基于厚膜工艺的微型FAIMS生化气体传感器设计

王涛龙，梁 庭，高利聪，张 瑞,王心心，刘雨涛

(中北大学，仪器科学与动态测试教育部重点实验室,电子测试技术国防科技重点实验室,山西太原 030051)



基于厚膜工艺的微型FAIMS生化气体传感器设计

王涛龙，梁 庭，高利聪，张 瑞,王心心，刘雨涛

(中北大学，仪器科学与动态测试教育部重点实验室,电子测试技术国防科技重点实验室,山西太原 030051)

据高场非对称波形离子迁移谱(high-field asymmetric waveform ion mobility spectrometry，FAIMS)原理，设计了一种微型生化气体传感器。在大气压环境下，采用波长116.5 nm、电离能为10.6 eV真空紫外灯离子源对样品进行电离。迁移管的制作采用厚膜工艺，将迁移区和检测区集成到了陶瓷芯片上，迁移区由上下两块平板电极构成，尺寸为20 mm×10 mm×0.45 mm；检测区尺寸为8 mm×10 mm×0.45 mm。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，通过高场非对称波形离子迁移谱技术进行传感器的性能验证实验，实验得到了它们的FIAMS谱图，表明所设计的基于FAIMS原理的气体传感器可以实现离子分离和过滤功能。

高场不对称波形离子迁移谱；气体传感器；厚膜工艺；迁移管

0 引言

离子迁移谱(ion mobility spectrometry，IMS)适合于一些挥发性有机化合物的痕量探测，如化学试剂，毒品，爆炸物，已经广泛地应用在机场安检和战地勘查，由于IMS迁移管的结构比较复杂，不易于微型化，近年来出现的高场不对称波形离子迁移谱(high-field asymmetric waveform ion mobility spectrometry，FAIMS)是对IMS的一种提升，使得离子在高电场下非线性变化实现离子空间分离和识别的大气压下离子迁移谱[2]，同时兼具体积小，功耗小的特点。

本文采用了高场非对称波形离子迁移谱集成芯片技术，利用低温共烧陶瓷技术(Low Temperature Cofired Ceramic，LTCC)搭建了基于FAIMS原理的有毒气体检测系统。通过对FAIMS理论的研究，设计出了通过紫外光(Ultraviolet,UV)作为FAIMS 电离源和基于LTCC的FAIMS迁移管，并完成了传感器的初步性能测试，并验证了初步性能。

1 离子迁移管结构原理

高场不对称波形离子迁移谱基本工作原理是建立在Mason和McDaniel 实验观察的基础上[3]，他们发现离子的迁移率系数K受所施加的电场强度影响[4]。在低电场条件下，离子的迁移率系数K与电场强度无关，当电场强度高到一定值(约10 kV/cm)以后，离子的迁移率系数K就会以一种非线性的方式随电场强度而变化[5]。在高电场条件下，离子的迁移率K与电场强度关系为

(1)

式中：K0为离子在低电场中的迁移率；K为离子迁移率系数；E为电场强度；N为气体密度。

令

(2)

K=K0[1+∂(E)]

(3)

则式(1)简化为式(3)可知，K对于每一离子种类是特定的，这就使得低电场强度条件下离子迁移率相同或相近的离子能够在高电场强度条件下被分离开来。当把一个高频且幅值不对称波形电压施加在由一对电极板所构成的狭窄空间形成一个高频变化的电场[6]，当有气流携带离子通过时，离子就会受电场力的作用在两个电极板之间沿电场线方向发生振动，并与气流流速形成合运动，不同迁移率的离子就会发生分离，如图1所示，分为三个区域：离子化区、离子迁移区、检测区。气体样品通过有紫外灯(Ultraviolet,UV)的离子化区，使气体样品发生离化，随即进入迁移区。在迁移区施加射频分离电场，使得特定的气体电离分子通过离子迁移区，进入检测区。进入检测区后，离子在致偏电压的作用下，撞击检测去的检测电极，形成微电流信号的输出[7]。

图1 紫外光电离FAIMS原理图

离子通过迁移区后，并不能全部在检测区致偏电场的作用下向下运动并撞击到极板上形成电流信号输出，到达检测区下电极的离子比例主要受到3个因素的影响：致偏电压的大小，载气流速的分布，载气流速的大小。载气流速的大小将影响离子复合数量[8]。在其余参数固定的情况下，下面将分别讨论致偏电压的大小和载气流速分布对通过离子迁移区后到达检测电极离子的比例的影响。

2 离子迁移管结构设计

2.1 离子迁移管尺寸设计

设检测区上极板接致偏电压，电压极性与检测离子所带电荷极性相同，下极板接地，载气流速为vc，致偏电场Edect，检测区电极之间的距离为ddect。建立如图2所示的直角坐标系[9]，则在检测区内载气流速的分布函数为

进入检测区之前，临近检测区上极板的离子由于速度低，且受到致偏电场的排斥作用，而不能进入检测区内。假设纵坐标y0，质量为m，带有一个单位电荷q的离子A恰好能进入检测区，则有

(5)

解之得

(6)

图2 检测区中载气流速分布

依据迁移区中离子沿垂直方向的浓度分布函数推导方法可得检测区左端离子浓度分布函数为[10]：

(7)

检测区左侧的离子进入检测区的比例为：

(8)

通过对ηdect的各个参数的分析简化，得到了离子迁移管的实际设计参数为,离子迁移区：20×10 mm2，检测区：8×10 mm2，离子迁移区与检测区的距离为3.5 mm，上下极板间距0.45 mm。通过推算得出为0.99，表明以设计的参数为准，检测区左侧的离子进入检测区的比例为99%，效果可以达到预期。

2.2 离子迁移管结构模型

考虑到传感器本身的尺寸限制和为减少其因响应频率过高而导致噪声和其他寄生效应过多的问题，本文在迁移区和检测区之间加了一个屏蔽模块。因此，上表面结构是由两个电极和一个屏蔽模块构成，空腔的上下表面为迁移管的迁移电极和一个屏蔽模块，空腔的上下极板构成了迁移管的核心区域。如图3所示，传感器整体由13层DuPont 951陶瓷片制作而成。

(a)FAIMS离子迁移管的三维模型图

(b)基于LTCC的FAIMS离子迁移管截面图图3 结构模型

3 离子迁移管制作

由于陶瓷Dupont 951AT流延带本身具有良好的物理韧性和化学稳定性，加之烧结温度很高，可以形成可靠性较高的电离敏感腔室[11]。因此，本文通过LTCC多层的叠片技术和厚膜印刷技术，经过适当的工艺步骤如图4所示，可以制备出符合设计要求的基于LTCC技术的FAIMS传感器的核心部件——离子迁移管[12]。离子迁移管的实物如图5所示。

图4 离子迁移管的制备工艺流程图

图5 离子迁移管

4 实验和分析

将研制的离子迁移管连接到我们的测试气路系统中，为检验研制的高集成度FAIMS迁移管的性能，搭建了相应的FAIMS检测平台，以甲苯和乙醇为样品进行实验。实验系统示意图如图6所示。

图6 实验系统示意图

实验条件：离子源采用电离能为10.6 eV的紫外灯；分离电场幅值20 000 V/cm，频率500 kHz，高场占空比0.38；整个配气系统是RCS2000-A 型计算机自动配气系统气流动力由微型真空泵提供了包括流量、浓度、分配、渗透、程序、清扫等多种模式；前端配置过滤器以过滤空气中的水汽和灰尘；样品甲苯和乙醇来自国药集团化学试剂有限公司，纯度不低于99.5%，进样方式为直接进样，进样量为自由调节；离子迁移管温度控制在200℃。实验时间间隔2 h，以释放每次实验的残留物，避免对后续检测结果的影响。实验测得了甲苯和乙醇的FAIMS谱图，如图7所示。

(a)甲苯的FAIMS谱图

(b)乙醇的FAIMS谱图图7 甲苯和乙醇的FAIMS谱图

FAIMS谱图包含3个关键部分：峰位置、峰高和峰宽。FAIMS 谱图影响参数很多，包括FAIMS 迁移管结构参数、环境参数、载气流量、电场参数等。FAIMS迁移管结构参数经过多年的发展，已经日臻成熟。环境参数一般包括温度和湿度，这需要严格控制以防止谱图漂移。对于FAIMS谱图峰分析而言，在实际测量中，关键参数包括载气流量和电场参数[13]。图中甲苯的峰位置为：1.35 V和1.8 V；乙醇的峰位置为6 V、16.5 V和19.7 V。

FAIMS谱图峰位置即谱图峰值对应的补偿电压Vc0，是标记不同物质离子的基本参量，因此对于该位置的准确描述是FAIMS 实现高分辨分离识别的基础之一。

将分离电压、FAIMS迁移管结构参数、温度等检测条件代入，并忽略高阶小量，得到简化的FAIMS谱图峰位置的公式为：

(9)

式中：p0为标准大气压；p为FAIMS迁移管中实际压强；V0为分离电压峰峰值。

从式(9)可以看出，对于同一种物质而言，二阶四阶系数确定，温度恒定时有分离电压峰峰值V0决定，并受压强影响。忽略流量产生压强变化而导致的谱图峰位置漂移和高阶小量，则式(9)写为：

(10)本文对电场参数对FAIMS 谱图峰的峰位置进行讨论，并与所给的模型进行验证。通过计算发现峰位置与分离电压的理论值与实验值符合较好。FAIMS谱图峰位置与电场的关系是FAIMS工作的基本依托，是实现不同物质分离识别的基础数据。总体而言，谱图峰位置模型在利用FAIMS谱图对物质进行识别的过程中起到了关键作用。

5 结论

设计并搭建了基于LTCC的FAIMS原理的有毒气体检测系统，通过对甲苯和乙醇的检测实验，初步验证了基于FAIMS原理的生化传感器的可行性，为进一步研究奠定了基础。采用LTCC加工工艺成功加工出微型FAIMS迁移管的气体传感器芯片，并通过初步实验验证了芯片能够正常工作。

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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

国家杰出青年科学基金资助项目(51425505)；国家自然科学基金面上项目(61471324)。

2015-03-31 收修改稿日期：2015-09-03

TN23

A

1002-1841(2015)12-0019-03

王涛龙(1989— )，硕士研究生，研究方向为FAIMS气体传感器。E-mail：jackeywell@outlook.com 梁庭(1979— )，副教授，博士，研究方向为MEMS传感器及工艺研究。E-mail：liangtingnuc@163.com