[发明专利]可变真空电容器

说明书

技术领域

本发明涉及可变真空电容器领域，并且尤其(但不只)涉及电动可变真空电容器。

背景技术

真空电容器通常由真空密封外壳和在真空密封外壳内部的导电表面(电极)的电容生成装置构成。内部空间被抽真空至很低的压强(通常低于10^-6豪巴)，并且在设备的整个使用寿命期间(通常数年)被真空密封外壳保持低压。真空确保电极之间良好的电绝缘以及很低的设备介电损耗。

真空密封外壳通常由两个导电环(其也充当设备的电端子)制成，其以真空密封的方式被附接至绝缘片(通常为圆柱状陶瓷片)。真空电容器可以是固定的(即制造后不可以调整电容值)，或者它可以被制成其中电容值可以被改变的可变真空电容器，这通常通过借助于伸缩接头(例如，波纹管(bellow))将一个电极相对于另一电极移动来实现。伸缩接头通常被也包括电动机和某些形式的控制机构的驱动系统驱动。电动机通常被构造为可变真空电容器的单独附件。然而，没有驱动并控制可变电极(并从而控制电容值)这样的装置，可变真空电容器不能工作。

可变真空电容器的大多数常见应用包括广播(在高功率传输的振荡电路中)，以及在(所谓的阻抗匹配网络中的)半导体板、太阳能板和平板制造设备中的等离子体控制过程。可变真空电容器的电容值的调整，允许将电源的输出阻抗修改且匹配至上述应用的阻抗值。

电路的任何部分响应交流(AC)电流的幅度和相位。该响应(即它如何改变电流的幅度和/或相位)由阻抗描述，该阻抗是(以数学术语)由实部和虚部组成的复数。

高频电源被制造成具有标准化的阻抗值。标准阻抗为50Ohms(欧姆)。

被称为电路的“负载”的高频应用(诸如等离子体过程)，可以具有任意阻抗值(a+bj)，其中a和b可以是任意实数并且j被定义为其平方值等于-1的数学数值。典型的半导体板、太阳能板或平板的制造需要一系列不同的等离子体过程，其转化为必须被连续并动态地匹配至电源的固定阻抗的变化负载阻抗。

因此在阻抗匹配网络中，可变真空电容器的功能是使下列关系式总是相等(对于被应用产生的所有负载)：

Z_电源＝Z_匹配网络(C,…)+Z_负载，对于任意(时变)负载

50+0j＝Z_匹配网络(C,…)+a+jb，对于时变负载的任意a、b值

其中Z表示高频电路部分(该部分被标记为下标)的复阻抗值。

匹配网络的阻抗Z_匹配网络(C,…)是可变真空电容器的电容值C的函数，并且也可以是匹配网络的其他元件的函数，例如电感，或电阻，或其他电容部件。

如果负载不总是适当地匹配，则来自电源的电功率不能被很好地传送到负载中。不期望的结果包括能量耗散或能量被反射回电源中，后者可能导致电源损坏。通过适当调整可变真空电容的值，匹配网络的阻抗可以被调节为实现从电源至负载的最优功率传送。

移动可移动电极(有时也被称为“可变电极”)的装置可以是设备的单独附件或者可以被集成在设备中。当其被集成时，可变真空电容器有时被确切地称为“电动可变真空电容器”。在任何情况下当比较可变真空电容器设备的尺寸或速度或其他特性时，应当总是考虑由“电动机+可变电容器设备”构成的整个系统，因为二者都在应用中被需要。

现有技术

已知的可变真空电容器通常具有必须提供三个功能的波纹管：它必须提供可靠的真空密封，它必须能够伸展和收缩以允许可移动电极移动，并且它还必须承载从终端到可移动电极的电高频电流。这将用于波纹管的材料的选择限制在很少的选项，因为它必须对于电特性和对于机械特性同时是最优化的。即使具有良好的材料选择，沿波纹管的电流长路径(高频电流被强制沿导体的表面流动，即称为“集肤效应”的现象)会导致在设备的十分关键的部分内部的相当大的电损耗，这因而对电容设备产生不期望的热量以及附加的寄生电阻。这样的升温和热循环将降低伸缩接头的占空比的总数，由此降低了可变真空电容器的工作寿命。

日本专利申请JP10284347A提出了一种利用两个波纹管来缓解上述缺陷的可变真空电容器。另一方面，专利文件US6473289(B1)提出了完全去除波纹管并且以在真空外壳内部的不同电极布局和其他部分代替它的功能。