本文设计的FAIMS分离电源采用逆变半桥拓扑结构，示意图示于图2。其中，$ {Q}_{1} $、$ {Q}_{2} $分别为上桥、下桥的SJ MOS，HV_DC代表高压直流源，$ {C}_{\rm{load}} $为FAIMS分离通道金属极之间的等效电容，$ {C}_{\rm{boot}} $为上桥驱动的自举电容，$ {R}_{1} $、$ {R}_{2} $为限流电阻。当$ {Q}_{1} $导通时$ ，{C}_{\rm{load}} $电位会被拉至高压HV_DC电压轨；当$ {Q}_{2} $导通时，$ {C}_{\rm{load}} $电位会被拉至低电压轨，由此，FAIMS分离通道上就产生了高低电压切换的脉冲波。自举电容$ {C}_{\rm{boot}} $为$ {Q}_{1} $提供稳定的栅源压差V_GS，当$ {Q}_{1} $导通、$ {Q}_{2} $关闭时，源端电位会变为HV_DC，若上桥驱动依旧采用VCC作为供电位，此时，V_GS为负电压差，不符合MOS管开启要求。当添加$ {C}_{\rm{boot}} $后，在$ {Q}_{1} $导通、$ {Q}_{2} $关闭时，$ {C}_{\rm{boot}} $能维持两端电压差不突变，将上桥驱动供电位抬升至HV_DC+VCC，维持$ {Q}_{1} $处于开启状态。

FAIMS高压高频电源不仅要为迁移区的等效电容充电，还要为开关回路上的寄生电容充电，开关管自身存在寄生电容（$ {C}_{\rm{iss}} $、$ {C}_{{\mathrm{oss}}} $），且走线均存在与线宽、铜厚相关的等效电容^[16]。随着FAIMS电源布局趋向小型化、工作趋向高压高频化，这会造成不容忽视的非理想功耗。对寄生电容充放电功率$ {{P}}_{{{\rm{stray}}}} $进行分析，公式如下：

式中，$ {{C}}_{{{\rm{stray}}}} $为寄生电容，$ {U} $为电压峰值，$ {f} $为脉冲频率。

可见，优化$ {{C}}_{\rm{stray}} $对改善FAIMS功率、降低系统温度具有重要作用。本文对电路布局进行优化，采用短粗布局优化主回路，将SJ MOS尽可能靠近布局，并增大主回路与旁路的间距。同时，对自举回路中自举二极管$ {D}_{\rm{boot}} $、自举电容$ {C}_{\rm{boot}} $的选型与取值进行优化，$ {D}_{\rm{boot}} $采用正向压降低的快恢复二极管，能够显著减少自举回路的导通损耗。本文采用ROHM公司制造的RFN1LAM6STR二极管，其反向恢复时间为25 ns，正向压降和反向压降分别为1.15、600 V，可满足FAIMS分离电源高压高频的设计需求$ \mathrm{。}{C}_{\rm{boot}} $采用X7R材质的50 V/33 nF电容。

用于FAIMS的分离电源需要高输出电压，因此，半桥结构的MOS管功耗设计非常重要。MOS管开启期间，输入电容$ {C}_{\rm{iss}} $和驱动回路电阻会消耗能量，随后在关断期间释放开启期间$ {{C}}_{\rm{iss}} $存储的能量，构成了MOS管的开关损耗^[17]。MOS管在完全导通后，由于存在非零的导通电阻$ {R}_{{\rm{ds}}\left({\rm{on}}\right)} $，流过电流时会产生压降，从而产生导通功耗$ {E}_{\rm{cond}} $。MOS管的开关功耗$ {E}_{{\rm{on}}\_{\rm{total}}} $和导通功耗$ {E}_{\rm{cond}} $计算公式如下^[18-20]：

式中，$ {V}_{{\rm{DD}}} $为栅极驱动器电压，$ {V}_{{\rm{GS}}} $为栅源压差，$ {Q}_{{\rm{g}}} $为导通MOS管时注入到栅极电极的电荷量，$ {t}_{{\rm{{cond}}}} $为MOS管的导通时间，$ {V}_{{\rm{TH}}} $为阈值电压，$ {I}_{{\rm{D} }}$为流过MOS管的漏电流。

由式（2）、（3）可知，MOS管的栅极电荷$ {Q}_{{\mathrm{g}}} $和导通电阻$ {R}_{{\rm{ds}}\left({\rm{on}}\right)} $对FAIMS脉冲电源的损耗有着决定性影响。$ {Q}_{{\mathrm{g}}} $越小，开启关断过程中的功耗越少，从而提高了开关速度和能量转换效率；$ {R}_{{\rm{ds}}\left({\rm{on}}\right)} $越小，导通过程中的功耗越少。本文基于图2的电源拓扑结构，选用新式开关器件高压SJ MOS作为FAIMS脉冲电源的核心器件。与传统Si MOS相比，SJ MOS通过在其漂移区嵌入交替排列的P型和N型半导体层，创建了多个垂直PN结，当施加电压时，这种结构可以有效减少$ {Q}_{{\mathrm{g}}} $和$ {R}_{{\rm{ds}}\left({\rm{on}}\right)} $。在设计半桥电路的驱动电路时，需要考虑其具备快速驱动MOS管与隔离保护的能力。因此，本文选择德州仪器公司生产的隔离式双通道栅极驱动器UCC21520DWR。在供电12 V、输出负载电容1.8 nF时，该驱动芯片上升时间为6 ns、下降时间为7 ns，峰值输出电流为6 A，具备快速切换的能力。同时，该驱动器能提供5.7 kV_RMS的电压隔离强度，可有效隔离射频电源的低压侧和高压侧。此外，为了防止射频电源因上、下桥MOS管的导通延时而短路，将驱动电路死区时间设置为10 ns，这样兼顾了FAIMS电源的高频切换和稳定性。另外，为了优化该FAIMS电源的热稳定性，本文在SJ MOS附近紧密布局了大量U形散热片，该散热片由导热性能更好的铜制成，U型布局可以提高有效散热面积。基于上述思路设计的高压射频脉冲电源实物图示于图3，模块尺寸仅为$ 13\;\,\mathrm{ }\mathrm{c}\mathrm{m}\times 11.7\;\,\mathrm{ }\mathrm{c}\mathrm{m} $。

利用干燥过滤装置、进样装置、⁶³Ni离子源、FAIMS分离通道和法拉第盘离子检测器搭建完整的FAIMS系统，示于图4。直流补偿电压CV扫描步长设置为50 mV，范围设置为20 V；用于放大输出法拉第盘捕获的pA级电流信号的微静电计采用自制的增益为20 G，带宽为4 kHz的跨阻运算放大电路；AD转换器采用美国国家仪器公司（NI）生产的USB 6210数据采集卡。

气泵与滤芯：采用上海蓬普有限公司生产的G4BL1260S型气泵，将环境空气推过分子筛滤芯后生成干燥洁净的空气载气；进样装置：采用薄膜进样，薄膜材料为聚二甲基硅氧烷（PDMS），80 ℃恒温加热；离子源：采用能量聚焦集中的套筒状放射电离源，将薄膜10 mCi的⁶³Ni涂敷在套筒内部，该放射电离源可发射出平均能量为17 keV的电子，电子与空气中的气体分子发生持续碰撞产生离子，在最终的离子产物中，正离子一般为$ {\mathrm{H}}_{3}{\mathrm{O}}^{+}{\left({\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}\right)}_{{n}} $，负离子一般为$ {\mathrm{C}\mathrm{O}}_{4}^{-}{\left({\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}\right)}_{{n}} $，这些离子随后参与目标物的离子-分子反应过程；分离通道：利用慢走丝工艺在长度5 mm的钨钢金属体上加工出高度$ 120\;\,{\mu }\mathrm{m} $、长宽比为42的叉指状分离通道，在有效降低对电源和外围气路设计要求的同时，避免了分离通道的电荷累积效应，该分离通道与离子源等组成FAIMS核心区，示于图5；电路仪器：采用上海蚯蚓电子公司生产的CE0600010T高压直流电源供电，最大输出电压为600 V，最大输出电流为1 A；示波器：采用深圳市鼎阳科技有限公司生产的SDS2352X-E示波器，带宽为350 MHz，分辨率为8位，具有完整捕获高压射频波形的能力；探针：采用Cleqee生产的P4100无源探针，衰减倍率$ \times 100 $，带宽100 MHz，输入电容$ 6\;\,\mathrm{p}\mathrm{F} $。

丙酮（纯度99.5%）：永华化学股份公司产品；水杨酸甲酯（纯度98%）：国药集团化学试剂有限公司产品。

对图3中的高压射频电源实物进行测试，输出波形示于图6。脉冲波形的峰-峰值为506 V，频率为1 MHz，上升时间为26 ns、下降时间为22 ns，具有输出电压值高、开关切换速度快的能力；在506 V/1 MHz条件下的工作电流为57 mA，总功率仅为29 W，其上升、下降沿的尖峰过激均小于1.6%，波形完整性较优；输出的脉冲波形峰值平稳，一致性表现优异，与FAIMS理想工作条件中的脉冲方波接近，符合FAIMS的设计需求。当工作频率为1 MHz时，电源能输出峰-峰值0～506 V可调的宽电压范围脉冲方波，且不同峰-峰值条件下的输出波形均具有较好的一致性。电源工作频率和占空比由微处理器生成的脉宽调制信号（PWM）控制，该信号可快速调节电源频率在1 Hz～1 MHz范围内变化。

利用图4的FAIMS系统进行气体检测实验，设置载气流量为2.5 L/min，配置系统为阳离子模式；设置分离电压（DV）的峰-峰值以40 V步长递增，使FAIMS迁移区内分离场强步进至33 000 V/cm，对空气载气、丙酮、水杨酸甲酯进行谱图扫描，示于图7。可见，水杨酸甲酯、丙酮与空气载气在峰位置、峰强度、峰宽度方面明显不同，验证了使用本文设计的高场射频方波脉冲分离电源的FAIMS系统在分辨物质方面的有效性。

从图7c可以看出，在射频分离电压幅值达到330 V时，丙酮的谱图出现双峰特征，随着射频分离电压幅度的增大，特征双峰的距离拉大，分辨更清晰。这主要是因为离子的高场迁移率$ {K}_{\rm{high}} $和低场迁移率$ {K}_{0} $的比例差异$ {K}_{\rm{high}}/{K}_{0} $决定了筛选特定离子所需的补偿电压（CV）。更高的分离电场场强会大幅改变$ {K}_{\rm{high}}/{K}_{0} $，需要施加幅度更大的CV才能使特定离子通过迁移区被法拉第盘捕获，最终在谱图相应的CV轴上得到电信号^[21-22]。

通过分辨率$ R $评估FAIMS的分辨能力，定义示于式（4）^[23]。由于FAIMS谱图的峰高对应离子流出分离通道的最大值，代表了FAIMS的灵敏度，所以用峰高$ H $评估灵敏度，其定义示于式（5）^[24]。

式中，$ {CV}_{{\mathrm{p}}} $为最大峰强度处的补偿电压绝对值，$ W $为半峰宽，$ {n}_{{\mathrm{in}}} $为迁移区入口离子浓度，$ Q $为流量，$ {t}_{{\mathrm{drift}}} $为离子迁移时间，$ D $为扩散系数，$ {d}_{{\mathrm{eff}}} $为有效迁移高度。

FAIMS的有效迁移高度$ {d}_{{\mathrm{eff}}} $、最大峰强度处的补偿电压绝对值$ {CV}_{{\mathrm{p}}} $、半峰宽$ W $的定义式如下^[25-27]：

式中，$ d $为分离通道高度，$ \Delta d $为损耗高度，$ S $为射频电场最大幅值，$ \gamma $为分离电压脉冲占空比，$ T $为射频电源周期，$ f\left(t\right) $为射频电场形状函数，$ N $为气体密度，$ h $为分离通道宽度，$ l $为分离通道长度。

射频电压幅值是FAIMS的重要工作参数，其影响FAIMS的灵敏度与分辨率，示于图8。由图8a可以看出，增大射频电压幅值会减弱FAIMS灵敏度，这是由FAIMS有效迁移高度减小导致的。由式（5）、（6）可得，随着分离电压幅值的增大，离子在分离通道内的损耗高度$ \Delta d $越大，与分离通道壁距离小于$ \Delta d $的离子会碰撞到通道壁被中和，导致峰强度减弱。从图8b可以看出，增大射频电压幅值可以有效提高FAIMS分辨率，这是因为提高射频电压幅值增大了损耗高度$ \Delta d $，减小了半峰宽。同时，由式（7）可得，更高的射频电压需要更大的补偿电压使离子通过分离通道。分辨率与半峰宽负相关，与最大峰强度处的补偿电压绝对值正相关，这2个因素共同提高了FAIMS分辨率。

由实验可以看出，提高射频电压幅值可以优化FAIMS分辨率，但会损失较大的灵敏度；而降低射频电压幅值虽然能提高灵敏度，但分辨率不佳。因此，分离电压的选择需要综合考虑对二者的影响。

分离电源的射频频率也是FAIMS电源的重要参数，会影响FAIMS的有效迁移高度，从而改变FAIMS的灵敏度与分辨率。本文设计的FAIMS分离电源基于半桥逆变电路，具有工作频率调节简易的特点。基于此，本文进一步研究了射频电源工作频率对FAIMS灵敏度、分辨率的影响。

分离电压峰-峰值为330 V、载气流量为2.5 L/min的条件下，在分离通道上施加不同频率的射频电压，频率从200 kHz递增至1 MHz，步长为200 kHz，得到水杨酸甲酯的谱图示于图9a，其峰高和分辨率变化曲线示于图9b。由图9b可见，在200 kHz时，水杨酸甲酯的峰高度接近0，意味着离子几乎全部与分离通道壁发生碰撞；随着射频电源频率增大，峰高度明显上升，FAIMS灵敏度变高。由式（6）可得，射频电源频率与FAIMS有效迁移高度$ {d}_{{\mathrm{eff}}} $正相关，故更高的射频电源频率可使更多离子通过分离通道，峰高度更高。

随着射频电源频率的提高，FAIMS分辨率略微下降，这是由于更高的射频频率增加了有效迁移高度，使流出FAIMS分离通道的离子流在补偿电压作用下的衰减速度变慢，增大了半峰宽，而且$ \Delta d\ll d $，因此，半峰宽的增大幅度很小。根据式（7）可得，最大峰强度处的补偿电压$ {CV}_{{\mathrm{p}}} $只与分离电压有关，提高射频频率不改变最大峰强度处的补偿电压，因此分辨率会略微下降。

实验结果表明，提高射频电源频率能够明显优化FAIMS灵敏度，虽然会降低FAIMS分辨率，但降低幅度很小。

分离电压峰-峰值为290 V时，通入流量范围在$ 1.5～2.5\;\,\mathrm{ }\mathrm{L}/\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n} $的水杨酸甲酯，FAIMS谱图示于图10。可见，随着载气流量的增大，峰高度不断增加，但分辨率降低，流量的改变不会显著影响离子峰的位置。载气流量的增大会促使离子通过FAIMS迁移区的离子迁移时间$ {t}_{{\mathrm{drift}}} $减小，从式（5）可得，载气流量与峰高度正相关，且迁移时间与峰高度负相关，所以增大载气流量可以提高峰高度。随着载气流量的增大，离子能够更迅速地通过分离通道，这需要使用更高的补偿电压才能将离子推向通道壁进行中和，从而增加了谱图的半峰宽，降低了FAIMS分辨率。因此，载气流量的取值需要权衡系统的分辨率和信号检测的灵敏度。

本文基于SJ MOS开关器件和半桥逆变拓扑，设计了用于FAIMS的高压射频非对称脉冲方波分离电源，并得到空气载气、丙酮、水杨酸甲酯的谱图。电源波形测试结果表明，该电源具有500 V/1 MHz的高压高频输出，波形质量接近理想方波，具有脉冲毛刺小、功耗低的优点。谱图测试结果表明，使用该电源的FAIMS系统具有将待测物质与背景载气进行区别、分辨的能力。分离电压梯度测试结果表明，随着分离电压幅值的增大，FAIMS分辨率增大，灵敏度降低。频率梯度测试结果验证了提高FAIMS射频电源频率可在损失较少分辨率的同时有效提高FAIMS灵敏度，表明该射频电源对优化FAIMS灵敏度具有积极作用，并且FAIMS载气流量的选择要兼顾灵敏度与分辨率这2个相互制约的参数。本文设计的电源还可进一步优化器件选型和寄生参数，增大分离电源的极限峰-峰值和工作频率，对优化FAIMS分辨率、兼容多种FAIMS迁移区构型具有重要意义。