WYKŁAD 13 Dr hab. inż. Karol Malecha, prof. Uczelni

Transkrypt

1 Mikrosystemy ceramiczne WYKŁAD 13 Dr hab. inż. Karol Malecha, prof. Uczelni

2 Wykład 13 Mikrosystemy ceramiczne Generatory zimnej plazmy - wprowadzenie - generatory z wyładowaniem barierowym - generatory stałoprądowe z ciekłą katodą - dysze plazmowe

3 Wykład 13 Mikrosystemy ceramiczne Generatory zimnej plazmy - wprowadzenie - generatory z wyładowaniem barierowym - generatory stałoprądowe z ciekłą katodą - dysze plazmowe

4 Plazma - przykłady

5 Wprowadzenie Plazma - definicja Plazma jest to zjonizowany gaz, który jest elektrycznie obojętny i wykazuje wspólne zachowania. Warunki: Gdzie: λ D długość Debye a N D parametr plazmy ω pe elektronowa częstość plazmy Τ czas życia plazmy L wymiar plazmy τ czas między zderzeniami

6 Wprowadzenie Plazma - definicja n - n - n - n n - - n -n - n - n - -

7 n - Wprowadzenie Plazma droga Debye a parametr plazmy n - n - n - n - n - n - - n - - λ D e 0 przenikalność elektryczna próżni k stała Boltzmana T temperatura n koncentracja nośników q e ładunek elementarny

8 Wprowadzenie Plazma elektronowa częstość plazmy Pole E -n m e masa spoczynkowa elektronu - -

9 Wprowadzenie Plazma temperatura Temperatura plazmy jest miarą jej energii wewnętrznej, w tym również kinetycznej składowych (jonów T i, elektronów T e, neutralnego tła T n ). Podział ze względu na T T i T e plazma gorąca np. gwiazdy T i < T e plazma zimna np. wyładowanie jarzeniowe

10 Napięcie przebicia (V) Katoda Anoda Wprowadzenie Plazma wyładowanie przebijające w gazie (Prawo Paschena) Wysokoenergetyczna cząstka kosmiczna e - Elektron wtórny e - e - e - e - e - Konwencjonalne generatory plazmy p < 100 Pa p d ciśnienie, p odległość, d e - Źródło napięcia

11 Wprowadzenie Mikroplazma pierwsza mikroplazma 1996 rok, Schoenbach, MHCD wymiary od pojedynczych μm do kilkunastu mm bardzo gęste plazmy (zdominowane przez zderzenia)

12 Wprowadzenie Mikroplazma - klasyfikacja materiały: szkło, ceramika, półprzewodniki, etc. ciśnienie pracy: obniżone, atmosferyczne i wyższe gaz roboczy: gazy szlachetne, powietrze, mieszaniny częstotliwość pobudzenia

13 frakcja molowa Wprowadzenie Mikroplazma - zastosowania 1. Osadzanie materiałów 2. Modyfikacja powierzchni 3. Dysocjacja związków chemicznych 4. Synteza nanomateriałów 5. Chemia analityczna 6. Zastosowania biomedyczne guz temperatura ( C)

14 Wprowadzenie Mikroplazma technika LTCC 1. Wytrzymała na wysoką temperaturę i wysokie napięcia 2. Możliwość wytwarzania różnorodnych układów J. Kita, SENSOR ACTUAT B-CHEM, 2015 B. Jiang, SENSOR ACTUAT B-CHEM, 2015

15 Wprowadzenie Ceramiczne generatory (mikro)plazmy 1. Praca pod obniżonym ciśnieniem J. Taff, INT J APPL CERAM TECHNOL, 2013 R. Yamamoto, J MICROELE PACKAGING, Brak zastosowań A. Baker, INT J APPL CERAM TECHNOL, 2006 B. Vojak, APPL PHYS LETT, 2001

16 Yamamoto et al., CICMT, 2005 Wprowadzenie Ceramiczne generatory (mikro)plazmy Pola kontaktowe Struktura kolumnowa Górna elektroda Wlot gazu roboczego Wlot gazu roboczego Mikrokanały Plazma Górna elektroda Wlot gazu roboczego Bariera Mikrokanały Dolna elektroda Dolna elektroda Model 3D miniaturowego generatora plazmy (20 x 30 mm 2 )

17 Wprowadzenie Ceramiczne generatory (mikro)plazmy Plazma argonu (2 Torr) Stanowisko pomiarowe Yamamoto et al., CICMT, 2005

18 Wykład 13 Mikrosystemy ceramiczne Generatory zimnej plazmy - wprowadzenie - generatory z wyładowaniem barierowym - generatory stałoprądowe z ciekłą katodą - dysze plazmowe

19 Generatory z wyładowaniem barierowym Charakterystyka wyładowania wyładowanie barierowe (DBD), przynajmniej jedna elektroda pokryta dielektrykiem, zmienne napięcie rzędu kilkudziesięciu kilowoltów, częstotliwość 500 Hz 500 khz, struktura quasi-jednorodna lub włóknista (kanały). Konfiguracja mikrownękowa Konfiguracja planarna

20 Generatory z wyładowaniem barierowym Model 3D mikrogeneratora plazmy Warstwy LTCC tworzące mikrogenerator Schemat wytwarzania mikrogenratora plazmy za pomocą techniki LTCC

21 Generatory z wyładowaniem barierowym Intensywność (j.u.) Wyprowadzenia elektrod Światłowód Komora wyładowcza Miniaturowy generator plazmy wykonany techniką LTCC Widmo powietrza (ciśnienie atmosferyczne) Długość fali (nm)

22 Kanał na światłowód Komora wyładowcza Górna elektroda Wlot gazu Trójnik Dolna elektroda Generatory z wyładowaniem barierowym Warstwy 1-2 Warstwa 3 Warstwa 4 Warstwy 5-8 Warstwa 9 Warstwa 10 Warstwy LTCC tworzące miniaturowy generator plazmy z wyładowaniem barierowym przystosowany do badania różnych gazów oraz mieszanin gazowych Miniaturowy generator plazmy wykonany z ceramiki LTCC

23 Intensywność (j.u.) Intensywność (j.u.) Intensywność (j.u.) Generatory z wyładowaniem barierowym Długość fali (nm) Widma mieszaniny gazowej Ar/O 2 zmierzone przy różnej zawartości tlenu Argon Tlen Długość fali (nm) Długość fali (nm)

24 Intensywność (j.u.) Intensywność (j.u.) Generatory z wyładowaniem barierowym Długość fali (nm) Zawartość O 2 (%)

25 Generatory z wyładowaniem barierowym Niezawodność Przed Po Temperatura mikrogeneratora LTCC w trakcie pracy Zdjęcia rentgenowskie górnej (u góry) oraz dolnej (na dole) elektrody

26 Generatory z wyładowaniem barierowym Układ do aktywacji wody Plazmowo aktywowana woda (PAW): sterylizacja materiałów wrażliwych synteza nanomateriałów ochrona środowiska

27 Generatory z wyładowaniem barierowym Schemat urządzenia do PAW HV Napełnienie zbiornika wodą Umieszczenie wewnątrz elektrody Umieszczenie zakrytej elektrody roboczej Generacja wyładowania Aktywacja wody

28 Generatory z wyładowaniem barierowym Układ do aktywacji wody (konstrukcja)

29 Generatory z wyładowaniem barierowym Układ do aktywacji wody (działanie)

30 Generatory z wyładowaniem barierowym Zmiana właściwości wody gaz roboczy przed modyfikacją po modyfikacji ph σ [μs / cm] ph σ [μs / cm] powietrze 3, He 5,76 3,63 2, Ar 3, spadek ph i wzrost σ w każdym przypadku, - zmiana przewodności o dwa rzędy wielkości, - największe zmiany dla helu, - wyniki skorelowane z emisją, - zmiana właściwości prawdopodobnie dzięki reaktywnym formom azotu (NO, NO 2, NO 3-, NO 2- ),

31 intensywność (j.w.) Generatory z wyładowaniem barierowym Zmiana właściwości wody (widma emisji w UV) długość fali (nm)

32 Generatory z wyładowaniem barierowym Zmiana właściwości wody Plazma Rozpylanie Parowanie Elektroliza Warstwa pośrednia Dyfuzja Woda

33 Generatory z wyładowaniem barierowym Zastosowanie biologiczne Geometria elektrod chipu LTCC Wlot gazu Przewód elektryczny Ogranicznik Obudowa Mocowanie Płytka titracyjna Chip LTCC Materiał biologiczny Warstwa dielektryczna Wylot plazmy Elektrody Au Wlot gazu Otwory połączeniowe Pola lutownicze M. Fischer et al., EMPC, 2017

34 Żywe komórki (%) Generatory z wyładowaniem barierowym Zastosowanie biologiczne Czas oddziaływania (s) M. Fischer et al., EMPC, 2017

35 Wykład 13 Mikrosystemy ceramiczne Generatory zimnej plazmy - wprowadzenie - generatory z wyładowaniem barierowym - generatory stałoprądowe z ciekłą katodą - dysze plazmowe

36 Generatory stałoprądowe z ciekłą katodą Charakterystyka wyładowania stała anoda i ciekła katoda z elektrolitu (ELCAD) odległość między elektrodami rzędu kilka milimetrów wyładowanie pod ciśnieniem atmosferycznym (APGD) stałe napięcie 0,4 2 kv, prąd < 100 ma katoda jest rozpylana i wzbudzana w plazmie anoda plazma ciekła katoda

37 Generatory stałoprądowe z ciekłą katodą Projekt generatora LTCC anoda i katoda komora plazmowa kanał z cieczą apertura droga optyczna wlot i wylot gazu Ciecz testowa: kwas solny z dodatkiem kadmu i cynku

38 intensywność (j.w.) Generatory stałoprądowe z ciekłą katodą Widmo emisji długość fali (nm) LOD granica wykrywalności, a nachylenie krzywej kalibracyjnej, Granice wykrywalności oznaczanych pierwiastków. σ odchylenie standardowe tła (20 pomiarów referencyjnego roztworu), pierwiastek σ [j.w.] a [dm 3 /mg] LOD [ppb] Zn 38,0 835,1 140 Cd 60,8 930,8 200

39 Generatory stałoprądowe z ciekłą katodą Modyfikacja generatora LTCC 1. Brak wylotu cieczy 2. Odparowanie katody 3. Elektroda katody bez kontaktu z plazmą 4. Większe okno do transmisji optycznej 5. Połączenie sondami sprężynującymi

40 Generatory stałoprądowe z ciekłą katodą Widmo emisji λ [nm] LOD [ppb] 324, ,4 49 Ciecz testowa: Koncentrat rudy miedzi roztworzony w kwasie azotowym

41 Wykład 13 Mikrosystemy ceramiczne Generatory zimnej plazmy - wprowadzenie - generatory z wyładowaniem barierowym - generatory stałoprądowe z ciekłą katodą - dysze plazmowe

42 Dysze plazmowe Charakterystyka wyładowania Działanie pod ciśnieniem atmosferycznym, Plazma wyrzucana poza obszar międzyelektrodowy, Generacja w szerokim zakresie częstotliwości (od DC do mikrofal), Możliwe generowanie plazmy o pokojowej temperaturze neutralnego gazu,

43 Dysze plazmowe Podstawowe konfiguracje elektrod Konfiguracja współosiowa Konfiguracja mikrownękowa (MHCD)

44 Dysze plazmowe Projekt i technologia dyszy plazmowej LTCC Konfiguracja MHCD Działa dla DC i AC Średnica mikrownęki: 450 μm

45 Dysze plazmowe Projekt i technologia dyszy plazmowej LTCC zasilanie AC, strumień plazmy ekspansja widocznej plazmy na około 1 mm, niska wytrzymałość mechaniczna

46 Dysze plazmowe Projekt i technologia dyszy plazmowej LTCC (modyfikacje) lepsza wytrzymałość mechaniczna łatwiejsza obsługa

47 Dysze plazmowe Widmo emisji - Najefektywniejsze wzbudzenie argonu - Gaz roboczy miesza się z powietrzem

48 używana dysza nowa dysza Dysze plazmowe Niezawodność Wylot Wlot

49 Dysze plazmowe Zastosowanie (synteza nanometriałów) Synteza nanomateriałów w wyniku: Rozpylania elektrod do stabilizatora, Modyfikacji roztworu z prekursorem,

50 Dysze plazmowe Zastosowanie (synteza nanometriałów) Dysza w odległości d od próbki

51 Dysze plazmowe Zastosowanie (synteza nanometriałów) plazma d = 1 mm próbka referencyjna Obróbka plazmowa wpływa na rozmiar nanocząstek i ich dyspersyjność. plazma d = 2 mm

52 Wykład 13 Mikrosystemy ceramiczne Generatory zimnej plazmy - wprowadzenie - generatory z wyładowaniem barierowym - generatory stałoprądowe z ciekłą katodą - dysze plazmowe