真空可变电容器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及真空可变电容器。
【背景技术】
[0002]真空可变电容器是有用的，例如在阻抗匹配网络，其中时间相关高频负载的阻抗可以与发电机配合，通过调节一个或多个真空可变电容器。这种电容器的电容是可调节控制的，通过移动一个电极或一组电极，相互对于另一个，以及使用真空作为电介质以允许它们在高功率应用，例如操作在一个电压高达千伏(kV)范围内甚至几十千伏范围内的电压，并且传递高达几百安培的电流，以及低至200千赫兹(kHz)或高达200万赫兹(MHz)的频率。这种电容器可以用作调谐元件在高功率阻抗匹配网络，并且经常被用于在高功率射频(rad1 frequency，RF)应用，其需要快速的，可控的，可靠的电容调节在一个大范围上(通常约为1: 50或更多)并且具有高分辨率(通常大于10000设定值的范围)和许多年的工作寿命。
[0003]真空电容器通常包括栗送和密封罩(封闭罩或外壳)，所述密封罩通常包括两个金属套环，由圆柱形的(管状的)陶瓷(或其它电绝缘)块连接在真空密闭的方式以对上述套环相互彼此电绝缘。在所述密封罩内部并且可导电地连接到每个金属套环的是电极，其功能(连同电介质)旨在生成电容量。通常一个电极被机械地固定到一个套环，而另一个电极是可被移动地，通过一种驱动系统，包括轴和螺杆/螺母系统。螺杆/螺母导引系统的轴向移动在真空外被传送到在真空内的所述可移动电极的轴向运动，通常通过一个可膨胀地接头，下文统称为波纹管，尽管也可以使用其它的可膨胀接头。真空电介质也因此被称作为电容器。真空压力通常更好(低)于10 4毫巴(mbar)。使用真空作为电容器介质具有稳定的介电值(尤其是没有温度及没有频率依赖性)，并允许所述电容器在高电压和高电流的情况下稳定操作，其介电损耗是非常低的。例如，专利US2010202094 (A1)描述了一种真空可变电容器。某些特定应用的真空电容器包括广播(例如，在振荡电路的高功率发射机)或等离子控制方法在半导体，太阳能和平板的制造，例如在工业等离子增强化学气相沉积(PECVD)的工艺。在这些应用中，调整所述真空可变电容器的电容可允许改变(和匹配)在于高功率射频负载(RF loads)(例如在PECVD过程中产生的)和高功率射频(RF)发生器的固定阻抗之间的阻抗，通过业界标准固定于Generator= (50+0j)Ohm.
[0004]真空电容器是主要可调单元在于高功率射频(RF)功率传送及随时间变化负载。尽管体积相对较大，真空可变电容器相比其它的调谐机构对诸如电感调谐，或其它形式的电容调谐(非机械技术或非真空技术)提供几个优点。确实，真空可变电容器允许近乎连续地调谐，并且具有优异的分辨率(电容范围可以轻易地划分成10000设定值以上，当典型的步进电机的微步特性在使用时)在很大的电容范围，并且具有很高的电压能力，这归功于真空介质。而且，由于介电损耗极低，真空电容器允许大电流，并且不会产生大量热，因此其基本上是最优选的高功率应用。调整电容值可通过机械地移动一个电极与其它电极，从而可修改所述两个电极表面之间的距离，或改变电极表面重叠(后者是最常见的)，这两者都会造成电容值的改变。
[0005]典型的真空可变电容器百万赫兹(MHz)应用被设计为提供电容值在pF范围内(有时延伸到低至nF范围)，然而单个单元将覆盖电容范围约为1:50或更高；换言之，如果所述最小设定Cmin例如是10pF，则最大的Cmax = 500pF —般可以设置在同一单元使用。所花费的时间用于移动所述可移动电极在于Cmin和Cmax之间一般为I秒，或在现有技术中的电容器是更长时间的。较小的调节则需要成比例的更短时间。最近，在连续等离子过程，用于芯片制造或其他半导体制备方法的调节时间已经大大地减少许多，这使得真空可变电容器有时在阻抗匹配是瓶颈的，以及在整个过程使用射频功率时。尽管发展是朝向更快的控制软件，但是存在的物理限制在于使用特定的电机的可移动机械部件(可移动电极)的速度。一个限制速度的因素是在于对付显著力在真空密封罩内部和外部之间的压力差(I巴)。
[0006]现有技术的真空可变电容器的速度因此是有限的，主要是因电机的功率以及压力-速度限制(所谓的PV值)，其用于移动所述可移动电容器的电极的所述驱动系统的螺杆和螺母。高PV值导致高接触压力在于驱动系统的螺母和螺杆螺纹之间，造就负面影响所述螺杆/螺母系统的磨损，并且导致早期故障(或者需要定期更换螺杆/螺母系统)。
[0007]现有技术的电容也受到显著的膜应力和弯曲应力在波纹管上。这些应力越大，压缩/扩展循环(生命周期)的次数就越小，所述波纹管也就能够承受直到出现故障。
[0008]不管用于驱动系统的电机类型，一种高转矩必然需要用来克服现有技术的真空可变电容器的正压差，如下面所解释的。
[0009]步进电机(或步进马达)通常用于驱动真空可变电容器，因为它们的定位精确度(分辨率)，高刚度(步进电机产生最大保持扭矩在静止时并且一般不需要任何制动器)，并且因为它们对于大多数应用具有令人满意的速度。通常步进电机可在操作在600转/分(RPM)或1200转/分来驱动大部分普通的真空可变电容器，并且仍然提供足够的转矩来克服真空力。然而，不幸的是，步进电机的一种特点是速度的增加会引起可用扭矩的减少，在非常高的速度下，将导致步进损失和不准确性。其它电机(例如伺服电机或直线电机)也有在高速下减小的扭矩。获得较高的扭矩和速度的组合只能通过显著增加尺寸和电动机的成本来达至。可是这对于组件集成到原始设备制造商(OEM)阻抗匹配网络是可接受的选项。
[0010]本发明的目的在于克服上述和其它于现有技术的真空可变电容器的缺点。特别是，本发明的目的是提供一种改进的真空可变电容器，其是可提高调整速度的，但优选地是不增加电机的尺寸，不增加所述装置的尺寸，和/或不减小所述装置的调节分辨率。
[0011]其它优点包括增加了装置的使用寿命(特别是增加电容调节循环的次数)，而不损失最大运作电压/功率，设置的小巧性，或者调整分辨率。
【发明内容】
[0012]上述目的是通过真空可变电容器，其可调于最小电容值和最大电容值之间，包括:
[0013]第一真空罩，包含由真空介电所隔离的电容器电极，所述第一真空罩的壁包括第一可变形的区域(也称为波纹管)，用于传递在设置在该第一真空罩外的驱动装置和设置在该第一真空罩内的可移动的电容器电极之间的机械运动；以及第二真空罩，以下称为预真空罩，包含预定压力的气体，其低于大气压，所述预真空罩被布置成使得所述第一波纹管从在所述第一真空罩的真空介电中隔离所述在预真空罩内的气体。
[0014]所述预真空罩(也称为第二真空罩)包含低于大气压的气体，从而用于减小波纹管上的压力差。这种压力差的减小进而减小了马达(电机)转矩量，其所需于运动波纹管和/或增加调整速度，这可以利用给定的电机来达至。
[0015]本发明的变体是根据所述从属权利要求。
[0016]预真空罩的存在意味着电机需要较少的扭矩，以驱动所述螺母及压缩或扩展所述波纹管，并运动所述可移动电极在第一(也称为主要)真空罩。这允许更快的速度使用相同尺寸和功率的电机。值得注意的是，所需要的扭矩的减小不仅仅是由于在波纹管的真空力的减小。所述真空力产生轴向力在于螺母和轴的螺纹之间。该轴向力导致显著的摩擦在螺母和螺杆之间。压力差的减少，因此在真空力，导致显著减少在旋转摩擦的次数在于螺母和螺纹之间。这减小了的旋转摩擦也导致了显著减少转矩次数，其是电机所需用于驱动轴的。
[0017]第二真空封闭罩并不需要如第一真空般进行栗吸。实际上，第一真空压力必须是大大小于大气压的压力，以便适当地操作作为电介质，而在预真空封闭罩内的压力可以仅仅是一个数量级小于大气压力，例如，已足以减小轴向力作用在驱动系统上(螺杆/螺母等)通过大约10的因数。由于在驱动系统上减小的作用力，所需的电机的扭距明显地减小，因此允许更高的速度。
[0018]而且，该设置可增加所述波纹管的使用寿命，其将两个容积隔离在降低的压力差，因此将受到较少的膜应力和更小的弯曲应力在受到压缩/扩展后。所述减小的真空力也会降低螺杆-螺母-驱动系统的磨损，从而导致这些部件拥有更长的使用寿命。
[0019]在此所描述的真空可变电容器可以