CN1552082A - 用于大气压力等离子体发射装置的新电极和使用它的方法 - Google Patents

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CN1552082A CNA028171098A CN02817109A CN1552082A CN 1552082 A CN1552082 A CN 1552082A CN A028171098 A CNA028171098 A CN A028171098A CN 02817109 A CN02817109 A CN 02817109A CN 1552082 A CN1552082 A CN 1552082A
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¡
理查德·克罗伊
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塞尔吉·巴布克-马尔伊
库尔特·科瓦奇
3
西斯·特鲁伯
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Abstract

一种等离子体发射装置和使用该装置的方法,该装置包括第一电极和第二电极。第二电极是多孔的,即构成为允许等离子体放电通过它。相应地,等离子体被接收在第二电极的一侧和从其相反等离子体出射侧发射。第二电极的各种结构都是可行的,只要允许等离子体放电通过它即可。例如,第二电极可以是其间夹有至少一个导电层的多个绝缘材料层的叠层。穿过该叠层限定多个孔,并且介质套管插入该孔中并保持在其中。产生的等离子体通过限定在每个介质套管中的一个或多个孔洞。作为选择,第二电极可以形成为穿过框架基本上平行捆扎起来的多个单向高压线或者是交织并由周边框架固定的多个双向高压线。由于等离子体通过第二电极,因此该等离子体反应器可以处于靠近被处理物体的表面的位置上或与其直接接触。

Description

用于大气压力等离子体发射装置的新电极和使用它的方法
本申请要求在2001年7月2日申请的美国临时申请No.60/302890的优先权,这里引作参考。
技术领域
本发明涉及一种用于大气压力等离子体发射装置的新电极和使用它的方法,特别是,涉及其中产生的等离子体越过第二电极的等离子体发射装置。
背景技术
“等离子体”是部分电离的气体,它由离子、电子和中性物质构成。这种状态的物质是通过相对高温或相对强电场或者恒定(DC)或随时间变化(例如RF或微波)的电磁场产生的。在中性原子/分子的基础上由电场激励自由电子时产生放电的等离子体。这些电子使原子/分子碰撞,将能量转移给原子/分子并形成各种物质,可能包括光子、亚稳态、原子激发态、自由基、分子碎屑、单体、电子和离子。中性气体变得部分或全部电离,并且能够传导电流。等离子体物质在化学上是活泼的和/或可以物理地修改材料的表面,因此可以用于形成新的化学化合物和/或修改已有化合物。放电等离子体还可以产生可用于照明的有用量的光学辐射。等离子体放电有很多其它用途。
迄今为止,例如在美国专利US5872426中公开的常规等离子体放电反应器已经设计成包括上电极板和下电极板,它们隔开预定距离以便在其间形成产生等离子体的通道。这两个电极是禁止等离子体通过的固体,以便将等离子体限制于在两个电极之间限定的通道中。结果是,将被等离子体处理的物体表面必须穿过该通道本身,由此严重地限制了被处理物体的尺寸,使其具有小于该通道的宽度。
希望解决关于常规反应器的上述问题并研制一种便携式等离子体发射装置和使用该装置的方法,允许等离子体通过或越过第二电极。
发明内容
本发明旨在提供一种等离子体发射(反应器)装置,解决了与常规等离子体反应器装置相关的上述问题。
特别是,本发明涉及一种等离子体发射装置和使用该装置的方法,该装置包括第一电极和第二电极。第二电极是多孔的,即,它构成为允许等离子体通过。相应地,在第二电极的一侧接收等离子体并从其相反侧发射等离子体。第二电极的各种结构都是可行的,只要允许等离子体通过即可。例如,第二电极可以是多层绝缘材料层与夹在其间的导电层的叠层。通过该叠层限定多个孔,并且介质套管插入孔中并保持在其中。产生的等离子体通过介质套管。作为选择,第二电极可形成为在框架内基本上彼此平行设置的多个单向导线/板条,或者由框架交织或固定的多个双向导线/板条。由于等离子体通过第二电极,因此等离子体反应器装置可以设置成靠近被处理表面或与其直接接触。
在一个实施例中,本发明涉及一种等离子体发射装置,包括第一介质和靠近第一介质设置的第一电极。第二电极处于不同于第一电极电压电位的电压电位,以便产生等离子体放电。第二电极构成为允许等离子体放电通过它。具体而言,第二电极具有面向第一电极的第一表面和相对等离子体出射表面,该相对等离子体出射表面至少形成封闭第一电极和介质的外壳的一个表面的一部分。从第二电极的等离子体出射表面发射等离子体放电。
本发明的另一实施例涉及等离子体发射装置,该装置具有第一介质和第一电极,第一介质具有在其中限定的孔,第一电极靠近第一介质设置。第二电极设置在第一介质的外周边的至少一部分周围。第一和第二电极处于不同的电压电位,以便产生等离子体放电。
而且,作为本发明的一部分还公开了一种使用在任何上述实施例中构成的等离子体发射装置产生等离子体放电的方法。
附图说明
通过下面的详细说明和表示本发明实施例的附图使本发明的前述和其它特征更容易被理解,其中在所有附图中相同的参考标记用于表示相同的元件,其中:
图1是根据本发明的等离子体发射装置的示意第一实施例的剖面图;
图2是图1的等离子体发射装置的示意第二电极的底视图;
图3是根据本发明的等离子体发射装置的示意第二实施例的剖面图;
图4是图3的等离子体发射装置的示意第二电极的底视图;
图5是根据本发明的等离子体发射装置的示意第三实施例的剖面图;
图6是图5的等离子体发射装置的示意第二电极的底视图;
图7是根据本发明的等离子体发射装置的示意第四实施例的侧视图;和
图8是图7的等离子体发射装置的透视图。
具体实施方式
根据本发明的等离子体发射装置100的示意实施例示于图1中。借助示意例子,等离子体发射装置100具有正方形横截面形状,但是任何希望的几何形状都是可行的,并落入本发明的范围内。而且,等离子体发射装置100的尺寸可以根据需要改变,以便适应特殊应用和总成本。
等离子体发射装置100是便携式的并且可以使用把手105很容易地在被处理表面上引导。主体包括设置在第一介质125上方的导管或腔室110。在图1所示的例子中,第一介质125具有贯穿它限定的多个毛细管120。第一电极115部分地插入各个毛细管120的每个中,并连接到高电压源。借助例子,第一电极被分割,即具有钝状端部的固体针部分地插入各个毛细管120。这种结构在2000年12月15日申请的美国专利系申请列号No.09/738923中有详细介绍,这里引证其全部内容供参考。第一电极115的其它结构也是可行的。例如,针可具有贯穿它的中空通道以允许载体气体通过和/或可具有锥形而不是钝状端部。或者,分段的第一电极根本不必延伸到毛细管120中,因此可以构成为靠近毛细管120的开口设置或与其接触的环或垫圈。前面是为了说明具有毛细管的第一介质和分段电极。代替使用毛细管分段电极放电,可以替换成电晕或板放电。第一电极和介质的结构可以按希望进行修改,对于本发明来说不是重点。
第一介质125优选设置成利用例如间隔器130如O形环使其与第二或相反电极140相隔预定距离,以便在其间形成腔135。腔135可用于接收辅助试剂,如载体气体,例如氦气,并具有包含在其中的空气对反应器的整个介质作贡献的双重优点。可以完全消除间隔器130,使第二电极150与第一介质接触。第二电极150连接到具有不同于第一电极115的电位例如地电位的电压,以便在这两个电极之间产生电压电位差。
图2是图1的示意第二电极140的等离子体出射表面145的底部平面图。第二电极140是通过在两个介质层165、170(例如特氟伦板,即聚四氟乙烯板)之间叠置至少一个导电层150而制成的。贯穿层叠的组件限定一个或多个孔,以便接收例如由氧化铝、石英、耐热玻璃或任何其它绝缘材料制成的第二介质155。第二介质155的几何结构可以根据需要进行修改,只要允许等离子体通过它即可。一种优选结构是将第二介质155设计成环形或套管形,并使其外径大体上等于孔的内径,以便允许环或套管155插入孔中并保持在其中。贯穿每个套管155限定至少一个镗孔160,以便允许等离子体放电通过。在每个套管中限定的大量镗孔不必是均匀的。借助例子,图2示出了具有35个镗孔160的第二电极140。但是,在本发明的范围,可以根据需要修改该设计,从而包括在任何所希望的设置或图形中的任何数量的一个或多个镗孔。而且,孔和插入其中的套管在直径上可以(但不是必须)是均匀的和/或彼此隔开。此外,用于形成第二介质的层叠组件示于图1的例子中,其包括单一导电层150,但是,如果需要的话也可以使用一个以上的导电层。
在优选实施例中,该等离子体发射装置设置成使得限定在第一电极115中的毛细管120的中心和第二介质155中的相关镗孔160的中心基本上对准。由于第一电极和第二电极115、150之间的电压差产生的等离子体通过在第一介质125中限定的毛细管120并被接收在限定在第二介质155中的相应相关的镗孔160中,其中第二介质155被埋置在层叠组件第二电极140中。在通过镗孔160时,等离子体放电在镗孔160内向连接到地的导电层150扩散。结果是,从反应器的出射表面145发射的等离子体放电大致表现为各个镗孔160的内周边的形状和尺寸,因此覆盖了被处理的较宽的表面区域。
根据本发明的等离子体发射装置的替换第二实施例示于图3和4中(以下称为“单向导线第二电极”结构)。这个替换实施例特别适用于槽式放电第一电极结构,如在2002年2月19日申请的美国临时申请系列号No.60/358340中公开的,这里引证其内容供参考。这个第一电极结构不同于第一实施例的毛细管的地方在于在第一介质325中限定基本矩形槽320。在这种结构中,从第一介质325中的槽320发射的等离子体放电扩散并覆盖腔335中的较宽区域。在槽式放电第一电极结构中,代替使用其中限定有孔的层叠板,如图1和2所示,第二电极由用介质材料绝缘并且基本上彼此平行设置和固定在框架375上的一个或多个导线或板条340(例如高电压线)构成(图4)。在这个实施例中,在相邻导线或板条之间的宽度或间隔都不必是均匀的。
优选地,限定在第一介质325中的槽320基本上设置在封入介质绝缘体342中的两个相邻第二导线/板条电极340之间的中心位置上。由于各个第一和第二电极350、340之间的电压差产生的等离子体通过在第一介质325中限定的槽320并向设置在槽放电的每边上的第二导线/板条电极340扩散。等离子体的基本线性和扩散区由这种结构产生,由此覆盖比图1和2的毛细管分段放电更大的表面区域。除了第一电极和介质的槽放电结构之外,阻挡和电晕放电结构也适合于本实施例。
图5和6示出了根据本发明等离子体发射装置的示意第三实施例(以下称为“双向导线编织第二电极”结构)。这个第三实施例不同于第二实施例的地方在于在至少两个方向设置导线或板条。在优选实施例中,形成第二电极540的导线或板条基本互相垂直设置并交织形成织物。或者,第二电极可以由在它们的交叉点固定的多个导线或板条(例如高压线)形成,以便形成“线网状”格栅,然后用绝缘材料涂覆。已经发现使用线网状格栅(代替交织)导致在将该网状物覆盖或浸在介质液体中之后,介电常数非均均分布。具体而言,在交叉部位形成较厚的介质材料,这增加了在较薄(非交叉)部位的击穿。当交织双向导线和板条时实现了更均匀的覆盖率和介电常数。在优选实施例中,第一和第二介质设置成使得第一电极515的中心与由交叉线/板条540形成的相应相关基本方形几何形状的中心基本上同心。
像图1和2中所示的第一实施例那样,示出和介绍了具有毛细管分段第一电极放电的如图5和6中所示的第三实施例。但是,第一电极和介质515、525的其它结构也处于本发明的范围内。例如,针可以具有贯穿它的中空通道以允许载体气体通过和/或可以具有锥形端部。作为选择,分段电极515根本不必延伸到毛细管520中,因此可以构成为在毛细管520的开口附近设置或与此开口接触的环或垫圈。代替使用毛细管分段放电结构作为第一电极和介质,可采用电晕或板放电。第一电极和介质的结构可以按需要进行修改,并且不是本发明的重点。
图7和8分别是根据本发明的等离子体发射装置的另一实施例的示意侧视图和透视图。借助例子只示出了一个毛细管,但是,应该理解反应器很容易设计成包括一个以上的毛细管。第一电极715部分地插入毛细管720。设置在毛细管720外周边周围的是形状为环或垫圈形的第二电极750。在第一电极和第二电极715、750之间存在电压差,在毛细管720内产生等离子体放电。由于它的较低电压而使毛细管720中的等离子体朝向第二电极750引出,由此使等离子体放电向毛细管720的内周边扩散。相应地,在被处理的较大表面区域上从等离子体反应器700的出射表面745发射等离子体放电。
下面针对物体或液体的表面清洗或处理的特殊应用介绍本发明等离子体发射装置的优点。迄今为止,利用常规等离子体反应器,在形成在第一介质和第二介质之间的通道中产生等离子体放电。因此,待处理或清洗的表面必须在该通道中通过,由此严重妨碍了在比通道宽度尺寸大的物体上的表面处理。
相反,在本发明的等离子体发射装置中等离子体放电从第二电极通过并发射。因而,在工作中,待处理表面和物体本身不必通过限于预定宽度的间隙。而是,待处理表面只需靠近等离子体发射装置的等离子体出射表面设置或与其直接接触,而与物体本身的尺寸无关。如果等离子体发射装置的等离子体出射表面设置成与待处理表面直接接触,则该表面被电子和自由基碰撞。这特别适合于如清洗和刻蚀等应用。在另一方面,如果等离子体发射装置固定成使得等离子体出射表面设置成与待处理的物体表面相隔预定距离,即大于零(非接触),则该表面将只由自由基碰撞。这个替换实施例适于如光源等应用,以便增加表面张力、杀菌和/或清洗。通常,表面处理是用于物体的,但是本发明的反应器可以在处理液体表面或处理污染气体时使用。
该等离子体发射装置的另一优点是在不必移动或旋转物体本身的情况下可以处理3维物体的多个表面。为此,用户只改变等离子体发射装置的等离子体出射表面的方向以便靠近或接触被处理的物体的每个表面。
这样,根据本发明的等离子体发射装置的结构具有以下优点:等离子体放电即基和/或电子通过和越过第二电极。结果是,被表面处理的物体其尺寸不必限定为第一介质和第二电极之间形成的通道的间隙预定宽度,如已发现的,在常规等离子体反应器装置中是需要限定处理表面的尺寸的。
发现根据本发明的等离子体发射装置可用于很多应用。一种典型用是使用该等离子体发射装置清洗和/或消毒物体或液体的表面,或者处理被污染气体。另一应用是使用该装置作为光源。又一应用是通过由该等离子体反应器装置产生的自由基和/或电子的碰撞提供表面化学性和控制氧化。这只是根据本发明的等离子体发射装置的用途的几个示意例子,并不意味着本发明的范围限制了这里没有公开的其它任何附加期望方式。尽管已经针对固体物体表面介绍了本发明,但是应该理解该等离子体发射装置同样可用于处理液体和气体。
因此,前面已经示出、介绍和指出了施加于其优选实施例的本发明的基本新特征,但是应该理解,本领域普通技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对所示装置和在它的工作中进行形式和细节上的各种省略、替换、和改变。例如,基本上执行相同功能、以基本相同方式、达到相同结果的那些元件和/或步骤的所有组合都趋于落入本发明的范围内。从一个所述实施例到另一实施例的元件的替换全都是本发明的所期望。还应该理解附图不是按尺寸比例绘制的,它们只是表示基本概念性的。因此,本发明的范围只由所附权利要求的范围限定。
本申请中引证的所有专利、专利申请、公报、程序等是用于参考的。

Claims (44)

1、一种等离子体发射装置,包括:
第一介质;
靠近所述第一介质设置的一个第一电极,所述第一电极处于第一电压电位;和
处于不同于第一电压电位的第二电压电位以便产生等离子体放电的第二电极,所述第二电极允许等离子体放电通过它。
2、根据权利要求1的等离子体发射装置,其中所述第二电极是包括其间设置导电层的两个介质层的叠层,至少一个孔限定在所述叠层中,介质套管设置在每个相应孔中,并在套管中限定孔洞。
3、根据权利要求2的等离子体发射装置,其中所述第一介质具有贯穿其限定的至少一个毛细管。
4、根据权利要求3的等离子体发射装置,其中所述第一介质相对于所述第二介质设置,使每个毛细管的中心与每个相应孔洞的中心基本对准。
5、根据权利要求1的等离子体发射装置,其中所述第二电极是基本上彼此平行设置并固定在框架中的多个单向导线。
6、根据权利要求5的等离子体发射装置,其中所述第一介质具有贯穿它限定的至少一个槽。
7、根据权利要求6的等离子体发射装置,其中所述第一介质相对于所述第二电极设置,使得每个槽大致设置在两个相邻导线之间的中心。
8、根据权利要求1的等离子体发射装置,其中所述第二电极是基本上彼此平行设置并固定在框架中的多个单向导电板条。
9、根据权利要求8的等离子体发射装置,其中所述第一介质具有贯穿它限定的至少一个槽。
10、根据权利要求9的等离子体发射装置,其中所述第一介质相对于所述第二电极设置,使得每个槽大致设置在两个相邻导电板条之间的中心。
11、根据权利要求1的等离子体发射装置,其中所述第二电极是在基本垂直结构中交织以形成格栅的多个双向导线,所述双向导线固定在框架中。
12、根据权利要求11的等离子体发射装置,其中所述第一介质具有贯穿它限定的至少一个毛细管。
13、根据权利要求12的等离子体发射装置,其中所述第一介质相对于所述第二介质设置,使得每个毛细管的中心与通过双向导线的重叠形成的每个正方形的中心大体对准。
14、根据权利要求1的等离子体发射装置,其中所述第二电极是在基本垂直结构中交织以形成格栅的多个双向导电板条,所述双向导电板条固定在框架中。
15、根据权利要求14的等离子体发射装置,其中所述第一介质具有贯穿它限定的至少一个毛细管。
16、根据权利要求15的等离子体发射装置,其中所述第一介质相对于所述第二介质设置,使得每个毛细管的中心与通过双向导电板条的重叠形成的每个正方形的中心大体对准。
17、根据权利要求1的等离子体发射装置,还包括设置在所述第一和第二介质之间的间隔器,使第二介质相对于所述第一介质隔开预定距离。
18、一种等离子体发射装置,包括:
第一介质,它具有贯穿它的一个孔
靠近所述第一介质设置的第一电极;和
在所述第一介质的外周边的至少一部分周围设置的一个第二电极,所述第一和第二电极处于不同的电压电位,以便产生等离子体放电。
19、根据权利要求18的等离子体发射装置,其中所述第一电极是至少部分地插入孔中的针,并且所述第二电极是由设置在所述第一介质周边周围的导电材料构成的垫圈。
20、一种等离子体发射装置,包括:
外壳;
设置在所述外壳内的第一介质;
靠近所述第一介质设置的第一电极;
具有第一表面和相反的等离子体出射表面的第二电极,所述第一表面面向所述第一电极,所述相反的等离子体出射表面形成所述外壳的一个表面的至少一部分,第一和第二电极处于不同的电压,以便产生从所述第二电极的等离子体出射表面发射的等离子体放电。
21、一种使用等离子体发射装置产生等离子体放电的方法,该装置包括第一介质、靠近所述第一介质设置的第一电极和第二电极,第一和第二电极处于不同电压,所述方法包括以下步骤:
产生通过所述第二电极的等离子体放电。
22、根据权利要求21的方法,其中所述产生步骤包括在所述第一和第二电极之间施加不同电位电压的差,以便产生等离子体放电。
23、根据权利要求21的方法,其中所述第二电极是包括其间设置导电层的两个介质层的叠层,至少一个孔限定在所述叠层中,并且介质套管设置在每个相应孔中,并在套管中限定孔洞。
24、根据权利要求23的方法,其中所述第一介质具有贯穿其限定的至少一个毛细管。
25、根据权利要求24的方法,其中所述第一介质相对于所述第二介质设置,使每个毛细管的中心与每个相应孔洞的中心基本对准。
26、根据权利要求21的方法,其中所述第二电极是基本上彼此平行设置并固定在框架中的多个单向导线。
27、根据权利要求26的方法,其中所述第一介质具有贯穿它限定的至少一个槽。
28、根据权利要求27的方法,其中所述第一介质相对于所述第二电极设置,使得每个槽大致设置在两个相邻导线之间的中心。
29、根据权利要求21的方法,其中所述第二电极是基本上彼此平行设置并固定在框架中的多个单向导电板条。
30、根据权利要求29的方法,其中所述第一介质具有贯穿它限定的至少一个槽。
31、根据权利要求30的方法,其中所述第一介质相对于所述第二电极设置,使得每个槽大致设置在两个相邻导电板条之间的中心。
32、根据权利要求31的方法,其中第二电极是在基本垂直结构中交织以形成格栅的多个双向导线,所述双向导线固定在框架中。
33、根据权利要求32的方法,其中所述第一介质具有贯穿它限定的至少一个毛细管。
34、根据权利要求33的方法,其中所述第一介质相对于所述第二介质设置,使得每个毛细管的中心与通过双向导线的重叠形成的每个正方形的中心大体对准。
35、根据权利要求21的方法,其中所述第二电极是在基本垂直结构中交织以形成格栅的多个双向导电板条,所述双向导电板条固定在框架中。
36、根据权利要求35的方法,其中所述第一介质具有贯穿它限定的至少一个毛细管。
37、根据权利要求36的方法,其中所述第一介质相对于所述第二介质设置,使得每个毛细管的中心与通过双向导电板条的重叠形成的每个正方形的中心大体对准。
38、根据权利要求21的方法,还包括设置在所述第一和第二介质之间的间隔器,使第二介质相对于所述第一介质隔开预定距离。
39、根据权利要求21的方法,其中所述第一介质具有贯穿它限定的孔,所述第一电极靠近所述第一介质设置,并且所述第二电极设置在所述第一介质的外周边的至少一部分周围。
40、根据权利要求39的方法,其中所述第一电极是至少部分地插入孔中的针,并且所述第二电极是由设置在所述第一介质周边周围的导电材料构成的垫圈。
41、根据权利要求21的方法,其中所述第二电极具有面向所述第一电极的第一表面和相反等离子体出射表面。
42、根据权利要求41的方法,还包括使等离子体放电通过所述第二电极的等离子体出射表面。
43、根据权利要求42的方法,还包括设置该等离子体发射装置,使所述第二电极的出射表面靠近被处理表面。
44、根据权利要求42的方法,还包括设置该等离子体发射装置,使所述第二电极的出射表面与被处理表面直接接触。
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