微型ICP激发源微电路组件的参数设计

　　1 引言

　　ICP激发源是原子发射光谱仪器中重要的功能部件之一。随着微电子机械系统(MEMS) 技术、固态光检测阵列及其他相关技术的进步, 光谱仪的微小型化得到进一步的发展。微型化,集成化是光谱仪器发展的重要趋势之一。微型激发源已成为发射光谱仪器微型化发展中的瓶颈, 因此对微型电感耦合等离子体激发源的研究开发是迫切的、适时的。美国东北大学的J. Hopwood 等人采用MEMS 技术在单片玻璃基片上制造了低压下工作的微型ICP 激发源。鉴于文献[4- 8]工艺成本高, 设计制作过程比较复杂, 本文作者研制了一种采用PCB 工艺的微型ICP 激发源。相对于MEMS 工艺而言这种PCB 工艺设计和制作过程都比较简单, 且成本低。本文介绍了作者设计的基于 PCB 镀金工艺的微型ICP 发射光谱激发源的重要功能部件平面螺旋线圈和交指电容的参数设计。

　　2 基于PCB镀金工艺的微型ICP 激发源

　　微型ICP 激发源由射频功率驱动电路模块和激发放电室组件两部分组成, 微型ICP 系统框图如图1 所示。射频功率驱动电路模块为微型ICP 激发源提供射频功率, 通常由RF信号源和 RF 功率放大器两部分组成。激发放电室微电路组件是微型ICP 激发源的主要微型结构部件, 包括螺旋激发线圈、电容器和放电室三部分。文献中对微型ICP 激发源的工作原理做了详细的介绍本文不作说明。

　　作者研制了一种基于PCB 镀金工艺的微型ICP 激发源。当射频源的频率为13.56MHz, 入射功率为3.5W, 反射功率为0.1W, 工作气压为100Pa, 工作气体为氩气时, 对研制的ICP 样机进行了启燃试验, 在试验中选用平面螺旋线圈外径为10mm,匝数为 3 匝, 匝宽为400μm, 匝间有250μm 的间隙。交指电容的交指线为20 条, 交指线长15mm, 宽300μm, 电容量为22pF。其射频驱动频率为13.56MHz, 远远低于文献中报道的数百兆赫兹。其放电室照片和启燃放电后的照片见图2、图3。

　　3 平面螺旋电感与交指电容的参数设计

　　在微型ICP 激发源中平面螺旋线圈和交指电容工作在谐振状态, 所以平面螺旋线圈和交指电容的参数设计在微型 ICP激发源设计中显得尤为重要。

　　3.1 激发线圈的设计

　　采用PCB 镀金工艺的平面结构的螺旋线圈结构如图4 所示。这种在衬底上加工出来的平面螺旋线圈实现了激发线圈的单片微型化。平面螺旋线圈的结构参数包括: 外径、匝数、每匝的宽度和匝间的间距。

　　在图4 中表示出了平面螺旋电感器的示意图。平面螺旋电感器的电感量LS 可以按下列公式计算:

　　式中K’是修正系数, ω是螺旋导体的宽度(单位为毫米)。为了使平面螺旋电感器具有最大的Q 值, 应取d0=5di。除了采用上述的公式法计算平面螺旋线圈的电感量, 还可以采用建立电感计算模型的方法来计算电感量。