專利名稱：感應(yīng)耦合的射頻電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明所公開的實(shí)施例通常涉及一種用于實(shí)現(xiàn)電源的技術(shù)，更特別地是涉
及一種用于實(shí)現(xiàn)感應(yīng)耦合的等離子射頻(RF)電源的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
對(duì)于當(dāng)代的電子分析設(shè)備的設(shè)計(jì)者和生產(chǎn)者而言，實(shí)現(xiàn)用于實(shí)現(xiàn)分析儀器 的有效方法具有重要意義。然而，使用電子設(shè)備有效地執(zhí)行分析過程對(duì)于系統(tǒng) 設(shè)計(jì)者而言提出了重大的挑戰(zhàn)。例如，對(duì)增加設(shè)備功能和性能的高要求需要更 多的系統(tǒng)功能并且需要其他的硬件資源。由于生產(chǎn)成本增大、操作效率低，功 能或者硬件要求的提高也導(dǎo)致了相應(yīng)的不利經(jīng)濟(jì)影響。
此外，改進(jìn)系統(tǒng)性能以執(zhí)行各種高級(jí)的操作可以向系統(tǒng)用戶提供更多的益 處，但是也提高了對(duì)各種設(shè)備組件的控制和管理的要求。例如，由于所包含的 分析的復(fù)雜性和精度，有效的實(shí)現(xiàn)對(duì)用于分析某些有機(jī)物質(zhì)的改進(jìn)電子系統(tǒng)很 有好處。
由于增大了對(duì)系統(tǒng)資源的要求并且提高了分析需求的復(fù)雜性，顯然開發(fā)用 于實(shí)現(xiàn)分析儀器的新技術(shù)是相關(guān)電子技術(shù)所關(guān)心的問題。因此，基于全部的上 述原因，開發(fā)用于實(shí)現(xiàn)分析儀器的有效技術(shù)對(duì)于當(dāng)代的分析儀器的設(shè)計(jì)者、生 產(chǎn)者和用戶而言仍然具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，其公開了一種用于有效地實(shí)現(xiàn)RF電源的系統(tǒng)和方法。在一 個(gè)實(shí)施例中，RF電源的RF放大器通過一種均衡方式實(shí)現(xiàn)向固定的緊耦合阻抗 匹配提供可變頻率RF功率信號(hào)。阻抗匹配然后向位于其包含分析用的試驗(yàn)樣 本的等離子炬附近的等離子線圈傳遞RF功率信號(hào)。該RF功率信號(hào)通過低通濾波器返回至鎖相環(huán)設(shè)備作為參考相位信號(hào)。此外，相位探針位于等離子線圈附 近以便對(duì)等離子線圈的當(dāng)前工作頻率進(jìn)行釆樣。相位探針的輸出通過低通濾波 器返回至鎖相環(huán)作為線圈相位信號(hào)。
鎖相環(huán)設(shè)備然后釆用RF相位比較技術(shù)以追蹤等離子線圈的峰值共振條件。 實(shí)際上，鎖相環(huán)設(shè)備的相位檢測(cè)器將參考相位信號(hào)與被釆樣的線圈相位信號(hào)進(jìn) 行比較以便產(chǎn)生誤差電壓，所述誤差電壓表示當(dāng)前工作頻率與峰值共振有關(guān)之
處。鎖相環(huán)設(shè)備的壓控振蕩器然后利用誤差電壓向RF放大器產(chǎn)生相應(yīng)的RF驅(qū) 動(dòng)信號(hào)以便調(diào)節(jié)RF功率信號(hào)的頻率。RF功率信號(hào)的調(diào)節(jié)后頻率用于在朝向峰 值共振的方向上驅(qū)動(dòng)等離子線圈的當(dāng)前工作頻率。在峰值共振處，誤差電壓為 零伏。
因此，如果作為來自等離子炬中的試驗(yàn)樣本的可變負(fù)載的結(jié)果，等離子線 圈的阻抗改變，則產(chǎn)生誤差電壓，所述誤差電壓具有可在朝向共振的方向上驅(qū) 動(dòng)等離子線圈的工作頻率的極性。鎖相環(huán)的環(huán)響應(yīng)僅為工作頻率的數(shù)十個(gè)周期。 RF電源因此可以快速地追蹤等離子線圈處的峰值共振條件，以便有效地提供穩(wěn) 定的RF功率，并在負(fù)載阻抗急劇變化的條件下維持等離子態(tài)。至少基于上述 原因，本發(fā)明提供了一種用于有效地實(shí)現(xiàn)感應(yīng)耦合的等離子RF電源的改進(jìn)系 統(tǒng)和方法。


為了更好地理解本發(fā)明的性質(zhì)和目的，結(jié)合附圖對(duì)以下詳細(xì)說明給出參考， 其中
圖l是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的等離子生成系統(tǒng)的框圖2是根據(jù)本發(fā)明的圖1的RF電源的一個(gè)實(shí)施例的框圖3是根據(jù)本發(fā)明的圖2的阻抗匹配和RF放大器的 一個(gè)實(shí)施例的示意圖4是根據(jù)本發(fā)明的圖2的鎖相環(huán)的一個(gè)實(shí)施例的框圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例舉例說明相位位移-誤差電壓關(guān)系的曲線
圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例舉例說明用于操作共振斜率的技術(shù)的曲線
圖7是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例用于在等離子生成過程期間追蹤共振條件
的方法步驟的流程圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例用于產(chǎn)生誤差電壓的方法步驟的流程以及
圖9是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例用于調(diào)節(jié)rf工作頻率的方法步驟的流程圖。
相同的附圖標(biāo)記指的是遍及若干附圖的對(duì)應(yīng)部分。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明涉及分析儀器技術(shù)的改進(jìn)。提供以下說明以便使本領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員能夠制造和使用本發(fā)明，并且以下說明是在專利申請(qǐng)及其要求的范圍內(nèi)提 出的。對(duì)所公開的實(shí)施例的各種修改對(duì)于所屬領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯而易見，并 且其中的一般原理可被應(yīng)用于其他實(shí)施例。因此，本發(fā)明不限于所示出的實(shí)施 例，而是與在此所描述的原理和特征的最寬范圍相一致。
本發(fā)明包括一種用于實(shí)現(xiàn)電源的系統(tǒng)和方法，以及包括用于產(chǎn)生具有可調(diào) 節(jié)工作頻率的RF功率信號(hào)的功率放大器。功率放大器還產(chǎn)生由射頻(RF)功 率信號(hào)所衍生的參考相位信號(hào)。阻抗匹配向具有可變共振條件的等離子線圈提 供rf功率信號(hào)。相位探針位于等離子線圈附近以產(chǎn)生與可調(diào)節(jié)工作頻率相對(duì) 應(yīng)的線圈相位信號(hào)?；趨⒖枷辔恍盘?hào)和線圈相位信號(hào)之間的相位關(guān)系，鎖相 環(huán)然后產(chǎn)生RF驅(qū)動(dòng)信號(hào)。鎖相環(huán)向功率放大器提供RF驅(qū)動(dòng)信號(hào)以控制可調(diào)節(jié) 工作頻率，以便此后可調(diào)節(jié)工作頻率對(duì)可變共振條件進(jìn)行追蹤。
現(xiàn)在參考圖1,根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，顯示了等離子生成系統(tǒng)112的 框圖。在圖l的實(shí)施例中，等離子生成系統(tǒng)112包括但不限于，射頻(RF)電 源116,等離子線圈120和等離子炬124。在替代實(shí)施例中，等離子生成系統(tǒng) 112可以使用除了或者代替結(jié)合圖1的實(shí)施例所討論的這些組件和配置中的某種組件和配置之外的組件和配置來實(shí)現(xiàn)。
在圖1的實(shí)施例中，等離子生成系統(tǒng)112用于利用改進(jìn)的功率輸出和效率 特性來初始化并維持試驗(yàn)樣本的等離子態(tài)。在圖l的實(shí)施例中，等離子生成系
統(tǒng)112可以用于任何適當(dāng)?shù)膱?chǎng)合。例如，在某些實(shí)施例中，等離子生成系統(tǒng)112 可以結(jié)合感應(yīng)耦合的等離子發(fā)光(ICPOE)系統(tǒng)或者感應(yīng)耦合的等離子質(zhì)譜分 析(ICPMS)系統(tǒng)一起使用。
等離子被稱為第四物態(tài)，并由導(dǎo)電性的電離氣體組成。等離子發(fā)射電磁波, 分析所述電磁波以便鑒別等離子中的相應(yīng)原子元素。每個(gè)元素具有唯一一組波 長(zhǎng)，并且給定波組的特性可被用于鑒別對(duì)應(yīng)的元素。波長(zhǎng)強(qiáng)度系數(shù)可被用于鑒 別被分析的測(cè)試樣本中每個(gè)元素的濃度。分析測(cè)量的準(zhǔn)確性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)取決于 輸出功率以初始化并維持測(cè)試樣本處于等離子態(tài)的穩(wěn)定性和方法。
在圖l的實(shí)施例中，RF電源116向等離子線圈120提供RF功率。圓柱形 的等離子炬124 —般位于等離子線圈120附近。等離子炬124引導(dǎo)諸如氬氣之 類的氣體軸向地通過等離子線圈120中心。使用RF電源116中的阻抗匹配將 源自RF電源116的RF功率耦合到等離子線圈120以便向流經(jīng)等離子炬124的 氣體有效地傳送RF功率。
接下來，通過等離子炬124中的氣體對(duì)高點(diǎn)火電壓進(jìn)行放電，該氣體釋放 出自由電子。被分析的測(cè)試樣本被注入到等離子炬124內(nèi)的氣流中。該測(cè)試樣 本之后處于導(dǎo)電狀態(tài)以便部分地耦合源自RF電源116的所施加RF功率。級(jí)聯(lián) 過程繼續(xù)逐漸地增大源自RF電源116的RF功率的耦合和傳送直到建立完全等 離子態(tài)。在初始點(diǎn)火相位期間，RF電源116需要向RF功率供應(yīng)高電位以向著 完全等離子態(tài)的方向啟動(dòng)級(jí)聯(lián)過程。
當(dāng)建立了完全等離子態(tài)時(shí)，等離子線圈120的電性向明顯不同的阻抗轉(zhuǎn)變。 較低的阻抗降低了維持等離子所需要的RF功率要求。等離子線圈120的共振 頻率取決于等離子炬124中的特定的測(cè)試樣本而改變。此外，向完全等離子態(tài) 的轉(zhuǎn)變會(huì)引起等離子線圈120和等離子炬124的電性的重大變化。因此RF電 源116必須有效地支持這種動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變。下面結(jié)合圖2到圖9對(duì)RF電源116的
8實(shí)現(xiàn)和功能作進(jìn)一步說明。
現(xiàn)在參考圖2，根據(jù)本發(fā)明，顯示了圖1的RF電源116的一個(gè)實(shí)施例的框 圖。在替代實(shí)施例中，RF電源116可包括除了或者代替結(jié)合圖2的實(shí)施例所討 論的這些組件和配置中的某種組件和配置之外的組件和配置。此外，在初始化 并維持各種類型的等離子的環(huán)境下對(duì)RF電源116進(jìn)行以下說明。然而，在某 些替代實(shí)施例中，本發(fā)明的原理和技術(shù)可被應(yīng)用于其他適當(dāng)?shù)沫h(huán)境和應(yīng)用。
在圖2的實(shí)施例中，RF電源116用于促進(jìn)等離子生成系統(tǒng)112 (圖1)的 更好的功率穩(wěn)定性和擴(kuò)展的操作范圍。RF電源116的功率穩(wěn)定性允許對(duì)各種不 同類型的測(cè)試樣本進(jìn)行更精密的測(cè)量。擴(kuò)展的操作范圍有利于分析某些測(cè)試樣 本，例如有機(jī)物，其在等離子線圈120和等離子炬124處顯示出顯著的阻抗變 化。增大阻抗變化的響應(yīng)范圍允許對(duì)較高濃度的測(cè)試樣本溶液進(jìn)行測(cè)試。
在圖2的實(shí)施例中，RP放大器(RF amp) 216向固定的緊耦合阻抗匹配 224提供可變頻率的RF功率信號(hào)220,固定的緊耦合阻抗匹配224然后通過路 徑228向等離子線圈120傳遞該RF功率信號(hào)。作為未濾波參考相位信號(hào)244
(a) 把RF功率信號(hào)220通過低通濾波器(LPF ) 280返回至鎖相環(huán)(PLL ) 240, 以作為已濾波參考相位信號(hào)244 (b)。在圖2的實(shí)施例中，LPF280用于去除存 在于參考相位信號(hào)244 (a)中的某些諧波含量。此外，相位探針232位于等離 子線圈120附近，以便對(duì)等離子線圈120處的共振條件的當(dāng)前操作狀態(tài)進(jìn)行采 樣。在替代實(shí)施例中，RF電源116可以使用任何其他適當(dāng)?shù)募夹g(shù)對(duì)等離子線圈 120處的共振條件進(jìn)行釆樣。例如，相位探針232位于相對(duì)等離子線圈120而 言的任何有效位置。把相位探針232的輸出作為未濾波線圈相位信號(hào)236 (a) 通過低通濾波器(LPF) 284返回至鎖相環(huán)240以作為已濾波線圈相位信號(hào)236
(b) 。在圖2的實(shí)施例中，LPF 284與LPF 280相同，用于提供與LPF 280相 同的時(shí)間/相位位移以便維持共振處的九十度相位關(guān)系。
在圖2的實(shí)施例中，PLL240然后采用RF相位比較技術(shù)以追蹤等離子線圈 120處的峰值共振條件。實(shí)際上，PLL 240將已濾波參考相位信號(hào)244 (b)與 已濾波線圈相位信號(hào)236 (b)進(jìn)行比較以便產(chǎn)生誤差電壓，所述誤差電壓表示等離子線圈120的當(dāng)前與峰值共振有關(guān)的工作頻率。PLL 240然后利用誤差電 壓來產(chǎn)生給RF放大器216的相應(yīng)RF驅(qū)動(dòng)信號(hào)248以調(diào)節(jié)RF功率220的頻率。 RF功率220的調(diào)節(jié)頻率用于在朝向峰值共振的方向上驅(qū)動(dòng)等離子線圈120的工 作頻率。在峰值共振處，誤差電壓變?yōu)榱惴?br> 因此，如果等離子線圈120的阻抗改變作為來自等離子炬124(圖1)的可 變負(fù)載的結(jié)果，則產(chǎn)生誤差電壓，所述誤差電壓具有在朝向共振的方向上驅(qū)動(dòng) 工作頻率的極性。PLL 240的環(huán)響應(yīng)僅為工作頻率的數(shù)十個(gè)周期，在某些實(shí)施 例中其可被設(shè)定在大致27MHz。 RF電源116因此可以快速地追蹤等離子線圈
條件下實(shí)現(xiàn)等離子態(tài)。
在圖2的實(shí)施例中，控制器252監(jiān)測(cè)并控制RF電源116的某些功能。例 如，控制器252可以監(jiān)測(cè)等離子生成系統(tǒng)112(圖1)的各種工作參數(shù)，例如氬 氣壓力、冷卻水流速、功率損耗、等離子狀態(tài)、等離子門互鎖、最大電流和最 高溫度?？刂破?52可以從任何適當(dāng)?shù)脑唇邮諈?shù)信息。例如，在圖2的實(shí)施 例中，等離子傳感器272通過路徑276向控制器提供等離子信息， 一個(gè)或多個(gè) 溫度傳感器通過路徑268向控制器252提供溫度信息。如果檢測(cè)到任何不當(dāng)?shù)?工作條件，控制器252就可以啟動(dòng)安全停機(jī)程序。如果交流電源消失，則控制 器252會(huì)被施加足夠的工作功率以便允許控制器252完成停機(jī)程序。RF電源 116可以通過主機(jī)接口 264與主機(jī)系統(tǒng)(例如主分析儀器)雙向通信各種類型 的相關(guān)信息。
在圖2的實(shí)施例中，可變電源260可用于為RF放大器216選擇期望的工 作功率。RF電源116的總體設(shè)計(jì)考慮到了集成緊致的外殼，其中包括RF放大 器216、阻抗匹配224、控制器252、可變電源260及其他電路在內(nèi)的全部元件 被裝進(jìn)一個(gè)模塊化的外殼內(nèi)。這種單機(jī)配置使RF電源116不必修改就可被并 入到各種分析儀器內(nèi)。RF電源116的全部元件被裝進(jìn)一個(gè)普通的外殼內(nèi)以便使 屏蔽射頻輻射更加有效。下面結(jié)合圖3-9對(duì)實(shí)現(xiàn)和使用RF電源116作進(jìn)行進(jìn)一 步說明?，F(xiàn)在參考圖3，根據(jù)本發(fā)明，顯示了圖2的RF放大器216以及圖2的阻抗 匹配224的一個(gè)實(shí)施例的示意圖。在替代實(shí)施例中，RF放大器216和阻抗匹配 224除了或者代替結(jié)合圖3的實(shí)施例所討論的這些組件和配置中的某種組件和 配置之外的組件和配置。
在圖3的實(shí)施例中，RF放大器216的前置放大級(jí)(前置放大器)330在由 PLL240確定的給定可調(diào)節(jié)頻率下接收來自PLL240(圖2)的RF驅(qū)動(dòng)信號(hào)248。 前置放大器330然后通過變壓器l( Tl )336、晶體管Ql和Q2以及變壓器2( T2 ) 324向RF放大器216的末級(jí)328傳遞RF驅(qū)動(dòng)信號(hào)248。第一晶體管組(晶體 管Q5、 Q6和Q7)以及第二晶體管組(晶體管Q8、 Q9和Q10)被設(shè)置在推挽 放大器配置中，以便接收來自T2 324的RF信號(hào)，并且通過連接220 ( a)和220 (b )向阻抗匹配224產(chǎn)生均衡的RF功率信號(hào)。阻抗匹配224然后通過連接228 (a)和228 (b)向等離子線圈120傳遞該RF功率信號(hào)。此外，RF放大器216 的RF功率輸出信號(hào)在連接220(a)處被采樣，并且在反饋回路中被提供給PLL 240 (圖2)作為參考相位信號(hào)244 (a)。
在圖3的實(shí)施例中，RF放大器216具有功率放大器偏壓以便在E級(jí)模式 (class E mode )下進(jìn)行工作，以便通過完全地使Q5、 Q6、 Q7、 Q8、 Q9和Q10 飽和而對(duì)效率進(jìn)行改進(jìn)。功率放大器還可以被配置成利用Q5、 Q6、 Q7、 Q8、 Q9在更加線性的或者不飽和的B級(jí)工作模式下進(jìn)行工作以降低效率，以便在 低于飽和模式下所獲得的功率電平的條件下維持等離子。該模式對(duì)于質(zhì)譜分析 的某些應(yīng)用是有益的。RF放大器216的設(shè)計(jì)顯示出具有平坦響應(yīng)的較寬帶寬， 所述較寬帶寬在RF電源116 (圖2)的工作頻率范圍內(nèi)輸出恒定功率。功率放 大器216直接地緊耦合于阻抗匹配224，因此，不再需要同軸饋送電纜。緊耦 合允許在除利用50歐姆同軸電纜的系統(tǒng)的特性阻抗之外的阻抗條件下工作?？?慮到等離子線圈120和等離子炬124處的更大范圍的操作阻抗，因此，功率放 大器216可以使用動(dòng)態(tài)阻抗進(jìn)行操作。緊耦合還避免了限制動(dòng)態(tài)范圍和往往與 同軸電纜有關(guān)的不必要射頻的輻射。
阻抗匹配224是固定的(不具有可變組件)，從而不再需要遲鈍的、笨重的、昂貴的可變電容和伺服系統(tǒng)。從RF放大器216經(jīng)由阻抗匹配224向等離子線 圈120的RF功率輸出使用了具有接地中心抽頭(center tap)的均衡配置。在替 代實(shí)施例中，可以使用非均衡的配置。在圖3的實(shí)施例中，T3 320被實(shí)現(xiàn)成RF 鐵氧變壓器，取決于RF功率要求，其可在5歐姆或者更小的阻抗條件下運(yùn)行。 在替代實(shí)施例中，變壓器T3可以由中心抽頭(center-tapped)的電感器L2替代。 其作用是從可變電源上對(duì)RF組件進(jìn)行去耦。在220 (a)和220 (b)處給予功 率放大器的負(fù)載為5歐姆或者更小，這取決于RF功率需要。在連接220 (a) 和220 (b)處，來自RF放大器216的RF功率信號(hào)被配置成向阻抗匹配224 中提供均衡的RF功率信號(hào)。類似地，在連接228 (a)和228 (b)處，阻抗匹 配224被配置成以均衡方式驅(qū)動(dòng)等離子線圈120。其結(jié)果是地電勢(shì)周圍平衡的 射頻域。因此，在RF電源116中所需的最高電壓減少了一半。
RF放大器216和阻抗匹配224的工作條件的變化可以引起導(dǎo)致功率輸出變 化的不必要的共振位移。為了維持穩(wěn)定的工作條件，使用水冷卻裝置使阻抗匹 配224處于恒溫。因此，在某些實(shí)施例中，保持阻抗匹配224恒溫以減少組件 值的變化。此外，RF電源116包括向圖2的控制器252提供溫度信息的熱敏傳 感器316。在圖3的實(shí)施例中，可變電源260 (圖2)向阻抗匹配224提供中心 抽頭的工作頻率，以便對(duì)RF放大器216的末級(jí)328供電。在圖3的實(shí)施例中， 射頻濾波器332阻止了不必要的射頻漏入可變電源260。下面結(jié)合圖7-9對(duì)RF 放大器216和阻抗匹配224的使用作進(jìn)一步說明。
現(xiàn)在參考圖4，根據(jù)本發(fā)明，顯示了圖2的鎖相環(huán)(PLL) 240的一個(gè)實(shí)施 例的框圖。在圖4的實(shí)施例中，PLL240包括但不局限于，相位檢測(cè)器416、積 分器428和壓控振蕩器(VCO) 432。在替代實(shí)施例中，PLL240可以包括除了 或者代替結(jié)合圖4的實(shí)施例所討論的這些組件和配置中的某種組件和配置之外 的組件和配置。
為了使RF電源116 (圖1)向等離子炬124 (圖1)輸出完全RF功率的目 的，RF功率220 (圖2)的工作頻率最好是與阻抗匹配224 (圖3)的固有峰值 共振頻率相 一致。在圖4的實(shí)施例中，具有相位檢測(cè)器416和壓控振蕩器(VCO )432的鎖相控制反饋環(huán)路用于控制由RF放大器216 (圖2)的輸出端所衍生的 參考相位信號(hào)244 (b)和由相位探針232 (圖2)的輸出端所衍生的線圈相位 信號(hào)236 (b)之間的相位關(guān)系。
為了追蹤等離子線圈120處的峰值共振條件，相位檢測(cè)器416必須產(chǎn)生零 誤差電壓424。由于相位檢測(cè)器416的某些工作特性，參考相位信號(hào)244 (b) 和線圈相位信號(hào)236 (b)必須為相對(duì)彼此的90度異相，以便產(chǎn)生零誤差電壓 424。如果相位關(guān)系不是九十度，那么取決于相位差是否大于或者小于90度， 而使來自相位檢測(cè)器416的誤差電壓424或者為正或者為負(fù)。在圖4的實(shí)施例 中，由于在其各自的位置所衍生的參考相位信號(hào)244 (b)和線圈相位信號(hào)236 (b )之間存在固有的90度相位位移關(guān)系，從RF放大器216輸出的RF功率信 號(hào)220中衍生參考相位信號(hào)244 (b)，以及從相位探針232的輸出端衍生線圈 相位信號(hào)236 (b)。
在圖4的實(shí)施例中，將誤差電壓424提供給積分器428，所述積分器428 用于放大誤差電壓424以及去除誤差電壓424中任何不必要的射頻分量。積分 器428然后經(jīng)由路徑436向VC0 432提供經(jīng)過積分誤差電壓424。 VCO432相 應(yīng)地產(chǎn)生具有RF驅(qū)動(dòng)頻率的RF驅(qū)動(dòng)信號(hào)248，所述RF驅(qū)動(dòng)頻率取決于從積 分器428所接收到的誤差信號(hào)424的幅度和極性。PLL 240然后向RF放大器 216 (圖2 )提供該RF驅(qū)動(dòng)信號(hào)248以調(diào)節(jié)用于向阻抗匹配224 (圖3 )提供的 RF功率信號(hào)220的工作頻率。在圖4的實(shí)施例中，PLL240可被實(shí)現(xiàn)成包括相 位偏移436，所述相位偏移436使得相位檢測(cè)器416作出響應(yīng)地調(diào)節(jié)RF驅(qū)動(dòng)信 號(hào)248的頻率以便等離子線圈120在除在峰值共振以外的共振斜率下進(jìn)行操作。 例如，在某些實(shí)施例中，相位偏移436可以通過改變參考相位244 (b)的路徑 長(zhǎng)度來實(shí)現(xiàn)。下面結(jié)合圖6對(duì)用于操作共振斜率的一個(gè)實(shí)例進(jìn)行說明。結(jié)合圖 5 -9對(duì)PLL 240的使用作以下進(jìn) 一 步的說明。
現(xiàn)在參考圖5，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，顯示了用于舉例說明相位位移-誤差電壓關(guān)系的曲線圖。圖5的曲線圖是用于舉例說明的目的，而在替代實(shí)施 例中，本發(fā)明可以使用具有除了或者代替結(jié)合圖5的實(shí)施例所討論的這些屬性和特性中的某種屬性和特性之外的屬性和特性的相位位移-誤差電壓。
在圖5的實(shí)施例中，橫軸520示出了參考相位信號(hào)244和線圈相位值236 (圖2 )之間的相位位移值。此外，縱軸516示出了來自PLL 240的相位檢測(cè) 器416的誤差電壓424 (圖4)。繪制了直線524以表示示范性的相位-位移-誤 差電壓關(guān)系。為舉例說明的目的，圖5的相位-位移-誤差電壓關(guān)系是線性的。 然而，在替代實(shí)施例中，同樣可實(shí)現(xiàn)各種類型的非線性關(guān)系。如結(jié)合圖4在以 上所討論的那樣，在九十度相位位移下，峰值共振條件528在圖5的曲線圖中 以零伏的誤差電壓表示。在圖5的實(shí)例中，當(dāng)相位差增大到高于九十度時(shí)，則 誤差電壓增大，以及當(dāng)相位差減小到低于九十度時(shí)，則誤差電壓減小。
現(xiàn)在參考圖6,根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，顯示了用于舉例說明對(duì)共振斜 率進(jìn)行操作的技術(shù)的曲線圖。圖6的提出為舉例說明的目的，而在替代實(shí)施例 中，本發(fā)明可以使用除了或者代替結(jié)合圖6的實(shí)施例所討論的那些值和技術(shù)中 的某些值和技術(shù)以外的值和技術(shù)對(duì)共振斜率進(jìn)行操作。
在圖6的實(shí)施例中，橫軸620示出了等離子線圏120(圖2 )的工作頻率值。 此外，縱軸616示出了等離子線圈120處的RF工作功率的幅值。繪制了鐘形 曲線以表示來自等離子線圈120處的示范性共振條件的值。在圖6的實(shí)施例中， 在峰值共振頻率624處顯示了峰值共振條件628。 RF電源116可以在共振斜率 條件下進(jìn)行工作，以便等離子線圈120的工作頻率有選擇地被選擇在不直接處 于峰值共振628之處的位置。在圖6的實(shí)施例中，RF電源116在頻率632下在 斜率點(diǎn)636處被操作。在共振斜率條件下對(duì)RF電源116進(jìn)行操作合乎各種類 型的分析條件的需要，并且提供了編制RF電源116的響應(yīng)特性的能力以改進(jìn) 在某些搡作環(huán)境下的性能。
現(xiàn)在參考圖7,根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，顯示了用于在等離子生成過程 期間追蹤共振條件的方法的步驟流程圖。為了舉例說明的目的而提出了圖7的 例子，而在替代實(shí)施例中，本發(fā)明可以使用不同于結(jié)合圖7的實(shí)施例所討論的 那些步驟和順序的步驟和順序。
在圖7的實(shí)施例中，在步驟712, RF電源116 (圖2)通過使用任何適當(dāng)?shù)募夹g(shù)來啟動(dòng)等離子生成過程。例如，在某些實(shí)施例中，RF電源116首先向等 離子炬124 (圖1)中的氣體提供高壓點(diǎn)火電荷。在步驟714， RF電源116將 來自等離子線圈120的RF功率信號(hào)220應(yīng)用于等離子炬124中處于部分等離 子態(tài)條件下的測(cè)試樣本。在步驟716, RF電源116通過調(diào)節(jié)向等離子線圈120 提供的RF功率信號(hào)220的當(dāng)前工作頻率經(jīng)由變化的等離子級(jí)聯(lián)過程來追蹤等 離子線圈120的共振條件。在步驟718，等離子炬124中的測(cè)試樣本實(shí)現(xiàn)了完 全等離子態(tài)。最后，在步驟720， RF電源116保持在前面步驟718中所實(shí)現(xiàn)的 完全等離子態(tài)以利于對(duì)測(cè)試樣本的各種分析過程?，F(xiàn)在參考圖8，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，顯示了用于產(chǎn)生誤差電壓424 (圖4)的方法步驟的流程圖。為了舉例說明的目的而提出了圖8的例子，而 在替代實(shí)施例中，本發(fā)明可以使用不同于結(jié)合圖8的實(shí)施例所討論的那些步驟 和順序的步驟和順序。
在圖8的實(shí)施例中，在步驟812，RF電源116首先對(duì)用于產(chǎn)生誤差電壓424 的參考相位信號(hào)244進(jìn)行采樣。在某些實(shí)施例中，參考相位信號(hào)244可以從來 自RF放大器216 (圖2)的RF功率信號(hào)220中產(chǎn)生。然后，在步驟814， RF 電源116對(duì)由鄰近于等離子線圈120(圖2)的相位探針232所產(chǎn)生的線圏相位 信號(hào)236進(jìn)行釆樣。在步驟816, RF電源116向鎖相環(huán)240 (圖2 )的相位檢 測(cè)器416提供參考相位信號(hào)244和線圈相位信號(hào)236。接下來，在步驟818，相 位檢測(cè)器416使用任何適當(dāng)?shù)难b置將參考相位信號(hào)244和線圈相位信號(hào)236進(jìn) 行比較。最后，在步驟820，相位檢測(cè)器416產(chǎn)生誤差電壓424,以表示參考相 位信號(hào)244和線圈相位信號(hào)236之間的相位位移的方向和幅值。
現(xiàn)在參考圖9，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，顯示了用于調(diào)節(jié)RF工作頻率的 方法步驟的流程圖。為了舉例說明的目的而提出了圖9的例子，而在替代實(shí)施 例中，本發(fā)明可以使用不同于結(jié)合圖9的實(shí)施例所討論的那些步驟和順序的步 驟和順序。
在圖9的實(shí)施例中，在步驟912， PLL240 (圖4)的積分器428對(duì)由相位 檢測(cè)器416 (圖4 )在圖8的步驟820期間所產(chǎn)生的誤差電壓424進(jìn)行積分以去除某些不必要的射頻分量。然后，在步驟914，積分器428向PLL 240的壓控 振蕩器(VCO) 432提供該積分的誤差電壓。在步驟916， VCO 432產(chǎn)生具有 與誤差電壓424的波幅和極性相對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)頻率的RF驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在步驟918， PLL240向RF電源116的RF功率放大器216提供RF驅(qū)動(dòng)信號(hào)248。
最后，在步驟920，響應(yīng)于RF驅(qū)動(dòng)信號(hào)248的驅(qū)動(dòng)頻率，RF功率放大器 216產(chǎn)生具有用于追蹤等離子線圈120的當(dāng)前峰值共振頻率的頻率的RF功率信 號(hào)220。 一般地在持續(xù)進(jìn)行的基礎(chǔ)上重復(fù)上述圖8的誤差電壓產(chǎn)生過程和圖9 的RF工作頻率調(diào)節(jié)過程以便允許RF電源116追蹤并保持當(dāng)前共振條件下的工 作參數(shù)。至少基于上述原因，本發(fā)明提供了一種用于實(shí)現(xiàn)感應(yīng)耦合的RF電源 的改進(jìn)系統(tǒng)和方法。
以上參考某些實(shí)施例已經(jīng)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了說明。在此公開的啟示下其它實(shí) 施例對(duì)于所屬領(lǐng)域技術(shù)人員而言也顯而易見。例如，本發(fā)明可以使用與上述實(shí) 施例所討論的那些配置和技術(shù)中的某些配置和技術(shù)不同的配置和技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。 另外，本發(fā)明可以被有效地應(yīng)用于如上所述的系統(tǒng)以外的系統(tǒng)。因此，依據(jù)本
屬權(quán)利要求進(jìn)行限定。
權(quán)利要求
1、 一種用于實(shí)現(xiàn)電源的系統(tǒng)，包括功率放大器，用于產(chǎn)生具有可調(diào)節(jié)工作頻率的射頻功率信號(hào)，所述功率放大器還產(chǎn)生從所述射頻功率信號(hào)中衍生的參考相位信號(hào)；阻抗匹配，向具有可變共振條件的等離子線圏提供所述射頻功率信號(hào)； 相位探針，鄰近于所述等離子線圈以產(chǎn)生相應(yīng)于所述可調(diào)節(jié)工作頻率的線圈相位信號(hào)；以及鎖相環(huán)設(shè)備，用于向所述功率放大器產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)以控制所述可調(diào)節(jié)的工 作頻率，所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)基于所述參考相位信號(hào)和所述線圈相位信號(hào)之間的相位 關(guān)系，所述可調(diào)節(jié)的工作頻率然后追蹤所述的可變共振條件。
2、 權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述鎖相環(huán)設(shè)備的相位檢測(cè)器接收并比較所述 參考相位信號(hào)和所述線圈相位信號(hào)以確定所述相位關(guān)系。
3、 權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中所述相位檢測(cè)器產(chǎn)生誤差電壓，所述誤差電壓 表示所述相位關(guān)系的幅值和極性。
4、 權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中如果所述可調(diào)節(jié)工作頻率等于所述可變共振條 件，則所述誤差電壓為零伏。
5 、權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其中所述參考相位信號(hào)和所述線圈相位信號(hào)被采樣， 以便當(dāng)所述誤差電壓等于零伏時(shí)，所述相位關(guān)系為九十度異相。
6、 權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述相位檢測(cè)器對(duì)所述誤差電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)以便 所述可調(diào)節(jié)工作頻率被設(shè)置為不同于所述等離子線圈的峰值共振頻率的共振斜 率頻率。
7、 權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中積分器設(shè)備依據(jù)所述誤差電壓執(zhí)行所述濾波過 程以去除不必要的射頻分量。
8、 權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中所述鎖相環(huán)設(shè)備的壓控振蕩器在所述可調(diào)節(jié)工 作頻率下響應(yīng)于所述誤差信號(hào)的波幅和極性而產(chǎn)生所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
9、 權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述功率放大器在E級(jí)模式下工作以限制功率消耗要求。
10、 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中所述電源的所述功率放大器被直接地緊耦合 于所述阻抗匹配。
11、 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中所述阻抗匹配具有相對(duì)于所述功率放大器的 動(dòng)態(tài)可變阻抗特性。
12、 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中所述阻抗匹配通過固定的非可調(diào)節(jié)的電子器 件實(shí)現(xiàn)。
13、 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中所述阻抗匹配以均衡方式將所述射頻功率信 號(hào)從所述功率放大器向所述等離子線圈傳遞，其中所述阻抗匹配包括具有接地 中間抽頭的射頻變壓器。
14、 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中所述電源的所述等離子線圈用于初始化并維 持等離子炬內(nèi)的處于等離子態(tài)的測(cè)試樣本，以便利用光學(xué)輻射測(cè)量技術(shù)和質(zhì)譜 分析測(cè)量技術(shù)中的至少一種進(jìn)行分析。
15、 權(quán)利要求1的系統(tǒng)進(jìn)一步包括所述電源的控制器設(shè)備，所述控制器設(shè)備監(jiān)測(cè)被分析的測(cè)試樣本的等離子狀態(tài)，所述控制器設(shè)備還監(jiān)測(cè)來自所述電源 中的熱敏傳感器的溫度參數(shù)。
16、 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中所述阻抗匹配通過由鄰近的冷卻機(jī)制所提供的溫度穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)。
17、 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中所述電源包括可調(diào)節(jié)的可變電源，以便為所 述射頻功率信號(hào)選擇工作電壓。
18、 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中所述電源包括主機(jī)接口以便允許在所述電源 和外部主設(shè)備之間進(jìn)行雙向通信。
19、 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中所述電源被實(shí)現(xiàn)成獨(dú)立的模塊設(shè)備，以有利 于將所述電源不進(jìn)行改變即可并入主分析儀器。
20、 權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中所述功率放大器用于在B級(jí)模式下進(jìn)行工作 以便降低用于維持低功率的等離子操作的發(fā)電效率。
21、 一種用于實(shí)現(xiàn)電源的方法，包括通過使用還產(chǎn)生從所述射頻功率信號(hào)中衍生的參考相位信號(hào)的功率放大器 來產(chǎn)生具有可調(diào)節(jié)工作頻率的射頻功率信號(hào)；使用阻抗匹配向具有可變共振條件的等離子線圈提供所述射頻功率信號(hào)；將相位探針定位于所述等離子線圈附近以產(chǎn)生相應(yīng)于所述可調(diào)節(jié)工作頻率的線圏相位信號(hào)；以及從鎖相環(huán)設(shè)備中向所述功率放大器產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)以控制所述可調(diào)節(jié)的工作 頻率，所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)基于所述參考相位信號(hào)和所述線圈相位信號(hào)之間的相位關(guān)系，所述可調(diào)節(jié)的工作頻率然后追蹤所述的可變共振條件。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于實(shí)現(xiàn)包括功率放大器的電源的系統(tǒng)和方法，所述功率放大器產(chǎn)生具有可調(diào)節(jié)工作頻率的射頻功率信號(hào)。該功率放大器還產(chǎn)生由射頻功率信號(hào)衍生出的參考相位信號(hào)。阻抗匹配向具有可變共振條件的等離子線圈提供射頻功率信號(hào)。相位探針位于等離子線圈的附近以便產(chǎn)生與可調(diào)節(jié)工作頻率相對(duì)應(yīng)的線圈相位信號(hào)。此后，基于參考相位信號(hào)與線圈相位信號(hào)之間的相位關(guān)系，鎖相環(huán)產(chǎn)生射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)。鎖相環(huán)把射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)提供給功率放大器以控制可調(diào)節(jié)工作頻率，以便此后可調(diào)節(jié)工作頻率對(duì)可變共振條件進(jìn)行追蹤。
文檔編號(hào)H03L5/02GK101313471SQ200680043566
公開日2008年11月26日 申請(qǐng)日期2006年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月21日
發(fā)明者保羅·J·瑪特伯尼, 羅伯特·米勒, 羅格·弗萊徹 申請(qǐng)人:賽默飛世爾科技公司