一种等离子体离子源的电感值测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种等离子体射频源，尤其涉及一种等离子体离子源的电感值测量装置及方法。

背景技术

在等离子体离子源领域，等离子炬的负载特性是必须要解决的核心问题，这是因为在射频源形成等离子炬前后，线圈电感量会发生剧烈变化，容易造成阻抗失配，从而造成仪器损坏。上世纪九十年代，德国科学家针对27.12Mhz/1000W条件下氩气等离子炬和负载线圈的电路模型，并对等离子炬阻抗进行了定量计算。然而，对于更高功率的等离子炬负载模型以及非氩气作为冷却气时的定量计算都是空缺的。这是因为计算时缺少了关键参数电感量的大小，因此如果能够测量线圈的电感量，就能够计算出相应的等离子炬负载模型，而其在工程实践中又具有重要应用价值。

目前测量方法中，对于未形成等离子炬的电感测量可以用LCR测试仪，但是对于已经形成了等离子炬的线圈来说，LCR测试仪就无法使用了，现有的测试方法有模拟计算法，这种方法可以利用电磁场仿真软件，如ANSYS等进行模拟计算。不过，这种方法需要电路结构和等离子体参数的准确输入，并需要相应的计算能力支持。还有基于固定频率的电感测量法，这种方法通过在等离子炬石英管周围放置无接触的电感传感器，可以测量线圈在特定频率下的电感。但是方法需要选定合适的频率，以及电感传感器的合适尺寸和位置。更重要的是，由于等离子体的非线性特性，这种方法并不能测量等离子体状态过程中的电感变化。还有一种就是通过在该线圈附近加入一些磁珠，用磁珠相互作用的方式测量线圈电感。该方法可以测量等离子体状态下的线圈电感，但是需要磁珠粒度和数量的精细控制，因此操作困难并且测量不够准确。

综上所述，如何针等离子炬形成后难以测量参数的背景，解决等离子炬负载模型缺乏而其在工程实践中又具有重要应用价值的矛盾，是目前本领域技术人员急需解决的问题。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的是提供了一种等离子体离子源的电感值测量装置及方法，以解决现有技术中存在的上述技术问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的等离子体离子源的电感值测量装置，包括：检测电路、比较电路、前级信号放大电路、射频信号发生器、射频功率放大电路、阻抗匹配网络、负载线圈；

所述检测电路包括第一路检测单元和第二路检测单元；其中，第一路检测单元用于直接测量等离子炬的频率，第二路检测单元用于检测所述射频功率放大电路的输出端；并根据这二路分别所接收到的电信号测量结果送入所述比较电路进行比较。

上述的等离子体离子源的电感值测量装置实现等离子体离子源的电感值测量的方法，包括步骤：

首先，测量开始时需要检测判断功率是否输出，若功率已经输出，则读取此时的频率一大小，若功率没有输出，则返回到测量开始重新检查；

然后，用高压脉冲点燃等离子炬，若点燃成功，则读取等离子炬形成后的频率二大小值，若未点燃成功，则重新回到第一步，检测功率是否输出；

在得到频率一和频率二的大小后，根据串联谐振公式进行有关计算，最终即可得出在等离子炬形成的情况下，所测负载线圈的电感值大小。

与现有技术相比，本发明所提供的等离子体离子源的电感值测量装置及方法，可以在等离子炬形成后仍然可以根据串联谐振公式进行电感值测量，能够实现在等离子体炬形成后对线圈电感值高精度的测量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的等离子体离子源的电感值测量装置的整体结构示意图。

图2为本发明实施例的前级信号放大电路示意图。

图3为本发明实施例的功率推动与放大电路示意图。

图4为本发明实施例的匹配网络示意图。

图5为本发明实施例的电感测量方法的流程图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：

术语“和/或”是表示两者任一或两者同时均可实现，例如，X和/或Y表示既包括“X”或“Y”的情况也包括“X和Y”的三种情况。

术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。例如：包括某技术特征要素(如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品等)，应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素，还可以包括未明确列出的本领域公知的其它技术特征要素。

术语“由……组成”表示排除任何未明确列出的技术特征要素。若将该术语用于权利要求中，则该术语将使权利要求成为封闭式，使其不包含除明确列出的技术特征要素以外的技术特征要素，但与其相关的常规杂质除外。如果该术语只是出现在权利要求的某子句中，那么其仅限定在该子句中明确列出的要素，其他子句中所记载的要素并不被排除在整体权利要求之外。

除另有明确的规定或限定外，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如：可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本文中的具体含义。

术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化描述，而不是明示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本文的限制。

本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本发明实施例中所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

本发明的等离子体离子源的电感值测量装置及方法，包括：检测电路、比较电路、前级信号放大电路、射频信号发生器、射频功率放大电路、阻抗匹配网络、负载线圈；

所述检测电路包括第一路检测单元和第二路检测单元；其中，第一路检测单元用于直接测量等离子炬的频率，第二路检测单元用于检测所述射频功率放大电路的输出端；并根据这二路分别所接收到的电信号测量结果送入所述比较电路进行比较。

所述比较电路用于检测两个电信号之间的差异，包括无源滤波器和模拟鉴相器；其中，无源滤波器用于抑制噪声对同步精度的影响，能根据实际需要调整控制和滤波参数，以优化同步质量和稳定性；模拟鉴相器能更快地响应实时动态变化的信号，用于高频振动和快速调节的精密控制。

所述前级信号放大电路用于对输入电路中的微弱信号进行放大，以便用于后续电路处理；具有较窄的带宽和较低的噪声，用于抑制高频成分，从而使信号更加稳定；并采用具有低温漂移特性的放大器，用于在不同温度下保持放大器的增益稳定。

所述前级信号放大电路采用了二级放大，第一级用运放实现对所述比较电路的电压跟随，第二级运放实现了对所述第一级运放的电压放大；其中，第一级放大电路与第二级放大电路直接相连，并且并联了稳压二极管以及二极管；再此基础上还通过并联一个可调电阻，便于对后级所述射频信号发生器进行一个基准电压值的校正。

所述射频功率放大电路包括二个部分，第一个部分为功率推动级，第二个部分为功率放大级；其中，所述功率推动级使用半桥驱动器，具有低内阻MOSFET输出，还包括驱动器电流传感器和反向电压保护电路，用于提高系统的可靠性和安全性；所述功率放大级为功率型MOS场效应管，用于承受大反射功率，并具有低阻抗和高增益，用于提供高效率和低失真的功率放大。

所述阻抗匹配网络能够将两个电路之间的阻抗匹配，由电阻、电容和电感组成，能将特定频率下的电容值固定，整个匹配网络的电感仅来自于所述负载线圈，当等离子炬形成时，所有的电感量变化都来自于所述负载线圈，为等离子炬模型计算提供测量数据。

上述的等离子体离子源的电感值测量装置实现等离子体离子源的电感值测量的方法，包括步骤：

首先，测量开始时需要检测判断功率是否输出，若功率已经输出，则读取此时的频率一大小，若功率没有输出，则返回到测量开始重新检查；

然后，用高压脉冲点燃等离子炬，若点燃成功，则读取等离子炬形成后的频率二大小值，若未点燃成功，则重新回到第一步，检测功率是否输出；

在得到频率一和频率二的大小后，根据串联谐振公式进行有关计算，最终即可得出在等离子炬形成的情况下，所测负载线圈的电感值大小。

综上可见，本发明实施例的等离子体离子源的电感值测量装置及方法，可用于对已经形成等离子炬的线圈进行精准、高效测量，并且能测量等离子体状态过程中的电感变化；

所述检测电路，采用了板级间的电容耦合方式，采用了直接铺铜的方式构成了耦合电容，在高频信号下，耦合频率信号的效果极佳；

所述的前级信号放大电路和射频信号发生器，与传统的前级信号放大电路和射频信号发生器电路设计相比，未采用变压器，而变压器本身就可以被视为由线圈组成的装置，容易对后面电感值的测量产生不必要的影响。所述电路设计其特征在于：用特定的元器件芯片设计所述的前级信号放大电路和射频信号发生器，避开了对变压器的使用；

所述的阻抗匹配网络，一般的阻抗匹配网络响应时间毫秒级，并往往是由电容加上电感组成的，而所述的阻抗匹配网络其特征在于：纳秒级的响应时间，以及在匹配网络串联了功率电容组，并且整个阻抗匹配网络的电感值都由所述负载线圈提供，当等离子炬形成时，所有的电感量变化都来自于所述负载线圈。

为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以具体实施例对本发明实施例所提供的进行详细描述。

实施例1

如图1所示，一种等离子体离子源的电感值测量装置及方法，包括检测电路、比较电路、前级信号放大电路、射频信号发生器、射频功率放大电路、阻抗匹配网络、负载线圈。其中，所述检测电路通过第一检测单元测量射频功率放大电路的输出端和第二检测单元检测负载线圈的等离子炬特性。所述检测电路与所述比较电路通过一条共同的电路连接，所述比较电路与所述前级信号放大电路直接相连，所述前级信号放大电路与射频信号发生器通过一条共同的电路连接，所述射频功率放大电路与所述阻抗匹配网络电性耦接，最种将功率耦合到负载线圈上，通过点火前后频率的变化，再根据串联谐振公式，即可得出相应的电感变化量。

如图2所示，描述了前级信号放大电路的模块图，包括运放1和运放2、线性可控晶振、逻辑运输单元、可调偏置。其中，从所述比较电路得到得电压信号给运放1，经过运放1的隔离之后给运放2，运放2对电压信号进行一个放大。进一步的，还有一个可调偏置模块，可以人为的设定或修改基础电压的大小，此外，它还可以用于调试时对线性可控晶振的验证。随后，放大电压输入给线性可控晶振，其特征在于，可以将电压信号转变为频率大小，在一定范围内，输入电压与输出频率呈线性关系，此时已经得到想要的频率大小，再通过逻辑运算芯片，使输出信号进行差分线驱动的方式来实现差分信号的传输。

如图3所示，描述了功率推动与放大电路示意图，包括逻辑门芯片，高速电流驱动芯片以及高频功率放大器。差分信号INA和INB经过多组逻辑门芯片进行处理。逻辑门芯片的主要作用是将差分信号进行反转和调整，以达到所需的占空比设定值。通过逻辑门芯片的组合和连续操作，输入信号可以被精确控制和调节。然后，处理过的信号通过高速电流驱动芯片进行电流放大，这被称为一级电流放大。高速电流驱动芯片具有快速的响应速度和精确的电流控制能力，能够有效地驱动负载并增强信号的幅度。接下来，经过一级电流放大后，电路继续使用三组电流驱动器进行二级电流放大。这些电流驱动器进一步增强了电流驱动能力，使信号能够得到更大的放大。最后，经过二级电流放大后的信号，通过高频功率放大器进行进一步放大，最终达到所需要的功率。

如图4所示，描述了匹配网络示意图,示意图包括多组电容，以及待测量的负载线圈。其中，C1，C2为一组固定电容，C3，C4，C5为一组由继电器控制的可控电容，可选择并联或不并联。C7，C8是二组大功率电容组，在等离子炬形成前承受一定的功率。负载线圈为待测量的线圈，一般为二匝半到三匝半的铜线圈。

如流程图5所示，描述了整个测量装置的步骤及方法：

首先，测量开始时需要检测判断功率是否输出，若功率已经输出，则读取此时的频率一大小，若功率没有输出，则返回到测量开始重新检查。第二步，用高压脉冲点燃等离子炬，若点燃成功，则读取等离子炬形成后的频率二大小值，若未点燃成功，则重新回到第一步，检测功率是否输出。在得到频率一和频率二的大小后，根据串联谐振公式进行有关计算，最终即可得出在等离子炬形成的情况下，所测负载线圈的电感值大小。

应当指出，虽然通过上述实施方式对本发明进行了描述，然而本发明还可有其他多种实施方式。在不脱离本发明精神和范围的前提下，熟悉本领域的技术人员显然可以对本发明做出各种相应的改变和变形，但这些改变和变形都应当属于本发明所附权利要求及其等效物所保护的范围内。

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披露的技术范围内，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书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。