小功率微波微等离子体的研究

微等离子体和纳等离子体是超临界流体等离子体和量子等离子体的基础，小功率微波微等离子体就是通过微小功率微波激励起小尺寸的等离子体，它具有体积小及易与其它MEMS器件集成等优点。本课题拟对基于2.45GHz小功率微波微等离子体源的结构和系统集成技术作深入研究，通过采用MEMS工艺及对小功率微波微等离子体源的结构、基片材料及相关参数的研究和优化，以达到微波微等离子体小型化的目的；通过采用微型微波功率源，以达到小功率微波微等离子体源的有源集成的目的；通过建立微等离子体模型，测试并分析小功率微波微等离子体在不同气体和不同气压条件下的电特性、光特性和热特性等，研究小功率微波微等离子体激励与功率、气压和外加磁场等之间的相互关系，以达到小功率微波微等离子体最佳激励状态的目的。研究内容是近年来国内外在小功率微波微等离子体研究领域的进一步深入，研究成果将有助于更好解决小功率微波微等离子体的可控和集成的问题。

微等离子体和纳等离子体是超临界流体等离子体和量子等离子体的基础，小功率微波微等离子体就是通过微小功率微波激励起小尺寸的等离子体，它具有体积小及易与其它MEMS器件集成等优点。本课题对基于2.45GHz小功率微波微等离子体源的结构和系统集成技术作深入的研究，采用MEMS工艺通过微带缝环谐振器和平面渐变螺旋线圈对小功率微波微等离子体源的基片材料及相关参数进行了研究和优化。选用三种不同材料（氧化铝陶瓷、玻璃和硅）作为介质，分别对不同缝隙宽度的圆头放电式的微带环缝谐振器以及平面微带渐变螺旋天线进行了研究。研究表明，在同一种介质基片的情况下，小缝隙的微带环缝谐振器能够激励更大的电磁场。通过采用微型微波功率源，实现了小功率微波微等离子体源的有源集成的目的。微型微波功率源分为频率合成器、可调衰减器和功率放大器几个部分。研究表明，研制的集成微波微等离子体源具有频率可调、功率可调的特点，频率范围为2.3GHz-2.6GHz，输出功率范围为20dBm-40dBm。通过等离子体仿真软件对氩气状态下基于微带缝环谐振器的小功率微波微等离子体的激励进行数值建模，研究了环缝尺寸、输入功率和气压等对小功率微波微等离子体特性(电子密度、等离子体温度和等离子体电势等)的影响。研究表明，随着气压的增大，微波微等离子体的电子密度增大，而鞘层宽度和放电区域随着气压的增大而减小；微波微等离子体电势随着气压的增大而减小；微波微等离子体的电子密度和鞘层宽度随着环缝宽度的增大而减小，放电区域随着环缝宽度的增大而增大；微波微等离子体的电子温度随着环缝宽度的增大而增大。通过实验获得了小功率微波微等离子体在不同气体(空气、氩气等)、不同气压(低压和常压)和不同磁场条件下的电特性、光特性和热特性以及电磁兼容性等，研究了不同工艺条件下小功率微波微等离子体激励和稳定与功率、气压(低压和常压条件)和外加磁场等之间的相互关系。研究表明，磁场强度、磁极方向、气压等参数对小功率微波微等离子体的特性有很大影响；一般来说，磁场加载有利于小功率微波微等离子体的激励。本项目的研究内容是近年来国内外在小功率微波微等离子体研究领域的进一步深入，研究成果将有助于更好解决小功率微波微等离子体的可控和集成的问题。