无氮添加高浓度臭氧发生装置及其制备方法与流程

1.本发明涉及臭氧生产技术领域，尤其涉及一种无氮添加高浓度臭氧发生装置及其制备方法。


背景技术：

2.臭氧发生器是用于制取臭氧气体（o3）的装置，由于臭氧易于分解无法储存，需现场制取现场使用，所以凡是能用到臭氧的场所均需使用臭氧发生器。高纯度臭氧发生器是晶硅表面处理必要的设备，其广泛应用于半导体、光伏等行业，臭氧纯度直接影响半导体器件的质量。目前高纯度与高浓度臭氧发生器多采用dbd放电技术，结构为板式结构。高浓度臭氧发生器多添加微量氮气，目的是催化高浓度臭氧的产生，但是氮气的加入通常会生成氮氧化物等副产物，氮氧化物和氧气中微量的水汽结合形成硝酸，会腐蚀臭氧管路，从而析出fe、cr、mn、ni等杂质金属，导致金属含量超过半导体器件生产要求，对半导体器件良率与性能造成负面影响，从而影响臭氧气体纯度。而先进的无氮添加高浓度臭氧发生装置，基本都只能依靠进口，仅有德国、日本少数几家公司可以生产，其制作成本高，价格昂贵，设备维护成本也高，即使是进口的高浓度臭氧发生装置，其使用周期一般也只有两年，每两年就需要维护一次，使用成本高昂。


技术实现要素：

3.本发明的目的是在显著降低制造成本的前提下，提供一种无氮添加的高浓度臭氧发生装置及其制备方法，可以避免高浓度臭氧发生器添加微量氮气影响臭氧气体纯度的缺点，简化制备工艺，并显著降低臭氧发生装置的成本，以替代成本高昂的进口设备。
4.为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种无氮添加高浓度臭氧发生装置，其特征在于，所述的臭氧发生装置包括地极板和高压极板，所述地极板和所述高压极板相对设置，所述地极板正对所述高压极板的表面上设有催化防护层，所述高压极板正对所述地极板的表面上设有第一介电体层，所述催化防护层与所述第一介电体层之间形成放电间隙。
5.优选的，所述催化防护层由第一氧化物催化剂组中的任意一种和/或第二氧化物催化剂组中的任意一种制成，所述第一氧化物催化剂组包括tio2、wo3、moo3、zno和fe2o3，所述第二氧化物催化剂组包括nb2o5、nb2o3、v2o5、ta2o5和cr2o3。
6.再优选的，所述的无氮添加高浓度臭氧发生装置，所述的地极板为不锈钢片，此时，所述催化防护层由第一氧化物催化剂组中的任意一种和/或第二氧化物催化剂组中的任意一种通过金属熔射工艺制成，熔射厚度为10-1000μm。
7.再优选的，所述的地极板为不锈钢片基板及陶瓷镀层构成，此时，所述催化防护层由第一氧化物催化剂组中的任意一种和/或第二氧化物催化剂组中的任意一种通过金属粉末浆料丝网印刷后烘烤制备而成，浆料印刷厚度为1-100μm。
8.再优选的，所述的臭氧发生装置还包括气隙形成层，所述气隙形成层位于所述催
化防护层与所述第一介电体层之间。
9.再优选的，所述气隙形成层由绝缘材料制成。
10.再优选的，所述第一介电体层为al2o3陶瓷层。
11.根据本发明的另一目的，本发明还提出一种无氮添加高浓度臭氧发生装置的制备方法，所述的臭氧发生装置包括地极板和相对所述的地极板设置的高压极板，所述地极板面向所述高压极板的表面上设有催化防护层，所述高压极板面向所述地极板的表面上设有第一介电体层，所述催化防护层与所述第一介电体层之间形成放电间隙；所述催化防护层由第一氧化物催化剂组中的任意一种和/或第二氧化物催化剂组中的任意一种制成，所述第一氧化物催化剂组包括tio2、wo3、moo3、zno和fe2o3，所述第二氧化物催化剂组包括nb2o5、nb2o3、v2o5、ta2o5和cr2o3；所述的制备方法包括以下步骤：s1.按照设计尺寸加工一对不锈钢基板，其中一个不锈钢基板作为地极板，另一不锈钢基板作为高压极板的基板；s2.制备氧化物催化剂粉末；s3.通过熔射工艺在地极板的不锈钢基板的一侧表面上制备催化防护层；s4.在高压极板的不锈钢基板的一侧表面上镀al2o3陶瓷层作为第一介电体层；s5.将所述地极板和所述高压极板相对设置，所述催化防护层与所述第一介电体层面对面正对设置，所述催化防护层与所述第一介电体层之间形成放电间隙。
12.优选的，在步骤s3中，将均匀粉末熔射到所述地极板的不锈钢基板表面的熔射厚度为10-1000μm。
13.根据本发明的另一目的，本发明还提出一种无氮添加高浓度臭氧发生装置的制备方法，其特征在于，所述的臭氧发生装置包括地极板和相对所述的地极板设置的高压极板，所述地极板面向所述高压极板的表面上设有催化防护层，所述高压极板面向所述地极板的表面上设有第一介电体层，所述催化防护层与所述第一介电体层之间形成放电间隙；所述催化防护层由第一氧化物催化剂组中的任意一种和/或第二氧化物催化剂组中的任意一种制成，所述第一氧化物催化剂组包括tio2、wo3、moo3、zno和fe2o3，所述第二氧化物催化剂组包括nb2o5、nb2o3、v2o5、ta2o5和cr2o3；所述的制备方法包括以下步骤：s1.按照设计尺寸加工一对不锈钢基板，其中一个不锈钢基板作为地极板基板，另一不锈钢基板作为高压极板的基板；s2.在地极板的不锈钢基板和高压极板的不锈钢基板的一侧表面上镀al2o3陶瓷层；s3.制备氧化物催化剂粉末，并将粉末制备成浆料；s4.通过丝网印刷工艺在地极板的al2o3陶瓷层表面印刷浆料并烧结固化制得催化防护层；s5.将所述地极板和所述高压极板相对设置，所述催化防护层与所述第一介电体层面对面正对设置，所述催化防护层与所述第一介电体层之间形成放电间隙。
14.优选的，当氧化物催化剂粉末选自第一氧化物催化剂和第二氧化物催化剂的混合物时，其粉末制备方法如下：s1.1.将2种氧化物催化剂混合；s1.2.高温煅烧混合物；
s1.3.球磨前一步骤的物质；s1.4.将球磨后的物质过筛得到均匀粉末。
15.再优选的，步骤s4中烧结固化温度不高于500℃。
16.再优选的，步骤s4中，浆料的印刷厚度为1-100μm。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果为：通过在地极板靠近高压极板的表面上设置催化防护层，在不添加氮气的情况下，可以保证产生臭氧气体的效率，保护地极板表面，避免金属离子超标，保证产生臭氧气体的纯度，同时，只有高压极板使用电介质层，地极板不使用电介质层，节省生产工艺步骤，减少电介质与地极板之间的连接层，改善散热效果，有效提高地极板平面度，改善放电均匀性，从而改善装置性能；另外，地级板和高压极板都采用成本较低的不锈钢基板，相比陶瓷基板，其加工成本和材料成本显著降低。
附图说明
18.图1为本发明一实施例的一种无氮添加高浓度臭氧发生装置的结构示意图；图2为本发明另一实施例的一种无氮添加高浓度臭氧发生装置的结构示意图。
实施方式
19.为使对本发明的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，兹配合实施例详细说明如下。
20.请参见图1，本发明的一种无氮添加高浓度臭氧发生装置，包括地极板1和高压极板2，地极板1和高压极板2相对设置，地极板1靠近高压极板2的表面上设有催化防护层3，高压极板2靠近地极板1的表面上设有第一介电体层4，催化防护层3与第一介电体层4之间形成放电间隙。
21.通过在地极板1靠近高压极板2的表面上设置催化防护层3，在不添加氮气的情况下，可以保证产生臭氧气体的效率，保护地极板表面，避免金属离子超标，保证产生臭氧气体的纯度，同时，只有高压极板2使用电介质层，地极板1不使用电介质层，节省生产工艺步骤，减少电介质与地极板1之间的连接层，改善散热效果，有效提高地极板1平面度，改善放电均匀性，从而改善装置性能。
22.在一优选的实施方式中，催化防护层3由第一氧化物催化剂组中的任意一种和/或第二氧化物催化剂组中的任意一种制成，第一氧化物催化剂组包括tio2、wo3、moo3、zno和fe2o3，第二氧化物催化剂组包括nb2o5、nb2o3、v2o5、ta2o5和cr2o3，以使催化防护层3同时具有催化和防护功能。
23.优选地，第一介电体层4为al2o3陶瓷层。
24.请参见图2，图2为本发明另一实施例的一种无氮添加高浓度臭氧发生装置的结构示意图。与图1中实施例相比，在本实施例中，臭氧发生装置还包括气隙形成层5，气隙形成层5位于催化防护层3与第一介电体层4之间，以能够控制放电间隙。
25.优选地，气隙形成层5由绝缘材料制成。
26.本发明还提供了一种无氮添加高浓度臭氧发生装置的制备方法，该方法包括以下步骤：s1.按照设计尺寸加工一对不锈钢基板，其中一个不锈钢基板作为地极板，另一不
锈钢基板作为高压极板的基板；s2.制备氧化物催化剂粉末；s3.通过熔射工艺在地极板的不锈钢基板的一侧表面上制备催化防护层；s4.在高压极板的不锈钢基板的一侧表面上镀al2o3陶瓷层作为第一介电体层；s5.将所述地极板和所述高压极板相对设置，所述催化防护层与所述第一介电体层面对面正对设置，所述催化防护层与所述第一介电体层之间形成放电间隙。
27.在上述的步骤s2中，如果选择第一氧化物催化剂组包括tio2、wo3、moo3、zno和fe2o3或第二氧化物催化剂组包括nb2o5、nb2o3、v2o5、ta2o5和cr2o3中的一种氧化物催化剂进行制粉熔射形成催化防护层，可以直接用精细研磨制得的氧化物粉末进行熔射在不锈钢基板表面形成催化防护层。在更优选的实施方式中，可以从第一氧化物催化剂组和第二氧化物催化剂组各选取一种氧化物催化剂混合制粉然后再进行熔射工艺，此时，制粉的具体步骤如下：s1.1.将两种氧化物催化剂粉末混合；s1.2.高温煅烧混合物；s1.3.球磨前一步骤的煅烧混合物；s1.4.将球磨后的物质过筛得到均匀粉末。
28.混合的氧化物催化剂经过高温煅烧后可以形成性能更优的的催化剂，进而熔射到不锈钢基板表面后会形成性能更优的催化防护层，保证产生臭氧气体的高纯度。
29.以选取的氧化物催化剂为tio2和nb2o5为例，进行说明。
30.首先将tio2和nb2o5粉末按照一定的质量比例（比如，0.1~3）通过球磨机混合，混合后的粉末过筛后置于箱式电阻炉高温（比如，1300℃）烧结，得到的黄色固体（ti-nb-o）有tinb2o7及ti2nb
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中的至少一种晶型。ti-nb-o固体粉碎后与球磨介质、纯水一起放入球磨罐，球磨后的粉末过筛，获得颗粒均匀的粉末（0.01-100μm）。
31.在一优选的实施方式中，在步骤s3中，将均匀粉末熔射到所述地极板的不锈钢基板表面的熔射厚度为10-1000μm。
32.上述的实施例是通过熔射的方式来形成催化防护层，本技术的另一实施方式中，还可以通过丝网印刷的方式来形成催化防护层从而制备臭氧发生装置，具体步骤如下：s1.按照设计尺寸加工一对不锈钢基板，其中一个不锈钢基板作为地极板基板，另一不锈钢基板作为高压极板的基板；s2.在地极板的不锈钢基板和高压极板的不锈钢基板的一侧表面上镀al2o3陶瓷层；s3.制备氧化物催化剂粉末，并将粉末制备成浆料；s4.通过丝网印刷工艺在地极板的al2o3陶瓷层表面印刷浆料并烧结固化制得催化防护层；s5.将所述地极板和所述高压极板相对设置，所述催化防护层与所述第一介电体层面对面正对设置，所述催化防护层与所述第一介电体层之间形成放电间隙。
33.在本实施例中，由于氧化物催化剂浆料通过丝网印刷后需要烧结固化形成催化防护层，烧结温度接近500℃，此时，如果浆料是直接印刷在不锈钢基板表面，在高温烧结时，不锈钢基本容易发生变形、杂质析出等，会影响臭氧发生装置的品质，因此，需要在不锈钢
基板表面先形成al2o3陶瓷层，然后再进行浆料印刷和烧结，如此，可以保证臭氧发生装置的品质和使用需求。
34.另外，类似的，在本实施例中，如果选择第一氧化物催化剂组包括tio2、wo3、moo3、zno和fe2o3或第二氧化物催化剂组包括nb2o5、nb2o3、v2o5、ta2o5和cr2o3中的一种氧化物催化剂进行制浆、印刷、烧结形成催化防护层，可以直接用精细研磨制得的氧化物粉末加工成具有粘性的浆料，在不锈钢基板上的al2o3陶瓷层上形成催化防护层。在更优选的实施方式中，可以从第一氧化物催化剂组和第二氧化物催化剂组各选取一种氧化物催化剂混合制粉然后再进行熔射工艺，此时，制粉的具体步骤同上，在此不再赘述。
35.同样的，以tio2和nb2o5粉末混合为例，将煅烧、球磨、筛选后的ti-nb-o粉末加工成具有粘性的浆料，印刷到地极板的不锈钢基板上的al2o3陶瓷层表面，印刷厚度1-100μm，烧结温度在500℃以下。
36.该制备方法中，只有高压极板使用电介质，地极板上不形成电介质，节省生产工艺步骤，减少电介质与地极板之间的连接层，连接层一般为绝缘材料，热阻较大，如此可明显改善散热效果；同时可有效改善地极板平面度，改善放电均匀性，从而改善装置性能。
37.在实际生产中，在地极板表面设置催化防护层和在高压极板表面设置第一介电体层可同时进行，以节省制备时间，提高制备效率。
38.本发明的一种无氮添加高浓度臭氧发生装置及其制备方法，通过在地极板靠近高压极板的表面上设置催化防护层，在不添加氮气的情况下，可以保证产生臭氧气体的效率，保护地极板表面，避免金属离子超标，保证产生臭氧气体的纯度，同时，只有高压极板使用电介质层，地极板不使用电介质层，节省生产工艺步骤，减少电介质与地极板之间的连接层，改善散热效果，有效提高地极板平面度，改善放电均匀性，从而改善装置性能；高压极板和地级板均使用不锈钢板作为基板材料，加工成本和材料成本相比其他材料如al2o3陶瓷显著降低；制得的臭氧发生装置可以满足高浓度臭氧制备需求，同时也能达到普遍的半导体设备使用寿命要求，可以取代昂贵的进口设备，推动半导体设备的国产化。
39.本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本发明的范围。相反地，在不脱离本发明的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。

技术特征：
1.一种无氮添加高浓度臭氧发生装置，其特征在于，所述的臭氧发生装置包括地极板和高压极板，所述地极板和所述高压极板相对设置，所述地极板正对所述高压极板的表面上设有催化防护层，所述高压极板正对所述地极板的表面上设有第一介电体层，所述催化防护层与所述第一介电体层之间形成放电间隙。2.如权利要求1所述的无氮添加高浓度臭氧发生装置，其特征在于，所述催化防护层由第一氧化物催化剂组中的任意一种和/或第二氧化物催化剂组中的任意一种制成，所述第一氧化物催化剂组包括tio2、wo3、moo3、zno和fe2o3，所述第二氧化物催化剂组包括nb2o5、nb2o3、v2o5、ta2o5和cr2o3。3.如权利要求2所述的无氮添加高浓度臭氧发生装置，其特征在于，所述的地极板为不锈钢片，此时，所述催化防护层由第一氧化物催化剂组中的任意一种和/或第二氧化物催化剂组中的任意一种通过金属熔射工艺制成，熔射厚度为10-1000μm。4.如权利要求2所述的无氮添加高浓度臭氧发生装置，其特征在于，所述的地极板为不锈钢片基板及陶瓷镀层构成，此时，所述催化防护层由第一氧化物催化剂组中的任意一种和/或第二氧化物催化剂组中的任意一种通过金属粉末浆料丝网印刷后烘烤制备而成，浆料印刷厚度为1-100μm。5.如权利要求1所述的无氮添加高浓度臭氧发生装置，其特征在于，还包括气隙形成层，所述气隙形成层位于所述催化防护层与所述第一介电体层之间。6.如权利要求3所述的无氮添加高浓度臭氧发生装置，其特征在于，所述气隙形成层由绝缘材料制成。7.如权利要求1所述的无氮添加高浓度臭氧发生装置，其特征在，所述第一介电体层为al2o3陶瓷层。8.一种无氮添加高浓度臭氧发生装置的制备方法，其特征在于，所述的臭氧发生装置包括地极板和相对所述的地极板设置的高压极板，所述地极板面向所述高压极板的表面上设有催化防护层，所述高压极板面向所述地极板的表面上设有第一介电体层，所述催化防护层与所述第一介电体层之间形成放电间隙；所述催化防护层由第一氧化物催化剂组中的任意一种和/或第二氧化物催化剂组中的任意一种制成，所述第一氧化物催化剂组包括tio2、wo3、moo3、zno和fe2o3，所述第二氧化物催化剂组包括nb2o5、nb2o3、v2o5、ta2o5和cr2o3；所述的制备方法包括以下步骤：s1.按照设计尺寸加工一对不锈钢基板，其中一个不锈钢基板作为地极板，另一不锈钢基板作为高压极板的基板；s2.制备氧化物催化剂粉末；s3.通过熔射工艺在地极板的不锈钢基板的一侧表面上制备催化防护层；s4.在高压极板的不锈钢基板的一侧表面上镀al2o3陶瓷层作为第一介电体层；s5.将所述地极板和所述高压极板相对设置，所述催化防护层与所述第一介电体层面对面正对设置，所述催化防护层与所述第一介电体层之间形成放电间隙。9.如权利要求8所述的无氮添加高浓度臭氧发生装置的制备方法，其特征在于，步骤s3中，将均匀粉末熔射到所述地极板的不锈钢基板表面的熔射厚度为10-1000μm。10.一种无氮添加高浓度臭氧发生装置的制备方法，其特征在于，所述的臭氧发生装置包括地极板和相对所述的地极板设置的高压极板，所述地极板面向所述高压极板的表面上
设有催化防护层，所述高压极板面向所述地极板的表面上设有第一介电体层，所述催化防护层与所述第一介电体层之间形成放电间隙；所述催化防护层由第一氧化物催化剂组中的任意一种和/或第二氧化物催化剂组中的任意一种制成，所述第一氧化物催化剂组包括tio2、wo3、moo3、zno和fe2o3，所述第二氧化物催化剂组包括nb2o5、nb2o3、v2o5、ta2o5和cr2o3；所述的制备方法包括以下步骤：s1.按照设计尺寸加工一对不锈钢基板，其中一个不锈钢基板作为地极板基板，另一不锈钢基板作为高压极板的基板；s2.在地极板的不锈钢基板和高压极板的不锈钢基板的一侧表面上镀al2o3陶瓷层；s3.制备氧化物催化剂粉末，并将粉末制备成浆料；s4.通过丝网印刷工艺在地极板的al2o3陶瓷层表面印刷浆料并烧结固化制得催化防护层；s5.将所述地极板和所述高压极板相对设置，所述催化防护层与所述第一介电体层面对面正对设置，所述催化防护层与所述第一介电体层之间形成放电间隙。11.如权利要求8或10所述的无氮添加高浓度臭氧发生装置的制备方法，其特征在于，当氧化物催化剂粉末选自第一氧化物催化剂和第二氧化物催化剂的混合物时，其粉末制备方法如下：s1.1.将2种氧化物催化剂混合；s1.2.高温煅烧混合物；s1.3.球磨前一步骤的物质；s1.4.将球磨后的物质过筛得到均匀粉末。12.如权利要求10所述的无氮添加高浓度臭氧发生装置的制备方法，其特征在于，步骤s4中烧结固化温度不高于500℃。13.如权利要求10所述的无氮添加高浓度臭氧发生装置的制备方法，其特征在于，步骤s4中，浆料的印刷厚度为1-100μm。

技术总结
本发明提供一种无氮添加高浓度臭氧发生装置及其制备方法，通过在地极板靠近高压极板的表面上设置催化防护层，在不添加氮气的情况下，可以保证产生臭氧气体的效率，保护地极板表面，避免金属离子超标，保证产生臭氧气体的纯度，同时，只有高压极板使用电介质层，地极板不使用电介质层，节省生产工艺步骤，减少电介质与地极板之间的连接层，改善散热效果，有效提高地极板平面度，改善放电均匀性，从而改善装置性能。装置性能。装置性能。


技术研发人员：王振交 艾凡凡 杨莉
受保护的技术使用者：苏州晶拓半导体科技有限公司
技术研发日：2023.05.23
技术公布日：2023/8/9