唐佳麗,　明小祥,　于新海,　王正東

(華東理工大學(xué)承壓系統(tǒng)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)

唐佳麗,明小祥,于新海,王正東

(華東理工大學(xué)承壓系統(tǒng)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200237)

摘要：通過理論計(jì)算及HFSS仿真設(shè)計(jì)了微帶諧振器,并通過比對(duì)三維約束結(jié)構(gòu)存在的HFSS仿真結(jié)構(gòu)驗(yàn)證了三維結(jié)構(gòu)的可行性。實(shí)測(cè)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(shí)現(xiàn)了三維約束微尺度下,工作頻率為2.5 GHz,工作壓強(qiáng)范圍為30 Pa至大氣壓、功率范圍為0.7～6 W時(shí)的微等離子體放電。通過光譜儀檢測(cè)壓強(qiáng)為7.5×104 Pa下的Hβ譜線,應(yīng)用斯塔克展寬求得此壓強(qiáng)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(guān)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(zhì)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(duì)外呈現(xiàn)電中性。通常有高溫等離子體及低溫等離子體,實(shí)驗(yàn)室中通過氣體放電產(chǎn)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(gè)微米到幾個(gè)毫米[2]。微等離子體源日益受到關(guān)注,在微化學(xué)分析系統(tǒng)[3]、微反應(yīng)器[4]、局部材料處理[5]等方面都有很好的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)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(duì)功率源要求低見長(zhǎng),但是維持時(shí)間短、電極易被污染導(dǎo)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(qiáng)下工作;微波微等離子體源[9]結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輻射損失少、更高效、維持時(shí)間長(zhǎng),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(diǎn),源與負(fù)載之間良好的阻抗匹配設(shè)計(jì)是必需的。由于微波微等離子體源的優(yōu)點(diǎn),其被用于微型質(zhì)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(shè)計(jì)簡(jiǎn)便、濾波效果強(qiáng)、易制造等優(yōu)點(diǎn)。本文采用微帶諧振器作為微波微等離子體源,結(jié)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(shè)計(jì)方面應(yīng)用廣泛[5,11-13])設(shè)計(jì)了一款實(shí)測(cè)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(shí)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(jié)構(gòu),且通過將其HFSS仿真結(jié)果與不存在三維約束結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果比較驗(yàn)證其可行性,實(shí)驗(yàn)成功地實(shí)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(jì)算

1.1設(shè)計(jì)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?？紤]結(jié)構(gòu)緊湊性,本文選擇nλ/4短路諧振器。設(shè)計(jì)思路見圖1。

圖1　微帶諧振器設(shè)計(jì)思路

1.2確定微帶線長(zhǎng)

微帶線中傳播的波長(zhǎng)(λ)計(jì)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(zhǎng),其中c為光速,f為頻率；εff為有效相對(duì)介電常數(shù),滿足關(guān)系式1<εff<εr,其中εr為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，εff的計(jì)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(zhì)相對(duì)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(jì)算得到微帶諧振器各個(gè)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(diǎn)

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(shù)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(hào)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(diǎn)到短路端和開路端的長(zhǎng)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(fù)傳播常數(shù),k=α+jβ。其中,α為衰減常數(shù),β=2π/λ,λ為波長(zhǎng)。在推導(dǎo)式(6)的過程中,一般假設(shè)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(shí)數(shù),可以通過調(diào)整功率饋入點(diǎn)的位置即調(diào)節(jié)l1的值得到,見表1。

2HFSS仿真結(jié)果與討論

2.1無約束微帶諧振器仿真

通過HFSS軟件對(duì)以上理論計(jì)算進(jìn)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(shè)置為100 μm。通過參數(shù)優(yōu)化及仿真,發(fā)現(xiàn)功率饋入點(diǎn)調(diào)整到l1=0.5 mm時(shí),S11的頻率響應(yīng)曲線最優(yōu),如圖3(b)所示,此時(shí)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(duì)放電間隙面的電場(chǎng)分布,可見最強(qiáng)的電場(chǎng)約為1.6×106V/m(HFSS仿真設(shè)置中,subminiature type A SMA集總端口處功率為1 W),電場(chǎng)強(qiáng)度隨入射功率的增大而增大。Campbell[15]結(jié)合有效電場(chǎng)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(dǎo)擊穿等離子體模型,并且針對(duì)8個(gè)不同間隙(13,25,38,60,80,150,250，500 μm)計(jì)算擊穿場(chǎng)強(qiáng),計(jì)算結(jié)果顯示電場(chǎng)強(qiáng)度在105～106V/m時(shí),可實(shí)現(xiàn)微波微等離子體放電。所以本設(shè)計(jì)電場(chǎng)強(qiáng)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(jié)構(gòu)的微帶諧振器仿真

HFSS中建立的帶三維約束結(jié)構(gòu)的微帶諧振器模型如圖4(a)所示,實(shí)際實(shí)驗(yàn)中該三維約束結(jié)構(gòu)采用PDMS材料制作而成,因此在HFSS中將該三維結(jié)構(gòu)的材料相對(duì)介電常數(shù)設(shè)定為2.8。S11的頻率響應(yīng)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(duì)放電間隙面的電場(chǎng)分布,可見最強(qiáng)的電場(chǎng)約為1.0×107V/m。

雖然在三維約束結(jié)構(gòu)存在的情況下,S11比無三維約束結(jié)構(gòu)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(chǎng)強(qiáng)幅值是無約束情況下的6.3倍,且兩種情況下的電場(chǎng)分布相同。

當(dāng)在SMA端口入射1 W功率時(shí),對(duì)于無約束情況,其在2.47 GHz時(shí)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(duì)放電間隙表面的電場(chǎng)最大幅值為1.5×106V/m(此處認(rèn)為電場(chǎng)強(qiáng)度與輸入功率的平方根成正比);對(duì)于三維約束情況,其在2.45 GHz時(shí)輸入功率為0.48 W,在輸入電極正對(duì)放電間隙表面的電場(chǎng)最大幅值為6.9×106V/m。因此,驗(yàn)證了三維約束結(jié)構(gòu)的可行性,且發(fā)現(xiàn)在同一輸入功率下,此三維約束結(jié)構(gòu)的存在將電場(chǎng)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(jié)果最終確定微帶諧振器各個(gè)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(luò)分析儀HP8753ET測(cè)得的S11與頻率關(guān)系曲線見圖6所示,可見諧振頻率為2.5 GHz,S11為-17.94 dB。因?yàn)楹附覵MA接頭引入的焊錫以及熱影響,使實(shí)測(cè)諧振頻率相較設(shè)計(jì)值2.47 GHz偏移0.3 GHz,實(shí)測(cè)S11數(shù)值較設(shè)計(jì)值-20.81 dB偏大2.97 dB,通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)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(luò)分析儀測(cè)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(gè)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(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn),該結(jié)構(gòu)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(jī)(HAKW-4A)將液態(tài)的PDMS旋凃在硅片上,旋凃厚度由轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)。

4微等離子體放電實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jī)械泵抽真空至10 Pa,后通入含有φ=1%氫氣的氬氣,通過調(diào)節(jié)進(jìn)氣流量及抽氣流量維持真空腔內(nèi)不同的壓強(qiáng),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(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在很大的壓強(qiáng)范圍(30 Pa至大氣壓下),寬功率范圍(0.7～6.0 W)下均可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的微等離子體,放電效果見圖5。

在壓強(qiáng)為7.5×104Pa左右,使用光譜儀(LIBS2500-5PLUS,海洋光學(xué))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(jì)算得電子密度為5.54×1013cm-3,其中圖8中圓圈為實(shí)測(cè)光譜,實(shí)線為包括所有展寬的佛克脫擬合(當(dāng)Tg=340 K,ne=5.54×1013cm-3時(shí),擬合效果最好),虛線為儀器展寬及多普勒展寬的擬合,點(diǎn)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(yīng)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(jié)論

本文通過理論計(jì)算及HFSS仿真設(shè)計(jì)了一款實(shí)測(cè)空載諧振頻率為2.5 GHz,S11為-17.94 dB的微帶諧振器。結(jié)合微波功率源、機(jī)械泵等設(shè)備成功實(shí)現(xiàn)大工作壓強(qiáng)范圍、寬功率范圍內(nèi)三維約束微尺度下等離子體,在7.5×104Pa壓強(qiáng)下通過光譜儀檢測(cè)Hβ譜線,應(yīng)用斯塔克展寬求得平均電子密度為 5.54×1013cm-3,該值與已報(bào)道的微等離子體源的電子密度范圍相符,說明設(shè)計(jì)的微帶諧振器可以作為微波微等離子體源。

參考文獻(xiàn)：

[1]菅井秀郎.等離子體電子工程學(xué)[M].北京:科學(xué)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(zhǎng)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(xué)報(bào),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(qiáng)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(shù),2013,39(7):1757-1762.

[14]REINHOLD Ludwig,PAVEL Bretchko.射頻電路設(shè)計(jì)——理論與應(yīng)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(jiǎn)介：唐佳麗(1986-),女,上海人,博士生,研究方向?yàn)槲⒌入x子體性能。 通信聯(lián)系人：于新海,E-mail:yxhh@ecust.edu.cn

文章編號(hào)：1006-3080(2016)02-0271-06

DOI:10.14135/j.cnki.1006-3080.2016.02.019

中圖分類號(hào)：TN136

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A