基于微帶諧振器的三維約束微波微等離子體源的實現(xiàn)

唐佳麗,　明小祥,　于新海,　王正東

(華東理工大學承壓系統(tǒng)與安全教育部重點實驗室,上海 200237)

基于微帶諧振器的三維約束微波微等離子體源的實現(xiàn)

唐佳麗,明小祥,于新海,王正東

(華東理工大學承壓系統(tǒng)與安全教育部重點實驗室,上海 200237)

摘要：通過理論計算及HFSS仿真設計了微帶諧振器,并通過比對三維約束結構存在的HFSS仿真結構驗證了三維結構的可行性。實測制備的微帶諧振器空載諧振頻率為2.5 GHz,回波損耗系數(shù)(S11)為-17.94 dB。該微帶諧振器成功實現(xiàn)了三維約束微尺度下,工作頻率為2.5 GHz,工作壓強范圍為30 Pa至大氣壓、功率范圍為0.7～6 W時的微等離子體放電。通過光譜儀檢測壓強為7.5×104 Pa下的Hβ譜線,應用斯塔克展寬求得此壓強下平均電子密度為 5.54×1013cm-3,該值符合微等離子體源的電子密度值。

關鍵詞：微帶諧振器; HFSS; 微等離子體; 斯塔克展寬

等離子體是物質的第四態(tài),是大量正離子、電子及中性分子或原子的混合物,對外呈現(xiàn)電中性。通常有高溫等離子體及低溫等離子體,實驗室中通過氣體放電產生的輝光放電等離子體是低溫等離子體[1]。微等離子體源是指在微尺度下的放電,尺度在幾個微米到幾個毫米[2]。微等離子體源日益受到關注,在微化學分析系統(tǒng)[3]、微反應器[4]、局部材料處理[5]等方面都有很好的應用優(yōu)勢及前景。

微等離子體源按等離子體生成方法的不同有直流、射頻、微波3種形式,其中直流微等離子體源[6]以緊湊、易制造、對功率源要求低見長,但是維持時間短、電極易被污染導致等離子體不純凈是其最大的問題;射頻微等離子體源有電容耦合[7]及電感耦合[8]兩種,電容耦合相較于直流微等離子源可得到較高密度等離子體,且電子能量較高,但效率較低;電感耦合能得到高密度等離子體,但是一般多在低壓強下工作;微波微等離子體源[9]結構簡單、輻射損失少、更高效、維持時間長,在3種微等離子源形式中性能最好。鑒于微波功率傳輸特點,源與負載之間良好的阻抗匹配設計是必需的。由于微波微等離子體源的優(yōu)點,其被用于微型質譜儀等微分析儀器的電離源中使用[10],而作為分析儀器電離源,三維約束是必須的。

微帶諧振器具有阻抗匹配設計簡便、濾波效果強、易制造等優(yōu)點。本文采用微帶諧振器作為微波微等離子體源,結合HFSS(High Frequency Structure Simulator),Ansoft公司推出的三維電磁仿真軟件,該軟件在微波諧振腔體的設計方面應用廣泛[5,11-13])設計了一款實測空載諧振頻率為2.5 GHz、回波損耗系數(shù)(S11)為-17.94 dB的微帶諧振器。同時考慮微等離子體源三維約束需求,本文采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)制作三維約束結構,且通過將其HFSS仿真結果與不存在三維約束結構的仿真結果比較驗證其可行性,實驗成功地實現(xiàn)了微尺度(特征尺度為180 μm)下的微等離子體放電。

1微帶諧振器理論計算

1.1設計思路

微帶線諧振器是傳輸線型諧振器的一種,具有選頻特性,通常有3種形式:nλ/2開路諧振器,nλ/2短路諧振器及nλ/4短路諧振器。考慮結構緊湊性,本文選擇nλ/4短路諧振器。設計思路見圖1。

圖1　微帶諧振器設計思路

1.2確定微帶線長

微帶線中傳播的波長(λ)計算如式(1)所示[11]:

(1)

式中:Vp是微帶線中傳播波的相速；λ0=c/f為自由空間的波長,其中c為光速,f為頻率；εff為有效相對介電常數(shù),滿足關系式1<εff<εr,其中εr為介質的相對介電常數(shù)，εff的計算公式[14]如下:

(2)

式中:W為微帶線的寬度;h為基板厚度。h由選擇的材料確定,本文選用羅杰斯RT6010板材,h=635 μm,εr=10.2;W的值由工作頻率、介質相對介電常數(shù)、基板厚度、微帶線特性阻抗確定。

若εr、Z0已知,則微帶線尺寸(W、h)由下式[14]給出：

(3)

其中

(4)

(5)

根據(jù)以上公式,計算得到微帶諧振器各個參數(shù),如表1所示。

表1　微帶諧振器性能參數(shù)

1.3確定功率饋入點

阻抗匹配是使微波電路或系統(tǒng)無反射、載行波盡量接近行波狀態(tài)的技術措施,這里我們根據(jù)傳輸線理論,使諧振器的輸入阻抗與信號源的輸出阻抗50 Ω匹配。圖2所示為根據(jù)傳輸線理論得到的微帶諧振器的等效電路,其中l(wèi)1+l2=λ/4,l1和l2分別為諧振器功率輸入點到短路端和開路端的長度,根據(jù)該等效電路,可以得到空載下(即無等離子體存在)微帶諧振器的輸入阻抗Zin。

微帶諧振器的輸入阻抗由短路傳輸線Z1和開路傳輸線Z2并聯(lián)而得,即

(6)

式中:Z0為微帶線特性阻抗;k為復傳播常數(shù),k=α+jβ。其中,α為衰減常數(shù),β=2π/λ,λ為波長。在推導式(6)的過程中,一般假設微帶線損耗很小[5],故αl?1,tan(αl)?αl。

圖2　微帶諧振器的等效電路

在諧振條件下,l1+l2=(2n-1)λ/4,n=1,2,3,…,且式(6)中虛部為零,即-cot(βl1)+tan(βl2)=0。因此,輸入阻抗的值為實數(shù),可以通過調整功率饋入點的位置即調節(jié)l1的值得到,見表1。

2HFSS仿真結果與討論

2.1無約束微帶諧振器仿真

通過HFSS軟件對以上理論計算進行優(yōu)化。HFSS中建立的微帶諧振器模型如圖3(a)所示,等離子體的放電間隙設置為100 μm。通過參數(shù)優(yōu)化及仿真,發(fā)現(xiàn)功率饋入點調整到l1=0.5 mm時,S11的頻率響應曲線最優(yōu),如圖3(b)所示,此時諧振頻率為2.47 GHz,S11為-20.81 dB,說明反射功率與入射功率的比值為0.1。圖3(c)所示為微帶諧振器輸入電極面對放電間隙面的電場分布,可見最強的電場約為1.6×106V/m(HFSS仿真設置中,subminiature type A SMA集總端口處功率為1 W),電場強度隨入射功率的增大而增大。Campbell[15]結合有效電場概念及電子與中性分子碰撞頻率建立了微間隙下微波誘導擊穿等離子體模型,并且針對8個不同間隙(13,25,38,60,80,150,250，500 μm)計算擊穿場強,計算結果顯示電場強度在105～106V/m時,可實現(xiàn)微波微等離子體放電。所以本設計電場強度為1.6×106V/m,理論上可以激發(fā)微等離子體。

2.2帶三維約束結構的微帶諧振器仿真

HFSS中建立的帶三維約束結構的微帶諧振器模型如圖4(a)所示,實際實驗中該三維約束結構采用PDMS材料制作而成,因此在HFSS中將該三維結構的材料相對介電常數(shù)設定為2.8。S11的頻率響應曲線如圖4(b)所示,諧振頻率為2.45 GHz,S11為-7.48 dB,說明反射功率與入射功率的比值為0.42。圖4(c)所示為微帶諧振器輸入電極面對放電間隙面的電場分布,可見最強的電場約為1.0×107V/m。

雖然在三維約束結構存在的情況下,S11比無三維約束結構存在的情況下大13.33 dB,但是其在SMA集總端口處功率為1 W的情況下,場強幅值是無約束情況下的6.3倍,且兩種情況下的電場分布相同。

當在SMA端口入射1 W功率時,對于無約束情況,其在2.47 GHz時輸入功率(入射功率與反射功率的差)為0.9 W,則在輸入電極正對放電間隙表面的電場最大幅值為1.5×106V/m(此處認為電場強度與輸入功率的平方根成正比);對于三維約束情況,其在2.45 GHz時輸入功率為0.48 W,在輸入電極正對放電間隙表面的電場最大幅值為6.9×106V/m。因此,驗證了三維約束結構的可行性,且發(fā)現(xiàn)在同一輸入功率下,此三維約束結構的存在將電場幅值增加了6.3倍,更有利于微等離子體的形成。

圖3　無約束微帶諧振器的HFSS仿真

圖4　帶三維約束的微帶諧振器的HFSS仿真

根據(jù)仿真結果最終確定微帶諧振器各個參數(shù),使用羅杰斯RT6010板材加工制作微帶諧振器,如圖5所示,焊接SMA接頭后,使用網(wǎng)絡分析儀HP8753ET測得的S11與頻率關系曲線見圖6所示,可見諧振頻率為2.5 GHz,S11為-17.94 dB。因為焊接SMA接頭引入的焊錫以及熱影響,使實測諧振頻率相較設計值2.47 GHz偏移0.3 GHz,實測S11數(shù)值較設計值-20.81 dB偏大2.97 dB,通過實驗證實可成功激發(fā)微等離子體。

圖5　微帶諧振器及微等離子體

圖6　網(wǎng)絡分析儀測得的S11～f曲線

3三維約束微等離子體源的加工工藝

三維約束微等離子體源的加工工藝分為兩個部分,其一是RT/Duroid 6010板材的微帶諧振器的加工,工藝如圖7(a)所示;其二是三維約束結構的實現(xiàn),該結構采用PDMS材料制作,加工工藝如圖7(b)所示,具體為:通過涂膠機(HAKW-4A)將液態(tài)的PDMS旋凃在硅片上,旋凃厚度由轉速控制,將硅片放置在熱板(TWJR-B)上于100 ℃加熱2 min,室溫冷卻后將PDMS揭下,并裁剪成1 cm × 1 cm的正方形,用打孔器打直徑d=800 μm的孔,將打孔后的PDMS片覆蓋在放電間隙上,并在其上覆蓋另一未打孔的PDMS片,使之形成密閉結構。

4微等離子體放電實驗結果與討論

將三維約束的微帶諧振器置于一不銹鋼腔體(上表面有石英觀察窗)中,先用機械泵抽真空至10 Pa,后通入含有φ=1%氫氣的氬氣,通過調節(jié)進氣流量及抽氣流量維持真空腔內不同的壓強,使用微波功率源(TH423B)及功率放大器(YT1.8，2.8 GHz，8 W)給其提供2.4～2.5 GHz頻率的功率,實驗中發(fā)現(xiàn)在很大的壓強范圍(30 Pa至大氣壓下),寬功率范圍(0.7～6.0 W)下均可實現(xiàn)穩(wěn)定的微等離子體,放電效果見圖5。

在壓強為7.5×104Pa左右,使用光譜儀(LIBS2500-5PLUS,海洋光學)記錄發(fā)射光譜圖,該光譜儀分辨率為0.1 nm。通過擬合Hβ線的展寬,并求得其斯塔克展寬后,通過式(7)可求得電子密度ne[16]

(7)

根據(jù)圖8工況求得的斯塔克展寬可計算得電子密度為5.54×1013cm-3,其中圖8中圓圈為實測光譜,實線為包括所有展寬的佛克脫擬合(當Tg=340 K,ne=5.54×1013cm-3時,擬合效果最好),虛線為儀器展寬及多普勒展寬的擬合,點線為除了斯塔克展寬外的展寬擬合。

Hoskinson等[17]的微帶諧振器激發(fā)的微等離子體最高電子密度為3×1014cm-3,該微等離子體源很適合于材料表面處理,諸如刻蝕等;Zhu等[16]的環(huán)狀微帶諧振器激發(fā)的微等離子體最高電子密度為1.04×1014cm-3,使該微等離子體源很適合作為一款小體積的便攜傳感器。本文的微等離子體源的電子密度為5.54×1013cm-3,可用于材料表面處理,以及作為便攜傳感器,且通過將其中的電子引出也可以作為電子源應用于微型分析儀器等。

圖7　微帶諧振器(a)及PDMS腔室的加工工藝(b)

圖8　在2.5 GHz、7.5×104 Pa條件下的Hβ輪廓

5結論

本文通過理論計算及HFSS仿真設計了一款實測空載諧振頻率為2.5 GHz,S11為-17.94 dB的微帶諧振器。結合微波功率源、機械泵等設備成功實現(xiàn)大工作壓強范圍、寬功率范圍內三維約束微尺度下等離子體,在7.5×104Pa壓強下通過光譜儀檢測Hβ譜線,應用斯塔克展寬求得平均電子密度為 5.54×1013cm-3,該值與已報道的微等離子體源的電子密度范圍相符,說明設計的微帶諧振器可以作為微波微等離子體源。

參考文獻：

[1]菅井秀郎.等離子體電子工程學[M].北京:科學出版社,2002.

[2]IZA F,KIM G J,LEE S M,etal.Microplasmas:Sources,particle kinetics,and biomedical applications[J].Plasma Processes and Polymers,2008,5:322-344.

[3]JANASEK D,FRANZKE J,MANZ A.Scaling and the design of miniaturized chemical-analysis systems[J].Nature,2006,442(27):374-380.

[4]SANKARAN R M,GIAPIS K P.Maskless etching of silicon using patterned microdischarges[J].Applied Physics Letters,2001,79(5):593-595.

[5]IZA F,HOPWOOD J.Split-ring resonator microplasma:Microwave model,plasma impedanca and power efficiency[J].Plasma Sources Science and Technology,2005,14:397-406.

[6]EIJKEL J C T,STOERI H,MANZ A.A molecular emission detector on a chip employing a direct current microplasma[J].Analytical Chemistry,1999,71(14):2600-2606.

[7]LIU D W,SHI J J,KONG M G.Electron trapping in radio-frequency atmospheric-pressure glow discharges[J].Applied Physiscs Letters,2007,90(4):041502.

[8]YIN Yu,MESSIER J,HOPWOOD J A.Miniaturization of inductively coupled plasma sources[J].IEEE Transactions on Plasma Science,1999,27(5):1516-1524.

[9]BILGIC A M,ENGEL U,VOGES E.A new low-power microwave plasma source using microstrip technology for atomic spectrometry[J].Plasma Sources Science and Technology,2000,9(1):1-4.

[10]HAUSCHILD J P,WAPELHORST E,MULLER J.Mass spectra measured by a fully integrated MEMS mass spectrometer[J].International Journal of Mass Spectrometry,2007,264(1):53-60.

[11]沈長圣,楊鴻生,龔克,等.微波氫氣等離子體介電特性的研究[J].微波學報,2009,25(1):26-29.

[12]陳穎,李承躍,季天仁.新型大氣壓微波等離子體炬的仿真研究[J].強激光與粒子束,2011,23(10):2715-2718.

[13]劉永喜,張貴新,侯凌云,等.基于圓柱形諧振腔的高氣壓微波等離子體發(fā)生裝置的電磁特性[J].高電壓技術,2013,39(7):1757-1762.

[14]REINHOLD Ludwig,PAVEL Bretchko.射頻電路設計——理論與應用[M].北京.電子工業(yè)出版社,2011:42-44.

[15]CAMPBELL J D,BOWMAN A,LENTERS G T,etal.Collision and diffusion in microwave breakdown of nitrogen gas in and around microgaps[J].AIP Advances,2014,4(1):017119.

[16]ZHU Ximing,CHEN Wencong,PU Yikang.Gas temper-ature,electron density and electron temperature measurement in a microwave excited microplasma[J].Journal of Physics D：Applied Physics,2008,41(10):105212.

[17]HOSKINSON A R,HOPWOOD J.Spatially resolved spectroscopy and electrical characterization of microplasmas and switchable microplasma arrays[J].Plasma Sources Science and Technology,2014,23(1):015024.

Implementation of a Microwave Microplasma Source Based on Microstrip Resonator

TANG Jia-li,MING Xiao-xiang,YU Xin-hai,WANG Zheng-dong

(Key Laboratory of Pressurized Systems and Safety,Ministry of Education,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China)

Abstract:A microstrip resonator was designed with theoretical calculation and HFSS simulation.The feasibility of the three-dimensional confined structure was identified with the comparison of the HFSS results with or without the existence of three-dimensional confined structure.The measured values of resonance frequency and S11were 2.5 GHz and -17.94 dB,respectively.This microstrip resonator successfully induced microplasma with three-dimensional confined at frequency of 2.5 GHz,the wide pressure range from 30 Pa to atmospheric,and the input power range from 0.7 to 6 W.At 7.5×104 Pa,a line profile of the hydrogen Balmer β line was detected with the spectrometer.And the electron density was 5.54×1013cm-3,the value was accorded with the typical values of electron density of microplasma source.

Key words:microstrip resonator; HFSS; microplasma; Stark broading

收稿日期：2015-09-09

作者簡介：唐佳麗(1986-),女,上海人,博士生,研究方向為微等離子體性能。 通信聯(lián)系人：于新海,E-mail:yxhh@ecust.edu.cn

文章編號：1006-3080(2016)02-0271-06

DOI:10.14135/j.cnki.1006-3080.2016.02.019

中圖分類號：TN136

文獻標志碼：A