基于PI介质层的SDBD柔性等离子体发生器及其应用研究

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等离子体(Plasma)作为物质的“第四态”,蕴藏丰富的物理,化学内涵,现已广泛用于材料科学、集成电路制造、生物医学等不同领域。等离子体激发时产生的活性物质,对细菌、细胞等均有杀灭作用,所以,等离子体杀菌是生物医学领域的一个重要的研究方向。表面介质阻挡放电(Surface Dielectric Barrier Discharge,SDBD)是一种在大气压下产生非热平衡等离子体的放电方式,因其结构简单、灵活性更高、易大面积制备、等离子体温度低且工作条件要求宽泛而倍受关注。SDBD中,多采用刚性介质作为阻挡层,这大大限制了SDBD的应用范围。本文根据表面介质阻挡放电的特点,设计并制作了一种以柔性聚酰亚胺为绝缘层的SDBD等离子体发生器,展示了其在杀菌领域的初步应用。论文主要研究内容包括:(1)采用柔性聚酰亚胺作为介质层,成功制作了图形化SDBD等离子体发生器。通过与干膜光刻法的比较研究,选择并优化了激光标刻法的电极制作工艺。(2)深入研究了基于PI的SDBD柔性等离子体发生器的电学特征和光学特征。通过自主搭建的电学测试系统,利用Q~V李萨如图形法,测得系统功率在0.525 W~1.605 W,实现了器件低功耗工作。发射光谱结果表明,发生器光谱波长集中在340~450 nm范围内,且发射光谱强度与所加电压幅度和频率均呈正相关。对发生器进行500次的循环放电、长时间连续放电以及表面温度的测试结果表明,发生器具有优异的重复性,稳定性。(3)探索了发生器介质层击穿现象,通过对击穿的PI薄膜的SEM图像的分析表明,击穿主要发生于电极与放电区域交界处,击穿处附近存在片状和团簇状的两种碳化结构;对长时间放电PI薄膜表面形貌分析,电极与放电交界处有多处位点发生变性,这些区域可能是潜在的击穿点。击穿是强电场和热量共同作用的结果。(4)探索了等离子杀菌,研究了不同工作时间、工作距离以及表面自清洁下的杀菌效果。开发了一个基于Arduino的无线控制系统,可以在移动/PC端实现对等离子体发生器工作状态的实时控制。
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