WO2018167163A1 - Vorrichtung zur erzeugung eines nicht-thermischen atmosphärendruck-plasmas und verfahren zur frequenzregelung eines piezoelektrischen transformators - Google Patents

Vorrichtung zur erzeugung eines nicht-thermischen atmosphärendruck-plasmas und verfahren zur frequenzregelung eines piezoelektrischen transformators Download PDF

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voltage
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Michael WEILGUNI
Stefan Nettesheim
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Relyon Plasma GmbH
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    • H05H1/24—Generating plasma
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    • H05H1/2481—Generating plasma using acoustic pressure discharges the plasma being activated using piezoelectric actuators

Definitions

  • the invention relates to a device for generating a non-thermal atmospheric pressure plasma and a
  • Rosen type transformers can be used to generate
  • Plasma can be used. In plasma generation, the maximum efficiency is achieved when the piezoelectric
  • Transformer is driven at a frequency corresponding to the series resonant frequency of the transformer.
  • the series resonance frequency is not constant, but depends on various parameters. Is at one
  • the process gas used or the temperature of the transformer affect the series resonant frequency. Furthermore, also applied to the transformer
  • the piezoelectric transformer is designed to ignite a plasma, the voltage on the output side of the transformer can not be tapped, so as to bring about maximization of the output voltage.
  • the voltage could be tapped either by means of a rigid solder connection, which is applied to the output side, or by means of a conductive rubber, which is pressed against the output side. The tapping of the
  • Output voltage would attenuate a vibration of the transformer and thus reduce the high voltage. In addition, it would lead to the risk of plasma ignition at the tap line.
  • Object of the present invention is therefore, a
  • the object of the invention is to provide an improved method for frequency control of a piezoelectric transformer.
  • the objects are achieved by the subject matters of the independent claims.
  • a device for producing a non-thermal atmospheric pressure plasma comprising a piezoelectric transformer, a drive circuit and a field probe.
  • the drive circuit is designed to apply an AC voltage having a drive frequency as an input voltage to the piezoelectric transformer.
  • the field probe is designed to a
  • the device makes use of the high electric field strengths generated in the vicinity of the output region of the piezoelectric transformer.
  • Field strength can be made without dampening a vibration of the piezoelectric transformer.
  • the signal measured by the field probe can be proportional to the voltage in the output range of the
  • piezoelectric transformer is generated. On a complex input side impedance and / or phase measurement can thus be dispensed with. As a result, a circuit for frequency control of the transformer can be simplified.
  • a frequency adjustment can be applied by measuring the electric field strength independently of the input voltage waveform. For example, it is not necessary for the input voltage to be a sinusoidal signal. Rather, the
  • Input voltage be every periodic signal
  • the input voltage may be a square wave or a triangular wave.
  • the field probe can be arranged in close proximity to the piezoelectric transformer.
  • the distance between the first piezoelectric transformer and the field probe be less than 5 cm.
  • the distance between the first piezoelectric transformer and the field probe be less than 5 cm.
  • piezoelectric transformer and the field probe be less than 1 cm. There may be a gap between the field probe and the piezoelectric transformer.
  • the field probe can be formed by a metal surface, wherein an alternating electric field generated by the piezoelectric transformer has an alternating voltage in the
  • the device may comprise a measuring unit which is designed to measure this voltage and to deduce it from the field strength.
  • the piezoelectric transformer may have an input region to which the input voltage can be applied.
  • the piezoelectric transformer may have an output region in which a high voltage is generated when the input voltage is applied to the input region, a plasma being ignited by the high voltage.
  • the transformer may be a rose type
  • the transformer can be from a
  • the generated high voltage can cause excitation or ionization of molecules or atoms of the process gas.
  • radicals can be formed from the components of the process gas.
  • ambient air in particular OH radicals, nitrogen oxides and ozone are generated in the plasma.
  • the distance between the field probe and the exit region may be between 0.1 mm and 1 cm.
  • the gap may be filled with the process gas. Because the field probe near the
  • Output range is arranged, it can be ensured that the electric field measured by the field probe a
  • the field probe may be connected to a measuring unit configured to provide a peak of the electric field strength and / or an average of the electrical
  • the drive circuit may include a regulator configured to operate
  • the measuring unit and the drive circuit may be formed on a single circuit board.
  • the measuring unit and the driving circuit can be formed by a single microchip.
  • the field probe can be integrated in a printed circuit board.
  • the circuit board may be a non-conductive substrate
  • the non-conductive material of the circuit board can be used for insulation between the field probe and the
  • the field probe can be avoided.
  • the field probe may be disposed either on an underside of the circuit board facing away from the piezoelectric transformer or in an inner layer of a multilayer circuit board.
  • the circuit board may include a metal coating disposed on a side of the circuit board facing away from the piezoelectric transformer.
  • Metal coating can be a copper coating.
  • the metal coating can form a probe surface. Through an alternating electric field generated by the piezoelectric transformer, a voltage can be induced in the probe surface.
  • the probe surface can with the Measuring unit to be connected, wherein the measuring unit is configured to measure the induced voltage in the probe surface.
  • the metal coating may further include a
  • Form mass surface which is connected to a reference potential, in particular the mass.
  • the printed circuit board can be multi-layered, wherein the field probe can be formed by an inner layer of the printed circuit board.
  • the inner layer may be a layer which is arranged between two layers of a non-conductive carrier material. Due to the formation of the field probe by an inner layer, a particularly high spatial resolution of
  • the alternating voltage may have a triangular signal or a rectangular signal. Signals of this kind are particularly easy to generate and enable
  • Phase information must be used, it may be the AC voltage to any periodic signal. In particular, it is not necessarily required that the AC voltage is a sinusoidal signal.
  • the drive circuit may be configured to be at
  • control circuit can be designed to operate at fixed intervals during ongoing operation of the device, taking into account the measurement results of the device Field probe to make a correction of the drive frequency, wherein the drive frequency is again adjusted so that the field strength is maximized.
  • Control frequency is always adjusted to the optimum operating frequency.
  • the device can serve to generate excited molecules, ions or radicals.
  • the device can for
  • the present invention relates
  • piezoelectric transformer This may be the transformer described above. Accordingly, any functional or structural feature that may exist in the
  • the method comprises the following steps:
  • An advantage of the method is the low inertia of a control algorithm that regulates the frequency with which the transformer is operated. If a coil current were used instead of the controlled variable, the inertia of the
  • the steps can be carried out in the order given here.
  • the method can thus enable the frequency of the piezoelectric transformer always to its
  • the method enables a regulation of the
  • the method may be performed without attenuating vibration of the piezoelectric transformer.
  • the method can be used with a rather simple drive circuit
  • the drive frequency can be increased from the initial drive frequency fo gradually by a step width Afi or
  • stepwise adjustment can be carried out first with large step sizes and then with progressively smaller step sizes.
  • the piezoelectric transformer whose frequency is controlled by the above-described method can be used for
  • Production of a non-thermal atmospheric pressure plasma can be used.
  • the plasma can be used to generate excited molecules, ions or radicals.
  • the plasma can be used for
  • the field probe may be embedded in a breakdown-resistant insulator.
  • the impact-resistant insulator may in particular be designed to prevent a breakdown between the transformer and the field probe.
  • the piezoelectric transformer be connected piezoelectric transformer.
  • Cohesive connection for example, a
  • the present invention is based on the
  • Figure 1 shows a piezoelectric transformer in a perspective view.
  • Figure 2 shows a diagram in which the impedance curve and the curve of the output voltage of the piezoelectric
  • Figure 3 shows schematically a device for producing a non-thermal atmospheric pressure plasma.
  • FIG. 4 shows a field probe.
  • FIG. 5 shows a printed circuit board in which a field probe is integrated, in a cross section.
  • FIG. 6 shows the underside of that shown in FIG.
  • FIG. 7 shows an equivalent circuit diagram
  • FIG. 1 shows a piezoelectric transformer 1 in a perspective view.
  • Transformer 1 can be used in particular in a plasma generator for generating non-thermal atmospheric pressure plasma.
  • a piezoelectric transformer 1 is a type of resonance transformer based on piezoelectricity, unlike the conventional magnetic ones
  • the piezoelectric transformer 1 is, for example, a
  • the piezoelectric transformer 1 has a
  • Entrance area 2 Entrance area 2 and an exit area 3, wherein the exit area 3 in a longitudinal direction z to the
  • the piezoelectric transformer 1 has electrodes 4, to which an alternating voltage can be applied.
  • the electrodes 4 extend in the longitudinal direction z of the piezoelectric transformer 1.
  • the electrodes 4 are in one
  • Stacking direction x which is perpendicular to the longitudinal direction z, stacked alternately with a piezoelectric material 5.
  • the piezoelectric material 5 is polarized in the stacking direction x.
  • the electrodes 4 are inside the piezoelectric
  • the piezoelectric transformer 1 arranged and are also called Internal electrodes.
  • the piezoelectric transformer 1 has a first side surface 6 and a second side surface 7, that of the first side surface 6
  • a first outer electrode 8 is arranged on the first side surface 6.
  • a first outer electrode 8 is arranged on the second side surface 8.
  • a second outer electrode (not shown) is arranged.
  • the internal electrodes 4 are in
  • the input region 2 can be driven with a low alternating voltage which is applied between the electrodes 4. Due to the piezoelectric effect, the
  • the input side applied AC voltage is first converted into a mechanical vibration.
  • the output region 3 comprises piezoelectric material 9 and is free of internal electrodes.
  • Piezoelectric material 9 in the output region 3 is polarized in the longitudinal direction z.
  • Piezoelectric material 9 in the output region 3 is polarized in the longitudinal direction z.
  • Material 9 of the output region 3 may be the same as that of the piezoelectric material 5 of FIG.
  • piezoelectric material 9 is formed into a single monolithic layer which is completely polarized in the longitudinal direction z. In this case, the piezoelectric material 9 in the output area 3 only a single polarization direction.
  • the output region 3 has an output-side end face 10.
  • an electrical voltage is thus generated between the end face 10 and the end of the electrodes 4 of the input region 2.
  • a high voltage is generated. It also arises between the output side end face and an environment of
  • the piezoelectric transformer 1 generates high electric fields capable of producing gases or
  • the ignition field strength of a plasma is the field strength that is required for the ionization of the atoms or molecules.
  • FIG. 2 shows a diagram in which the impedance
  • the curve Zin shows the course of the Input impedance of the piezoelectric transformer 1 as a function of the frequency of the applied input voltage plotted on a logarithmic scale.
  • Zin (log) reaches at the series resonance frequency of the
  • Input voltage indicates.
  • the output voltage reaches its maximum at the series resonant frequency of the piezoelectric transformer 1. Accordingly, the highest efficiency in plasma generation is achieved when the frequency of the
  • piezoelectric transformer 1 corresponds.
  • the series resonance frequency is by no means constant, but rather depends on numerous parameters.
  • Transformer 1 ignited plasma are formed a load that affects the impedance of the transformer 1 and
  • the series resonance frequency is also from the working environment
  • the piezoelectric transformer 1 is used.
  • the used piezoelectric transformer 1 is used any combination of the piezoelectric transformer 1 .
  • the used piezoelectric transformer 1 is used any combination of the piezoelectric transformer 1 .
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a device for producing a non-thermal atmospheric-pressure plasma, which has the piezoelectric transformer 1.
  • the device further comprises a drive circuit 11, which is designed to supply an AC voltage with a
  • the present invention is now to make it possible to always adapt the driving frequency so that the
  • the drive circuit 11 has a driver 12 and a regulator 13. Of the
  • Driver 12 is configured to apply the input voltage to the piezoelectric transformer 1.
  • the driver 12 is connected to the outer electrodes 8, 14 of the piezoelectric
  • the controller 13 is to
  • the apparatus further comprises a field probe 15 which is adapted to a field strength of the field of
  • the piezoelectric transformer 1 generated electric field to measure.
  • the field probe 15 is arranged in the immediate vicinity of the output region 3 of the piezoelectric transformer 1.
  • the field probe 15 is one of
  • the field strength determined by the field probe 15 can directly affect that at the output side
  • End side 10 of the piezoelectric transformer 1 generated high voltage can be closed.
  • the drive frequency By measuring the electric field strength by means of the field probe 15, it can be made possible to adjust the drive frequency always to an optimum drive frequency. At the optimum drive frequency, the efficiency of the device is maximized with respect to plasma generation.
  • the field probe 15 is further provided with a measuring unit 16
  • the measuring unit 16 may be configured to determine a peak value of the electric field strength measured by the field probe 15 and / or an average value of the electric field strength.
  • the measuring unit 16 has a connected to a reference potential resistor 17 and one with the
  • the measuring unit 16 has a rectifier 19.
  • the signal detected by the field probe 15 is on
  • the rectifier 19 is configured to rectify the signal. Accordingly, the rectifier 19 is configured to convert a transmitted from the field probe 15 to the measuring unit 16 AC signal in a DC signal.
  • the measuring unit 16 is connected to the drive circuit 11
  • the measuring unit 16 is connected to the controller 13 of the drive circuit 11.
  • the controller 13 may be a control circuit, which is formed for example on a microcontroller.
  • the regulator 13 is designed to determine with which drive frequency the driver 12 drives the piezoelectric transformer 1.
  • the regulator 13 may be configured to incrementally increase the drive frequency, starting from an initial drive frequency f o which is selected to be smaller than the series resonance frequency of the piezoelectric transformer 1 in each case. It is chosen for each
  • the controller 13 may be configured to increment the drive frequency by a fixed increment Afi.
  • an initial drive frequency f n (max) -i is selected which is close to the frequency f n (max) of the local maximum voltage and is below this frequency.
  • the reduced step size Af 2 can be half the step size Af 1 .
  • Frequency resolution determined. This principle can be repeated until a maximum with the desired frequency resolution is found. Alternatively, it is also possible that the
  • Initial driving frequency fo is chosen so that it is in any case greater than the series resonance frequency of
  • the controller can make a stepwise reduction of the drive frequency and determine the optimum drive frequency in the same way. Even in this case, the gradual
  • the adaptation of the drive frequency can be the first time
  • the field probe 15 is integrated on a printed circuit board 20.
  • the printed circuit board is arranged parallel to the output region 4 of the piezoelectric transformer 1, with a gap 21 between the printed circuit board 20 and the piezoelectric transformer 1.
  • the circuit board 20 may be in
  • FIG. 4 shows the underside of the printed circuit board 20.
  • the printed circuit board 20 has a layer of a non ⁇ conductive substrate 22.
  • the carrier material 22 may be, for example, FR4 or another insulating material.
  • the field probe 15 is formed by metallization of the side of the circuit board 20 facing away from the piezoelectric transformer 1. This ensures that it does not become one
  • Plasma ignition between the transformer 1 and the field probe 15 comes because the circuit board 20 acts as an insulator.
  • Field probe 15 and the transformer 1 are arranged, each acting as a capacitance.
  • Printed circuit board 20 is a metal coating.
  • the metal coating may be a
  • the metal coating is divided into a ground plane 23 and a probe surface 24.
  • the ground plane 23 and the probe surface 24 are separated by a surface of the insulating substrate.
  • the printed circuit board 20 is arranged at a distance from the transformer 1, which is large enough to prevent ignition to the underside of the printed circuit board 20.
  • the mass surface 23 is connected to a reference potential
  • the probe surface 24 is connected to the measuring unit 16.
  • the mass surface 23 and the probe surface 24 are connected to each other via the resistor 17, which is arranged as a discrete component on the underside of the printed circuit board 20.
  • the mass surface 23 and the probe surface 24 can also be connected by a capacitor.
  • the piezoelectric transformer 1 When an electric field is generated by the piezoelectric transformer 1, the field induces a voltage in the probe surface 24.
  • the measuring unit 16 is thereto
  • the gap 21 between the transformer 1 and an upper surface of the circuit board 20 facing the transformer 1 forms a capacitor. Furthermore, the printed circuit board 20 also forms a capacitor with respect to the probe surface 24. The capacitances of the two capacitors together with the resistor 17, which is arranged as a discrete component on the underside of the circuit board 20, one
  • Probe surface 24 defined connected to ground and the induced voltage in the probe surface 24 is available for a measurement.
  • Figures 5 to 7 show a second embodiment of a circuit board 20, in which a field probe 15 is integrated. In this case, Figure 5 shows a cross section through the
  • FIG. 6 shows a printed circuit board 20 in a view from below, wherein a metallization of an inner layer of the printed circuit board 20 is shown and that arranged on the underside of the printed circuit boards 20 discrete
  • FIG. 7 shows a
  • the printed circuit board 20 is multi-layered, in particular four-ply.
  • the circuit board has three layers of non-conductive
  • the Probe surface 24 is formed by a metal layer in an inner layer of the multilayer printed wiring board 20.
  • a second metal surface 25 is further arranged, which is separated from the probe surface 24 by the non-conductive substrate 22.
  • a ground surface 23rd is further arranged in the inner layer.
  • the ground plane 23 is connected to the reference potential, for example the ground.
  • the probe surface 24 is connected to the measuring unit 16.
  • the probe surface 24, the second metal surface 25, and the ground surface 23 may be
  • An equivalent circuit diagram shows how the probe surface 24, the second metal surface 25, the ground surface 23 and the discrete components are interconnected.
  • the discrete components can form a rectifier.
  • the rectifier 19 may be integrated into the printed circuit board 20.
  • the discrete components may form a filter capacitor.
  • Filter capacitor also called smoothing capacitor, is a parallel to the load resistor placed capacitor, the ripple of a rectifier circuit
  • the second embodiment enables an improved spatial resolution of the measurement.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines nicht-thermischen Atmosphärendruck-Plasmas, aufweisend einen piezoelektrischen Transformator (1), eine Ansteuerschaltung (11), die dazu ausgelegt ist, eine Wechselspannung mit einer Ansteuerfrequenz als Eingangsspannung an den piezoelektrischen Transformator (1) anzulegen, und eine Feldsonde (15), die dazu ausgestaltet ist, eine Feldstärke eines von dem piezoelektrischen Transformator (1) erzeugten elektrischen Feldes zu messen, wobei die Ansteuerschaltung (11) dazu ausgestaltet ist, unter Berücksichtigung der Messergebnisse der Feldsonde (15) die Ansteuerfrequenz derart anzupassen, dass die Feldstärke maximiert wird. Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Frequenzregelung eines piezoelektrischen Transformators.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur Erzeugung eines nicht-thermischen
Atmosphärendruck-Plasmas und Verfahren zur Frequenzregelung eines piezoelektrischen Transformators
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines nicht-thermischen Atmosphärendruck-Plasmas sowie ein
Verfahren zur Frequenzregelung eines piezoelektrischen
Transformators.
Piezoelektrische Transformatoren, insbesondere
Transformatoren vom Rosen-Typ, können zur Erzeugung von
Plasma eingesetzt werden. Bei der Plasmagenerierung wird die maximale Effizienz erreicht, wenn der piezoelektrische
Transformator mit einer Frequenz angesteuert wird, die der Serienresonanzfrequenz des Transformators entspricht. Die Serienresonanzfrequenz ist jedoch nicht konstant, sondern hängt von verschiedenen Parametern ab. Wird an einer
ausgangsseitigen Stirnseite des Transformators ein Plasma gezündet, so wirkt dieses als Last mit dem Transformator zusammen und beeinflusst dabei die Impedanz des
Transformators. Dadurch kommt es zu einer Verschiebung der Serienresonanz gegenüber einem Betrieb des Transformators im Leerlauf, bei dem die angelegte Spannung zur Zündung eines Plasmas nicht ausreicht. Auch die Arbeitsumgebungen,
beispielsweise das verwendete Prozessgas oder die Temperatur des Transformators, beeinflussen die Serienresonanzfrequenz. Ferner kann auch die an dem Transformator angelegte
Eingangsspannung die Serienresonanzfrequenz beeinflussen. Für die Auffindung der jeweiligen Serienresonanzfrequenz, die zu einer maximalen Ausgangsspannung führt, sind deshalb
Informationen vom Bauteil erforderlich.
Da der piezoelektrische Transformator zur Zündung eines Plasmas ausgelegt ist, kann die Spannung an der Ausgangsseite des Transformators nicht abgegriffen werden, um auf diese Weise eine Maximierung der Ausgangsspannung herbeizuführen. Dabei könnte die Spannung entweder mittels einer starren Lötverbindung, die an die Ausgangsseite aufgebracht ist, oder mittels eines leitfähigen Gummis, das an die Ausgangsseite angepresst wird, abgegriffen werden. Das Abgreifen der
Ausgangsspannung würde eine Schwingung des Transformators dämpfen und so die Hochspannung herabsetzen. Außerdem würde es zu der Gefahr einer Plasmazündung an der abgreifenden Leitung führen.
DE 10 2013 103 159 AI schlägt vor, ein an den
piezoelektrischen Transformator angelegtes Eingangssignal zur Regelung des piezoelektrischen Transformators zu verwenden und auf diese Weise die optimale Arbeitsfrequenz zu finden. Dabei ist eine Auswertung der Phaseninformation des
Eingangssignals erforderlich. Eine solche Lösung ist mit einem nicht unerheblichen schaltungstechnischen Aufwand verbunden. Außerdem eignet sich eine solche Lösung nur für sinusförmige Eingangssignale.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine
verbesserte Vorrichtung zur Erzeugung eines nicht-thermischen Atmosphärendruck-Plasmas bereitzustellen. Eine weitere
Aufgabe der Erfindung ist es ein verbessertes Verfahren zur Frequenzregelung eines piezoelektrischen Transformators anzugeben . Die Aufgaben werden durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Es wird eine Vorrichtung zur Erzeugung eines nicht- thermischen Atmosphärendruck-Plasmas vorgeschlagen, die einen piezoelektrischen Transformator, eine Ansteuerschaltung und eine Feldsonde aufweist. Die Ansteuerschaltung ist dazu ausgelegt, eine Wechselspannung mit einer Ansteuerfrequenz als Eingangsspannung an den piezoelektrischen Transformator anzulegen. Die Feldsonde ist dazu ausgestaltet, eine
Feldstärke eines von dem piezoelektrischen Transformator erzeugten elektrischen Feldes zu messen. Die
Ansteuerschaltung ist dazu ausgestaltet, unter
Berücksichtigung der Messergebnisse der Feldsonde die
Ansteuerfrequenz derart anzupassen, dass die Feldstärke maximiert wird.
Eine Maximierung der Feldstärke des vom piezoelektrischen Transformator erzeugten elektrischen Feldes ist
gleichbedeutend mit einer Maximierung der im Ausgangsbereich des piezoelektrischen Transformators erzeugten Spannung.
Die Vorrichtung macht Gebrauch von den hohen elektrischen Feldstärken, die in der Umgebung des Ausgangsbereichs des piezoelektrischen Transformators erzeugt werden. Eine
Vermessung dieser Feldstärke kann vorgenommen werden, ohne dabei die Arbeit des Transformators durch ein Abgreifen einer Leistung im Ausgangsbereich des Transformators zu
beeinflussen. Insbesondere kann eine Vermessung der
Feldstärke vorgenommen werden, ohne eine Schwingung des piezoelektrischen Transformator dadurch zu dämpfen. Das von der Feldsonde gemessene Signal kann proportional zu der Spannung sein, die im Ausgangsbereich des
piezoelektrischen Transformators erzeugt wird. Auf eine aufwendige eingangsseitige Impedanz- und/oder Phasenmessung kann somit verzichtet werden. Dadurch kann eine Schaltung zur Frequenzregelung des Transformators vereinfacht werden.
Darüber hinaus kann eine Frequenzanpassung mittels Messung der elektrischen Feldstärke unabhängig von der Signalform der Eingangsspannung angewendet werden. Es ist beispielsweise nicht erforderlich, dass es sich bei der Eingangsspannung um ein sinusförmiges Signal handelt. Vielmehr kann die
Eingangsspannung jedes periodische Signal sein,
beispielsweise kann es sich bei der Eingangsspannung um ein Rechtecksignal oder ein Dreiecksignal handeln.
Die Feldsonde kann in ein Gehäuse der Vorrichtung zur
Erzeugung eines nicht-thermischen Atmosphärendruck-Plasmas integriert sein. Die Feldsonde kann in unmittelbarer Nähe zu dem piezoelektrischen Transformator angeordnet sein.
Beispielsweise kann der Abstand zwischen dem
piezoelektrischen Transformator und der Feldsonde kleiner als 5 cm sein. Vorzugsweise kann der Abstand zwischen dem
piezoelektrischen Transformator und der Feldsonde kleiner als 1 cm sein. Zwischen der Feldsonde und dem piezoelektrischen Transformator kann ein Spalt verbleiben.
Die Feldsonde kann durch eine Metallfläche gebildet werden, wobei ein von dem piezoelektrischen Transformator erzeugtes elektrisches Wechselfeld eine Wechselspannung in der
Metallfläche erzeugt. Die Vorrichtung kann eine Messeinheit aufweisen, die dazu ausgestaltet ist, diese Spannung zu messen und daraus auf die Feldstärke rückzuschließen. Der piezoelektrische Transformator kann einen Eingangsbereich aufweisen, an den die Eingangsspannung anlegbar ist. Der piezoelektrische Transformator kann einen Ausgangsbereich aufweisen, in dem eine Hochspannung erzeugt wird, wenn an dem Eingangsbereich die Eingangsspannung angelegt ist, wobei durch die Hochspannung ein Plasma gezündet wird. Insbesondere kann es sich bei dem Transformator um einen Rosen-Typ
Transformator handeln. Der Transformator kann von einem
Prozessgas umgeben sein. Bei der Plasmazündung kann durch die erzeugte Hochspannung eine Anregung oder eine Ionisation von Molekülen oder Atomen des Prozessgases bewirkt werden. Ferner können Radikale aus dem Komponenten des Prozessgases gebildet werden. Im Falle von Umgebungsluft als Prozessgas werden insbesondere OH-Radikale, Stickoxide und Ozon im Plasma erzeugt.
Die Feldsonde kann nahe dem Ausgangsbereich des
piezoelektrischen Transformators angeordnet sein.
Beispielsweise kann der Abstand zwischen der Feldsonde und dem Ausgangsbereich zwischen 0,1 mm und 1 cm betragen.
Zwischen der Feldsonde und dem Ausgangsbereich ist ein
SpaltSpalt angeordnet. Der Spalt kann mit dem Prozessgas gefüllt sein. Dadurch, dass die Feldsonde nahe des
Ausgangsbereichs angeordnet ist, kann sichergestellt werden, dass das von der Feldsonde gemessene elektrische Feld eine
Feldstärke aufweist, die proportional zu der Ausgangsspannung des piezoelektrischen Transformators ist. Ist die Feldsonde nahe dem Ausgangsbereich angeordnet, so kann sichergestellt werden, dass das von dem piezoelektrischen Transformator erzeugte elektrische Feld für die elektrische Feldstärke an diesem Ort den dominierenden Effekt darstellt und etwaige andere elektrische Felder, die eine Messung der Feldstärke durch die Feldsonde als Störeffekte beeinflussen könnten, vernachlässigt werden können.
Die Feldsonde kann mit einer Messeinheit verbunden sein, die dazu ausgestaltet ist, einen Spitzenwert der elektrischen Feldstärke und/oder einen Mittelwert der elektrischen
Feldstärke zu bestimmen. Die Ansteuerschaltung kann einen Regler aufweisen, der dazu ausgestaltet ist, die
Ansteuerfrequenz abhängig vom bestimmten Spitzenwert und/oder vom bestimmten Mittelwert zu variieren. Die Messeinheit und die Ansteuerschaltung können auf einer einzigen Leiterplatte ausgebildet sein. Die Messeinheit und die Ansteuerschaltung können durch einen einzigen Mikrochip gebildet werden. Die Feldsonde kann in eine Leiterplatte integriert sein. Die Leiterplatte kann ein nicht-leitendes Trägermaterial
aufweisen. Das nicht-leitende Material der Leiterplatte kann für eine Isolierung zwischen der Feldsonde und dem
piezoelektrischen Transformator sorgen. Dementsprechend können Plasmazündungen zwischen dem Transformator und der
Feldsonde vermieden werden. Die Feldsonde kann entweder auf einer Unterseite der Leiterplatte, die vom piezoelektrischen Transformator weg weist, oder in einer inneren Lage einer mehrlagigen Leiterplatte angeordnet sein.
Die Leiterplatte kann eine Metallbeschichtung aufweisen, die auf einer Seite der Leiterplatte angeordnet ist, die von dem piezoelektrischen Transformator weg weist. Bei der
Metallbeschichtung kann es sich um eine Kupferbeschichtung handeln. Die Metallbeschichtung kann eine Sondenfläche ausbilden. Durch ein von dem piezoelektrischen Transformator erzeugtes elektrisches Wechselfeld kann in der Sondenfläche eine Spannung induziert werden. Die Sondenfläche kann mit der Messeinheit verbunden werden, wobei die Messeinheit dazu ausgestaltet ist, die in der Sondenfläche induzierte Spannung zu vermessen. Die Metallbeschichtung kann ferner eine
Massenfläche ausbilden, die mit einem Referenzpotential, insbesondere der Masse, verbunden ist.
Die Leiterplatte kann mehrlagig sein, wobei die Feldsonde durch eine innere Lage der Leiterplatte gebildet werden kann. Als innere Lage kann dabei eine Lage bezeichnet werden, die zwischen zwei Lagen eines nicht-leitenden Trägermaterial angeordnet ist. Durch die Ausbildung der Feldsonde durch eine innere Lage kann eine besonders hohe Ortsauflösung der
Messung erreicht werden. Die Wechselspannung kann ein dreieckförmiges Signal oder ein rechteckförmiges Signal aufweisen. Signale dieser Art lassen sich besonders einfach erzeugen und ermöglichen
dementsprechend die Verwendung eines simplen Treibers zur Ansteuerung. Da zur Bestimmung der optimalen Arbeitsfrequenz des piezoelektrischen Transformators nicht auf
Phaseninformationen zurückgegriffen werden muss, kann es sich bei der Wechselspannung um jedes beliebige periodische Signal handeln. Es ist insbesondere nicht zwangsläufig erforderlich, dass es sich bei der Wechselspannung um ein Sinussignal handelt.
Die Ansteuerschaltung kann dazu ausgestaltet sein, beim
Einschalten der Vorrichtung unter Berücksichtigung der
Messergebnisse der Feldsonde die Ansteuerfrequenz derart anzupassen, dass die Feldstärke maximiert wird. Die
Ansteuerschaltung kann ferner dazu ausgestaltet sein, im laufenden Betrieb der Vorrichtung in festgelegten zeitlichen Abständen unter Berücksichtigung der Messergebnisse der Feldsonde eine Korrektur der Ansteuerfrequenz vorzunehmen, wobei die Ansteuerfrequenz erneut derart angepasst wird, dass die Feldstärke maximiert wird. Während des laufenden Betriebs können sich die
Arbeitsbedingungen ändern, wodurch die Serienresonanzfrequenz des piezoelektrischen Transformators und damit seine optimale Arbeitsfrequenz verschoben wird. Hierfür kann beispielsweise eine Temperaturänderung oder eine Last in der Nähe des
Transformators sorgen. Durch die Wiederholung der Anpassung der Ansteuerfrequenz in periodischen zeitlichen Abständen im laufenden Betrieb kann sichergestellt werden, dass die
Ansteuerfrequenz stets auf die optimale Arbeitsfrequenz angepasst wird.
Die Vorrichtung kann zur Erzeugung von angeregten Molekülen, Ionen oder Radikalen dienen. Die Vorrichtung kann zur
Erzeugung von OH-Radikalen und/oder Stickoxid und/oder Ozon dienen .
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende
Erfindung ein Verfahren zur Frequenzregelung eines
piezoelektrischen Transformators. Dabei kann es sich um den oben beschriebenen Transformator handeln. Dementsprechend kann jedes funktionelle oder strukturelle Merkmal, das im
Zusammenhang mit dem Transformator offenbart wurde, auch auf das Verfahren zutreffen. Umgekehrt kann jedes Merkmal, das im Zusammenhang mit dem Verfahren offenbart wird, auch auf den Transformator zutreffen.
Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- Anlegen einer Wechselspannung an den piezoelektrischen
Transformator mit einer Anfangs-Ansteuerfrequenz fo, - schrittweises Ändern der Ansteuerfrequenz, wobei jeweils die Feldstärke eines von dem piezoelektrischen Transformator erzeugten elektrischen Feldes durch eine Feldsonde ermittelt wird,
- Bestimmen der Ansteuerfrequenz, bei der sich die maximale Feldstärke einstellt,
- Betrieb des piezoelektrischen Transformators mit der bestimmten Ansteuerfrequenz, für die sich die maximale
Feldstärke einstellt.
Ein Vorteil des Verfahrens ist die geringe Trägheit eines Regelalgorithmus, der die Frequenz, mit der der Transformator betrieben wird, regelt. Würde als Regelgröße stattdessen ein Spulenstrom verwendet werden, wäre die Trägheit des
Regelalgorithmus deutlich größer.
Die Schritte können dabei in der hier angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Das Verfahren kann somit ermöglichen, die Frequenz des piezoelektrischen Transformators stets auf seine
Serienresonanzfrequenz und somit seine optimale
Arbeitsfrequenz zu regeln. Wie bereits oben diskutiert, ermöglicht es das Verfahren, eine Regelung der
Ansteuerfrequenz unabhängig von der Signalform des
Ansteuersignais vorzunehmen. Das Verfahren kann durchgeführt werden, ohne dabei eine Schwingung des piezoelektrischen Transformators zu dämpfen. Darüber hinaus kann das Verfahren mit einer recht einfach gestalteten Ansteuerschaltung
durchgeführt werden.
Die Bestimmung der Ansteuerfrequenz, bei der sich die
maximale Feldstärke eingestellt, kann im laufenden Betrieb der Vorrichtung in festgelegten zeitlichen Abständen
wiederholt werden. Auf diese Weise können Änderungen der Arbeitsbedingungen der Vorrichtung berücksichtigt werden und die Ansteuerfrequenz kann stets auf den optimalen Wert eingestellt werden.
Bei dem schrittweisen Ändern der Ansteuerfrequenz kann die Ansteuerfrequenz ausgehend von der Anfangs-Ansteuerfrequenz fo schrittweise um eine Schrittweite Afi erhöht oder
reduziert werden, bis sich die Ansteuerfrequenz einstellt, bei der sich für die Schrittweite Afi die maximale Feldstärke einstellt, wobei anschließend ausgehend von dieser
Ansteuerfrequenz die Ansteuerfrequenz schrittweise um eine Schrittweite Af2 erhöht oder reduziert wird, bis sich die Ansteuerfrequenz einstellt, bei der sich für die Schrittweite Af2 die maximale Feldstärke einstellt, wobei Af2 kleiner als Afi ist. Dementsprechend kann die schrittweise Anpassung zunächst mit großen Schrittweiten und dann mit zunehmend geringer werdenden Schrittweiten durchgeführt werden.
Dadurch, dass zunächst große und später kleiner werdende Schrittweiten verwendet werden, kann die optimale
Ansteuerfrequenz schnell gefunden werden.
Der piezoelektrische Transformator, dessen Frequenz mit dem oben beschriebenen Verfahren geregelt wird, kann zur
Erzeugung eines nicht-thermischen Atmosphärendruck-Plasmas eingesetzt werden.
Das Plasma kann zur Erzeugung von angeregten Molekülen, Ionen oder Radikalen genutzt werden. Das Plasma kann zur
Erzeugung von OH-Radikalen und/oder Stickoxid und/oder Ozon genutzt werden. Die Feldsonde kann in einen durchschlagsfesten Isolator eingebettet sein. Der durchschlagsfeste Isolator kann dabei insbesondere dazu ausgestaltet sein, einen Durchschlag zwischen dem Transformator und der Feldsonde zu verhindern. Der durchschlagsfeste Isolator, in den die Feldsonde
eingebettet ist, kann Stoffschlüssig mit dem
piezoelektrischen Transformator verbunden sein. Die
Stoffschlüssige Verbindung kann beispielsweise eine
Klebeverbindung sein. Durch die Stoffschlüssige Verbindung kann es ermöglicht werden, die Feldsonde in unmittelbarer
Nähe zu dem piezoelektrischen Transformator anzuordnen. Auf diese Weise kann ein vom Transformator erzeugtes Feld besonders genau vermessen werden. Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand der
Figuren näher beschrieben.
Figur 1 zeigt einen piezoelektrischen Transformator in einer perspektivischen Ansicht.
Figur 2 zeigt ein Diagramm, in dem der Impedanzverlauf und der Verlauf der Ausgangsspannung des piezoelektrischen
Transformators dargestellt sind. Figur 3 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Erzeugung eines nicht-thermischen Atmosphärendruck-Plasmas.
Figur 4 zeigt eine Feldsonde. Figur 5 zeigt eine Leiterplatte, in die eine Feldsonde integriert ist, in einem Querschnitt. Figur 6 zeigt die Unterseite der in Figur 5 gezeigten
Leiterplatte .
Figur 7 zeigt ein Ersatzschaltbild.
Figur 1 zeigt einen piezoelektrischen Transformator 1 in einer perspektivischen Ansicht. Der piezoelektrische
Transformator 1 kann insbesondere in einem Plasmagenerator zur Erzeugung von nichtthermischem Atmosphärendruck-Plasma eingesetzt werden.
Ein piezoelektrischer Transformator 1 ist eine Bauform eines Resonanztransformators, welcher auf Piezoelektrizität basiert und im Gegensatz zu den herkömmlichen magnetischen
Transformatoren ein elektromechanisches System darstellt. Der piezoelektrische Transformator 1 ist beispielsweise ein
Transformator vom Rosen-Typ.
Der piezoelektrische Transformator 1 weist einen
Eingangsbereich 2 und einen Ausgangsbereich 3 auf, wobei der Ausgangsbereich 3 sich in einer Längsrichtung z an den
Eingangsbereich 2 anschließt. Im Eingangsbereich 2 weist der piezoelektrische Transformator 1 Elektroden 4 auf, an die eine Wechselspannung angelegt werden kann. Die Elektroden 4 erstrecken sich in der Längsrichtung z des piezoelektrischen Transformators 1. Die Elektroden 4 sind in einer
Stapelrichtung x, die senkrecht zu der Längsrichtung z ist, abwechselnd mit einem piezoelektrischen Material 5 gestapelt. Das piezoelektrische Material 5 ist dabei in Stapelrichtung x polarisiert.
Die Elektroden 4 sind im Innern des piezoelektrischen
Transformators 1 angeordnet und werden auch als Innenelektroden bezeichnet. Der piezoelektrische Transformator 1 weist eine erste Seitenfläche 6 und eine zweite Seitenfläche 7, die der ersten Seitenfläche 6
gegenüberliegt, auf. Auf der ersten Seitenfläche 6 ist eine erste Außenelektrode 8 angeordnet. Auf der zweiten
Seitenfläche 7 ist eine zweite Außenelektrode (nicht gezeigt) angeordnet. Die innenliegenden Elektroden 4 sind in
Stapelrichtung x abwechselnd entweder mit der ersten
Außenelektrode 8 oder der zweiten Außenelektrode elektrisch kontaktiert.
Der Eingangsbereich 2 kann mit einer geringen Wechselspannung angesteuert werden, die zwischen den Elektroden 4 angelegt wird. Aufgrund des piezoelektrischen Effekts wird die
eingangsseitig angelegte Wechselspannung zunächst in eine mechanische Schwingung umgewandelt. Die Frequenz der
mechanischen Schwingung ist dabei wesentlich von der
Geometrie und dem mechanischen Aufbau des piezoelektrischen Transformators 1 abhängig.
Der Ausgangsbereich 3 weist piezoelektrisches Material 9 auf und ist frei von innenliegenden Elektroden. Das
piezoelektrische Material 9 im Ausgangsbereich 3 ist in der Längsrichtung z polarisiert. Bei dem piezoelektrischen
Material 9 des Ausgangsbereichs 3 kann es sich um das gleiche Material wie bei dem piezoelektrischen Material 5 des
Eingangsbereichs 2 handeln, wobei sich die piezoelektrischen Materialien 5 und 9 in ihrer Polarisationsrichtung
unterscheiden können. Im Ausgangsbereich 3 ist das
piezoelektrische Material 9 zu einer einzigen monolithischen Schicht geformt, die vollständig in der Längsrichtung z polarisiert ist. Dabei weist das piezoelektrische Material 9 im Ausgangsbereich 3 nur eine einzige Polarisationsrichtung auf .
Wird an die Elektroden 4 im Eingangsbereich 2 eine
Wechselspannung angelegt, so bildet sich innerhalb des piezoelektrischen Materials 5, 9 eine mechanische Welle aus, die durch den piezoelektrischen Effekt im Ausgangsbereich 3 eine Ausgangsspannung erzeugt. Der Ausgangsbereich 3 weist eine ausgangsseitige Stirnseite 10 auf. Im Ausgangsbereich 3 wird somit eine elektrische Spannung zwischen der Stirnseite 10 und dem Ende der Elektroden 4 des Eingangsbereichs 2 erzeugt. An der ausgangsseitigen Stirnseite 10 wird dabei eine Hochspannung erzeugt. Dabei entsteht auch zwischen der ausgangseitigen Stirnseite und einer Umgebung des
piezoelektrischen Transformators eine hohe
Potentialdifferenz, die ausreicht, um ein starkes
elektrisches Feld zu erzeugen, dass ein Prozessgas ionisiert.
Auf diese Weise erzeugt der piezoelektrische Transformator 1 hohe elektrische Felder, die in der Lage sind, Gase oder
Flüssigkeiten durch elektrische Anregung zu ionisieren. Dabei werden Atome oder Moleküle des jeweiligen Gases bzw. der jeweiligen Flüssigkeit ionisiert und bilden ein Plasma. Es kommt immer dann zu einer Ionisation, wenn die elektrische Feldstärke an der Oberfläche des piezoelektrischen
Transformators 1 die Zündfeldstärke des Plasmas
überschreitet. Als Zündfeldstärke eines Plasmas wird dabei die Feldstärke bezeichnet, die zur Ionisation der Atome oder Moleküle erforderlich ist.
Figur 2 zeigt ein Diagramm, in dem der Impedanz- und
Spannungsverlauf des piezoelektrischen Transformators 1 dargestellt ist. Die Kurve Zin(log) zeigt den Verlauf der Eingangsimpedanz des piezoelektrischen Transformators 1 in Abhängigkeit von der Frequenz der angelegten Eingangsspannung aufgetragen auf einer logarithmischen Skale. Die Kurve
Zin(log) erreicht bei der Serienresonanzfrequenz des
piezoelektrischen Transformators 1 ein Minimum. Ferner erreicht die Kurve Zin(log) ein Maximum bei der
Parallelresonanzfrequenz des piezoelektrischen Transformators 1. In Figur 2 ist ferner die Kurve Vout(lin) gezeigt, die den Verlauf der Ausgangsspannung, die an der ausgangsseitigen Stirnseite 10 des piezoelektrischen Transformators 1 erzeugt wird, in Abhängigkeit von der Frequenz der angelegten
Eingangsspannung angibt. Die Ausgangsspannung erreicht ihr Maximum bei der Serienresonanzfrequenz des piezoelektrischen Transformators 1. Dementsprechend wird die höchste Effizienz bei der Plasmaerzeugung erreicht, wenn die Frequenz der
Eingangsspannung, die an den piezoelektrischen Transformator 1 angelegt wird, der Serienresonanzfrequenz des
piezoelektrischen Transformators 1 entspricht.
Die Serienresonanzfrequenz ist jedoch keineswegs konstant, sondern hängt vielmehr von zahlreichen Parametern ab.
Insbesondere kann durch ein von dem piezoelektrischen
Transformator 1 gezündetes Plasma eine Last gebildet werden, die die Impedanz des Transformators 1 beeinflusst und
dementsprechend zu einer Änderung der Serienresonanzfrequenz des Transformators 1 führen kann. Darüber hinaus ist die Serienresonanzfrequenz auch von der Arbeitsumgebungen
abhängig, in der der piezoelektrische Transformator 1 eingesetzt wird. Beispielsweise können das verwendete
Prozessgas und die Temperatur des piezoelektrischen
Transformators 1 die Serienresonanzfrequenz beeinflussen. Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Erzeugung eines nicht-thermischen Atmosphärendruck- Plasmas, die den piezoelektrischen Transformator 1 aufweist. Die Vorrichtung weist ferner eine Ansteuerschaltung 11 auf, die dazu ausgelegt ist, eine Wechselspannung mit einer
Ansteuerfrequenz als Eingangsspannung an den
piezoelektrischen Transformator 1 anzulegen. Ziel der
vorliegenden Erfindung ist es nunmehr, es zu ermöglichen, die Ansteuerfrequenz stets so anzupassen, dass der
piezoelektrische Transformator 1 bei seiner aktuellen
Serienresonanzfrequenz betrieben wird. Die Ansteuerschaltung 11 weist einen Treiber 12 und einen Regler 13 auf. Der
Treiber 12 ist dazu ausgestaltet, die Eingangsspannung an den piezoelektrischen Transformator 1 anzulegen. Der Treiber 12 ist mit den Außenelektroden 8, 14 des piezoelektrischen
Transformators 1 verbunden. Der Regler 13 ist dazu
ausgestaltet, den Treiber 12 anzusteuern und dabei
insbesondere die Ansteuerfrequenz der Eingangsspannung festzulegen.
Die Vorrichtung weist ferner eine Feldsonde 15 auf, die dazu ausgestaltet ist, eine Feldstärke des von dem
piezoelektrischen Transformator 1 erzeugten elektrischen Feldes zu messen. Die Feldsonde 15 ist in unmittelbarer Nähe zu dem Ausgangsbereich 3 des piezoelektrischen Transformators 1 angeordnet. Die Feldsonde 15 stellt ein der
Ausgangsspannung proportionales Signal bereit.
Dementsprechend kann über die von der Feldsonde 15 bestimmte Feldstärke unmittelbar auf die an der ausgangsseitigen
Stirnseite 10 des piezoelektrischen Transformators 1 erzeugte Hochspannung geschlossen werden. Durch die Messung der elektrischen Feldstärke mittels der Feldsonde 15 kann es ermöglicht werden, die Ansteuerfrequenz stets auf eine optimale Ansteuerfrequenz einzuregeln. Bei der optimalen Ansteuerfrequenz ist die Effizienz der Vorrichtung hinsichtlich der Plasmaerzeugung maximiert.
Die Feldsonde 15 ist ferner mit einer Messeinheit 16
verbunden, die dazu ausgestaltet ist, die von der Feldsonde 15 erfassten Signale auszuwerten. Dabei kann die Messeinheit 16 dazu ausgestaltet sein, einen Spitzenwert der von der Feldsonde 15 gemessenen elektrischen Feldstärke und/oder einen Mittelwert der elektrischen Feldstärke zu bestimmen. Die Messeinheit 16 weist einen mit einem Referenzpotential verbundenen Widerstand 17 sowie einen mit dem
Referenzpotential verbundenen Kondensator 18 auf. In einer alternativen Ausführungsform kann entweder auf den Widerstand 17 oder auf den Kondensator 18 verzichtet werden.
Ferner weist die Messeinheit 16 einen Gleichrichter 19 auf. Das von der Feldsonde 15 erfasste Signal ist ein
Wechselstromsignal, dessen Frequenz der Ansteuerfrequenz der an den piezoelektrischen Transformator 1 angelegten
Eingangsspannung entspricht. Der Gleichrichter 19 ist dazu ausgestaltet, das Signal gleichzurichten. Dementsprechend ist der Gleichrichter 19 dazu ausgestaltet, ein von der Feldsonde 15 an die Messeinheit 16 übermitteltes Wechselstromsignal in ein Gleichstromsignal zu wandeln.
Die Messeinheit 16 ist mit der Ansteuerschaltung 11
verbunden. Insbesondere ist die Messeinheit 16 mit dem Regler 13 der Ansteuerschaltung 11 verbunden. Der Regler 13 kann ein Regelkreis sein, der beispielsweise auf einem Microcontroller ausgebildet ist. Der Regler 13 ist dazu ausgestaltet, festzulegen, mit welcher Ansteuerfrequenz der Treiber 12 den piezoelektrischen Transformator 1 ansteuert.
Der Regler 13 kann dazu ausgestaltet sein, beginnend von einer Anfangsansteuerfrequenz fo , die so gewählt ist, dass sie in jedem Fall kleiner ist als die Serienresonanzfrequenz des piezoelektrischen Transformators 1, die Ansteuerfrequenz schrittweise zu erhöhen. Dabei wird für jede gewählte
Ansteuerfrequenz fn die jeweilige elektrische Feldstärke v(fn) ermittelt. Der Regler 13 kann dazu ausgestaltet sein, die Ansteuerfrequenz schrittweise um eine feste Schrittweite Afi zu erhöhen. Dabei nimmt die Ansteuerfrequenz nacheinander die Werte fo , fi=fo+Afi , f2=fi+Afi , f3=f2+Afi usw. an. Der
Regler 13 ist dazu ausgestaltet die Ansteuerfrequenz zu erhöhen bis ein lokales Spannungsmaximum vmax,n=max (v (fn) , vmax,n_ i ) bestimmt wurde.
Ist das lokale Spannungsmaximum vmax,n gefunden worden, kann eine weitere Anpassung der Ansteuerfrequenz mit einer
reduzierten Schrittweite Af2 vorgenommen werden. Als
Ausgangswert für die weitere Anpassung wird eine Anfangs- Ansteuerfrequenz fn (max ) -i gewählt, die nahe der Frequenz fn(max) des lokalen Spannungsmaximums ist und unter dieser Frequenz liegt. Die reduzierte Schrittweite Af2 kann beispielsweise halb so groß sein wie die Schrittweite Af1. Bei der weiteren Anpassung werden somit für die Ansteuerfrequenz nacheinander die Werte fn(max) -l ,
Figure imgf000020_0001
-l + Af2 , f2= fl + Af2 , f3=f2 + Af2 usw.
gewählt. Dabei wird wieder ein lokales Spannungsmaximum der elektrischen Feldstärke mit einer nun verbesserten
Frequenzauflösung bestimmt. Dieses Prinzip kann wiederholt werden, bis ein Maximum mit der gewünschten Frequenzauflösung gefunden ist. Alternativ ist es auch möglich, dass die
Anfangsansteuerfrequenz fo so gewählt wird, dass sie in jedem Fall größer ist als die Serienresonanzfrequenz des
piezoelektrischen Transformators 1. In diesem Fall kann der Regler eine schrittweise Verringerung der Ansteuerfrequenz vornehmen und in gleicher Weise die optimale Ansteuerfrequenz ermitteln. Auch in diesem Fall kann die schrittweise
Anpassung mehrmals vorgenommen werden, wobei bei jedem
Anpassungszyklus die Schrittweite verringert wird.
Die Anpassung der Ansteuerfrequenz kann erstmals beim
Einschalten der Vorrichtung vorgenommen werden. Ferner könnte diese Anpassung im laufenden Betrieb der Vorrichtung in regelmäßigen zeitlichen Abständen wiederholt werden. Dadurch könnte mitberücksichtigt werden, dass bei sich verändernden Arbeitsbedingungen auch eine Veränderung der Impedanz des Transformators 1 und somit der Serienresonanzfrequenz
erfolgt . Die Feldsonde 15 ist auf einer Leiterplatte 20 integriert. Die Leiterplatte ist parallel zu dem Ausgangsbereich 4 des piezoelektrischen Transformators 1 angeordnet, wobei zwischen der Leiterplatte 20 und dem piezoelektrischen Transformator 1 ein Spalt 21 ist. Die Leiterplatte 20 kann sich in
Längsrichtung z über die ausgangsseitige Stirnseite 10 des
Ausgangsbereichs 3 hinaus erstrecken. In die entgegengesetzte Richtung kann die Leiterplatte 20 in den Eingangsbereich 2 hineinragen . Figur 4 zeigt die Unterseite der Leiterplatte 20.
Die Leiterplatte 20 weist eine Schicht aus einem nicht¬ leitenden Trägermaterial 22 auf. Bei dem nicht-leitenden Trägermaterial 22 kann es sich beispielsweise um FR4 oder ein anderes isolierendes Material handeln. Die Feldsonde 15 ist durch eine Metallisierung der Seite der Leiterplatte 20, die vom piezoelektrischen Transformator 1 wegweist, ausgebildet. Dadurch wird sichergestellt, dass es nicht zu einer
Plasmazündung zwischen dem Transformator 1 und der Feldsonde 15 kommt, da die Leiterplatte 20 als Isolator wirkt. Der Spalt 21 sowie die Leiterplatte 20, die zwischen der
Feldsonde 15 und dem Transformator 1 angeordnet sind, wirken jeweils als Kapazität.
Auf der dem Transformator 1 abgewandten Seite der
Leiterplatte 20 befindet sich eine Metallbeschichtung . Bei der Metallbeschichtung kann es sich um eine
Kupferbeschichtung handeln. Die Metallbeschichtung ist in eine Massefläche 23 und eine Sondenfläche 24 unterteilt. Die Massefläche 23 und die Sondenfläche 24 sind durch eine Fläche des isolierenden Trägermaterials getrennt. Durch die Anordnung der Metallbeschichtung auf der von dem Transformator 1 wegweisenden Seite der Leiterplatte 20 kann ein Zünden des Plasmas gegen die Metallbeschichtung
unterbunden werden. Insbesondere ist die Leiterplatte 20 in einem Abstand von dem Transformator 1 angeordnet, der groß genug ist um ein Zünden zur Unterseite der Leiterplatte 20 zu verhindern .
Die Massenfläche 23 ist mit einem Referenzpotential,
beispielsweise einer Erdung, verbunden. Die Sondenfläche 24 ist mit der Messeinheit 16 verbunden. Die Massenfläche 23 und die Sondenfläche 24 sind über den Widerstand 17, der als diskretes Bauelement auf der Unterseite der Leiterplatte 20 angeordnet ist, miteinander verbunden. Alternativ oder ergänzend zu dem Widerstand 17 können die Massenfläche 23 und die Sondenfläche 24 auch durch einen Kondensator verbunden werden. Wird durch den piezoelektrischen Transformator 1 ein elektrisches Feld erzeugt, induziert das Feld eine Spannung in der Sondenfläche 24. Die Messeinheit 16 ist dazu
ausgestaltet, die induzierte Spannung zu messen.
Der Spalt 21 zwischen dem Transformator 1 und einer Oberseite der Leiterplatte 20, die dem Transformator 1 zugewandt ist, bildet einen Kondensator. Ferner bildet die Leiterplatte 20 gegenüber der Sondenfläche 24 ebenfalls einen Kondensator. Die Kapazitäten der beiden Kondensatoren bilden zusammen mit dem Widerstand 17, der als diskretes Bauelement auf der Unterseite der Leiterplatte 20 angeordnet ist, einen
Spannungsteiler. Über den Spannungsteiler ist die
Sondenfläche 24 definiert an Masse angebunden und die in der Sondenfläche 24 induzierte Wechselspannung steht für eine Messung zur Verfügung. Die Figuren 5 bis 7 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel einer Leiterplatte 20, in die eine Feldsonde 15 integriert ist. Dabei zeigt Figur 5 einen Querschnitt durch die
Leiterplatte 20. Figur 6 zeigt eine Leiterplatte 20 in einer Ansicht von unten, wobei eine Metallisierung einer inneren Schicht der Leiterplatte 20 dargestellt ist und die auf der Unterseite der Leiterplatten 20 angeordneten diskreten
Komponenten dargestellt sind. Figur 7 zeigt ein
Ersatzschaltbild der Leiterplatte 20. Die Leiterplatte 20 ist mehrlagig, insbesondere vierlagig. Die Leiterplatte weist drei Lagen des nicht-leitenden
Trägermaterials 22 auf. Ferner sind diskrete Bauelemente auf der Unterseite der Leiterplatte 20 angeordnet. Die Sondenfläche 24 wird durch eine Metallschicht in einer inneren Lage der mehrlagigen Leiterplatte 20 gebildet. In der inneren Lage der mehrlagigen Leiterplatte 20 ist ferner eine zweite Metallfläche 25 angeordnet, die von der Sondenfläche 24 durch das nicht-leitende Trägermaterial 22 getrennt ist. Ferner ist in der inneren Lage eine Massefläche 23
angeordnet. Die Massefläche 23 ist mit dem Referenzpotential, beispielsweise der Erdung verbunden. Die Sondenfläche 24 ist mit der Messeinheit 16 verbunden. Die Sondenfläche 24, die zweiten Metallfläche 25 und die Massefläche 23 können
insbesondere aus Kupfer bestehen.
Auf der Unterseite der mehrlagigen Leiterplatte 20, die von dem piezoelektrischen Transformator 1 wegweist, sind diskrete Bauelemente angeordnet. Bei den diskreten Bauelementen handelt es sich um zwei Dioden 26, einen Widerstand 17 und einen Kondensator 18. Dem in Figur 7 gezeigten
Ersatzschaltbild ist zu entnehmen, wie die Sondenfläche 24, die zweite Metallfläche 25, die Massefläche 23 und die diskreten Bauelemente miteinander verschaltet sind. Die diskreten Bauelemente können einen Gleichrichter bilden.
Dementsprechend kann der Gleichrichter 19 in die Leiterplatte 20 integriert sein. Alternativ oder ergänzend können die diskreten Bauelemente einen Siebkondensator bilden. Ein
Siebkondensator, auch Glättungskondensator genannt, ist ein parallel zum Lastwiderstand gelegter Kondensator, der hinter einer Gleichrichterschaltung die Restwelligkeit der
gleichgerichteten Spannung vermindert. Das zweite Ausführungsbeispiel ermöglicht eine verbesserte Ortsauflösung der Messung. Bezugs zeichenliste
1 piezoelektrischer Transformator
2 Eingangsbereich
3 Ausgangsbereich
4 Elektrode
5 piezoelektrisches Material
6 erste Seitenfläche
7 zweite Seitenfläche
8 Außenelektrode
9 piezoelektrisches Material
10 ausgangsseitige Stirnseite
11 AnsteuerSchaltung
12 Treiber
13 Regler
14 Außenelektrode
15 Feldsonde
16 Messeinheit
17 Widerstand
18 Kondensator
19 Gleichrichter
20 Leiterplatte
21 Spalt
22 nicht-leitendes Trägermaterial
23 Massefläche
24 Sondenfläche
25 zweite Metallfläche
26 Diode x Stapelrichtung
z Längsrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Erzeugung eines nicht-thermischen
Atmosphärendruck-PIasmas ,
aufweisend
einen piezoelektrischen Transformator (1),
eine Ansteuerschaltung (11), die dazu ausgelegt ist, eine Wechselspannung mit einer Ansteuerfrequenz als Eingangsspannung an den piezoelektrischen Transformator (1) anzulegen, und
eine Feldsonde (15), die dazu ausgestaltet ist, eine Feldstärke eines von dem piezoelektrischen Transformator
(1) erzeugten elektrischen Feldes zu messen,
wobei die Ansteuerschaltung (11) dazu ausgestaltet ist, unter Berücksichtigung der Messergebnisse der Feldsonde
(15) die Ansteuerfrequenz derart anzupassen, dass die Feldstärke maximiert wird.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1,
wobei der piezoelektrische Transformator (1) einen
Eingangsbereich (2) aufweist, an den die
Eingangsspannung anlegbar ist, und
wobei der piezoelektrische Transformator (1) einen
Ausgangsbereich (3) aufweist, in dem eine Hochspannung erzeugt wird, wenn an den Eingangsbereich (2) die
Eingangsspannung angelegt ist, wobei durch die
Hochspannung ein Plasma gezündet wird.
3. Vorrichtung gemäß dem vorherigen Anspruch,
wobei die Feldsonde (15) nahe dem Ausgangsbereich (3) angeordnet ist.
4. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Feldsonde (15) mit einer Messeinheit (16) verbunden ist, die dazu ausgestaltet ist, einen
Spitzenwert der elektrischen Feldstärke und/oder einen Mittelwert der elektrischen Feldstärke zu bestimmen, wobei die Ansteuerschaltung (11) einen Regler (13) aufweist, der dazu ausgestaltet ist, die
Ansteuerfrequenz abhängig vom bestimmten Spitzenwert und/oder vom bestimmten Mittelwert zu variieren.
5. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
wobei die Feldsonde (15) in eine Leiterplatte (20) integriert ist.
6. Vorrichtung gemäß dem vorherigen Anspruch,
wobei die Leiterplatte (20) eine Metallbeschichtung (23, 24) aufweist, die auf einer Seite der Leiterplatte (20) angeordnet ist, die von dem piezoelektrischen
Transformator (1) wegweist.
7. Vorrichtung gemäß Anspruch 5,
wobei die Leiterplatte (20) mehrlagig ist und die
Feldsonde (15) durch eine innere Lage der Leiterplatte (20) gebildet wird.
8. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
wobei die Wechselspannung ein rechteckförmiges Signal oder ein dreieckförmiges Signal aufweist.
9. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
wobei die Ansteuerschaltung (11) dazu ausgestaltet ist, beim Einschalten der Vorrichtung unter Berücksichtigung der Messergebnisse der Feldsonde (15) die Ansteuerfrequenz derart anzupassen, dass die Feldstärke maximiert wird, und
wobei die Ansteuerschaltung (11) dazu ausgestaltet ist, im laufenden Betrieb der Vorrichtung in festgelegten zeitlichen Abständen unter Berücksichtigung der
Messergebnisse der Feldsonde (15) eine Korrektur der Ansteuerfrequenz vorzunehmen, wobei die Ansteuerfrequenz erneut derart angepasst wird, dass die Feldstärke maximiert wird.
10. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
die zur Erzeugung von angeregten Molekülen, Ionen oder Radikalen dient.
11. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
die zur Erzeugung von OH-Radikalen und/oder Stickoxid und/oder Ozon dient.
12. Verfahren zur Frequenzregelung eines piezoelektrischen Transformators (1), umfassend die Schritte:
- Anlegen einer Wechselspannung an den
piezoelektrischen Transformator (1) mit einer Anfangs-Ansteuerfrequenz fo,
- Schrittweises Ändern der Ansteuerfrequenz, wobei
jeweils die Feldstärke eines von dem
piezoelektrischen Transformator (1) erzeugten elektrischen Feldes durch eine Feldsonde (15) ermittelt wird,
- Bestimmen der Ansteuerfrequenz, bei der sich die
maximale Feldstärke einstellt,
- Betrieb des piezoelektrischen Transformators (1) mit der bestimmten Ansteuerfrequenz, für die sich die maximale Feldstärke einstellt. Verfahren gemäß dem vorherigen Anspruch,
wobei die Bestimmung der Ansteuerfrequenz, bei der sich die maximale Feldstärke einstellt, im laufenden Betrieb der Vorrichtung in festgelegten zeitlichen Abständen wiederholt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 oder 13,
wobei bei dem schrittweisen Ändern der Ansteuerfrequenz die Ansteuerfrequenz ausgehend von der Anfangs- Ansteuerfrequenz fo schrittweise um eine Schrittweite Afi erhöht oder reduziert wird, bis sich die
Ansteuerfrequenz einstellt, bei der sich für die
Schrittweite Afi die maximale Feldstärke einstellt, wobei anschließend ausgehend von dieser Ansteuerfrequenz die Ansteuerfrequenz schrittweise um eine Schrittweite Af2 erhöht oder reduziert wird, bis sich die
Ansteuerfrequenz einstellt, bei der sich für die
Schrittweite Af2 die maximale Feldstärke einstellt, wobei Af2 kleiner als Afi ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14,
wobei der piezoelektrische Transformator (1) zur
Erzeugung eines nicht-thermischen Atmosphärendruck- Plasmas eingesetzt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 15,
wobei das Plasma zur Erzeugung von angeregten Molekülen,
Ionen oder Radikalen genutzt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 16,
wobei das Plasma zur Erzeugung von OH-Radikalen und/oder
Stickoxid und/oder Ozon genutzt wird.
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