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：
本發(fā)明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)是一項近幾年發(fā)展起來的集微電子技術(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。當放電空間進一步減小到納米尺寸時，就成為納等離子體。由于微電子機械系統(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，通過MEMS工藝可以實現(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用于新材料、微電子和化學等高科技領(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、微米級甚至納米級，以前那種厘米甚至米級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工藝通過微小功率微波激勵起微小尺寸的等離子體，如用不超過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。由于此項技術(shù)在生物MEMS的殺菌消毒、小尺寸材料的處理、微化學分析系統(tǒng)、微型推進器等領(lǐng)域具有良好的應用前景，因而受到越來越廣泛的關(guān)注。目前國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)簡單，但只能工作在單一頻點和單一功率，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，則需要重新設計功率源的硬件電路。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明克服了上述功率源的缺陷，較好實現(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上位機程序調(diào)節(jié)頻率，鎖相環(huán)頻率合成器產(chǎn)生微波信號，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起微波微等離子體。本發(fā)明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，用于產(chǎn)生性能優(yōu)良的微波頻率振蕩信號；
可調(diào)衰減器，與所述鎖相環(huán)頻率合成器連接，用于增大所述微波頻率振蕩信號功率的可調(diào)范圍；、寬帶功率放大器，與所述可調(diào)衰減器連接，用于放大所述微波頻率振蕩信號；
環(huán)形器，與所述寬帶功率放大器連接，用于減小微波微等離子體的激勵所帶來的阻抗不匹配對小型微波功率源的影響；
平面微帶漸變螺旋電感耦合線圈，與所述環(huán)行器連接，用于激勵微波微等離子體。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，進一步包括匹配負載；所述匹配負載與所述環(huán)形器連接。其中，所述匹配負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)形器設置在屏蔽盒內(nèi)。本發(fā)明提供的小功率集成微波微等離子體源是一種激勵微波微等離子體的裝置，具有頻率可調(diào)、功率可調(diào)、功率源保護以及小型便攜等優(yōu)點。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裝置小型化；調(diào)節(jié)上位機程序使鎖相環(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所帶來的阻抗不匹配對小型微波功率源的影響，起到保護小型微波功率源的作用。


圖I是本發(fā)明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。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的具體實施方式
做進一步詳細的說明，但不應以此限制本發(fā)明的保護范圍。 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，21- PIN管，22-3dB電橋，31-驅(qū)動放大器，32-末級寬帶功率放大器。如圖I所示，本發(fā)明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1，用于產(chǎn)生性能優(yōu)良的微波頻率振蕩信號；可調(diào)衰減器2，與鎖相環(huán)頻率合成器I連接，用于增大微波頻率振蕩信號功率的可調(diào)范
圍；
寬帶功率放大器3，與可調(diào)衰減器2連接，用于放大輸入的微波頻率振蕩信號，使之在較寬頻帶內(nèi)達到足夠的功率電平；
環(huán)形器4，與寬帶功率放大器3連接，用于減小微波微等離子體的激勵所帶來的阻抗不匹配對小型微波功率源的影響，起到保護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，與環(huán)行器4連接，用于激勵微波微等離子體。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，進一步包括匹配負載5 ;匹配負載5與環(huán)形器4連接。其中，匹配負載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設置在屏蔽盒內(nèi)。實施例I
本實施例中鎖相環(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IkHz為_73dBc，在頻偏IOOkHz為_87dBc/Hz。鎖相環(huán)頻率合成器I通過接口電路8以及USB接口 9與上位機10連接。上位機10通過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，實現(xiàn)上位機10與鎖相環(huán)頻率合成器I的數(shù)據(jù)傳輸。本實施例中可調(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_10dB。本實施例中寬帶功率放大器3包括驅(qū)動放大器31與末級寬帶功率放大器32。驅(qū)動放大器31的芯片為SBB-4089Z，末級寬帶功率放大器32的芯片為MW7IC2725，末級寬帶功率放大器32的功率輸出為+32dBm。本實施例中環(huán)形器4的芯片為MAFR-000488，50 Ω匹配負載5的芯片為E150N50X4。本實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電率的金屬材料，該高導電率的金屬材料是金。本實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設置在屏蔽盒內(nèi)。50 Ω匹配負載5與環(huán)形器4連接。工作時，將鎖相環(huán)頻率合成器I依次通過接口電路8、USB接口 9與上位機10進行連接。由上位機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，通過可調(diào)衰減器2調(diào)節(jié)微波頻率振蕩信號的幅度，使可調(diào)衰減器2的衰減量為_8dB，微波頻率振蕩信號依次輸入到寬帶功率放大器3的驅(qū)動放大器31與末級寬帶功率放大器32進行功率放大，經(jīng)過放大后該微波頻率振蕩信號的功率為+32dBm。微波頻率振蕩信號經(jīng)過微波功率放大后經(jīng)過環(huán)形器4饋入平面微帶漸變螺旋電感耦合線圈6，在O. 04Torr至IOTorr的氣壓條件下激勵起微波微等離子體，從而實現(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，用于對平面微帶漸變螺旋電感耦合線圈6進行調(diào)配，使匹配電路7左端看進去的輸入阻抗為50 Ω。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并非用來限定本發(fā)明的實施范圍。任何所屬 技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當可作各種變動與潤飾，本發(fā)明保護范圍應以權(quán)利要求書所界定的保護范圍為準。
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)，用于產(chǎn)生性能優(yōu)良的微波頻率振蕩信號； 可調(diào)衰減器(2)，與所述鎖相環(huán)頻率合成器(I)連接，用于增大所述微波頻率振蕩信號功率的可調(diào)范圍； 寬帶功率放大器(3 )，與所述可調(diào)衰減器(2 )連接，用于放大所述微波頻率振蕩信號； 環(huán)形器(4)，與所述寬帶功率放大器(3)連接，用于減小微波微等離子體的激勵所帶來的阻抗不匹配對小型微波功率源的影響； 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，用于激勵微波微等離子體。
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，進一步包括匹配負載(5);所述匹配負載(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)設置在屏蔽盒內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明公開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起微波微等離子體。本發(fā)明具有頻率可調(diào)、功率可調(diào)、功率源保護以及小型便攜等優(yōu)點。
文檔編號H05H1/46GK102740580SQ201210215270
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月27日
發(fā)明者廖斌, 朱守正, 王柯喬, 黃加華 申請人:華東師范大學