用于产生非热的大气压等离子体的设备和用于压电变压器的频率调节的方法与流程

本发明涉及一种用于产生非热的大气压等离子体的设备以及一种用于压电变压器的频率调节的方法。

背景技术：

压电变压器、尤其rosen型压电变压器可以被用于产生等离子体。在等离子体生成中，当以与变压器的串联谐振频率一致的频率来操控压电变压器时，实现了最大的效率。然而，串联谐振频率不是恒定的，而是取决于不同的参数。如果在变压器的输出侧的端侧上点燃等离子体，则该等离子体作为负荷与变压器共同起作用并且在此影响变压器的阻抗。由此导致串联谐振相对于变压器在空转时的运行的偏移，在所述空转中，所施加的电压不足以点燃等离子体。工作环境、例如所使用的过程气体或者变压器的温度也影响串联谐振频率。

此外，施加在变压器上的输入电压也可能影响串联谐振频率。因此，为了找到导致最大的输出电压的相应的串联谐振频率，需要构件的信息。

因为压电变压器被设计用于点燃等离子体，所以不能在变压器的输出侧上截取电压，以便以此方式造成输出电压的最大化。在此，电压或者可能会借助于施加到输出侧上的刚性的焊接连接或者可能会借助于压紧到输出侧上的能导电的橡胶来截取。输出电压的截取会抑制变压器的振荡并且因此降低高压。还会导致在进行截取的导线上的等离子体点燃的危险。

de102013103159a1提出，使用被施加到压电变压器上的输入信号从而调节压电变压器并且以此方式找到最优的工作频率。在此，需要分析输入信号的相位信息。这样的解决方案包含着不小的电路技术花费。此外，这样的解决方案仅适合于正弦形的输入信号。

技术实现要素：

因此，本发明的任务在于，提供一种用于产生非热的大气压等离子体的改进的设备。本发明的另一任务是说明一种用于压电变压器的频率调节的改进的方法。

这些任务通过独立权利要求的主题来解决。

提出一种用于产生非热的大气压等离子体的设备，所述设备具有压电变压器、操控电路和场探头。操控电路被设计为：将具有操控频率的交变电压作为输入电压施加到压电变压器上。场探头被设计为：测量由压电变压器产生的电场的场强。操控电路被设计为：在考虑场探头的测量结果的情况下使操控频率适配，使得场强最大化。

由压电变压器产生的电场的场强的最大化与在压电变压器的输出区域产生的电压的最大化是同义的。

所述设备使用高的电场强，所述高的电场强在压电变压器的输出区域的环境下产生。可以对该场强进行测定，而在此变压器的工作没有受到在变压器的输出区域对功率的截取影响。尤其是，可以对该场强进行测定，而没有因此抑制压电变压器的振荡。

由场探头所测量的信号可以与在压电变压器的输出区域中产生的电压成比例。因此，可以省去费事的输入侧的阻抗测量和/或相位测量。由此可以简化用于变压器的频率调节的电路。

此外，可以与输入电压的信号形状无关地应用借助于电场强的测量来进行的频率适配。例如并不需要输入电压是正弦信号。更确切地说，输入电压可以是任何周期性的信号，例如输入电压可以涉及矩形信号或者三角形信号。

场探头可以集成到用于产生非热的大气压等离子体的设备的壳体中。场探头可以紧挨着压电变压器地布置。例如，在压电变压器和场探头之间的间距可以小于5cm。优选地，在压电变压器和场探头之间的间距可以小于1cm。在场探头和压电变压器之间可以留有间隙。

场探头可以由金属面构成，其中，由压电变压器产生的交变电场在金属面内产生交变电压。所述设备可具有测量单元，所述测量单元被设计为：测量该电压并且据此反推出场强。

压电变压器可具有输入区域，输入电压能施加到所述输入区域上。压电变压器可具有输出区域，当输入电压施加在输入区域上时，在所述输出区域中产生高压，其中，通过高压来点燃等离子体。尤其是，变压器可以是rosen型压电变压器。变压器可以被过程气体包围。在等离子体点燃时，通过所产生的高压可以导致过程气体的分子或者原子的激励或者离子化。此外，由过程气体的成分可形成基团。在环境空气作为过程气体的情况下，尤其在等离子体中产生羟基、氮氧化物和臭氧。

场探头可以邻近压电变压器的输出区域地布置。例如，在场探头和输出区域之间的间距可以在0.1mm与1cm之间。在场探头和输出区域之间布置间隙。该间隙可以用过程气体填充。由于场探头邻近输出区域地布置，可以确保：由场探头测量的电场具有与压电变压器的输出电压成比例的场强。如果场探头邻近输出区域地布置，则可以确保：由压电变压器产生的电场对于在该位置上的电场强来说起主导性作用并且可能的其它电场可以被忽略，所述可能的其它电场可能会作为干扰作用影响由场探头对场强的测量。

场探头可以与测量单元连接，所述测量单元被设计为：确定电场强的峰值和/或电场强的平均值。操控电路可具有调节器，所述调节器被设计为：根据所确定的峰值和/或所确定的平均值来改变操控频率。测量单元和操控电路可以构造在唯一的电路板上。测量单元和操控电路可以由唯一的微芯片形成。

场探头可集成到电路板中。电路板可具有不导电的载体材料。电路板的不导电的材料可导致在场探头和压电变压器之间的绝缘。与之相应地，可以避免在变压器和场探头之间的等离子体点燃。场探头或者可以布置在电路板的从压电变压器离开地指向的下侧上，或者可以布置在多层电路板的内层中。

电路板可以具有金属涂层，所述金属涂层布置在电路板的从压电变压器离开地指向的一侧。金属涂层可以是铜涂层。金属涂层可以构成探测面。通过由压电变压器产生的交变电场，可以在探测面内感应出电压。探测面可以与测量单元连接，其中，测量单元被设计为：测定在探测面内感应出的电压。金属涂层还可以构成接地面，该接地面与参考电势连接、尤其是接地。

电路板可以是多层的，其中，场探头可以由电路板的内层构成。在此，布置在不导电的载体材料的两个层之间的层可以被称作内层。通过场探头由内层的构造，可以实现测量的特别高的位置分辨率。

交变电压可具有三角形信号或者矩形信号。这种类型的信号可以特别简单地产生并且与之相应地能够使用简单的驱动器来进行操控。因为在确定压电变压器的最优的工作频率时不必动用相位信息，所以交变电压可以是任何任意的周期性的信号。尤其是不一定需要交变电压是正弦信号。

操控电路可以被设计为：在接通所述设备时在考虑场探头的测量结果的情况下使操控频率适配为使得场强最大化。操控电路还可以被设计为：在所述设备正在运行时以所规定的时间间隔在考虑场探头的测量结果的情况下进行操控频率的校正，其中，操控频率重新被适配，使得场强最大化。

在正在运行期间，工作条件可能发生变化，由此，使压电变压器的串联谐振频率偏移并且借此使其最优的工作频率偏移。例如在变压器附近的温度变化或者负荷可能导致这一点。通过在正在运行时以周期性的时间间隔地重复对操控频率的适配，可以确保：操控频率总是被适配到最优的工作频率。

所述设备可用于产生受激的分子、离子或者基团。所述设备可用于产生羟基和/或氮氧化物和/或臭氧。

根据另一方面，本发明涉及一种用于压电变压器的频率调节的方法。该压电变压器可以是上文所描述的变压器。与之相应地，与该变压器相关联地公开的任何功能性或者结构性特征也可以适用于该方法。反过来，与该方法相关联地公开的任何特征也可以适用于该变压器。

该方法包括以下步骤：

-将交变电压以初始操控频率f0施加到压电变压器上，

-逐步地改变操控频率，其中，分别由场探头确定由压电变压器产生的电场的场强，

-确定其中出现最大场强的操控频率，

-以所确定的出现最大场强的操控频率来运行压电变压器。

所述方法的优点是调节算法的惯性小，该调节算法调节用来运行变压器的频率。如果作为替代将线圈电流用作调节量，则调节算法的惯性会变得大得多。

在此，可以以在这里所说明的顺序来执行这些步骤。

因此，所述方法可以实现，总是将压电变压器的频率调节到其串联谐振频率上并且因此调节到其最优的工作频率上。如上文已经讨论的那样，所述方法能够实现：与操控信号的信号形状无关地进行对操控频率的调节。可以执行所述方法而在此不抑制压电变压器的振荡。此外，可以用相当简单地构型的操控电路来执行所述方法。

对其中出现最大场强的操控频率的确定可以在所述设备正在运行时以固定的时间间隔重复。以此方式，可以考虑所述设备的工作条件的变化，而且操控频率总是可以被调到最优的值。

在逐步地改变操控频率的情况下，操控频率可以从初始操控频率f0出发逐步地被提高或者减小步幅δf1，直到出现其中对于步幅δf1来说出现最大场强的操控频率，其中，紧接着从该操控频率出发，操控频率逐步地被提高或者减小步幅δf2，直到出现其中对于步幅δf2来说出现最大场强的操控频率，其中，δf2小于δf1。与之相应地，可以首先以大的步幅并且然后以变得越来越小的步幅来执行步幅适配。通过首先使用大的步幅并且稍后使用变得越来越小的步幅可以快速地找到最优的操控频率。

用上文所描述的方法来调节其频率的压电变压器可用于产生非热的大气压等离子体。

等离子体可以被用于产生受激的分子、离子或者基团。等离子体可以被用于产生羟基和/或氮氧化物和/或臭氧。

场探头可以被嵌入到抗击穿的绝缘体中。在此，抗击穿的绝缘体尤其可以被设计为：防止在变压器和场探头之间的击穿。场探头嵌入到其中的抗击穿的绝缘体可以与压电变压器材料配合地连接。材料配合的连接例如可以是胶粘连接。通过材料配合的连接可以实现：将场探头紧挨着压电变压器地布置。以此方式可以特别准确地测定由变压器产生的场。

附图说明

在下文，本发明依据附图进一步予以描述。

图1以立体视图示出压电变压器。

图2示出一曲线图，在该曲线图中示出压电变压器的阻抗变化曲线和其输出电压的变化曲线。

图3示意性地示出用于产生非热的大气压等离子体的设备。

图4示出场探头。

图5以横截面示出场探头被集成到其中的电路板。

图6示出在图5中所示出的电路板的下侧。

图7示出等效电路图。

具体实施方式

图1以立体视图示出压电变压器1。压电变压器1尤其可以被用在用于产生非热的大气压等离子体的等离子体发生器中。

压电变压器1是谐振变压器的结构型式，所述谐振变压器基于压电现象并且不同于常规的磁性变压器地是机电系统。压电变压器1例如为rosen型压电变压器。

压电变压器1具有输入区域和输出区域3，其中，输出区域3在纵向z上邻接输入区域2。在输入区域2中，压电变压器1具有电极4，交变电压可以施加到所述电极上。电极4在压电变压器1的纵向z上延伸。电极4在垂直于纵向z的堆叠方向x上与压电材料5交替地堆叠。在此，压电材料5沿堆叠方向x极化。

电极4布置在压电变压器1内部并且也被称作内电极。压电变压器1具有第一侧面6和与第一侧面6对置的第二侧面7。在第一侧面6上布置有第一外电极8。在第二侧面7上布置有第二外电极（未示出）。位于内部的电极4在堆叠方向x上交替地或者与第一外电极8电接触或者与第二外电极电接触。

输入区域2可以用小的交变电压来操控，所述交变电压被施加在电极4之间。由于压电效应，在输入侧施加的交变电压首先被转换成机械振动。在此，机械振动的频率基本上取决于压电变压器1的几何形状和机械结构。

输出区域3具有压电材料9并且没有位于内部的电极。在输出区域3中的压电材料9沿纵向z极化。输出区域3的压电材料9可以是与输入区域2的压电材料5相同的材料，其中，压电材料5和9可以在其极化方向上有分别。在输出区域3中，压电材料9成型为唯一单层，该单层沿纵向z完全极化。在此，压电材料9在输出区域3中具有仅仅一个唯一的极化方向。

如果将交变电压施加在输入区域2中的电极4上，则在压电材料5，9之内构造出机械波，所述机械波通过压电效应而在输出区域3中产生输出电压。输出区域3具有输出侧的端侧10。因此，在输出区域3中，在端侧10和输入区域2的电极4的端部之间产生电压。在此，在输出侧的端侧10上产生高压。在此，在输出侧的端侧和压电变压器的周围环境之间也形成高电势差，该高电势差足够用于产生强的电场，该电场使过程气体离子化。

以此方式，压电变压器1产生高的电场，该高的电场能通过电激励使气体或者液体离子化。在此，相应的气体或相应的液体的原子或者分子被离子化并且形成等离子体。每当在压电变压器1的表面上的电场强超过等离子体的点燃场强时，发生离子化。在此，对于原子或者分子的离子化来说所需的场强被称作等离子体的点燃场强。

图2示出一曲线图，在该曲线图中示出压电变压器1的阻抗变化曲线和电压变化曲线。曲线zin(log)以对数尺度绘制地示出压电变压器1的输入阻抗基于所施加的输入电压的频率的变化曲线。曲线zin(log)在压电变压器1的串联谐振频率处达到最小值。此外，曲线zin（log）在压电变压器1的并联谐振频率处达到最大值。

此外，在图2中示出曲线vout(lin)，该曲线vout(lin)说明了在压电变压器1的输出侧的端侧10上产生的输出电压基于所施加的输入电压的频率的变化曲线。输出电压在压电变压器1的串联谐振频率处达到其最大值。与之相应地，当被施加到压电变压器1上的输入电压的频率与压电变压器1的串联谐振频率一致时，达到在等离子体产生时的最高的效率。

然而，串联谐振频率绝对不是恒定的，而更确切地说取决于很多的参数。尤其是，通过由压电变压器1点燃的等离子体可以形成负荷，该负荷影响变压器1的阻抗并且与之相应地可能导致变压器1的串联谐振频率的改变。此外，串联谐振频率也取决于使用压电变压器1的工作环境。例如，所使用的过程气体和压电变压器1的温度可以影响串联谐振频率。

图3示出用于产生非热的大气压等离子体的设备的示意性的示图，所述设备具有压电变压器1。所述设备还具有操控电路11，所述操控电路设计为：将具有操控频率的交变电压作为输入电压施加到压电变压器1上。从现在起，本发明的目标是能够实现：始终使操控频率适配为使得压电变压器1在其当前的串联谐振频率下运行。操控电路11具有驱动器12和调节器13。驱动器12被设计为：将输入电压施加到压电变压器1上。驱动器12与压电变压器1的外电极8，14连接。调节器13被设计为：对驱动器12进行操控并且在此尤其是规定输入电压的操控频率。

所述设备还具有场探头15，所述场探头被设计为：测量由压电变压器1产生的电场的场强。场探头15紧挨着压电变压器1的输出区域3地布置。场探头15提供与输出电压成比例的信号。与之相应地，通过由场探头15确定的场强直接可以推断出在压电变压器1的输出侧的端侧10上产生的高压。

通过借助于场探头15对电场强的测量可以实现：总是将操控频率调节到最优的操控频率。在最优的操控频率下，所述设备关于等离子体产生方面的效率最大化。

此外，场探头15与测量单元16连接，所述测量单元被设计为：分析由场探头15检测的信号。在此，测量单元16可以被设计为：确定由场探头15所测量的电场强的峰值和/或该电场强的平均值。测量单元16具有与参考电势连接的电阻17以及与参考电势连接的电容器18。在一个替选的实施方式中，要么可以省去电阻17，要么可以省去电容器18。

此外，测量单元16具有整流器19。由场探头15检测的信号是交变电流信号，所述交变电流信号的频率与被施加到压电变压器1上的输入电压的操控频率一致。整流器19被设计为：对信号进行整流。与之相应地，整流器19被设计为：将由场探头15传送给测量单元16的交变电流信号转换成直流信号。

测量单元16与操控电路11连接。尤其是，测量单元16与操控电路11的调节器13连接。调节器13可以是调节回路，所述调节回路例如构造在微控制器上。调节器13被设计为：规定驱动器12以哪个操控频率来操控压电变压器1。

调节器13可以被设计为：从初始操控频率f0开始逐步地提高操控频率，所述初始操控频率被选择为使得其无论如何都小于压电变压器1的串联谐振频率。在此，对于所选择的每个操控频率fn来说，确定相应的电场强v(fn)。调节器13可以被设计为：将操控频率以固定的步幅δf1逐步地提高。在此，操控频率依次采用值f0、f1=f0+δf1、f2=f1+δf1、f3=f2+δf1等等。调节器13被设计为：提高操控频率，直至已经确定了局部电压最大值vmax,n=max(v(fn)，vmax,n-1)。

如果已经找到了局部电压最大值vmax,n，则可以以减小的步幅δf2来进行对操控频率的进一步的适配。作为用于进一步的适配的初始值，选择初始操控频率fn(max)-1，该初始操控频率接近局部电压最大值的频率fn(max)并且低于该频率。减小的步幅δf2可以例如为步幅δf1的一半大。因此，在进一步的适配时，针对操控频率依次选择值fn(max)-1、f1=fn(max)-1+δf2、f2=f1+δf2、f3=f2+δf2等等。在此，以现在被改进的频率分辨率来重新确定电场强的局部电压最大值。可以重复该原理，直到以所期望的频率分辨率找到最大值为止。

替选地，也可能的是：初始操控频率f0被选择为使得其无论如何都大于压电变压器1的串联谐振频率。在这种情况下，调节器可以进行操控频率的逐步减小并且以相同的方式来确定最优的操控频率。在这种情况下，也可以多次进行逐步的适配，其中，在每个适配周期中将步幅减小。

可以在接通所述设备时首次进行对操控频率的适配。此外，该适配可能会在所述设备正在运行时以均匀的时间间隔重复。由此可以附带考虑：在工作条件改变的情况下也发生变压器1的阻抗的改变并且因此发生串联谐振频率的改变。

场探头15集成在电路板20上。该电路板与压电变压器1的输出区域4平行地布置，其中，在电路板20和压电变压器1之间有间隙21。电路板20可以在纵向z上延伸得超出输出区域3的输出侧的端侧10。在相反的方向上，电路板20可以伸进输入区域2中。

图4示出电路板20的下侧。

电路板20具有由不导电的载体材料22制成的层。不导电的载体材料22例如可以是fr4或者其它绝缘材料。场探头15通过电路板20的从压电变压器1离开地指向的一侧的金属喷镀来构造。由此确保：在变压器1和场探头15之间不发生等离子体点燃，因为电路板20作为绝缘体起作用。布置在场探头15和变压器1之间的间隙21以及电路板20分别作为电容起作用。

金属涂层位于电路板20的背离变压器1的一侧。金属涂层可以是铜涂层。金属涂层被分为接地面23和探测面24。接地面23和探测面24通过绝缘的载体材料的面来隔开。

通过将金属涂层布置在电路板20的从变压器1离开地指向的一侧，可以禁止等离子体朝向金属涂层的点燃。尤其是，电路板20与变压器1有间距地来布置，该间距大得足以防止在电路板20的下侧点燃。

接地面23与参考电势连接，例如与地连接。探测面24与测量单元16连接。接地面23和探测面24通过电阻17相互连接，所述电阻作为分立式器件布置在电路板20的下侧。对于电阻17来说替选地或者补充地，接地面23和探测面24也可以通过电容器来连接。如果由压电变压器1产生电场，则该场在探测面24中感应出电压。测量单元16被设计为：测量感应出的电压。

在变压器1和电路板20的面向变压器1的上侧之间的间隙21形成电容器。此外，电路板20相对于探测面24同样形成电容器。这两个电容器的电容与作为分立式器件布置在电路板20的下侧的电阻17一起形成分压器。通过分压器，探测面24按定义地接地并且在探测面24中感应出的交变电压供测量支配。

图5至7示出场探头15被集成到其中的电路板20的第二实施例。在此，图5示出经过电路板20的横截面。图6以从下方的视图示出电路板20，其中，示出电路板20的内层的金属喷镀并且示出布置在电路板20的下侧的分立式部件。图7示出电路板20的等效电路图。

电路板20是多层的，尤其是四层的。电路板具有不导电的载体材料22的三个层。此外，分立式器件布置在电路板20的下侧。探测面24由在多层电路板20的内层中的金属层构成。在多层电路板20的内层中还布置有第二金属面25，该第二金属面与探测面24通过不导电的载体材料22隔开。在该内层中还布置有接地面23。接地面23与参考电势连接，例如与地连接。探测面24与测量单元16连接。探测面24、第二金属面25和接地面23尤其可以由铜制成。

在多层电路板20的从压电变压器1离开地指向的下侧布置有分立式器件。这些分立式器件是两个二极管26、一个电阻17和一个电容器18。从在图7中所示出的等效电路图得知：探测面24、第二金属面25、接地面23和分立式器件如何相互连接。分立式器件可以形成整流器。与之相应地，整流器19可以集成到电路板20中。替选地或者补充地，分立式器件可以形成滤波电容器。滤波电容器（也称作平滑滤波电容器）是与负荷电阻并联地放置的电容器，该电容器在整流器电路后面减小了经整流的电压的剩余波纹度。

第二实施例能够实现测量的经改进的位置分辨率。

附图标记列表

1压电变压器

2输入区域

3输出区域

4电极

5压电材料

6第一侧面

7第二侧面

8外电极

9压电材料

10输出侧的端侧

11操控电路

12驱动器

13调节器

14外电极

15场探头

16测量单元

17电阻

18电容器

19整流器

20电路板

21间隙

22不导电的载体材料

23接地面

24探测面

25第二金属面

26二极管

x堆叠方向

z纵向。