微型平板差分遷移率譜技術(shù)研究.pdf

1、差分遷移率譜(DMA)，也稱為電氣溶膠分析儀(EAA)、差分遷移率粒徑分析儀(DMPS)等，是一種基于帶電粒子或離子低場遷移率來實現(xiàn)物質(zhì)的分離和檢測的離子遷移譜技術(shù)。DMA最初用來檢測氣溶膠等帶電粒子的粒徑大小，隨著技術(shù)和需求的發(fā)展推動，該技術(shù)逐漸拓展至痕量物質(zhì)檢測分析領(lǐng)域。DMA結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、檢測速度快且可連續(xù)檢測，因而在爆炸物、毒品、環(huán)境污染物等現(xiàn)場痕量物質(zhì)的檢測領(lǐng)域有著大的應(yīng)用價值?，F(xiàn)階段，DMA在現(xiàn)場檢測方面的應(yīng)用和發(fā)展主

2、要受到以下兩個問題的制約:
　　其一，DMA作為一種分析技術(shù)，其最重要的應(yīng)用是作為現(xiàn)場檢測儀器，這就要求DMA具有體積小、重量輕和便攜等優(yōu)點。傳統(tǒng)的DMA遷移管大都為圓柱形結(jié)構(gòu)，其由兩根同軸的內(nèi)外圓柱電極構(gòu)成。電極的同軸度要求極高，其很小的誤差也會導(dǎo)致電場的不均勻而降低DMA的檢測性能，而電極尺寸越小時，其同軸度精度越難控制，這會大大加大DMA遷移管微型化的難度。同時，圓柱形結(jié)構(gòu)DMA內(nèi)電極通常接高壓電源，其內(nèi)部空間難以被利用而存

3、在巨大浪費，這對體積有嚴(yán)格要求的便攜式檢測設(shè)備發(fā)展及其不利。
　　其二，DMA最初用于檢測粒徑為微米或亞微米的氣溶膠，近些年來，其檢測粒徑范圍也逐漸拓寬至納米數(shù)量級。然而，當(dāng)粒徑小于50nm時，由于離子在氣體中的擴(kuò)散作用顯著增大，DMA的檢測效果也會顯著變差。大流速會減小帶電粒子在遷移管中的運行時間，高電壓會減小帶電粒子在氣體中的擴(kuò)散，因而圓柱形DMA常采用大流速(＞100 L/min)和高電壓(＞1 kV)來降低離子擴(kuò)散的影響。

4、然而，大流速和高電壓需要更大的泵和電源來實現(xiàn)，不僅使得DMA的成本大大提高也使得其整體結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，這同樣不利于DMA作為現(xiàn)場檢測儀器對小體積和輕重量的要求。
　　鑒于上述問題，本文的主要工作是:
　　首先，對DMA核心器件遷移管進(jìn)行結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的改進(jìn)。DMA遷移管有圓柱形、徑向形和平板型三種結(jié)構(gòu)。相比其他兩種結(jié)構(gòu)遷移管，平板形遷移管容易加工和組裝，空間利用率高。相同流速時，平板型遷移管因其內(nèi)部電場更均勻而比圓柱形遷移管有

5、更高的分辨率。建立平板DMA結(jié)構(gòu)的理論模型，并基于模型分析和討論遷移管核心結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括電極參數(shù)和進(jìn)出氣接口參數(shù)，對DMA檢測性能的影響，從而為設(shè)計和優(yōu)化遷移管結(jié)構(gòu)參數(shù)提供依據(jù)。傳統(tǒng)的DMA遷移管內(nèi)部電極半徑在一般在1～2.5 cm范圍，外部電極半徑則在2.5～4 cm范圍內(nèi)，電極長度很長，基本都在1.8～45.52cm范圍內(nèi)。基于氧化鋁陶瓷和厚膜電極印刷工藝，本文自行研制了兩種遷移管:切向匯聚式DMA遷移管(t-DMA)和法向匯聚式D

6、MA遷移管(n-DMA)，其電極的長寬高相比傳統(tǒng)圓柱遷移管都要小1～2個數(shù)量級。DMA電極參數(shù)的減小，不僅直接縮小DMA的結(jié)構(gòu)尺寸，而且減小所需的條件參數(shù)，如更小的電壓和流量能達(dá)到大尺寸遷移管所需的電場和流速。氧化鋁陶瓷和厚膜工藝使得遷移管有高的加工精度和平整度。
　　然后，研究DMA測控參數(shù)對檢測性能的影響。DMA的檢測性能受到許多測控參數(shù)的影響，其中幾個最重要的分別是:下芯片牽引電壓、鞘氣種類、鞘氣和樣品氣的流速比。依據(jù)實驗結(jié)