CN113597078B - 多通道电容耦合式等离子体射流装置及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多通道电容耦合式等离子体射流装置及工作方法，包括：气体导流和混合结构、等离子体发生器、射频电路以及进气管道；所述气体导流和混合结构通过所述进气管道连通所述等离子体发生器；所述射频电路电连接所述等离子体发生器；所述等离子体发生器内安装阳极板、阴极板以及绝缘介质板；所述阳极板和所述阴极板之间安装所述绝缘介质板，所述绝缘介质板设置有多个反应通道。本装置各射流单元的流量可分别独立控制，使得线状射流的去除函数可以精确计算和调控，因而可以实现复杂表面的精细、高效修形。

Description

多通道电容耦合式等离子体射流装置及工作方法

技术领域

本发明涉及大气等离子体发生装置设计和工作方法，具体地，涉及多通道电容耦合式等离子体射流装置及工作方法。

背景技术

大气等离子体加工技术，是一种在20世纪90年代提出并逐渐发展起来的新型加工方法，是一种化学刻蚀的材料去除方式。加工时，在大气环境中，某些惰性气体电离形成等离子体态，使得含氟反应气体在该条件下被激发形成活性反应原子，并与待加工材料发生化学反应，生成气体产物而实现材料去除。大气等离子体加工具备其他加工方法所不能同时具备的优势，如材料去除率高、非接触式的加工不会产生亚表面损伤、去除量可通过理论计算和分析解算等，因而有望被应用于硬脆性材料自由曲面零件及其表面微结构的加工。

按照加工装置分类，大气等离子体加工主要可分为微波等离子体加工(MWP,Micro Wave Plasma)、电容耦合等离子体加工(CCP,Capacity Coupled Plasma) 和电感耦合等离子体加工(ICP,Inductively Coupled Plasma)三种。前两种工艺激发出的等离子体温度均可达300-600℃，而CCP激发的等离子体温度较低，从几十度到几百度不等。因此，它对待加工表面的热影响较小，且修形和抛光等更加精细。

然而，单个等离子体射流的加工效率较低，尤其在面对复杂自由曲面等结构时，加工速度较慢，无法满足工业生产中对快速高效加工或抛光大面积复杂结构件的需求；相比而言，将多个等离子体射流组合成射流阵列，可以增大处理面积，有望大大提升加工效率。具体到本专利，即希望解决等离子体射流组合成射流阵列且稳定有效的问题。

专利文献CN110213872A公开了一种等离子体射流辅助装置，包括：检测控制模块、间隔调整器和接地引流片；检测控制模块与等离子体射流装置中的高压电源输出端连接；间隔调整器顶面开口，位于等离子体射流喷口处，底面分布有通孔和凹槽，等离子体射流装置产生的等离子体射流通过底面通孔流出；接地引流片嵌入所述间隔调整器的底面凹槽中，并与公共地极连接；检测控制模块，用于实时监测等离子体射流装置的电压电流状态，并在发生故障时断开等离子体射流装置的高压电源；间隔调整器，用于控制等离子体射流的长度并固定接地引流片；接地引流片，用于引导放电等离子体电流。

专利文献CN106572585B公开了：一种等离子体发生器，包括基体组件和喷头组件；基体组件包括第一壳体和第一供电电路，其中，第一壳体的内部设置有能够供气的通气腔体，第一供电电路能够与电源电连接；喷头组件能够与基体组件可拆卸连接，喷头组件包括第二壳体和电离装置，第二壳体的内部设置有电离腔体，电离装置将电离腔体内部的气体电离成等离子体流；当基体组件与喷头组件连接时，第一壳体与第二壳体连接，第一供电电路与电离装置电连接，通气腔体与电离腔体导通。但是该专利文献的不足之处是：该装置只能调控射流的面积，所以没有能够解决多通道射流的技术问题。

专利文献CN104936370B公开了：一种大气压低温等离子体射流阵列可调装置，其中：单个等离子体发生器与螺柱套管通过胶结固定；螺柱套管与箱体之间螺纹连接，且螺纹连接处用密封硅脂进行润滑和密封；箱体上端通入工作气体，并通过过滤丝网均匀流入等离子体发生器中；旋拧螺柱套管可以调整螺柱套管相对箱体位置进行上下调节，进而可以带动等离子体发生器进行上下调节；通过旋拧圈数和螺距可以计算出调节距离；通过对单个等离子体发生器的上下位置调节可以实现等离子体射流阵列的多种组合调节，且适用于现有的线性阵列和环形阵列的不同阵列形式。但是该专利文献的不足之处是：该专利侧重于调整阵列，存在多组阳极和阴极互相干扰的问题，不能稳定有效的实现等离子体射流组合成射流阵列。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种多通道电容耦合式等离子体射流装置及工作方法。

根据本发明提供的一种多通道电容耦合式等离子体射流装置，包括：气体导流和混合结构、等离子体发生器、射频电路以及进气管道；

所述气体导流和混合结构通过所述进气管道连通所述等离子体发生器；

所述射频电路电连接所述等离子体发生器；

所述等离子体发生器内安装阳极板、阴极板以及绝缘介质板；

所述阳极板和所述阴极板之间安装所述绝缘介质板，所述绝缘介质板设置有多个反应通道。

优选地，所述阳极板、所述阴极板以及所述绝缘介质板设置为板状且互相平行；

多个所述反应通道沿所述绝缘介质板内部呈线状阵列排布，所述反应通道贯通通所述绝缘介质板两端。

优选地，所述阳极板、所述阴极板以及所述绝缘介质板套装在定位套内；

所述定位套设置为方形，所述定位套两端设置通孔并连通所述反应通道。

优选地，所述等离子体发生器还包括：气体流量控制阀、导流结构以及固定结构；

所述定位套一端通过所述通孔连通所述导流结构一端，所述导流结构另一端连通所述气体流量控制阀一端；

所述气体流量控制阀设置有多个，每个所述气体流量控制阀对应连接一个所述反应通道；

所述气体流量控制阀、所述导流结构以及所述定位套外侧套装所述固定结构并通过所述固定结构固定。

优选地，所述气体导流和混合结构包括：气源和气体混流和整流装置；

所述气源设置有多个；

多个所述气源一端连接所述气体混流和整流装置一端并通过所述气体混流和整流装置进行混合和整流。

优选地，所述气体混流和整流装置另一端通过所述进气管道连通所述气体流量控制阀另一端。

优选地，所述射频电路包括：射频电源、阻抗匹配装置以及射频电源线接口；

所述射频电源电连接所述阻抗匹配装置，所述阻抗匹配装置电连接所述射频电源线接口；

所述射频电源线接口电连接所述阳极板和所述阴极板。

优选地，所述等离子体发生器下方安置工作台，所述工作台上放置待加工工件；

所述反应通道未安装所述气体流量控制阀一端朝向所述待加工工件。

优选地，多个所述气体流量控制阀电连接控制系统。

优选地，一种所述多通道电容耦合式等离子体射流装置的工作方法，包括以下步骤：

步骤S1，根据目标去除面型，计算各个时刻对应每个所述反应通道的所需材料去除量，并据此计算各个所述反应通道的反应气体流量；

步骤S2，根据所述反应气体流量计算结果，通过所述控制系统调节每个所述气体流量控制阀；

步骤S3，打开所述气源及所述射频电源，使得等离子体得以激发并通过所述反应通道产生射流；

步骤S4，通过协同控制各所述气体流量控制阀以实现目标直线上任意去除量分布形式的连续线状射流；

步骤S5，结合所述工作台的运动轨迹规划，实现修形与抛光加工。

优选地，所述阳极板和所述阴极板的材料包括不锈钢和铝合金。

优选地，所述绝缘介质板的材料包括陶瓷和石英玻璃。

优选地，所述定位套材料包括陶瓷和耐高温塑料peek材料。

优选地，所述反应通道横截面为1mm×1mm的正方形，所述反应通道长度为30mm。

优选地，每个所述气体流量控制阀可以单独控制。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本装置各射流单元的流量可分别独立控制，使得线状射流的去除函数可以精确计算和调控，因而可以实现复杂表面的精细、高效修形。

2、本装置采用平板状电极，结构合理，能够直接产生等离子体连续线状射流。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为多通道电容耦合式等离子体射流装置连接结构示意图；

图2为等离子体发生器立体结构示意图；

图3为等离子体发生器横截面示意图；

图4为等离子体发生器剖视图；

图中所示：

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

如图1和图3所示，一种多通道电容耦合式等离子体射流装置，包括：气体导流和混合结构1、等离子体发生器2、射频电路3以及进气管道4；气体导流和混合结构1 通过进气管道4连通等离子体发生器2，射频电路3电连接等离子体发生器2，等离子体发生器2内安装阳极板22、阴极板23以及绝缘介质板26，阳极板22和阴极板23之间安装绝缘介质板26，绝缘介质板26设置有多个反应通道27。气体导流和混合结构1 包括：气源11和气体混流和整流装置12，气源11设置有多个，多个气源11一端连接气体混流和整流装置12一端并通过气体混流和整流装置12进行混合和整流。射频电路 3包括：射频电源31、阻抗匹配装置32以及射频电源线接口33，射频电源31电连接阻抗匹配装置32，阻抗匹配装置32电连接射频电源线接口33，射频电源线接口33电连接阳极板22和阴极板23。多个气体流量控制阀21电连接控制系统7。阳极板22、阴极板23以及绝缘介质板26设置为板状且互相平行，多个反应通道27沿绝缘介质板26内部呈线状阵列排布，反应通道27贯通绝缘介质板26两端。

如图2和图4所示，阳极板22、阴极板23以及绝缘介质板26套装在定位套24内，定位套24设置为方形，定位套24两端设置通孔并连通反应通道27。等离子体发生器2 还包括：气体流量控制阀21、导流结构25以及固定结构28，定位套24一端通过通孔连通导流结构25一端，导流结构25另一端连通气体流量控制阀21一端，气体流量控制阀21设置有多个，每个气体流量控制阀21对应连接一个反应通道27，气体流量控制阀21、导流结构25以及定位套24外侧套装固定结构28并通过固定结构28固定。气体混流和整流装置12另一端通过进气管道4连通气体流量控制阀21另一端。等离子体发生器2下方安置工作台6，工作台6上放置待加工工件5，反应通道27未安装气体流量控制阀21一端朝向待加工工件5。

本发明还提供一种多通道电容耦合式等离子体射流装置的工作方法，包括以下步骤：步骤S1，根据目标去除面型，计算各个时刻对应每个反应通道27的所需材料去除量，并据此计算各个反应通道27的反应气体流量；步骤S2，根据反应气体流量计算结果，通过控制系统7调节每个气体流量控制阀21；步骤S3，打开气源11及射频电源31，使得等离子体得以激发并通过反应通道27 产生射流；步骤S4，通过协同控制各气体流量控制阀21以实现目标直线上任意去除量分布形式的连续线状射流；步骤S5，结合工作台6的运动轨迹规划，实现修形与抛光加工。

实施例2

实施例2作为实施例1的优选例。

如图1所示，本发明提供一种多通道电容耦合式等离子体射流装置，包括：气体导流和混合结构1、气体流量控制阀21、等离子体发生器2以及射频电源线接口33等功能组件。其中，气体导流和混合结构1用于含氟反应气体和惰性气体的引入、均匀混合和气流整流；气体流量控制阀21，用于实时控制气体流入等离子体发生器2以及发生器中每个反应通道27的流量；等离子体发生器2采用高频电磁场在大气压下激发惰性气体为等离子态，进而使得反应气体在等离子体活性氛围中被激发产生活性粒子；射频电源线接口33用于外接能产生高频电磁场的射频电路3并构成回路。

气体导流和混合结构1内设置气源11、气体导流管道和气体混流和整流装置12。其作用在于，从气源11处导入惰性气体氦气、反应气体四氟化碳以及辅助气体氧气，并将其通过气体混流和整流装置12充分混合、整流，以便在等离子体发生器2中发生预期的反应。

如图2至图4所示，等离子体发生器2主要由阳极板22、阴极板23和绝缘介质板26组成，并外部设有定位套24。其中，阳极板22和阴极板23的材料为不锈钢或铝合金，两者相互平行，并分别与射频电源线接口33的正极和负极相连。绝缘介质板26的材料为陶瓷或石英玻璃，安装于阳极板22和阴极板23之间，使之形成一个电容，并由此构成电容耦合大气等离子体发生器。阳极板22、阴极板23和绝缘介质板26均被包裹于由陶瓷或耐高温塑料peek材料制造的定位套24之中。绝缘介质板26划分了若干线状排布的反应通道27，可独立产生等离子体以及反应活性粒子。各反应通道27横截面为尺寸为1mm*1mm正方形，反应通道27长度为30mm，用以保证加工中较高的分辨率。

各个反应通道27的气体流量可以单独控制。在各个反应通道27的气体入口处，分别连接了气体流量控制阀21。气体流经气体流量控制阀21后，通过与反应通道27之间的导流结构25进入各个反应通道27参与反应。根据加工的需要，可以通过控制各个气体流量控制阀21来改变各个反应通道27的流量，进而改变各个反应通道27的射流活性粒子通量。

射频电源线接口33外接的射频电路3包括射频电源31和阻抗匹配装置32，为等离子体发生器2提供输入电路等效为纯电阻电路的能量输入。其中，射频电源31用于提供能量，使得阳极板22和阴极板23之间形成足够高的电场环境；阻抗匹配装置32可使得电路中的反射功率得以降低为接近于零的水平，进而确保射频电源31的能量顺利且高效地传递到负载端。

在本实施例中，可选取氦气作为惰性气体，用于在等离子体发生器2中激发为等离子态，提供反应所需氛围；选取四氟化碳为反应气体，在等离子体发生器2中解离出活性氟原子，作为反应活性粒子直接参与材料的去除反应；并选取氧气作为辅助气体，提高反应效率。

在完成系统的搭建和调试工作后，在开始加工或做标定等实验时，可根据目标去除量，计算各个时刻在每个反应通道27的去除函数模型，并据此计算各个反应通道27的反应气体流量；完成理论计算后，将各个气体流量控制阀21单独与控制系统7相连使得控制系统7可根据计算结果自动控制各气体流量控制阀21在加工中各时刻的状态；然后，打开气源11和射频电源31，使得等离子体得以激发并在各个反应通道27出口处产生射流；接着，考虑相邻反应通道27射流的交叠效应，模拟线状射流源的活性粒子通量分布，通过协同控制各气体流量控制阀21以实现目标直线上任意去除量分布形式的连续线状射流；最后，结合工作台6的运动轨迹规划，可以实现面向大面积光学元件的高精高效大气等离子体修形与抛光加工。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (1)

1.一种多通道电容耦合式等离子体射流装置的工作方法，其特征在于，所述装置包括：气体导流和混合结构(1)、等离子体发生器(2)、射频电路(3)以及进气管道(4)；

所述气体导流和混合结构(1)通过所述进气管道(4)连通所述等离子体发生器(2)；

所述射频电路(3)电连接所述等离子体发生器(2)；

所述等离子体发生器(2)内安装阳极板(22)、阴极板(23)以及绝缘介质板(26)；

所述阳极板(22)和所述阴极板(23)之间安装所述绝缘介质板(26)，所述绝缘介质板(26)设置有多个反应通道(27)；

所述阳极板(22)、所述阴极板(23)以及所述绝缘介质板(26)设置为板状且互相平行；

多个所述反应通道(27)沿所述绝缘介质板(26)内部呈线状阵列排布，所述反应通道(27)贯通所述绝缘介质板(26)两端；

所述阳极板(22)、所述阴极板(23)以及所述绝缘介质板(26)套装在定位套(24)内；

所述定位套(24)设置为方形，所述定位套(24)两端设置通孔并连通所述反应通道(27)；

所述等离子体发生器(2)还包括：气体流量控制阀(21)、导流结构(25)以及固定结构(28)；

所述定位套(24)一端通过所述通孔连通所述导流结构(25)一端，所述导流结构(25)另一端连通所述气体流量控制阀(21)一端；

所述气体流量控制阀(21)设置有多个，每个所述气体流量控制阀(21)对应连接一个所述反应通道(27)；

所述气体流量控制阀(21)、所述导流结构(25)以及所述定位套(24)外侧套装所述固定结构(28)并通过所述固定结构(28)固定；

所述气体导流和混合结构(1)包括：气源(11)和气体混流和整流装置(12)；

所述气源(11)设置有多个；

多个所述气源(11)一端连接所述气体混流和整流装置(12)一端并通过所述气体混流和整流装置(12)进行混合和整流；

所述气体混流和整流装置(12)另一端通过所述进气管道(4)连通所述气体流量控制阀(21)另一端；

所述射频电路(3)包括：射频电源(31)、阻抗匹配装置(32)以及射频电源线接口(33)；

所述射频电源(31)电连接所述阻抗匹配装置(32)，所述阻抗匹配装置(32)电连接所述射频电源线接口(33)；

所述射频电源线接口(33)电连接所述阳极板(22)和所述阴极板(23)；

所述等离子体发生器(2)下方安置工作台(6)，所述工作台(6)上放置待加工工件(5)；

所述反应通道(27)未安装所述气体流量控制阀(21)一端朝向所述待加工工件(5)；

多个所述气体流量控制阀(21)电连接控制系统(7)；

包括以下步骤：

步骤S1，根据目标去除面型，计算各个时刻对应每个所述反应通道(27)的所需材料去除量，并据此计算各个所述反应通道(27)的反应气体流量；

步骤S2，根据所述反应气体流量计算结果，通过所述控制系统(7)调节每个所述气体流量控制阀(21)；

步骤S3，打开所述气源(11)及所述射频电源(31)，使得等离子体得以激发并通过所述反应通道(27)产生射流；

步骤S4，通过协同控制各所述气体流量控制阀(21)以实现目标直线上任意去除量分布形式的连续线状射流；

步骤S5，结合所述工作台(6)的运动轨迹规划，实现修形与抛光加工。

Images