CN110440951B - 一种等离子气体的温度测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种等离子气体的温度测量装置，包括：真空腔室、光纤温度传感器、石英管、环形器、光谱仪、宽带光源和计算机；所述石英管的一端插入所述真空腔室中；所述光纤温度传感器位于所述真空腔室的等离子气体中，并固定于所述石英管上；所述光纤温度传感器通过一穿过所述石英管的光纤与所述环形器连接；所述环形器通过光纤分别与所述宽带光源和所述光谱仪连接；所述光谱仪与所述计算机电连接；所述计算机用于读取和记录所述光谱仪采集的光谱。本发明提供的等离子气体的温度测量装置，能够利用测得的中性气体温度来表征甚高频大面积容性耦合等离子体中的电磁效应，且具有响应快和检测准确的特点。
Description
技术领域
本发明涉及等离子气体检测技术领域，特别是涉及一种等离子气体的温度测量装置。
背景技术
低气压射频容性耦合等离子体源由于其具有结构简单、均匀性好等一系列优点，已经被广泛应用于介质刻蚀、薄膜沉积等材料处理领域。该等离子体成分复杂，主要由中性气体分子(原子)、电子、离子、活性基团构成，其中中性气体分子(原子)占比超过99％，其温度对于对等离子体中的各项参数具有重要影响，进而大大影响材料处理的过程。例如，中性气体温度的分布会严重影响等离子体密度和流量的分布，进而影响处理材料的均匀性；中性气体温度还会影响电子温度的分布函数，进而影响处理材料的效率。因此，低气压射频容性耦合等离子体中的气体温度具有很高的科学研究价值，并有较大的工业应用意义。
然而，由于低气压射频等离子体复杂的电磁环境，用于等离子体中性气体温度诊断方法较少。如，广泛应用的测温方法—热电偶传感器，易受到各种电磁场干扰，且热电偶本身的存在也会对测量的等离子体产生干扰，因此不适用于低气压射频等离子体中性气体温度的测量。
目前，传统的中性气体温度测量手段主要是基于光谱诊断，如发射光谱、吸收光谱和激光诱导荧光等。这些诊断手段常基于一些假设，如气体的转动温度与平动温度相等。在大气压条件下，这个假设是成立的，测量的结果也是相对准确的。但在低气压条件下(低于100Pa)，利用光谱诊断测得的温度值与真实的中性气体温度相差很大，不能给出令人满意的测量结果。此外，传统的光谱诊断方法还有响应时间长、设备昂贵、计算过程复杂、空间分辨能力差等局限。因此，在低气压射频容性耦合等离子体中，中性气体温度的测量一直是一个难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种等离子气体的温度测量装置，能够利用测得的中性气体温度来表征甚高频大面积融性耦合等离子体中的电磁效应，且具有响应快和检测准确的特点。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种等离子气体的温度测量装置，包括：真空腔室、光纤温度传感器、石英管、环形器、光谱仪、宽带光源和计算机；
所述石英管的一端插入所述真空腔室中；
所述光纤温度传感器位于所述真空腔室的等离子气体中，并固定于所述石英管上；
所述光纤温度传感器通过一穿过所述石英管的光纤与所述环形器连接；
所述环形器通过光纤分别与所述宽带光源和所述光谱仪连接；
所述光谱仪与所述计算机电连接；所述计算机用于读取和记录所述光谱仪采集的光谱。
可选的，所述装置还包括二维驱动系统；
所述二维驱动系统用于将所述石英管进行水平方向和竖直方向的移动；
所述石英管的一端穿过所述二维驱动系统插入到所述真空腔室中。
可选的，所述石英管的内径由插入所述真空腔室中的一端向另一端逐渐减小。
可选的，所述石英管的内径由1cm逐渐减小到0.02cm。
可选的，采用真空封泥对所述石英管内径最小端的端口进行密封。
可选的，所述装置还包括封装系统；所述封装系统将所述石英管固定在所述二维驱动系统中。
可选的，所述封装系统包括：第一橡皮密封圈、第一法兰接头、第二橡皮密封圈、第二法兰接头和挡板；
所述第一橡皮密封圈套设在所述第一法兰接头上；
所述第一法兰接头与所述第二橡皮密封圈沿所述石英管的内径最大端到所述石英管的内径最小端的方向上依次套设在所述石英管上；
所述第二法兰接头与所述第一法兰接头沿所述第二橡皮密封圈的中心位置对称设置；且所述第二橡皮密封圈的两端分别卡设在所述第一法兰接头和所述第二法兰接头中；
所述挡板套设在所述第二法兰接头上；所述挡板上设置有螺孔；
所述第一法兰接头与所述二维驱动系统中的法兰口连接，且所述挡板通过螺钉固定于所述二维驱动系统上。
可选的，所采用光纤的外径均为0.0125cm。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的等离子气体的温度测量装置中，宽带光源发出一束宽带光，经由环形器和光纤达到光纤温度传感器头，由于光纤温度传感器的周期结构，随即一束反射光沿原路径返回，其谱线由光谱仪进行分光，并由计算机上读取和记录。当真空腔室中等离子体中性气体温度上升或者下降时，反射光的中心波长值会快速进行相应的增大或者减小，以缩短响应时间。根据测得的反射光的中心波长值的变化情况，就可以得到等离子体的中性气体温度的变化。并且，本装置中的光纤温度传感器使用光信号为载体而不是电信号，这就使得不受等离子气体电磁场的干扰，能够提高检测准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例等离子气体的温度测量装置的结构示意图；
图2为本发明实施例封装系统的结构示意图；
图3为本发明实施例二维驱动系统的结构示意图；
图4a为本发明实施例反射光中心波长随时间变化的示意图；
图4b为本发明实施例计算得到的气体温度水平方向温度分布变化示意图；
图5为本发明实施例27兆赫兹条件下的边缘效应的示意图；
图6为本发明实施例100兆赫兹条件下驻波效应的示意图。
附图标记：1-真空腔室，2-光纤温度传感器，3-石英管，4-环形器，5-光谱仪，6-宽带光源，7-计算机，8-二维驱动系统，9-封装系统，81-波纹管，82-垂直平移转轴，83-水平平移转轴，91-第一橡皮密封圈，92-第一法兰接头，93-第二橡皮密封圈，94-第二法兰接头，95-挡板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种等离子气体的温度测量装置，能够利用测得的中性气体温度来表征甚高频大面积融性耦合等离子体中的电磁效应，且具有响应快和检测准确的特点。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例等离子气体的温度测量装置的结构示意图，如图1所示，一种等离子气体的温度测量装置，包括：真空腔室1、光纤温度传感器2、石英管3、环形器4、光谱仪5、宽带光源6和计算机7；
石英管3的一端插入真空腔室1中；
光纤温度传感器2位于真空腔室1的等离子气体中，并固定于石英管3上；
光纤温度传感器2通过一穿过石英管3的光纤与环形器4连接；
环形器4通过光纤分别与宽带光源6和光谱仪5连接；
光谱仪5与计算机7电连接；计算机7用于读取和记录光谱仪采集的光谱。
本发明提供的装置还可以包括二维驱动系统8；如图3所示，二维驱动系统8是现有技术中存在的一种二维驱动装置，其主要由波纹管、水平方向和轴向移动转轴等组成，其主要作用是沿着水平和垂直方向移动石英管3。且因布拉格光纤光栅传感器2固定于石英管3内，石英管3固定在二维驱动系统8上。无论是垂直或者水平防线上移动石英管3，只是改变光纤温度传感器2的测量位置，对其他的没有任何影响。
石英管3的一端穿过二维驱动系统8插入到真空腔室1中。
石英管3的内径由插入真空腔室1中的一端向另一端逐渐减小。且石英管3的内径由1cm逐渐减小到0.02cm。
为了进一步增加整个装置的密封性，采用真空封泥对石英管3内径最小端的端口进行密封。
本发明提供的装置还可以包括封装系统9；封装系统9将石英管3固定在二维驱动系统8中。
封装系统9包括：第一橡皮密封圈91、第一法兰接头92、第二橡皮密封圈93、第二法兰接头94和挡板95；
第一橡皮密封圈91套设在第一法兰接头92上；
第一法兰接头92与第二橡皮密封圈93沿石英管3的内径最大端到石英管3的内径最小端的方向上依次套设在石英管3上；
第二法兰接头94与第一法兰接头92沿第二橡皮密封圈93的中心位置对称设置；且第二橡皮密封圈93的两端分别卡设在第一法兰接头92和第二法兰接头94中；
挡板95套设在第二法兰接头94上；挡板95上设置有螺孔；
第一法兰接头92与二维驱动系统8中的法兰口连接，且挡板95通过螺钉固定于二维驱动系统8上。
其中，在封装系统9中所采用的第一法兰接头92和第二法兰接头94的材质可以是聚四氟乙烯。
在本发明提供的装置中所采用光纤的外径均为0.0125cm。所采用的光纤温度传感器2可以是光纤光栅传感器光栅区长度约为1厘米的布拉格光纤光栅传感器。
本发明所提供的上述装置的具体工作原理为：
基于反射式布拉格光纤光栅传感器。光纤布拉格光栅是最普遍的一种光纤光栅，它是通过改变光纤芯区折射率，产生小的周期性调制而形成的。布拉格光栅反射的基本表达式为：
λB＝2neffΛ (1)
其中，neff是光纤芯区的有效折射率，Λ是纤芯周期。对(1)式微分可得：
ΔλB＝2neffΔΛ+2ΛΔneff (2)
其中ΔΛ表示温度引起的热膨胀或者是轴向应变对周期的影响，Δneff表示温度引起的热光效应或者是轴向应变引起的弹光效应对光纤纤芯有效折射率的影响。在真空(或低气压)条件下，光栅光纤不受外力影响，如果温度发生变化，光纤材料的热光、热膨胀效应会分别引起光纤纤芯有效折射率和光栅周期的变化，从而引起反射波长λB的变化。经过一系列数学推导可得到：
dλB＝αTdT (3)
式(3)为光纤光栅波长变化与温度变化的关系式，αT为光纤光栅温度传感的灵敏度系数(常数)。因此就可以通过监测波长变化，进而得到温度的变化结果。在实验中，实际的诊断过程为：宽带光源6发出一束宽带光，经由环形器4和光纤达到布拉格光纤光栅传感器头2，由于布拉格光纤光栅特殊的周期结构，随即一束反射光(窄带光，中心波长为λB)沿原路径返回，其谱线由光谱仪5进行分光，并由计算机读取和记录。当真空腔室1中等离子体中性气体温度上升或者下降时，λB的值会相应的增大或者减小。根据测得的λB的变化情况，就可以得到等离子体的中性气体温度变化。若再用标准热炉对此光纤温度传感器2进行定标，就可以得到具体的中性气体温度值。此外，所采用的光纤光栅传感器光栅区长度约为1厘米，就能够是整个装置在检测过程中具有良好的空间分辨能力。
图4a和图4b是在某实验条件下实际测量时，通过二维驱动系统8沿着水平方向移动布拉格光栅光纤传感器，其反射波长的变化情况。图4a是计算机采集的原始数据，其中每个台阶表示某一个水平方向位置处采集的反射光中心波长值。在每个水平方向位置，停留足够的时间，以使得光纤温度传感器的光栅区与中性气体之间达到充分的热平衡，随后移动到下一个水平方向位置，图4a中的黑色三角形代表该时刻的波长作为此水平方向位置的反射光中心波长。图4b是利用温度与反射光中心波长之间的关系式，计算出的中性温度分布。
近年来，为了满足工业需要，低气压射频容性耦合等离子体源的设计趋于使用更大面积的极板以及更高的驱动频率。在特定条件下，就会产生所谓电磁效应(驻波效应、边缘效应等)，这些效应会导致等离子体的极大不均匀性。如驻波效应(高频条件下较为明显)会导致等离子体密度呈现中心高的水平方向分布，而边缘效应(低频条件下较为明显)会导致等离子体密度呈现边缘高的水平方向分布。理论上，在氩气等电正性等离子体中，中性气体温度与等离子体密度的水平方向分布是一致的，因此可以用中性气体温度的分布来表征电磁效应。在之前的研究中，由于测温技术的限制，人们通常只能用等离子密度等参数来表征电磁效应。图5和图6给出了本发明提供装置的两个应用验证实例，首次尝试利用中性气体温度分布来表征射频容性耦合等离子体中的电磁效应，两个图中的等离子体密度分布是用发卡探针测得。
如图5所示，是较低频率(27兆赫兹)条件下，测得的中性气体温度和等离子体密度水平方向分布对比图。可以看到两者的分布非常相似，均呈现中心低、边缘高，表明此频率条件下边缘效应很显著。在较高频率(100兆赫兹)条件下，如图6所示，是测得的中性气体温度和等离子体密度水平方向分布对比图。可以看到两者的分布非常相似，均呈现中心高、边缘低，表明此条件下的驻波效应很显著。总的来说，图5和图6的结果表明，本发明测得的等离子体中性气体温度是正确的，可以用来表征低气压射频容性耦合等离子体中的电磁效应，也验证了此装置具有抗电磁干扰的优点。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的等离子气体的温度测量装置中，宽带光源发出一束宽带光，经由环形器和光纤达到光纤温度传感器头，由于光纤温度传感器的周期结构，随即一束反射光沿原路径返回，其谱线由光谱仪进行分光，并由计算机上读取和记录。当真空腔室中等离子体中性气体温度上升或者下降时，反射光的中心波长值会快速进行相应的增大或者减小，以缩短响应时间。根据测得的反射光的中心波长值的变化情况，就可以得到等离子体的中性气体温度的变化。并且，本装置中的光纤温度传感器使用光信号为载体而不是电信号，这就使得不受等离子气体电磁场的干扰，能够提高检测准确性。
此外，本发明所提供装置还具有以下效果和益处：
1、测量原理是利用光纤光栅特殊的周期性结构，不受等离子体中电磁场的干扰，可以在100兆赫兹甚至更高频率条件下使用。
2、布拉格光纤光栅传感器体积小(直径约0.0125厘米，光栅区长度约1厘米)，因此对于等离子体的干扰小，测量的空间分辨能力高(水平方向分辨可达到1厘米，轴向可达到0.1厘米)。
3、采用的直径渐变式石英管和真空封泥、橡皮密封圈等，可以得到实验所需的真空密封效果，且易于拆卸。
4、相对于传统的光谱诊断，该装置造价较低，操作和计算过程简单。
5、基于本装置的空间分布、测量准确等优点，首次利用中性气体温度分布表征甚高频大面积容性耦合等离子体中的电磁效应。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (4)
1.一种等离子气体的温度测量装置，其特征在于，包括：真空腔室、光纤温度传感器、石英管、环形器、光谱仪、宽带光源、计算机、二维驱动系统和封装系统；
所述石英管的一端插入所述真空腔室中；
所述光纤温度传感器位于所述真空腔室的等离子气体中，并固定于所述石英管上；
所述光纤温度传感器通过一穿过所述石英管的光纤与所述环形器连接；
所述环形器通过光纤分别与所述宽带光源和所述光谱仪连接；
所述光谱仪与所述计算机电连接；所述计算机用于读取和记录所述光谱仪采集的光谱；
所述二维驱动系统用于将所述石英管进行水平方向和竖直方向的移动；
所述石英管的一端穿过所述二维驱动系统插入到所述真空腔室中；
所述石英管的内径由插入所述真空腔室中的一端向另一端逐渐减小；
所述封装系统将所述石英管固定在所述二维驱动系统中；
所述封装系统包括：第一橡皮密封圈、第一法兰接头、第二橡皮密封圈、第二法兰接头和挡板；
所述第一橡皮密封圈套设在所述第一法兰接头上；
所述第一法兰接头与所述第二橡皮密封圈沿所述石英管的内径最大端到所述石英管的内径最小端的方向上依次套设在所述石英管上；
所述第二法兰接头与所述第一法兰接头沿所述第二橡皮密封圈的中心位置对称设置；且所述第二橡皮密封圈的两端分别卡设在所述第一法兰接头和所述第二法兰接头中；
所述挡板套设在所述第二法兰接头上；所述挡板上设置有螺孔；
所述第一法兰接头与所述二维驱动系统中的法兰口连接，且所述挡板通过螺钉固定于所述二维驱动系统上。
2.根据权利要求1所述的一种等离子气体的温度测量装置，其特征在于，所述石英管的内径由1cm逐渐减小到0.02cm。
3.根据权利要求1所述的一种等离子气体的温度测量装置，其特征在于，采用真空封泥对所述石英管内径最小端的端口进行密封。
4.根据权利要求1所述的一种等离子气体的温度测量装置，其特征在于，所采用光纤的外径均为0.0125cm。
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