基于厚膜工藝的微型FAIMS生化氣體傳感器設(shè)計

王濤龍，梁 庭，高利聰，張 瑞,王心心，劉雨濤

(中北大學(xué)，儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室,電子測試技術(shù)國防科技重點實驗室,山西太原 030051)

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基于厚膜工藝的微型FAIMS生化氣體傳感器設(shè)計

王濤龍，梁 庭，高利聰，張 瑞,王心心，劉雨濤

(中北大學(xué)，儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室,電子測試技術(shù)國防科技重點實驗室,山西太原 030051)

據(jù)高場非對稱波形離子遷移譜(high-field asymmetric waveform ion mobility spectrometry，F(xiàn)AIMS)原理，設(shè)計了一種微型生化氣體傳感器。在大氣壓環(huán)境下，采用波長116.5 nm、電離能為10.6 eV真空紫外燈離子源對樣品進行電離。遷移管的制作采用厚膜工藝，將遷移區(qū)和檢測區(qū)集成到了陶瓷芯片上，遷移區(qū)由上下兩塊平板電極構(gòu)成，尺寸為20 mm×10 mm×0.45 mm；檢測區(qū)尺寸為8 mm×10 mm×0.45 mm。搭建了相應(yīng)的FAIMS外圍檢測平臺，以丙酮和甲苯為樣品進行實驗，通過高場非對稱波形離子遷移譜技術(shù)進行傳感器的性能驗證實驗，實驗得到了它們的FIAMS譜圖，表明所設(shè)計的基于FAIMS原理的氣體傳感器可以實現(xiàn)離子分離和過濾功能。

高場不對稱波形離子遷移譜；氣體傳感器；厚膜工藝；遷移管

0 引言

離子遷移譜(ion mobility spectrometry，IMS)適合于一些揮發(fā)性有機化合物的痕量探測，如化學(xué)試劑，毒品，爆炸物，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在機場安檢和戰(zhàn)地勘查，由于IMS遷移管的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不易于微型化，近年來出現(xiàn)的高場不對稱波形離子遷移譜(high-field asymmetric waveform ion mobility spectrometry，F(xiàn)AIMS)是對IMS的一種提升，使得離子在高電場下非線性變化實現(xiàn)離子空間分離和識別的大氣壓下離子遷移譜[2]，同時兼具體積小，功耗小的特點。

本文采用了高場非對稱波形離子遷移譜集成芯片技術(shù)，利用低溫共燒陶瓷技術(shù)(Low Temperature Cofired Ceramic，LTCC)搭建了基于FAIMS原理的有毒氣體檢測系統(tǒng)。通過對FAIMS理論的研究，設(shè)計出了通過紫外光(Ultraviolet,UV)作為FAIMS 電離源和基于LTCC的FAIMS遷移管，并完成了傳感器的初步性能測試，并驗證了初步性能。

1 離子遷移管結(jié)構(gòu)原理

高場不對稱波形離子遷移譜基本工作原理是建立在Mason和McDaniel 實驗觀察的基礎(chǔ)上[3]，他們發(fā)現(xiàn)離子的遷移率系數(shù)K受所施加的電場強度影響[4]。在低電場條件下，離子的遷移率系數(shù)K與電場強度無關(guān)，當(dāng)電場強度高到一定值(約10 kV/cm)以后，離子的遷移率系數(shù)K就會以一種非線性的方式隨電場強度而變化[5]。在高電場條件下，離子的遷移率K與電場強度關(guān)系為

(1)

式中：K0為離子在低電場中的遷移率；K為離子遷移率系數(shù)；E為電場強度；N為氣體密度。

令

(2)

K=K0[1+?(E)]

(3)

則式(1)簡化為式(3)可知，K對于每一離子種類是特定的，這就使得低電場強度條件下離子遷移率相同或相近的離子能夠在高電場強度條件下被分離開來。當(dāng)把一個高頻且幅值不對稱波形電壓施加在由一對電極板所構(gòu)成的狹窄空間形成一個高頻變化的電場[6]，當(dāng)有氣流攜帶離子通過時，離子就會受電場力的作用在兩個電極板之間沿電場線方向發(fā)生振動，并與氣流流速形成合運動，不同遷移率的離子就會發(fā)生分離，如圖1所示，分為三個區(qū)域：離子化區(qū)、離子遷移區(qū)、檢測區(qū)。氣體樣品通過有紫外燈(Ultraviolet,UV)的離子化區(qū)，使氣體樣品發(fā)生離化，隨即進入遷移區(qū)。在遷移區(qū)施加射頻分離電場，使得特定的氣體電離分子通過離子遷移區(qū)，進入檢測區(qū)。進入檢測區(qū)后，離子在致偏電壓的作用下，撞擊檢測去的檢測電極，形成微電流信號的輸出[7]。

圖1 紫外光電離FAIMS原理圖

離子通過遷移區(qū)后，并不能全部在檢測區(qū)致偏電場的作用下向下運動并撞擊到極板上形成電流信號輸出，到達檢測區(qū)下電極的離子比例主要受到3個因素的影響：致偏電壓的大小，載氣流速的分布，載氣流速的大小。載氣流速的大小將影響離子復(fù)合數(shù)量[8]。在其余參數(shù)固定的情況下，下面將分別討論致偏電壓的大小和載氣流速分布對通過離子遷移區(qū)后到達檢測電極離子的比例的影響。

2 離子遷移管結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 離子遷移管尺寸設(shè)計

設(shè)檢測區(qū)上極板接致偏電壓，電壓極性與檢測離子所帶電荷極性相同，下極板接地，載氣流速為vc，致偏電場Edect，檢測區(qū)電極之間的距離為ddect。建立如圖2所示的直角坐標(biāo)系[9]，則在檢測區(qū)內(nèi)載氣流速的分布函數(shù)為

進入檢測區(qū)之前，臨近檢測區(qū)上極板的離子由于速度低，且受到致偏電場的排斥作用，而不能進入檢測區(qū)內(nèi)。假設(shè)縱坐標(biāo)y0，質(zhì)量為m，帶有一個單位電荷q的離子A恰好能進入檢測區(qū)，則有

(5)

解之得

(6)

圖2 檢測區(qū)中載氣流速分布

依據(jù)遷移區(qū)中離子沿垂直方向的濃度分布函數(shù)推導(dǎo)方法可得檢測區(qū)左端離子濃度分布函數(shù)為[10]：

(7)

檢測區(qū)左側(cè)的離子進入檢測區(qū)的比例為：

(8)

通過對ηdect的各個參數(shù)的分析簡化，得到了離子遷移管的實際設(shè)計參數(shù)為,離子遷移區(qū)：20×10 mm2，檢測區(qū)：8×10 mm2，離子遷移區(qū)與檢測區(qū)的距離為3.5 mm，上下極板間距0.45 mm。通過推算得出為0.99，表明以設(shè)計的參數(shù)為準(zhǔn)，檢測區(qū)左側(cè)的離子進入檢測區(qū)的比例為99%，效果可以達到預(yù)期。

2.2 離子遷移管結(jié)構(gòu)模型

考慮到傳感器本身的尺寸限制和為減少其因響應(yīng)頻率過高而導(dǎo)致噪聲和其他寄生效應(yīng)過多的問題，本文在遷移區(qū)和檢測區(qū)之間加了一個屏蔽模塊。因此，上表面結(jié)構(gòu)是由兩個電極和一個屏蔽模塊構(gòu)成，空腔的上下表面為遷移管的遷移電極和一個屏蔽模塊，空腔的上下極板構(gòu)成了遷移管的核心區(qū)域。如圖3所示，傳感器整體由13層DuPont 951陶瓷片制作而成。

(a)FAIMS離子遷移管的三維模型圖

(b)基于LTCC的FAIMS離子遷移管截面圖圖3 結(jié)構(gòu)模型

3 離子遷移管制作

由于陶瓷Dupont 951AT流延帶本身具有良好的物理韌性和化學(xué)穩(wěn)定性，加之燒結(jié)溫度很高，可以形成可靠性較高的電離敏感腔室[11]。因此，本文通過LTCC多層的疊片技術(shù)和厚膜印刷技術(shù)，經(jīng)過適當(dāng)?shù)墓に嚥襟E如圖4所示，可以制備出符合設(shè)計要求的基于LTCC技術(shù)的FAIMS傳感器的核心部件——離子遷移管[12]。離子遷移管的實物如圖5所示。

圖4 離子遷移管的制備工藝流程圖

圖5 離子遷移管

4 實驗和分析

將研制的離子遷移管連接到我們的測試氣路系統(tǒng)中，為檢驗研制的高集成度FAIMS遷移管的性能，搭建了相應(yīng)的FAIMS檢測平臺，以甲苯和乙醇為樣品進行實驗。實驗系統(tǒng)示意圖如圖6所示。

圖6 實驗系統(tǒng)示意圖

實驗條件：離子源采用電離能為10.6 eV的紫外燈；分離電場幅值20 000 V/cm，頻率500 kHz，高場占空比0.38；整個配氣系統(tǒng)是RCS2000-A 型計算機自動配氣系統(tǒng)氣流動力由微型真空泵提供了包括流量、濃度、分配、滲透、程序、清掃等多種模式；前端配置過濾器以過濾空氣中的水汽和灰塵；樣品甲苯和乙醇來自國藥集團化學(xué)試劑有限公司，純度不低于99.5%，進樣方式為直接進樣，進樣量為自由調(diào)節(jié)；離子遷移管溫度控制在200℃。實驗時間間隔2 h，以釋放每次實驗的殘留物，避免對后續(xù)檢測結(jié)果的影響。實驗測得了甲苯和乙醇的FAIMS譜圖，如圖7所示。

(a)甲苯的FAIMS譜圖

(b)乙醇的FAIMS譜圖圖7 甲苯和乙醇的FAIMS譜圖

FAIMS譜圖包含3個關(guān)鍵部分：峰位置、峰高和峰寬。FAIMS 譜圖影響參數(shù)很多，包括FAIMS 遷移管結(jié)構(gòu)參數(shù)、環(huán)境參數(shù)、載氣流量、電場參數(shù)等。FAIMS遷移管結(jié)構(gòu)參數(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)日臻成熟。環(huán)境參數(shù)一般包括溫度和濕度，這需要嚴(yán)格控制以防止譜圖漂移。對于FAIMS譜圖峰分析而言，在實際測量中，關(guān)鍵參數(shù)包括載氣流量和電場參數(shù)[13]。圖中甲苯的峰位置為：1.35 V和1.8 V；乙醇的峰位置為6 V、16.5 V和19.7 V。

FAIMS譜圖峰位置即譜圖峰值對應(yīng)的補償電壓Vc0，是標(biāo)記不同物質(zhì)離子的基本參量，因此對于該位置的準(zhǔn)確描述是FAIMS 實現(xiàn)高分辨分離識別的基礎(chǔ)之一。

將分離電壓、FAIMS遷移管結(jié)構(gòu)參數(shù)、溫度等檢測條件代入，并忽略高階小量，得到簡化的FAIMS譜圖峰位置的公式為：

(9)

式中：p0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；p為FAIMS遷移管中實際壓強；V0為分離電壓峰峰值。

從式(9)可以看出，對于同一種物質(zhì)而言，二階四階系數(shù)確定，溫度恒定時有分離電壓峰峰值V0決定，并受壓強影響。忽略流量產(chǎn)生壓強變化而導(dǎo)致的譜圖峰位置漂移和高階小量，則式(9)寫為：

(10)本文對電場參數(shù)對FAIMS 譜圖峰的峰位置進行討論，并與所給的模型進行驗證。通過計算發(fā)現(xiàn)峰位置與分離電壓的理論值與實驗值符合較好。FAIMS譜圖峰位置與電場的關(guān)系是FAIMS工作的基本依托，是實現(xiàn)不同物質(zhì)分離識別的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。總體而言，譜圖峰位置模型在利用FAIMS譜圖對物質(zhì)進行識別的過程中起到了關(guān)鍵作用。

5 結(jié)論

設(shè)計并搭建了基于LTCC的FAIMS原理的有毒氣體檢測系統(tǒng)，通過對甲苯和乙醇的檢測實驗，初步驗證了基于FAIMS原理的生化傳感器的可行性，為進一步研究奠定了基礎(chǔ)。采用LTCC加工工藝成功加工出微型FAIMS遷移管的氣體傳感器芯片，并通過初步實驗驗證了芯片能夠正常工作。

[1] BORSDORF H,NAZAROV E G,MILLER R A.Atmos-pheric pressure ionization studies and field dependence of ion mobileties of isomeric hydrocarbons using a miniature differential mobility spectrometer.Analytica Chimica Acta,2006,575 (1):76-88.

[2] EICEMAN G A.Ion mobility spectrometry a fast monitor of chemical composition.Trends in Analytical Chemistry,2002,21(4):259-275.

[3] PAPANASTASIOU D,WOLINIK H,RICO G,et al.Differential mobility separation of ions using a rectangular asymmetric waveform.Journal of Physical Chemistry,2008,112 (16):3638-3645.

[4] MEDANIEL E W,MASON E A.The mobility and diffusion of ions in gases.New York:John Wiley and Sons,1973:626-627.

[5] MASON E A,MCDANID E W.Transport properties of ions in gases.New York:John Wiley and Som,1988:545-547.

[6] HANDY R,BARNETT D A,PURVES R W,et al.Deter-mination of nano-molar levels of perchlorate in water by ESI-FAIMS-MS.Journal of Analytical Atomic Spectro-meters,2000,15(8):907-911.

[7] SPANGLER G E,MILLER R A.Application of mobility theory to the interpretation of data generated by linea rand RF excited ion mobility spectrometers.International Jour-nal of Mass Spectrometers,2002,214(1):95-104.

[8] SHVARTSBURG A A,TANG K Q.Modeling the resolution and sensitivity of FAIMS analyses.Journal of the American Society for Mass Spectrometry,2004,15(10):1487-1498.

[9] PURVES R W，GUEVREMONT R.Mass spectrometric characterization of a high-field asymmetric waveform ion mobility spectrometer.Review of Scientific Instruments,1998,69(12):4094-4105.

[10] TANG Z H,QIU G M,YU Y P,et al.Design of measure-ment system for the charge carrier drift mobility based on LabVIEW.Electronic Measurement Technology,2011,34(4):70-73.

[11] DAI S X,HUANG R F,DAVID L.Use of Titanates to Achi-eve a Temperature-Stable Low-Temperature Co-fired Ceramic Dielectric for Wireless Applications.Journal of the American Ceramic Society,2002(4):828-832.

[12] LV Q H,LI J.The Research of Low Temperature Co-fired Ceramic (LTCC) Technology Manufacturing Process.Equipment for Electronic Products Manufacturing,2009(10):22-25.

[13] 陳池來.二維高集成高場不對稱波形離子遷移譜：[學(xué)位論文].合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),2011.

Design of Micro FAIMS Biochemical Gas SensorBased on Thick Film Technology

WANG Tao-long LIANG Ting,GAO Li-cong,ZHANG Rui,WANG Xin-xin,LIU Yu-tao

(Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement,Ministry of Education,Science andTechnology on Electronic Test & Measurement Laboratory,North University of China,Taiyuan 030051,China)

A novel biochemical gas sensor was designed based on FAIMS (high-field asymmetric waveform ion mobility spectrometry) theory.The sample ions were created at ambient pressure by UV (Ultraviolet) lamp ion source with 116.5 nm wave length and photon discharge of 10.6 eV in power in atmospheric environment.Thick film technology was used to make the migration tube.Migration area and detection area were integrated into one ceramic chip.Both of them were composed of two planar electrodes with the size of 20 mm×10 mm×0.45 mm and 8 mm×10 mm×0.45 mm.A platform was created for test,acetone and toluene were adopted as the experiment sample and FAIMS technology was used to test the performance of gas sensor.Experimental results show that ions can be separated and filtrated by the gas sensor based on FAIMS theory.

FAIMS;gas sensor;thick film technology;ion migration tube

國家杰出青年科學(xué)基金資助項目(51425505)；國家自然科學(xué)基金面上項目(61471324)。

2015-03-31 收修改稿日期：2015-09-03

TN23

A

1002-1841(2015)12-0019-03

王濤龍(1989— )，碩士研究生，研究方向為FAIMS氣體傳感器。E-mail：jackeywell@outlook.com 梁庭(1979— )，副教授，博士，研究方向為MEMS傳感器及工藝研究。E-mail：liangtingnuc@163.com