TWI398627B - 電離規 - Google Patents

Description

電離規

本發明涉及一種氣體壓強測量器件，尤其涉及一種用於中真空測量的電離規。

當代科技發展迅猛，在許多高新技術領域，需要真空環境，因此真空測量係必不可少的重要環節。

電離規一般用於真空測量之中，例如應用最廣泛的係Bayard和Alpert於1950年發明的BA型電離規，其測量範圍係10^-7~10^-1帕。限制電離規測量上限的因素係靈敏度，當靈敏度降至0.1托^-1，測量上限可延伸至10²帕。適用於中低真空(高壓強)測量的舒茨(Schulz)型電離規係目前應用最多的中真空電離規，其測量範圍係10^- ₄~10¹帕。然而，在這些電離規中，陰極電子源均係加熱的鎢絲，需要有電源給鎢絲供電，導致功耗大、鎢絲放氣率高。

有鑒於此，有必要提供一種低功耗、低放氣率的電離規。

一種電離規，包括陰極，柵極和離子收集極，該柵極位於陰極與離子收集極之間且靠近陰極，陰極，柵極和離子收集極分別相向間隔設置，其中，陰極包括基底及場發射材料薄膜，該場發射材料薄膜係面向離子收集極而設置於基底上。

所述的電離規，藉由場發射陰極發射電子，具有低功耗、低放氣率及良好的線性等優點，適合測量中真空環境。

下面將結合附圖對本發明實施例作進一步的詳細說明。

請參閱圖1，本發明提供一種電離規100，該電離規100包括陰極102，柵極104和離子收集極106。該柵極104位於陰極102與離子收集極106之間且靠近陰極102。陰極102，柵極104和離子收集極106分別相向間隔設置，陰極102包括基底108及場發射材料薄膜110，該場發射材料薄膜110係面向離子收集極106而設置於基底108上。

該柵極104和離子收集極106的材料均可選自導電金屬，如銅，金等。離子收集極106係一導電金屬平板。柵極104可以採用各種孔狀結構，如金屬環，金屬孔或者金屬網等。陰極102和柵極104係用絕緣間隔片112隔開，如絕緣陶瓷，間隔的距離d在小於或等於200微米的範圍內。柵極104和離子收集極106的間隔距離D在0.5~2毫米的範圍內。優選地，d為200微米，D為1毫米，該電離規100的測量範圍覆蓋了10^-4~10¹帕(在氮氣環境中)，10_-3~10²帕(在氦氣環境中)的區域。

該場發射材料薄膜110可選自各種場發射材料，優選為奈米碳管。奈米碳管可藉由化學氣相沉積法、電弧放電法或鐳射蒸發法等先前方法製備，並可藉由離心提純得到純度較高的奈米碳管。奈米碳管所選的長度在5~15微米的範圍內為佳，過短會減弱奈米碳管的場發射特性，過 長容易使奈米碳管折斷。另外，該場發射材料薄膜110除了奈米碳管外，還包含低熔點玻璃及導電金屬微粒，低熔點玻璃的熔點在400~500℃的範圍內，其作用係將奈米碳管和基底108進行粘結，防止奈米碳管從基底108上脫落，從而延長場發射陰極102的使用壽命。導電金屬微粒的材料選自氧化銦錫或銀，其可確保奈米碳管和基底108電性連接。基底108優選為導電的氧化銦錫玻璃。

上述陰極102可藉由絲網印刷等塗覆方法，將用於形成場發射材料薄膜110的漿料塗覆在基底108上，再進行烘乾和焙燒而形成。所述漿料各成份的配製重量百分比分別為：5~15%的奈米碳管、10~20%的導電金屬微粒、5%的低熔點玻璃及60~80%的有機載體。導電金屬微粒的材料係選自氧化銦錫或銀，所述有機載體係作為主要溶劑的松油醇、作為增塑劑的少量鄰位苯二甲酸二丁酯及作為穩定劑的少量乙基纖維素的混合載體。將各成份按比例混合後，可藉由超聲震盪的方法使各成份在漿料中均勻分散而得到均勻穩定的漿料。

對塗覆有場發射材料薄膜110的基底108進行烘乾的目的係去掉場發射材料薄膜110中的有機載體，焙燒的目的係使低熔點玻璃熔融，起到粘結奈米碳管和基底108的作用，導電金屬微粒可保證奈米碳管和基底108電性連接。低熔點玻璃的熔點在400~500℃的範圍內，當然，所選基底108的材料熔點應比低熔點玻璃的熔點要高。為進一步地增強場發射陰極102的場發射特性，在經過烘乾和焙燒之後，對場發射材料薄膜110的表面進行磨擦，奈米碳管的 一端被磨擦引起的靜電吸引而冒頭，取向一致，從而增強場發射陰極102的場發射特性。

該電離規100還進一步包括外殼114及三個電極引線116。上述陰極102，柵極104和離子收集極106均置於外殼114內，各電極引線116的一端分別與陰極102的基底108，柵極104和離子收集極106連接，另一端延伸至外殼114外並可連接測量電路(圖未示)。該外殼114的開口端118與被測環境相通。

以下說明該電離規100測量被測環境壓強的原理。陰極102為零電位，柵極104加上正電位，陰極102在柵極104電位的作用下發射出電子，大部分電子會透過柵極104，離子收集極106的電位係負電位，透過柵極104的電子會反向折回柵極104，形成柵極電流I_e。在這個過程中，電子與被測環境空間的氣體分子碰撞並使氣體分子電離，產生的離子由負電位的離子收集極106吸收，形成離子流I_i。柵極電流I_e與離子收集極離子流I_i有如下的關係：I_i/I_e=kP

其中P為壓強，k係一個固定的比例係數，稱為靈敏度，靈敏度係電離規100的固有性質，由它的結構決定，可以藉由標準真空計校準該電離規100而得知該靈敏度。藉由測量柵極電流I_e和離子收集極離子流I_i就可以得出被測環境的壓強。

需要指出，電子在距離d內與氣體分子相碰撞的幾率可由如下公式表示：P(d)=1-exp(-d/l)。其中l係平均自由 程，它與氣壓P成反比。在1托(133帕)空氣的環境下，l為290微米。為儘量減小電子與氣體分子的碰撞幾率，所以要求d應比l小，以減少陰極102與柵極104之間產生的離子，避免離子轟擊陰極造成陰極102的損壞。本實施例中，d約為200微米，D為1毫米，該電離規100的測量範圍覆蓋10^-4~10¹帕(在氮氣環境中)和10^-3~10²帕(在氦氣環境中)的區域。

請參閱圖2，測量結果顯示本實施例的電離規中，I_i/I_e與P之間極好的線性關係，本實施例的電離規100的線性測量範圍覆蓋10^-4~10¹帕(在氮氣環境中)和10^-3~10²帕(在氦氣環境中)的區域。

本實施例所提供的電離規100，藉由場發射陰極102發射電子，具有結構小巧，低功耗、低放氣率及良好的線性等優點，適合測量中真空環境。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，爰依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施方式，本發明之範圍並不以上述實施方式為限，舉凡熟習本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

100‧‧‧電離規

102‧‧‧陰極

104‧‧‧柵極

106‧‧‧離子收集極

108‧‧‧基底

110‧‧‧場發射材料薄膜

114‧‧‧外殼

116‧‧‧電極引線

118‧‧‧開口端

圖1為本發明實施例提供的一種電離規的一個截面示意圖。

圖2為圖1中電離規的電流比與壓強的關係示意圖。

100‧‧‧電離規

102‧‧‧陰極

104‧‧‧柵極

106‧‧‧離子收集極

108‧‧‧基底

110‧‧‧場發射材料薄膜

114‧‧‧外殼

116‧‧‧電極引線

118‧‧‧開口端

Claims (9)

1. 一種電離規，包括陰極，柵極和離子收集極，該柵極位於陰極與離子收集極之間且靠近陰極，陰極，柵極和離子收集極分別相向間隔設置，陰極包括基底及場發射材料薄膜，該場發射材料薄膜係面向離子收集極而設置於基底上，其改良在於，該場發射材料薄膜含有奈米碳管，低熔點玻璃及導電金屬微粒，該奈米碳管的一端從該場發射材料薄膜中冒頭，所述陰極和柵極的距離為200微米，且所述柵極和離子收集極的距離為1毫米。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電離規，其中，所述之基底係透明導電的氧化銦錫玻璃。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電離規，其中，所述之離子收集極係導電金屬平板。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電離規，其中，所述之導電金屬微粒材料選自氧化銦錫或銀。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電離規，其中，所述之柵極係孔狀結構。
6. 如申請專利範圍第5項所述之電離規，其中，所述之孔狀結構包括金屬環，金屬孔或者金屬網。
7. 如申請專利範圍第1項所述之電離規，其中，所述之電離規進一步包括外殼及三個電極引線。
8. 如申請專利範圍第7項所述之電離規，其中，所述之陰極，柵極和離子收集極均置於外殼內，各電極引線的一端分別與陰極基底，柵極和離子收集極連接，另一端延伸至外殼外。
9. 如申請專利範圍第1項所述之電離規，其中，所述之奈米碳管的長度在5~15微米的範圍內。