CN101221196A - 一种电压电流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种在传输线路上采集电压电流信号的传感器，具体来说，包括电压采样装置、电流采样装置，其中的电流采样装置安装于采样传输线路的一侧；电流采样装置和采样传输线路之间存在屏蔽层；电压采样装置中的分压电容C11是由套在采样传输线路上的导电元件和绝缘介质组成的。利用该传感器能够保证电压电流的信号采集点处于同一位置，避免了后继的信号分析出现误差，同时避免了耦合磁场的线圈耦合不必要的电场，而且能够降低电容击穿的风险，也不必担心磁饱和的问题。

Description

一种电压电流传感器

技术领域

本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种在传输线路中检测电压电流的传感器。

背景技术

目前，在半导体产品的制造过程中，常常要用到等离子体来完成半导体晶圆的刻蚀过程，其中的等离子体一般是通过射频RF电源向等离子腔体供电而产生的，常用的射频电源的工作频率为13.56MHz，输出阻抗为50Ω，通过特征阻抗为50Ω的同轴电缆与反应腔室相连。在半导体晶圆的刻蚀过程中，反应腔室内的气体成分以及压力都在不断变化，因此，作为负载的等离子的阻抗也在不断的变化，而射频电源的内阻为固定的50Ω，这样，电源与负载之间阻抗是不匹配的，就会导致射频RF传输线上存在较大的反射功率，射频输出功率无法全部施加到等离子腔体。如果获得的射频RF能量不足以使等离子体起辉，那么整个刻蚀过程就无法进行，而且功率会反射回电源，当达到输出功率的20％左右时，就会损坏射频RF电源。

由此，很有必要在射频RF电源与等离子腔体室之间插入一个匹配网络，通过调整匹配网络使得负载阻抗与电源阻抗能够达到共轭匹配。整个射频传输系统的结构框图如图1所示，在射频电源和等离子反应腔室之间包括有传感器、控制器、步进电机和匹配网络。在刻蚀过程中，由于负载阻抗的值是不断变化的，所以需要引入一个阻抗模值、相位检测器，即传感器(Sensor)，通过该传感器检测传输线路上的电压、电流信号，然后利用一定的鉴幅和鉴相方法，得到相应负载阻抗的模值和相位；然后，控制器根据传感器的输出，控制步进电机的转动，从而调整匹配网络中的可变元件，最终使匹配网络与等离子反应腔室的总阻抗为50Ω，实现电源与负载之间阻抗的匹配。

其中的传感器在工作时，首先需要采集同轴传输线路中的电压和电流信号，然后才能完成后继的鉴幅鉴相工作，其工作示意图如图2所示。针对其中电压电流的采集工作，现有的传感器一般是采用以下形式来进行的：

如图3所示，为一般传感器采集电压电流时的工作结构示意图，其中的电压信号采集通过两个串连的电容C1、C2分压，在C1、C2之间的Q点采集信号，因为传输线路N上的电压比较高，而一般电容C1的容量远远小于电容C2，由电容串联分压规律可知，电容串联分压与容抗成正比，其中的容抗＝1/ωc，故电势差主要落在电容C1上，而C2上电压相对较小，故通过检测Q点和地之间的信号电压，即电容C2两端的电压，然后通过分压原理就能够采集到传输线路N上的电压情况。

电流信号一般通过线圈P的两端H和I取出，线圈P一般绕在一个和传输线路N同轴心的磁环O上。当流过传输线路N的电流变化时，通过线圈P的磁通量就发生相应的变化，根据焦耳-楞次定律，变化的磁场会在线圈P的两端感应出交变电压，感应电压的大小与传输线路N中的电流变化率成正比，故通过检测线圈P两端H、I之间的电压就可以采集传输线路N中的电流情况。

从以上所述电压电流的采集方案中，由于磁环O占据了传输线周围的一定空间，导致电容K很难连接在和O相同的位置，致使采集电压电流信号的位置上存在差异，而在射频电路中，电压电流不但是时间的函数而且还是位置的函数，这样就导致后面的信号分析会出现误差，同时磁环O在大电流情况下容易出现磁饱和现象，有可能导致采集的电流信号和主回路上的电流信号不再成线性关系变化，出现严重的误差；另外，由于采集电压信号的电容C1上要承受很高的电压，在器件选型上比较困难，而且随着功率的提高，C1上承受的电压也越高，很容易发生击穿事故。

发明内容

鉴于上述现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种在传输线路上采集电压电流信号的传感器。利用该传感器能够保证电压电流的信号采集点处于同一位置，而且能够降低电容击穿的风险，避免了磁饱和问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明提供一种电压电流传感器，包括电压采样装置、电流采样装置，其中，所述的电流采样装置包括线圈，电流采样装置位于采样线路的一侧，通过检测线圈两端H、I之间的电压来采集所述采样线路中的电流情况。

本发明还包括屏蔽层，所述的屏蔽层位于电流采样装置和采样线路之间，用于避免线圈耦合不必要的电场。

另外的，所述的电压采样装置的中心与电流采样装置的中心是对齐的，使得电压采样点和电流采样点处于同一位置。

另外的，所述的电压采样装置包括分压电容C11、固定电容C22，其中的分压电容C11包括套在采样线路上的导电元件和绝缘介质，所述的绝缘介质位于导电元件与采样线路之间；所述的分压电容C11和固定电容C22串联连接，通过检测固定电容C22两端的电压来采集所述采样线路中的电压情况。

另外的，所述的电流采样装置还包括印刷电路板，线圈印制在印刷电路板上。

另外的，当所述的印刷电路板为2层或2层以上的结构时，每层印刷电路板上的线圈是不规则印制的。

另外的，所述的导电元件为圆柱形金属环。

另外的，所述的绝缘介质为聚四氟乙烯。

另外的，所述的电压采样装置还包括可变电容C33，可变电容C33与固定电容C22并联连接，用于调整分压比。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，由于将电流采样装置安装于采样传输线路的一侧，就不会占据传输线路周围的空间，能够保证电压电流的信号采集点处于同一位置，使采集数据更加的精确，避免了后继的信号分析出现误差；同时分压电容C11是由套在采样传输线路上的导电元件和绝缘介质组成的，降低了制造成本，且降低了电容击穿的风险；另外，由于电流采样装置不含有磁心，线圈是印制在印刷电路板上的，这样就避免了磁饱和问题；而且由于电流采样装置和采样传输线路之间屏蔽层的存在，有效的避免耦合磁场的线圈耦合不必要的电场。

附图说明

图1为射频传输系统的结构方框图；

图2为传感器的工作示意方框图；

图3为现有技术中传感器采集电压电流时的工作结构示意图；

图4为本发明传感器电压电流采样装置的结构示意图；

图5为本发明传感器电流采样装置的工作结构示意图；

图6为本发明传感器电压采样装置的工作结构示意图；

图7为本发明多层印刷电路板上的线圈层次结构；

图8为本发明多层印刷电路板上的另一种线圈层次结构。

具体实施方式

本发明提供了一种在传输线路上采集电压电流信号的传感器。利用该传感器能够保证电压电流的信号采集点处于同一位置，而且能够降低电容击穿的风险，避免了磁饱和问题。

为更好的描述本发明，现结合附图对本发明的具体实施方式进行说明：

本发明提供了一种电压电流传感器，包括电压采样装置1、电流采样装置2，如图4所示，电流采样装置2位于采样线路3的一侧；在安装过程中，电压采样装置1的中心与电流采样装置2的中心是对齐的，这样就使得电压采样点和电流采样点能够处于同一位置；在电流采样装置2和采样线路3之间存在屏蔽层4，屏蔽层可以是由铜、铝等金属构成的，利用该屏蔽层可以避免耦合磁场的线圈耦合不必要的电场。现对电流采样装置2和电压采样装置1的具体工作结构分别进行描述如下：

如图5所示，为电流采样装置2的工作结构示意图，其中的电流采样装置2包括线圈22或印刷电路板23，当线圈22被制成多匝时，可以印制在印刷电路板23上，其多层印刷电路板上的线圈层次结构如图7所示，图中A、B、C、D代表处于印刷电路板23不同层面上的线圈，E、F、G为金属化孔(包括盲孔和埋孔)，金属化孔是用来连接上下两层线圈的，H、I为线圈22的两个引出端。当进行电流信号采集时，采样线路3中的电流i发生变化时，穿过线圈22的磁通M也相应的发生变化，根据电磁感应原理，在线圈引出端H、I上就会产生一个代表采样线路3中电流变化情况的信号电压，如前所述，通过检测线圈22两端H、I之间的电压变化就能够采集到采样线路3中的电流情况。

另外，在按照图7中所示的线圈层次结构进行印制时，由于印刷电路板23的绝缘层较薄，所以在垂直方向上的匝间距离都很近，造成匝间电容比较大，如果想要降低匝间电容，还可以按照图8所示的线圈层次结构进行印制，即让线圈不规则地印制在每层印刷电路板上，使每匝的线圈形状都不同，这样就能够避免平行导体间的分布电容，降低了匝间电容，使电流采样装置更加地稳定可靠。

如图6所示，为电压采样装置1的工作结构示意图，其中的电压采样装置1包括分压电容C11和固定电容C22；分压电容C11是由套在采样线路3上的导电元件11、位于导电元件11与采样线路3之间绝缘介质12和采样线路3组成的，其中的导电元件11可以为圆柱形金属环，也可以是其他形状的导体或半导体元件，如方形金属环等；其中的绝缘介质12可以选择各种绝缘材料，如聚四氟乙烯等，只要保证导电元件、绝缘介质和采样线路三者之间能够形成一个分压电容即可；另外，为了让分压电容C11足够的小，可以将绝缘材料加厚。当进行电压信号采集时，由于分压电容C11的容量很小(pF级)，而分压电容C11和固定电容C22是串联连接的，所以由电容串联分压规律可知，电压主要落在分压电容C11上，C22上的电压相对较小，如前所述，通过检测固定电容C22两端的电压，然后根据分压原理就能够采集到采样线路3中的电压情况。

另外，所述的电压采样装置1还可以包括可变电容C33，可变电容C33与固定电容C22并联连接，通过调整可变电容C33的大小，就能够调整并联后的电容和分压电容C11的分压比。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种电压电流传感器，包括电压采样装置(1)、电流采样装置(2)，其特征在于，所述的电流采样装置(2)包括线圈(22)，电流采样装置(2)位于采样线路(3)的一侧，通过检测线圈(22)两端之间的电压来采集所述采样线路(3)中的电流情况。

2.如权利要求1所述的电压电流传感器，其特征在于，还包括屏蔽层(4)，所述的屏蔽层(4)位于电流采样装置(2)和采样线路(3)之间，用于避免线圈(22)耦合不必要的电场。

3.如权利要求1或2所述的电压电流传感器，其特征在于，所述的电压采样装置(1)的中心与电流采样装置(2)的中心是对齐的，使得电压采样点和电流采样点处于同一位置。

4.如权利要求3所述的电压电流传感器，其特征在于，所述的电压采样装置(1)包括分压电容(C11)、固定电容(C22)，其中的分压电容(C11)包括套在采样线路(3)上的导电元件(11)和绝缘介质(12)，所述的绝缘介质(12)位于导电元件(11)与采样线路(3)之间；所述的分压电容(C11)和固定电容(C22)串联连接，通过检测固定电容(C22)两端的电压来采集所述采样线路(3)中的电压情况。

5.如权利要求1或2所述的电压电流传感器，其特征在于，所述的电流采样装置(2)还包括印刷电路板(23)，线圈(22)印制在印刷电路板(23)上。

6.如权利要求5所述的电压电流传感器，其特征在于，当所述的印刷电路板(23)为2层或2层以上的结构时，每层印刷电路板上的线圈(22)是不规则印制的。

7.如权利要求4所述的电压电流传感器，其特征在于，所述的导电元件(11)为圆柱形金属环。

8.如权利要求4所述的电压电流传感器，其特征在于，所述的绝缘介质(12)为聚四氟乙烯。

9.如权利要求4所述的电压电流传感器，其特征在于，所述的电压采样装置(1)还包括可变电容C33，可变电容C33与固定电容C22并联连接，用于调整分压比。

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