CN108173535B - 非对称波形产生电路及离子迁移谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及对生化物质进行分析测定技术领域，特别是涉及一种非对称波形产生电路及离子迁移谱仪。所述非对称波形产生电路包括：用于输入任意波形的信号输入电路。与所述信号输入电路电连接的驱动电路。与所述驱动电路电连接的波形产生电路，所述波形产生电路用于产生非对称的方波波形。所述非对称波形产生电路能够产生高幅值、高频率且占空比、正负幅值比更优的非对称方波波形。
Description
技术领域
本发明涉及对生化物质进行分析测定技术领域，特别是涉及一种非对称波形产生电路及离子迁移谱仪。
背景技术
目前，超高场非对称离子迁移光谱(Ultra High Field Asymmetric IonMobility Spectrometry,UHFAIMS)技术得到了快速发展。UHFAIMS是一种用于危险化学品、污染物和化学战剂检测的芯片级的检测技术，相比传统离子迁移谱以及气相色谱-质谱、金属氧化物半导体传感等检测技术而言，该技术可作为复杂环境下对上述物质实时监测的优选技术。然而，种类愈加繁多的危险化学品、污染物、化学战剂以及情况更加复杂的应用场合，对UHFAIMS的灵敏度、分辨率等方面的性能提出了更高的要求，面对这些要求，该技术仍然显得远不够成熟。其中，提高UHFAIMS的灵敏度和分辨率需要提高非对称波形产生电路的设计。
发明内容
基于此，有必要针对UHFAIMS的灵敏度和分辨率较低的问题，提供一种非对称波形产生电路及离子迁移谱仪。
一种非对称波形产生电路，包括：信号输入电路；与所述信号输入电路电连接的驱动电路；与所述驱动电路电连接的波形产生电路，所述波形产生电路用于产生非对称的方波波形。
在一个实施例中，所述波形产生电路包括：相互并联的第一波形产生电路和第二波形产生电路；
所述第一波形产生电路包括：MOSFET半桥混合电路、第一电容、第一电阻；
所述MOSFET半桥混合电路的第一端连接输入电压；
所述第一电容和所述第一电阻串联连接在所述MOSFET半桥混合电路的第二端和所述MOSFET半桥混合电路的第三端之间；
所述MOSFET半桥混合电路的第三端接地。
在一个实施例中，所述MOSFET半桥混合电路包括第一功率放大器、第一开关管、第二功率放大器和第二开关管；
所述第一功率放大器的输入端和所述驱动电路的第一输出端电连接，所述第一功率放大器的输出端和所述第一开关管的输入端电连接；
所述第二功率放大器的输入端和所述驱动电路的第二输出端电连接，所述第二功率放大器的输出端和所述第二开关管的输入端电连接；
所述第一开关管的第一输出端为所述MOSFET半桥混合电路的第一端，所述第一开关管的第二输出端、第三输出端和所述第二开关管的第一输出端并联作为所述MOSFET半桥混合电路的第二端；
所述第二开关管的第二输出端和第三输出端并联作为所述MOSFET半桥混合电路的第三端。
在一个实施例中，所述第一开关管和所述第二开关管均为氮化镓开关管。
在一个实施例中，所述第一波形产生电路和所述第二波形产生电路的结构相同。
一种离子迁移谱仪，包括：迁移管、电压补偿电路，以及上述任一项所述的非对称波形产生电路；
所述迁移管并联于所述波形产生电路的两输出端；
所述电压补偿电路和所述波形产生电路电连接；
所述迁移管并联于所述电压补偿电路的高电压输出端和低电压输出端。
在一个实施例中，所述迁移管为35微米的MEMS芯片。
在一个实施例中，所述电压补偿电路包括：补偿电压输入装置、高电压端输出辅助电路和低电压端输出辅助电路；
所述补偿电压输入装置的高压端与所述高电压端输出辅助电路电连接，所述补偿电压输入装置的低压端与所述低电压端输出辅助电路电连接。
在一个实施例中，所述高电压端输出辅助电路包括：
串联在所述电压补偿电路的高电压输出端和所述补偿电压输入装置的高压端之间的第一电感；以及
串联在所述电压补偿电路的高电压输出端与接地端的第二电容。
在一个实施例中，所述低电压端输出辅助电路包括：
串联在所述电压补偿电路的低电压输出端和所述补偿电压输入装置的低压端之间的第二电感；以及串联在所述电压补偿电路的低电压输出端与接地端的第三电容。
本发明中所述非对称波形产生电路包括：用于输入任意波形的信号输入电路。与所述信号输入电路电连接的驱动电路。与所述驱动电路电连接的波形产生电路，所述波形产生电路用于产生非对称的方波波形。所述非对称波形产生电路能够产生高幅值、高频率且占空比、正负幅值比更优的非对称方波波形。
附图说明
图1为一个实施例中所述非对称波形产生电路的电路图；
图2a和图2b为一个实施例中所述非对称波形产生电路产生的脉冲信号；
图3为一个实施例中所述离子迁移谱仪的电路图。
附图标号说明：
非对称波形产生电路 10
信号输入电路 100
驱动电路 200
波形产生电路 300
第一波形产生电路 301
第二波形产生电路 302
MOSFET半桥混合电路 310
第一功率放大器 311
第一开关管 312
第二功率放大器 313
第二开关管 314
第一电容 320
第一电阻 330
迁移管 400
电压补偿电路 500
补偿电压输入装置 510
高电压端输出辅助电路 520
第一电感 521
第二电容 522
低电压端输出辅助电路 530
第二电感 531
第三电容 532
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明的非对称波形产生电路及离子迁移谱仪进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
超高场非对称离子迁移光谱(UHFAIMS)中的核心部件其迁移管。在迁移管两端施加一交变的电压(或称“射频电压”)，可在迁移管的沟道产生交变的电场(或称“射频电场”)。因而可以使离子在沟道中沿一定轨迹进行迁移。待测样品中会包含不同的离子，其自身质量、电荷量等特征亦可能不同。为了尽可能地都检测到这些离子，需要对这些离子进行较好的分离。通过调节射频电场(电压)以及与之叠加的补偿电场(电压)的各项参数的值，可以使不同的离子离开迁移管并最终到达检测器上，产生信号。无法离开迁移管的离子则撞击至迁移管极板上，不会产生信号，以此实现对不同离子的分离与检测。一般地，射频电场的幅值越大，频率越高，波形质量越好，则离子检测的分辨率和灵敏度越高，分离与检测效果越好。
随着检测环境越来越复杂，对分离参数，特别是射频电压的有关参数，要求越高。相应的对非对称波形产生电路的要求也就越高。射频电压的波形一般包括双正弦、半正弦和方波三种，理论和实验都表明，方波电压最为高效。但是方波电压的产生同样却最为困难，特别是高幅值、高频率、高质量的方波电压。
本发明的目的，在于提供一种非对称波形产生电路10，用于产生高幅值、高频率、高质量且占空比、正负幅值比等参数更优的方波波形电压。并将所述非对称波形产生电路10应用于离子迁移谱仪20中。选择GaN作为开关器件，进一步拓展GaN开关器件在所述非对称波形产生电路10的应用范围，GaN器件在非对称波形产生电路10中拥有更加广泛的应用前景。使GaN开关器件不仅仅能够用于移动电话、个人计算机、高性能计算机、工作站、雷达、人造卫星等与电子、通信等领域有关的设备中，还能够用于UHFAIMS这种具有很大发展潜力的化学检测仪器中。将本发明所产生的射频电压施加于UHFAIMS的迁移管两端。使得UHFAIM可实现分离参数的高分辨调控，综合提升所述离子迁移谱仪20的整体性能(特别是分辨率、灵敏度等方面)，实现多种化学品的准确识别和定量监测。
本发明的技术方案可以促进所述离子迁移谱仪20整体的进一步微型化。以往的UHFAIMS中，非对称波形产生电路的体积成为了制约UHFAIMS整体进一步缩小的重要因素。本发明较以往UHFAIMS中所使用的非对称波形产生电路而言，其电路自身体积将更小，其中的一个重要原因在于：GaN器件具有比较高的临界击穿电场强度，使器件在给定的击穿电压下，器件的尺寸能够做得更小，因而整个电路也可以做得更小。
请参阅图1，提供的所述非对称波形产生电路10包括：信号输入电路100、驱动电路200和波形产生电路300。所述非对称波形产生电路10能够产生高幅值、高频率且占空比、正负幅值比更优的非对称方波波形的电压。所述非对称波形产生电路10至少可承受数百伏的高压。所述非对称波形产生电路10可承受数十兆赫兹的频率。所述非对称波形产生电路10可以产生占空比和正负幅值比更优异的波形。
所述信号输入电路100可以配合信号输入装置用于输入任意波形的电压信号。比如：输入的电压信号可以是周期性变化的电信号或者非周期性变化的电信号。可以是正弦波、余弦波、方波、三角波等。
所述驱动电路200与所述信号输入电路100电连接，用于驱动所述波形产生电路300产生对应的波形。所述驱动电路200可以采用双通道标准隔离装置集成。所述驱动电路200可以提高所发生电压波形的质量。
波形产生电路300与所述驱动电路200电连接。所述波形产生电路300用于产生非对称的方波波形。
在一个实施例中，所述波形产生电路300包括：相互并联的第一波形产生电路301和第二波形产生电路302。在一个实施例中，所述第一波形产生电路301和所述第二波形产生电路302的结构相同。
所述第一波形产生电路301包括：MOSFET半桥混合电路310、第一电容320、第一电阻330。所述MOSFET半桥混合电路310的第一端连接输入电压。所述第一电容320和所述第一电阻330串联后连接到所述MOSFET半桥混合电路310的第二端和第三端之间。所述MOSFET半桥混合电路310的第三端接地。MOSFET半桥混合电路310与所述驱动电路200电连接。本实施例中和功能，将所述驱动电路200与所述MOSFET半桥混合电路310集成可以减少所述非对称波形产生电路10的寄生参数，使得布线和外设器件的差异造成的上下交替开关延迟的问题得到更好的解决，提高电路整体性能。所述驱动电路200与所述MOSFET半桥混合电路310集成可以减少元器件之间的距离，减小寄生电阻、寄生电容、寄生电感等参数。金属-氧化物半导体场效应晶体管，简称金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor,MOSFET)是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管(field-effect transistor)。MOSFET依照其工作载流子的极性不同，可分为“N型”与“P型”的两种类型，通常又称为NMOSFET与PMOSFET，其他简称也可以包括NMOS、PMOS等。
在一个实施例中，所述MOSFET半桥混合电路310包括第一功率放大器311、第一开关管312、第二功率放大器313和第二开关管314。
所述第一功率放大器311的输入端和所述驱动电路200的一个输出端电连接，所述第一功率放大器311的输出端和所述第一开关管312的输入端电连接。
所述第二功率放大器313的输入端和所述驱动电路200的另一个输出端电连接，所述第二功率放大器313的输出端和所述第二开关管314的输入端电连接。
所述第一开关管312的第一输出端为所述MOSFET半桥混合电路310的第一端，所述第一开关管312的第二输出端、第三输出端和所述第二开关管314的第一输出端并联作为所述MOSFET半桥混合电路310的第二端。
所述第二开关管314的第二输出端和第三输出端并联作为所述MOSFET半桥混合电路310的第三端。
本实施例中，给出了所述MOSFET半桥混合电路310的具体结构。所述MOSFET半桥混合电路310设计的结构简单、电路实现方便。
在一个实施例中，所述第一开关管312和所述第二开关管314均为氮化镓(GaN)开关管。继第一代半导体(如Si、Ge)、第二带半导体(如GaAs、InP、InSb、GaAsAl、GaAsP)之后，出现了以GaN为代表的第三代半导体材料(其他包括SiC、ZnO、AlN等)。相比于前两代材料，GaN具有禁带宽度大、临界击穿电场高、热导率高、电子迁移率高和饱和电子速度高等特点，是一种适用于高压、高频、高功率、高温且抗辐射等级高的半导体材料，可满足当前各种应用场合的种种要求。将GaN材料的开关器件使得所述非对称波形产生电路10能够产生高幅值、高频率且占空比、正负幅值比更优的非对称方波波形的电压。
请参阅图2a和图2b，提供了所述非对称波形产生电路10产生的两种脉冲信号的示意图。可以理解，所述非对称波形产生电路10可以产生的脉冲并不限于图2a和图2b中所示，可以根据所述离子迁移谱仪的需要进行设定。
本发明的具体工作原理：
(1)方波信号发生和输入。
方波发生信号可以使用FPGA、DSP、DDS产生，由于信号幅值较小，方波输出将可以接近理想值。同时，由于采用所述驱动电路200，使得不同通路之间的不一致性大大降低。采用所述驱动电路200与所述MOSFET半桥混合电路310集成的方案，减少寄生参数，使得布线和外设器件的差异造成上下交替开关延迟的问题得到了更好的解决。
(2)驱动级信号发生。在设计上需要针对高压MOS开关的栅极米勒电容设计外部电路进行消减和LCR匹配，即，设置所述第一电容320和所述第一电阻330。
本发明中涉及到的所述迁移管400采用了小间隙迁移通道，虽然所要求的分离电场大幅度增加，GaN开关管本身也具有较高的击穿场强，但是实际所需要施加的电压可不必很高(以往需达到几kV，本发明中只需几百V)，这一点有利于本发明的不对称方波的产生，有利于提高所发生的方波的波形质量，同时也有利于GaN器件尺寸的进一步缩小。另外，所述第一开关管312和所述第二开关管314均选用GaN开关管，能够产生高幅值、高频率、高质量方波，提高UHFAIMS芯片对离子的分离效果，从而提高性能，特别是分辨率。GaN开关管载流子迁移率远大于常规的金属氧化物半导体(MOS)晶体管，具有纳秒量级的上升沿。这可容忍数十兆赫兹的高频电场，将极大减少离子振动导致的中和损耗，提高电路乃至仪器的综合性能。
请参阅图3，一种离子迁移谱仪，包括：上述任一项所述的非对称波形产生电路10、迁移管400和电压补偿电路500。
所述迁移管400并联于所述波形产生电路300的两输出端。所述电压补偿电路500和所述波形产生电路300电连接。所述迁移管400并联于所述电压补偿电路500的高电压输出端和低电压输出端。
所述信号输入电路100为信号输入，用于输入某给定的电压信号。所述驱动电路200可以采用双通道标准隔离芯片。所述驱动电路200与所述信号输入电路100电连接，用于接收所述信号输入电路的输入信号。所述驱动电路200与所述波形产生电路300电连接，还用于驱动后面的所述波形产生电路产生非对称的方波波形。所述波形产生电路300包括两个MOSFET半桥混合电路(GaN开关管)和迁移管(MEMS芯片)。MOSFET半桥混合部分用于发生达到要求(主要是波形质量)的方波电压，达到要求的方波电压产生后会施加于MEMS芯片两端。所述波形产生电路300与后面的所述电压补偿电路500电连接。其中，所述电压补偿电路500为直流输入部分，用于产生补偿电压。上述方波电压、补偿电压同时施加于MEMS芯片两端。
在一个实施例中，所述迁移管400为35微米的MEMS芯片。随着科技的发展，所述迁移管400的尺寸也会更加精确化和微型化。可以理解，所述迁移管400可以选择其他的型号或尺寸。
在一个实施例中，所述电压补偿电路500包括：补偿电压输入装置510、高电压端输出辅助电路520和低电压端输出辅助电路530。所述补偿电压输入装置510的具体形式再次不坐具体的限定，可以是用于提供电压的各种装置。
所述补偿电压输入装置510的高压端与所述高电压端输出辅助电路520电连接，所述补偿电压输入装置510的低压端与所述低电压端输出辅助电路530电连接。
在一个实施例中，所述高电压端输出辅助电路520包括：串联在所述电压补偿电路500的高电压输出端和所述补偿电压输入装置510的高压端之间的第一电感521和串联在所述电压补偿电路500的高电压输出端与接地端的第二电容522。本实施例中，所述第一电感521和所述第二电容522的设置主要完成了所述电压补偿装置510向所述迁移管400的稳定的补偿电压输入。
在一个实施例中，所述低电压端输出辅助电路530包括：串联在所述电压补偿电路500的低电压输出端和所述补偿电压输入装置510的低压端之间的第二电感531和串联在所述电压补偿电路500的低电压输出端与接地端的第三电容532。本实施例中，所述第二电感531和所述第三电容532的设置主要完成了所述电压补偿装置510向所述迁移管400的稳定的补偿电压输入。
本发明提供的所述非对称波形产生电路10中减少了寄生电容的存在，使得上升沿减小。所述非对称波形产生电路10中所述第一开关管312和所述第二开关管314的材料的选择也是需要考虑的一个问题。选取何种材料关系到所述非对称波形产生电路10中开关管自身工作性能的优劣以及对应用场合适应能力的强弱，从而影响到所述非对称波形产生电路10乃至整个所述离子迁移谱仪20的工作性能与适应能力。所述非对称波形产生电路10中使用了较多的半导体材料，若半导体材料难以满足击穿电场高、热导率高、抗辐射性能强、化学稳定性好等要求，则势必会制约所述离子迁移谱仪20的分辨率和灵敏度等性能指标的进一步提高。
所述非对称波形产生电路10自身所占用的体积空间的大小会影响整个所述离子迁移谱仪20体积的大小。而所述离子迁移谱仪20中的核心部件：迁移管的宏观尺寸现可缩小至毫米级，整体体积不到一个硬币大小，故所述非对称波形产生电路10的体积大小成为了制约所述离子迁移谱仪20整体体积进一步微型化的关键因素。若所述非对称波形产生电路10的体积无法进一步微型化，则所述离子迁移谱仪20的整体体积也难以进一步微型化，从而给所述离子迁移谱仪20的携带、操作带来了诸多不便，限制了其应用场合。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种非对称波形产生电路，其特征在于，包括：
信号输入电路(100)；
与所述信号输入电路(100)电连接的驱动电路(200)；
与所述驱动电路(200)电连接的波形产生电路(300)，所述波形产生电路(300)用于产生非对称的方波波形；
所述波形产生电路(300)包括：相互并联的第一波形产生电路(301)和第二波形产生电路(302)；
所述第一波形产生电路(301)包括：MOSFET半桥混合电路(310)、第一电容(320)、第一电阻(330)；
所述MOSFET半桥混合电路(310)的第一端连接输入电压；
所述第一电容(320)和所述第一电阻(330)串联连接在所述MOSFET半桥混合电路(310)的第二端和所述MOSFET半桥混合电路(310)的第三端之间；
所述MOSFET半桥混合电路(310)的第三端接地；
所述MOSFET半桥混合电路(310)包括第一功率放大器(311)、第一开关管(312)、第二功率放大器(313)和第二开关管(314)；
所述第一功率放大器(311)的输入端和所述驱动电路(200)的第一输出端电连接，所述第一功率放大器(311)的输出端和所述第一开关管(312)的输入端电连接；
所述第二功率放大器(313)的输入端和所述驱动电路(200)的第二输出端电连接，所述第二功率放大器(313)的输出端和所述第二开关管(314)的输入端电连接；
所述第一开关管(312)的第一输出端为所述MOSFET半桥混合电路(310)的第一端，所述第一开关管(312)的第二输出端、第三输出端和所述第二开关管(314)的第一输出端并联作为所述MOSFET半桥混合电路(310)的第二端；
所述第二开关管(314)的第二输出端和第三输出端并联作为所述MOSFET半桥混合电路(310)的第三端。
2.如权利要求1所述的非对称波形产生电路，其特征在于，所述第一开关管(312)和所述第二开关管(314)均为氮化镓开关管。
3.如权利要求2所述的非对称波形产生电路，其特征在于，所述第一波形产生电路(301)和所述第二波形产生电路(302)的结构相同。
4.一种离子迁移谱仪，其特征在于，包括：迁移管(400)、电压补偿电路(500)，以及如权利要求1-3中任一项所述的非对称波形产生电路(10)；
所述迁移管(400)并联于所述波形产生电路(300)的两输出端；
所述电压补偿电路(500)和所述波形产生电路(300)电连接；
所述迁移管(400)并联于所述电压补偿电路(500)的高电压输出端和低电压输出端。
5.如权利要求4所述的离子迁移谱仪，其特征在于，所述迁移管(400)为35微米的MEMS芯片。
6.如权利要求4所述的离子迁移谱仪，其特征在于，所述电压补偿电路(500)包括：补偿电压输入装置(510)、高电压端输出辅助电路(520)和低电压端输出辅助电路(530)；
所述补偿电压输入装置(510)的高压端与所述高电压端输出辅助电路(520)电连接，所述补偿电压输入装置(510)的低压端与所述低电压端输出辅助电路(530)电连接。
7.如权利要求6所述的离子迁移谱仪，其特征在于，所述高电压端输出辅助电路(520)包括：
串联在所述电压补偿电路(500)的高电压输出端和所述补偿电压输入装置(510)的高压端之间的第一电感(521)；以及
串联在所述电压补偿电路(500)的高电压输出端与接地端的第二电容(522)。
8.如权利要求6所述的离子迁移谱仪，其特征在于，所述低电压端输出辅助电路(530)包括：
串联在所述电压补偿电路(500)的低电压输出端和所述补偿电压输入装置(510)的低压端之间的第二电感(531)；以及
串联在所述电压补偿电路(500)的低电压输出端与接地端的第三电容(532)。
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