專利名稱：用于離子平衡測量和調節的具有隔離的電容器電路的離子化平衡裝置的制作方法
技術領域：
本公開涉及離子化平衡裝置，更具體地講，涉及用于測量在離子化平衡裝置的電離輸出中的離子平衡以便提供反饋從而對輸出進行控制的電路。
背景技術：
離子化平衡裝置是指生成正離子和負離子以遞送至目標區域的裝置。離子化平衡裝置通常用于各種各樣的行業中，目的是移除或最小化在工作區域中積聚的靜電荷。離子化平衡裝置通常也稱為靜電荷中和器。一種特定類型的離子化平衡裝置通常被稱為離子風機。離子風機通常包括使用所謂的“電暈法”生成正離子和負離子的離子源。離子風機使用一個或多個風扇將離子朝所關注的目標區域導向。使用電暈法時，將高電壓(如，5 - 20kV)施加到一組尖點(通常為針狀的結構)上，并且在靠近這些尖點處建立強電場。該電場將自由電子加速至足夠高的能量，以允許自由電子與分子碰撞，從而使分子離子化。當一個點上的電壓為正時，正離子被排斥到環境中，并且當一個點上的電壓為負時，負離子被排斥到環境中。該風機可朝目標區域遞送電離空氣(包括正離子和負離子)。可將電暈離子發生器設計為使用AC電壓或DC電壓，并且使用AC或DC電壓可提供不同的益處。還存在其他類型的離子源，并且其可用于離子化平衡裝置中。例如，離子源也可經由所謂的α離子發生器方法使用電離輻射生成離子。使用離子化平衡裝置時，監測和控制裝置的離子輸出可能是非常重要的。這種監測和控制可實現離子平衡和離子氣流。當正離子的數量等于從離子化裝置遞送的負離子的數量時，通常出現離子平衡。離子氣流可包括遞送到目標區域的每單位面積的離子的數量，并且可受到離子源的類型和質量以及遞送來自離子化平衡裝置的電離空氣的一個或多個風扇的強度的影響。
發明內容
本公開描述了可用于測量在離子化平衡裝置中的離子平衡的電路和技術。所描述的電路包括電容器(即，第一電容器)，該電容器包括兩個導體，其中第一導體暴露于離子化裝置的輸出，并且第二導體與離子化裝置的輸出隔離。第一導體可積聚電荷，以便量化離子化平衡裝置的輸出。開關可用于使第一導體以周期性的間隔放電，以便測量在第一導體上積聚的電荷；并且可對該放電測量進行信號處理，以便生成可用于控制和調節離子源輸出的反饋。該電路還可包括與第一電容器共享線端終端的另一個電容器(即，第二電容器)，并且第二電容器還可將第一電容器的第二導體用作其導體之一。該電路還可包括設置成與第二電容器并聯的電阻器，該電阻器可具有相對于常規的離子平衡測量電路的相似類型的電阻器大幅減小的電阻。在一個實例中，本公開描述了一種離子化平衡裝置，該離子化平衡裝置包括發射離子的離子源，以及電容器，其中該電容器包括第一導體和第二導體。第一導體暴露于離子源發射的離子，并且第二導體與離子源發射的離子隔離。在另一個實例中，本公開描述了一種被構造為測量離子源的離子平衡的電路。該電路包括第一電容器，該第一電容器包括第一導體和第二導體，其中該第一導體暴露于離子源發射的離子，并且該第二導體與離子源發射的離子隔離。該電路還包括第二電容器，該第二電容器包括第一電容器的第二導體以及第三導體。該電路還包括設置成與第二電容器并聯的電阻器，其中電阻器和第二電容器的并聯組合與第一電容器串聯，該電路還包括開關，其中當開關打開時，第一導體積聚從離子源發射的離子，并且當開關閉合時，第一電容器排放積聚的電荷。在另一個實例中，本公開描述了一種被構造為測量離子源的離子平衡的電路。該電路包括具有第一導體和第二導體的第一電容器以及與第一電容器共享線端終端的第二電容器，其中該第二電容器包括第一電容器的第二導體以及第三導體。該電路還包括設置成與第二電容器并聯的電阻器，其中該電阻器和第二電容器的并聯組合與第一電容器串聯，其中該電阻器限定了小于大約10兆歐姆的電阻。在另一個實例中，本公開描述了一種裝置，其包括發射離子的離子源以及被構造為接收離子源發射的離子并輸出表明離子源實現了離子平衡的信號的電路，其中該信號對不是由發射的離子所生成的任何外部電磁場基本上不敏感。本公開的一個或多個實例的細節示出于附圖和以下說明中。通過閱讀說明書、附圖以及權利要求書，關于各實例的其他特征、目的和優點將變得顯而易見。
圖1為符合本公開的示例性離子化平衡裝置的框圖。圖2為示出符合本公開的離子測量電路的一個實例的概念側視圖和電路示意圖。圖3為與具有處于打開位置的開關的尚子測量電路相對應的電路不意圖。圖4為示出符合本公開的在電容器上的電壓積聚隨時間變化的坐標圖。圖5為示出在電阻器兩端之間的電壓隨時間變化的坐標圖。圖6為與具有處于閉合位置的開關的離子測量電路相對應的電路示意圖。圖7為示出在電阻器兩端之間的電壓峰值隨時間變化的坐標圖。圖8-13為示出符合本公開的實例的多種信號的圖形。圖14為符合本公開的示例性離子化平衡裝置的框圖。
圖15為符合本公開的示例性離子化平衡裝置的電路示意圖。圖16為可實施本公開的電路和技術的一個示例性離子化平衡裝置的透視圖。
具體實施例方式本公開描述了可用于測量和控制在離子化平衡裝置中的離子平衡的電路和技術。所描述的電路包括電容器(即，第一電容器)，該電容器包括兩個導體，其中第一導體暴露于離子化裝置的輸出，并且第二導體與離子化裝置的輸出隔離。第一導體可積聚電荷，以便量化離子化平衡裝置的輸出。開關可用于使第一導體以周期性的間隔放電，以便測量在第一導體上積聚的電荷；并且可對于該放電測量進行信號處理，以便生成可用于控制和調節離子源輸出的反饋。該電路還可包括與第一電容器共享線端終端的另一個電容器(即，第二電容器)，并且第二電容器還可將第一電容器的第二導體用作其導體之一。該電路還可包括設置成與第二電容器并聯的電阻器，該電阻器可具有相對于常規的離子平衡測量電路的相似類型的電阻器大幅減小的電阻。圖1為符合本公開的示例性離子化平衡裝置10的框圖。如圖1所示，離子化平衡裝置10包括從離子化平衡裝置10發射離子的離子源12。發射的離子11可以移除或最小化在目標區域(例如與電子器件的制造或組裝相關的工作區域)中積聚的靜電荷。離子化平衡裝置10可用于多種多樣的設置或環境中，以便移除或最小化靜電荷積聚。離子源12可包括生成離子11的各種元件或單元。例如，離子源12可包括正離子單元14、負離子單元15和風機13。風機13可包括將空氣吹過正離子單元14和負離子單元15的一個或多個風扇。在該實例中，離子化平衡裝置10可稱為離子風機，其將離子朝所關注的目標區域導向。離子單元14和15可根據所謂的電暈法生成離子。根據電暈法，將高電壓(如，5 - 20kV)施加到一組尖點(通常為針狀的結構)上，并且在靠近這些尖點處建立強電場。該電場將自由電子加速至足夠高的能量，以允許它們將與自由電子碰撞的分子離子化。正離子單元14可將高正電壓電勢遞送至針狀的結構以便生成正離子，而負離子單元15可將高負電壓電勢遞送至針狀的結構以便生成負離子。離子11可經由風機13被排斥到環境中，從而朝目標區域遞送直接電離的空氣(包括正離子和負離子)。或者，離子源12可以使用電離輻射(如，使用所謂的α離子發生器方法)或其他技術來生成離子。從離子化平衡裝置10發射的離子11可首先暴露于離子測量電路16。離子測量電路16可被構造為確定在發射的離子11中的離子平衡，并且可生成表明與發射的離子相關的任何正電荷過量或負電荷過量的信號。信號調節單元17可包括一個或多個放大器、峰和保持單元(如，積分器)、低通濾波器或其他單元或元件，以便恰當地調節來自離子測量電路16的輸出信號。可將信號調節單元17的輸出遞送至控制單元18，該控制單元可包括用于控制到離子單元14、15的輸入信號的微處理器或控制器。控制單元18還可(例如)通過控制離子測量電路16的周期性開-關`切換而控制離子測量電路16的操作，如在下文中更詳細地描述。當離子測量電路16檢測到正電荷過量時，控制單元18可促使負離子單元15生成較多的負離子和/或促使正離子單元14生成較少的正離子。相似地，當離子測量電路16檢測到負電荷過量時，控制單元18可促使負離子單元15生成較少的負離子和/或促使正離子單元14生成較多的正離子。通過這種方式，離子測量電路16、信號調節單元17、控制單元18和離子單元14、15可形成閉合回路反饋系統，用于測量和控制在從離子化平衡裝置10輸出的所發射離子11中的離子平衡。信號調節單元17可聯接到離子測量電路16，并且可被構造為輸出表明離子平衡的信號。具體地講，信號調節單元17可被構造為生成與積聚在離子測量電路16的電容器上的正電荷成比例的第一信號，并生成與在電容器上的負電荷成比例的第二信號。信號調節單元17還可被構造為在第一信號和第二信號之間生成差值，其中所述差值包括對離子平衡的量度。控制單元18可接收離子平衡的量度，并生成針對離子源12的用于改變離子平衡的控制信號。如在下文中更詳細地描述，離子測量電路16可包括電容器，所述電容器包括第一導體和第二導體。該第一導體可暴露于離子源12發射的離子11，該第二導體可與離子源12發射的離子11隔離。例如，電容器(圖1中未示出)可包括圓柱形電容器，其中外部導體通過電介質與內部導線分離。在這種情況下，外部導體可暴露于離子源12發射的離子11，而內部導體可以通過(例如)外部導體而與由離子源12發射的離子11隔離。然而，電容器可以呈現多種其他形式，只要導體之一暴露于離子11并且另一個導體與離子11隔離即可。離子測量電路16還可包括開關，如在下文中更詳細地描述。當開關打開時，第一導體積聚發射的離子，并且當開關閉合時，電容器排放積聚的電荷。所述開關能夠以周期性的間隔打開和閉合，從而生成表明離子平衡的信號。在這種情況下，當開關閉合時，將在下文中更詳細地描述的電容器可輸出脈沖，其中所述脈沖限定了量級與方向，所述量級與積聚在第一導體上的過量電荷成比例，且所述方向限定所述過量電荷是正電荷還是負電荷。離子化平衡控制的一些例子可采用呈金屬網格或平面形式的天線型傳感器，其通過高值電阻器連接到接地電壓。在這種情況下，來自離子源的正離子和負離子流可與天線型傳感器碰撞，并生成流經電阻器的兩種方向相反的電流。在這種情況下，電阻器上的電壓可以與正離子和負離子數量之間的差值成比例，并在離子化裝置平衡的情況下等于零，這意味著該裝置每時間單位輸出大約相同數量的正離子和負離子。電阻器上的電壓可以用作負反饋系統中的指示離子發生器平衡的信號。然而，使用大值電阻器的天線型傳感器方法可具有顯著的缺點。一個缺點是該系統可能受到靜電電壓的影響。因此，該方法可能需要嘗試著分離離子化和靜電電壓，這可能很困難。例如，用于分離離子化和靜電電壓的技術可能需要確定在傳感器輸出信號中的由離子流引起的分量和由外部靜電場引起的分量的頻譜差值。可以假定離子發生器的平衡漂移非常慢，并且所有的快速電壓變化應被拒絕。然而，該方法具有局限性，并且在帶電物體朝天線緩慢移動時不起作用，因為在這種情況下，由靜電場變化引起的漂移可顯得類似于由尚子的流動引起的信息分量。該天線型傳感器 方法的另一個缺點是外部電磁場(靜電的和非靜電的)可能會對輸入傳感器電容器進行充電并使測量電路飽和。如果天線阻抗非常高，則輸入電容器需要很長的時間來放電，并且在這段時間內傳感器可能不適當地提供對應于顯著離子失衡的輸出信號。此外，在這種情況下，稍微觸碰一下天線便可弓I起控制器在輸入電容器開始放電之前出現長時間的失靈。另外，基于天線的傳感器通常具有非常高的阻抗，這可能需要具有非常低的輸入電流和低的電路板泄漏的前端測量電路。所述泄漏可通過初始的電路平衡來消除，但是其可能具有溫度和時間漂移，這產生了額外的系統錯誤并且可能需要周期性地進行控制器測試和平衡。另一個解決方案可以是保護傳感器免受靜電電壓和外部電磁場的影響。在這種情況下，電離空氣的一部分可以遞送到受外場保護的隔離測量通道。然而，該方法可能需要更復雜的機械設計。對于壓縮空氣離子發生器或所謂的“棒式離子發生器”，要實現該方法可能特別困難，因為在這種情況下，相對于周圍空間的低壓區域可能不存在。有時候，可能期望控制在較大表面上或在一些閉合空間(諸如，室或整個潔凈室)內的離子平衡，以便確定離子化裝置沒有發射額外的可以形成靜電荷的負離子或正離子。基于天線的方法不是很適合該類型的服務，因為控制區域受到天線尺寸的限制。因此，基于天線的方法可能僅能夠測量或控制在放置點處的離子平衡。增加天線的尺寸可能增強外部電磁場的影響和泄漏。本文所述的離子測量電路可提供采用基于天線的離子平衡方法解決這些問題的解決方案。本文所述的離子測量電路可充分地免受外部電磁場的影響、可具有相對低的阻抗，并可以能夠在較大區域(例如，潔凈室)中運行。用于離子平衡的控制信號(如，反饋信號)可僅基于正離子和負離子的比率，并且可以不取決于其他因素。本公開的技術基于傳感器(S卩，離子測量電路)，該傳感器可以采用具有用作離子接收器的未包覆外部板(柱面)的圓柱形電容器(等等)的形式。其他構型也是可能的，只要電容器的導體之一被隔離即可。使用該圓柱形的例子時，電容器的內部板可包括通過相對較小值的電阻器連接到接地平面的線或探針。該探針可置于閉合的金屬表面內，但與外場隔離。電容器的未包覆柱面板將來自發射離子的電荷積聚起來，并且可使用開關周期性地使電容器通過電阻器放電。在電阻器兩端之間的電壓峰值的振幅可與離子發生器的失衡成正比，并且可僅取決于電容器電荷而不取決于任何外部電磁場。在相對簡單的信號調節之后可獲得信號，該調節可用于精確校準調節DC型離子化裝置的高壓正電源和負電源，或用于精確校準調節脈沖型離子化裝置的脈沖占空比。該技術在AC型離子化裝置中也可以發揮很好的作用。在這種情況下，如果在該板上產生了額外的電荷，則該額外的電 荷可用于AC離子化裝置的監測。如本文所述的用于收集電離電荷的電容器可以實施為多種多樣的機械形狀，例如風扇風機離子化裝置的圓柱環或經由壓縮空氣棒式離子化裝置的圓柱線。所述電容器也可以是矩形電容器、橢圓形電容器或具有將內部導體屏蔽的外部導體的任何電容器。此外，只要電容器的一個導體被恰當地隔離并且電容器的另一個導體暴露于發射的離子，則其他的構型也可行。電路也可以與若干離子化發生器聯合使用，以便測量較大的整個離子化系統(例如，在潔凈室內)的平均平衡，該較大的整個離子化系統可提供能夠支承相對大的零離子平衡工作區域的優點。圖2是示出離子測量電路20的一個實例的概念側視圖和電路示意圖，其中該離子測量電路20可以對應于圖1的離子測量電路16。在圖2的實例中，離子測量電路20可被構造為測量發射離子21的離子源的離子平衡。電路20可包括第一電容器(概念性地示為電容器22)。電容器22包括第一導體23和第二導體24,其中第一導體23暴露于離子源發射的離子21，而第二導體24與離子源發射的離子21隔離。介電材料25可將第一導體23與第二導體24分離。電路20可包括第二電容器(概念性地示為電容器26)。第二電容器26與第一電容器22共享線端終端。第二電容器26包括第一電容器22的第二導體24，并且還包括第三導體27。雖然導體27和24以具有導體23和24的一體結構示出，但是這并非必要的。或者，例如，導體27可在印刷電路板上(或作為離散的單元)形成，并且導體24可包括被電容器22的導體23屏蔽的導線，而導體23被電容器26的殼體(如，用于容納該印刷電路板)屏蔽。電路20也可包括與第一電容器22共享線端終端并且設置為與第二電容器26并聯的電阻器28，其中電阻器28和第二電容器26的并聯組合與第一電容器22串聯。相對于采用基于天線的傳感器設計的放電電阻器，電阻器28可具有較低的電阻(如，小于10兆歐姆，諸如，小于I兆歐姆，或小于100千歐姆)，這是確保由在電阻器28兩端之間的壓降生成的電流足夠大以允許進行相對簡單的信號調節所期望的。電路20還可包括聯接到第一導體23的開關29。當開關29打開時，第一導體23積聚離子源發射的離子21 ;當開關閉合時，第一電容器22排放積聚的電荷，這使得在電阻器28的兩端之間出現壓降。如圖所示，開關29、第三導體27、電容器26和電阻器28全部聯接到接地電位，該接地電位可以為用于將所有這些組件接地的通用接地元件。在一個實例中，第一導體23可包括暴露于來自風扇風機的發射離子21的流的未包覆金屬柱面。在該實例中，未包覆金屬柱面通過開關29連接到接地平面。第二導體24可包括設置在未包覆金屬柱面內的金屬探針。介電材料25可將第一導體23與第二導體24分離。通過這種方式，第一導體23、第二導體24以及介電材料25可以形成圓柱形電容器，然而本公開不必受限于電容器22的任何圓柱形構型。第二導體24可設置為與可接地的第三導體27相鄰，以便形成第二電容器26。第二導體24然后可通過電阻器28接地。電阻器28的電阻可小于10兆歐姆，并且可具有介于100千歐姆和10兆歐姆之間的值。電阻器28可包括電阻器電路或可能的晶體管電路或實現所需電阻的另一個電路。第二電容器26由第一導體23和第三導體27形成。第二電容器26可用于連接到信號調節電路(例如，圖1的單元17)。將考慮離子測量電路20測量正離子失衡(如，正離子多于負離子)的情況，這就是圖2在兀件21處不 出正尚子的原因。圖3和圖6是對應于開關29打開(圖3)和開關29閉合(圖6)的離子測量電路20的電路示意圖。圖3示出了當離子失衡電流30通過第一導體23暴露于離子21而對第一電容器22進行充電的情形。在圖3中，開關29 (其通常為經由一個或多個晶體管而實施的電子開關)打開并且發射離子的不平衡性質被表示為具有無限大內阻的DC電壓源31，所以在連接電路中的電流不取決于任何載荷值。通過這種方式，發射離子可通過恒定的離子失衡而對第一電容器22充電，從而引起電流30流過電路20。積聚在第一電容器22上的電壓可由以下公式表不:U(At)=Iim+* At/Cl 公式(I)其中Iim+是等同的離子流電流，At為開關29打開時的充電時間周期，并且Cl為第一電容器22的電容值。圖4示出了公式1，并用圖形示出根據符合公式I的線41的電壓(Uci)隨時間⑴變化的積聚。圖5包括示出在電阻器28兩端之間的相應電壓(Uk)隨電阻器28的電阻R變化的公式。接地電壓在圖3和6中標記為元件32。離子失衡電流Iim+ (在圖3中示為元件30)可以與由離子源在每單位時間內生成的額外的正離子數量成比例。由該電流在電阻器28兩端之間生成的電壓可比在電容器22上獲得的充電電壓小得多，并可將其排除在考慮之外。例如，在20毫秒時間間隔內的I毫微安失衡電流可將電容器充電至0.1伏電壓下的200皮法拉(pF)，并且當電阻器具有100千歐姆的電阻值時，可在電阻器28上生成僅0.1毫伏的恒定偏移電壓。圖4和5可被視為在電容器22上的電壓變化(參見圖4的線41)和電阻器28上的電壓變化(參見圖5的線43)的比較圖形。圖6為當開關29閉合時的離子測量電路20的電路示意圖。在這種情況下，電容器22可能在此前已經由離子失衡電流30進行了充電。當開關29閉合時，電容器22通過開關29和電阻器28放電。放電電流40被示為圖6中的虛線式環繞箭頭。放電電流40在電阻器28的兩端之間生成相對于接地電壓的負電壓峰值。該峰值的最大振幅可以計算為:Usmax=-1ion^ At/(C1+C2)公式(2)圖7示出了公式2，并用圖形示出在電阻器28兩端之間的電壓峰值隨時間的變化(參見元件45)。在電壓峰值之后，絕對電壓可以指數方式下降至零，且時間常數為:τ =R* (C1+C2)公式(3)，其中R是電阻器28的電阻，Cl是電容器22的電容，C2是電容器26的電容(全部以根據國際單位制的國際標準單位示出)。時間常數(τ )可以顯著小于電容器22的充電間隔。在示例性且非限制性的實例中，充電間隔可接近大約16毫秒，在這種情況下，時間常數(τ)可顯著小于16毫秒。電阻器28的電阻所用的值可最終影響所需的充電間隔和時間常數(τ )。電壓峰值的振幅可能小于通過暴露于發射離子而積聚在電容器22上的初始充電電壓，因為一旦開關29閉合，電容器22的總電荷便可以在電容器22和28兩者之間瞬間重新分配。如可從公式(2)所見，在電阻器28上的電壓峰值的最大振幅可以與離子發生器的等量失衡電流Iim+ (在圖3中示為元件30)成正比。為了監測和控制離子平衡，電容器22不斷地由離子發生器失衡電流30充電(經由第一導體23的暴露)，并且通過電阻器28周期性地放電，開關29通過這種方式生成一系列脈沖，所述脈沖的振幅與離子源的離子失衡輸出成比例。(通過電子方式)打開和閉合開關29，以便生成充電電容器22和放電電容器22的該周期性循環。當離子源生成額外的正電荷時，脈沖的極性可以為負，而當離子源生成額外的負電荷時，脈沖的極性可以為正。因為第二導體24 (例如)被第一導體23的閉合金屬表面屏蔽，故脈沖的振幅可能與任何外部靜電電壓或電磁場無關。此外·，即便在第一導體23被使用者觸碰(或以其他方式無意地接地)的情況下，這將僅弓I起一次放電，并將影響來自一系列脈沖的僅一次脈沖。圖8和9為示出由諸如圖2、3和6中所示的離子測量電路20生成的兩種不同的脈沖序列的圖形。在這些實例中，沒有反饋或調節被遞送至將離子發射到充電電容器22的離子源。圖8示出了在正離子失衡情況下生成的脈沖801，圖9示出了在負離子失衡情況下生成的脈沖901。這些脈沖801或901可用于(并可能經信號調節)生成能夠調整離子源的輸出(如，調整圖1中的正離子單元14和負離子單元15的相對輸出)的控制信號。在圖8和9中，脈沖801和901未發生改變，因為在這些實例中不使用反饋來改變離子源的輸出。圖14為示出離子化平衡裝置100的一個實例的框圖。離子化平衡裝置150可以是圖1的離子化平衡裝置10的一個實例。在圖14中，離子源40可對應于圖1中的離子源
12。在圖14中，元件44可表示圖1的信號調節單元17的一個實例。在圖14中，單元62可表示圖1的控制單元18。單元63可包括接口單元，例如，顯示器或網絡接口。在圖14的實例中，單元42包括電容器傳感器單元，并且結構48包括如本文所述的第一和第二電容器。第一和第二電容器可共享與離子源40發射的離子隔離的導體。第一電容器可具有暴露于離子源40發射的離子的導體。第二電容器的兩個導體均可與離子隔離。這兩個電容器的共享導體可加載到電阻器50，該電阻器然后接地。第一電容器的暴露于離子源40發射的離子的導體可經由電子開關49接地。來自控制器62的線64可用于周期性地開啟和關閉開關49，其結果是一系列脈沖在整個電阻器50上生成。單元增益非反相放大器51可用于匹配輸出傳感器的阻抗。該系列脈沖可從單元增益非反相放大器51輸出，然后傳遞到第一峰和保持電壓檢測器53的輸入。如，當離子發生器失衡為負時，該第一峰和保持電壓檢測器53可被構造為對正脈沖起作用。另外，單元增益非反相放大器51的輸出也可以通過第二單元增益反相放大器52傳遞到第二峰和保持電壓檢測器55的輸入。如，當離子發生器失衡為正時，該第二峰和保持電壓檢測器55可對負脈沖起作用。控制器62可包括微控制器(或其他類型的處理器)，并且可分別經由信號59和60周期性地重置峰和保持電壓檢測器53和55這兩者。回顧圖8和9，與峰和保持電壓檢測器53和55的針對正失衡的輸出相關的計時可分別示為元件802和803。類似地，與峰和保持電壓檢測器53和55的針對負失衡的輸出相關的類似計時可示為元件902 (對于峰和保持電壓檢測器53)和903 (對于峰和保持電壓檢測器55)。在單元42的電容器放電之前，控制器62可將峰和保持電壓檢測器53和54均重置為零。這就是在峰和保持電壓檢測器53和55的輸出上可能存在短的負峰值的原因。然而，對于峰和保持電壓檢測器53和55，可分別通過兩個低通濾波器54和56消除此類峰值。該兩個低通濾波器54和56的輸出可以連接到差動放大器58的輸入，采用的方式為正離子失衡生成與額外的正離子電流成比例的正電壓，且負離子失衡生成與負離子電流成比例的負電壓。差動放大器58的輸出61可表不為圖8的兀件804或圖9的兀件904。與輸出61相關的電壓可用于在負反饋回路系統中進行離子發生器平衡調節。另外的區塊57可用于初始系統平衡。輸出61可通常包括控制信號，并且可傳遞通過模數轉換器(未示出)，從而生成到控制器62的輸入。區塊63可通常表示用于呈現電路狀態的界面或顯示器，或可將裝置用網絡連接到另一個單元或裝置 的區塊。圖8和9中所示的虛線可表示用于各種示波器通道的零電壓電平。圖10為示出在離子化控制中的示例性計時可能性的曲線圖。曲線圖元件1001可表示圖14的結構42(結構42也稱為電容器傳感器單元)的輸出。曲線圖元件1002和1003可以分別是第一峰和保持電壓檢測器53針對負失衡的輸出和第二峰和保持電壓檢測器55針對正失衡的輸出。曲線圖元件1004可對應于負失衡情況下的控制信號61。圖10表示與示例性離子風機相關的實際示波圖，該離子風機具有由平衡調節電阻器預設的最大可能負初始失衡。虛線1005表示當輸出控制信號61從到離子源40的輸入分離時的時刻tl。當反饋回路恢復并且控制信號61重新連接至到離子源40的輸入時，虛線1006歸屬于時刻t2。虛線1007表示當實現離子平衡時的時刻t3。如可在時刻tl處所見，當控制信號斷開時，離子化平衡裝置開始產生額外的負離子，并且正脈沖開始在電容器傳感器單元42的輸出上相繼出現(例如曲線圖元件1001所示)。這導致第一峰和保持電壓檢測器53的輸出電壓增大(參見曲線圖元件1002)，且輸出控制電壓61降低(曲線圖元件1004)。在某一時刻，輸出控制電壓達到其最大負值(在該實例中為-5.0V)，并且可在該水平處飽和。在時刻t2處，控制信號重新連接至到離子源40的輸入。此時，控制信號61遞送大的負控制電壓以便將離子源40調節為產生更多的正離子，并且該過程通常通過在電容器傳感器單元42上極性為從正到負的峰值表現出來。在這種情況下，第二峰和保持電壓檢測器55的輸出電壓可驟然增大，而第一峰和保持電壓檢測器53的輸出電壓可能下降。在此以后，控制信號61以兩種或更多種增量且以漸減的振幅再次使離子平衡波動。最后，在圖10中的時刻t3處，離子平衡裝置150再一次平衡。圖11為示出如本文所述的示例性離子化平衡裝置的實際動態性能的另一個曲線圖。首先，離子化平衡裝置是平衡的。在時刻tl處(示為虛線1101)，生成大約90伏的正失衡；并且在時刻t2處(示為虛線1102)，控制器反饋得以連接。在時刻t3處(示為虛線1103)，離子化平衡裝置再次平衡，這僅花費了大約8秒鐘。圖12為表示由符合本文所述的技術的控制器進行的正(元件1201)和負(元件1202)離子發生器失衡調節的情況的另一個曲線圖。如圖12所示，在每次正(元件1201)和負(元件1202)離子發生器失衡調節之后，離子化平衡快速且準確地恢復。圖13為示出在使用本文所述的離子測量電路和反饋的離子化平衡裝置中測得的離子失衡(示為信號1301)的曲線圖。如圖13中所示，對于該特定情況，本文所述的電路和技術實現了優于±1V的離子平衡精確度。圖15也是示出離子化平衡裝置200的一個實例的示意圖。離子化平衡裝置200可以是圖1的離子化平衡裝置10的一個實例。在圖15中，離子源210可對應于圖1中的離子源12。在圖15中，元件230可表示圖1的信號調節單元17的一個實例。在圖15中，單元70可表示圖1的控制單元18。單元69可包括接口單元，例如，顯示器或網絡接口。單元220包括電容器傳感器單元，并且結構65包括如本文所述的第一和第二電容器。第一和第二電容器可共享與離子源210發射的離子隔離的導體。在結構65內的第一電容器可具有暴露于離子源210發射的離子的導體。在結構65內的第二電容器的兩個導體均可與離子隔離。在結構65中的這兩個電容器的共享導體可加載到電阻器67，該電阻器然后接地。第一電容器的暴露于離子源210發射的離子的導體可經由電子開關66接地。來自控制器70的信號可用于周期性地開啟和關閉開關66，其結果是一系列脈沖在整個電阻器67上生成。再次，結構65通過電子開關66接地，并加載到電阻器67。來自電阻器67的電壓通過單元增益非反相放大器68遞送到經由運算放大器77和83、電阻器78、81和82、二極管79和電容器80而實現的第一峰和保持電壓`檢測器。負脈沖通過經由電阻器75和二極管76而實現的二極管限制器遞送，并且當離子發生器失衡為正時，該二極管限制器排斥負極性脈沖。來自單元增益放大器68的輸出信號還通過經由運算放大器74、電阻器72和73而實現的單元增益反相放大器遞送。第二負脈沖通過以電阻器88和二極管89為基礎的二極管限制器，然后到達第二峰和保持電壓檢測器。該第二峰和保持電壓檢測器可經由運算放大器90和96、電阻器91、94和95、二極管92和電容器93而實現。第一峰和保持電壓檢測器生成與負離子失衡成比例的輸出電壓，并且當失衡為正時，將輸出保持為零。第二峰和保持電壓檢測器生成與正失衡成比例的輸出電壓，并且當失衡為負時，該輸出電壓等于零。這兩種峰和保持電壓檢測器的輸出均通過一階低通濾波器連接到差動放大器。該一階低通濾波器可經由電阻器84、電容器85、運算放大器86而實現，并經由電阻器97、電容器98和運算放大器99而實現。差動放大器可基于運算放大器107、電阻器104、106、108和109而實現。可以采用差動放大器輸出電壓的符號與離子失衡的符號相同的方式提供連接。該電路還可包括連接到正和負電源的可變電阻器103，并且可將電阻器105添加到該電路以用于初始零點平衡，如以便補償任何偏移電壓和部分參數的精確度。差動放大器110的輸出可包括用于調節離子源210的控制信號。
另外，這兩種峰和保持電壓檢測器的輸出均可連接到模數轉換器(未示出)，以便生成到控制器70的輸入(示為信號線100、102和71)，從而用于離子失衡和控制信號狀態指示，或用于經由網絡接口 69將該信息轉移到另一個裝置或顯示器。另外，控制器70可遞送兩個信號100和102，用于控制峰和保持電壓檢測器的重置。控制器70也可操縱控制開關66，如，像本文所述的那樣將其開啟和關閉。圖16為符合本公開的離子化平衡裝置1500的一個示例性實例。在該實例中，所述的電容器感測單元可實現為經由纜線1503連接到控制器板的環1502，該控制器板位于殼體1506的內部。環1502可與多個位于殼體1506內部的離子發生器針對稱設置,并且可與在殼體1006內部的風扇共軸。在其他實例中，環1502(或具有隔離導體的另一類電容器結構)可容納在殼體1506的內部。另外，所述電路可與其他類型的離子化平衡裝置(例如不使用風扇的離子化平衡裝置)、或用于將離子平衡的空氣遞送到較大區域(諸如潔凈室)的多重離子化裝置的測量電路一起使用。以下為根據本發明的各方面的用于離子平衡測量和調節的具有隔離的電容器電路的離子化平衡裝置的示例性實施例。實施例1為離子化平衡裝置，其包括:發射離子的離子源；以及包括第一導體和第二導體的電容器，其中:第一導體暴露于離子源發射的離子；并且第二導體與離子源發射的離子隔離。實施例2為實施例1的離子化平衡裝置，其中第一導體將第二導體與發射的離子隔離。實施例3為實施例1的離子化平衡裝置，其中所述電容器包括:外部導體，該外部導體包括所述第一導體；以及內部導體，該內部導體包括所述第二導體。實施例4為實施例3的離子化平衡裝置，其中所述電容器包括在所述外部導體和所述內部導體之間的電介質。實施例5為實施例3的離子化 平衡裝置，其中所述電容器包括下列之一:圓柱形電容器、矩形電容器和橢圓形電容器。實施例6為實施例1的離子化平衡裝置，還包括聯接到所述電容器的信號調節電路，其中所述信號調節電路被構造為輸出表明離子平衡的信號。實施例7為實施例6的離子化平衡裝置，其中所述信號調節電路被構造為生成 與所述電容器上的正電荷成比例的第一信號；以及與所述電容器上的負電荷成比例的第二信號。實施例8為實施例6的離子化平衡裝置，其中所述信號調節電路包括放大器、峰和保持單元以及低通濾波器中的至少一者。實施例9為實施例7的離子化平衡裝置，其中所述信號調節電路被構造為在所述第一信號和所述第二信號之間生成差值，其中所述差值包括對離子平衡的量度。實施例10為實施例9的離子化平衡裝置，還包括控制單元，該控制單元接收所述離子平衡的量度，并生成針對所述離子源的用于改變離子平衡的控制信號。實施例11為實施例1的離子化平衡裝置，還包括開關，其中當所述開關打開時，所述第一導體積聚發射的離子，并且當所述開關閉合時，所述電容器排放積聚的電荷。實施例12為實施例11的離子化平衡裝置，其中所述開關以周期性的間隔打開和閉合，從而生成表明離子平衡的信號。實施例13為實施例11的離子化平衡裝置，其中當所述開關閉合時，所述電容器輸出脈沖，其中所述脈沖限定了:與積聚在所述第一導體上的過量電荷成比例的量級；以及限定所述過量電荷是正電荷還是負電荷的方向。實施例14為實施例11的離子化平衡裝置，還包括與所述電容器共享線端終端的電阻器，其中當所述開關閉合時，所述電容器通過所述電阻器放電。實施例15為實施例14的離子化平衡裝置，其中所述電阻器限定了小于大約10兆歐姆的電阻。實施例16為實施例14的離子化平衡裝置，其中所述電容器包括第一電容器，所述離子化平衡裝置還包括與所述電阻器并聯設置的第二電容器，所述電阻器和所述第二電容器的該并聯組合與所述第一電容器串聯。實施例17為實施例16的離子化平衡裝置，其中所述第二電容器包括所述第一電容器的所述第二導體以及第三導體。實施例18為實施例17的離子化平衡裝置，其中所述第二導體和所述第三導體與發射的離子隔離。實施例19為被構造用于測量離子源的離子平衡的電路，該電路包括:第一電容器，該第一電容器包括第一導體和第二導體，其中該第一導體暴露于離子源發射的離子，并且該第二導體與離子源發射的離子隔離；第二電容器，該第二電容器包括第一電容器的第二導體以及第三導體；電阻器，該電阻器與第二電容器并聯設置，該電阻器和第二電容器的該并聯組合與第一電容器串聯；以及開關，其中當該開關打開時，第一導體積聚所述離子源發射的離子；當該開關閉合時，第一電容器排放積聚的電荷。實施例20為實施例19的電路，其中第一導體將第二導體與發射的離子隔離。實施例21為實施例19的電路，其中第一電容器包括:外部導體，該外部導體包括所述第一導體；以及內部導體，該內部導體包括所述第二導體。實施例22為實施例21的電路，其中所述第一電容器包括在所述外部導體和所述內部導體之間的電介質。實施例23為實施例21的電路，其中所述第一電容器包括下列之一:圓柱形電容器、矩形電容器和橢圓形電容器。實施例24為實施例19的電路，還包括信號調節單元，其中所述信號調節電路被構造為基于所述第一電容器排放的積聚電荷而輸出表明離子平衡的信號。實施例25為實施例24的電路，其中所述信號調節單元被構造為生成:與所述第一電容器上的正電荷成比例的第一信號；以及與所述第一電容器上的負電荷成比例的第二信號。實施例26為實 施例24的電路，其中所述信號調節單元包括放大器、峰和保持單元以及低通濾波器中的至少一者。實施例27為實施例25的電路，其中所述信號調節單元被構造為在所述第一信號和所述第二信號之間生成差值，其中所述差值包括對離子平衡的量度。實施例28為實施例25的電路，還包括控制單元，該控制單元接收所述離子平衡的量度，并生成針對所述離子源的用于改變離子平衡的控制信號。
實施例29為實施例21的電路，其中所述開關以周期性的間隔打開和閉合，從而生成表明離子平衡的信號。實施例30為實施例21的電路，其中當所述開關閉合時，所述電路輸出脈沖，其中所述脈沖限定了:與積聚在所述第一導體上的過量電荷成比例的量級；以及限定所述過量電荷是正電荷還是負電荷的方向。實施例31為實施例21的電路，其中所述電阻器限定了小于大約10兆歐姆的電阻。實施例32為實施例21的電路，其中所述第二導體和所述第三導體與發射的離子隔離。實施例33為被構造用于測量離子源的離子平衡的電路，該電路包括:第一電容器，該第一電容器包括第一導體和第二導體；第二電容器，該第二電容器包括第一電容器的第二導體以及第三導體；以及設置成與第二電容器并聯的電阻器，其中該電阻器和第二電容器的并聯組合與第一電容器串聯，其中該電阻器限定了小于大約10兆歐姆的電阻。實施例34為實施例33的電路，其中所述電阻介于100千歐姆和10兆歐姆之間。實施例35為實施例33的電路，還包括開關，其中當所述開關打開時，所述第一導體積聚所述離子源發射的離子，并且當所述開關閉合時，所述電容器排放積聚的電荷。實施例36為實施例33的電路，其中所述第一導體暴露于所述離子源發射的離子，并且所述第二導體與所述發射的離子隔離。實施例37為一種裝置，其包括:發射離子的離子源；以及被構造為接收離子源發射的離子并輸出表明離子源實現了離子平衡的信號的電路，其中該信號對不是由發射的離子所生成的任何外部電磁場基本上不敏感。實施例38為實施例37的裝置，其中所述電路包括第一電容器，該第一電容器包括第一導體和第二導體，其中該第一導體暴露于所述離子源發射的離子，并且該第二導體與所述離子源發射的離子隔離；第二電容器，該第二電容器包括第一電容器的第二導體以及第三導體；電阻器，該電阻器與第二電容器并聯設置，該電阻器和第二電容器的該并聯組合與第一電容器串聯；以及開關，其中當該開關打開時，第一導體積聚所述離子源發射的離子；當該開關閉合時，第一電容器排放積聚的電荷。已描述了多個實例和實施例。具體地講，已描述了可用于測量在離子化平衡裝置中的離子平衡的電路和技術。所述電路可被構造為接收離子源發射的離子并輸出表明所述離子源實現了離子平衡的信號，其中所述信號對不是由發射的離子所生成的任何外部電磁場基本上不敏感。例如，對于任何外部電磁場均基本上不敏感的信號可能受到小于大約I伏的外場的影響，并且離子平衡可以實現為變化小于大約正或負I伏。這些和其他實例和實 施例在以下權利要求書的范圍內。
權利要求
1.一種離子化平衡裝置，包括: 發射離子的離子源；以及 包括第一導體和第二導體的電容器，其中: 所述第一導體暴露于所述離子源發射的所述離子；并且 所述第二導體與所述離子源發射的所述離子隔離。
2.根據權利要求1所述的離子化平衡裝置，其中所述第一導體將所述第二導體與所述發射的離子隔離。
3.根據權利要求1所述的離子化平衡裝置，其中所述電容器包括: 外部導體，所述外部導體包括所述第一導體；以及 內部導體，所述內部導體包括所述第二導體。
4.根據權利要求1所述的離子化平衡裝置，還包括開關，其中當所述開關打開時，所述第一導體積聚所述發射的離子，并且當所述開關閉合時，所述電容器排放積聚的電荷。
5.根據權利要求4所述的離子化平衡裝置，其中所述開關以周期性的間隔打開和閉合，從而生成表明離子平衡的信號。
6.根據權利要求4所述的離子化平衡裝置，其中當所述開關閉合時，所述電容器輸出脈沖，其中所述脈沖限定了: 與積聚在所述第一導體上的過量電荷成比例的量級；以及 限定所述過量電荷是正電荷還是負電荷的方向。
7.根據權利要求4所述的離子化平衡裝置，還包括與所述電容器共享線端終端的電阻器，其中當所述開關閉合時，所述電容器通過所述電阻器放電。
8.根據權利要求7所述的離子化平衡裝置，其中所述電容器包括第一電容器，所述離子化平衡裝置還包括與所述電阻器并聯設置的第二電容器，所述電阻器和所述第二電容器的所述并聯組合與所述第一電容器串聯。
9.根據權利要求8所述的離子化平衡裝置，其中所述第二電容器包括所述第一電容器的所述第二導體以及第三導體。
10.根據權利要求9所述的離子化平衡裝置，其中所述第二導體和所述第三導體與所述發射的離子隔離。
11.一種被構造為測量離子源的離子平衡的電路，所述電路包括: 第一電容器，所述第一電容器包括第一導體和第二導體，其中所述第一導體暴露于所述離子源發射的離子，并且所述第二導體與所述離子源發射的離子隔離； 第二電容器，所述第二電容器包括所述第一電容器的所述第二導體以及第三導體；電阻器，所述電阻器與所述第二電容器并聯設置，所述電阻器和所述第二電容器的所述并聯組合與所述第一電容器串聯；以及 開關，其中當所述開關打開時，所述第一導體積聚來自所述離子源的發射離子，當所述開關閉合時，所述第一電容器排放積聚的電荷。
12.—種被構造為測量離子源的 離子平衡的電路，所述電路包括: 第一電容器，所述第一電容器包括第一導體和第二導體； 第二電容器，所述第二電容器包括所述第一電容器的所述第二導體以及第三導體；以及電阻器，所述電阻器與所述第二電容器并聯設置，所述電阻器和所述第二電容器的所述并聯組合與所述第一電容器串聯，其中所述電阻器限定了小于大約10兆歐姆的電阻。
13.根據權利要求12所述的電路，還包括開關，其中當所述開關打開時，所述第一導體積聚來自所述離子源的發射離子，并且當所述開關閉合時，所述電容器排放積聚的電荷。
14.根據權利要求12所述的電路，其中所述第一導體暴露于來自所述離子源的發射離子，并且所述第二導體與所述發射的離子隔離。
15.一種裝置，其包括: 發射離子的離子源；以及 被構造為接收來自所述離子源的所述發射離子并輸出表明所述離子源的離子平衡的信號的電路，其中所述信號對不是由所述發射的離子生成的任何外部電磁場基本上不敏感。
16.根據權利要求15所述的裝置，其中所述電路包括: 第一電容器，所述第一電容器包括第一導體和第二導體，其中所述第一導體暴露于所述離子源發射的離子，并且所述第二導體與所述離子源發射的所述離子隔離； 第二電容器，所述第二電容器包括所述第一電容器的所述第二導體以及第三導體；電阻器，所述電阻器與所述第二電容器并聯設置，所述電阻器和所述第二電容器的所述并聯組合與所述第一電容器串聯；以及 開關，其中當所述開關打開時，所述第一導體積聚來自所述離子源的發射離子，當所述開關閉合時，所述第一電容器排放積聚的電荷。
全文摘要
在一個實例中，本發明描述了可用于測量在離子化平衡裝置(10)中的所述離子平衡的電路和技術。所述電路包括電容器(22)，所述電容器包括兩個導體(23,24)，其中所述導體中的第一個(23)暴露于所述離子化裝置的所述輸出，并且所述導體的第二個(24)與所述離子化裝置的所述輸出隔離。所述第一導體可積聚電荷，以便量化所述離子化平衡裝置的所述輸出。開關(29)可用于使所述第一導體以周期性的間隔放電，以便測量在所述第一導體上的所述積聚電荷，并且可對該放電測量進行信號處理，以便生成可用于控制和調節所述離子源輸出的反饋。
文檔編號H01T23/00GK103250312SQ201180058849
公開日2013年8月14日 申請日期2011年11月29日 優先權日2010年12月7日
發明者西亞海·V·薩維奇 申請人:3M創新有限公司