交直流電壓下微間隙氣體放電特性研究

劉緒光，孫巖洲，董克亮，蔣智化，2，謝春瑋

(1.河南理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南 焦作 454000；2.新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206；3.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司 阜陽(yáng)城郊供電公司，安徽 阜陽(yáng) 236000)

0 引 言

微放電(micro-discharge)是指放電電極間隙或電極尺寸為微米量級(jí)時(shí)的一種氣體放電形式[1-2]。微間隙氣體放電能夠在大氣壓環(huán)境中產(chǎn)生低溫等離子體，在材料表面改性、殺菌消毒等方面有著廣泛的研究與應(yīng)用[3-7]。另外,隨著微電子器件的不斷更新?lián)Q代，其內(nèi)部空間尺寸越來(lái)越小，從而其擊穿電壓就會(huì)隨之改變，因此需要了解微間隙氣體擊穿機(jī)制，以防止在制造、使用設(shè)備期間導(dǎo)致其發(fā)生故障[8-10]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)微間隙氣體放電下的研究越來(lái)越多：吳沖若等[11]通過(guò)改變環(huán)境氣氛以及電極間隙距離，測(cè)量了5，50，70，100 μm下的擊穿性能，并得出電極之間的距離對(duì)擊穿特性影響很大，距離較小時(shí)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)比大間距時(shí)要高；孫志等[12]利用原子力顯微鏡對(duì)大氣壓空氣環(huán)境中的微放電進(jìn)行了研究，認(rèn)為微間隙放電具有極性效應(yīng)；成永紅等[13]研究了金屬鋁電極5～40 μm間距時(shí)，其放電特性仍然符合巴申曲線(xiàn)，并認(rèn)為此時(shí)放電起主導(dǎo)作用的是碰撞電離產(chǎn)生電子雪崩的湯森放電；LI Yingjie等[14]最近的研究表明，在微間隙電極間隙中積累的正電荷增強(qiáng)了電場(chǎng)，進(jìn)而增強(qiáng)了陰極的場(chǎng)致電子發(fā)射；T.Asokan等[15]研究了空氣中交直流不同電源作用下的微間隙氣體放電行為，發(fā)現(xiàn)其與傳統(tǒng)的宏觀放電有很大不同，并且在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)微小間距下有更高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)；L.M.Radmilowi等[16]通過(guò)千分尺試驗(yàn),研究了電極間距在1～100 μm時(shí)不同氣體情況下的擊穿特性，并通過(guò)場(chǎng)發(fā)射理論討論了電極擊穿時(shí)的現(xiàn)象。

為進(jìn)一步深入探究微間隙氣體放電機(jī)理，本文采用直流、高頻交流2種不同類(lèi)型電壓,對(duì)不同電極間距在大氣壓空氣環(huán)境中進(jìn)行放電機(jī)理試驗(yàn)研究，對(duì)比分析交直流電壓作用下，氣隙擊穿時(shí)的電壓電流波形以及擊穿電壓與電極間距之間的變化規(guī)律，并對(duì)不同情況下的間隙擊穿場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行研究分析；通過(guò)計(jì)算，分析約化電場(chǎng)以及電場(chǎng)倒數(shù)與有效電子產(chǎn)額之間的變化關(guān)系；最后，通過(guò)Fowler-Nordheim(F-N)理論分析，證明在1～5 μm電極間距下，場(chǎng)致電子發(fā)射過(guò)程是間隙擊空的主導(dǎo)因素。

1 電極制備

本文試驗(yàn)所用的電極結(jié)構(gòu)為板-板光滑平面電極，其微米間隙電極結(jié)構(gòu)為：板電極為直徑6 mm,長(zhǎng)度10 mm的不銹鋼，試驗(yàn)前把電極用5 000目砂紙打磨光滑，并用無(wú)水乙醇和去離子水分別進(jìn)行超聲波清洗，最后用酒精進(jìn)行擦拭，降低電極材料表面粗糙程度，減少試驗(yàn)誤差。

2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在普通大氣壓空氣環(huán)境中進(jìn)行，試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，試驗(yàn)所用的等離子體驅(qū)動(dòng)電源分別為直流高壓電源和高頻交流電源，其中直流高壓電源型號(hào)CTP-2000KD，輸出電壓0～10 kV；高頻交流電源型號(hào)PSPT-2000K，為低溫等離子體電源，輸出電壓0～30 kV，頻率1～100 kHz。試驗(yàn)中電壓采用Tektronix P6015A高壓探頭(衰減系數(shù)為1 000)進(jìn)行測(cè)量，電流由型號(hào)為PT-710電流探棒測(cè)量，測(cè)得的電壓電流信號(hào)由GDS-2204A數(shù)字示波器進(jìn)行記錄，示波器帶寬100 MHz,采樣率1 GS/s。

圖1 微米間隙試驗(yàn)平臺(tái)

電極微間隙距離采用精密距離控制儀器(分辨率1 μm，距離0～1 000 μm)進(jìn)行控制。試驗(yàn)過(guò)程為：首先判斷出兩電極間距為0的位置，通過(guò)移動(dòng)電極并在其上施加10 V左右電壓，當(dāng)看到示波器中有電流突增現(xiàn)象的波形出現(xiàn)時(shí)停止移動(dòng)，此時(shí)默認(rèn)兩電極接觸；然后開(kāi)始移動(dòng)增加兩電極間距，逐個(gè)測(cè)量不同間距下的擊穿電壓，并通過(guò)示波器記錄其電壓電流波形；最后，重復(fù)進(jìn)行以上試驗(yàn)過(guò)程，并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 交直流電源微間隙下的擊穿電壓

擊穿電壓是研究微間隙氣體放電機(jī)理的重要參數(shù)，為了研究交直流電壓作用對(duì)微間隙擊穿電壓大小的影響，試驗(yàn)中測(cè)量了板-板平面電極在直流、高頻交流(8.5 kHz)2種電源下不同電極間距(1～100 μm)的擊穿電壓，間距3 μm放電時(shí)的電壓電流波形如圖2所示。為減少試驗(yàn)帶來(lái)的誤差，試驗(yàn)各組數(shù)據(jù)分別測(cè)量5次，取平均值繪制，并與巴申曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，交直流電壓作用下，擊穿電壓隨著電極間距的增加而增加，1～5 μm時(shí)電壓上升緩慢，5～100 μm時(shí)電壓上升較快。在同樣試驗(yàn)條件下，可以看出，當(dāng)電極間距相對(duì)較大時(shí)，直流電源下的擊穿電壓略高于交流電源，但上升趨勢(shì)均符合巴申曲線(xiàn)；電極間距較小時(shí)，兩電源擊穿電壓相差不大，但均與巴申曲線(xiàn)之間出現(xiàn)了明顯的偏差，說(shuō)明巴申定律不適用于1～5 μm的小間距。

由放電時(shí)的波形(圖2)可以看到，在交流電的情況下，第一個(gè)放電電流在0.03 ms左右時(shí)觀察到，放電電壓從峰值衰減到放電停止時(shí)間約為0.02 ms,且從放電開(kāi)始到下一次放電所需時(shí)間約為0.1 ms。在直流電的情況下，第一個(gè)放電電流峰值在0.05 ms左右觀察到，從擊穿放電開(kāi)始到下一次放電的時(shí)間為0.13 ms左右。

圖2 交直流電壓下的放電波形

圖3 不同電極間距的擊穿電壓曲線(xiàn)

3.2 微間隙擊穿場(chǎng)強(qiáng)

傳統(tǒng)大氣壓空氣環(huán)境中板-板平面電極的擊穿場(chǎng)強(qiáng)為3×106V/m。由圖3試驗(yàn)所測(cè)擊穿電壓，計(jì)算出交直流電壓作用下電極間隙擊穿場(chǎng)強(qiáng)大小，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，隨著電極間距的減小，交直流電壓作用下的擊穿場(chǎng)強(qiáng)均有明顯增大，1～100 μm擊穿場(chǎng)強(qiáng)在107～108V/m間，明顯大于傳統(tǒng)情況下的3×106V/m，這與吳沖若和孫志等學(xué)者研究結(jié)果一致[11-12]。用試驗(yàn)記錄的擊穿電壓數(shù)據(jù)估算大氣壓(取101.3 kPa)空氣環(huán)境下，有效電子產(chǎn)額和約化電場(chǎng)E/p=U/(pd)以及電場(chǎng)倒數(shù)1/E之間的關(guān)系，如圖5～6所示。有效電子產(chǎn)額公式為[17]

γ=Ke-D/E，

(1)

α電離系數(shù)與約化電場(chǎng)E/p之間的關(guān)系為

(2)

K和D是與氣體和材料有關(guān)的常數(shù)，常數(shù)D由式(3)決定，

D=6.85×107φ3/2/β，

(3)

式中：β為場(chǎng)增強(qiáng)因子；φ為金屬的功函數(shù)，eV。

根據(jù)式(1)，當(dāng)陰極區(qū)電場(chǎng)大于D給出的閾值時(shí)，二次電子發(fā)射系數(shù)迅速增大，有效電子產(chǎn)額也迅速增加。

由圖5可知，估算的有效電子產(chǎn)額從100 μm時(shí)的約1.5×10-4增加到1 μm間隙時(shí)的1.2左右，這表明隨著微間隙距離的減小，場(chǎng)強(qiáng)E不斷增大，有效電子產(chǎn)額也隨之增加，且在1～5 μm時(shí)，有效產(chǎn)額值約為1，這與國(guó)外學(xué)者的研究一致[16-17]。在較低的約化電場(chǎng)數(shù)值時(shí)，直流擊穿電壓的有效電子產(chǎn)額略高于交流電場(chǎng)；在較高的約化電場(chǎng)E/p值時(shí)，有效電子產(chǎn)額值之間沒(méi)有太大的差異。由圖6同樣可以看出，隨著場(chǎng)強(qiáng)增大而有效電子產(chǎn)額的增加，當(dāng)離子接近陰極時(shí)，它可以縮小電子在金屬中的勢(shì)壘，通過(guò)量子力學(xué)隧穿從金屬電極表面釋放電子，從而產(chǎn)生了場(chǎng)致電子發(fā)射，并且在大氣壓環(huán)境中電子平均自由程為0.5～1 μm，因此，在較小的電極間距下，擊穿不是由電子雪崩過(guò)程引起的，當(dāng)電場(chǎng)足夠大時(shí)，場(chǎng)致電子發(fā)射成為擊穿過(guò)程的主導(dǎo)機(jī)制。由以上分析可知，在微間隙放電中，有效電子產(chǎn)額與約化電場(chǎng)及場(chǎng)強(qiáng)之間的依賴(lài)關(guān)系大致相同，既適用于直流電領(lǐng)域，也適用于高頻交流電領(lǐng)域。

圖4 不銹鋼電極不同間距下的擊穿場(chǎng)強(qiáng)Fig.4 Breakdown field strength of stainless steelelectrodes at different spacing

圖5 不同約化電場(chǎng)下的有效電子產(chǎn)額Fig.5 Effective electron yields under differentreducedelectric fields

圖6 不同電場(chǎng)倒數(shù)下的有效電子產(chǎn)額

3.3 場(chǎng)致電子發(fā)射

氣體放電是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程，主要由3種關(guān)鍵機(jī)制造成，包括電子碰撞電離(electron impact ionization，EII)、二次電子發(fā)射(secondary electron emission，SEE)和場(chǎng)發(fā)射(field emission，F(xiàn)E)，氣體放電過(guò)程中電荷產(chǎn)生的物理原理如圖7所示。

圖7 微間隙中3種放電機(jī)制示意圖

巴申定律并未考慮場(chǎng)致電子發(fā)射對(duì)氣體擊穿過(guò)程的影響，而由試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析可知，當(dāng)電極間距小于5 μm時(shí)，擊穿場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到了108V/m，這也被認(rèn)為是導(dǎo)致巴申曲線(xiàn)在小間距下偏離的主要原因[13,18]。

金屬電極的場(chǎng)發(fā)射電流密度可用Fowler-Nordheim(F-N)方程[19]描述，

(4)

式中：J為場(chǎng)致發(fā)射電流密度；φ為金屬功函數(shù)；a，b為常數(shù)參量；E為電場(chǎng)強(qiáng)度；y=3.79×10-4E1/2/φ;一般情況下，t2(y)=1.1;V(y)=0.95-y2。場(chǎng)發(fā)射電流為：I=J·S；且E=U/d，同時(shí)代入式(4)并在兩邊取對(duì)數(shù)，可得

(5)

式中：S為場(chǎng)發(fā)射有效面積；U為所加電壓；d為電極間距；I為場(chǎng)發(fā)射電流。由ln(I/U2)和(1/U)之間的曲線(xiàn)關(guān)系知，當(dāng)F-N曲線(xiàn)表現(xiàn)負(fù)斜率性時(shí)[20]，電極間距之間的電子發(fā)射為場(chǎng)致電子發(fā)射。圖8為試驗(yàn)計(jì)算得出的1～5 μm間隙時(shí)F-N曲線(xiàn)，由圖8可知，該情況下的放電為場(chǎng)致電子發(fā)

圖8 不同電極間距下的F-N曲線(xiàn)Fig.8 F-N plots at different electrode gaps

射主導(dǎo)。場(chǎng)致發(fā)射產(chǎn)生時(shí),隨著外加電場(chǎng)的不斷增加，金屬電極表面的勢(shì)壘隨之降低,從其表面逸出的電子越來(lái)越多,這樣場(chǎng)致發(fā)射電流就越來(lái)越大。通過(guò)F-N方程預(yù)測(cè)了不銹鋼電極在1，3，5 μm間隙及不同電壓下的場(chǎng)發(fā)射電流密度，結(jié)果如圖9所示，該結(jié)果與其他學(xué)者的研究結(jié)果相一致[17],由此可知，隨著微間隙尺寸的減小，電壓增加時(shí)，場(chǎng)發(fā)射的貢獻(xiàn)逐漸增大。

圖9 不同間距及電壓下的電流密度

4 結(jié) 論

本文研究了大氣壓空氣環(huán)境下，在交直流電壓作用時(shí)1～100 μm不同電極間隙的放電特性，通過(guò)計(jì)算分析，得到以下結(jié)論：

(1)1～5 μm微間距的交直流擊穿電壓整體低于巴申曲線(xiàn)預(yù)測(cè)的電壓；5～100 μm時(shí)直流擊穿電壓略大于交流，且隨著微間隙距離的增加，兩者擊穿電壓上升趨勢(shì)與巴申曲線(xiàn)大致相同。

(2)1～100 μm間距時(shí)交直流電壓作用下,隨著間距的減小，微間距氣體的擊穿場(chǎng)強(qiáng)都迅速增加，1～5 μm間距時(shí)擊穿需要達(dá)到108V/m量級(jí)。

(3)當(dāng)電極間距在1～5 μm時(shí)，由高場(chǎng)強(qiáng)引起的場(chǎng)致電子發(fā)射是巴申曲線(xiàn)偏離的主要原因；通過(guò)F-N曲線(xiàn)可知，此間距下的放電過(guò)程是由場(chǎng)致電子發(fā)射起主導(dǎo)作用，并且隨著電極間隙距離的減小，場(chǎng)發(fā)射的貢獻(xiàn)逐漸增大。