K-Matsumi DMA-20：開啟2 nm 納米顆粒一秒“閃測”新紀元

發布時間： 2025-12-29　　點擊次數： 42次

在半導體、顯示、醫藥、大氣監測等制造與科研場景里，20 nm 以下的超細納米顆粒（Ultrafine Particles, UFP）既是關鍵性能“助推器"，也是良率“隱形殺手"。傳統光學粒子計數器止步于50–100 nm，而掃描/透射電鏡雖能分辨原子卻難以在線統計。日本 K-Matsumi 公司推出的 DMA-20 差分電遷移分析儀，以“2 nm 粒徑、1 秒檢出"的指標，將“單 nm 級"與“實時級"同時寫進工業在線檢測菜單，為納米材料研發、潔凈室監控與過程控制打開了一扇新窗口。

一、技術原理：差分電遷移 + 超靈敏靜電計

DMA（Differential Mobility Analyzer）的核心是讓帶電粒子在層流電場中按電遷移率大小“排隊"。DMA-20 在經典圓柱形 DMA 基礎上做了三項革新：

層流場整形技術
采用航空級鋁合金腔體，經金剛石切削得到鏡面級（Ra ≤ 30 nm）同軸度，入口加裝多孔整流板，使雷諾數 Re < 500，確保 2 nm 粒子也不受湍流擾動。
高壓精度控制
0–20 kV 高壓模塊分辨率 0.01 V，電壓噪聲 < 0.3 mV，對應電遷移率分辨率 ΔZp/Zp ≤ 1.2 %，從而把 2 nm 與 2.1 nm 的峰分離度拉到 1 σ 以上。
飛安級靜電計陣列
放棄傳統法拉第杯 + 皮安計方案，改用 8 通道并聯式“飛安靜電計"（fA-ammeter），單通道噪聲 0.2 fA（rms, 1 Hz），等效粒徑檢測下由 5 nm 直接下探到 2 nm，且保持 1 s 時間分辨率。

二、系統架構：三合一在線平臺

DMA-20 將“采樣—中和—測量—反演"集成在 19 英寸 4U 機箱內：

軟 X 射線雙極中和器
平均電荷態 |q| ≤ 1.05 e，避免高濃度雙電荷峰拖尾，提高分布反演準確度。
逆氣流鞘氣循環
閉環干式泵 + 分子篩凈化，鞘氣潔凈度 ISO 1 級，減少 2 nm 粒子在壁面損失（傳輸效率 ≥ 65 %）。
高速反演算法
基于 Tikhonov 非負正則化，嵌入式 GPU 把 100 點粒徑分布計算壓縮到 0.3 s，實現“測完即得"。

三、關鍵性能指標

項目	規格
粒徑范圍	2–160 nm（單級 DMA）
分辨率	1.2 %（ΔZp/Zp）
最小檢出直徑	2 nm
響應時間	1 s（1 Hz 數據更新）
濃度	10? pt/cm3（無需稀釋）
重復性	σg < 1.5 %（50 nm NIST 標粒）
工作流量	0.3–1.5 L/min 可調
數據接口	Ethernet、Modbus-TCP、4–20 mA

四、應用場景

半導體晶圓廠
在線監測 EUV 光刻機臺周邊 3–10 nm 浮游顆粒，與 OPC（粒子計數器）聯動，實現污染源頭秒級報警。
納米材料合成
氣相法合成 TiO?、SiO? 納米顆粒時，DMA-20 直接給出 2–20 nm 段“真實分布"，幫助優化反應器溫度與停留，縮短研發迭代周期 40 %。
大氣環境研究
在城市路邊站搭配 SMPS 系統，捕獲車輛冷啟動排放的 3 nm 核模顆粒，為二次氣溶膠形成機制提供高時間分辨率數據。
注射藥物納米晶
對高壓均質法制備的 50–150 nm 藥物晶體進行在線閉環控制，粒徑超標 2 nm 即觸發均質壓力自動修正，確保批次一致性。

五、與傳統方案對比

方案	粒徑下	時間分辨率	在線能力	備注
光學粒子計數器	50–100 nm	1 s	?	無法覆蓋 2–20 nm
SMPS（商用）	10 nm	60–120 s	?	掃描型，時間滯后
電鏡（TEM）	0.1 nm	離線	?	取樣制樣復雜
DMA-20	2 nm	1 s	?	單級 DMA，無需掃描

六、未來展望

K-Matsumi 已在開發“DMA-20-HP"高壓版，目標 1 nm 檢出；并與 EUV 設備商合作，將 DMA-20 嵌入光刻機內部真空管路，實現 0.1 nm 級金屬污染顆粒的“原位"監測。隨著 2 nm 節點制程量產，DMA-20 及其衍生型號有望成為納米尺度“標尺"，支撐下一代超精密制造與材料科學持續突破。

結語

從“看得見"到“數得清"，K-Matsumi DMA-20 用 2 nm 的分辨率和 1 秒的閃電速度，把納米世界的“隱形顆粒"納入實時量化管理體系。它不僅是一臺儀器，更是連接納米科研與工業控制的橋梁，為良率提升、綠色制造和前沿研究提供了“洞察力"。

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