DE102008018827B4

DE102008018827B4 - Apparatus for generating an atmospheric pressure plasma

Info

Publication number: DE102008018827B4
Application number: DE102008018827A
Authority: DE
Inventors: Michael Bisges
Original assignee: Maschinenfabrik Reinhausen GmbH; Maschinenfabrik Reinhausen Gebrueder Scheubeck GmbH and Co KG
Current assignee: Maschinenfabrik Reinhausen GmbH; Scheubeck GmbH and Co
Priority date: 2008-04-15
Filing date: 2008-04-15
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2028-04-16
Also published as: WO2009127297A1; DE102008018827A1; EP2269425A1; EP2269425B1; ES2636846T3

Abstract

Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas,
wobei in einem elektrisch nichtleitenden Gehäuse eine sich in Längsrichtung des Gehäuses erstreckende Kathode angeordnet ist,
wobei als Kathode ein Piezoelement (Piezotransformator) mit einem Primärbereich und mindestens einem senkrecht dazu polarisierten Sekundärbereich vorgesehen ist,
wobei am Primärbereich voneinander beabstandete Elektroden vorgesehen sind, zwischen denen eine Wechselspannung anlegbar ist,
wobei eine als Anode wirkende Gegenelektrode vorgesehen ist und wobei die als Gegenelektrode wirkende Anode auf Erdpotential liegt,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Gehäuse (21) eine Austrittsöffnung (17) aufweist,
dass im Bereich der Austrittsöffnung (17) die als Anode wirkende Gegenelektrode (15) angeordnet ist, derart, dass zwischen Sekundärbereich (3, 8) und Gegenelektrode (15) eine Atmosphärendruck – Bogenentladung (14) erzeugbar ist,
und dass das Gehäuse (21) an der der Austrittsöffnung (17) abgewandten Seite eine Gaseintrittsöffnung (24) aufweist.Device for generating a plasma,
wherein a cathode extending in the longitudinal direction of the housing is arranged in an electrically non-conductive housing,
wherein a piezo element (piezotransformer) having a primary region and at least one polarized secondary region is provided as the cathode,
wherein at the primary region spaced apart electrodes are provided, between which an AC voltage can be applied,
wherein a counter electrode acting as an anode is provided and wherein the anode acting as counter electrode is at ground potential,
characterized,
the housing (21) has an outlet opening (17),
the counter-electrode (15) acting as anode is arranged in the region of the outlet opening (17) such that an atmospheric-pressure arc discharge (14) can be generated between the secondary area (3, 8) and the counter-electrode (15),
and that the housing (21) on the side facing away from the outlet opening (17) has a gas inlet opening (24).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Atmosphärendruck-Plasmas. Eine solche Vorrichtung ist aus der EP 0 761 415 A2 bereits bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung wird durch eine Plasmaentladung und ein Arbeitsgas ein gebündelter Strahl eines reaktiven Mediums erzeugt. Die elektrische Entladung findet in Form einer Bogenentladung statt, die mit Hilfe einer Hochfrequenz-Wechselspannung betrieben wird. Dabei erstreckt sich ein Lichtbogen direkt zwischen den beiden Elektroden der Vorrichtung: Einer in einem Düsenrohr angeordneten zentrischen Stiftelektrode einerseits und der als Gegenelektrode wirkenden Mündung des Düsenrohrs andererseits.The invention relates to a device for generating an atmospheric pressure plasma. Such a device is from the EP 0 761 415 A2 already known. In this known device, a collimated beam of a reactive medium is generated by a plasma discharge and a working gas. The electrical discharge takes place in the form of an arc discharge, which is operated by means of a high-frequency AC voltage. In this case, an arc extends directly between the two electrodes of the device: a arranged in a nozzle tube centric pin electrode on the one hand and the counter electrode acting as the mouth of the nozzle tube on the other.

Diese bekannte Vorrichtung weist eine Reihe von Nachteilen auf. Zunächst einmal wird eine hohe Zündspannung von mehreren kV benötigt; die Betriebsspannung bewegt sich ebenfalls im kV-Bereich. Die in der Folge entstehende Bogenentladung – ein direkter Lichtbogen also – führt zu einer hohen Wärmeentwicklung und einem Absputtern der Elektroden. Weitere Nachteile sind die hohen Kosten und die Baugröße dieser Vorrichtung.These known device has a number of disadvantages. First of all becomes a high ignition voltage required by several kV; the operating voltage also moves in the kV range. In the The resulting arc discharge - a direct arc so - leads to a high heat development and a sputtering of the electrodes. Other disadvantages are the high cost and the size of this Contraption.

Aus der US 6 294 881 B1 ist eine geschlossene und unter Niederdruck stehende Entladungsröhre bekannt. Im Inneren der Entladungsröhre wird hierfür ein Plasma mittels einem als Kathode ausgebildeten Piezoelement und einer als Anode wirkenden Gegenelektrode erzeugt. Durch die gegenüberliegende Anordnung von Anode und Kathode bildet sich in diesem Zwischenraum der Entladungslampe ein effizientes Leuchten aus.From the US 6 294 881 B1 is a closed and low-pressure discharge tube known. For this purpose, a plasma is generated in the interior of the discharge tube by means of a piezoelectric element designed as a cathode and a counterelectrode acting as an anode. The opposite arrangement of anode and cathode forms an efficient lighting in this space of the discharge lamp.

Die Gegenelektrode der US 6 294 881 B1 hat dabei nur und ausschließlich die Funktion, im Inneren der Entladungsröhre ein homogenes Feld für ein möglichst homogenes Leuchten zu erzeugen. Indem die Aktivierungsenergie des erzeugten Plasmas weit unterhalb des Niveaus eines Plasmas nach Art einer atmosphärischen Bogenentladung liegt, ist diese Vorrichtung für eine nachweisbare Oberflächenbeeinflussung von Bauteilen ungeeignet.The counter electrode of US 6 294 881 B1 has only and exclusively the function of generating a homogeneous field inside the discharge tube for the most homogeneous possible illumination. By having the activation energy of the generated plasma well below the level of an atmospheric arc discharge plasma, this device is unsuitable for detectable surface modification of components.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Atmosphärendruck-Plasmas anzugeben, die diese Nachteile nicht aufweist und insbesondere auch mit Niederspannung betrieben werden kann.task The invention is an apparatus for generating an atmospheric pressure plasma indicate that does not have these disadvantages and in particular also can be operated with low voltage.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.These Task is performed by a device with the characteristics of the first Claim solved. The dependent claims relate to advantageous developments of the invention.

Die allgemeine Idee der Erfindung besteht darin, zur Erzeugung des Plasmas ein Piezoelement mit Primär- und Sekundärbereich zu verwenden. Dabei erfolgt die Ansteuerung des Primärbereichs des Piezoelementes mit Niederspannung und Hochfrequenz. In der Folge wird das Plasma durch die Feldüberhöhung auf der Fläche des Sekundärbereichs des Piezoelements gezündet. Erfindungsgemäß erfolgt die Plasmaführung durch Gegenelektrode und eine Gasströmung. Durch die Gasströmung tritt das Plasma aus der Vorrichtung aus.The general idea of the invention is to generate the plasma a piezo element with primary and secondary area to use. In this case, the activation of the primary area takes place of the piezo element with low voltage and high frequency. Subsequently the plasma is due to the field elevation the area the secondary area of the Piezo elements ignited. According to the invention the plasma guide by counter electrode and a gas flow. By the gas flow occurs the plasma from the device.

Ein Piezoelement zur Erzeugung eines Plasmas ist bereits aus der Veröffentlichung Teranishi, Suzuki, Itoh: A novel generation method of dielectric barrier discharge and ozone production using a piezoelectric transformer, Japanese Journal of Applied Physics, 2004, S. 6733–6739, bekannt.One Piezo element for generating a plasma is already from the publication Teranishi, Suzuki, Itoh: A novel generation method of dielectric barrier discharge and ozone production using a piezoelectric transformer, Japanese Journal of Applied Physics, 2004, pp. 6733-6739.

Eine weitere Anordnung, auch als Piezotransformator bezeichnet, mit einem solchen Piezoelement mit einem Primär- und einem Sekundärbereich, dort als Anregungszone und Hochspannungszone bezeichnet, ist aus der DE 10 2005 032 890 A1 und der dazugehörigen Nachanmeldung WO 2007/006298 A2 bekannt.Another arrangement, also referred to as a piezoelectric transformer, with such a piezoelectric element having a primary and a secondary region, there referred to as the excitation zone and high-voltage zone, is known from DE 10 2005 032 890 A1 and the associated subsequent application WO 2007/006298 A2 known.

Bei beiden Veröffentlichungen dient das Piezoelement dazu, eine Plasmaentladung an der Oberfläche des Sekundärbereiches zu erzeugen. Bei der Erfindung hingegen ist eine Gegenelektrode vorgesehen; damit wird erfindungsgemäß eine Bogenentladung erzeugt und gerade nicht, wie nach dem Stand der Technik, ein flächiges Plasma auf der Oberfläche des Sekundärbereichs des Piezoelementes.at both publications serves the piezoelectric element to a plasma discharge on the surface of secondary region to create. In the invention, however, is a counter electrode intended; Thus, an arc discharge is generated according to the invention and not just, as in the prior art, a planar plasma on the surface of the secondary area of the piezo element.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist im Gegensatz zur eingangs genannten EP 0 761 415 A2 die Kathode nicht als passives Element ausgelegt, sondern transformiert aktiv eine angelegte Niederspannung in eine Hochspannung.According to a further feature of the invention is in contrast to the aforementioned EP 0 761 415 A2 the cathode is not designed as a passive element, but actively transforms an applied low voltage into a high voltage.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Reihe von Vorteilen gegenüber den bekannten Lösungen auf. Zunächst einmal benötigt sie eine nur niedrige Betriebsspannung im Bereich von vorzugsweise 5...230 V. Ferner ist sie durch eine niedrige Plasmatemperatur gekennzeichnet; ein Absputtern und ein Abbrand der Kathode sind damit nahezu ausgeschlossen. Schließlich ist die erfindungsgemäße Vorrichtung preisgünstig herstellbar, da keine Hochspannungsquelle mehr erforderlich ist und weist zudem eine nur geringe Baugröße auf.The inventive device has a number of advantages over the known solutions. First once needed they have a low operating voltage in the range of preferably 5 ... 230 V. Furthermore, it is characterized by a low plasma temperature; a sputtering and burning of the cathode are thus almost impossible. After all is the device according to the invention inexpensive Can be produced because no high voltage source is required and also has a small size.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und ihre wichtigen Bestandteile sollen nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:The inventive device and its important components will be described below with reference to exemplary embodiments be explained in more detail. It demonstrate:

1a) bis 1d) verschiedene Ausführungsformen eines Piezoelemente, 1a ) to 1d ) various embodiments of a piezoelectric elements,

2 eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung, 2 a first device according to the invention,

3 eine zweite erfindungsgemäße Vorrichtung, 3 a second device according to the invention,

4 eine dritte erfindungsgemäße Vorrichtung mit kaskadierender Mehrfachanordnung, 4 a third device according to the invention with cascading multiple arrangement,

5a) und 5b) Detaildarstellung der in 4 gezeigten Ausführungsform. 5a ) and 5b ) Detail of the in 4 shown embodiment.

In 1a) und 1b) ist ein stabförmiges Piezoelement 1 mit einer Kontaktelektrode 2 und einer weiteren Kontaktelektrode 4 auf der Rückseite des Primärbereichs und einem daran anschließenden Sekundärbereich 3 gezeigt.In 1a ) and 1b ) is a rod-shaped piezo element 1 with a contact electrode 2 and another contact electrode 4 on the back of the primary area and an adjoining secondary area 3 shown.

In 1c) und 1d) ist ein rohrförmiges Piezoelement 5 mit einer Innenelektrode 6 und einer Außenelektrode 7 im Primärbereich sowie einem Sekundärbereich 8 gezeigt.In 1c ) and 1d ) is a tubular piezoelectric element 5 with an inner electrode 6 and an outer electrode 7 in the primary area as well as a secondary area 8th shown.

2 zeigt eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung 10. Das als Kathode wirkende Piezoelement weist an seiner Primärseite, wie bereits beschrieben, eine Kontaktelektrode 11 und auf der Rückseite, der abgewandten Seite also, eine weitere Kontaktelektrode 12 auf, die in dieser Darstellung nicht zu sehen ist. Ebenfalls dargestellt ist der Sekundärbereich 13 des Piezoelementes, in dem sich auf an sich bekannte Weise eine Flächenentladung bildet. Dazu wird das Piezoelement über die Kontaktelektroden 11, 12 mit einer Niederspannungsquelle 22 verbunden. Diese Niederspannungsquelle 22 liefert eine hochfrequente Niederspannung im Bereich von vorzugsweise 5...200 V. Durch die angelegte Niederspannung im Primärbereich des Piezoelementes wird in dessen Sekundärbereich 13 eine Hochspannung erzeugt; in der Folge bildet sich die beschriebene Flächenentladung auf der Oberfläche der Sekundärseite 13. Weiterhin gezeigt ist die sich ergebende Plasmaentladung 14. Zwischen dem Sekundärbereich 13, der als Elektrode wirkt, und der Gegenelektrode 15, die auf Erdpotential 19 liegt, bildet sich eine Bogenentladung aus. Weiterhin besitzt die Vorrichtung eine Austrittsdüse 16 mit einer Austrittsöffnung 17, durch die der Plasmaaustritt 18 erfolgt. An der entgegengesetzten Seite des Plasmaaustritts 18 befindet sich eine Zuführung 24 für das Arbeitsgas, dabei ist die Gasströmung 25 durch den Pfeil angedeutet. Ebenfalls dargestellt ist die Zuleitung 23 von der Niederspannungsquelle 22 zum Piezoelement. 2 shows a first device according to the invention 10 , The piezoelectric element acting as a cathode has on its primary side, as already described, a contact electrode 11 and on the back, the opposite side so, another contact electrode 12 on, which is not visible in this presentation. Also shown is the secondary area 13 of the piezoelectric element, in which a surface discharge is formed in a manner known per se. For this purpose, the piezoelectric element via the contact electrodes 11 . 12 with a low voltage source 22 connected. This low voltage source 22 provides a high-frequency low voltage in the range of preferably 5 ... 200 V. By the applied low voltage in the primary region of the piezoelectric element is in the secondary region 13 generates a high voltage; As a result, the described surface discharge forms on the surface of the secondary side 13 , Also shown is the resulting plasma discharge 14 , Between the secondary area 13 acting as an electrode and the counter electrode 15 that are at ground potential 19 lies, forms an arc discharge. Furthermore, the device has an outlet nozzle 16 with an outlet opening 17 through which the plasma emerges 18 he follows. On the opposite side of the plasma exit 18 there is a feeder 24 for the working gas, this is the gas flow 25 indicated by the arrow. Also shown is the supply line 23 from the low voltage source 22 to the piezo element.

Durch den Gasstrom 25, der über die Zuführung 24 in die Vorrichtung geleitet wird, wird das Plasmagas, das in der Plasmaentladung 14 in Form einer Bogenentladung entsteht, aus der Austrittsdüse 16 in Form eines strahlförmigen Plasmaaustritts 18 ausgeblasen. Die plasmaerzeugende Vorrichtung wird umschlossen von einem Gehäuse 20 mit einer isolierenden Gehäusewand 21.By the gas flow 25 , about the feeder 24 is passed into the device, the plasma gas that is in the plasma discharge 14 in the form of an arc discharge, from the outlet nozzle 16 in the form of a jet-shaped plasma exit 18 blown out. The plasma generating device is enclosed by a housing 20 with an insulating housing wall 21 ,

In 3 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. Dabei ist ein Plasmaerzeuger 10 mit einem rohrförmigen Piezoelement 30 als Kathode zur Erzeugung einer Plasmaentladung 34 vorgesehen. Wie bereits beschrieben, besitzt das Piezoelement einen Sekundärbereich 32, an dessen rohrförmiger Innenfläche die Plasmaentladung entsteht. Ferner dargestellt ist eine Gegenelektrode 33. Auch bei dieser Ausführungsform bildet sich also eine Bogenentladung aus, die in Form eines Plasmastrahls 35 mit der Gasströmung ausgeblasen wird.In 3 a further embodiment of the device according to the invention is shown. Here is a plasma generator 10 with a tubular piezoelectric element 30 as a cathode for generating a plasma discharge 34 intended. As already described, the piezoelectric element has a secondary region 32 , on the tubular inner surface of which the plasma discharge is produced. Also shown is a counter electrode 33 , In this embodiment as well, an arc discharge is formed which takes the form of a plasma jet 35 is blown out with the gas flow.

4 zeigt eine kaskadierende (Mehrfach-)Anordnung 40 von mehreren Plasmaerzeugern 41 mit Piezoelement als Kathoden-Elektrode. Die einzelnen Plasmaerzeuger 41 werden über eine zentrale Gaszuführung 44 mit einem Arbeitsgas angeströmt. Durch die Düsen tritt ein Plasmastrahl 43 aus, wobei die Elemente besonders vorteilhaft derart angeordnet sind, dass sich auf einem zu behandelnden Substrat 42 eine gleichmäßige Plasmaverteilung 45 ergibt. 4 shows a cascading (multiple) arrangement 40 of several plasma generators 41 with piezo element as cathode electrode. The individual plasma generator 41 be via a central gas supply 44 with a working gas flowed. Through the nozzles enters a plasma jet 43 from, wherein the elements are particularly advantageously arranged such that on a substrate to be treated 42 a uniform plasma distribution 45 results.

5a) zeigt eine Aufsicht auf eine solche kaskadierende Anordnung von Plasmaerzeugern 50 mit Piezoelementen. Die einzelnen Plasmaerzeuger, dies sind mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen, sind dabei nebeneinander und hintereinander angeordnet, um eine möglichst vollflächige Plasmabehandlung zu ermöglichen. 5a ) shows a plan view of such a cascading arrangement of plasma generators 50 with piezo elements. The individual plasma generators, these are a plurality of devices according to the invention, are arranged side by side and one behind the other in order to enable the most complete possible plasma treatment.

5b) zeigt eine Seitenansicht einer weiteren kaskadierenden Anordnung von Plasmaerzeugern mit Piezoelementen 51. 5b ) shows a side view of another cascading arrangement of plasma generators with piezo elements 51 ,

Aus diesen Beispielen ist ersichtlich, dass bei der Erfindung das Plasma durch eine Bogenentladung zwischen zwei Elektroden, d. h. eine Funkenstrecke gebildet wird. Dabei bildet der Sekundärbereich der Piezokeramik jeweils die eine Elektrode; nämlich die Kathode, die Gegenelektrode liegt jeweils auf Erdpotential. Bei der Erfindung ist also die Kathode nicht, wie aus dem Stand der Technik bekannt, als passives Element ausgebildet, etwa als stabförmige, metallische Elektrode im Zentrum eines Rohres, sondern stellt ein aktives Element dar, in dem eine (am Primärbereich angelegte) Niederspannung in eine Hochspannung (im Sekundärbereich) transformiert wird.Out From these examples it can be seen that in the invention the plasma by an arc discharge between two electrodes, d. H. a spark gap is formed. In this case, the secondary region of the piezoceramic forms in each case the one electrode; namely the cathode, the counter electrode is at ground potential. In the invention, therefore, the cathode is not, as is the case known in the art, designed as a passive element, such as rod-shaped, metallic Electrode in the center of a tube, but represents an active element in which one (at the primary area applied) low voltage in a high voltage (in the secondary area) transformed becomes.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es erstmals gelungen, die Vorteile einer Bogenentladung und in der Folge eines ausgeblasenen Plasmastrahls mit den Vorteilen eines Piezoelementes mit Primär- und Sekundärbereich zu verbinden.With the device according to the invention It has for the first time succeeded in taking advantage of an arc discharge and in the wake of a blown plasma jet with the benefits a piezo element with primary and secondary area connect to.

Claims

Apparatus for generating a plasma, wherein in a non-electrically conductive housing a extending in the longitudinal direction of the housing cathode is arranged, wherein the cathode is a piezoelectric element (piezotransformer) having a primary region and at least one perpendicular polarized secondary region is provided, wherein at the primary region spaced apart electrodes are provided between which an AC voltage can be applied, wherein an anode acting as a counter electrode is provided and wherein the anode acting as a counter electrode is at ground potential, characterized in that the housing ( 21 ) an outlet opening ( 17 ) that in the region of the outlet opening ( 17 ) acting as an anode counter electrode ( 15 ) is arranged such that between secondary area ( 3 . 8th ) and counterelectrode ( 15 ) an atmospheric pressure arc discharge ( 14 ) is producible, and that the housing ( 21 ) at the outlet ( 17 ) facing away from a gas inlet opening ( 24 ) having.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the piezoelectric element ( 1 ) is rod / block-shaped and electrodes ( 2 . 4 ) on opposite sides of the primary region.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the piezoelectric element ( 5 ) is tubular and that an inner electrode ( 6 ) inside the tube and an outer electrode ( 7 ) are arranged on the outer circumferential surface of the tube in each case in its primary region.

Device according to one of claims 1 to 3, characterized that several identical devices are arranged in a cascading manner.