Vorrichtung zur Erzeugung eines Atmosphärendruck-Plasmas

Abstract

 Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Atmosphärendruck-Plasmas, bei der es während des Betriebes, trotz auftretender Temperaturschwankungen, zu keinen Leistungsverlusten im verwendeten Piezoelement kommt und die auch bei steigender Betriebsdauer eine annähernd gleichbleibend hohe Wandlungseffizienz der Piezoelemente sicherstellt. Dafür weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Ansteuerplatine auf, die aus einem Frequenz- und Spannungswandler sowie einem Regelkreis besteht, die das Verhalten des piezokeramischen Elements überwacht und den optimalen Betriebspunkt bei Abweichungen nachregelt.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Atmosphärendruck-Plasmas.

[0002] Plasma, auch bekannt als der "vierte Aggregatszustand", entsteht, wenn man einem gasförmigen System kontinuierlich Energie zuführt, bis sich eigenständig große Mengen an freien Elektronen bilden. Dadurch werden in dem System einige neutrale Atome oder Moleküle des Gases aktiviert, um negativ geladene Elektronen, positiv oder negativ geladene Ionen und andere Spezies zu entwickeln. Der hohe wirksame Energiehaushalt von Plasmen erlaubt es, Anwendungsprozesse zu fahren, die während der üblich bekannten Zustände von Materie schwierig oder gar unmöglich sind. Insbesondere eignet sich "kaltes" Plasma, bei dem die Neutralgastemperatur relativ gering ist und sich dabei bevorzugt im Zimmertemperaturbereich bewegt, die Oberflächen von thermisch empfindlichen Substraten zu behandeln bzw. diese chemisch-physikalisch zu verändern.

[0003] Unter Oberflächenbehandlung wird in diesem Zusammenhang ein Prozess verstanden, bei dem die Oberfläche eines Substrats mittels Plasma konditioniert, aktiviert oder in sonstiger Weise durch das Plasma modifiziert oder gereinigt wird. Erforderlich ist eine derartige Oberflächenbehandlung mittels Plasma beispielsweise bei vielen thermoplastischen Kunststoffen, aber auch bei anderen thermisch sensiblen Substraten, deren Oberflächen eine sehr geringe Oberflächenenergie aufweisen, so dass eine Benetzung mit einer Flüssigkeit mit höherer Oberflächenspannung erschwert wird. In Folge dessen kommt es zum Abperlen der Flüssigkeit und somit auch zu einem schlechten Aufbau einer Verbundfestigkeit wie z. B. zu Klebstoffen. Entscheidend für eine erfolgreiche Oberflächenbehandlung ist es, die Oberflächen von Substraten nicht ungewollt zu schädigen, so z. B. die Materialfestigkeit oder Zähigkeit zu schwächen. Dabei muss verhindert werden, dass die Oberfläche der Substrate auf Grund von zu hohen thermischen Einwirkungen an- oder aufgeschmolzen wird oder es zu sonstigen unbeabsichtigten chemischen Reaktionen kommt. Dazu eignet sich insbesondere "kaltes" Plasma.

[0004] Eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung eines Atmosphärendruck-Plasmas ist aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Prioritätsanmeldung DE 10 2008 018 827.1-54 der Anmelderin bekannt. Hierin wird eine Vorrichtung beschrieben, bei der innerhalb einer dielektrisch isolierten Gehäusewand ein Piezoelement mit einem Primär- und mindestens einem dazu senkrecht polarisierten Sekundärbereich angeordnet ist. Zur Erzeugung eines Plasmas wird der Primärbereich des Piezoelements mit Niederspannung und Hochfrequenz angesteuert, wodurch sich in Folge dessen auf Grund der Feldüberhöhung auf der Fläche des Sekundärbereiches ein Plasma ausbildet. Dieses an dem Sekundärbereich des Piezoelements erzeugte Plasma wird durch eine zusätzlich vorgesehene Gegenelektrode, die auf Erdpotential liegt, zu einer Bogenentladung gezwungen und mittels eines Arbeitsgases an der stirnseitigen Öffnung des Entladungsrohres ausgeblasen.

[0005] Verantwortlich für die Ausbildung eines Plasmas an dem Piezoelement ist der piezoelektrische Effekt mit seinen spezifisch physikalischen Eigenschaften. Dabei hat sich gezeigt, dass die beim genannten Stand der Technik verwendeten Piezokeramiken extrem temperaturabhängig sind. Bereits bei einer Abweichung von +/- 2°C wird der optimale Betriebspunkt deutlich verfehlt, wodurch sich die maximale Leistung der bekannten Vorrichtung um mehr als 10% verringert. Bei der bekannten Vorrichtung sind keine Maßnahmen vorgesehen, die diesem Effekt entgegenwirken.

[0006] Weiterhin unterliegt die Polarisation der piezokeramischen Elemente der bekannten Vorrichtung einem nicht vernachlässigbaren Alterungsprozess, der sich mit steigender Betriebsdauer durch eine negative Wandlungseffizienz bemerkbar macht. Dieser Effekt ist nicht wünschenswert und beeinflusst ungewollt die erzielbaren Behandlungsergebnisse der Plasmabehandlung.

[0007] Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Atmosphärendruck-Plasmas der eingangs genannten Art bereit zu stellen, bei der es während des Betriebes, trotz auftretender Temperaturschwankungen, zu keinen Leistungsverlusten im verwendeten Piezoelement kommt. Weiterhin ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine baulich einfache und betriebsmäßig sichere Lösung dafür zu finden, die auch bei steigender Betriebsdauer eine annähernd gleichbleibend hohe Wandlungseffizienz der Piezoelemente sichert.

[0008] Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Atmosphärendruck-Plasmas mit den Merkmalen des ersten Schutzanspruches gelöst. Die Unteransprüche betreffen besonders vorteilhaft Weiterbildungen der Erfindung.

[0009] Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist dafür eine Ansteuerplatine auf, die aus einem Frequenz- und Spannungswandler sowie einem Regelkreis besteht, die das Verhalten des piezokeramischen Elements überwacht und den optimalen Betriebspunkt bei Abweichungen nachregelt.

[0010] Unter dem optimalen Betriebspunkt wird in diesem Zusammenhang der Resonanzfall des Systems, also die Phasengleichheit von Strom und Spannung verstanden, in dem das verwendete Piezoelement seine höchste Leitfähigkeit besitzt. Gleichzeitig hat das Piezoelement hier auch die höchste Wandlungseffizienz von an der Primärseite eingekoppelter Niederspannung zur sekundärseitig gewandelten Hochspannung und damit die stärkste Feldüberhöhung. Die starke Feldüberhöhung wiederum ist das ausschlaggebende Moment für eine gewollt effiziente Plasmaausbildung. Maßgeblich beeinflusst wird der optimale Betriebspunkt jedoch von der bereits erwähnten Temperaturentwicklung des Piezoelements während des Betriebs der Vorrichtung. Um diesem Effekt entgegenwirken, wird daher erfindungsgemäß eine Ansteuerplatine vorgeschlagen, die die Admittanz, also den Quotienten aus Strom und Spannung misst und die Vorrichtung über die Steuerung der Frequenz in den Resonanzfall nachregelt. In diesem Punkt nimmt der Wert der Admittanz sein Maximum an, so dass über eine gezielte Regelung der Phase eine Einstellung der Vorrichtung in den Resonanzfall möglich ist.

[0011] Als besonders geeignet hat sich die Phase-locked loop, der sogenannte Phasenregelkreis, nachfolgend mit PLL bezeichnet, erwiesen. Bei der PLL sorgt ein Phasendetektor für die automatische Abstimmung eines Oszillators. Der Regelkreis mit Phasendetektor in der PLL sorgt dabei für ein phasengleiches Signal. Die Frequenz des Ausgangssignals der PLL (Oszillator-Ausgang) läuft, sofern nicht anders beschaltet, mit der gleichen Frequenz wie das Referenzsignal. Stellt man zwischen dem Oszillator-Ausgang und dem Komparator-Eingang ein Teilungsverhältnis "n" her, so läuft das Ausgangssignal des Oszillator zwar immer noch phasenstarr, aber mit der n-fachen Frequenz des Referenzsignals. Die Frequenz eines freilaufenden spannungsgeregelten Oszillators wird durch einen (i. A. einstellbaren) Teiler in den Frequenzbereich der Vergleichsfrequenz heruntergeteilt. Der Phasenunterschied zwischen der vom Oszillator abgeleiteten Frequenz und einer zweiten, meist quarzgesteuerten, hoch konstanten Vergleichsfrequenz, wird in einem Phasenkomparator ermittelt und als Regelspannung wieder dem Oszillator zugeführt. Dadurch wird die Frequenz des Oszillators exakt auf das im Teiler eingestellte Vielfache der Vergleichsfrequenz geregelt.

[0012] Durch das Hochmultiplizieren der Vergleichsfrequenz wird dem Ausgangssignal der PLL allerdings eine Rauschkomponente hinzugefügt, da nicht nur die Frequenz, sondern auch die Schwankungen der Frequenz multipliziert werden. Diese Rauschkomponente ist meist unerwünscht. Die Güte einer PLL bemisst sich deshalb insbesondere an der spektralen Reinheit und der Rauscharmut der Ausgangsfrequenz.

[0013] Die Arbeitsweise einer PLL lässt sich daher vereinfacht wie folgt beschreiben:

∘ Vorgabe einstellen

∘ Einstellung prüfen

∘ ist die Einstellung ungenau, wird nachgeregelt - anderenfalls nicht

∘ Kreislauf beginnt von neuem

[0014] Wenn die Oszillator-Frequenz von der Referenz abweicht, wird im Komparator ein Fehlersignal erzeugt, das den Oszillator nachregelt. Dabei wird die Frequenz wegen der unvermeidlichen Laufzeit in den Schaltungsbausteinen über das Ziel hinausschwingen. Folge ist, dass die Oszillator-Frequenz nun in der anderen Richtung ein kleines Stück abweicht. Deshalb muss die Frequenz wieder nachgeregelt werden. Wenn das Nachregeln in sehr schneller Folge vorgenommen wird, kann es durch Laufzeiten zu einer Phasenverschiebung der Regelspannung kommen, wodurch sich die Gegenkopplung in eine Mitkopplung verwandelt und der Regler zu schwingen beginnt. Daher muss eine Frequenzkompensation durch einen Tiefpass (RC-Glied) erfolgen, was jedoch zu einer Verzögerung des Regeleinsatzes führt. Damit wird ein von der Dimensionierung des Tiefpasses abhängiger Toleranzbereich eingefügt.

[0015] Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist das verwendete Piezoelement mittels einer Klemmverbindung lösbar in einem dielektrischen Bereich eines Gehäuse angeordnet, so dass es bei sinkender Wandlungseffizienz auf Grund von Alterungserscheinungen einfach ausgewechselt werden kann.

[0016] Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Ansteuerplatine in unmittelbarer Nähe zum Piezoelement, beispielsweise im Gehäuse der erfindungsgemäßen Vorrichtung, angeordnet. Durch die hohe eingekoppelte Frequenz wirken verwendete Verbindungsleitungen wie Antennen, die elektromagnetische Wellen abstrahlen und somit die nutzbare elektrische Leistung reduzieren. Durch die räumliche Nähe der Ansteuerplatine zum Piezoelement sind kurze Verbindungsleitungen möglich, in denen nur mehr eine vernachlässigbare Verlustleistung bei Ansteuerung des Piezoelements mit Hochfrequenz auftritt.

[0017] Die Erfindung soll nachstehend an Hand von Zeichnungen noch beispielhaft näher erläutert werden:

[0018] Die Figuren zeigen:

Fig.1

eine Zusammenstellungszeichnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung eines Atmosphärendruck-Plasmas in seitlicher Schnittdarstellung

Fig. 2a und b

einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung eines Atmosphärendruck-Plasmas

Fig.3

einen Ausschnitt einen weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung eines Atmosphärendruck-Plasmas.

[0019] Die Figur 1 zeigt eine Zusammenstellungszeichnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung eines Atmosphärendruck-Plasmas in einer seitlichen Schnittdarstellung mit einem vorzugsweise rotationssymmetrischen Gehäuse 1, das an seinem stirnseitigen Ende eine Austrittsöffnung 2 aufweist, die von einer elektrisch isolierenden Endkappe 3 gebildet wird. Auf der der Austrittöffnung 2 abgewandten Seite des Gehäuses 1 ist eine mit einer Gasleitung 5 verbindbare Gaseintrittsöffnung 4 und eine Zuleitung 6 für eine Spannungsversorgung der Vorrichtung vorgesehen, wobei beide Leitungen in einer Leistungsversorgungseinrichtung 7 münden. Die Leistungsversorgungseinrichtung 6 ist nur schematisch dargestellt und aus Gründen der Vollständigkeit abgebildet, wird jedoch nicht beansprucht. Weiterhin ist die Zuleitung 6 mit einer im Inneren des Gehäuses 1 angeordneten Ansteuerplatine 8 leitend verbunden. Im Bereich der dielektrischen Endkappe 3 ist zudem ein Taster 9 vorgesehen, der mit der Ansteuerplatine 8 kontaktiert ist und mittels dem sowohl der Gasstrom, als auch die Leistungsversorgung der Vorrichtung über die Leistungsversorgungseinrichtung 7 beschaltet werden können. Der Gasstrom wird über die Gaseintrittsöffnung 4 in das Gehäuse 1 eingeleitet, derart, dass dieser an der innerhalb des Gehäuses 1 positionierten Ansteuerplatine 8 in Pfeilrichtung vorbeiströmt und diese kühlt, bevor er seinem bestimmungsgemäßen Aggregatszustand, nämlich Plasmas, überführt wird. Die eingangs beschriebene Steuerung und Regelung der Leistung der Vorrichtung wird erfindungsgemäß von der Ansteuerplatine 8, aufweisend einen Frequenz- und Spannungswandler sowie einem Regelkreis, übernommen. Die Bauteile auf der Ansteuerplatine 8 sind aufgelötet und untereinander über Leiterbahnen verbunden. Zudem ist in direkter Nähe zur Ansteuerplatine 8 ein bevorzugt quaderförmiges Piezoelement 10 mit einem Primärbereich und mindestens einem dazu senkrecht polarisierten Sekundärbereich angeordnet und mit diesem über nicht abgebildete elektrische Leitungen verbunden. Dabei wird das Piezoelement 10 vorzugsweise lösbar und zentrisch im Inneren der dielektrischen Endkappe 3 durch eine Klemmverbindung 11 gehalten. Näher beschrieben wird die Klemmverbindung 11 in den Ausführungen zu Figur 2 und 3. Zur Erzeugung eines Plasmas wird das Piezoelement 10 im Primärbereich mit Niederspannung, vorzugsweise von 5...200V beaufschlagt, so dass sich in Folge im Sekundärbereich eine Flächenentladung auf der Oberfläche ausbildet, die mittels des Gasstroms durch die Austrittsöffnung 2 ausgeblasen wird. Als Gasarten sind beispielsweise Argon, Helium oder auch Sauerstoff einsetzbar.

[0020] Figur 2a zeigt eine Klemmverbindung 11, bestehend aus zwei Halbschalen 12a und b, die über Verbindungsschrauben 13a und b das Piezoelement 10 lösbar und zentrisch aufnehmen. Über zwei weitere Schrauben 14a und b ist die Klemmverbindung 11 samt zentrisch positioniertem Piezoelement 10 an der dielektrischen Endkappe 3 fixierbar. Da es während des Betriebs der Vorrichtung zu Schwingungen in dem Piezoelement 10 kommt, wird dieses besonders bevorzugt in einem Schwingungskontenpunkt zwischen den zwei Halbschalen 12a und b fixiert, derart, dass das Piezoelement 10 in einer möglichst stabilen Lage gehalten wird. Durch die Verwendung von Schrauben zum Verbinden der Einzelteile aus Figur 2a, ist das Piezoelement 10 bei sinkender Wandlungseffizienz unkompliziert austauschbar und gegen ein neues Element zu ersetzen. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Klemmverbindung 11 bei dieser Ausführungsform aus einem thermisch resistenten und elektrisch isolierenden Kunststoff gefertigt wird. Figur 2b zeigt die eben beschriebene Figur 2a in einem eingebauten Zustand in einer dielektrischen Endkappe 3, lösbar befestigt mittels der Schrauben 14a und b.

[0021] Abweichend der Figuren 2a und b werden in Figur 3 keine mittels Schrauben 13a und b verbundenen Halbschalen 12a und b verwendet, sondern einfache Federklemmen 15a und b. Diese klemmen das quaderförmige Piezoelement 10 an wenigsten zwei der jeweils gegenüberliegenden Seitenflächen ein, so dass dieses durch einfaches Herausziehen bei auftretendem Verschleiß ausgewechselt werden kann. Die Federklemmen 15a und b sind dabei aus einem verhältnismäßig biegefesten und besonders bevorzugt, aus einem elektrisch leitendem Material, ausgebildet. Damit wird zum einen gewährleistet, dass sich das Piezoelement 10 nicht unbeabsichtigt entgegen der fixierten Position zwischen den Federklemmen 15a und b verschiebt und andererseits die erforderliche Spannung nicht direkt über das Piezoelement 10 eingekoppelt werden muss, sondern indirekt über die elektrisch leitenden Federklemmen 15a und b werden kann.

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Erzeugung eines Atmosphärendruck-Plasmas,
aufweisend ein Gehäuse (1) mit einer dielektrischen Endkappe (3),
wobei innerhalb des Gehäuses (1), im Bereich der Endkappe (3), ein sich in Längsrichtung des Gehäuses (1) erstreckendes Piezoelement (10) mit einem Primärbereich und mindestens einem dazu senkrecht polarisierten Sekundärbereich angeordnet ist,
wobei eine stirnseitige Austrittsöffnung (2) des Gehäuses (1) von der Endkappe (3) gebildet wird,
wobei an der der Austrittsöffnung (2) abgewandten Seite des Gehäuses (1) eine Gaseintrittsöffnung (4) vorgesehen ist,
wobei an dem Piezoelement (10) eine Wechselspannung angelegt wird,
wobei das Piezoelement (10) mittels einer Klemmverbindung (11) lösbar im Bereich der Endkappe (3) befestigt ist,
und wobei innerhalb des Gehäuses (1) eine Ansteuerplatine (8) mit einem Phasenregelkreis vorgesehen ist, derart, dass das Piezoelement (10) damit steuer- und regelbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Klemmverbindung (11) aus zwei Halbschalen (12a und b) mit einer vorzugsweise zentrischen Aufnahme für das Piezoelement gebildet wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Klemmverbindung (11) als Federklemme (15a und b) ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ansteuerplatine (8) in unmittelbarer Nähe zum Piezoelement (10) positioniert wird.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass im Bereich der Ansteuerplatine (8) ein Taster (9) vorgesehen ist, mittels dem sowohl der Gasstrom, als auch die Leistungsversorgung beschaltet werden.

Zeichnung