小功率平面微带电感耦合微波等离子体源的研究

论文摘要

基于微系统的小功率微波等离子体技术是一项近几年发展起来的集微电子技术、微波技术和等离子体技术于一体的高新技术。其基本思想是采用微带电路通过小功率微波激励小尺寸的等离子体，例如用不超过3～5瓦的微波功率使气体电离，产生10毫米甚至0.2毫米尺寸的等离子体。这种基于微系统的小功率微波等离子体具有很多突出优点，如结构简单、使用寿命长、状态稳定、无电极污染、易与其它MEMS器件集成等等。由于此项技术在生物MEMS的杀菌消毒、小尺寸材料的处理以及微化学分析系统等领域具有良好的应用前景，因而受到越来越广泛的关注。本文根据小功率等离子体源的小型化要求，重点研究微带电感耦合等离子体源（ICP）激励天线的设计原理并加以研制。本文在射频MICP的基础上，根据小型化等离子体源和小功率微带螺旋电感耦合谐振天线的理论，研究电感耦合等离子体源天线的等效电路，分析等离子体激励后对谐振天线的影响，通过理论分析，建立模型，提出了一种至上而下（Top-down）的设计方法，并使用MatLab对其进行理论计算，简化了微型ICP天线设计流程。为了验证理论计算，本文运用软件进行仿真，设计了一个谐振在2.45GHz的微带电感耦合等离子体源（ICP）激励天线，研究相关参数对微带谐振器性能的影响。仿真发现螺旋线圈的尺寸对谐振频率的影响最明显，其中螺旋线圈外径对频率的调整范围较大，当其他参数不变而增大外径Do时，谐振频率减小；随着介质基片介电常数的增大，谐振频率开始减小，辐射效率降低。理论计算结果与实验结果比较基本符合。本文还研究了电感耦合激励天线的损耗机制，提出一种自谐振结构，使辐射场增强为原结构的7倍。实验结果验证了理论和仿真的正确性。本研究受国家自然科学基金资助项目（60471015）资助。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
• 1.1.研究背景
• 1.1.1.等离子体源的工作原理
• 1.1.2.小功率等离子体源的特点
• 1.1.3.国内外研究状况
• 1.2.本文的主要工作和贡献
• 第2章 微带螺旋谐振天线结构的理论分析
• 2.1.微带谐振器基础
• 2.1.1.单端口谐振器
• 2.1.2.匹配网络
• 2.2.电感耦合谐振天线
• 2.2.1.螺旋电感的场分析
• 2.2.2.传统ICT谐振结构分析
• 2.2.3.微带结构ICP谐振结构分析
• 2.3.加载等离子体负载
• 2.3.1.等效电路分析
• 2.3.2.负载对谐振频率的影响
• 2.4.理论计算
• 2.5.本章小结
• 第3章 螺旋电感耦合谐振天线的设计和性能研究
• 3.1.螺旋线圈设计
• 3.1.1.螺旋线圈尺寸变化对Q值的影响
• 3.1.2.渐变螺旋
• 3.2.仿真结果
• 3.2.1.介质介电常数对Q值及其辐射效率的影响
• 3.2.2.耦合结构天线与自谐振结构天线的比较
• 3.3.本章小结
• 第4章 实验设备和测试装置
• 4.1.实验装置
• 4.1.1.等离子体源和测量系统
• 4.2.实验结果和分析
• 4.2.1.谐振天线测量
• 4.2.2.等离子体激发
• 第5章 总结和展望
• 5.1.本文工作总结
• 5.2.展望
• 参考文献
• 作者在攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢