Oktober 2014

CeraPlas™ Piezo-Plasmagenerator

Kaltes Plasma einfach erzeugt

Kaltes Atmosphärendruck-Plasma bietet entscheidende Vorteile für ein breites Spektrum von Anwendungen in der Industrie und im Gesundheitswesen. Mit dem CeraPlas™ präsentiert TDK ein neues Plasma erzeugendes Bauelement, das kompakter, einfacher zu integrieren und effizienter ist als konventionelle Plasmagenerator-Technologien.

In einer Vielzahl von Industriezweigen wächst das Interesse an der Kalten-Plasmatechnologie. Sie ermöglicht nicht nur, die Oberflächeneigenschaften von Materialien auf vielfältige Weise und ohne Beschädigung oder Zerstörung zu beeinflussen, sondern kann auch zum Reinigen sowie Desinfizieren von Flächen und Räumen eingesetzt werden.

Plasma, auch als vierter Aggregatzustand bezeichnet, entsteht, wenn Luft oder andere Gase ionisiert werden. Plasma besitzt elektrisch leitende Eigenschaften, die mit denjenigen von Metallen vergleichbar sind und die von den Eingangsparametern, wie Energie, Druck und Zusammensetzung des Prozessgases oder den hinzugefügten Primer-Substanzen abhängig sind.

Die Plasmabehandlung wird bereits in zahlreichen Anwendungen und in beinahe allen Industriezweigen eingesetzt. Für eine wachsende Zahl dieser Anwendungen wird kaltes (nicht-thermisches) Atmosphärendruck-Plasma benötigt. Das gilt insbesondere in der Industrie und im Gesundheitswesen zur Oberflächenbehandlung, Reinigung, Desinfektion und Geruchsminderung, um nur einige Beispiele zu nennen.

Plasmaquellen benötigen hohe Spannungen und somit auch Hochspannungstransformatoren oder HF-Generatoren im GHz-Bereich. Aus Gründen der Herstellbarkeit und vor allem der Sicherheit werden die Hochspannungsversorgung und der Plasmagenerator in diesen Quellen für gewöhnlich in separaten Gehäusen untergebracht. Um die Anwender vor diesen Hochspannungen zu schützen, müssen jedoch diverse Sicherheitsmaßnahmen vorgesehen werden. Die vorhandenen Lösungen sind oft unhandlich und können zudem nur eine begrenzte Auswahl von Prozessgasen verwenden. Der Markt verlangt jedoch nach Hochleistungslösungen zum Erzeugen von kaltem Atmosphärendruck-Plasma, die kompakt, leicht und einfach zu bedienen sind. Die ideale Produktlösung ist batteriebetrieben und unterstützt viele Prozessgase.

Lösung in einem kompakten Bauelement

Das völlig neuartige Bauelement CeraPlas™ erfüllt diese Anforderungen. Es wurde im TDK Kompetenzzentrum für keramische Bauelemente im österreichischen Deutschlandsberg entwickelt. In CeraPlas konzentrieren sich die Erfahrungen, die in vielen Jahren bei der Serienproduktion von Piezo-Aktuatoren und bei der Entwicklung der keramischen Vielschichttechnologie gewonnen wurden. Die Entwicklung erfolgt in enger Zusammenarbeit mit der Firma relyon plasma, einem führenden Hersteller von Plasmaquellen in Deutschland.

CeraPlas ist ein piezoelektrisches Bauelement, das eine sehr effiziente Erzeugung von kaltem Atmosphärendruck-Plasma ermöglicht. Im CeraPlas ist die Spannungswandlung auf einzigartige Weise mit der Plasmaerzeugung kombiniert. Als piezoelektrischer Transformator ist CeraPlas in der Lage, die notwendigen Hochspannungen zu generieren. Gleichzeitig findet auf der Ausgangsseite des Bauelements die Plasmaerzeugung statt.

Innovatives piezoelektrisches Material

Die neue patentierte Technologie basiert auf einer piezoelektrisch harten PZT-Keramik (Blei-Zirkonat-Titanat), die zusammen mit innen liegenden Kupferelektroden gesintert werden kann. Im Ergebnis zeichnet sich das Materialset über einen breiten Belastungsbereich durch einen hohen und stabilen mechanischen Qualitätsfaktor sowie durch eine gute elektromechanische Kopplung und niedrige Verluste aus.

Das Bauelement ist als piezoelektrischer Rosen-type Transformator ausgeführt. Die Eingangsseite besteht aus einer Vielschichtstruktur mit innen liegenden Kupferelektroden. Die Ausgangsseite des Transformators weist hingegen eine monolithische Struktur auf (Abbildung 1).

Abbildung 1: Piezo-Transformator und Plasmagenerator CeraPlas als Rosen-Transformator

Auf der Eingangsseite des CeraPlas befindet sich eine Vielschichtstruktur mit internen Kupferelektroden, während die Ausgangsseite des Transformators eine monolithische Struktur aufweist.

Durch die Bildung einer stehenden akustischen Welle, die die niedrige Spannung von der Eingangsseite an der mechanisch gekoppelten Ausgangsseite in eine hohe Spannung umwandelt, wird die Spannung bei der Resonanzfrequenz transformiert. Da der piezoelektrische Transformator im Schwingungsmodus der 2. Harmonischen betrieben wird, kann er an den Schwingungsknoten kontaktiert und montiert werden, ohne die mechanische Bewegung zu stören.

Im Fall einer DBD wird zur Erzeugung des Plasmas eine elektrische Entladung zwischen zwei Elektroden gezündet, die durch eine dielektrische Barriere getrennt sind. Bei CeraPlas tritt diese Entladung, bedingt durch die generierte Hochspannung, direkt auf der Oberfläche der Ausgangsseite des piezoelektrischen Transformators auf. Da der piezoelektrische Transformator hier auch als dielektrische Elektrode fungiert, wird keine Entladungselektrode benötigt, wie sie bei konventionellen DBD-Lösungen erforderlich ist. Die Ladungen sammeln sich an Orten auf der Oberfläche des dielektrischen Materials an, wo die elektrische Feldstärke sehr hoch ist. Innerhalb von Mikrosekunden kommt es zu Entladungen und zu Neuansammlung von Ladungen an anderen Stellen auf der Fläche. Ähnlich wie bei anderen elektrischen Entladungsmethoden bleibt das Plasma so lange bestehen, wie die Energiequelle eine ausreichende Ionisierung gewährleistet.

Kompakt und sicher

Der EPCOS CeraPlas zeichnet sich aus durch: kompakte Abmessungen, geringes Gewicht, geringen Stromverbrauch, niedrige Eingangsspannung und eine hohe Ausgangsspannung. Er kann mühelos und ohne besondere Sicherheitsmaßnahmen zum Schutz vor Hochspannung in verschiedene Plasmaquellen integriert werden. Somit ist eine hohe Anwendungsflexibilität gewährleistet. Diese vorteilhaften Eigenschaften ergänzen die herausragende Leistung in Bezug auf die Plasmatemperatur und die Oberflächenaktivierung. Im Vergleich zur konventionellen Plasmaerzeugung erreicht man mit dem CeraPlas eine effektive Oberflächenaktivierung bereits mit einer sehr geringen Leistung (Abbildung 2).

Abbildung 2: Oberflächenaktivierung von ABS-Kunststoff durch mit CeraPlas erzeugtem Plasma

CeraPlas erzielt eine höhere Oberflächenaktivierung als konventionelle Technologien bei einer sehr niedrigen Leistung. Als Maß der Oberflächenaktivierung dient die Benetzbarkeit, die anhand des Kontaktwinkels einer Flüssigkeit auf einer Oberfläche gemessen wird – in diesem Fall auf ABS-Kunststoff. (Quelle: relyon plasma)

Am Ausgang des CeraPlas können Spannungen von bis zu 20 kV mit einer sinusförmigen Eingangsspannung von lediglich 12 bis 24 Vpp erzielt werden. Das ist hoch genug, um eine Entladung in Luft und in anderen Industriegasen, wie Stickstoff und Argon, zu erzeugen. Das Plasma selbst hat eine Temperatur von unter 50 °C und bietet sich daher für die Behandlung der Oberflächen von fast allen temperaturempfindlichen Materialien an.

Abbildung 3: Mit CeraPlas erzeugtes Luftplasma

Kaltes Atmosphärendruck-Plasma wird an den Ecken der Ausgangsseite vom CeraPlas direkt in Luft gezündet, indem eine Sinusspannung von 12 bis 24 Vpp bei 50 kHz an das Bauelement angelegt wird.

Um die Effizienz von CeraPlas weiter zu erhöhen, wurde ein Treiber entwickelt, der optimal auf die Anforderungen des piezoelektrischen Plasmagenerators abgestimmt ist. Ein piezoelektrischer Transformator muss exakt bei seiner Resonanzfrequenz betrieben werden. Für einen stabilen Betrieb ist es erforderlich, sofort auf Änderungen in der Last und der Umgebungsbedingungen zu reagieren. Die in Abbildung 4 gezeigte Treiberstufe mit einem CeraPlas Plasmagenerator stimmt den piezoelektrischen Transformator ab und verringert damit eine potenzielle Belastung des Bauelements.

Abbildung 4: Treiber für EPCOS CeraPlas

Der für den CeraPlas entwickelte Treiber ist optimal auf die Anforderungen des piezoelektrischen Plasmagenerators abgestimmt und erhöht damit dessen Effizienz. Er sorgt für einen stabilen Betrieb, da er sofort auf Änderungen in der Last und in den Umgebungsbedingungen reagiert und so ein hartes Umschalten verhindert.

Plasmaquellen, die auf CeraPlas basieren, weisen im Vergleich zu vorhandenen Plasmageneratoren mit niedriger Leistung herausragende Kennwerte auf. Das Plasmagenerator-Konzept erfordert nur eine Niederspannungsversorgung, den Treiber und den CeraPlas sowie eine optionale Gasversorgung. In Abhängigkeit von den Anwendungsanforderungen ermöglicht CeraPlas daher ein breites Spektrum von Designs für Plasmageneratoren, die von einfachen Stift-Ausführungen und Handgeräten bis zu integrierten Modulen für industrielle Anwendungen reichen.

Erstes Produkt im Markt mit CeraPlas

Das erste Produkt auf dem Markt, das auf CeraPlas basiert, ist die piezobrush® PZ2. Hierbei handelt es sich um eine verschleißfreie kalte Atmosphärendruck-Plasmaquelle, die von relyon plasma in enger Zusammenarbeit mit TDK entwickelt wurde (Abbildung 5). Die piezobrush PZ2 ist ein kompaktes Handgerät, das kein externes Prozessgas benötigt. Das Plasma wird von CeraPlas im Gasstrom gezündet und gewährleistet eine hohe Aktivierungseffizienz. Aufgrund der Plasmatemperatur von unter 50 °C ist die piezobrush PZ2 dazu prädestiniert, temperaturempfindliche Materialien zu aktivieren. In Verbindung mit den kompakten Abmessungen verdeutlichen diese Leistungsmerkmale das große Potenzial von CeraPlas im Hinblick auf die Implementierung in Handgeräten und in industriellen Plasmaanwendungen.

piezobrush PZ2 von relyon plasma

Überlegene Zuverlässigkeit und herausragende Leistungsdichte

Die auf dem CeraPlas basierende piezobrush PZ2 von relyon plasma ist eine kompakte kalte Plasmaquelle, die sich durch niedrigen Stromverbrauch auszeichnet, sowie dadurch, dass sie leicht und leise ist. COMPONENTS sprach mit Dr. Stefan Nettesheim, Geschäftsführer von relyon plasma.

Warum hat sich relyon plasma für CeraPlas als Schlüsselbauelement für seine neuen Geräte entschieden?
Dr. Stefan Nettesheim: Weil wir damit schlanke und kompakte Produkte wie die piezobrush PZ2 realisieren können. Das neue Handgerät ist einfach zu bedienen, sicher in der Anwendung und reinraumtauglich.

Was hat Sie am meisten an CeraPlas überzeugt?
Dr. Stefan Nettesheim: Das Bauelement sorgt für eine äußerst effiziente Plasmagenerierung. Zudem zeichnet sich die CeraPlas-Technologie durch ihre hohe Zuverlässigkeit und herausragende Leistungsdichte aus.

Welche Vorteile bietet die hohe Effizienz des Bauelements?
Dr. Stefan Nettesheim: Vorteile hinsichtlich Abmessungen und Performance unserer Produkte: CeraPlas ermöglicht uns die Entwicklung sowohl robuster Treiberschaltungen als auch von Gehäusen ohne zusätzliche Kühlung. Da die piezobrush PZ2 zudem Stöße und Wärme toleriert, ist sie hervorragend für anspruchsvolle Betriebsbedingungen geeignet. Dank des hohen Spannungsverhältnisses von CeraPlas ist es uns gelungen, die Stromversorgung und die Treiberschaltung der PZ2 in einem äußerst kompakten Modul unterzubringen.

Muster des Bauelementes CeraPlas sind ab sofort verfügbar. Gegenwärtig wird die Serienproduktion von CeraPlas vorbereitet. Dies geschieht auf Grundlage der vorhandenen Serienfertigungstechnologie der EPCOS Piezo-Vielschicht-Bauelemente wie den erfolgreichen Piezo-Aktuatoren für Kraftstoff-Einspritzsysteme.

CeraPlas ist die weltweit erste als ein einziges Bauelement ausgeführte Kombination aus Transformator und Plasmagenerator und bietet sich für den Einsatz in einer Vielzahl innovativer Anwendungen an. Dazu zählen die Oberflächenbehandlung von Textilien und Kunststoffen in Kraftfahrzeugen, die Sterilisation von lebensmittelverarbeitenden Maschinen und medizintechnischen Geräten oder sogar die direkte Behandlung von Wunden.

Tabelle: Technische Daten von CeraPlas

Betriebsspannung [Vpp]12 bis 24
Betriebsfrequenz [kHz]~ 50
Ausgangsspannung [kV]Max. 15 (lastabhängig)
Übertragene Leistung [W]10 (max.)
Plasmatemperatur [°C]<50
ProzessgasLuft, Industriegase wie N2, Ar, He
Ozongenerierungsrate [ppm]
(bei 8 W mit angepasstem Messaufbau)
20
Abmessungen [mm]72 × 6 × 2.8

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