基于PTFE基材的FAIMS传感器设计

为降低FAIMS传感器制作的复杂度与成本,设计了一种基于PTFE基板的FAIMS传感器.该传感器由漂移管、离子源及外围电路组成.其中漂移管基于PTFE基板构建,使用PCB工艺制备Au电极,利用厚度为0.4 mm氧化铝条作为绝缘支撑片将上下电极隔离并形成通道,用于离子分离与检测,漂移管的总体积1.9 cm3.离子源通过针-网式电晕放电建立,通过软焊接工艺连接到FAIMS上基板.外围电路包括FAIMS工作所需的高频高压非对称电场及补偿电场产生电路和微弱离子电流放大电路.常温下,传感器响应恢复时间小于3 s.利用化学战剂模拟剂甲基膦酸二甲酯DMMP(Dimethyl Methylphosphonate)测试了传感器的灵敏度,实现了0.5 μg/m3的量级DMMP样品的检测.     

针-菌液电晕放电与辉光放电实现等离子体灭菌

为满足医疗器械的灭菌要求,采用直流(DC)放电设计了一种针-菌液等离子体消毒灭菌装置.在大气压环境、室温、无外部通入气流的条件下,由0～-20000 V可调的直流负高压电源驱动,镇流电阻值12 MΩ,测试电阻值1 kΩ,在电压为-5 kV和-9.6 kV时分别产生了电晕和辉光放电.放电装置中1 mm钨针接负高压,100μL菌液接地.实验表明:在相同条件下,相较电晕放电,辉光放电的灭菌效果更好,且可在60 s内杀灭大肠杆菌和金黄色葡萄球菌.     

基于PCB钎焊工艺制作小型双PCB组合式气体FAIMS传感器及其实验研究

为解决FAIMS成本高、工艺复杂等问题,基于PCB钎焊技术,设计制作了一种小型双PCB组合式气体FAIMS传感器。该传感器在PCB极板上设计了U型气孔槽,利用低温焊锡膏将极板隔离并形成离子通道,使板间距控制在0.2 mm,并将针-环离子源、迁移区以及检测区进行了组合,组合尺寸为61 mm×57 mm×3.4 mm。针-环离子源中针尖曲率半径为28μm的不锈钢针为放电阴极,PCB极板上3 mm过孔敷铜的铜环作为放电阳极。研究表明,随着射频电压的升高,分辨率从0.3增加到3.9,增加载气湿度能提高谱峰的分辨率,增加载气流速能提高谱峰的灵敏度,加入一定比例的改性剂能够实现同分异构体的分离,且传感器对乙酸乙酯的检出限达到64μg/L,检测时间为6 s。所设计的FAIMS传感器具有造价低、气密性好、分辨率高等特点。     

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...     

阵列式多针-柱电极装置实现离子风的实验与分析

为了实现一定气体流速的离子风,设计了一种新型的阵列式三排3 ×3垂直放置的针-柱电极结构放电装置.在针-柱之间间距为3mm、排与排之间间距为8 mm、镇流电阻12 MΩ、放电电阻12 MΩ、测试电阻1 kΩ、大气压环境、室温、无外部通入气流时,阵列式针-柱电极实现了稳定的电晕放电,并通过示波器记录的放电波形、数码相机拍摄的发光图像以及放电伏安特性曲线进行了验证.同时,随着阵列式排数的增加,放电电流变大,离子风风速也随之增大.该针-柱结构易于用MEMS工艺加工制作,可应用于便携式分析仪器中.     

基于SIMION仿真的高场非对称波形离子迁移谱谱图峰辨识

高场非对称波形离子迁移谱仪FAIMS(High-Field Asymmetric Waveform Ion Mobility Spectrometry)由于工作在敞开大气压条件下,易受空气中杂质干扰,因而在实际样品分析过程中通常会检测到不止一个峰,这对要观察的目标样品离子的辨识造成一定困难,目前多采用FAIMS和质谱仪联用的方式予以辨识。为解决上述FAIMS和质谱仪联用结构复杂的问题,本研究通过分析丙酮样品在紫外灯电离源下产生的几种主要离子,对比SIMION仿真和实验FAIMS谱图中各离子峰对应补偿电压(Compensation Voltage)随射频(Radio Frequency)RF电压幅值的变化曲线,根据其平行关系初步推断出FAIMS谱图中对应的3种主要离子:丙酮单体离子[M+H]+、丙酮二聚体离子[2M+H]+和水合质子(H2O)nH+。并通过理论分析了仿真和实验补偿电压曲线近似平行的原因。理论分析和仿真结果相吻合,证明了该方法的正确性。     

尖端导体电晕放电试验研究

电晕放电是高压电力工程及航空航天领域研究的重点及难点问题;为研究尖端导体电晕放电的辐射特点,设计了电晕放电试验模拟系统;利用测试系统及天线在微波暗室内进行了不同测试距离、不同放电电压及不同尖端导体长度条件下的试验;通过对试验数据的分析可知,电晕放电辐射信号呈衰减振荡模式;电晕放电脉冲重复率随着充电电压的增大而增加;天线接收的辐射信号能量与测试距离成反比;随着充电电压的增加,信号辐射功率呈增加趋势;试验研究结果为输变电工程、航空航天装备的电磁环境分析提供参考。     

基于针-针电极直流高压电晕放电暗电流测量大气相对湿度的研究

为了研究直流高压电晕放电暗电流与大气相对湿度的关系,为大气湿度的测量提供新的方法。采用针-针电极结构的直流高压放电模型,通过气体放电理论推导了暗电流与湿度的理论关系;建立暗电流测量的实验模型,测量不同输入高压和不同湿度下电极外回路放电暗电流。实验结果与理论计算的规律一致,为电晕放电暗电流测量大气湿度的研究提供了理论和实验依据。实验和计算结果表明:电晕放电暗电流随着输入电压的降低和相对湿度的降低而减小;高相对湿度环境中,电晕放电暗电流随着相对湿度的升高而剧烈增大。     

基于TMS320F2812与LabVIEW的FAIMS信号采集处理系统

为实现FAIMS物质检测系统小型化、便携式的设计要求,设计了以TMS320F2812和WinCE平台下的LabVIEW为控制核心的信号采集处理系统.TMS320F2812驱动、控制各电路模块,产生PWM驱动信号和0.01 V分辨率的补偿电压,同时控制A/D芯片实现补偿电压和微弱电流的精确采集.TMS320F2812和LabVIEW通过串口进行实时通信,经过一系列数据处理,使微弱电流采集精度达0.1pA,补偿电压采集精度达0.01 V.     

不均匀电场下的暗电流法湿度测量

提出了一种新的湿度测量的方法,将常态大气条件下的普通空气作为研究对象,分析不同空气湿度对空气间隙电晕放电的性能影响.基于不均匀放电电场理论,推导了放电暗电流与湿度之间的函数关系.建立试验系统,采用10 kV的高压电源,利用针-针电极的极不均匀场结构,在空气中获得稳定的电晕放电,测量流过器件的暗电流.理论和试验均表明,暗电流对大气湿度有较强的灵敏度和较快的响应速度,并且相对湿度变化对暗电流影响较大,湿度越大空气越容易电离,暗电流就越大,且暗电流也会随着输入电压的升高而增加.在测量暗电流过程中随着时间的推移暗电流会逐渐降低,高湿度时,暗电流变化波动大,低湿度时,暗电流变化平缓.     

Negative corona computation in air

This paper deals with negative corona discharge in wire-to-plane geometry. Poisson’s equation is solved using the finite element method and the current continuity equation which updates the space charge density is solved using the simplified method of characteristics, which neglects ion diffusion. The used numerical model takes into account the ionization region. We proposed the introduction of a potential corresponding to the critical minimum ionization field directly in the finite element formulation as a Dirichlet condition. The computed data are in good agreement with experimental data with negligible error in the computed onset voltage. The numerical computations are compared to experimental data obtained using a linear biased probe.     

基于随机共振的纳米碳管气体传感器的研究

基于气体电晕放电原理,利用纳米碳管独特的物理结构和尖端发射效应,提出了一种新型的纳米碳管离子型气体传感器.采用阳极氧化铝模板法生长的定向纳米碳管阵列所构成的传感器,纳米碳管和电极是一体的,简化了器件结构和工艺.在外加直流电压激励下,纳米碳管顶部形成很强的非均匀电场,在电压相对低的情况下能很容易地电离气体,根据气体的击穿电压和放电电流来实现对单一气体和确定性混合气体的检测.为了提高检测混合气体的灵敏度,创新地在检测回路中引入随机共振发生装置,有效地提高了混合气体浓度检测的范围.实验中还分析了温度、湿度对传感器的影响,对该传感器的性能也作了评价.实验结果表明该传感器具有选择性好、体积小、响应时间快、灵敏度高、稳定性好,室温操作等优点,而且实现方便,操作简单,有较大的实用价值.     

Design, Fabrication, and Testing of a Microfabricated Corona Ionizer

A microfabricated corona ionizer is developed for miniaturized air particle monitoring instruments. Peek's breakdown criterion and Warburg's Law are used to calculate the required electrode geometries. Single mask electroplating is employed as the microfabrication technique. Devices with discharge pin radius of 20 mum and interelectrode spacing of 1.4, 1.8, 2.0, and 2.2 mm are fabricated and tested. The inception voltages in the range from 1.4 to 2 kV are achieved without substrate breakdown. It consumes relatively low power at 150 mW or less. Corona charging currents of more than 50 muA were achieved before streamers break down. The experimental results also demonstrated the nondependency of the inception voltage on the pin's radius of curvature so long as it is significantly smaller than the interelectrode spacing. There is only one value of inception voltage for each given interelectrode spacing (1.4 to 2.2 mm) with the pin's radius of curvature ranging from 10 to 200 mum. This implies that strict dimensional control is not required in the microfabrication process in order to ensure the same inception voltage for each device.     

A field‐emitter‐array cathode‐ray tube (FEA‐CRT)

Abstract— High‐resolution bright CRT monitors with Spindt‐type field‐emitter arrays (FEA‐CRTs) as electron guns have been realized for the first time. The FEA chip consists of 868 electron sources arranged within an emitter circle 50 μm in diameter and a vertical current limiter (VECTL) which protects the FEA chips from damage caused by an arc electric discharge. The FEA‐CRT has a minimum electron beam diameter of 0.84 mm at 18 kV and 100 μA.     

High‐efficacy drive of spatial positive‐column‐discharge PDP with delayed D pulses

Abstract— A thick‐film ceramic‐sheet PDP provides a long sustain discharge gap of 0.45 mm, enabling the use of positive column discharges. The discharges are established in the middle of the discharge space and are completely free from touching the surface of substrates. This allows for the reduction in diffusion losses of the charged particles. To further improve the efficacy, delayed D pulses are applied to the address electrodes during the sustain period. Although the pulses only draw a little current, they perturb the electric field, reducing the peak discharge current and hence resulting in higher efficacy and luminance. The efficacy and luminance increase by 35% and 38%, respectively, with the delayed D pulses. These pulses are incorporated into the contiguous‐subfield erase‐addressing drive scheme for TV application. A short gap of 70 μm between the sustain and data electrodes generates a fast‐rising discharge and allows a high‐speed addressing of 0.25 μsec. This provides 18 contiguous subfields for the full‐HD single‐scan mode, with 70% light emission duty. A luminous efficacy of 6.0 lm/W can been attained using Ne + 30% Xe 47 kPa, a sustain voltage of 320 V, and a sustain frequency of 3.3 kHz, when the luminance is 157 cd/m². Alternatively, the panel can achieve 4.2 lm/W and 1260 cd/m² by increasing the sustain frequency to 33 kHz.