DE102017105415B4

DE102017105415B4 - Vorrichtung zur Erzeugung eines nicht-thermischen Atmosphärendruck-Plasmas und Verfahren zur Frequenzregelung eines piezoelektrischen Transformators

Info

Publication number: DE102017105415B4
Application number: DE102017105415.4A
Authority: DE
Inventors: Michael Weilguni; Stefan Nettesheim
Original assignee: Epcos AG; Relyon Plasma GmbH
Current assignee: RELYON PLASMA GMBH, DE; TDK Electronics AG
Priority date: 2017-03-14
Filing date: 2017-03-14
Publication date: 2018-10-11
Anticipated expiration: 2037-03-15
Also published as: US10772182B2; US20200077502A1; CN110603903B; JP2020517045A; DE102017105415A1; CN110603903A; WO2018167163A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines nicht-thermischen Atmosphärendruck-Plasmas, aufweisend einen piezoelektrischen Transformator (1), eine Ansteuerschaltung (11), die dazu ausgelegt ist, eine Wechselspannung mit einer Ansteuerfrequenz als Eingangsspannung an den piezoelektrischen Transformator (1) anzulegen, und eine Feldsonde (15), die dazu ausgestaltet ist, eine Feldstärke eines von dem piezoelektrischen Transformator (1) erzeugten elektrischen Feldes zu messen, wobei die Ansteuerschaltung (11) dazu ausgestaltet ist, unter Berücksichtigung der Messergebnisse der Feldsonde (15) die Ansteuerfrequenz derart anzupassen, dass die Feldstärke maximiert wird. Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Frequenzregelung eines piezoelektrischen Transformators.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines nicht-thermischen Atmosphärendruck-Plasmas sowie ein Verfahren zur Frequenzregelung eines piezoelektrischen Transformators.
Piezoelektrische Transformatoren, insbesondere Transformatoren vom Rosen-Typ, können zur Erzeugung von Plasma eingesetzt werden. Bei der Plasmagenerierung wird die maximale Effizienz erreicht, wenn der piezoelektrische Transformator mit einer Frequenz angesteuert wird, die der Serienresonanzfrequenz des Transformators entspricht. Die Serienresonanzfrequenz ist jedoch nicht konstant, sondern hängt von verschiedenen Parametern ab. Wird an einer ausgangsseitigen Stirnseite des Transformators ein Plasma gezündet, so wirkt dieses als Last mit dem Transformator zusammen und beeinflusst dabei die Impedanz des Transformators. Dadurch kommt es zu einer Verschiebung der Serienresonanz gegenüber einem Betrieb des Transformators im Leerlauf, bei dem die angelegte Spannung zur Zündung eines Plasmas nicht ausreicht. Auch die Arbeitsumgebungen, beispielsweise das verwendete Prozessgas oder die Temperatur des Transformators, beeinflussen die Serienresonanzfrequenz.
Ferner kann auch die an dem Transformator angelegte Eingangsspannung die Serienresonanzfrequenz beeinflussen. Für die Auffindung der jeweiligen Serienresonanzfrequenz, die zu einer maximalen Ausgangsspannung führt, sind deshalb Informationen vom Bauteil erforderlich.
Da der piezoelektrische Transformator zur Zündung eines Plasmas ausgelegt ist, kann die Spannung an der Ausgangsseite des Transformators nicht abgegriffen werden, um auf diese Weise eine Maximierung der Ausgangsspannung herbeizuführen. Dabei könnte die Spannung entweder mittels einer starren Lötverbindung, die an die Ausgangsseite aufgebracht ist, oder mittels eines leitfähigen Gummis, das an die Ausgangsseite angepresst wird, abgegriffen werden. Das Abgreifen der Ausgangsspannung würde eine Schwingung des Transformators dämpfen und so die Hochspannung herabsetzen. Außerdem würde es zu der Gefahr einer Plasmazündung an der abgreifenden Leitung führen.
DE 10 2013 103 159 A1 schlägt vor, ein an den piezoelektrischen Transformator angelegtes Eingangssignal zur Regelung des piezoelektrischen Transformators zu verwenden und auf diese Weise die optimale Arbeitsfrequenz zu finden. Dabei ist eine Auswertung der Phaseninformation des Eingangssignals erforderlich. Eine solche Lösung ist mit einem nicht unerheblichen schaltungstechnischen Aufwand verbunden. Außerdem eignet sich eine solche Lösung nur für sinusförmige Eingangssignale.
EP 2 139 302 A1 beschreibt eine Plasmaerzeugungsvorrichtung, die ein Plasma mittels Mikrowelleneinkopplung in einem Streifenleiter erzeugt. Eine Feldsonde misst dabei die elektrische Feldstärke zwischen den Elektroden und eine Ansteuerschaltung ändert Phase und Amplitude einer an die Elektrode angelegten Eingangsspannung in Abhängigkeit von der Feldstärkemessung.
Weitere Ansteuerschaltungen für einen piezoelektrischen Transformator sind aus DE 198 36 561 A1 , DE 10 2015 112 410 A1 und US 6 144 139 A bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine verbesserte Vorrichtung zur Erzeugung eines nicht-thermischen Atmosphärendruck-Plasmas bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es ein verbessertes Verfahren zur Frequenzregelung eines piezoelektrischen Transformators anzugeben.
Die Aufgaben werden durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Es wird eine Vorrichtung zur Erzeugung eines nicht-thermischen Atmosphärendruck-Plasmas vorgeschlagen, die einen piezoelektrischen Transformator, eine Ansteuerschaltung und eine Feldsonde aufweist. Die Ansteuerschaltung ist dazu ausgelegt, eine Wechselspannung mit einer Ansteuerfrequenz als Eingangsspannung an den piezoelektrischen Transformator anzulegen. Die Feldsonde ist dazu ausgestaltet, eine Feldstärke eines von dem piezoelektrischen Transformator erzeugten elektrischen Feldes zu messen. Die Ansteuerschaltung ist dazu ausgestaltet, unter Berücksichtigung der Messergebnisse der Feldsonde die Ansteuerfrequenz derart anzupassen, dass die Feldstärke maximiert wird.
Eine Maximierung der Feldstärke des vom piezoelektrischen Transformator erzeugten elektrischen Feldes ist gleichbedeutend mit einer Maximierung der im Ausgangsbereich des piezoelektrischen Transformators erzeugten Spannung.
Die Vorrichtung macht Gebrauch von den hohen elektrischen Feldstärken, die in der Umgebung des Ausgangsbereichs des piezoelektrischen Transformators erzeugt werden. Eine Vermessung dieser Feldstärke kann vorgenommen werden, ohne dabei die Arbeit des Transformators durch ein Abgreifen einer Leistung im Ausgangsbereich des Transformators zu beeinflussen. Insbesondere kann eine Vermessung der Feldstärke vorgenommen werden, ohne eine Schwingung des piezoelektrischen Transformator dadurch zu dämpfen.
Das von der Feldsonde gemessene Signal kann proportional zu der Spannung sein, die im Ausgangsbereich des piezoelektrischen Transformators erzeugt wird. Auf eine aufwendige eingangsseitige Impedanz- und/oder Phasenmessung kann somit verzichtet werden. Dadurch kann eine Schaltung zur Frequenzregelung des Transformators vereinfacht werden.
Darüber hinaus kann eine Frequenzanpassung mittels Messung der elektrischen Feldstärke unabhängig von der Signalform der Eingangsspannung angewendet werden. Es ist beispielsweise nicht erforderlich, dass es sich bei der Eingangsspannung um ein sinusförmiges Signal handelt. Vielmehr kann die Eingangsspannung jedes periodische Signal sein, beispielsweise kann es sich bei der Eingangsspannung um ein Rechtecksignal oder ein Dreiecksignal handeln.
Die Feldsonde kann in ein Gehäuse der Vorrichtung zur Erzeugung eines nicht-thermischen Atmosphärendruck-Plasmas integriert sein. Die Feldsonde kann in unmittelbarer Nähe zu dem piezoelektrischen Transformator angeordnet sein. Beispielsweise kann der Abstand zwischen dem piezoelektrischen Transformator und der Feldsonde kleiner als 5 cm sein. Vorzugsweise kann der Abstand zwischen dem piezoelektrischen Transformator und der Feldsonde kleiner als 1 cm sein. Zwischen der Feldsonde und dem piezoelektrischen Transformator kann ein Spalt verbleiben.
Die Feldsonde kann durch eine Metallfläche gebildet werden, wobei ein von dem piezoelektrischen Transformator erzeugtes elektrisches Wechselfeld eine Wechselspannung in der Metallfläche erzeugt. Die Vorrichtung kann eine Messeinheit aufweisen, die dazu ausgestaltet ist, diese Spannung zu messen und daraus auf die Feldstärke rückzuschließen.
Der piezoelektrische Transformator kann einen Eingangsbereich aufweisen, an den die Eingangsspannung anlegbar ist. Der piezoelektrische Transformator kann einen Ausgangsbereich aufweisen, in dem eine Hochspannung erzeugt wird, wenn an dem Eingangsbereich die Eingangsspannung angelegt ist, wobei durch die Hochspannung ein Plasma gezündet wird. Insbesondere kann es sich bei dem Transformator um einen Rosen-Typ Transformator handeln. Der Transformator kann von einem Prozessgas umgeben sein. Bei der Plasmazündung kann durch die erzeugte Hochspannung eine Anregung oder eine Ionisation von Molekülen oder Atomen des Prozessgases bewirkt werden. Ferner können Radikale aus den Komponenten des Prozessgases gebildet werden. Im Falle von Umgebungsluft als Prozessgas werden insbesondere OH-Radikale, Stickoxide und Ozon im Plasma erzeugt.
Die Feldsonde kann nahe dem Ausgangsbereich des piezoelektrischen Transformators angeordnet sein. Beispielsweise kann der Abstand zwischen der Feldsonde und dem Ausgangsbereich zwischen 0,1 mm und 1 cm betragen. Zwischen der Feldsonde und dem Ausgangsbereich ist ein Spalt angeordnet. Der Spalt kann mit dem Prozessgas gefüllt sein. Dadurch, dass die Feldsonde nahe des Ausgangsbereichs angeordnet ist, kann sichergestellt werden, dass das von der Feldsonde gemessene elektrische Feld eine Feldstärke aufweist, die proportional zu der Ausgangsspannung des piezoelektrischen Transformators ist. Ist die Feldsonde nahe dem Ausgangsbereich angeordnet, so kann sichergestellt werden, dass das von dem piezoelektrischen Transformator erzeugte elektrische Feld für die elektrische Feldstärke an diesem Ort den dominierenden Effekt darstellt und etwaige andere elektrische Felder, die eine Messung der Feldstärke durch die Feldsonde als Störeffekte beeinflussen könnten, vernachlässigt werden können.
Die Feldsonde kann mit einer Messeinheit verbunden sein, die dazu ausgestaltet ist, einen Spitzenwert der elektrischen Feldstärke und/oder einen Mittelwert der elektrischen Feldstärke zu bestimmen. Die Ansteuerschaltung kann einen Regler aufweisen, der dazu ausgestaltet ist, die Ansteuerfrequenz abhängig vom bestimmten Spitzenwert und/oder vom bestimmten Mittelwert zu variieren. Die Messeinheit und die Ansteuerschaltung können auf einer einzigen Leiterplatte ausgebildet sein. Die Messeinheit und die Ansteuerschaltung können durch einen einzigen Mikrochip gebildet werden.
Die Feldsonde kann in eine Leiterplatte integriert sein. Die Leiterplatte kann ein nicht-leitendes Trägermaterial aufweisen. Das nicht-leitende Material der Leiterplatte kann für eine Isolierung zwischen der Feldsonde und dem piezoelektrischen Transformator sorgen. Dementsprechend können Plasmazündungen zwischen dem Transformator und der Feldsonde vermieden werden. Die Feldsonde kann entweder auf einer Unterseite der Leiterplatte, die vom piezoelektrischen Transformator weg weist, oder in einer inneren Lage einer mehrlagigen Leiterplatte angeordnet sein.
Die Leiterplatte kann eine Metallbeschichtung aufweisen, die auf einer Seite der Leiterplatte angeordnet ist, die von dem piezoelektrischen Transformator weg weist. Bei der Metallbeschichtung kann es sich um eine Kupferbeschichtung handeln. Die Metallbeschichtung kann eine Sondenfläche ausbilden. Durch ein von dem piezoelektrischen Transformator erzeugtes elektrisches Wechselfeld kann in der Sondenfläche eine Spannung induziert werden. Die Sondenfläche kann mit der Messeinheit verbunden werden, wobei die Messeinheit dazu ausgestaltet ist, die in der Sondenfläche induzierte Spannung zu vermessen. Die Metallbeschichtung kann ferner eine Massenfläche ausbilden, die mit einem Referenzpotential, insbesondere der Masse, verbunden ist.
Die Leiterplatte kann mehrlagig sein, wobei die Feldsonde durch eine innere Lage der Leiterplatte gebildet werden kann. Als innere Lage kann dabei eine Lage bezeichnet werden, die zwischen zwei Lagen eines nicht-leitenden Trägermaterial angeordnet ist. Durch die Ausbildung der Feldsonde durch eine innere Lage kann eine besonders hohe Ortsauflösung der Messung erreicht werden.
Die Wechselspannung kann ein dreieckförmiges Signal oder ein rechteckförmiges Signal aufweisen. Signale dieser Art lassen sich besonders einfach erzeugen und ermöglichen dementsprechend die Verwendung eines simplen Treibers zur Ansteuerung. Da zur Bestimmung der optimalen Arbeitsfrequenz des piezoelektrischen Transformators nicht auf Phaseninformationen zurückgegriffen werden muss, kann es sich bei der Wechselspannung um jedes beliebige periodische Signal handeln. Es ist insbesondere nicht zwangsläufig erforderlich, dass es sich bei der Wechselspannung um ein Sinussignal handelt.
Die Ansteuerschaltung kann dazu ausgestaltet sein, beim Einschalten der Vorrichtung unter Berücksichtigung der Messergebnisse der Feldsonde die Ansteuerfrequenz derart anzupassen, dass die Feldstärke maximiert wird. Die Ansteuerschaltung kann ferner dazu ausgestaltet sein, im laufenden Betrieb der Vorrichtung in festgelegten zeitlichen Abständen unter Berücksichtigung der Messergebnisse der Feldsonde eine Korrektur der Ansteuerfrequenz vorzunehmen, wobei die Ansteuerfrequenz erneut derart angepasst wird, dass die Feldstärke maximiert wird.
Während des laufenden Betriebs können sich die Arbeitsbedingungen ändern, wodurch die Serienresonanzfrequenz des piezoelektrischen Transformators und damit seine optimale Arbeitsfrequenz verschoben wird. Hierfür kann beispielsweise eine Temperaturänderung oder eine Last in der Nähe des Transformators sorgen. Durch die Wiederholung der Anpassung der Ansteuerfrequenz in periodischen zeitlichen Abständen im laufenden Betrieb kann sichergestellt werden, dass die Ansteuerfrequenz stets auf die optimale Arbeitsfrequenz angepasst wird.
Die Vorrichtung kann zur Erzeugung von angeregten Molekülen, Ionen oder Radikalen dienen. Die Vorrichtung kann zur Erzeugung von OH-Radikalen und/oder Stickoxid und/oder Ozon dienen.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Frequenzregelung eines piezoelektrischen Transformators. Dabei kann es sich um den oben beschriebenen Transformator handeln. Dementsprechend kann jedes funktionelle oder strukturelle Merkmal, das im Zusammenhang mit dem Transformator offenbart wurde, auch auf das Verfahren zutreffen. Umgekehrt kann jedes Merkmal, das im Zusammenhang mit dem Verfahren offenbart wird, auch auf den Transformator zutreffen.
Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

- Anlegen einer Wechselspannung an den piezoelektrischen Transformator mit einer Anfangs-Ansteuerfrequenz f₀,
- schrittweises Ändern der Ansteuerfrequenz, wobei jeweils die Feldstärke eines von dem piezoelektrischen Transformator erzeugten elektrischen Feldes durch eine Feldsonde ermittelt wird,
- Bestimmen der Ansteuerfrequenz, bei der sich die maximale Feldstärke einstellt,
- Betrieb des piezoelektrischen Transformators mit der bestimmten Ansteuerfrequenz, für die sich die maximale Feldstärke einstellt.

Ein Vorteil des Verfahrens ist die geringe Trägheit eines Regelalgorithmus, der die Frequenz, mit der der Transformator betrieben wird, regelt. Würde als Regelgröße stattdessen ein Spulenstrom verwendet werden, wäre die Trägheit des Regelalgorithmus deutlich größer.
Die Schritte können dabei in der hier angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden.
Das Verfahren kann somit ermöglichen, die Frequenz des piezoelektrischen Transformators stets auf seine Serienresonanzfrequenz und somit seine optimale Arbeitsfrequenz zu regeln. Wie bereits oben diskutiert, ermöglicht es das Verfahren, eine Regelung der Ansteuerfrequenz unabhängig von der Signalform des Ansteuersignals vorzunehmen. Das Verfahren kann durchgeführt werden, ohne dabei eine Schwingung des piezoelektrischen Transformators zu dämpfen. Darüber hinaus kann das Verfahren mit einer recht einfach gestalteten Ansteuerschaltung durchgeführt werden.
Die Bestimmung der Ansteuerfrequenz, bei der sich die maximale Feldstärke eingestellt, kann im laufenden Betrieb der Vorrichtung in festgelegten zeitlichen Abständen wiederholt werden. Auf diese Weise können Änderungen der Arbeitsbedingungen der Vorrichtung berücksichtigt werden und die Ansteuerfrequenz kann stets auf den optimalen Wert eingestellt werden.
Bei dem schrittweisen Ändern der Ansteuerfrequenz kann die Ansteuerfrequenz ausgehend von der Anfangs-Ansteuerfrequenz f₀ schrittweise um eine Schrittweite Δf₁ erhöht oder reduziert werden, bis sich die Ansteuerfrequenz einstellt, bei der sich für die Schrittweite Δf₁ die maximale Feldstärke einstellt, wobei anschließend ausgehend von dieser Ansteuerfrequenz die Ansteuerfrequenz schrittweise um eine Schrittweite Δf₂ erhöht oder reduziert wird, bis sich die Ansteuerfrequenz einstellt, bei der sich für die Schrittweite Δf₂ die maximale Feldstärke einstellt, wobei Δf₂ kleiner als Δf₁ ist. Dementsprechend kann die schrittweise Anpassung zunächst mit großen Schrittweiten und dann mit zunehmend geringer werdenden Schrittweiten durchgeführt werden. Dadurch, dass zunächst große und später kleiner werdende Schrittweiten verwendet werden, kann die optimale Ansteuerfrequenz schnell gefunden werden.
Der piezoelektrische Transformator, dessen Frequenz mit dem oben beschriebenen Verfahren geregelt wird, kann zur Erzeugung eines nicht-thermischen Atmosphärendruck-Plasmas eingesetzt werden.
Das Plasma kann zur Erzeugung von angeregten Molekülen, Ionen oder Radikalen genutzt werden. Das Plasma kann zur Erzeugung von OH-Radikalen und/oder Stickoxid und/oder Ozon genutzt werden.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand der Figuren näher beschrieben.

1 zeigt einen piezoelektrischen Transformator in einer perspektivischen Ansicht.
2 zeigt ein Diagramm, in dem der Impedanzverlauf und der Verlauf der Ausgangsspannung des piezoelektrischen Transformators dargestellt sind.
3 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Erzeugung eines nicht-thermischen Atmosphärendruck-Plasmas.
4 zeigt eine Feldsonde.
5 zeigt eine Leiterplatte, in die eine Feldsonde integriert ist, in einem Querschnitt.
6 zeigt die Unterseite der in 5 gezeigten Leiterplatte.
7 zeigt ein Ersatzschaltbild.

1 zeigt einen piezoelektrischen Transformator 1 in einer perspektivischen Ansicht. Der piezoelektrische Transformator 1 kann insbesondere in einem Plasmagenerator zur Erzeugung von nichtthermischem Atmosphärendruck-Plasma eingesetzt werden.
Ein piezoelektrischer Transformator 1 ist eine Bauform eines Resonanztransformators, welcher auf Piezoelektrizität basiert und im Gegensatz zu den herkömmlichen magnetischen Transformatoren ein elektromechanisches System darstellt. Der piezoelektrische Transformator 1 ist beispielsweise ein Transformator vom Rosen-Typ.
Der piezoelektrische Transformator 1 weist einen Eingangsbereich 2 und einen Ausgangsbereich 3 auf, wobei der Ausgangsbereich 3 sich in einer Längsrichtung z an den Eingangsbereich 2 anschließt. Im Eingangsbereich 2 weist der piezoelektrische Transformator 1 Elektroden 4 auf, an die eine Wechselspannung angelegt werden kann. Die Elektroden 4 erstrecken sich in der Längsrichtung z des piezoelektrischen Transformators 1. Die Elektroden 4 sind in einer Stapelrichtung x, die senkrecht zu der Längsrichtung z ist, abwechselnd mit einem piezoelektrischen Material 5 gestapelt. Das piezoelektrische Material 5 ist dabei in Stapelrichtung x polarisiert.
Die Elektroden 4 sind im Innern des piezoelektrischen Transformators 1 angeordnet und werden auch als Innenelektroden bezeichnet. Der piezoelektrische Transformator 1 weist eine erste Seitenfläche 6 und eine zweite Seitenfläche 7, die der ersten Seitenfläche 6 gegenüberliegt, auf. Auf der ersten Seitenfläche 6 ist eine erste Außenelektrode 8 angeordnet. Auf der zweiten Seitenfläche 7 ist eine zweite Außenelektrode (nicht gezeigt) angeordnet. Die innenliegenden Elektroden 4 sind in Stapelrichtung x abwechselnd entweder mit der ersten Außenelektrode 8 oder der zweiten Außenelektrode elektrisch kontaktiert.
Der Eingangsbereich 2 kann mit einer geringen Wechselspannung angesteuert werden, die zwischen den Elektroden 4 angelegt wird. Aufgrund des piezoelektrischen Effekts wird die eingangsseitig angelegte Wechselspannung zunächst in eine mechanische Schwingung umgewandelt. Die Frequenz der mechanischen Schwingung ist dabei wesentlich von der Geometrie und dem mechanischen Aufbau des piezoelektrischen Transformators 1 abhängig.
Der Ausgangsbereich 3 weist piezoelektrisches Material 9 auf und ist frei von innenliegenden Elektroden. Das piezoelektrische Material 9 im Ausgangsbereich 3 ist in der Längsrichtung z polarisiert. Bei dem piezoelektrischen Material 9 des Ausgangsbereichs 3 kann es sich um das gleiche Material wie bei dem piezoelektrischen Material 5 des Eingangsbereichs 2 handeln, wobei sich die piezoelektrischen Materialien 5 und 9 in ihrer Polarisationsrichtung unterscheiden können. Im Ausgangsbereich 3 ist das piezoelektrische Material 9 zu einer einzigen monolithischen Schicht geformt, die vollständig in der Längsrichtung z polarisiert ist. Dabei weist das piezoelektrische Material 9 im Ausgangsbereich 3 nur eine einzige Polarisationsrichtung auf.
Wird an die Elektroden 4 im Eingangsbereich 2 eine Wechselspannung angelegt, so bildet sich innerhalb des piezoelektrischen Materials 5, 9 eine mechanische Welle aus, die durch den piezoelektrischen Effekt im Ausgangsbereich 3 eine Ausgangsspannung erzeugt. Der Ausgangsbereich 3 weist eine ausgangsseitige Stirnseite 10 auf. Im Ausgangsbereich 3 wird somit eine elektrische Spannung zwischen der Stirnseite 10 und dem Ende der Elektroden 4 des Eingangsbereichs 2 erzeugt. An der ausgangsseitigen Stirnseite 10 wird dabei eine Hochspannung erzeugt. Dabei entsteht auch zwischen der ausgangseitigen Stirnseite und einer Umgebung des piezoelektrischen Transformators eine hohe Potentialdifferenz, die ausreicht, um ein starkes elektrisches Feld zu erzeugen, dass ein Prozessgas ionisiert.
Auf diese Weise erzeugt der piezoelektrische Transformator 1 hohe elektrische Felder, die in der Lage sind, Gase oder Flüssigkeiten durch elektrische Anregung zu ionisieren. Dabei werden Atome oder Moleküle des jeweiligen Gases bzw. der jeweiligen Flüssigkeit ionisiert und bilden ein Plasma. Es kommt immer dann zu einer Ionisation, wenn die elektrische Feldstärke an der Oberfläche des piezoelektrischen Transformators 1 die Zündfeldstärke des Plasmas überschreitet. Als Zündfeldstärke eines Plasmas wird dabei die Feldstärke bezeichnet, die zur Ionisation der Atome oder Moleküle erforderlich ist.
2 zeigt ein Diagramm, in dem der Impedanz- und Spannungsverlauf des piezoelektrischen Transformators 1 dargestellt ist. Die Kurve Zin(log) zeigt den Verlauf der Eingangsimpedanz des piezoelektrischen Transformators 1 in Abhängigkeit von der Frequenz der angelegten Eingangsspannung aufgetragen auf einer logarithmischen Skale. Die Kurve Zin(log) erreicht bei der Serienresonanzfrequenz des piezoelektrischen Transformators 1 ein Minimum. Ferner erreicht die Kurve Zin(log) ein Maximum bei der Parallelresonanzfrequenz des piezoelektrischen Transformators 1.
In 2 ist ferner die Kurve Vout(lin) gezeigt, die den Verlauf der Ausgangsspannung, die an der ausgangsseitigen Stirnseite 10 des piezoelektrischen Transformators 1 erzeugt wird, in Abhängigkeit von der Frequenz der angelegten Eingangsspannung angibt. Die Ausgangsspannung erreicht ihr Maximum bei der Serienresonanzfrequenz des piezoelektrischen Transformators 1. Dementsprechend wird die höchste Effizienz bei der Plasmaerzeugung erreicht, wenn die Frequenz der Eingangsspannung, die an den piezoelektrischen Transformator 1 angelegt wird, der Serienresonanzfrequenz des piezoelektrischen Transformators 1 entspricht.
Die Serienresonanzfrequenz ist jedoch keineswegs konstant, sondern hängt vielmehr von zahlreichen Parametern ab. Insbesondere kann durch ein von dem piezoelektrischen Transformator 1 gezündetes Plasma eine Last gebildet werden, die die Impedanz des Transformators 1 beeinflusst und dementsprechend zu einer Änderung der Serienresonanzfrequenz des Transformators 1 führen kann. Darüber hinaus ist die Serienresonanzfrequenz auch von der Arbeitsumgebungen abhängig, in der der piezoelektrische Transformator 1 eingesetzt wird. Beispielsweise können das verwendete Prozessgas und die Temperatur des piezoelektrischen Transformators 1 die Serienresonanzfrequenz beeinflussen.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Erzeugung eines nicht-thermischen Atmosphärendruck-Plasmas, die den piezoelektrischen Transformator 1 aufweist. Die Vorrichtung weist ferner eine Ansteuerschaltung 11 auf, die dazu ausgelegt ist, eine Wechselspannung mit einer Ansteuerfrequenz als Eingangsspannung an den piezoelektrischen Transformator 1 anzulegen. Ziel der vorliegenden Erfindung ist es nunmehr, es zu ermöglichen, die Ansteuerfrequenz stets so anzupassen, dass der piezoelektrische Transformator 1 bei seiner aktuellen Serienresonanzfrequenz betrieben wird. Die Ansteuerschaltung 11 weist einen Treiber 12 und einen Regler 13 auf. Der Treiber 12 ist dazu ausgestaltet, die Eingangsspannung an den piezoelektrischen Transformator 1 anzulegen. Der Treiber 12 ist mit den Außenelektroden 8, 14 des piezoelektrischen Transformators 1 verbunden. Der Regler 13 ist dazu ausgestaltet, den Treiber 12 anzusteuern und dabei insbesondere die Ansteuerfrequenz der Eingangsspannung festzulegen.
Die Vorrichtung weist ferner eine Feldsonde 15 auf, die dazu ausgestaltet ist, eine Feldstärke des von dem piezoelektrischen Transformator 1 erzeugten elektrischen Feldes zu messen. Die Feldsonde 15 ist in unmittelbarer Nähe zu dem Ausgangsbereich 3 des piezoelektrischen Transformators 1 angeordnet. Die Feldsonde 15 stellt ein der Ausgangsspannung proportionales Signal bereit. Dementsprechend kann über die von der Feldsonde 15 bestimmte Feldstärke unmittelbar auf die an der ausgangsseitigen Stirnseite 10 des piezoelektrischen Transformators 1 erzeugte Hochspannung geschlossen werden.
Durch die Messung der elektrischen Feldstärke mittels der Feldsonde 15 kann es ermöglicht werden, die Ansteuerfrequenz stets auf eine optimale Ansteuerfrequenz einzuregeln. Bei der optimalen Ansteuerfrequenz ist die Effizienz der Vorrichtung hinsichtlich der Plasmaerzeugung maximiert.
Die Feldsonde 15 ist ferner mit einer Messeinheit 16 verbunden, die dazu ausgestaltet ist, die von der Feldsonde 15 erfassten Signale auszuwerten. Dabei kann die Messeinheit 16 dazu ausgestaltet sein, einen Spitzenwert der von der Feldsonde 15 gemessenen elektrischen Feldstärke und/oder einen Mittelwert der elektrischen Feldstärke zu bestimmen. Die Messeinheit 16 weist einen mit einem Referenzpotential verbundenen Widerstand 17 sowie einen mit dem Referenzpotential verbundenen Kondensator 18 auf. In einer alternativen Ausführungsform kann entweder auf den Widerstand 17 oder auf den Kondensator 18 verzichtet werden.
Ferner weist die Messeinheit 16 einen Gleichrichter 19 auf. Das von der Feldsonde 15 erfasste Signal ist ein Wechselstromsignal, dessen Frequenz der Ansteuerfrequenz der an den piezoelektrischen Transformator 1 angelegten Eingangsspannung entspricht. Der Gleichrichter 19 ist dazu ausgestaltet, das Signal gleichzurichten. Dementsprechend ist der Gleichrichter 19 dazu ausgestaltet, ein von der Feldsonde 15 an die Messeinheit 16 übermitteltes Wechselstromsignal in ein Gleichstromsignal zu wandeln.
Die Messeinheit 16 ist mit der Ansteuerschaltung 11 verbunden. Insbesondere ist die Messeinheit 16 mit dem Regler 13 der Ansteuerschaltung 11 verbunden. Der Regler 13 kann ein Regelkreis sein, der beispielsweise auf einem Microcontroller ausgebildet ist. Der Regler 13 ist dazu ausgestaltet, festzulegen, mit welcher Ansteuerfrequenz der Treiber 12 den piezoelektrischen Transformator 1 ansteuert.
Der Regler 13 kann dazu ausgestaltet sein, beginnend von einer Anfangsansteuerfrequenz f₀, die so gewählt ist, dass sie in jedem Fall kleiner ist als die Serienresonanzfrequenz des piezoelektrischen Transformators 1, die Ansteuerfrequenz schrittweise zu erhöhen. Dabei wird für jede gewählte Ansteuerfrequenz f_n die jeweilige elektrische Feldstärke v(f_n) ermittelt. Der Regler 13 kann dazu ausgestaltet sein, die Ansteuerfrequenz schrittweise um eine feste Schrittweite Δf₁ zu erhöhen. Dabei nimmt die Ansteuerfrequenz nacheinander die Werte f₀, f₁=f₀+Δf₁, f₂=f₁+Δf₁, f₃=f₂+Δf₁ usw. an. Der Regler 13 ist dazu ausgestaltet die Ansteuerfrequenz zu erhöhen bis ein lokales Spannungsmaximum v_max,n=max (v(f_n), v_max,n-1) bestimmt wurde.
Ist das lokale Spannungsmaximum v_max,n gefunden worden, kann eine weitere Anpassung der Ansteuerfrequenz mit einer reduzierten Schrittweite Δf₂ vorgenommen werden. Als Ausgangswert für die weitere Anpassung wird eine Anfangs-Ansteuerfrequenz f_n(max)-1 gewählt, die nahe der Frequenz f_n(max) des lokalen Spannungsmaximums ist und unter dieser Frequenz liegt. Die reduzierte Schrittweite Δf₂ kann beispielsweise halb so groß sein wie die Schrittweite Δf₁. Bei der weiteren Anpassung werden somit für die Ansteuerfrequenz nacheinander die Werte f_n(max)-1, f₁=f_n(max)-1+Δf₂, f₂=f₁+Δf₂, f₃=f₂+Δf₂ usw. gewählt. Dabei wird wieder ein lokales Spannungsmaximum der elektrischen Feldstärke mit einer nun verbesserten Frequenzauflösung bestimmt. Dieses Prinzip kann wiederholt werden, bis ein Maximum mit der gewünschten Frequenzauflösung gefunden ist.
Alternativ ist es auch möglich, dass die Anfangsansteuerfrequenz f₀ so gewählt wird, dass sie in jedem Fall größer ist als die Serienresonanzfrequenz des piezoelektrischen Transformators 1. In diesem Fall kann der Regler eine schrittweise Verringerung der Ansteuerfrequenz vornehmen und in gleicher Weise die optimale Ansteuerfrequenz ermitteln. Auch in diesem Fall kann die schrittweise Anpassung mehrmals vorgenommen werden, wobei bei jedem Anpassungszyklus die Schrittweite verringert wird.
Die Anpassung der Ansteuerfrequenz kann erstmals beim Einschalten der Vorrichtung vorgenommen werden. Ferner könnte diese Anpassung im laufenden Betrieb der Vorrichtung in regelmäßigen zeitlichen Abständen wiederholt werden. Dadurch könnte mitberücksichtigt werden, dass bei sich verändernden Arbeitsbedingungen auch eine Veränderung der Impedanz des Transformators 1 und somit der Serienresonanzfrequenz erfolgt.
Die Feldsonde 15 ist auf einer Leiterplatte 20 integriert. Die Leiterplatte ist parallel zu dem Ausgangsbereich 4 des piezoelektrischen Transformators 1 angeordnet, wobei zwischen der Leiterplatte 20 und dem piezoelektrischen Transformator 1 ein Spalt 21 ist. Die Leiterplatte 20 kann sich in Längsrichtung z über die ausgangsseitige Stirnseite 10 des Ausgangsbereichs 3 hinaus erstrecken. In die entgegengesetzte Richtung kann die Leiterplatte 20 in den Eingangsbereich 2 hineinragen.
4 zeigt die Unterseite der Leiterplatte 20.
Die Leiterplatte 20 weist eine Schicht aus einem nicht-leitenden Trägermaterial 22 auf. Bei dem nicht-leitenden Trägermaterial 22 kann es sich beispielsweise um FR4 oder ein anderes isolierendes Material handeln. Die Feldsonde 15 ist durch eine Metallisierung der Seite der Leiterplatte 20, die vom piezoelektrischen Transformator 1 wegweist, ausgebildet. Dadurch wird sichergestellt, dass es nicht zu einer Plasmazündung zwischen dem Transformator 1 und der Feldsonde 15 kommt, da die Leiterplatte 20 als Isolator wirkt. Der Spalt 21 sowie die Leiterplatte 20, die zwischen der Feldsonde 15 und dem Transformator 1 angeordnet sind, wirken jeweils als Kapazität.
Auf der dem Transformator 1 abgewandten Seite der Leiterplatte 20 befindet sich eine Metallbeschichtung. Bei der Metallbeschichtung kann es sich um eine Kupferbeschichtung handeln. Die Metallbeschichtung ist in eine Massefläche 23 und eine Sondenfläche 24 unterteilt. Die Massefläche 23 und die Sondenfläche 24 sind durch eine Fläche des isolierenden Trägermaterials getrennt.
Durch die Anordnung der Metallbeschichtung auf der von dem Transformator 1 wegweisenden Seite der Leiterplatte 20 kann ein Zünden des Plasmas gegen die Metallbeschichtung unterbunden werden. Insbesondere ist die Leiterplatte 20 in einem Abstand von dem Transformator 1 angeordnet, der groß genug ist um ein Zünden zur Unterseite der Leiterplatte 20 zu verhindern.
Die Massenfläche 23 ist mit einem Referenzpotential, beispielsweise einer Erdung, verbunden. Die Sondenfläche 24 ist mit der Messeinheit 16 verbunden. Die Massenfläche 23 und die Sondenfläche 24 sind über den Widerstand 17, der als diskretes Bauelement auf der Unterseite der Leiterplatte 20 angeordnet ist, miteinander verbunden. Alternativ oder ergänzend zu dem Widerstand 17 können die Massenfläche 23 und die Sondenfläche 24 auch durch einen Kondensator verbunden werden. Wird durch den piezoelektrischen Transformator 1 ein elektrisches Feld erzeugt, induziert das Feld eine Spannung in der Sondenfläche 24. Die Messeinheit 16 ist dazu ausgestaltet, die induzierte Spannung zu messen.
Der Spalt 21 zwischen dem Transformator 1 und einer Oberseite der Leiterplatte 20, die dem Transformator 1 zugewandt ist, bildet einen Kondensator. Ferner bildet die Leiterplatte 20 gegenüber der Sondenfläche 24 ebenfalls einen Kondensator. Die Kapazitäten der beiden Kondensatoren bilden zusammen mit dem Widerstand 17, der als diskretes Bauelement auf der Unterseite der Leiterplatte 20 angeordnet ist, einen Spannungsteiler. Über den Spannungsteiler ist die Sondenfläche 24 definiert an Masse angebunden und die in der Sondenfläche 24 induzierte Wechselspannung steht für eine Messung zur Verfügung.
Die 5 bis 7 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel einer Leiterplatte 20, in die eine Feldsonde 15 integriert ist. Dabei zeigt 5 einen Querschnitt durch die Leiterplatte 20. 6 zeigt eine Leiterplatte 20 in einer Ansicht von unten, wobei eine Metallisierung einer inneren Schicht der Leiterplatte 20 dargestellt ist und die auf der Unterseite der Leiterplatten 20 angeordneten diskreten Komponenten dargestellt sind. 7 zeigt ein Ersatzschaltbild der Leiterplatte 20.
Die Leiterplatte 20 ist mehrlagig, insbesondere vierlagig. Die Leiterplatte weist drei Lagen des nicht-leitenden Trägermaterials 22 auf. Ferner sind diskrete Bauelemente auf der Unterseite der Leiterplatte 20 angeordnet. Die Sondenfläche 24 wird durch eine Metallschicht in einer inneren Lage der mehrlagigen Leiterplatte 20 gebildet. In der inneren Lage der mehrlagigen Leiterplatte 20 ist ferner eine zweite Metallfläche 25 angeordnet, die von der Sondenfläche 24 durch das nicht-leitende Trägermaterial 22 getrennt ist. Ferner ist in der inneren Lage eine Massefläche 23 angeordnet. Die Massefläche 23 ist mit dem Referenzpotential, beispielsweise der Erdung verbunden. Die Sondenfläche 24 ist mit der Messeinheit 16 verbunden. Die Sondenfläche 24, die zweiten Metallfläche 25 und die Massefläche 23 können insbesondere aus Kupfer bestehen.
Auf der Unterseite der mehrlagigen Leiterplatte 20, die von dem piezoelektrischen Transformator 1 wegweist, sind diskrete Bauelemente angeordnet. Bei den diskreten Bauelementen handelt es sich um zwei Dioden 26, einen Widerstand 17 und einen Kondensator 18. Dem in 7 gezeigten Ersatzschaltbild ist zu entnehmen, wie die Sondenfläche 24, die zweite Metallfläche 25, die Massefläche 23 und die diskreten Bauelemente miteinander verschaltet sind. Die diskreten Bauelemente können einen Gleichrichter bilden. Dementsprechend kann der Gleichrichter 19 in die Leiterplatte 20 integriert sein. Alternativ oder ergänzend können die diskreten Bauelemente einen Siebkondensator bilden. Ein Siebkondensator, auch Glättungskondensator genannt, ist ein parallel zum Lastwiderstand gelegter Kondensator, der hinter einer Gleichrichterschaltung die Restwelligkeit der gleichgerichteten Spannung vermindert.
Das zweite Ausführungsbeispiel ermöglicht eine verbesserte Ortsauflösung der Messung.
Bezugszeichenliste

1: piezoelektrischer Transformator
2: Eingangsbereich
3: Ausgangsbereich
4: Elektrode
5: piezoelektrisches Material
6: erste Seitenfläche
7: zweite Seitenfläche
8: Außenelektrode
9: piezoelektrisches Material
10: ausgangsseitige Stirnseite
11: Ansteuerschaltung
12: Treiber
13: Regler
14: Außenelektrode
15: Feldsonde
16: Messeinheit
17: Widerstand
18: Kondensator
19: Gleichrichter
20: Leiterplatte
21: Spalt
22: nicht-leitendes Trägermaterial
23: Massefläche
24: Sondenfläche
25: zweite Metallfläche
26: Diode
x: Stapelrichtung
z: Längsrichtung

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung eines nicht-thermischen Atmosphärendruck-Plasmas, aufweisend einen piezoelektrischen Transformator (1), eine Ansteuerschaltung (11), die dazu ausgelegt ist, eine Wechselspannung mit einer Ansteuerfrequenz als Eingangsspannung an den piezoelektrischen Transformator (1) anzulegen, und eine Feldsonde (15), die dazu ausgestaltet ist, eine Feldstärke eines von dem piezoelektrischen Transformator (1) erzeugten elektrischen Feldes zu messen, wobei die Ansteuerschaltung (11) dazu ausgestaltet ist, unter Berücksichtigung der Messergebnisse der Feldsonde (15) die Ansteuerfrequenz derart anzupassen, dass die Feldstärke maximiert wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der piezoelektrische Transformator (1) einen Eingangsbereich (2) aufweist, an den die Eingangsspannung anlegbar ist, und wobei der piezoelektrische Transformator (1) einen Ausgangsbereich (3) aufweist, in dem eine Hochspannung erzeugt wird, wenn an den Eingangsbereich (2) die Eingangsspannung angelegt ist, wobei durch die Hochspannung ein Plasma gezündet wird.
Vorrichtung gemäß dem vorherigen Anspruch, wobei die Feldsonde (15) nahe dem Ausgangsbereich (3) angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Feldsonde (15) mit einer Messeinheit (16) verbunden ist, die dazu ausgestaltet ist, einen Spitzenwert der elektrischen Feldstärke und/oder einen Mittelwert der elektrischen Feldstärke zu bestimmen, wobei die Ansteuerschaltung (11) einen Regler (13) aufweist, der dazu ausgestaltet ist, die Ansteuerfrequenz abhängig vom bestimmten Spitzenwert und/oder vom bestimmten Mittelwert zu variieren.
Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Feldsonde (15) in eine Leiterplatte (20) integriert ist.
Vorrichtung gemäß dem vorherigen Anspruch, wobei die Leiterplatte (20) eine Metallbeschichtung (23, 24) aufweist, die auf einer Seite der Leiterplatte (20) angeordnet ist, die von dem piezoelektrischen Transformator (1) wegweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei die Leiterplatte (20) mehrlagig ist und die Feldsonde (15) durch eine innere Lage der Leiterplatte (20) gebildet wird.
Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Wechselspannung ein rechteckförmiges Signal oder ein dreieckförmiges Signal aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Ansteuerschaltung (11) dazu ausgestaltet ist, beim Einschalten der Vorrichtung unter Berücksichtigung der Messergebnisse der Feldsonde (15) die Ansteuerfrequenz derart anzupassen, dass die Feldstärke maximiert wird, und wobei die Ansteuerschaltung (11) dazu ausgestaltet ist, im laufenden Betrieb der Vorrichtung in festgelegten zeitlichen Abständen unter Berücksichtigung der Messergebnisse der Feldsonde (15) eine Korrektur der Ansteuerfrequenz vorzunehmen, wobei die Ansteuerfrequenz erneut derart angepasst wird, dass die Feldstärke maximiert wird.
Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, die zur Erzeugung von angeregten Molekülen, Ionen oder Radikalen dient.
Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, die zur Erzeugung von OH-Radikalen und/oder Stickoxid und/oder Ozon dient.
Verfahren zur Frequenzregelung eines piezoelektrischen Transformators (1), umfassend die Schritte: - Anlegen einer Wechselspannung an den piezoelektrischen Transformator (1) mit einer Anfangs-Ansteuerfrequenz f₀, - Schrittweises Ändern der Ansteuerfrequenz, wobei jeweils die Feldstärke eines von dem piezoelektrischen Transformator (1) erzeugten elektrischen Feldes durch eine Feldsonde (15) ermittelt wird, - Bestimmen der Ansteuerfrequenz, bei der sich die maximale Feldstärke einstellt, - Betrieb des piezoelektrischen Transformators (1) mit der bestimmten Ansteuerfrequenz, für die sich die maximale Feldstärke einstellt.
Verfahren gemäß dem vorherigen Anspruch, wobei die Bestimmung der Ansteuerfrequenz, bei der sich die maximale Feldstärke einstellt, im laufenden Betrieb der Vorrichtung in festgelegten zeitlichen Abständen wiederholt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei bei dem schrittweisen Ändern der Ansteuerfrequenz die Ansteuerfrequenz ausgehend von der Anfangs-Ansteuerfrequenz f₀ schrittweise um eine Schrittweite Δf₁ erhöht oder reduziert wird, bis sich die Ansteuerfrequenz einstellt, bei der sich für die Schrittweite Δf₁ die maximale Feldstärke einstellt, wobei anschließend ausgehend von dieser Ansteuerfrequenz die Ansteuerfrequenz schrittweise um eine Schrittweite Δf₂ erhöht oder reduziert wird, bis sich die Ansteuerfrequenz einstellt, bei der sich für die Schrittweite Δf₂ die maximale Feldstärke einstellt, wobei Δf₂ kleiner als Δf₁ ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei der piezoelektrische Transformator (1) zur Erzeugung eines nicht-thermischen Atmosphärendruck-Plasmas eingesetzt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei das Plasma zur Erzeugung von angeregten Molekülen, Ionen oder Radikalen genutzt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei das Plasma zur Erzeugung von OH-Radikalen und/oder Stickoxid und/oder Ozon genutzt wird.