專利名稱：大氣壓等離子體組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大氣壓等離子體組件以及用所述組件處理一個(gè)襯底的方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)物質(zhì)被持續(xù)給予能量時(shí)，它的溫度升高并且典型地從固體轉(zhuǎn)變成液體，然后變成氣體。持續(xù)施加能量導(dǎo)致系統(tǒng)經(jīng)歷進(jìn)一步的狀態(tài)變化，其中氣體的中性原子或分子被高能碰撞打碎，生成帶負(fù)電荷的電子、正或負(fù)離子以及其它物質(zhì)。這種帶電物質(zhì)的混合物顯示出的集體行為稱作“等離子體”，即物質(zhì)的第四態(tài)。由于它們的電荷，等離子體能夠受到外部電磁場(chǎng)的極大影響，使得它們?nèi)菀卓刂啤４送?，它們的高?nèi)能允許它們能夠處理物質(zhì)的其它狀態(tài)，這對(duì)使用液體或氣體處理來說是不可能或者很難。
術(shù)語(yǔ)“等離子體”包含巨大范圍的系統(tǒng)，它的密度和溫度有許多數(shù)量級(jí)的變化。一些等離子體非常熱，它們所有的微觀物質(zhì)(離子，電子，等)近似熱平衡，輸入到系統(tǒng)中的能量通過原子/分子級(jí)碰撞廣泛地分布。然而，其它等離子體，尤其在低壓下(例如100Pa)碰撞相對(duì)較少發(fā)生，在很廣的不同溫度下具有組成物質(zhì)，稱作“非熱平衡”等離子體。在這些非熱能等離子體中，自由電子非常的熱，溫度為好幾千熱力學(xué)溫度(K)而中性和離子物質(zhì)保持為冷的。由于自由電子幾乎具有負(fù)質(zhì)量，整個(gè)系統(tǒng)的焓比較低，等離子體工作在接近于室溫，這樣允許處理對(duì)溫度敏感材料，例如塑料或聚合物，而沒有對(duì)其加上破壞性熱負(fù)荷。通過高能碰撞，熱電子引起豐富的自由基和激發(fā)物質(zhì)源，它們具有適合于深刻的化學(xué)和物理活性的高化學(xué)勢(shì)能。正是這種低溫工作加上高活性的組合使得非熱能等離子體在技術(shù)上非常重要，并是一個(gè)用于制造和材料處理的強(qiáng)有力工具，適合于處理沒有等離子體時(shí)需要非常高的溫度或有害和侵蝕性化學(xué)制品的場(chǎng)合。
對(duì)于等離子體技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用，一個(gè)方便的方法是將電磁功率耦合進(jìn)處理氣體中，它可以是氣體和蒸汽的混合物，待處理的工件/樣品在其中浸入或經(jīng)過。氣體被電離變成等離子體，生成與樣品表面反應(yīng)的化學(xué)自由基，紫外線和離子。通過正確地選擇處理氣體組分，驅(qū)動(dòng)功率頻率，功率耦合模式壓力和其它控制參數(shù)，等離子體處理可以設(shè)計(jì)成滿足制造者所需的具體應(yīng)用。
由于等離子體巨大的化學(xué)和熱范圍，它們適合于許多技術(shù)應(yīng)用。非熱平衡等離子體對(duì)表面激活、表面清洗、材料刻蝕和表面鍍層尤其有效。
聚合物材料的表面激活是一種由汽車工業(yè)首先使用的廣泛應(yīng)用的工業(yè)等離子體技術(shù)。這樣，例如由于再循環(huán)用途而受到歡迎的聚烯烴，如聚乙烯和聚丙烯，具有非極性的表面從而很難涂覆或粘合。然而，用氧等離子體處理導(dǎo)致形成表面極性基，引起高潤(rùn)濕性，從而具有對(duì)金屬涂料.、粘合劑或其它鍍層具有優(yōu)異的覆蓋和粘著性。因此，在車輛儀表板、儀表板、保險(xiǎn)桿等的制造中，以及在玩具及類似工業(yè)中的組件組裝中，等離子體表面工程正變得越來越重要。在對(duì)聚合物、塑料、陶瓷/無機(jī)、金屬和其它材料的所有幾何形狀的組件的印刷、涂漆、粘合、層壓和常規(guī)鍍層中，可以獲得許多其它應(yīng)用。
世界范圍內(nèi)環(huán)境立法的滲透和強(qiáng)度的增加，對(duì)工業(yè)上減少或消除在制造過程中使用溶劑和其它濕法化學(xué)制品，尤其對(duì)組件/表面清洗來說，正產(chǎn)生巨大壓力。尤其是，基于CFC的脫脂操作已經(jīng)大量地被等使用氧氣、空氣和其它無毒氣體工作的離子體清洗技術(shù)所代替。結(jié)合基于水的預(yù)清洗操作和等離子體應(yīng)用，允許清洗甚至非常嚴(yán)重污染的組件，得到的表面優(yōu)于傳統(tǒng)方法得到的表面。任何有機(jī)表面污染通過室溫等離子體迅速清除，轉(zhuǎn)化成能夠安全排放的氣體CO2和水。
等離子體還能夠?qū)崿F(xiàn)刻蝕體材料，例如用于從那里去除不想要的材料。這樣，例如一種基于氧氣的等離子體將刻蝕聚合物，這是一種應(yīng)用于制作線路板等的處理。不同的材料，例如金屬、陶瓷和無機(jī)物通過仔細(xì)選擇初始?xì)怏w和注意等離子體化學(xué)來刻蝕。小到納米臨界尺寸的結(jié)構(gòu)現(xiàn)在通過等離子體刻蝕技術(shù)以及制作出來了。
迅速出現(xiàn)并變成主流工業(yè)的等離子體技術(shù)是等離子體鍍層/薄膜淀積。典型地，實(shí)現(xiàn)高能聚合是通過將等離子體應(yīng)用到單體氣體和蒸汽。這樣，可以形成致密、堅(jiān)固接合和三維結(jié)合的薄膜，它具有熱穩(wěn)定、化學(xué)抗腐蝕、機(jī)械穩(wěn)固。這樣的薄膜能保型地淀積在甚至最復(fù)雜表面上，并且處于能夠確保襯底上低的熱負(fù)荷溫度下。因此等離子體用于涂覆精密和熱敏感以及堅(jiān)固金屬是很理想的。等離子體鍍層甚至在薄層中也沒有微孔。常?？梢远ㄖ棋儗拥墓鈱W(xué)特性例如顏色，并且等離子體鍍層甚至與非極性材料粘著的非常好，例如聚乙烯，以及鋼(例如金屬反射器上的防腐蝕薄膜)，陶瓷，半導(dǎo)體，紡織品等。
在所有的這些處理中，等離子體工程制造了定制的希望應(yīng)用的表面效果，或者制造了在任何情況下都不影響材料整體的產(chǎn)品。這樣等離子體處理為制造者提供了一個(gè)通用的和強(qiáng)大的工具，允許為了整體技術(shù)和商業(yè)性質(zhì)而選擇材料，同時(shí)提供了自由，使得能夠獨(dú)立設(shè)計(jì)表面以滿足完全不同的需要，以及極大地給予了產(chǎn)品增強(qiáng)的功能性、性能、壽命和質(zhì)量，以提供給用戶對(duì)產(chǎn)品性能的重要附加值。
這些性質(zhì)強(qiáng)烈地推動(dòng)了工業(yè)采用基于等離子體的處理，從1960年代已經(jīng)引導(dǎo)了這種推動(dòng)，通過微電子團(tuán)體將低壓輝光放電等離子體發(fā)展成用于半導(dǎo)體、金屬和電介質(zhì)處理的超高技術(shù)和高資本成本工程工具。自從1980年代同樣的低壓輝光放電型等離子體已經(jīng)日益滲透到其它工業(yè)部門，以更加適度的成本提供處理，例如用于增加粘著/鍵合強(qiáng)度的聚合物表面激活，高質(zhì)量脫脂/清洗以及淀積高質(zhì)量鍍層。這樣，已經(jīng)基本上接受了等離子體技術(shù)。輝光放電可以在真空和大氣壓下獲得。在大氣壓輝光放電情況下，氣體例如氦氣和氬氣用作稀釋劑，一個(gè)高頻(例如大于1kHz)功率源用于在大氣壓下產(chǎn)生均勻輝光放電，根據(jù)潘寧電離機(jī)理，(見例如，Kanazawa等，J.Phys.DAppl.Phys.1988，21，838，Okazaki等，Proc.Jpn.Symp.PlasmaChem.1989，2，95，Kanazawa等，Nuclear Instrμments and Methods inPhysical Research 1989，B37/38，842，以及Yokoyama等，J.Phys.DAppl.Phys.1990，23，374)。
然而，采用等離子體技術(shù)已經(jīng)局限于大多數(shù)工業(yè)等離子體系統(tǒng)的主要約束，即，它們需要在低壓下工作。部分真空工作意味著封閉周邊，密封反應(yīng)系統(tǒng)，僅僅提供離線、成批處理分立的工作組件。生產(chǎn)量較低或中等并且需要真空增加了資本和運(yùn)轉(zhuǎn)成本。
然而，大氣壓等離子體為工業(yè)提供了開放口或周邊系統(tǒng)，通過工作組件/網(wǎng)膜提供自由的進(jìn)入和退出等離子區(qū)，因此可以在線、連續(xù)處理大小面積網(wǎng)膜或傳送攜帶分立網(wǎng)膜。由高壓工作獲得的高物質(zhì)流的加強(qiáng)，生產(chǎn)量很高。許多工業(yè)部門，例如紡織品、包裝、紙張、藥品、汽車、航空等，幾乎完全依賴于連續(xù)的在線處理，使得大氣壓下開放口/周邊配置等離子體提供新的工業(yè)處理能力。
電暈放電和火焰(也是一種等離子體)處理系統(tǒng)已經(jīng)為工業(yè)提供局限形式的大氣壓等離子體處理性能約30年了。然而，盡管它們具有高的可制造性，這些系統(tǒng)未能滲透進(jìn)市場(chǎng)，或者未能達(dá)到像低壓、電解處理等離子體類型在工業(yè)上所占據(jù)的程度。原因是電暈放電/火焰系統(tǒng)具有重要局限性。它們工作在環(huán)境空氣中，提供單表面激活處理，對(duì)許多材料幾乎沒有效果并且對(duì)大多數(shù)材料僅有微弱效果。處理常常是不均勻的，電暈放電處理與厚網(wǎng)膜或3D網(wǎng)膜不兼容，而火焰處理與熱敏感襯底不兼容。已經(jīng)非常清楚，大氣壓等離子體技術(shù)必須進(jìn)入更深的大氣壓等離子體領(lǐng)域中，以發(fā)展?jié)M足工業(yè)需要的先進(jìn)系統(tǒng)。
大氣壓等離子體淀積已經(jīng)取得了重大進(jìn)展。在穩(wěn)定大氣壓輝光放電上已經(jīng)進(jìn)行了相當(dāng)?shù)墓ぷ?，例如Okazaki等J.Phys.DAppl.Phys.26(1993)889-892中的描述。更多的，美國(guó)專利說明書No.5414324描述了在大氣壓下，在一對(duì)間隔5cm，電學(xué)上絕緣的金屬板電極間，以及1-5kV均方根(rms)電位的1-100kHz射頻(RF)激勵(lì)下生成穩(wěn)態(tài)輝光放電等離子體。美國(guó)5414324還討論了電極板的問題和在電極端點(diǎn)處阻止電擊穿的需要，并且描述了一個(gè)通過接合在電極上的流體流動(dòng)管道實(shí)施的水冷系統(tǒng)，其中的水不與任何電極表面直接接觸。
在美國(guó)專利說明書No.5185132中，描述了一個(gè)大氣壓等離子體反應(yīng)方法，其中板狀電極用于垂直配置。然而，它們僅僅用在垂直配置中以制備等離子體，然后等離子體直接從兩個(gè)極板間射出到垂直排列的電極下的水平面上。
在本申請(qǐng)優(yōu)先權(quán)日期之后公布的本申請(qǐng)者共同未決申請(qǐng)WO02/28548中，提供了一個(gè)大氣壓等離子體輝光放電裝置，設(shè)計(jì)為將液體或固體通過霧化器等引入等離子體流中的等離子體處理襯底。
在JP 07-0062546和US 6086710中，提供了等離子體處理裝置，描述了幾種可供選擇的去除等離子體經(jīng)過后的處理氣體、氣體反應(yīng)劑和副產(chǎn)物等的方法。
在EP 0431951中提供了一個(gè)大氣壓等離子體裝置，使用等離子體處理一種稀有氣體/反應(yīng)氣體混合物生成的物質(zhì)處理襯底。至少部分鍍上電介質(zhì)的電極互相并列放置，它們垂直對(duì)準(zhǔn)使得垂直于襯底，襯底在電極間的狹縫下經(jīng)過。該裝置需要一個(gè)完整的表面處理單元，通過該表面處理單元的寬度能夠有效地限制任何待處理的襯底的寬度，這使得系統(tǒng)很笨重。
在本申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)日期之后公布的WO02/40742中，討論了大氣壓等離子體使用氣體處理襯底的一個(gè)方法和設(shè)備。JP 2002-57440描述了使用氣體處理電路板的一個(gè)大氣壓等離子體處理方法，使用脈沖電壓來增強(qiáng)電路板的表面處理。這些文獻(xiàn)中沒有討論如本發(fā)明中公開的那樣引入一種液體或固體鍍層到一個(gè)設(shè)備中。

發(fā)明內(nèi)容
現(xiàn)在本發(fā)明者已經(jīng)確認(rèn)了一個(gè)克服現(xiàn)有設(shè)備的許多問題的裝置，即在本發(fā)明中，不需要一個(gè)完整的表面處理單元，并且等離子體處理不再只限于使用氣體處理襯底。將在下面的描述中確認(rèn)許多其它的改進(jìn)。
在本發(fā)明的第一實(shí)施例中，提供了一個(gè)大氣壓等離子體生成組件，一個(gè)含有一個(gè)機(jī)身的大氣壓等離子體發(fā)生裝置包括一個(gè)反應(yīng)劑引入裝置，一個(gè)處理氣體引入裝置，和一個(gè)或多個(gè)適合等離子體生成的并列電極排列，每個(gè)電極排列包括至少一個(gè)部分電介質(zhì)鍍層的電極，所述裝置適合于使得一種處理氣體和引入所述裝置中的固體反應(yīng)劑排放的唯一方法是通過前述電極之間的等離子體區(qū)域，所述裝置適合于相對(duì)一個(gè)襯底移動(dòng)，基本上靠近前述的電極最外面的端點(diǎn)，其特征在于反應(yīng)劑引入裝置是一個(gè)霧化器，用于以液體和/或固體涂層形成材料的形式霧化反應(yīng)劑。
大氣壓等離子體產(chǎn)生單元機(jī)身可以為任何合適的幾何形狀，但是優(yōu)選是拉長(zhǎng)的，以及基本上具有正方形、圓形、矩形或橢圓形截面，其中最優(yōu)為圓形。優(yōu)選地，機(jī)身由介電材料制成，并作為分布處理氣體和反應(yīng)劑進(jìn)入和經(jīng)過電極排列的平行電極之間的等離子體區(qū)的一種方法。大氣壓等離子體產(chǎn)生裝置機(jī)身可以為任何需要的長(zhǎng)度，盡管優(yōu)選長(zhǎng)度不小于0.5米?？蛇x地，機(jī)身可以為可變長(zhǎng)度(依賴于正在處理的襯底的寬度)但是優(yōu)選最大長(zhǎng)度20米，更優(yōu)長(zhǎng)度為10米，最優(yōu)的最大長(zhǎng)度為5米。其中該長(zhǎng)度近似為每個(gè)電極的長(zhǎng)度，因此也是在這對(duì)相鄰平行電極間產(chǎn)生的等離子體區(qū)的長(zhǎng)度。當(dāng)要處理尺寸大于裝置機(jī)身的襯底時(shí)，這可以采取通過一次處理一部分襯底直到整個(gè)襯底都被處理的方法，或者通過提供使用多個(gè)組件，在一次運(yùn)轉(zhuǎn)中處理整個(gè)襯底。在后面的情況下，可以優(yōu)選具有多個(gè)組件以偏置行放置，以確保處理整個(gè)襯底。
反應(yīng)劑引入裝置優(yōu)選包括一個(gè)霧化器或噴霧器或在申請(qǐng)者共同未決專利申請(qǐng)WO02/28548中描述的類型等，該專利的內(nèi)容在此引用。同時(shí)霧狀液體和/或固體涂層形成材料可以使用任何合適的霧化器或噴霧器形式來霧化，一個(gè)優(yōu)選實(shí)例是超聲噴嘴。
霧化器優(yōu)選產(chǎn)生膜形成材料滴，大小10-100μm，優(yōu)選10-50μm。用于本發(fā)明的合適霧化器包括來自美國(guó)Sono-Tek Corporation，Milton，New York，或德國(guó)Lechler GmbH，Metzingen的超聲噴嘴。本發(fā)明的設(shè)備可以包括多個(gè)霧化器，可以有特殊應(yīng)用性，例如，該設(shè)備可以用于在一個(gè)襯底上通過兩種不同膜形成材料形成共聚物膜，其中各個(gè)單體是不溶合的或是不同相，例如第一個(gè)是固相而第二個(gè)是氣相或液相。
可以使用任何合適的方法將處理氣體引入組件中。任何適當(dāng)?shù)膫魉头椒ǘ伎梢杂糜趯⑻幚須怏w和反應(yīng)劑輸運(yùn)到相鄰電極間的等離子體區(qū)。在運(yùn)用單一處理氣體引入裝置和單一反應(yīng)劑引入裝置的情況下，電極可以通過一個(gè)電極襯墊的方法隔開。電極襯墊用作一種可變狹縫氣體/反應(yīng)劑分配器，使得沿等離子體區(qū)長(zhǎng)度上提供相等流速到等離子體區(qū)。作為選擇電極襯墊可以一種多孔極板等，沿等離子體區(qū)長(zhǎng)度上提供相等流速到等離子體區(qū)。這種電極襯墊可以是一種簡(jiǎn)單地具有楔形截面的狹縫，使得狹縫最寬，最遠(yuǎn)點(diǎn)遠(yuǎn)離處理氣體/反應(yīng)劑引入裝置，以及最窄點(diǎn)靠近處理氣體/反應(yīng)劑引入裝置。作為選擇，可以提供一個(gè)適合于沿機(jī)身長(zhǎng)度的處理氣體/反應(yīng)劑引入裝置陣列。在每種情況下如果需要的話都可以運(yùn)用撐桿，以沿等離子體區(qū)的長(zhǎng)度上每一點(diǎn)的電極間保持一個(gè)預(yù)定距離。
通過一個(gè)超聲噴霧嘴引入霧化液體將需要一個(gè)頻率產(chǎn)生電纜以及可以使得適合于霧化液體直接引入(即直接注入)或通過運(yùn)載氣體例如空氣進(jìn)入噴嘴。為了有效等離子體處理，確保噴霧的均勻分布是很重要的。這可以通過合適的方法實(shí)現(xiàn)，然而，優(yōu)選如下選項(xiàng)i.處理氣體垂直于機(jī)身軸引入，使得當(dāng)氣流沿軸長(zhǎng)度上氣流的主要方向重定向時(shí)，生成接近超聲噴霧嘴出口的湍流。這最適合于較高的流速，這在當(dāng)使用低成本處理氣體如空氣和氮?dú)鈺r(shí)可以看到。
ii.通過在超聲噴霧嘴端點(diǎn)上游的處理氣流場(chǎng)中放置節(jié)流盤引入湍流。湍流將在圓盤下游6個(gè)盤直徑內(nèi)存在，因此確保液體噴霧的均勻性(基于含有圓形截面的機(jī)身以及盤直徑近似為機(jī)身的一半)。
iii.作為選擇，超聲噴霧嘴可以安裝在主導(dǎo)管的尾部，使得它沿著軸平放。在這個(gè)位置上，優(yōu)選運(yùn)載氣體側(cè)面進(jìn)入。
可選地，可以額外運(yùn)用一個(gè)氣體反應(yīng)劑，在這種情況下處理氣體引入裝置和氣體反應(yīng)劑引入裝置可以一樣或不同。當(dāng)額外需要一個(gè)氣體反應(yīng)劑引入裝置時(shí)，處理氣體引入裝置可以運(yùn)用于引入處理氣體和需要?dú)怏w反應(yīng)劑的地方。
適合于產(chǎn)生等離子體的至少一個(gè)多并列電極排列的每一個(gè)，含有一個(gè)或更多個(gè)至少是部分電介質(zhì)鍍層的電極。對(duì)本發(fā)明優(yōu)選兩種特殊的電極排列，對(duì)不導(dǎo)電襯底，以及包括一個(gè)或更多對(duì)處于一個(gè)預(yù)定的分開距離，且至少部分電介質(zhì)鍍膜的電極，尤其優(yōu)選第一種排列。
第二種特別優(yōu)選的排列尤其是用于導(dǎo)電襯底，以及包括一個(gè)三并列電極系統(tǒng)，一個(gè)中心電極至少是部分電介質(zhì)鍍層的。另外兩個(gè)電極以預(yù)定的分開距離位于中心電極一邊一個(gè)，兩個(gè)基本上都沒有鍍有電介質(zhì)并且都接地，使得在使用中它們用作防止中心電極和處理的導(dǎo)電襯底之間的短路。優(yōu)選地，中心電極適合于具有在電極和襯底表面之間可調(diào)整的距離。優(yōu)選地，中心電極由電介質(zhì)封閉，以及更優(yōu)地，電介質(zhì)在最靠近襯底表面的電極端點(diǎn)更厚一些。
可以理解，術(shù)語(yǔ)導(dǎo)電和不導(dǎo)電指的是尤其涉及導(dǎo)電(金屬)和不導(dǎo)電(塑料)襯底。
每個(gè)電極可以制作成合適形式，例如，僅僅舉例，一個(gè)金屬的極板或網(wǎng)格電極，由任何合適的金屬如不銹鋼、銅或黃銅制成，但是優(yōu)選由不銹鋼制成并具有合適的幾何形狀。優(yōu)選地，電極由不銹鋼拉長(zhǎng)的條制成。優(yōu)選地，在兩電極排列中每個(gè)電極的至少兩個(gè)邊以及在三電極排列中的中心電極覆蓋上合適的電介質(zhì)；最優(yōu)地，電極由一種電介質(zhì)材料封閉。電極優(yōu)選從機(jī)身中向外伸出，目的是確保每個(gè)電極端和襯底表面之間的最小距離。
根據(jù)本發(fā)明電介質(zhì)材料用于至少部分覆蓋一個(gè)電極，可以為任何合適的電介質(zhì)材料，實(shí)例包括，但不局限于，聚碳酸酯、聚乙烯、玻璃、玻璃層板、環(huán)氧填充玻璃層板、陶瓷等。金屬電極可以通過粘合劑鍵合到電介質(zhì)材料，或者某些加熱與熔接電極金屬鍵合到電介質(zhì)材料。簡(jiǎn)單地，電極可以密封在電介質(zhì)材料內(nèi)。
在大氣壓下穩(wěn)態(tài)輝光放電等離子體的產(chǎn)生優(yōu)選在間隔等于5cm的平行電極排列間得到，依賴于是用的處理氣體。電極由均方根(rms)電勢(shì)為1-100kV的射頻激勵(lì)，優(yōu)選在1-100kHz下的4-30keV之間，優(yōu)選在15-40kHz下。形成等離子體的電壓典型在2.5-30kV，最優(yōu)2.5-10kV，然而實(shí)際值將依賴于化學(xué)/氣體選擇以及電極間的等離子體區(qū)尺寸。
申請(qǐng)者發(fā)現(xiàn)如上描述的電極排列產(chǎn)生的等離子體至少在0.5-2.0cm之間延伸超出電極的反向表面。因此，例如，如果每個(gè)電極相對(duì)著的邊是矩形，尺寸為5cm×10cm，使用這樣電極產(chǎn)生的等離子體區(qū)將最小為6cm×11cm，并且如所指出的，如果在電極端點(diǎn)和襯底表面之間的最短距離不大于約2cm，襯底表面可以說是在等離子體區(qū)內(nèi)而不是它的下游(如EP0431951中的描述)。當(dāng)電極包在電介質(zhì)中，對(duì)于后面的原因，優(yōu)選電介質(zhì)套厚度不大于2mm，至少關(guān)于電極端點(diǎn)最接近襯底表面。
該組件優(yōu)選適合于相對(duì)于一個(gè)襯底移動(dòng)，基本上靠近前述的電極最外端點(diǎn)，使得大氣壓等離子體處理襯底表面在所述電極的下游實(shí)現(xiàn)。組件和襯底的相對(duì)移動(dòng)可以取一個(gè)固定組件和一個(gè)可移動(dòng)襯底的形式，通過一個(gè)滾輪系統(tǒng)方式，襯底為一個(gè)卷到卷網(wǎng)或一個(gè)傳送帶等形式。作為選擇，相對(duì)移動(dòng)可以考慮為取存在一個(gè)固定襯底和一個(gè)可移動(dòng)組件的形式。后面的布置可以最適合尤其大的席狀襯底，例如鋼和鋁薄板，在這種情況下組件的運(yùn)動(dòng)優(yōu)選通過計(jì)算機(jī)操作控制，它預(yù)定義組件的運(yùn)動(dòng)以確保整個(gè)襯底能夠均勻處理。
盡管優(yōu)選電極垂直排列，且襯底沿水平面移動(dòng)。這并不是本質(zhì)的，該組件可以適合于處理任何需要的襯底表面，例如一個(gè)飛行器的機(jī)體或機(jī)翼。應(yīng)當(dāng)理解術(shù)語(yǔ)垂直的意思是基本上包括垂直，且不應(yīng)該僅僅局限于電極位置與水平為90度。
當(dāng)需要時(shí)，可以在系統(tǒng)上加上額外組件以形成通過它襯底將經(jīng)過的進(jìn)一步連續(xù)等離子體區(qū)。額外單元可以位于上面描述的組件的前面或后面，使得襯底可以經(jīng)歷前處理或后處理步驟。在由額外組件形成的等離子體區(qū)中施加的處理可以與上面描述的組件中進(jìn)行的處理相同或不同。
同時(shí)根據(jù)本發(fā)明的組件可以在任何合適溫度下工作，將優(yōu)選在室溫(20℃)和70℃之間的溫度下工作，典型使用30-50℃的溫度區(qū)域。
優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的組件額外包括一個(gè)抽取器單元。該抽取器單元優(yōu)選包括一個(gè)抽取器機(jī)身，取護(hù)罩形式，當(dāng)使用時(shí)適合于將等離子體與外部大氣隔離。抽取器單元進(jìn)一步包括一個(gè)廢處理氣體、反應(yīng)劑和副產(chǎn)物去除裝置，它們?cè)诮?jīng)過等離子體區(qū)以及電極低端和襯底表面間隙后進(jìn)入抽取器單元。廢處理氣體、反應(yīng)劑和副產(chǎn)物去除裝置位于抽取器機(jī)身中，優(yōu)選是一個(gè)泵等，或僅僅是一個(gè)抽取管，處理氣體、反應(yīng)劑和副產(chǎn)物從抽取器單元中去除然后收集起來用于分離，處理和/或重新使用。特別優(yōu)選回收處理氣體，它典型包含一種或多種貴重的稀有氣體例如氦氣或氬氣的基本部分。作為選擇，一種氣體典型為一種惰性氣體例如氮?dú)猓梢砸氲匠槿∑鲉卧?，用于引?dǎo)處理氣體、反應(yīng)劑和副產(chǎn)物等到廢處理氣體、反應(yīng)劑和副產(chǎn)物去除裝置，同時(shí)通過凸緣或一個(gè)可選擇的合適幾何結(jié)構(gòu)在物理上阻止其進(jìn)入等離子體區(qū)。
優(yōu)選地，抽取器機(jī)身成形，使得圍繞等離子體產(chǎn)生組件機(jī)身形成一個(gè)開放通道，使得在使用中，抽取器機(jī)身的邊緣接近襯底表面，結(jié)合襯底基本上形成一個(gè)圍繞電極的腔室，從而基本上形成對(duì)大氣的密封。
抽取器機(jī)身可以為任何合適截面，但是優(yōu)選基本上與大氣壓等離子體產(chǎn)生單元機(jī)身的截面形狀相同的截面形狀，但是它的截面尺寸更大，使得在大氣壓等離子體產(chǎn)生單元機(jī)身外壁和抽取器機(jī)身內(nèi)表面有一個(gè)間隙，以形成上面描述的開放通道。在使用中襯底表面和抽取器機(jī)身形成圍繞大氣壓等離子體產(chǎn)生單元機(jī)身的腔室。提供這個(gè)腔室基本上阻止處理氣體、反應(yīng)劑和副產(chǎn)物的逃逸而不是通過抽取器單元，并且基本上從大氣中隔離了大氣壓等離子體產(chǎn)生單元機(jī)身。
最接近或接觸到襯底表面的抽取器單元邊緣可以由任何合適的材料制作，并且如果它們接觸到襯底，必須選自將基本上不破壞襯底表面的材料。最接近或接觸到襯底表面的抽取器單元邊緣可以為凸緣形式，從抽取器單元機(jī)身向外延伸。凸緣優(yōu)選設(shè)計(jì)成基本上如電極端點(diǎn)一樣與襯底表面等距離，更優(yōu)地，最接近或接觸到襯底表面的抽取器單元邊緣更比電極端點(diǎn)接近襯底表面，或者與襯底表面接觸，提供這種接觸將不會(huì)負(fù)面影響對(duì)襯底表面的等離子體處理。
抽取器機(jī)身優(yōu)選由電介質(zhì)物質(zhì)制成，例如聚二氯乙烯(PVC)或聚丙烯。抽取器機(jī)身不但作為抽取上述氣體，而且通過屏蔽電極作為安全屏蔽，以及提供一個(gè)增大的面積用于電極的熱管理，使得可以避免過熱(以及導(dǎo)致的破壞)，在例如在空氣中的等離子體產(chǎn)生時(shí)需要和/或遇到高壓和熱負(fù)荷的過程中產(chǎn)生。
在使用中，當(dāng)處理氣體、反應(yīng)劑和副產(chǎn)物經(jīng)過等離子體區(qū)后進(jìn)入通道中，它們有效地冷卻了組件使得使用本法明的組件進(jìn)行等離子體處理襯底工作在上面描述的低溫下，溫度優(yōu)選不大于約50℃。這在空氣用于在處理氣體中尤其重要，因?yàn)殡妷汉蜔嶝?fù)荷比當(dāng)用氦氣作為處理氣體時(shí)的要高。本發(fā)明的抽取器單元適合于確保由等離子體處理導(dǎo)致的最小的以及優(yōu)選無毒的氣體逃逸到大氣中。
一個(gè)或更多的調(diào)整棒可以排列在抽取器凸緣外部。這些調(diào)整棒優(yōu)選適合于在襯底由等離子體處理前后接觸或靠近襯底表面。提供調(diào)整棒用來限制/排除空氣等從大氣中進(jìn)入抽取器。它們可以為凸緣密封形式接觸襯底表面和/或在塑料薄膜工業(yè)中應(yīng)用的抗靜電棒，適用于使用高靜電電位去除襯底表面的靜電，以及任選用空氣噴流去除塵粒。也可以使用抗靜電碳刷和靜電勢(shì)壘槍。在靜電勢(shì)壘槍的情況下，基于電暈類型電極的設(shè)備例如在US6285032中描述的尤其優(yōu)選，作為一個(gè)勢(shì)壘裝置，阻止空氣進(jìn)入抽取器以及阻止處理氣體損失進(jìn)入大氣中，使得所述處理氣體可以被收集和重新使用。
在一個(gè)可選擇的實(shí)施例中，尤其適合于處理襯底，處理氣體和反應(yīng)劑趨向于經(jīng)過例如非紡織以及紡織品網(wǎng)等，而不是圍繞該組件機(jī)身。抽取器單元可以位于襯底下面使得襯底在組件機(jī)身和抽取器單元之間傳送。抽取器單元可以適合于從襯底抽取處理氣體和反應(yīng)劑，導(dǎo)致一個(gè)均勻處理的襯底。
在本發(fā)明的一個(gè)進(jìn)一步實(shí)施例中，提供了一個(gè)處理一個(gè)襯底表面的方法，使用上面描述類型的組件，包括將一種處理氣體和一種霧化液體和/固體涂層形成材料引入大氣壓等離子體產(chǎn)生組件機(jī)身中影響等離子體，等離子體使用由此產(chǎn)生的活性物質(zhì)處理霧化液體和/固體涂層形成材料以及處理一個(gè)襯底表面。
在本發(fā)明的一個(gè)更進(jìn)一步實(shí)施例中，提供了一個(gè)大氣壓等離子體產(chǎn)生組件，適合用于涂覆一個(gè)襯底，含有一個(gè)大氣壓等離子體產(chǎn)生單元，它的機(jī)身包含一個(gè)反應(yīng)劑引入裝置，一個(gè)處理氣體引入裝置，適合等離子體生成的一個(gè)或多個(gè)并列電極排列，每個(gè)電極排列包括至少一個(gè)部分電介質(zhì)鍍層的電極，所述裝置適合于使得一種處理氣體和引入所述裝置中的固體反應(yīng)劑排放的唯一方法是通過前述電極之間的等離子體區(qū)域，其特征在于反應(yīng)劑引入裝置是一個(gè)霧化器，用于以液體和/或固體涂層形成材料的形式霧化反應(yīng)劑。
在本實(shí)施例中優(yōu)選的合適襯底可以是一種粉末，可以通過第三引入裝置引入組件中，它可以包括一個(gè)合適的粉末引入裝置例如一個(gè)粉末噴射槍等。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，粉末的后引入混合優(yōu)選與上面第27段描述的使用運(yùn)載氣體對(duì)霧化液體或固體涂層形成材料引入和混合的裝置一致。在處理氣體和霧化液體或固體涂層形成材料中確保粉末的均勻分布是非常重要的。
涂覆的粉末狀襯底可以在任何合適的裝置上或裝置中收集，例如處理粉末可以在一個(gè)靜電傳送帶上收集。
作為選擇，本發(fā)明的等離子體組件可以固定在或靠近一個(gè)粉末容器的開放基底，例如一個(gè)漏斗或斜槽，在其中粉末經(jīng)過基底匯中的一個(gè)窄開口，由此可以使用一種流態(tài)化氣體流化，使得射出容器的粉末導(dǎo)致文丘里效應(yīng)，導(dǎo)致了從等離子體組件中射出的處理氣體/霧化液體或固體涂層材料混合物的輸送，使得粉末顆粒進(jìn)入大氣壓等離子體放電和/或電離氣流，在那里導(dǎo)致了在離開本發(fā)明的組件時(shí)涂覆上霧化液體或固體涂層形成材料。
本發(fā)明的實(shí)施例尤其用于涉及對(duì)其它涂覆處理敏感的涂覆粉末狀襯底，例如對(duì)例如熱、溫度和紫外光敏感的涂覆粉末狀襯底。涂覆的粉末狀襯底可以包括任何材料，例如金屬、金屬氧化物、氧化硅、碳、有機(jī)粉末狀襯底，包括聚合、染料、芳香、調(diào)味劑，制藥的粉末狀襯底例如青霉素和抗生素，以及生物學(xué)活性化合物，例如基于蛋白質(zhì)的材料和酶。
目前可用很廣范圍的各種等離子體處理，那些對(duì)本發(fā)明尤其重要的是表面激活、表面清洗、材料刻蝕和涂覆應(yīng)用。典型地，襯底可以經(jīng)受使用一個(gè)或更多組件的任何適當(dāng)處理。例如，第一組件可以用來清洗襯底表面，第二組件可以用于表面激活、涂覆或刻蝕。可以使用額外組件激活涂覆的表面然后對(duì)表面再涂覆，施加一層或進(jìn)一步更多涂覆等，依賴于襯底打算的應(yīng)用。例如，在一個(gè)襯底上形成的鍍層可以在等離子體條件范圍內(nèi)后處理。例如，硅氧烷衍生的膜可以用含氧等離子體處理進(jìn)一步氧化。通過在等離子體中引入含氧材料例如氧氣或水而產(chǎn)生含氧等離子體。
可以使用任何適當(dāng)?shù)牡入x子體處理組合，例如第一等離子體區(qū)通過使用一種氦氣等離子體，可以用等離子體處理清洗襯底表面，第二等離子體區(qū)用于涂上一層膜，例如通過上面描述的霧化器或噴霧器的一種液體或固體噴霧應(yīng)用。
作為選擇，第一組件可以用作一種氧化裝置(例如在氧/氦處理氣體中)或作為一層膜的應(yīng)用，第二等離子體區(qū)用于使用不同的前體涂上第二層膜。作為一個(gè)實(shí)例，如下處理含有預(yù)處理和后處理步驟，適合于制備一個(gè)含有抗污染/燃料外表面的SiOx勢(shì)壘，可以用于太陽(yáng)能電池或者汽車應(yīng)用中，襯底首先通過He清洗/活化襯底的預(yù)處理，在第一等離子體區(qū)接著從聚二甲基硅氧烷前體淀積SiOx，然后進(jìn)一步使用氦等離子處理以提供SiOx層額外的交聯(lián)，最后使用全氟化前體涂上一層膜。
本發(fā)明可以用于形成許多不同類型襯底膜。形成在襯底上的膜的類型由使用的膜形成材料決定，本方法可以將(共)聚合膜形成單體材料用于襯底表面上。膜形成材料可以為有機(jī)或無機(jī)、固體、液體或氣體，或它們的混合物。合適的有機(jī)膜形成材料包括羧化物、異丁烯酸脂、丙烯酸脂、苯乙烯、甲基丙烯腈、鏈烯和二烯，例如甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸丙酯、甲基丙烯酸丁酯，以及其它烷基甲基丙烯酸酯，以及相應(yīng)的丙烯酸脂，包括有機(jī)功能的甲基丙烯酸酯和丙烯酸脂，包括縮水甘油甲基丙烯酸酯、三甲氧甲硅烷甲基丙烯酸丙酯、烯丙基甲基丙烯酸酯、羥乙基甲基丙烯酸酯、羥丙基甲基丙烯酸酯、二烴基氨基烷基甲基丙烯酸酯，和氟烷基(甲基)丙烯酸脂、甲基丙烯酸、丙烯酸、反丁烯二酸和酯、甲叉丁二酸(以及酯)、順丁烯二酸、苯乙烯、α-甲基苯乙烯、鹵代鏈烯，例如全氟鏈烯、丙烯腈、甲基丙烯腈、乙烯、丙烯、烯丙基胺、亞乙烯基鹵化物、丁二烯，丙烯酰胺，例如N-異丙基丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺，環(huán)氧化合物，例如環(huán)氧丙基三甲氧基硅烷(glycidoxypropyltrimethoxysilane)、環(huán)氧丙醇、氧化苯乙烯、丁二烯一氧化物、乙二醇二環(huán)氧甘油醚、縮水甘油基甲基丙烯酸酯、雙酚A二環(huán)氧甘油醚(及它的低聚物，)、乙烯丙己烯氧化物，導(dǎo)電聚合物，例如吡咯和噻吩及它們的衍生物，以及含磷化合物，例如二甲基丙稀膦酸酯。合適的無機(jī)膜形成材料包括金屬和金屬氧化物，包括膠態(tài)金屬。有機(jī)金屬化合物也可以適合于膜形成材料，包括金屬醇化物，例如鈦酸鹽、錫醇、鋯酸鹽和鍺與鉺的醇化物。
作為選擇，襯底可以用氧化硅或硅氧烷基膜提供，使用包括含硅材料的膜形成合成物。合適的含硅材料包括硅烷(例如硅烷、烷基硅烷、烷基鹵硅烷、烷氧基硅烷)和線狀(例如聚二甲基硅氧烷)和環(huán)狀硅氧烷(例如八甲基環(huán)四硅氧烷)，包括有機(jī)功能線狀和環(huán)狀硅氧烷(例如含H-硅，鹵素功能和鹵烷基功能線狀和環(huán)狀硅氧烷，例如四甲基環(huán)四硅氧烷和三(非氟丁基)三甲基環(huán)三硅氧烷(tri(nonofluorobutyl)trimethylcyclotrisiloxane))?？梢允褂貌煌璨牧系幕旌衔?，例如設(shè)計(jì)襯底膜的物理特性用于特殊需要(例如熱學(xué)特性、光學(xué)特性，例如折射率和粘彈性特性)。
相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是液體和固體霧化膜形成材料都可以用于形成襯底膜，由于本發(fā)明的方法發(fā)生在大氣壓條件下。此外，膜形成材料可以在沒有運(yùn)載氣體的情況下引入到等離子體放電或等離子體流中，即它們可以通過例如直接注入而被直接引入，通過它膜形成材料直接注入到等離子體中。
用本發(fā)明電極在等離子體處理過程中使用的處理氣體可以為任何合適氣體，但是優(yōu)選是一種惰性氣體或基于惰性氣體的混合物，例如氦氣，氦氣和氬氣的混合物，基于氬氣的混合氣體額外包含甲酮和/或相關(guān)化合物。這些處理氣體可以單獨(dú)使用或者結(jié)合體態(tài)反應(yīng)劑使用，例如氮、氨、O2、H2O、NO2、空氣或氫氣。最優(yōu)地，處理氣體將單獨(dú)為氦氣或結(jié)合一種氧化或還原氣態(tài)反應(yīng)劑。氣體的選擇依賴于要進(jìn)行的等離子體處理。當(dāng)需要一種氧化或還原氣態(tài)反應(yīng)劑時(shí)，它將優(yōu)選以包括90-99％稀有氣體和1-10％氧化或還原氣體的混合物使用。
在組件中不想要氧化或還原氣體的情況下，可以在啟動(dòng)等離子體前，用惰性氣體或處理氣體沖洗組件。典型地，惰性氣體可以為例如氮?dú)狻?br> 在氧化條件下根據(jù)本發(fā)明的組件可以用作形成在襯底上的含氧膜。例如，可以通過霧化含硅膜形成材料，在襯底表面形成基于氧化硅的膜。在還原條件下，本方法可以用作形成無氧膜，例如通過霧化含硅膜形成材料，可以形成基于碳化硅的膜。
在含氮的大氣中，氮?dú)饪梢越Y(jié)合在襯底表面，并且在含有氮?dú)夂脱鯕獾拇髿庵?，硝酸鹽可以結(jié)合和/或形成在襯底表面上。這種氣態(tài)反應(yīng)劑也可以在暴露于液體或固體涂層形成物質(zhì)之前，用于預(yù)處理襯底表面。例如，含氧等離子體處理襯底可以對(duì)涂上的膜提供改進(jìn)的粘著。含氧等離子體由含氧材料例如氧氣或水進(jìn)入等離子體而產(chǎn)生。
將要涂覆的襯底可以包括任何合適材料，例如玻璃、金屬例如鋼、鋁、銅、鈦及它們的合金、塑料，例如熱塑性塑料，例如，聚烯烴例如聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚亞安酯、聚氯乙烯、聚酯(例如聚烯烴對(duì)苯二酸酯、尤其聚乙烯對(duì)苯二酸酯)、聚甲基丙烯酸酯(例如聚甲基丙烯酸甲酯和羥乙基甲基丙烯酸酯的聚合物)、聚環(huán)氧化物、聚砜、聚亞苯基、聚酮醚、聚酰亞胺、聚酰胺、聚苯乙烯、苯酚，環(huán)氧和三聚氰胺-甲醛樹脂，以及它們的混合物與共聚物，硅氧烷、織物、紡織或非紡織纖維、自然纖維、合成纖維纖維素材料和粉末，以及一種有機(jī)聚合物材料和含有機(jī)硅的添加劑的混合物，它易混合的或基本上不與有機(jī)聚合物混合，如申請(qǐng)者共同未決專利申請(qǐng)WO01/40359所描述的。為避免疑問“基本上不混合”意味著含有機(jī)硅的添加劑和有機(jī)材料具有足夠不同交互參數(shù)使得在平衡條件下不混合。這將是典型地，但不是專有地，當(dāng)含有機(jī)硅的添加劑和有機(jī)材料的溶解參數(shù)具有大于0.5MPa1/2的不同的情況。本發(fā)明尤其適合處理剛性和不易彎曲的薄板等，例如使用三電極排列處理金屬薄板，以及使用兩電極排列處理塑料。
使用根據(jù)本發(fā)明的組件進(jìn)行襯底涂覆可以有各種用途。例如，一個(gè)在氧化氣氛中產(chǎn)生的基于氧化硅的膜，可以增強(qiáng)襯底的阻擋和/或擴(kuò)散特性，并且可以增強(qiáng)額外材料粘著襯底表面的能力；一個(gè)鹵素功能的有機(jī)或硅氧烷膜(例如全氟鏈烯)可以增加襯底的疏水性、疏油性、抗燃料和污染，和/或釋放特性；一個(gè)聚二甲基硅氧烷膜可以增強(qiáng)襯底的抗水性以及釋放特性，并且還可以增強(qiáng)接觸纖維的柔軟性；一個(gè)聚丙烯酸聚合物膜可以用作粘合層以促進(jìn)與襯底表面的粘著，或作為部分疊層結(jié)構(gòu)；在膜中包括膠態(tài)金屬?？梢蕴峁┡c襯底表面的導(dǎo)電性，或增強(qiáng)它的光學(xué)特性。聚噻吩和聚吡咯給出導(dǎo)電聚合物膜，它還可以提供金屬襯底上的抗腐蝕性。


僅僅通過實(shí)例參考附圖，對(duì)如下一些實(shí)施例的描述將會(huì)更清楚地理解本發(fā)明，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明使用兩電極排列用于不導(dǎo)電襯底的組件橫截面圖，圖2是根據(jù)本發(fā)明使用三電極排列用于導(dǎo)電襯底的組件橫截面圖，圖3是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)組件的等距貫通，圖4a和4b是一個(gè)優(yōu)選的霧化液體引入系統(tǒng)圖，圖5是作為選擇的霧化引入系統(tǒng)圖，圖6作為選擇的處理氣體引入系統(tǒng)圖，圖7是本發(fā)明的設(shè)備用于處理一種粉末的一個(gè)實(shí)施例圖。
具體實(shí)施例方式
參考圖1和3，提供了一個(gè)大氣壓等離子體組件100，包括一個(gè)等離子體產(chǎn)生單元7，含有基本上圓柱的機(jī)身體17，基本上含有圓形截面，包含一個(gè)處理氣體入口12用于將處理氣體進(jìn)入單元7。處理氣體用于影響等離子體。提供一個(gè)超聲噴嘴10用于引入一種反應(yīng)劑。單元7還包括一對(duì)電極4，兩個(gè)都鍍有或用一種電介質(zhì)材料3密封。電極通過一對(duì)電極襯墊5保持一個(gè)分開的預(yù)定距離。電介質(zhì)鍍層電極3，4從大氣壓等離子體產(chǎn)生單元7向外伸出。大氣壓等離子體產(chǎn)生單元7設(shè)計(jì)成使得引入單元7的處理氣體和反應(yīng)劑的唯一出口是通過電介質(zhì)鍍層的電極3，4之間的等離子體區(qū)6。
如同大氣壓等離子體產(chǎn)生單元7，抽取器單元8總體上是基本上一個(gè)圓形截面的圓柱形，由一種電介質(zhì)材料制成，例如聚丙烯或PVC。單元7和8是同心的，抽取器單元8具有較大直徑。抽取器單元包括一個(gè)凸緣15，它包圍電介質(zhì)鍍層電極3，4并在電極3，4和凸緣15之間形成一個(gè)通道，通過它殘余處理氣體、反應(yīng)物和副產(chǎn)物被抽取。凸緣16的末端設(shè)計(jì)成與襯底1等距離，作為電介質(zhì)鍍層電極3，4的的基準(zhǔn)但是它可以更近一些。抽取器單元8還包括一個(gè)到泵的出口18(未標(biāo)出)，用于從組件100中抽取殘余處理氣體、反應(yīng)劑和副產(chǎn)物。在凸緣15外面提供調(diào)整棒2，使從大氣中進(jìn)入抽取器單元9的空氣最小。調(diào)整棒2或者帶唇形密封接觸襯底1，或者依賴于待處理的襯底為如在塑料薄膜工業(yè)中使用的抗靜電棒，使用高靜電電位去除掉襯底表面的靜電，并且可任選使用空氣噴射去除塵粒。如圖1和圖2所示的調(diào)整棒是抗靜電碳刷。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，大氣壓等離子體產(chǎn)生單元7固定在適當(dāng)位置，襯底1在它下面經(jīng)過，以任何形式的傳送方式(未示出)，基于傳送機(jī)不形成組件的一部分的事實(shí)，它可以變化以適應(yīng)被處理的襯底。從每個(gè)電極3，4的端點(diǎn)23到襯底的距離依賴于處理的襯底，但是典型地，一個(gè)幾毫米短的距離將端點(diǎn)23和襯底1分開。
在使用中，該組件的放置靠近一個(gè)不導(dǎo)電襯底1，使得電極3，4的端點(diǎn)23以及凸緣15的末端16離襯底表面1的距離未幾毫米。襯底1與抽取器單元8結(jié)合形成圍繞電介質(zhì)鍍膜電極3，4的腔室。這個(gè)腔室適合于基本上阻止殘余處理氣體、反應(yīng)劑和副產(chǎn)物的逃逸，而不是經(jīng)由泵通過通道9。一種處理氣體通過入口12進(jìn)入單元7，一種霧化液體或粉末通過超聲噴嘴10引入單元7。處理氣體和霧化液體或粉末在單元7中混合在一起，通過影響湍流，導(dǎo)致湍流優(yōu)選的選項(xiàng)在下面參考圖3和圖4討論。處理氣體/霧化液體或粉末混合物的唯一出口是通過由電極襯墊5和電介質(zhì)鍍層電極3，4形成的等離子體區(qū)。當(dāng)氦氣經(jīng)過等離子體區(qū)6時(shí)，當(dāng)在電介質(zhì)鍍層3，4之間取得適當(dāng)電勢(shì)差時(shí)等離子體受到影響。霧化液體或固體受到等離子體的處理形成活性物質(zhì)，然后通過電介質(zhì)鍍層3，4之間的等離子體區(qū)6導(dǎo)向襯底1，由此與所述襯底作用，這也是如上面討論的在等離子體區(qū)中。然后將殘余氦氣反應(yīng)劑和任何副產(chǎn)物從電極端點(diǎn)23下面向上抽取到通道9中，并從出口18抽出。
在圖2中，提供了一個(gè)與上面描述的聯(lián)系圖1相同的組件，除了電極以外。圖2所示的組件尤其用于導(dǎo)電襯底例如金屬，但是也可以用于不導(dǎo)電金屬襯底。在這個(gè)三電極排列中，提供了一個(gè)中心電極34，由一種電介質(zhì)33封閉。這個(gè)封閉的電極的每一邊33，34是兩個(gè)接地電極37，提供的目的是確保在封閉電極38的基底和襯底1之間的短路可以避免。在這種排列中，中心電極33，34在通過一個(gè)雙狹縫電極襯墊在接地電極37之間的間隙中懸掛，封閉電極33，34的電介質(zhì)基底38和襯底1的距離必須大于電介質(zhì)和接地電極37的距離，以確保在封閉電極33，34和襯底1表面之間避免電弧。
在使用中，因此在封閉電極33，34和每個(gè)接地電極37之間的等離子體區(qū)36中產(chǎn)生等離子體，處理氣體和反應(yīng)劑在通過通道9傳送進(jìn)抽取器單元8之前經(jīng)過該區(qū)。
圖4a和4b指出了一種液體和/固體涂層形成材料(反應(yīng)劑)和處理氣體進(jìn)入單元7的兩種可選擇的方法，以及確保在混合物通過依賴于使用的電極組件的等離子體區(qū)6或36之前，噴霧均勻分布的裝置。
在圖4a中超聲噴嘴10含有一個(gè)頻率產(chǎn)生電纜13以及一個(gè)空氣入口14(空氣可以作為一種運(yùn)載氣體用于霧化的液體和/固體涂層形成材料)。處理氣體通過入口12垂直于機(jī)身7的主軸引入，使得當(dāng)氣流對(duì)主流軸重定位時(shí)，產(chǎn)生的湍流靠近噴嘴10的出口。這種混合過程最適合于較高的處理氣體流速，這可以用于低成本的處理氣體例如空氣或氮?dú)?。在圖4b中，超聲噴嘴10固定在機(jī)身7的末端，使得沿它的主軸排列，運(yùn)載氣體通過入口12引入機(jī)身7。
圖3和圖5示出了進(jìn)一步作為選擇的確保處理氣體/液體和/或固體涂層形成材料的均勻分布的裝置。這通過在處理氣體流場(chǎng)中在噴嘴20前立即使用一個(gè)節(jié)流盤11誘導(dǎo)湍流來取得。湍流將在6個(gè)圓盤直徑內(nèi)存在(當(dāng)圓盤的直徑為機(jī)身7的直徑的一半，圓盤11的1/2導(dǎo)管直徑的下游，因此確保了液體噴射的均勻性。
圖6示出了進(jìn)一步的裝置，如果需要空氣用于處理氣體，通過它可以引入機(jī)身7中，因?yàn)橐粋€(gè)可變速扇40用于抽取空氣進(jìn)入機(jī)身7中同時(shí)影響湍流，使得導(dǎo)致引入空氣和通過超聲噴嘴10引入機(jī)身7的霧化的液體或粉末之間的混合。
在圖7中，提供了一個(gè)如圖2所示的組件，它位于靠近一個(gè)粉末斜槽50的窄出口48。流化氣體在入口52處引入斜槽中，直接到達(dá)粉末中以輔助它的流動(dòng)性。因?yàn)榈匠隹?8的變窄，由組件100導(dǎo)致的阻塞以及處理氣體/液體和/或固體涂層形成材料高速離開組件100，處理氣體/液體或從組件100離開的涂覆材料混合物導(dǎo)致了文丘里效應(yīng)，導(dǎo)致了帶走粉末/氣體離開粉末斜槽50，使得粉粒進(jìn)入大氣壓等離子體放電和/或電離氣流，在那里導(dǎo)致了在本發(fā)明的組件100中涂覆上霧化液體或固體涂層形成材料。可以使用任何合適的收集等離子體處理粉末裝置。
權(quán)利要求
1.一種大氣壓等離子體產(chǎn)生組件(100)，含有一個(gè)帶有機(jī)身(17)的大氣壓等離子體產(chǎn)生單元(7)，包括反應(yīng)劑引入裝置(10)，一個(gè)處理氣體引入裝置(12)，和適合等離子體生成的一個(gè)或多個(gè)多并列電極排列(4)，每個(gè)電極排列包括至少一個(gè)部分地被電介質(zhì)鍍層的電極(3，4)，所述組件適合于使得處理氣體和引入所述裝置中的固體反應(yīng)劑排放的唯一方式是通過前述電極(3，4)之間的等離子體區(qū)域(6)，所述組件(100)適合于相對(duì)一個(gè)襯底移動(dòng)，所述襯底基本上靠近前述的電極(3，4)最外面的端點(diǎn)(23)，其特征在于反應(yīng)劑引入裝置(10)是一個(gè)霧化器，用于以液體和/或固體涂層形成材料的形式霧化反應(yīng)劑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的組件，其中多并列電極排列(3，4)包括一對(duì)或多對(duì)至少部分地被電介質(zhì)鍍層且并列的電極(3，4)，以一預(yù)定分開距離定位。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的組件，其中多并列電極排列(3，4)包括一個(gè)三平行電極系統(tǒng)(33，34，37)，其中一個(gè)中心電極(34)至少是部分地被電介質(zhì)鍍層的(33)，另外兩個(gè)電極(37)接地并以預(yù)定的距離位于中心電極(34)一邊一個(gè)。
4.根據(jù)前面任何一個(gè)權(quán)利要求的組件，其中大氣壓等離子體產(chǎn)生組件機(jī)身(17)長(zhǎng)度在0.5-5米。
5.根據(jù)前面任何一個(gè)權(quán)利要求的組件，其中提供圍繞大氣壓等離子體產(chǎn)生單元(7)的抽取器單元(8)，適合于將大氣壓等離子體單元(7)與外部大氣隔離，所述抽取器單元(8)包括一個(gè)廢處理氣體、反應(yīng)劑和副產(chǎn)物去除裝置，所述抽取器機(jī)身被成形使得包括一個(gè)開放通道(9)，使得在使用中，開放通道的邊緣被成形以結(jié)合襯底(1)形成一個(gè)圍繞電極(3，4)的腔室，從而基本上形成對(duì)大氣的密封，通過它腔室的廢處理氣體、反應(yīng)劑和副產(chǎn)物被抽取。
6.根據(jù)前面任何一個(gè)權(quán)利要求的組件，其中霧化器(10)是一個(gè)超聲噴嘴。
7.根據(jù)前面任何一個(gè)權(quán)利要求的組件，其中處理氣體入口(12)位于垂直于大氣壓等離子體產(chǎn)生組件機(jī)身(17)的主軸，與在所述大氣壓等離子體產(chǎn)生組件機(jī)身(17)中的霧化器(10)相反或垂直，使得當(dāng)處理氣體氣流沿大氣壓等離子體產(chǎn)生組件機(jī)身(17)的主軸長(zhǎng)度，向氣流主方向重新取向時(shí)，產(chǎn)生的湍流靠近噴嘴的出口。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或6的組件，其中一個(gè)節(jié)流盤(11)位于處理氣體的流場(chǎng)中。
9.根據(jù)前面任何一個(gè)權(quán)利要求的組件，其中處理氣體、反應(yīng)劑和任何副產(chǎn)物通過抽取器單元(8)被抽取作為組件(100)的冷卻劑。
10.根據(jù)前面任何一個(gè)權(quán)利要求的組件，其中附加地包括一個(gè)或多個(gè)調(diào)整棒(2)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的組件，其中調(diào)整棒(2)選自于碳刷和靜電勢(shì)壘槍。
12.根據(jù)前面任何一個(gè)權(quán)利要求的大氣壓等離子體組件，適合于相對(duì)于一個(gè)襯底移動(dòng)基本上靠近前述的電極(3，4)最外端點(diǎn)23，使得襯底表面的大氣壓等離子體處理在所述電極(3，4)的下游實(shí)施。
13.根據(jù)前面任何一個(gè)權(quán)利要求的組件，其中襯底1配置成形成組件(100)的一個(gè)壁，在其中產(chǎn)生等離子體，所述的壁用于阻止處理氣體、反應(yīng)劑和/或副產(chǎn)物隨后釋放到等離子體激活區(qū)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的組件，其中使用襯底(1)作為一個(gè)組件壁導(dǎo)致等離子體處理被限制在襯底(1)的一邊。
15.根據(jù)前面任何一個(gè)權(quán)利要求使用一個(gè)組件處理一個(gè)襯底表面的方法包括引入處理氣體和霧化的液體和/固體涂層形成材料到大氣壓等離子體產(chǎn)生組件機(jī)身(17)中，影響等離子體，使用由此產(chǎn)生的活性物質(zhì)對(duì)霧化液體和/固體涂層形成材料進(jìn)行等離子體處理以及對(duì)一個(gè)襯底表面進(jìn)行等離子體處理。
16.一種適合用于涂覆襯底的大氣壓等離子體產(chǎn)生組件(100)，包含一個(gè)帶有機(jī)身(17)的大氣壓等離子體產(chǎn)生單元(7)，包括反應(yīng)劑引入裝置(10)，處理氣體引入裝置(12)，和適合等離子體生成的一個(gè)或多個(gè)多并列電極排列(4)，每個(gè)電極排列包括至少一個(gè)部分地被電介質(zhì)鍍層的電極(3，4)，所述組件適合于使得處理氣體和引入所述裝置中的反應(yīng)劑排放的唯一方式是通過前述電極(3，4)之間的等離子體區(qū)域(6)，其特征在于反應(yīng)劑引入裝置(10)是一個(gè)霧化器，用于以液體和/或固體涂層形成材料的形式霧化反應(yīng)劑。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的大氣壓等離子體產(chǎn)生組件，其中要涂覆的襯底是一種粉末。
18.一種在權(quán)利要求16或17的組件中處理粉末狀襯底的方法。
19.使用根據(jù)權(quán)利要求2的組件用于處理不導(dǎo)電襯底。
20.使用根據(jù)權(quán)利要求3的組件用于處理導(dǎo)電襯底。
全文摘要
一種大氣壓等離子體發(fā)生組件(100)含有一個(gè)機(jī)身，包括一個(gè)反應(yīng)劑引入裝置，一個(gè)處理氣體引入裝置，和適合等離子體生成的一個(gè)或多個(gè)并列電極排列。每個(gè)電極排列包括至少一個(gè)部分電介質(zhì)鍍層的電極(3，4)，所述裝置適合于使得一種處理氣體和霧化液體或引入所述裝置中的固態(tài)反應(yīng)劑的排放的唯一方法是通過前述的電極(3，4)的等離子體區(qū)域(6)。該裝置適合于相對(duì)一個(gè)襯底(1)移動(dòng)，基本上靠近前述的電極最外面的端點(diǎn)(23)。該裝置還可以包括一個(gè)包圍等離子體生成裝置的抽取單元，包括一個(gè)抽取機(jī)身(8)，適合于將裝置與外部大氣隔離以及提供一個(gè)去除廢處理氣體、反應(yīng)劑和副產(chǎn)物的方法。
文檔編號(hào)H01J37/32GK1698176SQ03808136
公開日2005年11月16日 申請(qǐng)日期2003年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月10日
發(fā)明者弗蘭克·斯沃洛, 比德·多比恩, 斯圖爾特·利得雷 申請(qǐng)人:陶氏康寧愛爾蘭有限公司