K-Matsumi DMA-20：开启2 nm 纳米颗粒一秒“闪测”新纪元

发布时间： 2025-12-29　　点击次数： 5次

在半导体、显示、医药、大气监测等制造与科研场景里，20 nm 以下的超细纳米颗粒（Ultrafine Particles, UFP）既是关键性能“助推器"，也是良率“隐形杀手"。传统光学粒子计数器止步于50–100 nm，而扫描/透射电镜虽能分辨原子却难以在线统计。日本 K-Matsumi 公司推出的 DMA-20 差分电迁移分析仪，以“2 nm 粒径、1 秒检出"的指标，将“单 nm 级"与“实时级"同时写进工业在线检测菜单，为纳米材料研发、洁净室监控与过程控制打开了一扇新窗口。

一、技术原理：差分电迁移 + 超灵敏静电计

DMA（Differential Mobility Analyzer）的核心是让带电粒子在层流电场中按电迁移率大小“排队"。DMA-20 在经典圆柱形 DMA 基础上做了三项革新：

层流场整形技术
采用航空级铝合金腔体，经金刚石切削得到镜面级（Ra ≤ 30 nm）同轴度，入口加装多孔整流板，使雷诺数 Re < 500，确保 2 nm 粒子也不受湍流扰动。
高压精度控制
0–20 kV 高压模块分辨率 0.01 V，电压噪声 < 0.3 mV，对应电迁移率分辨率 ΔZp/Zp ≤ 1.2 %，从而把 2 nm 与 2.1 nm 的峰分离度拉到 1 σ 以上。
飞安级静电计阵列
放弃传统法拉第杯 + 皮安计方案，改用 8 通道并联式“飞安静电计"（fA-ammeter），单通道噪声 0.2 fA（rms, 1 Hz），等效粒径检测下由 5 nm 直接下探到 2 nm，且保持 1 s 时间分辨率。

二、系统架构：三合一在线平台

DMA-20 将“采样—中和—测量—反演"集成在 19 英寸 4U 机箱内：

软 X 射线双极中和器
平均电荷态 |q| ≤ 1.05 e，避免高浓度双电荷峰拖尾，提高分布反演准确度。
逆气流鞘气循环
闭环干式泵 + 分子筛净化，鞘气洁净度 ISO 1 级，减少 2 nm 粒子在壁面损失（传输效率 ≥ 65 %）。
高速反演算法
基于 Tikhonov 非负正则化，嵌入式 GPU 把 100 点粒径分布计算压缩到 0.3 s，实现“测完即得"。

三、关键性能指标

项目	规格
粒径范围	2–160 nm（单级 DMA）
分辨率	1.2 %（ΔZp/Zp）
最小检出直径	2 nm
响应时间	1 s（1 Hz 数据更新）
浓度	10⁷ pt/cm³（无需稀释）
重复性	σg < 1.5 %（50 nm NIST 标粒）
工作流量	0.3–1.5 L/min 可调
数据接口	Ethernet、Modbus-TCP、4–20 mA

四、应用场景

半导体晶圆厂
在线监测 EUV 光刻机台周边 3–10 nm 浮游颗粒，与 OPC（粒子计数器）联动，实现污染源头秒级报警。
纳米材料合成
气相法合成 TiO₂、SiO₂ 纳米颗粒时，DMA-20 直接给出 2–20 nm 段“真实分布"，帮助优化反应器温度与停留，缩短研发迭代周期 40 %。
大气环境研究
在城市路边站搭配 SMPS 系统，捕获车辆冷启动排放的 3 nm 核模颗粒，为二次气溶胶形成机制提供高时间分辨率数据。
注射药物纳米晶
对高压均质法制备的 50–150 nm 药物晶体进行在线闭环控制，粒径超标 2 nm 即触发均质压力自动修正，确保批次一致性。

五、与传统方案对比

方案	粒径下	时间分辨率	在线能力	备注
光学粒子计数器	50–100 nm	1 s	✔	无法覆盖 2–20 nm
SMPS（商用）	10 nm	60–120 s	✔	扫描型，时间滞后
电镜（TEM）	0.1 nm	离线	✘	取样制样复杂
DMA-20	2 nm	1 s	✔	单级 DMA，无需扫描

六、未来展望

K-Matsumi 已在开发“DMA-20-HP"高压版，目标 1 nm 检出；并与 EUV 设备商合作，将 DMA-20 嵌入光刻机内部真空管路，实现 0.1 nm 级金属污染颗粒的“原位"监测。随着 2 nm 节点制程量产，DMA-20 及其衍生型号有望成为纳米尺度“标尺"，支撑下一代超精密制造与材料科学持续突破。

结语

从“看得见"到“数得清"，K-Matsumi DMA-20 用 2 nm 的分辨率和 1 秒的闪电速度，把纳米世界的“隐形颗粒"纳入实时量化管理体系。它不仅是一台仪器，更是连接纳米科研与工业控制的桥梁，为良率提升、绿色制造和前沿研究提供了“洞察力"。

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