專利名稱：離子平衡監視器的制作方法
離子平衡監視器
相關申請的交叉引用
本申請要求于2004年10月29日提交的題為"Ion Balance Monitor (離子平衡 監視器)"的臨時申請No. 60/623,670的優先權，該申請通過引用結合于此。
背景技術：
本發明涉及空氣中的離子平衡和濃度的檢測和監視。
靜態電荷積聚會在各種制造過程和工業操作中導致嚴重問題。解決電荷聚 集的方法之一是在緊靠要保護的對象附近形成高電離空氣容積區。如果這些對 象變成帶電，則它們會吸引相反極性的空氣離子。這樣，又導致電荷中和。包 含正負極性的離子的電離空氣通常由空氣電離系統來提供。必須周期性地校驗 這種系統，以便確保其正常的運行，并且在臨界環境中，連續離子發生器系統 的監視可能是必需的。
空氣(氣體)離子發生器的典型估算由三個部分構成。前兩個測試測量離子 發生器以期望產生速率水平輸送正負離子的能力，從而受保護的對象可在確定時限 內被中和。根據ANSI ESDSTM 3.1-2000標準(2000年ESD協會用于放電敏感產 品一電離的保護的EOS/ESD協會標準)，這種能力根據具有指定對地電容的帶電 板在指定電壓電平之間進行放電所需的時間來確定。為此，首先將該板預充電至初 始電壓電平，然后允許放電為通常初始測試電壓的10%。對初始電壓的兩個極性 記錄放電所需時間。這兩次測量稱為放電時間測試。
離子發生器估算的第三部分是電壓偏移量測量。首先，測試板短接至地以去 除任何殘留電荷。然后，板與地斷開連接，并允許浮置。在板電壓穩定之后對板測 得的電壓是釆集自碰撞到板上的空氣離子的凈電荷的結果。穩定的板電壓值也表示 置入離子場中、尺寸和幾何形狀與測試板近似的對象通過該離子場將被驅動到的電 壓電平。
使用上述現有技術方法的空氣(氣體)離子發生器系統的估算是耗時的，并 且對于連續離子發生器監視中的應用并非足夠健壯。可參考2000年10月10日授 予的題為"Apparatus and Method for Monitoring of Air Ionization (用于監視空氣電離的裝置和方法)"的美國專利No. 6,130,815、 1996年4月9日授予的題為 "Apparatus for Measuring Ions in a Clean Room Gas Flow Using a Spherical Electrode (使用球形電極測量凈化室氣流中的離子的裝置)"的美國專利No. 5,506,507以及2002年8月13日授予的題為"Floating Plate Monitor (浮置板監視 器)"的美國專利No.6,433，522，所有這些前述的三個專利的公開通過引用結合于 此。適當的監視要求同時測量離子平衡(電壓-偏移值測試)和兩個離子極性的離 子產生速率(放電時間測試)。現有的充電板和帶電板監視器不能進行這種同步測 試。通常，這些裝置僅監視電壓偏移量，并且在特定系統中附加地向離子發生器提 供反饋信號。這種關于離子失衡的反饋信號可被用來控制離子發生器系統；然而， 這并不表示離子發生器是否產生了足夠的離子量來在期望時間內使受保護對象放 電。它僅僅通過指示電壓偏移量告知到達板的正離子與負離子的比。
發明內容
因此，本發明的方法和裝置的目的是通過提供以下來克服現有技術的方法和 設備的缺點
1. 離子電流檢測器組件，它可被置入離子場中。
2. 離子檢測器，它具有提供與碰撞到敏感電極表面的正和負離子的數量相對 應的同步輸出信號的能力。
3. 電路，用以處理檢測器信號一正和負離子電流以便為監視、記錄或者控制 目的提供信息。
本發明一一種新型離子平衡監視器一能夠通過測量因出現空氣離子(例如通 過空氣(氣體)離子發生器生成)所產生的電流來同時監視正負離子的產生速率(以 及由此的離子濃度)。另外，它通過比較上述電流來檢査離子平衡。通過這種方法 獲得的信息可被用來實時監視離子發生器。不管是哪種類型的離子發生器，兩個極 性的離子的離子平衡和產生速率都可通過新型離子監視器來記錄。新開發儀器的穩 健性和可行性對照標準帶電板監視單元來校驗。這種離子監視器顯著縮短了估算離 子發生器所需的時間，并且可另外提供使離子發生器系統保持平衡所需的反饋信 號。
本發明的其它應用包括氣體環境中的任意離子平衡與離子濃度的測量和監視。
在閱讀隨后的詳細描述以及包括在內的附圖之后，本發明的前述以及其它優點和表征特性將明顯變得顯而易見。
圖1是根據本發明構建的具有充電板的離子采集儀器的立體圖； 圖2a是一種形式的充電板的平面圖2b是另一種形式的充電板的平面圖3是類似于圖2b并示出充電板各部分之間的電連接的視圖；以及 圖4是示出離子平衡-監視儀器的電路的示意圖。
具體實施例方式
應當理解本發明并不限于以下所述的實施例，因為可結合各種更改和增強而 不背離本發明的范圍。
圖1是根據本發明的具有充電板1的離子采集儀器的立體圖。圖2a和2b是 根據本發明的離子采集板1的兩個實施例的俯視圖。板1具有由導電材料(即金屬) 制成、可彼此電隔離的采集器部分2。電(和物理)隔離可例如通過使用任意介電 和/或防靜電材料3來確保。作為一個示例，圖2a呈現了由十二 (12)個部分21 構成的板l，而圖2b示出了四(4)個采集器部分2b。雖然示出了板l，但是這些 部分也可以是其它表面、體或任意其它兩維或三維的幾何結構。采集器部分通過施 加于它們的正電壓或者負電壓進行偏置。所施加的電壓值可對正和負兩個極性進行 調節。每個正電荷充電部分與兩個負電荷充電部分相鄰，而每個負電荷充電部分與 兩個正電荷充電部分相鄰，從而整個板填充有交替的正電位區與負電位區，如圖 2a和2b所示。如圖3所示，板的所有正偏壓部分在連接點5上電連接在一起。如 圖3所示，所有負偏壓部分在連接點4上電連接在一起。
板1的離子采集導電部分2通過施加于它們的電壓進行預偏置。正偏壓部分 將吸引出現在周圍氣體環境中的負離子。這將引起離子電流從板1的所有正(偏壓) 部分流到點5。類似現象也在負電壓預偏置部分發生。正電子電流將從點4流出(電 流從負電位流到正電位)。點或結點上的離子電流被作為輸入施加到圖4所示離子 平衡-監視器儀器的電路。
現在詳細地參看圖4，結點4上的負離子電流被輸送到由電阻6和8、電容器 7以及運算放大器9構成的前置放大器。結點5上的正離子電流同時進入由電阻27、 30、電容器29和運算放大器31構成的前置放大器。可調電源11和32被用來經由標示為10和28的連接對離子采集板進行預偏置。在通過前置放大器之后，負離子
電流和正離子電流都已被轉換成相應的電壓信號并被反相。然后，負電流信號通過
由電阻13、 14、 15、 16和運算放大器17構成的差分放大器，其中正偏壓從信號中 減去且結果值反相。在此方法中，在運算放大器17的輸出端上獲得表示負離子輸 入電流的電壓。因而，前置放大器和差分放大器構成電路的第一分支，并且輸入為 結點4，而輸出為差分放大器的輸出。
在類似方式中，在運算放大器36上獲得正離子電流的電壓表示。包括運算放 大器36的差分放大器的輸出是電路的第二支路的輸出，該第二支路具有結點5并 包括相關聯的前置放大器和差分放大器。現在兩個電壓信號都可被用來確定到達經 帶電板一離子采集板的離子的量。這樣，進而提供關于離子發生器系統效率的信息。 如果添加正負離子電壓信號，如在包括電阻18、 19、 20、 37和運算放大器21的加 法放大器中進行的，則可確定離子平衡偏移量。在通過包括電阻22、 23和運算放 大器24的緩沖器之后，離子平衡信息可被顯示給儀器的操作者，并且還進一步被 用來調節離子發生器上的離子平衡。例如，這通過包括電阻25和電容器26的低通 濾波電路、并通過包括電阻45、 48、電容46和運算放大器47的積分電路來實現。 這兩個電路被用來調節反饋信號，該反饋信號要經由端子44提供給離子發生器50 的控制電路49。
本發明儀器同時測量表征離子發生器系統工作的所有三個參數正離子產生 速率；負離子產生速率；以及離子平衡。記錄在充電板的正負偏壓部分上的離子電 流的大小提供關于離子產生速率的信息，并進而提供板附近的兩個極性的離子濃 度。可根據對應的放電時間來校準離子電流。可參考EOS/ESD協會技術報告2002 年ESD協會ESD TR13-02的用于測量離子發生器電壓偏移量和放電時間的備用技 術(等效于由前文所提到的標準ANSI ESD STM 3.1-2000推薦的測量)。兩個離 子電流的比較給出了關于離子平衡的信息如果負離子電流和正離子電流的總和等 于零，則離子發生器系統在離子平衡監視器的附近提供離子平衡。如果這個總和不 等于零，則此信息可進行進一步處理并被用來調節離子發生器系統的輸出。
因而，本發明的方法和裝置提供經改進的空氣離子平衡和濃度的感測和監視。 本發明允許直接連續測量和定量估算正負離子所處的空氣或任意其它氣體環境中 的正負離子濃度。當前所使用的方法以及諸如耦合到帶電板監視器的帶電板和離子 平衡監視器的設備能夠感測撞擊在單個檢測元件的正負離子的整體綜合影響，但不 能同時提供特定極性的離子電流信息。本發明的方法和裝置允許同時分離正離子濃度和負離子濃度，并提供由各類離子產生的電流的直接測量。
因此，顯而易見，本發明實現了期望目標。雖然已詳細描述了本發明的各個 實施例，但是這僅僅作為說明目的而非限制目的。
權利要求
1. 一種離子平衡監視器包括a)定義包括多個導電和電隔離部分的一個表面的裝置；b)向所述多個部分的相應部分施加正和負電偏置電位的裝置；以及c)響應于離子從所述表面所置入的離子場碰撞到每個所述部分上，測量在所述部分中產生的正負電流的裝置。
2. 如權利要求1所述的離子平衡監視器，其特征在于，測量正負電流的所述 裝置包括用于將正負離子電流轉換成包含有關到達所述部分的正負離子數量的信 息的正負離子電壓信號的裝置。
3. 如權利要求2所述的離子平衡監視器，其特征在于，還包括用于添加正和 負離子電壓信號以確定離子平衡偏移量的裝置。
4. 如權利要求3所述的離子平衡監視器，其特征在于，還包括利用離子平衡 提供反饋控制信號的裝置。
5. 如權利要求1所述的離子平衡監視器，其特征在于，施加正電偏置電位的 每個部分位于施加負電偏置電位的兩個部分之間，并且其中施加負電偏置電位的每 個部分位于施加正電偏置電位的兩個部分之間。
6. —種離子平衡監視方法包括a) 提供包括多個導電和電隔離部分的一個表面；b) 向所述多個部分的相應部分施加正負電偏置電位；以及c) 響應于離子從所述表面所置入的離子場碰撞到每個所述部分上，測量在所述部分中產生的正負電流。
7. 如權利要求6所述的離子平衡監視方法，其特征在于，所述測量正負電流 包括用于將正負離子電流轉換成包含有關到達所述部分的正負離子數量的信息的 正負離子電壓信號。
8. 如權利要求7所述的離子平衡監視方法，其特征在于，還包括添加正負離 子電壓信號以確定離子平衡偏移量。
9. 如權利要求9所述的離子平衡監視方法，其特征在于，還包括利用離子平 衡提供反饋控制信號。
10. 如權利要求6所述的離子平衡監視方法，其特征在于，所述表面用使施加正電偏置電位的每個部分位于施加負電偏置電位的兩個部分之間，并且使施加負電 偏置電位的每個部分位于施加正電偏置電位的兩個部分之間的方式設置。
11. 一種離子平衡監視器包括a) 充電板，它被調節成暴露于電離氣氛、并包括多個彼此電隔離的導電材料 的采集器部分；b) 用于向多個采集器部分的一半施加正偏壓以從電離氣氛吸引負離子，由此 產生與采集器部分的所述一半相關聯的負電流的裝置；C)用于向多個采集器部分剩余的一半施加負偏壓以從電離氣氛吸引正離子， 由此產生與采集器部分的所述剩余一半相關聯的正電流的裝置；d) 處理電路，它包括各自具有輸入端和輸出端的第一和第二分支；e) 用于將負電流施加到所述第一電路分支的輸入端的裝置；f) 用于將正電流施加到所述第二電路分支的輸入端的裝置；g) 所述處理電路的所述第一和第二分支的每一個將相應的負離子電流和正 離子電流轉換成相對應的負和正電壓信號，并從信號中消除偏置；h) 從而所述處理電路的所述第一和第二分支的輸出分別是包含有關被吸引 到充電板的采集器部分的負離子和正離子的數量的信息的負離子和正離子電壓信號
12. 如權利要求11所述的離子平衡監視器，其特征在于，還包括有效地連接 到所述處理電路的所述第一和第二分支的輸出端、用于添加負和正離子電壓信號以 確定離子平衡偏移量的裝置。
13. 如權利要求12所述的離子平衡監視器，其特征在于，還包括濾波器和積 分器組合，它們有效地連接到所述用于添加的裝置用于提供反饋信號以控制氣氛的 電離。
14. 如權利要求11所述的離子平衡監視器，其特征在于，施加正電偏置電位 的各個采集器部分位于施加負電偏置電位的兩個采集器部分之間，并且其中施加負 電偏置電位的各個采集器部分位于施加正電偏置電位的兩個釆集器部分之間。
15. —種用于控制將正和負離子輸送到氣氛的離子發生器的方法，包括a) 采樣氣氛中的正離子以提供表示與離子發生器相關聯的正離子產生速率 的正離子電壓信號；b) 同時采樣氣氛中的負離子以提供表示與離子發生器相關聯的負離子產生 速率的負離子電壓信號；C)添加正負離子電壓信號以提供離子平衡參數；以及d)如果離子平衡參數不等于零，則調節離子發生器的輸出。
16. 如權利要求15所述的用于控制離子發生器的方法，其特征在于，所述采 樣正離子并同時采樣負離子包括a) 提供包括多個導電和電隔離部分的一個表面；b) 向所述多個部分的相應部分施加正負電偏置電位；以及C)響應于離子從所述表面所置入的氣氛碰撞到每個所述部分上，根據在所述 部分中產生的正負電流提供所述正負離子電壓信號。
17. —種用于將正負離子輸送到氣氛的系統包括a) 離子發生器，用于產生所述正和負離子；b) 離子平衡監視器，用于同時采樣氣氛中的正負離子以提供表示與離子發生 器相關聯的正負離子產生速率的相應正負離子電壓信號，所述離子平衡監視器添加 正負離子電壓信號以提供離子平衡參數；以及C)有效地與所述離子平衡監視器相關聯用于向所述離子發生器提供反饋控 制信號，以便在離子平衡參數不等于零時調節所述離子發生器的輸出的裝置。
18. 如權利要求17所述的系統，其特征在于，所述離子平衡監視器包括a) 定義包括多個導電和電隔離部分的一個表面的裝置；b) 向所述多個部分的相應部分施加正負電偏置電位的裝置；以及C)響應于離子從所述表面所置入的氣氛碰撞到每個所述部分上，根據在所述 部分中產生的正負電流提供所述正負離子電壓信號的裝置。
全文摘要
一種離子平衡監視器，用于通過測量因由例如空氣(氣體)離子發生器產生的空氣離子的出現所產生的電流來同時監視正負離子產生速率以及由此的離子濃度。另外，它通過比較前述電流來檢查離子平衡。通過這種方法獲得的信息可被用來實時監視離子發生器。不管是哪種類型的離子發生器，兩種極性的離子的離子平衡和產生速率都可通過離子監視器來記錄。離子監視器可提供使離子發生器系統保持平衡所需的反饋信號。
文檔編號B01D59/44GK101437602SQ200580037197
公開日2009年5月20日 申請日期2005年10月28日 優先權日2004年10月29日
發明者B·T·威廉姆斯, J·基爾斯, M·A·諾拉斯 申請人:特瑞克股份有限公司