用于高場不對稱波形離子遷移譜儀的MEMS簧式靜電計研究.pdf

1、高場不對稱波形離子遷移譜技術利用待檢測物質(zhì)離子遷移率隨電場強度改變而變化的特征規(guī)律實現(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，并作出了以下重要改進：進一步簡化了遷移管結(jié)構(gòu)，十分適合便攜式檢測等應用；通過合理設計高場不對稱分離電壓波形可以大大增強離子遷移譜分辨率；遷移管中離子流連續(xù)，可以采用合適的分離電壓、補償電壓實現(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行長時間積分以大大增強電荷

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噪聲的嚴重影響，目前商用的基于半導體集成電路的靜電計的電荷分辨能力為10fC左右，嚴重制約了離子遷移譜儀的檢測精度。本文的研究目標就是設計實現(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振簧式靜電計的MEMS芯片設計以及相關ASIC設計研究，具體包括：通過理論計算以及相關仿真確定了靜電計各機械組件的設計參數(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等組件的機械參數(shù)；針對MEMS芯片需求設計了基于SOI硅片的工藝，并

4、進行了初步的工藝試驗；針對MEMS芯片需求，設計了ASIC測控電路芯片，實現(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芯片進行了功能以及性能測試。仿真以及初步實驗表明，采用基于MEMS可變電容的MEMS振簧式靜電計在lHz檢測帶寬下分辨率可以達到100單位電荷量級。
　　 本文的創(chuàng)新點主要包括：
　　 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行長時間積分的特點，提出了采用MEMS振簧式靜電計對離子流的直流電荷信號進行檢測的方案。由于直流電荷信號被調(diào)制到較高頻率進行檢測，避免了常規(guī)檢測電路低頻l/f噪聲對檢測精度的嚴重影響。
　　 2.設計了一種可以對諧振子進行閉環(huán)驅(qū)動控制的MEMS振簧式靜電計結(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；針對靜電計電荷輸入極板上電荷釋放的需求，設計了基于MEMS

6、熱驅(qū)動器的放電開關，相比以前文獻中報道的基于MEMS靜電驅(qū)動器的設計，其驅(qū)動力以及回復力大大增強，可有效避免放電開關觸點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，放電開關不需要隔離觸點與開關主體的機械結(jié)構(gòu)，尤其適用于SOI工藝。
　　 3.設計了用于MEMS靜電計的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，在緩