[发明专利]真空可变电容器

说明书

技术领域

本发明涉及真空电容器领域。真空电容器在现有技术中众所周知，并且被用在需要高频和高功率的应用中。普通应用包括例如用在高功率无线电频率传输中的振荡电路和用在制造半导体太阳能板和平板显示器中的高频供电。

背景技术

电容器包括两个或者更多被介电介质隔开的导电表面，其通常称为电极。就真空电容器而言，介电介质是真空。真空电容器通常需要高真空（10^-6Torr或者更佳）。在气密壳体内保持真空，该壳体也包围电极。典型壳体可包括装配有通过接合技术紧固至陶瓷圆筒的金属套环的绝缘陶瓷圆筒，对于电容器的工作寿命，接合技术保证密闭密封使得在壳体内能够保持高真空。

真空电容器分成两个主要类别：具有固定电容的真空电容器，其中电极之间的几何关系保持不变；和可变电容器，其中电极的一个或者两个的形状、定向和/或间隔可以变化，从而改变设备的电容。例如，可以使用波纹管装置，或磁体和线圈，或允许电极其中之一相对于其它电极移动的任何其它装置。这种可变真空电容器的构造和它们在无线电频率应用中的操作，被本领域技术人员熟知。德国专利文献DE2752025和日本专利文献JP112773999描述了典型现有技术的可变真空电容器装置。

真空电容器的电极和外壳通常针对当高频电流流经它们时它们的低电损耗而被选择。这些损耗导致包括电极的导电部件变热，特别是在高功率应用中，从而造成高功率真空电容器通常必须装备有冷却系统。由于这个原因，现有技术真空电容器电极已由铜制造，铜具有低电阻率并由此具有更低损耗。

电极表面必制造成最小化电弧产生、或者任何其它不需要的电流流经隔开电极的介电介质的形式的可能性。电弧，也称为不受控制的放电或者介电击穿，发生在电极间任一点的电场密度超过特定击穿值的时候。该击穿值依赖于包括所施加的电压差、真空深度、电极之间的间隙距离（在它们相互最近的点处）以及电极表面的物理和电特性的参数的组合。

真空电容器的场强度是在没有这种不可控制的放电发生的情况下能够实现的最大容许电场。场强度根本上限制了对于给定的电极间隔的电容器的工作电压。实现设备中可能的最高场强度是具有优势的，因为增加场强度允许具有特定的几何结构的真空电容器用在高功率应用上。可替代地，对于给定的应用电压，高场强度的真空电容器的几何结构（尺寸）可以制成小于具有低场强度的电容器的几何结构（尺寸）。这方面最容易在电场强度E、电势差U和电极间隔d之间的静电关系E=U/d（这种关系是近似的，因为假设了边缘效应可忽略的平行的、平的电极）中看出。

电极材料的选择和电极的表面抛光对于在高的外施电压下减少击穿或者泄漏电流来说是非常重要的。在日本专利申请JP11273999中，铜被用作电极，电极涂有镍或者铬。这些涂层金属因为它们的硬度和它们的高熔点而被选择。

选择真空作为电介质被以下事实所证明：当AC（交流）、RF（射频）或者VHF（非常高的频率）的电流流经电容器时，没有电损耗，并且也因为发生高电压击穿时具有良好的恢复潜力。其它电介质已知在这种击穿中会造成惨重的和不可逆的损坏。

电极表面的状态在击穿发生的可能性上具有显著的作用。微突起形式的表面不规则或者表面上存在颗粒或者颗粒团聚体促进电压击穿的引发，因为突起或者团聚体提供电子最容易地通过场发射从金属表面射出的和/或能够发起被吸收的颗粒的电离和随后的加速的区域。两种作用都能导致以不可控的方式穿过电极介质（电介质）内部的电荷的“雪崩”。击穿现象的物理现象和特别是它们的发起，仍未被完全理解，因此设计高场强度的电极不跟随预先建立的制作法，而是牵涉到按经验的材料对比、实验表面处理以及高电压测试来判定最好的材料和表面性质。

正如上文提到，用于真空电容器的电极传统上由铜制成，因为该材料的优良的电导率（即低损耗），以及使用铜电极可以实现的可接受的高场强度。已经尝试通过使用具有比铜更硬并且具有更高熔点的金属来增加电容器最大场强度。例如在日本专利申请JP11273998中，提出用下列材料之一制造电极：不锈钢、镍、钼、铌、钽、钛、钨、蒙奈尔铜镍合金、铜镍合金以及镍黄铜。在日本专利申请JP11273999中，提出用从同样清单中选择的材料涂敷电极。这些材料因为它们的相对硬度和高熔点被选择，这跟随了公认的常识：具有更高熔点的较硬的电极材料减少不可控的放电的引发，并且因此允许更高场强度的使用（即较小的电极间的间隙和/或较大的外施电压）。