第1章緒論

開放式桂腔結(jié)構(gòu)的微等離子體源除了使用直流或者低頻交流驅(qū)動外,也有采用微波驅(qū)動的。采用微波驅(qū)動的微等離子體,其結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅需要考慮硅基材料微加工工藝的可行性,也要結(jié)合微波電路考慮的阻抗匹配設(shè)計。Berglund等設(shè)計制作了一款基于間隙環(huán)形徹帶諧振器設(shè)計的微波激發(fā)微等離子體源,該微等離子體源的電極通過涵射、電鍛等工藝與硅基底結(jié)合,并且在放電間隙處通過刻蝕形成一個放電腔室,如圖1.10所示。該微等離子體源工作頻率為2.9GHz,該裝置可承受的最高工作功率為20以,當(dāng)空氣壓強(qiáng)在20100brr時可產(chǎn)生等離子體,在高氣壓和低氣壓下的等離子體分布不同。微帶線作為微波電路的傳輸介質(zhì)之一,被研究者創(chuàng)新性地將其的阻抗匹配設(shè)計功能與微等離子體的電極功能完美賴合,使得基于微帶線結(jié)構(gòu)的微等離子體源的結(jié)構(gòu)更為緊湊、功率損耗小。由于種種優(yōu)點(diǎn),基于微帶線結(jié)構(gòu)的微等離子體源被廣泛研究,并且應(yīng)用于化學(xué)檢測方向。而在見報道的各結(jié)構(gòu)中,微帶環(huán)諧振器因其特有的將同一段微帶兩端作為放電電極,而使其功率損耗最小;但直線型微帶諧振器有環(huán)狀無法比擬的優(yōu)點(diǎn),即可陣列式設(shè)計,且當(dāng)將其作為微化學(xué)分析儀器的電離源使用時,直線型更易于與分析儀器的其他部分匹配設(shè)計。

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第2章基于微帶線諧振器的微波激發(fā)微等離子體源的設(shè)計

2.1引言

微帶線諧振器是微波諧振器的一種表現(xiàn)形式,微波諧振器是一種具有儲能和選頻特性的微波諧振元件,可將電磁能量限定在一定體積內(nèi)振蕩,高品質(zhì)的徹波諧振器能量損耗小,功率效率高。而將微波激發(fā)微等離子體源基于微帶諧振器設(shè)計是從兩個方面考慮,一方面是微帶諧振器的微帶結(jié)構(gòu)既可實(shí)現(xiàn)阻抗匹配,也可直接作為電極,使其結(jié)構(gòu)緊湊簡單;另一方面,其基于基板的平面結(jié)構(gòu),使其在基底上制作時可以采用成熟的MEMS加工工藝,并與桂基的微化學(xué)分析芯片完美匹配設(shè)計及加工。

2.2高頻板基的微波激發(fā)微等離子體源的設(shè)計

微等離子體源與發(fā)射光譜法結(jié)合可應(yīng)用在揮發(fā)性有機(jī)物的檢測,比如甲醇、乙醇等。由于甲醇和乙醇在等離子體發(fā)生系統(tǒng)中的引入,必然會帶來水汽,因此能否濕度較大的氣分下發(fā)生微等離子體也是需要重點(diǎn)考察的。我們將圖2.8所示的微等離子體源分別在氣氣混合甲醇蒸汽或氧氣混合乙醇蒸汽的工況下發(fā)生等離子體,并記錄發(fā)射光譜圖:兩種混合氣體壓強(qiáng)均為3500, 氧氣進(jìn)氣流量為4000mLmin-i。在檢測甲醇或己醇時,發(fā)射光譜圖中一般的特征譜帶是波長在516.35nm的C2譜帶。因此通過比對氧+甲醇、乙醇、純氧三種氣分,在同樣壓強(qiáng)及進(jìn)氣流量工況下發(fā)生的等離子體的2譜帶,即可確定圖2.8所示的微等離子體源的性能是否符合揮發(fā)性有機(jī)物的測試需求。氧+甲醇、氧+乙醇、純氧三種氣分下的C2譜帶如圖2.9所示,C2譜帶對甲醇最敏感,純氧情況下幾乎沒有C2譜帶,可證明該等離子體源適用于揮發(fā)性有機(jī)物的測試。

第3章微等離子體源芯片的制備及其陽極鍵合界面應(yīng)力分析...........34

3.1引言.....34
3.2制作工藝.....34
第4章封閉腔室輝光放電微等離子體源的工作極限及不穩(wěn)定性研究....49
4.1引言.....49
4.2實(shí)驗(yàn)部分.....49
4.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果.....54
第5章PIC/MCC模型研究封閉腔室微等離子體源.....65
5.1引言65
5.2數(shù)值模擬方法描述.....65
5.3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證PIC方法的正確性.....68

第5章PIC/MCC模型研究封閉腔室微等離子體源

5.1引言

為了提高工作在低氣壓下的封閉腔室微等離子體源的性能,對于放電現(xiàn)象的物理機(jī)理的研究是必須的。對于微等離子體這種非熱平衡放電來說,最重要的基本物理機(jī)理之一是粒子動力學(xué)�；诜侨肭质皆\斷及實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡單經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)點(diǎn),發(fā)射光譜法(OES)通常被用來診斷微等離子體的電子密度(Ue)和電子溫度(Te),而且當(dāng)與電荷賴合攝像機(jī)及合適的光學(xué)系統(tǒng)匹配使用時,發(fā)射光譜法的時間和空間分辨可分別達(dá)到幾納秒和幾微米級別。但是,對OES來說,常用來確定的斯塔克展寬法只對工作在大氣壓下且電子密度足夠高的微等離子體才能得到合理的準(zhǔn)確度;另外采用光譜線性比與碰撞福射(collisional-radiative,CR)模型結(jié)合可用來診斷Me和把這種方法的準(zhǔn)確度主要基于模型的建立,即激發(fā)態(tài)的能級分類、產(chǎn)生與消失過程的選擇和每一個反應(yīng)的反應(yīng)速率對該方法的準(zhǔn)確度都有影響。對于這三個方面來說,反應(yīng)速率的計算需要基于電子能量的分布假設(shè);對于封閉腔室低氣壓微等離子體,由于其平均自由程與等離子體腔室尺寸相當(dāng),很難準(zhǔn)確判斷激發(fā)態(tài)的產(chǎn)生與消失過程。因此,采用C民模型與光譜線性比的方法對于低氣壓下封閉腔室微等離子體并不適用。

5.2數(shù)值模擬方法描述

在PIC模擬計算模型中采用的微等離子體源的示意圖見圖5.1所示,數(shù)值模擬區(qū)域?yàn)閳D5.1的插圖,即微腔室的剖面圖,微腔室的直徑(4)在模擬中設(shè)置為1000,腔室高度(4)在模擬中根據(jù)需要在六個值間變化:600、1000、1500、2000、3000和4000。最小網(wǎng)格寬度為5畔1。由于微等離子體的尺度比微波的波長小很多,等離子體被當(dāng)作靜電模型處理。因此,本文在模擬中考慮靜電場的泊松方程,帶電粒子的運(yùn)動和碰撞過程。
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第6章結(jié)論與展望

作為微化學(xué)分析系統(tǒng)的電離源使用的微波激發(fā)微等離子體源,往往工作在低氣壓環(huán)境下的封閉腔室中。由于微小尺度的封閉腔室及低的氣壓帶來的微等離子體中不同于大尺度常規(guī)等離子體的粒子間及粒子與壁面間的碰撞規(guī)律,導(dǎo)致一些獨(dú)特現(xiàn)象,比如腔室壁面和電極的損傷,嚴(yán)重影響了微等離子體源的壽命。本論文設(shè)計制作了微波激發(fā)微等離子體源,通過實(shí)驗(yàn)研究了低氣壓下封閑腔室微等離子體源的工作極限和不穩(wěn)定性;并用PIC數(shù)值模擬方法研究了氣壓、腔室尺寸、混合氣體組分等因素對微等離子體性能的影響;通過原位拉曼光譜觀測結(jié)合大尺度原子模擬,對桂-玻璃結(jié)構(gòu)微等離子體源芯片制備中珪-玻璃陽極鍵合界面應(yīng)力及生成的氧化珪的晶體形態(tài)進(jìn)行了研究。基于上述研究,本文得到了如下結(jié)論;以當(dāng)氣體壓強(qiáng)降低時,輝光到電弧的轉(zhuǎn)變(glo以-to-arc,GAT)在EC微等離子體中不定期出現(xiàn)是由于離子對電極的轟擊加劇及氣體溫度的提高引起的。微腔室尺寸的增加是避免EC微等離子體出現(xiàn)GAT的有效方法。EC微等離子體的fext的值比UEC微等離子體低。輸入功率的増加會降低UE微等離子體的Pext,而對EC微等離子體的fext基本沒有影響。EC和UEC微等離子體均能在離子平均自由程大于放電間隙的情況下維持。

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參考文獻(xiàn)（略）

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本文編號：133368