微型ICP激发源及其应用

　　1 引言

　　激发源是光谱仪中的重要功能部件。近年来，随着微电子机械系统技术、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长足发展。ICP激发源的微型化在光谱仪的微型化过程中显尤为重要，但研究报道较少。

　　微型ICP激发源与常压ICP激发源相比，其功耗、氩气消耗量、体积均极大地缩减，且制造成本低，便于批量生产。

　　2 基于MEMS技术的微型ICP激发源

　　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。其制造工艺与MEMS兼容，尺寸达到毫米量级。

　　2.1 原理

　　微型ICP激发源的等效电路如图1所示。感应线圈(LC)与电容器(CT)工作在谐振状态，在线圈附近产生强射频磁场。等离子体在邻近线圈的低压放电室中形成。将流经等离子体区域的电流等效为单匝线圈(LP)，电子碰撞等效为电阻(Rpi)。由于线圈LC与等离子体相邻，所以在线圈LC和等离子体等效线圈LP之间存在互感(M)。因此，等效电路看起来像非理想的变压器，耦合系数为k=M/(LCLP)1/2。驱动此微型ICP激发源的射频功率源特征阻抗为50Ω。电容器(CL)用来消除电路中的感抗并使得微型ICP激发源的阻抗与射频源相匹配。

　　2.2 结构

　　微型ICP激发源中感应线圈(LC)和电容器(CT，CL)的结构都与MEMS技术兼容。感应线圈采用平面螺旋结构，平面螺旋线圈的外径为5mm，匝数为3匝，匝宽为400μm，匝间有100μm的间隙。谐振电容器和阻抗匹配电容器都采用交指结构，考虑到工艺限制和击穿电压强度，交指电容器每个齿的宽度和齿与齿之间的间隙设定为10μm。

　　为了使微型ICP激发源能够用于光谱分析领域，J.Hopwood等人为其设计了一种铝制放电室。该放电室采用常规的方法制成的，在一个2.5×2.5×0.6cm铝块上钻一个直径为3mm，长为6mm的圆柱形孔形成放电室。将制成的放电室与一个6mm的带有进气口和抽真空的不锈钢管道系统连接，气体自右向左流经放电室。用环氧树脂将含有平面螺旋线圈和交指电容的玻璃小片与铝放电室键合在一起，构成微型ICP激发源。气体启燃时，可以从线圈一侧观察，也可以通过放电室上方用石英窗密封的准直孔来观察。

　　2.3 性能

　　上述微型ICP激发源工作在0.1~10torr(13.3~1333 Pa)的气压范围内，RF功率在0.3~3W之间。工作频率约为450MHz，工作气体为氩气。在工作气压范围内，用朗缪尔探针测得电子温度在1~3ev范围，氩离子的电流密度可达到4.5mA/cm2。

　　氩气等离子体在0.1~10torr(13.3~1333 Pa)的气压范围内都可以启燃放电，但在1torr(133Pa)附近的气压下最容易启燃放电。启燃放电需要约1.5W的功率，但维持等离子体所需的感应功率仅为350mW。