DE102019135497B4

DE102019135497B4 - Piezoelektrischer Plasmagenerator und Verfahren zum Betrieb eines piezoelektrischen Plasmagenerators

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Publication number: DE102019135497B4
Application number: DE102019135497.8A
Authority: DE
Inventors: Alexander Melischnig; Markus Puff; Robert Krumphals; Amnon Lam; Eliezer FUCHS; Betsalel Rechav
Original assignee: TDK Electronics AG; Nova Plasma Ltd
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2019-12-20
Filing date: 2019-12-20
Publication date: 2021-11-11
Anticipated expiration: 2039-12-21
Also published as: JP2023506892A; WO2021122995A1; DE102019135497A1; CN115399074A; JP7341349B2; US20230007764A1

Abstract

Verfahren zum Betrieb eines piezoelektrischen Plasmagenerators,aufweisend den Schritt des Anlegens einer Eingangsspannung (Sin) an einen piezoelektrischen Transformator (1) des piezoelektrischen Plasmagenerators (14),wobei ein Absolutwert einer Spitzenamplitude (|Apeak|) der Eingangsspannung (Sin) periodisch auf ein niedriges Niveau verringert und auf ein hohes Niveau erhöht wird, wobei das niedrige Niveau kleiner und das hohe Niveau größer ist als eine Zündspannung (Vig) des Plasmagenerators (14), derart, dass die Plasmaerzeugung periodisch zusammenbricht und wieder einsetzt,wobei der Absolutwert der Spitzenamplitude (|Apeak|) der Eingangsspannung (Sin) zwischen dem hohen Niveau und dem niedrigen Niveau umschaltet, wobei das niedrige Niveau des Absolutwerts der Spitzenamplitude (|Apeak|) über Null liegt, oder wobei der Absolutwert der Spitzenamplitude (|Apeak|) gemäß einer kontinuierlichen Hüllkurve oszilliert.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines piezoelektrischen Plasmagenerators. Der Plasmagenerator erzeugt insbesondere ein nicht-thermisches Plasma. Das Plasma kann unter atmosphärischen Bedingungen erzeugt werden. Der Plasmagenerator kann zur Behandlung empfindlicher Oberflächen, wie z.B. dünner Gewebe oder Haut, verwendet werden.
Die Patentanmeldung DE 10 2017 105 415 A1 offenbart einen piezoelektrischen Plasmagenerator zur Erzeugung eines nicht-thermischen Plasmas, bei dem ein Eingangssignal so optimiert ist, dass eine Feldstärke an einem Ausgangsbereich des Transformators maximiert ist. Die Patentanmeldung DE 10 2015 119 574 A1 offenbart ein Verfahren zur Erzeugung eines nicht-thermischen Plasmas, bei dem eine Steuerschaltung eine Induktivität aufweist und bei dem ein mittlerer Strom zur Steuerung einer Eingangsfrequenz des Transformators gemessen wird. Die Patentanmeldung DE 10 2015 112 410 A2 offenbart ein Verfahren zum Betrieb eines piezoelektrischen Plasmagenerators, bei dem eine Phaseninformation einer Eingangsimpedanz ermittelt und eine Frequenz eines Eingangssignals in Abhängigkeit von der Phaseninformation gesteuert wird.
DE 10 2017 105 401 A1 offenbart einen piezoelektrischen Plasmagenerator, bei dem eine Eingangsspannung so moduliert wird, dass neben der Erzeugung eines Plasmas auch ein Ultraschallsignal erzeugt wird.
Die Patentanmeldung WO 2015/083155 A1 offenbart einen Hochfrequenz (HF)-Plasmagenerator, in dem ein nicht-thermisches Plasma durch ein hochfrequentes (HF) elektromagnetisches (EM) Feld erzeugt wird. Um einen unerwünschten elektrischen Lichtbogen zu verhindern, kann die HF-Leistung während des Betriebs kurzzeitig abgeschaltet werden.
Die DE 10 2016 110 141 A1 offenbart ein Verfahren zum Betrieb eines HF-Plasmagenerators, wobei der Plasmagenerator im Zustand einer kontinuierlichen Plasmaentladung gehalten wird, während die Eingangsspannung im Betrieb abgesenkt wird.
Die EP 3 662 854 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betrieb eines Plasmagenerators, wobei eine Eingangsspannung in Form kurzer Pulse angelegt wird, wobei die Plasmaerzeugung aufrechterhalten wird.
Die DE 196 16 187 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betrieb eines Plasmagenerators, wobei im Betrieb ein kurzer Spannungspuls an eine Spitzenamplitude angelegt wird, um die Eingangsspannung auf ein Niveau oberhalb einer Zündspannung zu bringen.
Die DE 198 36 561 A1 betrifft einen Piezo-Transformator zur Zündung einer Zündkerze in einem Verbrennungsmotor. In einem Verfahren zum Betrieb des Transformators wird eine Eingangsspannung aufweisend mehrere überlagerte Frequenzen angelegt, um eine gleichförmigere Spannungsverteilung an den piezoelektrischen Schichten des Transformators zu erzielen.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Betrieb eines piezoelektrischen Plasmagenerators zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betrieb eines piezoelektrischen Plasmagenerators gemäß Anspruch 1 gelöst. Zudem beschreibt Anspruch 8 einen erfindungsgemäßen Plasmagenerator.
In einem Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Betrieb eines piezoelektrischen Plasmagenerators. Ein derartiger piezoelektrischer Plasmagenerator weist einen piezoelektrischen Transformator auf, der eine Eingangsseite und eine Ausgangsseite aufweist. An die Eingangsseite wird ein Eingangssignal, d.h. eine Eingangsspannung, angelegt. Aufgrund des piezoelektrischen Effekts kann an einem Ende der Ausgangsseite eine hohe Ausgangsspannung erzeugt werden.
Das Eingangssignal kann auf einem Grundsignal mit einer ersten Frequenz basieren. Die Signalform eines Grundsignals kann z.B. sinusförmig sein. Das Grundsignal kann eine konstante erste Frequenz haben. Die erste Frequenz kann einer Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Transformators entsprechen. Die Resonanzfrequenz kann z.B. etwa 50 kHz betragen. „Entsprechen“ bedeutet, dass die erste Frequenz nahe bei oder identisch mit der Resonanzfrequenz ist. Wenn der Plasmagenerator bei seiner Resonanzfrequenz betrieben wird, ist die Effizienz der Plasmaerzeugung optimiert.
Das Grundsignal kann mit einem Modulationssignal mit einer zweiten Frequenz, die kleiner als die erste Frequenz ist, moduliert werden.
Das Eingangssignal ist derart, dass ein Absolutwert einer Spitzenamplitude des Eingangssignals periodisch verringert und erhöht wird auf ein Niveau, das kleiner und größer als eine Zündspannung des Plasmagenerators ist. Somit kann das Grundsignal durch eine Hüllkurve umgrenzt werden. Die Zeitdauer, in der der Absolutwert der Spitzenamplitude während einer Schwingungsperiode der Spitzenamplitude größer ist als die Zündspannung, ist die „Ein“-Zeit, und die Zeitdauer, in der der Absolutwert der Spitzenamplitude während einer Schwingungsperiode der Spitzenamplitude kleiner ist als die Zündspannung, ist die „Aus“-Zeit.
Die für die Plasmaerzeugung erforderliche Feldstärke an der Ausgangsseite des piezoelektrischen Transformators ist die Zündfeldstärke. Die für die Erzeugung der Zündfeldstärke erforderliche Eingangsspannung ist die Zündspannung.
Durch periodisches Absenken des Absolutwertes der Spitzen-Eingangsspannung unter die Zündspannung kann ein mittlerer Energieeintrag in das Substrat reduziert werden. Darüber hinaus kann das Auftreten sogenannter Streamer verhindert oder reduziert werden. Wenn diese Streamer auf die Oberfläche eines empfindlichen Substrats, z.B. eines dünnen Gewebes oder einer Haut, treffen, können lokale Brandspuren entstehen. Entsprechend können empfindliche Substrate beschädigt werden, was ein unerwünschter Effekt ist. Darüber hinaus kann die thermische Leistung zu einer unzulässigen Temperaturerhöhung im Substrat führen, wodurch das Substrat beschädigt werden kann.
Eine Kontrolle des Auftretens von Streamern und des mittleren Energieeintrags ist besonders wichtig bei der Plasmabehandlung elektronischer Komponenten, die sehr empfindlich gegenüber elektrostatischen Entladungen sind. Eine Plasmabehandlung kann z.B. das Reinigen und/oder Aktivieren von Oberflächen umfassen. Wenn der mittlere Energieeintrag reduziert ist, ist außerdem eine Aktivierung filigraner und empfindlicher Strukturen, wie dünne isolierende Polymerfolie oder leitende Metallbahnen, möglich.
Ein weiteres Beispiel für den Einsatz sind schwer zu aktivierende Substrate, z.B. metallische/leitende Oberflächen, wie rußende Kunststoffe. Wenn ein hoher Stromfluss vorhanden ist, kann die Oberfläche nicht in großem Umfang und ohne Temperaturerhöhung aktiviert werden. Dies kann darauf zurückzuführen sein, dass die Plasmawolke aufgrund des geringeren Potentials des Substrats in ihrem Volumen reduziert wird. Wenn periodisch ein Eingangssignal bereitgestellt wird, das unterhalb einer Zündspannung liegt, wird der Stromfluss unterbrochen und eine großflächige Aktivierung ohne Temperaturerhöhung ist möglich.
Ein weiteres Beispiel ist der Betrieb in Umgebungen, in denen die Wärmeabfuhr gering ist, z.B. im Vakuum. In diesem Fall kann die Eigenerwärmung des Plasmagenerators nicht abgeführt werden und die Zuverlässigkeit des Plasmagenerators wird reduziert. Wenn der Absolutwert der Spitzenspannung periodisch unter eine Zündspannung verringert wird, kann die innere Temperatur gesenkt werden, während die Plasmaerzeugung während der „Ein“-Zyklen auf dem gleichen Niveau gehalten werden kann.
Ein weiteres Beispiel für den Betrieb ist der Betrieb mit Medien, die hohe Spannungen zur Ionisation benötigen, wie z.B. N2, SF6. Bei solchen Medien ist die Zuverlässigkeit der Plasmageneratoren aufgrund der Eigenerwärmung bei hoher Leistungsaufnahme generell reduziert. Die Eigenerwärmung kann durch periodisches Aus- und Einschalten der Basisspannung und durch Wahl eines geeigneten Tastgrades reduziert werden. Dadurch kann die Zuverlässigkeit erhöht werden.
Das Modulationssignal kann eine modulierende Funktion sein, die das Grundsignal skaliert. Das Modulationssignal kann z.B. Werte zwischen 1 und 0 haben.
Das Modulationssignal kann pulsförmig sein. Insbesondere kann das Modulationssignal periodisch zwischen einem hohen und einem niedrigen Niveau umschalten, wobei das niedrige Niveau über Null liegt.
Das hohe Niveau kann 1 sein. In diesem Fall kann das modulierte Signal während der Zeit des hohen Niveaus dem Grundsignal entsprechen. In einem nicht-erfindungsgemäßen Vergleichsbeispiel ist das niedrige Niveau Null. In diesem Fall ist die Eingangsspannung während der Zeit des niedrigen Niveaus auf Null geschaltet.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform liegt das niedrige Niveau über Null. Zum Beispiel kann das hohe Niveau 1,0 und das niedrige Niveau 0,5 betragen. In diesem Fall kann eine Schwingung des Bauteils aufrechterhalten und die mechanische Belastung des Bauteils reduziert werden.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist das Modulationssignal ein kontinuierlich oszillierendes Signal, wie z.B. ein sinusförmiges Signal. In diesem Fall schwingt auch das Eingangssignal kontinuierlich, wodurch die mechanische Beanspruchung des Bauteils verringert wird. Insbesondere kann das Modulationssignal die Form eines Absolutwertes eines sinusförmigen Signals haben.
Gemäß einer Ausführungsform kann ein Tastgrad des Eingangssignals während des Betriebs des Plasmagenerators eingestellt werden. Der Tastgrad ist das Verhältnis aus „Ein“-Zeit, in der der Absolutwert der Spitzenamplitude während einer Schwingungsperiode des Absolutwerts der Spitzenamplitude größer ist als die Zündspannung, und einer Schwingungsperiode des Absolutwerts der Spitzenamplitude. Eine Schwingungsperiode des Absolutwertes der Spitzenamplitude kann einer Schwingungsperiode des Modulationssignals entsprechen.
Die vom Plasmagenerator emittierte mittlere Energie hängt vom Tastgrad und der Frequenz des Modulationssignals ab. Wenn der Tastgrad hoch ist, ist die mittlere emittierte Energie hoch. Wenn der Tastgrad niedrig ist, ist die mittlere emittierte Energie niedrig.
Die Einstellung des Tastgrades kann nahezu stufenlos erfolgen und es ist eine Feinabstimmung der Energiezufuhr möglich. Dies ist besonders wichtig für empfindliche Substrate oder für kosmetische und medizinische Anwendungen. Der Tastgrad kann eingestellt werden, während die Frequenz des Modulationssignals auf einem festen Wert gehalten wird.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt die Dauer einer „Aus“-Zeit, in der die Spitzenamplitude unterhalb der Zündspannung liegt, höchstens 10 ms oder höchstens 5 ms. Durch periodisches Verringern des Absolutwertes der Spitzenamplitude wird der Zündkanal, d.h. ein Pfad des ionisierten Gases, der von der Ausgangsseite des Transformators ausgeht, gezwungen, immer wieder zusammenzubrechen.
Nach Verringerung des Absolutwerts der Spitzenamplitude schwächt sich die hohe Ausgangsspannung ab. Wenn die Ausgangsspannung unter die Zündspannung fällt, bricht der Stromfluss im Zündkanal zusammen. Die höhere Konzentration von Ladungsträgern in diesem Bereich bleibt jedoch für kurze Zeit erhalten. Wenn das Grundsignal während dieser Zeitspanne wieder eingeschaltet wird, ist die erneute Zündung des Plasmas wesentlich einfacher und die Zündung erfolgt bei niedrigerer Spannung. Durch die niedrigere Zündspannung wird die mechanische Belastung des Bauteils reduziert, was zu einer höheren Zuverlässigkeit führt.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt die zweite Frequenz, d.h. die Frequenz des Modulationssignals, höchstens 1/20 der ersten Frequenz, d.h. der Frequenz des Grundsignals. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Plasmaerzeugung auch bei einer gegebenen Trägheit des piezoelektrischen Transformators stoppt.
Nach einer „Aus“-Zeit, in der der Absolutwert der Spitzenamplitude kleiner als die Zündspannung ist, kann die erste Frequenz, d.h. die Frequenz des Grundsignals, auf die Resonanzfrequenz des Plasmagenerators eingestellt werden. Zu diesem Zweck kann ein Parameter, der einer Verschiebung der ersten Frequenz von der Resonanzfrequenz entspricht, ermittelt und die Frequenz des Grundsignals so nachgeregelt werden, dass sie der Resonanzfrequenz entspricht. Dies ermöglicht einen optimalen Betriebsmodus bei unterschiedlichen Belastungen, z.B. aufgrund unterschiedlicher Substrateigenschaften, Gasgemische, Materialien oder Arbeitsabstände.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein piezoelektrischer Plasmagenerator, der einen piezoelektrischen Transformator aufweist, offenbart. Der Plasmagenerator weist eine Steuerschaltung zur Bereitstellung eines Eingangssignals für den piezoelektrischen Transformator auf. Die Steuerschaltung kann für den Betrieb des Plasmagenerators gemäß dem vorgehend beschriebenen Verfahren eingerichtet sein.
Die Steuerschaltung kann einen Grundsignal-Generator zum Erzeugen eines Grundsignals mit einer ersten Frequenz und einen Modulationssignal-Generator zum Erzeugen eines Modulationssignals mit einer zweiten Frequenz, die niedriger als die erste Frequenz ist, aufweisen. Die Steuerschaltung kann ferner einen Signalmischer zum Mischen des Grundsignals mit dem Modulationssignal aufweisen, so dass ein Eingangssignal bereitgestellt wird, wobei ein Absolutwert einer Spitzenamplitude des Eingangssignals periodisch auf ein Niveau verringert und erhöht wird, das kleiner und größer als eine Zündspannung des Plasmagenerators ist.
Die Steuervorrichtung kann ferner eine Messvorrichtung zum Messen eines Parameters umfassen, der in Verbindung zu einer Energiezufuhr steht, die durch den Plasmagenerator für ein plasmabehandeltes Substrat bereitgestellt wird, wobei das Modulationssignal in Abhängigkeit von der gemessenen Energiezufuhr eingestellt wird.
Die Steuerschaltung kann dazu eingerichtet sein, während des Betriebs einen Tastgrad einzustellen, der dem Anteil der „Ein“-Zeit entspricht, in der in einer Schwingungsperiode des Absolutwerts der Spitzenamplitude der Absolutwert der Spitzenamplitude größer ist als die Zündspannung.
Die Steuervorrichtung kann ferner eine Messvorrichtung zur Messung eines Parameters aufweisen, der mit einer Verschiebung der ersten Frequenz gegenüber einer Resonanzfrequenz des Plasmagenerators in Zusammenhang steht. Bei der Messvorrichtung kann es sich um dieselbe Messvorrichtung handeln, die zur Messung eines Energieeintrags in ein Substrat verwendet wird, oder um eine weitere Messvorrichtung. Geeignete Messvorrichtungen sind in den eingangs zitierten Patentanmeldungen offengelegt. Abhängig von der gemessenen Verschiebung kann die Steuerschaltung so eingerichtet sein, dass die erste Frequenz so nachgeregelt wird, dass sie der Resonanzfrequenz entspricht.
Die vorliegende Offenbarung umfasst mehrere Aspekte einer Erfindung. Jedes Merkmal, das in Bezug auf einen der Aspekte beschrieben wird, ist hier auch in Bezug auf den anderen Aspekt offenbart, selbst wenn das jeweilige Merkmal im Zusammenhang mit dem spezifischen Aspekt nicht ausdrücklich erwähnt wird.
Weitere Merkmale, Präzisierungen und Zweckmäßigkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen in Verbindung mit den Figuren.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines piezoelektrischen Transformators für einen piezoelektrischen Plasmagenerator,
2A, 2B, 2C, 2D zeigen Beispiele für verschiedene Grundsignale,
3A, 3B, 3C zeigen nicht-erfindungsgemäße Beispiele für verschiedene Modulationssignale,
4 zeigt ein Eingangssignal zum Betrieb eines piezoelektrischen Transformators gemäß einem nicht-erfindungsgemäßen Beispiel,
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Modulationssignal,
6 zeigt ein Eingangssignal zum Betrieb eines piezoelektrischen Transformators gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels,
7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Modulationssignal,
8 zeigt ein Eingangssignal zum Betrieb eines piezoelektrischen Transformators gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels,
9 zeigt ein schematisches Schaltbild eines piezoelektrischen Plasmagenerators gemäß eines Ausführungsbeispiels.

In den Figuren können Elemente der gleichen Struktur und/oder Funktionalität durch die gleichen Bezugszeichen referenziert sein. Es versteht sich, dass die in den Figuren gezeigten Ausführungsformen illustrative Darstellungen sind und nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet sind.
1 zeigt einen piezoelektrischen Transformator 1 in einer perspektivischen Ansicht. Der piezoelektrische Transformator 1 kann in einem Plasmagenerator zur Erzeugung eines Plasmas, insbesondere eines nicht-thermischen Niederdruckplasmas oder eines Atmosphärendruckplasmas oder eines Hochdruckplasmas, verwendet werden. Ein piezoelektrischer Transformator 1 ist eine Ausführungsform eines Resonanztransformators, der auf Piezoelektrizität basiert und im Gegensatz zu herkömmlichen magnetischen Transformatoren ein elektromechanisches System bildet. Zum Beispiel ist der piezoelektrische Transformator 1 ein Transformator vom Rosen-Typ. Alternativ können auch andere Arten von piezoelektrischen Transformatoren verwendet werden.
Der piezoelektrische Transformator 1 hat einen ersten Bereich 2, der ein Eingangsbereich ist, und einen zweiten Bereich 3, der ein Ausgangsbereich ist, wobei die Richtung vom ersten Bereich 2 zum zweiten Bereich 3 eine Längsrichtung z definiert. Der erste Bereich 2 weist einen eingangsseitigen Endbereich 4 auf und der zweite Bereich 3 weist einen ausgangsseitigen Endbereich 5 auf.
Im ersten Bereich 2 weist der piezoelektrische Transformator 1 interne Elektroden 6, 7 auf, an die eine Wechselspannung angelegt werden kann. Die internen Elektroden 6, 7 erstrecken sich in der Längsrichtung z des piezoelektrischen Transformators 1. Die Innenelektroden 6, 7 sind abwechselnd mit einem piezoelektrischen Material 8 in einer Stapelrichtung x, die senkrecht zur Längsrichtung z verläuft, gestapelt. Das piezoelektrische Material 8 ist in der Stapelrichtung x polarisiert.
Die Innenelektroden 6, 7 sind im Inneren des piezoelektrischen Transformators 1 zwischen Schichten aus piezoelektrischem Material 8 angeordnet und werden auch als Innenelektroden bezeichnet. Der piezoelektrische Transformator 1 weist eine erste Seitenfläche 9 und eine zweite Seitenfläche 10 auf, die der ersten Seitenfläche 9 gegenüberliegt. An der ersten und zweiten Seitenfläche 9, 10 sind Außenelektroden 11, 12 angeordnet. Die Innenelektroden 6, 7 sind abwechselnd mit einer der Außenelektroden 11, 12 verbunden.
Der zweite Bereich 3 weist ein piezoelektrisches Material 13 auf und ist frei von Innenelektroden. Das piezoelektrische Material 13 im zweiten Bereich 3 ist in der Längsrichtung z polarisiert. Das piezoelektrische Material 13 des zweiten Bereichs 3 kann das gleiche Material wie das piezoelektrische Material 8 des ersten Bereichs 2 sein.
Die piezoelektrischen Materialien 8 und 13 unterscheiden sich in ihrer jeweiligen Polarisationsrichtung. Insbesondere im zweiten Bereich 3 ist das piezoelektrische Material 13 zu einer einzigen monolithischen Schicht ausgeformt, die vollständig in der Längsrichtung z polarisiert ist. Somit hat das piezoelektrische Material 13 im zweiten Bereich 3 nur eine einzige Polarisationsrichtung.
Über die Außenelektroden 11, 12 kann zwischen benachbarten Innenelektroden 6, 7 im ersten Bereich 2 eine niedrige Wechselspannung angelegt werden. Aufgrund des piezoelektrischen Effekts des piezoelektrischen Materials 8 wird die eingangsseitig angelegte Wechselspannung in eine mechanische Schwingung umgewandelt. Folglich wird beim Anlegen einer Wechselspannung an die Elektroden 6 im ersten Bereich 2 eine mechanische Welle innerhalb der piezoelektrischen Materialien 8, 13 gebildet, die aufgrund des piezoelektrischen Effekts eine Ausgangsspannung im zweiten Bereich 3 erzeugt.
Zwischen dem ausgangsseitigen Endbereich 5 und dem Ende der Elektroden 6, 7 des ersten Bereichs 2 wird eine große elektrische Spannung erzeugt. Dadurch entsteht auch eine große Potentialdifferenz zwischen dem ausgangsseitigen Endbereich 5 und der Umgebung des piezoelektrischen Transformators 1, die ausreicht, um ein starkes elektrisches Feld zu erzeugen, das ein umgebendes Medium ionisiert und die Erzeugung eines Plasmas bewirkt. Die Feldstärke, die für die Ionisierung der Atome oder Moleküle bzw. für die Erzeugung von Radikalen, angeregten Molekülen oder Atomen im umgebenden Medium erforderlich ist, wird als Zündfeldstärke des Plasmas bezeichnet. Eine Ionisation tritt auf, wenn die elektrische Feldstärke an der Oberfläche des piezoelektrischen Transformators 1 die Zündfeldstärke des Plasmas übersteigt. Die Spannung, bei der die Zündfeldstärke erreicht wird, wird im Folgenden als Zündspannung bezeichnet.
Der piezoelektrische Transformator 1 kann zur Erzeugung eines Plasmas in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen eingesetzt werden. Insbesondere kann der piezoelektrische Transformator 1 für eine Plasmabehandlung einer Oberfläche eingesetzt werden. Die Oberfläche kann Teil eines menschlichen Körpers sein, wie z.B. ein Finger. Alternativ kann das Behandlungsobjekt jeder Gegenstand sein, dessen Oberfläche ein Material aufweist, das z.B. durch eine Plasmabehandlung gereinigt und/oder modifiziert werden soll. Insbesondere kann der piezoelektrische Transformator 1 Teil einer tragbaren Vorrichtung sein, die nicht zusammen mit dem Behandlungsobjekt in einer Luftkammer platziert werden muss.
Die 2A, 2B, 2C und 2D zeigen verschiedene Grundsignale S_base , d.h. grundlegende Signalformen einer Spannung U über der Zeit t, die an die externen Elektroden 11, 12 zur Erzeugung eines Plasmas angelegt werden.
Die Frequenz f_base der Grundsignale S_base kann der Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Transformators entsprechen. Die Resonanzfrequenz hängt nicht nur von internen Faktoren des Transformators ab, wie z.B. der Geometrie des Transformators, sondern auch von externen Faktoren, wie z.B. einer Last, die durch die Wechselwirkung des gezündeten Plasmas mit dem Substrat entsteht. Darüber hinaus kann die Resonanzfrequenz z.B. auch von der Temperatur des Transformators abhängen.
Eine Steuerschaltung kann eine Verschiebung zwischen Stromstärke und Spannung registrieren und das Grundsignal so verändern, dass Stromstärke und Spannung eine Phasenverschiebung von nahezu 0° aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die Feldstärke im Ausgangsbereich mit einer Feldsonde gemessen und die Frequenz des Eingangssignals so eingestellt werden, dass eine maximale Feldstärke erreicht wird. In diesem Fall entspricht die Frequenz des Grundsignals S_base der Resonanzfrequenz.
Die Resonanzfrequenz kann unter 100 kHz liegen. Zum Beispiel kann die Resonanzfrequenz nicht höher als 99 kHz sein. Die Resonanzfrequenz kann mindestens 10 kHz betragen. Die Resonanzfrequenz kann z. B. in einem Bereich von 10 kHz bis 90 kHz liegen. In bestimmten Ausführungsformen kann die Resonanzfrequenz etwa 50 kHz betragen.
Ein Grundsignal S_base kann eine sägezahnförmige Form wie in 2A, eine rechteckige Form wie in 2B, eine dreieckige Form wie in 2C oder eine sinusförmige Form wie in 2D haben. Andere Formen der Grundsignale S_base sind möglich.
Die Eingangsspannungen können im Bereich von einigen Volt liegen, während die Ausgangsspannung an der Spitze des Transformators im Bereich von einigen Kilo-Volt liegen kann. Als Beispiel kann eine Spitze-zu-Spitze Eingangsspannung Upp, d.h. der Abstand zwischen positiven und negativen Spitzenamplituden A_peak im Bereich von 12 bis 24 V liegen, während die Ausgangsspannung beispielsweise bis zu 30 kV betragen kann. Der Absolutwert der Spitzenamplituden |A_peak| liegt auf einem konstanten Niveau.
Während des Betriebs des Transformators können an den Ecken des ausgangsseitigen Endbereichs, im Bereich des gezündeten Plasmas, sogenannte Streamer auftreten. Wenn diese Streamer auf die Oberfläche eines empfindlichen Substrats, z.B. dünnes Gewebe oder Haut, treffen, können lokale Brandspuren entstehen. Entsprechend können empfindliche Substrate beschädigt werden, was ein unerwünschter Effekt ist. Darüber hinaus kann die thermische Leistung zu einer übermäßigen Temperaturerhöhung im Substrat führen, wodurch das Substrat beschädigt werden kann.
Um lokal hohe Temperatur zu vermeiden, die durch solche Streamer verursacht wird, kann der Absolutwert der Spitzenamplitude A_peak eines Eingangssignals, das dem Transformator zugeführt wird, periodisch auf ein Niveau verringert und erhöht werden, das kleiner und größer als die Zündspannung des Plasmagenerators ist. Eine Verringerung des Absolutwertes der Spitzenamplitude A_peak hat zur Folge, dass die hohe lokale Leistungsdichte, die zu einer Schädigung führt, verringert wird. Insbesondere kann ein Leckstrom erreicht werden, der auch die DIN-Spezifikation DIN EN 60601-1 [3] erfüllt.
Ein resultierendes moduliertes Eingangssignal kann erreicht werden, indem das Grundsignal, zum Beispiel eines der in den 2A bis 2D dargestellten Grundsignale S_base , mit einem Modulationssignal moduliert wird.
Die 3A, 3B und 3C zeigen verschiedene nicht-erfindungsgemäße Formen des Modulationssignals S_mod mit Pulsformen. Die Puls-Signalformen unterscheiden sich in ihren Tastgraden DC. Der Tastgrad DC ist der Anteil der „Ein“-Zeit T_on , bei der in einer Schwingungsperiode der Spitzenamplitude für das resultierende modulierte Eingangssignal der Absolutwert der Spitzenamplitude größer ist als die Zündspannung. Die Puls-Signalformen oszillieren zwischen einem Niveau von 1 und 0. Die Länge eines Pulses bei einem Niveau von 1 entspricht der „Ein“-Zeit, die Zeit zwischen solchen Pulsen entspricht der „Aus“-Zeit.
Die Frequenz des Modulationssignals S_mod ist kleiner als die Frequenz des Grundsignals S_base . Eine maximale Frequenz des Modulationssignals kann 1/20 der Resonanzfrequenz des Plasmagenerators betragen. Bei einer Resonanzfrequenz im Bereich von 10 kHz bis 100 kHz liegt die maximale Frequenz des Modulationssignals S_mod somit zwischen 0,5 kHz und 5 kHz.
Um die Frequenz des Grundsignals S_base dynamisch so einzustellen, dass sie in der Nähe der Resonanzfrequenz des Plasmagenerators liegt, muss der Tastgrad DC ausreichend groß sein, um eine ausreichende Anzahl von Perioden des Grundsignals zu erhalten. Bei einer Frequenz des Modulationssignals S_mod von 0,5 kHz kann der Tastgrad DC mindestens 0,5 % und bei einer Frequenz von 5 kHz mindestens 5 % betragen. In diesem Fall sind in jedem Tastgrad DC mindestens zehn volle Perioden eines Grundsignals S_base mit einer Frequenz von 50 kHz vorhanden.
In 3A hat das Modulationssignal S_mod einen Tastgrad DC von 20 %, in 3B hat das Modulationssignal S_mod einen Tastgrad von 50 % und in 3C hat das Modulationssignal S_mod einen Tastgrad von 80 %. Ein Grundsignal S_base kann mit einem solchen Puls-Modulationssignal S_mod durch einen Schalter moduliert werden, der z.B. periodisch geschlossen und geöffnet wird. Als Beispiel kann ein Transistor zum Schalten der Spannung verwendet werden.
4 zeigt ein nicht-erfindungsgemäßes Eingangssignal S_in , das sich aus einem Grundsignal S_base ergibt, das eine sinusförmige Form hat, wie in 2D dargestellt, und gemäß eines Modulationssignals S_mod , wie in 3C dargestellt, periodisch ein- und ausgeschaltet wird. Somit schaltet der Absolutwert einer Spitzenamplitude |A_peak| zwischen dem Absolutwert der Spitzenamplitude des Grundsignals und dem Wert Null um.
Das sich daraus ergebende modulierte Signal S_mod kann z.B. durch Multiplikation des Grundsignals S_base mit dem modulierenden Signal S_mod berechnet werden. Eine Phasenverschiebung kann angewandt werden, um sicherzustellen, dass das modulierte Signal S_mod immer ausgehend von der Spannung Null erhöht wird.
Um die Zündung des Plasmas nach einer „Aus“-Zeit T_off zu erleichtern, sollte die „Aus“-Zeit T_off nicht zu lang sein. Als Beispiel ist eine geeignete Dauer der „Aus“-Zeit 10 ms oder kürzer. In einigen Ausführungsformen können 5 ms eine Obergrenze für die „Aus“-Zeit sein.
Der Plasmagenerator kann so betrieben werden, dass der Tastgrad DC so eingestellt wird, dass ein gewünschter Energieeintrag in ein Substrat erreicht werden kann. Eine solche Einstellung kann dynamisch während des Betriebs vorgenommen werden, so dass der Tastgrad während des Betriebs variiert.
Die vom Plasmagenerator emittierte mittlere Energie hängt vom Tastgrad und der Frequenz des Modulationssignals S_mod ab. Wenn der Tastgrad hoch ist, ist die emittierte Energie hoch. Wenn der Tastgrad niedrig ist, ist die emittierte Energie niedrig.
Die Einstellung des Tastgrades ermöglicht die Steuerung eines maximalen Energietransfers und eines maximalen Patientenleckstroms, z.B. ohne Veränderung der geometrischen Abstände, Hinzufügen einer zusätzlichen dielektrischen Barriere und/oder Änderung der Prozessmedien.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Parameter bestimmt, der einem Energieeintrag in ein Substrat oder eine Substratoberfläche entspricht. Abhängig vom ermittelten Wert kann der Tastgrad so eingestellt werden, dass die mittlere Energie über die Zeit erhöht oder verringert wird.
Beim Wiedereinschalten des Grundsignals kann die Frequenz f_base des Grundsignals S_base auf die Resonanzfrequenz nachgeregelt werden. Zu diesem Zweck kann ein Parameter, der einer Verschiebung der Frequenz von der Resonanzfrequenz entspricht, ermittelt und die Frequenz des Grundsignals S_base so nachgeregelt werden, dass sie der Resonanzfrequenz entspricht. Eine derartige Nachregelung kann in jedem Zyklus vorgenommen werden, wenn das Grundsignal wieder eingeschaltet wird. Bei einer Frequenz des Modulationssignals von 5 kHz wird entsprechend alle 200 µs eine Nachregelung durchgeführt.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines pulsförmigen Modulationssignals S_mod . In diesem Ausführungsbeispiel oszilliert das Modulationssignal S_mod zwischen den Niveaus 1 und 0,5.
6 zeigt das resultierende Eingangssignal S_in , das durch ein sinusförmiges Grundsignal S_base erhalten wird, das mit dem Modulationssignal S_mod aus 5 moduliert wird. Während der „Aus“-Zeit T_off ist der Absolutwert der Spitzenamplitude |A_peak| nicht Null, sondern die halbe Amplitude des Absolutwertes |A_peak| während der „Ein“-Zeit T_on . Während der „Aus“-Zeit T_off ist der Absolutwert der Spitzenamplitude |A_peak| kleiner als die Zündspannung V_ig und die Plasmaerzeugung wird gestoppt.
Andere Werte des pulsförmigen Modulationssignals S_mod sind möglich. Das niedrige Niveau sollte jedoch niedrig genug sein, so dass die Eingangsspannung niedriger als die Zündspannung ist und das Plasma zusammenbricht. Das niedrige Niveau kann groß genug gewählt werden, um eine Oszillation des Bauteils aufrechtzuerhalten, so dass die nächste Zündung mit einer niedrigeren Zündspannung einsetzt und schon durch eine geringe Erhöhung der Eingangsspannung erreicht werden kann. Durch einen solchen „warmen“ Wiederanlauf kann die mechanische Belastung des Bauteils verringert und die Zuverlässigkeit deutlich erhöht werden.
Eine solche Modulierung hat den Vorteil, dass eine oszillierende Bewegung des piezoelektrischen Transformators zwischen den hohen Pulsen aufrechterhalten wird.
7 zeigt ein weiteres Beispiel für ein Modulationssignal S_mod , bei dem das Signal, im Unterschied zur Umschaltung zwischen festen Werten, wie in den 3A bis 3C und 5 dargestellt, kontinuierlich oszilliert. Das Modulationssignal S_mod hat die Form eines Absolutwerts einer Sinusschwingung. Die gezeigte kontinuierliche Schwingung ist geeignet, eine kontinuierliche Schwingung des piezoelektrischen Transformators aufrechtzuerhalten.
8 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Eingangssignals S_in , wobei der Absolutwert der Spitzenamplitude |A_peak| kontinuierlich schwingt. Das Eingangssignal S_in basiert auf einem sinusförmigen Grundsignal, das durch das in 7 dargestellte Modulationssignal S_mod moduliert wird. Der Verlauf der Spitzenamplitude |A_peak| folgt einer Hüllkurve, die die Form des Modulationssignals S_mod hat.
Ein Tastgrad DC des resultierenden amplitudenmodulierten Eingangssignals S_in ist auch hier die „Ein“-Zeit T_on , bei der der Absolutwert der Spitzenamplitude |A_peak| des Eingangssignals S_in größer ist als die Zündspannung und Plasma erzeugt wird, bezogen auf die Länge einer vollen Schwingungsperiode des Absolutwerts der Spitzenamplitude, d.h. die Summe aus der „Ein“-Zeit T_on und der „Aus“-Zeit T_off , bei der der Absolutwert der Spitzenspannung kleiner ist als die Zündspannung V_ig .
9 zeigt einen piezoelektrischen Plasmagenerator 14, der eine Steuerschaltung 15 und einen piezoelektrischen Transformator 1 aufweist.
Die Steuerschaltung 15 weist einen Grundsignal-Generator 16 auf, der ein Grundsignal liefert, z.B. eines der in den 2A bis 2D gezeigten Grundsignale. Die Steuerschaltung 15 weist ferner einen Modulationssignal-Generator 17 auf, in dem ein Modulationssignal definiert wird, und einen Signalmischer 18, der das Grundsignal mit dem Modulationssignal mischt, z.B. skaliert, so dass ein moduliertes Eingangssignal erzeugt wird.
Die Steuervorrichtung 15 weist ferner eine Messvorrichtung 19 auf, die während des Betriebs einen Parameter des Plasmagenerators 14 bestimmt. Die Messvorrichtung 19 kann eine Verschiebung der Resonanzfrequenz gegenüber der Frequenz des Grundsignals bestimmen. Die Messvorrichtung 19 kann alternativ oder zusätzlich einen Energieeintrag in ein Substrat und/oder einen Stromfluss bestimmen.
Die Messergebnisse der Messvorrichtung können dem Grundsignal-Generator 16 bereitgestellt werden, so dass die Frequenz des Grundsignals periodisch an die Resonanzfrequenz angepasst werden kann.
Darüber hinaus können die Messergebnisse der Messvorrichtung 19 dem Modulationssignal-Generator 17 bereitgestellt werden. Der Modulationssignal-Generator 17 kann den Tastgrad des Modulationssignals anpassen, um die Energiezufuhr in ein Substrat oder einen Stromfluss dynamisch zu verringern oder zu erhöhen.
Bezugszeichenliste

1: piezoelektrischer Transformator
2: erster Bereich
3: zweiter Bereich
4: eingangsseitiger Endbereich
5: ausgangsseitiger Endbereich
6: erste Innenelektrode
7: zweite Innenelektrode
8: piezoelektrisches Material
9: erste Seitenfläche
10: zweite Seitenfläche
11: erste Außenelektrode
12: zweite Außenelektrode
13: piezoelektrisches Material
14: piezoelektrischer Plasmagenerator
15: Steuerkreis
16: Grundsignal-Generator
17: Modulationssignal-Generator
18: Signalmischer
19: Messvorrichtung
20: Substrat
z: Längsrichtung
x: Stapelrichtung
Sin: Eingangssignal
Sbase: Grundsignal
Smod: Modulationssignal
fbase: Frequenz des Grundsignals (erste Frequenz)
fmod: Frequenz des Modulationssignals (zweite Frequenz)
Apeak: Spitzenwert der Amplitude
|Apeak|: Absolutwert des Spitzenwerts der Amplitude
Upp: Spitze-zu-Spitze Spannung
Vig: Zündspannung
Ton: „Ein“-Zeit
Toff: „Aus“-Zeit
Tcycle: Periodendauer
DC: Tastgrad

Claims

Verfahren zum Betrieb eines piezoelektrischen Plasmagenerators, aufweisend den Schritt des Anlegens einer Eingangsspannung (S_in) an einen piezoelektrischen Transformator (1) des piezoelektrischen Plasmagenerators (14), wobei ein Absolutwert einer Spitzenamplitude (|A_peak|) der Eingangsspannung (S_in) periodisch auf ein niedriges Niveau verringert und auf ein hohes Niveau erhöht wird, wobei das niedrige Niveau kleiner und das hohe Niveau größer ist als eine Zündspannung (V_ig) des Plasmagenerators (14), derart, dass die Plasmaerzeugung periodisch zusammenbricht und wieder einsetzt, wobei der Absolutwert der Spitzenamplitude (|A_peak|) der Eingangsspannung (S_in) zwischen dem hohen Niveau und dem niedrigen Niveau umschaltet, wobei das niedrige Niveau des Absolutwerts der Spitzenamplitude (|A_peak|) über Null liegt, oder wobei der Absolutwert der Spitzenamplitude (|A_peak|) gemäß einer kontinuierlichen Hüllkurve oszilliert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Tastgrad (DC), der der Anteil der „Ein“-Zeit (T_on) ist, bei der der Absolutwert der Spitzenamplitude (|A_peak|) während einer Schwingungsperiode des Absolutwerts der Spitzenamplitude (|A_peak|) größer als die Zündspannung (V_ig) ist, während des Betriebs des Plasmagenerators (14) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei ein Parameter, der mit einem Energieeintrag in das Substrat (S) korreliert ist, während des Betriebs des Plasmagenerators (14) gemessen wird, wobei der Tastgrad (DC) in Abhängigkeit von dem gemessenen Energieeintrag eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Dauer einer „Aus“-Zeit (T_off), in der der Absolutwert der Spitzenamplitude (|A_peak|) kleiner als die Zündspannung (V_ig) ist, höchstens 5 ms beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Eingangsspannung (S_in) auf einem Grundsignal (_Sbase) mit einer ersten Frequenz (f_base) basiert, wobei das Grundsignal (S_base) mit einem Modulationssignal (S_mod) mit einer zweiten Frequenz (f_mod) moduliert wird, wobei die zweite Frequenz (f_mod) niedriger als die erste Frequenz (f_base) ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die zweite Frequenz (f_mod) höchstens 1/20 der ersten Frequenz (f_base) beträgt.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei nach einer „Aus“-Zeit (T_off), in der der Absolutwert der Spitzenamplitude (|A_peak|) kleiner als die Zündspannung (V_ig) ist, die erste Frequenz (f_base) an die Resonanzfrequenz des Plasmagenerators (14) angepasst wird.
Piezoelektrischer Plasmagenerator, aufweisend einen piezoelektrischen Transformator und eine Steuerschaltung (15) zum Betrieb des Plasmagenerators gemäß des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Piezoelektrischer Plasmagenerator nach Anspruch 8, wobei die Steuerschaltung (15) dazu eingerichtet ist, eine Eingangsspannung (S_in) für den piezoelektrischen Transformator bereitzustellen, wobei die Steuerschaltung (15) einen Grundsignal-Generator (16) zum Erzeugen eines Grundsignals (S_in) mit einer ersten Frequenz (f_base), einen Modulationssignal-Generator (17) zum Erzeugen eines Modulationssignals (S_mod) mit einer zweiten Frequenz (f_mod), wobei die zweite Frequenz (f_mod) kleiner ist als die erste Frequenz (f_base), und einen Signalmischer (18) zum Mischen des Grundsignals (S_in) mit dem Modulationssignal (S_mod) derart, dass ein Absolutwert einer Spitzenamplitude (|A_peak|) der Eingangsspannung (S_in) periodisch auf ein niedriges Niveau reduziert und auf ein hohes Niveau erhöht wird, wobei das niedrige Niveau kleiner und das hohe Niveau größer als eine Zündspannung (V_ig) des Plasma-Generators (14) ist, aufweist.
Piezoelektrischer Plasmagenerator nach Anspruch 9, wobei die Steuervorrichtung (15) ferner eine Messvorrichtung (19) zum Messen eines Parameters aufweist, der mit einem Energieeintrag in Zusammenhang steht, der vom Plasmagenerator (14) einem plasmabehandelten Substrat (20) bereitgestellt wird, wobei das Modulationssignal (S_mod) in Abhängigkeit von dem gemessenen Energieeintrag eingestellt wird.
Piezoelektrischer Plasmagenerator nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Steuerschaltung (15) eingerichtet ist, während des Betriebs des Plasmagenerators (14) einen Tastgrad (DC) einzustellen, wobei der Tastgrad (DC) der Anteil der „Ein“-Zeit (T_on) ist, bei der der Absolutwert der Spitzenamplitude (|A_peak|) während einer Schwingungsperiode des Absolutwerts der Spitzenamplitude (|A_peak|) größer als die Zündspannung (V_ig) ist.
Der piezoelektrische Plasmagenerator nach Anspruch 9, aufweisend eine Messvorrichtung (19) zum Messen eines Parameters, der mit einer Verschiebung der ersten Frequenz (f_base) von einer Resonanzfrequenz des Plasmagenerators (14) in Zusammenhang steht.