專利名稱：一種電壓電流傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及傳感器領域，尤其涉及一種在傳輸線路中檢測電壓電流的傳感器。
技術背景目前，在半導體產品的制造過程中，常常要用到等離子體來完成半導體晶圓的刻蝕過程，其中的等離子體一般是通過射頻RF電源向等離子腔體供電而產生的，常用的射頻電源的工 作頻率為13.56MHz，輸出阻抗為50Q，通過特征阻抗為50Q的同軸電纜與反應腔室相連。 在半導體晶圓的刻蝕過程中，反應腔室內的氣體成分以及壓力都在不斷變化，因此，作為負 載的等離子的阻抗也在不斷的變化，而射頻電源的內阻為固定的50Q，這樣，電源與負載之 間阻抗是不匹配的，就會導致射頻RF傳輸線上存在較大的反射功率，射頻輸出功率無法全 部施加到等離子腔體。如果獲得的射頻RF能量不足以使等離子體起輝，那么整個刻蝕過程 就無法進行，而且功率會反射回電源，當達到輸出功率的20%左右時，就會損壞射頻RF電 源。由此，很有必要在射頻RF電源與等離子腔體室之間插入一個匹配網絡，通過調整匹配 網絡使得負載阻抗與電源阻抗能夠達到共軛匹配。整個射頻傳輸系統的結構框圖如圖1所示， 在射頻電源和等離子反應腔室之間包括有傳感器、控制器、步進電機和匹配網絡。在刻蝕過 程中，由于負載阻抗的值是不斷變化的，所以需要引入一個阻抗模值、相位檢測器，即傳感 器(Sensor)，通過該傳感器檢測傳輸線路上的電壓、電流信號，然后利用一定的鑒幅和 鑒相方法，得到相應負載阻抗的模值和相位；然后，控制器根據傳感器的輸出，控制步進電 機的轉動，從而調整匹配網絡中的可變元件，最終使匹配網絡與等離子反應腔室的總阻抗為 50Q,實現電源與負載之間阻抗的匹配。其中的傳感器在工作時，首先需要采集同軸傳輸線路中的電壓和電流信號，然后才能完 成后繼的鑒幅鑒相工作，其工作示意圖如圖2所示。針對其中電壓電流的采集工作，現有的 傳感器一般是采用以下形式來進行的如圖3所示，為一般傳感器采集電壓電流時的工作結構示意圖，其中的電壓信號采集通 過兩個串連的電容C1、 C2分壓，在C1、 C2之間的Q點采集信號，因為傳輸線路N上的電壓 比較高，而一般電容C1的容量遠遠小于電容C2，由電容串聯分壓規律可知，電容串聯分壓與容抗成正比，其中的容抗=1/0)0，故電勢差主要落在電容C1上，而C2上電壓相對較小， 故通過檢測Q點和地之間的信號電壓，即電容C2兩端的電壓，然后通過分壓原理就能夠釆集 到傳輸線路N上的電壓情況。電流信號一般通過線圈P的兩端H和I取出，線圈P—般繞在一個和傳輸線路N同軸心的磁 環O上。當流過傳輸線路N的電流變化時，通過線圈P的磁通量就發生相應的變化，根據焦 耳一楞次定律，變化的磁場會在線圈P的兩端感應出交變電壓，感應電壓的大小與傳輸線路 N中的電流變化率成正比，故通過檢測線圈P兩端H、 l之間的電壓就可以采集傳輸線路N中 的電流情況。從以上所述電壓電流的采集方案中，由于磁環O占據了傳輸線周圍的一定空間，導致電 容K很難連接在和O相同的位置，致使采集電壓電流信號的位置上存在差異，而在射頻電路 中，電壓電流不但是時間的函數而且還是位置的函數，這樣就導致后面的信號分析會出現誤 差，同時磁環O在大電流情況下容易出現磁飽和現象，有可能導致采集的電流信號和主回路 上的電流信號不再成線性關系變化，出現嚴重的誤差；另外，由于采集電壓信號的電容C1 上要承受很高的電壓，在器件選型上比較困難，而且隨著功率的提高，C1上承受的電壓也 越高，很容易發生擊穿事故。發明內容鑒于上述現有技術所存在的問題，本發明的目的是提供一種在傳輸線路上采集電壓電 流信號的傳感器。利用該傳感器能夠保證電壓電流的信號采集點處于同一位置，而且能夠降 低電容擊穿的風險,避免了磁飽和問題。本發明的目的是通過以下技術方案實現的-本發明提供一種電壓電流傳感器，包括電壓采樣裝置、電流采樣裝置，其中，所述的電 流采樣裝置包括線圈，電流采樣裝置位于采樣線路的一側，通過檢測線圈兩端H、 l之間的電 壓來采集所述采樣線路中的電流情況。本發明還包括屏蔽層，所述的屏蔽層位于電流采樣裝置和采樣線路之間，用于避免線圈 耦合不必要的電場。另外的，所述的電壓采樣裝置的中心與電流采樣裝置的中心是對齊的，使得電壓采樣點 和電流采樣點處于同一位置。另外的，所述的電壓采樣裝置包括分壓電容C11、固定電容C22,其中的分壓電容C11包括套在采樣線路上的導電元件和絕緣介質，所述的絕緣介質位于導電元件與釆樣線路之 間；所述的分壓電容C11和固定電容C22串聯連接，通過檢測固定電容C22兩端的電壓來采集所述采樣線路中的電壓情況。另外的，所述的電流采樣裝置還包括印刷電路板，線圈印制在印刷電路板上。另外的，當所述的印刷電路板為2層或2層以上的結構時，每層印刷電路板上的線圈是 不規則印制的。另外的，所述的導電元件為圓柱形金屬環。另外的，所述的絕緣介質為聚四氟乙烯。另外的，所述的電壓采樣裝置還包括可變電容C33，可變電容C33與固定電容C22并聯 連接，用于調整分壓比。由上述本發明提供的技術方案可以看出，由于將電流采樣裝置安裝于采樣傳輸線路的一 側，就不會占據傳輸線路周圍的空間，能夠保證電壓電流的信號采集點處于同一位置，使采 集數據更加的精確，避免了后繼的信號分析出現誤差；同時分壓電容C11是由套在采樣傳輸 線路上的導電元件和絕緣介質組成的，降低了制造成本，且降低了電容擊穿的風險；另外， 由于電流采樣裝置不含有磁心，線圈是印制在印刷電路板上的，這樣就避免了磁飽和問題； 而且由于電流采樣裝置和采樣傳輸線路之間屏蔽層的存在，有效的避免耦合磁場的線圈耦合 不必要的電場。
圖1為射頻傳輸系統的結構方框圖； 圖2為傳感器的工作示意方框圖；圖3為現有技術中傳感器采集電壓電流時的工作結構示意圖；圖4為本發明傳感器電壓電流采樣裝置的結構示意圖；圖5為本發明傳感器電流采樣裝置的工作結構示意圖；圖6為本發明傳感器電壓采樣裝置的工作結構示意圖；圖7為本發明多層印刷電路板上的線圈層次結構；圖8為本發明多層印刷電路板上的另一種線圈層次結構c具體實施方式
本發明提供了一種在傳輸線路上采集電壓電流信號的傳感器。利用該傳感器能夠保證電壓電流的信號采集點處于同一位置，而且能夠降低電容擊穿的風險，避免了磁飽和問題。 為更好的描述本發明，現結合附圖對本發明的具體實施方式
進行說明 本發明提供了一種電壓電流傳感器，包括電壓采樣裝置1、電流采樣裝置2，如圖4所示， 電流釆樣裝置2位于采樣線路3的一側；在安裝過程中，電壓采樣裝置1的中心與電流采樣裝 置2的中心是對齊的，這樣就使得電壓采樣點和電流釆樣點能夠處于同一位置；在電流采樣裝置2和采樣線路3之間存在屏蔽層4，屏蔽層可以是由銅、鋁等金屬構成的，利用該屏蔽層 可以避免耦合磁場的線圈耦合不必要的電場。現對電流采樣裝置2和電壓采樣裝置1的具體工作結構分別進行描述如下如圖5所示，為電流采樣裝置2的工作結構示意圖，其中的電流采樣裝置2包括線圈22或 印刷電路板23,當線圈22被制成多匝時，可以印制在印刷電路板23上，其多層印刷電路板 上的線圈層次結構如圖7所示，圖中A、 B、 C、 D代表處于印刷電路板23不同層面上的線圈， E、 F、 G為金屬化孔(包括盲孔和埋孔)，金屬化孔是用來連接上下兩層線圈的，H、 l為線 圈22的兩個引出端。當進行電流信號采集時，采樣線路3中的電流i發生變化時，穿過線圈22 的磁通M也相應的發生變化，根據電磁感應原理，在線圈引出端H、 l上就會產生一個代表采 樣線路3中電流變化情況的信號電壓，如前所述，通過檢測線圈22兩端H、 l之間的電壓變化 就能夠采集到采樣線路3中的電流情況。另外，在按照圖7中所示的線圈層次結構進行印制時，由于印刷電路板23的絕緣層較薄， 所以在垂直方向上的匝間距離都很近，造成匝間電容比較大，如果想要降低匝間電容，還可 以按照圖8所示的線圈層次結構進行印制，即讓線圈不規則地印制在每層印刷電路板上，使 每匝的線圈形狀都不同，這樣就能夠避免平行導體間的分布電容，降低了匝間電容，使電流 采樣裝置更加地穩定可靠。如圖6所示，為電壓采樣裝置1的工作結構示意圖，其中的電壓采樣裝置1包括分壓電容 C11和固定電容C22;分壓電容C11是由套在采樣線路3上的導電元件11、位于導電元件11 與采樣線路3之間絕緣介質12和采樣線路3組成的，其中的導電元件11可以為圓柱形金屬環, 也可以是其他形狀的導體或半導體元件，如方形金屬環等；其中的絕緣介質12可以選擇各種絕緣材料，如聚四氟乙烯等，只要保證導電元件、絕緣介質和采樣線路三者之間能夠形成 一個分壓電容即可；另外，為了讓分壓電容C11足夠的小，可以將絕緣材料加厚。當進行電 壓信號采集時，由于分壓電容C11的容量很小(pF級)，而分壓電容C11和固定電容C22是 串聯連接的，所以由電容串聯分壓規律可知，電壓主要落在分壓電容C11上，C22上的電壓 相對較小，如前所述，通過檢測固定電容C22兩端的電壓，然后根據分壓原理就能夠采集到采樣線路3中的電壓情況。另夕卜，所述的電壓采樣裝置1還可以包括可變電容C33,可變電容C33與固定電容C22 并聯連接，通過調整可變電容C33的大小，就能夠調整并聯后的電容和分壓電容C11的分壓 比。以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何 熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵 蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。
權利要求
1. 一種電壓電流傳感器，包括電壓采樣裝置(1)、電流采樣裝置(2)，其特征在于，所述的電流采樣裝置(2)包括線圈(22)，電流采樣裝置(2)位于采樣線路(3)的一側，通過檢測線圈(22)兩端之間的電壓來采集所述采樣線路(3)中的電流情況。
2、 如權利要求1所述的電壓電流傳感器，其特征在于，還包括屏蔽層(4)，所述的屏 蔽層(4)位于電流采樣裝置(2)和采樣線路(3)之間，用于避免線圈(22)耦合不必要 的電場。
3、 如權利要求1或2所述的電壓電流傳感器，其特征在于，所述的電壓采樣裝置(1) 的中心與電流采樣裝置(2)的中心是對齊的，使得電壓采樣點和電流采樣點處于同一位置。
4、 如權利要求3所述的電壓電流傳感器，其特征在于，所述的電壓采樣裝置(1)包括 分壓電容(C11)、固定電容(C22)，其中的分壓電容(C11)包括套在采樣線路(3)上 的導電元件(11)和絕緣介質(12),所述的絕緣介質(12)位于導電元件(11)與采樣 線路(3)之間；所述的分壓電容(C11)和固定電容(C22)串聯連接，通過檢測固定電 容(C22)兩端的電壓來采集所述采樣線路(3)中的電壓情況。
5、 如權利要求1或2所述的電壓電流傳感器，其特征在于，所述的電流采樣裝置(2) 還包括印刷電路板(23)，線圈(22)印制在印刷電路板(23)上。
6、 如權利要求5所述的電壓電流傳感器，其特征在于，當所述的印刷電路板(23)為2 層或2層以上的結構時，每層印刷電路板上的線圈(22)是不規則印制的。
7、 如權利要求4所述的電壓電流傳感器，其特征在于，所述的導電元件(11)為圓柱 形金屬環。
8、 如權利要求4所述的電壓電流傳感器，其特征在于，所述的絕緣介質(12)為聚四 氟乙烯。
9、 如權利要求4所述的電壓電流傳感器，其特征在于，所述的電壓采樣裝置(1)還包 括可變電容C33，可變電容C33與固定電容C22并聯連接，用于調整分壓比。
全文摘要
本發明提供了一種在傳輸線路上采集電壓電流信號的傳感器，具體來說，包括電壓采樣裝置、電流采樣裝置，其中的電流采樣裝置安裝于采樣傳輸線路的一側；電流采樣裝置和采樣傳輸線路之間存在屏蔽層；電壓采樣裝置中的分壓電容C11是由套在采樣傳輸線路上的導電元件和絕緣介質組成的。利用該傳感器能夠保證電壓電流的信號采集點處于同一位置，避免了后繼的信號分析出現誤差，同時避免了耦合磁場的線圈耦合不必要的電場，而且能夠降低電容擊穿的風險，也不必擔心磁飽和的問題。
文檔編號G01R15/18GK101221196SQ20071006339
公開日2008年7月16日 申請日期2007年1月10日 優先權日2007年1月10日
發明者申浩南 申請人:北京北方微電子基地設備工藝研究中心有限責任公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
