EP2529601B1 - Miniaturisierbare plasmaquelle - Google Patents

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EP2529601B1
EP2529601B1 EP11704740.7A EP11704740A EP2529601B1 EP 2529601 B1 EP2529601 B1 EP 2529601B1 EP 11704740 A EP11704740 A EP 11704740A EP 2529601 B1 EP2529601 B1 EP 2529601B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coil
hollow body
plasma source
active element
source according
Prior art date
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Not-in-force
Application number
EP11704740.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2529601A1 (de
Inventor
Silvio Kuehn
Roland Gesche
Horia-Eugen Porteanu
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungsverbund Berlin FVB eV
Original Assignee
Forschungsverbund Berlin FVB eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Forschungsverbund Berlin FVB eV filed Critical Forschungsverbund Berlin FVB eV
Priority to PL11704740T priority Critical patent/PL2529601T3/pl
Publication of EP2529601A1 publication Critical patent/EP2529601A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2529601B1 publication Critical patent/EP2529601B1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/46—Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/46—Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
    • H05H1/4645—Radiofrequency discharges
    • H05H1/4652—Radiofrequency discharges using inductive coupling means, e.g. coils
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H2240/00—Testing
    • H05H2240/10—Testing at atmospheric pressure
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H2245/00—Applications of plasma devices
    • H05H2245/60—Portable devices

Definitions

  • the invention relates to a miniaturizable plasma source and its use.
  • Plasma i. At least partially ionized gas may be used in a variety of engineering applications, such as surface coating, surface activation, sterilization, etching, and the like.
  • conventional plasma sources are expensive, large, operate at low gas pressures, and have high power consumption. There is therefore a need for a low cost miniaturizable plasma source that operates at atmospheric pressure and low power consumption.
  • the invention therefore introduces a plasma source having an oscillator having an active element and a resonator connected to the active element.
  • the resonator has a hollow body, a gas inlet, a gas outlet arranged at a distal end of the hollow body about a longitudinal axis of the hollow body and a coil arranged along the longitudinal axis of the hollow body with an effective length of one quarter of a wavelength at a resonance frequency of the resonator.
  • a distal end of the coil is disposed relative to the gas outlet so that a plasma path can form between the distal end of the coil acting as a first plasma electrode and the gas outlet of the hollow body functioning as a second plasma electrode.
  • the coil is led out at a proximal end of the hollow body from the interior of the hollow body by an electrically contact-free passage, wherein "electrically contact-free" means that there is no conductive connection between the coil and the hollow body in the region of the implementation.
  • a proximal end of the coil contacts the hollow body on the outside thereof.
  • the coil is located at a first contact area located between the proximal end of the coil and the leadthrough with a first gate of the active element and at a second contact area located between the proximal end of the coil and the leadthrough coupled to the second gate of the active element.
  • the first contact region and the second contact region are spatially not identical.
  • the first port may be an output of the active element acting as an amplifier and the second port an input of the active element.
  • the plasma source of the invention can be miniaturized and thus embodied as a portable device.
  • the plasma acts as a load after ignition and determines the resonance characteristics of the resonator and the entire resonant circuit.
  • the coupling out of the resonator via the second contact region to the second gate of the active element is high, so that the arrangement corresponds to the circuit topology of a feedback amplifier and resonates reliably.
  • the oscillation of the feedback amplifier generates a field strength in the resonator, which is needed for the ignition of the plasma. Accordingly, the plasma is ignited upon reaching a power dependent on the circumstances such as the type of gas, etc.
  • the plasma source of the invention offers the additional advantage that a simple mechanical construction of the resonator becomes possible.
  • the coil is out of contact electrically out of the hollow body to the outside, it can outside the hollow body by simple means such.
  • Micro-strip lines are realized, which are inexpensive to produce.
  • the resonator needs except the coil in the interior of the hollow body to have no further elements.
  • the first contact region may be coupled to the first gate of the active element via a first capacitor.
  • the first capacitor not only blocks any DC voltage that may be present for the operating point setting of the active element, but also contributes to the resonance, which simplifies the oscillation of the oscillator. It is therefore in this preferred embodiment to a coupled multi-circuit resonant circuit.
  • the coil may be inductively coupled at the second contact region with the second gate of the active element.
  • This embodiment variant has the advantage that the signal feedback to the second port of the active element is automatically terminated when the plasma ignites, since then the entire active power coupled into the resonator by the active element is used for the excitation of the plasma and the current in the coil becomes zero or at least approximately zero in the second contact region, so that no more required for the inductive coupling magnetic field is generated.
  • the plasma source may have a feedback line, which is arranged and formed in the second contact region along the coil and spaced therefrom Inductively couple the coil to the second gate of the active element.
  • the coil is preferably not wound in the part located outside of the hollow body, that is to say it is designed as a simple conductor, so that the coil and the feedback line can easily be guided along one another.
  • the feedback line preferably contacts the hollow body on the outside thereof.
  • the feedback line may be coupled to the second port of the active element via a second capacitor.
  • the coil between the passage and the proximal end of the coil is designed as a micro-strip line.
  • the feedback line can be designed as a micro-strip line.
  • the first port of the active element is connected to a first matching network and the second port of the active element is connected to a second matching network.
  • the power transmission between the individual components of the arrangement can be optimized.
  • the first matching network may include a first variable capacitor and the second matching network a second variable capacitor. This variant has the advantage that an adjustment of the adjustment during operation can be made.
  • the plasma source may have a first DC supply connected to the first port of the active element and a second DC supply connected to the second port of the active element.
  • the active element preferably has a GaN transistor or is a GaN transistor.
  • GaN transistors can provide the power required to operate a plasma source, even at high frequencies in the gigahertz range.
  • the second gate of the active element may be the gate of the GaN transistor.
  • the GaN transistor is preferably connected in source circuit.
  • the first gate of the active element may be the drain of the GaN transistor.
  • the hollow body of the resonator may be cylindrical. This results in a waveguide structure around the coil, which is preferably designed along the axis of the resonator, which has particularly good resonance properties.
  • the plasma source may have a gas supply connected to the gas inlet, which is designed to pump a plasma gas through the gas inlet into the hollow body of the resonator.
  • a gas supply connected to the gas inlet, which is designed to pump a plasma gas through the gas inlet into the hollow body of the resonator.
  • a continuous flow of plasma from the gas outlet of the resonator is effected, which can be used for a variety of applications.
  • the plasma source is operated, for example, with a nitrogen-oxygen mixture such as air, nitrogen oxide and ozone are formed in the plasma, whereby the ratio between nitrogen oxide and ozone can be influenced by the ratio of nitrogen to oxygen. It is also possible to produce only either ozone or nitric oxide. Ozone can be used to kill germs, and nitric oxide improves wound healing.
  • the oscillator of the invention preferably functions as a reflection oscillator when the plasma is ignited.
  • the active element may be operated in different modes, e.g. Class A, AB, B or C operation.
  • a second aspect of the invention relates to the use of a plasma source according to the first aspect of the invention for the activation, cleaning, sterilization and coating of surfaces, for etching and for the purification of water and exhaust gases.
  • VHF plasma source for generating gas discharges for surface processing is in document DE 4 337 119 A disclosed.
  • Fig. 1 shows a block diagram of a plasma source according to the invention.
  • the plasma source according to the invention has an oscillator structure.
  • An output of an active component 1, which provides the electrical amplification required for stable oscillation, is connected to a resonator 2 via a first matching network 5.
  • the resonator 2 has the task to generate the necessary ZündfeldCh and set the frequency of the oscillation.
  • the resonator 2 in turn is in turn connected via a second matching network 4 to an input of the active component 1, so that a feedback arises.
  • the resonator 2 at the same time forms the plasma chamber of the plasma source, an embodiment is preferred in which a gas for the generation of the plasma is passed through the resonator 2, which is ignited so continuously by the oscillation of the oscillator at a sufficiently high E-field.
  • the ignited plasma 3 influences the electrical properties of the resonator 2 and acts on the output and input of the resonator 2 back, so it is shown as part of the equivalent circuit of the plasma source.
  • Fig. 2 shows in two sub-pictures different operating states of the plasma source according to the invention.
  • Fig. 2A is the state of the plasma source before ignition of the gas and in Fig. 2B shown ignited gas.
  • idle mode ie in the state without ignited gas, the oscillator has the circuit topology of a feedback amplifier with heavily mismatched load. That is, the impedance to the resonator 2 has a large reactive component, and the complex power P 1 transmitted between the first matching network 5 and the resonator 2 is also very blind, that is, its imaginary component is large.
  • P 1 the few registered effective power Re (P 1 )
  • P 2 therefore has a relatively large real part.
  • the difference Re (P 2 ) - Re (P 1 ) is converted into heat by the losses of the resonator 2, but also generates the necessary field strength in the resonator 2 to ignite the plasma 3.
  • the impedance Z with large imaginary part changes into a predominantly real resistance.
  • the transmitted power P 1 is now real and thus represents an active power.
  • the power P 2 is very blind and a pronounced active power transport from the resonator to the input of the active device 1 is now missing.
  • the oscillator thus operates in the operating state with ignited plasma as a kind of reflection oscillator, wherein the reflecting load is represented by the output of the resonator 2 and the input of the active component 1 offers the required negative impedance.
  • the input of the resonator 2 is well adapted.
  • Fig. 3 a circuit diagram shows a preferred embodiment of the plasma source according to the invention.
  • the DC voltages at the input and output of the active component 1 can be specified by voltage sources 14 and 15 via Abkoppelwideriron 12 and 13 and thus the operating point of the active component 1 can be set.
  • capacitors 10 and 11 with adjustable capacitance are preferably connected between input and output of the active component 1 and ground, which function as matching networks.
  • Input and output of the active component 1 are connected in the illustrated embodiment via a respective coupling capacitor 8 and 9 with the resonator, which is designed in the preferred embodiment shown as a cylindrical hollow body 6, wherein at opposite end faces a gas inlet and a gas outlet for the Passage of the plasma gas are provided.
  • a coiled to a coil 7 ⁇ / 4-line is arranged, which is conductively connected to the cylindrical hollow body 6 on the outside thereof.
  • Both the wound part of the ⁇ / 4 line, as well as lying outside the hollow body 6 parts of the ⁇ / 4 line are referred to here as the coil 7.
  • the cylindrical hollow body 6 also has a coupling which is realized by a feedback line connected to the coupling capacitor 9 and guided at least partially along the part of the coil 7 lying outside the hollow body 6.
  • Fig. 4 shows an enlarged section of the circuit diagram of Fig. 3 , Shown is the resonator with the hollow body 6 and the coil 7. Clearer than in Fig. 3 It can be seen here that the coil 7 is guided in an electrically non-contact bushing 16 through the hollow body 6 to the outside.
  • a gas-impermeable insulator may be arranged between the coil 7 and the hollow body 6, or else the bushing 16 may be used as gas inlet.
  • the coil 7 is outside of the hollow body 6 preferably designed as an easy-to-implement micro-strip line and contacts the hollow body 6. Such an arrangement can be produced more cost-effectively and more robust than previously known resonator arrangements.
  • a first contact region 18 which is arranged between the leadthrough 16 and the end of the coil 7 which is conductively connected to the hollow body 6, the coil 7 is coupled via a first capacitor to the first gate of the active element.
  • the first contact region 18 is located outside the hollow body 6 and in relative proximity to the end of the coil, which, however, represents a ground point and therefore can not simultaneously serve to couple in the signal of the active element. For this reason, the first contact area 18 is spaced from the end of the coil connected to the hollow body 6. Also, between the passage 16 and connected to the hollow body 6 end of the coil, there is a second contact area 17. In the example shown, the second contact area is located between the feedthrough 16 and the first contact region 18.
  • the second contact region 17 serves to produce a feedback to the active element, which ensures the oscillation of the oscillator and the ignition of the plasma.
  • This feedback is preferably implemented inductively by a likewise connected to the hollow body 6 feedback line 19, which may be inexpensively designed as a micro-strip line, is guided along a portion of the coil 7, which is arranged outside of the hollow body 6.
  • the feedback line 19 is thus inductively coupled to the coil 7 and redirects the received from the coil 7 oscillation to the active element.

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Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft eine miniaturisierbare Plasmaquelle und deren Verwendung.
    • Stand der Technik
  • Plasma, d.h. wenigstens teilweise ionisiertes Gas, kann in einer Vielzahl von technischen Anwendungen verwendet werden wie beispielsweise Oberflächenbeschichtung, Oberflächenaktivierung, Sterilisation, Ätzverfahren und dergleichen mehr. Übliche Plasmaquellen sind jedoch teuer, groß, arbeiten bei niedrigen Gasdrücken und weisen eine hohe Leistungsaufnahme auf. Es besteht daher Bedarf an einer kostengünstigen miniaturisierbaren Plasmaquelle, welche bei atmosphärischem Druck und niedriger Leistungsaufnahme arbeitet.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Erfindung führt daher eine Plasmaquelle mit einem Oszillator, welcher ein aktives Element und einen mit dem aktiven Element verbundenen Resonator besitzt, ein. Der Resonator weist einen Hohlkörper, einen Gaseinlass, einen an einem distalen Ende des Hohlkörpers um eine Längsachse des Hohlkörpers angeordneten Gasauslass und eine entlang der Längsachse des Hohlkörpers angeordnete Spule mit einer effektiven Länge von einem Viertel einer Wellenlänge bei einer Resonanzfrequenz des Resonators auf. Ein distales Ende der Spule ist relativ zum Gasauslass so angeordnet, dass sich eine Plasmastrecke zwischen dem als eine erste Plasmaelektrode fungierenden distalen Ende der Spule und dem als eine zweite Plasmaelektrode fungierenden Gasauslass des Hohlkörpers ausbilden kann. Erfindungsgemäß ist die Spule an einem proximalen Ende des Hohlkörpers aus dem Inneren des Hohlkörpers durch eine elektrisch kontaktfreie Durchführung herausgeführt, wobei "elektrisch kontaktfrei" bedeutet, dass im Bereich der Durchführung keine leitende Verbindung zwischen der Spule und dem Hohlkörper besteht. Ein proximales Ende der Spule kontaktiert den Hohlkörper an dessen Außenseite. Die Spule ist an einem zwischen dem proximalen Ende der Spule und der Durchführung gelegenen ersten Kontaktbereich mit einem ersten Tor des aktiven Elementes und an einem zwischen dem proximalen Ende der Spule und der Durchführung gelegenen zweiten Kontaktbereich mit einem zweiten Tor des aktiven Elementes gekoppelt. Der erste Kontaktbereich und der zweite Kontaktbereich sind dabei räumlich nicht identisch. Das erste Tor kann ein Ausgang des als Verstärker wirkenden aktiven Elementes und das zweite Tor ein Eingang des aktiven Elementes sein.
  • Die Plasmaquelle der Erfindung kann miniaturisiert und somit als tragbares Gerät ausgeführt werden. Indem das Plasma selbst im elektrischen Ersatzschaltbild Teil des Oszillators ist, wird ein sehr einfacher Aufbau der Plasmaquelle möglich. Das Plasma wirkt nach Zündung als Last und bestimmt die Resonanzeigenschaften des Resonators und des gesamten Schwingkreises mit. In Resonanz ohne gezündetes Plasma ist die Auskopplung aus dem Resonator über den zweiten Kontaktbereich zum zweiten Tor des aktiven Elementes hoch, so dass die Anordnung der Schaltungstopologie eines rückgekoppelten Verstärkers entspricht und zuverlässig anschwingt. Die Schwingung des rückgekoppelten Verstärkers erzeugt eine Feldstärke im Resonator, die für die Zündung des Plasmas benötigt wird. Dementsprechend wird das Plasma bei Erreichen einer von den jeweiligen Umständen wie Art des Gases etc. abhängigen Leistung gezündet.
  • Die Plasmaquelle der Erfindung bietet den zusätzlichen Vorteil, dass ein einfacher mechanischer Aufbau des Resonators möglich wird. Indem die Spule elektrisch kontaktfrei aus dem Hohlkörper nach außen geführt wird, kann sie außerhalb des Hohlkörpers mit einfachen Mitteln wie z.B. Micro-Strip-Leitungen realisiert werden, welche kostengünstig herstellbar sind. Der Resonator braucht außer der Spule im Inneren des Hohlkörpers keine weiteren Elemente aufzuweisen.
  • Der erste Kontaktbereich kann mit dem ersten Tor des aktiven Elementes über einen ersten Kondensator gekoppelt sein. Der erste Kondensator blockt nicht nur eine für die Arbeitspunkteinstellung des aktiven Elementes eventuell vorhandene Gleichspannung, sondern trägt auch zur Resonanz bei, was das Anschwingen des Oszillators vereinfacht. Es handelt sich daher bei dieser bevorzugten Ausführung um einen gekoppelten mehrkreisigen Schwingkreis.
  • Die Spule kann an dem zweiten Kontaktbereich mit dem zweiten Tor des aktiven Elementes induktiv gekoppelt sein. Diese Ausführungsvariante bietet den Vorteil, dass die Signalrückkopplung auf das zweite Tor des aktiven Elementes automatisch beendet wird, wenn das Plasma zündet, da dann die gesamte vom aktiven Element in den Resonator eingekoppelte Wirkleistung für die Anregung des Plasmas verwendet wird und der Strom in der Spule im zweiten Kontaktbereich Null oder wenigstens näherungsweise Null wird, so dass kein für die induktive Kopplung benötigtes Magnetfeld mehr erzeugt wird.
  • Dabei kann die Plasmaquelle eine Rückkopplungsleitung aufweisen, welche in dem zweiten Kontaktbereich entlang der Spule und zu dieser beabstandet angeordnet und ausgebildet ist, die Spule induktiv mit dem zweiten Tor des aktiven Elementes zu koppeln. Die Spule ist bevorzugt in dem außerhalb des Hohlkörpers gelegenen Teil nicht aufgewickelt, also als einfacher Leiter ausgeführt, so dass die Spule und die Rückkopplungsleitung einfach aneinander entlang geführt werden können.
  • Die Rückkopplungsleitung kontaktiert bevorzugt den Hohlkörper an dessen Außenseite.
  • Die Rückkopplungsleitung kann mit dem zweiten Tor des aktiven Elementes über einen zweiten Kondensator gekoppelt sein.
  • Besonders bevorzugt ist die Spule zwischen der Durchführung und dem proximalen Ende der Spule als Micro-Strip-Leitung ausgeführt. Auch die Rückkopplungsleitung kann als Micro-Strip-Leitung ausgeführt sein.
  • Bevorzugt sind das erste Tor des aktiven Elementes mit einem ersten Anpassungsnetzwerk und das zweite Tor des aktiven Elementes mit einem zweiten Anpassungsnetzwerk verbunden. Dadurch kann die Leistungsübertragung zwischen den einzelnen Komponenten der Anordnung optimiert werden.
  • Das erste Anpassungsnetzwerk kann einen ersten veränderlichen Kondensator und das zweite Anpassungsnetzwerk einen zweiten veränderlichen Kondensator aufweisen. Diese Ausführungsvariante bietet den Vorteil, dass eine Justierung der Anpassung im Betrieb vorgenommen werden kann.
  • Die Plasmaquelle kann eine mit dem ersten Tor des aktiven Elementes verbundene erste Gleichstromzuführung und eine mit dem zweiten Tor des aktiven Elementes verbundene zweite Gleichstromzuführung besitzen. Hierüber lässt sich der Arbeitspunkt des aktiven Elementes frei einstellen, wobei aufgrund des ersten und des zweiten Kondensators keine Einwirkung auf den Resonator besteht, dieser also seine Eigenschaften bei Änderung des Arbeitspunktes des aktiven Elementes nicht ändert.
  • Das aktive Element weist bevorzugt einen GaN-Transistor auf oder ist ein GaN-Transistor. GaN-Transistoren können die für den Betrieb einer Plasmaquelle benötigte Leistung auch bei hohen Schwingfrequenzen im Gigahertzbereich zur Verfügung stellen. Hierbei kann das zweite Tor des aktiven Elementes das Gate des GaN-Transistors sein.
  • Der GaN-Transistor ist bevorzugt in Source-Schaltung geschaltet. Dabei kann das erste Tor des aktiven Elementes die Drain des GaN-Transistors sein.
  • Der Hohlkörper des Resonators kann zylinderförmig ausgebildet sein. Dadurch entsteht eine Hohlleiterstruktur um die vorzugsweise entlang der Achse des Resonators ausgeführte Spule, welche besonders gute Resonanzeigenschaften besitzt.
  • Die Plasmaquelle kann eine mit dem Gaseinlass verbundene Gaszuführung, welche ausgebildet ist, ein Plasmagas durch den Gaseinlass in den Hohlkörper des Resonators zu pumpen, aufweisen. Durch das Pumpen von Plasmagas in den Hohlkörper des Resonators wird bei gezündetem Plasma ein kontinuierlicher Strom von Plasma aus dem Gasauslass des Resonators bewirkt, welches für eine Vielzahl von Anwendungen verwendet werden kann. Wird die Plasmaquelle beispielsweise mit einem Stickstoff-Sauerstoff-Gemisch wie Luft betrieben, entstehen im Plasma Stickoxid und Ozon, wobei das Verhältnis zwischen Stickoxid und Ozon über das Verhältnis von Stickstoff und Sauerstoff beeinflusst werden kann. Dabei ist es auch möglich, nur entweder Ozon oder Stickoxid zu erzeugen. Ozon kann vorteilhaft für die Abtötung von Keimen verwendet werden, Stickoxid verbessert die Wundheilung.
  • Der Oszillator der Erfindung fungiert bei gezündetem Plasma bevorzugt als Reflexions-Oszillator. Abhängig vom Zustand des Plasmas (gezündet / nicht gezündet), kann das aktive Element in unterschiedlichen Betriebsarten betrieben werden wie z.B. Klasse A-, AB-, B- oder C-Betrieb.
  • Ein zweiter Erfindungsaspekt betrifft die Verwendung einer Plasmaquelle nach dem ersten Erfindungsaspekt für die Aktivierung, Reinigung, Sterilisation und Beschichtung von Oberflächen, zum Ätzen und zur Reinigung von Wasser und Abgasen.
  • Eine VHF-Plasmaquelle zur Erzeugung von Gasentladungen für Oberflächenbearbeitung wird in Dokument DE 4 337 119 A offenbart.
    • Kurzbeschreibung der Abbildungen
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Abbildungen von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen:
    • Fig. 1 ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Plasmaquelle;
    • Fig. 2 in zwei Unterabbildungen unterschiedliche Betriebszustände der erfindungsgemäßen Plasmaquelle;
    • Fig. 3 ein Schaltbild eine bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Plasmaquelle; und
    • Fig. 4 einen vergrößerten Ausschnitt des Schaltbildes von Fig. 3.
    Ausführliche Beschreibung der Abbildungen
  • Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Plasmaquelle. Die erfindungsgemäße Plasmaquelle weist eine Oszillatorstruktur auf. Ein Ausgang eines aktiven Bauelementes 1, welches die für eine stabile Oszillation benötigte elektrische Verstärkung bereitstellt, ist über ein erstes Anpassungsnetzwerk 5 mit einem Resonator 2 verbunden. Der Resonator 2 besitzt die Aufgabe, die notwendige Zündfeldstärke zu erzeugen und die Frequenz der Oszillation festzulegen. Der Resonator 2 ist seinerseits wiederum über ein zweites Anpassungsnetzwerk 4 mit einem Eingang des aktiven Bauelementes 1 verbunden, so dass eine Rückkopplung entsteht. Der Resonator 2 bildet gleichzeitig die Plasmakammer der Plasmaquelle, wobei eine Ausführung bevorzugt wird, bei der ein Gas für die Erzeugung des Plasmas durch den Resonator 2 geleitet wird, welches so fortlaufend durch die Schwingung des Oszillators bei einem genügend hohen E-Feld gezündet wird. Das gezündete Plasma 3 beeinflusst die elektrischen Eigenschaften des Resonators 2 und wirkt auf Aus- und Eingang des Resonators 2 zurück, weshalb es als Teil des Ersatzschaltbildes der Plasmaquelle dargestellt ist.
  • Fig. 2 zeigt in zwei Unterabbildungen unterschiedliche Betriebszustände der erfindungsgemäßen Plasmaquelle. In Fig. 2A ist der Zustand der Plasmaquelle vor Zündung des Gases und in Fig. 2B bei gezündetem Gas dargestellt. Im Leerlaufbetrieb, also im Zustand ohne gezündetes Gas, besitzt der Oszillator die Schaltungstopologie eines rückgekoppelten Verstärkers mit stark fehlangepasster Last. Das heißt, die Impedanz zum Resonator 2 hin besitzt einen großen Blindanteil und die zwischen dem ersten Anpassungsnetzwerk 5 und dem Resonator 2 übertragene komplexe Leistung P1 ist ebenfalls sehr blind, d.h., ihr Imaginäranteil ist groß. Von der wenigen eingetragenen Wirkleistung Re(P1) wird ein großer Anteil in das gut angepasste zweite Anpassungsnetzwerk 4 gegeben, P2 besitzt daher einen verhältnismäßig großen Realteil. Die Differenz Re(P2) - Re(P1) wird durch die Verluste des Resonators 2 in Wärme umgesetzt, erzeugt aber auch die nötige Feldstärke im Resonator 2, um das Plasma 3 zu zünden. Mit der Plasmazündung (Fig. 2B) ändert sich die Impedanz Z mit großem Imaginärteil in einen überwiegend realen Widerstand. Die übertragene Leistung P1 ist jetzt reell und stellt somit eine Wirkleistung dar. Die Leistung P2 wird dagegen sehr blind und ein ausgeprägter Wirkleistungstransport vom Resonatorausgang zum Eingang des aktiven Bauelementes 1 fehlt nun. Der Oszillator arbeitet somit im Betriebszustand mit gezündetem Plasma als eine Art Reflexionsoszillator, wobei die reflektierende Last durch den Ausgang des Resonators 2 dargestellt wird und der Eingang des aktiven Bauelementes 1 die benötigte negative Impedanz anbietet. Der Eingang des Resonators 2 ist hingegen gut angepasst.
  • Fig. 3 zeigt ein Schaltbild eine bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Plasmaquelle. Die Gleichspannungen an Ein- und Ausgang des aktiven Bauelementes 1 kann von Spannungsquellen 14 und 15 über Abkoppelwiderstände 12 und 13 vorgegeben und somit der Arbeitspunkt des aktiven Bauelementes 1 eingestellt werden. Auf beiden Seiten des aktiven Bauelementes 1 sind bevorzugt Kondensatoren 10 und 11 mit einstellbarer Kapazität zwischen Ein- bzw. Ausgang des aktiven Bauelementes 1 und Masse geschaltet, welche als Anpassungsnetzwerke fungieren. Ein- und Ausgang des aktiven Bauelementes 1 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel über jeweils einen Koppelkondensator 8 bzw. 9 mit dem Resonator verbunden, welcher in der gezeigten bevorzugten Ausführungsform als zylindrischer Hohlkörper 6 ausgeführt ist, bei dem an gegenüberliegenden Stirnseiten ein Gaseinlass und ein Gasauslass für die Durchleitung des Plasmagases vorgesehen sind. Es sind jedoch auch Ausführungsformen ohne den ersten und/oder zweiten Kondensator vorstellbar. Entlang der Zylinderachse des zylindrischen Hohlkörpers 6 ist eine zu einer Spule 7 aufgewickelte λ/4-Leitung angeordnet, welche mit dem zylindrischen Hohlkörper 6 auf dessen Außenseite leitend verbunden ist. Sowohl der aufgewickelte Teil der λ/4-Leitung, als auch die außerhalb des Hohlkörpers 6 liegenden Teile der λ/4-Leitung werden hier als Spule 7 bezeichnet. Der zylindrische Hohlkörper 6 weist zudem eine Auskopplung auf, welche durch eine mit dem Koppelkondensator 9 verbundene und wenigstens teilweise entlang des außerhalb des Hohlkörpers 6 liegenden Teils der Spule 7 geführte Rückkopplungsleitung realisiert ist.
  • Fig. 4 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Schaltbildes von Fig. 3. Gezeigt ist der Resonator mit dem Hohlkörper 6 und der Spule 7. Deutlicher als in Fig. 3 ist hier zu erkennen, dass die Spule 7 in einer elektrisch kontaktfreien Durchführung 16 durch den Hohlkörper 6 nach außen geführt wird. Dabei kann zwischen der Spule 7 und dem Hohlkörper 6 beispielsweise ein gasundurchlässiger Isolator angeordnet sein oder aber die Durchführung 16 als Gaseinlass genutzt werden. Die Spule 7 ist außerhalb des Hohlkörpers 6 bevorzugt als einfach zu realisierende Micro-Strip-Leitung ausgeführt und kontaktiert den Hohlkörper 6. Eine solche Anordnung lässt sich kostengünstiger und robuster herstellen als vorbekannte Resonatoranordnungen. In einem ersten Kontaktbereich 18, welcher zwischen der Durchführung 16 und dem mit dem Hohlkörper 6 leitend verbundenen Ende der Spule 7 angeordnet ist, ist die Spule 7 über einen ersten Kondensator mit dem ersten Tor des aktiven Elementes gekoppelt. Der erste Kontaktbereich 18 liegt außerhalb des Hohlkörpers 6 und in relativer Nähe zum Ende der Spule, welches jedoch einen Massepunkt darstellt und deshalb nicht gleichzeitig zur Einkopplung des Signals des aktiven Elementes dienen kann. Aus diesem Grund ist der erste Kontaktbereich 18 vom mit dem Hohlkörper 6 verbundenen Ende der Spule beabstandet. Ebenfalls zwischen der Durchführung 16 und dem mit dem Hohlkörper 6 verbundenen Ende der Spule befindet sich ein zweiter Kontaktbereich 17. Im gezeigten Beispiel befindet sich der zweite Kontaktbereich zwischen der Durchführung 16 und dem ersten Kontaktbereich 18. Der zweite Kontaktbereich 17 dient dazu, eine Rückkopplung zum aktiven Element herzustellen, welche das Anschwingen des Oszillators und das Zünden des Plasmas gewährleistet. Diese Rückkopplung wird bevorzugt induktiv realisiert, indem eine ebenfalls mit dem Hohlkörper 6 verbundene Rückkopplungsleitung 19, welche kostengünstig als Micro-Strip-Leitung ausgeführt sein kann, entlang eines Abschnittes der Spule 7 geführt wird, welcher außerhalb des Hohlkörpers 6 angeordnet ist. Die Rückkopplungsleitung 19 ist so induktiv mit der Spule 7 gekoppelt und leitet die von der Spule 7 aufgenommene Schwingung an das aktive Element zurück.

Claims (15)

  1. Eine Plasmaquelle mit einem Oszillator, welcher ein aktives Element (1) das eine elektrische Verstärkung bereitstellt, und einen mit dem aktiven Element (1) verbundenen Resonator (2) besitzt, wobei der Resonator (2) einen Hohlkörper (6) mit einem distalen Ende und einem proximalen Ende, einen Gaseinlass, einen am distalen Ende des Hohlkörpers (6) um eine Längsachse des Hohlkörpers (6) angeordneten Gasauslass und eine entlang der Längsachse des Hohlkörpers (6) angeordnete Spule (7) mit einer effektiven Länge von einem Viertel einer Wellenlänge bei einer Resonanzfrequenz des Resonators (2) aufweist, wobei ein distales Ende der Spule (7) relativ zum Gasauslass so angeordnet ist, dass sich eine Plasmastrecke zwischen dem als eine erste Plasmaelektrode fungierenden distalen Ende der Spule (7) und dem als eine zweite Plasmaelektrode fungierenden Gasauslass des Hohlkörpers (6) ausbilden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (7) am proximalen Ende des Hohlkörpers (6) aus dem Inneren des Hohlkörpers (6) durch eine elektrisch kontaktfreie Durchführung (16) herausgeführt ist und ein proximales Ende der Spule (7) den Hohlkörper (6) an dessen Außenseite kontaktiert, wobei die Spule (7) an einem zwischen dem mit dem Hohlkörper leitend verbundenen Ende der Spule (7) und der Durchführung gelegenen ersten Kontaktbereich (18) mit einem ersten Tor des aktiven Elementes (1) und an einem zwischen dem mit dem Hohlkörper leitend verbundenen Ende der Spule und der Durchführung gelegenen zweiten Kontaktbereich (17) mit einem zweiten Tor des aktiven Elementes (1) gekoppelt ist.
  2. Die Plasmaquelle von Anspruch 1, bei der der erste Kontaktbereich (18) mit dem ersten Tor des aktiven Elementes (1) über einen ersten Kondensator (8) gekoppelt ist.
  3. Die Plasmaquelle von einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der die Spule (7) an dem zweiten Kontaktbereich (17) mit dem zweiten Tor des aktiven Elementes (1) induktiv gekoppelt ist.
  4. Die Plasmaquelle von Anspruch 3, mit einer Rückkopplungsleitung (19), welche in dem zweiten Kontaktbereich (17) entlang der Spule (7) und zu dieser beabstandet angeordnet und ausgebildet ist, die Spule (7) induktiv mit dem zweiten Tor des aktiven Elementes (1) zu koppeln.
  5. Die Plasmaquelle von Anspruch 4, bei der die Rückkopplungsleitung (19) den Hohlkörper (6) an dessen Außenseite kontaktiert.
  6. Die Plasmaquelle von einem der Ansprüche 4 oder 5, bei der die Rückkopplungsleitung (19) mit dem zweiten Tor des aktiven Elementes (1) über einen zweiten Kondensator (9) gekoppelt ist.
  7. Die Plasmaquelle von einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Spule (7) zwischen der Durchführung (16) und dem proximalen Ende der Spule (7) als Micro-Strip-Leitung ausgeführt ist.
  8. Die Plasmaquelle von einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das erste Tor des aktiven Elementes (1) mit einem ersten Anpassungsnetzwerk (4) und das zweite Tor des aktiven Elementes (1) mit einem zweiten Anpassungsnetzwerk (5) verbunden sind.
  9. Die Plasmaquelle von Anspruch 8, bei der das erste Anpassungsnetzwerk (4) einen ersten veränderlichen Kondensator (10) und das zweite Anpassungsnetzwerk (5) einen zweiten veränderlichen Kondensator (11) aufweisen.
  10. Die Plasmaquelle von einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer mit dem ersten Tor des aktiven Elementes (1) verbundenen ersten Gleichstromzuführung (14) und einer mit dem zweiten Tor des aktiven Elementes (1) verbundenen zweiten Gleichstromzuführung (15).
  11. Die Plasmaquelle von einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das aktive Element (1) einen GaN-Transistor aufweist oder ein GaN-Transistor ist.
  12. Die Plasmaquelle von Anspruch 11, bei der der GaN-Transistor in Source-Schaltung geschaltet ist.
  13. Die Plasmaquelle von einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Hohlkörper (6) des Resonators (2) zylinderförmig ausgebildet ist.
  14. Die Plasmaquelle von einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer mit dem Gaseinlass verbundenen Gaszuführung, welche ausgebildet ist, ein Plasmagas durch den Gaseinlass in den Hohlkörper (6) des Resonators (2) zu pumpen.
  15. Verwendung einer Plasmaquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche für die Aktivierung, Reinigung, Sterilisation und Beschichtung von Oberflächen, zum Ätzen und zur Reinigung von Wasser und Abgasen.
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