一种基于厚膜工艺的高集成度FAIMS迁移管的研制

基于厚膜工艺,研制了一种集成有进样接口、气路接口、温控元件和离子源固定装置等外围功能模块的高集成度FAIMS迁移管,阐述了其结构特征和制作方法。为验证其性能,搭建了相应的FAIMS外围检测平台,以丙酮和甲苯为样品进行实验,得到了它们的FAIMS谱图,并与基于MEMS工艺的非集成FAIMS迁移管所测得的丙酮和甲苯的谱图比较,证明了高集成度迁移管在功耗、漏电流、气密性、灵敏度、分辨率和稳定性等方面的优异性能,说明高集成度迁移管适合作为小型化FAIMS独立检测系统的核心器件。     

半电极压电纤维能量收集动力学建模与仿真

半电极含金属芯压电纤维能将环境振动通过弯曲变形转换成电能。运用分析力学方法建立了半电极含金属芯压电纤维能量收集装置的理论模型,推导了在谐波激励下,经过AC-DC转换后的归一化能量表达形式,分析了能量收集效率受金属芯与压电层的半径比、柔度系数比、压电材料的机电耦合系数及外界激励方向的影响,分析结果表明,当半径比达到2.4,材料机电耦合系数达到0.4,能量收集效率会接近相对最大值。本研究结果适用于压电纤维能量收集装置的分析与优化设计。     

Simulation of Electrical Discharge Initiated by a Nanometer-Sized Probe in Atmospheric Conditions

In this paper,a two-dimensional nanometer scale tip-plate discharge model has been employed to study nanoscale electrical discharge in atmospheric conditions.The field strength distributions in a nanometer scale tip-to-plate electrode arrangement were calculated using the finite element analysis(FEA) method,and the influences of applied voltage amplitude and frequency as well as gas gap distance on the variation of efective discharge range(EDR) on the plate were also investigated and discussed.The simulation results show that the probe with a wide tip will cause a larger efective discharge range on the plate;the field strength in the gap is notably higher than that induced by the sharp tip probe;the efective discharge range will increase linearly with the rise of excitation voltage,and decrease nonlinearly with the rise of gap length.In addition,probe dimension,especially the width/height ratio,afects the efective discharge range in diferent manners.With the width/height ratio rising from 1:1 to 1:10,the efective discharge range will maintain stable when the excitation voltage is around 50 V.This will increase when the excitation voltage gets higher and decrease as the excitation voltage gets lower.Furthermore,when the gap length is 5 nm and the excitation voltage is below 20 V,the diameter of EDR in our simulation is about 150 nm,which is consistent with the experiment results reported by other research groups.Our work provides a preliminary understanding of nanometer scale discharges and establishes a predictive structure-behavior relationship.     

半电极含金属芯压电纤维阵列研究

通过计算半周期内的有效电压,分析了半电极含金属芯压电纤维阵列能量收集的动力学方程组,推导了纤维完全一致和存在尺寸差异两种情况下阵列收集的电压和能量方程,仿真计算了纤维几何参数满足正态分布时能量收集效率与半径比、纤维长度和半电极角度的方差之间的变化规律。分析结果表明,纤维尺寸差异越大,能量收集效率越低。为提高阵列在不同方向的外界激励下能量收集效率,需要在每根纤维直接连接交流-直流转换电路。     

基于MEMS的新型高场不对称波形离子迁移谱仪

简要回顾了离子迁移谱技术的发展历程,叙述了常规离子迁移谱的局限性。阐述了基于MEMS工艺的新型高场不对称波形离子迁移谱技术,该技术以物质离子的离子迁移率在高场下的非线性变化特性为基础,可实现对物质离子的空间分离。以MEMS技术为主体,自主研发了高场不对称波形离子迁移谱仪,并对挥发性有机物、苯系物、爆炸物和农药等样品进行了检测,结果表明该离子迁移谱仪能够对苯、丙酮、对二甲苯、爆炸物梯恩梯和农药硫丹等物质实现快速、高分辨和高灵敏度检测,检测精度达10-9量级,线性度达0.95。该结果展示了其在物质离子分离检测方面的巨大潜力,以及在环境、食品安全和生物大分子等领域的优越性和前景,其研究成果将推动下一代物质离子分离检测技术的发展。     

小型化矩形离子阱捕获能力的仿真研究

基于SIMION 7.0离子光学仿真软件对设计的矩形离子阱（RIT）的离子捕获效率进行了仿真,研究了离子初始位置和射频电压、频率对离子捕获效率的影响。仿真结果表明,只有初始位置靠近RIT中心的离子才能被有效捕获到。针对常见毒品及爆炸物所在的质量范围,对于内建电场空间尺寸为10mm×8.4mm×44mm（x,y,z）的RIT,选择捕获射频电压为50V0-p～100V0-p、频率1MHz时,既能保证较高的离子捕获效率,同时也降低了对电路系统指标的要求。     

高场不对称波形离子迁移谱关键测控模块研究

研究了高场不对称波形离子迁移谱(high-field asymmetric waveform ion mobility spectrometer,FAIMS)两个关键测控模块:波形不对称高压产生模块和微弱电流检测模块的设计。通过采用反激升压原理,设计了一种电压幅度在线可调的波形不对称高压产生电路模块,其输出电压峰峰值达1 800 V,频率达1 MHz;微弱电流检测采用超高电阻反馈式I-V转换电路,并对失调电压进行补偿,同时结合PCB割板处理及包裹屏蔽等抗干扰措施,使得微弱电流模块的检测下限优于0.1 pA。最后,通过对比实验研究了不同波形不对称高压与分离效果关系,并以苯为样品对系统的检测下限进行了研究,结果表明采用上述测控模块的FAIMS检测下限达1×10-9。     

基于AFM探针的电晕放电研究

针对扫描探针显微镜与质谱联用系统中的采样方式,提出了利用原子力显微镜(AFM)探针进行电晕放电解吸附的采样方案.运用ANSYS软件对AFM导电探针进行了有限元仿真,电场分析表明间距100 μm加1 kV高压时的AFM探针周围场强在0.32 ～62.4 V/μm间,验证了利用其产生电晕放电的可行性;通过实验观察了电晕放电...     

湿度对UV-FAIMS基于谱峰位置的谱图识别影响

湿度是高场不对称离子迁移谱(FAIMS)检测的一个重要环境参数。常温常压下,以6种常见的挥发性有机物(丙酮、乙醇、异丙醇、异丁醇、邻二甲苯和对二甲苯)为样品,研究了载气湿度对紫外灯高场不对称离子迁移谱(UV-FAIMS)基于谱峰位置的谱图识别影响。实验结果表明,随着载气湿度的增大,各样品最大谱峰数增加。干燥条件下所选样品的主峰位置都很靠近,大都在5 V附近。随着载气湿度增大,各样品主峰位置发生偏移,且偏移程度不同。因此,选择合适的湿度使各样品谱峰数较少,且谱峰位置差异较大,能提高UV-FAIMS基于谱峰位置谱图识别的准确性。