DE10115658B4 - Bauelement mit einer elektromagnetischen Spule und einer veränderbaren Kapazität - Google Patents
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Abstract
Bauelement
mit einer elektromagnetischen Spule (L) und einer veränderbaren
Kapazität,
mit mindestens einer Leiterwindung (1) zum Ausbilden der Spule (L)
und einer Metallplatte (2), zum Ausbilden einer variablen Kapazität zwischen
der Metallplatte und der Spule (L) durch Ändern des Abstandes zwischen
der Metallplatte und der Spule (L), wobei die Spule (L) eine planare Spule
ist und wobei die Metallplatte (2) zum Ändern des Abstandes um eine
Achse (3) schwenkbar ist, die parallel zur Windungsebene der planaren
Spule (L) und parallel zur Metallplattenebene ist.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Bauelement, bei dem eine Spule mit einer veränderbaren Streukapazität kombiniert wird. Die so entstehende Baugruppe wirkt als veränderbare Induktivität. Die Erfindung kann bei der Anpassung von HF (Hochfrequenz)-Netzwerken, insbesondere bei hohen HF-Strömen und Leistungen, zum Einsatz kommen. Bevorzugt kann die Erfindung bei der HF-Kathodenzerstäubung (HF-Sputtern) verwendet werden.
- Beim HF-Sputtern bildet das System aus HF-Plasma und der Sputterkathode eine Last, die an die Ausgangsimpedanz eines Frequenzgenerators (häufig 50 Ohm) angepaßt werden muß. Dies geschieht durch ein Anpaßnetzwerk, das geeignet zwischen Generator und Last geschaltet wird. Im allgemeinen ist diese Last durch die isolierte Aufhängung des Sputter-Targets in einem metallischen Gehäuse kapazitiv. Daher ist eine Induktivität im Schaltkreis des Anpaßnetzwerkes zur Anpassung erforderlich. Wird nun das Sputter-Target mit fortschreitender Beschichtung abgetragen, so ändert sich die anzupassende Last. Um also die Anpassung zu jedem Zeitpunkt bzw. zu jedem Zustand des Sputter-Targets zu gewährleisten, muß das Anpaßnetzwerk diese Änderungen kompensieren. Im Stand der Technik wird diese Variation durch verstellbare Vakuumkondensatoren realisiert. Diese Kondensatoren sind teuer, besitzen eine vergleichsweise große Bauform, sind empfindlich gegenüber mechanischer Beanspruchung und besitzen eine vergleichsweise geringe Lebensdauer. Ein Ersatzschaltbild eines Anpaßnetzwerkes mit verstellbaren Vakuumkondensatoren im Stand der Technik ist in
5 dargestellt. Dabei bezeichnen L eine Spule, CA und CB verstellbare Vakuumkondensa toren, ZP die veränderliche Last während des Sputterns und FG einen Frequenzgenerator bzw. ein HF-Leistungsnetzteil. - Aus der EP-A1-0 384 326 ist eine Kapazitätstrimmeinrichtung bekannt, bei der zum Trimmen ein Drahtstück in der Windungsebene einer Leiterspule verbogen wird.
- Die DE-A1-32 06 920 betrifft einen Trimmerkondensator zum Abgleichen von Schwingkreisen mit einer ersten Elektrode in Form einer biegsamen Blechzunge, die vor einer starren Gegenelektrode in Form eines Plattenkondensators angeordnet ist. Die Kapazität des Trimmerkondensators wird durch Verbiegen der Blechzunge eingestellt.
- Die DE-T2-697 02 340 offenbart ein Resonanzetikett. Ein Substrat weist ein auf seiner Frontoberfläche angebrachtes erstes Element auf, das zum Besitz elektrisch induktiver Eigenschaften funktionsfähig ist, wenn ein elektrisches Signal darauf gerichtet wird. Ein auf der Frontoberfläche angebrachtes zweites Element ist vorgesehen, wobei die ersten und zweiten Elemente funktionsfähig zusammengekoppelt sind, um einen Schwingkreis zu erzeugen. Das zweite Element weist elektrisch kapazitive Eigenschaften auf, wenn ein elektrisches Signal darauf gerichtet wird.
- Die GB-A-2 091 490 bezieht sich auf einen kapazitiven Schlüsselschalter. Eine Kondensatorplatte wird um eine Achse gegenüber einer anderen Kondensatorplatte verschwenkt.
- Aus der US-5 898 562 ist eine Vorrichtung zum Abschwächen des Frequenzrauschens bekannt. Elektroden von U-förmiger Struktur sind einander gegenüberliegend angeordnet. Die überlappenden Flächen der Elektroden unterscheiden sich voneinander, so daß Kondensatoren mit unterschiedlichen Kapazitäten gebildet werden.
- Die DE-T2-695 09 046 betrifft kapazitiv gekoppelte Hochfrequenz-Radiofrequenz-Plasmageneratoren für Halbleiterwafer. Dabei ist eine verstellbare RF-Anpassungsschaltung vorgesehen.
- Aus der DE-A1-196 17 155 ist eine Sputterbeschichtungsstation bekannt.
- Die DE-A1-36 02 848 offenbart ein elektrisches Kobinationsbauelement als geschlossenen LC-Kreis bestehend aus einer Spule als L-Glied mit einem Kondensator als C-Glied, die als gedruckte Schaltung hergestellt ist, wobei die Windungen der Spule als Spirale und die Belegungen des Kondensators nur auf einer Seite einer Trägerfolie aufgebracht sind und wobei der Kondensator durch Umklappen wenigstens eines Teils der Trägerfolie entstanden ist.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bauelement mit einer elektromagnetischen Spule und einer veränderbaren Kapazität zur Verfügung zu stellen, wobei die Kapazität kompakt ist und einfach veränderbar ist.
- Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche gelöst.
- Bei der Lösung geht die Erfindung von folgenden Grundgedanken aus:
Eine planare elektromagnetische Spule ist auf einem geeigneten Dielektrikum aufgebracht und auf einer wassergekühlten, geerdeten Platte montiert. Durch diesen Aufbau wird die Spule durch ohmsche Verluste entstehende Wärme effektiv abgeführt. Eine speziell geformte Metallplatte ist beweglich über der planaren Spule angebracht. Diese Metallplatte stellt eine Streukapazität dar, die die Induktivität der Spule verringert. Durch die Variation des Abstandes zwischen Spule und Platte durch Schwenken der Metallplatte um eine Achse, die parallel zur Windungsebene der Spule und parallel zur Metallplattenebene ist, kann die Streukapazität und damit die Induktivität der Spule gezielt variiert werden. Dabei sinkt die Induktivität mit wachsender Streukapazität (kleinerem Abstand) und steigt mit sinkender Streukapazität (größerem Abstand). - Die Anpassung einer Last erfordert das Einbringen des Bauelements in ein geeignetes Netzwerk, die geeignete Dimensionierung der Spule und die geeignete Bauform und Anordnung der Metallplatte.
- Ein geeignetes Netzwerk läßt sich bereits durch eine Anordnung von kompakten Festkondensatoren C1 und C2 erzielen, so daß der Gesamtaufbau sehr kompakt und robust wird und preiswert hergestellt werden kann. Die Dimensionierung der Spule, die Bauform und Anordnung der Metallplatte wird im folgenden in den Grundgedanken einer bevorzugten erfinderischen Ausführungsform beschrieben.
- In der erfindungsgemäßen Ausführungsform wird eine Metallplatte aus einem guten elektrischen Leiter, wie z. B. Kupfer, schwenkbar über der elektromagneti schen Spule angeordnet. Die Metallplatte kann kontinuierlich von einer zu der Spulenwindung im wesentlichen parallelen Ebene in eine zur Spulenwindung im wesentlichen senkrechte Ebene bewegt werden, wobei die Kapazität kontinuierlich von einem höchsten zu einem niedrigsten Wert verändert wird. Zur Vermeidung von großer Erwärmung bei hohen Strömen ist der Aufbau wassergekühlt. Die Metallplatte ist geerdet.
- Vorteilhafterweise läßt sich die Erfindung bei hohen Strömen und Leistungen einsetzen. Es ist ein weiterer Vorteil der Erfindung, daß die Impedanzanpassung eines Schwingkreises ohne ein weiteres Stellglied nur über die Streukapazität der vorhandenen Induktivität durchgeführt werden kann.
- Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert:
- Es zeigen:
-
1 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform, -
2 eine Explosionsdarstellung der Ausführungsform gemäß1 , -
3 das elektrische Ersatzschaltbild der Ausführungsform gemäß1 und2 , -
4 ein Ersatzschaltbild eines Netzwerkes zur Lastanpassung mit dem erfindungsgemäßen Bauelement, und -
5 ein Ersatzschaltbild eines Netzwerkes zur Lastanpassung im Stand der Technik. - Die
1 und2 zeigen die Windungen1 einer Spule L in der Oberfläche einer dielektrischen Platte4 , in der die Windungen spiralförmig angeordnet sind. Von den beiden freien Enden der Spule werden elektrische Anschlüsse7 bzw.8 nach außen geführt. Die dielektrische Platte4 ist auf einer vorzugsweise wassergekühlten Grundplatte5 (Wasserdurchfluß in Pfeilrichtung D) angeordnet. Oberhalb der Windungen1 der Spule L befindet sich eine Metallplatte2 , die um den Winkel α (0° < α ≤ 90°) drehbar in der Achse3 gelagert ist. Die Metallplatte2 ist über die Achse3 geerdet. Durch Schwenken in Richtung des Doppelpfeils A bzw. um den Winkel α kann die Metallplatte2 in Richtung auf die Windungen1 bis zu einer Stellung B abgesenkt oder von ihr weg bis zu einer senkrechten Stellung C entfernt werden. Auf diese Weise läßt sich eine kontinuierlich steigende oder fallende Kapazität zwischen der Spule und der Metallplatte2 einstellen. In der unteren, benachbarten Stellung B der Metallplatte2 zur Windung1 wird zwischen der Spule L und der Metallplatte2 ein Abstand d ausgebildet. Dieser kann durch einen Luftspalt oder einen (nicht dargestellten) Isolator ausgebildet werden; durch Anordnen eines geeigneten Isolators kann die Kapazität noch erhöht werden. Die Kapazität zwischen der Metallplatte2 und der Spule L kann außerdem durch die Form der Metallplatte, d. h. das Ausmaß der Bedeckung der Spule beeinflußt werden. In1 weist die Metallplatte2 eine Aussparung6 auf, durch die im abgesenkten Zustand der Metallplatte2 (in der Stellung B) der Stromanschluß8 für die Spule hindurchgeführt wird. -
3 zeigt das Ersatzschaltbild der Ausführungsform gemäß1 und2 . Dabei wirkt das Bauelement als variable Spule L, die in Abhängigkeit von dem Drehwinkel α ihre Induktivität ändert. -
4 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Netzwerkes zur Lastanpassung mit dem erfindungsgemäßen Bauelement (Spule L). - FG ist ein Frequenzgenerator bzw. HF-Netzteil. C1 und C2 sind nichtverstellbare Festkörper- bzw. Keramikkondensatoren von kompakter Bauart. ZP ist die veränderliche Last während des Sputterns.
- Bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Bauelements in einer HF-Kathodenzerstäubungsanlage wird durch Verschwenken der Metallplatte
2 die Kapazität des Systems bzw. die Impedanz so eingestellt, daß die Zerstäubungsanlage als La-stimpedanz dem reellen Ausgangswiderstand, vorzugsweise eines HF-Standardgenerators mit fester Frequenz, angepaßt wird. - Eine bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Bauelements erfolgt bei der Beschichtung von CDs (Compact Discs) und von Hälften von DVD (Digital Versatile Discs).
Claims (16)
- Bauelement mit einer elektromagnetischen Spule (L) und einer veränderbaren Kapazität, mit mindestens einer Leiterwindung (
1 ) zum Ausbilden der Spule (L) und einer Metallplatte (2 ), zum Ausbilden einer variablen Kapazität zwischen der Metallplatte und der Spule (L) durch Ändern des Abstandes zwischen der Metallplatte und der Spule (L), wobei die Spule (L) eine planare Spule ist und wobei die Metallplatte (2 ) zum Ändern des Abstandes um eine Achse (3 ) schwenkbar ist, die parallel zur Windungsebene der planaren Spule (L) und parallel zur Metallplattenebene ist. - Bauelement nach Anspruch 1, wobei die Spule (L) mehrere Leiterwindungen (
1 ) aufweist. - Bauelement nach Anspruch 2, wobei die Windungen (
1 ) spiralförmig angeordnet sind. - Bauelement nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Metallplatte (
2 ) zwischen 0° und 90°, bezogen auf die Windungsebene, verschwenkbar ist. - Bauelement nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei die Metallplatte (
2 ) zwischen 0° und 45°, bezogen auf die Windungsebene, verschwenkbar ist. - Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Metallplatte (
2 ) zur Leiterwindung (1 ) einen Abstand (d) aufweist. - Bauelement nach Anspruch 6, wobei der Abstand (d) durch einen Luftspalt oder einen Isolator ausgebildet ist.
- Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Leiterwindungen) (
1 ) in oder auf einer dielektrischen Platte (4 ) angeordnet ist/sind. - Bauelement nach Anspruch 8, wobei die dielektrische Platte (
4 ) auf einer wassergekühlten Grundplatte (5 ) angeordnet ist. - Bauelement nach Anspruch 9, wobei die Grundplatte (
5 ) geerdet ist. - Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Metallplatte (
2 ) aus einem Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit besteht und geerdet ist. - Bauelement nach Anspruch 11, wobei die Metallplatte (
2 ) aus Kupfer besteht. - Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Metallplatte (
2 ) eine Öffnung (6 ) aufweist. - Verwendung des Bauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 13 beim Anpassen eines HF-Netzwerks.
- Verwendung nach Anspruch 14 zum Anpassen der Last in einer HF-Kathodenzerstäubungsanlage an ein HF-Netzteil.
- Verwendung nach Anspruch 15 bei der Beschichtung von CDs und den Hälften von DVDs.
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