CN113747646B - 一种双螺旋卷曲微腔等离子体器件结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双螺旋卷曲微腔等离子体器件结构及其制备方法，属于气体净化器件结构设计领域，本发明旨在解决现有对向电极结构器件放电面积小、器件功率损耗大的问题。这种结构的器件以螺旋卷曲的铝基与螺旋卷曲的铜片为放电单元，且放电空间为相互平行的双螺旋极片间构成的空间。器件包括螺旋卷曲的铝基、螺旋卷曲的铜片、玻璃管障壁，通过气体放电方式产生微腔等离子体。本发明所述的螺旋卷曲微腔等离子体器件结构可适用环境保护领域的、无污染、效率高、体积小、稳定性好的新型微腔器件，对环境保护等领域的发展具有重要的科学意义。

Description

一种双螺旋卷曲微腔等离子体器件结构及其制备方法

技术领域

本发明属于气体净化器件结构设计领域，涉及一种双螺旋卷曲微腔等离子体器件结构及其制备方法。

背景技术

微腔等离子体具有大电流密度、大功率密度和准中性的偏离，且具有弱电离、边界主导现象和高粒子浓度等特征，可以在不同的大气压强条件下稳定地产生活性粒子及光子。微腔等离子体应用发展很快，已经被广泛应用于等离子体显示器、化学分析装置、医学、材料处理及环境治理等领域。目前存在的微腔等离子体器件结构多种多样，其中最常见结构是金属-介质-金属结构，很多放电特性的研究便是基于此结构进行的，根据不同的器件结构特点，可以将目前所存在的结构类型分为多层电极结构、对向电极结构及共面电极结构，其中对于多层电极结构而言实现大面积气体放电需要较大的放电空间；对于共面电极而言实现大面积气体放电在空间上就需要很大的面积；对于对向电极而言实现大面积气体放电可以通过改变电极结构实现在一定空间内更大面积的放电。

本发明主要是针对对向电极结构而提出的设计，基于常规的微腔器件受限于其自身结构，使得在腔体内放电面积有限，且功率损耗大。而本发明所提出的双螺旋微腔等离子体器件可以使得在有限的腔体内有更大的放电面积，可以更好地应用于处理废气或可挥发性有机物，且所需外加电压较常规器件会大大减小，降低功率损耗，因此该结构对微腔等离子体放电特性的研究及应用有重要的科学意义。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种双螺旋卷曲微腔等离子体器件结构及其制备方法，以解决现有器件放电面积小、器件功率损耗大的问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开的一种双螺旋卷曲微腔等离子体器件结构，其特征在于，包括螺旋卷曲的铝基、螺旋卷曲的铜片以及玻璃管障壁；

螺旋卷曲的铝基和螺旋卷曲的铜片相互嵌套形成微腔腔体，玻璃管障壁包围微腔腔体为气体放电提供空间。

优选地，螺旋卷曲的铝基与螺旋卷曲的铜片同轴螺旋，旋转程度相同，螺旋卷曲的铝基的卷曲程度均匀，卷曲后各螺旋卷曲的铝基面之间的间距均匀且相等；螺旋卷曲的铜片的卷曲程度均匀，卷曲后各螺旋卷曲的铜片表面之间的间距均匀且相等。

优选地，以螺旋卷曲的铝基和螺旋卷曲的铜片为电极用以维持放电。

优选地，螺旋卷曲的铜片、螺旋卷曲的铝基厚度均匀，螺旋卷曲的铜片厚度为150～200μm，螺旋卷曲的铝基厚度为250～400μm；各层螺旋卷曲的铝基与螺旋卷曲的铜片之间的距离为50～100μm。

优选地，螺旋卷曲的铝基的正反两面各有一层氧化铝介质层，氧化铝介质层的厚度为100～150μm，金属铝介于两层氧化铝介质层中间。

优选地，螺旋卷曲的铝基与螺旋卷曲的铜片为对向电极，且两个电极同轴；螺旋卷曲的铜片和螺旋卷曲的铝基作为电极对其所接电位无要求。

优选地，所述螺旋卷曲的铜片所成电极可采用金属导电材料替换，厚度为150～200μm。

本发明还公开了一种双螺旋卷曲微腔等离子体器件结构的制备方法，步骤如下：

步骤一：清洗铝片和铜片；

步骤二：对铝片和铜片进行裁剪，制备出目标双螺旋状结构；

步骤三：对螺旋后的铝片进行阳极电化学氧化反应，使其表面生成一定厚度的氧化铝介质层；

步骤四：将螺旋卷曲的铝基与螺旋卷曲的铜片嵌套，形成微腔腔体；

步骤五：将玻璃管障壁套于微腔腔体外，将两个电极包含在内，玻璃管障壁提供放电空间，并为放电气压可控提供条件。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提出的双螺旋卷曲微腔等离子体器件结构，螺旋卷曲的铝基和螺旋卷曲的铜片相互嵌套形成微腔腔体，玻璃管障壁包围微腔腔体为气体放电提供空间，此结构使整个微腔腔体由电极构成，大大增加了放电面积及放电效率，使得在有限的空间内实现更大强度地放电。这种结构的微腔器件较传统的微腔器件能够有效的提高放电效率，在相同的放电空间内能够实现更大的放电面积，而且能够克服常规微腔器件尺寸限制，将玻璃管障壁制备更长，在生成臭氧、净化废气等领域有着良好的应用前景。

进一步地，以螺旋卷曲的铝基和螺旋卷曲的铜片为电极，这种结构使本发明较传统的微腔器件能够有效的提高放电效率，低电压工作条件下实现高效率均匀放电，在相同的放电空间内能够实现更大的放电面积，而且能够克服常规微腔器件尺寸限制。

进一步地，螺旋卷曲的铜片、螺旋卷曲的铝基厚度均匀，螺旋卷曲的铜片厚度为150～200μm，螺旋卷曲的铝基厚度为250～400μm；有利于保证所需螺旋度且不影响导电性；各层螺旋卷曲的铝基与螺旋卷曲的铜片之间的距离为50～100μm，符合微腔器件特征尺寸。

进一步地，螺旋卷曲的铝基的正反两面各有一层氧化铝介质层，用作介质阻挡层，其中氧化铝介质层的厚度为100～150μm，金属铝介于两层氧化铝介质层中间，有利于保护金属铝不被氧化，延长器件寿命，且不影响其导电性能。

进一步地，螺旋卷曲的铝基与螺旋卷曲的铜片为对向电极，且两个电极同轴；螺旋卷曲的铜片和螺旋卷曲的铝基作为电极对其所接电位无要求，使用方便。

进一步地，所述电极可采用金属导电材料替换，可在不同需求下进行相应替换，操作简单，灵活性能高，适用于工业批量生产。

进一步地，本发明所提供双螺旋卷曲对向微腔等离子体器件结构的制备方法，首先清洗铝基片和铜片，根据所需对其进行裁剪，并制备出目标双螺旋结构；接着对螺旋后的铝基进行阳极电化学氧化反应，使其表面产生一定厚度的氧化铝介质层，而后将螺旋卷曲的铜片与螺旋卷曲的铝基嵌套，形成微腔腔体，玻璃管障壁将电极包含在内提供放电空间。此方法可通过调节螺旋卷曲的铝基、螺旋卷曲的铜片的大小、螺旋度，间距、厚度来得到所需参数的器件，从而适应不同的使用需求。

附图说明

图1为本发明公开的双螺旋卷曲微腔等离子体器件结构的三维示意图；

图2为本发明公开的双螺旋卷曲微腔等离子器件结构的正视截面图，包括铝基侧截面放大图；

图3为本发明公开的双螺旋卷曲微腔等离子器件结构的左视截面图；

图4为图2中A处的局部放大图。

其中：101-螺旋卷曲的铜片；201-螺旋卷曲的铜片；301-螺旋卷曲的铜片；102-螺旋卷曲的铝基；202-螺旋卷曲的铝基；103-玻璃管障壁；203-玻璃管障壁；302-玻璃管障壁；204-氧化铝介质层；205-金属铝。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

图1所示为双螺旋卷曲微腔等离子体器件结构的三维示意图，图中螺旋卷曲的铜片101和螺旋卷曲的铝基102相互嵌套构成一个微腔腔体，玻璃管障壁103提供放电空间并控制气体流向，实现微腔介质阻挡放电。玻璃管障壁103包围整个微腔腔体，并且玻璃管障壁103为放电气压的可控提供条件。其中螺旋卷曲的铝基102和螺旋卷曲的铜片101主要起两个作用：一是螺旋卷曲的铝基102与螺旋卷曲的铜片101在空间形成一个螺旋空间，作为器件的微腔腔体，二是作为电极，螺旋卷曲的铝基102与螺旋卷曲的铜片101维持微腔腔体内气体放电。螺旋卷曲的铝基102与螺旋卷曲的铜片101的卷曲程度及卷曲后各基面之间的间距均匀，各层铝基102与铜101电极间的间距均匀且相等，距离为50～100μm。

进一步地，玻璃管障壁103一端为进气口，另一端为出气口，出气口端配有抽气装置，使得气体均匀通过器件结构，提高气体放电效率。

图2所示为双螺旋卷曲微腔等离子体器件结构的正视截面图,从图中可知从外到内依次为玻璃管障壁203、螺旋卷曲的铜片201、螺旋卷曲的铝基202。螺旋卷曲的铝基202与螺旋卷曲的铜片201是嵌套结构，各层螺旋卷曲的铝基202与螺旋卷曲的铜片201之间的距离为50～100μm。本结构中对电极极性没有特殊要求。

图3所示为双螺旋卷曲微腔等离子器件结构的左视截面图，整个器件的微腔腔体是由螺旋卷曲的铝基102和螺旋卷曲的铜片301相互嵌套形成，玻璃管障壁302包围微腔腔体为气体放电提供空间，且螺旋卷曲的铝基与螺旋卷曲的铜片301为对向电极。

图4所示为图2内A处的局部放大图，螺旋卷曲的铝基的表面为氧化铝介质层204，金属铝205包围在氧化铝介质层204内，氧化铝介质层204的目的是用来保护金属铝205，防止氧化。

本发明提出的双螺旋卷曲微腔等离子体器件结构，以厚度为250～400μm的螺旋卷曲的铝基102和厚度为150～200μm的螺旋卷曲的铜片101为电极，通过螺旋卷曲的铝基102与螺旋卷曲的铜片101嵌套形成的螺旋空间为微腔腔体，增大有效放电面积。使用玻璃管障壁103包围微腔腔体为气体放电提供空间，，将玻璃管障壁103制备更长，在生成臭氧、净化废气等领域有着良好的应用前景。螺旋卷曲的铝基102两面为氧化铝介质层204，用以保护金属铝205以防止被氧化。在两电极上加上驱动电压可实现微腔等离子体放电。该结构较传统微腔器件而言，可以做到在相同的微腔腔体内，使得有效放电面积更大，且所需电压更小损耗更低。本发明所述的双螺旋卷曲微腔等离子体器件结构可适用环境保护领域的、无污染、效率高、体积小、稳定性好的新型微腔器件，对环境保护等领域的发展具有重要的科学意义。

本发明所提供的一种双螺旋卷曲微腔等离子体器件结构的制备方法，步骤如下：

步骤一：清洗铝片和铜片；

步骤二：对铝片和铜片进行裁剪，制备出目标双螺旋状结构；

步骤三：对螺旋后的铝片进行阳极电化学氧化反应，使其表面生成一定厚度的氧化铝介质层204；

步骤四：将螺旋卷曲的铝基102与螺旋卷曲的铜片101嵌套，形成微腔腔体；

步骤五：将玻璃管障壁103套于微腔腔体外，将两个电极包含在内，玻璃管障壁103提供放电空间，并为放电气压可控提供条件。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种双螺旋卷曲微腔等离子体器件结构，其特征在于，包括螺旋卷曲的铝基（102）、螺旋卷曲的铜片（101）以及玻璃管障壁（103）；

螺旋卷曲的铝基（102）和螺旋卷曲的铜片（101）相互嵌套形成微腔腔体，玻璃管障壁（103）包围微腔腔体为气体放电提供空间；

螺旋卷曲的铝基（102）与螺旋卷曲的铜片（101）同轴螺旋，旋转程度相同，螺旋卷曲的铝基（102）的卷曲程度均匀，卷曲后各螺旋卷曲的铝基（102）面之间的间距均匀且相等；螺旋卷曲的铜片（101）的卷曲程度均匀，卷曲后各螺旋卷曲的铜片（101）表面之间的间距均匀且相等；

螺旋卷曲的铜片（101）、螺旋卷曲的铝基（102）厚度均匀，螺旋卷曲的铜片（101）厚度为150~200 μm，螺旋卷曲的铝基（102）厚度为250~400 μm；各层螺旋卷曲的铝基（102）与螺旋卷曲的铜片（101）之间的距离为50~100 μm；

以螺旋卷曲的铝基（102）和螺旋卷曲的铜片（101）为电极用以维持放电。

2.根据权利要求1所述的一种双螺旋卷曲微腔等离子体器件结构，其特征在于，螺旋卷曲的铝基（102）的正反两面各有一层氧化铝介质层（204），氧化铝介质层（204）的厚度为100~150 μm，金属铝（205）介于两层氧化铝介质层（204）中间。

3.根据权利要求1所述的一种双螺旋卷曲微腔等离子体器件结构，其特征在于，螺旋卷曲的铝基（102）与螺旋卷曲的铜片（101）为对向电极，且两个电极同轴；螺旋卷曲的铜片（101）和螺旋卷曲的铝基（102）作为电极对其所接电位无要求。

4.根据权利要求1所述的一种双螺旋卷曲微腔等离子体器件结构，其特征在于，所述螺旋卷曲的铜片（101）所成电极采用金属导电材料替换，厚度为150~200 μm。

5.权利要求2所述的一种双螺旋卷曲微腔等离子体器件结构的制备方法，步骤如下：

步骤一：清洗铝片和铜片；

步骤二：对铝片和铜片进行裁剪，制备出目标双螺旋状结构；

步骤三：对螺旋后的铝片进行阳极电化学氧化反应，使其表面生成一定厚度的氧化铝介质层（204）；

步骤四：将螺旋卷曲的铝基（102）与螺旋卷曲的铜片（101）嵌套，形成微腔腔体；

步骤五：将玻璃管障壁（103）套于微腔腔体外，将两个电极包含在内，玻璃管障壁（103）提供放电空间，并为放电气压可控提供条件。

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