專利名稱：一種小功率集成微波微等離子體源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及微波等離子體源的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種小功率集成微波微等離子體源。
背景技術(shù)：
小功率微波微等離子體技術(shù)是一項(xiàng)近幾年發(fā)展起來(lái)的集微電子技術(shù)、微波技術(shù)和等離子體技術(shù)于一體的高新技術(shù)，它是隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的。微等離子體包括直流微等離子體、射頻微等離子體和微波微等離子體。當(dāng)放電空間進(jìn)一步減小到納米尺寸時(shí)，就成為納等離子體。由于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)具有低損耗、高隔離、體積小、制造成本低、易與1C、MMIC電路集成等特點(diǎn)，通過(guò)MEMS工藝可以實(shí)現(xiàn)微波等離子體的小功率封裝和有源集成。因此將微波等離子體結(jié)合MEMS工藝可使等離子體的結(jié)構(gòu)和特性發(fā)生巨大 的改變。微波等離子體可廣泛應(yīng)用于新材料、微電子和化學(xué)等高科技領(lǐng)域，隨著微波等離子體的小型化發(fā)展，電路尺寸要求在毫米級(jí)、微米級(jí)甚至納米級(jí)，以前那種厘米甚至米級(jí)的大面積的微波等離子體已不再適用。在微波微等離子體的研究中，小功率微波微等離子體源的結(jié)構(gòu)封裝和系統(tǒng)集成是非常重要的兩個(gè)環(huán)節(jié)。小功率平面螺旋電感耦合微波微等離子體源就是采用MEMS工藝通過(guò)微小功率微波激勵(lì)起微小尺寸的等離子體，如用不超過(guò)I 3瓦的微波功率使氣體電離，產(chǎn)生10毫米甚至O. 2毫米尺寸的等離子體。由于此項(xiàng)技術(shù)在生物MEMS的殺菌消毒、小尺寸材料的處理、微化學(xué)分析系統(tǒng)、微型推進(jìn)器等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景，因而受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。目前國(guó)外使用的小功率微波微等離子體源主要采用900MHz的頻段，輸出功率為4瓦，雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但只能工作在單一頻點(diǎn)和單一功率，即頻率和功率都不可調(diào)。如果微帶平面漸變螺旋電感線圈的結(jié)構(gòu)和頻率發(fā)生變化，則需要重新設(shè)計(jì)功率源的硬件電路。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型克服了上述功率源的缺陷，較好實(shí)現(xiàn)了小功率微波微等離子體源的頻率可調(diào)、功率可調(diào)、功率源保護(hù)以及小型便攜。根據(jù)微波電路理論，采用鎖相環(huán)頻率合成器、可調(diào)衰減器、寬帶功率放大器、環(huán)形器等的系統(tǒng)集成可滿足輻射單元激勵(lì)微波微等離子體的要求。小功率集成微波微等離子體源通過(guò)上位機(jī)程序調(diào)節(jié)頻率，鎖相環(huán)頻率合成器產(chǎn)生微波信號(hào)，電位器調(diào)節(jié)衰減量，寬帶功率放大器放大后的微波功率經(jīng)過(guò)環(huán)形器輸入到微帶平面漸變螺旋電感線圈上，在常壓或低壓條件下激勵(lì)起微波微等離子體。本實(shí)用新型提出了一種小功率集成微波微等離子體源，包括鎖相環(huán)頻率合成器；可調(diào)衰減器，與所述鎖相環(huán)頻率合成器連接；寬帶功率放大器，與所述可調(diào)衰減器連接；[0011]環(huán)形器，與所述寬帶功率放大器連接；平面微帶漸變螺旋電感耦合線圈，與所述環(huán)行器連接。其中，所述鎖相環(huán)頻率合成器的頻率輸出范圍為2. 3GHz至2. 6GHz。其中，所述可調(diào)衰減器的衰減范圍在_2dB至-17dB。其中，所述寬帶功率放大器的功率輸出范圍為+20dBm至+40dBm，峰值功率大于43dBm。其中，所述環(huán)形器的頻率范圍為2. 3GHz至2. 5GHz，插入損耗為O. 25dB至O. 3dB，隔離度為20dB至25dB。其中，所述平面微帶漸變螺旋電感耦合線圈的匝數(shù)為3 ;所述平面微帶漸變螺旋電感稱合線圈的線圈寬度為100 μ m至400 μ m,線圈間距為100 μ m至400 μ m,,所述線圈寬·度與線圈間距由外圈向內(nèi)圈逐漸減小。其中，進(jìn)一步包括匹配負(fù)載；所述匹配負(fù)載與所述環(huán)形器連接。其中，所述匹配負(fù)載的頻率范圍為直流至2. 7GHz,回波損耗大于20dB，功率容量為150瓦。其中，進(jìn)一步包括匹配電路，所述匹配電路連接所述環(huán)形器與平面微帶漸變螺旋電感耦合線圈。其中，所述鎖相環(huán)頻率合成器、可調(diào)衰減器、寬帶功率放大器以及環(huán)形器設(shè)置在屏蔽盒內(nèi)。本實(shí)用新型提供的小功率集成微波微等離子體源是一種激勵(lì)微波微等離子體的裝置，具有頻率可調(diào)、功率可調(diào)、功率源保護(hù)以及小型便攜等優(yōu)點(diǎn)。小型微波功率源與平面微帶漸變螺旋電感耦合線圈的集成使整個(gè)裝置小型化；調(diào)節(jié)上位機(jī)程序使鎖相環(huán)頻率合成器的輸出頻率可調(diào)；改變可調(diào)衰減器的大小使輸出微波功率可調(diào)；而環(huán)形器可減小微波微等離子體的激勵(lì)所帶來(lái)的阻抗不匹配對(duì)小型微波功率源的影響，起到保護(hù)小型微波功率源的作用。

圖I是本實(shí)用新型小功率集成微波微等離子體源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本實(shí)施例中小功率集成微波微等離子體源的電路示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
做進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。如圖1-2所示，I-鎖相環(huán)頻率合成器，2-可調(diào)衰減器，3-寬帶功率放大器，4_環(huán)形器，5-匹配負(fù)載，6-平面微帶漸變螺旋電感耦合線圈，7-匹配電路，8-接口電路，9-USB接口，10-上位機(jī)，21- PIN管，22-3dB電橋，31-驅(qū)動(dòng)放大器，32-末級(jí)寬帶功率放大器。如圖I所示，本實(shí)用新型的小功率集成微波微等離子體源，包括鎖相環(huán)頻率合成器I、可調(diào)衰減器2、寬帶功率放大器3、環(huán)形器4以及平面微帶漸變螺旋電感耦合線圈6。鎖相環(huán)頻率合成器I、可調(diào)衰減器2、寬帶功率放大器3、環(huán)形器4以及平面微帶漸變螺旋電感耦合線圈6依次連接。鎖相環(huán)頻率合成器I用于產(chǎn)生性能優(yōu)良的微波頻率振蕩信號(hào)。可調(diào)衰減器2用于增大微波頻率振蕩信號(hào)功率的可調(diào)范圍。寬帶功率放大器3用于放大輸入的微波頻率振蕩信號(hào)，使之在較寬頻帶內(nèi)達(dá)到足夠的功率電平。環(huán)形器4用于減小微波微等離子體的激勵(lì)所帶來(lái)的阻抗不匹配對(duì)小型微波功率源的影響，起到保護(hù)小型微波功率源的作用。平面微帶漸變螺旋電感耦合線圈6用于激勵(lì)微波微等離子體。其中，鎖相環(huán)頻率合成器I的頻率輸出范圍為2. 3GHz至2. 6GHz。其中，可調(diào)衰減器2的衰減范圍在_2dB至-17dB。其中，寬帶功率放大器3的功率輸出范圍為+20dBm至+40dBm，峰值功率大于43dBm。其中，環(huán)形器4的頻率范圍為2. 3GHz至2. 5GHz，插入損耗為O. 25dB至O. 3dB，隔離度為20dB至25dB。其中，平面微帶漸變螺旋電感耦合線圈6的匝數(shù)為3 ;平面微帶漸變螺旋電感耦合線圈6的線圈寬度為100 μ m至400 μ m,,線圈間距為100 μ m至400 μ m,，線圈寬度與線圈間距由外圈向內(nèi)圈逐漸減小。其中，進(jìn)一步包括匹配負(fù)載5 ;匹配負(fù)載5與環(huán)形器4連接。其中，匹配負(fù)載5的頻率范圍為直流至2. 7GHz,回波損耗大于20dB，功率容量為150 瓦。其中，進(jìn)一步包括匹配電路7，匹配電路7連接環(huán)形器4與平面微帶漸變螺旋電感率禹合線圈6。其中，鎖相環(huán)頻率合成器I、可調(diào)衰減器2、寬帶功率放大器3以及環(huán)形器4設(shè)置在屏蔽盒內(nèi)。實(shí)施例I本實(shí)施例中鎖相環(huán)頻率合成器I的芯片為ADF4350，鎖相環(huán)頻率合成器I的輸出頻率為2. 45GHz，整體相噪在頻偏I(xiàn)kHz為_(kāi)73dBc，在頻偏I(xiàn)OOkHz為_(kāi)87dBc/Hz。鎖相環(huán)頻率合成器I通過(guò)接口電路8以及USB接口 9與上位機(jī)10連接。上位機(jī)10通過(guò)USB接口 9向接口電路8發(fā)送數(shù)據(jù)，接口電路8由微控制器芯片CY7C68013完成USB接口 9到三線串口的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)10與鎖相環(huán)頻率合成器I的數(shù)據(jù)傳輸。本實(shí)施例中可調(diào)衰減器2包括PIN管21與3dB電橋22?？烧{(diào)衰減器2的PIN管21的芯片為HSMP3814，3dB電橋22的芯片為JP503S，可調(diào)衰減器2的衰減值為_(kāi)10dB。本實(shí)施例中寬帶功率放大器3包括驅(qū)動(dòng)放大器31與末級(jí)寬帶功率放大器32。驅(qū)動(dòng)放大器31的芯片為SBB-4089Z，末級(jí)寬帶功率放大器32的芯片為MW7IC2725，末級(jí)寬帶功率放大器32的功率輸出為+32dBm。本實(shí)施例中環(huán)形器4的芯片為MAFR-000488，50 Ω匹配負(fù)載5的芯片為E150N50X4。本實(shí)施例中平面微帶漸變螺旋電感耦合線圈6的匝數(shù)為3，線圈寬度和線圈間距由外向內(nèi)逐漸減小，而且最內(nèi)圈終端開(kāi)路。平面微帶漸變螺旋電感耦合線圈6的輸入端使用SMA接頭。本實(shí)施例中平面微帶漸變螺旋電感耦合線圈6中的線圈部分采用高導(dǎo)電率的金屬材料，該高導(dǎo)電率的金屬材料是金。本實(shí)施例中平面微帶漸變螺旋電感耦合線圈6的基片部分采用耐高溫、耐腐蝕的低損耗介質(zhì)基片，該低損耗介質(zhì)基片為氧化鋁陶瓷。如圖2所示，本實(shí)施例中的提供一種小功率集成微波微等離子體源，包括頻率源合成器I、可調(diào)衰減器2、寬帶功率放大器3、環(huán)形器4、匹配電路7和平面微帶漸變螺旋電感耦合線圈6，上述各部件依次連接。鎖相環(huán)頻率合成器I、可調(diào)衰減器2、寬帶功率放大器3以及環(huán)形器4設(shè)置在屏蔽盒內(nèi)。50 Ω匹配負(fù)載5與環(huán)形器4連接。工作時(shí)，將鎖相環(huán)頻率合成器I依次通過(guò)接口電路8、USB接口 9與上位機(jī)10進(jìn)行連接。由上位機(jī)10控制鎖相環(huán)頻率合成器I產(chǎn)生2. 45GHz的微波頻率振蕩信號(hào)，通過(guò)可調(diào)衰減器2調(diào)節(jié)微波頻率振蕩信號(hào)的幅度，使可調(diào)衰減器2的衰減量為_(kāi)8dB，微波頻率振蕩信號(hào)依次輸入到寬帶功率放大器3的驅(qū)動(dòng)放大器31與末級(jí)寬帶功率放大器32進(jìn)行功率放大，經(jīng)過(guò)放大后該微波頻率振蕩信號(hào)的功率為+32dBm。微波頻率振蕩信號(hào)經(jīng)過(guò)微波功率放大后經(jīng)過(guò)環(huán)形器4饋入平面微帶漸變螺旋電感耦合線圈6，在O. 04ΤΟ1Γ至IOTorr的氣壓條 件下激勵(lì)起微波微等離子體，從而實(shí)現(xiàn)小功率微波微等離子體源。匹配電路7采用自諧振結(jié)構(gòu)匹配電路或叉指電容結(jié)構(gòu)匹配電路，用于對(duì)平面微帶漸變螺旋電感耦合線圈6進(jìn)行調(diào)配，使匹配電路7左端看進(jìn)去的輸入阻抗為50 Ω。以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例，并非用來(lái)限定本實(shí)用新型的實(shí)施范圍。任何所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者，在不脫離本實(shí)用新型的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種變動(dòng)與潤(rùn)飾，本實(shí)用新型保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求書所界定的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求1.一種小功率集成微波微等離子體源，其特征在于，包括 鎖相環(huán)頻率合成器(I); 可調(diào)衰減器(2)，與所述鎖相環(huán)頻率合成器(I)連接； 寬帶功率放大器(3)，與所述可調(diào)衰減器(2)連接； 環(huán)形器(4)，與所述寬帶功率放大器(3)連接； 平面微帶漸變螺旋電感耦合線圈(6)，與所述環(huán)行器(4)連接。
2.如權(quán)利要求I所述小功率集成微波微等離子體源，其特征在于，所述鎖相環(huán)頻率合成器(I)的頻率輸出范圍為2. 3GHz至2. 6GHzο
3.如權(quán)利要求I所述小功率集成微波微等離子體源，其特征在于，所述可調(diào)衰減器(2)的衰減范圍在_2dB至-17dB。
4.如權(quán)利要求I所述小功率集成微波微等離子體源，其特征在于，所述寬帶功率放大器(3)的功率輸出范圍為+20dBm至+40dBm，峰值功率大于43dBm。
5.如權(quán)利要求I所述小功率集成微波微等離子體源，其特征在于，所述環(huán)形器(4)的頻率范圍為2. 3GHz至2. 5GHz，插入損耗為O. 25dB至O. 3dB,隔離度為20dB至25dB。
6.如權(quán)利要求I所述小功率集成微波微等離子體源，其特征在于，所述平面微帶漸變螺旋電感耦合線圈(6)的匝數(shù)為3 ;所述平面微帶漸變螺旋電感耦合線圈(6)的線圈寬度為100 μ m至400 μ m,線圈間距為100 μ m至400 μ m,，所述線圈寬度與線圈間距由外圈向內(nèi)圈逐漸減小。
7.如權(quán)利要求I所述小功率集成微波微等離子體源，其特征在于，進(jìn)一步包括匹配負(fù)載(5);所述匹配負(fù)載(5)與所述環(huán)形器(4)連接。
8.如權(quán)利要求7所述小功率集成微波微等離子體源，其特征在于，所述匹配負(fù)載(5)的頻率范圍為直流至2. 7GHz,回波損耗大于20dB，功率容量為150瓦。
9.如權(quán)利要求I所述小功率集成微波微等離子體源，其特征在于，進(jìn)一步包括匹配電路(7)，所述匹配電路(7)連接所述環(huán)形器(4)與平面微帶漸變螺旋電感耦合線圈(6)。
10.如權(quán)利要求I所述小功率集成微波微等離子體源，其特征在于，所述鎖相環(huán)頻率合成器(I)、可調(diào)衰減器(2)、寬帶功率放大器(3)以及環(huán)形器(4)設(shè)置在屏蔽盒內(nèi)。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種小功率集成微波微等離子體源，包括鎖相環(huán)頻率合成器；可調(diào)衰減器，與鎖相環(huán)頻率合成器連接；寬帶功率放大器，與可調(diào)衰減器連接；環(huán)形器，與寬帶功率放大器連接；平面微帶漸變螺旋電感耦合線圈，與環(huán)行器連接。工作時(shí)小功率微波輸入到平面微帶漸變螺旋電感耦合線圈而激勵(lì)起微波微等離子體。本實(shí)用新型具有頻率可調(diào)、功率可調(diào)、功率源保護(hù)以及小型便攜等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H05H1/46GK202713770SQ20122030453
公開(kāi)日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2012年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月27日
發(fā)明者廖斌, 王柯喬, 黃加華, 朱守正 申請(qǐng)人:華東師范大學(xué)