CN118077315A - 等离子体生成喷嘴和包括该喷嘴的等离子体装置 - Google Patents

Abstract

提供了一种等离子体生成喷嘴和包括该等离子体生成喷嘴的等离子体装置。等离子体生成喷嘴包括等离子体生成通道、至少部分地围绕等离子体生成通道的冷却通道、以及部分地设置在等离子体生成通道中用于生成等离子体的一对电极。等离子体装置包括包围等离子体处理空间和元件空间的壳体，以及可移除地设置在等离子体处理空间中的等离子体生成喷嘴。

Description

等离子体生成喷嘴和包括该喷嘴的等离子体装置

技术领域

本发明总体上涉及一种用于对材料样品进行等离子体处理的装置。更具体地，本发明涉及等离子体生成喷嘴和包括等离子体生成喷嘴的等离子体装置。

背景技术

本节中的陈述仅提供与本发明相关的背景信息，并且可能不构成现有技术。

低温等离子体技术已被用于启动、促进、控制和催化生物系统中的各种复杂行为和反应。更重要的是，可以调节低温等离子体以实现期望的医疗效果，特别是在医疗灭菌、牙齿修复、伤口愈合和皮肤疾病的治疗中。然而，目前的等离子体发生器通常体积过大、不灵活，并且需要相对高的电压来激发等离子体，并且所生成的等离子体焰或射流太大且尺寸不稳定。当间接地将等离子体焰输送到期望的但难以到达的治疗部位时，这些缺点造成困难。

此外，在等离子体发生器的工作期间，包括在发生器中的电气部件的温度可能由于激发和维持等离子体所需的高电压而升高。为了使等离子体发生器中的电气元件正常工作，通常需要供应冷却气体或液体，或者安装额外的风扇。

此外，在等离子体发生器工作期间，由等离子体生成的臭氧可能逸出等离子体生成室的外部，污染等离子体发生器的周围环境。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种用于将低温等离子体定向输送到预期表面的新的和改进的装置。本发明的目的之二在于提供一种新的和改进的装置，其具有受控的气流以冷却装置内部的元件并在等离子体生成期间减少臭氧和其他气体副产物。

根据本发明的一个方面，提供了一种等离子体生成喷嘴。等离子体生成喷嘴包括等离子体生成通道、至少部分地围绕等离子体生成通道的冷却通道、以及部分地设置在等离子体生成通道中用于生成等离子体的一对电极。

根据本发明的一个方面，提供了一种等离子体装置。所述等离子体装置包括壳体以及等离子体生成喷嘴，所述壳体包围等离子体处理空间和元件空间，所述等离子体生成喷嘴可移除地设置在所述等离子体处理空间中。等离子体处理空间在等离子体装置的工作期间具有负压。

附图说明

图1A示意性地示出了与本发明的实施例一致的等离子体生成喷嘴的透视图。

图1B示意性地示出了图1A的等离子体生成喷嘴的前视图。

图1C示意性地示出了图1A的等离子体生成喷嘴的侧视图。

图1D示意性地示出了图1A的等离子体生成喷嘴的俯视图。

图1E示意性地示出了图1A的等离子体生成喷嘴的仰视图。

图1F示意性地示出了图1D的等离子体生成喷嘴沿着图1D中的线A-A'的截面图。

图1G示意性地示出了图1F的等离子体生成喷嘴沿着图1F中的线B-B'的截面图。

图2示意性地示出了与本发明的实施例一致的安装到电极保持器的一对电极的放大侧视图。

图3A示意性地示出了与本发明的另一实施例一致的安装到电极保持器的一对电极的放大侧视图。

图3B示意性地示出了图3A的电极的末端的进一步放大的侧视图。

图4A示意性地示出了与本发明的实施例一致的具有前盖的等离子体装置的透视前视图。

图4B示意性地示出了图4A的等离子体装置的透视前视图，其中前盖被移除。

图4C示意性地示出了图4A的等离子体装置的透视后视图，其中具有后面板。

图4D示意性地示出了图4A的等离子体装置的透视后视图，其中后面板的一部分被移除。

图4E示意性地示出了图4B的等离子体装置沿图4B中的线C-C'的截面图。

图5示意性地示出了与本发明的实施例一致的等离子体装置400的电气系统。

图6示意性地示出了与本发明的实施例一致的具有气流的等离子体装置的截面图。

图7示意性地示出了与本发明的另一实施例一致的等离子体装置的截面图。

图8A示出了三个不同的等离子体生成喷嘴的俯视图。

图8B是示出在等离子体生成过程之后没有冷却通道的等离子体生成喷嘴的仰视图的照片。

图8C是示出排气扇的不同占空比和冷却通道的不同入口开口下的由样品生成的等离子体温度的柱状图。

具体实施方式

以下文本结合附图中所示的具体实施例提供了本发明的详细描述。然而，这些实施例不限制本发明。本发明的保护范围涵盖本领域一般技术人员基于这些实施例对结构、方法或功能进行的改变。

为了便于在本发明中呈现附图，某些结构或部分的尺寸可以相对于其他结构或部分放大。因此，本申请中的附图仅用于说明本申请的主题的基本结构的目的。除非另有表示，否则不同附图中的相同数字表示相同或相似的元件。

另外，文本中指示相对空间位置的术语，诸如“前”、“后”、“上部”、“上方”、“下部”、“下方”等，在描述附图中描绘的单元或特征与其中的另一单元或特征之间的关系时用于解释目的。指示相对空间位置的术语可以指代当使用或操作装置时除了附图中描绘的位置之外的位置。例如，如果图中所示的装置被翻转，则被描述为位于另一单元或特征“下方”或“下方”的单元将位于另一单元或特征“上方”。因此，说明性术语“下方”可以包括上方和下方的位置。装置可以以其他方式放置(旋转90度或面向另一方向)，并且应当相应地解释出现在文本中并且与空间相关的描述性术语。当部件或层被称为在另一构件或层“上方”或“连接到”另一构件或层时，它可以直接在另一构件或层上方或直接连接到另一构件或层，或者可以存在中间部件或层。

本发明解决了与常规低温等离子体装置相关联的一个或多个缺点。在一个方面，本发明提供了一种用于对材料样品进行等离子体处理的等离子体装置。等离子体装置可以包括壳体，壳体包围等离子体处理空间和元件空间，用于激发和维持等离子体射流的等离子体生成喷嘴可移除地设置在等离子体处理空间中，多个电气元件设置在元件空间中。等离子体生成喷嘴可以连接到进气扇以接收用于等离子体生成和用于冷却用于生成等离子体的电极的工作气体。由在等离子体生成空间中生成的等离子体产生的排气(exhaustgas)可以由排气扇强制从等离子体生成空间抽到元件空间，并且可以在被排放到等离子体装置外部之前穿过元件空间中的多个电气元件。因此，电气元件可以通过等离子体的生成引起的排气进行冷却，因此不需要额外的冷却流体或冷却风扇。

图1A至图1G示意性地示出了与本发明的实施例一致的等离子体生成喷嘴100。特别地，图1A示意性地示出了等离子体生成喷嘴100的透视图；

图1B示意性地示出了等离子体生成喷嘴100的前视图；图1C示意性地示出了等离子体生成喷嘴100的侧视图；图1D示意性地示出了等离子体生成喷嘴100的俯视图；图1E示意性地示出了等离子体生成喷嘴100的仰视图；

图1F示意性地示出了等离子体生成喷嘴100的沿图1D中的线A-A'的截面图；图1G示意性地示出了等离子体生成喷嘴100的沿着图1F中的线B-B'的截面图。为了便于参考，省略了图1G中的喷嘴壳体101和电缆180。图1A至图1G中所示的等离子体生成喷嘴100的配置是本实施例的示例。在一些替代实施例中，部件的数量、形状、尺寸和布置可以变化。

如图1A至图1G所示，等离子体生成喷嘴100包括等离子体生成通道110、至少部分地围绕等离子体生成通道110的冷却通道120、以及部分地设置在等离子体生成通道110中用于生成等离子体的一对电极130。具体地，等离子体生成喷嘴100包括包围等离子体生成通道110的喷嘴壳体101、邻近等离子体生成通道110设置的冷却通道120、以及设置在喷嘴壳体101的下部的一对电极130和电极保持器140。喷嘴壳体101可以由例如塑料制成。在根据图1A至图1G所示的实施例的等离子体生成喷嘴100中，冷却通道120至少部分地围绕等离子体生成通道110。替代地，在其他实施例中，冷却通道120可以仅接触等离子体生成通道110的侧壁115的一部分。等离子体生成喷嘴100还包括设置在喷嘴壳体101的前表面101a和后表面101b中的至少一个上的可按压按钮150、设置在喷嘴壳体101的前表面101a上的按压结构160、设置在喷嘴壳体101的顶表面101c上的一对销触头170、以及设置在冷却通道120中的一对电缆180。

如图1F的截面图所示，等离子体生成通道110包括形成在喷嘴壳体101的顶表面101c上的第一气体入口开口111和形成在喷嘴壳体101的底表面101d上的第一气体出口开口112。第一气体入口开口111被配置成接收用于生成等离子体的工作气体102。工作气体102可以包含例如空气、氩气、氦气、氮气或其混合物。工作气体102的流量可以在25LPM至350LPM的范围内，或者优选地在140LPM至210LPM的范围内。工作气体102的湿度率可以在10％至75％的范围内，或者优选地在30％至50％的范围内。第一气体出口开口112被配置为排出工作气体102以及由等离子体生成的其他气体，例如臭氧。

如图1D的俯视图和图1E的仰视图所示，在根据本实施例的等离子体生成喷嘴100中，第一气体入口开口111的形状是矩形，并且第一气体出口开口112的形状是椭圆形。替代地，在其他实施例中，第一气体入口开口111和第一气体出口开口112可具有其他形状，诸如正方形、圆形等。

如图1F的截面图所示，冷却通道120包括形成在喷嘴壳体101的顶表面101c上的至少一个第二气体入口开口121和形成在喷嘴壳体101的至少一个侧表面101e上的至少一个第二气体出口开口122。第二气体入口开口121被配置为接收用于冷却设置在冷却通道120中的电极130和电极保持器140的工作气体102。第二气体出口开口122配置为排放工作气体102。

如图1D的俯视图和图1E的仰视图所示，在根据本实施例的等离子体生成喷嘴100中，在喷嘴壳体101的顶表面101c上形成有四个第二气体入口开口121，并且在喷嘴壳体101的每个侧表面101e上形成有三个第二气体出口开口122。替代地，在其他实施例中，第二气体入口开口121和第二气体出口开口122的数量可变化。

如图1F的截面图所示，一对电极130设置在喷嘴壳体101的下部。该对电极130可以是针形或圆柱形的。每个电极130具有末端131和连接端132。每个电极末端131的至少一部分设置在等离子体生成通道110的第一气体出口开口112处。连接端132中的每一个的至少一部分设置在冷却通道120的第二气体出口开口122处。每个电极130可以由金属制成，例如铂、钨或钨合金。

在等离子体生成喷嘴100的工作期间，可以在一对电极130之间施加交流(AC)电压，并且可以将包含空气、氩气、氦气、氮气或其混合物的工作气体102供应到等离子体生成通道110和冷却通道120。由此，可以在电极末端131附近生成刷状等离子体(PL)射流(在图1F中标记为“PL”)。

由一对电极130生成的等离子体射流PL的形状和尺寸可能受到等离子体生成喷嘴100中的工作气体102的流的影响。例如，如果在等离子体生成通道110中存在障碍物，则可能在气流中生成湍流。结果，等离子体射流PL可能变得不规则，并且等离子体射流PL中的活性物质(诸如离子、自由基、电子、激发态(例如，亚稳态)物质、光子等)的分布可能变得不均匀。因此，由包括等离子体生成喷嘴100的等离子体装置进行的材料处理的有效性可能降低，并且被处理的材料的结果可能受到负面影响。在根据本实施例的等离子体生成喷嘴100中，等离子体生成通道110没有任何障碍物，从而便于生成均匀的等离子体射流PL。

根据本发明的实施例，等离子体生成通道110的第一气体入口开口111的尺寸可以大于等离子体生成通道110的第一气体出口开口112的尺寸。例如，如图1D的俯视图所示，在根据本实施例的等离子体生成喷嘴100中，第一气体入口开口111沿着喷嘴壳体101的顶表面101c的宽度和长度分别大于第一气体出口开口112沿着喷嘴壳体101的底表面101d的宽度和长度。另外，如图1F的截面图所示，在根据本实施例的等离子体生成喷嘴100中，等离子体生成通道110包括连接到第一气体入口开口111的漏斗形部分113和连接在漏斗形部分113和第一气体出口开口112之间的圆柱形部分114。较大的气体入口开口111和等离子体生成通道110的漏斗形部分113可以聚集工作气体102，从而增加由一对电极130生成的等离子体射流PL的长度。

如图1F所示，在根据本实施例的等离子体生成通道110中，圆柱形部分114连接在漏斗形部分113和第一气体出口开口112之间。替代地，在其他实施例中，等离子体生成通道110可以不包括圆柱形部分114。也就是说，在一些实施例中，等离子体生成通道110可以仅包括连接在第一气体入口开口111与第一气体出口开口112之间的漏斗形部分113。

另外，在根据本实施例的等离子体生成通道110中，圆柱形部分114的横截面是椭圆形的。可替代地，在其他实施例中，圆柱形部分114的横截面可以具有其他形状。

如图1F的截面图所示，电极保持器140设置在冷却通道120的下部并固定到等离子体生成通道110的侧壁。一对电极连接器133固定到电极保持器140。如图1F和图1G的截面图所示，电极保持器140包括用于使工作气体102通过的多个开口141。结果，用作冷却气体的工作气体102可以流过开口141以冷却电极130，从而提高冷却通道120的冷却效率。电极保持器140可以由具有耐热性和导热性的刚性介电材料制成。例如，电极保持器140可以由诸如氮化铝、氧化铝等的陶瓷材料制成。刚性电极保持器140可以将电极130相对彼此保持在一定角度和一定距离。如将关于图3A和图3B更详细地解释的，可以调节电极130之间的距离以帮助平衡等离子体射流的适当尺寸与合理的能量消耗。因为本实施例的电极保持器140允许精确地控制电极130之间的距离，所以也可以精确地控制等离子体射流的尺寸和能量消耗，从而确保等离子体生成的稳定性。另外，因为陶瓷电极保持器140具有良好的导热性，所以陶瓷电极保持器140可以用作散热器以冷却电极130并延长电极130的寿命。

在一些实施例中，电极130可以直接连接到并固定到电极保持器140。可替代地，在图1F所示的实施例中，等离子体生成喷嘴100还包括一对电极连接器133，该对电极连接器133被配置为将一对电极130固定到电极保持器140。每个电极连接器133可以由导电材料制成，导电材料例如铜、银、不锈钢、镍、铬、铝、康铜或导电材料的合金或组合。例如，电极连接器133可以通过一对螺母134固定到电极保持器140。另外，诸如散热器、热管、Peltier模块等的冷却机构也可以附接到电极130和电极连接器133，以帮助进一步冷却电极130，从而降低等离子体射流PL的温度。

在根据本实施例的等离子体生成喷嘴100中，用于生成等离子体的等离子体生成通道110与冷却通道120隔离，这可以提供稳定且均匀的刷状等离子体射流PL，并且防止冷却通道120中的气体湍流干扰等离子体生成通道110中的气流。为了冷却电极130，工作气体流102(用作冷却气体)可以穿过电极130、电极保持器140和电极连接器133(如果有的话)。电极130、电极保持器140和电极连接器133可以具有可能在冷却通道120中引起湍流的复杂结构。使等离子体生成通道110与冷却通道120隔离可有助于保护等离子体的生成不受冷却通道120中生成的湍流的影响。

冷却通道120提供多种功能。首先，冷却通道120中的冷却气体可降低电极130的温度以延长电极130的寿命。其次，降低电极130的温度可以进一步降低等离子体射流PL的温度。

等离子体射流PL的温度可受到等离子体生成通道110中的气流和冷却通道120中的气流的影响，气流可分别受到第一气体入口开口111的尺寸和多个第二气体入口开口121的尺寸的影响。因此，通过改变第一气体入口开口111与第二气体入口开口121之间的相对尺寸，可生成不同温度的等离子体射流。

可按压按钮150可以设置在喷嘴壳体101的前表面101a和后表面101b中的至少一个上。如图1A至图1C所示，在根据本实施例的等离子体生成喷嘴100中，可按压按钮150设置在喷嘴壳体101的前表面101a和后表面101b中的每一个上。在将等离子体生成喷嘴100安装到等离子体装置期间，用户可以按住可按压按钮150，使得等离子体生成喷嘴100可以安装到等离子体装置。当等离子体生成喷嘴100安装到等离子体装置时，用户可以按住可按压按钮150以从等离子体装置移除等离子体生成喷嘴100。

如图1A和1B所示，按压结构160设置在喷嘴壳体101的前表面101a上。当等离子体生成喷嘴100安装在等离子体装置中时，按压结构160可以压靠设置在等离子体装置中的限位开关。限位开关可以起到安装传感器(例如图4E中的第一安装传感器491)的作用，该安装传感器可以在由按压结构160按压时被激活。当安装传感器被激活时，安装传感器可以向等离子体装置的主控制器发送信号，以指示已经安装了等离子体生成喷嘴100。

如图1A和图1F所示，一对销触头170设置在喷嘴壳体101的顶表面101c上，并且可电连接到电源。一对电缆180设置在冷却通道120中并且电连接在一对销触头170和一对电极130之间。当等离子体生成喷嘴100完全安装在等离子体装置中时，销触头170电连接到电源，以经由电缆180将由电源供应的电力传输到电极130。

在一些实施例中，围绕电极末端131的等离子体生成通道110的至少一部分可包括介电材料。在图1F所示的实施例中，介电材料部分116设置在等离子体生成通道110的底部以围绕电极末端131。介电材料部分116可以用于保护等离子体生成通道110的侧壁115免受高温和被由等离子体生成的各种物质轰击，从而延长等离子体生成喷嘴100的寿命。介电材料部分116可以由任何介电材料制成，但是优选地由陶瓷材料制成。

图2示意性地示出了与本发明的实施例一致的经由电极连接器133连接到电极保持器140的电极130(钝的末端)的放大侧视图。电极130的末端131可以是尖锐的或钝的。

图3A示意性地示出了与本发明的替代实施例一致的经由电极连接器133连接到电极保持器140的电极130(尖锐末端)的放大侧视图。图3B示意性地示出了电极130的末端131的进一步放大的侧视图。

如图3A和3B所示，电极130的末端131是尖锐的。每个末端131的研磨角(grindangle)θ可以在0°至180°的范围内，或者优选地为15°。针形电极130可以帮助生成强电场梯度，这可以帮助启动等离子体生成过程。

电极末端131之间的角度β可以在θ至180°的范围内，其中θ是每个电极末端131的研磨角。电极末端131的近端之间的距离d可以在2mm至10mm的范围内，或者优选地6mm。增加电极末端131之间的距离d可以帮助增加在电极末端131附近生成的等离子体射流PL的尺寸。然而，如果电极末端131之间的距离d更大，则可能需要更多的能量来启动和维持等离子体生成过程。因此，可以选择距离d以帮助平衡等离子体射流的适当尺寸与合理的能量消耗。

图4A至图4F示意性地示出了与本发明的实施例一致的等离子体装置400。特别地，图4A示意性地示出了具有前盖414的等离子体装置400的透视前视图；图4B示意性地示出了当移除前盖414时的等离子体装置400的透视前视图；图4C示意性地示出了具有后面板412的等离子体装置400的透视后视图；图4D示意性地示出了当移除后面板412的一部分时的等离子体装置400的透视后视图；图4E示意性地示出了等离子体装置400沿图4B中的线C-C'的截面图。

如图4A至4E所示，等离子体装置400包括包围等离子体处理空间422和元件空间424的壳体410，以及可移除地设置在等离子体处理空间422中的等离子体生成喷嘴100。等离子体处理空间422可以在等离子体装置400的工作期间具有负压。具体地，壳体410包括前面板411、后面板412、两个侧面板413和前盖414。壳体410可以由绝缘材料制成，例如塑料。前盖414可以由透明材料制成，并且可以可移除地附接到壳体410。如图4C和4D所示，可按压按钮417形成在后面板412上，并且可以被按压以释放附接到壳体410的前盖414。如图4A至图4D所示，壳体410还包括设置在壳体410的侧面板413中的至少一个上的侧门415，用于样品操纵。如图4E所示，金属框架416设置在壳体410中并与前面板411、后面板412和两个侧面板413重叠。金属框架416可以用作加强壳体410的结构的加固构件。金属框架416还可以用作电磁屏蔽罩，其在由壳体410包围的空间中部分地包含等离子体射流PL生成的电磁场。

如图4E的截面图所示，等离子体装置400还包括内面板420，该内面板420设置在壳体410内并将由壳体410包围的空间分成等离子体处理空间422和元件空间424。图1A至图1G中所示的等离子体生成喷嘴100设置在等离子体处理空间422中，并且可移除地附接到内面板420。多个电气元件(诸如进气扇432、至少一个排气扇434、带保险丝的电力进入入口436、直流(DC)电源电路438、主控制电路440、高压电源(HVPS)电路442、接口控制电路444和流量计446)设置在元件空间424中。

在本实施例中，等离子体生成喷嘴100的运行时间可以由主控制电路440连续监测，并且当等离子体生成喷嘴100达到其使用寿命时，主控制电路440可以发送提醒用户需要更换等离子体生成喷嘴100的信号。当需要更换等离子体生成喷嘴100时，用户可以按压形成在壳体410的后面板412上的可按压按钮417以释放附接到壳体410的前盖414并露出等离子体生成喷嘴100，然后按压等离子体生成喷嘴100的喷嘴壳体101上的可按压按钮150以释放等离子体生成喷嘴100。

如图4B和4E所示，内面板420包括多个开口426，用于将排气从等离子体处理空间422传递到元件空间424。排气可以包括用于生成等离子体的工作气体，以及由等离子体生成的其他气体，例如臭氧。

如图4D和4E所示，进气扇432设置在元件空间424中和金属框架416上。进气扇432连接到等离子体生成喷嘴100，用于将工作气体供应到等离子体生成喷嘴100。具体地，进气扇432将工作气体发送到等离子体生成喷嘴100的等离子体生成通道110以用于等离子体生成，并且发送到等离子体生成喷嘴100的冷却通道120以用于冷却电极130。工作气体可以包含例如空气、氩气、氦气、氮气或其混合物。当工作气体包含空气时，进气扇432可以直接暴露于等离子体装置400的周围环境，以从周围环境接收空气。当工作气体包含氩气、氦气、氮气或其混合物时，进气扇432可以连接到气体供应器(未示出)以接收工作气体。

如图4D和4E所示，两个排气扇434设置在元件空间424中和金属框架416上。排气扇434可以被配置为将从等离子体处理空间422通过形成在内面板420上的多个开口426流到元件空间424的排气移除以进行排放。臭氧过滤器460可以进一步设置在排气扇434的出口处，以吸收包含在由排气扇434排放的排气中的臭氧。臭氧过滤器460可以包括活性炭。图4A至4E所示的实施例中的等离子体装置400包括两个排气扇434。或者，在其他实施例中，等离子体装置400可包括一个排气扇，或三个或更多个排气扇。

如图4D和4E所示，排气扇434与进气扇432间隔开。结果，由排气扇434排出的排气可以不经由进气扇432流入等离子体生成喷嘴100，并且工作气体可以通过进气扇432流入等离子体生成喷嘴100。

如图4E所示，流量计446在等离子体生成喷嘴100的入口处设置在元件空间424中。流量计446可以被配置成监测进入等离子体生成喷嘴100的工作气体的流量并且将监测结果反馈到主控制电路440。另外，排气扇434的速度可以被监测并被反馈到主控制电路440。主控制电路440可以基于监测结果来控制进气扇432和排气扇434两者。因为工作气体流可以允许生成稳定的等离子体射流PL，所以基于进入等离子体生成喷嘴100的工作气体的流来控制进气扇432可以有助于确保稳定的等离子体生成。

由排气扇434生成的排气的流量可以大于由进气扇432生成的工作气体的流量。结果，在等离子体装置400的工作期间，与周围环境相比，等离子体处理空间422可以具有负压。在等离子体装置400的处理过程期间，用户可以打开侧门415并将处理样品保持在等离子体处理空间422中，或者将样品保持器710(图7中所示)保持在等离子体处理空间422中，使得由等离子体生成喷嘴100生成的等离子体可以接触在处理样品上，处理样品可以安装在样品保持器710上。如果等离子体处理空间422与周围环境相比不具有负压，则由等离子体处理空间422中的等离子体生成的臭氧可以通过打开的侧门415流入周围环境，污染环境。在本实施例中，因为等离子体处理空间422与周围环境相比具有负压，所以等离子体处理空间422中由等离子体生成的臭氧不会通过打开的侧门415流入周围环境。结果，可以减少周围环境的污染。

如图4A所示，等离子体装置400还包括设置在壳体410的前面板411上的用户界面470。用户界面470包括输入面板471和显示面板475。输入面板471包括第一控制按钮472、第二控制按钮473和第三控制按钮474，第一控制按钮472可按下以接收用于开始、暂停或停止等离子体处理过程的用户输入，第二控制按钮473和第三控制按钮474可按下以接收用于设置用于等离子体处理过程的时间段的用户输入。第二控制按钮473可以用于增加时间段，并且第三控制按钮474可以用于减少时间段；或反之亦然。显示面板475可以被配置为显示等离子体处理过程的时间段中剩余的时间量或在开始等离子体处理过程之后经过的时间量。显示面板475还可以被配置为在发生错误时显示错误代码。例如，显示面板475可以是7段(7-segment)显示器。

如图4C和4D所示，等离子体装置400还包括设置在壳体410的后面板412上的第一复位按钮481和第二复位按钮482。第一复位按钮481可以是可按压的，以重置等离子体生成喷嘴100的使用时间。第二复位按钮482可以是可按压的，以重置臭氧过滤器460的试用时间。带保险丝的电力进入入口436也设置在后面板412上并且可连接到外部电源(未示出)以接收电力。

如图4E所示，等离子体装置400还包括设置在元件空间424中的第一安装传感器491、第二安装传感器492和第三安装传感器493。第一安装传感器491设置在内面板420上，并且被配置为检测等离子体生成喷嘴100的安装状态。例如，第一安装传感器491可以是限位开关，其可以由图1A至图1E中所示的等离子体生成喷嘴100的按压结构160激活。当用户通过按下用户界面470上的第一控制按钮472开始等离子体处理过程时，如果等离子体生成喷嘴100未正确安装，则第一安装传感器491可以向主控制电路440发送警报信号。附加地或替代地，当等离子体生成喷嘴100被正确安装时，安装传感器491可以向主控制电路440发送确认等离子体生成喷嘴100被正确安装的信号。主控制电路440可以被配置为响应于接收到指示等离子体生成喷嘴100未正确安装的警报信号，停止等离子体处理过程并控制用户界面470上的显示面板475以显示指示等离子体生成喷嘴100未正确安装的错误代码。第二安装传感器492设置在金属框架416上，并且可以被配置为检测前盖414的安装状态，并且当前盖414未正确安装时向主控制电路440发送警报信号。第三安装传感器493设置在后面板412上，并且可以被配置为检测臭氧过滤器460的安装状态，并且当臭氧过滤器460未正确安装时向主控制电路440发送警报信号。第二安装传感器492和第三安装传感器493的结构和功能可以类似于第一安装传感器491的结构和功能。因此，在本发明中将不再重复第二安装传感器492和第三安装传感器493的详细描述。

图5示意性地示出了与本发明的实施例一致的等离子体装置400的电气系统500。如图5所示，电气系统500包括进气扇432、排气扇434、带保险丝的电力进入入口436、DC电源电路438、主控制电路440、HVPS电路442、接口控制电路444、流量计446、第一复位按钮481和第二复位按钮482以及第一安装传感器491、第二安装传感器492和第三安装传感器493。

带保险丝的电力进入入口436可连接到外部电源，例如100V至240V交流(AC)电源，以接收AC电力。DC电源电路438连接到带保险丝的电力进入入口436以接收AC电力，并且被配置为将AC电力转换为DC电力。

主控制电路440包括DC稳压器501、电流计502和微控制器503。DC稳压器501连接到DC电源电路438以接收DC电力并将DC电力提供给微控制器503和接口控制电路444。电流计502连接到HVPS电路442，并且可以被配置为监测HVPS电路442的输入电流和输出电流，并将监测结果发送到微控制器503，从而监测HVPS电路442的工作状态。HVPS电路442的输入电流的优选范围可以是6.5±0.5A。当电流超过预定限制时，微控制器503可以被配置为切断到HVPS电路442的电源并控制显示面板475以显示错误代码。

HVPS电路442包括光耦合器512、功率放大器513、频率发生器514和变压器515。光耦合器512连接在微控制器503和功率放大器513之间，并且被配置为将微控制器503与功率放大器513隔离，并且配置为将控制信号从微控制器503发送到功率放大器513。结果，可以保护微控制器503免受由HVPS电路442中的其他元件生成的传导辐射(conductiveemission)。

功率放大器513联接到频率发生器514以从相对小的输入信号电压生成大的输出电压摆幅。频率发生器514联接到功率放大器513，并且可以生成范围从21kHz至80kHz、优选地22kHz至23kHz的频率。结果，功率放大器513可以输出占空比范围为5％至95％，优选为30％至50％，并且功率范围为24W至72W，优选为72W的电功率。变压器515联接到功率放大器513，并且可以转换从功率放大器513输出的电力，并且将转换后的电力输出到等离子体生成喷嘴100中的一对电极130。变压器515可以具有14kV的介电强度和100W的最大功率输出。

微控制器503可以被配置为基于从电流计502接收的监测结果来估计电极使用。微控制器503可以被配置为调整HVPS电路442的频率和占空比，以促进稳定的等离子体生成。

随着时间的推移，该对电极130之间的电阻可以随着电极130之间的间隙变大而增加。这可能导致输出电流下降。电流计502可以检测HVPS电路442的输出电流的变化，并经由电信号通知微控制器503。然后，微控制器503可以增加频率或占空比以增加HVPS电路442的输出功率。当电极130之间存在较长距离时，较高的输出功率可以帮助保持等离子体的生成稳定。

接口控制电路444可以根据从微控制器503接收的各种控制信号来控制用户接口470中的显示面板475。输入面板471可以接收各种用户输入，以用于接收用于开始、暂停或停止等离子体处理过程以及用于设置等离子体处理过程的时间段的用户输入，并且将表示各种用户输入的信号发送到微控制器503。

流量计446可以配置为监测进入等离子体生成喷嘴100的工作气体流，并将监测结果传输到微控制器503。微控制器503可以被配置为基于所监测的气流来控制进气扇432和排气扇434，并且确保稳定的等离子体生成。

第一复位按钮481可以是可按压的，以重置等离子体生成喷嘴100的运行时间。第二复位按钮482可以是可按压的，以重置臭氧过滤器460的运行时间。微控制器503可以被配置为监测等离子体生成喷嘴100和臭氧过滤器460中的每一个的运行时间，并且配置为当等离子体生成喷嘴100或臭氧过滤器460的运行时间达到预定时间量时，将更换提醒信号发送到接口控制电路444。然后，接口控制电路444可以控制用户界面470中的显示面板475以显示指示等离子体生成喷嘴100或臭氧过滤器460需要更换的标志(例如，代码、符号等)。当等离子体生成喷嘴100达到其使用寿命时，可能需要更换等离子体生成喷嘴100。在本实施例中，可以通过主控制电路440的微控制器503连续地监测等离子体生成喷嘴100的工作时间，并且可以在等离子体生成喷嘴100达到其使用寿命时更换等离子体生成喷嘴100，从而可以降低等离子体装置400的功耗。

第一安装传感器491、第二安装传感器492以及第三安装传感器493可以被配置为检测壳体410的前盖414、等离子体生成喷嘴100和臭氧过滤器460中的每一个的安装状态，并且当未安装前盖414、等离子体生成喷嘴100和臭氧过滤器460中的至少一个时，将警报信号发送到微控制器503。微控制器503可以被配置为响应于接收到警报信号而将控制信号发送到HVPS电路442，以停止向等离子体生成喷嘴100中的电极130供电，从而停止等离子体处理过程。另外，响应于接收到警报信号，微控制器503可以被配置为指示接口控制电路444控制显示面板475显示错误代码。

图6示意性地示出了与本发明内容的实施例一致的具有气流的等离子体装置400的截面图。在图6中，等离子体装置400的相同部分由与图4A至4E中相同的附图标记表示。

如图6所示，进气扇432可以接收工作气体并将工作气体发送到设置在等离子体处理空间422中的等离子体生成喷嘴100以用于等离子体生成。在等离子体处理空间422中生成的排气可以由排气扇434强制通过形成在内面板420上的开口426从等离子体处理空间422流到元件空间424，在排气被排放到等离子体装置400外部之前，通过元件空间424中的电气元件，例如主控制电路440、HVPS电路442、接口控制电路444和臭氧过滤器460。通过电气元件的排气可以帮助冷却这些电气元件。因此，可能不需要额外的风扇或冷却气体来冷却电气元件。

图7示意性地示出了与本发明内容的另一实施例一致的等离子体装置400的截面图。如图7所示，可调节且可折叠的保持器710设置在等离子体处理空间422内并附接到壳体410的前盖414。可调节且可折叠的保持器710包括可调节且可折叠的臂712和连接到可调节且可折叠的臂712的基座714。处理样品S可以安装在基座714上。可调节且可折叠的臂712可以被调节到使得由等离子体生成喷嘴100生成的等离子体射流PL可以接触在处理样品S上的位置。通过使用可调节且可折叠的保持器710，用户不用在处理过程期间打开侧门415但仍然可以继续处理样品。

图8A示出了等离子体生成喷嘴的三个不同样品的俯视图。样品1是具有用于等离子体生成通道的入口开口但没有用于冷却通道的入口开口的等离子体生成喷嘴的比较示例。样品2是与本发明的实施例一致的等离子体生成喷嘴的示例，其具有用于等离子体生成通道的入口开口和用于冷却通道的四个相对较小的入口开口。样品3是与本发明的实施例一致的等离子体生成喷嘴的另一示例，其具有用于等离子体生成通道的入口开口和用于冷却通道的四个相对较大的入口开口。图8B是样品1的仰视图的照片，其示出了在等离子体生成过程期间喷嘴(没有冷却通道)被灼烧。图8C是示出在排气扇的不同占空比下由样品2和样品3生成的等离子体温度的柱状图。

如图8B所示，当等离子体生成喷嘴不包括用于冷却通道的任何入口开口(样品1)时，在等离子体生成过程期间，没有冷却气体可以通过等离子体生成喷嘴中的电极。结果，设置在等离子体生成喷嘴底部的电极的温度可以通过施加到其上的高电压而增加，从而增加所生成的等离子体的温度。因此，等离子体生成通道的底部可能被等离子体的高温烧毁和损坏。

相比之下，根据本发明的实施例的样品2和样品3的等离子体生成喷嘴都具有用于冷却通道的入口开口。因此，工作气体可以经由入口开口进入冷却通道，并且穿过电极的设置在冷却通道的底部处的部分，从而在等离子体生成期间冷却电极。因此，样品2和样品3的等离子体生成喷嘴不会被等离子体损坏。

如图8C所示，等离子体温度逐渐地降低：具有40％的风扇功率(相对较小的气流量)的样品3(用于冷却通道的相对较大的入口)、具有40％的风扇功率(相对较小的气流量)的样品2(用于冷却通道的相对较小的入口)、具有80％的风扇功率(相对较大的气流量)的样品2(用于冷却通道的相对较小的入口)以及具有80％的风扇功率(相对较大的气流量)的样品3(用于冷却通道的相对较大的入口)。因此，可以通过调节气流量或气体入口开口的尺寸来控制等离子体温度。

虽然本文已经描述了说明性实施例，但是本发明的范围涵盖具有等同元件、修改、省略、组合(例如，跨各种实施例的方面)、改编和/或变更的任何和所有实施例，如本领域技术人员基于本发明将理解的。例如，可以组合包括在不同附图中所示的不同实施例中的特征。权利要求中的限制将基于权利要求中采用的语言广义地解释，并且不限于本说明书中或在本申请的审查期间描述的示例。这些示例应被解释为非排他性的。因此，说明书和示例旨在仅被认为是说明性的，真正的范围和精神由所附权利要求及其等同物的全部范围指示。

Claims (20)

1.一种等离子体生成喷嘴，包括：

等离子体生成通道；

冷却通道，所述冷却通道至少部分地围绕所述等离子体生成通道；以及

一对电极，部分地设置于所述等离子体生成通道中以用于生成等离子体。

2.根据权利要求1所述的等离子体生成喷嘴，其中

所述等离子体生成通道包括用于接收工作气体的第一气体入口开口和用于排放所述工作气体的第一气体出口开口，

所述冷却通道包括用于接收所述工作气体的第二气体入口开口和用于排放所述工作气体的第二气体出口开口，

所述电极中的每一个具有末端和连接端，所述末端中的每一个的至少一部分设置在所述等离子体生成通道的所述第一气体出口开口处，并且所述连接端中的每一个的至少一部分设置在所述冷却通道的所述第二气体出口开口处。

3.根据权利要求1所述的等离子体生成喷嘴，其中，所述电极末端中的每个电极末端的研磨角θ在0°至180°的范围内，并且所述电极末端之间的角度在θ至180°的范围内。

4.根据权利要求2所述的等离子体生成喷嘴，其中，所述等离子体生成通道包括连接到所述第一气体入口开口的漏斗形部分。

5.根据权利要求4所述的等离子体生成喷嘴，其中，所述等离子体生成通道还包括连接在所述漏斗形部分和所述第一气体出口开口之间的圆柱形部分。

6.根据权利要求1所述的等离子体生成喷嘴，所述等离子体生成通道与所述冷却通道分离。

7.根据权利要求1所述的等离子体生成喷嘴，还包括电极保持器，所述电极保持器设置在所述冷却通道内部并且包括具有耐热性和导热性的介电材料，

其中，所述电极保持器包括用于使工作气体通过的多个开口。

8.根据权利要求7所述的等离子体生成喷嘴，还包括固定到所述电极保持器的一对电极连接器，所述一对电极连接器被配置为将所述一对电极连接到所述电极保持器。

9.根据权利要求1所述的等离子体生成喷嘴，其中，围绕所述电极末端的所述等离子体生成通道的至少一部分包括介电材料。

10.根据权利要求1所述的等离子体生成喷嘴，其中，所述工作气体包括空气、氩气、氦气、氮气或其混合物，并且所述工作气体的流量在25LPM至350LPM的范围内。

11.一种等离子体装置，包括：

壳体，所述壳体包围等离子体处理空间和元件元件空间，其中所述等离子体处理空间在所述等离子体装置的工作期间具有负压；以及

等离子体生成喷嘴，所述等离子体生成喷嘴可移除地设置在所述等离子体处理空间中。

12.根据权利要求11所述的等离子体装置，还包括内面板，所述内面板设置在所述壳体内部并且将由所述壳体包围的空间分成所述等离子体处理空间和所述元件空间，

其中，所述内面板包括用于将排气从所述等离子体处理空间传递到所述元件空间的多个开口。

13.根据权利要求12所述的等离子体装置，还包括：

进气扇，所述进气扇设置在所述元件空间中并且连接到所述等离子体生成喷嘴，并且被配置为将工作气体供应到所述等离子体生成喷嘴；以及

排气扇，所述排气扇设置在所述元件空间中并且被配置为通过所述多个开口将所述排气从所述等离子体处理空间移除到所述元件空间以进行排放，

其中，所述进气扇和所述排气扇彼此间隔开，并且由所述排气扇生成的排气的流量大于由所述进气扇生成的工作气体的流量。

14.根据权利要求13所述的等离子体装置，还包括臭氧过滤器，所述臭氧过滤器设置在所述排气扇的出口处。

15.根据权利要求13所述的等离子体装置，还包括流量计，所述流量计在所述等离子体生成喷嘴的入口处设置在所述元件空间中，并且所述流量计被配置为监测进入所述等离子体生成喷嘴的所述工作气体的流量，以及

其中，基于所监测的流量来控制所述进气扇和所述排气扇。

16.根据权利要求11所述的等离子体装置，还包括：

用户界面，所述用户界面设置在所述壳体上；以及

多个电气元件，所述多个电气元件包括设置在所述元件空间中的带保险丝的电力进入入口、DC电源电路、主控制电路、高压电源电路和接口控制电路，

其中，所述主控制电路被配置为确定所述等离子体生成喷嘴和所述臭氧过滤器中的每一个的运行时间，并且当所述等离子体生成喷嘴或所述臭氧过滤器的运行时间达到预定时间量时，向所述用户界面发送更换提醒信号。

17.根据权利要求16所述的等离子体装置，还包括安装传感器，所述安装传感器设置在所述壳体中，并且被配置为检测所述壳体的前盖、所述等离子体生成喷嘴和所述臭氧过滤器中的每一个的安装状态，并且当未安装所述前盖、所述等离子体生成喷嘴和所述臭氧过滤器中的至少一个时向所述主控制电路发送警报信号，

其中，所述主控制电路被配置为响应于接收到所述警报信号，停止等离子体处理过程并控制所述用户界面以显示错误代码。

18.根据权利要求16所述的等离子体装置，其中，所述用户界面包括：

输入面板，用于接收用于开始、暂停或停止等离子体处理过程的用户输入，并且用于设置用于所述等离子体处理过程的时间段；以及

显示面板，用于显示用于所述等离子体处理过程的时间段内剩余的时间量或在开始所述等离子体处理过程之后经过的时间量，并且用于当发生错误时显示错误代码。

19.根据权利要求16所述的等离子体装置，其中，所述高压电源电路包括光耦合器，所述光耦合器连接在所述主控制电路中的微控制器和所述高压电源电路中的其他元件之间，并且被配置为将所述微控制器与所述高压电源电路中的其他元件隔离。

20.根据权利要求11所述的等离子体装置，还包括：

侧门，所述侧门设置在所述壳体上以用于样品操纵；或

可调节且可折叠的保持器，所述保持器附接到所述壳体，用于保持用于等离子体处理的样品。