CN216774729U - 射频电源*** - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种射频电源***。所述***包括：所述射频电源***包括射频电源、阻抗匹配网络、阻抗调节网络和负载阻抗，所述阻抗匹配网络分别与所述射频电源、所述阻抗调节网络、所述负载阻抗电性连接，所述阻抗调节网络还与所述负载阻抗电性连接，所述阻抗调节网络用于根据阻抗匹配网络与负载阻抗之间的入射信号和反射信号，生成至少一个控制电压；所述阻抗匹配网络用于根据所述控制电压调节阻抗，得到调节后的匹配阻抗；其中，所述匹配阻抗与所述负载阻抗之和等于所述射频电源的电源阻抗。采用本***能够通过控制电压来调节阻抗匹配网络的阻抗，无需通过伺服步进电机来改变阻抗匹配网络的阻抗，缩短了阻抗匹配的流程，从而提高阻抗匹配的速度。
Description
技术领域
本申请涉及阻抗匹配网络调节技术领域，特别是涉及一种射频电源***。
背景技术
射频电源***包括射频电源，射频电源是等离子体腔室的配套电源，应用于射频溅镀、PECVD化学气相沉积、反应离子刻蚀等领域中。在实现过程中，发明人发现传统技术中至少存在如下问题：
等离子体腔室中的非线性负载的阻抗与射频电源的恒定输出阻抗并不相等，故在射频电源和等离子体腔室之间具有严重的阻抗失配，使得传输线上存在较大的反射功率，射频电源产生的功率无法全部输送到等离子体腔室，功率损耗较大。
为解决这种问题，通过对射频电源***中的阻抗匹配网络进行调节，以使匹配网络的阻抗与等离子体腔室中的非线性负载的阻抗之和等于射频电源的阻抗，从而实现阻抗匹配，达到最大的输出功率。现有技术中，通常采用改变匹配箱中的电容值来实现阻抗匹配，常见的有通过伺服步进电机改变电容两个极板之间的距离，以此来改变电容的值，这种调节***对伺服步进电机的精度要求极高，而且调节速度不够快。
实用新型内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够快调节速度的射频电源***。
一种射频电源***，所述***包括射频电源、阻抗匹配网络、阻抗调节网络和负载阻抗，所述阻抗匹配网络分别与所述射频电源、所述阻抗调节网络、所述负载阻抗电性连接，所述阻抗调节网络还与所述负载阻抗电性连接，其中：
所述阻抗调节网络用于根据阻抗匹配网络与负载阻抗之间的入射信号和反射信号，生成至少一个控制电压，并将所述控制电压发送至所述阻抗匹配网络，其中，所述入射信号为所述阻抗匹配网络传递至所述负载阻抗的信号，所述反射信号为所述负载阻抗返回至所述阻抗匹配网络的信号；
所述阻抗匹配网络用于根据所述控制电压调节阻抗，得到调节后的匹配阻抗；其中，所述匹配阻抗与所述负载阻抗之和等于所述射频电源的电源阻抗。
可选的，所述阻抗调节网络包括定向耦合器、幅相测量芯片和控制模块，所述幅相测量芯片分别与所述定向耦合器、所述控制模块电性连接，所述控制模块与所述阻抗匹配网络电性连接。
可选的，所述定向耦合器用于采集所述阻抗匹配网络与负载阻抗之间的入射信号和反射信号；
所述幅相测量芯片用于对所述入射信号和反射信号进行比对，得到比对结果，并在所述比对结果指示所述入射信号和所述反射信号之间存在差异时，根据所述入射信号和所述反射信号生成差异电压，其中，所述差异电压包括幅值差异电压和相角差异电压；
所述控制模块用于根据所述幅值差异电压和所述相角差异电压生成至少一个控制电压，并将所述控制电压传输至所述阻抗匹配网络。
可选的，所述阻抗调节网络还包括衰减网络，所述衰减网络分别与所述幅相测量芯片、所述定向耦合器电性连接，用于将所述定向耦合器采集到的所述入射信号和所述反射信号进行衰减处理，得到衰减后的所述入射信号和衰减后的所述反射信号，并将衰减后的所述入射信号和衰减后的所述反射信号发送至所述幅相测量芯片进行比对处理。
可选的，所述幅相测量芯片还用于在所述比对结果指示所述入射信号和所述反射信号之间不存在差异时，停止生成所述差异电压，并令所述定向耦合器采集阻抗匹配网络与负载阻抗之间的入射信号和反射信号。
可选的，所述控制模块包括控制芯片和受控电压源，所述控制芯片用于根据所述幅值差异电压和所述相角差异电压生成至少一个控制信号；所述受控电压源用于将所述控制信号转换生成相应的所述控制电压，并将所述控制电压传输至所述阻抗匹配网络。
可选的，所述阻抗匹配网络包括第一支路、第二支路、第三支路和第四支路，所述第一支路的第一端与所述第四支路的第一端电性连接于第一节点，所述第一支路的第二端与所述第二支路的第一端电性连接于第二节点，所述第二支路的第二端与所述第三支路的第一端电性连接于第三节点，所述第三支路的第二端与所述第四支路的第二端电性连接于第四节点，所述第一节点与所述射频电源的第一端电性连接，所述第二节点与所述射频电源的第二端电性连接，所述第三节点与所述定向耦合器电性连接，所述第四节点与所述负载阻抗电性连接。
可选的，所述第一支路和所述第二支路为电感支路，所述电感支路包括串联的第一电容和第一电感。
可选的，所述第三支路和所述第四支路为电容支路，所述电容支路包括第二电容。
可选的，所述控制电压包括第一电压和第二电压，所述第一电压和所述第二电压分别对应不同的所述控制信号，所述受控电压源还用于将所述第一电压传输至所述阻抗匹配网络中的电感支路，令所述阻抗匹配网络根据所述第一电压调节所述电感支路的阻抗；将所述第二电压传输至所述阻抗匹配网络中的电容支路，令所述阻抗匹配网络根据所述第二电压调节所述电容支路的阻抗。
上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点和有益效果：
阻抗调节网络根据阻抗匹配网络与负载阻抗之间的入射信号与反射信号来确定信号传输功率的损耗程度，进而生成至少一个控制电压，并将控制电压发送至阻抗匹配网络进行阻抗调节，通过控制电压来调节阻抗匹配网络的阻抗，无需通过伺服步进电机来改变阻抗匹配网络的阻抗，缩短了阻抗匹配的流程，从而大大提高了阻抗匹配的速度。
附图说明
图1为本申请实施例中射频电源***的结构框图。
图2为本申请实施例中射频电源***的结构框图。
图3为本申请实施例中射频电源***的结构框图。
图4为本申请实施例中射频电源***的结构框图。
图5为本申请实施例中受控电压源的结构框图。
图6为本申请实施例中射频电源***的结构框图。
图7为本申请实施例中压控电容的结构框图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请提供的射频电源***，如图1所示，所述射频电源***包括射频电源110、阻抗匹配网络120、阻抗调节网络130和负载阻抗140，所述阻抗匹配网络120分别与所述射频电源110、所述阻抗调节网络130、所述负载阻抗140电性连接，所述阻抗调节网络130还与所述负载阻抗140电性连接。
所述阻抗调节网络130用于根据阻抗匹配网络120与负载阻抗140之间的入射信号和反射信号，生成至少一个控制电压，并将所述控制电压发送至所述阻抗匹配网络120。
其中，所述入射信号为所述阻抗匹配网络120传递至所述负载阻抗140的信号，所述反射信号为所述负载阻抗140返回至所述阻抗匹配网络120的信号。
具体的，根据入射信号和反射信号即可确定阻抗匹配网络120与负载阻抗140之间的信号传输功率的损耗程度，即判断射频电源110产生的功率是否全部传输至负载阻抗140，若入射信号与反射信号相同不存在差异，则表示射频电源110产生的功率全部传输至负载阻抗140了；若入射信号与反射信号之间存在差异，则表示射频电源110产生的功率并未全部传输至负载阻抗140，因此需要调节阻抗匹配网络120的阻抗，则利用入射信号和反射信号生成相应的控制电压，控制电压可以为一个或多个，各个控制电压之间存在关联关系。
所述阻抗匹配网络120用于根据所述控制电压调节阻抗，得到调节后的匹配阻抗。
其中，所述匹配阻抗与所述负载阻抗140之和等于所述射频电源110的电源阻抗。
具体的，阻抗匹配网络120是由电容和电感组合而成的网络，控制电压用于调节阻抗匹配网络120中电容的容量和/或电感的电感量，根据调节后的电容量和电感量计算生成相应的匹配阻抗，通过控制电压直接调节阻抗匹配网络120中的电容量和电感量，无需通过伺服步进电机来改变阻抗匹配网络120的阻抗，从而缩短了阻抗匹配的流程，以提高阻抗匹配的速度，调节后得到的匹配阻抗与负载阻抗140之和等于射频电源110的电源阻抗，使得阻抗调节之后射频电源110产生的功率能够全部传输至负载阻抗140，以降低信号传输功率的损耗。
在一个实施例中，如图2所示，所述阻抗调节网络130包括定向耦合器131、幅相测量芯片132和控制模块133，所述幅相测量芯片132分别与所述定向耦合器131、所述控制模块133电性连接，所述控制模块133与所述阻抗匹配网络120电性连接。
具体的，定向耦合器131包括第一耦合器和第二耦合器，第一耦合器用于采集入射信号，第二耦合器用于采集反射信号，第一耦合器分别与阻抗匹配网络120、负载阻抗140电性连接，第二耦合器分别与阻抗匹配网络120、负载阻抗140电性连接，幅相测量芯片132可以采用任何能同时测量指定频率范围内两输入信号之间的幅度比和相位差的芯片，在本实施例中选用型号为AD8302的芯片作为幅相测量芯片132。
在一个实施例中，所述定向耦合器131用于采集所述阻抗匹配网络120与负载阻抗140之间的入射信号和反射信号；所述幅相测量芯片132用于对所述入射信号和反射信号进行比对，得到比对结果，并在所述比对结果指示所述入射信号和所述反射信号之间存在差异时，根据所述入射信号和所述反射信号生成差异电压，其中，所述差异电压包括幅值差异电压和相角差异电压；所述控制模块133用于根据所述幅值差异电压和所述相角差异电压生成至少一个控制电压，并将所述控制电压传输至所述阻抗匹配网络120。
具体的，定向耦合器131采集阻抗匹配网络120与负载阻抗140之间的入射信号和反射信号，并将入射信号和反射信号发送至幅相测量芯片132进行比对处理，幅相测量芯片132对入射信号和反射信号之间的幅度和相位进行比对，从而得到比对结果，比对结果用于指示入射信号和反射信号之间的幅值差异以及相位差异，在比对结果指示入射信号和反射信号之间存在幅值差异和相位差异时，则根据入射信号和反射信号生成相应的幅值差异电压和相角差异电压，幅值差异电压记为VMAG，相角差异电压记为VPHS，幅值差异电压、相角差异电压与入射信号、反射信号之间的关系式如下：
VPHS＝VΦ[φ(VINPA)-φ(VINPB)]
其中，VINPA为入射信号的幅度，VINPB为反射信号的幅度，φ(VINPA)为入射信号的相位，φ(VINPB)为反射信号的相位，VLSP用于指示幅相测量芯片132的输入信号的幅度比变化为1dB时其输出电压的改变量，VΦ用于指示幅相测量芯片132的输入信号的相位变化为1°时其输出电压的改变量。
幅相测量芯片132将幅值差异电压和相角差异电压发送至主控模块进行处理，从而得到衰减处理后的入射信号和反射信号，控制模块133根据幅值差异电压和相角差异电压确定阻抗匹配网络120需要调节的阻抗量，进而根据需要调节的阻抗量生成对应的控制电压，控制电压记为Vctr，若生成一个控制电压，则根据该控制电压控制阻抗匹配网络120中全部或部分电容的容量，即通过一个控制电压调节阻抗匹配网络120中全部或部分电容的容量，使得根据调节后电容的容量得到阻抗匹配网络120的匹配阻抗，匹配阻抗与负载阻抗140之和等于电源阻抗；若生成两个或两个以上的控制电压，则每个控制电压可以用于调节阻抗匹配网络120中一个或多个电容的容量，使得根据调节后电容的容量得到阻抗匹配网络120的匹配阻抗，令匹配阻抗与负载阻抗140之和等于电源阻抗。
在一个实施例中，如图3所示，所述阻抗调节网络还包括衰减网络，所述衰减网络134分别与所述幅相测量芯片132、所述定向耦合器131电性连接，用于将所述定向耦合器131采集到的所述入射信号和所述反射信号进行衰减处理，得到衰减后的所述入射信号和衰减后的所述反射信号，并将衰减后的所述入射信号和衰减后的所述反射信号发送至所述幅相测量芯片132进行比对处理。
具体的，定向耦合器在将入射信号和反射信号发送至幅相测量芯片之前，还将入射信号和反射信号发送至衰减网络134进行衰减处理，通过衰减网络来调整入射信号和反射信号的大小，从而得到衰减处理后的入射信号和反射信号，再将衰减处理后的入射信号和反射信号发送至幅相测量芯片132进行比对处理。衰减网络还可在比较法测量电路中用来直读被测网络的衰减值，以及改善阻抗匹配的作用。
在一个实施例中，所述幅相测量芯片132还用于在所述比对结果指示所述入射信号和所述反射信号之间不存在差异时，停止生成所述差异电压；并令所述定向耦合器131采集阻抗匹配网络120与负载阻抗140之间的入射信号和反射信号。
具体的，若比对结果指示入射信号与反射信号之间不存在幅值差异以及相位差异，则停止根据入射信号与反射信号生成对应的幅值差异电压和相角差异电压，并返回至继续通过定向耦合器131采集阻抗匹配网络120与负载阻抗140之间的入射信号和反射信号的步骤。
在一个实施例中，如图4所示，所述控制模块133包括主控模组1331和受控电压源1332，所述控制模块133根据所述幅值差异电压和所述相角差异电压生成至少一个控制电压，并将所述控制电压传输至所述阻抗匹配网络120，包括：所述主控模组1331根据所述幅值差异电压和所述相角差异电压生成至少一个控制信号；所述受控电压源1332将所述控制信号转换生成相应的所述控制电压，并将所述控制电压传输至所述阻抗匹配网络120。
具体的，主控模组1331可以为任意能够实现数据处理的芯片或设备，例如，型号为STM32、MSP430、TMS的单片机，主控模组1331根据幅值差异电压和相角差异电压计算生成阻抗匹配网络120阻抗调节所需的控制信号，主控模组1331将控制信号发送至受控电压源1332，受控电压源1332将控制信号转成生成相应的控制电压，再将控制电压发送至阻抗匹配网络120中一个或多个待调节的电容，以调节电容的容量。
其中，如图5所示，受控电压源1332包括第一电阻R1、第二电阻R2和比较器，以此形成运算放大器的结构，将输入受控电压源1332的控制信号Vctr转换为控制电压V1输出至阻抗匹配网络120。
在一个实施例中，如图6所示，所述阻抗匹配网络120包括第一支路、第二支路、第三支路和第四支路，所述第一支路的第一端与所述第四支路的第一端电性连接于第一节点，所述第一支路的第二端与所述第二支路的第一端电性连接于第二节点，所述第二支路的第二端与所述第三支路的第一端电性连接于第三节点，所述第三支路的第二端与所述第四支路的第二端电性连接于第四节点，所述第一节点与所述射频电源110的第一端电性连接，所述第二节点与所述射频电源110的第二端电性连接，所述第三节点与所述定向耦合器131电性连接，所述第四节点与所述负载阻抗140电性连接。
具体的，以此方式阻抗匹配网络120采用对称X型匹配网络，相较于传统的π型、L型、Γ型网络，对称X型匹配网络中增加了可变电容以及可变电感的数量，在控制信号不变的情况下，扩大了阻抗的调节范围。
在一个实施例中，所述第一支路和所述第三支路为电感支路，所述电感支路包括串联的第一电容和第一电感。
具体的，如图6所示，第一支路中的第一电容为C1，第一支路中的第一电感为L1，第一支路中第一电容C1的第一端作为第一支路的第一端，第一支路中第一电容C1的第二端与第一电感L1的第一端电性连接，第一支路中第一电感L1的第二端作为第一支路的第二端。第三支路中的第一电容为C2，第三支路中的第一电感为L2，第三支路中第一电容C2的第一端作为第三支路的第一端，第三支路中第一电容C2的第二端与第一电感L2的第一端电性连接，第三支路中第一电感L2的第二端作为第三支路的第二端。
在一个实施例中，所述第二支路和所述第四支路为电容支路，所述电容支路包括串联的第二电容和第三电容。
具体的，如图6所示，第二支路中的第二电容为CA，第二支路中的第三电容为C5，第二支路中第二电容C4的第一端作为第二支路的第一端，第二支路中第二电容C4的第二端与第三电容C5的第一端电性连接，第二支路中第三电容C5的第二端作为第二支路的第二端。第四支路中的第二电容为C3，第四支路中的第三电容为C6，第四支路中第二电容C3的第一端作为第四支路的第一端，第四支路中第二电容C3的第二端与第三电容C6的第一端电性连接，第四支路中第三电容C6的第二端作为第四支路的第二端。
在一个实施例中，所述控制电压包括第一电压和第二电压，所述第一电压和所述第二电压分别对应不同的所述控制信号，所述受控电压源1332将所述第一电压传输至所述阻抗匹配网络120中的电感支路，令所述阻抗匹配网络120根据所述第一电压调节所述电感支路的阻抗；所述受控电压源1332将所述第二电压传输至所述阻抗匹配网络120中的电容支路，令所述阻抗匹配网络120根据所述第二电压调节所述电容支路的阻抗。
具体的，控制电压包括第一电压Vctr1和第二电压Vctr2，如图6所示，第一电压用于调节第一支路和第三支路的阻抗，以实现对可变电感的电感量调节，第二电压用于调节第二支路和第四支路的阻抗，以实现对可变电容的容量调节，从而得到调节后的匹配阻抗，以实现最佳阻抗匹配关系，最佳阻抗匹配关系如下式：
Zin＝Zs
考虑到负载阻抗140和阻抗匹配网络120的输入阻抗表达式如下：
其中，Zs用于指示负载阻抗140，
以此通过调节阻抗匹配网络120中的电容和电感来实现最佳阻抗匹配关系。
阻抗匹配网络120中的电容均为压控电容，如图7所示，压控电容是由AB和BC两部分并联组成，电容值C是AC两端的电容值，等效成AB的电容值CAB和BC的电容值CBC相并列，通过改变UAB和/或UBC来改变电容值C，由于AB和BC采用不同介电常数的电介质构成以及相互并联的关系，电容值C主要是由容量较小的部分所决定，若CAB＞CBC，则通过改变UBC来改变电容值C；若CBC＞CAB，则通过改变UAB来改变电容值C。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种射频电源***，其特征在于，所述射频电源***包括射频电源、阻抗匹配网络、阻抗调节网络和负载阻抗，所述阻抗匹配网络分别与所述射频电源、所述阻抗调节网络、所述负载阻抗电性连接，所述阻抗调节网络还与所述负载阻抗电性连接，其中：
所述阻抗调节网络用于根据阻抗匹配网络与负载阻抗之间的入射信号和反射信号，生成至少一个控制电压，并将所述控制电压发送至所述阻抗匹配网络，其中，所述入射信号为所述阻抗匹配网络传递至所述负载阻抗的信号，所述反射信号为所述负载阻抗返回至所述阻抗匹配网络的信号；
所述阻抗匹配网络用于根据所述控制电压调节阻抗，得到调节后的匹配阻抗；其中，所述匹配阻抗与所述负载阻抗之和等于所述射频电源的电源阻抗。
2.根据权利要求1所述的射频电源***，其特征在于，所述阻抗调节网络包括定向耦合器、幅相测量芯片和控制模块，所述幅相测量芯片分别与所述定向耦合器、所述控制模块电性连接，所述控制模块与所述阻抗匹配网络电性连接。
3.根据权利要求2所述的射频电源***，其特征在于，所述定向耦合器用于采集所述阻抗匹配网络与负载阻抗之间的入射信号和反射信号；
所述幅相测量芯片用于对所述入射信号和反射信号进行比对，得到比对结果，并在所述比对结果指示所述入射信号和所述反射信号之间存在差异时，根据所述入射信号和所述反射信号生成差异电压，其中，所述差异电压包括幅值差异电压和相角差异电压；
所述控制模块用于根据所述幅值差异电压和所述相角差异电压生成至少一个控制电压，并将所述控制电压传输至所述阻抗匹配网络。
4.根据权利要求3所述的射频电源***，其特征在于，所述阻抗调节网络还包括衰减网络，所述衰减网络分别与所述幅相测量芯片、所述定向耦合器电性连接，用于将所述定向耦合器采集到的所述入射信号和所述反射信号进行衰减处理，得到衰减后的所述入射信号和衰减后的所述反射信号，并将衰减后的所述入射信号和衰减后的所述反射信号发送至所述幅相测量芯片进行比对处理。
5.根据权利要求3所述的射频电源***，其特征在于，所述幅相测量芯片还用于在所述比对结果指示所述入射信号和所述反射信号之间不存在差异时，停止生成所述差异电压，并令所述定向耦合器采集阻抗匹配网络与负载阻抗之间的入射信号和反射信号。
6.根据权利要求3所述的射频电源***，其特征在于，所述控制模块包括控制芯片和受控电压源，所述控制芯片用于根据所述幅值差异电压和所述相角差异电压生成至少一个控制信号；所述受控电压源用于将所述控制信号转换生成相应的所述控制电压，并将所述控制电压传输至所述阻抗匹配网络。
7.根据权利要求6所述的射频电源***，其特征在于，所述阻抗匹配网络包括第一支路、第二支路、第三支路和第四支路，所述第一支路的第一端与所述第四支路的第一端电性连接于第一节点，所述第一支路的第二端与所述第二支路的第一端电性连接于第二节点，所述第二支路的第二端与所述第三支路的第一端电性连接于第三节点，所述第三支路的第二端与所述第四支路的第二端电性连接于第四节点，所述第一节点与所述射频电源的第一端电性连接，所述第二节点与所述射频电源的第二端电性连接，所述第三节点与所述定向耦合器电性连接，所述第四节点与所述负载阻抗电性连接。
8.根据权利要求7所述的射频电源***，其特征在于，所述第一支路和所述第二支路为电感支路，所述电感支路包括串联的第一电容和第一电感。
9.根据权利要求8所述的射频电源***，其特征在于，所述第三支路和所述第四支路为电容支路，所述电容支路包括第二电容。
10.根据权利要求9所述的射频电源***，其特征在于，所述控制电压包括第一电压和第二电压，所述第一电压和所述第二电压分别对应不同的所述控制信号，所述受控电压源还用于将所述第一电压传输至所述阻抗匹配网络中的电感支路，令所述阻抗匹配网络根据所述第一电压调节所述电感支路的阻抗；将所述第二电压传输至所述阻抗匹配网络中的电容支路，令所述阻抗匹配网络根据所述第二电压调节所述电容支路的阻抗。
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| CN116190190A (zh) * | 2023-04-25 | 2023-05-30 | 季华实验室 | 自动阻抗匹配方法、装置、***、电子设备及存储介质 |
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2021
- 2021-12-29 CN CN202123390838.0U patent/CN216774729U/zh active Active
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Address after: 518000 functional supporting area B, Taohuayuan Zhichuang Town, Tiegang community, Xixiang street, Bao'an District, Shenzhen, Guangdong 101201301 Patentee after: Shenzhen Hengyunchang Vacuum Technology Co.,Ltd. Country or region after: China Address before: 518000 functional supporting area B, Taohuayuan Zhichuang Town, Tiegang community, Xixiang street, Bao'an District, Shenzhen, Guangdong 101201301 Patentee before: SHENZHEN HENGYUNCHANG VACUUM TECHNOLOGY CO.,LTD. Country or region before: China |
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