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文檔簡(jiǎn)介
1、高場(chǎng)不對(duì)稱波形離子遷移譜技術(shù)利用待檢測(cè)物質(zhì)離子遷移率隨電場(chǎng)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(cè),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(jiǎn)化了遷移管結(jié)構(gòu),十分適合便攜式檢測(cè)等應(yīng)用;通過(guò)合理設(shè)計(jì)高場(chǎng)不對(duì)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(guò),非常適合與質(zhì)譜儀等分析儀器連用,并可對(duì)微弱離子流進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間積分以大大增強(qiáng)電荷
2、檢測(cè)精度。
常溫常壓下微弱直流電荷信號(hào)的檢測(cè)受到常規(guī)檢測(cè)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(cè)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(hào)的高精度、低功耗測(cè)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(hào)調(diào)制到kHz左右的較高頻率,由于該頻段內(nèi)檢測(cè)電路的噪聲較低,可以達(dá)到較高的電荷檢測(cè)精度。
3、該類電荷檢測(cè)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(cè)儀器。
本文開(kāi)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(guò)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(dòng)以及諧振子速度檢測(cè)模塊、用于清除可變電容中電荷的放電開(kāi)關(guān)等組件的機(jī)械參數(shù);針對(duì)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(duì)MEMS芯片需求,設(shè)計(jì)了ASIC測(cè)控電路芯片,實(shí)現(xiàn)MEMS可變電容輸出信號(hào)的放大、解調(diào)等信號(hào)讀出功能,以及對(duì)MEMS諧振器進(jìn)行閉環(huán)驅(qū)動(dòng)控制;搭建了ASIC測(cè)試系統(tǒng),通過(guò)模擬MEMS芯片對(duì)ASIC芯片進(jìn)行了功能以及性能測(cè)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(cè)帶寬下分辨率可以達(dá)到100單位電荷量級(jí)。
本文的創(chuàng)新點(diǎn)主要包括:
1.針對(duì)高場(chǎng)不對(duì)稱
5、波形離子遷移譜儀的遷移管中離子流連續(xù)、可以對(duì)微弱離子流進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間積分的特點(diǎn),提出了采用MEMS振簧式靜電計(jì)對(duì)離子流的直流電荷信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的方案。由于直流電荷信號(hào)被調(diào)制到較高頻率進(jìn)行檢測(cè),避免了常規(guī)檢測(cè)電路低頻l/f噪聲對(duì)檢測(cè)精度的嚴(yán)重影響。
2.設(shè)計(jì)了一種可以對(duì)諧振子進(jìn)行閉環(huán)驅(qū)動(dòng)控制的MEMS振簧式靜電計(jì)結(jié)構(gòu),該閉環(huán)驅(qū)動(dòng)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(duì)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(dòng)器的放電開(kāi)關(guān),相比以前文獻(xiàn)中報(bào)道的基于MEMS靜電驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì),其驅(qū)動(dòng)力以及回復(fù)力大大增強(qiáng),可有效避免放電開(kāi)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(dòng)方案,放電開(kāi)關(guān)不需要隔離觸點(diǎn)與開(kāi)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(cè)控電路芯片,采用電荷輸入極板通過(guò)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(hào)調(diào)制頻段。同時(shí),在緩
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