ES2220711T3 - Sistema de plasma a presion atmosferica. - Google Patents

Abstract

Un sistema (1) de plasma de tratamiento atmosférico (APP) del tipo de equilibrio no térmico que comprende: electrodos (3) que forman una región de plasma montada en un alojamiento (2) de recinto hermético a gases que tiene un montaje (10) de boca de entrada y un montaje (11) de boca de salida abiertos a la atmósfera, un gas de tratamiento precursor de aire no ambiente que tiene una densidad relativa mayor o menor que el aire ambiente a la misma presión y temperatura y medios (20) para mover piezas de trabajo entre los electrodos (3) desde el montaje (10) de boca de entrada hasta el montaje (11) de boca de salida, caracterizado porque cada boca (10, 11) de montaje comprende un alojamiento cerrado alargado que tiene una abertura (12, 13) de boca de pieza de trabajo que conecta el alojamiento con el exterior del alojamiento (2) de recinto y una abertura (14, 15) de recinto de pieza de trabajo espaciada verticalmente que conecta el alojamiento con el alojamiento (2) de recinto y en el que la abertura (14, 15) de recinto de pieza de trabajo está debajo de la abertura (12, 13) de boca de pieza de trabajo y está colocada en el alojamiento (2) de recinto por encima de la región (5) de plasma para un gas de tratamiento precursor con una densidad relativa mayor que la del aire ambiente y por debajo de la región (5) de plasma y por encima de la abertura (14, 15) de recinto de pieza de trabajo para un gas con una densidad relativa menor que la del aire ambiente.

Description

Sistema de plasma a presión atmosférica.

La presente invención se refiere a un sistema de plasma de presión atmosférica y en particular a un método y un procedimiento para usar plasmas a la presión atmosférica y/o presión ambiental en la fabricación, tratamiento y producción industrial que usa gases de tratamiento precursores distintos al aire ambiente.

Cuando la materia es alimentada continuamente con energía su temperatura aumenta y ésta se transforma típicamente de un estado sólido en uno líquido y, luego, en uno gaseoso. Continuando el suministro de energía se origina que el sistema experimente un cambio de estado más en el que los átomos o las moléculas neutras del gas son descompuestos por las colisiones energéticas produciendo electrones cargados negativamente, iones cargados positiva o negativamente y otras especies. Esta mezcla de partículas cargadas que presenta un comportamiento colectivo es denominada "plasma", el cuarto estado de la naturaleza. Debido a su carga eléctrica, los plasmas son muy influenciados por los campos electromagnéticos exteriores que los hace fácilmente controlables. Además, su alto contenido de energía les permite lograr tratamientos que son imposibles o difíciles a través de los otros estados de la materia, tales como mediante tratamientos de líquidos o gases.

El término "plasma" cubre un enorme abanico de sistemas cuya densidad y temperatura varían mediante muchos órdenes de magnitud. Algunos plasmas son muy calientes y todas sus especies microscópicas (iones, electrones, etc.) están en un equilibrio térmico aproximado, siendo la entrada de energía en el sistema distribuida extensamente por medio de colisiones de nivel atómico/molecular. Otros plasmas, no obstante, particularmente aquellos a baja presión (por ejemplo 100 Pa) en los que las colisiones son relativamente poco frecuentes, tienen sus especies constituyentes a temperaturas muy diferentes y son denominados plasmas de "equilibro no térmico". En estos plasmas no térmicos los electrones libres están muy calientes con temperaturas de muchos miles de grados K mientras que las especies iónicas o neutras permanecen frías. Puesto que los electrones libres tienen una masa casi despreciable, el contenido de calor total del sistema es bajo y el plasma funciona a una temperatura próxima a la temperatura ambiente permitiendo por tanto el tratamiento de materiales sensibles a la temperatura, tales como plásticos o polímeros sin imponer una carga térmica dañina en la muestra. No obstante, los electrones calientes crean, a través de colisiones de alta energía, una rica fuente de radicales y especies excitadas con una alta energía potencial química capaces de una profunda reactividad química y física. Esta combinación del funcionamiento a baja temperatura con la alta reactividad es la que hace los plasmas no térmicos tecnológicamente importantes y una herramienta muy poderosa para fabricar y tratar materiales, capaz de lograr tratamientos que, si se realizasen sin plasma alguno, requerirían muy altas temperaturas o sustancias químicas nocivas y agresivas.

Para aplicaciones industriales de la tecnología de plasmas, un método conveniente es acoplar potencia electromagnética en un recinto llenado posteriormente con gas de tratamiento (cuyo término "gas" incluirá de aquí en adelante mezclas y vapores) y que contiene las piezas/muestras de trabajo que han de ser tratadas. El gas llega a ionizarse en forma de plasma generando los radicales químicos, radiación UV e iones que reaccionan con la superficie de las muestras. Mediante la correcta selección de la composición del gas de tratamiento, la frecuencia de la potencia de activación, el modo de acoplamiento de la frecuencia, la presión y otros parámetros de control, el tratamiento del plasma puede ser personalizado para la aplicación específica requerida por el fabricante.

Debido a la enorme variedad de plasmas químicos y térmicos, son adecuados para muchas aplicaciones tecnológicas que se extienden de modo continuo. Los plasmas de equilibrio no térmico son particularmente eficaces para la activación de superficies, limpieza de superficies/grabado de materiales y revestimiento de superficies.

La activación de la superficie de materiales polímeros es una tecnología de plasmas industriales ampliamente usada iniciada por la industria automovilística. Por tanto, por ejemplo, las poliolefinas, tales como el polietileno y el polipropileno, que están favorecidas por ser reciclables, tienen una superficie no polar y la consecuente mala disposición para el revestimiento o el encolado. No obstante, el tratamiento mediante plasma de oxígeno origina la formación de grupos polares de superficie que proporcionan alta humectabilidad y las consecuentes cubrición y adhesión excelentes de pinturas, adhesivos y otros revestimientos metálicos. Por tanto, por ejemplo, la mecanización de superficies de plasma es esencial para las industrias de fabricación de superficies, tableros de instrumentos, parachoques, etc., y para ensamblar componentes en el juguete, etc. Muchas otras aplicaciones existen en la impresión, pintura, encolado, estratificación y revestimiento general de componentes de toda clase de geometrías en los materiales polímeros, plásticos, cerámicos/inorgánicos, metálicos y de otras clases. La creciente aceptabilidad y fuerza legal de la legislación medioambiental a nivel mundial está creando una presión sustancial en la industria para que reduzca o elimine la utilización de disolventes y de otras sustancias químicas húmedas en la fabricación, particularmente para componentes/limpieza de superficies. En particular, las operaciones de desengrase basadas en CFC han sido en gran parte sustituidas por la tecnología de limpieza de plasmas que funciona con oxígeno, aire y otros gases no tóxicos. Combinando una limpieza previa basada en agua con plasma pueden limpiarse incluso componentes muy sucios y las calidades de superficie obtenidas son típicamente superiores a las obtenidas con los métodos tradicionales. Cualquier contaminación de superficie orgánica es eliminada rápidamente mediante plasma a la temperatura ambiente y convertida en CO_{2} gaseoso y agua que puede ser eliminado con seguridad.

Los plasmas permiten también grabar químicamente un material voluminoso, es decir, eliminar material no deseado. Por tanto, por ejemplo, un plasma basado en oxígeno grabará polímeros, un procedimiento usado en la producción de placas de circuitos, etc. Diferentes materiales tales como metálicos, cerámicos e inorgánicos son grabados mediante una cuidadosa selección del gas precursor y la atención a la química del plasma. Estructuras con una dimensión crítica nanométrica se producen ahora mediante la tecnología de grabación de plasmas.

Una tecnología de plasmas que está emergiendo rápidamente en la industria es la del revestimiento de plasma y/o la de la deposición de películas delgadas. Típicamente, se logra un alto nivel de polimerización mediante la aplicación de plasma a gases y vapores monómeros. Por tanto, puede formarse una película conectada tridimensionalmente y enlazada apretadamente, densa, que es térmicamente estable, químicamente muy resistente y mecánicamente robusta. Tales películas se depositan adecuadamente sobre incluso las más intrincadas de las superficies y a una temperatura que garantiza una baja carga térmica sobre el sustrato. Los plasmas son por lo tanto ideales para el revestimiento de materiales delicados y sensibles al calor, así como robustos. Los revestimientos de plasma están exentos de microporos incluso con capas finas (por ejemplo de 0,1 mm). Las propiedades ópticas, por ejemplo el color, del revestimiento pueden ser a menudo ser personalizadas y los revestimientos de plasma se adhieren bien incluso a materiales no polares, por ejemplo al polietileno, así como al acero (por ejemplo películas anticorrosivas sobre reflectores metálicos), cerámicas, semiconductores, textiles, etc.

En todos estos procedimientos, la tecnología del plasma produce un efecto superficial personalizado para la aplicación o el producto deseado sin afectar al volumen de material en modo alguno. La tecnología del plasma ofrece por tanto al fabricante una herramienta potente y versátil que permite la elección de un material por sus propiedades técnicas y comerciales globales proporcionando libertad al mecanizar independientemente su superficie para que ésta satisfaga un conjunto totalmente diferente de necesidades. La tecnología de los plasmas confiere por tanto calidad, vida útil, comportamiento y funcionalidad al producto enormemente mejorados y proporciona a la empresa fabricante un valor añadido significativo para su capacidad de producción.

Estas propiedades proporcionan una fuerte motivación para que la industria acepte tratamientos basados en plasmas, y esta tendencia ha existido desde la década de los años 1960 para la comunidad de la microelectrónica que ha desarrollado el plasma de Descarga Brillante de baja presión en una tecnología ultra alta y una herramienta de ingeniería de alto coste para el tratamiento de semiconductores, metales y dieléctricos. El mismo plasma de tipo de Descarga Brillante de baja presión ha penetrado de modo creciente en otros sectores industriales puesto que en los años 1980 ofreció un coste más moderado para procedimientos tales como la activación de superficies poliméricas para una adhesión/fuerza de enlace incrementada, alta calidad del desengrase/limpieza y la deposición de revestimientos de alto comportamiento. Por tanto, ha existido una aceptación sustancial de la tecnología de plasmas.

No obstante, la adopción de la tecnología de plasmas ha sido limitada por una exigencia importante en la mayoría de los sistemas de plasma industriales, a saber, su necesidad de funcionar a baja presión. El funcionamiento con un vacío parcial significa un sistema de reactor obturado, de perímetro cerrado que permite solamente el tratamiento por lotes, fuera de la línea, de piezas de trabajo discretas. La producción es baja o moderada y la necesidad de vacío añade gastos de capital y de funcionamiento.

Los plasmas de presión atmosférica, no obstante, ofrecen sistemas de boca/perímetro abiertos industriales que proporcionan el ingreso libre en, y la salida de, la región de plasma mediante piezas de trabajo/bandas y, por consiguientemente el tratamiento continuo, en serie, de bandas de área grande o pequeña o de piezas de trabajo discretas transportadas por un transportador. La producción es alta, reforzada por el alto flujo de especies obtenido del funcionamiento a alta presión. Muchos sectores industriales, tales como textil, empaquetado, papelero, médico, automovilístico, aeroespacial, etc., se basan casi enteramente en la producción en serie, continua, de modo que los plasmas de configuración de boca/perímetro abierta a la presión atmosférica ofrecen una nueva capacidad de fabricación industrial.

Los sistemas de tratamiento de corona y llama (también un plasma) han proporcionado a la industria una forma limitada de la capacidad de tratamiento de plasmas de presión atmosférica durante alrededor de 30 años. No obstante, a pesar de su elevada facilidad de fabricación, estos sistemas han fracasado en el momento de penetrar en el mercado o han sido destinados por la industria a algo como a la misma ampliación de la baja presión, del tipo de plasma que solamente se fabrica por lotes. La razón se debe a que los sistemas de corona/llama tienen limitaciones significativas. Funcionan en el aire ambiente ofreciendo un procedimiento de activación de superficie único y tienen un efecto despreciable en muchos materiales y un débil efecto sobre la mayoría. El tratamiento es a menudo no uniforme y el procedimiento corona es incompatible con bandas gruesas o piezas de trabajo de tres dimensiones mientras que el procedimiento de la llama es incompatible con sustratos sensibles al calor. Ha resultado evidente que la tecnología del plasma de presión atmosférica debe moverse mucho más profundamente en el espectro de plasma de presión atmosférica para desarrollar sistemas avanzados que satisfagan las necesidades de la industria. No obstante, para lograrlo, es esencial moverse desde los plasmas de aire ambiente a plasmas formados a partir de otros gases de tratamiento precursores. Tales plasmas tienen propiedades diferentes a los plasmas de aire ambiente y, por tanto, el potencial para procedimientos industriales nuevos y/o mejorados. No obstante, cualquier movimiento hacia los nuevos tipos de plasmas de presión atmosférica será industrialmente importante si incluye la capacidad para funcionar en la configuración de boca/perímetro abierta consistente con la fabricación continua en serie.

Un amplio abanico de procedimientos industriales potencialmente útiles, basados en plasmas que no son de aire ambiente a la presión atmosférica han sido mostrados por los investigadores, los cuales incluyen activación de la superficie, grabado/limpieza y revestimiento de la superficie. Tales procedimientos se basan en la utilización de gases precursores de aire no ambiente que incluyen helio, argón, nitrógeno, oxígeno, hidrocarburos halogenados, silanos, monómeros orgánicos e inorgánicos, halógenos, SiCl_{4}, SiF_{4}, hidrocarburos, hidrógeno, etc. Tales gases son costosos y/o peligrosos y/o dañinos medioambientalmente y requieren contención en y confinamiento para la región en la que el plasma se genera y la pieza de trabajo se procesa y en la próxima a la misma. Además, la composición del gas de tratamiento en la región del plasma debe ser estrechamente controlada para la optimización del procedimiento y su reproducibilidad, de modo que la introducción de gases contaminantes desde el aire ambiente que rodea el sistema de plasma debe ser eliminada o minimizada. Estos requisitos motivan un sistema que contenga gas de tratamiento precursor como una parte integral de cualquier nuevo sistema de tratamiento de plasma de presión atmosférica industrial que use gas de tratamiento de aire no ambiente que confine gas de tratamiento inyectado en y cerca de la región de plasma y minimice o impida la incursión en la región de plasma de aire ambiente o de otros gases no deseados mientras, al mismo tiempo, permite la configuración de boca/perímetro abierta esencial para la producción continua en serie.

La Memoria Descriptiva de la Patente de EE.UU. Nº 5529631 (Yoshikawa y otros) describe un sistema de plasma atmosférico similar al de la presente invención. En una realización de la misma el lugar de las bocas de salida y entrada en la cámara o recinto obturado está cerca de la parte inferior del recinto, por debajo de la región de plasma para el gas helio que es más ligero que el aire.

La presente invención trata de proporcionar estos y otros objetos.

Descripción de la invención

Según la invención, se proporciona un sistema de plasma de presión atmosférica (APP) del tipo de equilibrio no térmico que comprende electrodos que forman una región de plasma montados en un alojamiento de recinto hermético a gases que tiene un montaje de boca de entrada y un montaje de boca de salida abiertos a la atmósfera, un gas de tratamiento precursor de aire no ambiente que tiene una densidad relativa mayor o menor que el aire ambiente a la misma presión y temperatura y medios para mover las piezas de trabajo entre los electrodos desde el montaje de boca de entrada hasta el montaje de boca de salida caracterizado porque cada boca de montaje comprende un alojamiento cerrado alargado que tiene una abertura de boca de pieza de trabajo que conecta el alojamiento con el exterior del alojamiento de recinto y una abertura de recinto de pieza de trabajo espaciada verticalmente que conecta el alojamiento con el alojamiento de recinto y en el que la abertura de recinto de la pieza de trabajo está por debajo de la abertura de la boca de pieza de trabajo y está colocada en el alojamiento de recinto por encima de la región de plasma para gas de tratamiento precursor con una densidad relativa mayor que la del aire ambiente y por debajo de la región de plasma y por encima de la abertura de recinto de pieza de trabajo para un gas con una densidad relativa menor que la del aire ambiente.

La ventaja de esta construcción radica en que la mayoría del gas de tratamiento precursor no escapa fuera de la región de plasma durante el funcionamiento continuo. Eso evita el alto coste de grandes cantidades de gas de tratamiento precursor caro y además, reduciendo la extensión de la pérdida de gas, se reducen enormemente los riesgos para la salud y la seguridad puesto que gran parte del gas de tratamiento precursor puede ser tóxico, asfixiante, irritante e incluso un explosivo peligroso. Una ventaja adicional radica en que manteniendo la región de plasma relativamente exenta de contaminantes, se puede efectuar un control más eficiente del procedimiento con una reproducibilidad incrementada. Cuanto más largo sea el alojamiento y mayor el espaciamiento vertical proporcionado entre la abertura de recinto de pieza de trabajo y la abertura de boca de pieza de trabajo, menor probabilidad existirá de que entren gases contaminantes en el alojamiento. Idealmente, un analizador de gases está montado en el montaje de boca de entrada y preferiblemente está situado adyacente a la abertura de recinto de pieza de trabajo. Además, un analizador de gases puede estar montado en el montaje de boca de salida e idealmente se monta adyacente a la abertura de boca de pieza de trabajo. En ambos casos, el analizador de gases puede estar conectado a unos medios de control para la introducción de gas de tratamiento precursor en la cantidad de gas de tratamiento precursor detectada por el analizador que está por debajo de un nivel predeterminado.

Idealmente, el gas de tratamiento precursor se mantiene a una presión ligeramente positiva por encima de la presión ambiente fuera del alojamiento del recinto. De esta manera, mediante un incremento relativamente modesto en la presión dentro del alojamiento del recinto, es posible mantener el recinto exento de gases contaminantes.

Idealmente, la presión positiva del gas de tratamiento precursor es menor del 1% de la ambiental.

En una realización de la invención, se proporcionan medios de control mediante los cuales la presión positiva se mantiene mediante la introducción de gas de tratamiento precursor cuando la presión dentro del alojamiento del recinto cae por debajo de un nivel mínimo predeterminado. Alternativamente, se proporcionan medios para introducir continuamente gas de tratamiento precursor en el alojamiento del recinto. Idealmente, se proporcionan medios para la recogida y retirada de gases, adyacentes al exterior de cada montaje de boca, donde una pieza de trabajo entra o sale del montaje de boca.

En una realización de la invención, los medios para la recogida y retirada de los gases comprenden un carenado que rodea los montajes de boca y un ventilador de extracción asociado con el mismo. En una realización de la invención, el carenado comprende una boca de recepción de gas abierta adyacente a la abertura de boca de pieza de trabajo. La ventaja de esta realización radica en que los gases, tanto si son gases de escape como gases de tratamiento precursores son retirados del alojamiento del recinto, particularmente donde el alojamiento del recinto está presurizado. Estos pueden ser recogidos para ser reciclados o al menos para un desecho seguro.

En otra realización, se proporciona una ventilación de gas de escape en el recinto en el lado del recinto opuesto a los montajes de boca para la recogida de gases de escape que tengan una densidad relativa a la de los gases precursores de tratamiento por lo que estos son atrapados en el alojamiento de recinto. En esta última realización, un sensor de gas de escape está montado en el alojamiento de recinto adyacente a la ventilación de gases de escape. En este caso pueden estar conectados medios de control al sensor de gases de escape y a la ventilación de gases de escape para hacer funcionar la ventilación de gases de escape cuando el nivel de los gases de escape en el alojamiento del recinto exceda un nivel predeterminado.

Idealmente se montan amortiguadores de la circulación de gas en cada montaje de boca. Tales amortiguadores de la circulación pueden ser uno o varios cierres de labio; obturaciones de cepillo; obturaciones de cortina; y rodillos opuestos. Otros amortiguadores de gases conocidos no necesitan descripción adicional alguna pero se prefiere cualquiera que reduzca la perturbación del gas.

En una realización de la invención, los electrodos de la invención son electrodos sustancialmente planos. En la última realización de la invención, hay una pluralidad de electrodos dispuestos espalda contra espalda y en la que los medios para mover las piezas de trabajo entre los electrodos comprenden un transportador o una banda que se mueve hacia atrás y hacia delante secuencialmente entre los electrodos.

En otra realización de la invención, cuando la pieza de trabajo es un hilo sinfín, los medios proporcionados para mover la pieza de trabajo comprenden un miembro de bastidor abierto para ser montado entre dos electrodos, el miembro de bastidor es portador de una pluralidad de poleas de soporte en lados opuestos del miembro de bastidor y un mecanismo de extracción de hilo.

Se considera que los electrodos pueden comprender un par de miembros en forma de U de material dieléctrico alojados uno dentro de otro para definir la región de plasma entre ellos transportando un electrodo sobre la superficie exterior del exterior de los dos miembros y transportado un correspondiente electrodo sobre la superficie interior del otro miembro.

Descripción detallada de los dibujos

La invención se comprenderá con mayor claridad a partir de la descripción siguiente de algunas realizaciones de la misma, dadas solamente a modo de ejemplo, con referencia a loa dibujos que se acompañan, en los cuales:

la figura 1 es una vista esquemática de un sistema de plasma de presión atmosférica según la invención;

las figura 2 a 6 son vistas esquemáticas de otros sistemas según la invención;

la figura 7 es una vista esquemática en despiece ordenado de un sistema según la invención;

la figura 8 es una vista detallada de un bastidor de manipulación de hilo según la invención;

la figura 9 es una vista en perspectiva de una disposición de electrodos destinada a ser usada con el bastidor de manipulación de hilo de la figura 8;

la figura 10 es una vista lateral del bastidor de manipulación de hilo y del montaje de electrodos de las figuras 8 y 9 ensamblados juntos;

la figura 11 es una vista delantera del bastidor de manipulación de hilo; y

la figura 12 es una vista en perspectiva ampliada de parte del bastidor de manipulación de hilo.

Antes de hacer referencia a los dibujos, se apreciará que un gas o vapor de tratamiento precursor tendrá una densidad única y por tanto una densidad relativa única en esta memoria descriptiva, "densidad relativa" es la relación de la densidad de un gas con respecto a la densidad del aire ambiente a la misma temperatura y presión. Cuando se afirma "gas de tratamiento precursor", se hace referencia a la relación de la densidad de ese gas con respecto a la densidad del aire ambiente a la misma temperatura y presión. Por lo tanto, si esta relación es menor que 1, el gas es más ligero que el aire ambiente y tenderá a elevarse y flotar por encima del aire ambiente mientras que, si la relación o densidad es mayor que 1, entonces el gas es más pesado que el aire ambiente y tenderá a hundirse.

Esencialmente, el principio de la presente invención radica en que cerrando la región de plasma en un alojamiento de recinto que es hermético al gas, a excepción de los montajes de boca abierta que permiten la entrada libre al plasma y de salida del mismo mediante piezas de trabajo entonces, si los montajes de boca abierta están situados correctamente, es posible evitar el escape del gas de tratamiento precursor. En el caso en que la densidad relativa del gas de tratamiento precursor es menor que 1, entonces el montaje de boca de entrada y el montaje de boca de salida deben estar situados en la parte más baja del alojamiento del recinto. Cuando esto es así, entonces todo el gas de tratamiento precursor, cuando es inyectado dentro del alojamiento del recinto, se elevará para llenar el alojamiento del recinto de arriba abajo expulsando debidamente todo el aire ambiente fuera del alojamiento del recinto o al menos fuera de la región de plasma definida por los electrodos. De modo similar, en el caso en que los gases de tratamiento precursores tienen una densidad relativa mayor que 1, entonces los gases de tratamiento precursores caerán naturalmente dentro del alojamiento del recinto y por tanto el alojamiento de recinto deberá tener sus montajes de entrada y salida en la parte más alta del recinto de alojamiento.

No es necesario decir que, en esta memoria, más alto y más bajo se usan en su sentido normal, es decir, siendo el más alto el más alejado de la atracción gravitatoria de la tierra, y siendo el más bajo el más próximo.

Haciendo referencia a los dibujos e inicialmente a la figura 1, en ella se ilustra un sistema de plasma de presión atmosférica (APP), indicado generalmente con el número 1 de referencia del tipo de equilibrio no térmico que comprende un alojamiento 2 de cierre que contiene un par de electrodos 3 montados sobre un material dieléctrico 4 formando entre ellos una región 5 de plasma. El dieléctrico puede ser cualquier dieléctrico adecuado tal como vidrio. Los electrodos 3 están conectados de manera convencional mediante conductores eléctricos 6 a un transformador 7 de RF (radiofrecuencia) conectado mediante un cableado 8 adecuado a un suministro 9 de RF. El alojamiento 2 de recinto es hermético a gases a excepción de un montaje de boca de entrada, indicado en general con el número 10 de referencia, y un montaje de boca de salida, indicado en general con el número 11 de referencia. El montaje 10 de boca de entrada y el montaje 11 de boca de salida tienen cada uno una abertura 12 y 13 de pieza de trabajo y una abertura 14 y 15 de recinto de pieza de trabajo, respectivamente. Las dos aberturas 14 y 15 de recinto de pieza de trabajo están en esta realización, directamente encima de las aberturas 12 y 13 de boca de pieza de trabajo. Adyacente a cada abertura 12 y 13 de pieza de trabajo, están montados amortiguadores 16 de la circulación de gas adecuados. Los amortiguadores 16 de la circulación de gas pueden tener la forma de obturadores labiales, obturadores de contacto, rodillos opuestos u obturadores de cortina, ciertamente, todos los tipos de obturador. Se proporcionan medios para mover piezas de trabajo a través del alojamiento de recinto mediante un transportador o banda 20, mostrado mediante líneas discontinuas, que se desplaza a través de las poleas 21. El transportador 20 no se muestra detalladamente, por ejemplo, no se muestra el accionamiento o las poleas de retorno del transportador 20. No obstante, todos estos elementos son convencionales. El transportador 20 comprende simplemente medios para mantener las piezas de trabajo para suministrar las piezas de trabajo a través de la región 5 de plasma. Alternativamente, si la pieza de trabajo tiene la forma de una banda ésta es simplemente tensada sobre las poleas 21 y arrastrada a través de la región 5 de plasma. Una tubería 25 de alimentación de gas adecuada para la inyección de gas de tratamiento precursor se ilustra y está conectada a una fuente de gas de tratamiento precursor que no se muestra.

En funcionamiento, se alimenta un gas precursor adecuado más ligero que el aire tal como, por ejemplo, helio, que tiene una densidad relativa menor que la del aire ambiente a la temperatura y presión ambientales que prevalezcan, es decir menor que 1,0 como se ha definido anteriormente, dentro del alojamiento 2 de recinto a través de la tubería 25 de alimentación de gas. El gas más ligero que el aire ocupará inicialmente la parte superior del alojamiento 2 de recinto y llenará luego gradualmente el recinto a medida que se alimenta expulsando aire ambiente hasta que no hay aire ambiente en el alojamiento 2 de recinto o en cualquiera de los montajes 10 de boca de entrada u 11 de boca de salida. Las piezas de trabajo son colocadas sobre el transportador 20 y el transportador 20 es accionado para que lleve las piezas de trabajo a través de la región 5 de plasma y con el sistema de plasma funcionando, entonces el tratamiento de plasma necesario tendrá lugar en la región 5 de plasma.

En funcionamiento, a medida que el transportador 20 avanza a través del amortiguador 16 de la circulación de gas dentro de la abertura 12 del lugar de trabajo, el amortiguador 16 de la circulación de gas minimizará la entrada de aire ambiente en el sistema y por tanto garantizará que habrá poca o ninguna perturbación en el plasma. Además, el amortiguador de la circulación de gas garantizará que poca contaminación de aire ambiente es arrastrada o introducida en el alojamiento 2 de recinto. Generalmente, al salir la pieza de trabajo por la abertura 13 de boca, el amortiguador 16 de la circulación de gas impedirá la extracción de gas de tratamiento precursor a la atmósfera que la rodea. La realización de la figura 1 es una simple construcción del sistema de plasma de tratamiento atmosférico según la invención.

La figura 2 ilustra una construcción alternativa del sistema de APP, identificado de nuevo con el número 1 de referencia y las partes similares a las descritas con referencia al dibujo anterior, se identifican con los mismos números de referencia. En esta realización, el sistema 1 de APP está destinado a ser utilizado con gasas de tratamiento precursor cuya densidad relativa sea mayor que 1, es decir, su densidad es mayor que la del aire ambiente a la misma presión y temperatura. En esta realización, se proporciona un par de analizadores 30 de gas teniendo cada uno una sonda 31, una está situada en el montaje 10 de boca de entrada adyacente a la abertura 14 de recinto de pieza de trabajo y la otra en el montaje 11 de boca de salida adyacente a la abertura 13 de boca de pieza de trabajo. Ambos analizadores 30 de gas están conectados a un controlador 37 que a su vez está conectado al suministro de gas precursor. Cuando los analizadores 30 de gas indican que el montaje 10 de boca de entrada está siendo contaminado con aire ambiente adyacente a la abertura 14 de recinto de pieza de trabajo o que el montaje 11 de boca de salida está extrayendo demasiado gas de tratamiento precursor a través de la abertura 13 de boca de la pieza de trabajo, la circulación de gas precursor puede ser consecuentemente ajustada. Cuanto mayor sea la longitud L, es decir la distancia vertical entre la abertura de boca de pieza de trabajo y la abertura de recinto de pieza de trabajo, menor será la cantidad de contaminantes que entre. Los montajes de boca formarán lo que son en efecto trampas de gas.

Haciendo referencia a la figura 3, en ella se ilustra un sistema de APP más, identificado de nuevo en general con el número 1 de referencia y las partes similares a las descritas con referencia a los dibujos anteriores, se identifican con los mismos números de referencia. En esta realización, se proporciona un sensor 35 de la presión de gas que tiene sondas 36 y 38. El sensor 35 de la presión de gas está conectado a un controlador 37 que está conectado a su vez al suministro de gas precursor. La sonda 36 está dentro del alojamiento 2 de recinto y la sonda 38 está montada fuera del alojamiento 2 de recinto para detectar la presión ambiental.

En funcionamiento, el sensor 35 de presión de gas registra tanto la presión dentro del alojamiento 2 de recinto como la presión fuera del alojamiento 2 de recinto y suministra ambas señales al controlador 37, cuyo controlador 37 acciona el suministro de gas precursor para mantener la presión dentro del alojamiento 2 de recinto a una presión superior a la presión ambiental. Mientras sea mantenido el gas de tratamiento precursor a una presión elevada se garantizará la pérdida de una cierta cantidad de gas, este gas, no obstante, puede ser recogido en el montaje 10 de boca de entrada y el montaje 11 de boca de salida como se describirá más adelante. Puesto que la diferencia de presión es muy pequeña, se ha hallado que, en la práctica, se pierden menos de 10 litros por minuto de un gran sistema y, como se ha mencionado anteriormente, el gas puede ser recogido para ser reciclado. En esta particular realización, se muestra una mezcla de ordenaciones de electrodos horizontales y verticales, es decir, con regiones de plasma a través de las cuales la pieza de trabajo se desplaza en dirección horizontal o en dirección vertical. Tal tipo de configuración puede producir en cada región 5 de plasma, un plasma de presión atmosférica del tipo de descarga silenciosa o barrera dieléctrica o del tipo de Descarga Corona, o del tipo de Descarga Luminiscente, o cualquier otro tipo de sistema de plasma, dependiendo de varios parámetros bien conocidos tales como distancia de separación, frecuencia de activación y geometría de los electrodos.

Con referencia ahora a la figura 4, en ella se ilustra otra construcción del sistema de APP, indicada de nuevo en general con el número 1 de referencia. Esta realización ilustra una serie de electrodos 3 idénticos, dispuestos verticalmente, que definen regiones 5 de plasma efectivamente verticales y se tendrá en cuenta que un transportador 20 se mueve ahora hacia arriba y hacia abajo entre el electrodo 3 o, dependiendo de cómo se considere, hacia atrás y hacia delante entre los electrodos. Lo que debe tenerse en cuenta en esta realización es que la tubería 25 de alimentación de gas está montada ahora más baja que el alojamiento 2 de recinto. En esta realización, está montado un analizador 40 de gases que tiene una sonda 41 en la porción superior del alojamiento 2 de recinto remota de los dos montajes 10 y 11 de boca. Conectado al analizador 40 de gases hay un controlador 42 que a su vez está conectado a un ventilador 43 extractor.

Una carenadura 44 está montada alrededor de cada montaje 10 y 11 de boca y está conectada mediante un conducto 45 a un ventilador extractor 46 que a su vez está conectado a una tubería 47 de extracción. Los gases que son adyacentes a los dos montajes 10 y 11 de boca serán eliminados a través del carenado 44 mediante el ventilador 46 extractor para, si es necesario, ser reciclados. Esta realización es particularmente útil cuando el sistema de APP se hace funcionar a una presión mayor que la presión atmosférica. En muchos casos, el ventilador 46 no se requiere.

El analizador 40 de gases se usa para detectar la presencia de gases de escape que, en esta realización, se elevan hasta la parte superior del alojamiento 2 de recinto y son por tanto más ligeros que el gas de tratamiento precursor. Estos son entonces eliminados por el ventilador 46 extractor para ser descargados en la atmósfera o recogidos. Se apreciará que la tubería 47 de extracción puede ser conectada a un colector de gases que, cuando existe una ligera presión positiva en el recinto 2, se debe probablemente a gas de tratamiento precursor casi puro. Los gases de escape más pesados que el gas de tratamiento precursor son expulsados a través de los montajes 10 y 11 de boca.

Haciendo referencia ahora a la figura 5, en ella se ilustra todavía una construcción más de un sistema de APP, indicado de nuevo en general con el número 1 de referencia y las partes similares a las descritas con referencia a las realizaciones anteriores se identifican con los mismos números de referencia. En esta realización, se ha de tener en cuenta que el montaje 10 de boca de entrada y el montaje de boca de salida no se forman a partir de un alojamiento alargado cerrado sino que la abertura de pieza de trabajo y la abertura de recinto de pieza de trabajo son coincidentes. Se ha de tener en cuenta que en esta realización, las regiones 5 de plasma son efectivamente horizontales y la pieza de trabajo pasa hacia atrás y hacia delante entre los electrodos. Esta realización se usará solamente para gases de tratamiento precursores cuya densidad relativa sea mayor que la del aire ambiente.

Haciendo referencia a la figura 6, en ella se ilustra una construcción más todavía de un sistema de APP, identificado de nuevo con el número 1. Los electrodos 3 se montan sobre un par de miembros dieléctricos en forma de U de material dieléctrico, es decir, un miembro 50 dieléctrico en forma de U exterior y un miembro 51 en forma de U interior. Se ha de tener en cuenta que el miembro 51 en forma de U interior se aloja dentro del miembro 50 en forma de U exterior para formar la región de plasma, identificada de nuevo con el número 5 de referencia, entre ambos. El miembro en forma de U exterior es portador de electrodos 3 y la superficie interior del miembro 51 en forma de U interior es portadora de otro electrodo 3. Se apreciará que el miembro 50 de electrodo exterior es un miembro encerrado, en otras palabras, los extremos de la forma de U están cerrados para formar la porción exterior de un alojamiento de recinto, como en esta realización.

Haciendo referencia ahora a las figuras 7 a 12 inclusive, en ellas se ilustra la porción de un sistema de APP usado para la manipulación de fibra o hilo continuo, denominado en adelante "hilo", en un sistema. El sistema comprende un sistema de manipulación de fibra de múltiples pasos. En la figura 7 se ilustra esta construcción de sistema de APP, indicada de nuevo en general con el número 1 de referencia. En este sistema de APP, se proporciona un alojamiento de recinto formado por cajas 63 de electrodos montadas en un bastidor 60 de soporte de sistema alojadas dentro de un bastidor 61 más, cubiertas por paneles 62 de malla metálica que forman una jaula de Faraday. Los paneles 62 de malla metálica están conectados a tierra para completar la jaula de Faraday.

Haciendo referencia ahora a la figura 9, en ella se ilustra un par de electrodos que contienen cajas 63 que forman parte del alojamiento de recinto. Una tira 64 de obturación obtura los lados de ambas cajas de electrodos juntas y una tapa 65 de contención de gas completa otra pared del alojamiento de recinto. La tapa 65 de contención de gas incluye una tubería 66 de inyección de gas. Se proporciona un bastidor de soporte de hilo, indicado en general con el número 70 de referencia, que comprende un bastidor abierto 71 en el que están montadas las poleas 72 opuestas. El bastidor 70 de soporte de hilo incluye una base 73 que constituye eficazmente la base de alojamiento de recinto y tiene un orificio que forma un montaje 75 de boca de entrada de hilo y un orificio que forma una boca de salida de hilo. La porción exterior de cada caja 63 de electrodos es de material dieléctrico y alojará un electrodo, identificado de nuevo con el número 3 de referencia, como puede verse en la figura 10.

Se apreciará que el hilo puede ser alimentado hacia atrás y hacia delante por medio de las poleas que proporcionan una longitud de trayectoria y tiempo de residencia incrementados dentro de la región de plasma.

Se apreciará que la presente invención tiene ciertas ventajas sobre la técnica anterior porque el alto coste implicado en la utilización de grandes cantidades de gases caros se elimina en una gran parte. Además, la salud y la seguridad pueden ser mejoradas, junto con una reducción en la polución atmosférica. La presente invención proporciona un sistema más eficiente porque los problemas de repetibilidad debidos a la contaminación de otros gases en la región de plasma se reducen enormemente. Cualquier cosa que pueda hacerse para reducir el arrastre de gas dentro o fuera del alojamiento 2 de recinto será ventajosa. Por tanto, como ya se ha mencionado, las obturaciones de labios, obturaciones de cepillos, rodillos opuestos, cortinas de seguridad, y similares pueden ser usados.

Se apreciará que la geometría de electrodos no está limitada a la geometría de placas paralelas opuestas sino que comprende prácticamente cualquier geometría, incluyendo electrodos no planos tridimensionales, por ejemplo, electrodos de puntas, es decir, de ordenaciones de agujas, electrodos de alambre, electrodos cilíndricos, y similares. Se considera que una configuración tal como la usada para el gas helio proporciona un procedimiento de activación de superficies que puede ser aplicado a muchos materiales incluyendo, plásticos, polímeros, inorgánicos y metálicos.

En una realización, el helio como un gas de tratamiento precursor, puede ser proporcionado con un suministro de radiofrecuencia comprendida entre 50 y 80 kHz, alimentada mediante un transformador de RF adecuado que genere de 2 a 6 kV y que use alrededor de 1 kW de potencia. Éste activa satisfactoriamente una banda textil poliolefínica, medida la capacidad de conformación y la adherencia después del enlace. Se halló que cuando se extendía de acuerdo con la presente invención se requería menos del 5% de la cantidad de helio requerida en ausencia de la contención de gases según la presente invención. De modo similar, puede ser usado gas argón con sustancialmente la misma relación de potencia y radiofrecuencia.

Han sido usados otros diversos sistemas según la presente invención en los que el gas de tratamiento precursor contenía una mezcla que comprendía argón, junto con un gas de hidrocarburo halogenado que contenía flúor tal como C_{2}F_{6}, CF_{4} o CHF_{3}. Éste ha sido usado para depositar un revestimiento de hidrocarburo fluorado de conformación sobre cualquier banda o pieza de trabajo que pase a través del plasma. De modo similar, una mezcla de gases que comprende argón y vapores de siloxano deposita un revestimiento de conformación de SiO_{x} sobre cualquier banda o pieza de trabajo que pase a través del plasma. Un sistema potenciado con una corriente de CA de alrededor de 5 a 100 Hz y usado con gas argón moviliza el polvo fino colocado en la región de plasma e impregna material poroso situado en la misma región con ese polvo.

Se considera que la presente invención se dirige en particular a la activación y revestimiento de plasma y a la deposición de una fina película y también al grabado químico y la limpieza de contaminación de cualquier superficie.

En la memoria descriptiva los términos "comprenden, comprende, comprendido y comprendiendo" o cualquier variación de estos y los términos "incluyen, incluye, incluido e incluyendo" o cualquier variación de ellos son considerados totalmente intercambiables y se les debe dar la interpretación más amplia posible.

La invención no está limitada a las realizaciones descritas anteriormente pues pueden ser variadas tanto en la construcción como en los detalles dentro del alcance de las reivindicaciones.

Claims (23)

1. Un sistema (1) de plasma de tratamiento atmosférico (APP) del tipo de equilibrio no térmico que comprende:

electrodos (3) que forman una región de plasma montada en un alojamiento (2) de recinto hermético a gases que tiene un montaje (10) de boca de entrada y un montaje (11) de boca de salida abiertos a la atmósfera, un gas de tratamiento precursor de aire no ambiente que tiene una densidad relativa mayor o menor que el aire ambiente a la misma presión y temperatura y medios (20) para mover piezas de trabajo entre los electrodos (3) desde el montaje (10) de boca de entrada hasta el montaje (11) de boca de salida, caracterizado porque cada boca (10, 11) de montaje comprende un alojamiento cerrado alargado que tiene una abertura (12, 13) de boca de pieza de trabajo que conecta el alojamiento con el exterior del alojamiento (2) de recinto y una abertura (14, 15) de recinto de pieza de trabajo espaciada verticalmente que conecta el alojamiento con el alojamiento (2) de recinto y en el que la abertura (14, 15) de recinto de pieza de trabajo está debajo de la abertura (12, 13) de boca de pieza de trabajo y está colocada en el alojamiento (2) de recinto por encima de la región (5) de plasma para un gas de tratamiento precursor con una densidad relativa mayor que la del aire ambiente y por debajo de la región (5) de plasma y por encima de la abertura (14, 15) de recinto de pieza de trabajo para un gas con una densidad relativa menor que la del aire ambiente.

2. Un sistema (1) de plasma de tratamiento atmosférico (APP) según la reivindicación 1, en el que un analizador (30) de gases está montado en el montaje (10) de boca de entrada.

3. Un sistema (1) de plasma de tratamiento atmosférico (APP) según las reivindicaciones 1 ó 2, en el que un analizador (30) de gases está situado adyacente a la abertura (14, 15) de recinto de pieza de trabajo.

4. Un sistema (1) de plasma de tratamiento atmosférico (APP) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que un analizador (30) de gases está montado en la boca (11) de salida.

5. Un sistema (1) de plasma de tratamiento atmosférico (APP) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes en el que un analizador (30) de gases está montado adyacente a la abertura (12, 13) de boca de pieza de trabajo.

6. Un sistema (1) de plasma de tratamiento atmosférico (APP) según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, en el que el analizador (30) de gases está conectado a unos medios (37) de control para la introducción de gas de tratamiento precursor en la cantidad de gas de tratamiento precursor detectada por el analizador (30) que cae por debajo de un nivel predeterminado.

7. Un sistema (1) de plasma de tratamiento atmosférico (APP) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el gas de tratamiento precursor se mantiene a una presión positiva por encima de la presión ambiente fuera del alojamiento (2) de recinto.

8. Un sistema (1) de plasma de tratamiento atmosférico (APP) según la reivindicación 7, en el que la presión positiva del gas de tratamiento precursor es menor que el 10% de la ambiente.

9. Un sistema (1) de plasma de tratamiento atmosférico (APP) según la reivindicación 8, en el que la presión positiva del gas de tratamiento precursor es del orden del 1% de la ambiente.

10. Un sistema (1) de plasma de tratamiento atmosférico (APP) según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, en el que se proporcionan medios (37) de control mediante los cuales la presión positiva se mantiene mediante la introducción de gas de tratamiento precursor cuando la presión dentro del alojamiento (2) de recinto desciende por debajo de un nivel mínimo predeterminado.

11. Un sistema (1) de plasma de tratamiento atmosférico (APP) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que se proporcionan medios (25) para introducir de modo continuo gas de tratamiento precursor en el alojamiento (2) de recinto.

12. Un sistema (1) de plasma de tratamiento atmosférico (APP) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que se proporcionan medios (43) para la recogida y retirada de gases adyacentes al exterior de cada montaje (10, 11) de boca donde una pieza de trabajo entra o sale del montaje (10, 11) de boca.

13. Un sistema (1) de plasma de tratamiento atmosférico (APP) según la reivindicación 12, en el que los medios para recoger y retirar los gases comprenden un carenado (44) que rodea los montajes de boca y un ventilador (46) de extracción asociado con éste.

14. Un sistema (1) de plasma de tratamiento atmosférico (APP) según la reivindicación 13, en el que el carenado (44) comprende una boca de recepción de gas abierta adyacente a la abertura (12) de boca de pieza de trabajo.

15. Un sistema (1) de plasma de tratamiento atmosférico (APP) según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que se proporciona una ventilación en el recinto en el lado del recinto opuesto a los montajes (10, 11) de boca para la recogida de gases de escape que tengan una densidad relativa con respecto a los gases precursores de tratamiento por lo que estos son atrapados en el alojamiento (2) de recinto.

16. Un sistema (1) de plasma de tratamiento atmosférico (APP) según la reivindicación 15, en el que un sensor (40) de gases de escape está montado en el alojamiento (2) de recinto adyacente a la ventilación de gases de escape.

17. Un sistema (1) de plasma de tratamiento atmosférico (APP) según la reivindicación 16, en el que medios (42) de control están conectados al sensor (40) de gases de escape y a la ventilación de gases de escape para el funcionamiento de la ventilación de gases de escape cuando el nivel de los gases de escape en el alojamiento (2) de recinto exceda un nivel predeterminado.

18. Un sistema (1) de plasma de tratamiento atmosférico (APP) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que están montados amortiguadores (18) de la circulación de gas en cada montaje de boca.

19. Un sistema (1) de plasma de tratamiento atmosférico (APP) según la reivindicación 18, en el que los amortiguadores de la circulación de gas comprenden uno o más de:

cierres labiales; cierres de cepillo; cierres de cortina; y rodillos opuestos.

20. Un sistema (1) de plasma de tratamiento atmosférico (APP) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que los electrodos (3) son electrodos sustancialmente planos.

21. Un sistema (1) de plasma de tratamiento atmosférico (APP) según la reivindicación 20, en el que hay una pluralidad de electrodos (3) dispuestos espalda con espalda y en el que los medios para mover las piezas de trabajo entre los electrodos comprenden un transportador (20) que se mueve hacia atrás y hacia delante secuencialmente entre los electrodos (3).

22. Un sistema (1) de plasma de tratamiento atmosférico (APP) según la reivindicación 20, en el que la pieza de trabajo es un hilo sinfín y los medios para mover la pieza de trabajo comprenden un miembro (71) de bastidor abierto para ser montado entre los electrodos (3), siendo portador al miembro de bastidor de una pluralidad de poleas (72) de soporte de hilo en lados opuestos del miembro (71) de bastidor y un mecanismo de extracción de hilo.

23. Un sistema (1) de plasma de tratamiento atmosférico (APP) según cualquiera de las reivindicaciones 20 a 22, en el que los electrodos (3) comprenden un par de miembros (50, 51) en forma de U de material dieléctrico alojados uno en el interior de otro para definir la región (5) de plasma entre ellos que transportan un electrodo (3) sobre la superficie exterior del exterior de los dos miembros (50) y que transportan un electrodo correspondiente sobre la superficie interior del otro miembro (51).