CN1347126A - 流体可变电容器 - Google Patents
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Abstract
提供一种流体可变电容器,其体积密度、耐电压性、可靠性都优于普通的可变电容器,而且成本较低。该流体可变电容器包括一个壳体,该壳体装有导电的定片和动片。一种电介质流体将所述定片和动片隔开。一运动装置与所述动片相连,用来使所述动片相对于所述定片移动,从而使这些片之间所形成的电容改变。
Description
本发明的背景技术和概述
本发明总体上涉及RF电容器，尤其涉及具有高体积密度的可变RF电容器。
通过利用等离子来进行材料加工例如等离子沉积和溅射已经为人所知很多年了。这些工艺通常需要产生出与等离子腔室相配合的RF功率信号。由于等离子腔室的高度非线性的输入阻抗，所以在RF电源、RF发生器和等离子腔室之间通常安装有匹配网络。该匹配网络在材料加工顺序过程中被有效地控制以减小在整个加工过程中出现的由等离子腔室输入阻抗的变化而施加在RF发生器上的电应力。该匹配网络有利于RF能量从发生器稳定地流到等离子腔室，从而使系统功率效率提高并降低成本，而且还降低了RF发生器的输出功率能力。普通的匹配网络通常包括至少具有一个可变电容器的π形滤波器，根据等离子腔室输入阻抗的改变来对其进行控制。在匹配网络中所采用的普通可变电容器包括一种马达驱动的轴，用来控制该装置的电容。这些电容器通常采用空气或真空电介质来构成。
由于施加在电容器上的电压相对较高并且真空和空气的介电常数较低，所以普通的可变电容器需要相当大的体积。另外，施加在电容器上的高电压需要额外的体积以保持所要求的电介质耐电压性。
虽然在RF电路中可以采用普通的空气和真空可变电容器来提供可变的电容，但是它们并不能证明能够使要得到预定电容所要求的体积最小。另外，普通的空气可变电容器可靠性相对相当低。普通的空气可变电容器经常会在片与片之间出现由环境条件例如湿度的改变所引起的电弧放电，这就降低了该电容器的击穿电压。同样，普通的真空可变电容器经常会出现过早损坏以及由于导热性差而导致的过热所引起的漏电波纹(bellows)。
本发明的流体可变电容器能够提高体积密度、耐电压性和可靠性，并节约了成本。该可变电容器包括一个壳体，该壳体装有导电的定片和动片。一种电介质流体将定片和动片隔开。一种运动装置与动片相连，用来使动片相对于定片移动，从而使在这些片之间形成的电容改变。
为了更完整地理解本发明、其目的和优点，可以参考以下的说明书和附图。
简要的附图说明
图1A所示为包含了本发明的当前优选实施方案的等离子加工系统；
图1B-1D所示为根据本发明的引导的流体可变电容器的几个滤波器结构；
图2的方框图显示出根据本发明的引导的流体可变电容器的一个
实施方案；
图3A-3K所示为根据本发明的引导的流体可变电容器的几个片结构；
图4的方框图显示出根据本发明的引导的流体可变电容器的当前
优选实施方案。
图5A和5B显示出根据本发明的引导的匹配网络的当前优选实施方案的二维视图。
优选实施方案的详细说明
参照图1A，该图显示出用于加工集成电路和光盘等的等离子加工系统10。虽然本发明是以等离子加工系统10来进行描述，但是应该理解的是，该特定的系统只是用于举例说明。该加工系统10包括用于产生出RF功率信号的RF发生器12，其通过匹配网络16而与等离子腔室14相联。在RF发生器12和匹配网络16之间连接有相位/幅度传感器13，用来感知RF发生器12的输出特性。匹配网络16设有用来匹配等离子腔室14和RF发生器12的阻抗的可控滤波器。在匹配网络16中还包括一个电感器(未示出)和两个流体可变电容器(未示出)。与等离子腔室相连的控制器24确定了等离子腔室14和RF发生器12的阻抗匹配。控制器24响应于所确定的匹配阻抗来控制流体可变电容器。
参照图1B-1D，这些视图显示出根据本发明的引导的几个可选匹配网络滤波器结构。在图1B中所示为一种π形滤波器结构20，在图1C中所示为一种L形滤波器结构21，并且在图1D中所示为一种T形滤波器结构23。这些滤波器结构中的每一个都是由一个电感器18和两个流体可变电容器20构成的。所有这些滤波器结构还可以包括串联电容器25以阻挡直流偏压。
参照图2，该图所示为根据本发明的引导而构成的流体可变电容器26的实施方案的方框图。该流体可变电容器26包括定片28和动片30。定片28的至少一个表面和动片30的一个表面是由导电材料如铜、钢、铝、银和锡制成的。片28和30被布置成使它们表面的一部分相互重叠，从而在它们之间形成电容器。本领域普通技术人员应该认识到，在片28和30之间形成的电容可以从以下等式中计算出来：C＝keA/d，其中C为电容，k为电介质的相对介电常数，e为电容率常数，A为片28和30的重叠表面面积，并且d为片28和30之间的距离或间隔。因此，改变重叠表面面积或改变片28和30之间的距离会使电容成反比变化。片28和30可以被布置成如图3A-3K中所示的多种片结构。这些片结构包括平行的片状半圆盘(图3A-3B)，平行的片状半圆柱(图3C)平行片状板(图3D)，同轴圆筒(图3E)，可沿着纵向方向移动的平行盘(图3F)，蝶形结构(图3G)，差动电容器结构(图3H)，具有预定的最小电容的改进的蝶形结构(图3I)，带有内马达的同轴圆筒(图3J)和磁耦合运动装置(图3K)。
另外该流体可变电容器26还可以包括相对于动片30布置的第二定片29，这样在它们之间形成了一个电容器。从而形成两个串联电容器；第一个电容器形成在定片28和动片30之间，第二个电容器形成在动片30和第二定片29之间。采用这种结构时，将第三导线与第二定片29相连。可以不用第二导线或者将其用作用于选择形成在定片28和第二定片29之间的一部分有效电容的分接头。
这些片28和30被装在壳体32中，该壳体装有流体电介质34例如道氏粒(Dow Corning)561。该流体电介质34将片28和30隔开，从而提高了抗电压击穿能力和电容，并且改善了热散失。该流体电介质在25摄氏度和100Hz下的介电常数为大于1.5，优选大约为2.71或更大。另外，该流体电介质的电介质强度至少为100伏/密耳，优选为350伏/密耳或更大。该流体电介质的热导率至少为0.026W/mK，优选大于或等于0.15W/mK。用流体电介质34来代替空气或真空具有许多优点，例如单位体积的电容更大，耐电压性更高，成本更低，改善了可靠性，并且由于使这些片与外部环境因素例如湿度隔离开从而改善对电弧事件的系统响应。可得到的更高电容是由更高的介电常数来提供的。更高的耐电压性是通过提高该流体电介质34的电介质强度来提供的。改善对电弧事件的系统响应是通过改善用于探测由于流体介质的较高的导热性而出现的电弧的响应时间以及在动片30快速移动时出现的流体质量增加的熄灭作用来提供的。
运动装置36与动片30相连以提供一种用于使动片30相对于定片28移动的装置。在本发明的优选实施方案中，采用轴作为运动装置。但是，本发明的范围包括采用其它运动装置例如杆和由磁铁或马达形成的磁耦合。本发明的范围还包括将该运动装置36设计成用来使动片30移动以使片28和30之间的重叠面积量改变，或者用来使动片30移动以使片28和30之间的距离改变，或者用来使动片30移动以使片28和30之间的重叠面积和距离都改变。该运动装置36可以是导电的或是不导电的。由导电材料制成的运动装置36形成一种用于与多个动片30电连接的简便装置。
马达38与运动装置36相连，从而该动片30可以响应于电信号来移动。马达38可以位于壳体32的外部或内部。
参照图4，该图所示为根据本发明的引导的流体可变电容器40的当前优选实施方案的方块图。外壳42为流体电介质34和该流体可变电容器40的其它元件提供密封的环境。当前优选实施方案所采用的流体电介质34优选为道氏粒561，但是介电常数至少为1.5并且电介质强度为至少100伏/密耳的其它流体电介质也在本发明的范围内。装在该外壳42中的有定片28、动片30、运动装置36和马达38，还有膨胀装置44和传感器46。
该优选实施方案的定片28和动片30被形成为一系列由导电材料如铝、铜和银制成的交错的平行片状半圆盘。在该优选的实施方案中，该导电材料为铝化合物。运动装置36由一种导电材料构成并且穿过定片28的绝缘中央切口，从而与交错的动片30相连。运动装置36的另一端与马达38相连，该马达控制着动片30的运动。在该优选实施方案中的运动装置36为动片30提供转动运动，从而使动片30移动以与定片28啮合或脱离。另外为动片30提供纵向运动从而使该动片运动以增加或减小与定片28的距离，这也在本发明的范围内。第一导线48和第二导线50分别与定片28和动片30电连接。传感器46提供至少一个反映一个或多个周围工作条件例如温度、压力和液面的输出。在该优选实施方案中，传感器46通过感知温度来间接地感知电弧事件。来自传感器46的输出与马达控制器56相连，该控制器响应于传感器输出来控制马达38。该马达控制器56可以接收附加的输入例如请求改变电容的匹配网络信号。虽然在该优选的实施方案中马达控制器56位于外壳42的外面，但是将该马达控制器56装在外壳42的内部也在本发明的范围内。可选的电弧探测器54可以通过感知在第一导线48或第二导线50中的电流来实施。来自可选电弧探测器54的输出与马达控制器56相连。当电弧事件出现时，靠近电弧事件的流体电介质34随着热量被吸收而温度升高。由于该流体的高导热性，所以温度的升高扩散到其余的流体电介质34。传感器46探测该电介质34的温度的升高，并用响应信号通知马达控制器56。
安装在外壳的壁中的密封连接器52为电信号进出外壳42提供了一条通道。膨胀装置44被设置在外壳42的内部以补偿由流体的温度、压力和数量的变化而引起的电介质34的体积变化。本领域普通技术人员应该很容易认识到，在本发明的范围内可以有许多合适的膨胀装置，包括可压缩装置和介质以及气囊等。
参照图5A和5B，这些图显示出根据本发明的引导的匹配网络16的当前优选实施方案。匹配网络16包括两个流体可变电容器20和一个以π形过滤器结构连接的电感器18。虽然本发明优选实施例采用的是π形过滤器结构，但是采用其它滤波器结构例如L形滤波器和T形滤波器结构也在本发明的范围内。每个流体可变电容器20包括多个定片60和动片62、与动片62相连的运动装置64、与运动装置64相连的马达68以及安装结构66。
定片60和动片62被形成为一系列由铝化合物制成的交错的平行片状半圆盘。运动装置64(对于图5A，5B而言)由导电材料构成并且穿过定片60的绝缘的中央切口，从而与交替的动片62相连。该运动装置64的另一端与马达68相连，该马达控制着动片62的运动。在该优选实施方案中的马达68为DC步进马达，但是本领域普通技术人员应该认识到，本发明的原理可以很容易延伸到包括可适用的马达和促动器在内的多种马达类型。在该实施方案中的运动装置64为动片62提供转动运动，从而使动片62移动以与定片60啮合或脱离。
外壳74包围着流体可变电容器20和电感器18。外壳74装有一种流体电介质70，所包围的电容器20和电感器18被浸在其中。在当前优选实施方案中所采用的流体电介质70优选为道氏粒561，但是介电常数至少为1.5并且电介质强度为至少100伏/密耳且导热率至少为0.026W/mK的其它流体电介质也在本发明的范围内。
安装在每个电容器20上的有装配架72，用来安装装有电感器18的底板。连接器76安装在外壳74的壁中以便为电信号进出外壳74提供一条通道。
参照图1、5A和5B，在工作中控制器24接收匹配信号例如传递系数，它指代RF发生器和等离子腔室之间的阻抗中的相对匹配。响应于该匹配信号，控制器24确定出正确的匹配网络阻抗特性以补偿所指示的阻抗的不匹配。控制器24输出用于驱动流体可变电容器20和22的马达的信号，从而获得被确定的匹配网络16的阻抗特性。
本发明的流体可变电容器包括一种介电常数和电介质强度更高的液体电介质。该流体可变电容器提供一种更小的物理设备，它能够在比普通的可变电容器更高的电压下工作。该液体电介质使工作特性与周围环境分开。另外，通过该液体电介质的较高的导热性从而提高了该设备的热工作性能。
因此从上面应该理解的是，由于本发明的缘故，所以提供了一种用于工业加工的RF输送系统的流体可变电容器，它能够完全满足其中的主要目的。同样应该了解并能够想到的是，在不脱离本发明的情况下在所述的实施方案中可以作出许多改变和/或变化。因此，上述说明和附图很显然只是优选实施方案的示例性说明，而不是为了进行限制，并且本发明的实际宗旨和范围将通过参照附属的权利要求和它们合法的等效物来确定。
Claims (21)
1.一种可变电容器，包括：
导电的定片；
导电的动片；
将所述定片和动片隔开的电介质流体；
装着所述电介质流体以及定片和动片的壳体；以及
运动装置，用来使动片相对于定片移动，从而使在它们之间形成的电容改变。
2.如权利要求1所述的可变电容器，其中所述动片可相对于定片沿着径向方向移动。
3.如权利要求1所述的可变电容器，其中所述动片可相对于定片沿着纵向方向移动。
4.如权利要求1所述的可变电容器，还包括与运动装置相连的马达，用来将机械能传送给动片。
5.如权利要求1所述的可变电容器，还包括用来探测电弧事件的电弧探测器。
6.如权利要求5所述的可变电容器，其中电弧探测器从下列组中挑选出：电介质流体温度传感器、壳体温度传感器、壳体压力传感器以及电流传感器。
7.如权利要求5所述的可变电容器，还包括连接在电弧探测器和马达之间的控制器；
该控制器响应于被探测到的电弧而用信号通知马达来驱动动片，从而熄灭该电弧。
8.如权利要求1所述的可变电容器，其中定片和动片基本上成形为半圆盘形状，这样，当动片相对于定片沿着径向和纵向方向移动时，这些片之间的电容将改变。
9.如权利要求1所述的可变电容器，还包括可操作用来补偿电介质流体体积的变化的膨胀装置。
10.如权利要求4所述的可变电容器，它与电感器电连接，从而形成一种匹配网络。
11.如权利要求4所述的可变电容器，其中所述匹配网络包括至少两个以一种滤波器结构与电感器连接的可变电容器。
12.如权利要求1所述的可变电容器，其中所述运动装置从以下组中挑选出：轴、磁体和马达。
13.一种可变电容器，包括：
导电的定片；
导电的动片；
将所述定片和动片隔开的电介质流体；
装着所述电介质流体以及定片和动片的壳体；
与所述动片相连的运动装置；以及
与所述运动装置相连的马达，其可操作用来使动片相对于定片移动，从而使在它们之间形成的电容改变。
14.如权利要求13所述的可变电容器，其中动片可相对于定片沿着径向方向移动。
15.如权利要求13所述的可变电容器，其中马达装在所述外壳内部。
16.如权利要求13所述的可变电容器，还包括一种用来探测在所述外壳内出现的电弧事件的电弧探测器。
17.如权利要求16所述的可变电容器，其中所述电弧探测器从以下组中挑选出：电介质流体温度传感器、壳体温度传感器、壳体压力传感器以及电流传感器。
18.如权利要求15所述的可变电容器，还包括连接在所述电弧探测器和马达之间的控制器，该控制器可响应于被探测到的电弧事件来控制马达。
19.如权利要求13所述的可变电容器，其中所述电介质流体的导热性至少为0.026W/mK，介电常数至少为1.5，并且电介质强度至少为100伏/密耳。
20.如权利要求19所述的可变电容器，它与一种电感器相连从而形成一种匹配网络。
21.一种可变电容器，包括：
导电的定片；
导电的动片；
将所述定片和动片隔开的电介质流体，所述电介质流体的导热性至少为0.026W/mK，介电常数至少为1.5，并且电介质强度至少为100伏/密耳；
用于装着所述电介质流体以及定片和动片的壳体；
与所述动片相连的运动装置；
与所述运动装置相连的马达，其可操作用来使动片相对于定片移动，从而使在它们之间形成的电容改变；
用来探测电弧事件的电弧探测器；以及
可响应于所述电弧事件来控制马达的控制器。
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