專利名稱：監(jiān)控等離子放電的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)技術(shù)方案1及獨(dú)立技術(shù)方案的序言的用于監(jiān)控等離子放電 的方法及裝置。明確地說，本發(fā)明涉及一種用于監(jiān)控表面處理工藝期間的等離子放電(也 稱為等離子點(diǎn)火)的方法及裝置，其中以交流電壓給氣態(tài)介質(zhì)中的電極充電以用于產(chǎn)生等離子。
背景技術(shù)：
在這些方法及裝置中，存在(例如)產(chǎn)生用于涂覆并改良例如由玻璃及/或塑料 制成的醫(yī)藥包裝材料等混雜產(chǎn)物的表面的等離子的方法。在這些方法中，通常應(yīng)用所謂的 電介質(zhì)勢壘放電(也稱作DBD)。在DBD短時間及僅幾微秒中，通過(例如)10到IOOkHz的 交流電壓的影響以及通過對電極的電介質(zhì)屏蔽來產(chǎn)生持續(xù)的等離子放電。等離子放電的穩(wěn)定性及因此還有此類表面處理工藝的質(zhì)量取決于數(shù)個條件，例如 壓力、氣流、氣體組成及表面條件。因此，對于此類表面處理工藝的工業(yè)實(shí)踐，必須使用用于 監(jiān)控等離子放電的充足測量方法及構(gòu)件。已知用于借助光發(fā)射的光學(xué)監(jiān)控來監(jiān)控等離子放電的方法及裝置，所述光發(fā)射可 在發(fā)生等離子放電期間由于伴隨的光子的產(chǎn)生而檢測到。舉例來說，借助于光發(fā)射的強(qiáng)度 且明確地說光發(fā)射的光譜光學(xué)鑒別，監(jiān)控并控制處理工藝的活動。舉例來說，此途徑(也稱 作“光學(xué)發(fā)射光譜學(xué)”或0ES)還揭示于以下公開案中US-A-2003223055、EP-A-1630848及 EP-A-0821079。然而，OES方法具有如下缺點(diǎn)由于光電組件、濾光器、光譜儀等的操作而需 要高度努力來實(shí)現(xiàn)。還已知用于在通過RF能量的影響產(chǎn)生等離子的情況下使用的用于監(jiān)控等離子放 電的其它方法。在此情況下，(例如)13MHz的高頻交流電壓導(dǎo)致在靜態(tài)條件中產(chǎn)生等離子。 對于監(jiān)控工藝，通過所謂的火柴盒(matchbox)來測量等離子的阻抗。舉例來說，此類方法 揭示于以下專利及公開案中US-B-6291999及US-A-5576629。從專利US-B-7169625B中， 甚至已知其中提出測量光學(xué)光發(fā)射(OES)與RF參數(shù)的組合的用于監(jiān)控等離子放電的方法， 然而，并未更詳細(xì)地描述將測量哪些RF參數(shù)。此外，這些已知的方法在測量儀器及裝置方 面需要相當(dāng)高度的努力。因此，本發(fā)明的目標(biāo)是提出一種優(yōu)選地可簡單地且以低成本來實(shí)現(xiàn)的用于監(jiān)控等 離子放電的方法及裝置。明確地說，將提出一種可以極其有利的方式結(jié)合電介質(zhì)勢壘放電 (DBD)應(yīng)用的用于監(jiān)控等離子放電的方法及裝置。

發(fā)明內(nèi)容
所述目標(biāo)由包括技術(shù)方案1的特征的方法及由包括獨(dú)立技術(shù)方案的特征的裝置 來解決。因此，提出首先檢測表示由交流電壓在介質(zhì)中產(chǎn)生的電能的指標(biāo)的測量信號且接 著單獨(dú)地檢測測量信號的位于預(yù)定頻率上面的此類信號部分且最終通過將所述測量信號的分離的信號部分與至少一個預(yù)置參考或模式進(jìn)行比較來對所述測量信號的分離的信號 部分進(jìn)行評價。因此，本發(fā)明的裝置包括檢測器構(gòu)件、分離構(gòu)件及評價構(gòu)件。借助于本發(fā)明，可實(shí)現(xiàn)根據(jù)計(jì)量時間周期對電能進(jìn)行直接測量，此優(yōu)選地可通過 測量在外加電壓下的電流來執(zhí)行。通過實(shí)行測量信號的分離及評價(優(yōu)選地在對應(yīng)信號處 理內(nèi))，可提取對于等離子特性及性質(zhì)來說為相關(guān)的有用信號。優(yōu)選地，當(dāng)應(yīng)用DBD時，測量 穿透介質(zhì)的電介質(zhì)位移電流作為測量值。此可借助于(例如)串聯(lián)連接的測量電阻器來完 成一所述測量電阻器產(chǎn)生電壓降并輸出與電流成比例的電壓信號。依據(jù)此所測量的信號， 分離具有較高頻率的信號部分，且出于此目的，可應(yīng)用濾波及/或光譜分析、明確地說快速 傅里葉分析。所觀察的信號分量優(yōu)選地確實(shí)超過激勵頻率，此激勵頻率可以在(例如)10 與IOOkHz之間。不僅信號分量的分離而且所述分離的信號分量的評價也可借助光譜分離、明確地 說快速傅里葉分析來執(zhí)行，其中將對應(yīng)于所述信號分量的光譜分量與用作參考的參考光譜 進(jìn)行比較。所述參考光譜是在發(fā)生等離子放電或點(diǎn)火之前記錄的。替代此，發(fā)生的信號分 量的評價還可通過計(jì)算差異來執(zhí)行，在于將測量信號的信號分量與參考信號進(jìn)行比較。此 參考信號也是在發(fā)生等離子點(diǎn) 火之前記錄的。為評價顯著的高頻信號分量，可使用閾值，例如所述閾值是光譜范圍(量值、相 位)內(nèi)或時域(波形)內(nèi)的信號值(量值、相位)。這些及其它有利實(shí)施例還從子技術(shù)方案得出。


在下文中，將更詳細(xì)地并通過優(yōu)選實(shí)施例且借助于附圖來描述本發(fā)明，附圖中圖1顯示產(chǎn)生用于涂覆醫(yī)藥封裝(例如注射器)的等離子的結(jié)構(gòu)的等效電路圖。圖2顯示在等離子放電的顯現(xiàn)之前測量信號的波形。圖3顯示在等離子放電的顯現(xiàn)期間測量信號的波形。圖4對應(yīng)于圖2，但現(xiàn)在在更長的時間周期內(nèi)顯示在未顯現(xiàn)等離子放電的情況下 測量信號的波形且顯示所獲得的測量信號光譜。圖5對應(yīng)于圖3，但現(xiàn)在在更長的時間周期內(nèi)顯示在等離子放電的顯現(xiàn)期間測量 信號的波形且顯示所導(dǎo)出的測量信號光譜；圖6顯示根據(jù)本發(fā)明的方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式圖1以電路框圖的形式顯示等效電路圖形成通過電介質(zhì)勢壘放電(DBD)產(chǎn)生等離 子的布置或結(jié)構(gòu)。在此等效電路圖中，此結(jié)構(gòu)表示包括電介質(zhì)DIEL的電容器，其中在所述 電容器中，當(dāng)施加交流電壓Uhv時產(chǎn)生電介質(zhì)位移電流I。在此實(shí)例中，例如產(chǎn)生器G提供 具有2kV的振幅且具有15kHz的頻率的正弦形交流電Uhv，其施加到等離子室PK內(nèi)的電極， 其中所述電極中的一者由電介質(zhì)(例如玻璃板)屏蔽以避免歐姆短路。因此，僅產(chǎn)生電介 質(zhì)位移電流I，其可經(jīng)由供應(yīng)線處的測量電阻器R引取對應(yīng)電壓降Ur且可供應(yīng)到監(jiān)控裝置 MON。只要不發(fā)生等離子放電，即有理想地為純正弦的且在相移方式上跟隨所產(chǎn)生的電壓Uhv的電介質(zhì)位移電流I流動(還參見圖2)。根據(jù)本發(fā)明，此電流I由裝置MON檢測作 為測量值以監(jiān)控介質(zhì)中及等離子室PK中的發(fā)生的等離子放電。圖2及3中所示的相對于 時間軸的振幅波形具備以下間隔(行盒)在時間軸上一個盒意味著2微秒且在振幅軸上 一個盒意味著1000伏或10毫安。如通過這些圖還可看出，本發(fā)明的一個內(nèi)容是已通過測量電流I或?qū)?yīng)測量值， 可以可靠方式檢測等離子室PK中的能量狀態(tài)且更明確地說等離子放電或等離子點(diǎn)火的發(fā) 生。因此，不需要光學(xué)測量構(gòu)件等。此外且借助測量值I的評價，可導(dǎo)出等離子放電的數(shù)量 及質(zhì)量的特性。由于電流I在等離子放電的顯現(xiàn)期間于有限時間周期內(nèi)快速增加，其中可檢測特 性信號波形(在圖3中參見所包圍區(qū)域)。這是由于如下事實(shí)在交流電壓Uhv高于系統(tǒng)特 有場強(qiáng)度的最大振幅的區(qū)域中，有效電介質(zhì)DIEL改變且阻抗降低以使得電流I快速增加且 發(fā)生等離子點(diǎn)火。接著，在交流電壓的正在進(jìn)行的時間周期期間，振幅值再次減小且等離子 終止，則電流I再次對應(yīng)于純正弦或正弦形位移電流。當(dāng)?shù)入x子顯現(xiàn)時，則在正半部的上部 區(qū)域及在負(fù)半部的下部區(qū)域中發(fā)生周期性電流脈沖(參見圖3)，其具有典型特性，且因此 各自指示等離子點(diǎn)火。換句話說，本發(fā)明提出以時間分辨方式對電能進(jìn)行測量，此處呈通過壓印電壓的 電流測量的形式。通過應(yīng)用單個信號處理功能(例如鑒別器、高通及低通濾光器、傅里葉變 換、光譜分析)或其組合，可從所測量的信號提取有用信號，其中所述有用信號反映等離子 的特性或性質(zhì)。此還可借助適當(dāng)評價邏輯或智能計(jì)算技術(shù)及所采用的軟件來實(shí)現(xiàn)。所導(dǎo)出 的有用信號可不僅用于工藝監(jiān)控而且用于工藝控制。因此，本發(fā)明揭示監(jiān)控正電信號的顯現(xiàn)且接著檢測氣體放電或氣體點(diǎn)火的發(fā)生， 其中監(jiān)控裝置Μ0Ν(參見圖1)包括適當(dāng)構(gòu)件或單元，明確地說包括檢測測量信號的檢測器 構(gòu)件Ml、分離其較高頻率信號分量的分離構(gòu)件M2以及通過比較評價所述信號分量的評價 構(gòu)件M3。為更詳細(xì)地解釋本發(fā)明，圖4在較大的時間周期內(nèi)顯示在交流電壓Uhv的時間中的 波形且顯示由其產(chǎn)生的電介質(zhì)位移電流I。在所述圖的下部區(qū)段中，顯示電流信號I的傅里 葉變換結(jié)果FFT的光譜表示。圖4涉及位于等離子點(diǎn)火的顯現(xiàn)之前的時間周期。因此，且 明確地說高于500kHz的較高頻率范圍不顯示可觀的光譜分量。圖5涉及其中發(fā)生等離子放電或等離子點(diǎn)火的情形。同樣，顯示交流電壓Uhv、電 流I以及傅里葉變換結(jié)果FFT。清晰地顯示，現(xiàn)在較高頻率范圍中也存在可觀的光譜分量。圖6最終顯示本發(fā)明的方法100的流程圖，其包括步驟110到130。明確地說，方 法100包括以下步驟(還參見之前所描述的圖1到5)在第一步驟110中，檢測表示測量值的測量信號，在此情況下其為表示由交流電壓UHF在介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生的電能的電流I。在下一步驟120中，分離所述測量信號的高于激勵頻 率的那些信號分量。此處，所述激勵頻率是(例如UOOkHz且分離的信號分量高于此，在約 500kHz的范圍內(nèi)。在隨后的步驟130中，接著通過將測量信號I的分離的信號分量與至少 一個預(yù)置參考進(jìn)行比較來對測量信號I的分離的信號分量進(jìn)行評價。因此，本發(fā)明提出監(jiān) 控電脈沖信號的顯現(xiàn)以由此檢測氣體放電或氣體點(diǎn)火的發(fā)生。所述方法及執(zhí)行所述方法的裝置Μ0Ν(參見圖1)特別適用于監(jiān)控電介質(zhì)勢壘放電。在這些情況下，產(chǎn)生由玻璃塑料等制成的中空本體內(nèi)的大氣等離子?？墒┘雍饣驓?氣或這些氣體的混合物作為氣態(tài)介質(zhì)。提供具有(例如)iokw(ss)的輸出功率的高電壓產(chǎn) 生器G。交流電壓Uhv可具有對應(yīng)于激勵頻率的(例如)10到IOOkHz的頻率。將交流電壓 Uhv供應(yīng)到位于所述中空本體內(nèi)的尖端或電極。從所述中空本體外側(cè)及周圍，存在作為反電 極的金屬蓋。引導(dǎo)所述氣態(tài)介質(zhì)穿過所述中空本體的特定孔。因此，如圖1中所示的結(jié)構(gòu) 表示共軸形電容器。當(dāng)施加交流電壓Uhv時，則電介質(zhì)位移電流相移90°地流動。一旦發(fā) 生或顯現(xiàn)等離子，其即經(jīng)由中心電極與玻璃密壁之間的氣體區(qū)域形成交流電的部分短路。圖3及4顯示電壓、電流的波形且顯示所描述的實(shí)施例的光譜分析。舉例來說，借助快速傅里葉變換，電流信號可為光譜分析的目標(biāo)。在等離子點(diǎn)火的情況下，則在測量信號 的光譜中，可看到高量的高頻光譜分量。接著，可以經(jīng)驗(yàn)方式容易地使借助測量信號及光譜 分析評價的光譜頻率及/或其振幅與現(xiàn)有等離子條件(例如壓力、氣體通量及組成、表面條 件等)相協(xié)調(diào)。以此方式，在使用幾個測量構(gòu)件的情況下可進(jìn)行等離子放電的監(jiān)控。此外， 可控制總體工藝控制。參考符號列表G高頻產(chǎn)生器Uhv 交流電壓(20 到 IOOkHz)DIEL 電介質(zhì)材料PK 等離子室MON監(jiān)控裝置Ml檢測器構(gòu)件(包含電阻器R)M2分離構(gòu)件(此處濾光器)M3評價構(gòu)件(包含F(xiàn)FT分析儀)R測量電阻器I測量值或測量信號(此處電介質(zhì)位移電流)UR電壓降(測量電壓)FFT測量信號I的光譜
權(quán)利要求
一種監(jiān)控在表面處理工藝期間發(fā)生的等離子放電的方法(100)，其中給氣態(tài)介質(zhì)內(nèi)的電極供應(yīng)交流電壓(UHV)以用于產(chǎn)生等離子，所述方法的特征在于以下步驟檢測表示由所述交流電壓(UHV)在所述介質(zhì)中產(chǎn)生的電能的測量值(I)的測量信號(步驟110)；分離所述測量信號(I)的信號分量，所述信號分量高于預(yù)置頻率(步驟120)；通過將所述測量信號(I)的所述分離的信號分量與至少一個預(yù)置參考進(jìn)行比較來對所述測量信號(I)的所述分離的信號分量進(jìn)行評價(步驟130)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法(100)，其特征在于通過電介質(zhì)勢壘放電來實(shí)現(xiàn)所述等 離子的所述產(chǎn)生。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法(100)，其特征在于測量穿透所述介質(zhì)的電流作為 所述測量值，明確地說測量電介質(zhì)位移電流(I)(步驟110)。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求所述的方法(100)，其特征在于通過濾光及/或 光譜分析、明確地說通過快速傅里葉分析(FFT)來執(zhí)行所述測量信號(I)的所述信號分量 的所述分離(步驟120)。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求所述的方法(100)，其特征在于為了分離所述測 量信號(I)的所述信號分量，預(yù)置確實(shí)超過激勵頻率的頻率(步驟120)。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求所述的方法(100)，其特征在于借助光譜分析、 明確地說通過快速傅里葉分析(FFT)來執(zhí)行對所述測量信號(I)的所述分離的信號分量的 所述評價，其中將對應(yīng)于所述信號分量的光譜分量與用作參考的參考光譜進(jìn)行比較(步驟 130)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法(100)，其特征在于在所述發(fā)生等離子放電之前記錄所 述參考光譜。
8.根據(jù)權(quán)利要求1到5中任一權(quán)利要求所述的方法(100)，其特征在于通過計(jì)算差異 來執(zhí)行對所述測量信號(I)的所述分離的信號分量的評價，在于將所述測量信號(I)的所 述信號分量與參考信號進(jìn)行比較。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法(100)，其特征在于在所述發(fā)生等離子放電之前記錄所 述參考信號。
10.根據(jù)權(quán)利要求6到9中任一權(quán)利要求所述的方法(100)，其特征在于借助閾值、明 確地說借助譜域或時域中的信號值來執(zhí)行對所述測量信號(I)的所述分離的信號分量的 所述評價(步驟130)。
11.一種用于監(jiān)控在表面處理工藝期間發(fā)生的等離子放電的裝置(M0N)，其中給氣態(tài) 介質(zhì)內(nèi)的電極供應(yīng)交流電壓(UHV)以用于產(chǎn)生等離子，所述裝置的特征在于檢測器構(gòu)件(Ml)，其用于檢測表示由所述交流電壓(UHV)產(chǎn)生的電能的測量值(I)的 測量信號；分離構(gòu)件(M2)，其用于分離所述測量信號(I)的信號分量，所述分量高于預(yù)置頻率；及評價構(gòu)件(M3)，其用于通過將所述測量信號(I)的所述分離的信號分量與至少一個預(yù) 置參考進(jìn)行比較來對所述測量信號(I)的所述分離的信號分量進(jìn)行評價。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置(M0N)，其特征在于所述檢測器構(gòu)件(Ml)包括具有產(chǎn) 生電壓降(UK)的電流的測量電阻器(R)，所述電流是穿透所述介質(zhì)的電流，明確地說是電介質(zhì)位移電流(I)。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的裝置(M0N)，其特征在于用于分離所述測量信號(I) 的高于所述預(yù)置頻率的所述信號分量的所述分離構(gòu)件(M2)至少包括用于光譜分析、明確 地說用于快速傅里葉分析(FFT)的濾光器及/或裝置。
14.根據(jù)權(quán)利要求11到13中任一權(quán)利要求所述的裝置(M0N)，其特征在于所述評價構(gòu) 件(M3)至少包括用于光譜分析、明確地說用于快速傅里葉分析(FFT)的裝置。
15.根據(jù)權(quán)利要求11到14中任一權(quán)利要求所述的裝置(M0N)，其特征在于所述評價構(gòu) 件(M3)包括將所述信號分量與用作參考的參考光譜進(jìn)行比較的比較或比較器構(gòu)件。
16.根據(jù)權(quán)利要求11到14所述的裝置(M0N)，其特征在于所述評價構(gòu)件(M3)包括將 所述測量信號(I)的所述信號分量與參考信號進(jìn)行比較的比較構(gòu)件。
全文摘要
本發(fā)明提出一種用于監(jiān)控表面處理工藝期間的等離子放電的方法及裝置(MON)，其中給氣態(tài)介質(zhì)內(nèi)的電極提供交流電壓(UHV)以用于產(chǎn)生等離子，其中所述裝置(MON)包括用于檢測測量信號的檢測器構(gòu)件(M1)，所述測量信號表示由所述交流電壓(UHV)在所述介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生的電能的測量值(I)。此外，提供用于分離所述測量信號的信號分量的分離構(gòu)件(M2)，所述分量高于預(yù)置頻率，且還提供用于通過將所述測量信號(I)的所述分離的信號分量與至少一個預(yù)置參考進(jìn)行比較來對所述測量信號(I)的所述分離的信號分量進(jìn)行評價的評價構(gòu)件(M3)。優(yōu)選地，借助電介質(zhì)勢壘放電來實(shí)現(xiàn)所述等離子的所述產(chǎn)生，其中測量穿透所述介質(zhì)的電流、明確地說電介質(zhì)位移電流(I)作為測量值。
文檔編號G01N21/62GK101832928SQ20101011837
公開日2010年9月15日 申請日期2010年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月10日
發(fā)明者迪普爾-菲斯-英哈特穆特·鮑赫, 馬蒂亞斯·比克爾 申請人:史考特公司