CN101794699B - 可装配二维微等离子体阵列装置及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可装配二维微等离子体阵列装置及其制备方法，该装置由至少两个电极层与至少一个微腔层层叠排列而成，各层之间密切接触，两个最外侧均为电极层，所有电极层与微腔层上均设有至少两个定位孔，所有电极层和微腔层均通过定位孔对齐；微腔层是表面覆盖介电层的导电材料片，或是绝缘材料组成的绝缘片；微腔层的边缘设有凹陷的线阵列微腔，各个微腔之间由障壁隔离开；电极层是导电材料片；由微腔层和电极层中分别引出电极。制备方法是将片状材料裁切成相同的矩形片作为电极层和微腔层，将电极层与微腔层对齐，按照要求逐层装配。本发明可灵活改变微等离子体阵列尺寸，降低了工艺难度与成本，提高了装置阵列密度、装置尺寸与可靠性。

Description

可装配二维微等离子体阵列装置及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种可装配二维微等离子体阵列装置及其制备方法，属于微等离子体阵列装置领域。

背景技术

传统大气压附近的弱电离等离子体非常不稳定，特别容易产生弧光放电。但是，将工作气体限制在微米级的空间中，就可以产生稳定的辉光放电。此类放电所产生的等离子体通常被称为“微等离子体”。微等离子体具有弱电离、边界主导现象和高粒子浓度等特征，得到了越来越多研究人员的重视。

微等离子体的应用发展很快，最常见的包括显示器、生物医疗诊断和环境传感等方面。它常被用作紫外线辐射源和离子源。在环境治理方面主要用于处理废气和可挥发性有机物。半导体材料硅上制作的微等离子装置出现之后，利用等离子体和半导体界面对入射光线的敏感性，可以制作出小型光探测装置。在等离子体刻蚀方面，通过点亮指定区域的微等离子体阵列单元，可以实现无掩膜光刻。在等离子体喷射方面，微等离子体由于其等离子体密度较高而有明显的优势，目前在此方面的研究也逐渐成为热点。

微等离子体装置结构主要分为金属/介质/金属三层通孔结构、金属/介质/金属三层半通孔结构、尖端增强阴极结构、中空阴极结构、多层电极混合结构和网状电极结构。虽然微等离子装置结构各种各样，但普遍存在制作工艺复杂、装置阵列面积小、无法寻址等缺点，微等离子体阵列相对于其他竞争技术的成功将取决于发光面积、效率、寿命的增加与成本的降低。因此在寻找大面积微等离子体阵列装置的制造方法和结构方面还存在很大的提升空间与应用前景。

发明内容

本发明的目的在于克服目前微等离子体无法兼顾大尺寸与可寻址，工艺过程复杂、成本高的技术不足，提供一种低成本、大尺寸、高分辨率、高可靠性、可寻址的可装配二维微等离子体阵列装置及其制备方法。

本发明的可装配二维微等离子体阵列装置采用以下技术方案：

该可装配二维微等离子体阵列装置由至少两个电极层与至少一个微腔层层叠排列而成，各层之间密切接触，两个最外侧均为电极层，所有电极层与微腔层上均设有至少两个定位孔，所有电极层和微腔层均通过定位孔对齐；微腔层是表面覆盖介电层的导电材料片，或是绝缘材料组成的绝缘片；微腔层的边缘设有凹陷的线阵列微腔，各个微腔之间由障壁隔离开；电极层是导电材料片；由微腔层和电极层中分别引出电极。

电极层与微腔层的层叠排列顺序可以是电极层与微腔层交替间隔层叠，即两层电极层之间设有一层微腔层；也可以是只有两个最外侧为电极层，两个电极层之间均为微腔层；也可以是每两个电极层之间设有两个微腔层。

微腔可以是矩形、圆弧形或者其它任意图形。

微腔层中的微腔被障壁所包围，形成一个封闭的区域，微腔在装置表面没有开口，放电空间被封闭在微腔内。

电极层的导电材料片表面可以覆盖介电层，也可以不覆盖介电层。

微腔层和电极层中引出电极的方式有以下几种形式：

1.由电极层中的奇数层引出第一总线电极，由电极层中的偶数层引出第二总线电极。

2.由电极层中的奇数层引出第一总线电极，由电极层中的偶数层引出第二总线电极，由各个微腔层中引出第三总线电极。

3.由电极层中的奇数层引出第一总线电极，由电极层中的偶数层引出与第二总线电极，由奇数微腔层引出第三总线电极，由偶数微腔层引出第四总线电极，第一总线电极与第二总线电极之间施加交流电压或直流电压，作为放电维持电极，负责维持放电的状态；第三总线电极与第四总线电极作为寻址电极，设定该行是需要点亮还是不需要点亮。

4.由奇数微腔层引出第三总线电极，由偶数微腔层引出第四总线电极，第三总线电极与第四总线电极之间施加交流电压，作为放电维持电极，负责维持放电的状态。

本发明装置中所有电极层与微腔层之间紧密靠近，中间通过外部压力紧密结合在一起，阵列装置的最外层是电极层，气体被密封在装置之内并维持气体的密封性。该阵列装置的电极引出方式可以是从相邻的两个电极层分别引出的两电极结构，也可以是从微腔层和电极层按照一定顺序分别引出电极的三电极、四电极或更多电极。

上述可装配二维等离子体阵列装置的制备方法，包括以下步骤：

(1)通过裁切方法将能够制作微腔层和电极层的导电片状材料以及只能够制作微腔层的绝缘片状材料裁切成大小与形状相同的矩形片；

(2)在每个矩形片的相同的位置处制作至少两个定位孔，将要制作成微腔层的矩形片的边缘采用光刻或者切割工艺制作构成微腔的凹槽，未制作微腔的矩形片称为电极层，制作微腔的矩形片称为微腔层，微腔排列形成一个微腔的线阵列；微腔之间的间隔称为微腔障壁；

(3)采用电化学或镀膜方法在电极层或微腔层表面制作介电层，将电极层与微腔层的定位孔对齐，按照装置要求的微腔层与电极层的排列顺序和要求逐层装配；装配N层微腔层的装置就放置N层微腔片；

(4)最后将整个电极阵列装置密封起来充入放电气体或者蒸汽，并将电极引出。

本发明采用可装配的片状材料实现了二维微等离子体阵列装置，该装置提高了装置的尺寸灵活可变性，同时降低了工艺难度与制作成本，提高了装置的阵列密度、装置尺寸与可靠性。

附图说明

图1是本发明可装配二维微等离子体阵列装置的立体结构示意图。

图2是图1所示可装配二维微等离子体阵列装置立体图的三视图(主视图、俯视图和侧视图)。

图3是本发明可装配二维微等离子体阵列装置的两电极引出结构示意图。

图4是本发明可装配二维微等离子体阵列装置的三电极引出结构示意图。

图5是本发明可装配二维微等离子体阵列装置的四电极引出结构示意图。

图6是本发明单纯由微腔层组成的微腔阵列交叉排列装置结构示意图。

图7是本发明的封闭微腔图形结构示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1和图2所示，本发明的可装配的二维微等离子体阵列装置，由电极层100和微腔层200组成，每层的厚度可以从1微米到几千微米。电极层100与微腔层200上均包含至少两个定位孔300，电极层100与微腔层200交替层叠，每层的定位孔300要对齐。装置的最外侧为电极层100(0)和100(N)，第零电极层100(0)与第一微腔层200(1)相连接，通过定位孔对齐，二者之间密切接触，中间不留空隙。第一电极层100(1)与第一微腔层200(2)相连接，通过定位孔对齐，二者之间密切接触，中间不留空隙。依次类推，第k微腔层200(k)与第k电极层100(k)相连接，通过定位孔对齐，二者之间密切接触，中间不留空隙，直到第N微腔层200(N)和第N电极层100(N)。

每个微腔层200上具有M个微腔400，微腔的尺寸可以从1微米到几千微米，整个装置具有N层微腔层，由电极层100与微腔层200共同构成了二维微腔阵列，整个装置阵列个数为N×M个。微腔层上的每个微腔之间由障壁410隔离开。

实施例2

本实施例是在实施例1的基础上设置两个总线电极。如图3所示，电极层中的奇数层100(1)、100(3)、……与第一总线电极601相连接，电极层中的偶数层100(0)、100(2)、……与第二总线电极602相连接，电极层中的每一个偶数层与每一个奇数层之间均包含一个微腔层，第一总线电极601与第二总线电极602之间施加交流电压或直流电压，使阵列放电。

实施例3

本实施例是在实施例2的基础上增加设置第三总线电极。如图4所示，电极层中的每一个偶数层与每一个奇数层之间均包含一个微腔层，微腔层200(1)、200(2)，……与第三总线电极603相连接。第一总线电极601与第二总线电极602之间施加交流电压或直流电压，可以作为放电维持电极，负责维持放电的状态；第三总线电极603可以作为寻址电极，设定该行是需要点亮还是不需要点亮。

实施例4

本实施例设置有四个总线电极，并且两个电极层100之间设有两个紧密连接的微腔层200。如图5所示，该可装配的二维微等离子体阵列装置也由电极层100和微腔层200组成，电极层100与两个微腔层200交替层叠，各层的定位孔要全部对齐。装置的最外侧为电极层100(0)和100(N)，第零电极层100(0)与第一微腔层200(1)相连接，通过定位孔对齐，二者之间密切接触，中间不留空隙。第一微腔层200(1)与第二微腔层200(2)相连接，通过定位孔对齐，二者之间密切接触，中间不留空隙，两个微腔层的微腔400对齐或者在水平方向上错开一定的距离。第二微腔层200(2)与第一电极层100(1)相连接，通过定位孔对齐，二者之间密切接触，中间不留空隙。依次类推，第k电极层100(k)与第2k+1个微腔层200(2k+1)相连接，通过定位孔对齐，二者之间密切接触，中间不留空隙；第2k+1个微腔层200(2k+1)与第2k+2个微腔层200(2k+2)相连接，通过定位孔对齐，二者之间密切接触，中间不留空隙。直到第2N微腔层200(2N)和第N电极层100(N)。电极层中的奇数层100(1)、100(3)、……与第一总线电极601相连接，电极层中的偶数层100(0)、100(2)、……与第二总线电极602相连接，电极层中的每一个偶数层与每一个奇数层之间均包含两个微腔层，奇数微腔层200(1)、200(3)、……与第三总线电极603相连接。偶数微腔层200(2)、200(4)、……与第四总线电极604相连接。第一总线电极601与第二总线电极602之间施加交流电压或直流电压，可以作为放电维持电极，负责维持放电的状态；第三总线电极603与第四总线电极604可以作为寻址电极，设定该行是需要点亮还是不需要点亮。

实施例5

如图6所示，本实施例的可装配的二维微等离子体阵列装置，由两个电极层100(0)、100(1)和多个微腔层200组成，电极层100与微腔层200上均包含至少两个定位孔300，电极层100(0)和100(1))位于最外侧，中间为多层微腔层200(1)、200(2)、……，200(2N)，每层的对位孔要对齐。第一微腔层200(1)与第二微腔层200(2)相连接，通过定位孔对齐，二者之间密切接触，中间不留空隙，两个微腔层的微腔400要在水平方向上错开间隔分布，第一微腔层200(1)的微腔400与第二微腔层200(2)的微腔障壁410相连接，第二微腔层200(2)的微腔400与第一微腔层200(2)的微腔障壁410相连接。奇数微腔层200(1)、200(3)、……与第三总线电极603相连接。偶数微腔层200(2)、200(4)、……与第四总线电极604相连接。第三总线电极603与第四总线电极(604)之间施加交流电压，可以作为放电维持电极，负责维持放电的状态。

实施例6

如图7所示，本实施例是针对微腔层100的结构，微腔层100中的微腔400被障壁410所包围，形成一个封闭的区域，微腔400在装置表面没有开口，放电空间被封闭在微腔400内。微腔400的形状可以是任意封闭图形。

上述各实施例提供的可装配的二维微等离子体阵列装置的制备方法如下所述：

首先通过激光、机械以及其它裁切方法将导电片状材料裁切成大小与形状相同的矩形片；然后在每个矩形片的相同的位置处采用激光、超声、机械以及其它钻孔方法制作至少两个定位孔；接着将部分矩形片的边缘采用光刻、线切割以及其它工艺制作构成微腔的凹槽，未制作微腔的矩形片称为电极层，制作微腔的矩形片称为微腔层，每个微腔层上有若干个微腔，形成一个微腔的线阵列，每个微腔层上的微腔数量为M个。采用电化学、镀膜或者其它方法在电极层或微腔层表面制作介电层。将电极层与微腔层的所有定位孔对齐，按照各实施例所述的各层的排列顺序逐层层叠装配。最后将整个电极阵列装置密封起来充入放电气体或者蒸汽，并按各实施例所述将电极引出，具有N层微腔层的阵列装置的微腔数目为N×M个。可装配的二维微等离子体阵列装置微腔可以填充以气态放电介质，所述介质可以包括一种、两种或者多种气体。如果电极层上介电层存在，则装置施加交流电压，如果介电层不存在，则施加交流或直流电压。

Claims (9)

1.一种可装配二维微等离子体阵列装置，由至少两个电极层与至少一个微腔层层叠排列而成，其特征在于：各层之间密切接触，两个最外侧均为电极层，所有电极层与微腔层上均设有至少两个定位孔，所有电极层和微腔层均通过定位孔对齐；微腔层是表面覆盖介电层的导电材料片，或是绝缘材料组成的绝缘片；微腔层的边缘设有凹陷的线阵列微腔，各个微腔之间由障壁隔离开；电极层是导电材料片；由微腔层和电极层中分别引出两电极、三电极或四电极。

2.根据权利要求1所述的可装配二维微等离子体阵列装置，其特征在于：所述电极层与微腔层的层叠排列顺序是电极层与微腔层交替间隔层叠。

3.根据权利要求1所述的可装配二维微等离子体阵列装置，其特征在于：所述电极层与微腔层的层叠排列顺序是只有两个最外侧为电极层，两个电极层之间均为微腔层。

4.根据权利要求1所述的可装配二维微等离子体阵列装置，其特征在于：所述电极层与微腔层的层叠排列顺序是每两个电极层之间设有两个微腔层。

5.根据权利要求1所述的可装配二维微等离子体阵列装置，其特征在于：所述微腔层中的微腔被障壁所包围，形成一个封闭的区域。

6.根据权利要求1所述的可装配二维微等离子体阵列装置，其特征在于：所述微腔层和电极层中引出电极的方式为：由电极层中的奇数层引出第一总线电极，由电极层中的偶数层引出第二总线电极，由各个微腔层中引出第三总线电极。

7.根据权利要求1所述的可装配二维微等离子体阵列装置，其特征在于：所述微腔层和电极层中引出电极的方式为：由电极层中的奇数层引出第一总线电极，由电极层中的偶数层引出与第二总线电极，由奇数微腔层引出第三总线电极，由偶数微腔层引出第四总线电极，第一总线电极与第二总线电极之间施加交流电压或直流电压，作为放电维持电极，负责维持放电的状态；第三总线电极与第四总线电极作为寻址电极，设定该行是需要点亮还是不需要点亮。

8.根据权利要求1所述的可装配二维微等离子体阵列装置，其特征在于：所述微腔层和电极层中引出电极的方式为：由奇数微腔层引出第三总线电极，由偶数微腔层引出第四总线电极，第三总线电极与第四总线电极之间施加交流电压，作为放电维持电极，负责维持放电的状态。

9.一种权利要求1所述可装配二维微等离子体阵列装置的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)通过裁切方法将能够制作微腔层和电极层的导电片状材料以及只能够制作微腔层绝缘片状材料裁切成大小与形状相同的矩形片；

(2)在每个矩形片的相同的位置处制作至少两个定位孔，将要制作成微腔层的矩形片的边缘采用光刻或者切割工艺制作构成微腔的凹槽，未制作微腔的矩形片称为电极层，制作微腔的矩形片称为微腔层，微腔排列形成一个微腔的线阵列；

(3)采用电化学或镀膜方法在电极层或微腔层表面制作介电层，将电极层与微腔层的定位孔对齐，按照装置要求的微腔层与电极层的排列顺序和要求逐层装配；

(4)最后将整个电极阵列装置密封起来充入放电气体或者蒸汽，并将电极引出。

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