專利名稱：常壓等離子體系統(tǒng)的制作方法
引言本發(fā)明涉及常壓等離子體系統(tǒng)，更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及在利用先行處理氣體而非利用大氣進(jìn)行工業(yè)制造、處理和生產(chǎn)過(guò)程中，在常壓或環(huán)境壓強(qiáng)下使用等離子體的方法和工藝。
在持續(xù)對(duì)物質(zhì)提供能量時(shí)，其溫度會(huì)升高，并且它通常會(huì)由固態(tài)轉(zhuǎn)變到液態(tài)，然后轉(zhuǎn)變到氣態(tài)。繼續(xù)提供能量使系統(tǒng)的狀態(tài)也進(jìn)一步發(fā)生變化，其中，氣體的中性原子或分子被劇烈碰撞分裂，以致產(chǎn)生帶負(fù)電的電子、帶正電或負(fù)電的離子以及其它核素。將表現(xiàn)聚合性的這種帶電粒子混合體稱為“等離子體”，即第四態(tài)物質(zhì)。由于它們具有電荷，所以外部電磁場(chǎng)對(duì)等離子體的影響非常大，容易對(duì)它們進(jìn)行控制。此外，其高能量使得可以對(duì)它們進(jìn)行在其它物質(zhì)狀態(tài)下(例如通過(guò)進(jìn)行液體處理或氣體處理)不可能或難以實(shí)現(xiàn)的處理。
術(shù)語(yǔ)“等離子體”涵蓋其密度和溫度在許多數(shù)量級(jí)間變化的大量系統(tǒng)。有些等離子體非常熱，并且其所有細(xì)微核素(離子、電子等)接近熱平衡，通過(guò)原子級(jí)/分子級(jí)碰撞而進(jìn)入系統(tǒng)的能量廣泛分布。然而，尤其是碰撞相對(duì)不頻繁的低壓(例如100Pa)下的其它等離子體的組成核素普遍溫度差別大，稱作“非熱平衡”等離子體。在這些非熱平衡等離子體中，自由電子非常熱，具有幾千K，而中性和離子類保持涼。因?yàn)殡娮拥馁|(zhì)量幾乎可以忽略不計(jì)，所以整個(gè)系統(tǒng)的熱量值低，并且等離子體在接近室溫下工作，因此可以對(duì)諸如塑料或聚合物的溫度敏感材料進(jìn)行處理，而不會(huì)對(duì)樣品施加破壞性熱負(fù)荷。然而，通過(guò)高能碰撞，熱電子產(chǎn)生具有高化學(xué)勢(shì)能、可以進(jìn)行有意義的化學(xué)反應(yīng)和物理反應(yīng)的大量基團(tuán)和受激核素源。正是這種低溫操作與高反應(yīng)能力的組合使得非熱平衡等離子體技術(shù)上非常重要并且成為進(jìn)行制造和進(jìn)行材料處理的強(qiáng)有力工具，可以實(shí)現(xiàn)在根本沒(méi)有等離子體情況下需要非常高的溫度或有毒和腐蝕性化學(xué)物質(zhì)才能實(shí)現(xiàn)的處理過(guò)程。
對(duì)于等離子體技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用，便利方法是將電磁功率引入回填處理氣體(在以下，術(shù)語(yǔ)“氣體”應(yīng)包括氣體混合物和蒸氣)并含有待處理工件/樣品的容器內(nèi)。氣體被電離為等離子體，產(chǎn)生化學(xué)基團(tuán)、UV輻射和離子，它們與樣品表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。通過(guò)正確選擇處理氣體成分、驅(qū)動(dòng)功率頻率、電源耦合方式、壓強(qiáng)和其它控制參數(shù)，可使等離子體處理過(guò)程適合制造商要求的特定應(yīng)用。
因?yàn)榈入x子體的化學(xué)范圍和熱范圍寬廣，所以它們適用于不斷擴(kuò)展的許多技術(shù)應(yīng)用。非熱平衡等離子體對(duì)表面活化、表面清潔/材料蝕刻以及表面涂敷特別有效。
聚合材料的表面活化是汽車工業(yè)首先廣泛采用的工業(yè)等離子體技術(shù)。例如，適于再利用的諸如聚乙烯和聚丙烯的聚烯烴類具有非極性表面并且因此難以沉積涂層或粘結(jié)層。然而，利用氧等離子體進(jìn)行處理可以形成具有高濕潤(rùn)度的表面極性組并因此可以很好覆蓋和附著金屬漆、黏合劑或其它涂層。因此，例如，等離子體表面工程對(duì)于制造汽車儀表盤、擋泥板、保險(xiǎn)杠等以及對(duì)于玩具等工業(yè)內(nèi)的組件組裝必不可少。許多其它應(yīng)用有在聚合物、塑料、陶瓷/無(wú)機(jī)物、金屬以及其它材料上進(jìn)行印刷、涂漆、粘結(jié)、層壓以及所有幾何形狀部件一般涂層。
隨著世界范圍內(nèi)環(huán)境立法的普及和加強(qiáng)，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生了實(shí)質(zhì)性壓強(qiáng)，要求在制造過(guò)程中，特別是在部件/表面清洗過(guò)程中減少或避免使用溶劑以及其它濕性化學(xué)物質(zhì)。具體地說(shuō)，基于CFC的除油過(guò)程已經(jīng)主要被利用氧、空氣或其它非毒性氣體工作的等離子體清潔技術(shù)取代。將利用水進(jìn)行的預(yù)清洗過(guò)程與等離子體結(jié)合，即使是非常臟的部件也可以清洗干凈，并且表面質(zhì)量通常優(yōu)于利用傳統(tǒng)方法獲得的表面質(zhì)量。利用室溫等離子體可以迅速將有機(jī)表面污物清除，并將它們轉(zhuǎn)換為CO2氣體和水，CO2氣體和水可以被安全排泄。
等離子體還可以對(duì)大塊材料進(jìn)行蝕刻，即消除不需要的材料。例如，基于氧的等離子體可以蝕刻聚合物，這是電路板等的生產(chǎn)過(guò)程中采用的一個(gè)處理過(guò)程。通過(guò)仔細(xì)選擇先行處理氣體并注意等離子體化學(xué)成分，可以蝕刻諸如金屬、陶瓷和無(wú)機(jī)物等不同材料?，F(xiàn)在，利用等離子體蝕刻技術(shù)可以產(chǎn)生下至納米臨界尺寸的結(jié)構(gòu)。
迅速成為主流工業(yè)的等離子體技術(shù)是等離子體涂敷和薄膜沉積。通常，高級(jí)聚合反應(yīng)可通過(guò)對(duì)單體氣體和蒸氣應(yīng)用等離子體實(shí)現(xiàn)。因此，可形成致密、密接的三維連接膜，它熱穩(wěn)定、非常耐化學(xué)腐蝕并且機(jī)械強(qiáng)度高。可以以確保對(duì)基底施加低熱負(fù)荷的溫度，在甚至最復(fù)雜表面上共形沉積這種薄膜。因此，對(duì)于脆弱的熱敏涂層以及耐用材料，等離子體技術(shù)非常理想。即使對(duì)于薄膜層(例如0.1mm)等離子體涂層也不會(huì)出現(xiàn)微孔?？梢远ㄖ仆繉拥墓鈱W(xué)特性，例如顏色，并且等離子體涂層可以很好地附著到非極性材料例如聚乙烯，以及鋼(例如金屬反射器上的耐腐蝕薄膜)、陶瓷、半導(dǎo)體、織物等。
在所有這些處理過(guò)程中，等離子體工程產(chǎn)生對(duì)所要求應(yīng)用或產(chǎn)品定制的表面效果，而不會(huì)以任何方式影響材料本體。等離子體處理過(guò)程可以為制造商提供一種允許根據(jù)其本體的技術(shù)和商業(yè)特性選擇材料的通用、強(qiáng)有力工具，同時(shí)對(duì)獨(dú)立設(shè)計(jì)其滿足全部不同要求的表面提供了自由度。等離子體技術(shù)可以顯著提高產(chǎn)品功能、性能、壽命以及質(zhì)量，并且可以使制造公司的生產(chǎn)能力顯著增大。
這些特性對(duì)于在工業(yè)上采用基于等離子體技術(shù)的處理過(guò)程提供了極大動(dòng)力，這種行動(dòng)是自1960年代由將低壓Glow Discharge(輝光放電)等離子體開(kāi)發(fā)為半導(dǎo)體、金屬以及介電處理過(guò)程中的超高技術(shù)和高成本工程工具的微電子界引導(dǎo)的。自1980年以來(lái)，同樣的低壓GlowDischarge型等離子體已經(jīng)逐漸進(jìn)入其它工業(yè)部門，它成本適中，提供諸如進(jìn)行聚合物表面活化以提高粘合/接合強(qiáng)度、高質(zhì)量除油/清潔以及沉積高性能涂層的處理過(guò)程。從而真正發(fā)展了等離子體技術(shù)。
然而，對(duì)大多數(shù)工業(yè)等離子體系統(tǒng)的主要制約，即需要在低壓下運(yùn)行，限制了等離子體技術(shù)的應(yīng)用。部分真空操作意味著封閉周界、密封反應(yīng)器系統(tǒng)，它僅在脫機(jī)情況下對(duì)分立工件進(jìn)行批量處理。處理量低/中等，并且由于對(duì)真空的要求增加了基本投資和運(yùn)轉(zhuǎn)成本。
然而，常壓等離子體技術(shù)可提供使工件/輸送帶自由進(jìn)入等離子體區(qū)并從等離子體區(qū)出來(lái)的開(kāi)啟端口/周界系統(tǒng)，因此可以連續(xù)、聯(lián)機(jī)處理由大面積輸送帶或傳送帶或小面積輸送帶或傳送帶攜帶的分立工件。處理量高，并且利用根據(jù)高壓處理過(guò)程獲得的高核素流量可以提高處理量。許多工業(yè)部門，例如紡織、包裝、造紙、醫(yī)藥、汽車、航空與航天等幾乎完全依賴于連續(xù)、聯(lián)機(jī)處理，因此常壓下的開(kāi)啟端口/周界配置等離子體提供新型工業(yè)處理能力。
約30年來(lái)，電暈和噴焰(也是等離子體)處理系統(tǒng)為工業(yè)界提供了一種受限形式的常壓等離子體處理能力。然而，盡管其生產(chǎn)能力強(qiáng)，但是這些系統(tǒng)不能象低壓、僅進(jìn)行批處理的等離子體型那樣大量進(jìn)入市場(chǎng)，或者說(shuō)不能被工業(yè)界廣泛采用。原因是電暈/噴焰系統(tǒng)具有非常大的局限性。它們?cè)诖髿庵羞\(yùn)行時(shí)提供單表面活化處理并且對(duì)許多材料的影響可以忽略，而且對(duì)大多數(shù)材料的影響弱。通常，處理不均勻，并且電暈處理與厚輸送帶或3D工件不相容，而噴焰處理與熱敏基底不相容。顯然，常壓等離子體技術(shù)必須更深入地對(duì)常壓等離子范圍進(jìn)行研究以開(kāi)發(fā)滿足工業(yè)要求的高級(jí)系統(tǒng)。然而，為了實(shí)現(xiàn)此目的，必需將大氣等離子體變更為由其它先行處理氣體形成的等離子體。這種等離子體的特性不同于大氣等離子體的特性，因此有可能實(shí)現(xiàn)新型和/或改進(jìn)型工業(yè)處理過(guò)程。然而，如果它們有能力在滿足聯(lián)機(jī)、連續(xù)制造的開(kāi)啟端口/周界配置中運(yùn)行，則任何一種變更為新型常壓等離子體僅在工業(yè)上是相關(guān)的。
研究者已經(jīng)證實(shí)了大量基于常壓非大氣等離子體的具有潛在用途的工業(yè)處理過(guò)程，包括表面活化、蝕刻/清洗以及表面涂敷。這些處理過(guò)程依賴于所使用的包括氦、氬、氮、氧、鹵代烴、硅烷、有機(jī)單體、無(wú)機(jī)單體、鹵素、SiCl4、SiF4、碳?xì)浠衔?、氫等非大氣先行處理氣體。這些氣體成本高和/或危險(xiǎn)的和/或?qū)Νh(huán)境有害，并且需要保留在并密封于產(chǎn)生等離子體并對(duì)工件進(jìn)行處理和封閉的區(qū)域內(nèi)。此外，必須對(duì)等離子區(qū)內(nèi)處理氣體的成分進(jìn)行緊密控制以實(shí)現(xiàn)最佳處理過(guò)程和處理過(guò)程的再現(xiàn)性，這樣需將圍繞等離子體系統(tǒng)的大氣中引入的污染氣體消除或降低到最少。這些要求促使先行處理氣體約束系統(tǒng)作為任何一種新型工業(yè)常壓等離子體處理系統(tǒng)的組成部分，所述新型處理系統(tǒng)采用非大氣處理氣體，將進(jìn)入的處理氣體密封在等離子區(qū)并靠近等離子區(qū)，并將流入等離子區(qū)內(nèi)的不希望大氣或其它氣體降低到最少或者避免它們流入等離子區(qū)，同時(shí)允許聯(lián)機(jī)、連續(xù)處理所必需的開(kāi)啟端口/周界配置。
本發(fā)明的目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)這些以及其它目的。
根據(jù)本發(fā)明，入口組件和出口組件分別包括具有垂直隔離的工件開(kāi)口和工件封裝口的封裝拉長(zhǎng)容腔。容腔越長(zhǎng)，污染氣體進(jìn)入容腔的可能性越小。最好在入口組件內(nèi)安裝一個(gè)氣體分析器，并且它最好位于與工件封裝口相鄰的位置。此外，還可以將氣體分析器安裝在出口組件內(nèi)，并且最好與工件開(kāi)口相鄰安裝氣體分析器。在這兩種情況下，氣體分析器均與一個(gè)控制裝置相連，以在分析器檢測(cè)的先行處理氣體的數(shù)量降低到低于預(yù)定水平時(shí)注入先行處理氣體。
相對(duì)于容腔外部的大氣壓，先行處理氣體最好保持稍許正壓。在這種情況下，通過(guò)在容腔內(nèi)相對(duì)適度增加壓強(qiáng)，可以保持容腔內(nèi)沒(méi)有污染氣體。
先行處理氣體的正壓最好低于大氣壓的1％。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，設(shè)置控制裝置，從而通過(guò)在容腔內(nèi)的壓強(qiáng)降低到低于預(yù)定最低水平時(shí)注入先行處理氣體，來(lái)保持正壓。另一種情況是，設(shè)置用于將先行處理氣體連續(xù)注入容腔內(nèi)的裝置。最好設(shè)置用于收集或排出位于工件進(jìn)或出所述入口組件和出口組件處外部附近的氣體的裝置。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，用于收集和排出氣體的裝置包括圍繞入口組件和出口組件的外罩以及與其相連的抽風(fēng)機(jī)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，外罩包括與工件開(kāi)口相鄰的開(kāi)口氣體接收口。這樣做的優(yōu)勢(shì)在于，氣體無(wú)論是廢氣還是先行處理氣體均被抽出容腔，特別是給容腔加壓時(shí)。收集這些氣體用于再利用或者至少可以安全處理。
在另一個(gè)實(shí)施例中，在容器內(nèi)的側(cè)面對(duì)著入口組件和出口組件設(shè)置一個(gè)廢氣口，用于收集具有先行處理氣體相對(duì)密度的廢氣，它們因而被收集在容腔內(nèi)。在此后一個(gè)實(shí)施例中，在容腔內(nèi)鄰近廢氣口安裝一個(gè)廢氣傳感器。可以將控制裝置連接到廢氣傳感器和廢氣口，用于在容腔內(nèi)的廢氣水平超過(guò)預(yù)定水平時(shí)操作廢氣口。
最好將氣流調(diào)節(jié)器分別安裝在入口組件和出口組件內(nèi)。這些氣流調(diào)節(jié)器可以是唇邊密封式、涂刷密封式、對(duì)置滾筒式或幛形密封式。無(wú)需對(duì)其它眾所周知的氣流調(diào)節(jié)器進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明，只要是能減弱氣體擾動(dòng)的任何裝置都可以。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，電極基本上為平板電極。在另一個(gè)實(shí)施例中，存在背對(duì)背排列的多個(gè)電極，并且其中在電極之間移動(dòng)工件的裝置包括在電極之間前后連續(xù)移動(dòng)的傳送帶或輸送帶。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，工件是循環(huán)紗線，并且用于移動(dòng)工件的裝置包括開(kāi)式架部件，用于安裝在兩個(gè)電極之間，開(kāi)式架部件攜帶多個(gè)位于開(kāi)式架部件兩側(cè)的紗線支持滑輪以及紗線抽出機(jī)構(gòu)。
可以設(shè)想，電極可以包括一對(duì)介電材料的U型部件，一個(gè)U型部件嵌套在另一個(gè)U型部件內(nèi)以在它們之間確定等離子區(qū)，具有位于兩個(gè)U型部件中靠外部一個(gè)的外表面上的電極以及位于另一個(gè)U型部件的內(nèi)表面上的相應(yīng)電極。
在參考附圖之前，我們知道先行處理氣體或蒸氣具有唯一密度也因此具有唯一相對(duì)密度。在本說(shuō)明書中，“相對(duì)密度”是同樣溫度和壓強(qiáng)下的氣體密度與大氣密度之比。在討論“先行處理氣體”時(shí)，可以參考同樣溫度和壓強(qiáng)下的該氣體的密度與大氣密度之比。因此，如果該比值小于1，則該氣體比大氣輕并且可能上升并飄浮在大氣上方，然而，如果該比值大于1，則該氣體比大氣重并趨于下沉。
實(shí)際上，本發(fā)明的原理在于，通過(guò)將等離子區(qū)放置在除了允許工件自由進(jìn)入等離子體并從等離子體出來(lái)的開(kāi)口組件外的氣密容腔內(nèi)，如果開(kāi)口組件位于正確位置，則可以避免泄漏先行處理氣體。如果先行處理氣體的相對(duì)密度小于1，則入口組件和出口組件必須位于容腔的最低部分。在這樣做時(shí)，在將所有先行處理氣體注入容腔時(shí)，則所有先行處理氣體將上升，從上向下充滿容腔，將所有大氣排出容腔或者至少使所有大氣離開(kāi)電極確定的等離子區(qū)。同樣，如果先行處理氣體的相對(duì)密度大于1，則先行處理氣體會(huì)在容腔內(nèi)自然下降，因此必須將入口組件和出口組件設(shè)置在容腔的最高部分。
顯然，在此說(shuō)明書中，最高和最低是其常規(guī)意義，也就是說(shuō)，最高就是距離地球引力最遠(yuǎn)，最低就是距離地球引力最近。
首先參考圖1，圖1示出用參考編號(hào)1表示的非熱平衡型常壓等離子體(APP)系統(tǒng)，它包括容腔2，容腔2內(nèi)具有安裝在介電材料4上的一對(duì)電極3，在介電材料4之間形成等離子區(qū)5。該介電材料可以是任何適當(dāng)介電材料，例如玻璃。以傳統(tǒng)方式利用電導(dǎo)線6將電極3連接到適當(dāng)RF(射頻)變壓器7，利用適當(dāng)電纜8將射頻變壓器7連接到射頻源9。除了通常用參考編號(hào)10表示的入口組件和通常用參考編號(hào)11表示的出口組件之外，容腔2是氣密的。入口組件10和出口組件11分別具有工件開(kāi)口12和13以及工件封裝口14和15。在此實(shí)施例中，這兩個(gè)工件封裝口14和15位于工件開(kāi)口12和13的正上方。與每個(gè)工件開(kāi)口12和13相鄰，安裝適當(dāng)氣流調(diào)節(jié)器16。氣流調(diào)節(jié)器16可以是唇邊密封式、涂刷密封式、對(duì)置滾筒式或幛形密封式，實(shí)際上可以是所有類型的密封形式。由用虛線表示的、通過(guò)滑輪21傳輸?shù)膫魉蛶Щ蜉斔蛶?0提供在容腔內(nèi)移動(dòng)工件的裝置。未詳細(xì)示出傳送帶20，并且傳送帶20也的確不是傳送帶20的驅(qū)動(dòng)輪或回行輪。然而，所有這些全部是傳統(tǒng)裝置。傳送帶20簡(jiǎn)單包括用于保持工件在等離子區(qū)5內(nèi)傳送工件的裝置。另一種情況是，如果工件是輸送帶形式的，則可以通過(guò)滑輪21簡(jiǎn)單拉伸它并使它通過(guò)等離子區(qū)5。圖中示出一個(gè)用于注入先行處理氣體的適當(dāng)送氣管25，該送氣管25與先行處理氣體的氣源(未示出)相連。
在運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)送氣管25，將在同樣溫度和常壓下其相對(duì)密度比大氣密度小即如上所述小于1的、比空氣輕的適當(dāng)先行處理氣體(例如氦)送到容腔2內(nèi)。比空氣輕的氣體首先占據(jù)容腔2的頂部，然后隨著送氣量的增加逐漸充滿容腔，并將大氣排出，直到在容腔2內(nèi)不存在大氣，或者直到在入口組件10或出口組件11內(nèi)不存在大氣。將工件放置在傳送帶20上，運(yùn)行傳送帶20以攜帶工件通過(guò)等離子區(qū)5，并且隨著等離子體系統(tǒng)運(yùn)行，在等離子區(qū)5內(nèi)進(jìn)行必要等離子處理過(guò)程。
在運(yùn)行過(guò)程中，在傳送帶20通過(guò)氣流調(diào)節(jié)器16進(jìn)入工件開(kāi)口12時(shí)，氣流調(diào)節(jié)器16將進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)的大氣降低到最少，因此可以確保對(duì)等離子體的擾動(dòng)小，甚或不對(duì)等離子體產(chǎn)生擾動(dòng)。此外，氣流調(diào)節(jié)器還可以確保被拖入或帶入容腔2內(nèi)的污染大氣少。通常，在從工件開(kāi)口13出來(lái)時(shí)，氣流調(diào)節(jié)器16可以防止將先行處理氣體拖入周圍大氣中。圖1所示的實(shí)施例是根據(jù)本發(fā)明的常壓等離子體系統(tǒng)的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)。
圖2示出另一種結(jié)構(gòu)的APP系統(tǒng)，還用參考編號(hào)1表示，并且用相同參考編號(hào)表示其與參考圖1說(shuō)明的各部分相同的各部分。在此實(shí)施例中，APP系統(tǒng)1適于使用其相對(duì)密度大于1的先行處理氣體，也就是說(shuō)，在同樣壓強(qiáng)和溫度下，其密度大于大氣密度。在此實(shí)施例中，設(shè)置了一對(duì)分別具有探針31的氣體分析器30，一個(gè)位于與工件封裝口14相鄰的入口組件10內(nèi)，另一個(gè)位于與工件封裝口13相鄰的出口組件11內(nèi)。這兩個(gè)氣體分析器30均連接到控制器37，控制器37與先行處理氣體氣源相連。在氣體分析器30指出入口組件10被鄰近工件封裝口14的大氣污染，或者指出通過(guò)工件開(kāi)口13，入口組件11排出的先行處理氣體太多時(shí)，可以對(duì)先行處理氣體的流量做相應(yīng)調(diào)節(jié)。長(zhǎng)度L越長(zhǎng)，也就是說(shuō)，工件開(kāi)口與工件封裝口之間的垂直距離越長(zhǎng)，進(jìn)入的污染氣體量將越少。事實(shí)上，入口組件和出口組件分別形成氣阱。
參考圖3，圖3示出又一個(gè)APP系統(tǒng)，還用參考編號(hào)1表示，并且用相同參考編號(hào)表示其與參考先前


的各部分相同的各部分。在此實(shí)施例中，設(shè)置具有探針36和38的氣壓傳感器35。氣壓傳感器35與控制器37相連，控制器37與先行處理氣體氣源相連。探針36位于容腔2的內(nèi)部，而將探針38安裝在容腔2的外部用于檢測(cè)環(huán)境壓強(qiáng)。
在運(yùn)行過(guò)程中，氣壓傳感器35記錄容腔2內(nèi)部的壓強(qiáng)和容腔2外部的壓強(qiáng)并將這兩個(gè)信號(hào)送到控制器37，控制器37控制先行處理氣體氣源，使容腔2內(nèi)的壓強(qiáng)保持高于環(huán)境壓強(qiáng)某個(gè)預(yù)定量。盡管使先行處理氣體保持高壓會(huì)流失一定數(shù)量的氣體，但是可以在入口組件10和出口組件11收集該氣體，如下所述。由于壓差非常小，所以會(huì)發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上每分鐘從大系統(tǒng)流失的氣體不到10升，如上所述，可以收集該氣體用于重復(fù)利用。在此特定實(shí)施例中，示出垂直電極陣列和水平電極陣列的混合排列，也就是說(shuō)，工件可以在水平方向或垂直方向通過(guò)等離子區(qū)。根據(jù)各種眾所周知的參數(shù)例如間隙、驅(qū)動(dòng)頻率以及電極幾何形狀，這種配置可以在每個(gè)等離子區(qū)5內(nèi)產(chǎn)生介質(zhì)擋板或無(wú)聲放電型或電暈放電型或常壓Glow Discharge型或等離子體系統(tǒng)的其它任何類型的常壓等離子體。
參考圖4，圖4示出另一種結(jié)構(gòu)的APP系統(tǒng)，通常還是利用參考編號(hào)1表示。該實(shí)施例示出限定有效垂直等離子區(qū)5的一系列相同垂直排列電極3。此時(shí)，根據(jù)如何對(duì)它進(jìn)行考慮，傳送帶20在電極7之間上、下移動(dòng)，或者在電極之間前、后移動(dòng)。在本實(shí)施例中應(yīng)該注意的一件事情是，現(xiàn)在要低于容腔2安裝送氣管25。在此實(shí)施例中，在容腔2的上部、在遠(yuǎn)離入口組件10和出口組件11的位置安裝具有探針41的氣體分析器40。將氣體分析器40連接到控制器42，控制器42連接到抽風(fēng)機(jī)43。
圍繞入口組件10和出口組件11安裝外罩44，利用導(dǎo)管45將外罩44連接到抽風(fēng)機(jī)46。抽風(fēng)機(jī)46與排氣管47相連。如果需要，將利用抽風(fēng)機(jī)46，通過(guò)外罩44將靠近入口組件和出口組件11的其它排出用于重復(fù)利用。如果在壓強(qiáng)高于大氣壓強(qiáng)時(shí)運(yùn)行APP系統(tǒng)，則該實(shí)施例特別有效。在許多例子中，不需要抽風(fēng)機(jī)46。
氣體分析器40用于檢測(cè)存在的廢氣，在此實(shí)施例中，廢氣上升到容腔2的頂部，因此它比先行處理氣體輕。抽風(fēng)機(jī)46排出的這些廢氣或者排放到大氣中，或者被收集。顯然，在容腔2內(nèi)出現(xiàn)稍許正壓時(shí)，與近乎純先行處理氣體類似，可以將排氣管47連接到集氣器。比先行處理氣體重的廢氣被排出到入口組件10和出口組件11之外。
現(xiàn)在參考圖5，圖5示出又一種結(jié)構(gòu)的APP系統(tǒng)，通常還是利用參考編號(hào)1表示它，并且用相同參考編號(hào)表示其與參考先前實(shí)施例說(shuō)明的各部分相同的各部分。在此實(shí)施例中，請(qǐng)注意，入口組件10和出口組件11不是由密封拉長(zhǎng)容腔形成的，但是工件開(kāi)口和工件封裝口重合。在此實(shí)施例中，請(qǐng)注意，等離子區(qū)5是有效水平的，并且工件前、后通過(guò)電極之間。此實(shí)施例僅用于其相對(duì)密度高于大氣密度的先行處理氣體。
現(xiàn)在參考圖6，圖6示出又一種結(jié)構(gòu)的APP系統(tǒng)，還用參考編號(hào)1表示它。將電極3安裝在一對(duì)由介電材料制成的U型介質(zhì)部件上，即外部U型介質(zhì)部件50和內(nèi)部U型介質(zhì)部件51。請(qǐng)注意，內(nèi)部U型介質(zhì)部件51嵌套在外部U型介質(zhì)部件50內(nèi)，從而在其間形成等離子區(qū)，還用參考編號(hào)5表示等離子區(qū)。外部U型介質(zhì)部件上攜帶電極3，內(nèi)部U型介質(zhì)部件51的內(nèi)表面上攜帶另一個(gè)電極3。顯然，外部介質(zhì)部件50是封閉部件，換句話說(shuō)，U型的端部被封閉，從而形成容腔的外部部分，正如在此實(shí)施例中那樣。
現(xiàn)在參考圖7至圖12，圖7至圖12示出在系統(tǒng)內(nèi)用于處理連續(xù)纖維或紗線(以下簡(jiǎn)稱“紗線”)的部分APP系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括多通路纖維處理系統(tǒng)。在圖7中示出APP系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，通常還用參考編號(hào)1表示該系統(tǒng)。在此APP系統(tǒng)中，設(shè)置了由安裝在系統(tǒng)支架60上的電極容箱63形成的容腔，將系統(tǒng)支架60放置在形成法拉第籠的金屬網(wǎng)形板覆蓋的另一個(gè)支架61內(nèi)。將金屬網(wǎng)形板62接地以形成法拉第籠。
現(xiàn)在參考圖9，圖9示出一對(duì)構(gòu)成部分容腔的電極含箱63。密封條64將兩個(gè)電極含箱的兩個(gè)側(cè)面密封在一起，氣體容器蓋65形成容腔的另一個(gè)壁。氣體容器蓋65具有進(jìn)氣管66。設(shè)置通常用參考編號(hào)70表示的紗線支持架，紗線支持架70包括對(duì)著滑輪72安裝的開(kāi)式架71。紗線支持架70包括底座73，事實(shí)上，底座73即容腔底座，并且紗線支持架70還具有形成紗線入口組件75的孔和形成紗線出口組件76的孔。每個(gè)電極含箱63的外部部分是介電材料并容納電極，還用參考編號(hào)3表示電極，如圖10所示。
顯然，通過(guò)為了增加等離子區(qū)內(nèi)的路徑長(zhǎng)度和停留時(shí)間而設(shè)置的滑輪，紗線可以前進(jìn)、后退。
顯然，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的特定優(yōu)勢(shì)在于，可以顯著削減使用大量昂貴氣體所需的高成本。此外，由于減少了環(huán)境污染，所以可以改善健康和安全狀況。本發(fā)明提供了一種更有效的系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，可以顯著減少因?yàn)榈入x子區(qū)內(nèi)的其它氣體產(chǎn)生污染引起的再現(xiàn)性問(wèn)題?？梢詼p少將氣體拖入或拖出容腔2的任何方式均存在優(yōu)勢(shì)。因此，如上所述，可以采用唇邊密封、涂刷密封、對(duì)置滾筒式或安全幛形密封。
顯然，電極幾何形狀并不局限于相對(duì)平行的平板幾何形狀，而且實(shí)際上可以任何幾何形狀，包括三維非平面電極，例如點(diǎn)電極(即針陣列電極)、線電極、圓柱電極等?？梢栽O(shè)想，用于氦氣的這種配置可以實(shí)現(xiàn)表面活化過(guò)程，該表面活化過(guò)程可以應(yīng)用于許多材料，包括塑料、聚合物、無(wú)機(jī)物以及金屬。
在一個(gè)實(shí)施例中，可以對(duì)作為先行處理氣體的氦設(shè)置50KHz至80KHz的射頻源，該射頻源由產(chǎn)生約2Kv至6Kv電壓的適當(dāng)射頻變壓器供電并且其功率約為1kW。在接合之后，正如利用濕潤(rùn)度和粘著性測(cè)量的那樣，可以成功活化聚丙烯織物輸送帶?？梢园l(fā)現(xiàn)，在根據(jù)本發(fā)明運(yùn)行時(shí)，所需的氦氣比沒(méi)有根據(jù)本發(fā)明的氣體容器時(shí)所需的氦氣少5％。同樣，在具有大致相同功率和射頻比時(shí)可以使用氬氣。
在所采用的根據(jù)本發(fā)明的各種其它系統(tǒng)中，先行處理氣體包含混合氣體，該混合氣體包括氬氣以及含有諸如C2F6、CF4或CHF3的鹵代烴氣體。它已經(jīng)用于在通過(guò)等離子體的任何輸送帶或工件上沉積均勻的氟塑料涂層。同樣，含有氬氣和硅氧烷蒸氣的混合氣體可以將SiOx均勻涂層沉積到通過(guò)等離子體的任何輸送帶或工件上。利用約5至100Hz AC電流供電、采用氬氣的系統(tǒng)激活放置在等離子區(qū)內(nèi)的細(xì)粉并將位于同一個(gè)等離子區(qū)內(nèi)的多孔性材料與這些細(xì)粉摻雜在一起。
可以設(shè)想，本發(fā)明特別涉及等離子體活化過(guò)程和涂敷以及薄膜沉積，并且還涉及表面污染清洗與蝕刻。
在本說(shuō)明書中，可以認(rèn)為術(shù)語(yǔ)“包括、被包括”或其任何變形以及術(shù)語(yǔ)“包含、被包含”或其任何變形是可完全互換的，并且可以對(duì)它們做可能的最廣泛解釋。
本發(fā)明并不局限于在此說(shuō)明的實(shí)施例，可以在權(quán)利要求所述的范圍內(nèi)在結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)方面對(duì)其做各種變換。
權(quán)利要求
1.一種非熱平衡型常壓等離子體(APP)系統(tǒng)(1)，該系統(tǒng)包括多個(gè)電極(3)，形成一個(gè)等離子區(qū)，安裝在容腔(2)內(nèi)，在同樣壓強(qiáng)和溫度下其相對(duì)密度比大氣密度高或低的非大氣先行處理氣體，其特征在于，該系統(tǒng)包括氣密容腔(2)，具有到大氣入口組件(10)和大氣出口組件(11)的開(kāi)口，入口組件和出口組件分別具有工件開(kāi)口(12、13)以及工件封裝口(14、15)，其中對(duì)于先行處理氣體的相對(duì)密度大于大氣相對(duì)密度的情況，所述入口組件和出口組件位于等離子區(qū)(5)的上方，而對(duì)于先行處理氣體的相對(duì)密度低于大氣相對(duì)密度的情況，所述入口組件和出口組件位于等離子區(qū)(5)的下方；以及裝置(20)，用于在電極(3)之間從入口組件(10)到出口組件(11)移動(dòng)工件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的常壓等離子體(APP)系統(tǒng)(1)，其中入口組件和出口組件(10、11)分別包括具有垂直隔離的工件開(kāi)口(12、13)和工件封裝口(14、15)的封裝拉長(zhǎng)容腔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的常壓等離子體(APP)系統(tǒng)(1)，其中氣體分析器(30)安裝在入口組件(10)內(nèi)。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求之任一所述的常壓等離子體(APP)系統(tǒng)(1)，其中氣體分析器(30)位于工件封裝口(14、15)的相鄰位置。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求之任一所述的常壓等離子體(APP)系統(tǒng)(1)，其中氣體分析器(30)安裝在出口(11)內(nèi)。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求之任一所述的常壓等離子體(APP)系統(tǒng)(1)，其中氣體分析器(30)安裝在與工件開(kāi)口(10)相鄰的位置。
7.根據(jù)權(quán)利要求3至6之任一所述的常壓等離子體(APP)系統(tǒng)(1)，其中氣體分析器(30)與控制裝置(37)相連，用于在分析器(30)檢測(cè)到先行處理氣體的數(shù)量低于預(yù)定水平時(shí)，注入先行處理氣體。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求之任一所述的常壓等離子體(APP)系統(tǒng)(1)，其中相對(duì)于容腔(2)外部的環(huán)境壓強(qiáng)，先行處理氣體保持正壓。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的常壓等離子體(APP)系統(tǒng)(1)，其中先行處理氣體的正壓低于環(huán)境壓強(qiáng)的10％。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的常壓等離子體(APP)系統(tǒng)(1)，其中先行處理氣體的正壓是環(huán)境壓強(qiáng)的1％量級(jí)。
11.根據(jù)權(quán)利要求8至10之任一所述的常壓等離子體(APP)系統(tǒng)(1)，其中設(shè)置控制裝置(37)，使得通過(guò)在容腔(2)內(nèi)的壓強(qiáng)降低到低于預(yù)定最低水平時(shí)注入先行處理氣體，來(lái)保持所述正壓。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求之任一所述的常壓等離子體(APP)系統(tǒng)(1)，其中設(shè)置裝置(25)用于將先行處理氣體持續(xù)注入容腔(2)內(nèi)。
13.根據(jù)上述權(quán)利要求之任一所述的常壓等離子體(APP)系統(tǒng)(1)，其中設(shè)置裝置(43)用于收集或排出位于工件進(jìn)或出入口組件和出口組件(10、11)處外部附近的氣體。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的常壓等離子體(APP)系統(tǒng)(1)，其中用于收集和排出氣體的裝置包括圍繞入口組件和出口組件(10、11)的外罩(44)以及與其相連的抽風(fēng)機(jī)(46)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的常壓等離子體(APP)系統(tǒng)(1)，其中外罩(44)包括與工件開(kāi)口(12)相鄰的開(kāi)口氣體接收口。
16.根據(jù)上述權(quán)利要求之任一所述的常壓等離子體(APP)系統(tǒng)(1)，其中在容器內(nèi)的側(cè)面對(duì)著入口組件和出口組件(10、11)設(shè)置一個(gè)廢氣口，用于收集具有先行處理氣體相對(duì)密度的廢氣，從而將它們收集在容腔(2)內(nèi)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的常壓等離子體(APP)系統(tǒng)(1)，其中在容腔(2)內(nèi)鄰近廢氣口安裝一個(gè)廢氣傳感器(40)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的常壓等離子體(APP)系統(tǒng)(1)，其中將控制裝置(42)連接到廢氣傳感器(40)和廢氣口，用于在容腔(2)內(nèi)的廢氣水平超過(guò)預(yù)定水平時(shí)操作廢氣口。
19.根據(jù)上述權(quán)利要求之任一所述的常壓等離子體(APP)系統(tǒng)(1)，其中將氣流調(diào)節(jié)器(16)分別安裝在入口組件和出口組件內(nèi)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的常壓等離子體(APP)系統(tǒng)(1)，其中氣流調(diào)節(jié)器(16)包括一個(gè)或多個(gè)唇邊密封；涂刷密封；幛形密封；以及對(duì)置滾筒式密封。
21.根據(jù)上述權(quán)利要求之任一所述的常壓等離子體(APP)系統(tǒng)(1)，其中電極(3)為基本上平板電極。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的常壓等離子體(APP)系統(tǒng)(1)，其中存在背對(duì)背排列的多個(gè)電極(3)，并且其中，在電極之間移動(dòng)工件的裝置包括在電極(3)之間前后連續(xù)移動(dòng)的傳送帶(20)或輸送帶。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的常壓等離子體(APP)系統(tǒng)(1)，其中工件是循環(huán)紗線，并且用于移動(dòng)工件的裝置包括開(kāi)式架部件(71)用于安裝在兩個(gè)電極(3)之間，該開(kāi)式架部件攜帶位于開(kāi)式架部件(71)兩側(cè)的多個(gè)紗線支持滑輪(72)以及紗線抽出機(jī)構(gòu)。
24.根據(jù)權(quán)利要求21至23之任一所述的常壓等離子體(APP)系統(tǒng)(1)，其中電極(3)包括一對(duì)介電材料的U型部件(50、51)，一個(gè)U型部件嵌套在另一個(gè)U型部件內(nèi)以在它們之間確定等離子區(qū)(5)，具有位于兩個(gè)U型部件中靠外一個(gè)(50)的外表面上的一個(gè)電極(3)以及位于另一個(gè)U型部件(51)的內(nèi)表面上的相應(yīng)電極。
全文摘要
本發(fā)明披露了一種共用確定等離子區(qū)(5)、安裝在容腔(2)內(nèi)的電極(4)的常壓等離子體系統(tǒng)(1)。該容腔具有到大氣入口組件(10)和出口組件(11)的開(kāi)口，用于通過(guò)等離子區(qū)(5)連續(xù)傳輸工件。所說(shuō)明的實(shí)施例針對(duì)其相對(duì)密度低于大氣相對(duì)密度的先行處理氣體，使得處理氣體在容腔(2)內(nèi)上升將較重的大氣和廢氣排出。對(duì)于其相對(duì)密度比大氣高的氣體，入口組件和出口組件(10和11)位于等離子區(qū)(5)的上方。
文檔編號(hào)H05H1/24GK1404619SQ01804735
公開(kāi)日2003年3月19日 申請(qǐng)日期2001年2月12日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月11日
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