JP4508061B2

JP4508061B2 - マイクロプラズマジェット発生装置

Info

Publication number: JP4508061B2
Application number: JP2005281983A
Authority: JP
Inventors: 正史松森; 茂樹中塚; 隆範一木
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-09-28
Filing date: 2005-09-28
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2025-09-28
Also published as: JP2007095448A

Description

本発明は、マイクロプラズマジェット発生装置に関し、特に基板上に配設されたマイクロアンテナにＶＨＦ帯の高周波を供給し、マイクロアンテナの近傍に配設された放電管にガスを導入することで、大気圧下でマイクロ誘導結合プラズマジェットを生成するマイクロプラズマジェット発生装置に関するものである。

従来、真空プラズマ発生装置や大気圧プラズマ発生装置は装置が大型であるため、ロボットに搭載して稼動させるような装置に適用することは不可能であったが、近年、大気圧下でマイクロ誘導結合プラズマジェットを生成する小型のマイクロプラズマジェット発生装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

このマイクロプラズマジェット発生装置は、図５（ａ）に示すように、基板２１と、基板２１上に配設されたマイクロアンテナ２２と、マイクロアンテナ２２の近傍に配設された放電管２３とを備えたプラズマチップ２０を用い、ＶＨＦ帯の高周波電源（図示せず）からマイクロアンテナ２２に対して反射波を調整する高周波を供給するとともに、図５（ｂ）に示すように、ガス供給管２４から放電管２３にガスを導入することによって、大気圧にて小電力で微小空間に良好に安定したマイクロプラズマジェットＰを生成させることができるものである。また、マイクロプラズマジェットＰの発生状態は、プラズマジェットＰの発光強度を光ファイバー２５を介して分光器（図示せず）にて測定することで検出でき、その検出結果に応じて高周波電源の出力調整を行うことができる。
特許第３６１６０８８号明細書

ところで、上記特許文献１に記載されたマイクロアンテナ２２においては、図６に示すように、その両端の端子２６ａ、２６ｂがマイクロアンテナ２２の波形状の進行方向の中心線に対して同じ側方に配設され、これらの端子２６ａ、２６ｂに接続された配線２７ａ、２７ｂを介してマイクロアンテナ２２に高周波を供給するように構成されているが、配線２７ａ、２７ｂの幅寸法Ｌが小さいと、配線２７ａ、２７ｂの発熱が激しく、発熱によって配線が早期に劣化するという問題があり、最悪の場合には配線が焼損するという問題がある。

そこで、図７に示すように、配線２７ａ、２７ｂの幅寸法Ｌを大きく設定して劣化を抑えようとすると、配線２７ａ、２７ｂ間の最短距離Ｄが小さくならざるを得ず、ＶＨＦ帯の周波数における配線２７ａ、２７ｂ間の漏れ容量が大きくなり、マイクロアンテナ２２に入力される高周波信号が減衰してしまい、プラズマを発生させるマイクロアンテナ２２への入力エネルギーが低下してプラズマのパワーが落ちるという問題がある。

また、基板２１に整合回路を搭載する場合に、チップコンデンサや可変コンデンサ等のリアクタンス素子の端子をマイクロアンテナ２２の端子２６ａ、２６ｂに接続すると、小型化を達成できて好適であるが、マイクロアンテナ２２及び端子２６ａ、２６ｂの幅は数ｍｍの大きさであり、またリアクタンス素子の大きさは、ＶＨＦ高周波の電圧が数百Ｖになることから、最も小さくても１０ｍｍの幅を有するので、図８に示すように、リアクタンス素子２８、２９間の距離Ｄが小さくなり、上記幅寸法の大きな配線２７ａ、２７ｂの場合と同様に漏れ容量が大きくなって、マイクロアンテナ２２にエネルギーが入力せず、プラズマのパワーが落ちるという問題がある。

本発明は、上記従来の問題に鑑み、マイクロアンテナの端子に、幅寸法の大きな配線や整合回路のリアクタンス素子などの部品を、漏れ容量が小さい状態で接続することができ、マイクロアンテナに効率的にエネルギーを入力することができるマイクロプラズマジェット発生装置を提供することを目的とする。

本発明のマイクロプラズマジェット発生装置は、ＶＨＦ帯の高周波電源により駆動されてマイクロ誘導結合プラズマジェットを生成するマイクロプラズマジェット発生装置において、基板と、前記基板上に配設された複数巻の波状形態のマイクロアンテナと、前記マイクロアンテナの近傍に配設された放電管とを備え、前記マイクロアンテナは、自身に高周波を供給するための配線もしくは整合回路のリアクタンス素子を接続するための端子をその両端に有し、前記両端の端子の一方の端子と他方の端子が前記マイクロアンテナの波形状の進行方向の中心線に対して互いに反対側に配置された形状としたものである。

以上の構成によれば、基板と、基板上に配設された複数巻の波状形態のマイクロアンテナと、マイクロアンテナの近傍に配設された放電管とを備え、マイクロアンテナは、自身に高周波を供給するための配線もしくは整合回路のリアクタンス素子を接続するための端子をその両端に有し、両端の端子の一方の端子と他方の端子がマイクロアンテナの波形状の進行方向の中心線に対して互いに反対側に配置された形状としたので、これらの端子に接続する配線の幅を大きくしても、また整合回路のリアクタンス素子を接続しても、それらの間の漏れ容量を小さくでき、配線の幅を小さくすることで漏れ容量を小さくした場合のように発熱によって早期に劣化するというような恐れのない状態で、マイクロアンテナに効率的にエネルギーを入力することができ、マイクロアンテナに入力されるパワーを大きくすることができる。そのため、使用する電源の入力パワーが同じ場合でも従来に比較して放電管に発生するプラズマ密度を大きくすることができ、加工や表面処理の能力を大幅に向上させることができる。また、放電管に発生するプラズマのパワーを同じにする場合は、使用する高周波電源の入力パワーを少なくすることができる。

また、放電管とマイクロアンテナの一方の端子に接続された配線又はリアクタンス素子を略平行に配置すると、放電管との干渉及び放電管の内部における現象に対する影響を抑制できて好適である。

また、マイクロアンテナの一方の端子に接続された配線の方向と、他方の端子に接続された配線の方向を略直角にすると、両端子に接続された配線を流れる電流による影響が相殺されるので好適である。

また、マイクロアンテナの一方の端子に接続したリアクタンス素子と他方の端子に接続したリアクタンス素子を略直角方向に配置すると、両端子に接続された素子による影響が相殺されるので好適である。

本発明のマイクロプラズマジェット発生装置によれば、基板と、基板上に配設された複数巻の波状形態のマイクロアンテナと、マイクロアンテナの近傍に配設された放電管とを備え、マイクロアンテナは、自身に高周波を供給するための配線もしくは整合回路のリアクタンス素子を接続するための端子をその両端に有し、両端の端子の一方の端子と他方の端子がマイクロアンテナの波形状の進行方向の中心線に対して互いに反対側に配置された形状としているので、これらの端子に接続する配線の幅を大きくしても、またリアクタンス素子を接続しても、それらの間の漏れ容量を小さくでき、配線の幅を小さくすることで漏れ容量を小さくする場合のように発熱によって早期に劣化するというような恐れのない状態で、マイクロアンテナに効率的にエネルギーを入力することができ、マイクロアンテナに入力されるパワーを大きくすることができる。

以下、本発明のマイクロプラズマジェット発生装置の一実施形態について、図１〜図４を参照しながら説明する。

本実施形態のマイクロプラズマジェット発生装置１においては、図１に示すように、アルミナ製の基板２上に複数巻きの波状形態のマイクロアンテナ３を形成し、このマイクロアンテナ３の近傍に放電管４を配設している。基板２は、図示例では、上面にマイクロアンテナ３を配設し、下面に放電管４を形成する溝を形成した上部基板２ｕと上部基板２ｕの下面に貼り合わせた下部基板２ｄにて構成されている。また、マイクロアンテナ３は、マイクロプラズマジェットが噴出する放電管４の一端開口が臨む基板２の一側辺２ａに近接して配設されている。

波状形態に形成されたマイクロアンテナ３の両端の端子５ａ、５ｂは、図２に示すように、その波形状の進行方向の中心線Ｏに対して互いに反対側に配置されている。これらの端子５ａ、５ｂに接続した配線６ａ、６ｂを通して整合回路（図示せず）等を介して高周波電源（図示せず）からマイクロアンテナ３にＶＨＦ帯の高周波を入力するように構成されている。ＶＨＦ帯としては、６０〜５００ＭＨｚ程度の周波数を入力する。

図２の例では、配線６ａは基板２の一側縁５ａに平行に延出するように配設し、配線６ｂは、従来例の図６、図７に準じて配線６ａの延出方向に向けて傾斜して配設した例を示したが、図３に示すように、配線６ｂを放電管４と平行に、配線６ａに対して直角方向に延出するように配設することもできる。このように、配線６ｂを放電管４と平行に配設することで放電管４との干渉及び放電管４の内部における現象に対する影響を抑制でき、また配線６ａと６ｂを互いに直角方向に配設すると、これらの配線６ａと６ｂを流れる電流によりマイクロアンテナ３が受ける影響が相殺されるので好適である。

また、図２、図３の例では、端子５ａ、５ｂに配線６ａ、６ｂを接続した例を示したが、図４に示すように、マイクロアンテナ３に高周波を供給する高周波電源とマイクロアンテナ３との間に介装される整合回路などのリアクタンス素子７、８の端子を端子５ａ、５ｂに直接接続しても良い。また、この場合もリアクタンス素子７を基板２の一側縁２ａに沿って配設し、リアクタンス素子８を放電管４と平行に配設し、これらのリアクタンス素子７、８を略直角方向に配置するのが好適である。すなわち、リアクタンス素子８を放電管４と平行に配設することで放電管４との干渉及び放電管４の内部における現象に対する影響を抑制でき、またリアクタンス素子７、８を互いに直角方向に配設すると、これらに流れる電流によりマイクロアンテナ３が受ける影響が相殺されるので好適である。

上記実施形態では、マイクロアンテナ３の両端子５ａ、５ｂを波形状の進行方向の中心線に対して反対側に配置した例を示したが、一方の端子５ａは基板２の一側縁２ａに沿わせてその近傍に配置し、他方の端子５ｂは波形状の中心線の延長上に配置したり、延長位置から斜めに傾斜させて配置したりすることで、マイクロアンテナの一方の端子と他方の端子の間の距離を、その間の漏れ容量Ｃが、Ｌをマイクロアンテナのインピーダンス、ｆを高周波電源の周波数として、１／（２πｆＣ）の大きさが２πｆＬの５倍以上、好適には１０倍以上になるように構成しても良い。

次に、実施例について説明する。

図１に示した本発明のマイクロプラズマジェット発生装置１と、図６、図７に示した従来例のプラズマチップ２０について、プラズマを発生する条件を、ＶＨＦ帯の高周波電源の電力を変更して試験した。高周波電源の周波数は１００ＭＨｚとし、放電管４、２３に導入するガスはアルゴンで、流量は０．５ｓｌｍとした。

従来例の配線２７ａ、２７ｂ間の距離Ｄを２ｍｍとした例では、プラズマが発生する最小の電力は３２Ｗであった。また、配線２７ａ、２７ｂの幅寸法Ｌを小さくして距離Ｄを２ｍｍとした例では、プラズマが発生する最小の電力は１９Ｗとなった。これに対して、本発明の例では、図２に示すように、マイクロアンテナ３が中間に介在しているので、距離Ｄについて同等の測定はできないが、プラズマが発生した最小の電力は８Ｗとなり、従来の略半分の電力でプラズマの着火が可能になった。

また、同じ条件（ＶＨＦ周波数：１００ＭＨｚ、アルゴンガス流量：０．５ｓｌｍ）で、プラズマの発光強度の測定を行った。なお、測定に使用した発光強度計は、浜松ホトニクス社製、「プラズマモニターＰＭＡ−１１」である。測定結果は、従来例及び本発明の高周波電源の電力を５０Ｗとしたとき、従来例は、４２０００（ａｒｂ．ｕｎｉｔ）、本発明は６００００（ａｒｂ．ｕｎｉｔ）であった。

以上のマイクロプラズマジェット発生装置は、化学・生化学の分野における各種分析装置に適用できるとともに、特にガスクロマトグラフィーやマイクロキャピラリ電気泳動による極微量物質の高速分離と、レーザー誘起蛍光検出や微小電極を用いた電気化学計測や誘導結合プラズマ発光分光分析（ＩＣＰ−ＯＥＳ：Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectroscopy）やＩＣＰ質量分析を結合させたマイクロ化学分析システム（μＴＡＳ：Micro Total Analysis System ）などに好適に適用できる。また、小電力で大きな出力が得られるので、特にマイクロデバイスに用いられるマイクロチップ等の被加工物の局所部位の溶断、エッチング、薄膜堆積、洗浄、親水化処理や撥水化処理などの加工・表面処理や、有害物質の高温処理などの様々な分野で利用することができる。

本発明のマイクロプラズマジェット発生装置によれば、基板と、基板上に配設された複数巻の波状形態のマイクロアンテナと、マイクロアンテナの近傍に配設された放電管とを備え、マイクロアンテナは、自身に高周波を供給するための配線もしくは整合回路のリアクタンス素子を接続するための端子をその両端に有し、両端の端子の一方の端子と他方の端子がマイクロアンテナの波形状の進行方向の中心線に対して互いに反対側に配置された形状としているので、これらの端子に接続する配線の幅を大きくしても、またリアクタンス素子を接続しても、それらの間の漏れ容量を小さくでき、マイクロアンテナに効率的にエネルギーを入力でき、マイクロプラズマジェットを適用するマイクロ化学分析システムや各種加工や表面処理などに有効に利用することができる。

本発明のマイクロプラズマジェット発生装置の一実施形態の要部構成を示す斜視図。同実施形態のマイクロアンテナと配線の関係の一例を示す平面図。同実施形態のマイクロアンテナと配線の関係の他の例を示す平面図。同実施形態のマイクロアンテナと素子の関係の一例を示す平面図。従来例のマイクロプラズマジェット発生装置を示し、（ａ）は要部構成を示す斜視図、（ｂ）はプラズマの発光強度の測定状態を示す斜視図。同従来例のマイクロアンテナと配線の関係の一例を示す平面図。同従来例のマイクロアンテナと配線の関係の他の例を示す平面図。同従来例のマイクロアンテナと素子の関係の一例を示す平面図。

符号の説明

１マイクロプラズマジェット発生装置
２基板
３マイクロアンテナ
４放電管
５ａ、５ｂ端子
６ａ、６ｂ配線
７、８リアクタンス素子

Claims

ＶＨＦ帯の高周波電源により駆動されてマイクロ誘導結合プラズマジェットを生成するマイクロプラズマジェット発生装置において、
基板と、前記基板上に配設された複数巻の波状形態のマイクロアンテナと、前記マイクロアンテナの近傍に配設された放電管とを備え、
前記マイクロアンテナは、自身に高周波を供給するための配線もしくは整合回路のリアクタンス素子を接続するための端子をその両端に有し、前記両端の端子の一方の端子と他方の端子が前記マイクロアンテナの波形状の進行方向の中心線に対して互いに反対側に配置された形状としたことを特徴とするマイクロプラズマジェット発生装置。
前記放電管と前記マイクロアンテナの一方の端子に接続された配線又はリアクタンス素子を略平行に配置したことを特徴とする請求項１記載のマイクロプラズマジェット発生装置。
前記マイクロアンテナの一方の端子に接続された配線の方向と、他方の端子に接続された配線の方向を略直角にしたことを特徴とする請求項１又は２記載のマイクロプラズマジェット発生装置。
前記マイクロアンテナの一方の端子に接続したリアクタンス素子と他方の端子に接続したリアクタンス素子を略直角方向に配置したことを特徴とする請求項１又は２記載のマイクロプラズマジェット発生装置。