基于微带缝环谐振器的小功率微波等离子体激励的研究

摘要

近年来，随着微机电系统(MEMS)的广泛应用，研制可集成于MEMS的微带型微等离子体源日益成为热点。这种微等离子体源具有体积小、易集成、方便携带的优点，并能在小功率、常压空气中持续放电。基于此微等离子体的微系统，在微生物分析系统、生物MEMS杀菌消毒、微化学分析系统、小尺寸材料处理及微推进器等领域有着广泛的应用前景。 本文设计了一种基于微带缝隙环谐振器的微波等离子体(MSRR-MIP)源，并对其工作原理和等离子体放电特性进行了深入的理论分析和实验研究。 首先介绍了低温等离子体技术和微带线及微带线谐振器理论，作为结构设计优化的理论基础。建立了MSRR-MIP源的等效传输线电路模型，导出了输入阻抗、缝隙电压等谐振器电参数的闭式解，并给出等离子体阻抗计算公式。理论上分析了等离子体的气体放电特性以及放电对MSRR-MIP源的影响，重点讨论等离子体阻抗和功率效率两个放电激励特性。研究表明，缝环谐振器微波等离子体源与等离子体阻抗的匹配是制约放电的关键因素，甚至比谐振器品质因数更重要。 基于上述理论和分析，用HFSS软件对器件物理尺寸进行仿真和优化，设计出200μm、100μm、25μm三种缝隙尺寸的MSRR-MIP源。按照设计尺寸制作了电路板，搭建实验系统，成功激励出等离子体，并测量有载情况下谐振器的谐振频率和电压反射系数 S<,11>，计算出该实验系统和条件下等离子体阻抗。实验证明了理论分析和仿真设计结果的正确性和可靠性。 另外还研制了改进的无阻抗匹配网络的直接馈电MSRR-MIP源，不仅实现了尺寸上更小型化，也获得了对小功率、常压气体微波放电更有利的高电场条件。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1本课题的研究背景和意义

1.2电容耦合型等离子体源的发展现状

1.3本论文研究内容和创新之处

第二章低温等离子体技术

2.1等离子体相关概念

2.1.1等离子体定义、温度、密度、电离度

2.1.2等离子体德拜屏蔽

2.1.3等离子体频率(郎缪尔频率)

2.2低温等离子体技术

2.2.1等离子体发生技术——气体放电基本理论

2.2.2直流辉光放电

2.2.3射频等离子体放电

2.2.4射频放电阻抗匹配

2.2.5微波放电

2.3总结

第三章微带线与微带线谐振器理论

3.1微带线基本理论

3.1.1微带线传输准TEM波

3.1.2微带线准静态分析法

3.1.3微带线的损耗

3.2微带线谐振器

3.2.1短路λ/2线型谐振器

3.2.2开路λ/2线型谐振器

3.2.3 λ/4线型谐振器

3.2.4微带线谐振器设计和品质因数

3.3总结

第四章微带缝环谐振器微波等离子体源传输线分析方法——等效电路分析、等离子体阻抗、功率效率计算

4.1基于微带缝环谐振器的微波等离子体源(MSRR-MIP s)

4.2缝环谐振器传输线模型

4.2.1缝环谐振器工作模式——第一谐振奇模

4.2.2输入阻抗

4.2.3无载时缝隙两端电压

4.2.4等离子体阻抗

4.2.5功率效率

4.3总结

第五章微带缝环谐振器微波等离子体源的研制

5.1设计目标、选择工作频率、介质基板

5.1.1微带缝环谐振器的选择

5.1.2介质基板、微带环特性阻抗等的选择

5.2微带环缝谐振器的各结构参数设计

5.2.1结构参数设计方法

5.2.2两种不同结构微带缝环谐振器的设计

5.2.3有阻抗变换段的缝环谐振器设计

5.2.4直接馈电缝环谐振器设计

5.3缝环谐振器软件仿真

5.3.1仿真软件简介

5.3.2有阻抗变换段的缝环谐振器仿真结果

5.3.3直接馈电缝环谐振器仿真结果

5.4总结

第六章实验系统与等离子体激励

6.1环隙谐振器实物制作及参数测量

6.2实验系统

6.3实验描述

6.4结果和讨论

第七章结束语

参考文献

作者研究生期间发表的论文

致谢