DE102015216976A1

DE102015216976A1 - Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasma-Jets und Verfahren zur Oberflächenbehandlung

Info

Publication number: DE102015216976A1
Application number: DE102015216976.6A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Viöl; Christian Haese; Roland Damm
Original assignee: Hawk Hochschule fur Anerkannte Wissenschaft und Kunst Hildesheim/holzminden/gottingen; Hawk Hochschule fur Anerkannte Wss und Kunst Hildesheim/holzminden/gottingen; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Robert Bosch GmbH
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2015-09-04
Filing date: 2015-09-04
Publication date: 2017-03-09
Also published as: WO2017037223A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Erzeugung eines Plasma-Jets mit zumindest einem Strömungskanal (2), welchem ein Arbeitsgas zuführbar ist und zumindest zwei Feldelektroden (31, 32, 34, 36), mit welchen im Strömungskanal (2) ein elektrisches Feld erzeugbar ist, wobei der Strömungskanal (2) durch zumindest ein Dielektrikum (10, 11) begrenzt ist, wobei die Vorrichtung weiterhin zumindest eine Passivelektrode (41, 42) enthält, welche kapazitiv an zumindest eine Feldelektrode (31, 32, 34, 36) gekoppelt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung eines Plasma-Jets mit zumindest einem Strömungskanal, in welchen ein Arbeitsgas zuführbar ist und mit zumindest zwei Feldelektroden, mit welchen im Strömungskanal ein elektrisches Feld erzeugbar ist, wobei der Strömungskanal durch zumindest ein Dielektrikum begrenzt ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung, bei welchem ein durch zumindest zwei Feldelektroden erzeugter Plasma-Jet auf die zu behandelnde Oberfläche einwirkt. Vorrichtungen und Verfahren der eingangs genannten Art können dazu eingesetzt werden, die chemischen oder physikalischen Eigenschaften von Materialoberflächen zu beeinflussen. Beispielsweise kann die Haftfestigkeit von Klebstoffen oder Lackierungen verbessert oder eine Desinfektion oder Keimreduktion durchgeführt werden.
Aus der DE 102 19 197 C1 ist bekannt, zur Behandlung der Oberfläche eines Metalldrahts an eine Elektrode eine Wechselhochspannung anzulegen. Zwischen Elektrode und Metalldraht befindet sich eine dielektrische Abschirmung, sodass im Gasraum über der Oberfläche des Metalldrahtes eine dielektrisch behinderte Ladung erzeugt wird. Das solchermaßen erzeugte Plasma wirkt auf die Oberfläche des Drahtes ein. Dies kann beispielsweise zur Reinigung der Oberfläche des Drahtes verwendet werden. Hierdurch kann eine auf dem Draht angebrachte Beschichtung eine erhöhte Festigkeit aufweisen.
Die DE 44 040 34 A1 befasst sich mit der Verwendung einer dielektrisch behinderte Entladung zur schonenden Reinigung von empfindlichen Oberflächen, wobei unter Reinigung sowohl Sterilisation als auch Desinfektion zu verstehen ist.
Diese bekannten Vorrichtungen weist jedoch den Nachteil auf, dass sich die Elektroden, welche zur Erzeugung einer dielektrisch behinderten Entladung eingesetzt werden, über bzw. unter der zu behandelnden Oberfläche liegen müssen. Dies stellt nur dann kein Problem dar, wenn das zu behandelnde Material selbst leitfähig ist oder wenn es sich um ein nicht zu großflächiges Bahnen- bzw. Plattenmaterial handelt. Soll jedoch die Oberfläche eines nicht-leitfähigen Hohlkörpers behandelt werden oder ist die Rückseite aus anderen Gründen nicht zugänglich, beispielsweise aufgrund sehr großer Materialstärke, kann die bekannte direkte dielektrisch behinderte Entladung nicht angewendet werden.
Aus der US 5,961,772 ist daher bekannt, zwischen zwei Elektroden ein Plasma zu zünden, welches durch einen Gasstrom aus einer Düse ausgetrieben wird und so die zu behandelnde Oberfläche erreicht.
Diese bekannten Systeme weisen jedoch den Nachteil auf, dass diese bezogen auf die aufgewendete elektrische Leistung nur eine geringe Plasmaleistung bereitstellen können. Die Behandlung großer Oberflächen kann dadurch sehr langwierig und energieaufwendig werden.
Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit welchen Oberflächen zuverlässig und effizient gereinigt und/oder modifiziert werden können.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, welche zumindest einen Strömungskanal aufweist. Der Strömungskanal ist dazu eingerichtet, einen Plasma-Jet zu erzeugen. Hierzu ist dem Strömungskanal ein Arbeitsgas zuführbar. Das Arbeitsgas kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung ein Inert- oder Reaktivgas sein. Ein Inertgas kann in einigen Ausführungsformen ausgewählt sein aus einem Edelgas, beispielsweise Argon, Helium oder Xenon. Ein Reaktivgas kann mit der Oberfläche reagieren. Beispielsweise kann ein Reaktivgas atomaren Sauerstoff, atomaren Wasserstoff oder Ozon enthalten. Hierzu kann dem Strömungskanal Umgebungsluft, Sauerstoff oder Wasserstoff zugeführt werden.
Zur Erzeugung eines Plasmas im Strömungskanal sind zumindest zwei Feldelektroden vorgesehen, mit welchen im Strömungskanal ein elektrisches Feld erzeugbar ist. Hierzu sind die beiden Feldelektroden beispielsweise beidseitig des Strömungskanals angeordnet. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können die Arbeitselektroden den Strömungskanal ringförmig umgeben oder koaxial angeordnet sein. Die Feldelektroden können ein elektrisch leitfähiges Material enthalten, beispielsweise ein Metall, eine Legierung oder ein transparentes, leitfähiges Oxid. Zumindest eine Elektrode kann als Beschichtung auf einem isolierenden Substrat aufgebracht sein, beispielsweise durch Sputtern, außenstromloses oder galvanisches Abscheiden.
Der Strömungskanal ist durch zumindest ein Dielektrikum begrenzt. Dies bedeutet, dass sich im Strömungskanal eine dielektrisch behinderte Entladung ausbildet. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Strömungskanal vollständig von einem Dielektrikum begrenzt sein. Hierdurch kann die Betriebssicherheit vergrößert sein. Das Dielektrikum im Entladungsspalt hat die Wirkung, dass die Entladung stets nur kurzzeitig brennt und sich keine thermische Entladung im Entladungsspalt ausbildet. Durch die dielektrisch behinderte Entladung wird der elektronische Stromfluss begrenzt, sodass die im Plasma erzeugten Ionen vergleichsweise kalt bleiben. Hierdurch kann eine besonders schonende Oberflächenbehandlung ermöglicht werden, da nur eine vergleichsweise geringe thermische Energie in das Werkstück eingebracht wird.
Das im Strömungskanal ausgebildete Plasma wird durch den Strom des Arbeitsgases aus dem Strömungskanal ausgetrieben. Damit kann das Plasma auf die zu behandelnde Oberfläche gelenkt werden und auf diese einwirken.
Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, die Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasma-Jets zusätzlich durch zumindest eine Passivelektrode zu ergänzen. Die erfindungsgemäß verwendete Passivelektrode weist eine kapazitive Kopplung an die Feldelektroden auf. Insoweit besteht keine direkte galvanische Verbindung zu einer Hochspannungsquelle. Aufgrund der kapazitiven Kopplung kann sich gleichwohl an der Oberfläche des zu behandelnden Werkstückes zusätzlich zur Einwirkung des Plasma-Jets eine Gleitentladung ausbilden. Der zusätzliche Nutzen der Gleitentladung liegt darin, dass diese Entladung direkt auf der zu behandelnden Oberfläche gezündet wird und damit die Plasmadichte erhöht wird, so dass sich die Wirksamkeit des Plasma-Jets steigern kann.
Die Erzeugung der Gleitentladung durch Passivelektroden weist dabei den Vorteil auf, dass durch die kapazitive Kopplung an die Feldelektrode die Ausbildung eines heißen Lichtbogens vermieden wird. Damit eignet sich die durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Passivelektrode erzeugte Gleitladung auch zur Behandlung empfindlicher Oberflächen, beispielsweise dünne Kunststofffolien. Eine Kunststofffolie kann in einigen Ausführungsformen aus Polyethylen, Polypropylen oder Polyethylenterephthalat bestehen. Solche Folien weisen einen geringen Schmelzpunkt auf und können bei Einwirken eines heißen Plasmas schnell aufgeschmolzen und dadurch zerstört werden.
Auch die Passivelektrode kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung aus einem Metall oder einer Legierung gefertigt sein. Dies hat gegenüber einer mit einem Dielektrikum versehenen Elektrode zur Ausbildung einer dielektrisch behinderten Entladung den Vorteil, dass die Passivelektroden erheblich einfacher geformt werden können und auch Spitzen auf einfache Weise hergestellt werden können. Die daraus resultierende Feldstärkeüberhöhung führt zu einer niedrigen Zündspannung der Gleitentladung. Weiterhin können auch kleine Strukturen zuverlässig mit dem Plasma behandelt werden, da die von Spitzen ausgehenden, räumlich begrenzten Entladungen auch in schmale Hohlräume bzw. Gräben eindringen können.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kombination einer Gleitentladung mit einem Plasma-Jet sorgt der Gasstrom des Plasma-Jets dafür, die Gleitentladung an der zu behandelnden Oberfläche zu lokalisieren und lokal auftretende, heiße Entladungskanäle zwischen den Passivelektroden effizient zu unterbinden bzw. zu kühlen. Hierdurch wird einerseits die Effizienz des Plasma-Jets gesteigert und andererseits die Nachteile einer Oberflächenbehandlung mit einer reinen Gleitentladung zuverlässig vermieden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Passivelektrode in Strömungsrichtung des Arbeitsgases über eine Mündung des Strömungskanals hinausstehen. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Gleitentladung über die zu behandelnde Oberfläche zündet und nicht entlang der Oberfläche der Vorrichtung verläuft, wobei die Wirkung auf die zu behandelnde Oberfläche nur gering wäre.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung enthält diese eine Mehrzahl von Passivelektroden, welche die Mündung des Strömungskanals umgeben. Dies stellt sicher, dass sich die Gleitentladung zuverlässig zumindest über eine Teilfläche ausbildet, welche auch vom Plasma-Jet erfasst wird. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die gesamte, vom Plasma-Jet bearbeitete Fläche auch von der Gleitladung erfasst werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Strömungskanal als Durchgangsbohrung in einem dielektrischen Grundkörper ausgebildet sein. Hierdurch ergibt sich einerseits zuverlässig ein Strömungskanal, welcher allseits von einem Dielektrikum begrenzt ist. Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Vorrichtung durch einfache Bearbeitungsschritte rasch und kostengünstig gefertigt werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der dielektrische Grundkörper Sacklöcher aufweisen, in welche jeweils eine Passivelektrode oder eine Feldelektrode aufgenommen ist. Auch dies erlaubt eine einfache und kostengünstige Fertigung, indem die Passivelektroden und/oder die Feldelektroden als hohle bzw. massive, metallische Zylinder ausgeführt sind. Diese können mittels einer Presspassung in zugeordnete Bohrungen des dielektrischen Grundkörpers eingeführt und dort festgelegt werden. Die Fixierung kann beispielsweise durch Klemmung oder optional durch Klebung erfolgen. Da die Sacklöcher von der Vorder- bzw. der Rückseite in den Grundkörper eingebracht werden, stehen die Passivelektroden vorne im Mündungsbereich über den Grundkörper über, um die Gleitentladung zuverlässig an der zu behandelnden Oberfläche zu zünden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Feldelektroden auf der Rückseite über den Grundkörper hinausstehen, sodass diese dort in einfacher Weise mit einer Hochspannungsquelle kontaktiert werden können.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Dicke des Dielektrikums zwischen der Feldelektrode und dem Strömungskanal zwischen etwa 0,25 mm und etwa 2 mm betragen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Dicke des Dielektrikums zwischen der Feldelektrode und dem Strömungskanal zwischen etwa 0,5 mm und etwa 1 mm betragen. Die Dicke der dielektrischen Schicht im Strömungskanal bestimmt dabei neben der Spannung, der Frequenz und dem Puls-/Pausenverhältnis die elektrische Leistung, welche im Strömungskanal umgesetzt wird. Hierdurch lässt sich somit die Plasmadichte und/oder die Menge und/oder die Qualität des erzeugten Plasmas beeinflussen.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Dielektrikum eine Dielektrizitätskonstante ε_r zwischen etwa 5 und etwa 15 aufweisen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Dielektrikum eine Dielektrizitätskonstante ε_r zwischen etwa 8 und etwa 12 aufweisen.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann diese eine Fördereinrichtung aufweisen, mit welcher Umgebungsluft durch den Strömungskanal förderbar ist. Diese Ausführungsform hat die Wirkung, dass eine separate Gasversorgung, beispielsweise durch Druckgasflaschen, nicht erforderlich ist, sodass die Handhabung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vereinfacht ist.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Vorrichtung zwischen 2 und 10 Feldelektroden aufweisen. Die Form, die Größe und die Anzahl der Feldelektroden bestimmt ebenfalls die elektrische Leistung, welche im Strömungskanal umgesetzt wird. Dementsprechend kann dieser Parameter dazu herangezogen werden, um die Vorrichtung an unterschiedliche Aufgaben anzupassen.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Anzahl der Passivelektroden zwischen etwa 2 und etwa 6 betragen.
Art und Anzahl der Passivelektroden bestimmt dabei die in der Gleitentladung umgesetzte elektrische Leistung.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Vorrichtung mit einer elektrischen Spannungsquelle betrieben werden, welche eine gepulste Hochspannung erzeugt. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die gepulste Hochspannung eine Pulsdauer von etwa 20 µs bis etwa 100 µs aufweisen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die elektrische Spannung zwischen etwa 4 kV bis etwa 20 kV gewählt sein. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Repetitionsrate der abgegebenen Spannungspulse zwischen etwa 10 kHz bis etwa 20 kHz betragen. Es hat sich gezeigt, dass eine gepulste Hochspannung gegenüber anderen Wechselspannungen eine erhöhte Plasmadichte bei gleicher elektrischer Leistung bewirkt. Darüber hinaus führt eine gepulste Hochspannung zu spannungsfreien Pausenzeiten, in welchen die gezündeten Entladungsfilamente vollständig zusammenbrechen. Dies verhindert, dass die Entladung stets in den gleichen Entladungskanälen bzw. Filamenten zündet und es dort zu einer hohen Plasmadichte mit lokal hohen Temperaturen kommt.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Dabei zeigt:
1 einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt einen Längsschnitt durch die erste Ausführungsform der Erfindung.
3 zeigt einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform der Erfindung.
4 zeigt einen Längsschnitt durch die zweite Ausführungsform.
5 zeigt einen Querschnitt durch eine dritte Ausführungsform der Erfindung.
6 zeigt einen Längsschnitt durch die dritte Ausführungsform.
Anhand der 1 und 2 wird eine erste Ausführungsform der Erfindung erläutert. Dabei zeigt 1 einen Querschnitt und 2 einen Längsschnitt entlang der Schnittlinie A-A. Der Querschnitt liegt in einer zur zu behandelnden Oberflächen parallelen Ebene. Der Längsschnitt verläuft in etwa orthogonal dazu.
Wie aus den Figuren ersichtlich ist, weist die Vorrichtung einen im Wesentlichen quaderförmigen Grundkörper 10 auf. Der Grundkörper 10 kann ein dielektrisches Material enthalten oder daraus bestehen. Beispielsweise kann der Grundkörper 10 aus Polyethylen, Polypropylen, Polytetrafluorethylen, Polyetheretherketon oder weiteren, an sich bekannten dielektrischen Kunststoffen gefertigt sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Grundkörper 10 eine Keramik enthalten oder daraus bestehen, beispielsweise Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Siliziumoxynitrid oder ähnliche Materialien.
Im Grundkörper 10 sind zwei Durchgangsbohrungen 21 und 22 angeordnet, welche zwei Strömungskanäle bilden, durch welche im Betrieb der Vorrichtung das Arbeitsgas 6 strömt. Das Arbeitsgas 6 wird mittels einer optionalen Fördereinrichtung 60, beispielsweise einer Membranpumpe, einem Kolbenkompressor oder einem Scroll-Kompressor gefördert und von der dem zu behandelnden Substrat entgegengesetzten Rückseite des Grundkörpers 10 in den Strömungskanal eingeblasen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann Umgebungsluft als Arbeitsgas verwendet werden. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Arbeitsgas 6 ein Reaktivgas oder ein Inertgas oder ein Gasgemisch vorgebbarer Zusammensetzung sein, welches beispielsweise aus Druckgasflaschen bereitgestellt und in den Strömungskanal eingeblasen wird.
Das Arbeitsgas 6 entspannt sich im Strömungskanal und verlässt diesen durch dessen Mündung 220.
Um das Arbeitsgas im Strömungskanal zu ionisieren und ein Plasma auszubilden, stehen Feldelektroden 31, 32, 34 und 36 zur Verfügung. Wie aus 1 ersichtlich ist, verwendet das dargestellte Ausführungsbeispiel sechs Feldelektroden, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit nur vier Feldelektroden mit Bezugszeichen versehen sind.
Die Feldelektroden 31, 32, 34 und 36 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel zylinderförmig und aus einem elektrisch leitfähigen Metall bzw. einer Legierung gefertigt. Die Feldelektroden 31, 32, 34 und 36 verlaufen in etwa parallel zu den Strömungskanälen 21 und 22. Hierzu befinden sich im Grundkörper zugeordnete Sacklöcher, welche von der Rückseite in den Grundkörper 10 eingebracht sind und in welche die Feldelektroden 31, 32, 34 und 36 eingebracht und fixiert sind, beispielsweise durch eine Klebeverbindung oder eine Presspassung.
Die Feldelektroden 31, 32, 34 und 36 stehen rückwärtig über den Grundkörper 10 hinaus, sodass diese dort mit einer Hochspannungsquelle 5 kontaktiert werden können. Die Hochspannungsquelle kann eine Wechselspannung erzeugen, welche beispielsweise sinus-, rechteck- oder sägezahnförmig sein kann. Eine rechteckförmige Hochspannung kann auch als gepulste Spannung bezeichnet werden, welche Pulsdauern von etwa 2 µs bis etwa 100 µs bei einer Repetitionsrate von etwa 10 kHz bis etwa 200 kHz erzeugt, sodass sich spannungsfreie Pausenzeiten ergeben. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann eine rechteckförmige Hochspannung Pulsdauern von etwa 20 µs bis etwa 90 µs bei einer Repetitionsrate von etwa 15 kHz bis etwa 60 kHz aufweisen. Durch spannungsfreie Pausenzeiten kann die Entladung nach jedem Puls gelöscht werden, so dass diese nicht stets in den gleichen Entladungskanälen bzw. Filamenten brennt.
Wie aus 1 weiterhin ersichtlich ist, befinden sich an der Vorderseite des Grundkörpers 10 Passivelektroden 41 und 42. Auch in diesem Fall sind nicht sämtliche an der Vorderseite vorhandenen Passivelektroden mit Bezugszeichen versehen, um die Zeichnung übersichtlicher zu gestalten.
Auch die Passivelektroden sind als zylinderförmige Stifte ausgeführt, welche in Sacklöchern aufgenommen sind. In diesem Fall sind die Sacklöcher von der dem zu behandelnden Substrat zugewandten Vorderseite in den Grundkörper 10 gebohrt und verlaufen ebenfalls in etwa parallel zu den Feldelektroden 31, 32, 34 und 36 und den Strömungskanälen 21 und 22. Hierdurch ergibt sich eine effiziente kapazitive Kopplung der Passivelektroden 41 und 42 an die Feldelektroden 32 und 36, sodass sich dort eine elektrische Spannung einstellt, welche zur Ausbildung einer Gleitentladung auf der zu behandelnden Oberfläche führt. Aufgrund der kapazitiven Kopplung wird jedoch ein Lichtbogen bzw. ein thermisches Plasma zwischen den Passivelektroden vermieden, welche große thermische Lasten in die zu behandelnde Oberfläche einbringen würden und zu deren Zerstörung führen könnten.
Um die Gleitentladung zuverlässig auf der zu behandelnden Oberfläche zu zünden und ein Überschlagen der Spannung zwischen den Passivelektroden über die Oberfläche des Grundkörpers 10 zu vermeiden, stehen die Passivelektroden 41 und 42 über die Vorderseite des Grundkörpers 10 hinaus. Dies kann durch entsprechende Tiefe der Sackbohrungen und entsprechende Länge der Passivelektroden sichergestellt werden.
Die in den 1 und 2 dargestellte Vorrichtung mit zwei Strömungskanälen, sechs Feldelektroden und vier Passivelektroden kann selbstverständlich zyklisch verlängert werden, um auf diese Weise auch Substrate mit größerer Breite behandeln zu können, beispielsweise Bahnenware, wie Rohstahl oder Verpackungsfolie, oder große Flächenelemente wie Architekturglas.
Anhand der 3 und der 4 wird eine zweite Ausführungsform der Erfindung näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Bestandteile der Erfindung, sodass sich die nachfolgende Beschreibung auf die wesentlichen Unterschiede beschränkt.
Auch die zweite Ausführungsform der Erfindung verwendet einen Strömungskanal 2, welcher durch ein metallisches Rohr gebildet wird. Das metallische Rohr begrenzt nicht nur den Strömungskanal 2, sondern wird auch als zweite Feldelektrode 32 verwendet.
Die erste Feldelektrode 31 befindet sich konzentrisch im Inneren des Rohres, sodass sich eine koaxiale Anordnung der ersten Feldelektrode 31 und der zweiten Feldelektrode 32 ergibt.
Um eine dielektrisch behinderte Entladung im Strömungskanal auszubilden, ist die erste Feldelektrode 31 von einem ersten Isolator 11 umgeben.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die erste Feldelektrode 31 ein Draht bzw. ein zylindrischer Stift sein, welcher von einem Dielektrikum 11 beschichtet ist. Das Dielektrikum 11 kann beispielsweise aus der Schmelze auf die erste Elektrode 31 aufgebracht werden oder als rohrförmiges Element mit einer Presspassung auf die erste Elektrode 31 aufgeschoben werden.
Bei Betrieb der Vorrichtung werden die erste und zweite Feldelektrode 31 und 32 mit einer nicht dargestellten Hochspannungsquelle verbunden. Sodann kann von der der zu behandelnden Oberfläche entgegengesetzte Seite ein Arbeitsgas 6 durch den Strömungskanal 2 geleitet werden, wie vorstehend beschrieben. Die dielektrisch behinderte Entladung, welche sich in dem einseitig vom Dielektrikum begrenzten Strömungskanal 2 ausbildet, verlässt den Strömungskanal über die Mündung 20 in Richtung des zu behandelnden Substrats.
Weiterhin ist in 4 und 3 ersichtlich, dass die zweite Feldelektrode 32 von einem Isolator 12 umgeben ist. Der Isolator 12 kann beispielsweise ein Kunststoffrohr sein, welches durch eine Klebeverbindung oder eine Presspassung mit der zweiten Feldelektrode 32 verbunden ist.
Der zweite Isolator 32 sorgt für eine galvanische Trennung der Passivelektroden 41 und 42 von der Feldelektrode 32. Der zweite Isolator 12 kann daher in einigen Ausführungsformen der Erfindung auch entfallen und durch einen Luftspalt ersetzt werden.
Bei Betrieb der Vorrichtung wird eine Passivelektrode 41 mit einem Massekontakt verbunden. Die zweite Passivelektrode 42 koppelt kapazitiv an die zweite Feldelektrode 32, sodass sich zwischen den Spitzen 410 und 420 der Passivelektroden 41 und 42 eine Potentialdifferenz und nachfolgend eine Gleitentladung ausbildet. Um zu verhindern, dass die Gleitentladung über den Mündungsbereich 20 der Vorrichtung 1 zündet, kann eine optionale Fase 15 am zweiten Isolator 12 angebracht sein.
Die Erfindung lehrt nicht die Verwendung von exakt zwei Passivelektroden 41 und 42 als Lösungsprinzip. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann eine größere oder geringere Anzahl von Passivelektroden verwendet werden oder aber die Passivelektroden können eine andere Form aufweisen. Ebenso können in einigen Ausführungsformen der Erfindung die Spitzen 410 und 420 der Passivelektroden 41 und 42 durch runde oder eckige Enden ersetzt werden, um der Gleitentladung eine vorgebbare Form und/oder Ausdehnung im Raum zu geben.
Anhand der 5 und 6 wird eine dritte Ausführungsform der Erfindung erläutert. Auch in diesem Fall bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bestandteile der Erfindung.
Gemäß der dritten Ausführungsform wird der Strömungskanal 2 durch ein Kunststoffrohr 11 gebildet, welches gleichzeitig den ersten Isolator darstellt. Daher ist im dritten Ausführungsbeispiel der Strömungskanal 2 vollflächig von einem Dielektrikum begrenzt, sodass das Zünden eines Lichtbogens bzw. eines thermischen Plasmas in den Strömungskanal 2 zuverlässig vermieden wird.
Auf der Außenseite des ersten Isolators 11 sind die erste Feldelektrode 31 und die zweite Feldelektrode 32 angeordnet. Diese können beispielsweise als metallische Halbschalen ausgeformt sein, welche formschlüssig an der Außenseite des ersten Isolators 11 anliegen. Um ein Überschlagen des Lichtbogens bzw. einen Kurzschluss zwischen den beiden Feldelektroden zu verhindern, sind diese um einen Spalt 13 beabstandet. Der Spalt 13 kann optional mit einem Isolator oder einem Dielektrikum ausgeführt sein, um den Isolationswiderstand zu erhöhen.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Arbeitselektroden 31 und 32 als elektrisch leitfähige Beschichtung auf den Isolator 11 erzeugt werden. Dies erlaubt eine mechanisch robuste und zuverlässige Bauweise der Vorrichtung.
Bei Betrieb der Vorrichtung sind die beiden Feldelektroden 31 und 32 wiederum mit den beiden Polen einer Hochspannungsquelle verbunden, sodass sich im Strömungskanal 2 eine dielektrisch behinderte Entladung ausbildet, welche vom Gasstrom 6 des Arbeitsgases durch die Mündung 2 ausgetrieben wird. Hierdurch entsteht ein Plasma-Jet, welcher die zu behandelnde Oberfläche modifiziert.
Auf der Außenseite der Arbeitselektroden 31 und 32 ist ein zweiter Isolator 12 angeordnet. Auch der zweite Isolator kann als rohrförmiges Element ausgebildet sein und auf die Außenseite der Arbeitselektroden aufgeschoben werden. Alternativ kann der zweite Isolator 12 auch als Folienbahn ausgeführt sein, welcher im Wickelverfahren auf die Außenseite der Feldelektroden 31 und 32 aufgebracht wird. Schließlich kann der zweite Isolator 12 auch als dielektrische Beschichtung erzeugt oder durch einen Luftspalt ersetzt werden.
Auf der Außenseite des zweiten Isolators 12 befinden sich die Passivelektroden 41 und 42, welche ebenfalls als Blechteil in Form einer Halbschale bzw. Viertelschale ausgestaltet sein können. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können auch die Passivelektroden 41 und 42 zumindest teilweise durch eine elektrisch leitfähige Beschichtung der Außenfläche des Isolators 12 gebildet sein.
Auch im dritten Ausführungsbeispiel stehen die Passivelektroden 41 und 42 mit ihren Enden 410 und 420 über die Mündung 20 des Strömungskanals 2 hinaus, um die Gleitentladung zuverlässig an der Oberfläche des zu behandelnden Bauteils zu zünden.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Aus-führungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Ansprüche und die vorstehende Beschreibung „erste“ und „zweite“ Merkmale oder Ausführungsformen definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale oder Ausführungsformen, ohne eine Rangfolge festzulegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10219197 C1 [0002]
DE 4404034 A1 [0003]
US 5961772 [0005]

Claims

Vorrichtung (1) zur Erzeugung eines Plasma-Jets mit zumindest einem Strömungskanal (2), welchem ein Arbeitsgas zuführbar ist und zumindest zwei Feldelektroden (31, 32, 34, 36), mit welchen im Strömungskanal (2) ein elektrisches Feld erzeugbar ist, wobei der Strömungskanal (2) durch zumindest ein Dielektrikum (10, 11) begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiterhin zumindest eine Passivelektrode (41, 42) enthält, welche kapazitiv an zumindest eine Feldelektrode (31, 32, 34, 36) gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Passivelektrode (41, 42) in Strömungsrichtung des Arbeitsgases über eine Mündung (20) des Strömungskanals (2) hinaussteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (2) allseits von zumindest einem Dielektrikum (10) begrenzt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Mehrzahl von Passivelektroden (41, 42) enthält, welche die Mündung (20) des Strömungskanals (2) umgeben.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (2) als Durchgangsbohrung in einem dielektrischen Grundkörper (10) ausgebildet ist.
Vorrichtung Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der dielektrischen Grundkörper (10) Sacklöcher aufweist, in welche jeweils einer Passivelektrode (41, 42) oder eine Feldelektrode (31, 32, 34, 36) aufgenommen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Dielektrikums (10, 11) zwischen der Feldelektrode und dem Strömungskanal zwischen etwa 0,25 mm und etwa 2 mm beträgt oder zwischen etwa 0,5 mm und etwa 1 mm.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum (10, 11) eine Dielektrizitätskonstante (ε_r) zwischen etwa 5 und etwa 15 oder zwischen etwa 8 und etwa 12 aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, weiterhin enthaltend eine Fördereinrichtung (60), mit welcher Umgebungsluft durch den Strömungskanal (2) förderbar ist.
Verfahren zur Oberflächenbehandlung, bei welchem ein durch zumindest zwei Feldelektroden (31, 32, 34, 36) erzeugter Plasma-Jet auf die zu behandelnde Oberfläche einwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass zeitgleich eine Gleitentladung zumindest auf eine Teilfläche der vom Plasmajet beaufschlagten Fläche einwirkt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasma-Jet mit Umgebungsluft betrieben wird und/oder dass der Plasma-Jet mit einer dielektrisch behinderten Entladung erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitentladung mit zumindest zwei Passivelektroden (41, 42) erzeugt wird, welche kapazitiv an die Feldelektroden (31, 32, 34, 36) gekoppelt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldelektroden (31, 32, 34, 36) mit einer gepulsten Hochspannung beaufschlagt werden, welche eine Pulsdauer von etwa 2 µs bis etwa 100 µs und/oder eine Spannung von etwa 4 kV bis etwa 20 kV und/oder eine Repetitionsrate von etwa 10 kHz bis etwa 200 kHz aufweist.