专利名称：自由开放式线圈过滤器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种过滤器，特别是涉及一种自由开放式线圈过滤器，用于对阴极电弧离子源进行电磁场过滤以达到部分或者完全去除液态大颗粒，属于镀膜和材料表面改性技术领域。
背景技术：
利用阴极电弧离子源进行的离子镀(工业上常常称之为多弧离子镀，或者电弧离子镀)是目前应用最为广泛的镀膜工艺之一，相对于蒸镀、溅射等镀膜工艺来说，它具有离化率高(70％～90％)、膜基结合力好、沉积速率高的优点。但是它具有一个非常大的缺点液态大颗粒的产生。这些液态大颗粒通常直径在0.1μm到10μm左右，以数个m/s到数百个m/s的速度混杂在离子流之中向工件运动。当这些液态大颗粒沉积在膜层之中后，会形成宏观颗粒(其尺寸为微米级别所以称其为“宏观”)，这些大尺寸颗粒影响了膜层的表面光洁度，并且很可能成为膜层失效的发源地，所以大大制约了电弧离子镀工艺在表面精密制造(比如光学、半导体工业等)、高性能膜层(比如高精度模具等)领域的应用。
目前去除液态大颗粒最有效的方法是使用管道式磁过滤器，比如中国专利03200996.8等，其特点是使用90°或者0°的封闭式过滤管道，管道一般由金属材料制成，处于电悬浮状态或者被施予正偏压；管道外部绕有磁场线圈；采用复杂的磁场线圈布置来得到过滤效果良好、离子流均匀的目的。
但是这些磁过滤器存在一些不足之处，主要是1)设备复杂，制造、维护较困难。比如中国专利02160651.X需要仔细调整磁场线圈的安装位置和角度；2)高速运动的液态颗粒在封闭的管道内壁仍然存在反弹，影响磁过滤的效果。比如中国专利03200996.8在管内壁不得不安装锯齿形曲面来阻止颗粒的反弹。
发明内容
本发明的目的在于针对现有封闭式管道磁过滤器的不足，提供一种制造、安装和使用方便、灵活，并且过滤效果优异的自由开放式线圈过滤器。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括线圈、线圈固定以及绝缘装置、线圈支撑装置和工件罩，线圈固定以及绝缘装置卡在线圈的相邻匝之间保证线圈的刚度，线圈支撑装置从线圈的中外部托住线圈保证线圈可以稳定的放置在真空炉内，工件罩位于线圈出口，平行于线圈出口轴线，保证液滴不会到达工件表面。
所述的线圈用空心紫铜软管绕制而成，线圈相邻匝之间具有间隙，也就是对于液态大颗粒来说，线圈是开放的，这样从根本上消除了通过反弹到达工件的液态大颗粒。线圈的相邻匝使用聚四氟乙烯夹固定。线圈通过标准法兰盘连接到真空炉外，并保持严格的密封。线圈的供电由大功率直流电源或者脉冲电源提供，对于直流电源，其电流值在200A到600A；对于脉冲电源，其电流值在800A到1500A。当使用直流电源时，将线圈与高功率电阻箱串连，保证线圈相对于阳极具有+20V左右的正偏压。线圈的冷却采用直接水冷方式。线圈的入口平面轴线与阴极电弧靶面轴线重合，并且线圈入口与阴极电弧靶面保持一定距离；线圈的出口平面尽量正对工件平面。工件外使用工件罩来保证液态大颗粒不会到达工件表面。
本发明绕制线圈的材料采用表面光洁度好，质地致密的紫铜软管。紫铜管直径的选择要综合考虑冷却水的流量、线圈的发热以及整个线圈的尺寸，既保证线圈正常工作时的发热不会导致冷却水温度超过80℃～90℃，也要保证能够在单位长度绕制更多的匝数，这样就可以在达到相同线圈磁场的前提下，尽量降低线圈电流节约能源。
本发明中为了保证线圈各匝的直径接近，线圈绕制时可以使用临时轴心(比如直径为110mm的PVC管)，成形后即可拿掉临时轴心。由于线圈直径较大(一般在50mm～200mm)，所以为了保证线圈的刚度，使用一定的方法对线圈单匝之间的相对位置进行固定，同时也保证线圈的开放性(也就是保证线圈相邻匝之间具有3mm到20mm的间距)。
本发明紫铜软管的两端通过钎焊与紫铜(或者黄铜)转接头相连，转接处接电极，并且利用硅橡胶密封垫圈保证其与法兰盘之间的密封，同时使用聚四氟乙烯绝缘材料保证紫铜管与法兰盘其它部分的绝缘。
本发明线圈的供电由大功率直流电源或者脉冲电源提供，使用脉冲电源的优点是可以在保证线圈磁场的前提下降低线圈的能耗，线圈的正偏压由串连在电路中的高功率电阻箱提供，电阻箱的阻值根据线圈的阻值、线圈的电流等情况选取。
由于线圈会通以大电流(直流方式一般在200A以上，脉冲方式一般在800A以上)，所以必须使用直接水冷的方式进行冷却，否则线圈的热辐射会导致工件温度异常升高而影响镀膜质量。
由于工件罩的存在，阴极靶与工件之间没有直接的“视线”连接(也就是说如果从工件的位置观察阴极靶，是不能直接看到的)，这样就保证了几乎只做直线运动的液态大颗粒(包括从线圈间隙跑出来的大颗粒)不会到达工件表面，也就保证了过滤效果非常优异。另外，通过调整工件罩的高度可以在一定程度上调整镀膜的效率和效果，比如矮的工件罩会使得离子更容易到达工件表面，提高了沉积速率，但是却降低了对液态大颗粒的阻挡效果。
图1是90°开放式线圈过滤器(直流电源)的示意图(说明为了图示的清楚，线圈夹6只画出了一个，但实际上应该有足够多的数量以保证线圈的刚度)。
图2是90°开放式线圈过滤器(直流电源)的示意图。
图3是线圈过滤器的电极的示意图。
图4是90°开放式线圈过滤器(脉冲电源)的示意图。
图5是自由形状开放式线圈过滤器(直流电源)的侧视示意图(说明支撑线圈的装置由一根直径230mm的PVC管制成，图中没有画出)。
图6是自由形状开放式线圈过滤器(直流电源)的俯视示意图。
图7是自由形状开放式线圈过滤器(即图5、6所示)得到的线圈电流和磁过滤系统效率之间的关系曲线图(离子源采用Al靶，弧流80A)。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例190°开放式线圈过滤器(直流电源)。
图1和图2分别是90°开放式线圈过滤器的前视以及上视剖面示意图，过滤器的主要组成部分是紫铜线圈1、聚四氟乙烯线圈托3、聚四氟乙烯线圈夹6和工件罩5。数量足够多(以线圈刚度能得到保证为限)的线圈夹6固定于线圈的相邻匝之间，线圈1水平放置，线圈托3从中部托住线圈的主体保证其可以稳定的放置在真空炉内，工件罩位于线圈出口约50mm处，保持与线圈出口同轴心。
等离子体和液态颗粒由阴极电弧靶2的表面产生，其中离子和电子由于受到线圈1电磁场的影响，沿着线圈轴心轨迹到达工件4处沉积成膜。而液态大颗粒几乎不受到电磁场的影响，它的轨迹呈直线，最终大部分会被工件罩5所阻挡，增加工件罩5的高度可以增加对液态大颗粒的阻挡效果。线圈1起到改变离子轨迹以及聚焦离子束和提高离化率的作用，线圈1是由外径6mm的紫铜软管绕制而成，电阻约0.02Ω，线圈1轴线半径250mm，入口直径约160mm；阴极2的半径85mm，圆盘工件直径约为100mm。由于线圈尺寸较大所以必须使用线圈夹6来保证线圈的刚度。线圈夹使用直径约10mm的聚四氟乙烯棒制成，垂直于轴线钻两到三个6mm左右的圆孔，用来卡住线圈相邻匝。线圈夹6的使用数量必须足够多，以保证线圈具有合适的刚度，并且也保证线圈任意相邻匝之间绝缘良好。图1中的电源可以使用普通逆变式直流焊接电源，最大电流500A，这样保证线圈可以稳定工作在200～300A左右。串连的高功率电阻箱(电阻约0.1Ω)保证线圈相对于阳极(一般是地电位)具有正的电位(一般选取+20V左右)，这样可以大大提高线圈过滤器的过滤效率。
图3是线圈过滤器的电极的示意图，外径6mm的线圈1通过钎焊和外径10mm的空心紫铜管或者黄铜管16连接(7为钎焊接头示意)，空心紫铜管或者黄铜管16的头尾都有螺纹，与螺母8的连接可以固定线圈，防止其上下移动。线圈通过电极接线片15与电源相连，电极接线片15为厚度在6mm左右的紫铜片。空心紫铜管(或者黄铜管)16的上部通过具有内螺纹的黄铜转接头接冷却水。线圈1与不锈钢法兰10之间的绝缘通过两个聚四氟乙烯的绝缘套9和13实现，12是硅橡胶密封圈，可以保证在电极处于较高温度时保持良好的密封。11为焊接在法兰盘10上的外螺纹凸起，通过它和压紧螺母14之间的紧密连接给硅橡胶12施加压力保证其密封。
实施例290°开放式线圈过滤器(脉冲电源)。
实施例2的线圈尺寸以及布置均同实施例1，区别在于实施例2采用脉冲电源，工作电流1000A，占空比30％(参看图4)。由于线路电流非常大，所以按照图4的接线方法线圈入口已经保持了相对于阳极+20V左右的电位，没有必要再串联高功率电阻。为了保证直接水冷效果，在线圈冷却水入口处使用增压泵提高冷却水流量。
实施例3自由形状开放式线圈过滤器(直流电源)。该实例充分利用本发明灵活方便的特点，适用于对现有非磁过滤电弧离子镀设备进行改造。
图5和图6所示的电弧离子镀设备在设计时没有磁过滤装置，本实施例在电弧离子源和工件之间添加了自由开放式线圈过滤器，得到了很好的过滤效果。由于其阴极电弧靶19与工件台17的夹角为30°，根据设备的实际情况，实施例3灵活调整线圈过滤器18的形状使其成为“近S型”，有效的将离子流从阴极靶引导到工件台，并且使用工件罩5将大部分的液态颗粒进行了阻挡。
图7是实施例3中线圈电流和磁过滤系统效率(系统效率＝线圈出口处饱和离子电流×100％/弧电流)的关系曲线，可以看到线圈电流250A时磁过滤系统效率达到最高值2.7％。
本发明线圈的轴线形状可以采用现有技术中的任意形状，以上只是为了便于理解，以采用90°弧线以及近S型的线圈为例进行说明。
权利要求
1.一种自由开放式线圈过滤器，包括线圈、线圈固定以及绝缘装置、线圈支撑装置和工件罩，其特征在于线圈使用紫铜软管绕制，线圈固定以及绝缘装置将线圈相邻匝固定住，线圈支撑装置从线圈的中部托住，保证线圈能稳定放置在真空炉内，工件罩位于线圈出口，线圈的相邻匝之间保持3mm到20mm的距离，线圈的供电使用直流电源或者脉冲电源，线圈相对于阳极具有+20V的电位，线圈使用直接水冷方式。
2.根据权利要求1所述的自由开放式线圈过滤器，其特征是，所述的线圈，其管道直径为50mm到200mm之间。
3.根据权利要求1所述的自由开放式线圈过滤器，其特征是，所述的工件罩，其高度为100mm到300mm之间。
4.根据权利要求1所述的自由开放式线圈过滤器，其特征是，所述的线圈，使用直流电源时，将线圈与高功率电阻箱串连，工作电流值为200A到600A之间。
5.根据权利要求1所述的自由开放式线圈过滤器，其特征是，所述的线圈，使用脉冲电源时，工作电流值为800A到1500A之间。
全文摘要
一种自由开放式线圈过滤器，属于镀膜和材料表面改性技术领域。本发明包括线圈、线圈固定以及绝缘装置、线圈支撑装置和工件罩，线圈使用紫铜软管绕制，线圈固定以及绝缘装置将线圈相邻匝固定住，线圈支撑装置从线圈的中部托住，保证线圈能稳定放置在真空炉内，工件罩位于线圈出口，线圈的相邻匝之间保持3mm到20mm的距离，线圈的供电使用直流电源或者脉冲电源，线圈相对于阳极具有+20V的电位，线圈使用直接水冷方式。本发明具有实施简单、使用灵活的优点，可广泛适用于电子、工具、装饰等表面精密制造和高质量镀膜领域。
文档编号C23C14/32GK1944703SQ20061011788
公开日2007年4月11日 申请日期2006年11月2日 优先权日2006年11月2日
发明者蔡珣, 戴华, 沈耀, 胡亚威, 陈秋龙 申请人:上海交通大学