CN110441385A - 用于微型光离子化气体传感器的微型电离室和微型紫外光源一体件 - Google Patents

用于微型光离子化气体传感器的微型电离室和微型紫外光源一体件 Download PDF

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Abstract

用于微型光离子化气体传感器的微型电离室和微型紫外光源一体件，属于传感器制造技术领域，本发明为解决现有光离子化气体传感器体积大、功耗大的问题。本发明包括微型电离室和微型紫外光源；紫外光源腔体键合在电离室腔体的底部，紫外光源腔体的两侧焊接有激发电极，紫外光源腔体内填充有工作气体；激发电极向紫外光源腔体的侧壁施加电压，工作气体在电压的激励下发射真空紫外光；待测气体由进气通孔进入电离室腔体，在真空紫外光的照射发生离子化反应，离子化反应产生的离子和电子在偏置电极形成的电场内定向移动形成离子化电流，离子化电流通过收集电极收集，通过收集电极的引出端反馈至后续检测电路。本发明用于光离子化气体传感器。

Description

用于微型光离子化气体传感器的微型电离室和微型紫外光源 一体件
技术领域
本发明涉及一种微型电离室和微型紫外光源一体件，属于传感器制造技术领域。
背景技术
光离子化气体传感器(Photoionization Detector，PID)是近20年来迅速兴起并得到大力发展的一种传感器，具有灵敏度高、精度高、响应快、可以连续测试等优点，可广泛应用于检测芳香烃类、酮类和醛类、胺以及胺类化合物，氯代烃类、不饱和烃类、氨气砷化氢、磷化氢、氮氧化物。该传感器不但可应用于气体检测仪，而且可作为安全网络监测系统的检测单元，同时可嵌入气相色谱仪直接测定大气中痕量烃类化合物。
PID基于有机气体的光离子化效应原理制作而成。使用具有特定电离能的紫外灯产生紫外光，在电离室内对气体分子进行轰击，将气体中含有的有机气体电离击碎成带正电的离子和带负电的电子。在电场的作用下，离子和电子朝着极板方向移动，从而形成可被检测到的微弱离子电流。通过放大电路及测试设备测量该电流的大小，即可实现对有机气体浓度的检测。
尽管PID近年来有了较大发展，但是目前的PID存在体积大、功耗大、制造成本高等缺点，缺少一种微型化的、低功耗的光离子化气体传感器。
发明内容
本发明目的是为了解决现有光离子化气体传感器体积大、功耗大的问题，提供了一种用于微型光离子化气体传感器的微型电离室和微型紫外光源一体件。
本发明所述用于微型光离子化气体传感器的微型电离室和微型紫外光源一体件，包括微型电离室和微型紫外光源；
微型电离室包括偏置电极、收集电极和电离室腔体；
电离室腔体的顶部上方蒸镀有偏置电极，电离室腔体的内腔底部蒸镀有收集电极，电离室腔体的顶部和偏置电极上设置有进气通孔，在电离室腔体的侧壁设置有排气孔；
微型紫外光源包括激发电极和紫外光源腔体；
紫外光源腔体键合在电离室腔体的底部，紫外光源腔体的两侧焊接有激发电极，紫外光源腔体内填充有工作气体；
激发电极向紫外光源腔体的侧壁施加电压，工作气体在电压的激励下发射真空紫外光；
待测气体由进气通孔进入电离室腔体，在真空紫外光的照射发生离子化反应，离子化反应产生的离子和电子在偏置电极形成的电场内定向移动形成离子化电流，离子化电流通过收集电极收集，通过收集电极的引出端反馈至后续检测电路。
优选的，所述紫外光源腔体的舱室顶部为窗口玻璃，采用氟化镁玻璃。
优选的，紫外光源腔体的窗口玻璃和电离室腔体尺寸相同。
优选的，激发电极通过绝缘焊料焊接在紫外光源腔体的两侧。
本发明的优点：
1、本发明提出的微型电离室和微型紫外光源，紫外光源腔体的窗口玻璃和电离室腔体尺寸相同，光子能量为10.2eV，由于紫外光源的光子能量大于一般的有机气体电离能，小于氧气和氮气等气体的电离能，因此，基于该发明提出的微型电离室和微型紫外光源的微型光离子化气体传感器能够测量大气中的有机气体浓度，从而实现光离子化气体传感器的微型化，进而降低光离子化气体传感器的功耗。
2、除此之外，本发明提出的微型电离室和微型紫外光源的检测气体从导气通孔进入微型电离室后被微型紫外光源发射出的真空紫外光源离子化，微型电离室内腔里的检测气体处于微型紫外光源有效射程内，整个电离室内腔的空间都被用作有效的离子化区域有效利用了微型紫外光源，提高了离子化效率。
3、本发明提出的微型电离室和微型紫外光源，用于制造微型光离子化气体传感器，应用范围非常广泛，包括有机气体浓度的检测，使用、生产、存储、运输各类有机化合物企业的安全卫生检测，环保事业的应急事故、工业卫生咨询、公安检查等多个领域。
附图说明
图1是本发明所述用于微型光离子化气体传感器的微型电离室和微型紫外光源一体件的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述用于微型光离子化气体传感器的微型电离室和微型紫外光源一体件，包括微型电离室和微型紫外光源；
微型电离室包括偏置电极1、收集电极2和电离室腔体3；
电离室腔体3的顶部上方蒸镀有偏置电极1，电离室腔体3的内腔底部蒸镀有收集电极2，电离室腔体3的顶部和偏置电极1上设置有进气通孔，在电离室腔体3的侧壁设置有排气孔；
微型紫外光源包括激发电极4和紫外光源腔体5；
紫外光源腔体5键合在电离室腔体3的底部，紫外光源腔体5的两侧焊接有激发电极4，紫外光源腔体5内填充有工作气体；
激发电极4向紫外光源腔体5的侧壁施加电压，工作气体在电压的激励下发射真空紫外光；
待测气体由进气通孔进入电离室腔体3，在真空紫外光的照射发生离子化反应，离子化反应产生的离子和电子在偏置电极1形成的电场内定向移动形成离子化电流，离子化电流通过收集电极2收集，通过收集电极2的引出端反馈至后续检测电路。
本实施方式中，激发电极4为矩形，材质为金，在激发电极4上使用绝缘材料制作一层绝缘层，避免出现漏电事故。
本实施方式中，微型紫外光源正对进气通孔。
本实施方式中，偏置电极1和收集电极2的材质为不锈钢，镀层厚度小于0.5mm。微型电离室采用一体化封装结构，通过进气通孔与外界连通，使得微型电离室具有良好的气密性和一致性。
具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述紫外光源腔体5的舱室顶部为窗口玻璃，采用氟化镁玻璃。
本实施方式中，微型电离室和微型紫外光源是独立的，微型紫外光源是一个独立密封的，将紫外光源与待测气体进行隔离，防止紫外光源于待测气体直接接触，排除了灯表面残留杂质的可能性，能够使光离子化气体传感器快速地恢复初始状态。
本实施方式中，氟化镁玻璃是各项异性材料，拟选取线胀系数较小的轴向。为保证封装工艺，需对氟化镁玻璃进行定向切割，将氟化镁玻璃沿晶向切割成厚度250～350μm的镜片，以得到均匀、恒定线胀系数的镜片材料。
具体实施方式三：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式二作进一步说明，紫外光源腔体5的窗口玻璃6和电离室腔体3尺寸相同。
本实施方式中，所述紫外光源腔体5采用微机械加工工艺制作，窗口玻璃6的尺寸和电离室腔体3相同，光子能量为10.2eV。由于紫外光源的光子能量大于一般的有机气体电离能，小于氧气和氮气等气体的电离能，因此基于该微型电离室及微型紫外光源制作的PID可以测量大气中的有机气体浓度，从而实现光离子化气体传感器的微型化。
本实施方式中，紫外光源腔体5和电离室腔体3采用微加工工艺制作。首先使用氧化工艺和LPCVD工艺在氟化镁玻璃和单晶硅片上制作氧化硅和氮化硅掩膜，再通过光刻工艺将设计图形转移到氟化镁玻璃和单晶硅片上，使用干法刻蚀工艺去除氧化硅、氮化硅、单晶硅及氟化镁玻璃，将氟化镁玻璃和单晶硅片刻蚀到所需深度，从而完成紫外光源腔体5和电离室腔体3的制作。
本实施方式中，氟化镁玻璃和紫外光源腔体5的封接采用低温玻璃焊料焊接方法。低温玻璃焊料采用多组分无机物掺杂而成，主要包括：氧化锌、二氧化硅、氧化铅、三氧化二钇等。通过调整氧化镁掺杂含量调整低温玻璃焊料的线胀系数，使其与窗口材料线胀系数匹配。在微型紫外光源腔体5顶部涂覆焊料，将氟化镁玻璃窗口和电离室腔体3对准，并在其上施加10N的力，使氟化镁玻璃窗口与电离室腔体3合拢。利用真空高温炉将真空度提升到10-5Torr，然后充入1～10Torr的混合气体，以约1.5℃/min的速度升高温度至440℃，保持2小时，并以同样的速度降低炉温，完成紫外光源腔体5和电离室腔体3的封接。
具体实施方式四：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，激发电极4通过绝缘焊料焊接在紫外光源腔体5的两侧。
本实施方式中，激发电极4与紫外光源腔体5之间通过绝缘焊料焊接在一起，避免在激发过程中出现漏电事故。
本发明提出的微型电离室和微型紫外光源用于制作微型光离子化气体传感器，检测各个领域的有机气体浓度。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (4)

1.用于微型光离子化气体传感器的微型电离室和微型紫外光源一体件，其特征在于，包括微型电离室和微型紫外光源；
微型电离室包括偏置电极(1)、收集电极(2)和电离室腔体(3)；
电离室腔体(3)的顶部上方蒸镀有偏置电极(1)，电离室腔体(3)的内腔底部蒸镀有收集电极(2)，电离室腔体(3)的顶部和偏置电极(1)上设置有进气通孔，在电离室腔体(3)的侧壁设置有排气孔；
微型紫外光源包括激发电极(4)和紫外光源腔体(5)；
紫外光源腔体(5)键合在电离室腔体(3)的底部，紫外光源腔体(5)的两侧焊接有激发电极(4)，紫外光源腔体(5)内填充有工作气体；
激发电极(4)向紫外光源腔体(5)的侧壁施加电压，工作气体在电压的激励下发射真空紫外光；
待测气体由进气通孔进入电离室腔体(3)，在真空紫外光的照射发生离子化反应，离子化反应产生的离子和电子在偏置电极(1)形成的电场内定向移动形成离子化电流，离子化电流通过收集电极(2)收集，通过收集电极(2)的引出端反馈至后续检测电路。
2.根据权利要求1所述的用于微型光离子化气体传感器的微型电离室和微型紫外光源一体件，其特征在于，所述紫外光源腔体(5)的舱室顶部为窗口玻璃，采用氟化镁玻璃。
3.根据权利要求2所述的用于微型光离子化气体传感器的微型电离室和微型紫外光源一体件，其特征在于，紫外光源腔体(5)的窗口玻璃(6)和电离室腔体(3)尺寸相同。
4.根据权利要求1所述的用于微型光离子化气体传感器的微型电离室和微型紫外光源一体件，其特征在于，激发电极(4)通过绝缘焊料焊接在紫外光源腔体(5)的两侧。
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