（无线电物理专业论文）基于微带缝环谐振器的小功率微波等离子体激励的研究.pdf

摘要 近年来，随着微机电系统( m e m s ) 的广泛应用，研制可集成于m e m s 的 微带型微等离子体源日益成为热点。这种微等离子体源具有体积小、易集成、方 便携带的优点，并能在小功率、常压空气中持续放电。基于此微等离子体的微系 统，在微生物分析系统、生物m e m s 杀菌消毒、微化学分析系统、小尺寸材料 处理及微推进器等领域有着广泛的应用前景。 本文设计了一种基于微带缝隙环谐振器的微波等离子体( m s r r m 口) 源， 并对其工作原理和等离子体放电特性进行了深入的理论分析和实验研究。 首先介绍了低温等离子体技术和微带线及微带线谐振器理论，作为结构设计 优化的理论基础。建立了m s r r m i p 源的等效传输线电路模型，导出了输入阻 抗、缝隙电压等谐振器电参数的闭式解，并给出等离子体阻抗计算公式。理论上 分析了等离子体的气体放电特性以及放电对m s r r m i p 源的影响，重点讨论等 离子体阻抗和功率效率两个放电激励特性。研究表明，缝环谐振器微波等离子体 源与等离子体阻抗的匹配是制约放电的关键因素，甚至比谐振器品质因数更重 要。 基于上述理论和分析，用h f s s 软件对器件物理尺寸进行仿真和优化，设计 出2 0 0 w n 、1 0 0 , t a n 、2 5 a n 三种缝隙尺寸的m s r r m 口源。按照设计尺寸制作 了电路板，搭建实验系统，成功激励出等离子体，并测量有载情况下谐振器的谐 振频率和电压反射系数s l l ，计算出该实验系统和条件下等离子体阻抗。实验证 明了理论分析和仿真设计结果的正确性和可靠性。 另外还研制了改进的无阻抗匹配网络的直接馈电m s r r m m 源，不仅实现 了尺寸上更小型化，也获得了对小功率、常压气体微波放电更有利的高电场条件。 关键词： 微带缝环谐振器等效电路模型等离子体阻抗数值仿真等离子体激励 a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o n so fm i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e r m s ( m e m s ) h a v eb r o a d e n e d i nr e c e n ty e a r s g r e a te f f o r t st of a b r i c a t em i c r o p l a s m as o u r c e sb a s e do nm i c r o s t i p s t r c t u r et h a tc a nb ei n t e g r a t e dw i t ho t h e rm e m sd e v i c e sh a v eb e e nm a d e s u c h m i c r o p l s m as o u r c e sc 柚b ei n t e g r a t e di n t os m a l ls c a l ep o r t a b l ed e v i c e sa n do f f e rt h e a d v a n t a g e so fs m a l ls i z e ，l o wp o w e r , l o n g - t i m eo p e r a t i o nu n d e rn o r m a la t m o s p h e r i c p r e s s u r e p l a s m a - b a s e dm i c r o s y s t e m sc a nf i n da p p l i c a t i o n si nm i c r o b i a la n a l y s i s s y s t e m ，b i o m e m ss t e r i l i z a t i o n ，m i c r o c h e m i c a la n a l y s i ss y s t e r n s ，s m a l l s c a l e m a t e r i a l sp r o c e s s i n ga n dm i c r o p r o p u l s i o n am i c r o w a v e - i n d u c e dm i c r o p l a s m as o u r c eb a s e do n am i c r o s t r i p s l i t r i n g r e s o n a t o r ( m s r r - m i p ) h a sb e e nd e s i g n e d , a n d i t s w o r k i n gp r i n c i r i l e sa n d c h a r a c t e r i s t i c so fm i c r o p l a s m ad i s c h a r g ea r ea n a l y z e de x t e n s i v e l ya n dv a l i d a t e db y e x p e r i m e n t s f i r s t l y , t h el o w - t e m p e r a t u r ep l a s m aa n dm i c r o s t r i p r e s o n a t o r t h e o r y a r e i n t r o d u c e da st h ed e s i g nb a s i s t h e nt h em s r r m i ps o u r c ed e v i c ei sm o d e l e da n d a n a l y z e da sam i c r o w a v et r a n s m i s s i o nl i n ec i r c u i t t h em o d e li d e n t i f i e st h ee l e c t r i c a l p a r a m e t e r so ft h ed e v i c e ，i n c l u d i n gi n p u ti m p e d a n c e ，v o l t a g ea c r o s st h eg a pa n d p l a s m ai m p e d a n c ei nt h ef o r m u l a t i o no fc l o s e d - f o r me x p r e s s i o n t h ed i s c h a r g et r a i t s a n da f f c c t i o nt ot h er e s o n a t o ra r ea n a l y z e di nt h e o r y , e s p e c i a l l yt h ea f f e c t i o no f p l a s m ai m p e d a n c ea n de n e r g ye f f i c i e n c y i t c 粕b ef o u n dt h a t m a t c h i n go ft h e m i c r o s t r i pc h a r a c t e r i s t i ci m p e d a n c e w i t ht h em i c r o p l a s m ai m p c d a n e ei st h ek e yf a c t o r f o rt h ep e r f o r m a n c eo ft h ed e v i c e a n de v e nm o r ec r i t i c a lt h a nt h eq u a l i t yf a c t o ro ft h e r i n gr e s o n a t o r b a s e do nt h et h e o r ya n a l y s i sa b o v e ，t h es t r u c t u r eo f m i c r o s t r i pl i n ea n dr e s o n a t o r s i m u l a t e da n do p t i m i z e du s i n gh f s ss o f t w a r ea n dt h r e es p l i t w i d t hr e s o n a t o r s 2 0 0p r o ，1 0 0r a na n d2 5 脚w ，a r ef a b r i c a t e d t h em i c r o p l a s m ad i s c h a r g e si nt h el o w p r e s s u r ea i ra r eo b t a i n ds u c c e s s f u l l y t h er e s o n a n c ef r e q u e n c ya n dv o l t a g er e f l e c t i o n t o e f f i c i e n ts 1 1a r em e a s u r e dw i t ht h ep l a s m aa st h et e r m i n a ll o a d ，a n dt h ee q u i v a l e n t p l a s m ai m p e d a n c ei sc o m p u t e d e x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t et h ev a l i d i t ya n dr e l i a b i l i t y 0 ft h ea n a l y s i sa n ds i m u l a t i o no ft h ep e l l na d d i t i o n a ni m p r o v e dm s r r m i ps o u r c ef e dd i r e c t l yw i t h o u tt h ei m p e d a n c e m a t c h i n gn e t w o r ki sd e v e l o p e d i tf e a t u r e ss m a l l e rs i z ea n dm o r ee f f i c i e n c yt oo b t a i n t h eg a sd i s c h a r g eu n d e rt h en m m a la i rp r e s s u r e k e yw o r d s ： m i c r o s t i ps p l i t - r i n gr e s o n a t o r , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，e q u i v a l e n t c i r c u i tm o d e l ， m i c r o p l a s m ai m p e d a n c e ，m i c r o p l a s m ae x c i t a t i o n 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发 表或撰写过的研究成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 作了明确说明并表示谢意 作者签名：盘妇垒日期：芝互! i 授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留，使用学位论文的规定，学校有权保 留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版有权将 学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将 学位论文的内容编入有关数据库进行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出 版保密的学位论文在解密后适用本规定 糊蝴始起蝌撇名：燃 日期：迹纽日期：竺2 ：! ：2 华东师范大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题的研究背景和意义 等离子体是由电子和离子群组成的近似电中性的电离气体【“，根据温度分为 高温等离子体和低温等离子体。高温等离子体温度达到1 0 ，0 0 0 e v 以上，相当 于1 0 0 ，0 0 0 ，0 0 0 摄氏度，这么高温度的物质，多存在于宇宙空间，通常条件下 无法应用。工业和科学研究中的等离子体是低温等离子体，通常在几至几十e v 之间。根据电子与离子( 中性粒子) 的热平衡状态，低温等离子体又分为：非平 衡态等离子体( 冷等离子体) ，温度接近或略高于环境温度；平衡态等离子体( 热 等离子体) ，温度在几千度以上。下文所说的等离子体是指低温等离子体。 等离子体中有大量的带电粒子和激发态粒子，可分离获得高密度、大流量电 子柬、离子束，激发态粒子则可用于激光输出或者为低温下的化学反应提供能量。 由于等离子体是受电磁场激发的，因此可以通过电磁场将其约束在局部地区，不 仅不损坏器壁，还可得到高能流密度，可用于材料局部微加工。由于电磁场控制 能流方向这一特性，等离子体可用于刻蚀、离子注入等半导体加工技术。这些 应用通常都期望大面积均匀可控的高密度等离子体。 近年来，随着微机电系统( m e m s ) 应用的日益广泛，研究可集成于m e m s 的微等离子体源日益成为热点。微等离子体源能产生可控制的小尺寸放电( 微等 离子体) ，应用于生物m e m s 杀菌消毒、小尺寸材料处理及微化学分析系统。微 等离子体源具备以下的优点：低成本、小体积、易集成于微集成电路中，构成更 大规模的微系统，制作以上应用的便携式设备。另一方面，便携式设备中的微等 离子体源也有其局限性：功率小、真空度要求高。因此，研究小功率、工作在大 气压( 常压) 下的微等离子体源就成了热点，因其避免了使用大功率源和昂贵庞 大的真空泵，降低了系统成本及由此带来的系统不可靠性等【2 1 1 3 】。 概括起来，微等离子体的应用主要集中在：化学和环境科学，如质量、离子 机动性和光发射分光计；生物医学，如杀菌消毒、细胞疗法、生物兼容涂层等； 局部材料处理，如刻蚀、沉积、净化和表面处理；光源，如u v 光源等【4 j 。 微等离子体的产生方式有直流、射频、微波等。近些年来，已经出现了各种 各样的微等离子体源。及其在不同便携式设备中潜在的应用。1 0 0 7 6 0t o r t ( 1 3 3 1 0 1 3 p a ) 压强下h e 气直流等离子体源，用于光学散射探测和硅的局部微 加工1 5 1 1 6 】h 。微制作的液体电极产生直流辉光放电，用于金属的光谱测定l 射。m i c r o h o l l o w 阴极，通以约3 0 0 v 直流，可在大气压下激发出等离子体，作为u v 光源 9 1 1 1 0 l 。小型化介质阻挡放电，用于气体分析1 1 1 l 。但直流的微等离子体源，存在 华东师范大学硕士学位论文第一章绪论 对电极的溅射腐蚀，不能维持很长时间的放电。r f 放电，尤其是感性耦合放电 持续时间比直流放电时间长。微等离子体源工作在容性耦合模式1 1 2 1 【1 3 】和感性耦 合模式【1 4 l 。微波等离子体源体积更小，同时还具有结构简单、坚固、使用寿命 同比更长等的优势，最近基于线性微带谐振器的微波等离子体源也有相关研究 【1 5 j 1 1 6 l 。 等离子体在国内的应用主要集中于半导体加工行业，同时在材料处理、医疗、 污染处理等方面的应用也日益受到重视【切，微波等离子体原子发射光谱法测定 碱金属元素，也见诸报道i 储】。微等离子体的研究和应用，国内目前主要是发展 迅猛的材料改性技术，典型的就是微等离子体氧化技术，它直接在有色金属表面 原位生长陶瓷膜层，利用材料表面微孔的火花放电产生高温微等离子体实现氧化 1 1 9 l 。一种在并行探针针尖上集成的微等离子体发生器，微空心阴极放电，可实 现无掩模扫描等离子体加工，用于小批量、多品种微纳米器材的加i 2 0 ) 。而关 于微带型微等离子体源的研究，在国内还未见相关报道，本课题旨在研究一种基 于微带缝环谐振器的容性耦合微波等离子体源及其激励。 1 2 电容耦合型等离子体源的发展现状 目前，在已研究的各种不同类型低温等离子体源中，射频放电原理的平板电 容耦合型等离子体源，使用最为广泛，尤其在微电子领域。这种等离子体源的原 型是在2 0 世纪7 0 年代开发出来的，其最大的优点是大面积均匀性，缺点是等离 子体密度和离子能量不能独立控制，等离子体密度一般为1 0 # c m - 3 | 切。2 0 世纪舳 年代以后，许多高密度等离子体源( h d p ) 开发出来，典型的有采用微波电源的 e c r ( 电子回旋共振) 、d e c r ( 分布式电子回旋共振) 、和表面波等离子体源、 螺旋波等离子体源以及采用射频电源的i c 胛c p ( 电感耦合等离子体) 等离子体 密度一般都达到和超过1 0 “锄。3 。 然而这些研究几乎都围绕在半导体加工应用、材料表面改性、冶金等工业中， 期望获得大面积均匀可控的高密度等离子体。随着这些领域中小尺寸、局部精细 加工的需求增长，研制微小尺寸可控等离子体源逐渐形成研究热点。而且通常的 等离子体源都要求有昂贵的真空设备，系统成本高，因此研究工作在大气压下的 微等离子体源意义重大。结合本课题研究，下面主要讨论已出现的两种大气压下 微带结构电容耦合型微等离子体源【1 3 j 【2 】： 一种实现于石英晶体上的光学散射等离子体源【”】，尺寸小至0 2 5 * 0 2 5 * 5 m m h e 等离子体，平行板、电容耦合几何结构、大气压下工作，频率1 3 5 6 m h z ， 功率5 - 2 5 w 功率源，气体流密度在1 7 1 5 0 m l m i n ，自激发( s e l f - i g n i t i n g ) 平行 板电容耦合对于在单片芯片上产生和维持等离子体放电近乎是最理想的选择，因 华东师范大学硕士学位论文第一章绪论 为电极结构非常简单，不需要调谐结构。 原理图： 图1 1 容性耦合微等离子体剖分原理图，改变耦合功率到等离子体的 金属带条长度可以改变等离子体长度 图1 1 中，石英板的形状和大小可以根据用户需求改变。设计中，等离子体气体 通过一个插入管在芯片末端通入炬( t o r c h ) ，或者，可以挖一个插入洞穿过其中 的一个石英板，然后进入渠道，为h e 气等离子体提供路径。这种情况下，渠道 的另外一头必须用环氧树脂堵起来。提供等离子体气体到的方法可以根据用户需 要调整炬( t o r c h ) 。 f e l i p ei z a 和j e f f r e ya h o p w o o d 在2 0 0 3 年研制了一种基于微带缝环谐振器 的小功率微波等离子体源l “，工作压强从0 0 5 t o r t ( 6 7 p a ) 到一个大气压。谐振 器工作频率为9 0 0 m h z ，品质因数为3 3 5 。在宽气压范围，实现了功率小于3 w 的氩气和空气的自激发放电。并在4 0 0 m t o n ( 5 3 3 p a ) 、0 5 w 输入功率下，测得 1 3 x 1 0 1 1 c t n 4 的氩气等离子体密度，当气压上升到一个大气压时，0 5 w 的功率仍 可以维持放电。而且，1 w 的功率可以维持氩气在常压下放电2 4 小时，同时对 源没有造成明显损伤。 2 0 0 4 年他们又继续发表了对工作在9 0 0 m h z 缝环谐振器的微波模型分析， 并给出了一些对设计很有用的结论，分析了实验结剿3 1 。同时，他们从缝隙宽度 为4 5 微米的器件模型中，1 w 输入功率，得到4 m v m 4 的缝隙处平均电场强度， 和大气压下氩气1 0 c m 。数量级的电子密度。考虑等离子体阻抗匹配，耦合到微 放电电极的功率可以达到输入功率的7 0 。 2 0 0 5 年，他们发表了制作的一个8 9 5 m h z 的微带缝环谐振器1 2 ”，缝隙宽度 为2 5 微米。谐振时，3 w 的输入功率下，得到缝隙电压峰值大约为3 9 0 v ，满足 大气压的空气放电条件。放电的光学散射主要在紫外线区，属于非热平衡等离子 体。伴随介质基板温度上升到1 0 0 摄氏度，谐振器谐振频率减小，谐振器品质因 数也由于热膨胀而稍下降( 1 4 2 q 1 3 4 ) 。通过降低功率源频率或者使用热吸收 华东师范大学硕士学位论文第一章绪论 器，可以在空气中维持微等离子体，使用5 0 小时，并没发现等离子体溅射造成 对源的腐蚀。 微小尺寸、常压，小功率微波等离子体源的研究国外在近几年已经做了很多 工作，取得了重要进展，然而国内这方面的研究还很鲜见。本课题旨在研究一种 基于微带缝环谐振器的容性耦合微波等离子体源及其激励。希望我们进行的工作 能给国内此领域的研究提供一些思路和借鉴。 1 3 本论文研究内容和创新之处 本文详细研究了基于微带缝环谐振器微波等离子体( m s r r m 球) 源的电路 模型，分析得到制约放电的几个关键因素，推导出间接求等离子体阻抗的公式。 制作了三种缝隙尺寸的有阻抗匹配段的m s r r m 口源，以及直接馈电的微带缝 环谐振器。搭建测量实验系统，实现气体放电，获得数据计算等离子体阻抗，同 时实际观察等离子体放电特性。本文创新点体现在：研制了新的直接馈电的改进 缝环结构和对等离子体阻抗的研究。基于这些研究内容和创新点，本论文结构如 下： 第二章和第三章是本课题的理论基础，要实现小功率常压下的空气放电，对 气体放电及等离子体发生技术的了解是前提。把半波长微带线绕成留有缝隙的环 谐振器，结构的特殊性使得满足小型化、小功率常压下气体放电的条件。微带线 及微带线谐振器的理论和分析方法对设计是基础。 第四章详细分析了m s r r - m i p 源的传输线等效电路模型，包括无载情况下 的输入阻抗、缝隙两端的电压，推导了间接求等离子体阻抗和功率效率的公式。 这是设计和分析m s r r m m 源的基础，也是我们研究m s r r m 口源微小尺寸放 电激励特性的方法。 第五章制作了两种结构的m s r r m i p 源，三个缝隙尺寸的含阻抗转换带结 构以及4 5 微米缝隙宽度的直接馈电结构。包括理论计算、软件仿真和实物制作 及测量、分析。 第六章介绍了实验测量系统，实现所研制微等离子体源的气体放电。获得实 验数据，计算等离子体阻抗，观察气体压强与注入功率的关系等微尺寸放电的物 理特性，及放电对微带谐振器电参数的影响。 华东师范大学硕七学位论文第二章低温等离子体技术 第二章低温等离子体技术 低温等离子体技术是在辉光放电基础上发展起来的【碉。最初利用惰性气体异 常辉光放电溅射镀膜，其功能和用途很有限。6 0 年代以来，对非惰性气体及混 合气体放电等离子体的研究，发现低温等离子体内含有各种活性的粒子，它们具 有不同的能量，在固体表面能发生各种物理和化学反应，其功能从单纯的质量运 输，发展为低温化学气相沉积、化学聚合、阳极氧化、于法刻蚀。因此低等离子 体技术在微电子器件和光电子器件制造工艺中得到了广泛的应用。近年来，等离 子体技术已经在显示器、材料、环境、医学等领域受到广泛关注，国内的研究主 要集中在以下几个方面：等离子体物理( 包括：等离子体鞘层研究、磁场重联、 电子束与等离子体相互作用、尘埃等离子体、介质阻挡放电斑图等) 、等离子体 诊断技术以及等离子体发生技术。 2 1 等离子体相关概念 2 1 1 等离子体定义、温度、密度、电离度 等离子体的定义：等离子体是带电粒子和中性粒子组成的表现出集体行为的 一种准中性气体【捌。 等离子体温度：利用电场和磁场作激励源产生的等离子体，电子和正离子平 均动能相差很大，具有两个温度( 认为正离子温度与中性粒子温度一样) ：电子 温度互和正离子温度z 。而电子温度比正离子温度高很多。利用等离子体这一特 性，可以使其分离用于不同的场合。 等离子体密度和电离度：等离子体电参数与等离子体密度相关。用电子密度 巩和正离子密度n i 来表征等离子体密度。由于各种粒子的活性激发都是通过电子 的非弹性碰撞完成的，因此等离子体中电子密度是研究重点。有时，等离子体密 度也表示“准中性”等离子体的公共密度n ，即口以口玎。 决定等离子体或者决定一个等离子体装置性能的一个物理量是等离子体电 离度。电离度蕾是等离子中电子密度与放电前中性气体粒子密度之比。 五一n e n , ( 2 1 1 - 1 ) 其中中性粒子的密度( 在2 7 3 k 情况) 一2 6 5 x 1 0 1 4 p ( 2 1 1 - 2 ) p 是系统中的电压，单位为p a ，中性粒子密度以。单位c m 4 。如果一个等离 子体装置，能在低气压下放电，并维持高浓度等离子体，那么它将获得很大的电 离度。 华东师范大学硕士学位论文第二章低温等离子体技术 2 1 2 等离子体德拜屏蔽 德拜屏蔽( 等离子体鞘层) 等离子体行为的一个基本特性是对于作用在它上面的电势具有屏蔽的能力， 这种能力表现为等离子体与相邻物之间形成的“等离子体鞘层”。定义： 如。陋( 4 矾2 ) r ( z 1 2 1 ) 厶称为德拜长度，或者等离子体屏蔽鞘层厚度，为电子温度，k 为波尔兹曼常 数( k 一1 3 8 x 1 0 - z 3 ) ，以为电子密度( 浓度) 。厶越小，表明等离体屏蔽外场能 力越强。可见，当密度增加时，厶减小，七增加，如增加。 以上讨论的德拜屏蔽层是在等离子体中引入两个与电池相连的小球，由电位 计算得到的结果，换成平板电极，可以得到一致的鞘层电位分布和鞘层厚度1 2 2 1 。 等离子体鞘层类似一个电容器，高频时鞘层电容的容抗相对等离子体电阻可以忽 略，鞘层上的电压降小。但是如果鞘层存在直流电场，离子会在这个电场下加速 并轰击电极，造成电极喷溅腐蚀，这是造成直流等离子体源寿命短的原因。等离 子体源使用超过等离子体离子频率的微波频率，离子可以被有效固定在射频场中 1 2 ”。这是本课题设计的一个理论基础。 2 1 3 等离子体频率( 郎缪尔频率) 准中性的等离子体在受到外界扰动后，局部电中性被破坏，那么相同电荷局 部集中，形成电荷场，带电粒子在这个场作用下，沿着其平衡位置简谐振振荡。 电子简谐运动角频率埘。就是等离子体中电子的静电振荡角频率： 。( 4 两e 2 n 幔) “2 一 啦 (2),9 0 0 0 n e 131 可见它只与电子密度有关，与受外力的形式无关，与外力引起的位移无关。 当等离子体中输入角频率为的电磁波：当= 。时，入射电磁波与电子振荡 发生共振，电磁波能量被静电振荡吸收，将不再继续传输。 此外，等离子体内部电磁场和电流的空间和时间分布，其他如各种激发粒子 包括活性自由基粒子的状况，等离子体中的输运特性、波动特性、不稳定性以及 辐射特性都反映了等离子体的性质，这些主题国内外都有很多已经和正在进行的 相关研究，这里并不是本论文的重点，从略。 2 2 低温等离子体技术 低温等离子体技术涉及多种学科和多种技术，诸如等离子体物理、等离子体 化学、固体物理、气体放电物理学、真空技术和各种测量和控制技术，以及等离 子体空间粒子的多样性、相互作用复杂性，以及应用中在固体表面复杂的物理化 华东师范大学硕士学位论文第二章低温等离子体技术 学过程等，这些丰富的内容国内外根据自身需要，都有各自突出的研究热点。本 课题主要研究等离子体发生技术，即等离子体源的设计和分析。等离子体可由加 热、放电和光激励等方法产生。其中放电产生等离子体包括直流放电、射频放电 和微波放电。因为对气体放电特性的基本掌握对设计微等离子体源具有理论指导 作用。下面重点介绍上述三种气体放电等离子体技术，作为微等离子体源设计的 理论基础。 2 2 1 等离子体发生技术气体放电基本理论 气体放电是研究带电粒子在电磁场中运动规律及应用的科学【2 4 l 。气体放电过 程本身包括了很广泛的内容；带电粒子的产生、消失、在电场中的行为及气体击 穿理论，因此气体放电是个复杂过程，对其的研究也自成体系。这里简单介绍几 个重要的放电理论。 汤森德( j s b t o w n s e n d ) 理论：说明击穿的过程，预言某些情形下气体击 穿的电压值，是汤森德理论的重要成功。下面首先说明击穿的过程。 图2 1 充气放电管电压、电流关系 如图2 1 ，管中通惰性气体，如果外光源辐照一定水平，图中电流i 将随电 压v 升高，一直到饱和电流。这时，所有阴极放出的电子与气体中的电子都被 吸引到阳极，电流不再随电压而增加。当电压再升高时，电流迅速上升，为汤森 德放电阶段。这时，电子在电场中加速，产生碰撞电离过程，使电子迅速增加， 电流上升。再继续增加电压，电流将以超指数函数增长，间隙上电压突然下降， 这阶段是间隙击穿，原来绝缘的气体变成了导体。这时电流增加几个数量级，而 电压维持不变，即到了自持放电阶段，即使没有外在的电离因子，放电仍能独自 进行。 汤森德“击穿判据”：考虑电子碰撞气体原子产生电离( 电子电离系数口) 和正离子碰撞电离( 离子碰撞系数口) ，击穿前后电流比1 2 4 1 ： 一i 。垒蝶( 2 211 ) f o理一卢e 坶一9 p 自持放电的条件是上式分母等于零，这时i 将无限大，及初始电子数对f 不再影响，即取消外面的电离因子，电离与电流仍然继续不断。由于在同一电场 华东师范大学硕士学位论文 第二章低温等离子体技术 同一长度上，电子比离子引起的电离次数要频繁得多，即a 口口，于是由式 ( 2 2 1 1 ) 得到汤森德击穿判据： 兰e a d(221i 2 ) 一 一j 卢 实验证明，正离子电离的效果很小。考虑阴极上的过程，过程：即二次电 子电离过程，包括正离子轰击阴极释放二次电子、气体中激励原子的反转及电离 原子的复合放出光子放出二次电子、亚稳态粒子在阴极产生二次电子。最后把产 生电子的各种过程( 口、y ) 用一个系数r 来表示，电流方程为： in e 4 f o 1 一r e 扣一8 m 一1 1 考虑口口，得到最终的击穿判据为： ( 2 2 1 - 3 ) r 0 “- 1 ) 一1 ( 2 2 1 4 ) 帕邢( ep a s c h e n ) 定律：由汤森德理论推出帕邢定律，也是汤森德理论重 要成功的一部分。帕邢得到关于击穿电压u 对气体压强p 与电极间距离d 乘积 的关系，发现击穿电压在一定p 、d 乘积下有个最小值。 由式( 2 2 1 4 ) 得击穿距离d ： 11 di 二l l l ( 1 + 句 ( 2 2 1 - 5 ) a， 其中，口是电场比气压的函数，即a pm f ( e p ) ，同时假设r 也是e ，p 的 函数，同时，e k d ，经过换算，可以得到击穿电压吒与p d 乘积的关系： k ! 型f _ - ( 2 2 1 6 ) i n a p d l n ( 1 + 二) 】 r a 、b 是与气体有关的常数，假设t 为常数，由式( 2 2 1 6 ) 可见，击穿电 压与气体性质、气体压强、阴极材料性质、极间距离有关。当彬较大时，它的 变化对分母影响不大，k 按近似直线变化，在小p d 范围内，k 又将上升，k 经过一个最小值，将吆对p d 取微分并使之为零，得到了最小击穿电压与此时的 p d 值： k “2 7 1 8 b i n ( 1 + ! ) ( 2 2 1 7 ) ，l， ( 彬) 曲- l i l ( 1 + 习 ( 2 2 1 - 8 ) 这一最低电压，大约几百伏，( p a l ) 。大约为0 5 ( c m t o r r ) ，这个关系式推导 基于了很多简化，而且很低的气压和混合气体下，并不适用，但已被许多实验证 明，非常有用。下面两图也经常被用于很多气体放电研究和设计的参考： 华东师范大学硕士学位论文第二章低温等离子体技术 州嘶l ( a ) 图2 2 ( a ) 平行板电极击穿电压 2 2 2 直流辉光放电 言 毒 24 il 1 2 l l n2 2 22 4 “2 8 川- - l ( b ) ( b ) p d 不变，不用气压下，平行板电极的击穿电压 如上面章节所述，在直流辉光放电的两个电极间，放电形貌由三部分组成： 阴极区、等离子体正光柱区和阳极区。电子在电场加速下运动，与气体粒子发生 碰撞雪崩过程，阴极上正离子轰击引起的电子次级发射过程( 上文所说的二次电 子电离) 是维持辉光放电的主要机制。放电的特征区是阴极区，即当减小两个电 极之间的距离时，正光柱轴向长度压缩，甚至消失，只要极距稍大于阴极特征区 长度，放电仍能维持。 直流辉光放电的击穿电压即2 2 1 节中给出的式( 2 2 1 7 ) 和式( 2 2 1 8 ) 。 正常辉光放电情况下阴极电位降为： u 一3 0 - 署l n ( 1 + 1 r ) ( 2 2 2 1 ) 可见阴极电位降只由气体性质和阴极材料决定，b a 值小，玑就小。忽略 阳极位降，正常辉光放电极间电压降等于阴极区位降玑和正光柱区压降【乙之 和：玑- 玑+ 【。后面章节中关于微等离子体源激励等离子体阻抗的分析也是 建立在这个理论基础之上的。 直流辉光放电存在阴极溅射腐蚀，使得放电寿命短，这是其致命的缺点，因 为荷能粒子轰击固体电极，使电极材料以原子状态从表面溢出，因为带电粒子在 电场作用下容易加速获得能量，正离子质量大，因此一般考虑正离子对电极的轰 击。 2 2 3 射频等离子体放电 射频放电使放电更有利，可以从理论和实验上说明，而关于射频放电可能的 华东师范大学硕士学位论文 第二章低温等离子体技术 电离机制有各种各样的看法，还缺乏有利的实验证明。有人认为，与直流放电不 同，电子在电场中获得最大速度并与气体粒子发生弹性碰撞，这时电极极性换向， 即使很弱的电场也能使电子加速，获得能量电离气体。同时还有次级电子在鞘层 电场中加速，将给等离子体提供快电子，或者次级电子在鞘层内发生共振，获得 能量，抑或在鞘层中发生电离碰撞，产生次级电子倍增效应，这些都对放电击穿、 放电维持有利。并给出了次级电子在鞘层中共振，放电电源频率和鞘层厚度的乘 积f d 存在一个下限值，却也没有得到实验的验证。也有人认为是射频放电电离 的主要原因有两个：1 流经等离子体的射频大电流。2 鞘层厚度的射频调制：电 子将从振荡鞘层中获得能量；同时等离子体中的电子受到射频放电两个电极鞘层 的反弹，增强了电子滞留在等离子体中的效果。 目前射频等离子体源主要是使用1 3 5 6 m h z 的这个频率，仅仅是因为防止能 量辐射对通讯的干扰。射频放电还涉及设备工作频率选择( 电源与放电负载匹配 及主要考虑放电负载两种) 、阻抗匹配网络( 直接关系到功率传输效率) 、等离子 体中各粒子在射频场中的行为、射频放电电极自偏压、极间电位分布及鞘层研究 等课题。这里重点介绍阻抗匹配的问题。 2 2 4 射频放电阻抗匹配 研究微等离子体源激励是本论文的一个重要内容，而等离子体阻抗是研究激 励的重要渠道和方式，同时，对等离子体阻抗的研究对改善源的设计也有重要意 义。而下面要讨论的射频放电阻抗匹配理论也完全适用于本课题的研究。因为微 带传输线尽管工作在微波频段，分析方法通常是分布电路等效模型，这样将等离 子体阻抗作为负载，整个源就建立起了传输线电路模型，使分析得到简化。 假定等离子体在两个平行电极之间产生，用于激励的射频电场角频率，振 幅毛，带电粒子在场中运动方程式可以表示为： m e d u j 出- - e e o e “一他“d 匕 ( 2 2 4 - 1 ) 其中，和e 分别为电子的质量和电荷，为电子在极间的漂移速度，匕为 电子碰撞频率。解上式可以得到电子漂移速度： “。：当! ： ( 2 2 4 2 ) “d 2 m e ( v e 。+ i t 一o ) z 2 如果电极面积为a ，极间距离为d ，那么极间电流为： =豢篙(224-3m ) e u 4 - l o 归 其中，v o 是极间射频电压振幅，n e 是电子浓度，因此极间阻抗为： 华东师范丈学硕士学位论文第二章低温等离子体技术 z 。盟。型掣( 2 2 “) 白。丽。矿 u 实部等效电阻： 心一掰 q 2 钙) 打p 一月 虚部等效电抗： 以一焉e a 一詈心 ( 2 2 缅) 疗f屹 其中电子碰撞频率： 匕半。芦) m # ( 2 2 4 - 7 ) 以o7 o 其中丸。为电子平均自由程，v _ 为电子均方根速度。可见电子碰撞频率与气 体性质、气压及电子温度有关。如果匕口珊，那么吃口x d ，放电等离子体具有 纯电阻特性。考虑鞘层的影响，我们已经知道，鞘层的性质类似一个电容，鞘层 等效容抗与鞘层厚度如、横截面积s 的关系： c j 一 ( 2 2 4 - 8 ) 简化后，忽略极问阻抗的虚部后，譬离子体阻抗可以等效为由大多数等离子 体区决定的实部见和鞘层决定的虚部x p 。 z p r p + j xp ( 2 2 4 - 9 ) 彤- 局一掰 x 。- 1 ( w c , ) 一( 6 0 s e o ) ( 2 2 4 1 1 ) 可见，等离子体阻抗的实部与电子密度成反比，虚部与鞘层厚度成正比，这 个结论同样适用于微波放电等离子体阻抗，对于后面分析微等离子体源激励等离 子体阻抗很有用。 射频放电电源与等离子体阻抗之间需要加阻抗匹配网络实现阻抗匹配。其目 的有二：尽可能增加放电负载吸收电源能量，即获得最大的功率效率；二是保护 射频电源，阻止不匹配引起的功率反射损毁电源。由于射频放电阻抗总是容性阻 抗，所以匹配网络必须是电感性的网络，电感值可通过等离子体阻抗算得。 华东师范大学硕士学位论文 第二章低温等离子体技术 2 2 5 微波放电 直流放电中用气体放电击穿电压，射频放电中用击穿电场来描写气体从非自 持放电到自持稳定放电的转变。微波放电中，一般用击穿功率来描述这种转变。 可以证明，微波放电与射频放电气体击穿条件是一样的【2 2 l 。微波放电的优势在于， 从0 0 0 1 p a 到一个大气压这样宽的压强范围内，都能建立等离子体。电离气体从 微波中吸收能量，建立和维持等离子体。等离子体中电子吸收能量的方式包括： 碰撞吸收、非碰撞吸收及非线性吸收，与系统内的气压、电源的激励频率及其功 率有密切的关系。 碰撞吸收是指电子与气体其他粒子碰撞，而改变运动方向，失去了在电场方 向的定向运动速度，把从电场中获取的能量，转变成热运动能量，引起能量积累 的效果，而吸收微波能量。碰撞吸收的条件是：e 口，即电子碰撞频率远大于 激励源的频率。其中，屹包括两部分：电子和中性粒子碰撞频率k 和电子与正 离子碰撞频率屹。两者均与气体的性质、气压、等离子体中电予温度有关，还 与电离度有关。相同气体、相同等离子体温度，不同气压下，两者所起作用不同。 a ，放电、k t , 5 e v ，p 2 l o m m h g ( 1 m m h g l l 3 3 p a ) 时，口v a ；当 l o m m h g p 1 0 - 3 m m n g 时，口屹需要同时考虑这两种碰撞的贡献；当 p 1 0 4 m m h g 时，口屹。这样就给我们提供了选择工作气压的依据。 无碰撞吸收是指等离子体中带电粒子运动与电源频率发生共振时，从电场中 获得能量的过程。具体的，2 1 3 节中详细介绍过电子和正离子的静电震荡，当 入射微波场的横电磁波与静电振荡发生共振时，带电粒子( 主要是电子) 就能强 烈吸收微波能量。而且若存在恒定磁场时，将会发生电子回旋共振吸收。共振是 无碰撞能量吸收的最根本原因，产生共振的条件是电源激励角频率与带电粒子某 种周期运动的角频率相等。同时还要满足，带电粒子相邻两次碰撞之间的时间间 隔必须比电源频率一周时问长得多。即与碰撞吸收条件相反，必须保证也口。 所以带电粒子( 主要是电子) 的碰撞频率与电源频率之比是等离子体一个重要参 数，决定了等离子体发生的究竟是哪种能量吸收。 非线性吸收主要是指波与粒子的非线性作用及波与波的非线性相互作用产 生的能量吸收，这时存在一个临界注入场强，其大小与具体的系统结构有关，不 同结构，功率与电场的关系不同，临界电场的输入功率也不同。 微波等离子体源一般频率使用2 4 5 g h z ，也有国外做了9 0 0 m h z 源激励的研 究和试验，取得了很不错的效果( 见绪论第2 节) 。传统的微波等离子设备，使 用矩形谐振腔、圆柱谐振腔或者表面波谐振器，获得大面积均匀等离子体。与此 不同，我们研制基于微带线谐振器的微波等离子体源，产生高密度、小尺寸等离 子体，以用于便携式设备微等离子体的制备。 华东师范大学硕士学位论文第二章低温等离子体技术 2 3 总结 这一章的主要内容：气体放电理论和等离子体物理特性，是我们研究等离子 体发生器，很重要的理论基础。为了设计小功率、低损耗、常压空气下放电的微 等离子体源，可以得到以下有用结论：微波放电，从0 0 0 1 p a 到一个大气压这样 宽的压强范围内，都能建立等离子体；放电电源与等离子体阻抗之间的阻抗匹配， 可以增加放电负载吸收电源能量、即获得最大的功率效率，并保护射频电源，阻 止不匹配引起的功率反射损毁电源；等离子体阻抗的实部与电子密度成反比，虚 部与鞘层厚度成正比。后面章节中我们设计的微等离子体源的分析、等效电路模 型建立及等离子体阻抗的研究都基于以上理论。实现大气压下的空气放电，选用 微波频段的激励源，为了实现便携式的要求、提高功率利用率，使用高效的器件、 延长放电时间，微等离子体源采用微带线的缝环谐振器结构，下面从微带线和微 带线谐振器理论开始讨论。 华东师范大学硕士学位论文第三章微带线与微带线谐振器理论 第三章微带线与微带线谐振器理论 微带传输线是五十年代发展起来的一种微波传输线。它具有体积小、重量轻、 频带宽、可集成化、并能构成各种用途的微波元件等优点，因此得到了广泛的应 用。与波导和同轴线相比，其缺点主要是损耗较大，q 值较低和功率容量小，因