Schéma électrique équivalent du dispositif avec transformateur KHz

Schéma électrique équivalent du dispositif avec transformateur KHz

INTRODUCTION

De nos jours, les sources de plasma sont utilisées par de nombreuses technologies issues de la production industrielle, par exemple : pour la production de semi-conducteur, le traitement des matériaux, la découpe du verre ou la séparation des molécules composant un gaz. Le premier objectif de ce travail de diplôme est de designer et concevoir la mécanique d’un dispositif permettant la génération de plasma dans une source ponctuelle. Pour ce projet, des trous submillimétriques sont utilisés comme source ponctuelle afin d’exploiter le principe de cathode creuse. C’est une technologie encore nouvelle et peu explorée, quelques études ont été réalisées sur ce procédé et ces études déclarent qu’avec cette source ponctuelle, la puissance nécessaire pour générer un plasma serait plus basse qu’avec les sources de plasmas déjà existantes dans l’industrie. Les tests et les mesures réalisés lors de ces études n’ont été faits qu’avec un certain nombre de gaz et avec une plage de fréquence spécifique. L’objectif de ce projet est d’expérimenter cette technologie avec une mécanique plus adaptée, des flux de gaz différents et une plage de fréquences plus large. La mécanique de ce système doit être compacte, résistante en température et doit permettre le passage d’un flux de gaz dans le plasma. Mais surtout, le montage du dispositif doit permettre la possibilité de changer facilement le support à trou submillimétrique dans lequel va être généré le plasma. La suite du projet consiste à réaliser une multitude de tests et mesures sur les plasmas générés dans différents supports à trou submillimétrique. Ces mesures permettent d’obtenir la valeur de la puissance nécessaire pour générer un plasma et de déterminer en fonction des différents paramètres de réglage, quels sont la mécanique, le flux de gaz et l’électronique de puissance les plus adaptés pour optimiser cette puissance nécessaire.

 RAPPEL SOURCE DE PLASMA

Le plasma se forme dans un gaz ou dans un isolant électrique lorsque celui-ci est soumis à une haute température (environ 2000°C) ou lorsqu’on applique une tension très élevée à ses bornes, c’est-à-dire lorsqu’on le soumet à un champ électrique intense. Le champ électrique dépend également de la distance entre les bornes. La pression environnante et le matériau ou le gaz dans lequel est généré le plasma influencent également les conditions pour obtenir un claquage.
Le fonctionnement est le suivant : on met deux électrodes aux bornes d’un gaz électriquement neutre. Grâce au champ électrique, on accélère les électrons d’une électrode à l’autre à travers le gaz. Ces mêmes électrons vont alors percuter les charges neutres composant le gaz. Si lors de cette collision, les électrons ont une énergie cinétique supérieure à l’énergie qui rattache les autres électrons à leur atome de charge neutre, ces même atomes de charge neutre vont perdre des électrons et vont être chargés positivement (on dit qu’ils se ionisent). Ces électrons perdus vont à leur tour percuter d’autres charges neutres qui vont à nouveau perdre des électrons, et ainsi de suite. On appelle cela l’effet avalanche. Lorsque l’ionisation est assez importante pour que le nombre d’électrons par unité de volume soit assez élevé par rapport à celui des molécules neutres, le gaz devient alors un fluide très conducteur que l’on appelle plasma.
Du fait de leurs propriétés réactives, les plasmas ont de nombreux domaines d’application : découpe du verre, traitement d’un gaz, séparation de molécules, traitement de surface des matériaux, etc.

 Problèmes rencontrés

Lors des tests sur l’électrode en aluminium, la puissance envoyée par le générateur RF était trop élevée. Du coup, lorsque l’on a amorcé un plasma à l’aide du tournevis entre les électrodes, le courant a circulé dans la faible résistance provoquée par le plasma. De ce fait, la puissance envoyée n’a quasiment pas été dissipée dans le dispositif. Le générateur n’a alors pas supporté la puissance réfléchie et a donc été endommagé. Il a été envoyé chez le fabriquant pour réparation et nous est revenu seulement la dernière semaine du projet. De ce fait, nous n’avons pas plus en explorer d’avantage en MHz.

 DC continu et DC pulsé

Des tests ont été réalisés en DC et DC pulsé haute tension sur le dispositif à trou usiné sur PCB.
L’alimentation DC pulsée a été utilisée avec une fréquence de pulsation de 8kHz ainsi qu’un rapport de modulation de 50%.
On arrive à obtenir un plasma constant dans le trou avec un flux d’hélium avec l’alimentation DC et DC pulsé Par contre sur un PCB avec 5 trous, avec l’alimentation DC et DC pulsé, on obtient un plasma uniquement dans 3 trous.
Une puissance de 0.65W est nécessaire pour générer un plasma dans un PCB avec un seul trou sans flux de gaz.

CONCLUSION

1) Un montage permettant l’alimentation et la génération de plasma dans différents supports facilement interchangeables a été réalisé. Il permet également le passage de différents flux de gaz et il est résistant en température. Il peut être facilement alimenté par toute sorte d’alimentation (MHz, kHz, DC, DC pulsé,..). Il a également été conçu afin d’empêcher un maximum de claquages non désirés.
2) Le schéma équivalent électrique du dispositif à trou ainsi que celui du transformateur haute tension utilisé ont pu être établis.
3) Le comportement en fréquence (kHz) du dispositif accouplé au transformateur haute tension a pu être simulé et comparé avec celui obtenu sur le montage réel.
4) L’observation à la caméra haute vitesse a pu dévoiler que le plasma obtenu dans les 5 trous n’est en fait qu’un plasma qui se génère alternativement d’un trou à l’autre. Chose que les études déjà existantes [4][5][6] ne dévoilent pas.
5) Les expériences ont démontré qu’en fonction du gaz qu’on utilise et selon que le dispositif est mis à la terre ou non, le plasma ne se comporte pas de la même manière et qu’il peut ou non détériorer le trou du support.
6) Les tests exécutés sur les différents flux de gaz nous permettent de savoir avec quel gaz on a la puissance nécessaire pour générer un plasma la plus basse.
7) On connait l’intensité énergétique des plasmas générés pour chaque flux de gaz.
8) On sait maintenant les avantages et les désavantages de chaque alimentation utilisée pour la génération de plasma.
a. kHz : Permet la génération de plasma dans un grand nombre de support en pouvant moduler un nombre de paramètres conséquents. La variation de la fréquence et l’accouplement du système à un transformateur permet l’apparition d’une résonnance
b. MHz : Ne permet pas pour l’instant la génération spontanée de plasma.
Cependant, lorsqu’un moyen d’obtenir un claquage sera disponible (à l’aide d’un transformateur par exemple), il serait intéressant d’étudier le comportement des plasmas générés.
c. DC et DC pulsé : Facilement transportable et relativement bon marché, permettent la génération de plasma dans un grand nombre de supports.
Cependant aucun plasma dans les 5 trous n’a été obtenu et cette alimentation ne permet pas l’apparition d’une résonance.

Table des matières

1 Introduction
1.1 Descriptif
1.2 Cahier des charges
2 Rappel source de plasma
3 Origine du projet
3.1 Principe de la cathode creuse avec électrode en aluminium
3.2 Principe de la cathode creuse avec électrode usinée sur PCB
3.3 Avec électrode à plusieurs trous submillimétriques
4 Conception Mecanique
4.1 Généralité
4.2 Electrode à trou submillimétrique en aluminium
4.3 Electrode à trou usinée sur PCB
4.4 Problèmes survenus et corrections apportées
5 Mesures et tests
5.1 Alimentation KHz basse tension
5.1.1 Descriptif
5.1.2 Tests et mesures effectués
5.1.3 Résultats obtenus
5.2 Alimentation MHz
5.2.1 Descriptif
5.2.2 Tests et mesures effectués
5.2.3 Résultats obtenus
5.2.4 Observations
5.2.5 Problèmes rencontrés
5.3 Alimentation KHz Haute tension
5.3.1 Descriptif
5.3.2 Tests et mesures effectués
5.3.3 Résultats obtenus
5.4 Schéma électrique équivalent du dispositif avec transformateur KHz
5.5 Comparaison du comportement en fréquence
5.6 DC continu et DC pulsé
6 Orientations futures
6.1 Mécanique
6.1.1 Dispositif avec électrode céramique
6.1.2 Dispositif avec mise sous vide
6.2 Alimentation MHz
6.2.1 Obtenir un claquage en MHz
6.2.2 Obtenir un plasma dans plusieurs trous simultanément
7 Conclusion

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