用於生成微波激發的微等離子體的可攜式電源裝置的製作方法

2023-05-15 19:37:51 1

專利名稱：用於生成微波激發的微等離子體的可攜式電源裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及可攜式電源裝置，並且更具體地，其涉及用於生成微波等離子體的便 攜式電源裝置，通過使用具有特殊頻率的微波生成等離子體、在生成等離子體之後監控從 等離子體生成裝置反射的功率、檢測改變的阻抗匹配條件並校正頻率，該可攜式電源裝置 能夠使從等離子體生成裝置反射的功率最小化並改善等離子體生成裝置的功耗。
背景技術：
最近，等離子體處理已經被開發用於生物醫學領域中的各種應用，例如血液凝 固、消毒、巴氏殺菌、牙齒美白和癌症治療。為了將等離子體用於生物醫學領域中的各種應 用，需要開發可操作以在常壓下生成等離子體的等離子體生成裝置，而不是在半導體加工 中使用的、在真空室中低壓生成等離子體的等離子體生成裝置。通常，在常壓下生成等離子體所需的功率高於在真空室中低壓生成等離子體所需 的功率。圖1示出了生成等離子體時氣壓與點火功率之間的關係的圖形。參照圖1，可看出，在低壓(例如在真空室中可實現的約1託(Torr)的氣壓)情況 下生成等離子體需要約0.25W的點火功率。相反地，可看出，在高壓(例如約760託的大氣 壓)情況下需要約2. 5W的點火功率生成等離子體。圖1的圖形說明了根據包含常壓的氣壓情況在等離子體生成裝置中生成等離子 體所需的功率的測量結果。特別地，該測量是在沒有任何氣體流入等離子體生成裝置的情 況下進行的。在氣體流入等離子體生成裝置以生成等離子體射流的情況下，生成等離子體 的功率進一步增加。因此，在傳統的常壓等離子體生成裝置中，在常壓的情況下生成等離子體需要更 高的功率。因此，存在電源裝置的體積和尺寸太大而難以攜帶的問題。圖2是示出了在微波等離子體生成裝置中生成等離子體之前和之後的反射係數 的圖形。在下文中，微波等離子體生成裝置表示通過將微波用作電源以生成等離子的裝置。在圖2中，圖形(a)示出了在生成等離子體之前，更確切地說，在未加載點火之前， 從微波等離子體生成裝置反射的功率，而圖形(b)示出了在生成等離子體之後，更確切地 說，在點火之後，從微波等離子體生成裝置出反射的功率，其中，等離子體是用IW的功率、 由氣壓為760託的氬氣(Ar)或氦氣(He)生成的。參照在生成等離子體之前的圖(a)，可理 解到，微波等離子體生成裝置被設計為在對應於最小反射係數的頻率875MHz時是最優的。然而，還可從示出了生成等離子體之後的反射係數的圖(b)中理解到，使用在頻 率875MHz時是最優的微波等離子體生成裝置在常壓下生成等離子體之後，反射係數被改 變。通常，由於常壓下的電容的改變，工作頻率變為略低於初始頻率875MHz，如圖(b) 所示。如存在於生成的等離子體中的離子和電子等帶電微粒會影響電場，以使等離子體生成裝置的電容變得不同於初始設計的值。由於該原因，在微波等離子體生成裝置中生成 等離子體之後，初始設計的阻抗匹配被改變。因此，如果在沒有任何校正的情況下將微波的初始設計頻率提供給微波等離子體生成裝置，那麼將不能控制由於工作頻率的減小導致的反射功率的增加。因此，存在的問題 在於由於不必要的功率消耗而使功率的效率被降低。

發明內容
本發明提供了這樣的可攜式電源裝置，該可攜式電源裝置能夠通過使用微波生成 具有低功率的常壓等離子體、在生成等離子體之後監控從等離子體生成裝置反射的功率和 根據反射功率的變化校正頻率以使從等離子體生成裝置反射的功率最小化。本發明還提供 了這樣的可攜式電源裝置，其能夠通過安裝在印刷電路板或一個晶片上以大大地減小其體 積和重量並改善其便攜性。根據本發明的一個方面，提供了一種可攜式電源裝置，該可攜式電源裝置用於給 生成微波等離子體的微波等離子體生成裝置提供功率，該可攜式電源裝置包括振蕩放大 單元，其具有連接到微波等離子體生成裝置的輸出級並具有提供放大的微波的振蕩器；和 反射功率反饋單元，其一個級被連接到微波等離子體生成裝置以接收在生成等離子體時從 微波等離子體生成裝置100反射的反射功率作為反饋並測量該反射功率的梯度，並且所述 反射功率反饋單元的另一個級被連接到振蕩放大單元以生成開關控制信號並提供該開關 控制信號，該開關控制信號用於將微波的頻率調節為適合於改變後的反射功率的頻率。


在參照附圖詳細地描述了本發明的示例性實施方式後，本發明的上述性質和優點 以及其它性質和優點將更加顯而易見，其中圖1是示出了生成等離子體時壓力與點火功率之間的關係的圖形；圖2是示出了在微波等離子體生成裝置生成等離子體之前和之後的反射係數的 圖形；圖3是示出了根據本發明的用於生成微波等離子體的可攜式電源裝置的結構的 示意性方框圖；圖4是示出了根據本發明的用於生成微波等離子體的可攜式電源裝置的振蕩放 大單元的結構的示意性方框圖；圖5是示出了根據本發明的具有反射功率反饋單元的可攜式電源裝置的結構的 示意性方框圖；和圖6是示出了根據本發明的可攜式電源裝置的結構的示意性方框圖，其中反射功 率反饋單元的組件被構造在一個晶片中。
具體實施例方式在下文中，將通過參照附圖解釋本發明的示例性實施方式對本發明進行詳細描 述。圖3是示出了根據本發明的用於生成微波等離子體的可攜式電源裝置的結構的示意性方框圖。參照圖3，用於生成微波等離子體的可攜式電源裝置包括振蕩放大單元200，其 具有振蕩器和輸出級，振蕩器用於提供具有生成微波等離子體的能量的放大微波，輸出級 被連接到微波等離子體生成裝置100 ；和反射功率反饋單元300，其具有被連接到微波等離 子體生成裝置100以接收從微波等離子體生成裝置100反射的反射功率作為反饋的一個 級、以及被連接到振蕩放大單元200以生成開關控制信號並將該開關控制信號提供至電源 裝置的另一級，所述開關控制信號用於將微波的振蕩頻率調節為適於在生成等離子體時被 改變的反射係數的頻率。
通過使用由振蕩放大單元200生成的微波，微波等離子體生成裝置100可在常壓 下用較低功率生成微波等離子體。微波等離子體生成裝置100可由普通的等離子體生成裝 置構成。如由本發明人提交的第10-2008-83364號韓國專利申請所公開的，微波等離子體 生成裝置100優選地由具有同軸電纜、外部導體、連接器和排放尖端的振蕩器構成以改善 其便攜性。圖4是示出了根據本發明的用於生成微波等離子體的可攜式電源裝置的振蕩放 大單元的結構的示意性方框圖。參照圖4，振蕩放大單元200包括晶體振蕩器210、小數分頻鎖相環(fractional PLL) 220、功率放大器240、驅動放大器230、第一調節器(regulator) 250、第二調節器260和 電池270。除了電池270以外，晶體振蕩器210、小數分頻PLL 220、功率放大器240和驅動 放大器230都優選地安裝在印刷電路板(PCB)上。因此，電源裝置的體積可被最小化，從而 能夠改善其便攜性。晶體振蕩器210由包括振蕩電路的振蕩器構成，用於生成微波以用作生成等離子 體的電源。晶體振蕩器210被設計為使頻率24MHz的信號振蕩。小數分頻PLL 220使用分頻器接收具有較低參考頻率的信號並生成具有較高輸 出頻率的信號。小數分頻PLL 220由小數N分頻PLL(fracti0nal-N PLL)構成，與整數分頻 方案相比，其在帶內噪聲、鎖定時間和參考頻率的雜散效應方面均具有優勢。小數分頻PLL 220被連接到晶體振蕩器210的輸出級以接收由振蕩電路生成的頻率為24MHz的信號。小 數分頻PLL 220將該信號變為能量為微波等離子體生成裝置100需要的、具有如900MHz或 2. 45GHz等期望頻率的信號。功率放大器240接收具有預定頻率的信號，即，由小數分頻PLL220生成的900MHz 或2. 45GHz的信號，並將該信號放大至約5W，以便將該放大信號提供給微波等離子體生成 裝置100。微波等離子體生成裝置100生成具有由功率放大器240提供的例如5W或者更低 的低功率的常壓等離子體射流(APPJ)。優選地，將用於阻抗匹配的驅動放大器230進一步提供在小數分頻PLL 220的輸 出級與功率放大器240的輸入級之間。此外，優選地，稍後將描述的定向耦合器310被連接 到功率放大器240的輸出級以檢測由微波等離子體生成裝置100反射的反射功率。因此， 優選地，可通過定向耦合器310將微波提供給微波等離子體生成裝置100。電池270被構造為具有小體積並且是可重複充電的。此外，優選地，電池270由可 為安裝在PCB上的組件提供約IOV或15V電壓的可重複充電電池構成。第一調節器250將電池270提供的電壓調節為穩定的恆壓並且將該恆壓提供給晶體振蕩器210和小數分頻PLL 220。第二調節器260將電池270提供的電壓調節為穩定的 恆壓並且將該恆壓提供給功率放大器240和驅動放大器230。圖5是示出了根據本發明的具有反射功率反饋單元的可攜式電源裝置的結構的 示意性方框圖。因為圖5所示的電源裝置的振蕩放大單元與圖4所示的振蕩放大器是相同 的，因此將只描述反射功率反饋單元。參照圖5，反射功率反饋單元300包括定向耦合器310、包絡檢波器320、梯度計算 器330和數字濾波器340。優選地，定向耦合器310、包絡檢波器320、梯度計算器330和數 字濾波器340與除了電池270之外的振蕩放大單元200 —起被安裝在單個PCB上，以使電 源裝置的體積最小化。
此外，優選地，振蕩放大單元200的小數分頻PLL 220和驅動放大器230與反射功 率反饋單元300的包絡檢波器320、梯度計算器330和數字濾波器340被構造在一個晶片 中，以使電源裝置的體積和重量最小化並改善其便攜性。定向耦合器310被連接到微波等離子體生成裝置100的一個級以測量生成等離子 體之後從微波等離子生成裝置100反射的反射功率。因此，定向耦合器310被連接到為微 波等離子體生成裝置100提供功率的、振蕩放大單元200的功率放大器240的輸出級，以使 定向耦合器310能夠接收反射功率作為反饋並監控反射功率的變化。包絡檢波器320被連接到定向耦合器310以將通過定向耦合器310反饋的反射功 率與預定的參考電壓(如先前的反射功率)進行比較，以使包絡檢波器320能夠識別反射 功率的變化。梯度計算器330被連接到包絡檢波器320以計算從微波等離子體生成裝置100反 射的反射功率的梯度，以使梯度計算器330能夠根據反射功率的梯度計算對應於最低反射 係數的頻率。數字濾波器340的一個級連接到梯度計算器330以接收計算的頻率。此外，數字 濾波器340的另一個級被連接到振蕩放大單元200的小數分頻PLL 220以向小數分頻PLL 220提供開關控制信號用於調節分頻比，從而將提供給微波等離子體生成裝置100的微波 頻率變為由梯度計算器330根據反射功率的梯度計算出的對應於最低反射係數的頻率。按照這種方式，在反射功率反饋單元中，可根據由振蕩放大單元生成並被提供給 微波等離子體生成裝置的微波的頻率對反射功率進行監控，並且可將根據監控的結果檢測 到的反射功率的變化直接用於生成振蕩頻率的頻率並進行準確的頻率校準。因此，可實現 能夠在常壓下工作並且能大大地改進微波等離子體生成裝置的功耗效率的可攜式電源裝 置。圖6是示出了根據本發明的可攜式電源裝置的結構的示意性方框圖，其組件被構 造在一個晶片中。參照圖6，用於生成微波等離子體的可攜式電源裝置包括振蕩放大器，其為微波 等離子體生成裝置100提供微波；和反射功率反饋單元300，其被連接到振蕩放大單元的輸 出級以測量生成等離子體之後反射功率的變化、生成用於將振蕩放大單元的頻率調節為對 應於最低反射係數的值的開關控制信號、以及將該開關控制信號反饋作為振蕩頻率以校準 微波的頻率。振蕩放大單元包括晶體振蕩器210、小數分頻PLL 220、功率放大器240、混頻器280、第一調節器250、第二調節器260和電池270。晶體振蕩器、小數分頻PLL、功率放大器、 第一調節器、第二調節器和電池均與參照圖4和圖5所描述的器件相同。混頻器280被放 置在小數分頻PLL 220的輸出級與功率放大器240的輸入級之間，從而能夠根據外部輸入 的控制信號的邏輯狀態控制混頻器280的操作。振蕩放大單元的小數分頻PLL 220和混頻器280以及反射功率反饋單元300的包 絡檢波器320、梯度計算器330以及數字濾波器340被構造在一個晶片中，從而可將電源裝 置的體積和重量最小化並改善其便攜性。此外，可將微控制器和微溫度計進一步包含在微波等離子體生成裝置100中以根據反射功率的變化控制氣流率並調節微波頻率。在這種情況下，微溫度計測量微波等離子體生成裝置100生成的等離子體的實時 溫度並將測量值傳遞給微控制器。微控制器將從微溫度計傳遞的等離子體溫度與預定的溫 度進行比較，並自動調節電源和氣流率以維持恆定的溫度值。更具體地說，如果微溫度計的測量溫度高於預定溫度值，那麼微控制器將減小或 暫時阻止由振蕩放大單元提供給微等離子體生成裝置的功率並自動地調節氣流率，以使等 離子體的溫度能夠維持在恆定值。相反地，如果微溫度計的測量溫度低於預定值，那麼微控 制器將增加由振蕩放大單元提供給微等離子體生成裝置的功率並自動地調節氣流率，以使 等離子體的溫度能夠維持在恆定值。因為微波等離子體生成裝置可由這樣的電源裝置提供功率，該電源裝置能夠使功 率效率最大化、使其體積和重量最小化以改善其便攜性、以及能夠在常壓下工作，因此能夠 將該微波等離子體裝置在戰場中作為可攜式凝血裝置使用，以及在如醫院等固定場所的作 為固定裝置使用。此外，能夠提高其作為家庭醫療產品的可用性。因此，自動地監控阻抗匹配條件的改變並且在生成等離子體之後以及在等離子體 生成的初始時刻調節微波頻率，以能夠連續地給微波等離子體生成裝置提供最大功率。因此，與傳統電源裝置相比，由該微波等離子體生成裝置反射的功率能夠減少 10%或者更多。此外，因為功耗可被最小化，因此能夠通過使用電池大大地改善電源裝置的 便攜性。雖然已經結合示例性的實施方式示出和描述了本發明，但是本領域相關技術人員 將理解到，在不偏離由附加權利要求定義的本發明的精神和範圍的情況下可進行修改和改變。
權利要求
一種用於為生成微波等離子體的微波等離子體生成裝置提供功率的可攜式電源裝置，其包括振蕩放大單元，其具有輸出級和振蕩器，所述輸出級被連接到所述微波等離子體生成裝置，所述振蕩器用於提供放大的微波；和反射功率反饋單元，其具有的一個級被連接到所述微波等離子體生成裝置，以在生成所述等離子體時接收從所述微波等離子體生成裝置100反射的反射功率作為反饋並測量所述反射功率的梯度，所述反射功率反饋單元具有的另一個級被連接到所述振蕩放大單元，以生成開關控制信號並提供所述開關控制信號，所述開關控制信號用於將所述微波的頻率調節為適於改變後的反射功率的頻率。
2.根據權利要求1所述的可攜式電源裝置，其中所述振蕩放大單元包括 晶體振蕩器，其具有振蕩器，所述振蕩器包含用於生成所述微波的振蕩電路；小數分頻PLL，其接收由所述晶體振蕩器振蕩的信號並生成在小數分頻方案中的高頻 率信號；功率放大器，其將由所述小數分頻PLL生成的所述高頻率信號放大至5W並將放大後的 信號提供給所述微波等離子體生成裝置；驅動放大器，其被放置在所述小數分頻PLL的輸出級與所述功率放大器的輸入級之間 以匹配阻抗；電池，其提供用於生成所述微波和操作所述電源裝置的功率； 第一調節器，其將由所述電池提供的電壓調節為穩定的恆定電壓並將該恆定電壓提供 給所述晶體振蕩器和所述小數分頻PLL ；和第二調節器，其將由所述電池提供的電壓調節為穩定的恆定電壓並將該恆定電壓提供 給所述功率放大器和所述驅動放大器。
3.根據權利要求2所述的可攜式電源裝置，其中所述晶體振蕩器使頻率為24MHz的信 號振蕩，並且其中所述小數分頻PLL接收所述信號並將所述信號改變為具有所述微波等離子體生 成裝置所需的能量的、頻率為900MHz或2. 45GHz的信號。
4.根據權利要求3所述的可攜式電源裝置，其中所述功率放大器被構造為將所述小數 分頻PLL輸出的所述信號放大至51
5.根據權利要求2所述的可攜式電源裝置，其中所述晶體振蕩器、所述小數分頻PLL、 所述功率放大器和所述驅動放大器被安裝在印刷電路板上。
6.根據權利要求2所述的可攜式電源裝置，其中所述反射功率反饋單元包括定向耦合器，其被連接到所述微波等離子體生成裝置的一個級以對生成所述等離子體 之後由所述微波等離子體生成裝置100反射的反射功率進行測量和監控；包絡檢波器，其一個級被連接到所述定向耦合器以將由所述定向耦合器測量的所述反 射功率與參考電壓進行比較以識別所述反射功率的變化；梯度計算器，其一個級被連接到所述包絡檢波器以計算所述反射功率的梯度並根據所 述梯度計算對應於所述最低反射係數的頻率；和數字濾波器，其一個級被連接到所述梯度計算器以接收計算出的頻率值，所述數字濾 波器的另一個級被連接到所述振蕩放大單元的所述小數分頻PLL以向所述小數分頻PLL提供用於調節分頻比的開關控制信號，從而將提供給所述微波等離子體生成裝置的所述微波 的頻率改變為由所述梯度計算器根據所述反射功率的所述梯度計算出的對應於所述最低 反射係數的頻率。
7.根據權利要求6所述的可攜式電源裝置，其中所述定向耦合器、所述包絡檢波器、所 述梯度計算器和所述數字濾波器與所述振蕩放大單元一起被安裝在單個PCB上。
8.根據權利要求7所述的可攜式電源裝置，其中所述小數分頻PLL、所述驅動放大器、 所述包絡檢波器、所述梯度計算器和所述數字濾波器被構造在一個晶片中。
9.根據權利要求1所述的可攜式電源裝置，其中所述振蕩放大單元包括 晶體振蕩器，其具有振蕩器，所述振蕩器包含用於生成所述微波的振蕩電路；小數分頻PLL，其接收由所述晶體振蕩器振蕩的信號並生成小數分頻方案中的高頻率 信號；功率放大器，其將由所述小數分頻PLL生成的所述高頻率信號放大至5W並將放大後的 信號提供給所述微波等離子體生成裝置；混頻器，其被放置在所述小數分頻PLL的輸出級與所述功率放大器的輸入級之間，並 且所述混頻器的操作根據外部輸入的控制信號的邏輯狀態受到控制； 電池，其提供用於生成所述微波和操作所述電源裝置的功率； 第一調節器，其將由所述電池提供的電壓調節為穩定的恆定電壓並將該恆定電壓提供 給所述晶體振蕩器和小數分頻PLL ；和第二調節器，其將由所述電池提供的電壓調節為穩定的恆定電壓並將該恆定電壓提供 給所述功率放大器和所述驅動放大器；並且 其中所述反射功率反饋單元包括定向耦合器，其被連接到所述微波等離子體生成裝置的一個級以對生成所述等離子體 之後從所述微波等離子體生成裝置100反射的反射功率進行測量和監控；包絡檢波器，其一個級被連接到所述定向耦合器以將由所述定向耦合器測量的所述反 射功率與參考電壓進行比較以識別所述反射功率的變化；梯度計算器，其一個級被連接到所述包絡檢波器以計算所述反射功率的梯度並根據所 述梯度計算對應於最低反射係數的頻率；和數字濾波器，其一個級被連接到所述梯度計算器以接收計算出的頻率值，並且所述數 字濾波器的另一級被連接到所述振蕩放大單元中的所述小數分頻PLL，以向所述小數分頻 PLL提供用於調節分頻比的開關控制信號，從而將提供給所述微波等離子體生成裝置的所 述微波的頻率改變為對應於由所述梯度計算器根據所述反射功率的所述梯度計算出的所 述最低反射係數的頻率。
10.根據權利要求9所述的可攜式電源裝置，其中所述小數分頻PLL、所述混頻器、所述 包絡檢波器、所述梯度計算器和所述數字濾波器被構造在一個晶片中。
11.根據權利要求10所述的可攜式電源裝置，其進一步包括微溫度計，其測量由所述微波等離子體生成裝置生成的所述等離子體的溫度並將所述 溫度傳遞給所述微控制器，其中所述微控制器將從所述微溫度計傳遞的所述等離子體的所述溫度與預定溫度值 進行比較並且自動調節所述電源和所述氣流率以維持恆定的溫度值。
全文摘要
提供了一種用於生成微波等離子體的可攜式電源裝置，通過使用具有特殊頻率的微波生成等離子體、在生成等離子體之後監控從等離子體生成裝置反射的功率、檢測改變的阻抗匹配條件並校正頻率，該可攜式電源裝置能夠使從等離子生成裝置反射的功率最小化並能夠改善等離子體生成裝置的功耗。
文檔編號H05H1/46GK101808458SQ20091014641
公開日2010年8月18日 申請日期2009年6月2日 優先權日2009年2月18日
發明者崔峻, 李在九, 沈載潤 申請人:浦項工科大學校產學協力團