专利名称：介质阻挡放电等离子体发生器的电极制造方法
技术领域：
本发明属于等离子体技术领域，涉及对介质阻挡放电等离子体发生器的电极制造 方法的改进。
背景技术：
介质阻挡放电等离子体发生器能够在绝缘介质表面产生薄层等离子体，等离子体 能够产生静电彻体力，可以吸附和改善发生器周围气流，因此可以用在飞行器上，用来进行 边界流层控制，减小飞行阻力，提高升阻比，降低飞行器噪声，并能起到一定的隐身功能，同 时还可应用于产生臭氧和杀菌消毒等工业领域。等离子体发生器主要由上下两个金属电极 条和绝缘介质组成，目前适于不同介质材料的等离子体发生器制造方法主要采用手工粘贴 电极条的方法，例如，《基于等离子体激励的圆柱绕流控制实验研究》，苏长兵等，实验流体 力学，2006，20 :45-48。文中，空军工程大学苏长兵等，采用锡箔粘贴在有机玻璃上制造发生 器，研究了大气压等离子体流动控制技术在圆柱绕流控制上的有效性。这种方法容易造成 电极间距变化不均勻和电极条本身起伏不平，影响了放电和减阻效果，并且一些疏水材料 (如聚四氟乙烯等)粘贴也比较困难，从而会影响该种材料在实际中的应用。此外，采用这 种粘贴方法存在的最大问题是粘贴在绝缘介质上的电极条较厚，放热量大，长时间使用容 易使介质和电极条发生变形，并且胶体在这个过程中也会分解放电，影响等离子体对流场 的改善效果。要解决上述问题，需要减薄发生器上的电极条，并同时增强电极条与绝缘介质 的附着力。采用工业常用沉积技术(如真空弧、磁控溅射、电子束物理气相沉积和化学气 相沉积等)来制造发生器上的电极条可以达到减薄电极条，避免胶体在放电中的影响。但 是这种方法最大的问题是电极条与基体材料的结合强度问题，因为如果直接在绝缘介质上 沉积金属电极条，使用时经常会脱落，解决这一问题目前主要通过对基体加热和施加偏压 来增强结合力，延长薄膜使用寿命。对于施加偏压方法，由于基体为绝缘材料，这种方法显 然不可行；而对于基体加热法，石英、陶瓷等无机绝缘材料可以实施，但温度过高也会影响 薄膜电极质量，例如，《等离子体流动控制机理及其应用研究》，李刚，中科院工程热物理研 究所博士论文，2008。文中，李刚等采用蒸发沉积法在石英玻璃上沉积了 Cu+SrTi03薄膜， 但由于制备过程中温度较高，薄膜电极被烧毁。而对于一些高分子绝缘材料来说，这种方法 也不可行，因为当基体加热超过300°C时高分子材料一般会发生严重变形，甚至分解，因此 也无法实施。
发明内容
本发明的目的是提出一种介质阻挡放电等离子体发生器的电极制造方法，不仅 能克服手工粘贴电极条方法的缺点，而且能够提高电极条与基体材料的结合强度，防止脱 落，延长使用寿命。本发明的技术方案是介质阻挡放电等离子体发生器的电极制造方法，其特征在 于，利用离子注入及沉积设备在绝缘介质材料上沉积金属电极，制造的步骤如下
1、清洗绝缘介质材料将介质材料放入水中，用超声波清洗80 120min后，用电 吹风吹干，除去表面油污及灰尘，然后用纱布沾丙酮擦拭绝缘介质材料并吹干；2、粘贴掩膜胶带采用耐高温玻璃纤维绝缘胶带加工出带有电极形状的掩膜，然 后将掩膜粘贴到绝缘介质材料表面；3、安装离子注入及沉积设备的溅射靶将高纯金属制造的溅射靶安装到离子注入 辅助沉积设备中；4、安装绝缘介质材料将绝缘介质材料放至离子注入辅助沉积设备真空室的载物 台上，调整绝缘介质材料的位置，使离子注入辅助沉积设备溅射靶的轴线垂直穿过绝缘介 质材料的中心；5、安装加速栅加速栅是矩形的平面金属丝网，网孔面积为Imm2 4mm2，加速栅的 面积大于绝缘介质材料的面积；加速栅的四角分别连接直角折弯的金属连接杆，连接杆水 平段的端头与加速栅焊接为整体，连接杆垂直段的下端通过螺或者用金属丝捆绑固定在载 物台的连接件上，连接件为绝缘材料，将其中一连接杆与偏压电源在真空内的引出端连接， 加速栅网面与绝缘介质材料平行，加速栅网面中心与绝缘介质材料的中心对应，加速栅网 面与绝缘介质材料之间的距离为20mm 40mm ；6、离子注入辅助沉积金属电极条薄膜关闭真空室，抽真空至4X10_3Pa以下，通 入氩气，使真空室气压在6X 10_2Pa 8X 10_2Pa，调节溅射靶与载物台之间的距离至100 130mm，打开磁控溅射靶电源，调整溅射电流为IA 2A，然后对加速栅施加脉冲高压，进行 金属离子注入，脉冲高压幅度为IOkV 30kV，注入时间为20min 40min，然后关闭加速栅 脉冲高压，在加速栅上施加-100V -150V脉冲偏压，调节频率至40 60kHz，占空比25 50%,进行金属电极沉积，溅射靶电流仍为IA 2A，沉积时间为50min 180min，沉积完成 后，真空室的气压保持在6 X 10_2Pa 8 X 10_2Pa，保压至少60min，将介质材料冷却到室温后 取出，将掩膜小心去除，电极条成形。本发明的优点是本发明不仅能够克服手工粘贴电极条方法电极条较厚、发热量 大的缺点，改善发生器的放电效果，而且大大提高了电极条与基体材料的结合强度，防止电 极条脱落，延长了发生器的使用寿命。
具体实施例方式下面对本发明做进一步详细说明。介质阻挡放电等离子体发生器的电极制造方 法，其特征在于，利用离子注入及沉积设备在绝缘介质材料上沉积金属电极，制造的步骤如 下1、清洗绝缘介质材料将介质材料放入水中，用超声波清洗80 120min后，用电 吹风吹干，除去表面油污及灰尘，然后用纱布沾丙酮擦拭绝缘介质材料并吹干；2、粘贴掩膜胶带采用耐高温玻璃纤维绝缘胶带加工出带有电极形状的掩膜，然 后将掩膜粘贴到绝缘介质材料表面；3、安装离子注入及沉积设备的溅射靶将高纯金属制造的溅射靶安装到离子注入 辅助沉积设备中；4、安装绝缘介质材料将绝缘介质材料放至离子注入辅助沉积设备真空室的载物 台上，调整绝缘介质材料的位置，使离子注入辅助沉积设备溅射靶的轴线垂直穿过绝缘介质材料的中心；5、安装加速栅加速栅是矩形的平面金属丝网，网孔面积为Imm2 4mm2，加速栅的 面积大于绝缘介质材料的面积；加速栅的四角分别连接直角折弯的金属连接杆，连接杆水 平段的端头与加速栅焊接为整体，连接杆垂直段的下端通过螺或者用金属丝捆绑固定在载 物台的连接件上，连接件为绝缘材料，将其中一连接杆与偏压电源在真空内的引出端连接， 加速栅网面与绝缘介质材料平行，加速栅网面中心与绝缘介质材料的中心对应，加速栅网 面与绝缘介质材料之间的距离为20mm 40mm ；6、离子注入辅助沉积金属电极条薄膜关闭真空室，抽真空至4X10_3Pa以下，通 入氩气，使真空室气压在6X 10_2Pa 8X 10_2Pa，调节溅射靶与载物台之间的距离至100 130mm，打开磁控溅射靶电源，调整溅射电流为IA 2A，然后对加速栅施加脉冲高压，进行 金属离子注入，脉冲高压幅度为IOkV 30kV，注入时间为20min 40min，然后关闭加速栅 脉冲高压，在加速栅上施加-100V -150V脉冲偏压，调节频率至40 60kHz，占空比25 50%,进行金属电极沉积，溅射靶电流仍为IA 2A，沉积时间为50min 180min，沉积完成 后，真空室的气压保持在6 X 10_2Pa 8 X 10_2Pa，保压至少60min，将介质材料冷却到室温后 取出，将掩膜小心去除，电极条成形。本发明的工作原理是采用离子注入与沉积法在介质材料上沉积金属可以避免胶 粘法中有机胶在放电过程中的不良影响，但是，在等离子体发生器中的介质材料是绝缘的， 不能对其施加偏压，因此沉积时到达介质材料上的金属带电粒子及基团能量小，不能与介 质材料形成牢固结合。在放有介质材料的载物台上方引入网状加速栅，在加速栅上施加偏 压，带电粒子及基团在栅极处被加速，能以较高的速度到达基体材料，提高了沉积到介质绝 缘材料上的带电粒子及基团的能量，另外在沉积前采用离子注入技术打底，将金属离子牢 牢钉扎在绝缘材料上，可以进一步提高金属电极条与绝缘材料的附着力，增加发生器的使 用寿命。实施例1 (厚度为2mm的聚四氟上沉积铜电极条，电极条间距IOmm,宽度2mm，电 极条厚度4 μ m)1、清洗聚四氟板将聚四氟板放入水中，用超声波清洗80 120min后，用电吹风吹干，除去表面油 污及灰尘，然后用纱布沾丙酮擦拭绝缘介质材料并吹干；2、粘贴掩膜胶带将掩膜胶带加工成间距为10mm，宽度为2mm的条形槽，将掩膜胶 带粘贴到清洗后的聚四氟材料表面，然后将带掩膜的聚四氟材料放入真空室；3、安装离子注入及沉积设备的溅射靶将高纯Cu制造的溅射靶安装到离子注入 辅助沉积设备中；4、安装聚四氟材料将带有掩膜的聚四氟材料放至离子注入辅助沉积设备真空室 的载物台上，调整聚四氟材料的位置，使离子注入辅助沉积设备溅射靶的轴线垂直穿过聚 四氟板的中心；5、安装加速栅加速栅是矩形的平面金属丝网，网孔面积为1mm2，加速栅的面积大 于聚四氟板的面积；加速栅的四角分别连接直角折弯的金属连接杆，连接杆水平段的端头 与加速栅焊接为整体，连接杆垂直段的下端通过螺或者用金属丝捆绑固定在载物台的连接 件上，连接件为绝缘材料，将其中一连接杆与偏压电源在真空内的引出端连接，加速栅网面与聚四氟板平行，加速栅网面中心与聚四氟板的中心对应，加速栅网面与聚四氟板之间的 距离为30mm ；6、离子注入辅助沉积铜电极条薄膜关闭真空室，抽真空至4X ICT3Pa以下，通入 氩气，使真空室气压在6X10_2Pa，调节溅射靶与载物台之间的距离为120mm，打开磁控溅射 靶电源，调整溅射电流为1. 5A，然后对加速栅施加脉冲高压，进行金属离子注入，脉冲高压 幅度为15kV，注入时间为20min，然后关闭加速栅脉冲高压，在加速栅上施加-150V脉冲偏 压，调节频率至40kHz，占空比30%，进行金属电极沉积，溅射靶电流仍为1. 5A，沉积时间为 60min，沉积完成后，真空室的气压保持在6X 10_2Pa，保压至少60min，将聚四氟板冷却到室 温后取出，将掩膜小心去除，电极条成形。实施例2 (厚度为2mm的聚四氟上沉积Al电极条，电极条间距14mm，宽度3mm，电 极条厚度8 μ m)1、清洗聚四氟板将聚四氟板放入水中，用超声波清洗80 120min后，用电吹风吹干，除去表面油 污及灰尘，然后用纱布沾丙酮擦拭聚四氟板并吹干；2、粘贴掩膜胶带将掩膜胶带加工成间距为14mm，宽度为3mm的条形槽，将掩膜胶 带粘贴到清洗后的聚四氟板表面，然后将带掩膜的聚四氟材料放入真空室；3、安装离子注入及沉积设备的溅射靶将高纯Al制造的溅射靶安装到离子注入 辅助沉积设备中；4、安装聚四氟板将带有掩膜的聚四氟板放至离子注入辅助沉积设备真空室的载 物台上，调整聚四氟板的位置，使离子注入辅助沉积设备溅射靶的轴线垂直穿过聚四氟板 的中心；5、安装加速栅加速栅是矩形的平面金属丝网，网孔面积为1mm2，加速栅的面积大 于聚四氟板的面积；加速栅的四角分别连接直角折弯的金属连接杆，连接杆水平段的端头 与加速栅焊接为整体，连接杆垂直段的下端通过螺栓或者用金属丝捆绑固定在载物台的连 接件上，连接件为绝缘材料，将其中一连接杆与偏压电源在真空内的引出端连接，加速栅网 面与聚四氟板平行，加速栅网面中心与聚四氟板的中心对应，加速栅网面与聚四氟板之间 的距离为30mm ；6、离子注入辅助沉积铝电极条薄膜关闭真空室，抽真空至4X10_3Pa以下，通入 氩气，使真空室气压在6X10_2Pa，调节溅射靶与载物台之间的距离至120mm，打开磁控溅 射靶电源，调整溅射电流为2A，然后对加速栅施加脉冲高压，进行金属离子注入，脉冲高压 幅度为20kV，注入时间为20min，然后关闭加速栅脉冲高压，在加速栅上施加-150V脉冲偏 压，调节频率至40kHz，占空比30%，进行金属电极沉积，溅射靶电流仍为2A，沉积时间为 90min，沉积完成后，真空室的气压保持在6X 10_2Pa，保压至少60min，将介质材料冷却到室 温后取出，将掩膜小心去除，电极条成形。实施例3 (厚度为Imm的聚酰亚胺上沉积铜电极条，电极条间距10mm，宽度1mm， 电极条厚度6 μ m)1、清洗聚酰亚胺绝缘材料将聚酰亚胺绝缘材料放入水中，用超声波清洗80 120min后，用电吹风吹干，除 去表面油污及灰尘，然后用纱布沾丙酮擦拭聚酰亚胺绝缘材料并吹干；
2、粘贴掩膜胶带将掩膜胶带加工成间距为10mm，宽度为Imm的条形槽，将掩膜 胶带粘贴到清洗后的聚酰亚胺绝缘材料表面，然后将带掩膜的聚酰亚胺绝缘材料放入真空 室；3、安装离子注入及沉积设备的溅射靶将高纯Al制造的溅射靶安装到离子注入 辅助沉积设备中；4、安装聚酰亚胺绝缘材料将带有掩膜的聚酰亚胺绝缘材料放至离子注入辅助沉 积设备真空室的载物台上，调整聚酰亚胺绝缘材料的位置，使离子注入辅助沉积设备溅射 靶的轴线垂直穿过聚酰亚胺绝缘材料的中心；5、安装加速栅加速栅是矩形的平面金属丝网，网孔面积为1mm2，加速栅的面积大 于聚酰亚胺绝缘材料的面积；加速栅的四角分别连接直角折弯的金属连接杆，连接杆水平 段的端头与加速栅焊接为整体，连接杆垂直段的下端通过螺栓或者用金属丝捆绑固定在载 物台的连接件上，连接件为绝缘材料，将其中一连接杆与偏压电源在真空内的引出端连接， 加速栅网面与聚酰亚胺绝缘材料平行，加速栅网面中心与聚酰亚胺绝缘材料的中心对应， 加速栅网面与聚酰亚胺绝缘材料之间的距离为25mm ；6、离子注入辅助沉积铜电极条薄膜关闭真空室，抽真空至4X ICT3Pa以下，通入 氩气，使真空室气压在6X10_2Pa，调节溅射靶与载物台之间的距离至120mm，打开磁控溅射 靶电源，调整溅射电流为1. 7A，然后对加速栅施加脉冲高压，进行金属离子注入，脉冲高压 幅度为10kV，注入时间为20min，然后关闭加速栅脉冲高压，在加速栅上施加-100V脉冲偏 压，调节频率至40kHz，占空比30%，进行金属电极沉积，溅射靶电流仍为1. 7A，沉积时间为 90min，沉积完成后，真空室的气压保持在6X 10_2Pa，保压至少60min，将介质材料冷却到室 温后取出，将掩膜小心去除，电极条成形。
权利要求
介质阻挡放电等离子体发生器的电极制造方法，其特征在于，利用离子注入及沉积设备在绝缘介质材料上沉积金属电极，制造的步骤如下1.1、清洗绝缘介质材料将介质材料放入水中，用超声波清洗80～120min后，用电吹风吹干，除去表面油污及灰尘，然后用纱布沾丙酮擦拭绝缘介质材料并吹干；1.2、粘贴掩膜胶带采用耐高温玻璃纤维绝缘胶带加工出带有电极形状的掩膜，然后将掩膜粘贴到绝缘介质材料表面；1.3、安装离子注入及沉积设备的溅射靶将高纯金属制造的溅射靶安装到离子注入辅助沉积设备中；1.4、安装绝缘介质材料将绝缘介质材料放至离子注入辅助沉积设备真空室的载物台上，调整绝缘介质材料的位置，使离子注入辅助沉积设备溅射靶的轴线垂直穿过绝缘介质材料的中心；1.5、安装加速栅加速栅是矩形的平面金属丝网，网孔面积为1mm2～4mm2，加速栅的面积大于绝缘介质材料的面积；加速栅的四角分别连接直角折弯的金属连接杆，连接杆水平段的端头与加速栅焊接为整体，连接杆垂直段的下端通过螺或者用金属丝捆绑固定在载物台的连接件上，连接件为绝缘材料，将其中一连接杆与偏压电源在真空内的引出端连接，加速栅网面与绝缘介质材料平行，加速栅网面中心与绝缘介质材料的中心对应，加速栅网面与绝缘介质材料之间的距离为20mm～40mm；1.6、离子注入辅助沉积金属电极条薄膜关闭真空室，抽真空至4×10 3Pa以下，通入氩气，使真空室气压在6×10 2Pa～8×10 2Pa，调节溅射靶与载物台之间的距离至100～130mm，打开磁控溅射靶电源，调整溅射电流为1A～2A，然后对加速栅施加脉冲高压，进行金属离子注入，脉冲高压幅度为10kV～30kV，注入时间为20min～40min，然后关闭加速栅脉冲高压，在加速栅上施加 100V～ 150V脉冲偏压，调节频率至40～60kHz，占空比25～50％，进行金属电极沉积，溅射靶电流仍为1A～2A，沉积时间为50min～180min，沉积完成后，真空室的气压保持在6×10 2Pa～8×10 2Pa，保压至少60min，将介质材料冷却到室温后取出，将掩膜小心去除，电极条成形。
全文摘要
本发明属于等离子体技术领域，涉及对介质阻挡放电等离子体发生器的电极制造方法的改进。其特征在于，利用离子注入及沉积设备在绝缘介质材料上沉积金属电极，制造的步骤如下清洗绝缘介质材料；粘贴掩膜胶带；安装离子注入及沉积设备的溅射靶；安装加速栅；离子注入辅助沉积金属电极条薄膜。本发明不仅能够克服手工粘贴电极条方法电极条较厚、发热量大的缺点，改善发生器的放电效果，而且大大提高了电极条与基体材料的结合强度，防止电极条脱落，延长了发生器的使用寿命。
文档编号C23C14/34GK101935820SQ20101029946
公开日2011年1月5日 申请日期2010年10月8日 优先权日2010年10月8日
发明者孙刚, 武洪臣, 王剑锋, 马国佳, 马贺 申请人:中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所