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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine miniaturisierbare Plasmaquelle und deren Verwendung.
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Stand der Technik
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Plasma, d. h. wenigstens teilweise ionisiertes Gas, kann in einer Vielzahl von technischen Anwendungen verwendet werden wie beispielsweise Oberflächenbeschichtung, Oberflächenaktivierung, Sterilisation, Ätzverfahren und dergleichen mehr. Übliche Plasmaquellen sind jedoch teuer, groß, arbeiten bei niedrigen Gasdrücken und weisen eine hohe Leistungsaufnahme auf. Es besteht daher Bedarf an einer kostengünstigen miniaturisierbaren Plasmaquelle, welche bei atmosphärischem Druck und niedriger Leistungsaufnahme arbeitet.
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DE 43 37 119 A1 offenbart eine Plasmaquelle mit einem Oszillator, welcher ein aktives Element und einen mit dem aktiven Element verbundenen Resonator besitzt, wobei der Resonator einen Hohlkörper, einen Gaseinlass, einen an einem distalen Ende des Hohlkörpers um eine Längsachse des Hohlkörpers angeordneten Gasauslass und eine entlang der Längsachse des Hohlkörpers angeordneten gewendelten Innenleiter aufweist, wobei ein distales Ende des Innenleiters relativ zum Gasauslass so angeordnet ist, dass sich eine Plasmastrecke zwischen dem als eine erste Plasmaelektrode fungierenden distalen Ende des Innenleiters und dem als eine zweite Plasmaelektrode fungierenden Gasauslass des Hohlkörpers ausbilden kann, wobei der Innenleiter an einem proximalen Ende des Hohlkörpers aus dem Inneren des Hohlkörpers durch eine elektrisch kontaktfreie Durchführung herausgeführt ist und ein proximales Ende des Innenleiters den Hohlkörper an dessen Außenseite kontaktiert, wobei der Innenleiter an einem zwischen dem proximalen Ende des Innenleiters und der Durchführung gelegenen ersten Kontaktbereich mit einem ersten Tor des aktiven Elementes gekoppelt ist.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die Erfindung führt daher eine Plasmaquelle mit einem Oszillator, welcher ein aktives Element und einen mit dem aktiven Element verbundenen Resonator besitzt, ein. Der Resonator weist einen Hohlkörper, einen Gaseinlass, einen an einem distalen Ende des Hohlkörpers um eine Längsachse des Hohlkörpers angeordneten Gasauslass und eine entlang der Längsachse des Hohlkörpers angeordnete Spule mit einer effektiven Länge von einem Viertel einer Wellenlänge bei einer Resonanzfrequenz des Resonators auf. Ein distales Ende der Spule ist relativ zum Gasauslass so angeordnet, dass sich eine Plasmastrecke zwischen dem als eine erste Plasmaelektrode fungierenden distalen Ende der Spule und dem als eine zweite Plasmaelektrode fungierenden Gasauslass des Hohlkörpers ausbilden kann. Erfindungsgemäß ist die Spule an einem proximalen Ende des Hohlkörpers aus dem Inneren des Hohlkörpers durch eine elektrisch kontaktfreie Durchführung herausgeführt, wobei „elektrisch kontaktfrei” bedeutet, dass im Bereich der Durchführung keine leitende Verbindung zwischen der Spule und dem Hohlkörper besteht. Ein proximales Ende der Spule kontaktiert den Hohlkörper an dessen Außenseite. Die Spule ist an einem zwischen dem proximalen Ende der Spule und der Durchführung gelegenen ersten Kontaktbereich mit einem ersten Tor des aktiven Elementes und an einem zwischen dem proximalen Ende der Spule und der Durchführung gelegenen zweiten Kontaktbereich mit einem zweiten Tor des aktiven Elementes gekoppelt. Der erste Kontaktbereich und der zweite Kontaktbereich sind dabei räumlich nicht identisch. Das erste Tor kann ein Ausgang des als Verstärker wirkenden aktiven Elementes und das zweite Tor ein Eingang des aktiven Elementes sein.
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Die Plasmaquelle der Erfindung kann miniaturisiert und somit als tragbares Gerät ausgeführt werden. Indem das Plasma selbst im elektrischen Ersatzschaltbild Teil des Oszillators ist, wird ein sehr einfacher Aufbau der Plasmaquelle möglich. Das Plasma wirkt nach Zündung als Last und bestimmt die Resonanzeigenschaften des Resonators und des gesamten Schwingkreises mit. In Resonanz ohne gezündetes Plasma ist die Auskopplung aus dem Resonator über den zweiten Kontaktbereich zum zweiten Tor des aktiven Elementes hoch, so dass die Anordnung der Schaltungstopologie eines rückgekoppelten Verstärkers entspricht und zuverlässig anschwingt. Die Schwingung des rückgekoppelten Verstärkers erzeugt eine Feldstärke im Resonator, die für die Zündung des Plasmas benötigt wird. Dementsprechend wird das Plasma bei Erreichen einer von den jeweiligen Umständen wie Art des Gases etc. abhängigen Leistung gezündet.
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Die Plasmaquelle der Erfindung bietet den zusätzlichen Vorteil, dass ein einfacher mechanischer Aufbau des Resonators möglich wird. Indem die Spule elektrisch kontaktfrei aus dem Hohlkörper nach außen geführt wird, kann sie außerhalb des Hohlkörpers mit einfachen Mitteln wie z. B. Micro-Strip-Leitungen realisiert werden, welche kostengünstig herstellbar sind. Der Resonator braucht außer der Spule im Inneren des Hohlkörpers keine weiteren Elemente aufzuweisen.
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Der erste Kontaktbereich kann mit dem ersten Tor des aktiven Elementes über einen ersten Kondensator gekoppelt sein. Der erste Kondensator blockt nicht nur eine für die Arbeitspunkteinstellung des aktiven Elementes eventuell vorhandene Gleichspannung, sondern trägt auch zur Resonanz bei, was das Anschwingen des Oszillators vereinfacht. Es handelt sich daher bei dieser bevorzugten Ausführung um einen gekoppelten mehrkreisigen Schwingkreis.
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Die Spule kann an dem zweiten Kontaktbereich mit dem zweiten Tor des aktiven Elementes induktiv gekoppelt sein. Diese Ausführungsvariante bietet den Vorteil, dass die Signalrückkopplung auf das zweite Tor des aktiven Elementes automatisch beendet wird, wenn das Plasma zündet, da dann die gesamte vom aktiven Element in den Resonator eingekoppelte Wirkleistung für die Anregung des Plasmas verwendet wird und der Strom in der Spule im zweiten Kontaktbereich Null oder wenigstens näherungsweise Null wird, so dass kein für die induktive Kopplung benötigtes Magnetfeld mehr erzeugt wird.
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Dabei kann die Plasmaquelle eine Rückkopplungsleitung aufweisen, welche in dem zweiten Kontaktbereich entlang der Spule und zu dieser beabstandet angeordnet und ausgebildet ist, die Spule induktiv mit dem zweiten Tor des aktiven Elementes zu koppeln. Die Spule ist bevorzugt in dem außerhalb des Hohlkörpers gelegenen Teil nicht aufgewickelt, also als einfacher Leiter ausgeführt, so dass die Spule und die Rückkopplungsleitung einfach aneinander entlang geführt werden können.
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Die Rückkopplungsleitung kontaktiert bevorzugt den Hohlkörper an dessen Außenseite.
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Die Rückkopplungsleitung kann mit dem zweiten Tor des aktiven Elementes über einen zweiten Kondensator gekoppelt sein.
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Besonders bevorzugt ist die Spule zwischen der Durchführung und dem proximalen Ende der Spule als Micro-Strip-Leitung ausgeführt. Auch die Rückkopplungsleitung kann als Micro-Strip-Leitung ausgeführt sein.
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Bevorzugt sind das erste Tor des aktiven Elementes mit einem ersten Anpassungsnetzwerk und das zweite Tor des aktiven Elementes mit einem zweiten Anpassungsnetzwerk verbunden. Dadurch kann die Leistungsübertragung zwischen den einzelnen Komponenten der Anordnung optimiert werden.
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Das erste Anpassungsnetzwerk kann einen ersten veränderlichen Kondensator und das zweite Anpassungsnetzwerk einen zweiten veränderlichen Kondensator aufweisen. Diese Ausführungsvariante bietet den Vorteil, dass eine Justierung der Anpassung im Betrieb vorgenommen werden kann.
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Die Plasmaquelle kann eine mit dem ersten Tor des aktiven Elementes verbundene erste Gleichstromzuführung und eine mit dem zweiten Tor des aktiven Elementes verbundene zweite Gleichstromzuführung besitzen. Hierüber lässt sich der Arbeitspunkt des aktiven Elementes frei einstellen, wobei aufgrund des ersten und des zweiten Kondensators keine Einwirkung auf den Resonator besteht, dieser also seine Eigenschaften bei Änderung des Arbeitspunktes des aktiven Elementes nicht ändert.
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Das aktive Element weist bevorzugt einen GaN-Transistor auf oder ist ein GaN-Transistor. GaN-Transistoren können die für den Betrieb einer Plasmaquelle benötigte Leistung auch bei hohen Schwingfrequenzen im Gigahertzbereich zur Verfügung stellen. Hierbei kann das zweite Tor des aktiven Elementes das Gate des GaN-Transistors sein.
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Der GaN-Transistor ist bevorzugt in Source-Schaltung geschaltet. Dabei kann das erste Tor des aktiven Elementes die Drain des GaN-Transistors sein.
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Der Hohlkörper des Resonators kann zylinderförmig ausgebildet sein. Dadurch entsteht eine Hohlleiterstruktur um die vorzugsweise entlang der Achse des Resonators ausgeführte Spule, welche besonders gute Resonanzeigenschaften besitzt.
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Die Plasmaquelle kann eine mit dem Gaseinlass verbundene Gaszuführung, welche ausgebildet ist, ein Plasmagas durch den Gaseinlass in den Hohlkörper des Resonators zu pumpen, aufweisen. Durch das Pumpen von Plasmagas in den Hohlkörper des Resonators wird bei gezündetem Plasma ein kontinuierlicher Strom von Plasma aus dem Gasauslass des Resonators bewirkt, welches für eine Vielzahl von Anwendungen verwendet werden kann. Wird die Plasmaquelle beispielsweise mit einem Stickstoff-Sauerstoff-Gemisch wie Luft betrieben, entstehen im Plasma Stickoxid und Ozon, wobei das Verhältnis zwischen Stickoxid und Ozon über das Verhältnis von Stickstoff und Sauerstoff beeinflusst werden kann. Dabei ist es auch möglich, nur entweder Ozon oder Stickoxid zu erzeugen. Ozon kann vorteilhaft für die Abtötung von Keimen verwendet werden, Stickoxid verbessert die Wundheilung.
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Der Oszillator der Erfindung fungiert bei gezündetem Plasma bevorzugt als Reflexions-Oszillator. Abhängig vom Zustand des Plasmas (gezündet/nicht gezündet), kann das aktive Element in unterschiedlichen Betriebsarten betrieben werden wie z. B. Klasse A-, AB-, B- oder C-Betrieb.
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Ein zweiter Erfindungsaspekt betrifft die Verwendung einer Plasmaquelle nach dem ersten Erfindungsaspekt für die Aktivierung, Reinigung, Sterilisation und Beschichtung von Oberflächen, zum Ätzen und zur Reinigung von Wasser und Abgasen.
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Kurzbeschreibung der Abbildungen
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Abbildungen von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen:
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1 ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Plasmaquelle;
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2 in zwei Unterabbildungen unterschiedliche Betriebszustände der erfindungsgemäßen Plasmaquelle;
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3 ein Schaltbild eine bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Plasmaquelle; und
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4 einen vergrößerten Ausschnitt des Schaltbildes von 3.
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Ausführliche Beschreibung der Abbildungen
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1 zeigt ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Plasmaquelle. Die erfindungsgemäße Plasmaquelle weist eine Oszillatorstruktur auf. Ein Ausgang eines aktiven Bauelementes 1, welches die für eine stabile Oszillation benötigte elektrische Verstärkung bereitstellt, ist über ein erstes Anpassungsnetzwerk 5 mit einem Resonator 2 verbunden. Der Resonator 2 besitzt die Aufgabe, die notwendige Zündfeldstärke zu erzeugen und die Frequenz der Oszillation festzulegen. Der Resonator 2 ist seinerseits wiederum über ein zweites Anpassungsnetzwerk 4 mit einem Eingang des aktiven Bauelementes 1 verbunden, so dass eine Rückkopplung entsteht. Der Resonator 2 bildet gleichzeitig die Plasmakammer der Plasmaquelle, wobei eine Ausführung bevorzugt wird, bei der ein Gas für die Erzeugung des Plasmas durch den Resonator 2 geleitet wird, welches so fortlaufend durch die Schwingung des Oszillators bei einem genügend hohen E-Feld gezündet wird. Das gezündete Plasma 3 beeinflusst die elektrischen Eigenschaften des Resonators 2 und wirkt auf Aus- und Eingang des Resonators 2 zurück, weshalb es als Teil des Ersatzschaltbildes der Plasmaquelle dargestellt ist.
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2 zeigt in zwei Unterabbildungen unterschiedliche Betriebszustände der erfindungsgemäßen Plasmaquelle. In 2A ist der Zustand der Plasmaquelle vor Zündung des Gases und in 2B bei gezündetem Gas dargestellt. Im Leerlaufbetrieb, also im Zustand ohne gezündetes Gas, besitzt der Oszillator die Schaltungstopologie eines rückgekoppelten Verstärkers mit stark fehlangepasster Last. Das heißt, die Impedanz zum Resonator 2 hin besitzt einen großen Blindanteil und die zwischen dem ersten Anpassungsnetzwerk 5 und dem Resonator 2 übertragene komplexe Leistung P1 ist ebenfalls sehr blind, d. h., ihr Imaginäranteil ist groß. Von der wenigen eingetragenen Wirkleistung Re(P1) wird ein großer Anteil in das gut angepasste zweite Anpassungsnetzwerk 4 gegeben, P2 besitzt daher einen verhältnismäßig großen Realteil. Die Differenz Re(P2) – Re(P1) wird durch die Verluste des Resonators 2 in Wärme umgesetzt, erzeugt aber auch die nötige Feldstärke im Resonator 2, um das Plasma 3 zu zünden. Mit der Plasmazündung (2B) ändert sich die Impedanz Z mit großem Imaginärteil in einen überwiegend realen Widerstand. Die übertragene Leistung P1 ist jetzt reell und stellt somit eine Wirkleistung dar. Die Leistung P2 wird dagegen sehr blind und ein ausgeprägter Wirkleistungstransport vom Resonatorausgang zum Eingang des aktiven Bauelementes 1 fehlt nun. Der Oszillator arbeitet somit im Betriebszustand mit gezündetem Plasma als eine Art Reflexionsoszillator, wobei die reflektierende Last durch den Ausgang des Resonators 2 dargestellt wird und der Eingang des aktiven Bauelementes 1 die benötigte negative Impedanz anbietet. Der Eingang des Resonators 2 ist hingegen gut angepasst.
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3 zeigt ein Schaltbild eine bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Plasmaquelle. Die Gleichspannungen an Ein- und Ausgang des aktiven Bauelementes 1 kann von Spannungsquellen 14 und 15 über Abkoppelwiderstände 12 und 13 vorgegeben und somit der Arbeitspunkt des aktiven Bauelementes 1 eingestellt werden. Auf beiden Seiten des aktiven Bauelementes 1 sind bevorzugt Kondensatoren 10 und 11 mit einstellbarer Kapazität zwischen Ein- bzw. Ausgang des aktiven Bauelementes 1 und Masse geschaltet, welche als Anpassungsnetzwerke fungieren. Ein- und Ausgang des aktiven Bauelementes 1 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel über jeweils einen Koppelkondensator 8 bzw. 9 mit dem Resonator verbunden, welcher in der gezeigten bevorzugten Ausführungsform als zylindrischer Hohlkörper 6 ausgeführt ist, bei dem an gegenüberliegenden Stirnseiten ein Gaseinlass und ein Gasauslass für die Durchleitung des Plasmagases vorgesehen sind. Es sind jedoch auch Ausführungsformen ohne den ersten und/oder zweiten Kondensator vorstellbar. Entlang der Zylinderachse des zylindrischen Hohlkörpers 6 ist eine zu einer Spule 7 aufgewickelte λ/4-Leitung angeordnet, welche mit dem zylindrischen Hohlkörper 6 auf dessen Außenseite leitend verbunden ist. Sowohl der aufgewickelte Teil der λ/4-Leitung, als auch die außerhalb des Hohlkörpers 6 liegenden Teile der λ/4-Leitung werden hier als Spule 7 bezeichnet. Der zylindrische Hohlkörper 6 weist zudem eine Auskopplung auf, welche durch eine mit dem Koppelkondensator 9 verbundene und wenigstens teilweise entlang des außerhalb des Hohlkörpers 6 liegenden Teils der Spule 7 geführte Rückkopplungsleitung realisiert ist.
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4 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Schaltbildes von 3. Gezeigt ist der Resonator mit dem Hohlkörper 6 und der Spule 7. Deutlicher als in 3 ist hier zu erkennen, dass die Spule 7 in einer elektrisch kontaktfreien Durchführung 16 durch den Hohlkörper 6 nach außen geführt wird. Dabei kann zwischen der Spule 7 und dem Hohlkörper 6 beispielsweise ein gasundurchlässiger Isolator angeordnet sein oder aber die Durchführung 16 als Gaseinlass genutzt werden. Die Spule 7 ist außerhalb des Hohlkörpers 6 bevorzugt als einfach zu realisierende Micro-Strip-Leitung ausgeführt und kontaktiert den Hohlkörper 6. Eine solche Anordnung lässt sich kostengünstiger und robuster herstellen als vorbekannte Resonatoranordnungen. In einem ersten Kontaktbereich 18, welcher zwischen der Durchführung 16 und dem mit dem Hohlkörper 6 leitend verbundenen Ende der Spule 7 angeordnet ist, ist die Spule 7 über einen ersten Kondensator mit dem ersten Tor des aktiven Elementes gekoppelt. Der erste Kontaktbereich 18 liegt außerhalb des Hohlkörpers 6 und in relativer Nähe zum Ende der Spule, welches jedoch einen Massepunkt darstellt und deshalb nicht gleichzeitig zur Einkopplung des Signals des aktiven Elementes dienen kann. Aus diesem Grund ist der erste Kontaktbereich 18 vorn mit dem Hohlkörper 6 verbundenen Ende der Spule beabstandet. Ebenfalls zwischen der Durchführung 16 und dem mit dem Hohlkörper 6 verbundenen Ende der Spule befindet sich ein zweiter Kontaktbereich 17. Im gezeigten Beispiel befindet sich der zweite Kontaktbereich zwischen der Durchführung 16 und dem ersten Kontaktbereich 18. Der zweite Kontaktbereich 17 dient dazu, eine Rückkopplung zum aktiven Element herzustellen, welche das Anschwingen des Oszillators und das Zünden des Plasmas gewährleistet. Diese Rückkopplung wird bevorzugt induktiv realisiert, indem eine ebenfalls mit dem Hohlkörper 6 verbundene Rückkopplungsleitung 19, welche kostengünstig als Micro-Strip-Leitung ausgeführt sein kann, entlang eines Abschnittes der Spule 7 geführt wird, welcher außerhalb des Hohlkörpers 6 angeordnet ist Die Rückkopplungsleitung 19 ist so induktiv mit der Spule 7 gekoppelt und leitet die von der Spule 7 aufgenommene Schwingung an das aktive Element zurück.
