专利名称：一种小功率集成微波微等离子体源的制作方法
技术领域：
本发明涉及微波等离子体源的技术领域，尤其涉及一种小功率集成微波微等离子体源。
背景技术：
小功率微波微等离子体技术是一项近几年发展起来的集微电子技术、微波技术和等离子体技术于一体的高新技术，它是随着MEMS技术的发展而发展起来的。微等离子体包括直流微等离子体、射频微等离子体和微波微等离子体。当放电空间进一步减小到纳米尺寸时，就成为纳等离子体。由于微电子机械系统(MEMS)具有低损耗、高隔离、体积小、制造成本低、易与1C、MMIC电路集成等特点，通过MEMS工艺可以实现微波等离子体的小功率封装和有源集成。因此将微波等离子体结合MEMS工艺可使等离子体的结构和特性发生巨大的改变。微波等离子体可广泛应用于新材料、微电子和化学等高科技领域，随着微波等离子体的小型化发展，电路尺寸要求在毫米级、微米级甚至纳米级，以前那种厘米甚至米级的大面积的微波等离子体已不再适用。在微波微等离子体的研究中，小功率微波微等离子体源的结构封装和系统集成是非常重要的两个环节。小功率平面螺旋电感耦合微波微等离子体源就是采用MEMS工艺通过微小功率微波激励起微小尺寸的等离子体，如用不超过I 3瓦的微波功率使气体电离，产生10毫米甚至O. 2毫米尺寸的等离子体。由于此项技术在生物MEMS的杀菌消毒、小尺寸材料的处理、微化学分析系统、微型推进器等领域具有良好的应用前景，因而受到越来越广泛的关注。目前国外使用的小功率微波微等离子体源主要采用900MHz的频段，输出功率为4瓦，虽然结构简单，但只能工作在单一频点和单一功率，即频率和功率都不可调。如果微带平面渐变螺旋电感线圈的结构和频率发生变化，则需要重新设计功率源的硬件电路。
发明内容
本发明克服了上述功率源的缺陷，较好实现了小功率微波微等离子体源的频率可调、功率可调、功率源保护以及小型便携。根据微波电路理论，采用锁相环频率合成器、可调衰减器、宽带功率放大器、环形器等的系统集成可满足辐射单元激励微波微等离子体的要求。小功率集成微波微等离子体源通过上位机程序调节频率，锁相环频率合成器产生微波信号，电位器调节衰减量，宽带功率放大器放大后的微波功率经过环形器输入到微带平面渐变螺旋电感线圈上，在常压或低压条件下激励起微波微等离子体。本发明提出了一种小功率集成微波微等离子体源，包括
锁相环频率合成器，用于产生性能优良的微波频率振荡信号；
可调衰减器，与所述锁相环频率合成器连接，用于增大所述微波频率振荡信号功率的可调范围；、宽带功率放大器，与所述可调衰减器连接，用于放大所述微波频率振荡信号；
环形器，与所述宽带功率放大器连接，用于减小微波微等离子体的激励所带来的阻抗不匹配对小型微波功率源的影响；
平面微带渐变螺旋电感耦合线圈，与所述环行器连接，用于激励微波微等离子体。其中，所述锁相环频率合成器的频率输出范围为2. 3GHz至2. 6GHz。其中，所述可调衰减器的衰减范围在_2dB至-17dB。其中，所述宽带功率放大器的功率输出范围为+20dBm至+40dBm，峰值功率大于43dBm。其中，所述环形器的频率范围为2. 3GHz至2. 5GHz，插入损耗为O. 25dB至O. 3dB，隔离度为20dB至25dB。·其中，所述平面微带渐变螺旋电感耦合线圈的匝数为3 ;所述平面微带渐变螺旋电感稱合线圈的线圈宽度为100 μ m至400 μ m,线圈间距为100 μ m至400 μ m,,所述线圈宽度与线圈间距由外圈向内圈逐渐减小。其中，进一步包括匹配负载；所述匹配负载与所述环形器连接。其中，所述匹配负载的频率范围为直流至2. 7GHz,回波损耗大于20dB，功率容量为150瓦。其中，进一步包括匹配电路，所述匹配电路连接所述环形器与平面微带渐变螺旋电感耦合线圈。其中，所述锁相环频率合成器、可调衰减器、宽带功率放大器以及环形器设置在屏蔽盒内。本发明提供的小功率集成微波微等离子体源是一种激励微波微等离子体的装置，具有频率可调、功率可调、功率源保护以及小型便携等优点。小型微波功率源与平面微带渐变螺旋电感耦合线圈的集成使整个装置小型化；调节上位机程序使锁相环频率合成器的输出频率可调；改变可调衰减器的大小使输出微波功率可调；而环形器可减小微波微等离子体的激励所带来的阻抗不匹配对小型微波功率源的影响，起到保护小型微波功率源的作用。
图I是本发明小功率集成微波微等离子体源的系统结构示意图。图2是本实施例中小功率集成微波微等离子体源的电路示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式
做进一步详细的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。 如图1-2所示，I-锁相环频率合成器，2-可调衰减器，3-宽带功率放大器，4-环形器，5-匹配负载，6-平面微带渐变螺旋电感耦合线圈，7-匹配电路，8-接口电路，9-USB接口，10-上位机，21- PIN管，22-3dB电桥，31-驱动放大器，32-末级宽带功率放大器。如图I所示，本发明的小功率集成微波微等离子体源，包括
锁相环频率合成器1，用于产生性能优良的微波频率振荡信号；可调衰减器2，与锁相环频率合成器I连接，用于增大微波频率振荡信号功率的可调范
围；
宽带功率放大器3，与可调衰减器2连接，用于放大输入的微波频率振荡信号，使之在较宽频带内达到足够的功率电平；
环形器4，与宽带功率放大器3连接，用于减小微波微等离子体的激励所带来的阻抗不匹配对小型微波功率源的影响，起到保护小型微波功率源的作用；
平面微带渐变螺旋电感耦合线圈6，与环行器4连接，用于激励微波微等离子体。其中，锁相环频率合成器I的频率输出范围为2. 3GHz至2. 6GHz。其中，可调衰减器2的衰减范围在_2dB至-17dB。其中，宽带功率放大器3的功率输出范围为+20dBm至+40dBm，峰值功率大于43dBm。其中，环形器4的频率范围为2. 3GHz至2. 5GHz，插入损耗为O. 25dB至O. 3dB,隔离度为20dB至25dB。其中，平面微带渐变螺旋电感耦合线圈6的匝数为3 ;平面微带渐变螺旋电感耦合线圈6的线圈宽度为100 μ m至400 μ m,,线圈间距为100 μ m至400 μ m,，线圈宽度与线圈间距由外圈向内圈逐渐减小。
其中，进一步包括匹配负载5 ;匹配负载5与环形器4连接。其中，匹配负载5的频率范围为直流至2. 7GHz,回波损耗大于20dB，功率容量为150 瓦。其中，进一步包括匹配电路7，匹配电路7连接环形器4与平面微带渐变螺旋电感率禹合线圈6。其中，锁相环频率合成器I、可调衰减器2、宽带功率放大器3以及环形器4设置在屏蔽盒内。实施例I
本实施例中锁相环频率合成器I的芯片为ADF4350，锁相环频率合成器I的输出频率为2. 45GHz，整体相噪在频偏IkHz为_73dBc，在频偏IOOkHz为_87dBc/Hz。锁相环频率合成器I通过接口电路8以及USB接口 9与上位机10连接。上位机10通过USB接口 9向接口电路8发送数据，接口电路8由微控制器芯片CY7C68013完成USB接口 9到三线串口的转换，实现上位机10与锁相环频率合成器I的数据传输。本实施例中可调衰减器2包括PIN管21与3dB电桥22。可调衰减器2的PIN管21的芯片为HSMP3814，3dB电桥22的芯片为JP503S，可调衰减器2的衰减值为_10dB。本实施例中宽带功率放大器3包括驱动放大器31与末级宽带功率放大器32。驱动放大器31的芯片为SBB-4089Z，末级宽带功率放大器32的芯片为MW7IC2725，末级宽带功率放大器32的功率输出为+32dBm。本实施例中环形器4的芯片为MAFR-000488，50 Ω匹配负载5的芯片为E150N50X4。本实施例中平面微带渐变螺旋电感耦合线圈6的匝数为3，线圈宽度和线圈间距由外向内逐渐减小，而且最内圈终端开路。平面微带渐变螺旋电感耦合线圈6的输入端使用SMA接头。
本实施例中平面微带渐变螺旋电感耦合线圈6中的线圈部分采用高导电率的金属材料，该高导电率的金属材料是金。本实施例中平面微带渐变螺旋电感耦合线圈6的基片部分采用耐高温、耐腐蚀的低损耗介质基片，该低损耗介质基片为氧化铝陶瓷。如图2所示，本实施例中的提供一种小功率集成微波微等离子体源，包括频率源合成器I、可调衰减器2、宽带功率放大器3、环形器4、匹配电路7和平面微带渐变螺旋电感耦合线圈6，上述各部件依次连接。锁相环频率合成器I、可调衰减器2、宽带功率放大器3以及环形器4设置在屏蔽盒内。50 Ω匹配负载5与环形器4连接。工作时，将锁相环频率合成器I依次通过接口电路8、USB接口 9与上位机10进行连接。由上位机10控制锁相环频率合成器I产生2. 45GHz的微波频率振荡信号，通过可调衰减器2调节微波频率振荡信号的幅度，使可调衰减器2的衰减量为_8dB，微波频率振荡信号依次输入到宽带功率放大器3的驱动放大器31与末级宽带功率放大器32进行功率放大，经过放大后该微波频率振荡信号的功率为+32dBm。微波频率振荡信号经过微波功率放大后经过环形器4馈入平面微带渐变螺旋电感耦合线圈6，在O. 04Torr至IOTorr的气压条件下激励起微波微等离子体，从而实现小功率微波微等离子体源。匹配电路7采用自谐振结构匹配电路或叉指电容结构匹配电路，用于对平面微带渐变螺旋电感耦合线圈6进行调配，使匹配电路7左端看进去的输入阻抗为50 Ω。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围。任何所属 技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种变动与润饰，本发明保护范围应以权利要求书所界定的保护范围为准。
权利要求
1.一种小功率集成微波微等离子体源，其特征在于，包括 锁相环频率合成器(I)，用于产生性能优良的微波频率振荡信号； 可调衰减器(2)，与所述锁相环频率合成器(I)连接，用于增大所述微波频率振荡信号功率的可调范围； 宽带功率放大器(3 )，与所述可调衰减器(2 )连接，用于放大所述微波频率振荡信号； 环形器(4)，与所述宽带功率放大器(3)连接，用于减小微波微等离子体的激励所带来的阻抗不匹配对小型微波功率源的影响； 平面微带渐变螺旋电感耦合线圈(6)，与所述环行器(4)连接，用于激励微波微等离子体。
2.如权利要求I所述小功率集成微波微等离子体源，其特征在于，所述锁相环频率合成器(I)的频率输出范围为2. 3GHz至2. 6GHzο
3.如权利要求I所述小功率集成微波微等离子体源，其特征在于，所述可调衰减器(2)的衰减范围在_2dB至-17dB。
4.如权利要求I所述小功率集成微波微等离子体源，其特征在于，所述宽带功率放大器(3)的功率输出范围为+20dBm至+40dBm，峰值功率大于43dBm。
5.如权利要求I所述小功率集成微波微等离子体源，其特征在于，所述环形器(4)的频率范围为2. 3GHz至2. 5GHz,插入损耗为O. 25dB至O. 3dB,隔离度为20dB至25dB。
6.如权利要求I所述小功率集成微波微等离子体源，其特征在于，所述平面微带渐变螺旋电感耦合线圈(6)的匝数为3 ;所述平面微带渐变螺旋电感耦合线圈(6)的线圈宽度为100 μ m至400 μ m,线圈间距为100 μ m至400 μ m,，所述线圈宽度与线圈间距由外圈向内圈逐渐减小。
7.如权利要求I所述小功率集成微波微等离子体源，其特征在于，进一步包括匹配负载(5);所述匹配负载(5)与所述环形器(4)连接。
8.如权利要求7所述小功率集成微波微等离子体源，其特征在于，所述匹配负载(5)的频率范围为直流至2. 7GHz,回波损耗大于20dB，功率容量为150瓦。
9.如权利要求I所述小功率集成微波微等离子体源，其特征在于，进一步包括匹配电路(7)，所述匹配电路(7)连接所述环形器(4)与平面微带渐变螺旋电感耦合线圈(6)。
10.如权利要求I所述小功率集成微波微等离子体源，其特征在于，所述锁相环频率合成器(I)、可调衰减器(2)、宽带功率放大器(3)以及环形器(4)设置在屏蔽盒内。
全文摘要
本发明公开了一种小功率集成微波微等离子体源，包括锁相环频率合成器；可调衰减器，与锁相环频率合成器连接；宽带功率放大器，与可调衰减器连接；环形器，与宽带功率放大器连接；平面微带渐变螺旋电感耦合线圈，与环行器连接。工作时小功率微波输入到平面微带渐变螺旋电感耦合线圈而激励起微波微等离子体。本发明具有频率可调、功率可调、功率源保护以及小型便携等优点。
文档编号H05H1/46GK102740580SQ201210215270
公开日2012年10月17日 申请日期2012年6月27日 优先权日2012年6月27日
发明者廖斌, 朱守正, 王柯乔, 黄加华 申请人:华东师范大学