CN207452250U - 一种空气动力学反应装置 - Google Patents

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郭鸿晨
陈志宽
黄维
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Abstract

本实用新型涉及空气动力学领域，特别是涉及一种空气动力学反应装置。本实用新型提供一种空气动力学反应装置，所述装置包括反应腔和进气整流罩，所述进气整流罩包括进气整流罩流体入口和进气整流罩流体出口，所述进气整流罩流体出口的面积大于进气整流罩流体入口的面积、且所述进气整流罩的内腔的大小自进气整流罩流体入口至进气整流罩流体出口均匀变化，所述反应腔包括反应腔流体入口和反应腔流体出口，所述反应腔流体入口与进气整流罩流体出口相配合。本实用新型所提供的空气动力学反应装置通过整流罩的设计，使气流进入腔体之前先行成稳定的气流，并可以在腔体内形成稳定的层流状态，从而使得表面原子层沉积等反应可以稳定、顺利地进行。

Description

一种空气动力学反应装置
技术领域
本实用新型涉及空气动力学领域，特别是涉及一种空气动力学反应装置。
背景技术
在现代科学技术的发展中，特别是纳米科学技术的发展中，几乎所有的相关应用都涉及以实现各种表面功能为目的的纳米镀膜技术，特别是可以在原子尺度进行厚度控制的纳米镀膜技术。在镀膜方法的选取上，液相条件的湿化学方法虽然成本低廉，却难以形成等厚且均匀致密的高质量纳米镀膜层。目前被广泛采用的纳米镀膜技术都是基于气相条件下的纳米镀膜技术，例如物理气相沉积、化学气相沉积以及原子层沉积等。其中原子层沉积技术由于具有独特的表面自限制生长机理，其应用范围在近年来随着半导体及微电子产业的发展得到了迅速拓展。
原子层沉积技术采用反应物分子有序交替输运、表面自限制性生长、步进式表面覆盖等方式和机理来控制物体表面的气相化学反应，从而实现纳米/亚纳米尺度内薄膜生长速率的精确控制。目前，在需要制备超薄、高均匀性和保型性极好的各种薄膜材料的应用中，原子层沉积技术具有不可替代的地位。正因如此，原子层沉积技术有着广泛的应用领域。具不完全统计，原子层沉积技术的应用在过去的十年中成指数增长，目前这种方法已经被广泛应用于半导体及相关产业，例如：集成电路、传感器、III-V器件、微/纳机电系统制造业、光学器件和光电工程、防锈耐磨材料和可再生能源应用(比如：太阳能)。其他大规模的应用包括防腐、能源存储和生产(例如：先进薄膜电池和燃料电池)、柔性电子水分或者气体密封涂层、针对医疗设备和植入体的生物相容性涂层、水净化、先进的照明设备(例如：LED)、生态包装材料、装饰涂料、玻璃防裂层、防水涂料等。
在原子层沉积技术的实施中，通常需要保证气体进入反应腔体之前先形成为层流，以保证反应物分子的有效输运、表面子限制反应的顺利实现、反应副产物的快速排空。而现有原子层沉积反应腔设计欠缺对层流条件的有效控制，致使反应腔内部整体镀膜均匀性较差、空间利用率低、副产物排出不顺，对原子层沉积技术的进一步发展，特别是产业化的大批量生产应用，造成了相当大的困难。所以，具有合适性价比的整流装置对原子层沉积技术的进一步推广将有着重大推进作用。
实用新型内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种空气动力学反应装置，用于解决现有技术中的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种空气动力学反应装置，所述空气动力学反应装置包括反应腔和进气整流罩，所述进气整流罩包括进气整流罩流体入口和进气整流罩流体出口，所述进气整流罩流体出口的面积大于进气整流罩流体入口的面积、且所述进气整流罩的内腔的大小自进气整流罩流体入口至进气整流罩流体出口均匀变化，所述反应腔包括反应腔流体入口和反应腔流体出口，所述反应腔流体入口与进气整流罩流体出口相配合；
其中，(d2-d1)V≤1.26ФLd；
d1为进气整流罩流体入口的流体直径；d2为进气整流罩流体出口的流体直径；V为反应装置气体流量；Ф为进气整流罩流体出口的周长；Ld为进气整流罩轴线的长度。
在本实用新型一些实施方式中，d1＝0.7～10厘米。
在本实用新型一些实施方式中，d2＝5～100厘米。
在本实用新型一些实施方式中，V＝10～1000sccm。
在本实用新型一些实施方式中，Ф＝15～157厘米。
在本实用新型一些实施方式中，Ld＝10～200厘米。
在本实用新型一些实施方式中，所述进气整流罩以进气整流罩流体出口处流体的流动方向延伸形成反应腔，所述反应腔流体出口位于反应腔的末端。
在本实用新型一些实施方式中，所述进气整流罩流体入口所在平面平行于进气整流罩流体出口所在平面。
在本实用新型一些实施方式中，所述进气整流罩的内腔为台体。
在本实用新型一些实施方式中，所述空气动力学反应装置还包括出气整流罩，所述出气整流罩包括出气整流罩流体入口和出气整流罩流体出口，所述出气整流罩流体入口与反应腔流体出口相配合，所述出气整流罩流体入口的面积大于出气整流罩流体出口的面积、且所述出气整流罩的内腔的大小自出气整流罩流体入口至出气整流罩流体出口均匀变化。
在本实用新型一些实施方式中，(d1’-d2’)V’≤1.26Ф’Ld’；
d1’为出气整流罩流体入口的流体直径；d2’为出气整流罩流体出口的流体直径；V’为反应装置气体流量；Ф’为出气整流罩流体入口的周长；Ld’为出气整流罩轴线的长度。
在本实用新型一些实施方式中，d1’＝5～100厘米。
在本实用新型一些实施方式中，d2’＝0.7～10厘米。
在本实用新型一些实施方式中，V’＝10～1000sccm。
在本实用新型一些实施方式中，Ф’＝15～157厘米。
在本实用新型一些实施方式中，Ld’＝10～200厘米。
在本实用新型一些实施方式中，所述出气整流罩流体入口所在平面平行于出气整流罩流体出口所在平面。
在本实用新型一些实施方式中，所述出气整流罩的内腔为台体。
在本实用新型一些实施方式中，所述反应腔内设有待处理器件固定装置。
在本实用新型一些实施方式中，所述空气动力学反应装置为表面原子层沉积反应装置。
附图说明
图1显示为本实用新型一实施方式的结构示意图。
图2显示为本实用新型一实施方式的结构示意图。
图3显示为本实用新型一实施方式的结构示意图。
图4显示为本实用新型一实施方式的结构示意图。
图5显示为本实用新型一实施方式的结构示意图。
图6显示为本实用新型一实施方式的结构示意图。
元件标号说明
1 反应腔
11 反应腔流体入口
12 反应腔流体出口
2 进气整流罩
21 进气整流罩流体入口
22 进气整流罩流体出口
3 出气整流罩
31 出气整流罩流体入口
32 出气整流罩流体出口
4 待处理器件固定装置
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。
请参阅图1至图6。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。
如图1-6所示，本实用新型提供一种空气动力学反应装置，所述空气动力学反应装置包括反应腔1和进气整流罩2，所述进气整流罩2包括进气整流罩流体入口21和进气整流罩流体出口22，所述进气整流罩流体出口22的面积大于进气整流罩流体入口21的面积，且所述进气整流罩2的内腔的大小自进气整流罩流体入口21至进气整流罩流体出口22均匀变化，所述反应腔1包括反应腔流体入口11和反应腔流体出口12，所述反应腔流体入口11与进气整流罩流体出口22相配合，例如，所述反应腔流体入口11可以与进气整流罩流体出口22吻合。
本实用新型所提供的空气动力学反应装置中，所述进气整流罩2的尺寸通常符合(d2-d1)V≤1.26ФLd。其中，d1为进气整流罩流体入口21的流体直径，进气整流罩流体入口21的流体直径通常可以为(4*进气整流罩流体入口21的面积/进气整流罩流体入口21的周长)，例如，对于圆形(含椭圆形)入口和/或出口，其流体直径可以为(4*面积/周长)，对于矩形入口和/或出口，其流体直径可以为(2*边长1*边长2/(边长1+边长2))；在本实用新型一些具体实施方式中，d1可以为0.7～10厘米；d2为进气整流罩流体出口22的流体直径，进气整流罩流体出口22的流体直径通常可以为(4*进气整流罩流体出口22的面积/进气整流罩流体出口22的周长)，在本实用新型一些具体实施方式中，d2可以为5～100厘米；V为反应装置气体流量，在本实用新型一些具体实施方式中，V可以为10～1000sccm；Ф为进气整流罩流体出口22的周长，在本实用新型一些具体实施方式中，Ф可以为15～157厘米；Ld为进气整流罩2轴线的长度，在本实用新型一些具体实施方式中，Ld可以为10～200厘米。
本实用新型所提供的空气动力学反应装置中，所述进气整流罩流体入口21的形状可以是圆形、椭圆形、多边形(例如，三角形、长方形、五边形、六边形等)以及其他各种形状；所述进气整流罩流体出口22的形状可以是圆形、椭圆形、多边形(例如，三角形、长方形、五边形、六边形等)以及其他各种形状；进气整流罩流体入口21的形状与进气整流罩流体出口22的形状可以相同，也可以不同。在本实用新型一些具体实施方式中，进气整流罩流体入口21的形状与进气整流罩流体出口22的形状相同，例如，进气整流罩流体出口22可以是进气整流罩流体入口21按一定比例放大的形状。在本实用新型另一些具体实施方式中，进气整流罩流体入口21所在的平面可以与进气整流罩流体出口22所在的平面平行。在本实用新型另一些具体实施方式中，所述进气整流罩2的内腔可以为台体或截面为梯形的柱形等，所述台体可以是例如圆台、椭圆台、棱台等，所述截面为梯形的柱形中梯形截面的较短的底边所对应的柱形的侧面为进气整流罩流体入口21，梯形截面的较长的底边所对应的柱形的侧面为进气整流罩流体出口22，进气整流罩流体入口21的中心点与进气整流罩流体出口22的中心点的之间的距离即为进气整流罩2轴线的长度。
本实用新型所提供的空气动力学反应装置中，所述进气整流罩2以进气整流罩流体出口22处流体的流动方向延伸形成反应腔1，本领域技术人员可根据需要确定合适尺寸的反应腔，以保证从反应腔流体入口11进入的流体(此时可以已形成稳定的层流，也可以在进入反应腔以后再形成稳定的层流，所述稳定层流通常指雷诺数不高于5000的气流)，并可以进一步以相对稳定的状态自反应腔流体入口11流向反应腔流体出口12。例如，所述反应腔1的内腔通常可以为大小形状均匀变化的腔体，再例如，所述反应腔流体入口11的大小可以与反应腔1的截面(反应腔1的截面可以是以反应腔1中心处流体的流动方向为基准的截面)大小相对应，所述反应腔流体入口11的大小可以小于反应腔1的截面。例如，所述反应腔1的内腔可以是轴线与流体流动方向(通常指流股中心处流体的流动方向)整体上一致的柱形(例如，椭圆柱、圆柱体、长方体等多边形柱形)，反应腔流体入口11和反应腔流体出口12可以分别位于柱形内腔的两端，更具体可以是对称地分别位于柱形内腔的两端，反应腔1柱形内腔的轴线可以与流体流动方向一致，在本实用新型一些具体实施方式中，所述进气整流罩2内腔的轴线与反应腔1柱形内腔的轴线可以重合。再例如，所述反应腔1的内腔也可以是轴线与流体流动方向整体上垂直的柱形(例如，椭圆柱、圆柱体、长方体等多边形柱形)，反应腔流体入口11和反应腔流体出口12分别位于柱形的两侧，更具体可以是对称地分别位于柱形内腔的两侧，所述进气整流罩2出口处流体的流动方向可以与反应腔1柱形内腔的轴线垂直且经过其轴线的中点，在本实用新型另一些具体实施方式中，所述进气整流罩2内腔的轴线可以与反应腔1柱形内腔的轴线垂直且经过其轴线的中点。
本实用新型所提供的空气动力学反应装置中，所述空气动力学反应装置还包括出气整流罩3，所述出气整流罩3包括出气整流罩流体入口31和出气整流罩流体出口32，所述出气整流罩流体入口31与反应腔流体出口12相配合，例如，所述反应腔流体出口12可以与出气整流罩流体入口31吻合，所述出气整流罩流体入口31的面积大于出气整流罩流体出口32的面积，且所述出气整流罩3的内腔的大小自出气整流罩流体入口31至出气整流罩流体出口32均匀变化。
本实用新型所提供的空气动力学反应装置中，所述出气整流罩3的尺寸通常符合(d1’-d2’)V’≤1.26Ф’Ld’。其中，d1’为出气整流罩流体入口31的流体直径，出气整流罩流体入口31的流体直径通常可以为(4*出气整流罩流体入口31的面积/出气整流罩流体入口31的周长)；在本实用新型一些具体实施方式中，d1’可以为5～100厘米；d2’为出气整流罩流体出口32的流体直径，出气整流罩流体出口32的流体直径通常可以为(4*出气整流罩流体出口32的面积/出气整流罩流体出口32的周长)，在本实用新型一些具体实施方式中，d2’可以为0.7～10厘米；V’为反应装置气体流量，在本实用新型一些具体实施方式中，V’可以为10～1000sccm；Ф’为出气整流罩流体入口31的周长，在本实用新型一些具体实施方式中，Ф’可以为15～157厘米；Ld’为出气整流罩3轴线的长度，在本实用新型一些具体实施方式中，Ld’可以为10～200厘米。
本实用新型所提供的空气动力学反应装置中，所述出气整流罩流体入口31的形状可以是圆形、椭圆形、多边形(例如，三角形、长方形、五边形、六边形等)以及其他各种形状；所述出气整流罩流体出口32的形状可以是圆形、椭圆形、多边形(例如，三角形、长方形、五边形、六边形等)以及其他各种形状；出气整流罩流体入口31的形状与出气整流罩流体出口32的形状可以相同，也可以不同。在本实用新型一些具体实施方式中，出气整流罩流体入口31的形状与出气整流罩流体出口32的形状相同，例如，出气整流罩流体出口32可以是出气整流罩流体入口31按一定比例缩小的形状。在本实用新型另一些具体实施方式中，出气整流罩流体入口31所在的平面可以与出气整流罩流体出口32所在的平面平行。在本实用新型另一些具体实施方式中，所述出气整流罩3的内腔可以为台体或截面为梯形的柱形等，所述台体可以是例如圆台、椭圆台、棱台等，所述截面为梯形的柱形中梯形截面的较短的底边所对应的柱形的侧面为出气整流罩流体出口32，梯形截面的较长的底边所对应的柱形的侧面为出气整流罩流体入口31，出气整流罩流体入口31的中心点与出气整流罩流体出口32的中心点的之间的距离即为出气整流罩3轴线的长度。
本实用新型所提供的空气动力学反应装置中，所述反应腔流体出口12通常位于反应腔1的末端，以便反应腔1中的流体可以稳定地流出，所述反应腔1的末端通常指反应腔1内相对于反应腔流体入口11所在位置的另一端。例如，所述反应腔1的内腔可以是轴线与流体流动方向整体上一致的柱形(例如，椭圆柱、圆柱体、长方体等多边形柱形)，进气整流罩2和出气整流罩3可以分别位于柱形内腔的两端，更具体可以是对称地分别位于柱形内腔的两端，出气整流罩3的轴线可以与流体流动方向一致，在本实用新型一些具体实施方式中，所述进气整流罩2内腔的轴线、出气整流罩3内腔的轴线与反应腔1柱形内腔的轴线可以重合。再例如，所述反应腔1的内腔也可以是轴线与流体流动方向整体上垂直的柱形(例如，椭圆柱、圆柱体、长方体等多边形柱形)，进气整流罩2和出气整流罩3可以分别位于柱形的两侧，更具体可以是对称地分别位于柱形内腔的两侧，出气整流罩3出口处流体的流动方向可以与反应腔1柱形内腔的轴线垂直且经过其轴线的中点，在本实用新型另一些具体实施方式中，所述进气整流罩2内腔的轴线可以与出气整流罩3内腔的轴线重合，且进气整流罩2内腔的轴线、出气整流罩3内腔的轴线分别与反应腔1柱形内腔的轴线垂直且经过其轴线的中点。
本实用新型所提供的空气动力学反应装置中，所述反应腔1内还可以设有待处理器件固定装置4，用于放置或者固定待处理器件，所述待处理器件固定装置4可以是例如平台、夹具等，所述待处理器件固定装置4通常可以位于反应腔1内腔的中部，也可以位于距进气整流罩流体出口22大于或等于Len处，所述Len具体为Len＝0.03ReD，其中D为反应腔1横截面的流体直径，更具体为反应腔流体入口11处的横截面的流体直径(D＝4*反应腔1的横截面的面积/反应腔1的横截面的周长)，所述反应腔流体入口11处的横截面为垂直于反应腔流体入口11处流体流动方向的反应腔1的截面；Re为反应腔流体入口11处流体的雷诺数。反应腔1的内腔以流体的流动方向为基准，距离进气整流罩流体出口22的距离≥Len时，流体的流动状态会更加稳定，从而可以形成稳定的层流状态，而反应腔1的内腔以流体的流动方向为基准的长度也通常大于Len，以保证反应腔1的内腔中有足够的空间放置待处理器件，通常来说，长度可以是Len的任意整数倍。
本实用新型所提供的空气动力学反应装置可以应用于各种需要空气动力学调整的应用领域，例如，所述空气动力学反应装置可以为表面原子层沉积空气动力学反应装置，再例如，化学气相沉积、物理气相沉积、磁控溅射等。所述反应装置可以通过整流罩的设计，使气流进入腔体之前先行成为层流，并在腔体内保持稳定的层流状态，从而使得表面原子层沉积等反应可以稳定、顺利地进行。
综上所述，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (12)

1.一种空气动力学反应装置，其特征在于，所述空气动力学反应装置包括反应腔(1)和进气整流罩(2)，所述进气整流罩(2)包括进气整流罩流体入口(21)和进气整流罩流体出口(22)，所述进气整流罩流体出口(22)的面积大于进气整流罩流体入口(21)的面积、且所述进气整流罩(2)的内腔的大小自进气整流罩流体入口(21)至进气整流罩流体出口(22)均匀变化，所述反应腔(1)包括反应腔流体入口(11)和反应腔流体出口(12)，所述反应腔流体入口(11)与进气整流罩流体出口(22)相配合；
其中，(d2-d1)V≤1.26ФLd；
d1为进气整流罩流体入口(21)的流体直径；d2为进气整流罩流体出口(22)的流体直径；V为反应装置气体流量；Ф为进气整流罩流体出口(22)的周长；Ld为进气整流罩(2)轴线的长度。
2.如权利要求1所述的一种空气动力学反应装置，其特征在于，d1＝0.7～10厘米，d2＝5～100厘米，V＝10～1000sccm，Ф＝15～157厘米，Ld＝10～200厘米。
3.如权利要求1所述的一种空气动力学反应装置，其特征在于，所述进气整流罩(2)以进气整流罩流体出口(22)处流体的流动方向延伸形成反应腔(1)，所述反应腔流体出口(12)位于反应腔(1)的末端。
4.如权利要求1所述的一种空气动力学反应装置，其特征在于，所述进气整流罩流体入口(21)所在平面平行于进气整流罩流体出口(22)所在平面。
5.如权利要求1所述的一种空气动力学反应装置，其特征在于，所述进气整流罩(2)的内腔为台体。
6.如权利要求1所述的一种空气动力学反应装置，其特征在于，所述空气动力学反应装置还包括出气整流罩(3)，所述出气整流罩(3)包括出气整流罩流体入口(31)和出气整流罩流体出口(32)，所述出气整流罩流体入口(31)与反应腔流体出口(12)相配合，所述出气整流罩流体入口(31)的面积大于出气整流罩流体出口(32)的面积、且所述出气整流罩(3)的内腔的大小自出气整流罩流体入口(31)至出气整流罩流体出口(32)均匀变化。
7.如权利要求6所述的一种空气动力学反应装置，其特征在于，(d1’-d2’)V’≤1.26Ф’Ld’；
d1’为出气整流罩流体入口(31)的流体直径；d2’为出气整流罩流体出口(32)的流体直径；V’为反应装置气体流量；Ф’为出气整流罩流体入口(31)的周长；Ld’为出气整流罩(3)轴线的长度。
8.如权利要求7所述的一种空气动力学反应装置，其特征在于，d1’＝5～100厘米，d2’＝0.7～10厘米，V’＝10～1000sccm，Ф’＝15～157厘米，Ld’＝10～200厘米。
9.如权利要求6所述的一种空气动力学反应装置，其特征在于，所述出气整流罩流体入口(31)所在平面平行于出气整流罩流体出口(32)所在平面。
10.如权利要求6所述的一种空气动力学反应装置，其特征在于，所述出气整流罩(3)的内腔为台体。
11.如权利要求1所述的一种空气动力学反应装置，其特征在于，所述反应腔(1)内设有待处理器件固定装置(4)。
12.如权利要求1所述的一种空气动力学反应装置，其特征在于，所述空气动力学反应装置为表面原子层沉积反应装置。
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