基于MEMS技术的敞开式离子源和微型气泵集成系统研究

According to the ambient ion source shortcomings of non-miniaturization, huge volume of the gas supply system and inconvenience to carry, an integrated system consisting of a novel ambient ion source and a micro air pump based on the MEMS technology is put forward, which satisfies the requirements for the micro analytical instrument used in the environment and biochemical detection. The system realizes the double function of the micro air pump and the ion source through the ionic wind based on the corona discharge. The wire-rod corona discharge electrode structure adopts the inductively coupled plasma （ICP） technology to form on the basis of the mature domestic MEMS technology. At the same time, in order to increase the gas flow rate, the array arrangement is employed in the wire-rod structure. By building the theoretical model of the wire-rod corona discharge in small spacing and ambient atmosphere environment, studying the effect of the different structural parameters on the corona discharge and finding out the optimization discharge parameters, the stable corona discharge is implemented and the ionic wind produced. Thus, the functions of the ion source and the air pump are realized. By loading the same voltage on the four electrodes, the ion focusing function is realized.The aim of the project is to provide a high performance integrated system of ambient ion source and micro air pump for the portable analytical instrument, such as mass spectrometry, ion mobility spectrometry, high-field ion asymmetric waveform ion mobility spectrometry, and to get some valuable basic theories and practical technologies.

本项目针对敞开式离子源存在的离子源没有微型化、供气系统体积庞大、不便携带等问题，以面向环境和生化检测应用的微型分析仪器为应用背景，提出了一种基于MEMS技术的新型敞开式离子源和微型气泵的集成系统。该集成系统采用基于电晕放电的离子风来实现微型气泵和离子源的双重功能。根据国内成熟的MEMS工艺，采用感应耦合等离子体（ICP）工艺形成线-柱电晕放电结构，同时为了增大气体流速，线-柱结构采用阵列式排列。建立小间距、敞开式大气压环境下线-柱结构电晕放电的理论模型，研究不同结构参数对电晕放电性能的影响，寻找出最佳放电参数，实现稳定的电晕放电并产生一定流速的离子风，从而实现离子源和气泵的功能。通过在四个电极上加载同一电压，实现离子聚焦功能。本项目旨在为相关便携式分析仪器（如质谱仪、离子迁移谱、高场非对称波形离子迁移谱等）提供一种高性能的敞开式离子源和微型气泵集成系统，取得有价值的基础理论和实用技术。

用于痕量物质检测的便携式分析仪器是近年来国际上的研究热点，国内外学者开展了大量的研究。本项目以便携式分析仪器的关键技术-离子源和供气系统的微型化为研究对象，针对敞开式离子源存在的离子源没有微型化、供气系统体积庞大、不便携带等问题，以面向环境和生化检测应用的微型分析仪器为应用背景，提出了一种基于MEMS技术的新型敞开式离子源和微型气泵集成系统。课题组经过三年的研究，在以下方面取得了突破：（1）设计了一种新型的针-柱电极结构放电装置。采用针尖直径为56.4μm的不锈钢针作为放电阴极，直径为4mm的紫铜圆柱作为放电阳极，在大气压环境、室温、无外部通入气流时，针-柱之间实现了稳定的电晕放电和辉光放电。（2）首次通过理论和实验研究发现，在针-柱电晕放电阶段，离子风流速随电流的增大而增大；进入辉光放电阶段后，离子风流速反而减小。（3）在单针-单柱的基础上，对单排针-单柱、单排针-双柱、双排针-双柱三种不同的针-柱结构进行了放电实验，表明双排针-双柱结构产生的风速最大。采用双排针-双柱、间距10mm的针-柱电极结构进行了乙酸的进样和电离实验，PH试纸变红表明乙酸在离子风的驱动下实现了进样，放电电压-12000V时法拉第杯检测到的电流值为-200pA表明乙酸实现了电离。（4）基于MEMS工艺，设计加工了金属电极的针-阵列式柱结构。在大气压环境，无外界气流的条件下，实现了MEMS针-柱结构稳定的电晕放电和辉光放电，且产生了最大流速0.79m/s的离子风，辉光放电时法拉第杯检测到的最大电流值为-123pA，实现了乙酸的进样和电离。通过上述研究，取得了有价值的基础理论和实用技术，为相关便携式分析仪器提供了一种高性能的敞开式离子源和微型气泵集成系统。