外加磁場對小功率電感耦合微波微等離子體激勵的影響

廖斌,王新剛,黃加華,朱守正

(華東師范大學(xué)信息學(xué)院電子系,200241,上海)

外加磁場對小功率電感耦合微波微等離子體激勵的影響

廖斌,王新剛,黃加華,朱守正

(華東師范大學(xué)信息學(xué)院電子系,200241,上海)

為使小功率微波微等離子體源進(jìn)一步小型化,提出了通過外加磁場減小微波微等離子體激勵功率的方法。首先對2.45 GHz平面微帶漸變螺旋天線進(jìn)行數(shù)值仿真,得到最佳結(jié)構(gòu)尺寸;其次在螺旋天線上加載高斯磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為360、990和2 840Gs的環(huán)形磁鐵,測試得到加載磁場前后的S參數(shù);最后通過改變磁鐵及磁極方向,研究其對小功率電感耦合微波微等離子體激勵的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)空氣氣壓為666.6 Pa時(shí),磁場強(qiáng)度和磁極方向均可使小功率微波微等離子體的激勵功率和熄滅功率發(fā)生變化,且磁鐵S極朝外更有利于激勵;隨著磁場強(qiáng)度的增大,激勵功率逐漸減小;外加磁場時(shí)的最小激勵功率比未加載磁場時(shí)的激勵功率減小了15%。該研究結(jié)果在微化學(xué)分析系統(tǒng)、小尺寸材料的表面處理等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

微波;微等離子體;螺旋天線;外加磁場;激勵功率

小功率微波微等離子體技術(shù)是一項(xiàng)近幾年發(fā)展起來的集微電子(納電子)技術(shù)、微波技術(shù)和等離子體技術(shù)于一體的高新技術(shù)。它通過微小功率微波激勵起小尺寸的等離子體,如用不超過3～5 W的微波功率使氣體電離,可產(chǎn)生尺寸為10mm甚至0.2 mm的等離子體。與其他等離子體相比,小功率微波微等離子體具有壽命長、尺寸小和低污染等優(yōu)點(diǎn),在微化學(xué)分析系統(tǒng)、生物MEMS的殺菌消毒、小尺寸材料的表面處理以及微型推進(jìn)器等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景[1-3],因而受到越來越廣泛的關(guān)注。美國Tufts大學(xué)Hopwood教授研究了微波微等離子體的旋轉(zhuǎn)、振蕩和激勵溫度,粒子與微等離子體的相互作用以及微波頻率對于微等離子體的影響等特性[4-6]。美國Michigan大學(xué)Gianchandani教授通過直流微放電實(shí)驗(yàn)[7],用不同大小的永久磁鐵產(chǎn)生磁場,發(fā)現(xiàn)直流微等離子體電流隨著磁場的增大而增大。清華大學(xué)蒲以康教授也對微波微等離子體的氣體溫度、電子密度和電子溫度等進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[8]。然而,關(guān)于磁場對小功率電感耦合微波微等離子體激勵的影響,在國內(nèi)外還鮮有報(bào)道。本文在氣壓為666.6 Pa(5.0Torr)、高斯磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為360、990和2 840Gs的空氣條件下,通過外加磁鐵研究不同磁場對小功率電感耦合微波微等離子體激勵的影響,發(fā)現(xiàn)激勵功率隨著磁場強(qiáng)度的增大而減小，本文的研究結(jié)果可為小功率微波等離子體源的進(jìn)一步小型化提供依據(jù)。

1 理論基礎(chǔ)

根據(jù)離子動力學(xué)原理,在電磁場作用下一個帶電粒子的運(yùn)動方程為

(1)

式中:m是帶電粒子的質(zhì)量;v(t)是拉格朗日速度;q是帶電粒子的電量;E(r,t)為電場;B(r,t)為磁場。式(1)等號右邊即為洛倫茲力。若有一個沿z方向的磁場B=zB0(其中B0是一個常數(shù))為外加橫向磁場,電場E為0,此時(shí)式(1)的各個分量為

(2)

(3)

(4)

式中:vx、vy、vz分別為v(t)在x、y、z方向的分量。

由于電子的質(zhì)量比帶電離子的質(zhì)量要小很多,因此只考慮電子的運(yùn)動。電子在恒定磁場中主要由沿著磁場方向的自由運(yùn)動和繞著磁場的回旋運(yùn)動組成,此時(shí)電子回旋運(yùn)動的半徑保持不變,在運(yùn)動過程中,磁場并沒有改變電子能量。

在給定微波功率的條件下,外加磁場會改變電子的運(yùn)動軌跡以及電子與鞘層原來的碰撞模式,產(chǎn)生多種附加效應(yīng),使微波微等離子體密度增大[9-10]、鞘層電壓下降,從而有利于微波微等離子體的激發(fā)[11]。當(dāng)外加一個磁場時(shí),首先電子橫穿磁場的運(yùn)動在很大程度上將被禁止,從而減小在垂直磁場方向上的非雙極性擴(kuò)散通量,這樣可大大減小功率的損失;其次外加磁場將電子束縛在平面電感螺旋線圈附近的一個范圍內(nèi),這樣可以減小放電區(qū)域總的有效損失面積,用時(shí)又引導(dǎo)大部分逃逸的離子回到平面電感螺旋線圈附近,從而增加微等離子體的離子通量;最后外加磁場的存在使電子與振蕩鞘層發(fā)生多次相關(guān)聯(lián)的碰撞,這樣使得電子最終獲得更高的能量。圖1為外加磁場后電子與鞘層碰撞后的軌跡分布圖。

u:入射電子速度;ues:電子鞘層速度;B0:磁感應(yīng)強(qiáng)度

2 數(shù)值仿真及實(shí)驗(yàn)裝置

小功率電感耦合微波微等離子體源選取叉指型平面微帶漸變螺旋天線。經(jīng)過優(yōu)化,漸變結(jié)構(gòu)螺旋線圈匝數(shù)n=3。仿真研究中,螺旋線圈金屬導(dǎo)帶選用金,厚度為0.035 mm,金屬導(dǎo)帶刻蝕在介質(zhì)基片上,Al2O3陶瓷介質(zhì)基片的相對介電常數(shù)為9.8,厚度為0.6 mm,激勵采用50Ω同軸線底饋。X-Y平面為緊貼漸變螺旋線圈表面的水平剖面,Y-Z面為漸變螺旋線圈的軸向剖面。仿真結(jié)果如圖2所示。

(a)X-Y平面電場 (b)X-Y平面磁場

(c)Y-Z平面電場

(d)Y-Z平面磁場

由圖2可以看到,漸變螺旋線圈的電場由外向內(nèi)逐漸增強(qiáng),并且在最內(nèi)圈達(dá)到峰值,而磁場的最大值位于螺旋電感的中間圈。電場和磁場類似于漸變螺旋管分布,能量基本上都集中在線圈的2/3處,其他區(qū)域都比較弱,并且左右兩邊分布基本對稱。

根據(jù)數(shù)值仿真優(yōu)化結(jié)果,研制了激勵2.45 GHz小功率微波微等離子體的叉指型平面微帶漸變螺旋天線,如圖3a所示(硬幣尺寸Φ=19 mm)。使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Agilent N5230A測量,得到反射系數(shù)S11,實(shí)測結(jié)果曲線如圖3b所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得,平面微帶漸變螺旋天線的諧振頻率為2.515 GHz,S11為-10.42 dB,Q值為125。諧振頻率發(fā)生偏移可能是由于實(shí)際的基片介電常數(shù)和導(dǎo)帶厚度等與仿真時(shí)的誤差引起的。

小功率微波微等離子體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由微波信號源AV3619矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、微波功率計(jì)Agilent E4418B(探頭E4412A)、機(jī)械真空泵2XZ-4B、數(shù)字型電阻薄膜真空計(jì)ZDY-2A1、功率放大器、雙定向耦合器、射頻開關(guān)和環(huán)形永磁鐵等組成[12],如圖4a所示,環(huán)形磁鐵如圖4b所示。

(a)平面微帶漸變螺旋天線實(shí)物圖

(b)實(shí)測S11曲線

(a)結(jié)構(gòu)框圖

(b)環(huán)形磁鐵

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

本文選取氣壓為666.6 Pa、高斯磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為0、360、990和2 840Gs這4種不同情況,研究不同磁場、不同磁極方向?qū)π」β孰姼旭詈衔⒉ㄎ⒌入x子體激勵功率和熄滅功率的影響。激勵功率是指微波微等離子體點(diǎn)亮瞬間記錄的輸入功率值,而熄滅功率是指微波微等離子體激勵后,減小入射功率在微等離子體熄滅的瞬間記錄的輸入功率值。

3.1 磁場強(qiáng)度對小功率微波微等離子體激勵的影響

氣壓為666.6 Pa、未加磁場時(shí),小功率電感耦合微波微等離子體源的諧振頻率為2.516 GHz,S11為-12.38 dB,微等離子體激勵功率為4.33 W,熄滅功率為5.06 W。在小功率微波微等離子體源處加載不同磁鐵(S極朝外),當(dāng)加載磁鐵A時(shí)(高斯磁感應(yīng)強(qiáng)度為360Gs),小功率電感耦合微波微等離子體源的諧振頻率為2.515 GHz,S11為-10.10dB,微等離子體激勵功率為4.57W,熄滅功率為5.47W;當(dāng)加載磁鐵B時(shí)(高斯磁感應(yīng)強(qiáng)度為990Gs),小功率電感耦合微波微等離子體源的諧振頻率為2.514 GHz,S11為-8.94 dB,微等離子體激勵功率為4.04 W,熄滅功率為4.08 W,激勵的微等離子體如圖5所示。

(a)小功率微波微等離子體激勵前

(b)小功率微波微等離子體激勵后

加載磁鐵C時(shí)(高斯磁感應(yīng)強(qiáng)度為2 840Gs),小功率電感耦合微波微等離子體源的諧振頻率為2.504 GHz,S11為-19.01 dB,微等離子體激勵功率為3.67W,熄滅功率為5.43 W,激勵的微等離子體如圖6所示。

(a)小功率微波微等離子體激勵前

(b)小功率微波微等離子體激勵后

未加磁場和加載不同磁場(S極朝外)的小功率微波微等離子體激勵功率和熄滅功率的變化如圖7a所示。從圖7a可以看到,S極朝外時(shí)隨著磁場強(qiáng)度的增大,激勵功率在稍微增大后迅速下降,其值除了在高斯磁感應(yīng)強(qiáng)度為360Gs時(shí)比未加磁場時(shí)略大以外,其他值都比未加磁鐵時(shí)小,而熄滅功率是先增大,后減小,之后又繼續(xù)增大,呈現(xiàn)起伏狀態(tài)。

(a)S極朝外

(b)N極朝外

3.2 磁極對小功率微波微等離子體激勵的影響

改變磁鐵的磁極方向,即磁鐵位置從S極朝外變?yōu)镹極朝外,而其他條件不變,氣壓仍為666.6 Pa。當(dāng)加載磁鐵A時(shí)(高斯磁感應(yīng)強(qiáng)度為360Gs),小功率電感耦合微波微等離子體源的諧振頻率為2.516 GHz,S11為-10.05 dB,微等離子體激勵功率為5.07W,熄滅功率為4.58 W;當(dāng)加載磁鐵B時(shí)(高斯磁感應(yīng)強(qiáng)度為990Gs),小功率電感耦合微波微等離子體源的諧振頻率為2.514 GHz,S11為-8.92 dB,微等離子體激勵功率為6.05 W,熄滅功率為6.43 W;當(dāng)加載磁鐵C時(shí)(高斯磁感應(yīng)強(qiáng)度為2 840Gs),小功率電感耦合微波微等離子體源的諧振頻率為2.512 GHz,S11為-15.02 dB,微等離子體激勵功率為5.24 W,熄滅功率為6.27W。未加磁場和加載不同磁場(N極朝外)的小功率微波微等離子體激勵功率和熄滅功率的變化如圖7b所示。

從圖7b可以看到,在N極朝外的條件下,隨著磁場強(qiáng)度的增大,激勵功率和熄滅功率都是先增大,后減小。比較圖7a和圖7b可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)氣壓為666.6 Pa時(shí),除了在加載磁鐵A的條件下熄滅功率在N極朝外比S極朝外要小以外,其余的微波微等離子體的激勵、熄滅功率N極朝外比S極朝外要大。另外,微波微等離子體激勵功率小于熄滅功率主要是由于氣壓引起的,微等離子體激勵功率與熄滅功率的變化還與平面微帶漸變螺旋天線面對的負(fù)載阻抗有關(guān)。

4 結(jié) 論

本文基于叉指型平面微帶漸變螺旋天線研究外加磁場(不同磁場強(qiáng)度、不同磁極方向等)對小功率電感耦合微波微等離子體激勵的影響。研究表明,在氣壓為666.6 Pa的空氣條件下,當(dāng)外加高斯磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為360、990、2 840Gs的不同磁場強(qiáng)度以及磁極方向改變(S極朝外或N極朝外)時(shí),小功率電感耦合微波微等離子體的激勵功率和熄滅功率均發(fā)生了變化。一般來說,在氣壓為666.6 Pa時(shí),磁鐵S極朝外更有利于小功率微波微等離子體的激勵,而且隨著磁場強(qiáng)度的增大,激勵功率逐漸減小。本文研究可為小功率微波微等離子體源的進(jìn)一步小型化提供研究基礎(chǔ)。不同氣壓、不同頻率情況下小功率微波微等離子體的激勵將是下一步的研究內(nèi)容。

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(編輯 劉楊)

EffectsofMagneticFieldonLow-PowerInductively-CoupledMicrowaveMicro-PlasmaExcitation

LIAO Bin,WANGXingang,HUANG Jiahua,ZHU Shouzheng

(School of Information and Science Technology,East China Normal University,Shanghai 200241,China)

A method to decrease the igniting power of microwave microplasma through adding magnetic field is proposed to further miniaturize low-power microwave micro-plasma source.Simulation on a planar microstrip tapered spiral antenna at 2.45 GHz is performed to obtain the optimal structure.Values of S parameters are measured through applying the ring magnets of 360,990and 2 840Gs on the spiral antenna.Finally,the excitation effects of low-power microwave micro-plasma are investigated by changing the magnetic field strength and the magnetic orientation.Experimental results show that both the igniting and the extinguishing of microwave microplasma changes with the changes in the strength and the orientation of the added magnetic fields at the air pressure of 666.6 Pa.TheS-pole outward of the ring magnet motivates to ignite microwave micro-plasma more easily,and the igniting power decreases as the strength of added magnetic field increases.A comparison with the igniting power without adding magnetic field shows that the minimum igniting power with adding magnetic field reduces about 15%.It can be concluded that the proposed method has potential applications in the fields of micro-chemical-analysis system and surface processing of small-scale materials.

microwave; micro-plasma; spiral antenna; applied magnetic field; igniting power

2013-10-14。

廖斌(1967—),男,副教授。

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61072007)。

時(shí)間:2014-03-19

10.7652/xjtuxb201406017

TN99

:A

:0253-987X(2014)06-0098-05

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20140319.1749.003.html