CN103250312A - 用于离子平衡测量和调节的具有隔离的电容器电路的离子化平衡装置 - Google Patents

Abstract

在一个实例中，本发明描述了可用于测量在离子化平衡装置(10)中的所述离子平衡的电路和技术。所述电路包括电容器(22)，所述电容器包括两个导体(23,24)，其中所述导体中的第一个(23)暴露于所述离子化装置的所述输出，并且所述导体的第二个(24)与所述离子化装置的所述输出隔离。所述第一导体可积聚电荷，以便量化所述离子化平衡装置的所述输出。开关(29)可用于使所述第一导体以周期性的间隔放电，以便测量在所述第一导体上的所述积聚电荷，并且可对该放电测量进行信号处理，以便生成可用于控制和调节所述离子源输出的反馈。

Description

用于离子平衡测量和调节的具有隔离的电容器电路的离子化平衡装置

技术领域

本公开涉及离子化平衡装置，更具体地讲，涉及用于测量在离子化平衡装置的电离输出中的离子平衡以便提供反馈从而对输出进行控制的电路。

背景技术

离子化平衡装置是指生成正离子和负离子以递送至目标区域的装置。离子化平衡装置通常用于各种各样的行业中，目的是移除或最小化在工作区域中积聚的静电荷。离子化平衡装置通常也称为静电荷中和器。

一种特定类型的离子化平衡装置通常被称为离子风机。离子风机通常包括使用所谓的“电晕法”生成正离子和负离子的离子源。离子风机使用一个或多个风扇将离子朝所关注的目标区域导向。

使用电晕法时，将高电压（如，5–20kV）施加到一组尖点（通常为针状的结构）上，并且在靠近这些尖点处建立强电场。该电场将自由电子加速至足够高的能量，以允许自由电子与分子碰撞，从而使分子离子化。当一个点上的电压为正时，正离子被排斥到环境中，并且当一个点上的电压为负时，负离子被排斥到环境中。该风机可朝目标区域递送电离空气（包括正离子和负离子）。可将电晕离子发生器设计为使用AC电压或DC电压，并且使用AC或DC电压可提供不同的益处。还存在其他类型的离子源，并且其可用于离子化平衡装置中。例如，离子源也可经由所谓的α离子发生器方法使用电离辐射生成离子。

使用离子化平衡装置时，监测和控制装置的离子输出可能是非常重要的。这种监测和控制可实现离子平衡和离子气流。当正离子的数量等于从离子化装置递送的负离子的数量时，通常出现离子平衡。离子气流可包括递送到目标区域的每单位面积的离子的数量，并且可受到离子源的类型和质量以及递送来自离子化平衡装置的电离空气的一个或多个风扇的强度的影响。

发明内容

本公开描述了可用于测量在离子化平衡装置中的离子平衡的电路和技术。所描述的电路包括电容器（即，第一电容器），该电容器包括两个导体，其中第一导体暴露于离子化装置的输出，并且第二导体与离子化装置的输出隔离。第一导体可积聚电荷，以便量化离子化平衡装置的输出。开关可用于使第一导体以周期性的间隔放电，以便测量在第一导体上积聚的电荷；并且可对该放电测量进行信号处理，以便生成可用于控制和调节离子源输出的反馈。该电路还可包括与第一电容器共享线端终端的另一个电容器（即，第二电容器），并且第二电容器还可将第一电容器的第二导体用作其导体之一。该电路还可包括设置成与第二电容器并联的电阻器，该电阻器可具有相对于常规的离子平衡测量电路的相似类型的电阻器大幅减小的电阻。

在一个实例中，本公开描述了一种离子化平衡装置，该离子化平衡装置包括发射离子的离子源，以及电容器，其中该电容器包括第一导体和第二导体。第一导体暴露于离子源发射的离子，并且第二导体与离子源发射的离子隔离。

在另一个实例中，本公开描述了一种被构造为测量离子源的离子平衡的电路。该电路包括第一电容器，该第一电容器包括第一导体和第二导体，其中该第一导体暴露于离子源发射的离子，并且该第二导体与离子源发射的离子隔离。该电路还包括第二电容器，该第二电容器包括第一电容器的第二导体以及第三导体。该电路还包括设置成与第二电容器并联的电阻器，其中电阻器和第二电容器的并联组合与第一电容器串联，该电路还包括开关，其中当开关打开时，第一导体积聚从离子源发射的离子，并且当开关闭合时，第一电容器排放积聚的电荷。

在另一个实例中，本公开描述了一种被构造为测量离子源的离子平衡的电路。该电路包括具有第一导体和第二导体的第一电容器以及与第一电容器共享线端终端的第二电容器，其中该第二电容器包括第一电容器的第二导体以及第三导体。该电路还包括设置成与第二电容器并联的电阻器，其中该电阻器和第二电容器的并联组合与第一电容器串联，其中该电阻器限定了小于大约10兆欧姆的电阻。

在另一个实例中，本公开描述了一种装置，其包括发射离子的离子源以及被构造为接收离子源发射的离子并输出表明离子源实现了离子平衡的信号的电路，其中该信号对不是由发射的离子所生成的任何外部电磁场基本上不敏感。

本公开的一个或多个实例的细节示出于附图和以下说明中。通过阅读说明书、附图以及权利要求书，关于各实例的其他特征、目的和优点将变得显而易见。

附图说明

图1为符合本公开的示例性离子化平衡装置的框图。

图2为示出符合本公开的离子测量电路的一个实例的概念侧视图和电路示意图。

图3为与具有处于打开位置的开关的离子测量电路相对应的电路示意图。

图4为示出符合本公开的在电容器上的电压积聚随时间变化的坐标图。

图5为示出在电阻器两端之间的电压随时间变化的坐标图。

图6为与具有处于闭合位置的开关的离子测量电路相对应的电路示意图。

图7为示出在电阻器两端之间的电压峰值随时间变化的坐标图。

图8-13为示出符合本公开的实例的多种信号的图形。

图14为符合本公开的示例性离子化平衡装置的框图。

图15为符合本公开的示例性离子化平衡装置的电路示意图。

图16为可实施本公开的电路和技术的一个示例性离子化平衡装置的透视图。

具体实施方式

本公开描述了可用于测量和控制在离子化平衡装置中的离子平衡的电路和技术。所描述的电路包括电容器（即，第一电容器），该电容器包括两个导体，其中第一导体暴露于离子化装置的输出，并且第二导体与离子化装置的输出隔离。第一导体可积聚电荷，以便量化离子化平衡装置的输出。开关可用于使第一导体以周期性的间隔放电，以便测量在第一导体上积聚的电荷；并且可对于该放电测量进行信号处理，以便生成可用于控制和调节离子源输出的反馈。该电路还可包括与第一电容器共享线端终端的另一个电容器（即，第二电容器），并且第二电容器还可将第一电容器的第二导体用作其导体之一。该电路还可包括设置成与第二电容器并联的电阻器，该电阻器可具有相对于常规的离子平衡测量电路的相似类型的电阻器大幅减小的电阻。

图1为符合本公开的示例性离子化平衡装置10的框图。如图1所示，离子化平衡装置10包括从离子化平衡装置10发射离子的离子源12。发射的离子11可以移除或最小化在目标区域（例如与电子器件的制造或组装相关的工作区域）中积聚的静电荷。离子化平衡装置10可用于多种多样的设置或环境中，以便移除或最小化静电荷积聚。

离子源12可包括生成离子11的各种元件或单元。例如，离子源12可包括正离子单元14、负离子单元15和风机13。风机13可包括将空气吹过正离子单元14和负离子单元15的一个或多个风扇。在该实例中，离子化平衡装置10可称为离子风机，其将离子朝所关注的目标区域导向。

离子单元14和15可根据所谓的电晕法生成离子。根据电晕法，将高电压（如，5–20kV）施加到一组尖点（通常为针状的结构）上，并且在靠近这些尖点处建立强电场。该电场将自由电子加速至足够高的能量，以允许它们将与自由电子碰撞的分子离子化。正离子单元14可将高正电压电势递送至针状的结构以便生成正离子，而负离子单元15可将高负电压电势递送至针状的结构以便生成负离子。离子11可经由风机13被排斥到环境中，从而朝目标区域递送直接电离的空气（包括正离子和负离子）。或者，离子源12可以使用电离辐射（如，使用所谓的α离子发生器方法）或其他技术来生成离子。

从离子化平衡装置10发射的离子11可首先暴露于离子测量电路16。离子测量电路16可被构造为确定在发射的离子11中的离子平衡，并且可生成表明与发射的离子相关的任何正电荷过量或负电荷过量的信号。信号调节单元17可包括一个或多个放大器、峰和保持单元（如，积分器）、低通滤波器或其他单元或元件，以便恰当地调节来自离子测量电路16的输出信号。可将信号调节单元17的输出递送至控制单元18，该控制单元可包括用于控制到离子单元14、15的输入信号的微处理器或控制器。控制单元18还可（例如）通过控制离子测量电路16的周期性开-关切换而控制离子测量电路16的操作，如在下文中更详细地描述。当离子测量电路16检测到正电荷过量时，控制单元18可促使负离子单元15生成较多的负离子和/或促使正离子单元14生成较少的正离子。相似地，当离子测量电路16检测到负电荷过量时，控制单元18可促使负离子单元15生成较少的负离子和/或促使正离子单元14生成较多的正离子。通过这种方式，离子测量电路16、信号调节单元17、控制单元18和离子单元14、15可形成闭合回路反馈系统，用于测量和控制在从离子化平衡装置10输出的所发射离子11中的离子平衡。

信号调节单元17可联接到离子测量电路16，并且可被构造为输出表明离子平衡的信号。具体地讲，信号调节单元17可被构造为生成与积聚在离子测量电路16的电容器上的正电荷成比例的第一信号，并生成与在电容器上的负电荷成比例的第二信号。信号调节单元17还可被构造为在第一信号和第二信号之间生成差值，其中所述差值包括对离子平衡的量度。控制单元18可接收离子平衡的量度，并生成针对离子源12的用于改变离子平衡的控制信号。

如在下文中更详细地描述，离子测量电路16可包括电容器，所述电容器包括第一导体和第二导体。该第一导体可暴露于离子源12发射的离子11，该第二导体可与离子源12发射的离子11隔离。例如，电容器（图1中未示出）可包括圆柱形电容器，其中外部导体通过电介质与内部导线分离。在这种情况下，外部导体可暴露于离子源12发射的离子11，而内部导体可以通过（例如）外部导体而与由离子源12发射的离子11隔离。然而，电容器可以呈现多种其他形式，只要导体之一暴露于离子11并且另一个导体与离子11隔离即可。

离子测量电路16还可包括开关，如在下文中更详细地描述。当开关打开时，第一导体积聚发射的离子，并且当开关闭合时，电容器排放积聚的电荷。所述开关能够以周期性的间隔打开和闭合，从而生成表明离子平衡的信号。在这种情况下，当开关闭合时，将在下文中更详细地描述的电容器可输出脉冲，其中所述脉冲限定了量级与方向，所述量级与积聚在第一导体上的过量电荷成比例，且所述方向限定所述过量电荷是正电荷还是负电荷。

离子化平衡控制的一些例子可采用呈金属网格或平面形式的天线型传感器，其通过高值电阻器连接到接地电压。在这种情况下，来自离子源的正离子和负离子流可与天线型传感器碰撞，并生成流经电阻器的两种方向相反的电流。在这种情况下，电阻器上的电压可以与正离子和负离子数量之间的差值成比例，并在离子化装置平衡的情况下等于零，这意味着该装置每时间单位输出大约相同数量的正离子和负离子。电阻器上的电压可以用作负反馈系统中的指示离子发生器平衡的信号。

然而，使用大值电阻器的天线型传感器方法可具有显著的缺点。一个缺点是该系统可能受到静电电压的影响。因此，该方法可能需要尝试着分离离子化和静电电压，这可能很困难。例如，用于分离离子化和静电电压的技术可能需要确定在传感器输出信号中的由离子流引起的分量和由外部静电场引起的分量的频谱差值。可以假定离子发生器的平衡漂移非常慢，并且所有的快速电压变化应被拒绝。然而，该方法具有局限性，并且在带电物体朝天线缓慢移动时不起作用，因为在这种情况下，由静电场变化引起的漂移可显得类似于由离子的流动引起的信息分量。

该天线型传感器方法的另一个缺点是外部电磁场（静电的和非静电的）可能会对输入传感器电容器进行充电并使测量电路饱和。如果天线阻抗非常高，则输入电容器需要很长的时间来放电，并且在这段时间内传感器可能不适当地提供对应于显著离子失衡的输出信号。此外，在这种情况下，稍微触碰一下天线便可引起控制器在输入电容器开始放电之前出现长时间的失灵。

另外，基于天线的传感器通常具有非常高的阻抗，这可能需要具有非常低的输入电流和低的电路板泄漏的前端测量电路。所述泄漏可通过初始的电路平衡来消除，但是其可能具有温度和时间漂移，这产生了额外的系统错误并且可能需要周期性地进行控制器测试和平衡。

另一个解决方案可以是保护传感器免受静电电压和外部电磁场的影响。在这种情况下，电离空气的一部分可以递送到受外场保护的隔离测量通道。然而，该方法可能需要更复杂的机械设计。对于压缩空气离子发生器或所谓的“棒式离子发生器”，要实现该方法可能特别困难，因为在这种情况下，相对于周围空间的低压区域可能不存在。

有时候，可能期望控制在较大表面上或在一些闭合空间（诸如，室或整个洁净室）内的离子平衡，以便确定离子化装置没有发射额外的可以形成静电荷的负离子或正离子。基于天线的方法不是很适合该类型的服务，因为控制区域受到天线尺寸的限制。因此，基于天线的方法可能仅能够测量或控制在放置点处的离子平衡。增加天线的尺寸可能增强外部电磁场的影响和泄漏。

本文所述的离子测量电路可提供采用基于天线的离子平衡方法解决这些问题的解决方案。本文所述的离子测量电路可充分地免受外部电磁场的影响、可具有相对低的阻抗，并可以能够在较大区域（例如，洁净室）中运行。用于离子平衡的控制信号（如，反馈信号）可仅基于正离子和负离子的比率，并且可以不取决于其他因素。

本公开的技术基于传感器（即，离子测量电路），该传感器可以采用具有用作离子接收器的未包覆外部板（柱面）的圆柱形电容器（等等）的形式。其他构型也是可能的，只要电容器的导体之一被隔离即可。使用该圆柱形的例子时，电容器的内部板可包括通过相对较小值的电阻器连接到接地平面的线或探针。该探针可置于闭合的金属表面内，但与外场隔离。电容器的未包覆柱面板将来自发射离子的电荷积聚起来，并且可使用开关周期性地使电容器通过电阻器放电。在电阻器两端之间的电压峰值的振幅可与离子发生器的失衡成正比，并且可仅取决于电容器电荷而不取决于任何外部电磁场。

在相对简单的信号调节之后可获得信号，该调节可用于精确校准调节DC型离子化装置的高压正电源和负电源，或用于精确校准调节脉冲型离子化装置的脉冲占空比。该技术在AC型离子化装置中也可以发挥很好的作用。在这种情况下，如果在该板上产生了额外的电荷，则该额外的电荷可用于AC离子化装置的监测。

如本文所述的用于收集电离电荷的电容器可以实施为多种多样的机械形状，例如风扇风机离子化装置的圆柱环或经由压缩空气棒式离子化装置的圆柱线。所述电容器也可以是矩形电容器、椭圆形电容器或具有将内部导体屏蔽的外部导体的任何电容器。此外，只要电容器的一个导体被恰当地隔离并且电容器的另一个导体暴露于发射的离子，则其他的构型也可行。电路也可以与若干离子化发生器联合使用，以便测量较大的整个离子化系统（例如，在洁净室内）的平均平衡，该较大的整个离子化系统可提供能够支承相对大的零离子平衡工作区域的优点。

图2是示出离子测量电路20的一个实例的概念侧视图和电路示意图，其中该离子测量电路20可以对应于图1的离子测量电路16。在图2的实例中，离子测量电路20可被构造为测量发射离子21的离子源的离子平衡。电路20可包括第一电容器（概念性地示为电容器22）。电容器22包括第一导体23和第二导体24，其中第一导体23暴露于离子源发射的离子21，而第二导体24与离子源发射的离子21隔离。介电材料25可将第一导体23与第二导体24分离。

电路20可包括第二电容器（概念性地示为电容器26）。第二电容器26与第一电容器22共享线端终端。第二电容器26包括第一电容器22的第二导体24，并且还包括第三导体27。虽然导体27和24以具有导体23和24的一体结构示出，但是这并非必要的。或者，例如，导体27可在印刷电路板上（或作为离散的单元）形成，并且导体24可包括被电容器22的导体23屏蔽的导线，而导体23被电容器26的壳体（如，用于容纳该印刷电路板）屏蔽。

电路20也可包括与第一电容器22共享线端终端并且设置为与第二电容器26并联的电阻器28，其中电阻器28和第二电容器26的并联组合与第一电容器22串联。相对于采用基于天线的传感器设计的放电电阻器，电阻器28可具有较低的电阻（如，小于10兆欧姆，诸如，小于1兆欧姆，或小于100千欧姆），这是确保由在电阻器28两端之间的压降生成的电流足够大以允许进行相对简单的信号调节所期望的。电路20还可包括联接到第一导体23的开关29。当开关29打开时，第一导体23积聚离子源发射的离子21；当开关闭合时，第一电容器22排放积聚的电荷，这使得在电阻器28的两端之间出现压降。如图所示，开关29、第三导体27、电容器26和电阻器28全部联接到接地电位，该接地电位可以为用于将所有这些组件接地的通用接地元件。

在一个实例中，第一导体23可包括暴露于来自风扇风机的发射离子21的流的未包覆金属柱面。在该实例中，未包覆金属柱面通过开关29连接到接地平面。第二导体24可包括设置在未包覆金属柱面内的金属探针。介电材料25可将第一导体23与第二导体24分离。通过这种方式，第一导体23、第二导体24以及介电材料25可以形成圆柱形电容器，然而本公开不必受限于电容器22的任何圆柱形构型。

第二导体24可设置为与可接地的第三导体27相邻，以便形成第二电容器26。第二导体24然后可通过电阻器28接地。电阻器28的电阻可小于10兆欧姆，并且可具有介于100千欧姆和10兆欧姆之间的值。电阻器28可包括电阻器电路或可能的晶体管电路或实现所需电阻的另一个电路。第二电容器26由第一导体23和第三导体27形成。第二电容器26可用于连接到信号调节电路（例如，图1的单元17）。

将考虑离子测量电路20测量正离子失衡（如，正离子多于负离子）的情况，这就是图2在元件21处示出正离子的原因。图3和图6是对应于开关29打开（图3）和开关29闭合（图6）的离子测量电路20的电路示意图。图3示出了当离子失衡电流30通过第一导体23暴露于离子21而对第一电容器22进行充电的情形。在图3中，开关29（其通常为经由一个或多个晶体管而实施的电子开关）打开并且发射离子的不平衡性质被表示为具有无限大内阻的DC电压源31，所以在连接电路中的电流不取决于任何载荷值。通过这种方式，发射离子可通过恒定的离子失衡而对第一电容器22充电，从而引起电流30流过电路20。积聚在第一电容器22上的电压可由以下公式表示：

U(Δt)=I_ion+*Δt/C1   公式(1)

其中I_ion+是等同的离子流电流，Δt为开关29打开时的充电时间周期，并且C1为第一电容器22的电容值。图4示出了公式1，并用图形示出根据符合公式1的线41的电压(U_C1)随时间(t)变化的积聚。图5包括示出在电阻器28两端之间的相应电压(U_R)随电阻器28的电阻R变化的公式。接地电压在图3和6中标记为元件32。

离子失衡电流I_ion+（在图3中示为元件30）可以与由离子源在每单位时间内生成的额外的正离子数量成比例。由该电流在电阻器28两端之间生成的电压可比在电容器22上获得的充电电压小得多，并可将其排除在考虑之外。例如，在20毫秒时间间隔内的1毫微安失衡电流可将电容器充电至0.1伏电压下的200皮法拉(pF)，并且当电阻器具有100千欧姆的电阻值时，可在电阻器28上生成仅0.1毫伏的恒定偏移电压。图4和5可被视为在电容器22上的电压变化（参见图4的线41）和电阻器28上的电压变化（参见图5的线43）的比较图形。

图6为当开关29闭合时的离子测量电路20的电路示意图。在这种情况下，电容器22可能在此前已经由离子失衡电流30进行了充电。当开关29闭合时，电容器22通过开关29和电阻器28放电。放电电流40被示为图6中的虚线式环绕箭头。放电电流40在电阻器28的两端之间生成相对于接地电压的负电压峰值。该峰值的最大振幅可以计算为：

U_Rmax=-I_ion+*Δt/(C1+C2)   公式(2)

图7示出了公式2，并用图形示出在电阻器28两端之间的电压峰值随时间的变化（参见元件45）。在电压峰值之后，绝对电压可以指数方式下降至零，且时间常数为：

τ=R*(C1+C2)   公式(3)，

其中R是电阻器28的电阻，C1是电容器22的电容，C2是电容器26的电容（全部以根据国际单位制的国际标准单位示出）。

时间常数(τ)可以显著小于电容器22的充电间隔。在示例性且非限制性的实例中，充电间隔可接近大约16毫秒，在这种情况下，时间常数(τ)可显著小于16毫秒。电阻器28的电阻所用的值可最终影响所需的充电间隔和时间常数(τ)。

电压峰值的振幅可能小于通过暴露于发射离子而积聚在电容器22上的初始充电电压，因为一旦开关29闭合，电容器22的总电荷便可以在电容器22和28两者之间瞬间重新分配。如可从公式(2)所见，在电阻器28上的电压峰值的最大振幅可以与离子发生器的等量失衡电流I_ion+（在图3中示为元件30）成正比。

为了监测和控制离子平衡，电容器22不断地由离子发生器失衡电流30充电（经由第一导体23的暴露），并且通过电阻器28周期性地放电，开关29通过这种方式生成一系列脉冲，所述脉冲的振幅与离子源的离子失衡输出成比例。（通过电子方式）打开和闭合开关29，以便生成充电电容器22和放电电容器22的该周期性循环。当离子源生成额外的正电荷时，脉冲的极性可以为负，而当离子源生成额外的负电荷时，脉冲的极性可以为正。因为第二导体24（例如）被第一导体23的闭合金属表面屏蔽，故脉冲的振幅可能与任何外部静电电压或电磁场无关。此外，即便在第一导体23被使用者触碰（或以其他方式无意地接地）的情况下，这将仅引起一次放电，并将影响来自一系列脉冲的仅一次脉冲。

图8和9为示出由诸如图2、3和6中所示的离子测量电路20生成的两种不同的脉冲序列的图形。在这些实例中，没有反馈或调节被递送至将离子发射到充电电容器22的离子源。图8示出了在正离子失衡情况下生成的脉冲801，图9示出了在负离子失衡情况下生成的脉冲901。这些脉冲801或901可用于（并可能经信号调节）生成能够调整离子源的输出（如，调整图1中的正离子单元14和负离子单元15的相对输出）的控制信号。在图8和9中，脉冲801和901未发生改变，因为在这些实例中不使用反馈来改变离子源的输出。

图14为示出离子化平衡装置100的一个实例的框图。离子化平衡装置150可以是图1的离子化平衡装置10的一个实例。在图14中，离子源40可对应于图1中的离子源12。在图14中，元件44可表示图1的信号调节单元17的一个实例。在图14中，单元62可表示图1的控制单元18。单元63可包括接口单元，例如，显示器或网络接口。

在图14的实例中，单元42包括电容器传感器单元，并且结构48包括如本文所述的第一和第二电容器。第一和第二电容器可共享与离子源40发射的离子隔离的导体。第一电容器可具有暴露于离子源40发射的离子的导体。第二电容器的两个导体均可与离子隔离。这两个电容器的共享导体可加载到电阻器50，该电阻器然后接地。第一电容器的暴露于离子源40发射的离子的导体可经由电子开关49接地。来自控制器62的线64可用于周期性地开启和关闭开关49，其结果是一系列脉冲在整个电阻器50上生成。

单元增益非反相放大器51可用于匹配输出传感器的阻抗。该系列脉冲可从单元增益非反相放大器51输出，然后传递到第一峰和保持电压检测器53的输入。如，当离子发生器失衡为负时，该第一峰和保持电压检测器53可被构造为对正脉冲起作用。另外，单元增益非反相放大器51的输出也可以通过第二单元增益反相放大器52传递到第二峰和保持电压检测器55的输入。如，当离子发生器失衡为正时，该第二峰和保持电压检测器55可对负脉冲起作用。控制器62可包括微控制器（或其他类型的处理器），并且可分别经由信号59和60周期性地重置峰和保持电压检测器53和55这两者。

回顾图8和9，与峰和保持电压检测器53和55的针对正失衡的输出相关的计时可分别示为元件802和803。类似地，与峰和保持电压检测器53和55的针对负失衡的输出相关的类似计时可示为元件902（对于峰和保持电压检测器53）和903（对于峰和保持电压检测器55）。

在单元42的电容器放电之前，控制器62可将峰和保持电压检测器53和54均重置为零。这就是在峰和保持电压检测器53和55的输出上可能存在短的负峰值的原因。然而，对于峰和保持电压检测器53和55，可分别通过两个低通滤波器54和56消除此类峰值。该两个低通滤波器54和56的输出可以连接到差动放大器58的输入，采用的方式为正离子失衡生成与额外的正离子电流成比例的正电压，且负离子失衡生成与负离子电流成比例的负电压。差动放大器58的输出61可表示为图8的元件804或图9的元件904。与输出61相关的电压可用于在负反馈回路系统中进行离子发生器平衡调节。另外的区块57可用于初始系统平衡。输出61可通常包括控制信号，并且可传递通过模数转换器（未示出），从而生成到控制器62的输入。区块63可通常表示用于呈现电路状态的界面或显示器，或可将装置用网络连接到另一个单元或装置的区块。图8和9中所示的虚线可表示用于各种示波器通道的零电压电平。

图10为示出在离子化控制中的示例性计时可能性的曲线图。曲线图元件1001可表示图14的结构42（结构42也称为电容器传感器单元）的输出。曲线图元件1002和1003可以分别是第一峰和保持电压检测器53针对负失衡的输出和第二峰和保持电压检测器55针对正失衡的输出。曲线图元件1004可对应于负失衡情况下的控制信号61。

图10表示与示例性离子风机相关的实际示波图，该离子风机具有由平衡调节电阻器预设的最大可能负初始失衡。虚线1005表示当输出控制信号61从到离子源40的输入分离时的时刻t1。当反馈回路恢复并且控制信号61重新连接至到离子源40的输入时，虚线1006归属于时刻t2。虚线1007表示当实现离子平衡时的时刻t3。如可在时刻t1处所见，当控制信号断开时，离子化平衡装置开始产生额外的负离子，并且正脉冲开始在电容器传感器单元42的输出上相继出现（例如曲线图元件1001所示）。这导致第一峰和保持电压检测器53的输出电压增大（参见曲线图元件1002），且输出控制电压61降低（曲线图元件1004）。在某一时刻，输出控制电压达到其最大负值（在该实例中为-5.0V），并且可在该水平处饱和。

在时刻t2处，控制信号重新连接至到离子源40的输入。此时，控制信号61递送大的负控制电压以便将离子源40调节为产生更多的正离子，并且该过程通常通过在电容器传感器单元42上极性为从正到负的峰值表现出来。在这种情况下，第二峰和保持电压检测器55的输出电压可骤然增大，而第一峰和保持电压检测器53的输出电压可能下降。在此以后，控制信号61以两种或更多种增量且以渐减的振幅再次使离子平衡波动。最后，在图10中的时刻t3处，离子平衡装置150再一次平衡。

图11为示出如本文所述的示例性离子化平衡装置的实际动态性能的另一个曲线图。首先，离子化平衡装置是平衡的。在时刻t1处（示为虚线1101），生成大约90伏的正失衡；并且在时刻t2处（示为虚线1102），控制器反馈得以连接。在时刻t3处（示为虚线1103），离子化平衡装置再次平衡，这仅花费了大约8秒钟。

图12为表示由符合本文所述的技术的控制器进行的正（元件1201）和负（元件1202）离子发生器失衡调节的情况的另一个曲线图。如图12所示，在每次正（元件1201）和负（元件1202）离子发生器失衡调节之后，离子化平衡快速且准确地恢复。图13为示出在使用本文所述的离子测量电路和反馈的离子化平衡装置中测得的离子失衡（示为信号1301）的曲线图。如图13中所示，对于该特定情况，本文所述的电路和技术实现了优于±1V的离子平衡精确度。

图15也是示出离子化平衡装置200的一个实例的示意图。离子化平衡装置200可以是图1的离子化平衡装置10的一个实例。在图15中，离子源210可对应于图1中的离子源12。在图15中，元件230可表示图1的信号调节单元17的一个实例。在图15中，单元70可表示图1的控制单元18。单元69可包括接口单元，例如，显示器或网络接口。

单元220包括电容器传感器单元，并且结构65包括如本文所述的第一和第二电容器。第一和第二电容器可共享与离子源210发射的离子隔离的导体。在结构65内的第一电容器可具有暴露于离子源210发射的离子的导体。在结构65内的第二电容器的两个导体均可与离子隔离。在结构65中的这两个电容器的共享导体可加载到电阻器67，该电阻器然后接地。第一电容器的暴露于离子源210发射的离子的导体可经由电子开关66接地。来自控制器70的信号可用于周期性地开启和关闭开关66，其结果是一系列脉冲在整个电阻器67上生成。

再次，结构65通过电子开关66接地，并加载到电阻器67。来自电阻器67的电压通过单元增益非反相放大器68递送到经由运算放大器77和83、电阻器78、81和82、二极管79和电容器80而实现的第一峰和保持电压检测器。负脉冲通过经由电阻器75和二极管76而实现的二极管限制器递送，并且当离子发生器失衡为正时，该二极管限制器排斥负极性脉冲。来自单元增益放大器68的输出信号还通过经由运算放大器74、电阻器72和73而实现的单元增益反相放大器递送。第二负脉冲通过以电阻器88和二极管89为基础的二极管限制器，然后到达第二峰和保持电压检测器。该第二峰和保持电压检测器可经由运算放大器90和96、电阻器91、94和95、二极管92和电容器93而实现。

第一峰和保持电压检测器生成与负离子失衡成比例的输出电压，并且当失衡为正时，将输出保持为零。第二峰和保持电压检测器生成与正失衡成比例的输出电压，并且当失衡为负时，该输出电压等于零。这两种峰和保持电压检测器的输出均通过一阶低通滤波器连接到差动放大器。该一阶低通滤波器可经由电阻器84、电容器85、运算放大器86而实现，并经由电阻器97、电容器98和运算放大器99而实现。差动放大器可基于运算放大器107、电阻器104、106、108和109而实现。可以采用差动放大器输出电压的符号与离子失衡的符号相同的方式提供连接。该电路还可包括连接到正和负电源的可变电阻器103，并且可将电阻器105添加到该电路以用于初始零点平衡，如以便补偿任何偏移电压和部分参数的精确度。差动放大器110的输出可包括用于调节离子源210的控制信号。

另外，这两种峰和保持电压检测器的输出均可连接到模数转换器（未示出），以便生成到控制器70的输入（示为信号线100、102和71），从而用于离子失衡和控制信号状态指示，或用于经由网络接口69将该信息转移到另一个装置或显示器。另外，控制器70可递送两个信号100和102，用于控制峰和保持电压检测器的重置。控制器70也可操纵控制开关66，如，像本文所述的那样将其开启和关闭。

图16为符合本公开的离子化平衡装置1500的一个示例性实例。在该实例中，所述的电容器感测单元可实现为经由缆线1503连接到控制器板的环1502，该控制器板位于壳体1506的内部。环1502可与多个位于壳体1506内部的离子发生器针对称设置，并且可与在壳体1006内部的风扇共轴。在其他实例中，环1502（或具有隔离导体的另一类电容器结构）可容纳在壳体1506的内部。另外，所述电路可与其他类型的离子化平衡装置（例如不使用风扇的离子化平衡装置）、或用于将离子平衡的空气递送到较大区域（诸如洁净室）的多重离子化装置的测量电路一起使用。

以下为根据本发明的各方面的用于离子平衡测量和调节的具有隔离的电容器电路的离子化平衡装置的示例性实施例。

实施例1为离子化平衡装置，其包括：发射离子的离子源；以及包括第一导体和第二导体的电容器，其中：第一导体暴露于离子源发射的离子；并且第二导体与离子源发射的离子隔离。

实施例2为实施例1的离子化平衡装置，其中第一导体将第二导体与发射的离子隔离。

实施例3为实施例1的离子化平衡装置，其中所述电容器包括：外部导体，该外部导体包括所述第一导体；以及内部导体，该内部导体包括所述第二导体。

实施例4为实施例3的离子化平衡装置，其中所述电容器包括在所述外部导体和所述内部导体之间的电介质。

实施例5为实施例3的离子化平衡装置，其中所述电容器包括下列之一：圆柱形电容器、矩形电容器和椭圆形电容器。

实施例6为实施例1的离子化平衡装置，还包括联接到所述电容器的信号调节电路，其中所述信号调节电路被构造为输出表明离子平衡的信号。

实施例7为实施例6的离子化平衡装置，其中所述信号调节电路被构造为生成：与所述电容器上的正电荷成比例的第一信号；以及与所述电容器上的负电荷成比例的第二信号。

实施例8为实施例6的离子化平衡装置，其中所述信号调节电路包括放大器、峰和保持单元以及低通滤波器中的至少一者。

实施例9为实施例7的离子化平衡装置，其中所述信号调节电路被构造为在所述第一信号和所述第二信号之间生成差值，其中所述差值包括对离子平衡的量度。

实施例10为实施例9的离子化平衡装置，还包括控制单元，该控制单元接收所述离子平衡的量度，并生成针对所述离子源的用于改变离子平衡的控制信号。

实施例11为实施例1的离子化平衡装置，还包括开关，其中当所述开关打开时，所述第一导体积聚发射的离子，并且当所述开关闭合时，所述电容器排放积聚的电荷。

实施例12为实施例11的离子化平衡装置，其中所述开关以周期性的间隔打开和闭合，从而生成表明离子平衡的信号。

实施例13为实施例11的离子化平衡装置，其中当所述开关闭合时，所述电容器输出脉冲，其中所述脉冲限定了：与积聚在所述第一导体上的过量电荷成比例的量级；以及限定所述过量电荷是正电荷还是负电荷的方向。

实施例14为实施例11的离子化平衡装置，还包括与所述电容器共享线端终端的电阻器，其中当所述开关闭合时，所述电容器通过所述电阻器放电。

实施例15为实施例14的离子化平衡装置，其中所述电阻器限定了小于大约10兆欧姆的电阻。

实施例16为实施例14的离子化平衡装置，其中所述电容器包括第一电容器，所述离子化平衡装置还包括与所述电阻器并联设置的第二电容器，所述电阻器和所述第二电容器的该并联组合与所述第一电容器串联。

实施例17为实施例16的离子化平衡装置，其中所述第二电容器包括所述第一电容器的所述第二导体以及第三导体。

实施例18为实施例17的离子化平衡装置，其中所述第二导体和所述第三导体与发射的离子隔离。

实施例19为被构造用于测量离子源的离子平衡的电路，该电路包括：第一电容器，该第一电容器包括第一导体和第二导体，其中该第一导体暴露于离子源发射的离子，并且该第二导体与离子源发射的离子隔离；第二电容器，该第二电容器包括第一电容器的第二导体以及第三导体；电阻器，该电阻器与第二电容器并联设置，该电阻器和第二电容器的该并联组合与第一电容器串联；以及开关，其中当该开关打开时，第一导体积聚所述离子源发射的离子；当该开关闭合时，第一电容器排放积聚的电荷。

实施例20为实施例19的电路，其中第一导体将第二导体与发射的离子隔离。

实施例21为实施例19的电路，其中第一电容器包括：外部导体，该外部导体包括所述第一导体；以及内部导体，该内部导体包括所述第二导体。

实施例22为实施例21的电路，其中所述第一电容器包括在所述外部导体和所述内部导体之间的电介质。

实施例23为实施例21的电路，其中所述第一电容器包括下列之一：圆柱形电容器、矩形电容器和椭圆形电容器。

实施例24为实施例19的电路，还包括信号调节单元，其中所述信号调节电路被构造为基于所述第一电容器排放的积聚电荷而输出表明离子平衡的信号。

实施例25为实施例24的电路，其中所述信号调节单元被构造为生成：与所述第一电容器上的正电荷成比例的第一信号；以及与所述第一电容器上的负电荷成比例的第二信号。

实施例26为实施例24的电路，其中所述信号调节单元包括放大器、峰和保持单元以及低通滤波器中的至少一者。

实施例27为实施例25的电路，其中所述信号调节单元被构造为在所述第一信号和所述第二信号之间生成差值，其中所述差值包括对离子平衡的量度。

实施例28为实施例25的电路，还包括控制单元，该控制单元接收所述离子平衡的量度，并生成针对所述离子源的用于改变离子平衡的控制信号。

实施例29为实施例21的电路，其中所述开关以周期性的间隔打开和闭合，从而生成表明离子平衡的信号。

实施例30为实施例21的电路，其中当所述开关闭合时，所述电路输出脉冲，其中所述脉冲限定了：与积聚在所述第一导体上的过量电荷成比例的量级；以及限定所述过量电荷是正电荷还是负电荷的方向。

实施例31为实施例21的电路，其中所述电阻器限定了小于大约10兆欧姆的电阻。

实施例32为实施例21的电路，其中所述第二导体和所述第三导体与发射的离子隔离。

实施例33为被构造用于测量离子源的离子平衡的电路，该电路包括：第一电容器，该第一电容器包括第一导体和第二导体；第二电容器，该第二电容器包括第一电容器的第二导体以及第三导体；以及设置成与第二电容器并联的电阻器，其中该电阻器和第二电容器的并联组合与第一电容器串联，其中该电阻器限定了小于大约10兆欧姆的电阻。

实施例34为实施例33的电路，其中所述电阻介于100千欧姆和10兆欧姆之间。

实施例35为实施例33的电路，还包括开关，其中当所述开关打开时，所述第一导体积聚所述离子源发射的离子，并且当所述开关闭合时，所述电容器排放积聚的电荷。

实施例36为实施例33的电路，其中所述第一导体暴露于所述离子源发射的离子，并且所述第二导体与所述发射的离子隔离。

实施例37为一种装置，其包括：发射离子的离子源；以及被构造为接收离子源发射的离子并输出表明离子源实现了离子平衡的信号的电路，其中该信号对不是由发射的离子所生成的任何外部电磁场基本上不敏感。

实施例38为实施例37的装置，其中所述电路包括第一电容器，该第一电容器包括第一导体和第二导体，其中该第一导体暴露于所述离子源发射的离子，并且该第二导体与所述离子源发射的离子隔离；第二电容器，该第二电容器包括第一电容器的第二导体以及第三导体；电阻器，该电阻器与第二电容器并联设置，该电阻器和第二电容器的该并联组合与第一电容器串联；以及开关，其中当该开关打开时，第一导体积聚所述离子源发射的离子；当该开关闭合时，第一电容器排放积聚的电荷。

已描述了多个实例和实施例。具体地讲，已描述了可用于测量在离子化平衡装置中的离子平衡的电路和技术。所述电路可被构造为接收离子源发射的离子并输出表明所述离子源实现了离子平衡的信号，其中所述信号对不是由发射的离子所生成的任何外部电磁场基本上不敏感。例如，对于任何外部电磁场均基本上不敏感的信号可能受到小于大约1伏的外场的影响，并且离子平衡可以实现为变化小于大约正或负1伏。

这些和其他实例和实施例在以下权利要求书的范围内。

Claims (16)

1.一种离子化平衡装置，包括：

发射离子的离子源；以及

包括第一导体和第二导体的电容器，其中：

所述第一导体暴露于所述离子源发射的所述离子；并且

所述第二导体与所述离子源发射的所述离子隔离。

2.根据权利要求1所述的离子化平衡装置，其中所述第一导体将所述第二导体与所述发射的离子隔离。

3.根据权利要求1所述的离子化平衡装置，其中所述电容器包括：

外部导体，所述外部导体包括所述第一导体；以及

内部导体，所述内部导体包括所述第二导体。

4.根据权利要求1所述的离子化平衡装置，还包括开关，其中当所述开关打开时，所述第一导体积聚所述发射的离子，并且当所述开关闭合时，所述电容器排放积聚的电荷。

5.根据权利要求4所述的离子化平衡装置，其中所述开关以周期性的间隔打开和闭合，从而生成表明离子平衡的信号。

6.根据权利要求4所述的离子化平衡装置，其中当所述开关闭合时，所述电容器输出脉冲，其中所述脉冲限定了：

与积聚在所述第一导体上的过量电荷成比例的量级；以及

限定所述过量电荷是正电荷还是负电荷的方向。

7.根据权利要求4所述的离子化平衡装置，还包括与所述电容器共享线端终端的电阻器，其中当所述开关闭合时，所述电容器通过所述电阻器放电。

8.根据权利要求7所述的离子化平衡装置，其中所述电容器包括第一电容器，所述离子化平衡装置还包括与所述电阻器并联设置的第二电容器，所述电阻器和所述第二电容器的所述并联组合与所述第一电容器串联。

9.根据权利要求8所述的离子化平衡装置，其中所述第二电容器包括所述第一电容器的所述第二导体以及第三导体。

10.根据权利要求9所述的离子化平衡装置，其中所述第二导体和所述第三导体与所述发射的离子隔离。

11.一种被构造为测量离子源的离子平衡的电路，所述电路包括：

第一电容器，所述第一电容器包括第一导体和第二导体，其中所述第一导体暴露于所述离子源发射的离子，并且所述第二导体与所述离子源发射的离子隔离；

第二电容器，所述第二电容器包括所述第一电容器的所述第二导体以及第三导体；

电阻器，所述电阻器与所述第二电容器并联设置，所述电阻器和所述第二电容器的所述并联组合与所述第一电容器串联；以及

开关，其中当所述开关打开时，所述第一导体积聚来自所述离子源的发射离子，当所述开关闭合时，所述第一电容器排放积聚的电荷。

12.一种被构造为测量离子源的离子平衡的电路，所述电路包括：

第一电容器，所述第一电容器包括第一导体和第二导体；

第二电容器，所述第二电容器包括所述第一电容器的所述第二导体以及第三导体；以及

电阻器，所述电阻器与所述第二电容器并联设置，所述电阻器和所述第二电容器的所述并联组合与所述第一电容器串联，其中所述电阻器限定了小于大约10兆欧姆的电阻。

13.根据权利要求12所述的电路，还包括开关，其中当所述开关打开时，所述第一导体积聚来自所述离子源的发射离子，并且当所述开关闭合时，所述电容器排放积聚的电荷。

14.根据权利要求12所述的电路，其中所述第一导体暴露于来自所述离子源的发射离子，并且所述第二导体与所述发射的离子隔离。

15.一种装置，其包括：

发射离子的离子源；以及

被构造为接收来自所述离子源的所述发射离子并输出表明所述离子源的离子平衡的信号的电路，其中所述信号对不是由所述发射的离子生成的任何外部电磁场基本上不敏感。

16.根据权利要求15所述的装置，其中所述电路包括：

第一电容器，所述第一电容器包括第一导体和第二导体，其中所述第一导体暴露于所述离子源发射的离子，并且所述第二导体与所述离子源发射的所述离子隔离；

第二电容器，所述第二电容器包括所述第一电容器的所述第二导体以及第三导体；

电阻器，所述电阻器与所述第二电容器并联设置，所述电阻器和所述第二电容器的所述并联组合与所述第一电容器串联；以及

开关，其中当所述开关打开时，所述第一导体积聚来自所述离子源的发射离子，当所述开关闭合时，所述第一电容器排放积聚的电荷。

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