FAIMS傳感器的設計與研制.pdf

1、高場強非對稱波形離子遷移譜(FAIMS)技術是一種廣譜離子分離技術，它利用被測物質的離子遷移率在高低場強下的不同來實現(xiàn)物質的分離與檢測，它具有響應速度快、分辨率高、可應用范圍廣、易于微型化等優(yōu)點，在環(huán)境污染物、爆炸物、代謝物質檢測等領域有著廣闊的應用前景，比如在醫(yī)療診斷的應用上，F(xiàn)AIMS能夠通過檢測人呼出氣體中丙酮的濃度來進行糖尿病的早期診斷。
　　 目前，國外很多研究單位對FAIMS技術做了大量的研究，在理論上已經日臻成熟，

2、并且一些公司已經實現(xiàn)了FAIMS檢測儀器的產品化。國內對FAIMS技術研究是近幾年剛起步，目前還沒有出現(xiàn)FAIMS整機檢測系統(tǒng)。因此FAIMS傳感器的設計和研制對促進國內FAIMS技術的發(fā)展以及提高化學物質分析能力等方面有著巨大的意義。
　　 鑒于FAIMS廣闊的應用前景以及國內FAIMS技術研究相對落后的情況，本論文設計了一款FAIMS傳感器芯片。
　　 本文通過使用MEMS技術，實現(xiàn)了FAIMS傳感器的微型化設計，主

3、要的研究內容包括如下。通過理論計算和仿真，對FAIMS傳感器的核心部件離子遷移區(qū)在高場強下的形變量進行了分析，給出了遷移區(qū)主要參數(shù)對形變量的影響;根據(jù)計算和仿真結果，提出了一種叉指形離子遷移區(qū)的設計方案;通過分析FAIMS對離子源以及離子檢測系統(tǒng)的要求，選擇了合適的離子源以及并采用了微電流檢測電路進行離子檢測的方法;設計了離子遷移區(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應的傳感器芯片的版圖;針對離子遷移區(qū)微型化的要求，采

4、用了半導體光刻以及ICP干法刻蝕的方法對離子遷移區(qū)進行加工，完成了傳感器核心部件的制作。
　　 本文主要的創(chuàng)新點是采用MEMS技術，設計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)結構，能夠減小在極大高場強下遷移區(qū)電極板的形變量，提高穩(wěn)定性。叉指形結構構成了離子遷移區(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)內的電場