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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.3.2008.tde-14082008-171713
Documento
Autor
Nome completo
Roberto Katsuhiro Yamamoto
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2008
Orientador
Banca examinadora
Maciel, Homero Santiago (Presidente)
Galvão, Ricardo Magnus Osório
Laganá, Armando Antonio Maria
Seabra, Antonio Carlos
Swart, Jacobus Willibrordus
Título em português
Desenvolvimento de um gerador de microplasma utilizando a tecnologia LTCC.
Palavras-chave em português
Microplasma
Plasma (microeletrônica)
Tecnologia LTCC
Resumo em português
Microplasmas são plasmas gerados em espaços com dimensões reduzidas, tipicamente, de dezenas a centenas de micrômetros. Apresentam como principal vantagem a possibilidade de se obter plasmas frios com densidades elevadas com baixo consumo de energia em pressões maiores do que em reatores convencionais, reduzindo sensivelmente o custo do equipamento. Um gerador de microplasma inédito foi desenvolvido neste trabalho, utilizando a tecnologia LTCC. O dispositivo é constituído por dois eletrodos paralelos de prata-paládio perfurados por centenas de microfuros, formando microcanais. O microplasma é gerado na região entre os eletrodos e é conduzido para fora do gerador através dos microcanais, constituindo um plasma remoto que pode interagir com a superfície de um material a ser processado. Os microfuros formam a estrutura de um microcatodo oco. Na fabricação, as camadas de cerâmica verde foram usinadas com uma máquina de CNC e os eletrodos foram obtidos por serigrafia. O método de pós-sinterização utilizando a cerâmica de transferência mostrou ser bastante reprodutível e produziu eletrodos totalmente planos, sem arqueamento. O gerador de microplasma foi instalado dentro de um reator RIE convencional e o microplasma foi gerado em DC e RF. A caracterização dos microplasmas de Ar, O2, N2 e He foi realizada por meio de curvas VxI, sonda dupla de Langmuir e espectroscopia de emissão óptica. Para descargas DC, em condições de baixa vazão de gás e elevada pressão, as curvas VxI mostraram três modos de descarga: catodo oco, normal e anormal. O efeito catodo oco foi evidenciado também pelos espectros de emissão óptica que mostraram raias na faixa de 300 a 450 nm, que indicam a presença de elétrons de alta energia. Essas raias foram mais fortemente evidenciadas em descargas RF. Temperaturas de elétrons elevadas, na faixa de 10 a 30 eV, foram obtidas através de medidas com a sonda dupla de Langmuir, nas condições em que o efeito catodo oco foi observado. A aplicabilidade do gerador de microplasma foi testada com foco no tratamento de superfície de polietileno e os resultados mostraram alta capacidade de redução do ângulo de contato e aumento da molhabilidade superficial, demonstrando, conseqüentemente, substancial modificação da energia de superfície do material, através desse processo a microplasma.
Título em inglês
Development of a microplasma generator using the LTCC technology.
Palavras-chave em inglês
Green tape
LTCC
Microdischarge
Microplasma
Resumo em inglês
Microplasmas are plasmas generated in spaces with reduced dimensions, typically ranging from tens to hundreds of microns. The major advantage of a microplasma generator is the possibility of glow discharge generation with high plasma density and low power consumption at pressures higher than usually observed in conventional plasma reactors, reducing considerably the equipment cost. A novel structure of microplasma generator was developed in this work, using the LTCC technology. The device is composed of two silver-palladium parallel electrodes perforated by hundreds of microholes, constituting microchannels. The microplasma itself is formed between the electrodes and the plasma species are carried through the microchannels to reach the processing chamber, where they can interact with the samples to be treated. The presence of microholes can promote microhollow cathode effect. In the fabrication process, green tapes were micromachined by using a CNC and the electrodes were obtained by screen printing. The post-fire method using transfer tapes has demonstrated to be very reproducible and produced very flat electrodes. The microplasma generator was mounted into a conventional homemade reactive ion etching (RIE) reactor and driven by DC and RF power supply. Characterization of Ar, O2, N2 and He microplasmas was performed by means of VxI characteristics, double Langmuir probe and optical emission spectroscopy. For DC discharges, the VxI characteristics revealed three distinct regions: microhollow cathode mode, normal glow and abnormal glow, for low gas flow rate and high pressure conditions. The microhollow cathode effect was evidenced by optical emission that presented lines in wavelengths between 300 and 450 nm, indicating the presence of high energy electrons. These emission lines have shown to be more intense in RF discharges. Double Langmuir probe diagnostic showed high electron temperatures ranging from 10 and 30 eV, under the microhollow cathode effect conditions. The microplasma generator applicability was tested focusing on the surface treatment of polyethylene film. The results showed high efficiency of this process in reducing water contact angle and thus substantially increasing the polyethylene wettability, thus demonstrating effective modification of surface energy of the material. One can conclude that among other potential applications for material processing, the microplasma generator has already shown to be a reliable tool to modify the surface energy of materials.
 
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Data de Publicação
2008-08-21
 
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