用于高場不對稱波形離子遷移譜儀的MEMS簧式靜電計(jì)研究.pdf

1、高場不對稱波形離子遷移譜技術(shù)利用待檢測物質(zhì)離子遷移率隨電場強(qiáng)度改變而變化的特征規(guī)律實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的分離及檢測，其繼承了常規(guī)離子遷移譜儀在大氣壓下工作的優(yōu)點(diǎn)，并作出了以下重要改進(jìn)：進(jìn)一步簡化了遷移管結(jié)構(gòu)，十分適合便攜式檢測等應(yīng)用；通過合理設(shè)計(jì)高場不對稱分離電壓波形可以大大增強(qiáng)離子遷移譜分辨率；遷移管中離子流連續(xù)，可以采用合適的分離電壓、補(bǔ)償電壓實(shí)現(xiàn)特定離子的選擇性通過，非常適合與質(zhì)譜儀等分析儀器連用，并可對微弱離子流進(jìn)行長時(shí)間積分以大大增強(qiáng)電荷

2、檢測精度。
　　 常溫常壓下微弱直流電荷信號的檢測受到常規(guī)檢測電路低頻1/f噪聲的嚴(yán)重影響，目前商用的基于半導(dǎo)體集成電路的靜電計(jì)的電荷分辨能力為10fC左右，嚴(yán)重制約了離子遷移譜儀的檢測精度。本文的研究目標(biāo)就是設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種常溫常壓下微弱直流電荷信號的高精度、低功耗測量裝置。
　　 本文采用基于MEMS諧振器的周期變化電容將直流電荷信號調(diào)制到kHz左右的較高頻率，由于該頻段內(nèi)檢測電路的噪聲較低，可以達(dá)到較高的電荷檢測精度。

3、該類電荷檢測方法不需要高真空或者低溫等極端條件，因此不需要笨重且功耗極大的真空或者低溫設(shè)備，非常適合用于便攜式檢測儀器。
　　 本文開展的研究工作主要為MEMS振簧式靜電計(jì)的MEMS芯片設(shè)計(jì)以及相關(guān)ASIC設(shè)計(jì)研究，具體包括：通過理論計(jì)算以及相關(guān)仿真確定了靜電計(jì)各機(jī)械組件的設(shè)計(jì)參數(shù)，包括可變電容、諧振器驅(qū)動以及諧振子速度檢測模塊、用于清除可變電容中電荷的放電開關(guān)等組件的機(jī)械參數(shù)；針對MEMS芯片需求設(shè)計(jì)了基于SOI硅片的工藝，并

4、進(jìn)行了初步的工藝試驗(yàn)；針對MEMS芯片需求，設(shè)計(jì)了ASIC測控電路芯片，實(shí)現(xiàn)MEMS可變電容輸出信號的放大、解調(diào)等信號讀出功能，以及對MEMS諧振器進(jìn)行閉環(huán)驅(qū)動控制；搭建了ASIC測試系統(tǒng)，通過模擬MEMS芯片對ASIC芯片進(jìn)行了功能以及性能測試。仿真以及初步實(shí)驗(yàn)表明，采用基于MEMS可變電容的MEMS振簧式靜電計(jì)在lHz檢測帶寬下分辨率可以達(dá)到100單位電荷量級。
　　 本文的創(chuàng)新點(diǎn)主要包括：
　　 1.針對高場不對稱

5、波形離子遷移譜儀的遷移管中離子流連續(xù)、可以對微弱離子流進(jìn)行長時(shí)間積分的特點(diǎn)，提出了采用MEMS振簧式靜電計(jì)對離子流的直流電荷信號進(jìn)行檢測的方案。由于直流電荷信號被調(diào)制到較高頻率進(jìn)行檢測，避免了常規(guī)檢測電路低頻l/f噪聲對檢測精度的嚴(yán)重影響。
　　 2.設(shè)計(jì)了一種可以對諧振子進(jìn)行閉環(huán)驅(qū)動控制的MEMS振簧式靜電計(jì)結(jié)構(gòu)，該閉環(huán)驅(qū)動結(jié)構(gòu)適用于真空封裝下諧振器品質(zhì)因數(shù)較高的環(huán)境；針對靜電計(jì)電荷輸入極板上電荷釋放的需求，設(shè)計(jì)了基于MEMS

6、熱驅(qū)動器的放電開關(guān)，相比以前文獻(xiàn)中報(bào)道的基于MEMS靜電驅(qū)動器的設(shè)計(jì)，其驅(qū)動力以及回復(fù)力大大增強(qiáng)，可有效避免放電開關(guān)觸點(diǎn)與電荷輸入極板粘連的情況。由于采用了電容耦合的交流驅(qū)動方案，放電開關(guān)不需要隔離觸點(diǎn)與開關(guān)主體的機(jī)械結(jié)構(gòu)，尤其適用于SOI工藝。
　　 3.設(shè)計(jì)了用于MEMS靜電計(jì)的ASIC測控電路芯片，采用電荷輸入極板通過電容耦合至讀出電路的方案，在電路輸入端增加了緩沖器，以避免讀出電路低頻噪聲混入電荷信號調(diào)制頻段。同時(shí)，在緩