真空电容器的制作方法

1.本发明涉及真空电容器领域。更具体地，本发明涉及包括保护装置的真空电容器，该保护装置防止了真空电容器的壳体的突出与附近的部件之间的放电。此外，该保护装置被布置成使得电容器的真空壳体被保护以抵抗机械冲击，从而防止该壳体在运输过程中或在随后的恶劣运行环境中变形或损坏。


背景技术：

2.真空电容器在现有技术中是已知的，并且该真空电容器被用于需要高频率和高功率的应用中。例如，常见的应用包括：在高功率射频传输中使用的振荡电路，以及在半导体、太阳能板和平板显示器的制造中使用的高频供电。
3.电容器包括两个或更多个被介电介质分隔的传导表面(参见图1)，该传导表面通常被称为电极。在真空电容器的情况下，该介电介质为真空。真空电容器通常需要高真空(低于10
‑6torr)或超高真空(低于10
‑9torr)。所述真空被维持在气密的外壳内，该外壳在本应用中也被称为壳体。典型的外壳可以包括往往是陶瓷圆柱体的绝缘元件，该绝缘元件与金属轴环紧密地连接以保证不透气的密封，使得电容器在工作寿命中能够在壳体内部保持高真空。电容产生表面(即电容器的电极)，在壳体内部彼此相对地布置，并且得益于真空介电质的良好特性，允许真空电容器在高电压下(典型地在千伏范围或几十千伏范围内)使用，并且占用相对适中的体积。为此，电极表面可以被布置成交替的同心圆柱体或交织的螺旋体，从而充分利用真空壳体内的可用空间，但是该电极表面本质上也能够具有其他形状。电容器内部的每个电极(或更准确地每组电容产生表面)均与外壳的一个金属轴环电接触，并且通过介电真空介质和电容器壳体的绝缘元件与另一个电极和另一个轴环绝缘。只要导电率适当，上文描述的轴环也可以包括合金或其他材料。所述轴环提供了连接的可能性，以便将真空电容器与高功率递送系统的其他电路元件集成。通常，几个真空电容器(连同一个或多个线圈)被集成在阻抗匹配箱中。
4.真空电容器分为两个主要类别：具有固定电容的真空电容器，其中电极之间的几何关系保持不变；以及可变电容器，其中一个或两个电极的形状、定向和/或间隔可以改变，进而改变设备的电容。例如，可以使用波纹管布置，或使用磁铁和线圈，或使用允许其中一个电极相对于另一个电极运动的其他布置。
5.如上文所述，真空电容器通常用于半导体行业的应用中，诸如等离子涂层工艺和蚀刻工艺，特别是那些使用27.12mhz、13.56mhz、6.78mhz电力或使用其他射频电源的工艺。真空电容器非常普遍地被用作调谐元件，并且被集成在阻抗匹配箱或其他装备的内部，保证了从射频发生器(具有50欧姆的输出阻抗)到具有动态负载(即变化的阻抗)的等离子处理腔室的最优传输功率。期望的是能够以越来越高的功率来使用这些阻抗匹配箱，导致更高的工作电压。由于必须在不增加电容器尺寸或放置有电容器的装备的尺寸的情况下实现更高的功率，因此必须提高功率密度。由于更加频繁地发生低于6.78mhz且甚至低于4mhz的频率的功率递送，上述这种趋势被进一步加剧，即便当将真空电容器用于相同额定功率的
功率应用时，由于真空电容器在这些频率下的阻抗更高，导致真空电容器中的更高的电压。
6.介于提高功率密度的必要性，因此原始的方式是构建电容器，使得在电容器和电容器周围的元件之间的电弧放电或任何其他形式的不想要的电流流动的可能性最小化。电弧放电(也被称为不受控制放电、电晕放电或介电击穿)出现在当电容器和另一个导电部件之间的电场的任何一点超过一定的击穿值时。这个击穿值取决于多个参数的组合，所述参数包括：施加的电压差、电容器内部的真空深度、电容器和部件之间(在它们最接近彼此的点处)的间隙距离、真空电容器周围的空气成分(例如湿度含量)以及电容器的物理和电气特性。
7.真空电容器的场强是指在不发生这种不受控制放电的情况下能够达到的最大准许电场。所述场强最终限制了给定电极间隔的电容器的工作电压。在设备中实现尽可能高的场强是有利的，因为场强的提高允许具有特定几何形状的真空电容器用于高功率应用。替代地，对于给定的应用电压来说，可以使高场强真空电容器的几何形状(尺寸)小于具有较低场强的电容器的几何形状。
8.直到最近，真空电容器场强的限制因素通常是由该电容器的电极之间的真空击穿给定的。如今，这个问题已被大幅地减小，并且所述限制因素往往是电容器和该电容器周围的部件之间的击穿。当功率密度必须被提高并且阻抗匹配箱或其他功率递送装备必须保持相同的物理尺寸时，这特别成问题。
9.由于真空电容器的制造过程涉及将绝缘元件(诸如陶瓷圆柱体)与壳体的传导元件(称为轴环)紧密地连接，壳体的绝缘元件在径向方向上比轴环延伸得更远，因此在轴环和绝缘(陶瓷)元件之间的过渡处形成有阶梯。由于陶瓷和轴环通常被钎焊在一起，因此当在钎焊期间达到液相线温度时，钎焊填充材料能够流动，并且上文所述的阶梯最终被导电材料涂覆。这是成问题的，因为这些阶梯的突出会因此产生非常高的电场。这种效应被称为场增强；该突出越尖锐，在这些突出处的电场就越强，并且电晕放电的风险就越高。因此，在真空电容器和附近的部件之间的不想要的放电能够发生在这些突出边缘和这些部件之间。
10.为了规避这个问题，提出了在突出的上方或靠近突出放置所谓电晕环。这些环的作用是“屏蔽”该突出并且减少电晕放电的风险。本领域中已知的真空电容器的电晕环是块状金属环或是成形为环的金属片。本领域中已知的这些块状或成形的金属电晕环是沉重的、制造昂贵的并且最重要的是不灵活的，这导致了当将它们安装在真空电容器壳体的边缘上时会出现问题。在专利申请us 2 511 338 a中表述了这种真空电容器的一个实施例，该实施例公开了一种在电容器的外部具有电晕保护装置的真空电容器。这些真空电容器以及其他现有技术的真空电容器的电晕装置完全是金属的，所述电晕装置除了保护电容器免受由于电晕放电过程造成的损坏外，不允许保护电容器免受机械损坏。
11.专利申请us 3 270 259 a涉及了在真空电容器的真空壳体的内部防止电晕放电的问题。被布置在这种壳体内部的保护装置不能防止因与真空外的物体的机械冲击而引起的损坏，而且该保护装置必须由真空兼容材料制成。
12.中国专利申请cn105185587a涉及一种dc阻断电容器，其中两个板状电极被具有弧形边缘的聚四氟乙烯圆柱壁分隔，以便防止电晕放电。虽然圆柱壁的形式能够防止电晕放电，但其不能防止机械损坏。
13.俄罗斯专利申请su 1 667 166 a1涉及一种真空电容器，该真空电容器包括在真
空壳体和电极之间的附接装置。然而，这些装置具备的曲率半径小于真空壳体突出边缘的曲率半径，结果是如果这些装置是导电的，则它们将有利于电晕放电过程的形成，而不是防止该电晕放电过程。
14.因此，本发明的目标是提出一种新型真空电容器，该真空电容器大幅地降低了电晕放电的风险，同时为所述真空电容器的壳体提供机械保护。


技术实现要素：

15.因此，本发明的部分内容是提出一种新型真空电容器，通过该真空电容器可以完全克服或至少大幅地减小上文描述的已知系统的缺点。
16.特别地，本发明的一个要素是提出一种真空电容器，该真空电容器包括保护装置，该保护装置可以在降低电容器和放置在附近的部件之间产生电晕放电的风险的同时，降低该电容器的真空壳体受机械损坏的风险。
17.根据本发明，所述部分内容是特别是通过独立权利要求的要素实现的。此外，从从属权利要求和说明书中得出进一步的有利实施方案。
18.特别地，本发明的目的是通过一种真空电容器得以实现的，所述真空电容器包括：用于容纳真空介电介质的壳体、被所述真空介电介质分隔的第一电极和第二电极，所述壳体包括与所述第一电极电接触的第一传导轴环和与所述第二电极电接触的第二传导轴环，所述第一传导轴环和第二传导轴环被所述壳体的绝缘元件分隔，其中所述壳体显示出至少一个突出边缘，所述突出边缘与最接近的第一传导轴环或第二传导轴环电接触，其中所述真空电容器包括至少一个保护装置，所述至少一个保护装置在真空壳体的外部覆盖所述突出边缘，其中所述保护装置至少部分地由弹性体制成，其中所述保护装置的至少外表面是导电的，并且与最接近所述突出边缘的传导轴环处于相同的电势，其中所述保护装置的外表面具有的曲率半径大于所述突出边缘的曲率半径。
19.得益于这种真空电容器，特别是得益于该保护装置，在突出边缘处的电场能够被减少。通过根据所述真空电容器使用的情况来选择所述保护装置的确切形状和尺寸，可以减小或甚至消除在所述真空电容器和附近部件之间的电晕放电的风险。此外，得益于所述保护装置的可变形性，所述保护装置为所述真空电容器提供机械保护，抵抗机械冲击。该可变形性还允许所述保护装置能够更好地适配在所述真空电容器的边缘上。这种保护装置也是有帮助的，因为所述保护装置能够适应所述壳体的绝缘元件的形状的不规则性。这在所述绝缘元件是烧结陶瓷元件的情况下特别有利，因为烧结陶瓷难以以精确的尺寸公差来制造。此外，提供可从其应覆盖和保护的突出边缘拆卸并且可重新连接至其应覆盖和保护的所述突出边缘的所述保护装置是有利的。可以随后选择对于所述电容器的特定应用来说具有最佳可能尺寸的保护装置，并且将所述保护装置安装在所要保护的突出边缘上。合适的弹性体实施例为聚四氟乙烯弹性体、有机硅弹性体、或乙烯
‑
丙烯
‑
二烯
‑
单体。
20.在本发明的第一优选实施方案中，所述保护装置的外表面的曲率半径为至少1mm大，有利地至少2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm或10mm。这确保了电场强度低于阈值，所述阈值对应于电晕放电风险高时的值。
21.在本发明的还一个优选实施方案中，所述真空电容器包括两个突出边缘，每个突出边缘均被保护装置覆盖。借此，就可以提供具有常见形状的真空电容器，同时每个突出边
缘均被保护装置覆盖。
22.在本发明的另一个优选实施方案中，所述突出边缘基本上是圆形，并且所述保护装置呈环形形式。这允许提供其外壳基本上呈圆柱体形式的真空电容器。对于高频信号(包括高频功率信号)传输来说，圆柱体对称性通常是优选的。
23.在本发明的又另一个优选实施方案中，所述保护装置具有圆形或椭圆形的横截面。借此，就能够保证所述保护装置的横截面呈允许有效地降低电晕放电的风险的形式。
24.在本发明的又另一个优选实施方案中，所述保护装置具有基本上半圆锥形的横截面，其中锥的顶端朝着最接近的传导轴环定向，并且基底朝着所述壳体的绝缘元件定向。借助这种形状，所述保护装置通过沿着金属轴环的延伸的接触表面能够容易地适配在所述真空电容器上。
25.在本发明的还一个优选实施方案中，所述保护装置包括用于容纳所述保护装置覆盖的突出边缘的凹槽。借此，所述突出边缘能够被容纳在保护装置内部。这尤其允许获得节省空间的真空电容器。此外，通过提供凹槽，可以有效地覆盖突出边缘。
26.在本发明的另一个优选实施方案中，所述保护装置的外表面和所述壳体的绝缘元件的外表面接触并且形成小于或等于90
°
的角度。借此，在所述保护装置与所述外壳的绝缘元件接触的位置处，产生的电场小于产生电晕放电的阈值。
27.在本发明的又另一个优选方案中，所述保护装置至少部分地由不易燃材料制成，所述不易燃材料基于2013年的ul94标准中的v1或v0分类中的一个分类。这保证了在未必会发生电晕放电的情况下，在所述保护装置上不会产生和维持火焰。
28.在本发明的还一个优选实施方案中，所述保护装置由涂覆有导电材料的绝缘材料制成。这允许以简单的方式来提供有效的保护装置。
29.在本发明的还一个优选实施方案中，所述保护装置涂覆有铝或银。这允许保证所述保护装置的外表面是传导的。
30.在本发明的又另一个优选实施方案中，所述保护装置是由能够在室温和150℃之间反复地循环而不老化的材料制成。这样做的优点是，允许真空电容器有长的使用寿命，因为在高功率运行期间，所述真空电容器能够被加热至大约125℃
‑
145℃。
31.在本发明的又另一个优选实施方案中，所述保护装置至少部分地由化合物制成，该化合物结合了弹性体基体(诸如聚四氟乙烯弹性体、有机硅弹性体或乙烯
‑
丙烯
‑
二烯
‑
单体(epdm))，以及传导基体填料(诸如包括镍和/或石墨颗粒的粉末)。这样做的优点是，即便电容器在氧化环境中运行，仍能够确保长的寿命性能。与涂覆的保护装置相比，这种保护装置的额外优点是，在热力循环中没有涂层脱层的风险。
32.在本发明的另一个优选实施方案中，所述保护装置借助于粘合剂附接至所述外壳。借此，就能够保证所述保护装置不会从所述真空电容器脱落。
33.在本发明的又另一个优选实施方案中，所述粘合剂是导电的。这允许以简单并且有效的方式将所述保护装置的外表面与最接近的轴环电接触。
34.在本发明的还一个优选实施方案中，所述电容器是可变式真空电容器或固定式真空电容器。可变式电容器的优点是能够通过调节所述电极之间的距离或通过调整电极表面在真空介电介质内部的重合程度来调节所述可变式电容器的电容。
附图说明
35.图1是现有技术中已知的真空电容器的截面图；
36.图2是根据本发明的真空电容器的第一优选实施方案的截面图；
37.图2a是根据本发明的第一优选实施方案的真空电容器的保护装置的详细截面图；
38.图3是根据本发明的真空电容器的第二优选实施方案的截面图；以及
39.图3a是根据本发明的第二优选实施方案的真空电容器的保护装置的详细截面图。
具体实施方式
40.图1示出了现有技术水平的真空电容器20的截面图。这种真空电容器包括：用于容纳真空介电介质16的壳体9；壳体包括第一传导轴环2和第二传导轴环3(在此呈金属轴环的形式)，第一传导轴环和第二传导轴环被壳体9的绝缘元件4分隔。通常，绝缘元件4由形状为圆柱体的陶瓷材料制成。由于制造工艺，并且特别是由于与连接(例如，通过将绝缘元件4钎焊至金属轴环2、3)相关的要求，绝缘元件4在径向方向上比轴环延伸得更远。因此，绝缘元件4显示出至少一个突出边缘6，在图1的情况下显示出两个突出边缘6。如上所述，绝缘元件4必须与轴环2、3结合，使得绝缘元件4垂直于轴环的表面最终被导电的钎焊材料覆盖。介于这个钎焊材料以及轴环2、3和突出边缘6之间形成的电连接6a，当使用该真空电容器时，在突出边缘6处产生了非常高的电场。由于在真空电容器和突出边缘6附近的部件之间能够发生电晕放电，这种非常高的电场是真空电容器高压应用的故障来源之一。图1还示出了电容产生表面，即位于真空介电质16的内部并且分别与传导轴环2和传导轴环3电接触的电极12、13。如图1所示，该真空电容器可以是带有可调节电极12的可变式真空电容器，该可调节电极通过使用移动机构14以及可延伸的波纹管15来调节。
41.图2说明了根据本发明的真空电容器1的第一优选实施方案的截面图。与现有技术中已知的真空电容器20类似，真空电容器1包括壳体9，该壳体包括被壳体9的绝缘元件4分隔的第一传导轴环2、第二传导轴环3。为了规避上文所述的在突出边缘6处产生高电场的问题，真空电容器1包括覆盖边缘6的保护装置7。有利地，每个保护装置7均设置有凹槽7a，以便容纳保护装置覆盖的突出边缘(参见图2a)。此外，保护装置7有利地呈环形形式。这是有帮助的，因为常见的真空电容器的突出边缘的形状为圆形。例如，保护装置7(例如，呈环形形式)的横截面可以是圆形或椭圆形。技术人员将很容易地理解的是，取决于边缘的形状以及真空电容器1的配置，特别是取决于轴环2、3以及壳体9的绝缘元件4的配置，保护装置7的横截面可以具有其他的形状。重要的是，至少保护装置的外表面7b是导电的，并且该保护装置与最接近的第一轴环2或第二轴环3接触。为了实现减少电场的目的，保护装置7的外表面7b的曲率半径必须大于保护装置所覆盖的突出边缘所限定的曲率半径。然而，重要的不仅是使外表面7b的曲率半径在宏观尺度上大于突出边缘6的曲率半径，还是使保护装置的外表面足够光滑，使该保护装置的外表面不会显示出具有小于突出边缘的曲率半径的微观突出。呈微观突出形式的表面不规则性，或存在于表面上的颗粒或颗粒团块(clump)，促进了电压击穿的发动，因为该突出或团块提供了使电子更容易被场发射弹出的位置，和/或提供了能够使吸附颗粒的电离以及随后的加速启动的位置。这两种效应均能够导致电荷“雪崩”，以不受控制的方式穿过在真空电容器和附近部件之间的介质。
42.图3说明了根据本发明的真空电容器30的第二优选实施方案的截面图。真空电容
器30包括覆盖边缘6的保护装置37，所述保护装置37显示出与保护装置7略有不同的形式，且所述真空电容器30在其他方面与真空电容器1完全相同。在这个实施方案中，保护装置37沿轴环2表面的延伸形状有利地允许更容易地固定保护装置37，因为所述延伸形状提供了更大的面积，例如用于使用金属胶水，以便使保护装置保持就位。如图3a所示，在这个实施方案中保护装置的横截面基本上为半圆锥形，其中锥的顶端37d朝着最接近的金属轴环定向，并且基底37c朝着壳体的绝缘元件定向。能够看出，半圆锥表面37b的基底37c不是完美的平面而是设置有曲率角，从而额外地抵抗沿壳体的绝缘元件表面朝向相对的金属轴环3发生的场击穿。
43.根据本发明，保护装置7、37至少部分地由可弹性变形的材料制成，有利地由弹性体制成。这允许保护壳体4抵抗机械冲击。当壳体9的绝缘元件4由相对脆的陶瓷材料制成时，这是特别有益的。因此，保护装置7、37具有两个作用；第一个作用是减少电场强度，从而使真空电容器1和置于附近的部件之间发生的电晕放电的风险最小化，而第二个作用是保护真空电容器1，特别是保护外壳9抵抗机械冲击。需要注意的是，保护装置7、37的可变形性不仅有助于提供机械保护，该可变形性还提供了保护装置7、37在边缘6上的简单装配。由于绝缘元件4的制造工艺通常是通过烧结或其他涉及重大温度变动的工艺来完成的，该绝缘元件的尺寸不能被精确地重现。因此，由弹性体制成的保护装置的优点是使该保护装置能够适应绝缘元件4的形状的这些不规则性。此外，保护装置7、37的弹性体的可变形性和弹性也能够具有以下优点：使保护装置7、37能够自行保持在绝缘元件4上。保护装置可以替代地或额外地(例如通过使用粘合剂，有利地通过使用导电粘合剂)附接至绝缘元件4或壳体9的其他元件上。该导电粘合剂使电极和保护装置7的外表面7b之间以及使电极和保护装置37的外表面37b之间能够实现简单的电连接。
44.最后，应指出的是，前述内容已概述了两个相关的非限制性实施方案。对于本领域的技术人员来说清楚的是，在不背离所公开的非限制性实施方案的精神和范围的情况下，可以对所公开的非限制性实施方案进行修改。因此，所描述的非限制性实施例应被认为是仅说明了一些较显著的特征和应用。通过以不同的方式应用非限制性实施方案或以对熟悉本领域的人来说已知的方式修改该非限制性实施方案，可以实现其他有益的结果。应着重注意的是，不可能在此描述所有的实施方案，特别是描述所有会导致电场强度减小的保护装置的形状。然而，本领域的技术人员将知道如何使保护装置的形状适应于真空电容器的形状且适应于电容器所使用的确切情况。例如，在电容器和最接近的部件之间的空间在一个方向上特别受限的情况下，保护装置具有指向另一个方向的细长形状是有利的。这确保了在该保护装置的外表面和这个最接近的部件之间的电场低于临界值。还应着重注意的是，覆盖真空电容器的不同边缘的保护装置可以有不同的形状。最后，即使优选实施方案中提出的真空电容器均为可变式真空电容器，本发明还涉及具有覆盖壳体的突出边缘的保护装置的固定式真空电容器。