專利名稱：真空可變電容器的制作方法
技術領域：
本發明涉及真空電容器領域。真空電容器在現有技術中眾所周知，并且被用在需要高頻和高功率的應用中。普通應用包括例如用在高功率無線電頻率傳輸中的振蕩電路和用在制造半導體太陽能板和平板顯示器中的高頻供電。
背景技術：
電容器包括兩個或者更多被介電介質隔開的導電表面，其通常稱為電極。就真空電容器而言，介電介質是真空。真空電容器通常需要高真空(IO-6Torr或者更佳)。在氣密殼體內保持真空，該殼體也包圍電極。典型殼體可包括裝配有通過接合技術緊固至陶瓷圓筒的金屬套環的絕緣陶瓷圓筒，對于電容器的工作壽命，接合技術保證密閉密封使得在殼體內能夠保持高真空。 真空電容器分成兩個主要類別具有固定電容的真空電容器，其中電極之間的幾何關系保持不變；和可變電容器，其中電極的一個或者兩個的形狀、定向和/或間隔可以變化，從而改變設備的電容。例如，可以使用波紋管裝置，或磁體和線圈，或允許電極其中之一相對于其它電極移動的任何其它裝置。這種可變真空電容器的構造和它們在無線電頻率應用中的操作，被本領域技術人員熟知。德國專利文獻DE2752025和日本專利文獻JP112773999描述了典型現有技術的可變真空電容器裝置。真空電容器的電極和外殼通常針對當高頻電流流經它們時它們的低電損耗而被選擇。這些損耗導致包括電極的導電部件變熱，特別是在高功率應用中，從而造成高功率真空電容器通常必須裝備有冷卻系統。由于這個原因，現有技術真空電容器電極已由銅制造，銅具有低電阻率并由此具有更低損耗。電極表面必制造成最小化電弧產生、或者任何其它不需要的電流流經隔開電極的介電介質的形式的可能性。電弧，也稱為不受控制的放電或者介電擊穿，發生在電極間任一點的電場密度超過特定擊穿值的時候。該擊穿值依賴于包括所施加的電壓差、真空深度、電極之間的間隙距離(在它們相互最近的點處)以及電極表面的物理和電特性的參數的組合。真空電容器的場強度是在沒有這種不可控制的放電發生的情況下能夠實現的最大容許電場。場強度根本上限制了對于給定的電極間隔的電容器的工作電壓。實現設備中可能的最高場強度是具有優勢的，因為增加場強度允許具有特定的幾何結構的真空電容器用在高功率應用上。可替代地，對于給定的應用電壓，高場強度的真空電容器的幾何結構(尺寸)可以制成小于具有低場強度的電容器的幾何結構(尺寸)。這方面最容易在電場強度E、電勢差U和電極間隔d之間的靜電關系E=U/d(這種關系是近似的，因為假設了邊緣效應可忽略的平行的、平的電極)中看出。電極材料的選擇和電極的表面拋光對于在高的外施電壓下減少擊穿或者泄漏電流來說是非常重要的。在日本專利申請JP11273999中，銅被用作電極，電極涂有鎳或者鉻。這些涂層金屬因為它們的硬度和它們的高熔點而被選擇。選擇真空作為電介質被以下事實所證明^AC (交流)、RF (射頻)或者VHF (非常高的頻率)的電流流經電容器時，沒有電損耗，并且也因為發生高電壓擊穿時具有良好的恢復潛力。其它電介質已知在這種擊穿中會造成慘重的和不可逆的損壞。電極表面的狀態在擊穿發生的可能性上具有顯著的作用。微突起形式的表面不規則或者表面上存在顆粒或者顆粒團聚體促進電壓擊穿的引發，因為突起或者團聚體提供電子最容易地通過場發射從金屬表面射出的和/或能夠發起被吸收的顆粒的電離和隨后的加速的區域。兩種作用都能導致以不可控的方式穿過電極介質(電介質)內部的電荷的“雪崩”。擊穿現象的物理現象和特別是它們的發起，仍未被完全理解，因此設計高場強度的電極不跟隨預先建立的制作法，而是牽涉到按經驗的材料對比、實驗表面處理以及高電壓測試來判定最好的材料和表面性質。正如上文提到，用于真空電容器的電極傳統上由銅制成，因為該材料的優良的電導率(即低損耗)，以及使用銅電極可以實現的可接受的高場強度。已經嘗試通過使用具有比銅更硬并且具有更高熔點的金屬來增加電容器最大場強度。例如在日本專利申請JP11273998中，提出用下列材料之一制造電極不銹鋼、鎳、鑰、鈮、鉭、鈦、鎢、蒙奈爾銅鎳·合金、銅鎳合金以及鎳黃銅。在日本專利申請JP11273999中，提出用從同樣清單中選擇的材料涂敷電極。這些材料因為它們的相對硬度和高熔點被選擇，這跟隨了公認的常識具有更高熔點的較硬的電極材料減少不可控的放電的引發，并且因此允許更高場強度的使用(即較小的電極間的間隙和/或較大的外施電壓)。但是正如上文討論，擊穿通常源于兩個主要事件電子從電極表面的射出和電極表面的顆粒的電離。當電子或者離子從金屬表面射出時，它們被強大的電場朝向另一電極迅速地加速，其中它們的撞擊加熱靶電極的表面并且導致進一步的離子或者電子的射出，然后這些進一步的離子或者電子朝向相對的電極被加速，等等。如果電極由具有更高熔點的較硬的材料制成，那么打擊它表面的電子或者離子的撞擊和加熱作用將被降低由于每一電子/離子的撞擊而從表面射出的電子和離子將更少。由此，使用具有更高熔點的較硬的金屬被設計來限制上文描述的撞擊/射出循環的進展，并且降低雪崩擊穿的可能性。但是，上文提到的更硬的更高熔點的電極材料(不銹鋼、鎳、鑰、鈮、鉭、鈦、鎢、蒙奈爾銅鎳合金、銅鎳合金以及鎳黃銅)替代銅或者作為銅的涂層的使用也帶來缺點。例如，這些較硬的材料都具有遠高于銅的電阻率。鑰和鎢的電阻率約為53ηΩ ·πι，同時鈦和不銹鋼的電阻率分別是420和740η Ω · m。相比之下，銅的電阻率約為17ηΩ · m。較硬的更高熔點金屬也具有顯著更低的熱導率，最高的是鎢具有173W πΓ1 Γ1和鑰具有138W πΓ1 Γ1，同時其它列出的金屬熱導率在不銹鋼的16W · πΓ1 · Γ1到鎳的90W · πΓ1 · Γ1范圍之間。相比之下，銅具有大得多的約400W · πΓ1 · K—1的熱導率。這些金屬的較高的電阻率和較低的熱導率不是非常好的適合于輸送在高功率、高頻應用中所涉及的高電流。與類似銅電極相比，由鎢或者鑰制成的電極將消耗超過三倍的熱形式的電能，并且通過電極導出的該額外的熱的效率將低于通過銅電極導出的大約2. 5倍。增加的熱產生和更低效的熱傳遞的這種結合意味著大大增加了用于由鎢或鑰制成的(或涂有鎢或鑰)的電極的冷卻需求。列出的其它金屬具有比鎢和鑰顯著更差的熱/電阻性倉泛
發明內容
因此，本發明的目的是提供具有上文描述的增加的場強度但沒有過熱問題和相應的冷卻需求的真空電容器。為了解決現有技術中的上述和其它問題，本發明提出使用一個或者多個由鋁制成的電極。因為它的相對柔軟、它的低熔點以及與鋁相關的實際困難，金屬至今仍未被考慮為用于真空電容器電極的合適的電極材料。但是，現在已經確定鋁的確具有電、熱和表面特性的結合，其意味著和本領域技術人員的預期相反，使用鋁電極比使用銅電極能實現更高的場強度，并且未引入熱消耗或者增加的冷卻需求的顯著額外問題。因此，本發明的目的是提供具有由真空電介質隔開的第一電極和第二電極的真空電容器，真空電容器的特征在于第一和第二電極中至少一個是由鋁或鋁合金制成的或者涂有招或招合金。 真空電容器可以是可變真空電容器，包括用于改變第一和第二電極中的至少一個的形狀、定向和/或位置從而改變真空電容器的電容的電容改變裝置。可替代地，真空電容器可以是固定電容真空電容器，其中第一和第二電極的形狀、定向和/或位置是固定的。根據本發明的一種變形，真空電容器包括用于包圍真空電介質以及第一和第二電極的外殼，外殼至少部分地由鋁制成。外殼可以具有一個或者多個至少部分地由鋁制成的電連接件、和至少部分地由陶瓷材料制成的絕緣部件。本發明的另一目的是提供制造真空電容器的方法，真空電容器包括包圍由真空電介質隔開的第一電極和第二電極的外殼，該方法包括由鋁制造的第一和第二電極中的至少一個的步驟。外殼可以包括至少一個至少部分地由鋁制成的導電部件，和至少一個至少部分地由陶瓷材料制成的絕緣部件，該方法包括通過使用真空釬焊過程將導電部件接合至絕緣部件的步驟。根據本發明的方法的一個實施方式，真空釬焊過程是無焊劑釬焊過程。這種焊接過程能在不引入任何隨后可能向真空室排氣的材料的情況下實施。陶瓷材料可以有利地包括鋁的氧化物。根據本發明的方法的進一步變形，該方法包括以機械、化學或者電化學方式拋光第一和/或第二電極的電容表面的步驟。特別地，第一和/或第二電極的每個電容表面被拋光成小于2微米的平均表面粗糙度級別和5微米的最大表面粗糙度級別。這過程盡可能地除去任何可能作為擊穿引發區的突起。根據本發明的另一改良，第一和/或第二電極具有被圓角處理成具有40微米的最小圓角半徑的邊緣。從電極幾何結構除去尖角進一步降低擊穿的可能性。根據本發明的另一變形，真空電容器被制成使得以毫米計的第一和第二電極之間的最近距離小于以千伏計的要施加在第一和第二電極間的最大電壓的O. 02倍。根據進一步改良，制成第一和/或第二電極、和/或外殼的導電部件的鋁是至少99%的純鋁。它也可以被制備成不包含在25°C下排氣率大于10_9torr L fcnr2的物質。
具體實施例方式本發明將參照附圖
I被描述，附圖I示出了典型可變真空電容器裝置。該圖示出了這樣的裝置，在該裝置中，在真空(3)中一套靜止圓筒電極(2)與一套活動圓筒電極(I)間隔插置。波紋管(7)允許活動電極的相對運動同時保持外殼(4、5、6)中的真空(3)的完整性。外殼可以包括以真空緊密方式結合或者以其它手段固定至端部元件(4、5)的陶瓷外殼壁(6)，端部元件(4、5)可以由導電材料制成。如上文描述，如果電子或者離子從電極表面射出，那么選擇更大硬度和/或熔點的電極表面材料可以具有限制或者減緩雪崩擊穿的發展的作用。另一方面，使用鋁電極，通過不同過程減小雪崩情況的引發，即通過減小來自電極表面的電子的場發射的引發。鋁具有約28η Ω.πι的電阻率(大約為銅的I. 6倍)和237W · πΓ1 · Γ1的熱導率(大約為銅熱導率的三分之二)。因此，這些金屬特性與銅的金屬特性相當，特別是當對比前文提到的更硬、熔點更高的材料。但是，使用鋁的主要優點是來自金屬表面的帶電電子的減小的場發射。在實驗中，其中其它參數嚴格保持相同，判定出鋁電極能實現的場強度大約為銅電極能實現的場強度的兩倍。在初始測試中使用的鋁是高純的，但是使用具有其它物質的鋁合金可以獲得類似的增加。 其中，術語“鋁”被用在該描述中和隨附的權利要求中，應當理解，該術語也包括具有很大量的鋁含量的鋁合金。表述“由鋁制成”意在包括包含大量鋁的合金的使用，以及在其它材料上的鋁涂層的使用。包括銅部件和陶瓷絕緣體部件之間的真空焊接在內的各種可變真空可兼容連接工藝已在現有技術中實現，并且已經在改進以銅部件制成的真空電容器的壽命和操作環境上被證實是成功的。當選擇合適材料用于電容器的導電部件時，實際制造考慮因素也起到重要作用。銅能夠以相對直接的方式焊接至陶瓷絕緣體，并且銅和常用陶瓷絕緣體的相對熱膨脹系數足夠類似而在焊接時不會引起問題。另一方面，鋁的熱膨脹系數與這種絕緣體的熱膨脹系數更不同，這意味著焊接工藝更困難，并且必須使用不同的焊接工藝。除了缺少對鋁的有利的場發射特性的理解之外，這是為何鋁至今不被選用作為真空電容器中的電極材料的重要原因。相對于銅，使用鋁的其它優勢包括但是不限于輕質、原材料的可利用性、它相對低的成本、它的機械性能以及它的合金可能性。與鋁一起加工的難度至今已經使人們相信使用這種金屬是沒有優勢的。但是，正如上文已描述，現在已經判定使用鋁電極能實現的高場強度實際上證明了這種材料的使用是正確的。定義“標準化電極”以便在是否銅或者鋁將可允許較高的場強度電極上作出清楚的論述。這種實驗是不明顯的，因為場強度是非常復雜的現象，舉幾個例子來說，其不僅依賴材料類型，而且依賴電極形狀和尺寸、表面粗糙度、表面的污染、金屬的材料粒度以及真空中殘余氣體的類型和數量。在實際術語中，所謂的條件化程序有意地實施在真空電容器電極上，以通過在前文提到的參數上作用來試圖改進場強度。為了判定對僅一個參數的依賴性，有必要“凍結”或者至少控制其它參數，從而使用用于實驗的“標準化電極”。在一個實驗中，“標準化”電極被制造成具有除了材料本身(使用OFE銅和高純鋁)之外的公稱上相同特性的所謂羅柯夫斯基電極(Rogovski profile electrodes)。使用羅柯夫斯基特性以實現沿著電極表面的均勻的場。然后高壓特征在特制的真空室中被測量來重現真空電容器中電極環境，但是有利的是排除潛在的破壞性影響，例如由于陶瓷的存在而引起的那些影響，或者由于與電容器設備的更復雜的制造相關的釬焊/銅焊工藝而引起的那些影響。使用用于實驗的工業上制造的設備將會導致結果的散布，所述結果難以專門地分配給一個特定的正被分析的參數(即金屬的選擇)。實驗也被實施來比較更實際成形的同心的圓筒電極例如真空電容器中通常使用的那些，并且當用鋁電極代替銅時，證實了在場強度上實質性地增加了大約2倍。由于較高的場強度(即電擊穿發生的閾電壓)和其它與使用鋁相關的改進，而獲得更好的性能。因而，較高的應用電壓能被用在新真空電容器，或者可替代地，較小的電極間的間隙可被使用，從而導致整體尺寸較小的真空電容器。顯然地，優勢是能使用具有同樣性能的較小的真空電容器。盡管對于電極來說較高的場強度特別地令人滿意，前文列出的鋁化合物的其它優勢對于電極和其它導電部件來說也具有優勢。確實，使用鋁化合物正面地影響固定和可變真空電容器的特性，由于下列鋁的性能高場強度，例如由于低電子場發射、它的低密度、它的非磁性性能、它的容易的機加工和表面處理/拋光、它的相對低的成本和高可利用性、它的高真空兼容性、它的低電損耗(即·使不像銅那么低)以及它高熱導率(即使不像銅那么高)。此外，鋁提供范圍廣泛的合金可能性，這允許金屬的各種不同性能(熔點、剛性、焊接能力、硬度等)，以被完美地調節至特定的真空電容器應用。盡管本發明已在可變電容器(8)的背景下被描述，這僅是闡述的目的，并且發明可以同等地被應用在其它設備上例如固定真空電容器。
權利要求
1.一種真空電容器(8)，所述真空電容器(8)具有由真空電介質(3)隔開的第一電極(1)和第二電極(2)，所述真空電容器(8)的特征在于，所述第一電極(I)和所述第二電極(2)中的至少一個由鋁制成。
2.根據權利要求I所述的真空電容器(8)，包括用于改變所述第一電極(I)和所述第二電極(2)中的至少一個的形狀、定向和/或位置從而改變所述真空電容器(8)的電容的電容改變裝置。
3.根據權利要求I所述的真空電容器(8)，其中，所述第一電極(I)和所述第二電極(2)的形狀、定向和/或位置是固定的。
4.根據權利要求I至3中任一項所述的真空電容器(8)，包括用于包圍所述真空電介質(3)以及所述第一電極(I)和所述第二電極(2)的外殼(4、5、6),所述外殼(4、5、6)至少部分地由鋁制成。
5.根據權利要求4所述的真空電容器(8)，其中，所述外殼(4、5、6)設置有一個或者多個至少部分地由鋁制成的電連接件(4、5)、以及至少部分地由陶瓷材料制成的絕緣部件(6)。
6.一種制造真空電容器(8)的方法，所述真空電容器(8)包括包圍由真空電介質(3)隔開的第一電極(I)和第二電極(2)的外殼(4、5、6)，所述方法包括由鋁制造所述第一電極(I)和所述第二電極(2)中的至少一個的步驟。
7.根據權利要求6所述的方法，所述外殼(4、5、6)包括至少部分地由鋁制成的至少一個導電部件(4、5)、以及至少部分地由陶瓷材料制成的至少一個絕緣部件(6)，所述方法包括使用真空釬焊過程將所述導電部件(4、5)接合至所述絕緣部件(6)的步驟。
8.根據權利要求7所述的方法，其中，所述真空釬焊過程是無焊劑釬焊過程。
9.根據權利要求6至8中任一項所述的方法，所述方法包括以機械、化學或者電化學方式拋光所述第一電極(I)和/或所述第二電極(2)的電容表面的步驟。
10.根據權利要求5所述的真空電容器(8)、或者根據權利要求7或8中任一項所述的方法，其中，所述陶瓷材料包括鋁的氧化物。
11.根據權利要求I至5中任一項所述的真空電容器(8)、或者根據權利要求6至9中任一項所述的方法，其中，所述第一電極(I)和/或所述第二電極(2)的每個電容表面被拋光成小于2微米的平均表面粗糙度級別和5微米的最大表面粗糙度級別。
12.根據權利要求I至5中任一項所述的真空電容器(8)、或者根據權利要求6至9中任一項所述的方法，其中，所述第一電極(I)和/或所述第二電極(2)具有被圓角處理成40微米的最小圓角半徑的邊緣。
13.根據權利要求I至8中任一項所述的真空電容器(8)、或者根據權利要求9至12中任一項所述的方法，其中，以毫米計的所述第一電極(I)與所述第二電極(2)之間的最近距離小于以千伏計的要施加在所述第一電極(I)與所述第二電極(2)間的最大電壓的O. 02倍。
14.根據權利要求I至5中任一項所述的真空電容器(8)、或者根據權利要求6至9中任一項所述的方法，其中，制成所述第一電極(I)和/或所述第二電極(2)、和/或所述外殼的所述導電部件(4、5)的所述鋁是至少99%的純鋁。
15.根據權利要求I至5中任一項所述的真空電容器(8)、或者根據權利要求6至9中任一項所述的方法，其中，制成所述第一電極(I)和/或所述第二電極(2)、和/或所 述外殼的所述導電部件(4、5)的所述招不包含在25°C下排氣率大于10_9torr litre sednT2的物質。
全文摘要
真空電容器(8)被描述，其具有至少兩個在真空(3)中的電極(1、2)，所述電極由鋁或鋁合金制造或者涂有鋁或鋁合金，并且真空電容器(8)的外殼包括絕緣(例如陶瓷)部件和兩個或者更多導電部件(4、5)。
文檔編號H01G5/01GK102959657SQ201080067833
公開日2013年3月6日 申請日期2010年6月28日 優先權日2010年6月28日
發明者邁克·阿布雷希特, 沃爾特·比格勒, 菲利普·賈吉, 馬克·約阿希姆·米爾德納 申請人:康姆艾德公司