空心结构磁场驱动真空可变电容及射频源匹配器的制作方法

1.本发明属于电子技术领域，特别是涉及一种空心结构磁场驱动真空可变电容以及带有该空心结构磁场驱动真空可变电容的射频源匹配器。


背景技术：

2.在目前的电子领域，真空电容器广泛应用在高功率射频的振荡电路和阻抗匹配，以及在半导体行业中等离子镀膜工艺，蚀刻及等离子清洁工艺，由于电容值可调，工作于高频大功率电磁场环境，对工艺要求较高，所以一般可变真空电容价格昂贵，是关键的半导体设备零部件，市场和技术被日本、瑞士厂商所垄断。
3.可调真空电容由定子盘、动子盘、电极环、瓷管、转动螺杆、导套、定位螺母、导体波纹管、转动螺杆、套筒、金属外壳、固定杆等部分组成，现有可变真空电容，通过在外壳绝缘体两侧加电桥来测试调节电容值大小，调节螺杆螺丝以带动可动电极的作动，使波纹管压缩或拉伸从而来改变可动电极与固定电极之间的相对面积，通过测试仪器电桥数值变化显示当前电容值，导体波纹管即是动电极电流通路，还能使动电极可动的同时密封真空。
4.目前市场上的可调真空电容器在使用过程中，有以下缺点：
5.1、转动螺杆磨损：由于改变电容容量，螺杆螺丝需要频繁转动，造成转动螺杆及定位螺母磨损严重，使得螺杆间隙增大，电容容值调整不准确，易出现螺纹滑丝而损坏。
6.2、波纹管弹性疲劳：波纹管作动时，持续做往复运动，易导致波纹管弹性疲劳，波纹管表面产生裂痕，使得真空环境遭到破坏，绝缘性能降低，电容极间易产生打火而损坏。
7.3、调节时间过长：在半导体制造时，需严格控制制作时间，特别是14nm以下先进制程上，需要毫秒级调节匹配速度，在调节电容电容值时，由于传统真空可变电容螺杆机械转动调节方式，动作慢，匹配时间过长，导致半导体芯片生产效率及良率底下，已经不能满足应用需求。


技术实现要素：

8.(一)解决的技术问题
9.针对现有技术的不足，本发明提供了空心结构磁场驱动真空可变电容及射频源匹配器，取消了转动螺杆和波纹管的使用，在性能、结构、功能等方面上都做出了突破，并且使得空可变电容具有高速度、高响应、匹配精准度高、增加了使用寿命、真空度密封性长期稳定、体积小的特点，解决了背景技术提出的问题。
10.(二)技术方案
11.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：空心结构磁场驱动真空可变电容，包括有底座，所述底座的顶端连接有绝缘外壳，且绝缘外壳的顶端安装有金属壳体，所述底座与金属壳体之间设置有中空绝缘管；
12.所述底座的顶端连接有固定电极，且固定电极的上方设置有可动电极，所述可动电极的顶部连接有动电极电流连接片；
13.所述可动电极的最内圈为永磁体，且可动电极与永磁体之间设置有屏蔽层；
14.所述可动电极在固定电极的上方通过驱动线圈驱动。
15.优选的，所述中空绝缘管的两端分别与底座、金属壳体相固定，且中空绝缘管的中轴线与金属壳体的中轴线相重合，并且中空绝缘管在可动电极的内部贯穿设置，所述中空绝缘管的内部设置有驱动线圈，且中空绝缘管的内壁设置有电场屏蔽材料层。
16.优选的，所述中空绝缘管在底座与金属壳体的中轴线处固定安装，且上底座、绝缘外壳与金属壳体在固定电极、可动电极的外部组成真空室。
17.优选的，所述固定电极与可动电极的作动范围为底座、绝缘外壳与金属壳体组成的真空室，固定电极的底端与底座之间为固定连接，且底座的中轴线与中空绝缘管的中轴线相重合。
18.优选的，所述动电极电流连接片的外侧壁与上底座、绝缘外壳、金属壳体组成的真空室内壁为贴合连接。
19.优选的，所述动电极电流连接片的底端与可动电极的顶端固定安装，且动电极电流连接片关于中空绝缘管的轴心环形等距设置有多组。
20.优选的，所述可动电极通过驱动线圈、永磁体与固定电极之间构成升降结构，且可动电极在固定电极的上方等距间隔均布。
21.优选的，所述绝缘外壳的外壁缠绕有驱动线圈。
22.一种射频源匹配器，包括空心结构磁场驱动真空可变电容的射频源匹配器。
23.(三)有益效果
24.与现有技术对比，本发明具备以下有益效果：
25.1、本发明中，通过给中空绝缘管内置驱动线圈通电，线圈在电流作用下产生磁场力，耦合于固定在真空电容内动电极上的永磁体，使可动电极做垂直于线圈电流方向的运动，来改变可动电极与固定电极之间的相对面积，从而来改变电容容量，相比较现有的可变真空电容，在性能、结构、功能等方面上都做出了突破，使真空电容具有高速度、高响应、匹配精准度高、增加了使用寿命、真空度密封性长期稳定、体积小的特点，另外在同一位置上，驱动线圈可以输出不同的力量，在任何位置上，驱动线圈也可以输出恒定的力量，相较于原结构的可变真空电容，此设计可变真空电容调节容值速度更快(50-500ms)、精确度更高及控制更加方便。
26.本发明中，通过在中空绝缘管内置驱动线圈，并在永磁体与屏蔽层，以及在中空管内壁设置电场屏蔽材料的作用下，避免了永磁体和驱动线圈的磁场对高频下电极的感应影响，也大大降低了相互间的磁场作用影响，并且合理利用中空绝缘管内部中空结构，在结构上对其进行了优化，增加了真空电容的结构利用率，进一步提高了匹配准确度，同时，由于内置驱动线圈，体积进一步缩小，可应用于更精密的小体积仪器中，使真空电容可以满足不同产品的需求，进一步实现了真空电容的创新与发展，从而推动了半导体芯片产业的生产效率及产品良率，具有广阔的发展前景。
附图说明
27.图1为本发明中空心结构磁场驱动真空可变电容的正视剖面结构示意图；
28.图2为本发明中空心结构磁场驱动真空可变电容的立体剖面结构示意图；
29.图3为本发明中屏蔽层与永磁体的连接结构示意图；
30.图4为本发明中空心结构磁场驱动真空可变电容的爆炸结构示意图；
31.图5为本发明中空心结构磁场驱动真空可变电容的外部结构示意图；
32.图6为现有的可改变电容容量的真空电容的正视剖面结构示意图；
33.图7为现有的可改变电容容量的真空电容的连接结构示意图；
34.图8为现有的可改变电容容量的真空电容的打开结构示意图；
35.图9为现有的可改变电容容量的真空电容的外部结构示意图；
36.图10为本发明中实施例三的剖面结构示意图；
37.图11为具体实施例1中射频源匹配器的结构拓扑图；
38.图12为图11中带有本具体实施例中空心结构磁场驱动真空可变电容的匹配模块的结构拓扑图。
39.图中：1、底座；2、绝缘外壳；3、金属壳体；4、中空绝缘管；5、动电极电流连接片；6、可动电极；7、固定电极；8、驱动线圈；9、屏蔽层；10、永磁体。
具体实施方式
40.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.请参阅图6-图9，现有的可改变电容容量的真空电容，包括有定子盘、动子盘、电极环、瓷管、转动螺杆、导套、定位螺母、导体波纹管、转动螺杆、套筒、金属外壳、固定杆组成，在外壳绝缘体两侧加电桥来测试调节电容值大小，调节螺杆螺丝以带动可动电极的作动，使波纹管压缩或拉伸从而来改变可动电极与固定电极之间的相对面积，通过测试仪器电桥数值变化显示当前电容值，导体波纹管即是动电极电流通路，还能使动电极可动的同时密封真空。
42.实施例一
43.请参阅图1-图5，空心结构磁场驱动真空可变电容，包括有底座1、绝缘外壳2、金属壳体3、中空绝缘管4、动电极电流连接片5、可动电极6、固定电极7、驱动线圈8、屏蔽层9和永磁体10，底座1的顶端连接有绝缘外壳2，且绝缘外壳2的顶端安装有金属壳体3，底座1与金属壳体3之间设置有中空绝缘管4，根据洛伦兹原理，驱动线圈8所通电流大小决定动电极运动距离；
44.底座1的顶端连接有固定电极7，且固定电极7的上方设置有可动电极6，可动电极6的顶部连接有动电极电流连接片5，动电极电流连接片5可以依据流过导杆电流的大小，修改叶片数量，并且动电极电流连接片5的作用为连接可动电极6与外壳，测量容值；
45.可动电极6的最内圈为永磁体10，且可动电极6与永磁体10之间设置有屏蔽层9，屏蔽层9分为电场材料屏蔽层9和磁场材料屏蔽层9，隔离屏蔽工作时电极产生的电场磁场与永磁体10，驱动线圈8之间的相互电磁感应，避免了不利影响。
46.请参阅图1-图2，中空绝缘管4的两端分别与底座1、金属壳体3相固定，且中空绝缘管4的中轴线与金属壳体3的中轴线相重合，并且中空绝缘管4在可动电极6的内部贯穿设
置，所述中空绝缘管4的内部设置有驱动线圈8，且中空绝缘管4的内壁设置有电场屏蔽材料层，通过对中空绝缘管4中空内部的利用，进一步提高了匹配准确度，并且由于内置驱动线圈8，体积进一步缩小，可应用于更精密的小体积仪器中。
47.请参阅图1-图5，中空绝缘管4在底座1与金属壳体3的中轴线处固定安装，且上底座1、绝缘外壳2与金属壳体3在固定电极7、可动电极6的外部组成真空室，通过给中空绝缘管4内置驱动线圈8通电，驱动线圈8在电流作用下产生磁场力，耦合于固定在真空电容内可动电极6上的永磁体10，使可动电极6做垂直于驱动线圈8电流方向的运动，来改变可动电极6与固定电极7之间的相对面积，从而来改变电容容量。
48.请参阅图1-图2，固定电极7与可动电极6的作动范围为底座1、绝缘外壳2与金属壳体3组成的真空室，固定电极7的底端与底座1之间为固定连接，且底座1的中轴线与中空绝缘管4的中轴线相重合，固定电极7和外壳连接在一起，可动电极6的内圈为永磁体10，中空绝缘管4穿透可动电极6。
49.请参阅图1-图4，动电极电流连接片5的外侧壁与上底座1、绝缘外壳2、金属壳体3组成的真空室内壁为贴合连接，中空绝缘管4的内壁设置有电场屏蔽材料层，中空绝缘管4内壁设置了电场屏蔽材料层，根据屏蔽腔内电场为零的理论，中空绝缘管4内驱动线圈8受到电容电极高频电磁场的感应影响，同时，也避免了永磁体10和驱动线圈8的磁场对高频下电极的感应影响，大大降低了相互间的磁场作用影响。
50.请参阅图1-图4，动电极电流连接片5的底端与可动电极6的顶端固定安装，且动电极电流连接片5关于中空绝缘管4的轴心环形等距设置有三组，通过在中空绝缘管4内置驱动线圈8合理利用中空绝缘管内部中空结构，在结构上对其进行了优化，增加了真空电容的结构利用率。
51.请参阅图1-图3，可动电极6通过驱动线圈8、永磁体10与固定电极7之间构成升降结构，且可动电极6在固定电极7的上方等距间隔均布，在同一位置上，驱动线圈8可以输出不同的力量，在任何位置上，驱动线圈8也可以输出恒定的力量。
52.如图11-12所示，一种射频源匹配器，包括空心结构磁场驱动真空可变电容的射频源匹配器；射频源匹配器用于等离子体腔体的阻抗匹配为便于射频源输出最大功率的阻抗，减小输入信号的反射损耗，射频源匹配器作为泛半导体领域等离子体的关键部件设备，为了使射频源功率得到最大传输，采用射频源匹配器来匹配负载腔体的阻抗。
53.射频源：ae paramount hfi匹配器：ae navigator
54.工作原理：使用时，当外部提供电压给驱动线圈8时，在电流的作用下驱动线圈8产生驱动力磁场，内部永磁体10同时也产生一个大小和方向不变的感应电动势，因驱动线圈8电流大小不一样，因永磁体10产生的感应电动势不一样，在两个磁场的相互作用下，可动电极6做垂直于驱动线圈8电流方向的作动，动电极电流连接片5连接可动电极6作动，两个电极之间相对面积的改变，从而改变真空电容容量；
55.永磁体10产生的磁场与驱动线圈8产生的磁场具有相同的极性，通电的驱动线圈8在磁场中会产生力，若永磁体10和驱动线圈8磁场一致，力的大小与驱动线圈8电流成正比，f＝bil，其中，l：驱动线圈8形状、长度有关，b为磁场不变，电流越大，力越大；永磁体10产生的磁通量ψ＝b
·
scosθ，其中，θ为b与s的夹角，磁场不变，面积s＝πr2不变，θ为0，故永磁体10的磁通量不变；
56.当驱动线圈8通电，驱动线圈8产生的动生电动势e＝blv，其中，l：驱动线圈8形状、长短有关，b为磁场不变，v为速度，驱动线圈8产生的动生电动势与l和v成正比关系，而永磁体10产生的感应电动势与驱动线圈8产生的动生电动势大小和方向不变，即可动电极6的作动方向只与驱动线圈8电流和长度有关；
57.可动电极6的作动方向，改变两个电容极性间的高度h，从而改变电容容量c，两极性高度h越高，电容容量c越大，电容容量c与高度h成正比。
58.实施例二
59.为对比本实施例与现有可改变电容容量的真空电容的参数差异，将现有的电容型号为scv-510m与本实施例中空心结构磁场驱动的真空可变电容进行对比：
60.电容型号为scv-510m的真空电容的外部尺寸设置为长140毫米
×
直径73毫米，且重量为w＝1.3千克，两电容极性高度h为0-35毫米,转轴总共可以转动12圈，转轴转动一圈，动电极做动3毫米，35毫米-1000皮法，即1毫米—28.6皮法，12圈-1000皮法，则1圈-83.4皮法，即转动一圈，动电极作动3毫米，电容容量改变82.94皮法；
61.本实施例中，可变真空电容的外部尺寸为长130mm
×
直径73mm，且质量m＝1.2千克，当驱动线圈8产生的作用力和永磁体10产生的作用大小相等，方向相反，时间t＝1秒，驱动线圈8的长度l＝1米，电容质量m＝1.2千克，电容直径d＝73毫米，安培力f＝bil、电动势e＝blv＝δφ/dt，得出速度v＝δφ/fli，v＝h/t，得出两电容极性高度h＝δφ/flti，即电流i越大，两电容极性高度h越高，电容容量c越大，即电流i＝1毫安，得出两电容极性高度h＝1毫米，得出电容容量c＝28.6皮法。
62.通过一下步骤对真空电容进行测试：
63.步骤一：用电桥测试电容的容值；
64.步骤二：使用耐压测试仪给可变真空电容两端通交流高电压，确认可变真空电容在测试电压范围内是否正常。
65.通过以上数据可以得出：本发明的可变真空电容，外部尺寸为长130mm
×
直径73mm，且质量m＝1.2千克，相比较现有的真空电容体积变小，其他参数不变的情况下，在调节电容容量时，调节速度快，精确度高，并且本发明的真空电容在结构上进行了改善，优化了原设计结构方面的损耗及匹配速度慢等问题，实现了本发明的真空电容具有高响应、高速度、体积小、便于控制、匹配精度高的特点，极大程度的优化了结构及匹配速度上的缺点，使真空电容可以满足不同产品的需求，进一步实现了真空电容的创新与发展，从而推动了半导体芯片产业的生产效率及产品良率，具有广阔的发展前景。
66.实施例三
67.请参阅图10，本实施例与实施例1的区别在于：空心结构磁场驱动真空可变电容的绝缘外壳2的外壁缠绕有驱动线圈8；
68.本实施例的专利公开号为cn215955107u；
69.本实施例相对于实施例1的缺点在于：实施例1由于内置驱动线圈，体积进一步缩小，可应用于更精密的小体积仪器中，使真空电容可以满足不同产品的需求，进一步实现了真空电容的创新与发展，从而推动了半导体芯片产业的生产效率及产品良率，具有广阔的发展前景。
70.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以
理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。