用于光离子化传感器的一体化离子收集机构的制作方法

1.本实用新型涉及光离子化气体检测技术领域，尤其涉及一种用于光离子化传感器的一体化离子收集机构。


背景技术：

2.光离子化气体检测器(photoionization detector,pid)是一种用于检测多种化学气体的传感器。其核心原理是被检测气体在pid传感器内部的电离区吸收高于该气体分子电离能的光子，被电离成正离子和电子，正离子和电子在外加电场的作用下定向迁移至收集电极后形成微弱的离子电流，该电流经过进一步放大即可输出为电压信号。在一定浓度范围内，气体浓度与离子电流正相关，因此通过放大后的电压值即可实现对气体的检测。
3.这种气体检测方法具有准实时响应、无损检测、可检测气体种类多等优点，在上世纪80-90年代成为一种常见的气相色谱后级检测器。近年来，美国rae公司将这一原理应用于独立检测设备，进行在线或者现场巡查检测、人员安全防护等工作，实现了较为理想的检测效果。进一步地，ion science公司和ametek mocon公司的baseline系列微型传感器进一步缩小了体积和重量，将微型pid传感器发展了成为了一种兼容于多种设备的插拔式传感器。
4.典型的pid器件包含电源输入模块、真空紫外灯、激励电路、离子收集电极、信号放大模块。主要过程分为别紫外灯光发生过程和离子收集检测过程。常见有机物气体分子的电离能一般集中于8-11ev之间，因此需选择光子能量超过10ev的真空紫外光对被检测气体进行离子化。而kr原子的发射光谱在10.0ev和10.6ev处有两条亮线(分别对应123.6nm和118.0nm)，该能量不能电离空气中的水、氧气、氮气、二氧化碳等分子，但是可以有效电离大部分有机物和部分无机物，因此适合作为紫外光源。此外，通过高频交流电引发封装的kr气的等离子跃迁，即可实现紫外光输出，而不需要额外引脚，因此这种方式适合设备小型化。
5.虽然目前微型pid传感器应用广泛，但是由于其内部空间较小、结构复杂，真空紫外光在空气中的穿透距离仅为数毫米，直径也仅为数毫米，而被测分子需要在这个空间范围内发生充分的离子化、在电场作用下迁移并且被离子收集电极完成收集，同时离子电流仅为皮安级别，因此要求离子收集电极自身具有极低的漏电流，提高对低浓度气体的响应可靠性。
6.目前较为常用的设计方法是加工微小的电极片充当收集电极，收集电极之前使用不导电的结构件固定，在空间水平或者垂直紫外光出射方向构建电压差从而使气体分子离化后在电场作用下直接收集带电粒子。这种设计需要使用多个细小结构当电极，并且每个电极需要与外部引脚连接，结构制作、装配等均较为复杂，尤其是增加了屏蔽电极的三电极结构更为复杂。


技术实现要素：

7.本实用新型所要解决的技术问题是提供一种用于光离子化传感器的一体化离子
收集机构，具有结构简单，加工简便，可大规模生产，具有抗干扰、漏电流低、可调节灵敏度的有益效果。
8.本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种用于光离子化传感器的一体化离子收集机构，包括第一导电针、第二导电针、第三导电针以及通过热压成一个整体的由下往上依次层叠设置的第一金属平板、第一抗紫外低表面能绝缘板、第二金属平板、第二抗紫外低表面能绝缘板、第三金属平板，所述第三金属平板的表面上呈阵列排布有多个通孔，多个所述通孔均依次向下贯穿所述第三金属平板、所述第二抗紫外低表面能绝缘板、所述第二金属平板、所述第一抗紫外低表面能绝缘板以及所述第一金属平板，所述第一金属平板的一侧边上一体化固定设有第一连接部，所述第二金属平板的一侧边上一体化固定设有第二连接部，所述第三金属平板的一侧边上一体化固定设有第三连接部，所述第一连接部、所述第二连接部以及所述第三连接部设在所述第一抗紫外低表面能绝缘板的同一侧边处，且所述第一连接部、所述第二连接部以及所述第三连接部在竖直方向上错位设置；所述第一导电针与所述第三连接部固定连接，所述第二导电针与所述第二连接部固定连接，所述第三导电针与所述第一连接部固定连接。
9.本实用新型的有益效果是：三层金属平板和两层抗紫外低表面能绝缘板通过热压形成一个堆叠的整体板材，板材与紫外窗口平行布置，位于最底层的第一金属平板与紫外窗口接触，第一抗紫外低表面能绝缘板和第二抗紫外低表面能绝缘板受到三层金属平板的保护，尽量减少了真空紫外光对第一抗紫外低表面能绝缘板和第二抗紫外低表面能绝缘板的直射，在第一金属平板和第三金属平板之间构成离化腔，第一金属平板和第三金属平板构成离子收集电极，每一个通孔成为一个独立的微型子离子化池，体积小，灵敏度可调，离子收集效率高，第二金属平板防止漏电流产生，因此具有很高的收集效率，通过调整离子化腔的数量和体积可方便地调整整体离子接收量从而实现对灵敏度地调节。电场配置上，第一金属平板和第三金属平板产生电压差(几十至几百伏)，第二金属平板与第一金属平板或第三金属平板等电压，用以屏蔽第一抗紫外低表面能绝缘板和第二抗紫外低表面能绝缘板的微弱漏电流，提高监测灵敏度，这种结构通过大面积多层材料热压得到，可以一次性批量处理，便于批量生产。
10.在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。
11.进一步，所述第一连接部上设有第一装配通道，所述第二连接部上设有第二装配通道，所述第三连接部上设有第三装配通道，所述第一装配通道的顶端向上贯穿所述第一抗紫外低表面能绝缘板和所述第二抗紫外低表面能绝缘板，所述第二装配通道的顶底两端分别贯穿所述第二抗紫外低表面能绝缘板和所述第一抗紫外低表面能绝缘板，所述第三装配通道的底端依次贯穿所述第二抗紫外低表面能绝缘板和所述第一抗紫外低表面能绝缘板；所述第三导电针的底端穿过并伸出所述第一装配通道，所述第二导电针的底端穿过并伸出所述第二装配通道，所述第一导电针的底端穿过所述第三装配通道。
12.采用上述进一步方案的有益效果是：通过设置第一装配通道、第二装配通道以及第三装配通道，便于第一导电针、第二导电针以及第三导电针的装配。
13.进一步，所述第一金属平板、第二金属平板以及第三金属平板采用铜板或不锈钢板。
14.进一步，所述第一金属平板、第二金属平板以及第三金属平板的厚度为1-2000μm。
15.进一步，所述第一抗紫外低表面能绝缘板和所述第二抗紫外低表面能绝缘板采用特氟龙平板。
16.采用上述进一步方案的有益效果是：特氟龙平板不受环境及频率的影响，电阻率高，介质损耗小，绝缘性好，且具有较高的热稳定性。
17.进一步，所述第一抗紫外低表面能绝缘板和所述第二抗紫外低表面能绝缘板的厚度为1-5000um。
18.进一步，所述第一导电针与所述第三连接部通过压入固定或过盈配合固定或卡扣连接或焊接的方式固定连接；所述第二导电针与所述第二连接部通过压入固定或过盈配合固定或卡扣连接或焊接的方式固定连接；所述第三导电针与所述第一连接部通过压入固定或过盈配合固定或卡扣连接或焊接的方式固定连接。
19.采用上述进一步方案的有益效果是：导电针和连接部通过压入固定或过盈配合固定或卡扣连接或焊接的方式固定连接，装配方便。
附图说明
20.图1为本实用新型的结构示意图；
21.图2为本实用新型中的第一金属平板的结构示意图；
22.图3为本实用新型中的第二金属平板的结构示意图；
23.图4为本实用新型中的第三金属平板的结构示意图；
24.图5为本实用新型设置在紫外窗口上的剖视图；
25.图6为本实用新型在pid测试过程中通入30ppm的ibe气体的响应与恢复测试结果示意图；
26.图7为本实用新型在pid测试过程中将通入的气体由ibe气体切换为氮气的响应与恢复测试结果示意图；
27.图8为本实用新型的三电极结构与二电极结构在pid测试过程中对高湿度气体的响应与恢复情况示意图；
28.图9为本实用新型在pid测试过程中通孔数量对灵敏度的调节效果示意图；
29.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
30.1、第一导电针；2、第二导电针；3、第三导电针；4、第一金属平板；5、第一抗紫外低表面能绝缘板；6、第二金属平板；7、第二抗紫外低表面能绝缘板；8、第三金属平板；9、通孔；10、第一连接部；11、第二连接部；12、第三连接部；13、第一装配通道；14、第二装配通道；15、第三装配通道；16、紫外窗口。
具体实施方式
31.以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。
32.如图1所示，本实用新型的实施例包括第一导电针1、第二导电针2、第三导电针3以及通过热压成一个整体的由下往上依次层叠设置的第一金属平板4、第一抗紫外低表面能绝缘板5、第二金属平板6、第二抗紫外低表面能绝缘板7、第三金属平板8，在本实施例中，所述第一金属平板4、所述第二金属平板6以及所述第三金属平板8优选的采用铜或不锈钢材
质，厚度1-2000um，优选为20-500um；所述第一抗紫外低表面能绝缘板5和所述第二抗紫外低表面能绝缘板7的材质优选采用特氟龙平板(特氟龙平板不受环境及频率的影响，电阻率高，介质损耗小，绝缘性好，且具有较高的热稳定性)，厚度1-5000um，优选为200-1000um，所述第三金属平板8的表面上呈阵列排布有多个通孔9，多个所述通孔9均依次向下贯穿所述第三金属平板8、所述第二抗紫外低表面能绝缘板7、所述第二金属平板6、所述第一抗紫外低表面能绝缘板5以及所述第一金属平板4，如图2所示，所述第一金属平板4的一侧边上一体化固定设有第一连接部10，如图3所示，所述第二金属平板6的一侧边上一体化固定设有第二连接部11，如图4所示，所述第三金属平板8的一侧边上一体化固定设有第三连接部12，所述第一连接部10、所述第二连接部11以及所述第三连接部12设在所述第一抗紫外低表面能绝缘板5的同一侧边处，且所述第一连接部10、所述第二连接部11以及所述第三连接部12在竖直方向上错位设置；所述第一导电针1与所述第三连接部12固定连接，所述第二导电针2与所述第二连接部11固定连接，所述第三导电针3与所述第一连接部10固定连接。
33.在本实用新型的实施例中，为了便于导电针的安装，所述第一连接部10上设有第一装配通道13，所述第二连接部11上设有第二装配通道14，所述第三连接部12上设有第三装配通道15，所述第一装配通道13的顶端向上贯穿所述第一抗紫外低表面能绝缘板5和所述第二抗紫外低表面能绝缘板7，所述第二装配通道14的顶底两端分别贯穿所述第二抗紫外低表面能绝缘板7和所述第一抗紫外低表面能绝缘板5，所述第三装配通道15的底端依次贯穿所述第二抗紫外低表面能绝缘板7和所述第一抗紫外低表面能绝缘板5；所述第三导电针3的底端穿过并伸出所述第一装配通道13，所述第二导电针2的底端穿过并伸出所述第二装配通道14，所述第一导电针1的底端穿过所述第三装配通道15。
34.采用热压的方法将金属板与绝缘板形成了一个整体，并且打孔形成离子化腔，利用金属板作为离子收集电极，具有结构简单，加工简便，可大规模生产，具有抗干扰、漏电流低、可调节灵敏度。
35.第一金属平板4、第一抗紫外低表面能绝缘板5、第二金属平板6、第二抗紫外低表面能绝缘板7、第三金属平板8形成的热压一体堆叠板在制作过程中需要考虑中间屏蔽板的镂空结构，在压制过程中需要预留。该镂空结构用于穿过第二导电针2和第三导电针3。按照特定位置裁切一块大面积金属材料板使预先裁出第二连接部11，大面积的金属材料板、抗紫外低表面能绝缘板整体压制之后，使用电路板制作工艺进行腐蚀制出第一连接部10和第三连接部12。最后在该一体堆叠版上使用机械、激光等手段进行打孔，形成阵列排布的通孔9，可选的，由于真空紫外灯的窗口形状多为圆形，可以采用具有高度对称性的孔阵列排布形式打孔(每个孔直径为50-2000μm，优选为200-1000μm)。之后装配导电针(例如使用压入、过盈配合、卡扣、焊接等工艺)，使所述第一导电针1与所述第三连接部12固定连接，所述第二导电针2与所述第二连接部11固定连接，所述第三导电针3与所述第一连接部10固定连接，通过对第一导电针1、第二导电针2以及第三导电针3施加电压即可实现对金属板间电场的形成，通过连接运放等电路实现对微弱离子电流的放大与输出。
36.本实用新型上书实施例的有益效果是：三层金属平板和两层抗紫外低表面能绝缘板通过热压形成一个堆叠的整体板材，板材与紫外窗口16平行布置，位于最底层的第一金属平板4与紫外窗口16接触，第一抗紫外低表面能绝缘板5和第二抗紫外低表面能绝缘板7受到三层金属平板的保护，尽量减少了真空紫外光对第一抗紫外低表面能绝缘板5和第二
抗紫外低表面能绝缘板7的直射，在第一金属平板4和第三金属平板8之间构成离化腔，第一金属平板4和第三金属平板8构成离子收集电极，每一个通孔9成为一个独立的微型子离子化池，体积小，因此具有很高的收集效率，通过调整离子化腔的数量和体积可方便地调整整体离子接收量从而实现对灵敏度地调节。电场配置上，第一金属平板4和第三金属平板8产生电压差(几十至几百伏)，第二金属平板6与第一金属平板4或第三金属平板8等电压，用以屏蔽第一抗紫外低表面能绝缘板5和第二抗紫外低表面能绝缘板7的微弱漏电流，提高监测灵敏度，这种结构通过大面积多层材料热压得到，可以一次性批量处理，便于批量生产。
37.在本实用新型的一种实施例中，所述第一金属平板4、第二金属平板6和所述第三金属平板8选用铜板，厚度为50μm，所述第一抗紫外低表面能绝缘板5和所述第二抗紫外低表面能绝缘板7选用特氟龙板，厚度为500μm，每个通孔9的直径为600μm，排列为6轴旋转对称(c6)排列，其由内之外分为三层，第一层为一个通孔9，第二层为六个通孔9，第三层为十二个通孔9。
38.如图5所示，将该结构的收集机构平行置于紫外窗口16上进行pid测试(电路连接采用本领域现有技术，在此不做具体的描述)，紫外灯激励电路采用royer的电路架构，也称为推挽式自激振荡电路，放大电路采用跨阻放大器将离子收集电极上采集的电荷转换为运算放大器的输出电压，通过一系列气体检测实验用以验证并优化平行堆叠离子收集电极结构的设计和材料选择：
39.其中，pid传感器的检测气体采用异丁烯(isobutylene,ibe)，该气体的电离能为9.43ev，可以有效地被kr紫外光源电离。在pid测试过程中通入30ppm的ibe气体的响应与恢复测试结果参照附图6和附图7：在接通30ppm的ibe气体后，三个pid传感器均产生了迅速的电压升高的信号，5-6秒内可以达到平稳信号，2-3秒可以达到平稳信号的90％值，该位置用虚线标注，如图6所示。在切换ibe气体为氮气后，信号迅速回落，在3-4秒可以恢复响应值的90％以上，基本接近基线，如图7所示。因此可以确认，特氟龙板材具有抗吸附性与致密表面结构，在响应阶段很少通过吸附消耗被检测气，从而可以快速达到平衡，在切换为氮气后离化腔内ibe迅速排空。因此优选离子接收电极材料可以降低被检测气体的吸附，有助于提高响应速度与恢复速度。
40.其中，三电极结构与二电极结构在pid测试过程中对高湿度气体的响应与恢复情况如图8所示：三电极结构和二电极结构的对比测试，其中一个为本实用新型中的三电极结构，另外一个为两电极的结构，实现方法是使用第二导电针2作为接收电极。由于空气电离、漏电流等因素pid传感器往往具有一定的基线电流值，本实验按照氮气、90％高湿度氮气、氮气的顺序对各二个采用二电极、三电极结构的pid进行测试。当从干空气接触到高湿度环境时，两种电极结构的基线电流均有上升，但是幅度差异较大。二电极结构最高上升约20-25mv，而三电极结构上升约4-5mv。即使之后二电极结构的电流稳定后，其湿度导致的电压升高依然为三电极结构的约2倍。因此说明即使使用高绝缘性的特氟龙材料，其表面漏电流仍需要使用特殊结构加以控制，而三电极结构实现了设计目的。
41.其中，在pid测试过程中通孔9数量对灵敏度的调节效果如图9所示：pid传感器具有非常广泛的应用场景，而在不同场景其灵敏度需求不尽相同。因此对于pid传感器离子化腔和离子收集电极设计，其可调节的灵敏度范围对仪器的扩展性至关重要。在本测试中，输出电压与增益电阻和离子收集电极的电流有关，因此在浓度不变的情况下改变以上两个变
量即可实现对最终输出电压的改变。
42.由于本实施例pid传感器采用了每个离化腔彼此独立的垂直通孔9，因此可以通过改变通孔9的数量改变收集电极的接受电流值。图9展示了3、7、13、19个通孔9对于30ppm的ibe的响应情况，可以看到通孔9数与电压输出具有明显的线性关系，因此本实用新型中的离子化腔具有对于不同灵敏度要求具有高适应性。
43.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“长度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“内”、“外”、“周侧”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
44.在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
45.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
46.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
47.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。