基于微带谐振器的三维约束微波微等离子体源的实现

唐佳丽,　明小祥,　于新海,　王正东

(华东理工大学承压系统与安全教育部重点实验室,上海 200237)

基于微带谐振器的三维约束微波微等离子体源的实现

唐佳丽,明小祥,于新海,王正东

(华东理工大学承压系统与安全教育部重点实验室,上海 200237)

摘要：通过理论计算及HFSS仿真设计了微带谐振器,并通过比对三维约束结构存在的HFSS仿真结构验证了三维结构的可行性。实测制备的微带谐振器空载谐振频率为2.5 GHz,回波损耗系数(S11)为-17.94 dB。该微带谐振器成功实现了三维约束微尺度下,工作频率为2.5 GHz,工作压强范围为30 Pa至大气压、功率范围为0.7～6 W时的微等离子体放电。通过光谱仪检测压强为7.5×104 Pa下的Hβ谱线,应用斯塔克展宽求得此压强下平均电子密度为 5.54×1013cm-3,该值符合微等离子体源的电子密度值。

关键词：微带谐振器; HFSS; 微等离子体; 斯塔克展宽

等离子体是物质的第四态,是大量正离子、电子及中性分子或原子的混合物,对外呈现电中性。通常有高温等离子体及低温等离子体,实验室中通过气体放电产生的辉光放电等离子体是低温等离子体[1]。微等离子体源是指在微尺度下的放电,尺度在几个微米到几个毫米[2]。微等离子体源日益受到关注,在微化学分析系统[3]、微反应器[4]、局部材料处理[5]等方面都有很好的应用优势及前景。

微等离子体源按等离子体生成方法的不同有直流、射频、微波3种形式,其中直流微等离子体源[6]以紧凑、易制造、对功率源要求低见长,但是维持时间短、电极易被污染导致等离子体不纯净是其最大的问题;射频微等离子体源有电容耦合[7]及电感耦合[8]两种,电容耦合相较于直流微等离子源可得到较高密度等离子体,且电子能量较高,但效率较低;电感耦合能得到高密度等离子体,但是一般多在低压强下工作;微波微等离子体源[9]结构简单、辐射损失少、更高效、维持时间长,在3种微等离子源形式中性能最好。鉴于微波功率传输特点,源与负载之间良好的阻抗匹配设计是必需的。由于微波微等离子体源的优点,其被用于微型质谱仪等微分析仪器的电离源中使用[10],而作为分析仪器电离源,三维约束是必须的。

微带谐振器具有阻抗匹配设计简便、滤波效果强、易制造等优点。本文采用微带谐振器作为微波微等离子体源,结合HFSS(High Frequency Structure Simulator),Ansoft公司推出的三维电磁仿真软件,该软件在微波谐振腔体的设计方面应用广泛[5,11-13])设计了一款实测空载谐振频率为2.5 GHz、回波损耗系数(S11)为-17.94 dB的微带谐振器。同时考虑微等离子体源三维约束需求,本文采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)制作三维约束结构,且通过将其HFSS仿真结果与不存在三维约束结构的仿真结果比较验证其可行性,实验成功地实现了微尺度(特征尺度为180 μm)下的微等离子体放电。

1微带谐振器理论计算

1.1设计思路

微带线谐振器是传输线型谐振器的一种,具有选频特性,通常有3种形式:nλ/2开路谐振器,nλ/2短路谐振器及nλ/4短路谐振器。考虑结构紧凑性,本文选择nλ/4短路谐振器。设计思路见图1。

图1　微带谐振器设计思路

1.2确定微带线长

微带线中传播的波长(λ)计算如式(1)所示[11]:

(1)

式中:Vp是微带线中传播波的相速；λ0=c/f为自由空间的波长,其中c为光速,f为频率；εff为有效相对介电常数,满足关系式1<εff<εr,其中εr为介质的相对介电常数，εff的计算公式[14]如下:

(2)

式中:W为微带线的宽度;h为基板厚度。h由选择的材料确定,本文选用罗杰斯RT6010板材,h=635 μm,εr=10.2;W的值由工作频率、介质相对介电常数、基板厚度、微带线特性阻抗确定。

若εr、Z0已知,则微带线尺寸(W、h)由下式[14]给出：

(3)

其中

(4)

(5)

根据以上公式,计算得到微带谐振器各个参数,如表1所示。

表1　微带谐振器性能参数

1.3确定功率馈入点

阻抗匹配是使微波电路或系统无反射、载行波尽量接近行波状态的技术措施,这里我们根据传输线理论,使谐振器的输入阻抗与信号源的输出阻抗50 Ω匹配。图2所示为根据传输线理论得到的微带谐振器的等效电路,其中l1+l2=λ/4,l1和l2分别为谐振器功率输入点到短路端和开路端的长度,根据该等效电路,可以得到空载下(即无等离子体存在)微带谐振器的输入阻抗Zin。

微带谐振器的输入阻抗由短路传输线Z1和开路传输线Z2并联而得,即

(6)

式中:Z0为微带线特性阻抗;k为复传播常数,k=α+jβ。其中,α为衰减常数,β=2π/λ,λ为波长。在推导式(6)的过程中,一般假设微带线损耗很小[5],故αl≪1,tan(αl)≅αl。

图2　微带谐振器的等效电路

在谐振条件下,l1+l2=(2n-1)λ/4,n=1,2,3,…,且式(6)中虚部为零,即-cot(βl1)+tan(βl2)=0。因此,输入阻抗的值为实数,可以通过调整功率馈入点的位置即调节l1的值得到,见表1。

2HFSS仿真结果与讨论

2.1无约束微带谐振器仿真

通过HFSS软件对以上理论计算进行优化。HFSS中建立的微带谐振器模型如图3(a)所示,等离子体的放电间隙设置为100 μm。通过参数优化及仿真,发现功率馈入点调整到l1=0.5 mm时,S11的频率响应曲线最优,如图3(b)所示,此时谐振频率为2.47 GHz,S11为-20.81 dB,说明反射功率与入射功率的比值为0.1。图3(c)所示为微带谐振器输入电极面对放电间隙面的电场分布,可见最强的电场约为1.6×106V/m(HFSS仿真设置中,subminiature type A SMA集总端口处功率为1 W),电场强度随入射功率的增大而增大。Campbell[15]结合有效电场概念及电子与中性分子碰撞频率建立了微间隙下微波诱导击穿等离子体模型,并且针对8个不同间隙(13,25,38,60,80,150,250，500 μm)计算击穿场强,计算结果显示电场强度在105～106V/m时,可实现微波微等离子体放电。所以本设计电场强度为1.6×106V/m,理论上可以激发微等离子体。

2.2带三维约束结构的微带谐振器仿真

HFSS中建立的带三维约束结构的微带谐振器模型如图4(a)所示,实际实验中该三维约束结构采用PDMS材料制作而成,因此在HFSS中将该三维结构的材料相对介电常数设定为2.8。S11的频率响应曲线如图4(b)所示,谐振频率为2.45 GHz,S11为-7.48 dB,说明反射功率与入射功率的比值为0.42。图4(c)所示为微带谐振器输入电极面对放电间隙面的电场分布,可见最强的电场约为1.0×107V/m。

虽然在三维约束结构存在的情况下,S11比无三维约束结构存在的情况下大13.33 dB,但是其在SMA集总端口处功率为1 W的情况下,场强幅值是无约束情况下的6.3倍,且两种情况下的电场分布相同。

当在SMA端口入射1 W功率时,对于无约束情况,其在2.47 GHz时输入功率(入射功率与反射功率的差)为0.9 W,则在输入电极正对放电间隙表面的电场最大幅值为1.5×106V/m(此处认为电场强度与输入功率的平方根成正比);对于三维约束情况,其在2.45 GHz时输入功率为0.48 W,在输入电极正对放电间隙表面的电场最大幅值为6.9×106V/m。因此,验证了三维约束结构的可行性,且发现在同一输入功率下,此三维约束结构的存在将电场幅值增加了6.3倍,更有利于微等离子体的形成。

图3　无约束微带谐振器的HFSS仿真

图4　带三维约束的微带谐振器的HFSS仿真

根据仿真结果最终确定微带谐振器各个参数,使用罗杰斯RT6010板材加工制作微带谐振器,如图5所示,焊接SMA接头后,使用网络分析仪HP8753ET测得的S11与频率关系曲线见图6所示,可见谐振频率为2.5 GHz,S11为-17.94 dB。因为焊接SMA接头引入的焊锡以及热影响,使实测谐振频率相较设计值2.47 GHz偏移0.3 GHz,实测S11数值较设计值-20.81 dB偏大2.97 dB,通过实验证实可成功激发微等离子体。

图5　微带谐振器及微等离子体

图6　网络分析仪测得的S11～f曲线

3三维约束微等离子体源的加工工艺

三维约束微等离子体源的加工工艺分为两个部分,其一是RT/Duroid 6010板材的微带谐振器的加工,工艺如图7(a)所示;其二是三维约束结构的实现,该结构采用PDMS材料制作,加工工艺如图7(b)所示,具体为:通过涂胶机(HAKW-4A)将液态的PDMS旋凃在硅片上,旋凃厚度由转速控制,将硅片放置在热板(TWJR-B)上于100 ℃加热2 min,室温冷却后将PDMS揭下,并裁剪成1 cm × 1 cm的正方形,用打孔器打直径d=800 μm的孔,将打孔后的PDMS片覆盖在放电间隙上,并在其上覆盖另一未打孔的PDMS片,使之形成密闭结构。

4微等离子体放电实验结果与讨论

将三维约束的微带谐振器置于一不锈钢腔体(上表面有石英观察窗)中,先用机械泵抽真空至10 Pa,后通入含有φ=1%氢气的氩气,通过调节进气流量及抽气流量维持真空腔内不同的压强,使用微波功率源(TH423B)及功率放大器(YT1.8，2.8 GHz，8 W)给其提供2.4～2.5 GHz频率的功率,实验中发现在很大的压强范围(30 Pa至大气压下),宽功率范围(0.7～6.0 W)下均可实现稳定的微等离子体,放电效果见图5。

在压强为7.5×104Pa左右,使用光谱仪(LIBS2500-5PLUS,海洋光学)记录发射光谱图,该光谱仪分辨率为0.1 nm。通过拟合Hβ线的展宽,并求得其斯塔克展宽后,通过式(7)可求得电子密度ne[16]

(7)

根据图8工况求得的斯塔克展宽可计算得电子密度为5.54×1013cm-3,其中图8中圆圈为实测光谱,实线为包括所有展宽的佛克脱拟合(当Tg=340 K,ne=5.54×1013cm-3时,拟合效果最好),虚线为仪器展宽及多普勒展宽的拟合,点线为除了斯塔克展宽外的展宽拟合。

Hoskinson等[17]的微带谐振器激发的微等离子体最高电子密度为3×1014cm-3,该微等离子体源很适合于材料表面处理,诸如刻蚀等;Zhu等[16]的环状微带谐振器激发的微等离子体最高电子密度为1.04×1014cm-3,使该微等离子体源很适合作为一款小体积的便携传感器。本文的微等离子体源的电子密度为5.54×1013cm-3,可用于材料表面处理,以及作为便携传感器,且通过将其中的电子引出也可以作为电子源应用于微型分析仪器等。

图7　微带谐振器(a)及PDMS腔室的加工工艺(b)

图8　在2.5 GHz、7.5×104 Pa条件下的Hβ轮廓

5结论

本文通过理论计算及HFSS仿真设计了一款实测空载谐振频率为2.5 GHz,S11为-17.94 dB的微带谐振器。结合微波功率源、机械泵等设备成功实现大工作压强范围、宽功率范围内三维约束微尺度下等离子体,在7.5×104Pa压强下通过光谱仪检测Hβ谱线,应用斯塔克展宽求得平均电子密度为 5.54×1013cm-3,该值与已报道的微等离子体源的电子密度范围相符,说明设计的微带谐振器可以作为微波微等离子体源。

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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

作者简介：唐佳丽(1986-),女,上海人,博士生,研究方向为微等离子体性能。 通信联系人：于新海,E-mail:yxhh@ecust.edu.cn

文章编号：1006-3080(2016)02-0271-06

DOI:10.14135/j.cnki.1006-3080.2016.02.019

中图分类号：TN136

文献标志码：A