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等離子清洗機(jī)清洗原理分析
1、什么是等離子清洗機(jī)
等離子清洗機(jī)采用氣體作為清洗介質(zhì)，有效地避免了因液體清洗介質(zhì)對(duì)被清洗物帶來(lái)的二次污染。等離子清洗機(jī)外接一臺(tái)真空泵，工作時(shí)清洗腔中的等離子體輕柔沖刷被清洗物的表面，短時(shí)間的清洗就可以使有機(jī)污染物被徹底地清洗掉，同時(shí)污染物被真空泵抽走，其清洗程度達(dá)到分子級(jí)。等離子清洗器除了具有超清洗功能外，在特定條件下還可根據(jù)需要改變某些材料表面的性能，等離子體作用于材料表面，使表面分子的化學(xué)鍵發(fā)生重組，形成新的表面特性。對(duì)某些有特殊用途的材料，在超清洗過(guò)程中等離子清洗器的輝光放電不但加強(qiáng)了這些材料的粘附性、相容性和浸潤(rùn)性，并可消毒和殺菌。等離子清洗器廣泛應(yīng)用于光學(xué)、光電子學(xué)、電子學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)、高分子科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、微觀流體學(xué)等領(lǐng)域。
等離子清洗機(jī)的應(yīng)用，起源于20世紀(jì)初，隨著高科技產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，其應(yīng)用越來(lái)越廣，目前已在眾多高科技領(lǐng)域中，居于關(guān)鍵技術(shù)的地位，等離子清洗技術(shù)對(duì)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)和人類文明影響最大，首推電子資訊工業(yè)，尤其是半導(dǎo)體業(yè)與光電工業(yè)。
等離子清洗機(jī)已應(yīng)用于各種電子元件的制造，可以確信，沒(méi)有等離子清洗機(jī)及其清洗技術(shù)，就沒(méi)有今日這么發(fā)達(dá)的電子、資訊和通訊產(chǎn)業(yè)。此外，等離子清洗機(jī)及其清洗技術(shù)也應(yīng)用在光學(xué)工業(yè)、機(jī)械與航天工業(yè)、高分子工業(yè)、污染防治工業(yè)和量測(cè)工業(yè)上，而且是產(chǎn)品提升的關(guān)鍵技術(shù)，比如說(shuō)光學(xué)元件的鍍膜、延長(zhǎng)模具或加工工具壽命的抗磨耗層，復(fù)合材料的中間層、織布或隱性鏡片的表面處理、微感測(cè)器的制造，超微機(jī)械的加工技術(shù)、人工關(guān)節(jié)、骨骼或心臟瓣膜的抗摩耗層等皆需等離子技術(shù)的進(jìn)步，才能開(kāi)發(fā)完成。
等離子技術(shù)是一新興的領(lǐng)域，該領(lǐng)域結(jié)合等離子物理、等離子化學(xué)和氣固相界面的化學(xué)反應(yīng)，此為典型的高科技產(chǎn)業(yè)，需跨多種領(lǐng)域，包括化工、材料和電機(jī)，因此將極具挑戰(zhàn)性，也充滿機(jī)會(huì)，由于半導(dǎo)體和光電材料在未來(lái)得快速成長(zhǎng)，此方面應(yīng)用需求將越來(lái)越大。
2、等離子清洗機(jī)的技術(shù)原理
什么是等離子體
等離子體是物質(zhì)的一種存在狀態(tài)，通常物質(zhì)以固態(tài)、業(yè)態(tài)、氣態(tài)3種狀態(tài)存在，但在一些特殊的情況下可以以第四中狀態(tài)存在，如太陽(yáng)表面的物質(zhì)和地球大氣中電離層中的物質(zhì)。這類物質(zhì)所處的狀態(tài)稱為等離子體狀態(tài)，又稱位物質(zhì)的第四態(tài)。
等離子體中存在下列物質(zhì)。處于高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的電子；處于激活狀態(tài)的中性原子、分子、原子團(tuán)（自由基）；離子化的原子、分子；分子解離反應(yīng)過(guò)程中生成的紫外線；未反應(yīng)的分子、原子等，但物質(zhì)在總體上仍保持電中性狀態(tài)。
等離子體的種類
（1）低溫和高溫可分為高溫等離子體和低溫等離子體兩類，在等離子體中，不同微粒的溫度實(shí)際上是不同的，所具有的溫度是與微粒的動(dòng)能即運(yùn)動(dòng)速度質(zhì)量有關(guān)，把等離子體中存在的離子的溫度用Ti表示，電子的溫度用Te表示，而原子、分子或原子團(tuán)等中性粒子的溫度用Tn表示，對(duì)于Te大大高于Ti和Tn的場(chǎng)合，即低壓體氣的場(chǎng)合，此時(shí)氣體的壓力只有幾百個(gè)帕斯卡，當(dāng)采用直流電壓或高頻電壓做電場(chǎng)時(shí)，由于電子本身的質(zhì)量很小，在電池中容易得到加快，從而可獲得平均可達(dá)數(shù)電子伏特的高能量，對(duì)于電子，此能量的對(duì)應(yīng)溫度為幾萬(wàn)度（K），而弟子由于質(zhì)量較大，很難被電場(chǎng)加速，因此溫度僅幾千度。由于氣體粒子溫度較低（具有低溫特性），因此把這種等離子體稱為低溫等離子體。當(dāng)氣體處于高壓狀態(tài)并從外界獲得大量能量時(shí)，粒子之間的相互碰撞頻率大大增加，各種微粒的溫度基本相同，即Te基本與Ti及Tn相同，我們把這種條件下得到的等離子體稱為高溫等離子體，太陽(yáng)就是自己界中的高溫等離子體。由于高溫等離子體對(duì)物體表面的作用過(guò)于強(qiáng)強(qiáng)烈，因此在實(shí)際應(yīng)用中很少使用，目前投入使用的只有低溫等離子體。
（2）活潑氣體和不活潑氣體等離子體，根據(jù)產(chǎn)生等離子體時(shí)應(yīng)用的氣體的化學(xué)性質(zhì)不同，可分為不活潑氣體等離子體和活潑氣體等離子體兩類，不活潑氣體如氬氣（Ar）、氮?dú)猓∟2）、氟化氮（NF3）、四氟化碳（CF4）等，活潑氣體如氧氣（O2）、氫氣（H2）等，不同類型的氣體在清洗過(guò)程中的反應(yīng)機(jī)理是不同的，活潑氣體的等離子體具有更強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng)活性，這將在后面結(jié)合具體應(yīng)用實(shí)例介紹。
等離子體與物體表面的作用
在等離子體中除了氣體分子、離子和電子外，還存在受到能量激勵(lì)狀態(tài)的電中性的原子或原子團(tuán)（又成自由基），以及等離子體發(fā)射出的光線，其中波的長(zhǎng)短、能量的高低在等離子體與物質(zhì)表面相互作用時(shí)有著重要作用。
原子團(tuán)等自由基與物體表面的反應(yīng)
由于這些自由基呈電重型，存在壽命較長(zhǎng)，而且在離子體中的數(shù)量多于離子，因此自由基在等離子體中發(fā)揮著重要作用，自由基的作用主要表現(xiàn)在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中能量傳遞的"活化"作用，處于激發(fā)狀態(tài)的自由基具有較高的能量，因此易于與物體表面分子結(jié)合時(shí)會(huì)形成新的自由基，新形成的自由基同樣處于不穩(wěn)定的高能量狀態(tài)，很可能發(fā)生分解反應(yīng)，在變成較小分子同時(shí)生成新的自由基，這種反應(yīng)過(guò)程還可能繼續(xù)進(jìn)行下去，最后分解成水、二氧化碳之類的簡(jiǎn)單分子。在另一些情況下，自由基與物體表面分子結(jié)合的同時(shí)，會(huì)釋放出大量的結(jié)合能，這種能量又成為引發(fā)新的表面反應(yīng)推動(dòng)力，從而引發(fā)物體表面上的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而被去除。
電子與物體表面的作用
一方面電子對(duì)物體表面的撞擊作用，可促使吸附在物體表面的氣體分子發(fā)生分解和解吸，另一方面大量的電子撞擊有利引起化學(xué)反應(yīng)。由于電子質(zhì)量極小，因此比離子的移動(dòng)速度要快的多，當(dāng)進(jìn)行等離子體處理時(shí)，電子要比離子更早達(dá)到物體表面，并使表面帶有負(fù)電荷，這有利于引發(fā)進(jìn)一步反應(yīng)。
離子與物體表面的作用
通常指的是帶正電荷的陽(yáng)離子的作用，陽(yáng)離子有加速?zèng)_向帶負(fù)電荷表面的傾向，此時(shí)使物體表面獲得相當(dāng)大的動(dòng)能，足以撞擊去除表面上附著的顆粒性物質(zhì)，我們?cè)谶@種現(xiàn)象稱為濺射現(xiàn)象，而通過(guò)離子的沖擊作用可極大促進(jìn)物體表面化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的幾率。
紫外性與物體表面的反應(yīng)
紫外性具有很強(qiáng)的光能，可使附著在物體表面物質(zhì)的分子鍵發(fā)生斷裂而分解，而且紫外線具有很強(qiáng)的穿透能力，可透過(guò)物體的表面深入達(dá)數(shù)微米而產(chǎn)生作用。
綜上所述，可知等離子清洗是利用等離子體內(nèi)的各種具有高能量的物質(zhì)和活化作用，將附著在物體表面的污垢徹底剝離去除。
3 、等離子清洗機(jī)/等離子清洗設(shè)備的結(jié)構(gòu)及工作原理研究
等離子清洗機(jī)/等離子清洗設(shè)備的基本構(gòu)造
根據(jù)用途的不同，可選用多種構(gòu)造的等離子清洗設(shè)備，并可通過(guò)選用不同種類的氣體，調(diào)整裝置的特征參數(shù)等方法使工藝流程實(shí)現(xiàn)最佳化，但等離子體清洗裝置的基本結(jié)構(gòu)大致是相同的，一般裝置可由真空室、真空泵、高頻電源、電極、氣體導(dǎo)入系統(tǒng)、工件傳送系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等部分組成。通常使用的真空泵是旋轉(zhuǎn)油泵，高頻電源通常用13.56M赫茲的無(wú)線電波，設(shè)備的運(yùn)行過(guò)程如下：
（1）被清洗的工件送入真空室并加以固定，啟動(dòng)運(yùn)行裝置，開(kāi)始排氣，使真空室內(nèi)的真空程度達(dá)到10Pa左右的標(biāo)準(zhǔn)真空度。一般排氣時(shí)間大約需要2min。
（2）向真空室引入等離子清洗用的氣體，并使其壓力保持在100Pa。
根據(jù)清洗材質(zhì)的不同，可分別選用氧氣、氫氣、氬氣或氮?dú)獾葰怏w。
（3）在真空室內(nèi)的電極與接地裝置之間施加高頻電壓，使氣體被擊穿，并通過(guò)輝光放電而發(fā)生離子化和產(chǎn)生等離子體。讓在真空室產(chǎn)生的等離子體完全籠罩在被處理工件，開(kāi)始清洗作業(yè)。一般清洗處理持續(xù)幾十秒到幾分鐘。
（4）清洗完畢后切斷高頻電壓，并將氣體及汽化的污垢排出，同時(shí)向真空室內(nèi)鼓入空氣，并使氣壓升至一個(gè)大氣壓。
等離子清洗的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)
與濕法清洗相比，等離子清洗的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在以下8個(gè)方面：
（1）在經(jīng)過(guò)等離子清洗以后，被清洗物體已經(jīng)很干燥，不必再經(jīng)干燥處理即可送往下道工序。
（2）不使用三氯乙甲ODS有害溶劑，清洗后也不會(huì)產(chǎn)生有害污染物，屬于有利于環(huán)保的綠色清洗方法。
（3）用無(wú)線電波范圍的高頻產(chǎn)生的等離子體與激光等直射光線不同，它的方向性不強(qiáng)，因此它可以深入物體的微細(xì)孔眼和凹陷的內(nèi)部并完成清洗任務(wù)，所以不必過(guò)多考慮被清洗物體形狀的影響，而且對(duì)這些難清洗部位的清洗效果與用氟里昂清洗的效果相似甚至更好。
（4）整個(gè)清洗工藝流程在幾分鐘即可完成，因此具有效率高的特點(diǎn)。
（5）等離子清洗需要控制的真空度約為100Pa，這種真空度在工廠實(shí)際生產(chǎn)中很容易實(shí)現(xiàn)。這種裝置的設(shè)備成本不高，加上清洗過(guò)程不需要使用價(jià)格昂貴的有機(jī)溶劑，因此它的運(yùn)行成本要低于傳統(tǒng)的清洗工藝。
（6）由于不需要對(duì)清洗液進(jìn)行運(yùn)輸、貯存、排放等處理措施，所以生產(chǎn)場(chǎng)地很容易保持清潔衛(wèi)生。
（7）等離子清洗的最大技術(shù)特點(diǎn)是：它不分處理對(duì)象，可處理不同的基材，無(wú)論是金屬、半導(dǎo)體、氧化物還是高分子材料（如聚丙烯、聚氯乙烯、據(jù)四氟乙烯、聚酰亞胺、聚酯、環(huán)氧樹(shù)脂等高聚物）都可用等離子體很好地處理，因此，特別適合不耐熱和不耐溶劑的基底材料。而且還可以有選擇地對(duì)材料的整體、局部或復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行部分清洗。
（8）在完成清晰去污的同時(shí)，還能改變材料本身的表面性能，如提高表面的潤(rùn)濕性能，改善膜的附著力等，這在許多應(yīng)用中都是非常重要的。
等離子清洗機(jī)清洗原理分析
等離子體與材料表面可產(chǎn)生的反應(yīng)主要有兩種，一種是靠自由基來(lái)做化學(xué)反應(yīng)，另一種則是靠等離子作物理反應(yīng)，以下將作更詳細(xì)的說(shuō)明。
（1）化學(xué)反應(yīng)（Chemical reaction）
在化學(xué)反應(yīng)里常用的氣體有氫氣（H2）、氧氣（O2）、甲烷（CF4）等，這些氣體在電漿內(nèi)反應(yīng)成高活性的自由基，這些自由基會(huì)進(jìn)一步與材料表面作反應(yīng)。
其反應(yīng)機(jī)理主要是利用等離子體里的自由基來(lái)與材料表面做化學(xué)反應(yīng)，在壓力較高時(shí)，對(duì)自由基的產(chǎn)生較有利，所以若要以化學(xué)反應(yīng)為主時(shí)，就必須控制較高的壓力來(lái)近進(jìn)行反應(yīng)。
（2）物理反應(yīng)（Physical reaction）
主要是利用等離子體里的離子作純物理的撞擊，把材料表面的原子或附著材料表面的原子打掉，由于離子在壓力較低時(shí)的平均自由基較輕長(zhǎng)，有得能量的累積，因而在物理撞擊時(shí)，離子的能量越高，越是有的作撞擊，所以若要以物理反應(yīng)為主時(shí)，就必須控制較的壓力下來(lái)進(jìn)行反應(yīng)，這樣清洗效果較好。
