2011年 1 月 23号

微等子体文献综述报告

闫文娟

文献：

⒈K H Becker1,4, K H Schoenbach2and J G Eden. Micro- plasmas and applications . J. Phys. D: Appl. Phys. 39 (2006) R55–R70

⒉U. Kogelschatz. Applications of Microplasmas and Microreactor Technology. Contrib. Plasma Phys. 47, No. 1-2, 80 – 88 (2007)

⒊Vassili Karanassios. Microplasmas for chemical analysis: analytical tools or research toys?. Spectrochimica Acta Part B 59 (2004) 909– 928

⒋R. Foest, M. Schmidt, K. Becker. Microplasmas, an emerging field of low-temperatureplasma science and technology. International Journal of Mass Spectrometry 248 (2006) 87–102

⒌Felipe Iza, Gon Jun Kim, Seung Min Lee, Jae Koo Lee,* James L.

Microplasmas: Sources, Particle Kinetics,and Biomedical Applications.

Plasma Process. Polym. 2008, 5, 322–344

6. A. Koutsospyros. Destruction of hydrocarbons in non-thermal,ambient-pressure,capillary discharge plasmas. International Journal of Mass Spectrometry 233 (2004) 305–315

传统等离子体与微等离子体比较传统等离子体：电感耦合等离子体（ ICP ）具有分析稳定，基体效应小而应用于元素分析中。辉光放电等离子体 (GD) 分析固体样品，特别是

表面分析和逐层分析。

缺点：虽然 ICP,GD 有很好的分析能力，但是都具有体积大，气体及功率

消耗大，日常维护和工作费用高的缺点。是能用于实验室分析。微等离子体与传统等离子体相同：微等离子体放电会产生大量电子，正负粒子，自由基粒子组成的电离气体，宏观尺寸维持电中性包含大量亚稳态原子可以激发分子从而发生各种化学反应。

区别：最大的区别在于等离子体反应器的尺寸在 mm 级，（严格上至少等离子体在一个维度上的尺寸小于 1mm ）。微等离子结合了微反应器和低温等离子体一种特殊的等离子体。因此也称为微放电或微腔等离子体。由于反应器微小，尺寸效应和表面效应不能忽略使得传热和传质与等离子体有差别。

微等离子特点：体积小，气体消耗量小，功率低。便于微型化易于携带

研究发展现状： 2002 年国际会议“等离子体光谱分析”上第一次专门召开了微等离子体研讨会。研究人员正致力于发展微等离子体并将其应用于光谱分析，微反应器，生物医学等领域。

介电阻挡微等离子体反应器 介质阻挡放电也被称为无声放电 , 是一种典型的非

平衡的高压交流气体放电 如图，它通常由两个平行电极组成 , 其中至少有一

个电极表面覆盖有电介质 , 当两极间加上交流高压或脉冲时 , 两极间的气体被击穿发生介质阻挡放电。

介质阻挡放电由于介质阻挡作用限制了放电电流的无限增长 , 只有形成快脉冲式电流细丝通道 , 即所谓的微放电。同时 , 电介质还能阻止放电向弧光放电的过渡 , 可以实现高压气体放电 , 因此正被日益广泛的应用于臭氧合成，环境保护等领域

此外 , 介质阻挡放电还可以充当射流等离子体放电的预放电 , 为形成射流提供种子电子 , 产生不同于尖端电晕放电的、 放电性质空间均匀的射流等离子体。

毛细管微等离子体反应器 毛细管放电是电介质毛细管覆盖在一个或两

个电极表面 如图，毛细管放电与介质阻挡放电十分类似

但毛细管射流模式是在介质阻挡放电中没有的。在高气压下放电时 ,毛细管末端产生高强度等离子体射流 , 形成等离子体电极。频率对毛细管放电有着很大的影响 , 当脉冲电压频率为几千赫兹时 , 所观察到的放电模式与介质阻挡放电的扩散辉光放电模式类似而当频率达到某一特定值时 ( 该频率值与长径比和工作气体有很关 ), 会有很长度直明亮的等离子体射流从毛细管末端射出。

当毛细管彼此紧密排列时 , 等离子体射流会相互重叠 , 这时毛细管放电显示出很好的均匀性 , 增强了气相污染物的处理效率

电容耦合微等离子体反应器

★容性耦合等离子体放电 ( 又称 E 模式放电 ) 是通过匹配器和隔直电容 , 将射频功率施加到两块平行平板电极上产生的。★如图， Yosh i k i 等，在石英板间产生容性耦合微等离子体的装置。石英板中矩形沟槽是氦气或等离子体的输运通道 , 两条长度可调的铜电极分别加在上下两块石英板上 , 以决定等离子体的放电长度。整个装置由 13 . 56MH z的射频电源供电 , 放电功耗在 5-25W 之间。 ★ 研究了该容性微放电结构中气体放电的发射光谱特性

感应耦合等离子体反应器 感应耦合等离子体放电的原理主要是将射频电流经由匹配电路传输给感应线圈 ,线圈通过感应形成感应电场 , 从而激发并维持等离子体。

如图， Hopwood 等设计的 mICP ，感应天线的直径约 5mm左右 , 匹配网络所需的电和电容部件均印制在环氧树酯板上。在低压下，该mICP 可以在氩气或空气放电稳定。功耗为 0.5-20W ，操作频率为 100-460MHz 。

将 mICP 应用到了 SO2检测上对 SO2的检出限达到了 45ppb

但是 , 感应耦合微等离子体系统通常对工作气压要求比较高 , 需要运行在低于1torr 的环境下 , 因而限制了其应用。

微波诱导微等离子体 通过注入微波能量而产生的等离子体都可以称为微波诱导等离子体

(MIP) Broekaert 小组首先报道了基于微波传输带技术的微型 MIP( 也称

MSP) 并应用到分析化学上 如图，两块石英片放置在铜基体上，铜板既充当接地电极，又用来冷却

等离子体。每块石英片上有一微型小槽。气体通道上方是微条带的铜电极，通过合适的匹配电路，微波能量（ 2.45GHz ）就会被传输到微条带上，从而在气体通道内产生等离子体。

微等离子体在处理 VOC中的应用

挥发性有机化合物 (VOCs) 是指沸点在 50~260℃、室温下饱和蒸气压超过 133.3 Pa ，的易挥发性有机化合物；是挥发性的碳氢化合物及其衍生物，它包括烃类、芳烃类、醇类、醛类等

甲醇，苯、甲苯、二甲苯，环己酮、甲乙酮，亚硝酸异丁酯，乙醚、二氯乙醚，四氯化碳、二氯乙烯

它是印刷工业、石油化工、电子制造、汽车涂装、表面防腐、交通运输种化工业生产过程中排放废气中的主要污染物。随着工业发展和人们生活水平的提高。 VOCs 的排放量与日剧增，并具有范围广、排放量大、种类多、毒性强等特点。

针对工业 VOCs 的处理方法主要有吸附法、吸收法、催化燃烧法、生物处理法、低温等离子体技术等。与常规技术相比具有工艺简单、流程短、可操作性好的特点，特别是在节能方面有很大的潜力，应用范围也比较广泛，尤其对低质量浓度的有机废气的处理效果非常好

微等离子体在处理 VOC中的应用

VOC ：笨，甲苯，乙苯，二甲苯， NH3 等环境污染物。Koutsospyros 等人，设计了一种毛细管微等离子体反应器处理VOC结果表明，输入电压 10W-100W, 反应器体积 3-20cm3 ，停留时间为0.2-2s ，笨的分解率可达 95%

反应器 由两个平行的电绝缘平板组成平板间距 3.2-1.6mm 。毛细管孔径

0.4mm ，大头针状阴极金属电极部分

插入毛细管中。放电时，等离子体在平行板间隙中形成。

与前一反应器大致相同，区别在于阴极为空心，气体从针孔中进入。由于毛细管末端是等离子体密度最浓区，所以这种设计，使得污染物暴露在最浓区。

是环状反应器， Al片作为外电

极，包裹在基体玻璃上，中间的Al块与基体玻璃环同轴， Al 上

包裹空心水合硅酸铝。气体沿轴向进入。

寒假任务： 1 ）查阅文献，初步设计微离子体反应器 2 ）结合文献，了解微等离子体用于处理 VOC 时所需要考察的条件

，如放电形式、反应温度、反应器，反应气氛、停留时间、能量密度等对分解效率的影响。