专利名称：一种电压电流传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种在传输线路中检测电压电流的传感器。
技术背景目前，在半导体产品的制造过程中，常常要用到等离子体来完成半导体晶圆的刻蚀过程，其中的等离子体一般是通过射频RF电源向等离子腔体供电而产生的，常用的射频电源的工 作频率为13.56MHz，输出阻抗为50Q，通过特征阻抗为50Q的同轴电缆与反应腔室相连。 在半导体晶圆的刻蚀过程中，反应腔室内的气体成分以及压力都在不断变化，因此，作为负 载的等离子的阻抗也在不断的变化，而射频电源的内阻为固定的50Q，这样，电源与负载之 间阻抗是不匹配的，就会导致射频RF传输线上存在较大的反射功率，射频输出功率无法全 部施加到等离子腔体。如果获得的射频RF能量不足以使等离子体起辉，那么整个刻蚀过程 就无法进行，而且功率会反射回电源，当达到输出功率的20%左右时，就会损坏射频RF电 源。由此，很有必要在射频RF电源与等离子腔体室之间插入一个匹配网络，通过调整匹配 网络使得负载阻抗与电源阻抗能够达到共轭匹配。整个射频传输系统的结构框图如图1所示， 在射频电源和等离子反应腔室之间包括有传感器、控制器、步进电机和匹配网络。在刻蚀过 程中，由于负载阻抗的值是不断变化的，所以需要引入一个阻抗模值、相位检测器，即传感 器(Sensor)，通过该传感器检测传输线路上的电压、电流信号，然后利用一定的鉴幅和 鉴相方法，得到相应负载阻抗的模值和相位；然后，控制器根据传感器的输出，控制步进电 机的转动，从而调整匹配网络中的可变元件，最终使匹配网络与等离子反应腔室的总阻抗为 50Q,实现电源与负载之间阻抗的匹配。其中的传感器在工作时，首先需要采集同轴传输线路中的电压和电流信号，然后才能完 成后继的鉴幅鉴相工作，其工作示意图如图2所示。针对其中电压电流的采集工作，现有的 传感器一般是采用以下形式来进行的如图3所示，为一般传感器采集电压电流时的工作结构示意图，其中的电压信号采集通 过两个串连的电容C1、 C2分压，在C1、 C2之间的Q点采集信号，因为传输线路N上的电压 比较高，而一般电容C1的容量远远小于电容C2，由电容串联分压规律可知，电容串联分压与容抗成正比，其中的容抗=1/0)0，故电势差主要落在电容C1上，而C2上电压相对较小， 故通过检测Q点和地之间的信号电压，即电容C2两端的电压，然后通过分压原理就能够釆集 到传输线路N上的电压情况。电流信号一般通过线圈P的两端H和I取出，线圈P—般绕在一个和传输线路N同轴心的磁 环O上。当流过传输线路N的电流变化时，通过线圈P的磁通量就发生相应的变化，根据焦 耳一楞次定律，变化的磁场会在线圈P的两端感应出交变电压，感应电压的大小与传输线路 N中的电流变化率成正比，故通过检测线圈P两端H、 l之间的电压就可以采集传输线路N中 的电流情况。从以上所述电压电流的采集方案中，由于磁环O占据了传输线周围的一定空间，导致电 容K很难连接在和O相同的位置，致使采集电压电流信号的位置上存在差异，而在射频电路 中，电压电流不但是时间的函数而且还是位置的函数，这样就导致后面的信号分析会出现误 差，同时磁环O在大电流情况下容易出现磁饱和现象，有可能导致采集的电流信号和主回路 上的电流信号不再成线性关系变化，出现严重的误差；另外，由于采集电压信号的电容C1 上要承受很高的电压，在器件选型上比较困难，而且随着功率的提高，C1上承受的电压也 越高，很容易发生击穿事故。发明内容鉴于上述现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种在传输线路上采集电压电 流信号的传感器。利用该传感器能够保证电压电流的信号采集点处于同一位置，而且能够降 低电容击穿的风险,避免了磁饱和问题。本发明的目的是通过以下技术方案实现的-本发明提供一种电压电流传感器，包括电压采样装置、电流采样装置，其中，所述的电 流采样装置包括线圈，电流采样装置位于采样线路的一侧，通过检测线圈两端H、 l之间的电 压来采集所述采样线路中的电流情况。本发明还包括屏蔽层，所述的屏蔽层位于电流采样装置和采样线路之间，用于避免线圈 耦合不必要的电场。另外的，所述的电压采样装置的中心与电流采样装置的中心是对齐的，使得电压采样点 和电流采样点处于同一位置。另外的，所述的电压采样装置包括分压电容C11、固定电容C22,其中的分压电容C11包括套在采样线路上的导电元件和绝缘介质，所述的绝缘介质位于导电元件与釆样线路之 间；所述的分压电容C11和固定电容C22串联连接，通过检测固定电容C22两端的电压来采集所述采样线路中的电压情况。另外的，所述的电流采样装置还包括印刷电路板，线圈印制在印刷电路板上。另外的，当所述的印刷电路板为2层或2层以上的结构时，每层印刷电路板上的线圈是 不规则印制的。另外的，所述的导电元件为圆柱形金属环。另外的，所述的绝缘介质为聚四氟乙烯。另外的，所述的电压采样装置还包括可变电容C33，可变电容C33与固定电容C22并联 连接，用于调整分压比。由上述本发明提供的技术方案可以看出，由于将电流采样装置安装于采样传输线路的一 侧，就不会占据传输线路周围的空间，能够保证电压电流的信号采集点处于同一位置，使采 集数据更加的精确，避免了后继的信号分析出现误差；同时分压电容C11是由套在采样传输 线路上的导电元件和绝缘介质组成的，降低了制造成本，且降低了电容击穿的风险；另外， 由于电流采样装置不含有磁心，线圈是印制在印刷电路板上的，这样就避免了磁饱和问题； 而且由于电流采样装置和采样传输线路之间屏蔽层的存在，有效的避免耦合磁场的线圈耦合 不必要的电场。
图1为射频传输系统的结构方框图； 图2为传感器的工作示意方框图；图3为现有技术中传感器采集电压电流时的工作结构示意图；图4为本发明传感器电压电流采样装置的结构示意图；图5为本发明传感器电流采样装置的工作结构示意图；图6为本发明传感器电压采样装置的工作结构示意图；图7为本发明多层印刷电路板上的线圈层次结构；图8为本发明多层印刷电路板上的另一种线圈层次结构c具体实施方式
本发明提供了一种在传输线路上采集电压电流信号的传感器。利用该传感器能够保证电压电流的信号采集点处于同一位置，而且能够降低电容击穿的风险，避免了磁饱和问题。 为更好的描述本发明，现结合附图对本发明的具体实施方式
进行说明 本发明提供了一种电压电流传感器，包括电压采样装置1、电流采样装置2，如图4所示， 电流釆样装置2位于采样线路3的一侧；在安装过程中，电压采样装置1的中心与电流采样装 置2的中心是对齐的，这样就使得电压采样点和电流釆样点能够处于同一位置；在电流采样装置2和采样线路3之间存在屏蔽层4，屏蔽层可以是由铜、铝等金属构成的，利用该屏蔽层 可以避免耦合磁场的线圈耦合不必要的电场。现对电流采样装置2和电压采样装置1的具体工作结构分别进行描述如下如图5所示，为电流采样装置2的工作结构示意图，其中的电流采样装置2包括线圈22或 印刷电路板23,当线圈22被制成多匝时，可以印制在印刷电路板23上，其多层印刷电路板 上的线圈层次结构如图7所示，图中A、 B、 C、 D代表处于印刷电路板23不同层面上的线圈， E、 F、 G为金属化孔(包括盲孔和埋孔)，金属化孔是用来连接上下两层线圈的，H、 l为线 圈22的两个引出端。当进行电流信号采集时，采样线路3中的电流i发生变化时，穿过线圈22 的磁通M也相应的发生变化，根据电磁感应原理，在线圈引出端H、 l上就会产生一个代表采 样线路3中电流变化情况的信号电压，如前所述，通过检测线圈22两端H、 l之间的电压变化 就能够采集到采样线路3中的电流情况。另外，在按照图7中所示的线圈层次结构进行印制时，由于印刷电路板23的绝缘层较薄， 所以在垂直方向上的匝间距离都很近，造成匝间电容比较大，如果想要降低匝间电容，还可 以按照图8所示的线圈层次结构进行印制，即让线圈不规则地印制在每层印刷电路板上，使 每匝的线圈形状都不同，这样就能够避免平行导体间的分布电容，降低了匝间电容，使电流 采样装置更加地稳定可靠。如图6所示，为电压采样装置1的工作结构示意图，其中的电压采样装置1包括分压电容 C11和固定电容C22;分压电容C11是由套在采样线路3上的导电元件11、位于导电元件11 与采样线路3之间绝缘介质12和采样线路3组成的，其中的导电元件11可以为圆柱形金属环, 也可以是其他形状的导体或半导体元件，如方形金属环等；其中的绝缘介质12可以选择各种绝缘材料，如聚四氟乙烯等，只要保证导电元件、绝缘介质和采样线路三者之间能够形成 一个分压电容即可；另外，为了让分压电容C11足够的小，可以将绝缘材料加厚。当进行电 压信号采集时，由于分压电容C11的容量很小(pF级)，而分压电容C11和固定电容C22是 串联连接的，所以由电容串联分压规律可知，电压主要落在分压电容C11上，C22上的电压 相对较小，如前所述，通过检测固定电容C22两端的电压，然后根据分压原理就能够采集到采样线路3中的电压情况。另夕卜，所述的电压采样装置1还可以包括可变电容C33,可变电容C33与固定电容C22 并联连接，通过调整可变电容C33的大小，就能够调整并联后的电容和分压电容C11的分压 比。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任何 熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵 盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
权利要求
1. 一种电压电流传感器，包括电压采样装置(1)、电流采样装置(2)，其特征在于，所述的电流采样装置(2)包括线圈(22)，电流采样装置(2)位于采样线路(3)的一侧，通过检测线圈(22)两端之间的电压来采集所述采样线路(3)中的电流情况。
2、 如权利要求1所述的电压电流传感器，其特征在于，还包括屏蔽层(4)，所述的屏 蔽层(4)位于电流采样装置(2)和采样线路(3)之间，用于避免线圈(22)耦合不必要 的电场。
3、 如权利要求1或2所述的电压电流传感器，其特征在于，所述的电压采样装置(1) 的中心与电流采样装置(2)的中心是对齐的，使得电压采样点和电流采样点处于同一位置。
4、 如权利要求3所述的电压电流传感器，其特征在于，所述的电压采样装置(1)包括 分压电容(C11)、固定电容(C22)，其中的分压电容(C11)包括套在采样线路(3)上 的导电元件(11)和绝缘介质(12),所述的绝缘介质(12)位于导电元件(11)与采样 线路(3)之间；所述的分压电容(C11)和固定电容(C22)串联连接，通过检测固定电 容(C22)两端的电压来采集所述采样线路(3)中的电压情况。
5、 如权利要求1或2所述的电压电流传感器，其特征在于，所述的电流采样装置(2) 还包括印刷电路板(23)，线圈(22)印制在印刷电路板(23)上。
6、 如权利要求5所述的电压电流传感器，其特征在于，当所述的印刷电路板(23)为2 层或2层以上的结构时，每层印刷电路板上的线圈(22)是不规则印制的。
7、 如权利要求4所述的电压电流传感器，其特征在于，所述的导电元件(11)为圆柱 形金属环。
8、 如权利要求4所述的电压电流传感器，其特征在于，所述的绝缘介质(12)为聚四 氟乙烯。
9、 如权利要求4所述的电压电流传感器，其特征在于，所述的电压采样装置(1)还包 括可变电容C33，可变电容C33与固定电容C22并联连接，用于调整分压比。
全文摘要
本发明提供了一种在传输线路上采集电压电流信号的传感器，具体来说，包括电压采样装置、电流采样装置，其中的电流采样装置安装于采样传输线路的一侧；电流采样装置和采样传输线路之间存在屏蔽层；电压采样装置中的分压电容C11是由套在采样传输线路上的导电元件和绝缘介质组成的。利用该传感器能够保证电压电流的信号采集点处于同一位置，避免了后继的信号分析出现误差，同时避免了耦合磁场的线圈耦合不必要的电场，而且能够降低电容击穿的风险，也不必担心磁饱和的问题。
文档编号G01R15/18GK101221196SQ20071006339
公开日2008年7月16日 申请日期2007年1月10日 优先权日2007年1月10日
发明者申浩南 申请人:北京北方微电子基地设备工艺研究中心有限责任公司