CN105247635A - 真空可变电容器 - Google Patents

Abstract

真空可变电容器(1)，包括一个预真空罩(21)，用于减少在整个波纹管(11)的压力差。所述真空力负载在驱动系统(9，14)上可由此减小，从而使可动电极(7)的运动速度更快，更快的真空可变电容器的电容调整(1)以及更长寿命的装置。

Description

真空可变电容器

技术领域

本发明涉及真空可变电容器。

背景技术

真空可变电容器是有用的，例如在阻抗匹配网络，其中时间相关高频负载的阻抗可以与发电机配合，通过调节一个或多个真空可变电容器。这种电容器的电容是可调节控制的，通过移动一个电极或一组电极，相互对于另一个，以及使用真空作为电介质以允许它们在高功率应用，例如操作在一个电压高达千伏(kV)范围内甚至几十千伏范围内的电压，并且传递高达几百安培的电流，以及低至200千赫兹(kHz)或高达200万赫兹(MHz)的频率。这种电容器可以用作调谐元件在高功率阻抗匹配网络，并且经常被用于在高功率射频(radiofrequency，RF)应用，其需要快速的，可控的，可靠的电容调节在一个大范围上(通常约为1∶50或更多)并且具有高分辨率(通常大于10000设定值的范围)和许多年的工作寿命。

真空电容器通常包括泵送和密封罩(封闭罩或外壳)，所述密封罩通常包括两个金属套环，由圆柱形的(管状的)陶瓷(或其它电绝缘)块连接在真空密闭的方式以对上述套环相互彼此电绝缘。在所述密封罩内部并且可导电地连接到每个金属套环的是电极，其功能(连同电介质)旨在生成电容量。通常一个电极被机械地固定到一个套环，而另一个电极是可被移动地，通过一种驱动系统，包括轴和螺杆/螺母系统。螺杆/螺母导引系统的轴向移动在真空外被传送到在真空内的所述可移动电极的轴向运动，通常通过一个可膨胀地接头，下文统称为波纹管，尽管也可以使用其它的可膨胀接头。真空电介质也因此被称作为电容器。真空压力通常更好(低)于10^-4毫巴(mbar)。使用真空作为电容器介质具有稳定的介电值(尤其是没有温度及没有频率依赖性)，并允许所述电容器在高电压和高电流的情况下稳定操作，其介电损耗是非常低的。例如，专利US2010202094(A1)描述了一种真空可变电容器。某些特定应用的真空电容器包括广播(例如，在振荡电路的高功率发射机)或等离子控制方法在半导体，太阳能和平板的制造，例如在工业等离子增强化学气相沉积(PECVD)的工艺。在这些应用中，调整所述真空可变电容器的电容可允许改变(和匹配)在于高功率射频负载(RFloads)(例如在PECVD过程中产生的)和高功率射频(RF)发生器的固定阻抗之间的阻抗，通过业界标准固定于Z_outGenerator＝(50+0j)Ohm.

真空电容器是主要可调单元在于高功率射频(RF)功率传送及随时间变化负载。尽管体积相对较大，真空可变电容器相比其它的调谐机构对诸如电感调谐，或其它形式的电容调谐(非机械技术或非真空技术)提供几个优点。确实，真空可变电容器允许近乎连续地调谐，并且具有优异的分辨率(电容范围可以轻易地划分成10000设定值以上，当典型的步进电机的微步特性在使用时)在很大的电容范围，并且具有很高的电压能力，这归功于真空介质。而且，由于介电损耗极低，真空电容器允许大电流，并且不会产生大量热，因此其基本上是最优选的高功率应用。调整电容值可通过机械地移动一个电极与其它电极，从而可修改所述两个电极表面之间的距离，或改变电极表面重叠(后者是最常见的)，这两者都会造成电容值的改变。

典型的真空可变电容器百万赫兹(MHz)应用被设计为提供电容值在pF范围内(有时延伸到低至nF范围)，然而单个单元将覆盖电容范围约为1：50或更高；换言之，如果所述最小设定Cmin例如是10pF，则最大的Cmax＝500pF一般可以设置在同一单元使用。所花费的时间用于移动所述可移动电极在于Cmin和Cmax之间一般为1秒，或在现有技术中的电容器是更长时间的。较小的调节则需要成比例的更短时间。最近，在连续等离子过程，用于芯片制造或其他半导体制备方法的调节时间已经大大地减少许多，这使得真空可变电容器有时在阻抗匹配是瓶颈的，以及在整个过程使用射频功率时。尽管发展是朝向更快的控制软件，但是存在的物理限制在于使用特定的电机的可移动机械部件(可移动电极)的速度。一个限制速度的因素是在于对付显著力在真空密封罩内部和外部之间的压力差(1巴)。

现有技术的真空可变电容器的速度因此是有限的，主要是因电机的功率以及压力-速度限制(所谓的PV值)，其用于移动所述可移动电容器的电极的所述驱动系统的螺杆和螺母。高PV值导致高接触压力在于驱动系统的螺母和螺杆螺纹之间，造就负面影响所述螺杆/螺母系统的磨损，并且导致早期故障(或者需要定期更换螺杆/螺母系统)。

现有技术的电容也受到显著的膜应力和弯曲应力在波纹管上。这些应力越大，压缩/扩展循环(生命周期)的次数就越小，所述波纹管也就能够承受直到出现故障。

不管用于驱动系统的电机类型，一种高转矩必然需要用来克服现有技术的真空可变电容器的正压差，如下面所解释的。

步进电机(或步进马达)通常用于驱动真空可变电容器，因为它们的定位精确度(分辨率)，高刚度(步进电机产生最大保持扭矩在静止时并且一般不需要任何制动器)，并且因为它们对于大多数应用具有令人满意的速度。通常步进电机可在操作在600转/分(RPM)或1200转/分来驱动大部分普通的真空可变电容器，并且仍然提供足够的转矩来克服真空力。然而，不幸的是，步进电机的一种特点是速度的增加会引起可用扭矩的减少，在非常高的速度下，将导致步进损失和不准确性。其它电机(例如伺服电机或直线电机)也有在高速下减小的扭矩。获得较高的扭矩和速度的组合只能通过显著增加尺寸和电动机的成本来达至。可是这对于组件集成到原始设备制造商(OEM)阻抗匹配网络是可接受的选项。

本发明的目的在于克服上述和其它于现有技术的真空可变电容器的缺点。特别是，本发明的目的是提供一种改进的真空可变电容器，其是可提高调整速度的，但优选地是不增加电机的尺寸，不增加所述装置的尺寸，和/或不减小所述装置的调节分辨率。

其它优点包括增加了装置的使用寿命(特别是增加电容调节循环的次数)，而不损失最大运作电压/功率，设置的小巧性，或者调整分辨率。

发明内容

上述目的是通过真空可变电容器，其可调于最小电容值和最大电容值之间，包括：

第一真空罩，包含由真空介电所隔离的电容器电极，所述第一真空罩的壁包括第一可变形的区域(也称为波纹管)，用于传递在设置在该第一真空罩外的驱动装置和设置在该第一真空罩内的可移动的电容器电极之间的机械运动；以及第二真空罩，以下称为预真空罩，包含预定压力的气体，其低于大气压，所述预真空罩被布置成使得所述第一波纹管从在所述第一真空罩的真空介电中隔离所述在预真空罩内的气体。

所述预真空罩(也称为第二真空罩)包含低于大气压的气体，从而用于减小波纹管上的压力差。这种压力差的减小进而减小了马达(电机)转矩量，其所需于运动波纹管和/或增加调整速度，这可以利用给定的电机来达至。

本发明的变体是根据所述从属权利要求。

预真空罩的存在意味着电机需要较少的扭矩，以驱动所述螺母及压缩或扩展所述波纹管，并运动所述可移动电极在第一(也称为主要)真空罩。这允许更快的速度使用相同尺寸和功率的电机。值得注意的是，所需要的扭矩的减小不仅仅是由于在波纹管的真空力的减小。所述真空力产生轴向力在于螺母和轴的螺纹之间。该轴向力导致显著的摩擦在螺母和螺杆之间。压力差的减少，因此在真空力，导致显著减少在旋转摩擦的次数在于螺母和螺纹之间。这减小了的旋转摩擦也导致了显著减少转矩次数，其是电机所需用于驱动轴的。

第二真空封闭罩并不需要如第一真空般进行泵吸。实际上，第一真空压力必须是大大小于大气压的压力，以便适当地操作作为电介质，而在预真空封闭罩内的压力可以仅仅是一个数量级小于大气压力，例如，已足以减小轴向力作用在驱动系统上(螺杆/螺母等)通过大约10的因数。由于在驱动系统上减小的作用力，所需的电机的扭距明显地减小，因此允许更高的速度。

而且，该设置可增加所述波纹管的使用寿命，其将两个容积隔离在降低的压力差，因此将受到较少的膜应力和更小的弯曲应力在受到压缩/扩展后。所述减小的真空力也会降低螺杆-螺母-驱动系统的磨损，从而导致这些部件拥有更长的使用寿命。

在此所描述的真空可变电容器可以例如与位于所述预真空封闭罩内的电机一起设置，与在预真空封闭罩中的气体在于例如约0.1巴的压力下。0.1巴的压力会减小在波纹管上的真空力约90％，但仍然提供足够的分子，以允许对流冷却以使电机不会过热。更好的真空(较低的压力)可能不允许足够的热量以排向外部环境中，这导致电机过热和导致系统失效。一般来说，压力在于0.05巴和0.5巴可提供一种有用的减少真空力，且不需要额外的冷却措施。然而，任何压力上升到大气压力都可被使用，并且仍然能够提供一种改进。

原则上，所述真空力可减至零通过完全抽空所述预真空的腔室。这将减少所需要的一个非常小值的电机扭矩以驱动该螺杆/螺母。然而，所述真空力提供一种有用的轴向偏置力于所述螺杆-螺母驱动。这轴向偏置力大大减小了在螺杆-螺母驱动发挥的次数，从而有利于电容的调整精确度(分辨率)。所述波纹管可以具有固有的类似弹簧力，其具有偏置所述螺杆-螺母机械接口的效果。然而，所述波纹管可以被压缩在一个点在其延伸范围内，并于另一部分张力在其的延伸范围中，从而将施加正，负偏置力于所述驱动螺杆/螺母，根据其中所述波纹管发生的延伸范围。因此，这有利于配置在波纹管上的压差，使得真空力大于所述最大波纹弹簧力，其施加在与真空力相反的方向。换言之，所形成的"真空力+波纹管弹簧力"将不会改变方向，甚至当所述波纹管通过它们的中性位置(从被压缩到背扩展的)，确实，虽然单单波纹管力可改变方向，其取决于是否处于压缩模式或扩展模式，新增的(减少的)真空力仍然保证真空力的总和将不会改变方向。这可以通过拥有第二真空压力保证，其是足够高的及至少与所述电容器的最大幅值的波纹管弹簧力相同的。所导致的力的方向改变将导致螺杆-螺母系统的失败，造成电容器的劣势位置控制(以及相关的电容值及阻抗值)。换句话说，减少的真空力必须被确定，以使其仍然是足够大的，以补偿任何相反方向的波纹管力(这将取决于使用的波纹管的机械性能)。

由于相同的原因，另一个减少的但不完全补偿的真空力的优点是该电容器可以以任何方位定位并集成到阻抗匹配网络，如果所述减少的真空力仍然至少可以补偿施加在可动电极的重力，当所述波纹管轴向不是在水平轴上时。压力为0.1巴被发现是合适于普通的波纹管和电极质量。然而，在其它情况下，较高或较低的压力可以是更有效的。

附图说明

本发明现在将依据参照附图以详细描述，其中：

图1是一个横截面示意图，显示现有技术的真空可变电容器。

图2是一个横截面示意图，显示根据本发明的第一实施例的真空可变电容器的一个例子。

图3是一个横截面示意图，显示根据本发明的第二实施例的真空可变电容器的一个例子。

图4是一个横截面示意图，显示根据本发明的第三实施例的真空可变电容器的一个例子。

以上参考附图仅供参照，并不是用于限制本申请书所主张的专利保护范围。

其中相同的参考号在不同的附图中被重复使用，它们旨在指代类似或相应的特征。然而，使用不同的参考号不一定表示它们是指不同的特征。

具体实施方式

图1示出了高度简化，概略截面例子的现有技术的真空可变电容器。它包括泵送和封闭的真空罩(2)由两个金属套环(3，4)形成，相互通过圆柱形陶瓷片(5)以真空气密方式连接套环(3，4)起到电绝缘。在所述真空罩(2)内导电地连接到每个金属套环(3，4)是静态电极(6)以及可动电极(7)，其功能，与所述真空介质(12)一起是产生电容。所述静态电极(6)机械固定到一个套环(3)及所述可动电极(7)可借助于包括螺钉(9)，螺母(14)的驱动系统9所驱动。扩展接头或波纹管(11)从所述真空罩(2)外的大气压隔离真空电介质(12)。值得注意的是，由于压力差(ΔΡ大约1巴)有一个力(11)是施加在波纹管上以及在所述接触表面于螺母(14)与螺杆(9)之间。为了改变所述真空可变电容器的电容值，所述电极(6，7)的重叠可以被调节，通过转动螺杆(9)于一个适当的匝数或部分匝数。通常这是通过使用电机(15)达成。本发明的真空力，可高达300N以上，作用于波纹管(11)以将波纹管与螺母拉向该真空(即图1中的下方)。所述真空力的大小取决于波纹管(11)的几何形状，其形成交界在于真空(12)和周围气氛之间。这导致对于电机(15)的高转矩需求，其反过来又限制了其速度，就如上文所讨论的。

图2显示一个类似地简化的形式，其是根据本发明的真空可变电容器(1)的示例。它包括第一真空密封罩(2)，电极(6，7)，电机(15)，丝杠(或称为引导螺杆)(9)，螺母(14)和波纹管(11)，如以上相对于图1说明的。另外，低压力封闭罩(21)，也称为部分真空或预真空封闭罩，是被密封在所述第一真空罩(2)。所述预真空罩(21)包含气体(20)其压力低于大气压，例如0.1巴。

与其将所述真空(12)从大气中隔离，如图1中所示，图2的波纹管(11)将真空(12)从包含在密封的预真空罩中的低压气体(20)隔离。

如果在预真空罩的压力是0.1巴的情况下，所述真空力作用在波纹管(11)和螺母(14)将是大约十分之一对应在图1所示的真空可变电容器的真空力。

由于所述真空力的减小，所述电机(15)所需的转矩也就小于图1的真空可变电容器。其结果是，如同图1的电机(15)可于较高速下操作。

值得注意的是在本实施例中，所述电机(15)，在预真空罩(21)是从套环(4)彼此电绝缘，其中携带高电力当所述真空可变电容器(1)是在射频(RF)操作。这符号通过绝缘材料表示在图2中。

该套环(4)在真空可变电容器(1)的可变侧通常被称为"可变化的安装板"，因为它用于安装所述真空可变电容器到阻抗匹配网络或者其它系统。不同电极配置在所述第一真空密封罩(2)允许简化电机(15)的安装，这将在下面相对于本发明的第二实施例解释。

回到本实施例(图2)中，假设在预真空罩(21)的压力是0.1巴用于以下讨论关于真空可变电容器增加的使用寿命。

首先，波纹管(11)的使用寿命延长了，这是由于在波纹管(11)的压力差(ΔΡ)现在减少了90％，这种降低会导致波纹管(11)在伸展或压缩时较低的膜应力以及较低的弯曲应力，从而导致更长的使用寿命。其次，所述螺杆(9)和螺母(14)的使用寿命也提高了，通过减小下压力值，因此PV值减小了。PV是压力和速度的结果，其中所述压力和速度在此是那些接触表面配合螺纹的螺钉(9)和螺母(14)。PV值是普通工程值，该值可以用于两个滑动接触的表面如螺钉和螺母以预测机械磨损和失效的时间。减小的压差经过波纹管时(11)导致较低的接触压力在于螺杆(9)和螺母(14)之间的接合螺纹表面。通过图2中的真空可变电容器(1)，减小的接触压力在于螺钉(9)和螺母(14)之间给予一个或多个下述有利特性：

对于给定的螺钉/螺母配对，较少的磨损和更长的工作寿命；

对于给定的螺钉/螺母系统和相同的寿命要求，它允许螺杆/螺母驱动系统以更快的运行速度而不减少其寿命；

选择较不昂贵的螺杆/螺母材料的组合，但仍然达到相同的使用寿命以及相同的速度；

选择较小的螺钉与螺母(因此贡献了小型化的真空可变电容器)而不会导致减少使用寿命。

电机(15)可以是例如步进电机。或者，可采用其它类型的直流电机(DCmotor)或交流伺服电机(ACservomotor)。也可以使用在驱动内没有任何旋转部件的直线电机，从而实现在给定尺寸电机更高的速度。

图3示出了根据本发明的第二实施例的真空可变电容器的一例子。在本实施例中，设置两个联动电极组(24，25)在于所述第一真空罩(2)内；以及使用第二陶瓷绝缘体(32)作为该真空罩(2)的部分让其成为可能连接到所述电机(15)，其位于在所述预真空罩(21)使得预真空罩不需要额外的绝缘件，以电绝缘所述电机从真空可变电容器(1)的操作过程中所施加的高电压。这允许更紧凑布局在第二真空罩内的电机。

图2和图3示出了电机(15)是同样都位于在预真空罩(21)内。然而，所述电机(15)也可以全部或部分设置在预真空罩(21)的外部。所述预真空罩(21)作为压力容器，用于减少波纹管上的压差(11)，其用于容纳所述电机(15)只是附属功能。

图4示出了根据本发明第三实施例的真空可变电容器(1)，其包括，如同第一和第二实施例中，第一真空罩(2)包含电极(6，7)在真空(12)内，和波纹管(11)，其将从包含在低压气体(20)的预真空罩(21)中的真空(12)隔离，如相同于第一和第二实施例那样。

图4的真空可变电容器还包括第二真空罩(22)和第二可变形的壁区，或波纹管(27)，和预真空罩(21)，其被构造成使得该第二波纹管(27)的净真空力，因在于该第二真空(13)及该预真空气体(20)和第二波纹管(27)的波纹管弹簧力之间的压力差基本上相同于，但作用在相反方向于，该相应在所述第一波纹管(11)上的净真空力和波纹管弹簧力。

如图4所示，所述第一和第二波纹管是通过机械连接装置相连接的(在此例是共同的轴，9)，其确保第一波纹管(11)的运动通过相似地，但相对于第二波纹管的运动(27)而抵消，反之亦然。换句话说，假如该第一波纹管(11)移动相对于其真空力(图4中向上)，那该第二波纹管(27)与其的真空力一起移动(图4中也是向上)。

这样，在波纹管(11)上的真空力和弹簧力可以大幅度(或甚至完全)通过第二，相似(但抵消地)波纹管(27)及真空罩(22)装置而基本上得到补偿。

各种机械联接的可能可以设想用于连接所述两个波纹管(11和27)，但是直通(straight-through)轴(28)，固定于第一(11)和第二(27)波纹管的相关末端部分的任一端，其优点是不需要螺纹连接或其它的运动部件。

图4示出一种布置，其中第一(2)和第二(22)真空罩共享一个预真空罩(21)，用于减小相关波纹管(11，27)的压差。然而，有可能使用两个单独的预真空罩以取得相同的结果。

利用此配置，它特别有利地使用直线驱动器或任何其它移动装置，其不包含螺杆和螺母。而且，通过此实施例，所需的力以调节所述真空可变电容器将会比在先前所讨论的实施例减小得更多，和甚至更高的速度可实现。直线电机(29，34)，例如一种直线感应或音圈型电机可例如用来调节如图4的真空可变电容器。此外，由于在于波纹管的净真空和弹簧作用力是有效地降低到零，所述电容调整速度不依赖于所述预真空罩(21)中的压力。所述在预真空罩(21)的压力可以因此是任何值的，包括大气压力，或比大气压高的。实际上，第三实施例的真空可变电容器可以完全不用所述预真空罩(21)。所述真空/弹簧力的传递通过波纹管(11，27)到机械连动(28)仍可被抵消的。

值得注意的是，本发明的所有三个实施例均有可能设置所述电机(15)或音圈(29)在第一真空罩(2)的真空(12)内，或者，在第三实施例中，设置在第二真空罩(22)的真空(13)内。然而，某些电机已知是可在外太空运作，因此其是真空兼容，但它是不可能把电动电机直接集成到包含该电极的真空罩内的。其原因是，即使这样的电机通过释气并降低所需介质目的的真空：真空压力最好(较低)于10^-3毫巴(mbar)是必须保持的，但是这些是不兼容于电机部件的长期释气率。

Claims (15)

1.一种可调于最小电容值和最大电容值之间的真空可变电容器(1)，所述真空可变电容器(1)包括：

第一真空罩(2)，其包含由真空介电(12)所隔离的电容器电极(6，7)，所述第一真空罩(2)的壁包括第一可变形的区域(11)，以下称为第一波纹管，用于传递在设置在所述第一真空罩外的驱动装置(9，14，15，28)和所述第一真空罩(2)内的电容器电极(6，7)中的移动电容器电极(7)之间的机械运动；

所述真空可变电容器(1)特征在于

第二真空罩(21)，以下称为预真空罩，其包含在预定压力处的气体(20)，其低于大气压，所述预真空罩(21)被布置成使得所述第一波纹管(11)从在所述第一真空罩(2)内的真空介电(12)中隔离在所述预真空罩(21)内的气体(20)。

2.根据权利要求1的真空可变电容器(1)，其中所述驱动装置(9，14，15，28)包括设置在所述预真空罩(2)内的电机(15)。

3.根据前述权利要求中之一的真空可变电容器(1)，其中所述驱动装置(9，14，15，28)包括直流电机，交流伺服电机或直线电机。

4.根据前述权利要求中之一的真空可变电容器(1)，其中所述电机(15，29)、所述电极(6，7)、所述驱动装置(9，14，15，28)以及在所述预真空罩(21)内的预定压力被配置成使得在最小电容值和最大电容值之间的最小调整时间少于0.1秒。

5.根据前述权利要求中之一的真空可变电容器(1)，其中所述最大电容值是所述最小电容值的至少10倍。

6.根据前述权利要求中之一的真空可变电容器(1)，其中所述波纹管(11)被配置成忍受一千万次循环，其中一次循环包括：从第一电容值至第二电容值的第一电容调节，其中所述第二电容值是所述第一电容值的十倍；以及从所述第二电容值至所述第一电容值的第二电容调节。

7.根据权利要求6的真空可变电容器(1)，其中所述电机(15，28)、所述电极(6，7)以及所述驱动装置(9，14，15，28)被配置成使得用于所述循环中的一次的最小调整时间小于0.05秒。

8.根据前述权利要求中之一的真空可变电容器(1)，包括用于控制所述电机(15)的控制装置，其中所述控制装置、所述电机(15)以及所述驱动装置(9，14，15，28)被配置为使得所述电容是可调整的，其增量小于所述最大电容值和所述最小电容之间的差值的五千分之一。

9.根据前述权利要求中之一的真空可变电容器(1)，包括绝缘元件(8)，用于使所述驱动装置(9，14，15，28)和/或电机(15)电绝缘于所述第一真空罩(2)的可变安装板(4)。

10.根据前述权利要求中之一的真空可变电容器(1)，其中所述第一真空罩(2)包括：两组或更多组的联动电极(24，25)，其设置成使得所述真空可变电容器(1)无需高电压在可变安装板(4)和电机(15)之间运作。

11.根据前述权利要求中之一的真空可变电容器(1)，包括第二真空罩(22)，其包含第二可变形壁区域(27)，以下称为第二波纹管，从所述预真空罩(21)中隔离所述第二真空罩(22)，其中所述第一波纹管(11)机械地连接到所述第二波纹管(27)。

12.根据权利要求11的真空可变电容器(1)，其中所述第二波纹管(27)基本上与第一波纹管(11)相同。

13.根据前述权利要求中之一的真空可变电容器(1)，其中所述驱动装置(28)包含音圈或其它直线驱动。

14.根据权利要求2-13中之一的真空可变电容器(1)，其中所述驱动装置(29，28)被配置成使得由电机(29)提供并传输至所述移动电极(7)的电机动力不通过螺纹连接而传输。

15.根据权利要求2-13中之一的真空可变电容器(1)，其中所述驱动装置(9，14，15，28)包括引导螺杆(9)和螺母(14)，其中所述螺杆(9)和/或所述螺母(14)包括陶瓷材料。