电磁场传感装置

相关申请的交叉引用

本申请要求于2021年2月22日申请的美国临时申请63/151,896和于2022年2月16日申请的美国非临时专利申请第17/673,536号的优先权。其内容通过引用以其全部内容并入本文。要求所有可用权利，包括优先权的权利。

背景技术

电磁场(EMF)传感器(包括电流传感器，诸如皮尔森(PEARSON)线圈等)在本领域中是众所周知的。如图1至图2B所示，电压、电流和阻抗传感器S可以包括壳体30，壳体30具有用于接纳一定长度的同轴电缆的中心孔32，同轴电缆包括中心导体A和设置在中心导体A内的圆柱形绝缘层B。圆柱形绝缘层B可由电介质材料形成，该电介质材料可以包括例如PTFE、陶瓷等。在凹槽34、36内装配有电压/电流感测电路板(未示出)，该电压/电流感测电路板包括电容板和/或磁回路，该电容板和/或磁回路与中心导体A平行地布置在其相对侧上并用于感测中心导体A的电特性。

常规EMF传感器需要精确组装和持续维护以确保传感器S的准确度。调谐和维护是重要的，因为中心导体A相对于圆柱形绝缘层B的未对准可能导致传感器的耦合系数和特性阻抗以及同轴结构的内部导体和外部导体的同心度的改变。例如，气穴或几何形状中的其他缺陷将引起传感器的有效耦合系数和特性阻抗的变化。与正确对准(校准)的EMF传感器相比，未对准的EMF传感器将被不同地读取。在此示例中，因为空气是电介质或绝缘体，所以中心导体A与外部导体之间的分离(或实现的介电常数或同心度的任何改变)将可能导致不正确的读数，因为对此传感器的校准将不再正确，因为耦合系数和特性阻抗与经校准的耦合系数及特性阻抗将不同。

即使利用正确的组装，随着时间的推移，可能由温度变化或其他负载或应力源引起的施加在中心导体A上的力(例如，轴向力和径向力)将导致中心导体A相对于绝缘体层B的相对移动。中心导体A相对于绝缘体层B的这种相对移动可能导致耦合系数和特性阻抗的改变。在这个示例中，中心导体A的远离绝缘体层B的间隔可由中心导体A与绝缘体层B之间的气穴引起。如果应力显著，则可能出现大量气隙并且还可能导致可能损坏传感器本身或甚至附近的设备的电弧。

因此，持续需要改进的设计以促进较不易出错的组件，该组件在中心导体A与绝缘体层B之间将不具有(或允许随时间发展)间隙以及耦合系数和特性阻抗的改变。本公开提供了上述问题的解决方案并且提供了其中所施加的力(例如，轴向力和径向力)可以实际上导致中心导体A与绝缘体层B之间更紧密的配合的实施例。

应当理解的是，提供背景技术以帮助理解本发明，并且背景技术部分中的任何内容都不应被解释为与本文所描述的发明相关的现有技术的承认。

发明内容

在实施例中，电磁场传感器可以包括：壳体，壳体包括延伸穿过该壳体的开口；电介质元件，该电介质元件包括具有第一内部空间的第一区段和具有第二内部空间的第二区段，电介质元件被接纳在壳体的开口内；以及导体，该导体设置在电介质元件的第一内部空间和第二内部空间内并且接近该电介质元件的该第一内部空间和该第二内部空间，导体包括限定第一截头体形状部的第一部分和限定第二截头体形状部的第二部分，第一内部空间接纳导体的第一部分，第二内部空间接纳导体的第二部分。

下面参考附图更详细地描述本公开的这些和其他方面。

附图说明

图1是根据现有技术的EMF传感器的分解剖视图。

图2A和图2B是图示出图1的传感器的传输线结构的端剖视图和侧剖视图。

图3A是根据本公开的传感器的立体图。

图3B是图3A的传感器的第一侧截面视图。

图4A是图3A的传感器的第二侧截面视图。

图4B是用于图3A的传感器的图4A的视图的分解图。

图5A描绘了图3A的传感器的分解分层视图的第一立体图。

图5B描绘了用于图3A的传感器的图5A的分解分层视图的第二立体图。

图6描绘了包括本公开的传感器的组件的分解图。

图7是图3A的传感器的中心导体的示意图。

图8是根据本公开的实施例的匹配网络的示意性表示。

图9是根据本公开的实施例的等离子处理装置的示意性表示。

具体实施方式

将参考附图描述本公开的不同实施例和方面。以下描述和附图是对本公开的说明并且不应被解释为限制本公开。描述了许多具体细节以提供对本公开的各种实施例的透彻理解。然而，在某些情况下，未描述熟知或常规细节以便提供对本公开的实施例的简要讨论。如在提供附图的实践中广泛认可的，附图不必相对于彼此按比例绘制，并且在不同的视图中，相同的元件被给予相同的附图标记。

图3A至图5B描绘了电磁场传感器100的不同立体图、剖视图和分解剖视图。传感器100可用于任何电磁场，包括例如射频(RF)。传感器100是电磁场感测装置，该电磁场感测装置可以用于匹配网络(以下参照图8讨论的一个示例)中或可以连接至RF发生器的控制器。例如，传感器100可以电耦接至将RF功率供应至匹配网络(参见图8)的RF功率发生器(未示出)。控制器(未示出)可以被配置为控制RF功率发生器。传感器100可连接在控制器与RF功率发生器之间。

现在参考图4A至图4B，当组装传感器100时，传感器100的部分可以被配置在壳体内，该壳体包括在传感器100的零部件的组装期间耦接在一起的多个区段。一对电磁耦合器、EM耦合器(拾取结构，其可以是印刷电路板“PCB”的形式或以其他方式构造)可以被固定为传感器100的功能层。EM耦合器(在这个示例中，上耦合器是导电板成型环108，下耦合器是导电板成型环110(也参见图5A至图5B))然后可以各自电耦接至电输入端，该电输入端可以耦接至匹配网络(参见图8)的电源(未示出)。在完全组装状态下，第一电介质116A和第二电介质116B可以彼此耦接以各自限定单个电介质元件的第一部分和第二部分，该单个电介质元件被固定并且被防止在由壳体和壳体中的其他部件限定的内部空间内移动。

中心导体114可以沿着竖直延伸的y轴线130设置。如图5A所图示的，y轴线130延伸穿过限定在第一壳体区段102内的孔102a、限定在中间壳体区段104内的孔104a以及限定在第二壳体区段106内的孔106a。孔102a、104a和106a中的每个孔的中心沿着竖直延伸的y轴线130对准。因此，存在包括第一壳体区段、中间壳体区段和第二壳体区段(分别为102、104和106)的三个分层壳体区段。

如图5A所图示的，中心导体114的第一部分114A可以被接纳在第一电介质116A的内部空间115A内，并且中心导体114的第二部分114B可被接纳在第二电介质116B的内部空间115B内，使得中心导体114被设置成与分别限定第一电介质116A和第二电介质116B的内部空间115A、115B的表面紧密接触。中心导体114的第一部分114A可以摩擦装配在第一电介质116A的内部空间115A内。此外，内部空间115B可以接合中心导体114的表面(对应于表面717E、717F(见图7))以将中心导体114维持在第二电介质116B的内部空间115B内。

参考图5A至图5B说明传感器100的组装方法。参考图5B的分解图，环110安装到第二区段106。环110可以是磁场拾取结构，该磁场拾取结构包括具有垂直于Y轴线130的横截面的法向矢量的线回路。接下来，具有凹形区段的环108安装在第一区段102内。环108可以是电场拾取结构。从图5A中可以看出，表面108A通过第一电介质116A暴露于中心导体114，从而形成电容结构。因此，与中心导体114的电容耦合允许环108感测电场。

可以将第二电介质116B放入第二区段106中(即，对准并插入在孔106A内)。中间区段104然后可以安装到第二区段106。中心导体114然后可以放置在第二电介质116B内。第一电介质116A可以放置在中心导体114的顶部上。最后，第一区段102(环108安装在内部)可以放置在中间区段104上。以这种方式，图5A至图5B中所示的部件可以分层并互锁以形成如图3A至图3B所示的传感器100。

当完全组装时，第一电介质116A和第二电介质116B对准，使得第一电介质116A的表面116X(参见图5B)和第二电介质116B的表面116Y(参见图5A)彼此靠近。而且，由于不同部件的形状相对于组装的传感器100的相邻部分具有互补的斜置侧面，径向力和轴向力可以倾向于随时间推移(例如，在使用时)将相邻部件“推”在一起。如上所述，具有不同部件的紧密对准可以允许传感器100的准确度随时间推移而维持。

图6描绘了传感器组件600的分解图，以图示贯穿本公开所讨论的传感器100的另一视图和实施方式。如传感器组件600中所示，传感器部件605图示了电介质116(传感器部件605的外部部分)和内部导体114(其是传感器部件605的内部部分)的另一示例。如在此示出的，传感器部件605可以被封装在壳体内，该壳体包括拾取部以变得可操作。传感器组件600仅是传感器100如何可以被封闭的一个示例，并且其他实施方式是可能的。

在传感器组件600的示例中，存在上部壳体610、中间壳体615和底部壳体620。在这个示例中，上部壳体610是上文所讨论的第一区段102的示例；中间壳体615是上文所讨论的中间区段104的示例；并且底部壳体620是上文所讨论的第二区段106的示例。

在传感器组件600中，还存在一对电磁耦合器。在这个示例中，上部耦合器是导电板630并且像以上所讨论的环108一样起作用。而且，在这个示例中，下部耦合器是导电板640，并且像以上所讨论的环110一样起作用。通常，EM耦合器可以是“拾取”结构，其可以是基于印刷电路板“PCB”的或以一些其他方式制成的。导电板630、640中的每个导电板可以被固定为整体结构的层。EM耦合器然后可以各自电耦合到相应的输入端，诸如用于导电板630的电输入端631和用于导电板640的电输入端641等。在使用中，输入端可以耦接至电源(未示出)。当完全组装时，与图6的分解图相反，整体结构的分层部件可以彼此靠近，如图4A所图示的它们相应的部件。

如本文使用的，截头体形状部是指一种结构，该结构通常具有锥体的截头体的特征。当锥体被平行于锥体基底的平面分成两个部分时，锥体的截头体是锥体的没有顶点的部分。锥体的截头体的另一名称是截锥体。截头体形状部可以是实心的，如针对中心导体114(其由上截头体和下截头体制成)所示，或者截头体形状部可以是中空的(类似于冰淇淋锥体)，如针对第一电介质116A及其反向的第二电介质116B所示。如图7中所图示的，两个反向的截头体形状部将形成多边形的二维轮廓。在本公开的所图示的实施例中，上截头体和下截头体中的每一个共享大直径尺寸并在那里的边缘会合(参见图7在角度f和c处)。然而，设想大直径尺寸可能不是共享的。在上截头体和下截头体的大直径不同的情况下，在两个反向的截头体会合的表面处将存在“壁架”或“悬垂部”。而且，在大直径尺寸不同的情况下，形成于第一电介质116A和第二电介质116B内的内部腔将被改变以符合插入其中的中心导体114的相应部分的形状。

图7是图示了中心导体714的形状的示意图，该中心导体可以提供与以上讨论的中心导体114相同的功能。注意，图7是相对于它们各自的大直径彼此相邻地定位的一对反向的截头体形状部的二维表示。因此，中心导体714在这个图中表现为二维多边形。该二维表示是用于讨论的目的，并且不旨在反映所公开的中心导体114的实际实施方式。如所图示的，存在可以改变的各种部段长度和角度而不脱离本发明的整体范围。注意，元件714A至元件714B与上述中心导体114的元件114A至元件114B相关。

如图7中所图示的，图7图示了中心导体714的截面视图，中心导体714的第一部分714A通常限定第一截头体形状部(以上称为上截头体)。同时，中心导体714的第二部分714B通常限定第二截头体形状部(以上称为下截头体)。注意，第一截头体形状部和第二截头体形状部中的每个相对于彼此是反向的，并且因此共享由它们相应的大直径(其将代表它们对应的锥体形状部的基底)限定的表面。

第一部分714A的第一截头体形状部限定具有第一小直径(通常由线段X1标识)的第一表面717A，并且第二部分714B的第二截头体形状部限定具有第二小直径(通常由线段X2标识)的第二表面717B。在一些实施例中，第一小直径和第二小直径(X1、X2)可以相等。然而，在其他实施例中，第一小直径(X1)可以大于第二小直径(X2)或者第一小直径(X1)可以小于第二小直径(X2)。

中心导体714限定沿着y轴线130的竖直高度，该竖直高度沿着中心导体714的长度延伸。第一部分714A可以具有沿着中心导体714的长度的竖直高度，该竖直高度因实施方式而异。例如，第一部分714A和第二部分714B不必准确地表示中心导体714的一半。在一些情况下，第一部分714A的高度是以下之一：中心导体的总高度的50％、60％、70％、80％或90％或其间的任何中间值(+/-5％)，随之第二部分714B是总高度的100％的剩余部分。

第一部分714A的第一截头体形状部还具有侧表面717C、717D，每个侧表面具有相应的倾斜长度(通常由长度相等的线段Y1、Y2标识)。第一表面717A和第二表面717B彼此相对，使得第一截头体形状部和第二截头体形状部在它们的接合处共享共同的大直径。

第二部分714B的第二截头体形状部具有侧表面717E、717F，每个侧表面具有相应的倾斜长度(通常由长度再次相等的线段Z1、Z2标识)。设置在中心导体714的相应表面(侧表面会合之处)之间的角被标识为角A至角F。针对不同实施例，第一截头体形状部和第二截头体形状部的特定尺寸可以被优化，以抑制中心导体114的相对移动。具体地，针对使用期间可能经历的预定的轴向力和径向力，中心导体114相对于第一电介质和第二电介质116A、116B的移动可以被最小化。取决于使用期间预期的力的类型和量，可能需要不同的角度。

通过完全组装的传感器100，第一电介质116A的内部空间115A具有与第一部分714A(或上述的114A)的截头体形状部近似并且对应的形状，并且第二电介质116B的内部空间115b具有与第二部分714B(或上述的114B)的截头体形状部近似并且对应的形状。中心导体714(上述的114)的角的形状以及电介质116A、116B的与第一截头体形状部和第二截头体形状部的表面对准的相应内表面115A、115B导致中心导体714(上述的114)以紧密布置方式与相应对应的表面自对准。具体地，第一电介质116A的内表面115A将邻接与图7中的717C和717D相关联的表面。而且，第二电介质116B的内表面115B将邻接与图7中的717E和717F相关联的表面。

与现有技术相比，应注意的是，如果中心导体和绝缘材料的所有表面都相对于彼此平行(如现有技术图1至图2A至图2B中所图示的)，则将要求零件上的径向公差。如上所说明的，需要径向公差来抑制在中心导体(图1中的A)和对应电介质(图1中的B)的相应表面之间形成任何间隙。在传感器100的所公开的实施例中不存在这些影响。

有利地，当轴向力或径向力可以相对于第一电介质116A和第二电介质116B的其中设置有中心导体114的相应内表面115a、115b施加至中心导体114时，如上所述的中心导体114的独特形状导致中心导体相对于内表面115a、115b的更紧密和更靠近的相互作用。这优于先前描述的传感器S，其中，导体A限定圆柱形形状并设置在绝缘材料B的对应内部形状内，其中，导体A与绝缘材料B之间的轴向力和/或径向力将导致形成非均匀电介质(例如，可能由气隙引起)。如上所说明的，传感器的绝缘材料和导体元件的有效电介质变化或未对准将导致错误的读数或测量。

本公开提供了中心导体114和电介质材料116A、116B的相对轴向力和/或径向力，以便实际上产生更紧密的配合。该配合也是“自变紧的”，并且因此传感器100在组装期间正确地对准并且能够在其寿命周期中维持其准确度和校准。

转向图8，根据本公开的实施例图示了可以结合本文所讨论的传感器100的实施方式的匹配网络的示意性表示。在这个实施例中，匹配网络800(诸如以上提及的那些等)被图示为具有匹配分支805和分路器分支810。匹配分支805从输入端815接收射频功率。匹配分支805的第一可变电容器820从输入端815接收射频功率。第一可变电容器820可以包括额定为大约10-2000pF的电容器。诸如以上所讨论的传感器100等的传感器也可以定位在输入端815处。

第一可变电容器820连接到第二电容器825，该第二电容器连接到地830。第二电容器825还连接至第三可变电容器835。第三可变电容器835可以包含额定为大约10-2000pF的电容器。第三可变电容器835还连接到电感器840，电感器840进一步连接到分路器分支810。

分路器分支810接收来自匹配分支805的射频功率，该匹配分支将所接收的射频功率分路在第四可变电容器845与第五可变电容器850之间。第四可变电容器845的额定电容可以在大约10-2000pF，而第五可变电容器850的额定电容可以在大约10-2000pF。

第五可变电容器850连接到内部线圈855。在第五可变电容器845与内部线圈855之间，可以设置一个或多个传感器860。传感器860(可以使用传感器100来实施)可以用于测量例如第五可变电容器850与地875之间的电压。类似地，第四可变电容器845连接到外部线圈865。在第四可变电容器845与外部线圈865之间，可以设置一个或多个传感器870。传感器870(其还可以使用传感器100来实施)可以用于测量例如第四可变电容器845与地890之间的电压。

内部线圈855可以进一步连接至地875，并且外部线圈865可以连接至包括传感器880(还可以使用传感器100来实施)和第六电容器885的电路。传感器880可以用于测量例如外部线圈865和地890之间的电压。内部线圈855和外部线圈865可以位于匹配网络800电路的外部，如由偏移框895所显示。

图8中所图示的电路可以用于调谐第一可变电容器820、第三可变电容器835、第四可变电容器845和第五可变电容器850。通过调谐第一可变电容器820、第三可变电容器835、第四可变电容器845和第五可变电容器850，可调整提供到内部线圈855和外部线圈865的功率。

可以使用可编程逻辑控制器(未示出)来控制电路，该电路在一个实施例中可以在匹配网络800中被用作电流分流比匹配网络，该可编程逻辑控制器可以设置在匹配网络800中或以其他方式连接至该匹配网络。合适的可编程逻辑控制器包括许多不同类型的印刷电路板(PCB)控制器(有时称为处理器)。

在其他实施例中，匹配网络800的电路可以包括更少或附加的部件，并且该电路的取向可以不同。例如，可以存在更少或更多数量的可变电容器、电感器、传感器等。此外，在某些实施例中，线圈、天线等的不同取向可以用于向反应室(图8中未示出)提供调谐的射频功率。本文中公开的系统和方法可以使用电感耦合等离子(“ICP”)、电容耦合等离子(“CCP”)、螺旋波源(“HWS”)、或任何其他等离子处理装置。

转向图9，示出了根据本公开的实施例的射频等离子处理装置900的示意性表示。在这个实施例中，射频等离子处理装置900包括射频发生器905。射频发生器905被配置为向反应室910提供功率。射频发生器905可以以约400KHz至约150MHz的射频提供功率。在某些实施例中，第二射频发生器(未示出)也可以存在于射频等离子处理装置900内，并且可以以与射频发生器905相同、低于该射频发生器或高于该射频发生器的射频提供功率。

反应室910可以包括允许对制造操作进行处理的不同部件，诸如与半导体行业相关联的那些部件等。反应室910可以包括用于测量反应室910内发生的某些性质的一个或多个传感器(未示出)。反应室910还可以包括基座(也未示出)，在操作期间，待制造的基板可以放置在基座上。反应室910还可以包括或以其他方式连接至线圈(未单独示出，诸如上文所论述的那些线圈等)以及喷头等。

射频等离子处理装置900还可以包括匹配网络915(匹配网络800的示例在以上图示和讨论)。匹配网络915可以位于射频发生器905和反应室910之间。匹配网络915可以包括可变电容器(未示出)以及其他部件，以平衡射频发生器905和反应室910之间的阻抗，如以上更详细地讨论的。在操作期间，可以例如通过调整电容器位置来调谐匹配网络，以便提供匹配阻抗。

在操作期间，当功率从射频发生器905供应至反应室910内的等离子(未示出)时，可能出现诸如功率可以从反应室910反射的状况。这种反射功率可以导致不期望的状况，这导致低效率的处理、对基板的损坏、对射频等离子处理装置900的部件的损坏等。为了解决该状况并提高射频处理装置900的可操作性，调谐模块937包括可编程逻辑控制器935，该可编程逻辑控制器可向匹配网络915提供指令以调整电容器位置，由此提供匹配阻抗以使反射功率最小化。可编程逻辑控制器935可以连接到存储装置940以存储在操作期间获得的这些指令或数据。

在操作期间，可编程逻辑控制器935可以识别匹配网络915内的电容器。识别可以自动发生或由操作者控制。随着识别电容器，可以测量匹配网络作为整体的阻抗。测量匹配网络915作为整体的阻抗(例如，通过使用遍及匹配网络分布的一个或多个传感器100)可以包括测量匹配网络915内的一个或多个电容器和/或其他部件的多个阻抗值。然后可以将电容器从零步长值驱动到较高步长值以增加其电容并且由此调谐网络(例如，减少功率反射)，该零步长值表示在其可用范围内的最小电容点。

虽然已经参照本公开的不同实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员将理解，可以在其中做出形式和细节上的不同改变而不脱离由所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围。换言之，在本说明书和附图中公开的各种示例性实施例仅是便于理解本公开的各个方面的具体实施例，并且不旨在限制本公开的范围。例如，可以修改或改变步骤的特定顺序而不脱离本公开的范围和精神。因此，本公开的范围不由本公开的详细描述限定，而是由所附权利要求限定，并且范围内的所有差异应被解释为包括在本公开中。