CN103105515A - 一种电流传感器、阻抗匹配器以及等离子体加工设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电流传感器、阻抗匹配器以及等离子体加工设备，所述电流传感器包括线圈骨架、缠绕在所述线圈骨架上的线圈以及控制单元，所述线圈包括线圈输入端和线圈输出端，在所述线圈输入端和所述线圈输出端之间设有n个抽头，所述抽头将所述线圈分成n+1段匝数不同的子线圈，所述控制单元在n个所述抽头、所述线圈输入端和所述线圈输出端中任意选择两个分别作为传感器信号端或接地端(其中，n为大于0的正整数)，以选择性地将线圈上n+1段匝数不同的子线圈中任意一段或多段子线圈接入控制系统，使电流传感器能够测量多种不同功率段的电流幅值范围，从而扩大了电流传感器的检测范围，并且减小了电流传感器的体积，降低了电流传感器的制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及等离子体加工技术领域，具体涉及一种电流传感器、阻抗匹配器以及应用该阻抗匹配器的等离子体加工设备。
背景技术
射频等离子体加工设备是利用射频电源输出的射频功率使反应腔室内的气体电离，从而在反应腔室内形成等离子体，然后利用等离子体加工器件。在实际应用过程中，负载(等离子体)的阻抗会随腔室内气体的成分和压力的变化而不断变化，从而导致负载阻抗与射频电源的阻抗失配，这将使得传输线上存在较大的反射功率，从而导致射频功率无法全部施加到反应腔室。
因此，相关技术人员在射频电源与反应腔室之间设置了阻抗匹配器。阻抗匹配器包括传感器、控制系统和执行单元，其中，传感器用以检测射频传输线上的电压、电流、前向功率、反向功率等相关参数，以提供匹配控制算法所需的输入量，并将参数发送给控制系统；控制系统根据获得的参数向执行单元发出指令，执行单元实现负载阻抗与射频等离子体加工设备的恒定输出阻抗的匹配。
其中，传感器包括用于检测射频传输线上电流的电流传感器，图1为现有的电流传感器的结构示意图。如图1所示，电流传感器包括线圈骨架2和线圈3，其中，线圈3绕制在线圈骨架2上，线圈3的第一端部31作为信号端与控制系统连接，线圈3的第二端部32接地。这种电流传感器的线圈由于匝数固定，只能检测一定功率段的电流幅值范围。当传输线1上的电流因传输功率变化范围较大而超出电流传感器的检测范围时，就会影响控制系统的后续工作。此时，只能通过拆机并更换线圈3来改变线圈3的匝数，这不但增加了劳动强度，而且延长了生产时间，降低了生产效率。
为此，中国专利申请CN 102012448A公开了一种罗哥夫斯基电流传感器。图2为罗哥夫斯基电流传感器的结构示意图，如图2所示，电流检测装置包括圆环形的磁介质骨架4，其中，在磁介质骨架4上分别绕制有相互独立的第一线圈51和第二线圈52，且第一线圈51的匝数大于第二线圈52的匝数。在电流检测时，可以选择性地将第一线圈51或第二线圈52与控制系统连接，从而使电流传感器能够测量两个不同功率段的电流幅值范围，从而在一定程度上扩大了电流传感器的检测范围。
但是，对于某些特定的工艺，如等离子体刻蚀工艺，射频电源往往需要向等离子体加工设备的反应腔室输送高、中、低三种、甚至更多种不同范围的射频功率，这就要求阻抗匹配器中的电流传感器也相应地能够准确地检测高、中、低三种、甚至更多种不同功率段的电流幅值范围。显然，上述罗哥夫斯基电流传感器仍无法满足被测传输线上的功率范围较大的情况。另外，上述罗哥夫斯基电流传感器是通过增加磁介质骨架4上线圈的数量来增加电流传感器的检测范围，这不仅增加了电流传感器的制造成本，还增大了电流传感器的体积。
发明内容
为至少解决上述问题之一，本发明提供一种电流传感器、匹配器及等离子体加工设备，其不仅能够检测较宽的电流幅值范围，而且体积小，制造成本低。
为实现本发明的目的而提供一种电流传感器，包括线圈骨架以及缠绕在所述线圈骨架上的线圈以及控制单元，所述线圈包括线圈输入端和线圈输出端，在所述线圈输入端和所述线圈输出端之间设有n个抽头，所述抽头将所述线圈分成n+1段匝数不同的子线圈，所述控制单元在n个所述抽头、所述线圈输入端和所述线圈输出端中任意选择两个分别作为传感器信号端或接地端，其中，n为大于0的正整数。
其中，所述控制单元为选择开关，所述选择开关包括选择开关控制子单元、第一开关以及第二开关，所述第一开关根据所述选择开关控制子单元的选择信号选择性地将n个所述抽头、所述线圈输入端和所述线圈输出端中的任意一个作为传感器信号端；所述第二开关根据所述选择开关控制子单元的选择信号选择性地将所述抽头、所述线圈输入端和所述线圈输出端中的任意一个接地。
优选的，所述选择开关控制子单元为DSP控制器或继电器。
其中，所述线圈骨架利用磁性材料制作或利用非磁性材料制作。
优选的，所述磁性材料包括铁、镍基合金或稀土合金。
优选的，所述非磁性材料包括聚四氟乙烯或聚醚醚酮。
本发明还提供一种阻抗匹配器，包括电流传感器、控制系统、执行单元以及驱动所述执行单元的动力源，其中，所述电流传感器用以检测射频传输线上的电流，并向所述控制系统提供电流信号，其中，所述电流传感器采用了本发明提供的所述电流传感器。
优选的，所述动力源为步进电机或伺服电机。
本发明还提供一种等离子体加工设备，包括反应腔室、射频电源以及设置在所述射频电源与反应腔室之间的阻抗匹配器，所述阻抗匹配器用以使负载阻抗与射频等离子体加工设备的恒定输出阻抗相匹配，其中，所述等离子体加工设备采用了本发明提供的所述阻抗匹配器。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的电流传感器，通过在线圈上设置n个抽头(n为大于0的正整数)，并将线圈分成n+1段匝数不同的子线圈，并且通过控制单元在n个抽头、所述线圈输入端和所述线圈输出端中任意选择两个分别作为传感器信号端或接地端，以选择性地将线圈上n+1段匝数不同的子线圈中任意一段或多段子线圈接入控制系统，使电流传感器能够测量多种不同功率段的电流幅值范围，从而扩大了电流传感器的检测范围。并且，由于电流传感器是借助n个抽头将线圈分成n+1段匝数不同的子线圈来增加其检测范围而无需增加线圈的数量，这不仅减小了电流传感器的体积，而且还降低了电流传感器的制造成本。
本发明提供的阻抗匹配器，其通过本发明提供的电流传感器，能够测量多种不同功率段的电流幅值范围，从而扩大了电流传感器的检测范围；并且减小了电流传感器的体积，降低了电流传感器的制造成本。
本发明提供的等离子体加工设备，其通过采用上述阻抗匹配器，不仅能够测量多种不同功率段的电流幅值范围，从而扩大了电流传感器的检测范围；并且减小了电流传感器的体积，降低了电流传感器的制造成本。
附图说明
图1为现有的电流传感器的结构示意图；
图2为罗哥夫斯基电流传感器的结构示意图；
图3为本发明实施例中电流传感器的结构示意图；以及
图4为在线圈上设有两个抽头的电流传感器的结构示意图。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的电流传感器、阻抗匹配器以及等离子体加工设备进行详细阐明。
本发明提供的电流传感器用以检测被测传输线上的电流。图3为本发明实施例中电流传感器的结构示意图。请参阅图3，电流传感器包括线圈骨架20、缠绕在线圈骨架20上的线圈60、控制单元7以及传感器信号端8。控制单元7用于选择性地将线圈60上的接线端与传感器信号端8连接。
线圈60包括线圈输入端61和线圈输出端62，并且在线圈输入端61和线圈输出端62之间设有一个抽头63，抽头63将线圈60分成两段匝数不同的子线圈，其中，第一子线圈的匝数为n1，第二子线圈的匝数为n2，且n1≠n2，n为大于0的正整数。线圈骨架20利用如铁、镍基合金或稀土合金等磁性材料制作而成，或利用如聚四氟乙烯或聚醚醚酮等非磁性材料制作而成。
线圈输入端61、线圈输出端62以及抽头63为线圈60上的接线端。控制单元7在抽头63、线圈输入端61和线圈输出端62中可任意选择两个接线端分别作为传感器信号端8或接地端，从而选择性地将匝数不同的子线圈或其组合接入需要测量传输线上电流信号的控制系统，这可以使电流传感器测量三种不同功率段的电流幅值范围，从而扩大了电流传感器的检测范围。
例如，控制单元7选择抽头63作为传感器信号端8，并将线圈输入端61接地，此时匝数为n2的第二子线圈被接入控制系统。又如：控制单元7选择抽头63作为传感器信号端8，并将线圈输出端62接地，此时匝数为n1的第一子线圈被接入控制系统。再如：控制单元7选择线圈输出端62作为传感器信号端，并将线圈输入端61接地，此时整个线圈60被接入控制系统。
本实施例电流传感器借助抽头63将线圈分成两段匝数不同的子线圈来增加其检测范围而无需增加线圈60的数量，这不仅减小了电流传感器的体积，而且还降低了电流传感器的制造成本。
本实施例中，控制单元7为选择开关，该选择开关包括选择开关控制子单元70、第一开关71以及第二开关72，其中，选择开关控制子单元70提供开关选择信号，该选择开关控制子单元可以为DSP控制器或继电器等自动控制装置。第一开关71根据选择开关控制子单元70的选择信号选择性地将抽头63、线圈输入端61和线圈输出端62中一个接线端作为传感器信号端；第二开关72根据选择开关控制子单元70的选择信号选择性地将抽头63、线圈输入端61和线圈输出端62中一个接线端接地，从而实现采用自动方式将线圈60上匝数不同的子线圈或其组合接入控制系统，这不仅扩大了电流传感器的检测范围，而且无需通过拆机并更换线圈的方式来改变线圈的匝数，从而不但降低了劳动强度，缩短了生产时间，提高了生产效率，还减小了电流传感器的体积，降低了电流传感器的制造成本。
需要说明的是，在本实施例中，在线圈60上设有一个抽头63，但本发明并不局限于此。实际上，在线圈60上可设置n个抽头，其中，n为大于0的正整数，使线圈60被分成n+1段匝数不同的子线圈，并且，在上述n个抽头、线圈输入端61和线圈输出端62中可任意选择两个接线端分别作为传感器信号端8或接地端，以选择性地利用线圈60上n+1段匝数不同的子线圈或其组合来测量传输线上的电流，使电流传感器能够测量多种不同功率段的电流幅值范围，从而扩大电流传感器的检测范围。
例如，图4为在线圈上设有两个抽头的电流传感器的结构示意图。如图4所示，在线圈输入端61和线圈输出端62之间设有两个抽头，分别为靠近线圈输入端61的第一抽头63和靠近线圈输出端62的第二抽头64，借助第一抽头63和第二抽头64将线圈60分为三段匝数不同的子线圈，其中，线圈输入端61和第一抽头63之间的线圈的匝数为n3，第一抽头63和第二抽头64之间的线圈匝数为n4，第二抽头64和线圈输出端62之间的线圈的匝数为n5，且n3≠n4≠n5。线圈输入端61、线圈输出端62、第一抽头64以及第二抽头65为线圈60上的接线端，控制单元7在上述四个接线端中可任意选择两个接线端分别作为传感器信号端8或接地端，从而选择性地利用三种匝数不同的子线圈或其组合来测量传输线上的电流，这样可以使电流传感器测量七个不同功率段的电流幅值范围。可以理解，在线圈60上设置的抽头数量越多，电流传感器可测量的电流幅值范围越广，从而可以扩大电流传感器的检测范围。
综上所述，本实施例提供的电流传感器，其通过在线圈上设置n个抽头(n为大于0的正整数)，将线圈分成n+1段匝数不同的子线圈，并且在n个抽头和线圈输入端、线圈输出端中任意选择两个接线端分别作为传感器信号端或接地端，以选择性地将线圈上n+1段匝数不同的子线圈中任意一段子线圈或任意一段子线圈的组合接入控制系统，使电流传感器能够测量多种不同功率段的电流幅值范围，从而扩大了电流传感器的检测范围。并且，上述电流传感器由于无需增加线圈的数量就能够增加检测范围，这不仅减小了电流传感器的体积，而且还降低了电流传感器的制造成本。
本实施例还提供了一种阻抗匹配器，包括电流传感器、控制系统、执行单元以及用以驱动执行单元的动力源，其中，电流传感器采用了本实施例提供的上述电流传感器，用以检测射频传输线上的电流，并向控制系统提供电流信号。控制系统根据获得的电流信号向动力源发出指令，使动力源驱动执行单元实现负载阻抗与射频等离子体加工设备的恒定输出阻抗的匹配。
本实施例中，动力源采用步进电机或伺服电机等动力装置。
本实施例提供的阻抗匹配器，其通过采用本实施例提供的电流传感器，不仅能够测量多种不同功率段的电流幅值范围，从而扩大了电流传感器的检测范围。并且还能够减小电流传感器的体积，降低电流传感器的制造成本。
本实施例还提供一种等离子体加工设备，包括反应腔室、射频电源以及设置在射频电源与反应腔室之间的阻抗匹配器，其中，阻抗匹配器为本实施例提供的阻抗匹配器，用以使负载阻抗与射频电源的恒定输出阻抗相匹配。
本实施例提供的等离子体加工设备，其通过采用本实施例提供的阻抗匹配器，不仅能够测量多种不同功率段的电流幅值范围，从而扩大了电流传感器的检测范围。并且减小了电流传感器的体积，降低了电流传感器的制造成本。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种电流传感器，包括线圈骨架、缠绕在所述线圈骨架上的线圈以及控制单元，所述线圈包括线圈输入端和线圈输出端，其特征在于，在所述线圈输入端和所述线圈输出端之间设有n个抽头，所述抽头将所述线圈分成n+1段匝数不同的子线圈，所述控制单元在n个所述抽头、所述线圈输入端和所述线圈输出端中任意选择两个分别作为传感器信号端或接地端，其中，n为大于0的正整数。
2.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，所述控制单元为选择开关，其包括选择开关控制子单元、第一开关以及第二开关，所述第一开关根据所述选择开关控制子单元的选择信号选择性地将n个所述抽头、所述线圈输入端和所述线圈输出端中的任意一个作为传感器信号端；所述第二开关根据所述选择开关控制子单元的选择信号选择性地将所述抽头、所述线圈输入端和所述线圈输出端中的任意一个接地。
3.根据权利要求2所述的电流传感器，其特征在于，所述选择开关控制子单元为DSP控制器或继电器。
4.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，所述线圈骨架利用磁性材料制作或利用非磁性材料制作。
5.根据权利要求4所述的电流传感器，其特征在于，所述磁性材料包括铁、镍基合金或稀土合金。
6.根据权利要求4所述的电流传感器，其特征在于，所述非磁性材料包括聚四氟乙烯或聚醚醚酮。
7.一种阻抗匹配器，包括电流传感器、控制系统、执行单元以及驱动所述执行单元的动力源，其中，所述电流传感器用以检测射频传输线上的电流，并向所述控制系统提供电流信号，其特征在于，所述电流传感器采用权利要求1-6中任意一项所述的电流传感器。
8.根据权利要求7所述的阻抗匹配器，其特征在于，所述动力源为步进电机或伺服电机。
9.一种等离子体加工设备，包括反应腔室、射频电源以及设置在所述射频电源与反应腔室之间的阻抗匹配器，所述阻抗匹配器用以使负载阻抗与射频电源的恒定输出阻抗相匹配，其特征在于，所述阻抗匹配器采用权利要求7-8中任意一项所述的阻抗匹配器。
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