CN113204930B - 一种适用于单、双频驱动大气压介质阻挡弥散放电电学特性等效电路的计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可适用于单、双频驱动大气压介质阻挡弥散放电电学特性等效电路及其计算方法。步骤1：利用权利要求1所述等效电路及李萨如图形，计算单频放电，其频率范围为kHz～MHz的放电电流、气隙电压、介质电压、放电的瞬时功率、耦合能量以及电荷通过放电气隙的输运；步骤2：基于步骤1的单频放电计算，通过两个频率的线性叠加，滤波后计算得到双频放电的频率范围为kHz～MHz的放电电流、气隙电压、介质电压、放电的瞬时功率、耦合能量以及电荷通过放电气隙的输运。本发明解决现有双频驱动大气压介质阻挡弥散放电等离子体放电过程中对于放电电学参量，如放电电流、气隙电压、介质电压、累积电荷测量精确度低、干扰性大、对环境要求较高、成本相对昂贵等一系列问题。
Description
技术领域
本发明涉及电学特性等效电路领域，具体涉及一种适用于单、双频驱动大气压介质阻挡弥散放电电学特性等效电路的计算方法。
背景技术
大气压介质阻挡放电(Dielectric barrier discharge,DBD)是在室温常压下产生高密度等离子体的一种重要方式。以其独特的技术优势，如所产生的等离子体密度高、宏观温度低、富含多种类活性粒子等，被广泛应用于能源化工、资源环境、生物医学、农业食品、空天及轨道交通等高新技术、先进制造领域，目前已成为国际上先进技术研究的热点之一，与高新技术、产业应用、重大需求紧密关联。
例如在特种/精密材料学科中，通常采用等离子体物理气相沉积(PVD)和增强化学气相沉积(PECVD)及等大气压介质阻挡辉光放电等离子体离子注入(APGD-SII)等技术来制备光电、微电子、耐蚀耐磨及超硬等新型多功能薄膜材料；在化工工业中，采用大气压介质阻挡放电等离子聚合技术，可以印刷和设备出高分子薄膜材料；在微电子工业中的应用更加引人瞩目，目前微电子工业的全球销售额已达几千亿美元，其中三分之一以上微电子器件设备是采用低温等离子体技术生产的；在超大规模集成电路的生产工艺中，等离子体刻蚀技术可以实现高刻速率、高纵横比、高选择比、微观不均匀性小和低能量操作的刻蚀过程；在沉积无缺陷、附着力大的微电子薄膜材料以及微小器件晶片的清洗方面也显示出了巨大的优势。可以说，大气压介质阻挡放电等离子体已与现代高新科技的发展紧密联系在一起，因而对大气压介质阻挡放电等离子体的放电过程及放电参数指标的研究也变得尤为重要。
大气压介质阻挡放电可在较宽的驱动频率下工作(kHz到～MHz)，这就决定了大气压介质阻挡放电在不同的工作条件下会呈现出不同的工作状态。此外，尽管对于大气压介质阻挡放电的研究已取得了诸多突出的成果，但对于目前常用的单频驱动而言，所产生的等离子体参数间解耦困难，为此基于双频源共同驱动的方法目前已成为一种可实行的等离子体参数调控方法。同时带来的问题的，大气压介质阻挡放电过程中存在着多变的非线性行为，使得原本就复杂的参数诊断方法及参数测试过程由于双频的引入而变得更为困难，使得人们常常无法对所放电过程的能量输运、放电模式进行直接测量，而只能借助通过放电等离子体的伏安特性及阻抗特性等间接地反演上述过程及参数。目前，较为常用的诊断技术主要包括探针诊断法、微波干涉诊断法、激光差拍法、光谱质谱诊断法等。当等离子体中包含波动、振荡和波时，探针方法的应用非常困难，有时甚至不能应用探针方法，且探针表面的杂技可能污染等离子体，这将使等离子体的I-V特性曲线发生变形，严重影响测量结果；微波法对等离子体的空间响应较差，动态范围较小；激光法为了能够测出散射信号而且有较小的统计误差必须采用大功率巨脉冲激光器作光源，采用灵敏度高、信噪比大、时间响应快的光探测器作接受器，不仅操作不便，且成本大大增加；光谱质谱极其复杂，较难精确解释，甚至在用作等离子体刻蚀工艺终点探测的分子谱线，有时并不清楚其来源，且其光学窗口上薄膜沉积或刻蚀能够大大改变或减弱光谱的信号。
发明内容
本发明提供一种适用于单、双频驱动大气压介质阻挡弥散放电电学特性等效电路及其计算方法，解决现有双频驱动大气压介质阻挡弥散放电等离子体放电过程中对于放电电学参量，如放电电流、气隙电压、介质电压、累积电荷测量精确度低、干扰性大、对环境要求较高、成本相对昂贵等一系列问题。
本发明通过以下技术方案实现：
一种适用于单、双频驱动大气压介质阻挡弥散放电电学特性等效电路，所述等效电路包括低频电源、高频电源、开关、单低频等效电路、单高频等效电路和双频等效电路；所述低频电源与高频电源均与开关相连接，所述开关分别连接单低频等效电路、单高频等效电路和双频等效电路；所述开关为切换开关。
一种适用于单、双频驱动大气压介质阻挡弥散放电电学特性等效电路的计算方法，所述计算方法包括以下步骤：
步骤1：利用权利要求1所述等效电路及李萨如图形，计算单频放电，其频率范围为kHz～MHz的放电电流、气隙电压、介质电压、放电的瞬时功率、耦合能量以及电荷通过放电气隙的输运；
步骤2：基于步骤1的单频放电计算，通过两个频率的线性叠加，滤波后计算得到双频放电的频率范围为kHz～MHz的放电电流、气隙电压、介质电压、放电的瞬时功率、耦合能量以及电荷通过放电气隙的输运。
进一步的，所述单频放电具体为，在大气压介质阻挡弥散放电过程中，介质表面变化的电荷与放电电压比值为C＝dQ/dV，由于绝缘介质层的存在，放电过程中的等效电容等效为介质上的壁垒电容Cd与气隙电容Cg的串联，而放电单元电容Ccell的值与壁垒电容及气隙电容值相关，公式为：
进一步的，根据公式(1)及李萨如图形，在放电的自持阶段A-D与C-B，介质上积累的电荷函数Q(t)与外施驱动源电压Vtotal(t)的关系为：
Q(t)＝Cd(Vtotal(t)±Vg(t)) (2)
其中Vg为加载在气隙间的电压值；此时，气隙电压Vg(t)保持恒定等于有效击穿电压Vbreak。
进一步的，根据公式(1)及李萨如图形，在放电达到熄灭阶段A-B与C-D，介质上积累的电荷函数Q(t)与外施驱动源电压Vtotal(t)的关系为：
其中Q0与通过气隙转移的最大电荷量qmax相关，其关系式为：
进一步的，根据公式(1)及李萨如图形，在a阶段，其值为qmax与Q0之差，基于Cd为B-C阶段的斜率，而Ccell为A-B阶段的斜率，因此两值可分别表示为：
进一步的，根据基尔霍夫定律推进得出放电过程中介质电压随时间变化为：
同时加载在气隙上的电压为：
Vg(t)＝Vtotal(t)-Vd(t) (7)
流过气隙电流为：
总的放电电流为：
在得到气隙电压与总的放电电流后，放电的瞬时功率及耦合能量得出：
P(t)＝JT(t)Vg(t)(10)
在放电过程中，电荷通过放电气隙的输运同样根据方程(9)推算得出：
进一步的，所述双频放电具体为，对于双频叠加产生波形扰动，采用快速傅立叶的方法进行滤波，加载在介质上的壁垒电容Cd为：
而此时加载在气隙上的电容可等效为：
Cg,双频(t)＝Cg+RP(t)(14)
因此，此时双频驱动下的放电单元电容Ccell,双频的能改写为：
根据方程(6)～方程(12)继尔得到放电过程的各放电电学参量，即放电电流、气隙电压、介质电压、放电的瞬时功率、耦合能量以及电荷通过放电气隙的输运。
本发明的有益效果是：
本发明能在较宽频段范围内(kHz～MHz)测量单频、双频驱动大气压介质阻挡放电过程中的放电电流、气隙电压、介质电压以及累积电荷，从而推导出放电过程中的能量交换及能量分配。
附图说明
图1是本发明所适用的大气压介质阻挡放电结构及驱动形式。
图2是本发明单频放电下的李萨如图形，其中(a)为低频放电形式图，(b)为高频放电形式图。
图3是本发明双频放电下的李萨如图形。
图4是本发明涉及的单/双频大气压介质阻挡弥散放电学特性等效电路。
图5是本发明的计算采用MATLABSIMULINK仿真控制实现的等效电路。
图6是本发明的仿真计算单频放电电流、气隙电压波形图。
图7是本发明的仿真计算双频放电电流、气隙电压波形图。
图8是本发明的仿真计算介质积累电荷图双频大气压介质阻挡弥散放电总放电功率与等离子体瞬时功率关系图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图4所示，一种适用于单、双频驱动大气压介质阻挡弥散放电电学特性等效电路，所述等效电路包括低频电源、高频电源、开关、单低频等效电路、单高频等效电路和双频等效电路；所述低频电源与高频电源均与开关相连接，所述开关分别连接单低频等效电路、单高频等效电路和双频等效电路；所述开关为切换开关。
对所需测量的放电过程中等离子体电学参量，采用等效电路模型。本发明适用于平板型单/双频驱动大气压介质阻挡放电结构，如图1所示。驱动频率范围在kHz～MHz。
如图2-3所示，一种适用于单、双频驱动大气压介质阻挡弥散放电电学特性等效电路的计算方法，所述计算方法包括以下步骤：
步骤1：利用权利要求1所述等效电路及李萨如图形，计算单频放电，其频率范围为kHz～MHz的放电电流、气隙电压、介质电压、放电的瞬时功率、耦合能量以及电荷通过放电气隙的输运；
步骤2：基于步骤1的单频放电计算，通过两个频率的线性叠加，滤波后计算得到双频放电的频率范围为kHz～MHz的放电电流、气隙电压、介质电压、放电的瞬时功率、耦合能量以及电荷通过放电气隙的输运。
进一步的，所述单频放电具体为，在大气压介质阻挡弥散放电过程中，介质表面变化的电荷与放电电压比值为C＝dQ/dV，由于绝缘介质层的存在，放电过程中的等效电容等效为介质上的壁垒电容Cd与气隙电容Cg的串联，而放电单元电容Ccell的值与壁垒电容及气隙电容值相关，公式为：
进一步的，根据公式(1)及李萨如图形，以坐标原点为基准，点A为原点的左下方，先B为原点的右下方按逆时针依次排列C点与D点，在李萨如图形放电的自持阶段A-D与C-B，介质上积累的电荷函数Q(t)与外施驱动源电压Vtotal(t)的关系为：
Q(t)＝Cd(Vtotal(t)±Vg(t)) (2)
其中Vg为加载在气隙间的电压值；此时，气隙电压Vg(t)保持恒定可近似认为等于有效击穿电压Vbreak。
进一步的，根据公式(1)及李萨如图形，以坐标原点为基准，点A为原点的左下方，先B为原点的右下方按逆时针依次排列C点与D点，在李萨如图形放电达到熄灭阶段A-B与C-D，介质上积累的电荷函数Q(t)与外施驱动源电压Vtotal(t)的关系为：
其中Q0与通过气隙转移的最大电荷量qmax相关，其关系式为：
进一步的，根据公式(1)及李萨如图形，在放电处于李萨如图形点B与Q0之间的c阶段，驱动源电压幅值快速变化；为qmax与Q0之差为a阶段，基于Cd为李萨如图形B-C阶段的斜率，而Ccell为李萨如图形A-B阶段的斜率，因此两值可分别表示为：
进一步的，根据基尔霍夫定律推进得出放电过程中介质电压随时间变化为：
同时加载在气隙上的电压为：
Vg(t)＝Vtotal(t)-Vd(t) (7)
流过气隙电流为：
总的放电电流为：
在得到气隙电压与总的放电电流后，放电的瞬时功率及耦合能量得出：
P(t)＝JT(t)Vg(t)(10)
在放电过程中，电荷通过放电气隙的输运同样根据方程(9)推算得出：
进一步的，所述双频放电具体为，对于双频叠加产生波形扰动，采用快速傅立叶的方法进行滤波，过滤掉其中的高(低)频部分；由于双频共同作用，放电等离子体与驱动源之间的关系变得更为复杂，此时加载在介质上的壁垒电容Cd为：
而此时加载在气隙上的电容可等效为：
Cg,双频(t)＝Cg+RP(t)(14)
因此，此时双频驱动下的放电单元电容Ccell,双频的能改写为：
根据方程(6)～方程(12)继尔得到放电过程的各放电电学参量，即放电电流、气隙电压、介质电压、放电的瞬时功率、耦合能量以及电荷通过放电气隙的输运。
具体仿真图为图5-图8。
通过本发明实施例，可以计算放电过程中的各种电学参量，与其它等效诊断方法相比具有以下优点：1、简化运算步骤，可以更快的得到计算结果；2、与实验结果对比，准确度更高，可以更为精准的模拟放电过程中的电学参量，并反演得到等离子体参量。
图9中—·—为计算结果；○为实验数据。
Claims (4)
1.一种适用于单、双频驱动大气压介质阻挡弥散放电电学特性等效电路的计算方法，其特征在于，所述等效电路包括低频电源、高频电源、开关、单低频等效电路、单高频等效电路和双频等效电路；所述低频电源与高频电源均与开关相连接，所述开关分别连接单低频等效电路、单高频等效电路和双频等效电路；所述开关为切换开关；
所述计算方法包括以下步骤：
步骤1：利用等效电路及李萨如图形，计算单频放电，其频率范围为kHz～MHz的放电电流、气隙电压、介质电压、放电的瞬时功率、耦合能量以及电荷通过放电气隙的输运；
步骤2：基于步骤1的单频放电计算，通过两个频率的线性叠加，滤波后计算得到双频放电的频率范围为kHz～MHz的放电电流、气隙电压、介质电压、放电的瞬时功率、耦合能量以及电荷通过放电气隙的输运；
所述单频放电具体为，在大气压介质阻挡弥散放电过程中，介质表面变化的电荷与放电电压比值为C＝dQ/dV，由于绝缘介质层的存在，放电过程中的等效电容等效为介质上的壁垒电容Cd与气隙电容Cg的串联，而放电单元电容Ccell的值与壁垒电容及气隙电容值相关，公式为：
根据基尔霍夫定律推进得出放电过程中介质电压随时间变化为：
同时加载在气隙上的电压为：
Vg(t)＝Vtotal(t)-Vd(t) (7)
流过气隙电流为：
总的放电电流为：
在得到气隙电压与总的放电电流后，放电的瞬时功率及耦合能量得出：
P(t)＝JT(t)Vg(t) (10)
在放电过程中，电荷通过放电气隙的输运同样根据方程(9)推算得出：
所述双频放电具体为，对于双频叠加产生波形扰动，采用快速傅里叶的方法进行滤波，加载在介质上的壁垒电容Cd为：
而此时加载在气隙上的电容可等效为：
Cg,双频(t)＝Cg+RP(t) (14)
因此，此时双频驱动下的放电单元电容Ccell,双频的能改写为：
其中，Cg为气隙电容，
根据方程(6)～方程(12)继尔得到放电过程的各放电电学参量，即放电电流、气隙电压、介质电压、放电的瞬时功率、耦合能量以及电荷通过放电气隙的输运。
2.根据权利要求1所述一种适用于单、双频驱动大气压介质阻挡弥散放电电学特性等效电路的计算方法，其特征在于，根据公式(1)及李萨如图形，以坐标原点为基准，点A为原点的左下方，按逆时针依次排列点B、点C与点D，在李萨如图形的放电的自持阶段A-D与C-B，介质上积累的电荷函数Q(t)与外施驱动源电压Vtotal(t)的关系为：
Q(t)＝Cd(Vtotal(t)±Vg(t)) (2)
其中Vg为加载在气隙间的电压值；此时，气隙电压Vg(t)保持恒定等于有效击穿电压Vbreak。
3.根据权利要求1所述一种适用于单、双频驱动大气压介质阻挡弥散放电电学特性等效电路的计算方法，其特征在于，根据公式(1)及李萨如图形，以坐标原点为基准，点A为原点的左下方，按逆时针依次排列点B、点C与点D，在李萨如图形的放电达到熄灭阶段A-B与C-D，介质上积累的电荷函数Q(t)与外施驱动源电压Vtotal(t)的关系为：
其中Q0与通过气隙转移的最大电荷量qmax相关，其关系式为：
4.根据权利要求3所述一种适用于单、双频驱动大气压介质阻挡弥散放电电学特性等效电路的计算方法，其特征在于，根据公式(1)及李萨如图形，qmax与Q0之差为a阶段，基于Cd为李萨如图形B-C阶段的斜率，而Ccell为李萨如图形A-B阶段的斜率，因此两值可分别表示为：
结合(4)、(5)可共同得到气隙转移的最大电荷量qmax。
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