Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Atmosphärendruck-Plasmas. Eine solche Vorrichtung ist aus der EP 0761415 A1 bereits bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung wird durch eine Plasmaentladung und ein Arbeitsgas ein gebündelter Strahl eines reaktiven Mediums erzeugt.

Die elektrische Entladung findet in Form einer Bogenentladung statt, die mit Hilfe einer Hochfrequenz-Wechselspannung betrieben wird. Dabei erstreckt sich ein Lichtbogen direkt zwischen den beiden Elektroden der Vorrichtung: Einer in einem Düsenrohr angeordneten zentrischen Stiftelektrode einerseits und der als Gegenelektrode wirkenden Mündung des Düsenrohrs andererseits.

Diese bekannte Vorrichtung weist eine Reihe von Nachteilen auf. Zunächst einmal wird eine hohe Zündspannung von mehreren kV benötigt; die Betriebsspannung bewegt sich ebenfalls im kV-Bereich. Die in der Folge entstehende Bogenentladung - ein direkter Lichtbogen also - führt zu einer hohen Wärmeentwicklung und einem Absputtern der Elektroden. Weitere Nachteile sind die hohen Kosten und die Baugröße dieser Vorrichtung.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Atmosphärendruck-Plasmas anzugeben, die diese Nachteile nicht aufweist und insbesondere auch mit Niederspannung betrieben werden kann.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Atmosphärendruck-Plasmas mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches gelöst. Die jeweiligen Unteransprüche betreffen besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung. Die allgemeine Idee der Erfindung besteht darin, zur Erzeugung des Plasmas ein Piezoelement mit Primär-und Sekundärbereich zu verwenden. Dabei erfolgt die Ansteuerung des Primärbereichs des Piezoelementes mit Niederspannung und Hochfrequenz. In der Folge wird das Plasma durch die Feldüberhöhung auf der Fläche des Sekundärbereichs des Piezoelements gezündet. Erfindungsgemäß erfolgt die Plasmaführung durch Gegenelektrode und eine Gasströmung. Durch die Gasströmung tritt das Plasma aus der Vorrichtung aus.

Ein Piezoelement zur Erzeugung eines Plasmas ist bereits aus der Veröffentlichung Teranishi, Suzuki, Itoh: A novel generation method of dielectric barrier discharge and ozone production using a piezoelectric transformer, Japanese Journal of Applied Physics, 2004, S. 6733 - 6739, bekannt.

Bei beiden Veröffentlichungen dient das Piezoelement dazu, eine Plasmaentladung an der Oberfläche des Sekundärbereiches zu erzeugen. Bei der Erfindung hingegen ist eine Gegenelektrode vorgesehen; damit wird erfindungsgemäß eine Bogenentladung erzeugt und gerade nicht, wie nach dem Stand der Technik, ein flächiges Plasma auf der Oberfläche des Sekundärbereichs des Piezoelementes.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist im Gegensatz zur eingangs genannten EP 0761415 A1 die Kathode nicht als passives Element ausgelegt, sondern transformiert aktiv eine angelegte Niederspannung in eine Hochspannung.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Reihe von Vorteilen gegenüber den bekannten Lösungen auf. Zunächst einmal benötigt sie eine nur niedrige Betriebsspannung im Bereich von vorzugsweise 5...230 V. Ferner ist sie durch eine niedrige Plasmatemperatur gekennzeichnet; ein Absputtern und ein Abbrand der Kathode sind damit nahezu ausgeschlossen. Schließlich ist die erfindungsgemäße Vorrichtung preisgünstig herstellbar, da keine Hochspannungsquelle mehr erforderlich ist und weist zudem eine nur geringe Baugröße auf.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und ihre wichtigen Bestandteile sollen nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:

Figur 1a) bis 1d)

verschiedene Ausführungsformen eines Piezoelementes.

Figur 2

eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung

Figur 3

eine zweite erfindungsgemäße Vorrichtung

Figur 4

eine dritte erfindungsgemäße Vorrichtung mit kaskadierender Mehrfachanordnung

Figur 5a) und 5b)

Detaildarstellung der in Figur 4 gezeigten Ausführungsform.

In Figur 1a) und 1b) ist ein stabförmiges Piezoelement 1 mit einer Kontaktelektrode 2 und einer weiteren Kontaktelektrode 4 auf der Rückseite des Primärbereichs und einem daran anschließenden Sekundärbereich 3 gezeigt.

In Figur 1c) und 1d) ist ein rohrförmiges Piezoelement 5 mit einer Innenelektrode 6 und einer Außenelektrode 7 im Primärbereich sowie einem Sekundärbereich 8 gezeigt.

Figur 2 zeigt eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung 10. Das als Kathode wirkende Piezoelement weist an seiner Primärseite, wie bereits beschrieben, eine Kontaktelektrode 11 und auf der Rückseite, der abgewandten Seite also, eine weitere Kontaktelektrode 12 auf, die in dieser Darstellung nicht zu sehen ist. Ebenfalls dargestellt ist der Sekundärbereich 13 des Piezoelementes, in dem sich auf an sich bekannte Weise eine Flächenentladung bildet. Dazu wird das Piezoelement über die Kontaktelektroden 11, 12 mit einer Niederspannungsquelle 22 verbunden. Diese Niederspannungsquelle 22 liefert eine hochfrequente Niederspannung im Bereich von vorzugsweise 5...200 V. Durch die angelegte Niederspannung im Primärbereich des Piezoelementes wird in dessen Sekundärbereich 13 eine Hochspannung erzeugt; in der Folge bildet sich die beschriebene Flächenentladung auf der Oberfläche der Sekundärseite 13. Weiterhin gezeigt ist die sich ergebende Plasmaentladung 14. Zwischen dem Sekundärbereich 13, der als Elektrode wirkt, und der Gegenelektrode 15, die auf Erdpotential 19 liegt, bildet sich eine Bogenentladung aus. Weiterhin besitzt die Vorrichtung eine Austrittsdüse 16 mit einer Austrittsöffnung 17, durch die der Plasmaaustritt 18 erfolgt. An der entgegengesetzten Seite des Plasmaaustritts 18 befindet sich eine Zuführung 24 für das Arbeitsgas, dabei ist die Gasströmung 25 durch den Pfeil angedeutet. Ebenfalls dargestellt ist die Zuleitung 23 von der Niederspannungsquelle 22 zum Piezoelement.

Durch den Gasstrom 25, der über die Zuführung 24 in die Vorrichtung geleitet wird, wird das Plasmagas, das in der Plasmaentladung 14 in Form einer Bogenentladung entsteht, aus der Austrittsdüse 16 in Form eines strahlförmigen Plasmaaustritts 18 ausgeblasen. Die plasmaerzeugende Vorrichtung wird umschlossen von einem Gehäuse 20 mit einer isolierenden Gehäusewand 21.

In Figur 3 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. Dabei ist ein Plasmaerzeuger 10 mit einem rohrförmigen Piezoelement 30 als Kathode zur Erzeugung einer Plasmaentladung 34 vorgesehen. Wie bereits beschrieben, besitzt das Piezoelement einen Sekundärbereich 32, an dessen rohrförmiger Innenfläche die Plasmaentladung entsteht. Ferner dargestellt ist eine Gegenelektrode 33. Auch bei dieser Ausführungsform bildet sich also eine Bogenentladung aus, die in Form eines Plasmastrahls 35 mit der Gasströmung ausgeblasen wird.

Figur 4 zeigt eine kaskadierende (Mehrfach-)Anordnung 40 von mehreren Plasmaerzeugern 41 mit Piezoelement als Kathoden-Elektrode. Die einzelnen Plasmaerzeuger 41 werden über eine zentrale Gaszuführung 44 mit einem Arbeitsgas angeströmt. Durch die Düsen tritt ein Plasmastrahl 43 aus, wobei die Elemente besonders vorteilhaft derart angeordnet sind, dass sich auf einem zu behandelnden Substrat 42 eine gleichmäßige Plasmaverteilung 45 ergibt.

Figur 5a) zeigt eine Aufsicht auf eine solche kaskadierende Anordnung von Plasmaerzeugern 50 mit Piezoelementen. Die einzelnen Plasmaerzeuger, dies sind mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen, sind dabei nebeneinander und hintereinander angeordnet, um eine möglichst vollflächige Plasmabehandlung zu ermöglichen.

Figur 5b) zeigt eine Seitenansicht einer weiteren kaskadierenden Anordnung von Plasmaerzeugern mit Piezoelementen 51.

Aus diesen Beispielen ist ersichtlich, dass bei der Erfindung das Plasma durch eine Bogenentladung zwischen zwei Elektroden, d. h. eine Funkenstrecke gebildet wird. Dabei bildet der Sekundärbereich der Piezokeramik jeweils die eine Elektrode; nämlich die Kathode, die Gegenelektrode liegt jeweils auf Erdpotential. Bei der Erfindung ist also die Kathode nicht, wie aus dem Stand der Technik bekannt, als passives Element ausgebildet, etwa als stabförmige, metallische Elektrode im Zentrum eines Rohres, sondern stellt ein aktives Element dar, in dem eine (am Primärbereich angelegte) Niederspannung in eine Hochspannung (im Sekundärbereich) transformiert wird.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es erstmals gelungen, die Vorteile einer Bogenentladung und in der Folge eines ausgeblasenen Plasmastrahls mit den Vorteilen eines Piezoelementes mit Primär- und Sekundärbereich zu verbinden.