TW202324462A - 真空可變電容器 - Google Patents
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Abstract
本發明係有關於一種真空可變電容器(1),包括:一真空密封外殼(2),用以容納一真空電介質,其中該外殼(2)包括一第一板(3)及一第二板(4),該第一板(3)與該第二板(4)由一電絕緣元件(5)隔開; 一固定電極(6),在該外殼(2)內附接至該第一板(3);以及一可移動電極(8),附接至一可移動板(7),其中該可移動板(7)在該外殼(2)內藉由至少一個真空波紋管(9)附接至該第二板(4), 其中該真空電容器(1)包括一機械驅動系統(10),用於使該可移動板(7)相對於該第一板(3)移動(特別是平移),以便改變該真空電容器(1)的電容,其中該機械驅動系統(10)包括一滾珠螺桿(11),配置成驅動該可移動板(7),並且其中該機械驅動系統(10)在該真空密封外殼(2)的外部包括一限制元件(14),限制該第一板(3)與該可移動板(7)之間的最大距離,並且其中該驅動系統包括一螺母(13),附接至該滾珠螺桿(11),其中該螺母(13)包括一第一肩部(13a),該第一肩部(13a)構造成抵靠該限制元件(14),以限制該第一板(3)與該可移動板(7)之間的最大距離。
Description
本發明係有關於真空電容器的領域,特別是有關於真空可變電容器的領域。
真空電容器是適用於高功率應用的電容器,由於優異的真空介電特性,通常可以兼容幾千伏或甚至幾萬伏的電壓。由於導電零件(亦即,用於將真空電容器連接至其它電路元件的金屬電極及金屬環)的損耗非常低,真空電容器可以承載數十安培或甚至數百安培的交流電流(尤其是射頻電流)。
真空可變電容器構成真空電容器的一個子類,並且還以其對高功率應用的絕佳適用性而聞名。這些真空可變電容器藉由調整一個電極相對於另一個電極的位置來容許電容值的調整,這兩個電極皆位於真空電容器的真空外殼內。實際上,改變的不是電極間隔,而是藉由改變承載電極的板之間的距離來改變電極表面重疊。電容值的調整範圍稱為可調性且由t=(C
max-C
min)/C
max定義,其中C
max及C
min係給定電容器可以實現的最大電容值及最小電容值。大多數真空可變電容器設計成提供至少90%的可調性,有些將提供 98%或甚至更高的可調性。通常,與可伸縮連接接頭(亦稱為波紋管)相關的螺桿及螺母系統允許將致動從真空外部帶到真空外殼內的可調整電極。例如,由控制軟體控制的步進馬達可以用於致動零件以精確地定位可移動電極,從而實現真空可變電容器的電容之特定精確值。上述用於調整真空可變電容器的電容值之元件定義其機械驅動系統。
除了高電壓及高電流能力之外,這個子類的真空可變電容器之一個特定品質標準是其驅動系統的性能。有價值的是不僅具有高可調性,而且提供長壽命的驅動系統(可以由C
max與C
min之間的循環數直到出現故障來定義)、提供一種可由相對適中的扭矩進行調整的驅動系統,以及提供快速且精確的機械調整來滿足許多應用的高需求。
真空電容器的典型應用包括用於使用射頻(例如,13.56 MHz)發動電漿工具進行沉積及蝕刻製程的半導體製造產業中之電力輸送系統。真空可變電容器的主要功能是調整及匹配應用負載的阻抗對電力傳輸電路中之射頻產生器的阻抗。因為電漿負載具有時變阻抗(取決於每個處理步驟、離子化氣體狀態、殘餘氣體壓力及其它因素),所以它需要適應(匹配)於產生器及射頻電纜的阻抗,所述射頻電纜根據工業標準最佳化而工作於50 歐姆阻抗。任何阻抗不匹配可能導致半導體製造過程不成功,並且在某些情況下,還可能因產生器與負載之間的阻抗不匹配產生的反射電功率而導致產生器的損壞。
現在回到真空可變電容器的驅動系統。如上所述,希望提供一種能夠以適度或低扭矩致動的系統。現今,大多數真空可變電容器通常需要步進馬達或其它致動器來提供大於0.4N
m的扭矩,以便進行調整。本發明的一個目標是發表一種可以用降低的扭矩來致動且不損害驅動系統的精確性及可重複性的真空可變電容器。為實現這個目標,真空可變電容器在對應於最小電容C
min的可移動電極位置處需要一個機械端部擋塊。習知技藝的真空可變電容器通常不提供用於決定C
min精確值的手段。唯一可用的手段基本上是使波紋管完全壓縮。波紋管不是高精確組件,以致於即使使用相同的組件(名義上),這個端部擋塊在某些情況下對應於例如32pF,在其它情況下對應於35pF或27pF。由於這個問題,現今批量生產之真空可變電容器的資料表必須顯示導致更小電容範圍的較高C
min值,因此僅僅因為這種不確定性造成更差的指示可調性。在剛剛提到的實例中,製造商會公佈「更安全」的C
min值(例如,40pF),因為製造商根據經驗知道,無論波紋管特性在其組件容差範圍內如何,都將導致可以達到的「安全 C
min」。換句話說,對於所有發表之那種類型的電容器,客戶確實可以達到資料表中公佈的數值。這種可靠性很重要,因而製造商同意公佈比必要的還差之可調性特性。
從US3040220A、JP2964248B1、US2002163398A1及US2010254066A1 中已知包括用於限制電容器的可移動板與固定板之間的最大距離之限制元件的真空可變電容器,但是所提出的限制元件並沒有為上述問題提供令人滿意的解決方案。
因此,本發明的目的是提供一種真空可變電容器,其電容可以用低扭矩來進行調整,同時允許其最小電容值的精確限定。
因此,本發明的目的是提出一種新穎的真空可變電容器,其可以完全克服或至少大大地減少已知系統的上述缺點。
本發明的目的特別是提出一種真空可變電容器,其電容可以用低扭矩來進行調整,同時保證電容值的高精確度。
依據本發明,這些目的特別透過獨立請求項的元件來實現。
特別地,本發明的目的由一種真空可變電容器來實現,該真空可變電容器包括一真空密封外殼,用以容納一真空電介質,其中該外殼包括一第一板及一第二板,該第一板與該第二板由一電絕緣元件隔開;一固定電極,在該外殼內附接至該第一板;以及一可移動電極,附接至一可移動板,其中該可移動板在該外殼內藉由至少一個真空波紋管附接至該第二板,其中該真空電容器包括一機械驅動系統,用於使該可移動板相對於該第一板移動(特別是平移),以便改變該真空電容器的電容,其中該機械驅動系統包括配置成驅動該可移動板的一滾珠螺桿,並且其中該機械驅動系統在該真空密封外殼的外部包括一限制元件,該限制元件限制該第一板與該可移動板之間的最大距離,其中該驅動系統包括附接至該滾珠螺桿的一螺母,並且其中該螺母包括一第一肩部,該第一肩部構造成抵靠該限制元件,以限制該第一板與該可移動板之間的最大距離。
由於該滾珠螺桿,該第一板與該可移動板之間的距離以及因而該電容器的電容可以用低扭矩來改變。這在必須重複地且快速地改變電容的應用中係特別有利。在低扭矩的情況下,通常用於驅動該可移動板之馬達的要求可以降低,從而允許使用更小、更便宜的馬達。該限制元件可以限定該等板之間的最大距離之精確值,從而限定電容的最小值。然後,該值可以用作與該等板之間的其它距離相對應之所有電容值的一參考值。因為電容與該等板之間的距離成反比,所以使用最小電容作為該參考值是有利的。該等板之間距離的絕對誤差對在最小電容值下的電容的影響小於在最大值下的電容之影響。因此,在最小電容下的準確參考值係有利的。在習知技藝的真空可變電容器中,最小電容值由真空外殼內的一元件(例如,波紋管)來限定。這意味著該值必須在外殼組裝及抽空之前被限定,並且不能在之後被限定。因此,藉由真空外殼外的限制元件限定最小電容的參考值之可能性係有利的。事實上,可以測量電容並根據此測量的函數來定義此值。再者,一些習知技藝的真空可變電容器藉由波紋管的最大可壓縮性來限定最小電容。這是有問題的,因為這不能產生在最小電容下的精確參考值。
如上所述,真空電容器的典型應用包括用於使用射頻(例如,13.56 MHz)發動電漿工具進行沉積及蝕刻製程的半導體製造產業中之電力輸送系統。 真空可變電容器的主要功能是調整及匹配應用負載的阻抗對電力傳輸電路中之射頻產生器的阻抗。因為電漿負載具有時變阻抗(取決於每個處理步驟、離子化氣體狀態、殘餘氣體壓力及其它因素),所以它需要適應(「匹配」)於產生器及射頻電纜的阻抗,所述射頻電纜根據工業標準最佳化而工作於50 歐姆阻抗。任何阻抗不匹配會導致半導體製造過程不成功,並且在某些情況下,還會因負載的阻抗不匹配產生的反射電功率而導致產生器的損壞。因此,最重要的是提供一種具有在最小電容下的精確參考值之真空可變電容器。
最後,提供一種包括附接至該滾珠螺桿的一螺母之驅動系統代表一種用於限定在該最小電容值下的該參考值之簡單且有成本效益的方式,其中該螺母包括一第一肩部,該第一肩部構造成抵靠該限制元件,以限制該第一板與該可移動板之間的最大距離。
在本發明的一第一較佳具體例中,該第一板與該可移動板之間的最大距離可藉由該限制元件來進行調整。這特別有利,因為該電容器的特性會隨著時間或由於外部條件(如溫度)而改變。因此,能夠調整最大距離以及因而在最小電容下之該參考值的可能性代表優於習知技藝中已知的真空可變電容器的優點。
在本發明的另一個較佳具體例中,該螺母至少部分地配置在該外殼的一導引元件中,並且該螺母包括一第二肩部,該第二肩部構造成抵靠該導引元件的一邊緣,以限制該第一板與該可移動板之間的最小距離。以此可以限定該電容器的最大電容值。
在本發明的又另一個較佳具體例中,該真空可變電容器包括配置成覆蓋該滾珠螺桿的蓋子。這有利於保護該驅動系統,特別是保謢該滾珠螺桿,以便使電容器的性能得到長期保證。該蓋子可以有利地構造成完全覆蓋該滾珠螺桿,以便保護該滾珠螺桿免受灰塵及機械衝擊的影響。
在本發明的另一個較佳具體例中,該限制元件至少部分地配置在該蓋子內。以此,該限制元件亦受到該蓋子的保護,因而確保在最小電容值下的參考值隨時間保持固定。
在本發明的又另一個較佳具體例中,該蓋子包括一螺紋,該限制元件至少部分地旋入該螺紋中。這代表一種實現該限制元件的特別簡單且有成本效益的方式。
在本發明的另一個較佳具體例中,該限制元件係一螺紋銷。可以很容易地提供螺紋銷,並且該銷的長度可以用來限定該最小電容值。
在本發明的又另一個較佳具體例中,該第一板與該可移動板之間的最大距離可從該蓋子外來進行調整。以此,當該電容器完全組裝甚至在操作中時,可以限定及調整該最小電容值。
在本發明的另一個較佳具體例中,該第一板與該可移動板之間的最大距離可以藉由將該限制元件旋入及旋出該蓋子來進行調整。這代表一種可提供允許該最小電容值的調整之限制元件之特別簡單且有成本效益的方式。
在本發明的又另一個較佳具體例中,該滾珠螺桿構造成能夠用小於或等於0.5N
m(有利地是小於或等於0.3N
m,特別是小於或等於0.25N
m)的扭矩來增加該第一板與該可移動板之間的距離。這允許降低用於驅動該可移動板及因而調整電容值的馬達之要求。以此,可以使用更小且更便宜的馬達。
在本發明的又另一個較佳具體例中,該機械驅動系統包括用於使該滾珠螺桿的一螺紋軸附接至一驅動馬達的一耦合元件。這允許用馬達來驅動該滾珠螺桿。
圖1顯示依據本發明的一個具體例之真空可變電容器1的示意剖面圖。
真空可變電容器1包括具有由絕緣元件5電隔離之第一板3及第二板4的真空密封外殼2。在外殼2內部,固定電極6,有利地是螺旋形或圓柱形電極(或形成電極的一組圓柱形表面),附接至第一板3。具有可移動電極8(有利地是螺旋形或圓柱形電極(或形成電極的一組圓柱形表面))的可移動板7藉由真空波紋管9在外殼2內部附接至第二板4。如本領域技術人員所熟知,這些電容產生電極可以配置成纏繞的螺旋體或同心等間距的圓柱體,以便對於給定的可用真空電介質體積,因而對於給定的電容器尺寸或覆蓋面,最佳化電容器的電壓及功率性能 。
提供機械驅動系統10,以相對於第一板3及固定電極6平移可移動板7及因而隨之平移可移動電極8,以便改變電容器的電容。機械驅動系統10包括具有螺紋軸12的滾珠螺桿11;滾珠螺桿11配置成可以藉由使軸12旋轉來調整可移動板7與該第一板3之間的距離。由於滾珠螺桿,可移動電極7與第一板3之間的距離可以藉由向螺紋軸12施加小扭矩來改變。有利地,滾珠螺桿11構造成可以藉由施加小於或等於0.5 N
m(甚至更有利地小於或等於0.3 N
m,特別是0.25N
m)的扭矩來調整電容器的電容。
如圖1所見,螺母13附接至滾珠螺桿11且具有第一肩部13a,第一肩部13a配置成抵靠限制元件14,其中限制元件14設置成限制第一板3與可移動板7之間的最大距離並以此限定電容器1的最小電容。重要的是要理解,限制元件14配置成使得當螺母13的第一肩部13a抵靠限制元件14時,達到第一板與可移動板之間的最大距離,因而達到電容器的電容最小。換句話說,最小電容不是像習知技藝的電容器由真空波紋管9的最大可壓縮性來限定,而是由面向可移動板的限制元件的端部與螺母的第一肩部之間的距離來限定。
在圖1的具體例中,限制元件14具有螺紋銷的形式,螺紋銷部分地旋入蓋子15中,其中蓋子15覆蓋機械驅動系統10,特別是覆蓋滾珠螺桿11。從圖1可以很容易地理解,螺紋銷14可以例如藉由螺絲起子從蓋子15外旋入及旋出。藉由將螺紋銷14旋入及旋出,可以精確地調整第一板3與可移動板7之間的最大距離,並且以此可精確地調整電容器1的最小電容。當然,亦可以藉由選擇不同長度的限制元件來調整電容器1的最小電容。
螺母13部分地配置在導引元件16中且呈現第二肩部13b,其中第二肩部13b配置成抵靠導引元件的邊緣16a,以便限制第一板3與可移動板7之間的最小距離,從而限定電容器的最大電容。
有利地,提供耦合元件17,以便使螺紋軸12附接至驅動馬達。
最後,應該指出的是,前面已經概述一個適當的非限制性具體例。熟悉該項技藝者將清楚,可以在不脫離其精神及範圍的情況下對所揭露的非限制性具體例進行修改。因此,所描述的非限制性具體例應該被認為僅僅是對一些更突出的特徵及應用的說明。可以藉由以不同方式應用非限制性具體例或以熟悉該項技藝者已知的方式修改它們來實現其它有益結果。
1:真空可變電容器
2:真空密封外殼
3:第一板
4:第二板
5:絕緣元件
6:固定電極
7:可移動板
8:可移動電極
9:真空波紋管
10:機械驅動系統
11:滾珠螺桿
12:螺紋軸
13:螺母
13a:第一肩部
13b:第二肩部
14:限制元件
15:蓋子
15a:螺紋
16:導引元件
16a:邊緣
17:耦合元件
圖1顯示依據本發明的一個具體例之真空可變電容器的示意剖面圖。
1:真空可變電容器
2:真空密封外殼
3:第一板
4:第二板
5:絕緣元件
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7:可移動板
8:可移動電極
9:真空波紋管
10:機械驅動系統
11:滾珠螺桿
12:螺紋軸
13:螺母
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15:蓋子
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Claims (11)
- 一種真空可變電容器,包括:一真空密封外殼(2),用以容納一真空電介質,其中該外殼(2)包括一第一板(3)及一第二板(4),該第一板(3)與該第二板(4)由一電絕緣元件(5)隔開; 一固定電極(6),在該外殼(2)內附接至該第一板(3);以及一可移動電極(8),附接至一可移動板(7),其中該可移動板(7)在該外殼(2)內藉由至少一個真空波紋管(9)附接至該第二板(4), 其中該真空電容器(1)包括一機械驅動系統(10),用於使該可移動板(7)相對於該第一板(3)移動,特別是平移,以便改變該真空電容器(1)的電容,其中,該機械驅動系統(10)包括一滾珠螺桿(11),配置成驅動該可移動板(7),並且其中,該機械驅動系統(10)在該真空密封外殼(2)的外部包括一限制元件(14),限制該第一板(3)與該可移動板(7)之間的最大距離,其特徵在於: 該驅動系統包括一螺母(13),附接至該滾珠螺桿(11),其中,該螺母(13)包括一第一肩部(13a),該第一肩部(13a)構造成抵靠該限制元件(14),以限制該第一板(3)與該可移動板(7)之間的最大距離。
- 如請求項1之真空電容器,其中,該第一板(3)與該可移動板(7)之間的最大距離可藉由該限制元件(14)來進行調整。
- 如請求項1或2之真空電容器,其中,該螺母(13)至少部分地配置在該外殼(2)的一導引元件(16)中,並且其中,該螺母(13)包括一第二肩部(13b),該第二肩部(13b)構造成抵靠該導引元件(16)的一邊緣(16a),以限制該第一板(3)與該可移動板(7)之間的最小距離。
- 如請求項1至3中任一項之真空電容器,進一步包括一蓋子(15),配置成覆蓋該滾珠螺桿(11)。
- 如請求項4之真空電容器,其中,該限制元件(14)至少部分地配置在該蓋子(15)內。
- 如請求項5之真空電容器,其中,該蓋子(15)包括一螺紋(15a),該限制元件(14)至少部分地旋入該螺紋(15a)中。
- 如請求項6之真空電容器,其中,該限制元件(14)係一螺紋銷。
- 如請求項4至7中任一項之真空電容器,其中,該第一板(3)與該可移動板(7)之間的最大距離可從該蓋子(15)外來進行調整。
- 如請求項6或8之真空電容器,其中,該第一板(3)與該可移動板(7)之間的最大距離可藉由將該限制元件(14)旋入及旋出該蓋子(15)來進行調整。
- 如請求項1至10中任一項之真空電容器,其中,該機械驅動系統(10)包括一耦合元件(17),用於使一驅動馬達附接至該滾珠螺桿(11)的一螺紋軸(12)。
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