CN101437602B - 离子平衡监视器 - Google Patents

Abstract

一种离子平衡监视器，用于通过测量因由例如空气(气体)离子发生器产生的空气离子的出现所产生的电流来同时监视正负离子产生速率以及由此的离子浓度。另外，它通过比较前述电流来检查离子平衡。通过这种方法获得的信息可被用来实时监视离子发生器。不管是哪种类型的离子发生器，两种极性的离子的离子平衡和产生速率都可通过离子监视器来记录。离子监视器可提供使离子发生器系统保持平衡所需的反馈信号。

Description

离子平衡监视器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2004年10月29日提交的题为“Ion Balance Monitor(离子平衡监视器)”的临时申请No.60/623,670的优先权，该申请通过引用结合于此。

背景技术

本发明涉及空气中的离子平衡和浓度的检测和监视。

静态电荷积聚会在各种制造过程和工业操作中导致严重问题。解决电荷聚集的方法之一是在紧靠要保护的对象附近形成高电离空气容积区。如果这些对象变成带电，则它们会吸引相反极性的空气离子。这样，又导致电荷中和。包含正负极性的离子的电离空气通常由空气电离系统来提供。必须周期性地校验这种系统，以便确保其正常的运行，并且在临界环境中，连续离子发生器系统的监视可能是必需的。

空气(气体)离子发生器的典型估算由三个部分构成。前两个测试测量离子发生器以期望产生速率水平输送正负离子的能力，从而受保护的对象可在确定时限内被中和。根据ANSI ESD STM 3.1-2000标准(2000年ESD协会用于放电敏感产品-电离的保护的EOS/ESD协会标准)，这种能力根据具有指定对地电容的带电板在指定电压电平之间进行放电所需的时间来确定。为此，首先将该板预充电至初始电压电平，然后允许放电为通常初始测试电压的10％。对初始电压的两个极性记录放电所需时间。这两次测量称为放电时间测试。

离子发生器估算的第三部分是电压偏移量测量。首先，测试板短接至地以去除任何残留电荷。然后，板与地断开连接，并允许浮置。在板电压稳定之后对板测得的电压是采集自碰撞到板上的空气离子的净电荷的结果。稳定的板电压值也表示置入离子场中、尺寸和几何形状与测试板近似的对象通过该离子场将被驱动到的电压电平。

使用上述现有技术方法的空气(气体)离子发生器系统的估算是耗时的，并且对于连续离子发生器监视中的应用并非足够健壮。可参考2000年10月10日授予的题为“Apparatus and Method for Monitoring of Air Ionization(用于监视空气电离的装置和方法)”的美国专利No.6,130,815、1996年4月9日授予的题为“Apparatus for Measuring Ions in a Clean Room Gas Flow Using a Spherical Electrode(使用球形电极测量净化室气流中的离子的装置)”的美国专利No.5,506,507以及2002年8月13日授予的题为“Floating Plate Monitor(浮置板监视器)”的美国专利No.6,433,522，所有这些前述的三个专利的公开通过引用结合于此。适当的监视要求同时测量离子平衡(电压-偏移值测试)和两个离子极性的离子产生速率(放电时间测试)。现有的充电板和带电板监视器不能进行这种同步测试。通常，这些装置仅监视电压偏移量，并且在特定系统中附加地向离子发生器提供反馈信号。这种关于离子失衡的反馈信号可被用来控制离子发生器系统；然而，这并不表示离子发生器是否产生了足够的离子量来在期望时间内使受保护对象放电。它仅仅通过指示电压偏移量告知到达板的正离子与负离子的比。

发明内容

因此，本发明的方法和装置的目的是通过提供以下来克服现有技术的方法和设备的缺点：

1.离子电流检测器组件，它可被置入离子场中。

2.离子检测器，它具有提供与碰撞到敏感电极表面的正和负离子的数量相对应的同步输出信号的能力。

3.电路，用以处理检测器信号-正和负离子电流以便为监视、记录或者控制目的提供信息。

本发明-一种新型离子平衡监视器-能够通过测量因出现空气离子(例如通过空气(气体)离子发生器生成)所产生的电流来同时监视正负离子的产生速率(以及由此的离子浓度)。另外，它通过比较上述电流来检查离子平衡。通过这种方法获得的信息可被用来实时监视离子发生器。不管是哪种类型的离子发生器，两个极性的离子的离子平衡和产生速率都可通过新型离子监视器来记录。新开发仪器的稳健性和可行性对照标准带电板监视单元来校验。这种离子监视器显著缩短了估算离子发生器所需的时间，并且可另外提供使离子发生器系统保持平衡所需的反馈信号。

本发明的其它应用包括气体环境中的任意离子平衡与离子浓度的测量和监视。

本发明的一个实施例涉及一种离子平衡监视器包括：定义包括多个导电和电隔离部分的一个表面的装置；向多个部分的相应部分施加正和负电偏置电位的装置；以及响应于离子从该表面所置入的离子场碰撞到每个部分上，测量在这些部分中产生的正负电流的装置。

本发明的另一实施例涉及一种离子平衡监视方法包括：提供包括多个导电和电隔离部分的一个表面；向多个部分的相应部分施加正负电偏置电位；以及响应于离子从该表面所置入的离子场碰撞到每个部分上，测量在这些部分中产生的正负电流。

本发明的又一实施例涉及一种离子平衡监视器包括：充电板，它被调节成暴露于电离气氛、并包括多个彼此电隔离的导电材料的采集器部分；用于向多个采集器部分的一半施加正偏压以从电离气氛吸引负离子，由此产生与采集器部分的所述一半相关联的负电流的装置；用于向多个采集器部分剩余的一半施加负偏压以从电离气氛吸引正离子，由此产生与采集器部分的剩余一半相关联的正电流的装置；处理电路，它包括各自具有输入端和输出端的第一和第二分支；用于将负电流施加到第一电路分支的输入端的装置；用于将正电流施加到第二电路分支的输入端的装置；处理电路的第一和第二分支的每一个将相应的负离子电流和正离子电流转换成相对应的负和正电压信号，并从信号中消除偏置；从而处理电路的第一和第二分支的输出分别是包含有关被吸引到充电板的采集器部分的负离子和正离子的数量的信息的负离子和正离子电压信号。

本发明的再一实施例涉及一种用于控制将正和负离子输送到气氛的离子发生器的方法，包括：采样气氛中的正离子以提供表示与离子发生器相关联的正离子产生速率的正离子电压信号；同时采样气氛中的负离子以提供表示与离子发生器相关联的负离子产生速率的负离子电压信号；添加正负离子电压信号以提供离子平衡参数；以及如果离子平衡参数不等于零，则调节离子发生器的输出，其中采样正离子并同时采样负离子包括：提供包括多个导电和电隔离部分的一个表面；向多个部分的相应部分施加正负电偏置电位；以及响应于离子从该表面所置入的气氛碰撞到每个部分上，根据在这些部分中产生的正负电流提供正负离子电压信号。

本发明的另一实施例涉及一种用于将正负离子输送到气氛的系统包括：离子发生器，用于产生正和负离子；离子平衡监视器，用于同时采样气氛中的正负离子以提供表示与离子发生器相关联的正负离子产生速率的相应正负离子电压信号，离子平衡监视器添加正负离子电压信号以提供离子平衡参数，并且其中离子平衡监视器包括定义包括多个导电和电隔离部分的一个表面的装置，向多个部分的相应部分施加正负电偏置电位的装置，以及响应于离子从表面所置入的气氛碰撞到每个部分上，根据在这些部分中产生的正负电流提供正负离子电压信号的装置；以及有效地与离子平衡监视器相关联用于向离子发生器提供反馈控制信号，以便在离子平衡参数不等于零时调节离子发生器的输出的装置。

在阅读随后的详细描述以及包括在内的附图之后，本发明的前述以及其它优点和表征特性将明显变得显而易见。

附图说明

图1是根据本发明构建的具有充电板的离子采集仪器的立体图；

图2a是一种形式的充电板的平面图；

图2b是另一种形式的充电板的平面图；

图3是类似于图2b并示出充电板各部分之间的电连接的视图；以及

图4是示出离子平衡-监视仪器的电路的示意图。

具体实施方式

应当理解本发明并不限于以下所述的实施例，因为可结合各种更改和增强而不背离本发明的范围。

图1是根据本发明的具有充电板1的离子采集仪器的立体图。图2a和2b是根据本发明的离子采集板1的两个实施例的俯视图。板1具有由导电材料(即金属)制成、可彼此电隔离的采集器部分2。电(和物理)隔离可例如通过使用任意介电和/或防静电材料3来确保。作为一个示例，图2a呈现了由十二(12)个部分21构成的板1，而图2b示出了四(4)个采集器部分2b。虽然示出了板1，但是这些部分也可以是其它表面、体或任意其它两维或三维的几何结构。采集器部分通过施加于它们的正电压或者负电压进行偏置。所施加的电压值可对正和负两个极性进行调节。每个正电荷充电部分与两个负电荷充电部分相邻，而每个负电荷充电部分与两个正电荷充电部分相邻，从而整个板填充有交替的正电位区与负电位区，如图2a和2b所示。如图3所示，板的所有正偏压部分在连接点5上电连接在一起。如图3所示，所有负偏压部分在连接点4上电连接在一起。

板1的离子采集导电部分2通过施加于它们的电压进行预偏置。正偏压部分将吸引出现在周围气体环境中的负离子。这将引起离子电流从板1的所有正(偏压)部分流到点5。类似现象也在负电压预偏置部分发生。正电子电流将从点4流出(电流从负电位流到正电位)。点或结点上的离子电流被作为输入施加到图4所示离子平衡-监视器仪器的电路。

现在详细地参看图4，结点4上的负离子电流被输送到由电阻6和8、电容器7以及运算放大器9构成的前置放大器。结点5上的正离子电流同时进入由电阻27、30、电容器29和运算放大器31构成的前置放大器。可调电源11和32被用来经由标示为10和28的连接对离子采集板进行预偏置。在通过前置放大器之后，负离子电流和正离子电流都已被转换成相应的电压信号并被反相。然后，负电流信号通过由电阻13、14、15、16和运算放大器17构成的差分放大器，其中正偏压从信号中减去且结果值反相。在此方法中，在运算放大器17的输出端上获得表示负离子输入电流的电压。因而，前置放大器和差分放大器构成电路的第一分支，并且输入为结点4，而输出为差分放大器的输出。

在类似方式中，在运算放大器36上获得正离子电流的电压表示。包括运算放大器36的差分放大器的输出是电路的第二支路的输出，该第二支路具有结点5并包括相关联的前置放大器和差分放大器。现在两个电压信号都可被用来确定到达经带电板-离子采集板的离子的量。这样，进而提供关于离子发生器系统效率的信息。如果添加正负离子电压信号，如在包括电阻18、19、20、37和运算放大器21的加法放大器中进行的，则可确定离子平衡偏移量。在通过包括电阻22、23和运算放大器24的缓冲器之后，离子平衡信息可被显示给仪器的操作者，并且还进一步被用来调节离子发生器上的离子平衡。例如，这通过包括电阻25和电容器26的低通滤波电路、并通过包括电阻45、48、电容46和运算放大器47的积分电路来实现。这两个电路被用来调节反馈信号，该反馈信号要经由端子44提供给离子发生器50的控制电路49。

本发明仪器同时测量表征离子发生器系统工作的所有三个参数：正离子产生速率；负离子产生速率；以及离子平衡。记录在充电板的正负偏压部分上的离子电流的大小提供关于离子产生速率的信息，并进而提供板附近的两个极性的离子浓度。可根据对应的放电时间来校准离子电流。可参考EOS/ESD协会技术报告：2002年ESD协会ESD TR13-02的用于测量离子发生器电压偏移量和放电时间的备用技术(等效于由前文所提到的标准ANSI ESD STM 3.1-2000推荐的测量)。两个离子电流的比较给出了关于离子平衡的信息：如果负离子电流和正离子电流的总和等于零，则离子发生器系统在离子平衡监视器的附近提供离子平衡。如果这个总和不等于零，则此信息可进行进一步处理并被用来调节离子发生器系统的输出。

因而，本发明的方法和装置提供经改进的空气离子平衡和浓度的感测和监视。本发明允许直接连续测量和定量估算正负离子所处的空气或任意其它气体环境中的正负离子浓度。当前所使用的方法以及诸如耦合到带电板监视器的带电板和离子平衡监视器的设备能够感测撞击在单个检测元件的正负离子的整体综合影响，但不能同时提供特定极性的离子电流信息。本发明的方法和装置允许同时分离正离子浓度和负离子浓度，并提供由各类离子产生的电流的直接测量。

因此，显而易见，本发明实现了期望目标。虽然已详细描述了本发明的各个实施例，但是这仅仅作为说明目的而非限制目的。

Claims (16)

1.一种离子平衡监视器包括：

a)定义包括多个导电和电隔离部分的一个表面的装置；

b)向所述多个部分的相应部分施加正和负电偏置电位的装置；以及

c)响应于离子从所述表面所置入的离子场碰撞到每个所述部分上，测量在所述部分中产生的正负电流的装置。

2.如权利要求1所述的离子平衡监视器，其特征在于，测量正负电流的所述装置包括用于将正负离子电流转换成包含有关到达所述部分的正负离子数量的信息的正负离子电压信号的装置。

3.如权利要求2所述的离子平衡监视器，其特征在于，还包括用于添加正和负离子电压信号以确定离子平衡偏移量的装置。

4.如权利要求3所述的离子平衡监视器，其特征在于，还包括利用离子平衡提供反馈控制信号的装置。

5.如权利要求1所述的离子平衡监视器，其特征在于，施加正电偏置电位的每个部分位于施加负电偏置电位的两个部分之间，并且其中施加负电偏置电位的每个部分位于施加正电偏置电位的两个部分之间。

6.一种离子平衡监视方法包括：

a)提供包括多个导电和电隔离部分的一个表面；

b)向所述多个部分的相应部分施加正负电偏置电位；以及

c)响应于离子从所述表面所置入的离子场碰撞到每个所述部分上，测量在所述部分中产生的正负电流。

7.如权利要求6所述的离子平衡监视方法，其特征在于，所述测量正负电流包括将正负离子电流转换成正负离子电压信号，所述正负离子电压信号包含有关到达所述部分的正负离子数量的信息。

8.如权利要求7所述的离子平衡监视方法，其特征在于，还包括添加正负离子电压信号以确定离子平衡偏移量。

9.如权利要求8所述的离子平衡监视方法，其特征在于，还包括利用离子平衡偏移量提供反馈控制信号。

10.如权利要求6所述的离子平衡监视方法，其特征在于，所述表面用使施加正电偏置电位的每个部分位于施加负电偏置电位的两个部分之间，并且使施加负电偏置电位的每个部分位于施加正电偏置电位的两个部分之间的方式设置。

11.一种离子平衡监视器包括：

a)充电板，它被调节成暴露于电离气氛、并包括多个彼此电隔离的导电材料的采集器部分；

b)用于向多个采集器部分的一半施加正偏压以从电离气氛吸引负离子，由此产生与采集器部分的所述一半相关联的负电流的装置；

c)用于向多个采集器部分剩余的一半施加负偏压以从电离气氛吸引正离子，由此产生与采集器部分的所述剩余一半相关联的正电流的装置；

d)处理电路，它包括各自具有输入端和输出端的第一和第二分支；

e)用于将负电流施加到所述第一电路分支的输入端的装置；

f)用于将正电流施加到所述第二电路分支的输入端的装置；

g)所述处理电路的所述第一和第二分支的每一个将相应的负离子电流和正离子电流转换成相对应的负和正电压信号，并从信号中消除偏置；

h)从而所述处理电路的所述第一和第二分支的输出分别是包含有关被吸引到充电板的采集器部分的负离子和正离子的数量的信息的负离子和正离子电压信号。

12.如权利要求11所述的离子平衡监视器，其特征在于，还包括有效地连接到所述处理电路的所述第一和第二分支的输出端、用于添加负和正离子电压信号以确定离子平衡偏移量的装置。

13.如权利要求12所述的离子平衡监视器，其特征在于，还包括滤波器和积分器组合，它们有效地连接到所述用于添加的装置用于提供反馈信号以控制气氛的电离。

14.如权利要求11所述的离子平衡监视器，其特征在于，施加正电偏置电位的各个采集器部分位于施加负电偏置电位的两个采集器部分之间，并且其中施加负电偏置电位的各个采集器部分位于施加正电偏置电位的两个采集器部分之间。

15.一种用于控制将正和负离子输送到气氛的离子发生器的方法，包括：

a)采样气氛中的正离子以提供表示与离子发生器相关联的正离子产生速率的正离子电压信号；

b)同时采样气氛中的负离子以提供表示与离子发生器相关联的负离子产生速率的负离子电压信号；

c)添加正负离子电压信号以提供离子平衡参数；以及

d)如果离子平衡参数不等于零，则调节离子发生器的输出，

其中所述采样正离子并同时采样负离子包括：

提供包括多个导电和电隔离部分的一个表面；

向所述多个部分的相应部分施加正负电偏置电位；以及

响应于离子从所述表面所置入的气氛碰撞到每个所述部分上，根据在所述部分中产生的正负电流提供所述正负离子电压信号。

16.一种用于将正负离子输送到气氛的系统包括：

a)离子发生器，用于产生所述正和负离子；

b)离子平衡监视器，用于同时采样气氛中的正负离子以提供表示与离子发生器相关联的正负离子产生速率的相应正负离子电压信号，所述离子平衡监视器添加正负离子电压信号以提供离子平衡参数，并且其中所述离子平衡监视器包括：

定义包括多个导电和电隔离部分的一个表面的装置；

向所述多个部分的相应部分施加正负电偏置电位的装置；以及

响应于离子从所述表面所置入的气氛碰撞到每个所述部分上，根据在所述部分中产生的正负电流提供所述正负离子电压信号的装置；以及

c)有效地与所述离子平衡监视器相关联用于向所述离子发生器提供反馈控制信号，以便在离子平衡参数不等于零时调节所述离子发生器的输出的装置。

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