CN112996209B - 一种微波激发常压等离子体射流的结构和阵列结构 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种微波激发常压等离子体射流的结构和阵列结构。旨在提供一种无电极，制造成本低，易于加工的激发等离子体的结构，避免对激发的等离子体造成二次污染。包括：同轴接头、激发结构包括：馈入传输线结构、第一金属层、介质基片层和第二金属层；第一金属层通过馈入传输线结构连接同轴接头内导体，第二金属层连接同轴接头外导体；基底沿长度方向排布多个金属过孔，将第一金属层和第二金属层连通，金属过孔围合形成介质基片层区域，基底上开设的通孔中插入石英管；石英管外第一和第二金属圈，分别与第一和第二金属层相连；同轴接头将微波信号传输到介质基片层，金属过孔将微波信号限制在介质基片层区域，以将石英管内气体激发为等离子体。

Description

一种微波激发常压等离子体射流的结构和阵列结构

技术领域

本发明涉及微波激发常压等离子技术领域，特别是涉及一种微波激发常压等离子体射流的结构和阵列结构。

背景技术

随着电子技术的高速发展，微波常压等离子体广泛应用于多个领域，包括材料表面改性处理、生物医疗、食品保鲜、镀膜、环境保护等，具有无需外置真空设备，气体温度低，电子密度高，活性粒子丰富，不会污染周边环境，系统能量利用率高和使用寿命长等优势。

目前，常用的常压等离子体射流通常采用介质阻挡放电（DBD），同轴，微带等结构，然而，这些结构一般都有电极，在激发等离子体后，等离子体容易造成电极的腐蚀，影响器件寿命；同时，被腐蚀的电极材料也会存在等离子体中，在降解等应用的同时引入二次污染。采用压缩波导的微波等离子体炬可以在石英管中实现微波无极等离子体的激发，然而，压缩波导制造成本较高，体积大，且激发所需的微波功率大。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种微波激发常压等离子体射流的结构和阵列结构，旨在提供一种无电极，且制造成本低，易于加工的微波激发常压等离子体射流的结构和阵列结构，从而避免对激发的常压等离子体造成二次污染。

本申请第一方面，提供了一种微波激发常压等离子体射流的结构，所述结构包括：同轴接头，与所述同轴接头连接的激发结构，所述激发结构包括基底和馈入传输线结构，所述基底由上至下包括第一金属层、介质基片层和第二金属层；其中，所述第一金属层通过所述馈入传输线结构连接所述同轴接头内导体，所述第二金属层与同轴接头外导体相连；

所述基底的相邻的至少两条边上沿各边的长度方向排布有多个金属过孔，所述多个金属过孔用于将所述第一金属层和所述第二金属层连通，其中，所述基底上所述多个金属过孔围合形成介质基片层区域，所述介质基片层区域中开设有通孔；

所述通孔中插入石英管，所述石英管内充斥有待激发的气体。

可选地，所述基底的三条边上沿各边的长度方向排布有多个金属过孔，其中，所述通孔位于所述第一金属层的中心位置。

可选地，所述微波激发常压等离子体射流的结构还包括，匹配结构；所述第一金属层和所述馈入传输线结构分别与所述匹配结构连接。

可选地，所述馈入传输线结构和所述介质基片层区域组成的微波信号传输线的阻抗，通过所述匹配结构匹配为预设阻抗值。

可选地，所述微波激发常压等离子体射流的结构还包括，金属圈；所述金属圈内壁面紧贴所述石英管外壁面；

所述金属圈包括：第一金属圈和第二金属圈；

所述第一金属圈位于所述第一金属层一侧，并与所述第一金属层相连，所述第二金属圈位于所述第二金属层一侧，并与所述第二金属层相连。

可选地，包括至少两个所述激发结构，其中，至少两个所述激发结构分别连接到所述同轴接头，且至少两个所述激发结构阵列排布，其中，相邻两个激发结构的相邻边共用一排金属过孔。

可选地，所述基底的二条相邻边上沿各边的长度方向排布有多个金属过孔，其中，所述通孔位于第一金属层中与所述二条相邻边的交点呈对角线的端点上。

本申请第二方面，提供了一种微波激发常压等离子体射流的阵列结构，包括至少两个本申请第一方面所提供的微波激发常压等离子体射流的结构。

可选地，至少两个所述微波激发常压等离子体射流的结构分别连接到各自对应的同轴接头。

可选地，至少两个所述微波激发常压等离子体射流的结构共用一个同轴接头。

本申请实施例包括以下优点：

本申请所提供的微波激发常压等离子体射流的结构和阵列结构中不存在电极，从而避免了对产生的常压等离子体引入二次污染的问题，同时本申请所提供的微波激发常压等离子体射流的结构和阵列结构制造成本低，易于加工。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例的描述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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一实施例示出的一种微波激发常压等离子体射流的结构的示意图；

图2是本申请一实施例示出的一种具有多个激发结构的微波激发常压等离子体射流的结构的示意图；

图3是本申请一实施例示出的另一种微波激发常压等离子体射流的结构的示意图;

图4是本申请一实施例示出的一种微波激发常压等离子体射流的阵列结构的示意图；

图5是本申请一实施例示出的另一种微波激发常压等离子体射流的阵列结构的示意图。

附图标记说明：

01-同轴接头；02-馈入传输线结构；03-第一金属层；04-介质基片层；05-第二金属层；06-金属过孔；07-石英管；08-匹配结构；09-第一金属圈；10-第二金属圈。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在对本申请所提供的微波激发常压等离子体射流的结构和阵列结构进行说明之前，下面首先对相关技术领域中的微波激发常压等离子体射流进行简单说明。现有技术中常用的常压等离子体射流通常采用介质阻挡放电（DBD），同轴，微带等结构，然而这些结构一般都有电极，在激发等离子体后，等离子体容易造成电极的腐蚀，影响器件寿命；同时，被腐蚀的电极材料也会存在等离子体中，在降解等应用的同时引入二次污染。采用压缩波导的微波等离子体炬可以在石英管中实现微波无极等离子体的激发，然而，压缩波导制造成本较高，体积大，且激发所需的微波功率大。

因此，本申请为克服相关技术中所存在的问题。提供了一种微波激发常压等离子体射流的结构和阵列结构，该结构和整列结构不存在电极，不会对激发的常压等离子体造成二次污染，同时制造成本低，易于加工。

在本申请中，本申请第一方面提供的微波激发常压等离子体射流的结构，包括：同轴接头，与所述同轴接头连接的激发结构，所述激发结构包括基底和馈入传输线结构，所述基底由上至下包括第一金属层、介质基片层和第二金属层；其中，所述第一金属层通过所述馈入传输线结构连接所述同轴接头内导体，所述第二金属层与同轴接头外导体相连；所述基底的相邻的至少两条边上沿各边的长度方向排布有多个金属过孔，所述多个金属过孔用于将所述第一金属层和所述第二金属层连通，其中，所述基底上所述多个金属过孔围合形成介质基片层区域，所述介质基片层区域中开设有通孔；所述通孔中插入石英管，所述石英管内充斥有待激发的气体，待激发的气体从靠近第一金属层一侧进入石英管，激发后的常压等离子体从靠近第二金属层一侧导出石英管。

在本实施例中，图1是本申请一实施例示出的一种微波激发常压等离子体射流的结构的示意图。参见图1，本申请所提供的微波激发常压等离子体射流的结构的主体为激发结构，其组成包括基底和馈入传输线结构02，基底由第一金属层03、第二金属层05和介质基片层04组成。基底由上至下分别为第一金属、介质基片层04和第二金属层05，第一金属层03覆盖了介质基片层04的部分上表面，第二金属层05覆盖了介质基片层04整个下表面。同轴接头01设置于激发结构的侧端面，同轴接头的内导体通过馈入传输线与基底中的第一金属层03连接，同轴接头的外导体与第二金属层05连接。基底的相邻的至少两条边上沿各边的长度方向排布有等间距的多个金属过孔06，金属过孔06将第一金属层03和第二金属层05连通，使得多个金属过孔06、第一金属层03和第二金属层05在介质基片层04中围合形成一个介质基片层区域，由同轴接口输入的微波信号将在该介质基片层区域中传导，在介质基片层区域中开设有一个通孔，石英管的外径与通孔的直径相同，该通孔贯穿了整个基底。该通孔中插入一个石英管07，用于通入将被激发为常压等离子体的待激发的气体。

同轴接头01用于输入外部的微波信号，该微波信号将通过馈入传输线结构02传递到介质基片层04，微波信号将在由多个金属过孔06、第一金属层03和第二金属层05在介质基片层04中围合形成一个介质基片层区域内进行传导，在介质基片层区域内传导的微波信号将激发石英管07内的待激发的气体为常压等离子体。

优选的，馈入传输线结构02可以为微带线，或者共面波导，表面等离激元等。待激发的气体可以为氩气，氦气，氧气，空气，氮气。

在本申请中，所述基底的三条边上沿各边的长度方向排布有多个金属过孔06，其中，所述通孔位于所述第一金属层03的中心位置。

在本实施例中，参见图1，为本申请所提供的第一种微波激发常压等离子体射流的结构，在基底的三条边上排布多个金属过孔06，而设置的通孔位于第一金属层03的中心位置，或中心位置附近。

在本申请中，所述微波激发常压等离子体射流的结构还包括，匹配结构08；所述第一金属层03和所述馈入传输线结构02分别与所述匹配结构08连接。

在本申请中，所述馈入传输线结构02和所述介质基片层区域组成的微波信号传输线的阻抗，通过所述匹配结构08匹配为预设阻抗值。

在本实施例中，为使由同轴接头01传输至介质基片层区域内的微波信号的损失更小的能量，通过匹配结构08将第一金属层03与馈入传输线结构02相连接。由于，微波信号传输过程中对整个微波信号传输线路的阻抗值具有要求，只有当整个微波信号传输线路的阻抗值处于一个设定值时，例如50Ω时，微波信号在其中传输的反射和损失量最小，传输效率最高，而馈入传输线结构02与介质基片层区域所组成的微波信号传输线路的阻抗值可能并不能达到设定值。因此在第一金属层03和馈入传输线结构02之间加入匹配结构08，用于匹配由所述馈入传输线结构02和所述介质基片层区域组成的微波信号传输线的阻抗，馈入传输线结构和介质基片层区域组成的微波信号传输线的阻抗，通过匹配结构进行匹配后，馈入传输线结构和介质基片层区域组成的微波信号传输线的阻抗值将变为预设阻抗值，当馈入传输线结构和介质基片层区域组成的微波信号传输线的阻抗为预设阻抗值时，由同轴接头01传输到介质基片层区域中的微波信号的传输效率更高。

优选的，所述匹配结构08，可以是锥形微带线结构，也可以是共面波导（CPW）结构，或者其他可以实现对所述馈入传输线结构02和所述介质基片层区域组成的微波信号传输线的阻抗进行匹配的匹配结构08，预设阻抗值优选为50Ω，同时预设阻抗值可以实际使用情况设定为不同的阻抗值。

在本申请中，所述微波激发常压等离子体射流的结构还包括，金属圈；所述金属圈内壁面紧贴所述石英管外壁面；所述金属圈包括：第一金属圈09和第二金属圈10；所述第一金属圈09位于所述第一金属层03一侧，并与所述第一金属层03相连，所述第二金属圈10位于所述第二金属层05一侧，并与所述第二金属层05相连。

在本实施例中，在介质基片层区域内传导的微波信号将激发石英管07内的待激发的气体为常压等离子体，微波信号在传输到石英管位置时，微波信号将会部分从石英管07的位置泄露。为避免微波信号从石英管07的位置处泄露，在石英管07插入通孔后，在石英管的外壁面靠近第一金属层03一侧设置一个第一金属圈09，第一金属圈09的内径与石英管的外径相同，使得第一金属圈09的内壁面紧贴石英管的外壁面，第一金属圈09的下端面与第一金属层03的上表面相接触，第一金属圈09的下端面焊接在第一金属层03的上表面，或者第一金属圈09的下端面通过导电胶粘在第一金属层03的上表面。在石英管的外壁面靠近第二金属层05一侧设置一个第二金属圈10，第二金属圈10的内径与石英管的外径相同，使得第二金属圈10的内壁面紧贴石英管的外壁面，第二金属圈10的上端面与第二金属层05的下表面相接触，第二金属圈10的上端面焊接在第二金属层05的下表面，或者第二金属圈10的上端面通过导电胶粘在第二金属层05的下表面。

优选的，气体从石英管的靠近第一金属层03一侧导入，在介质基片层区域内传导的微波信号将激发石英管07内的待激发的气体为常压等离子体，常压等离子体从靠近第二金属层05一侧导出，在导出常压等离子体一侧，可认为辐射很小，在该侧可不设置金属圈，即第二金属圈10。

在本申请中，所述微波激发常压等离子体射流的结构包括至少两个所述激发结构，其中，至少两个所述激发结构分别连接到所述同轴接头，且至少两个所述激发结构阵列排布，其中，相邻两个激发结构的相邻边共用一排金属过孔。

在本实施例中，图2是本申请一实施例示出的一种具有多个激发结构的微波激发常压等离子体射流的结构的示意图。参见图2，本申请中的至少两个激发结构沿一排阵列排布，至少两个激发结构的各自馈入传输线结构连接到同一个同轴接头上，每相邻的两个激发结构的相邻边共用一排金属过孔。由同轴接头输入的微波信号，通过至少两个激发结构各自的馈入传输线结构，经由各自的匹配结构，传输到各自的介质基片层区域，将各自的石英管内的气体激发为常压等离子体。

在本申请中，所述基底的二条相邻边上沿各边的长度方向排布有多个金属过孔，其中，所述通孔位于第一金属层中与所述二条相邻边的交点呈对角线的端点上。

在本实施例中，图3是本申请一实施例示出的另一种微波激发常压等离子体射流的结构的示意图。参见图3，为本申请所提供的第二种微波激发常压等离子体射流的结构，在基底的相邻两条边上排布多个金属过孔，而通孔设置在与排布了多个金属过孔的两条边交点呈对角线的另一个端点上。为了减小该微波激发常压等离子体射流的结构的体积，未设置匹配结构，通过调整馈入传输线结构与第一金属层的连接位置，实现馈入传输线结构和介质基片层区域组成的微波信号传输线的阻抗。

在本申请中，本申请第二方面提供一种微波激发常压等离子体射流的阵列结构，所述阵列结构包括至少两个本申请第一方面提供的微波激发常压等离子体射流的结构。

在本申请中，至少两个所述微波激发常压等离子体射流的结构分别连接到各自对应的同轴接头。

在本实施例中，图4是本申请一实施例示出的一种微波激发常压等离子体射流的阵列结构的示意图。参见图4，本申请第二方面提供一种微波激发常压等离子体射流的阵列结构，该阵列结构由至少两个本申请所提供的具有多个激发结构的微波激发常压等离子体射流的结构，进行阵列排布得到。具有多个激发结构的微波激发常压等离子体射流的结构的靠近馈入传输线结构侧为该结构的首端，具有多个激发结构的微波激发常压等离子体射流的结构的靠近介质基片层区域为该结构的末端。两个具有多个激发结构的微波激发常压等离子体射流的结构的末端相接进行阵列排布，末段相接的位置具有两排金属过孔，每个具有多个激发结构的微波激发常压等离子体射流的结构连接到各自对应的同轴接头，得到微波激发常压等离子体射流的阵列结构。

优选地，为使所述微波激发常压等离子体射流的阵列结构更易于加工，两个具有多个激发结构的微波激发常压等离子体射流的结构的末端相接进行阵列排布，末段相接的位置可优选只保留一排金属过孔，该一排金属过孔也可实现将微波信号限制在所述两个具有多个激发结构的微波激发常压等离子体射流的结构的各自的介质基片层区域中。

在本申请中，至少两个所述微波激发常压等离子体射流的结构共用一个同轴接头。

在本实施例中，图5是本申请一实施例示出的另一种微波激发常压等离子体射流的阵列结构的示意图。参见图5，本申请第二方面提供一种微波激发常压等离子体射流的阵列结构，该阵列结构由至少两个本申请所提供的具有多个激发结构的微波激发常压等离子体射流的结构，进行阵列排布得到。同时，该阵列结构的中的两个具有多个激发结构的微波激发常压等离子体射流的结构的首端进行阵列排布，两个具有多个激发结构的微波激发常压等离子体射流的结构共用一个同轴接头，同时该同轴接头设置于基底的背面。

本申请所提供的微波激发常压等离子体射流的结构和阵列结构中不存在电极，从而避免了对产生的常压等离子体引入二次污染的问题，同时本申请所提供的微波激发常压等离子体射流的结构和阵列结构制造成本低，易于加工。

本说明书中的各个实施例均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的部分互相参见即可。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种微波激发常压等离子体射流的结构和阵列结构，进行了详细介绍，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 (10)

1.一种微波激发常压等离子体射流的结构，其特征在于，所述结构包括：同轴接头，与所述同轴接头连接的激发结构，所述激发结构包括基底和馈入传输线结构，所述基底由上至下包括第一金属层、介质基片层和第二金属层；其中，所述第一金属层通过所述馈入传输线结构连接所述同轴接头内导体，所述第二金属层与同轴接头外导体相连；

所述基底的相邻的至少两条边上沿各边的长度方向排布有多个金属过孔，所述多个金属过孔用于将所述第一金属层和所述第二金属层连通，其中，所述基底上所述多个金属过孔围合形成介质基片层区域，所述介质基片层区域中开设有通孔；

所述通孔中插入石英管，所述石英管内充斥有待激发的气体；

所述石英管外壁面设置有金属圈，所述金属圈内壁面紧贴所述石英管外壁面。

2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述基底的三条边上沿各边的长度方向排布有多个金属过孔，其中，所述通孔位于所述第一金属层的中心位置。

3.根据权利要求2所述的结构，其特征在于，所述微波激发常压等离子体射流的结构还包括，匹配结构；所述第一金属层和所述馈入传输线结构分别与所述匹配结构连接。

4.根据权利要求3所述的结构，其特征在于，所述馈入传输线结构和所述介质基片层区域组成的微波信号传输线的阻抗，通过所述匹配结构匹配为预设阻抗值。

5.根据权利要求3所述的结构，其特征在于，所述金属圈包括：第一金属圈和第二金属圈；

所述第一金属圈位于所述第一金属层一侧，并与所述第一金属层相连，所述第二金属圈位于所述第二金属层一侧，并与所述第二金属层相连。

6.根据权利要求5所述的结构，其特征在于，包括至少两个激发结构，其中，至少两个所述激发结构分别连接到所述同轴接头，且至少两个所述激发结构阵列排布，其中，相邻两个激发结构的相邻边共用一排金属过孔。

7.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述基底的二条相邻边上沿各边的长度方向排布有多个金属过孔，其中，所述通孔位于第一金属层中与所述二条相邻边的交点呈对角线的端点上。

8.一种微波激发常压等离子体射流的阵列结构，其特征在于，包括至少两个权利要求1-7任一项所述的微波激发常压等离子体射流的结构。

9.根据权利要求8所述的阵列结构，其特征在于，至少两个所述微波激发常压等离子体射流的结构分别连接到各自对应的同轴接头。

10.根据权利要求8所述的阵列结构，其特征在于，至少两个所述微波激发常压等离子体射流的结构共用一个同轴接头。

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