ES2849151T3 - Un dispositivo intrínsecamente diseñado para resonar, adecuado para la transferencia de potencia RF así como un grupo que incluye dicho dispositivo y utilizable para la producción de plasma - Google Patents

Abstract

Dispositivo (2) diseñado intrínsecamente para resonar, adecuado para la transferencia de potencia de RF, especialmente utilizable para la producción de plasma, y conectable eléctricamente después de una fuente (3) de alimentación de radiofrecuencia de frecuencia fija o variable, que comprende: al menos un elemento inductivo (Lp), que puede ser alimentado, en uso, por dicha al menos una fuente (3) de alimentación; al menos un elemento capacitivo (Cp), conectado eléctricamente a los terminales de dicho al menos un elemento inductivo (Lp); dicho al menos un dispositivo (2) tiene una frecuencia angular de resonancia igual a **(Ver fórmula)** caracterizado porque dicho elemento capacitivo (Cp) y dicho elemento inductivo (Lp) tienen cada uno valores tales que, en estado de 20 resonancia, proporcionan una impedancia equivalente, medida en los terminales de dicho dispositivo (2), sustancialmente de tipo resistivo y mucho mayor, que, a modo de referencia, se pretende que sea de aproximadamente 10 a 100 veces mayor que la impedancia parásita antes de los terminales de dicho dispositivo (2), de modo que el efecto de dicha impedancia parásita es, en uso, sustancialmente insignificante.

Description

DESCRIPCIÓN

Un dispositivo intrínsecamente diseñado para resonar, adecuado para la transferencia de potencia RF así como un grupo que incluye dicho dispositivo y utilizable para la producción de plasma

Campo técnico de la invención

La presente invención se refiere a un dispositivo diseñado intrínsecamente para resonar, adecuado para la transferencia de potencia de radiofrecuencia (en resumen, RF) con materiales de diversa naturaleza. La presente invención también se refiere a un grupo que comprende tal dispositivo, particularmente utilizable en un aparato para la producción de plasma.

Estado de la técnica anterior

Se conocen grupos adecuados para la transferencia de potencia de RF; estos comprenden una fuente de alimentación de RF con frecuencia fija o variable, un elemento de adaptación y un dispositivo sustancialmente inductivo.

El dispositivo sustancialmente inductivo de uno de tales grupos tiene una carga, no simplemente resistiva, con impedancia que es variable en módulo y fase con la variación de la frecuencia y los parámetros de potencia acoplada. Con uno de estos dispositivos y con el fin de maximizar la transferencia de potencia, se prevé, en un grupo convencional, el uso, entre la fuente de alimentación de RF y el dispositivo sustancialmente inductivo, de un elemento de adaptación que comprende elementos reactivos variables adicionales adecuados, por ejemplo, una caja adaptadora, con la función de adaptar la carga total en los terminales de la fuente de alimentación RF. La caja de adaptación puede comprender tanto elementos capacitivos como inductivos.

En tales sistemas convencionales, la maximización de la transferencia de potencia se obtiene a la frecuencia de resonancia del sistema compuesto por dispositivo sustancialmente inductivo y elemento de adaptación (elementos reactivos adicionales - caja de adaptación).

Sin embargo, tal solución tiene varios problemas.

En primer lugar, en los grupos convencionales, la carga compensada por la caja de adaptación tiene un componente inductivo con un módulo extremadamente bajo con respecto a la impedancia de salida estándar (50-75 Ohm) de las fuentes de alimentación de RF convencionales, que son comparables, en las frecuencias de trabajo, a los elementos parásitos (impedancia parásita) del circuito de fuente de alimentación de RF y de la caja de adaptación. Esto implica que la potencia transferida por la fuente de alimentación de RF se divide entre el dispositivo sustancialmente inductivo y los elementos parásitos del circuito, con disipación de una parte significativa de la misma en dichos elementos parásitos.

Además, en los grupos convencionales, la corriente de fuente de alimentación tiene un valor elevado con respecto al voltaje, de manera que las pérdidas óhmicas del grupo son significativas.

El dispositivo sustancialmente inductivo, si se alimenta directamente de la fuente de alimentación de RF, sin la interposición de la caja de adaptación, tiene un componente imaginario de la impedancia equivalente que no es insignificante, reflejando una fracción significativa de la potencia transmitida a la fuente de alimentación de Rf . Por tal razón, en los grupos convencionales, se requieren fuente de alimentación de RF que sean capaces de soportar fracciones significativas de potencia reflejada cuando operan en condiciones de resonancia imperfecta.

Estos sistemas convencionales también se ven afectados negativamente por el límite de ser alimentados únicamente por fuente de alimentación de onda sinusoidal de RF. Por tanto, existe la necesidad de disponer dispositivos adecuados para la transferencia de potencia que permitan una transferencia de potencia de RF que sea más eficiente con respecto a los dispositivos convencionales.

Los documentos US6291938B1, US20040124779A1, US20130088146A1, US20040263412A1 enseñan soluciones de acuerdo con el estado de la técnica que utilizan capacitancias variables y fijas dispuestas de acuerdo con el esquema de una caja adaptadora o red adaptadora.

Objetos de la invención

Por tanto, el objetivo principal de la presente invención es mejorar el estado de la técnica de los dispositivos para la transferencia de potencia de RF a materiales de diversos tipos, particularmente adecuados para la producción de plasma.

Otro objeto de la presente invención es proporcionar un dispositivo alternativo con respecto a los dispositivos convencionales.

Otro objeto de la presente invención es proporcionar un dispositivo de transferencia de potencia de RF que resuelva los inconvenientes de los dispositivos convencionales.

Otro objeto más de la presente invención es proporcionar un dispositivo de transferencia de potencia de RF que sea fácil de fabricar y con costes de producción competitivos.

Otro objeto más de la presente invención es proporcionar un grupo para la transferencia de potencia de RF que puede ser alimentado por fuentes de energía de r F, no necesariamente por onda sinusoidal.

Un objetivo no menor de la presente invención es proporcionar un grupo para la transferencia de potencia de RF que optimiza la transferencia de potencia producida.

De acuerdo con un aspecto de la presente invención, se proporciona un dispositivo que está intrínsecamente diseñado para resonar, adecuado para la transferencia de potencia de RF de acuerdo con la reivindicación 1. De acuerdo con un aspecto adicional de la presente invención, se proporciona un grupo para la transferencia de potencia RF, de acuerdo con la reivindicación 24.

De acuerdo con un tercer aspecto de la presente invención, se proporciona un método para operar tal grupo de acuerdo con la reivindicación 28.

De acuerdo con un cuarto aspecto, se proporciona un aparato que comprende dicho grupo para la transferencia de potencia, de acuerdo con la reivindicación 32.

Las reivindicaciones dependientes se refieren a realizaciones preferidas y ventajosas de la invención.

Breve descripción de los dibujos

Otras características y ventajas de la presente invención serán más claras a partir de la descripción detallada de una realización preferida pero no exclusiva de un dispositivo para la transferencia de potencia de RF con materiales de varios tipos, que se da como ejemplo no limitativo, en las tablas de dibujos adjuntos en los que:

la figura 1a es una representación esquemática de un grupo que comprende un dispositivo adecuado para la transferencia de potencia de RF de acuerdo con una primera realización de la presente invención;

la figura 1b muestra una representación esquemática de un grupo que comprende un dispositivo adecuado para la transferencia de potencia de RF de acuerdo con una segunda realización de la presente invención;

la figura 1c ilustra una representación esquemática del grupo de la figura 1a, provisto de un módulo adaptador de señal;

las figuras 2a, 2b y 2c ilustran respectivamente una vista en sección longitudinal, una vista en perspectiva y un diagrama de circuito de una primera variante del dispositivo adecuado para la transferencia de potencia de RF de acuerdo con la segunda realización de la presente invención;

las figuras 3a, 3b, 3c y 3d muestran respectivamente una vista en perspectiva, una vista en sección longitudinal, una vista de un detalle a escala ampliada y un diagrama de circuito de una segunda variante del dispositivo de transferencia de potencia de acuerdo con la segunda realización de la presente invención;

las figuras 4a, 4b y 4c respectivamente son una vista en perspectiva, una vista en sección longitudinal y un diagrama de circuito de la segunda variante de acuerdo con las figuras 3a, 3b, 3c y 3d, provistas de varias características opcionales de acuerdo con la presente invención;

las figuras 5a, 5b y 5c ilustran respectivamente una vista en perspectiva, una vista en sección longitudinal y un diagrama de circuito de una tercera variante del dispositivo de transferencia de potencia de acuerdo con la segunda realización de la presente invención;

las figuras 6a, 6b y 6c son respectivamente una vista en perspectiva, una vista en sección longitudinal y un diagrama de circuito de la tercera variante de acuerdo con las figuras 5a, 5b y 5c, que ilustran varias características opcionales del dispositivo de transferencia de potencia de acuerdo con la presente invención;

las figuras 7a, 7b y 7c ilustran respectivamente una vista en sección longitudinal, una vista en perspectiva y un diagrama de circuito de una cuarta variante del dispositivo de transferencia de potencia de acuerdo con la segunda realización de la presente invención;

las figuras 8a, 8b y 8c muestran respectivamente una vista en sección longitudinal, una vista de un detalle a escala ampliada de la figura 8a y un diagrama de circuito de una quinta variante del dispositivo de transferencia de potencia de acuerdo con la segunda realización de la presente invención; y

La figura 9 es una representación esquemática de un aparato que comprende un dispositivo para la transferencia de potencia de acuerdo con la invención, adecuado para la producción de plasma.

Realizaciones de la invención

En primer lugar, la idea subyacente al dispositivo de transferencia de potencia de acuerdo con la presente invención es que hacer que un circuito funcione en estado de resonancia significa operar en las mejores condiciones posibles de transferencia de energía.

Contrariamente a los métodos convencionales, mencionados brevemente anteriormente, que prevén “forzar” un dispositivo sustancialmente inductivo y un medio adaptador de impedancia (caja de adaptación) a funcionar a una frecuencia de resonancia preestablecida, el dispositivo de transferencia de potencia de acuerdo con la presente invención se proporciona para trabajar al valor de la frecuencia para la cual, durante el uso, resuena libremente. Esto se debe a que la resonancia perfecta permite obtener campos electromagnéticos elevados confinados dentro del dispositivo de transferencia de potencia o en su proximidad, lo que garantiza una transferencia de potencia de alta frecuencia de radio a una carga contenida en el mismo, por ejemplo, un gas.

En la presente descripción y en las siguientes reivindicaciones, con el término “elemento capacitivo” se entiende tanto un componente eléctrico como una pluralidad de componentes eléctricos que en general tienen un comportamiento electrónico de bajo voltaje y corriente similar al comportamiento de un condensador, así como un efecto capacitivo, generalmente no deseado, desarrollado en determinadas circunstancias por uno o más componentes eléctricos. Por tanto, el término “elemento capacitivo” se refiere tanto a componentes eléctricos o combinaciones de los mismos como a capacitancias parásitas.

De forma análoga, en la presente descripción y en las siguientes reivindicaciones, con el término “elemento inductivo” se entiende tanto un componente eléctrico como una pluralidad de componentes eléctricos que, en general, tienen un comportamiento electrónico bajo tensión y corriente similar al comportamiento de un inductor, y un efecto inductivo, generalmente no deseado, desarrollado en determinadas circunstancias por uno o más componentes eléctricos. Por tanto, el término “elemento inductivo” se refiere tanto a componentes eléctricos como combinaciones de los mismos, e inductancias parasitarias.

Con referencia ahora a las figuras 1a y 1b, se observará que ilustran esquemáticamente dos realizaciones preferidas de un grupo que comprende un dispositivo adecuado para la transferencia de potencia de RF de acuerdo con la presente invención. En tales figuras, el grupo para la transferencia de potencia de RF de acuerdo con la presente invención se indica generalmente con el número de referencia 1 y comprende un dispositivo 2 de transferencia de potencia de tipo LC, también denominado en la jerga técnica “antena”, y un medio de alimentación de RF, indicado con el número de referencia 3 y configurado para alimentar el dispositivo 2 a frecuencia fija o variable. Como se entenderá mejor a continuación, uno de tales dispositivos 2 para la transferencia de potencia está intrínsecamente diseñado para resonar.

El grupo para la transferencia de potencia, ilustrado en las figuras 1a y 1b, también comprende opcionalmente medios de medición MM, destinados a medir vectorialmente, durante el uso, la tensión y la corriente en los terminales del dispositivo 2 intrínsecamente diseñados para resonar y adecuados para la transferencia de potencia de RF.

El dispositivo 2 que está intrínsecamente diseñado para resonar comprende un elemento inductivo Lp y un elemento capacitivo Cp, y está destinado a funcionar en estado de resonancia, es decir, a una frecuencia angular igual a:

1

0)0 =

7¿pCp

Los medios de medida MM, además de medir, como se ha indicado anteriormente, los voltajes y las corrientes a la entrada del dispositivo 2 intrínsecamente diseñado para resonar, también están dispuestos para verificar el posible desplazamiento de fase entre tales magnitudes para establecer si, durante el uso, el dispositivo funciona en estado de resonancia o de otro modo.

De acuerdo con la primera realización, ilustrada en la figura 1a, el dispositivo 2 intrínsecamente diseñado para resonar comprende un primer elemento inductivo Lp, específicamente una bobina, con una capacitancia Cp colocada en paralelo a la misma, y puede ser directamente alimentada por la fuente 3 de alimentación RF (es decir, sin la interposición de otros componentes eléctricos), en los terminales del elemento inductivo Lp.

En la segunda realización, sin embargo, se hace referencia a la figura 1b, el dispositivo 2 intrínsecamente diseñado para resonar y adecuado para la transferencia de potencia de RF comprende un transformador o autotransformador 4 que puede ser alimentado por medio de la fuente 3 de alimentación de RF.

Tal circuito de transformador o autotransformador 4 comprende, como se ve en la figura 1b, un circuito primario representado por una bobina L1 que tiene n1 vueltas, y un circuito secundario, representado por un elemento inductivo Lp, específicamente una bobina que tiene n2 vueltas, que es a su vez conectado eléctricamente a un elemento capacitivo Cp. En esta segunda realización, el circuito primario se alimenta en los terminales de la bobina L1.

En el dispositivo 2 intrínsecamente diseñado para resonar y adecuado para la transferencia de potencia de RF de acuerdo con la presente invención, la adaptación de impedancia, necesaria para obtener una transferencia de potencia optimizada, depende, entre otras cosas, del tamaño del propio dispositivo. Ventajosamente, en ambas realizaciones de la presente invención, el elemento capacitivo (Cp) y el elemento inductivo (L1, Lp) del dispositivo 2 intrínsecamente diseñado para resonar tienen valores tales que (en la jerga técnica “se dimensionan de tal manera que “) la impedancia equivalente en los terminales de la fuente 3 de alimentación de RF es, en el estado de resonancia, casi completamente resistiva y mucho mayor que la impedancia parásita del circuito antes del dispositivo 2.

A modo de referencia, con el término “mucho mayor” se entiende de aproximadamente 10 a 100 veces más que la impedancia parásita del circuito antes del dispositivo 2 de acuerdo con la presente invención.

Estos altos valores de impedancia equivalente del dispositivo 2 intrínsecamente diseñado para resonar y adecuado para la transferencia de potencia de RF hacen insignificante el efecto de la impedancia parásita de la fuente 3 de alimentación de RF.

Con respecto al elemento inductivo Lp, esto significa trabajar con inductancias de alto valor, por ejemplo, de valor comprendido entre varios cientos de nH (por ejemplo, 200 nH) y 10 pH o más, que permiten obtener un factor de mérito Q elevado y al mismo tiempo reducir los inconvenientes antes mencionados con respecto a los fenómenos disipativos no insignificantes en los sistemas convencionales. Asimismo, con respecto al elemento capacitivo Cp, esto significa trabajar con capacitancia de valor reducido, por ejemplo, comprendido entre varias docenas de pF y cien pF. Dicha condición (capacitancia reducida) facilita además un valor alto del factor de mérito, aumentando la eficiencia del circuito resonante.

Con respecto a los elementos capacitivos Cp, el dispositivo 2 de acuerdo con la presente invención prevé varias variantes, que se ilustrarán mejor a continuación.

En general, tales variantes contribuyen a generar un campo principalmente eléctrico, síncrono con el campo magnético generado por los elementos inductivos. Esto logra una mejora del campo electromagnético general emitido por el dispositivo, con la consiguiente mejora de la eficiencia de la transferencia de energía por el dispositivo 2 diseñado intrínsecamente para resonar en una carga (por ejemplo, un gas, un plasma u otro material dentro del dispositivo 2 o en sus inmediaciones). En general, el elemento capacitivo Cp del dispositivo 2 intrínsecamente diseñado para resonar y adecuado para la transferencia de potencia de RF puede ser un condensador físicamente separado del elemento inductivo Lp o integrado en él, o del tipo llamado distribuido, u obtenido aprovechando las capacitancias parásitas del propio componente inductivo.

Volviendo al módulo de impedancia equivalente del dispositivo 2 intrínsecamente diseñado para resonar, adecuado para la transferencia de potencia de RF, la impedancia equivalente del dispositivo 2 en los terminales de la fuente 3 de alimentación de RF está determinada no solo por el tamaño y las características físico-eléctricas de los elementos inductivos (L1, Lp), de los elementos capacitivos (Cp) y de cualquier otro elemento posiblemente presente en el circuito resonante, pero también, en la segunda realización (figura lb), por la relación de las vueltas nl:n2 entre el circuito primario y el circuito secundario y del transformador 4.

En tal segunda realización, de hecho, una relación de vueltas diferente entre el circuito primario y secundario en la práctica solo modifica el módulo de impedancia equivalente visto en los terminales de entrada del dispositivo 2, sin modificar significativamente la frecuencia de resonancia. Esto permite obtener ventajosamente, entre otras cosas, un valor igual a 50 O u otro valor adecuado para la impedancia de salida de una fuente de alimentación RF de tipo comercial o fabricada adecuadamente.

El intervalo de valores de la impedancia equivalente que se puede obtener dimensionando adecuadamente los elementos del dispositivo 2 está generalmente comprendido entre 10 y 1000 O y asegura la posibilidad de conectar el dispositivo 2 también a amplificadores RF no convencionales, con impedancias de salida equivalentes, también muy diferente de los convencionales 50 O - 75 O.

El experto en la técnica observará que, con una de tales configuraciones, el componente de potencia reflejado en la fuente de alimentación de RF se minimiza así. Además, el alto valor del módulo de impedancia equivalente, en estado de resonancia, permite operar ventajosamente con valores altos de voltaje y valores bajos de corriente, minimizando así las pérdidas óhmicas.

También debe observarse que con una configuración como la descrita anteriormente, el dispositivo 2 intrínsecamente diseñado para resonar, adecuado para la transferencia de potencia de RF de acuerdo con la presente invención, al contrario de lo que ocurre en los sistemas convencionales, puede ser alimentado por un Generador de RF de conmutación de onda cuadrada, que funciona a la frecuencia de resonancia real del dispositivo 2, si se interpone un módulo adaptador entre dicho dispositivo y la fuente de alimentación de RF. Dicho módulo adaptador, indicado con la referencia AS en la figura 1c, es típicamente un filtro LC resonante en serie o un dispositivo análogo compuesto únicamente por elementos pasivos. Esto ofrece numerosas ventajas, incluyendo, entre otras, el hecho de que, como es sabido, la fuente de alimentación de onda cuadrada es generalmente mucho más eficiente que un generador de onda sinusoidal.

Con respecto al dispositivo 2, a continuación, y con referencia a las figuras 2a a 8c, se ilustrarán varias variantes de realización del dispositivo 2 que está intrínsecamente diseñado para resonar, adecuado para la transferencia de potencia de RF de acuerdo con la presente invención, en particular referencia a la segunda realización, en la que, por tanto, el dispositivo 2 comprende un transformador o autotransformador 4.

En cada caso, el experto en la técnica comprenderá fácilmente que tales variantes de realización se pueden aplicar igualmente a la primera realización de la presente invención, es decir, en la que el elemento inductivo Lp del dispositivo 2 es directamente alimentado por la fuente 3 de alimentación de RF, o en ausencia del circuito primario L1.

Como se verá, en las variantes ilustradas en tales figuras, se prevé la presencia de uno o más electrodos o capacitancias integrados en la estructura del dispositivo 2, que contribuyen a la formación de un eje axial y/o radial. campo eléctrico, además del campo magnético debido a los elementos inductivos del dispositivo 2. El efecto de tales capacitancias es aumentar la componente del campo eléctrico que se puede generar.

Tal campo eléctrico adicional, como se verá claramente a continuación en la descripción, también se puede obtener seleccionando adecuadamente la relación entre el número de vueltas del circuito secundario Lp y del circuito primario L1 (n2/nl), si la fuente de alimentación de RF tiene una impedancia de salida de aproximadamente 50-75 O con una potencia promedio baja (aproximadamente 50-200 W), de manera que dicha relación sea igual o superior a 5, por ejemplo, incluso por encima de 20, de modo que los voltajes en los terminales del circuito secundario Lp son particularmente altas.

Sin embargo, si la fuente de alimentación de RF tiene voltajes de salida altos, por ejemplo, en el caso de fuente de alimentación de RF con impedancia de salida de 50-75 O y potencia de salida superior a 200-500 W o en el caso de amplificadores con impedancias de salida. incluso diferente de los estándares 50-75 O, pero con voltajes de salida superiores a 100-200 V, la relación n2/nl puede ser inferior a 5, incluso igual a 1.

Naturalmente, el nivel de potencia requerido que puede ser suministrado por la fuente de alimentación de RF depende de diferentes factores como, por ejemplo, la densidad deseada de un plasma a obtener, el volumen en el que se produce dicho plasma, un posible flujo de gas, el tipo de gas, etc.

Generalmente, dados los mismos parámetros antes mencionados, la relación de vueltas debe ser mayor cuanto menor sea el voltaje suministrado por la fuente de alimentación de RF.

Con referencia, en particular a las figuras 2a a 2c, se observará que el dispositivo 2, intrínsecamente diseñado para resonar y adecuado para la transferencia de potencia de RF de acuerdo con la presente invención, comprende una estructura 5 de soporte hecha de material eléctricamente aislante, ilustrado en las figuras adjuntas a la presente descripción con configuración tubular, con superficie 5a interna y superficie 5b externa y delimitando internamente un área 5c de trabajo.

La estructura 5 de soporte, no obstante, puede tener cualquier configuración siempre que permita, como se verá más adelante, soportar los otros componentes del dispositivo 2 y mantenerlos físicamente separados entre sí; la estructura 5 de soporte delimita un área de trabajo o región 5c, que durante el uso se ve afectada por el campo electromagnético transferido por el dispositivo 2. Una de tales estructuras 5 de soporte puede comprender, por ejemplo, una pluralidad de elementos alargados en forma de placa, preferiblemente 3 o más, dispuestas sustancialmente paralelas y angularmente desplazadas entre sí alrededor de un mismo eje longitudinal y colocadas para soportar los componentes del dispositivo 2. Dichos elementos en forma de placa delimitan un área 5c de trabajo y cada uno tiene una superficie 5b externa, opuesta a una superficie 5a interna dirigida hacia tal área 5c de trabajo.

Preferiblemente, la estructura de soporte está hecha de material eléctricamente aislante, por ejemplo, cuarzo. El dispositivo 2 intrínsecamente diseñado para resonar y adecuado para la transferencia de potencia RF de acuerdo con la presente invención comprende un primer devanado 6, dispuesto longitudinalmente alrededor de dicha estructura 5 de soporte (tubular en la figura) y en contacto con la superficie 5b externa de la misma. Tal primer devanado 6 forma parte del circuito primario del transformador 4 de acuerdo con la figura 1b y corresponde, en el diagrama eléctrico de la figura 2c, a la bobina L1. El dispositivo 2 intrínsecamente configurado para resonar comprende medios 7 para la conexión eléctrica con una fuente de alimentación RF 3, en los extremos del primer devanado 6.

El dispositivo 2 de acuerdo con la presente invención también comprende un segundo devanado 8, dispuesto coaxialmente y dentro de la estructura 5 de soporte, en contacto con la superficie 5a interna de la propia estructura. Dicho segundo devanado 8 corresponde, en el esquema eléctrico de la figura 2c, a la bobina Lp del circuito secundario del transformador 4.

De acuerdo con una primera variante del dispositivo 2 intrínsecamente diseñado para resonar y apto para transferencia de potencia de RF de acuerdo con la segunda realización de la presente invención, el elemento capacitivo Cp del dispositivo 2 está dado por un condensador 9 externo, conectado eléctricamente, como se ve en las figuras, en los terminales del segundo devanado 8. En tal caso, los reóforos del condensador 9 externo están conectados, preferiblemente soldados directamente, es decir, sin interposición de otros componentes eléctricos, en los terminales del elemento inductivo, por ejemplo, del segundo devanado 8, para asegurar el valor mínimo posible de las tres magnitudes parásitas, R (hilo corto), L (inductancia dispersa que no genera campo magnético) y C. Por tanto, los reóforos tienen ventajosamente sección de varios mm2, por ejemplo, aproximadamente 10-20 mm2 con una longitud menor o igual a aproximadamente 10-15 cm.

Con una de tales configuraciones, es fácil comprender que dentro de la estructura 5 de soporte, en el área 5c de trabajo delimitada por la misma, se genera un campo electromagnético de RF durante el uso.

Con referencia ahora a las figuras 3a a 3d, se observará que el dispositivo 2 intrínsecamente diseñado para resonar, adecuado para la transferencia de potencia de RF de acuerdo con la presente invención, comprende sustancialmente la misma estructura del dispositivo ilustrado en las figuras 2a a 2c, con la (segunda) variante de que, en este caso, el elemento capacitivo Cp del dispositivo 2 se integra en la estructura 5 de soporte, o se obtiene mediante un par de elementos laminares de material eléctricamente conductor, por ejemplo, un par de láminas de cobre 10 y 11, aplicadas a la estructura 5 de soporte, en un extremo de la misma, una dentro y otra fuera de la misma. Dichos elementos constituyen las dos armaduras de un condensador C'x con dieléctrico interpuesto, ilustrado en la figura 3d.

El experto en la materia comprenderá fácilmente que, en este caso, la estructura 5 de soporte podría realizarse, de manera totalmente equivalente, por ejemplo, mediante:

- una pluralidad de elementos alargados en forma de placa dispuestos paralelos y angularmente desplazados alrededor de un eje longitudinal, y

- un elemento tubular, de sección circular, por ejemplo, conectado a un extremo del mismo, en el que se aplican las láminas de cobre 10 y 11 de material eléctricamente conductor.

También en este caso, el condensador C'x está conectado en los terminales de la bobina 5 Lp del circuito secundario del transformador 4, que en las figuras corresponde al segundo devanado 8.

En las figuras 4a a 4c se ilustra un dispositivo 2 que está intrínsecamente diseñado para resonar, apto para transferencia de potencia de RF totalmente equivalente al ilustrado en las figuras 3a a 3d, en el que no obstante el circuito secundario del transformador 4 comprende una bobina. Lp con doble capa. En la realización de las figuras 4a y 4b, dicha bobina corresponde al segundo devanado 8 y comprende dos capas dispuestas en lados opuestos con respecto a la estructura 5 de soporte del dispositivo.

En las figuras 5a a 5c se ilustra una tercera variante del dispositivo 2 intrínsecamente diseñado para resonar, adecuado para la transferencia de potencia de RF, de acuerdo con la segunda realización de la presente invención.

En este caso, tanto el primer devanado 6 como el segundo devanado 8 están enrollados externamente en la estructura 5 de soporte hecha de material dieléctrico aislante. El elemento capacitivo Cp del dispositivo 2 está de hecho integrado en la estructura 5 y se obtiene por medio de dos pares de elementos de material eléctricamente conductor, por ejemplo, como los descritos con referencia a las figuras 3a a 3d, siendo los elementos laminares de cada par los siguientes: uno aplicado dentro y el otro aplicado fuera de la estructura 5 de soporte. Cada par se aplica en un extremo de dicha estructura 5 de soporte. Como se ve en la figura 5b, los pares de elementos de material eléctricamente conductor están conectados eléctricamente entre sí en serie por medio de un elemento 12 de conexión hecho de material eléctricamente conductor. En cualquier caso, nada prohíbe proporcionar una pluralidad de tales elementos 12 de conexión para la conexión en serie de los pares de elementos hechos de material eléctricamente conductor, por ejemplo, dispuestas angularmente desplazadas entre sí alrededor de la estructura 5 de soporte.

Tales elementos constituyen los inducidos de dos condensadores C'x con dieléctrico interpuesto y eléctricamente conectados en serie en los terminales del segundo devanado 8 (Lp en la figura 5c).

Desde el punto de vista de la consecución, el experto en la técnica comprenderá fácilmente que el elemento conductor Cp del dispositivo 2 intrínsecamente diseñado para resonar, adecuado para la transferencia de potencia de RF, se puede obtener con una sola capacitancia o con múltiples capacitancias conectadas a entre sí en serie y/o en paralelo.

Los elementos de material conductor aplicados a la estructura 5 de soporte pueden posiblemente cortarse longitudinalmente para evitar crear giros en cortocircuito.

De acuerdo con una configuración alternativa y opcional de la tercera variante descrita anteriormente, ilustrada en las figuras 6a a 6c, el segundo devanado 8 se puede proporcionar dentro de la estructura 5 de soporte y, además, como se explicará a continuación, en este caso se proporciona una conexión 13 a tierra entre los dos condensadores en serie C'x, con el fin de obtener un equilibrio de la tensión en el circuito secundario.

De acuerdo con una cuarta variante de la segunda realización (figuras 7a a 7c), el dispositivo 2 intrínsecamente diseñado para resonar, apto para transferencia de potencia RF comprende un segundo devanado 8 con doble capa y el elemento capacitivo Cp del dispositivo 2 es dado por las capacidades parásitas desarrolladas en el mismo. Dichas capacitancias parásitas se indican con la referencia Cx en la figura 7c. En este caso, la estructura 5 de soporte solo puede comprender una pluralidad de elementos alargados en forma de placa, desplazados angularmente entre sí alrededor de un eje longitudinal y colocados entre el devanado 6 del circuito primario y el devanado 8 del circuito secundario, en una manera de mantener los devanados separados entre sí.

Aún en dicha cuarta variante, se ilustra un electrodo 14 laminar que se proporciona en la superficie 5a interna de la estructura 5 de soporte, en un extremo de la misma y conectado eléctricamente al segundo devanado 8 (ver en particular la figura 7c). Dicho electrodo 14 laminar tiene la función de incrementar el campo eléctrico axial y/o radial en las inmediaciones del propio dispositivo, y puede ser alimentado a un potencial eléctrico síncrono, posiblemente compensado con respecto al voltaje de alimentación del grupo de transferencia de potencia.

En las figuras 8a a 8c, se describen otras variantes del grupo 2 de transferencia de potencia. En este caso, el dispositivo 2 intrínsecamente diseñado para resonar, adecuado para transferencia de potencia de RF, comprende un electrodo 14 laminar del tipo descrito con referencia a las figuras 7a a 7c, pero aplicado al exterior de la estructura 5 de soporte, siempre conectado eléctricamente al segundo devanado 8. El dispositivo 2 diseñado intrínsecamente para resonar, adecuado para la transferencia de potencia de RF, también puede comprender otro electrodo 15 en forma de cable, dispuesto dentro de un medio tubular en forma de barra hecho de material aislante, apoyado axialmente en la estructura 5 de soporte, por medio de medios de soporte adecuados 16. Además, este electrodo en forma de cable 15 contribuye, durante el uso, a formar un campo eléctrico adicional en el dispositivo.

En la figura 8a, también se ilustra un transformador externo adicional 17, un elevador de voltaje aplicable al dispositivo 2 para obtener un acoplamiento mejorado con respecto a la fuente de alimentación de Rf . Dicho transformador adicional se puede obtener con la técnica de dos cables del “balun” 1:n u otras técnicas equivalentes utilizadas para transformadores o autotransformadores RF.

El experto en la técnica comprenderá que las variantes descritas anteriormente del dispositivo 2 intrínsecamente diseñado para resonar, adecuado para la transferencia de potencia de RF, se pueden implementar en combinación entre sí, con el fin de obtener una configuración deseada del dispositivo 2 en sí.

El experto en la materia también comprenderá que, si se utiliza un transformador balanceado de tipo “balun” como adaptador de impedancia, el devanado del circuito primario 6 es alimentado por una tensión equilibrada con respecto a tierra, por tanto, el valor medio del voltaje distribuido en el circuito primario es cero. En consecuencia, también el valor medio de la tensión distribuida en el circuito 8 secundario, debido al efecto capacitivo con el circuito primario, es cero. En tal situación, si como elementos capacitivos del dispositivo intrínsecamente diseñados para resonar 2, aptos para transferencia de potencia de RF, se utilizan dos capacitores en serie C'x, equivalentes entre sí, ya sean externos (como se sugiere en la figura 2a) o integrados (como se ilustra por ejemplo, en la figura 6a), dado que logran un divisor capacitivo de la diferencia de potencial en los terminales de la bobina del circuito secundario, el punto de conexión eléctrica entre ellos es de potencial cero, en cada instante. A continuación, dicho punto se puede conectar a la tierra del dispositivo. Además, en el caso de los condensadores integrados C'x como en las figuras 6a a 6c, es decir, coaxiales con respecto a la estructura 5 de soporte, las armaduras 10 externas están situadas espontáneamente a potencial cero, por lo que pueden conectarse eléctricamente entre sí mediante los medios 12 de conexión, y al piso del sistema (13) junto con una pantalla externa (opcional) que se enrolla completamente alrededor de la antena. El experto en la técnica también comprenderá que son posibles otras variantes más allá de las descritas anteriormente. Por ejemplo, es posible obtener el circuito primario del transformador 4 con una pluralidad de conductores en forma de cable, colocados en paralelo, cada uno aislado eléctricamente de los demás, con el fin de minimizar los inconvenientes ligados al efecto piel del circuito en RF.

Es posible hacer el circuito secundario con múltiples conductores uno al lado del otro, para aprovechar mejor el efecto piel.

También es posible hacer tanto el circuito primario como el circuito secundario en dos o más secciones longitudinalmente una al lado de la otra. Los electrodos 14 y 15 pueden ser alimentados de forma independiente o conectados eléctricamente al grupo resonante LpCp. Ya se ha descrito anteriormente la posibilidad de realizar el circuito secundario con una sola capa o multicapa, así como la posibilidad de realizar el transformador adaptador de impedancia de acuerdo con diferentes técnicas, con salida balanceada o salida desequilibrada.

Con especial referencia a los devanados descritos anteriormente, estos se pueden obtener con un conductor de cobre (o un conductor hecho de cualquier otro material conductor adecuado) con sección circular o sección rectangular o sección poligonal o multi-cable (por ejemplo, de Litz tipo), o un conductor tubular (para permitir la circulación del posible líquido refrigerante).

Para los devanados, tanto primarios como secundarios, es posible utilizar un conductor de sección circular, rectangular (la placa convencional), de sección poligonal o el cable tipo Litz. El conductor de sección circular, el más utilizado, es fácilmente enrollable y permite obtener una alta relación entre el número de vueltas y la unidad de longitud, con el consiguiente elevado valor de la inductancia obtenible. Con el conductor de sección rectangular, dada la misma sección con respecto a la sección circular, existe una menor relación del número de vueltas sobre la unidad de longitud, con el consecuente menor valor de la inductancia equivalente; por tanto, se mejora la condición relativa al efecto de la piel. Comparando las dos soluciones (sección circular o placa), se sabe que la placa permite obtener, dada la misma longitud del devanado, una menor inductancia con la consiguiente mayor frecuencia de resonancia, pero esto es aceptable ya que la sección de la placa aprovecha mejor el efecto piel, que es más evidente a medida que aumenta la frecuencia. Se produce una especie de autocompensación del comportamiento de la frecuencia, pasando del hilo de sección circular a la placa. La ventaja del cable de Linz es comparable en volumen con un cable de sección circular, pero con un comportamiento debido al efecto piel comparable, si no mejor, que el de la placa. Mientras que el cable rígido con sección transversal redonda puede ser autosuficiente, el cable Linz, al no ser rígido, requiere un soporte de material aislante.

En cualquier caso, el experto en la técnica comprenderá fácilmente que, en condiciones de trabajo con frecuencia reducida, por ejemplo, comprendida entre varios cientos de KHz y varios Hz, se requiere una mayor inductancia para la bobina Lp del circuito secundario, con mayor número de vueltas, pero el efecto piel, menos fuerte, permite utilizar un conductor de sección circular. En condiciones de trabajo con alta frecuencia, por ejemplo, comprendida entre varios MHz y varias decenas de MHz, se requiere una menor inductancia de la bobina del circuito 8 secundario, con menor número de vueltas, y dado el efecto piel más fuerte, es preferible utilizar un devanado de sección rectangular (poligonal).

El dispositivo 2 antes descrito intrínsecamente diseñado para resonar, adecuado para la transferencia de potencia de RF, permite obtener durante el uso, en la región 5c delimitada por la estructura 5 de soporte o en su proximidad, campos electromagnéticos de alta intensidad, que por tanto son particularmente adecuados para la producción de plasma, o para otras aplicaciones que requieran la transferencia de potencia de RF a materiales sólidos, líquidos o gaseosos.

Para tal fin, en la figura 9 se ilustra esquemáticamente un aparato adecuado para la producción de plasma partiendo de una fuente gaseosa y empleando el dispositivo 2 de acuerdo con la presente invención.

Como se ve, uno de tales aparatos proporciona medios de suministro para un material, por ejemplo, gas, en la entrada a un dispositivo 2 intrínsecamente diseñado para resonar y adecuado para la transferencia de potencia como se describió anteriormente, es decir, en un extremo de su estructura 5 de soporte. El aparato también comprende una fuente de alimentación de RF con frecuencia variable o fija, destinada durante el uso para suministrar alimentación al dispositivo 2, así como los medios 18 de enfoque de plasma en la salida del dispositivo 2, es decir, en el otro extremo de la estructura 5 de soporte del dispositivo. Dichos medios 18 de enfoque comprenden una o más bobinas alimentadas en corriente continua, previstas para aumentar la eficiencia del dispositivo para la producción de plasma.

El dispositivo 2 de tal aparato, como aparece en la descripción detallada proporcionada anteriormente, se obtiene por lo tanto desde el punto de vista de los circuitos de acuerdo con una configuración LC con una impedancia adicional Z correspondiente a la carga (sustancialmente de tipo resistivo) aplicada al mismo, es decir, un gas u otro material en el área 5c de trabajo del propio dispositivo 2 o en sus proximidades. Tal aparato, como aparece claramente, no requiere necesariamente elementos adaptadores de la impedancia fuera del dispositivo 2, intrínsecamente diseñados para resonar como se describió anteriormente en RF, con el fin de obtener el funcionamiento a una frecuencia de resonancia específica.

El aparato funciona a la frecuencia de resonancia real del dispositivo 2 intrínsecamente diseñado para resonar y no, como ya se indicó anteriormente, a la frecuencia de resonancia del sistema compuesto por un elemento sustancialmente inductivo y del circuito adaptador de impedancia relativa, típico de los sistemas convencionales. La eficiencia eléctrica de la transferencia de potencia del aparato es, por tanto, alta, con la consiguiente alta potencia transferida a la carga (plasma u otro tipo de material).

El experto en la técnica comprenderá fácilmente que el dispositivo 2 diseñado intrínsecamente para resonar, adecuado para la transferencia de potencia de RF, no requiere el uso de un núcleo ferromagnético en los elementos inductivos (LI, Lp). Sin embargo, nada prohíbe la inserción de un núcleo ferromagnético como elemento adicional del circuito resonante para aplicaciones que, de acuerdo con el caso, se beneficiarían del mismo.

Como se ha dicho anteriormente, en estado de resonancia, la impedancia equivalente vista por la fuente 3 de alimentación RF es de tipo resistivo y esto, junto con el hecho de emplear ventajosamente altas impedancias implica una serie de ventajas, entre las que se encuentran:

- el hecho de eliminar los problemas asociados a una carga no resistiva, donde la componente reactiva de la potencia en los elementos externos a la fuente de alimentación constituye una fuente de disipación dentro de la propia fuente de alimentación (potencia reflejada);

- el hecho de obtener, en estado de resonancia, un buen factor de mérito, marcado por un alto módulo de impedancia equivalente. Tal situación minimiza los efectos disipativos por los elementos resistivos tanto del dispositivo como del circuito de alimentación del mismo;

- los componentes parásitos, tanto inductivos como capacitivos (en la práctica no eliminables), son insignificantes dado el alto valor de impedancia equivalente del dispositivo 2 intrínsecamente diseñado para resonar;

- en torno a la frecuencia de resonancia se obtiene una característica de la fase entre tensión y corriente de tipo monótono, que permite, mediante una medición vectorial de la tensión y corriente, una determinación sencilla y precisa del estado de resonancia.

El valor 5 de la frecuencia de resonancia se debe solamente a los valores de los componentes inductivos y de los componentes capacitivos del dispositivo 2 intrínsecamente diseñado para resonar, adecuado para transferencia de potencia de RF, dependiendo de una forma totalmente insignificante en el circuito de alimentación del mismo.

La presencia de una carga, por ejemplo, en forma de plasma u otro material, dentro del área 5c de trabajo del dispositivo 2, puede variar tanto la frecuencia de resonancia como el factor de mérito del propio dispositivo 2, con respecto a su ralentí, manteniendo aún el funcionamiento como circuito resonante.

Ventajosamente, el dispositivo 2 descrito anteriormente diseñado intrínsecamente para resonar, adecuado para la transferencia de potencia de RF, puede tener una configuración geométrica que sea simétrica o asimétrica con respecto a sus terminales de alimentación.

El campo eléctrico generado en el mismo puede ser simétrico y equilibrado con respecto a un potencial de tierra o de referencia (13), asimétrico con respecto al potencial de tierra o de referencia, o flotante, es decir, sin restricciones del mismo.

El funcionamiento del dispositivo 2 descrito anteriormente diseñado intrínsecamente para resonar, adecuado para la transferencia de potencia de RF y del grupo 1 es bastante simple y fiable. La base de la presente invención es el hecho de que el dispositivo 2 intrínsecamente diseñado para resonar, adecuado para la transferencia de potencia de RF, se suministra r F a una frecuencia tal que comienza a resonar libremente.

La determinación de dicha frecuencia de trabajo, correspondiente a la frecuencia de resonancia del dispositivo 2, se puede obtener dimensionando adecuadamente los elementos capacitivos Cp y los elementos inductivos Lp de los mismos, en función de la frecuencia de trabajo de la fuente de alimentación RF 3, y/o viceversa, alimentando el dispositivo 2 con una fuente de alimentación de frecuencia variable hasta que se alcance la frecuencia de resonancia. Al medir el desplazamiento de fase entre tensiones y corrientes en la entrada del dispositivo 2 intrínsecamente diseñado para resonar, por medio de los medios de medición descritos anteriormente MM u otros medios equivalentes adecuados, la frecuencia de la fuente 3 de alimentación de RF se establece en el valor de la frecuencia a la que la fase entre voltaje y corriente en la entrada del dispositivo 2 es mínima (cero en condiciones óptimas).

Para tal fin, el dispositivo 2 diseñado intrínsecamente para resonar y adecuado para la transferencia de potencia de RF antes descrita es ventajosa y fácilmente combinable con un sistema para la adaptación automática de la frecuencia de la fuente 3 de alimentación de RF, que, sin embargo, no hacen parte de la presente invención. Tal combinación es posible debido a la naturaleza monótona de la función de la fase entre voltaje y corriente alrededor de la frecuencia de resonancia.

Se divulga que las pruebas preliminares de laboratorio indican que es posible fabricar el dispositivo 2 de manera que se obtenga la resonancia en un rango de frecuencias que van desde cientos de kHz hasta decenas de MHz (30-40 MHz), con poderes operativos de cualquier orden de interés práctico.

Las configuraciones descritas anteriormente del dispositivo 2 intrínsecamente diseñado para resonar, adecuado para la transferencia de potencia de RF, permiten obtener las frecuencias de resonancia en un amplio rango de valores. El dispositivo 2 también permite obtener un campo electromagnético debido únicamente a los elementos inductivos L1, Lp o elementos capacitivos Cp.

A continuación, se describen otras ventajas aportadas por el dispositivo 2 intrínsecamente diseñado para resonar, adecuado para la transferencia de potencia de RF, de acuerdo con la invención.

En primer lugar, dado que durante el uso el dispositivo 2 resuena libremente, existe la posibilidad de alimentarlo mediante una fuente de alimentación con conmutación convencional, interponiendo solo un filtro de serie LC, también con factor de mérito bajo, entre dichas fuentes de alimentación y el dispositivo 2.

También cabe señalar que el dispositivo 2 intrínsecamente diseñado para resonar, apto para transferencia de potencia RF, objeto de la invención, puede tener dimensiones variables, comprendidas en un intervalo amplio, del orden de varios cm de diámetro y varios cm de longitud. hasta dimensiones aumentadas en un factor proporcional que varía de 10 a 50.

Por lo que respecta al dimensionamiento, desde el punto de vista de los componentes eléctricos del dispositivo 2 intrínsecamente diseñados para resonar, adecuados para la transferencia de potencia de RF, está claro que es posible variar, en la segunda realización, la impedancia equivalente, modificando la relación de vueltas nl: n2 entre el circuito primario y el circuito secundario del transformador 4.

También es posible variar la frecuencia de resonancia del dispositivo 2, en ausencia de carga, dimensionando adecuadamente el elemento inductivo Lp y el elemento capacitivo Cp del propio dispositivo.

De manera análoga, en este caso, es posible variar el factor de mérito del dispositivo 2 intrínsecamente diseñado para resonar, adecuado para la transferencia de potencia de RF, variando la relación Lp/Cp del circuito secundario.

Como se mencionó anteriormente, un grupo que comprende un dispositivo 2 intrínsecamente diseñado para resonar, adecuado para la transferencia de potencia de RF como se describió anteriormente, puede emplear, como fuente de alimentación de RF, amplificadores de RF estándar con impedancia de salida de 50 - 75 O o amplificadores fabricados adecuadamente con -Impedancias de salida estándar.

Para tal fin, como se puede inferir de la descripción anterior, si la fuente de alimentación en RF tuviera una impedancia de salida estándar, típicamente comprendida entre 50 y 75 O, sería necesario poder modificar la impedancia equivalente del dispositivo 2 intrínsecamente diseñado para resonar llevándolo a valores que aseguren, durante el uso, el mejor acoplamiento posible con respecto a la fuente de alimentación de RF. Tal acción puede lograrse mediante dos expedientes, también de aplicación conjunta:

a) realizar una estructura con transformador/autotransformador 4, sin núcleo ferromagnético, con la alimentación del circuito primario 6 suministrada por la fuente de alimentación RF y el circuito 8 secundario constituido por el circuito resonante LpCp; y/o

b) utilizar un transformador externo adicional, elevador de tensión, que se puede realizar con la técnica de dos cables del “balun” 1:n, mencionado anteriormente, o mediante otras técnicas utilizadas para transformadores de RF o autotransformadores.

Al emplear la solución (a), la frecuencia de resonancia depende sustancialmente del circuito secundario del dispositivo 2, mientras que la relación de vueltas del circuito secundario/primario n1:n2 logra la adaptación de impedancia. Es posible obtener una amplia gama de valores de la impedancia equivalente vista en el circuito primario variando la relación de vueltas entre los circuitos primario y secundario. La obtención de una de tales estructuras varía el módulo de impedancia en el estado de resonancia en paralelo del circuito secundario, sin alterar significativamente el valor de dicha frecuencia.

Con el circuito transformador equivalente se introduce una segunda condición de resonancia, esta condición de serie temporal, debido a la inductancia dispersa del transformador, con mayor frecuencia que la resonancia paralela principal. Cuanto más eficiente sea el acoplamiento entre los circuitos primario y secundario, mayor será la segunda frecuencia de resonancia con respecto a la primera resonancia en paralelo. Con la disminución del número de vueltas en el circuito primario, la frecuencia de resonancia en serie se acerca al valor de resonancia en paralelo. Esto se debe a un empeoramiento del acoplamiento entre los circuitos primario y secundario, con la consiguiente disminución de la eficiencia del propio transformador.

El punto de funcionamiento óptimo, por ejemplo, para la posible generación de plasma, se encuentra en el estado de resonancia en paralelo, fácilmente manejable por cualquier fuente de alimentación de RF dado el alto valor de impedancia equivalente del dispositivo, de tipo sustancialmente resistivo, de acuerdo con la presente invención. El estado de resonancia en serie tiene un módulo de impedancia que es extremadamente bajo y, por tanto, crítico para la mayoría de los amplificadores de RF. Con amplificadores de tipo estándar (impedancia de salida 50 - 75O), tal condición debe evitarse, pero nada prohíbe el uso del dispositivo 2 diseñado intrínsecamente para resonar y adecuado para transferencia de potencia de RF en tal condición, con amplificadores con baja impedancia de salida, capaces de entregar altas corrientes.

Si, incluso con la máxima relación de vueltas, entre el circuito primario y el circuito secundario del dispositivo, el valor de impedancia resultara demasiado alto con respecto a la fuente de alimentación de RF disponible, se puede recurrir a la solución (b). Con el fin de no aumentar demasiado la relación de vueltas dentro del hallazgo, es conveniente utilizar una adaptación de impedancia adicional, lograda por el transformador/autotransformador adicional fuera del dispositivo de acuerdo con la invención.

Es posible enmallar el dispositivo 2 por medio de mallas de material eléctricamente conductor y/o material de alta permeabilidad magnética, colocados al potencial eléctrico de referencia o al potencial flotante.

Con respecto a los documentos de la técnica anterior antes mencionados, se observará que en el documento US6291938B1 (ver figuras 2 y 6, líneas 1-9 de la columna 3, líneas 55-62 de la columna 6 y línea 18 de la columna 9), se hace referencia a un sistema compuesto por una “sección resonante” conectada a una “sección no resonante”, pero se dice que la sección resonante incluye un devanado, es decir, una inductancia.

Para tal fin, como se sabe, una inductancia no puede resonar sin un elemento capacitivo conectado eléctricamente al mismo en paralelo o en serie; por tanto, el documento US6291938B1 se origina claramente a partir de una suposición incorrecta.

Además, el documento US6291938B1 enseña que la “sección resonante” se puede conectar a la fuente de alimentación de RF por medio de una “red de adaptación de RF estándar”, por lo tanto, de acuerdo con la práctica común de las fuentes de plasma de RF de este tipo, es decir, sin electrodos sumergidos en el plasma. El sistema de adaptación está constituido por elementos reactivos variables (capacitancias y/o inductancias) que se conectan a la antena para asegurar que el amplificador “vea” una carga resistiva con módulo igual a su impedancia de salida (típicamente 50 o 75 Ohm, para asegurar la máxima transferencia de potencia desde el amplificador a la antena) y no una carga reactiva cuyo módulo de impedancia tenga un valor muy pequeño, que no podría manejar de manera efectiva. Dicho efecto se obtiene creando una resonancia “distribuida”, es decir, la antena, el sistema de adaptación y los cables de conexión resuenan.

Sin embargo, en estas condiciones, circulan corrientes muy elevadas sobre la antena y sobre los cables de conexión entre la propia antena y el sistema de adaptación, habiendo considerado que la inductancia de la antena se reduce considerablemente y origina así una impedancia, en las frecuencias de funcionamiento, comparables con los elementos parásitos de los cables y de otros componentes de conexión; Corrientes tan elevadas se traducen en pérdidas óhmicas elevadas y, por lo tanto, en una eficiencia reducida del sistema, y para aumentar dicha eficiencia se vuelve crítico cuidar especialmente las conexiones eléctricas, en algunos casos utilizando sistemas de enfriamiento activo.

Se pueden hacer consideraciones similares para el documento US20040124779A1.

Un dispositivo de acuerdo con la presente invención, a diferencia del enseñado por los documentos de la técnica anterior antes mencionados, es intrínsecamente resonante y explota capacitancias, por ejemplo, integrado en la estructura de soporte de la antena (que en cualquier caso es un devanado inductivo). y/o sus capacitancias parásitas y/o una capacitancia externa, pero directamente conectada a los terminales de la bobina - logra un sistema que resuena sin necesidad de elementos adicionales, como las cajas de adaptación.

Esto asegura una ventaja considerable con respecto a los sistemas de acuerdo con el estado de la técnica, ya que en resonancia la impedancia global del sistema de acuerdo con la presente invención es muy alta con respecto a los elementos parásitos presentes en los elementos de conexión (cables, etc.), lo que significa que, de toda la potencia entregada globalmente por el generador de RF, la mayor parte es absorbida por el sistema resonante, asegurando una alta eficiencia. Un dispositivo de acuerdo con la presente invención es también mucho menos crítico que los demás desde el punto de vista de las conexiones eléctricas, dado que la disipación en tales elementos es en cualquier caso insignificante con respecto a la absorción de potencia de la carga resonante.

Para explicar mejor lo indicado anteriormente, como es sabido, para obtener una alta eficiencia de transferencia de potencia para un sistema resonante, es necesario tener un factor de mérito alto que entre otras cosas depende del valor de la resistencia a la pérdida Rs determinada por los cables de conexión eléctrica. Con respecto a las R, su posición dentro del circuito resonante es claramente significativa. Si el Rs está situado entre el amplificador de potencia de RF y el circuito resonante (de acuerdo con la presente invención), en el estado de resonancia, la resistencia de pérdida (cables de conexión) es atravesada por la corriente absorbida por el circuito resonante, que se encuentra que tiene un módulo de impedancia alto (de hecho, porque funciona en resonancia).

Si el Rs se sitúa entre las capacitancias de la cuerda (caja de adaptación) y el elemento inductivo del circuito resonante (de acuerdo con el estado de la técnica), también en condiciones de resonancia, es atravesado por la corriente de intercambio entre la inductancia y la capacitancia, que es mayor, dada la misma frecuencia de resonancia, menor es el valor de la inductancia y ciertamente mayor que la corriente absorbida por el sistema resonante en general.

En los dispositivos de la técnica anterior, donde el elemento inductivo del circuito resonante está situado en una posición remota con respecto a la capacitancia de resonancia, la sección de línea entre la caja adaptadora y el elemento inductivo es atravesada por la corriente de intercambio entre L y C y la presencia de la resistencia Rs genera una disipación considerable. La única forma de reducir dicha disipación en los dispositivos de la técnica anterior - con el consiguiente aumento del factor de mérito - consiste en reducir el valor de Rs, pero existen límites debido a las resistencias de los cables, las resistencias de contacto de los conectores y el efecto piel de los conductores.

En el caso de un dispositivo de acuerdo con la presente invención, el circuito intrínsecamente resonante no requiere la caja correspondiente y toda la sección de línea entre el amplificador de RF y el dispositivo intrínsecamente resonante es atravesada por una corriente que no es alta, de hecho, porque el circuito resonante paralelo (que equivale a un dispositivo de acuerdo con la presente invención) en el estado de resonancia tiene un módulo máximo de su impedancia. Dadas las mismas Rs, el efecto de dicha impedancia, con respecto a la configuración de los dispositivos anteriores, es insignificante.

En consideración a lo expuesto anteriormente, se observará que la solución subyacente a la presente invención, que prevé estabilizar un elemento capacitivo y un elemento inductivo con valores tales para generar, en el estado de resonancia, una impedancia equivalente, medida en los terminales del dispositivo, sustancialmente de tipo resistivo y mucho mayor que el valor de la impedancia parásita antes de los terminales del dispositivo, de manera que el efecto de la impedancia parásita es, durante el uso, sustancialmente insignificante, además de diferenciarse con respecto a las soluciones propuestas anteriormente, también es inventiva con respecto a las mismas.

En efecto, para mejorar el factor de mérito de sistemas como los de US6291938B1 y US20040124779A1, el experto en la técnica, en base a lo indicado anteriormente, disminuiría o intentaría disminuir la resistencia de los conductores y no se induciría a operar sobre los elementos capacitivos o inductivos para obtener, en el estado de resonancia, una impedancia equivalente mayor que el valor de la impedancia parásita antes de los terminales del dispositivo.

Con respecto a tal aspecto, ninguno de los documentos de la técnica anterior mencionados anteriormente enseña de hecho a emplear una de tales soluciones; Además, existen limitaciones intrínsecas en los valores de L y C en los sistemas de dichos documentos, de modo que las capacitancias parásitas de los cables de las soluciones de la técnica anterior se suman a la capacitancia de resonancia y por lo tanto imponen el límite de no poder aumentar la inductancia de la bobina más allá de un cierto límite, de lo contrario la frecuencia de resonancia real se reduciría, considerando que la misma (como se mencionó anteriormente) es igual a 1 sobre la raíz cuadrada de la inductancia multiplicada por la capacitancia.

Claramente, la variación de la frecuencia de resonancia debe evitarse tanto como sea posible, especialmente si el amplificador no puede, como sucede a menudo, tolerar o soportar cambios de la misma.

Además, la sintonización, es decir, variar las capacitancias, de un sistema como el de los documentos de la técnica anterior comentados anteriormente, es bastante complicado e implica la presencia de cargas transitorias no resistivas en el amplificador, lo que provoca la aparición de llamado potencia reflejada hacia el amplificador mismo, de modo que al menos uno tendría que sobredimensionar el amplificador. Por tanto, se entenderá que el experto en la materia no sólo no habría descubierto sugerencias en el estado de la técnica para modificar las soluciones propuestas anteriormente para llegar a la invención, objeto de la presente solicitud de patente, sino que - también por lo expuesto anteriormente - se le habría disuadido incluso de simplemente plantear una hipótesis de tal solución.

Se aplican consideraciones similares a un grupo, a un aparato y a un método de acuerdo con la presente invención, en particular el método de acuerdo con el cual se mide el desplazamiento de fase entre el voltaje y la corriente en la entrada del dispositivo y si el desplazamiento de fase es distinto de cero, la frecuencia de la fuente de alimentación se ajusta hasta que el desplazamiento de fase medido es sustancialmente cero, un método que ni se enseña ni se sugiere en el estado de la técnica.

La invención así concebida es susceptible de numerosas modificaciones y variaciones dentro del alcance protector definido por las siguientes reivindicaciones.

Por tanto, por ejemplo, existe la posibilidad de aplicar conjuntamente el módulo de medida voltio-amperométrica y el circuito de adaptación de forma de onda de señal, tanto con el dispositivo con circuito LC resonante simple de acuerdo con la primera realización de la presente invención, como con el Dispositivo con estructura de transformador o autotransformador con circuito LC resonante secundario, de acuerdo con la segunda realización de la presente invención.

Además, en la práctica los materiales empleados, siempre que sean compatibles con el uso específico, así como los tamaños y formas, pueden ser de cualquier tipo de acuerdo con la aplicación y/o requisitos estructurales.

Además, el valor antes mencionado de la relación n2/n1 es aproximado y relativo a dispositivos que tienen una estructura 5 de soporte que delimita internamente un área 5c de trabajo con un volumen de hasta cientos de cm cúbicos y potencia suministrable por amplificadores estándar con impedancia de salida de 50-75 O y 100-200 W de potencia. Se puede confirmar razonablemente que, dado que no existe una restricción preestablecida para dicha relación de vueltas, el dispositivo de acuerdo con la presente invención permite adaptar diferentes amplificadores de RF a diferentes configuraciones de una fuente gaseosa para la producción de plasma, dado que se puede lograr el mejor acoplamiento posible entre la fuente de alimentación de r F y el dispositivo de acuerdo con el tipo de plasma a obtener.

Además, todos los detalles pueden ser sustituidos por otros elementos técnicamente equivalentes, con la misma funcionalidad, incluso si tiene diferentes modos estructurales.

Claims (35)

REIVINDICACIONES

1. Dispositivo (2) diseñado intrínsecamente para resonar, adecuado para la transferencia de potencia de RF, especialmente utilizable para la producción de plasma, y conectable eléctricamente después de una fuente (3) de alimentación de radiofrecuencia de frecuencia fija o variable, que comprende:

al menos un elemento inductivo (Lp), que puede ser alimentado, en uso, por dicha al menos una fuente (3) de alimentación;

al menos un elemento capacitivo (Cp), conectado eléctricamente a los terminales de dicho al menos un elemento inductivo (Lp);

dicho al menos un dispositivo (2) tiene una frecuencia angular de resonancia igual a

1

o»o =

jLpCp

caracterizado porque

dicho elemento capacitivo (Cp) y dicho elemento inductivo (Lp) tienen cada uno valores tales que, en estado de resonancia, proporcionan una impedancia equivalente, medida en los terminales de dicho dispositivo (2), sustancialmente de tipo resistivo y mucho mayor, que, a modo de referencia, se pretende que sea de aproximadamente 10 a 100 veces mayor que la impedancia parásita antes de los terminales de dicho dispositivo (2), de modo que el efecto de dicha impedancia parásita es, en uso, sustancialmente insignificante.

2. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho al menos un elemento inductivo (Lp) está siendo alimentado directamente por dicha fuente (3) de alimentación sin interposición de componentes eléctricos adicionales.

3. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende al menos un transformador o autotransformador (4) que incluye a su vez: un circuito primario de dicho transformador o autotransformador (4), provisto de al menos una bobina (L1) de n1 vueltas, y un circuito secundario provisto de al menos un elemento inductivo (Lp) que tiene n2 vueltas, siendo dicha bobina (L1) de dicho circuito primario alimentable por dicha fuente (3) de alimentación sin interposición de componentes eléctricos adicionales.

4. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, que comprende al menos una estructura (5) de soporte de material eléctricamente aislante, que tiene una superficie (5a) interna, una superficie (5b) externa, delimitando internamente dicha estructura (5) de soporte un área (5c) de trabajo para dicho dispositivo.

5. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 4, en el que dicho al menos un elemento inductivo (Lp) está soportado por dicha estructura de soporte, longitudinalmente alrededor y en contacto con la misma.

6. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 5, en el que al menos uno de dicho al menos un elemento capacitivo (Cp) comprende un condensador (9) externo, conectado eléctricamente a dicho al menos un elemento inductivo (Lp) y soportado externamente y a una distancia de dicha estructura (5) de soporte.

7. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 6, en el que dicho condensador (9) externo comprende reóforos que están conectados sin interposición de otros componentes eléctricos, en los terminales de dicho elemento (8) inductivo.

8. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 7, en el que dichos reóforos tienen una sección de 10-20 mm2 con una longitud menor o igual a aproximadamente 10-15 cm.

9. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 4 a 8, en el que al menos uno de dicho al menos un elemento capacitivo (Cp) está integrado dentro de dicha estructura (5) de soporte.

10. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 9, en el que dicho elemento capacitivo (Cp) comprende al menos un par de elementos (10, 11) laminares de material eléctricamente conductor, que se aplican a dicha estructura (5) de soporte, en un extremo del mismo. y en lados opuestos, dichos elementos (10, 11) laminares forman de ese modo las dos placas de un condensador (C'x) con material dieléctrico entre ellas.

11. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 4 a 9, en el que dicho al menos un elemento capacitivo (Cp) comprende dos pares de elementos (10, 11) laminares hechos de material eléctricamente conductor, aplicados uno internamente y otro externamente con respecto a dicha estructura (5) de soporte, aplicándose cada par de dichos elementos (10, 11) laminares en un extremo de dicha estructura (5) de soporte y conectándose eléctricamente en serie al otro par, mediante al menos un elemento (12) de conexión realizado de material eléctricamente conductor, dichos acoplamientos forman así dos condensadores (C'x) con material dieléctrico entre ellos y están conectados eléctricamente en serie en los terminales de dicho al menos un elemento inductivo (Lp).

12. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 4 a 11, que comprende al menos un elemento capacitivo adicional dado por la capacitancia parásita (Cx) de dicho al menos un elemento inductivo (Lp).

13. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 4 a 12, que comprende al menos un electrodo (14) laminar aplicado a dicha estructura (5) de soporte en un extremo de la misma y conectado eléctricamente a dicho al menos un elemento inductivo (Lp), dicho electrodo (14) laminar es alimentable a un potencial eléctrico que es síncrono o posiblemente fuera de fase con respecto a un voltaje de alimentación de dicho (2) dispositivo.

14. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 4 a 13, que comprende al menos un electrodo en forma de cable (15), soportado axialmente dentro de dicha estructura (5) de soporte en dicha zona de trabajo (5c).

15. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 4 a 14, en el que dicho al menos un elemento inductivo (Lp) está soportado interna y/o externamente por dicha estructura (5) de soporte.

16. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 4 a 15, en el que dicho al menos un elemento inductivo (Lp) comprende una o más capas, cada capa está soportada interna o externamente por dicha estructura (5) de soporte.

17. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 4 a 16, cuando depende de la reivindicación 3, en el que dicha bobina (L1) está soportada externamente por dicha estructura (5) de soporte.

18. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 17, que comprende medios (7) de conexión para la conexión eléctrica con dicha fuente (3) de alimentación, previstos en los extremos de dicha bobina (L1).

19. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18, en el que dicho al menos un elemento capacitivo (Cp) es un capacitor o comprende más capacitores conectados en serie y/o en paralelo.

20. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10 a 18, en el que dichos elementos laminares hechos de material conductor se cortan longitudinalmente para evitar bobinas de cortocircuito.

21. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18, en el que dicho al menos un elemento inductivo (Lp) es un inductor o comprende más inductores conectados en serie y/o en paralelo.

22. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 3 o cualquiera de las reivindicaciones 4 a 19, cuando depende de la reivindicación 3, en el que la relación entre dichas n2 vueltas de dicho al menos un elemento inductivo (Lp) y dichas n1 vueltas de dicha al menos una bobina (L1) es igual o mayor que 5, si dicho dispositivo está conectado eléctricamente directamente a los terminales de salida de una fuente de alimentación de RF que tiene un voltaje de salida entre 50 V y aproximadamente 200V.

23. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 3 o cualquiera de las reivindicaciones 4 a 21, cuando depende de la reivindicación 3, en el que la relación entre dichas n2 vueltas de dicho al menos un elemento inductivo (Lp) y dichas n1 vueltas de dicha al menos una bobina (L1) es menor que 5, si dicho dispositivo está conectado eléctricamente directamente a los terminales de salida de una fuente de alimentación de RF que tiene un voltaje de salida superior a 100V.

24. Grupo de transferencia de potencia, compuesto por:

al menos una fuente de alimentación de radiofrecuencia (RF) que funciona a frecuencia fija o variable;

un dispositivo diseñado intrínsecamente para resonar (2) de acuerdo con cualquier reivindicación anterior y conectado eléctricamente a dicha al menos una fuente (3) de alimentación de radiofrecuencia.

25. Grupo de acuerdo con la reivindicación 24, que comprende al menos un medio de medición (MM), conectable entre dicha al menos una fuente (3) de alimentación de radiofrecuencia y dicho al menos un dispositivo (2), diseñado para medir el desplazamiento de fase entre los voltajes y corrientes generados por dicha al menos una fuente (3) de alimentación a la entrada de dicho dispositivo (2).

26. Grupo de acuerdo con reivindicación 24 o reivindicación 25, que comprende al menos un módulo adaptador (AS), conectable entre dicha al menos una fuente (3) de alimentación de radiofrecuencia y dicho al menos un dispositivo (2) , comprendiendo dicho módulo adaptador (AD) al menos un filtro LC resonante en serie, dicha al menos una fuente (3) de alimentación de radiofrecuencia es una fuente de alimentación conmutada de onda cuadrada.

27. Grupo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 24 a 26, que comprende un dispositivo (2) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 23.

28. Método de funcionamiento de un grupo para transferencia de potencia en radiofrecuencia, que comprende las siguientes etapas de:

disponer un grupo para la transferencia (1) de potencia de acuerdo con cualquier reivindicación 24 a 27; suministrar energía a dicho al menos un dispositivo (2) de dicho grupo (1) a una frecuencia que corresponde sustancialmente a la frecuencia de resonancia de dicho al menos un dispositivo (2).

29. Método de acuerdo con la reivindicación 28, en el que se prevé seleccionar el componente de dicho al menos un dispositivo (2) de tal manera que la frecuencia de resonancia de dicho dispositivo (2) corresponda a la frecuencia de trabajo de dicho al menos una fuente (3) de alimentación de frecuencia de radio.

30. Método de acuerdo con la reivindicación 28 o 29, en el que dicha etapa de suministrar energía a dicho al menos un dispositivo (2) a una frecuencia correspondiente a la frecuencia de resonancia de dicho al menos un dispositivo (2), requiere la subetapa de seleccionar, en el rango de frecuencias que puede generar dicha al menos una fuente (3) de alimentación de radiofrecuencia, la frecuencia correspondiente a la frecuencia de resonancia de dicho al menos un dispositivo (2).

31. Método de acuerdo con la reivindicación 30, en el que dicha subetapa de seleccionar, en el rango de frecuencias que puede generar dicha al menos una fuente (3) de alimentación de radiofrecuencia, la frecuencia correspondiente a la frecuencia de resonancia de dicho al menos un dispositivo (2) comprende:

medir el desplazamiento de fase entre el voltaje y la corriente de entrada a dicho al menos un dispositivo (2); y ajustar la frecuencia de dicha fuente (3) de alimentación, si dicho desplazamiento de fase no es cero, hasta que dicho desplazamiento de fase medido sea sustancialmente cero.

32. Aparato para la producción de plasma a partir de gas, que comprende:

al menos un grupo para transferencia (1) de potencia de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 24 a 27; medios de alimentación de dicho gas en dicho al menos un dispositivo (2); así como un puerto de entrada de gas; un puerto de salida de plasma;

un área (5c) de trabajo que se extiende desde dicho puerto de entrada hasta dicho puerto de salida.

33. Aparato de acuerdo con la reivindicación 32, cuando dicho grupo para transferencia (1) de potencia comprende al menos un dispositivo (2) que incluye una estructura (5) de soporte, en el que comprende un medio (18) de enfoque, y en el que dicho medio de alimentación y dicho se disponen medios (18) de enfoque en los lados opuestos de dicha estructura (5) de soporte.

34. Aparato de acuerdo con la reivindicación 32 o 33, que comprende medios (18) de enfoque de plasma en el puerto de salida de plasma de dicho dispositivo (2), dichos medios (18) de enfoque comprenden uno o más devanados que pueden ser alimentados con corriente continua.

35. Aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 32 a 34, en el que dicho aparato funciona, en uso, a una frecuencia sustancialmente igual a la frecuencia de resonancia de dicho dispositivo (2) cuando, en dicha zona de trabajo (5c) se alimenta dicho gas.