Aparato manual de plasma frío para el tratamiento de superficies con plasma.

Herramienta de plasma para la generación de un chorro de plasma frío con una tobera de plasma que comprende un cuerpo hueco (4) para la alimentación de gas de proceso,

un generador de frecuencia y una red de adaptación para generar la tensión necesaria que contiene una bobina (6), un condensador C2 y eventualmente un condensador C1, caracterizada por que la bobina (6) y el condensador C2 de la red de adaptación están integrados en la tobera de plasma.

Aparato manual de plasma frío para el tratamiento de superficies con plasma.

Esta solicitud reivindica la prioridad de la solicitud de patente alemana No.10 2006 019 664.3, que se presentó el 27 de abril de 2006.

Campo técnico

La invención concierne a una herramienta de plasma para el tratamiento, la modificación y el revestimiento asistidos por plasma de superficies interiores y exteriores de materiales en aire por medio de un chorro de plasma frío de conformidad con el preámbulo de la reivindicación 1.

Estado de la técnica

La tecnología del plasma, especialmente a altas temperaturas y altas presiones de gas, es ya conocida desde hace mucho tiempo y se ha descrito en múltiples ocasiones, por ejemplo en los documentos US 3, 648, 015, US 4, 626, 648, DE 41 08 499 A1 y DE 101 40 298 B4.

En el documento WO 03/026365 A1 se describe un dispositivo que permite generar un plasma por medio de microondas, permitiendo el dispositivo descrito en el documento WO 03/026365 generar una llama de plasma estable a pesar de eventuales fluctuaciones de presión en el gas del proceso.

En la publicación alemana 1 639 257 se describe otro generador de plasma que genera un plasma con altas temperaturas. En este caso, se trata de un generador de chorro de plasma de alta frecuencia con un tubo cilíndrico, en un lado frontal del cual se alimenta el gas a ionizar y en otro lado frontal del cual se descarga el plasma generado, y con una bobina de inducción, un extremo del cual está puesto a masa y el otro extremo de la cual está unido con un generador de alta frecuencia. Entre los dos extremos de la bobina está dispuesta una toma eléctrica. La tensión de alta frecuencia generada en la bobina de inducción es más alta que la tensión de excitación. El tubo en la zona de la salida del plasma es de metal y está aplicado al extremo de la bobina de inducción situado a alta tensión. El tubo está rodeado de manera concéntrica y eléctricamente aislada por una carcasa metálica. Debido a la disposición especial la descarga de gas entre los dos extremos contiguos del tubo y la carcasa tiene lugar a consecuencia de un acoplamiento capacitivo entre estos dos componentes.

Sin embargo, este generador no es adecuado para la generación de un plasma frío de presión normal al menos a consecuencia de la forma de sus electrodos.

Se conocen ya también plasmas de baja temperatura y éstos se utilizan con éxito en numerosas aplicaciones para el tratamiento de superficies con fines de activación de las mismas (variaciones de las propiedades de adherencia, hidrofobización, hidrofilización) , corrosión, polimerización, deposición de capas, limpieza y reducción de gérmenes. No obstante, para estos procesos se han utilizado prioritariamente hasta ahora plasmas de baja presión en los que los radicales necesarios para estas aplicaciones, los átomos excitados, los iones, los electrones y la radiación UV pueden generarse en un grado definido mediante la elección de parámetros adecuados del proceso. Sin embargo, los procedimientos de plasma de baja presión no son adecuados tanto por motivos de costes como por razones técnicas para numerosos procesos industriales en los que es necesaria una modificación de superficie correspondiente.

En el documento EP 0 124 623 se describe un procedimiento de plasma de presión normal que es capaz de ionizar vapor de agua a temperatura relativamente baja. Sin embargo, este procedimiento apenas puede utilizarse en la producción industrial.

Para hacer que los procedimientos tecnológicos de tratamiento de superficies con plasma puedan ser utilizados por usuarios potenciales de estos sectores de la industria, se tienen que desarrollar procedimientos de plasma de presión normal adecuados no térmicos que sean sensiblemente más baratos y se puedan integrar en trayectos de producción correspondientes. Una premisa esencial para la aplicabilidad de procedimientos de plasma de presión normal para este campo de aplicación es la generación de plasmas homogéneos. Una posibilidad para conseguir la homogeneidad necesaria consiste en generar por medio de un flujo dirigido del gas de trabajo (gas del proceso) un chorro de plasma fuera del espacio de descarga.

Todas las clases conocidas de plasmas de descarga que se generan en condiciones de presión normal, como, por ejemplo, descargas en arco de RF, descargas en chispas, en corona y en barrera, puedan emplearse mediante la materialización de flujos de gas de proceso adecuados para la generación de plasmas en chorro anisotermos de presión normal. Plasmas en chorro generados sobre esta base son objeto de diferentes patentes. Así, por ejemplo, en la patente DE 3733492 se presenta un dispositivo para generar un plasma en chorro por medio de descarga en corona que es adecuado para el tratamiento de superficies con plasma. En este caso, una corriente de gas es conducida a través de un trayecto de descarga en corona entre un electrodo interior de forma de varilla y un electro exterior de forma tubular. En la patente DE 19532412 se describe un procedimiento para el tratamiento de

superficies con plasma que se basa en la generación de un chorro de plasma por descarga en arco con un arco voltaico no transmitido. Objeto de las patentes US 6, 194, 036, US 6, 958, 063 y US 6, 262, 523 son disposiciones sobre la base de la excitación de RF de plasmas de presión normal. En otro documento de patente (US 2002/122896) se describen diferentes disposiciones para generar plasmas de presión normal sobre la base de descargas inducidas por RF en tubitos de material aislante. En el sector de la medicina se utilizan plasmas de esta clase para la coagulación de argón-plasma (documentos US 4, 781, 175, US 4, 060, 088, DE 19513338) , para revestimientos sobre implantes artificiales a fin de aumentar su biocompatibilidad, para controlar la adherencia de células sobre superficies, para la esterilización de instrumentos médicos (M. Laroussi: IEEE Trans. Plasma Sci. 30 4 (2002) , 1409, así como para el tratamiento de células y tejidos biológicos (E. Stoffels et al.: Plasma Sources Sci. Technol., 11 (2002) , 383) .

Las disposiciones y procedimientos descritos hasta ahora en la literatura especializada o la literatura de patentes para el tratamiento de superficies por medio de plasma a presión normal son soluciones para campos de trabajo limitados que, debido a su construcción y funcionamiento especiales, no se pueden adaptar o solo se pueden adaptar condicionalmente a las necesidades de otras aplicaciones. Dado que los cometidos y los objetivos del tratamiento de superficies con plasma son muy diversos, hay que aspirar a una solución que haga posible una adaptación de esta clase a necesidades diferentes respecto del material o producto a tratar o del efecto deseado sobre la superficie a tratar. Las disposiciones para generar plasmas a presión normal sobre la base de descargas inducidas por RF tienen la ventaja de que, por un lado, pueden hacerse funcionar a frecuencias fijas (13, 56 MHz, 27, 12 MHz, 46, 68 MHz) que se han liberado para aplicaciones industriales, y, por otro lado, pueden generarse a menores tensiones. No obstante, tienen también un inconveniente esencial que se explicará en lo que sigue.

Los reactores de plasma que funcionan a alta frecuencia necesitan una red de adaptación (matchbox = caja de cerillas) para la transmisión de potencia máxima desde el generador de RF que ellos alimentan. Una forma de circuito frecuentemente empleada en la caja de cerillas es el circuito n. Éste está constituido por dos condensadores C1 y C2 y una bobina (véase la figura 1) . Para mantener bajas las pérdidas en la caja de cerillas se emplean condensadores con aire como dieléctrico que ocupan un gran volumen. Dado que el transporte de corriente a estas frecuencias se efectúa principalmente sobre la superficie de un conductor eléctrico (efecto superficial) , las bobinas y todas las demás alimentaciones eléctricas consisten en un alambre metálico relativamente grueso con alta conductividad eléctrica sobre la superficie (alambre de plata, alambre de cobre plateado) . Debido a esto, esta caja de cerillas es en general muy voluminosa. Para el encendido y el mantenimiento de una descarga en gas en elreactor de plasma se necesitan altas tensiones. Éstas se alcanzan en la caja de cerillas, concretamente debido a que la bobina y el condensador C2 forman un circuito de resonancia en serie que tiene que estar sintonizado a la respectiva frecuencia empleada del generador de RF. Para impedir pérdidas, la línea de alimentación Z2 deberá consistir en una línea apantallada y deberá mantenerse lo más corta que sea posible. De este modo, la caja de cerillas y el reactor de plasma forman de hecho una unidad inmanejable relativamente rígida.... [Seguir leyendo]

1. Herramienta de plasma para la generación de un chorro de plasma frío con una tobera de plasma que comprende un cuerpo hueco (4) para la alimentación de gas de proceso, un generador de frecuencia y una red de adaptación para generar la tensión necesaria que contiene una bobina (6) , un condensador C2 y eventualmente un condensador C1, caracterizada por que la bobina (6) y el condensador C2 de la red de adaptación están integrados en la tobera de plasma.

2. Herramienta de plasma según la reivindicación 1, con una tobera de plasma que comprende dos electrodos, E1 y E2, en donde el electrodo E1 es discrecionalmente un electrodo anular dispuesto alrededor de un cuerpo hueco aislante o un electrodo de varilla dispuesto dentro del cuerpo hueco, y el electrodo E2 es un electrodo anular que está dispuesto en el extremo del lado de la tobera del cuerpo hueco (4) y sobre éste a una distancia del primer electrodo E1 adecuada para la generación de plasma y que está unido con la carcasa puesta a tierra.

3. Herramienta de plasma según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que la red de adaptación comprende un condensador C1 y por que el condensador C1 de la red de adaptación está dispuesto directamente sobre o dentro del generador de frecuencia.

4. Herramienta de plasma según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que la bobina (6) está dispuesta alrededor del cuerpo hueco (4) y preferiblemente descansa sobre este cuerpo hueco o sobre un cuerpo aislante (5) que rodea adicionalmente a este cuerpo hueco.

5. Herramienta de plasma según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que el generador es un generador de RF de frecuencia fija, por que la red de adaptación consiste en una bobina (6) y dos condensadores C1 y C2 con sus uniones y por que la bobina (6) y el condensador C2 están integrados en la tobera de plasma, y por que el condensador C1 está dispuesto sobre o dentro del generador.

6. Herramienta de plasma según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que el generador de frecuencia es un generador sintonizable en frecuencia y la red de adaptación consiste en una bobina (6) con líneas eléctricas, estando integrada la bobina (6) en la tobera de plasma.

7. Herramienta de plasma según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que la red de adaptación consiste en una bobina (6) , las líneas eléctricas y un condensador C1 o un condensador C2.

8. Herramienta de plasma según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que la tobera de plasma está dimensionada de modo que puede mantenerse en una mano durante su uso, siendo especialmente una tobera de plasma con las dimensiones siguientes:

Diámetro: 2 cm, Longitud: 17 cm, Longitud de la zona de plasma: hasta 1 cm.

9. Herramienta de plasma según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que el cuerpo hueco consiste en material aislante.

10. Tobera de plasma, especialmente una tobera de plasma para funcionamiento manual, caracterizada por que contiene la bobina (6) y el condensador C2 de una red de adaptación, tal como se describe en cualquiera de las reivindicaciones anteriores.