FAIMS傳感器的設(shè)計(jì)與研制.pdf

1、高場(chǎng)強(qiáng)非對(duì)稱波形離子遷移譜(FAIMS)技術(shù)是一種廣譜離子分離技術(shù)，它利用被測(cè)物質(zhì)的離子遷移率在高低場(chǎng)強(qiáng)下的不同來(lái)實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的分離與檢測(cè)，它具有響應(yīng)速度快、分辨率高、可應(yīng)用范圍廣、易于微型化等優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)境污染物、爆炸物、代謝物質(zhì)檢測(cè)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，比如在醫(yī)療診斷的應(yīng)用上，F(xiàn)AIMS能夠通過(guò)檢測(cè)人呼出氣體中丙酮的濃度來(lái)進(jìn)行糖尿病的早期診斷。
　　 目前，國(guó)外很多研究單位對(duì)FAIMS技術(shù)做了大量的研究，在理論上已經(jīng)日臻成熟，

2、并且一些公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了FAIMS檢測(cè)儀器的產(chǎn)品化。國(guó)內(nèi)對(duì)FAIMS技術(shù)研究是近幾年剛起步，目前還沒(méi)有出現(xiàn)FAIMS整機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)。因此FAIMS傳感器的設(shè)計(jì)和研制對(duì)促進(jìn)國(guó)內(nèi)FAIMS技術(shù)的發(fā)展以及提高化學(xué)物質(zhì)分析能力等方面有著巨大的意義。
　　 鑒于FAIMS廣闊的應(yīng)用前景以及國(guó)內(nèi)FAIMS技術(shù)研究相對(duì)落后的情況，本論文設(shè)計(jì)了一款FAIMS傳感器芯片。
　　 本文通過(guò)使用MEMS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了FAIMS傳感器的微型化設(shè)計(jì)，主

3、要的研究?jī)?nèi)容包括如下。通過(guò)理論計(jì)算和仿真，對(duì)FAIMS傳感器的核心部件離子遷移區(qū)在高場(chǎng)強(qiáng)下的形變量進(jìn)行了分析，給出了遷移區(qū)主要參數(shù)對(duì)形變量的影響;根據(jù)計(jì)算和仿真結(jié)果，提出了一種叉指形離子遷移區(qū)的設(shè)計(jì)方案;通過(guò)分析FAIMS對(duì)離子源以及離子檢測(cè)系統(tǒng)的要求，選擇了合適的離子源以及并采用了微電流檢測(cè)電路進(jìn)行離子檢測(cè)的方法;設(shè)計(jì)了離子遷移區(qū)的參數(shù)，根據(jù)不同參數(shù)提出了多種方案，并繪制了不同方案對(duì)應(yīng)的傳感器芯片的版圖;針對(duì)離子遷移區(qū)微型化的要求，采

4、用了半導(dǎo)體光刻以及ICP干法刻蝕的方法對(duì)離子遷移區(qū)進(jìn)行加工，完成了傳感器核心部件的制作。
　　 本文主要的創(chuàng)新點(diǎn)是采用MEMS技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種微型叉指形離子遷移區(qū)，作為FAIMS傳感器芯片的核心部件。這種離子遷移區(qū)結(jié)構(gòu)，能夠減小在極大高場(chǎng)強(qiáng)下遷移區(qū)電極板的形變量，提高穩(wěn)定性。叉指形結(jié)構(gòu)構(gòu)成了離子遷移區(qū)陣列，增加了離子分離的有效面積，提高了分辨率以及精度。此外采用MEMS技術(shù)制作的離子遷移區(qū)的電極板間距非常小，提高了遷移區(qū)內(nèi)的電場(chǎng)