一种改进型低温泵

技术领域

本发明涉及真空泵技术领域，具体涉及一种改进型低温泵。

背景技术

低温泵尤其其较高的真空度、较高的清洁度以及气体容量大、抽气速率快等优势，逐渐广泛应用于半导体和集成电路的研究和生产，以及分子束研究、真空镀膜设备、真空表面分析仪器、离子注入机和空间模拟装置等行业领域。尤其是真空镀膜，需要在高真空的条件下加热金属或非金属材料，使其蒸发并凝结于镀件(金属、半导体或绝缘体)表面而形成薄膜，因此对稳定的真空度环境需求较高。目前低温泵在使用过程中，容易发生温度或真空度的波动，影响镀膜的加工精度，同时在制冷气体中容易存在有杂质，影响真空度；需要对低温泵内部经常清理，操作步骤比较繁琐，拆装不方便，影响工作效率。现在的低温泵技术很多还依赖进口，因此研究一种装配简单、方便操作和维护的低温泵结构具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改进型低温泵，以解决上述背景技术中存在的现有技术问题。

为解决上述的技术问题，本发明提供的技术方案为：提供了一种改进型低温泵，包括外壳体、冷屏、冷伞以及制冷装置；所述外壳体设置为一端开口的中空结构，所述冷屏固定设置在外壳体的内部且结构相适配，所述冷伞设置在冷屏内，所述冷伞的表面涂覆有吸附剂，所述制冷装置与冷伞连接，为冷屏内提供制冷作用。

在上述技术方案基础上，所述制冷装置包括一级冷头、二级冷头以及驱动机构，所述一级冷头用于冷却冷屏，所述二级冷头用于冷却冷伞，所述一级冷头内设置有一段活塞，所述二级冷头内设置有二段活塞，所述二段活塞固定设置在一段活塞的顶端，所述一段活塞的末端连接有驱动机构，所述一级冷头和二级冷头内流动有制冷气体。

在上述技术方案基础上，所述一段活塞内部设置有多层铜网，所述铜网内填充有铅粒，所述一段活塞和/或二段活塞的两端设置有进气孔和出气孔。

在上述技术方案基础上，所述驱动机构包括驱动马达、偏心轴、偏心轮以及驱动框架，所述偏心轴由驱动马达驱动转动，所述偏心轮固定套设在偏心轴上，所述偏心轮设置在驱动框架中，所述驱动框架与一段活塞连接。

在上述技术方案基础上，所述冷伞包括第一冷伞结构和第二冷伞结构，所述第二冷伞结构设置在第一冷伞结构的顶端；所述第一冷伞结构包括多个第一冷伞片且从上至下依次固定设置，所述第二冷伞结构包括多个第二冷伞片，所述第二冷伞片的直径由内向外依次增大。

在上述技术方案基础上，所述第一冷伞片包括一个设置为平面的端面以及一个圆环形的侧面且固定连接，所述端面和侧面之间倾斜设置；所述第二冷伞片由两个镜像设置的圆环片固定拼接而成。

在上述技术方案基础上，所述第一冷伞片均固定设置在冷伞支架上，位于顶端的一个第一冷伞片的端面上开设有多个第一通孔，所述冷伞支架上开设有多个第二通孔。

在上述技术方案基础上，所述吸附剂为改性活性炭或生物质炭。

在上述技术方案基础上，所述驱动机构上设置有减震器或隔振器。

在上述技术方案基础上，还包括加热装置，所述加热装置设置在气缸壳体内且端部固定设置在二级冷头的首端，所述气缸壳体固定设置在外壳体的一侧且贯通连接，所述一级冷头和二级冷头设置在气缸壳体内。

在上述技术方案基础上，所述外壳体上设置有吹气阀，所述吹气阀的输出端设置在冷屏内。

在上述技术方案基础上，还包括检测装置设置在外壳体上，所述检测器装置包括温度检测器和真空度检测器。

本发明提供的技术方案产生的有益效果在于：

1、本发明中提供了一种改进型低温泵，尤其适用于半导体行业中芯片镀膜等加工过程中，提供纯净的真空环境且真空度可达到10

2、本申请制冷装置中冷头的活塞中填充有铅粒，具有蓄冷吸热的作用，实现通过的氦气的换热，减少温度和真空度的漂移和波动，保证加工环境的稳定性；尤其内部填充的铅粒还具有过滤的作用，在氦气的流动过程中，可以实现氦气中杂质的清除，改善氦气的做功效率。

3、本申请的冷伞结构中通过设置有多个第一冷伞片，配合其上设置的吸附剂，在低温下可以快速对气体中分子进行吸附并提供凝固的位置，实现环境内较高的真空度；所述第二冷伞片也可以吸附相应的气体分子，还可以有效减少气体直流直接冲击第一冷伞结构，同时第二冷伞片倾斜设置且由对称的两片拼接而成，可以对环境的中热辐射进行反射，避免温度对真空度的不利影响，从而进一步保证整体的真空度需求。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明中外壳体与冷屏的剖面视图；

图3是本发明中制冷装置的结构示意图；

图4是图3的内部剖面视图；

图5是本发明中冷伞的结构示意图；

图6是本发明中第一冷伞结构的结构示意图；

图7是本发明中第一冷伞片的结构示意图；

图8是本发明中第二冷伞结构的结构示意图；

图9是本发明中第二冷伞片的结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，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，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。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发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、等指示的方位或位置关系均为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指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发明的限制。

实施例1

如图1至图9所示，一种改进型低温泵，包括外壳体1、冷屏2、冷伞3以及制冷装置；所述外壳体1设置为一端开口的中空结构，所述冷屏2固定设置在外壳体1的内部且结构相适配，所述冷伞3设置在冷屏2内，所述冷伞3的表面涂覆有吸附剂，所述制冷装置与冷伞3连接，为冷屏2内提供制冷作用。

本发明中提供了一种改进型低温泵，尤其适用于半导体行业中芯片镀膜等加工过程中，提供纯净的真空环境且真空度可达到10

如图2所示，所述外壳体1与冷屏2之间设置有间隙，所述冷屏2的一端设置有通孔，所述冷屏2的高度小于外壳体1的高度。

在一个优选的实施例中，在外壳体1与冷屏2之间设置有间隙，形成辅助的气体通道，这样气体在流动过程中通过冷伞结构进入内部，气体可以直接进入冷伞结构，同时也有部分气体可以通过辅助的气体通道以及通孔进入冷伞结构，这样可以使得气体分子快速有效地得到吸附和凝固。

在上述技术方案基础上，所述制冷装置包括一级冷头4、二级冷头5以及驱动机构6，所述一级冷头4用于冷却冷屏2，所述二级冷头5用于冷却冷伞3，所述一级冷头4内设置有一段活塞41，所述二级冷头5内设置有二段活塞51，所述二段活塞51固定设置在一段活塞41的顶端，所述一段活塞41的末端连接有驱动机构，所述一级冷头4和二级冷头5内流动有制冷气体。

具体的，所述一级冷头4与冷屏2热接触，所述二级冷头5与冷伞3热接触，其中，所述二级冷头5的首端通过固定架与冷伞支架33固定连接；冷头内部的一段活塞41和二段活塞51在往复运动过程中，带动制冷气体做功，膨胀吸热制冷，实现冷屏2和冷伞3的温度降低至所需温度，从而实现对环境中气体分子的吸附和凝固，达到所需的真空度需求。

在上述技术方案基础上，所述驱动机构6包括驱动马达61、偏心轴62、偏心轮63以及驱动框架64，所述偏心轴62由驱动马达61驱动转动，所述偏心轮63固定套设在偏心轴62上，所述偏心轮63设置在驱动框架64中，所述驱动框架64与一段活塞41连接。

其中，所述驱动框架64呈中字型设置；所述驱动马达61带动偏心轴62及其上的偏心轮63运动，带动驱动框架64往复运动，从而带动一段活塞41和二段活塞51的往复运动，对氦气进行做功，压缩氦气在压缩和膨胀过程中吸热，降低一级冷头4和二级冷头5的温度，冷屏2和冷伞3中实现低温状态，从而实现冷伞结构在低温状态下对气体中分子的吸附。

所述制冷气体通过气体控制装置7实现进出气控制，所述气体控制装置7包括底座71、进气阀、出气阀以及阀门开关72，所述底座71与冷头底座10固定连接，所述冷头底座10固定设置在一级冷头4的末端，所述进气阀、出气阀分别设置在底座71内，所述阀门开关72分别对应进气阀、出气阀设置，控制进气阀和出气阀的开和关。

所述阀门开关72包括时阀摆臂721、顶针722以及偏心轴承723，所述时阀摆臂721一侧通过顶针722与进气阀或出气阀连接，另一侧与偏心轴承723抵接，所述偏心轴承723套设在偏心轴62上。

可以理解的是，所述偏心轴62上对应进气阀和出气阀套设有两个偏心轴承723，相应的，时阀摆臂721设置有两个即分别对应设置在进气阀或出气阀的一侧，驱动马达驱动偏心轴62转动过程中，其上不同的偏心轴承62在运动过程中驱动不同的阀门，实现进气或出气的过程。

在上述技术方案基础上，所述冷伞3包括第一冷伞结构和第二冷伞结构，所述第二冷伞结构设置在第一冷伞结构的顶端；所述第一冷伞结构包括多个第一冷伞片31且从上至下依次固定设置，所述第二冷伞结构包括多个第二冷伞片32，所述第二冷伞片32的直径由内向外依次增大。

本申请的冷伞结构中通过设置有多个第一冷伞片31，配合其上设置的吸附剂，在低温下可以快速对气体中分子进行吸附并提供凝固的位置，实现环境内较高的真空度；所述第二冷伞片32也可以吸附相应的气体分子，还可以有效减少气体直流直接冲击第一冷伞结构，同时第二冷伞片32倾斜设置且由对称的两片拼接而成，可以对环境的中热辐射进行反射，避免温度对真空度的不利影响，从而进一步保证整体的真空度需求。

上述提及的上是根据靠近外壳体开口的一侧进行定义的，相反远离外壳体开口的一侧为下；内、外是根据靠近冷屏内侧壁的方向为外，远离冷屏内侧壁的方向为内进行定义的；上述方向的描述仅是为了方便对技术方案的理解和描述，并不构成对本申请的限制。

在上述技术方案基础上，所述第一冷伞片31包括一个设置为平面的端面311以及一个圆环形的侧面312且固定连接，所述端面311和侧面312之间倾斜设置；所述第二冷伞片32由两个镜像设置的圆环片321固定拼接而成。

优选的，所述第一冷伞片31中端面311与侧面312之间的夹角设置为钝角。冷伞的侧面可以反射一部分热辐射，减少热量对温度以及真空度的不利影响，减少真空度的波动。

所述第一冷伞片31均固定设置在冷伞支架33上，所述冷伞支架33与制冷装置固定连接；所述第二冷伞片32之间通过固定杆34连接，所述固定杆34的自由端固定设置在冷屏2内侧壁上。

如图所示，除了位于最顶端的一个第一冷伞片31外，其它的第一冷伞片31的侧面上设置有缺口，主要是为了适配制冷装置中冷头部分的安装；其他的第一冷伞片31的中心位置均设置有开口，径向上形成通槽，所述冷伞支架33设置在通槽内，方便对第一冷伞片31进行固定，同时也促进气体的快速流动及其包含的分子的吸附和凝固。

在上述技术方案基础上，所述第一冷伞片31均固定设置在冷伞支架33上，位于顶端的一个第一冷伞片31的端面上开设有多个通孔，所述冷伞支架33上开设有多个通孔。

通过设置有冷伞支架33，可以辅助多个第一冷伞片31的固定与拆装，配合其上设置的通孔，方便气体的流动以及带动环境中存在的分子进行更加全面的吸附，满足高真空度要求的真空环境。

在上述技术方案基础上，所述吸附剂为改性活性炭。本实施例中，所述改性活性炭的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：将活性炭放在网筛上进行筛选，得到更加均匀的活性炭；

步骤二：将步骤一中得到的活性炭放置在烧杯中，加入酸溶液进行搅拌，在搅拌过程中进行升温，保持在120℃持续搅拌30min；

步骤三：将步骤二中得到的溶液进行过滤，用去离子水反复洗涤至中性，并烘干后得到改性活性炭。

其中酸溶液采用稀盐酸溶液；通过筛选，得到更加均匀的活性炭；然后通过酸洗的方式可以对活性炭中掺杂的金属杂质或活性炭表面的灰尘等杂质。通过对活性炭进行活化改性操作，使得活性炭表面更加光滑，同时还会出现更多更小的孔洞，可以有效改善活性炭的吸附效果，实现对气体分子

在本实施例中，所述冷屏2的内侧壁上还均匀设置有多个辅助屏障板，多个辅助屏障板一端均匀固定设置在冷屏2上，另一端向冷伞3部分延伸且设置有间隙。

在优选的实施例中，在冷屏2的内侧壁上设置有多个辅助屏障板，可以辅助对气体分子进行吸附和凝固，快速实现真空状态，同时还可以对产生的热辐射进行反射，避免温度产生较大的漂移，影响真空环境的稳定性。

所述第一冷伞片31与第二冷伞片32的冷凝温度不同。

所述第一冷伞片31和第二冷伞片32的外表面均涂覆有吸附剂，更优选的，本实施例中吸附剂为活性炭，在有限空间内，可以快速对分子进行吸附并凝固在其上，形成高真空状态。在优选的实施例中，所述第一冷伞片31的冷凝温度为15K，所述第二冷伞片32的冷凝温度为80K，第二冷伞结构的设置可以有效减少气体直流直接冲击第一冷伞结构，可以先吸附一部分分子，然后气体再进入第一冷伞结构之后再进行对分子更进一步的吸附和凝固；同时根据第一冷伞片31和第二冷伞片32的冷凝温度不同，第一冷伞片31和第二冷伞片32分别对腔室内不同种类的分子进行吸附，吸附更加完全，从而确保需要的真空度环境。

在上述技术方案基础上，所述驱动机构6上设置有减震器或隔振器。

优选的，通过在驱动马达61上设置有减震器或隔离器，减少驱动马达61在工作过程产生的振动传递，避免对工艺腔室内芯片的加工造成的不利影响，保证加工精度，同时也有效改善作业环境。

更优选的，本实施例中的减震器为橡胶减震器、弹簧减震器或气垫减震器的一种。所述隔振器为主动隔振器、橡胶隔振器、空气弹簧隔振器、气垫隔振器中的一种。尤其是主动振动器，可以主动消除振动的装置，通过实时监测并采集振动信号，并通过内置的控制系统产生相位和幅度相反的抗振动力，从而达到消除振动的效果。

在上述技术方案基础上，还包括检测装置12设置在外壳体1上，所述检测器装置12包括温度检测器和真空度检测器。

所述真空度检测器采用真空规，用于对泵内真空度的检测；所述温度检测器采用温度传感器，优选的可以采用硅二极管测温传感器，实现温度的精准检测，尤其是低温泵中10K即-263.15℃的低温检测。

使用时，将本发明中的低温泵挂设在芯片加工工艺腔室简称工艺腔上，根据实际使用需求，可以在工艺腔上设置有多个低温泵设备，以保证工艺腔内的真空度；通过压缩机对氦气进行加压并输送至低温泵内，氦气进出管对应设置在进气阀和出气阀上，实现氦气的进气和出气的过程；然后在驱动机构的驱动作用下，一段活塞和二段活塞实现往复运动，氦气膨胀吸热制冷，实现一级冷头、二级冷头、冷屏以及冷伞的低温状态，需要达到10K263.15℃的温度，将换热后的氦气排出；在接近绝对零度的低温状态下，冷伞上附着的吸附剂可以对环境中气体分子进行吸附并凝固，形成较高的真空度环境，可实现10

实施例2

在上述技术方案基础上，本实施例中，所述一段活塞41内部设置有多层铜网42，所述铜网42内填充有铅粒，所述一段活塞41和/或二段活塞51的两端设置有进气孔和出气孔。

可以理解的是，所述铜网42的网格直径小于铅粒的直径，这样可以限制铅粒的范围。

优选的，所述制冷气体为氦气；通过在一段活塞41或二段活塞51或两个活塞上均设置有进气孔和出气孔，实现制冷气体在一段活塞41或二段活塞51内流动；其中尤其是流经一段活塞41的内部时，优选的本实施例中在一段活塞41中设置有铅粒和多层致密的铜网42，具有蓄冷吸热的作用，实现通过的氦气的换热，减少温度和真空度的漂移和波动，保证加工环境的稳定性；尤其内部填充的铅粒还具有过滤的作用，在氦气的流动过程中，可以实现氦气中杂质的清除，改善氦气的做功效率。

优选的，所述一段活塞41与二段活塞51需要保持较高的同轴度，同时气缸壳体11的内侧壁需要保持较高的光滑度和光洁度，以实现进出氦气的均匀性，减少运行噪音以及制冷效果。

所述一段活塞41和二段活塞51的外壳采用胶木材质制成，其耐磨性能、耐低温和耐压性能较好。

上述提及的首端和末端是根据靠近冷伞位置的方向为首端，相反则为末端进行定义的，仅是为了方便对本技术方案的理解和描述，并不构成对本申请的限制。

实施例3

本实施例中，所述吸附剂为生物质炭，所述生物质炭的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，将收集的生物质材料，进行清洗并烘干；

步骤二，将步骤一中得到的生物质材料，放置在管式炉中煅烧，在惰性气氛下500℃热处理6h得到生物质炭材料；

步骤三，将步骤二中得到的生物质炭材料研磨得到最终的生物质炭。

所述生物质材料包括但不仅限于栗子壳、核桃壳、椰子壳、秸秆。

本实施例中采用生物质作为基础原料制备吸附炭物质，原料广泛且制备方法简单，稳定性好，在低温状态下可以实现对气体分子进行吸附，达到所需的真空度。

实施例4

在上述技术方案基础上，本实施例中还包括加热装置8，所述加热装置8设置在气缸壳体11内且端部固定设置在二级冷头5的首端，所述气缸壳体11固定设置在外壳体1的一侧且贯通连接，所述一级冷头4和二级冷头5设置在气缸壳体11内。

可以理解的是，所述气缸壳体11与外壳体1贯通，方便二级冷头5与冷伞3之间的装配。优选的，本实施例中，所述加热装置8设置为加热棒，所述加热棒贯穿设置在气缸壳体11内，所述加热棒的一端设置在二级冷头5的首端即位于冷伞3处，方便对冷伞3进行加热，另一端连通有电源。更优选的，所述加热棒通过多个固定片与气缸壳体11固定连接，方便拆装与固定。

通过设置有加热棒，可以对冷头及连接的冷伞3结构进行升温；在需要对低温泵进行再生维护时，将冷伞3内吸附凝固的分子进行释放时，采用加热棒对冷头进行加热，释放真空度，方便进行清除杂质或更换冷伞部件等日常维护，使用更加方便快捷。

在上述技术方案基础上，所述外壳体1上设置有吹气阀9，所述吹气阀9的输出端设置在冷屏2内。

通过在外壳体1上设置有吹气阀9，方便对冷伞3或冷屏2内腔室进行清洁，在低温泵的再生期间，可以辅助冷屏2内部存在的杂质进行及时的清除，操作更加便捷，方便日常维护。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，因此应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。