手机中。一旦非热阵列100或智能阵列203被打开，则电话上的微生物将被灭活，从而实际上对手机进行消毒以免任何传染因子。

示例2：生物战去污套装

在战争中，生物武器可以被用来对付士兵。在某些实施例中，生物战套装可以衬有非热等离子体阵列100或智能阵列203。当士兵已经被生物武器污染时，该士兵可以穿上非热等离子体内衬的套装。一旦穿上该套装，阵列100被打开并且可以使该士兵去污。该套装是可重复使用的。

示例3：利用非热等离子体设备杀灭真菌或细菌

为等离子体阵列提供的电压可以以大约1 Hz到大约10 kHz的速率进行调制（被脉冲地调节或者接通和关闭）。具体调制频率（所谓的Rife频率）具有治疗效果，其中具体频率相关于杀灭具体微生物，包括细菌、病毒、真菌、霉菌等形式。控制器可以使用这些频率来产生生物效应，该生物效应超过由活性氧类和活性氮类所产生的那些生物效应。由非热等离子体阵列在大的表面积上所产生的得到的生物效应可以消除任何表面类型上的微生物。

示例4：用于产生臭氧的方法

臭氧是一种不稳定但是高度有益的分子，并且由等离子体产生。等离子体是中性粒子和带电粒子的混合物。当将电压施加于处于包含氧气的气体中的等离子体发射器107的阵列100时，该等离子体发射器生成电子的转移，该电子的转移生成了臭氧。臭氧可以被施加于人体以实现治疗效果、被施加于水以用于氧化身体中的病原体和合成残留物，以及被施加于橄榄油以用于摄取，这将对臭氧的稳定内部应用给予个人。附加地，臭氧可被用作空气消毒剂，该空气消毒剂杀灭病菌、传染性微生物并且中和了像细菌、病毒、霉菌和化学除气之类的许多生物问题。

示例5：美容治疗

一氧化氮是自由基，其已经被示出在处理光损坏的面部皮肤中是有益，其通过烧灼旧的受损坏的皮肤细胞因此它们可以脱落并且被新的健康皮肤细胞代替。将处于包含氮气的气体中的等离子体发射器的阵列放置在皮肤的期望处理区域上，并且该等离子体发射器在整个处理区域上生成一氧化氮。以这种方式，使用本设备的处理比常规方法快得多，该常规方法利用在处理区域上重复地经过或扫描的等离子体羽流来处理该区域。

示例6—治疗铜绿假单胞菌

在一个实例中，电源结合阵列一起被用来治疗患者，该患者在她的脚部上患有铜绿假单胞菌（一种多药耐药菌株病原体）。医生开处方为241 Hz等离子体治疗长达10分钟，每天两次，持续七天。药剂师接收到来自医生的每次治疗的处方、将适配器板225连接到台式计算机并且利用验证码和指令对加密狗220直接编程以在241 Hz下操作等离子体-发射器阵列长达10分钟。患者从药剂师处获得经编程的加密狗和配对的阵列或智能阵列203，将其附接至诸如手机充电器之类的电源。患者将该阵列放置在她的感染所在的脚部上。电源确认其已经附接到授权阵列，并且启动治疗。患者每个所编程的协议将阵列留在原地长达10分钟的治疗持续时间。当10分钟消逝时，患者将阵列从她的脚部移除。患者重复该治疗一天两次，再持续六天。加密狗和阵列或智能阵列可以被归还给药剂师以用于上传过去治疗的使用数据并且利用新协议重新编程以用于再使用。

示例7—治疗白色念珠菌

在另一示例中，电源结合阵列一起被用来治疗患有白色念珠菌的患者，其通常是嘴部或生殖器的真菌感染。医生开处方为482 Hz等离子体治疗长达10分钟，每天施加两次，持续七天。药剂师接收到处方、将适配器板225连接到台式计算机并且利用验证码和指令对加密狗220直接编程以在482 Hz下操作等离子体-发射器阵列长达10分钟。患者从药剂师处获得经编程的加密狗、电缆和附接的等离子体阵列，并且将其附接至驱动器。该驱动器是便携式的，并且使用USB壁式充电器可充电。该驱动器确认其已经附接到授权阵列，并且启动治疗。患者将阵列留在原地长达10分钟的治疗持续时间。当10分钟消逝时，患者将阵列从她的嘴部移除。患者重复该治疗一天一次，再持续六天。加密狗和阵列或智能阵列可以被归还给药剂师以用于上传过去治疗的使用数据并且利用新协议重新编程以用于再使用。

示例8—治疗红色毛癣菌

在另一个实例中，电源结合阵列一起被用来治疗患有红色毛癣菌的患者，红色毛癣菌是一种最常引起运动员的脚部、脚趾甲的真菌感染、股癣和癣的真菌。该治疗为775 Hz长达10分钟，持续每天三次治疗直到症状消失为止。患者在柜台购买电源、加密狗和阵列，这些都被定制成提供有限数量的治疗。例如，对于脚趾甲真菌而言，患者购买了可以以775Hz提供高达二十次10分钟的等离子体治疗的设备。患者将等离子体阵列施加于他受感染的脚趾甲每天长达10分钟，直到症状消失为止。

示例8—治疗毛癣菌

在另一示例中，插入电缆结合阵列一起被用来治疗毛癣菌，毛癣菌是各种人体皮肤感染并且还是小鼠皮肤感染的另一原因。使用连接到有权访问互联网的适配器板的台式计算机对加密狗进行编程。授权用户从治疗数据库将协议下载到加密狗，然后使电源以给定的时间、频率和持续时间提供等离子体治疗，诸如每次治疗为775 Hz持续高达10分钟，每天三次，持续4周。加密狗和阵列或智能阵列可以被归还给药剂师以用于上传过去治疗的使用数据，并且利用新协议重新编程以用于再使用。

尽管已经说明和描述了目前被视为是本发明的优选实施例的内容，但是本领域技术人员将理解的是，在不偏离本发明的真实范围的情况下，可以做出各种改变和修改并且可以用等同方式代替其要素。本文中所描述的本发明的实施例不意图是穷尽的或者将本发明限制成所公开的精确形式。而是，已经挑选了针对描述所选择的实施例以使得本领域技术人员能够实践本发明。因此，意图的是本发明不限于所公开的特定实施例，而是本发明包括落入所附权利要求的范围内的全部实施例。

Claims (11)

1.一种非热等离子体设备，包括：

基板，由电介质材料制成并具有顶部表面和底部表面；

多个驱动电极，处于所述基板的顶部表面上；

多个接地电极，处于所述基板的底部表面上，其中每个接地电极包括尖点；以及

在所述基板中的多个通孔，所述驱动电极中的每一个在通孔中的一个之上居中并且电容性地耦合到所述接地电极中的一个，以在所述驱动电极与所述接地电极之间形成等离子体发射器的阵列；

所述阵列具有第一电容，所述设备进一步包括：外壳，其包括用户界面、一个或多个输入端和一个或多个输出端；电源；以及将所述外壳的输出端连接到所述阵列的电缆，所述电缆具有第二电容；

所述电源包括：控制器、具有初级绕组和次级绕组的升压变压器、以及平衡驱动器，其中所述第一电容和所述第二电容的总和是组合电容，并且所述电源在所述组合电容的谐振频率下操作。

2.如权利要求1所述的设备，进一步包括：

连接到每个驱动电极的导电驱动轨迹；

连接到每个接地电极的导电接地轨迹；

连接到所述驱动轨迹的驱动端子和连接到所述接地轨迹的接地端子；以及

连接到所述驱动端子的电压源。

3.如权利要求1所述的设备，进一步包括：由PTFE制成的护套，其覆盖所述等离子体发射器的阵列的至少一部分。

4.如权利要求1所述的设备，其中所述设备进一步包括：

存储器，用于存储用于操作所述阵列的一个或多个参数。

5.如权利要求4所述的设备，进一步包括：识别特征，其准许所述电源仅操作授权阵列。

6.如权利要求1所述的设备，其中所述控制器测量所述初级绕组上的第一电压，并且将所述第一电压与所述次级绕组上的第二电压进行比较来确定所述谐振频率。

7.如权利要求4所述的设备，其中所述存储器经由所述输入端之一是可编程的。

8.如权利要求1所述的设备，其中所述基板是柔性的。

9.如权利要求1所述的设备，其中所述多个接地电极中的每一个在所述多个通孔中的一个下方居中。

10.如权利要求1所述的设备，其中所述等离子体发射器按行对齐，其与先前的行偏移。

11.如权利要求1所述的设备，其中所述接地电极中的每一个还包括多个尖点。

Images