FAIMS传感器的设计与研制

论文摘要

高场强非对称波形离子迁移谱(FAIMS)技术是一种广谱离子分离技术,它利用被测物质的离子迁移率在高低场强下的不同来实现物质的分离与检测,它具有响应速度快、分辨率高、可应用范围广、易于微型化等优点,在环境污染物、爆炸物、代谢物质检测等领域有着广阔的应用前景,比如在医疗诊断的应用上FAIMS能够通过检测人呼出气体中丙酮的浓度来进行糖尿病的早期诊断。目前,国外很多研究单位对FAIMS技术做了大量的研究,在理论上已经日臻成熟,并且一些公司已经实现了FAIMS检测仪器的产品化。国内对FAIMS技术研究是近几年刚起步,目前还没有出现FAIMS整机检测系统。因此FAIMS传感器的设计和研制对促进国内FAIMS技术的发展以及提高化学物质分析能力等方面有着巨大的意义。鉴于FAIMS广阔的应用前景以及国内FAIMS技术研究相对落后的情况,本论文设计了一款FAIMS传感器芯片。本文通过使用MEMS技术,实现了FAIMS传感器的微型化设计,主要的研究内容包括如下。通过理论计算和仿真,对FAIMS传感器的核心部件离子迁移区在高场强下的形变量进行了分析,给出了迁移区主要参数对形变量的影响；根据计算和仿真结果,提出了一种叉指形离子迁移区的设计方案；通过分析FAIMS对离子源以及离子检测系统的要求,选择了合适的离子源以及并采用了微电流检测电路进行离子检测的方法；设计了离子迁移区的参数,根据不同参数提出了多种方案,并绘制了不同方案对应的传感器芯片的版图；针对离子迁移区微型化的要求,采用了半导体光刻以及ICP干法刻蚀的方法对离子迁移区进行加工,完成了传感器核心部件的制作。本文主要的创新点是采用MEMS技术,设计了一种微型叉指形离子迁移区,作为FAIMS传感器芯片的核心部件。这种离子迁移区结构,能够减小在极大高场强下迁移区电极板的形变量,提高稳定性。叉指形结构构成了离子迁移区阵列,增加了离子分离的有效面积,提高了分辨率以及精度。此外采用MEMS技术制作的离子迁移区的电极板间距非常小,提高了迁移区内的电场强度极限,可以更大程度的改变被检测物质的离子迁移率,因此增加了物质检测的种类以及对离子的分辨能力。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 FAIMS在糖尿病检测上的应用
• 1.3.1 呼吸气体与疾病的关系
• 1.3.2 糖尿病酮症酸中毒
• 1.4 论文的主要研究内容
• 第2章 FAIMS技术的的基本原理
• 2.1 离子迁移率
• 2.2 FAIMS模型的基本结构
• 2.3 本章小结
• 第3章 FAIMS离子迁移区设计
• 3.1 MEMS技术介绍
• 3.2 基于MEMS的离子迁移区设计
• 3.2.1 MEMS离子迁移区的优势
• 3.2.2 迁移区内的击穿电压
• 3.2.3 迁移区平行电极板的形变分析
• 3.2.3.1 形变量的理论分析与计算
• 3.2.3.2 形变量的有限元仿真
• 3.2.4 迁移区的共振频率分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 FAIMS的离子源与检测系统
• 4.1 FAIMS离子源
• 4.1.1 FAIMS系统对离子源的要求
• 4.1.2 常用的电离方法
• 4.1.2.1 放射性元素电离法
• 4.1.2.2. 光致电离法
• 4.1.2.3. 电喷射电离法
• 4.1.2.4. 电晕放电电离法
• 4.2 FAIMS检测系统
• 4.2.1 电荷检测器
• 4.2.2 微电流检测电路
• 4.3 本章小结
• 第5章 FAIMS传感器芯片离子迁移区的制作
• 5.1 ICP刻蚀
• 5.1.1 ICP产生装置的结构
• 5.1.2 ICP刻蚀机理
• 5.2 FAIMS离子迁移区版图设计
• 5.2.1 L-edit介绍
• 5.2.1.1 L-edit的图形界面
• 5.2.1.2 L-edit的特点
• 5.2.2 使用L-edit进行版图绘制
• 5.2.2.1 叉指形离子迁移区设计结构与参数
• 5.2.2.2 版图绘制
• 5.3 FAIMS传感器加工流程
• 5.3.1 半导体光刻技术
• 5.3.2 加工流程
• 5.3.2.1 光刻对准标记
• 5.3.2.2. 光刻金属电极
• 5.3.2.3 离子迁移区的光刻与刻蚀
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 未来工作及展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A ANSYS软件仿真程序命令流
• A.1 离子迁移区极板长度为2mm时的命令流
• A.2 离子迁移区极板长度为5mm时的命令流
• 学位论文评阅及答辩情况表