DE19826418C2 - Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasma sowie ein Herstellungsverfahren für die Vorrichtung sowie Verwendung der Vorrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 oder 2, ein Verfahren zur Herstellung solch einer Vor­ richtung sowie eine Verwendung dieser Vorrichtung.

Es ist bereits eine gattungsgemäße Vorrichtung bekannt (DE 196 05 226 A1), bei der zur Er­ zeugung eines Plasmas bei Umgebungstemperaturen Elektroden vorgesehen sind, die an ihrer Oberseite scharfe Kanten aufweisen, wobei sich jeweils zwei der Elektroden in einem Ab­ stand gegenüber liegen, der in der Größenordnung von einigen nm bis mm liegt. Durch Anle­ gen einer elektrischen Spannung an die Elektroden ist ein Plasma erzeugbar. Es können damit zwei- oder auch dreidimensionale Plasmen erzeugt werden durch eine entsprechende Anord­ nung der Elektroden. Weiterhin sind dort Ausführungsbeispiele von Plasmaquellen genannt.

Ferner ist der JP 01192703 A ein Tieftemperaturplasmagenerator zur Luftsterilisation zu ent­ nehmen, der neben einer Hochspannungsquelle im wesentlichen einander gegenüberliegende Elektrodenreihen, bestehend aus jeweils einer Anzahl einzelner Elektroden, sowie eine Zwi­ schenelektrode aufweist, die in wohl definiertem Abstand zwischen den beiden Elektroden­ reihen angeordnet ist. Eine gleichförmige elektrische Entladung wird hierbei über eine zwi­ schen der Hochspannungsquelle und zumindest einer Elektrodenreihe angeordnete Konden­ satorreihe sichergestellt, wobei jede Elektrode in Reihe mit einem Kondensator geschaltet ist.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die gattungsgemäße Vorrichtung derart wei­ terzuentwickeln, daß die Nachteile des Stands der Technik überwunden werden, insbesondere das Anwendungsspektrum der Vorrichtung erweitert wird.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale von Patentanspruch 1 bzw. 2 ge­ löst.

In Anspruch 3 ist ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und in Anspruch 4 ist eine Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben.

Gegenüber der Vorrichtung der DE 196 05 226 A1 erweist es sich hierbei als vorteilhaft, daß eine definierte Erzeugung eines Plasmas über eine größere Fläche oder ein größeres Volumen einfacher möglich wird. Es hat sich bei der bekannten Vorrichtung nämlich gelegentlich ge­ zeigt, daß das Plasma lokal und zufällig in einem Teilbereich zündet. Demgegenüber kann durch Anordnung einer niederohmigen Versorgungselektrode mit den vorgesehenen Mi­ kroschaltern gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ein definiertes Plasma er­ zeugt werden. In Kenntnis dieser Umstände läßt sich dies dadurch erklären, daß beim Stand der Technik der erzeugte Stromfluß einen Spannungsabfall am elektrischen Innenwiderstand des Versorgungsgerätes sowie den elektrischen Widerständen der Zuleitungen und der Plas­ maelektroden bedingt. Dadurch reicht unter Umständen die an den das Plasma erzeugenden Elektroden anliegende Spannung nicht mehr aus, um das Plasma in dem restlichen Bereich zu zünden. Erfindungsgemäß wird deshalb die elektrische Energie unabhängig in einzelne Ein­ heiten eingespeist. Es wird durch den modularen Aufbau der einzelnen Einheiten die Erzeu­ gung von homogenen Plasmaflächen bzw. Plasmavolumina ermöglicht.

Es können also durch Zusammensetzen der einzelnen Einheiten, die eine typische Größenord­ nung von Länge, Breite und Höhe von ca. 0,1 mm haben können, geometrisch variabel und sehr kompakt große Flächen oder Volumina zusammengesetzt werden. Durch die Verwen­ dung der Mikroschalter können in den einzelnen Einheiten unabhängig voneinander, d. h. ins­ besondere ohne Beeinflussung durch Plasmabedigungen benachbarter Einheiten zeitlich und örtlich kontrolliert Plasmen gezündet werden.

Die Mikroschalter können durch einen statischen ohmschen Widerstand oder durch ein dyna­ misches Element gebildet werden.

Der Wert des elektrischen Widerstandes des Mikroschalters im geschlossenen, d. h. elektrisch leitenden, Zustand muß dabei so gewählt werden, daß die Summe aus diesem Widerstand und dem Plasmawiderstand größer ist als die Summe der Widerstandswerte von Versorgungsge­ rät, Zuleitungen und den Plamaelektroden.

Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform sind die Elektroden in einzelne Ein­ heiten unterteilt, wobei infolge der Unterteilung in die einzelnen Einheiten bei einer Ansteue­ rung der Elektroden mehrere kleine Mikroplasmen entstehen, wobei diese zu Flächen bzw. Volumina zusammengesetzt werden, und die Einkopplung der elektrischen Energie in jede der Einheiten bei Verwendung von Wechselspannung durch eine kapazitive Kopplung der Versorgungselektrode über eine elektrisch isolierende Schicht zu den das Plasma erzeugenden Elektroden übertragbar ist. Durch diese rein kapazitive Einkopplung der elektrischen Energie kann anstelle bestimmter Materialien zur Erzeugung von definierten Mikroschaltern praktisch jedes isolierende Material genutzt werden. Dies erlaubt eine kostengünstigere Fertigung der Plasmaquelle sowie einen effizienten Schutz der Elektroden vor den Einflüssen des Plasmas selbst zur Vermeidung von Abnutzung oder stofflicher Veränderung der Elektroden.

Es ist möglich, jede der einzelnen Einheiten zeitlich und örtlich unabhängig durch Wech­ selspannung zu zünden.

Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Herstellung einer der genannten Vorrichtungen vorge­ sehen, bei dem die die Plasmen erzeugenden Elektroden mittels Mikro- oder Nanostruktur­ technik hergestellt und die Mikroschalter mittels mehrlagiger Elektrodenbeschichtungstechnik in die Einheiten integriert werden. Dadurch wird die Vorrichtung, die einen Mikroschalter enthält, einfach herstellbar.

Erfindungsgemäße Vorrichtungen können zur definierten Erzeugung eines flächenmäßig oder volumenmäßig ausgedehnten Plasmas verwendet werden. Es können somit beispielsweise großflächige Plasmavolumina erzeugt werden, die eine effiziente Nutzung der elektrischen Energie an großen Plasmaoberflächen bei minimalem Plasmavolumen erlauben, beispielswei­ se zur Bearbeitung von Oberflächen, wie deren Reinigung oder Ätzung oder Beschichtung oder Bedruckung, oder der Visualiesierung, indem das Plasma als großflächige spektrale Lichtquelle und/oder Spektrallampe verwendet wird oder als flacher Bildschirm.

Mehrere solcher Plasmaflächen lassen sich zur Erzeugung großvolumiger Plasmen zusam­ mensetzen, beispielsweise zur chemischen Umsetzung, wie der Synthese komplexer chemi­ scher Verbindungen aus einfachen Grundbausteinen, wie beispielsweise zur Erzeugung höhe­ rer Kohlenwasserstoffe aus Methan.

Es wird die Erzeugung eines Plasmas bei Druck in der Größenordnung von 1 mbar bis zu 1,5 bar ermöglicht.

Ausführungsbeispiele zur entkoppelten Einspeisung der elektrischen Energie in geeignete Mikroplasmaelektroden sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt dabei im einzelnen:

Fig. 1 eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung zur entkoppelten Erzeugung eines homogenen Flächenplasmas auf Basis von Poren in dünnen Folien,

Fig. 2 eine Kombination von zwei Folienelementen aus Fig. 1 zu einem Volumen­ plasmaelement,

Fig. 3 eine zweite erfindungsgemäße Vorrichtung zur entkoppelten Erzeugung eines homogenen Flächenplasmas auf Basis von Spitzen auf Flächen in der Aufsicht, und

Fig. 4 eine dritte erfungsgemäße Vorrichtung zur entkoppelten Erzeugung eines ho­ mogenen Flächenplasmas auf Basis von Spitzen auf Flächen in einem Schnitt­ bild.

Fig. 1 zeigt einen Folienträger 101, der Löcher 102 besitzt, um die ringförmig Elektroden 103 zur Erzeugung von Plasmen in einzelnen Einheiten angebracht sind. Die elektrische Spannung zur Ausbildung des Plasmas wird zwischen zwei gegenüberliegenden Elektroden 103 auf beiden Seiten des Folienträgers 101 angelegt. Als Mikroschalter dient hier eine ho­ mogen aufgebrachte Widerstands- oder Isolationsschicht 104, die den Folienträger 101 und die Elektroden 103 bedeckt. Die Schicht 104 ist wiederum von einer niederohmigen Versor­ gungselektrode 105 bedeckt.

Die Elektroden 103 können alternativ auch durch einzelne, auf den Folienträger 101 aufge­ brachte Mikroschalter von einer leiterbahnförmigen Versorgungselektrode versorgt werden.

Auf einem großflächigen Folienträger 101 können zahlreiche der soeben beschriebenen An­ ordnungen angebracht sein.

Fig. 2 zeigt beispielhaft die Kombination von zwei Folienplasmaelementen 201 und 202, jeweils wie gezeigt und erläutert in Fig. 1, zu einem Volumenplasma. Dabei können beliebig viele der Folienplasmaelemente aneinandergereiht werden.

Fig. 3 zeigt in Aufsicht die beiden Mikroplasmaelektroden 301 und 302, zwischen denen die elektrische Spannung zur Ausbildung des Plasmas ausgebildet wird. Das Plasma ist darge­ stellt durch die Feldlinien 303. Die niederohmige Versorgungselektrode 304 speist über die Mikroschalter 305 die Mikroplasmaelektroden 302.

Auf einem großflächigen Träger können zahlreiche der soeben beschriebenen Anordnungen angebracht werden.

Fig. 4 zeigt in einem Schnitt die in Fig. 3 dargestellte Geometrie. Mit 401 und 402 werden das Plasma erzeugende Elektroden bezeichnet, zwischen denen sich ein elektrisches Feld 403 ausbildet. In die Mikroplasmaelektroden 402 wird von einer niederohmigen Versorgungse­ lektrode 404 über Mikroschalter 405 elektrische Energie eingespeist.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas bei Umgebungstemperaturen, wobei zur Erzeu­ gung des Plasmas Elektroden vorgesehen sind, die an ihrer Oberseite scharfe Kanten auf­ weisen, wobei sich die Elektroden paarweise gegenüber stehen und durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden ein Plasma erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden derart in einzelne Einheiten unterteilt sind, daß infolge der Unterteilung in die einzelnen Einheiten bei einer Ansteuerung der Elektroden mehrere kleine Mikroplas­ men entstehen, wobei diese zu Flächen bzw. Volumina zusammensetzbar sind, und die Einkopplung der elektrischen Energie in jede der Einheiten über unabhängige Mi­ kroschalter durch die einzelnen Einheiten verbindende niederohmige Versorgungselektro­ den erfolgt.

2. Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas bei Umgebungstemperaturen, wobei zur Erzeu­ gung des Plasmas Elektroden vorgesehen sind, die an ihrer Oberseite scharfe Kanten auf­ weisen, wobei sich die Elektroden paarweise gegenüber stehen und wobei durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden ein Plasma erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden derart in einzelne Einheiten unterteilt sind, daß infolge der Unterteilung in die einzelnen Einheiten bei einer Ansteuerung der Elektroden mehrere kleine Mikroplas­ men entstehen, wobei diese zu Flächen bzw. Volumina zusammensetzbar sind, und die Einkopplung der elektrischen Energie in jede der Einheiten bei Verwendung von Wech­ selspannung durch eine kapazitive Kopplung der Versorgungselektrode mit den das Plas­ ma erzeugenden Elektroden über eine elektrisch isolierende Schicht erfolgt.

3. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die die Plas­ men erzeugenden Elektroden mittels Mikro- oder Nanostrukturtechnik hergestellt werden, und die Mikroschalter mittels mehrlagiger Elektrodenbeschichtungstechnik in die Einhei­ ten integriert werden.

4. Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 zur definierten Erzeugung eines flächenmäßig oder volumenmäßig ausgedehnten Plasmas.