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射频电源自动阻抗匹配器的开发和实验研究

作　者: 张志
导　师: 张以忱；王庆
学　校: 东北大学
专　业: 流体机械及工程
关键词: 阻抗匹配功率检测射频 MATLAB PID
分类号: TN86
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

随着射频技术进入镀膜工艺之后,射频匹配也随之成为需要解决的问题。射频电源的功率应尽可能的用于镀膜工艺中,系统的输入功率直接影响到等离子体的浓度和压力,也就直接影响了镀膜的质量,关系到工艺水平的好坏。在一定条件下,镀膜系统负载是随时间发生变化的,这使得阻抗的自动匹配变得更为必要。而国内现在都是以手动匹配为主,射频电源自动阻抗匹配器的发展是一个瓶颈。因此,自动匹配技术的研究有很重要的意义。本文以真空实验室的射频RF-500型射频等离子体增强CVD镀膜机相配套的射频电源阻抗匹配器RS-500为研究对象,对射频电源的手动阻抗匹配器的原理和设计进行研究,并把传入电表的信号传入计算机中进行自动控制,实现自动匹配。本文以功率检测模块的详尽设计和对系统建立的数学模型进行控制仿真为重点研究内容,结合功能较为完善、技术相对成熟的其他模块如传动模块、信号转换模块等的分析研究,提出了射频电源自动阻抗匹配器较为完善的设计方法,在总体结构设计原理上有一个相对完整的认识。本文电路的设计是基于匹配原理的,即随着镀膜过程中等离子体阻抗的变化,通过阻抗匹配器来实现整体传输电路的共轭阻抗匹配,使得入射功率始终达到最大,反射功率达到最小,以保证镀膜的质量。等离子体的变化,可以等视为电路中的一个阻抗,匹配器通过调节自身模块中的两个可变电容,来实现整个传输电路的共轭匹配。确定共轭匹配的方法是通过检测入射功率和反射功率,使得入射功率达到最大,反射功率达到最小为宜。功率可由电流、电压和两者之间的相位来表征,即P=U*I*cos￠。在功率检测模块,测量电流的电流互感器选用性能优于传统线圈的Rogowski线圈,测量电压的电压互感器选用电容式电压互感器,由于两者的相位在镀膜过程中固定,因此两者的相位角不变,不用测量。由电流互感器和电压互感器组成的定向耦合装置,是功率检测模块的核心部分。本文着重分析了功率检测模块的电路,提出了合理的设计方案。然后通过对其他各个模块的分析,得出可行性的设计方案。最后对传输电路进行数学模型的建立,并用MATLAB对信号进行PID控制仿真,得出了有效的控制方法。

全文目录

中文摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第1章绪论  10-20
  1.1 研究背景  10-11
  1.2 课题的主要研究内容  11-12
  1.3 阻抗匹配技术的发展与应用  12-19
    1.3.1 射频电源阻抗匹配器的技术动态  12-13
    1.3.2 国外匹配器的技术的发展状况  13-17
    1.3.3 国内匹配器的技术的发展状况  17-19
  1.4 本文的内容简介  19-20
第2章阻抗匹配器的设计  20-32
  2.1 阻抗匹配技术概述  20-26
    2.1.1 匹配的原理和分类  20-22
    2.1.2 Smith圆图设计的介绍  22-26
  2.2 匹配网络的分类及匹配原理  26-29
    2.2.1 L型匹配网络  27
    2.2.2 π型匹配网络  27-28
    2.2.3 T型匹配网络  28-29
  2.3 各个模块设计原理  29-32
第3章功率检测模块的电路设计和分析  32-62
  3.1 射频和功率检测电路的设计概要  32-35
    3.1.1 射频电路的设计  32-33
    3.1.2 功率计测量原理与技术现状  33-34
    3.1.3 射频通过式功率计电路的设计概要  34-35
  3.2 互感器的设计  35-44
    3.2.1 电流互感器  35-40
    3.2.2 电压互感器  40-44
  3.3 功率检测装置  44-56
    3.3.1 定向耦合器  44-50
    3.3.2 检波电路  50-55
    3.3.3 滤波器  55-56
  3.4 匹配装置涉及的其他参数及部件  56-62
    3.4.1 自偏压  56-57
    3.4.2 驻波比SWER  57-59
    3.4.3 同轴电缆及连接头  59-62
第4章匹配器的其他模块的设计和分析  62-72
  4.1 匹配器的电感  62-63
  4.2 匹配器的电容  63-65
  4.3 信号转换模块  65-68
    4.3.1 A/D转换接口电路  65-67
    4.3.2 D/A转换接口电路  67-68
  4.4 传动模块  68-69
  4.5 计算机算法  69-72
第5章 PID数学模型的建立  72-86
  5.1 PID的介绍  72-74
  5.2 课题被控对象的数学模型的建立  74-82
    5.2.1 匹配器参数的定性和定量关系分析研究  74-75
    5.2.2 传递函数的推导  75-82
  5.3 匹配网络的PID控制  82-85
    5.3.1 PID算法和MATLAB编程  82-84
    5.3.2 图形和模型  84-85
  5.4 小结  85-86
第6章结论  86-88
参考文献  88-94
致谢  94-95
硕士期间发表的论文  95

射频电源自动阻抗匹配器的开发和实验研究

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