微空心陰極放電電離源整合式faims的製作方法

2023-05-27 16:33:51 3

微空心陰極放電電離源整合式faims的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種微空心陰極放電電離源整合式FAIMS，包括支撐固定板和PCB板；所述支撐固定板從上至下依次固定有微空心陰極放電電離源、FAIMS晶片和檢測器，並且固定於所述PCB板上，所述進氣口、所述微空心陰極放電電離源、所述FAIMS晶片和檢測器之間形成貫穿所述支撐固定板和PCB板的檢測通道；本發明放電電壓低，解決了現有技術中集成的微型高場非對稱波形離子遷移譜中離子源要外加很大的離化電壓因而對其他區域造成電場幹擾，影響裝置的穩定性和靈敏性的問題，從而提供一種穩定性和靈敏性高、生產方便的並且能在大氣壓下使用的微空心陰極放電電離源整合式FAIMS。
【專利說明】微空心陰極放電電離源整合式FAIMS
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種對生化物質進行快速檢測裝置，具體是一種微空心陰極放電電離源整合式FAMS，屬於現場分析檢測【技術領域】。
【背景技術】
[0002]高場非對稱波形離子遷移譜(FieldAsymmetric Waveform 1n MobilitySpectrometry, FAIMS)技術是前蘇聯科學家另闢蹊徑發展的一種遷移譜技術,在上世紀90年初首次由Buryakov等公開發表。傳統離子遷移譜技術主要是依靠低電場下(〈1000 V/cm)各種離子遷移率的不同，樣品離子到達檢測器的漂移時間不同來分離識別不同化合物而達到分析檢測的目的。在低電場下(〈1000 V/cm)，物質的離子遷移率是恆定的常數，與場強無關。而在高電場(>10000 V/cm)下，不同離子遷移率與電場之間的呈現複雜的非線性依賴關係。該非線性關係與電場強度有關。高場非對稱波形離子遷移譜技術就是基於這一點，在兩個平行電極上加入一個交替變化的高低電場，不同的離子在一個交替變化周期電場的遷移量將不同，同時在電場方向上引入一個直流補償電壓，來調節區分出不同的離子。
[0003]FAIMS在初期以其高選擇性和信噪比引起了廣泛關注，但是存在著體積較大、製作工藝較複雜、功耗較高且很難批量生產的問題。此後國外一些公司致力於研究微型離子遷移譜儀，主要有平板型和圓筒型。圓筒型微型離子遷移譜儀原理同平板型一樣，只是將兩個電極分別是內部的實心圓柱和外面的圓桶，與平板型相比其受外界的電場幹擾較小，從而有更高的靈敏度，但是其對製作工藝要求非常高，不適合批量生產。
[0004]不論是圓筒型還是平板型，現有產品都只是作為整個高場非對稱波形離子遷移譜儀的一部分，而沒有集成離子源和檢測儀，從而外接的時候會增大體積，使通道增長，會降低離子濃度。
[0005]為了解決這一技術問題，中國CN101067616A號發明專利公布了一種縱向高場不對稱波形離子遷移譜裝置，包括介質阻擋放電離化源、屏蔽電極、檢測儀。所述介質阻擋放電離化源包括阻擋介質，即硼矽玻璃及鍍於硼矽玻璃上的離化電極和離化電路，屏蔽電極置有分別平行鍍於硼矽玻璃上的離化遷移內屏蔽電極、離化遷移外屏蔽電極和遷移檢測屏蔽電極。雖然該發明集成了電離源、離子遷移管和檢測儀，但是該發明中離子源外加離化電壓可以達到幾千伏以上，能量耗損大並且容易對其他部件造成幹擾，雖然其也採用了屏蔽電極來解決此問題，但是不可能完全消除離子源上所加的高壓對其他器件的影響，只能改善，所以還是會對其他不同區域造成電場幹擾，降低裝置的穩定性和靈敏度。此外，該技術方案中採用硼矽玻璃，並在硼矽玻璃上鍍離化電極和離化電路，由於玻璃材質易碎、加工不便，導致該設備生產與裝配很不方便。

【發明內容】

[0006]本發明所要解決的技術問題是現有技術中集成的微型高場非對稱波形離子遷移譜中離子源都要外加很大的離化電壓因而對其他區域造成電場幹擾，影響裝置的穩定性和靈敏性的問題，從而提供一種穩定性和靈敏性高、生產方便的能在大氣壓下使用的微空心陰極放電電離源整合式FAIMS。
[0007]為解決上述技術問題，本發明是通過以下技術方案實現的:
一種微空心陰極放電電離源整合式FAMS，包括PCB板和支撐固定板，所述支撐固定板的一端連接在所述PCB板上，另一端為開放端，在所述開放端上設置有進氣口和電源接口 ；所述支撐固定板內部從所述開放端至連接端分層依次設置有微空心陰極放電電離源、FAMS晶片和檢測器，所述檢測器設置在所述PCB板上，所述進氣口、所述微空心陰極放電電離源、所述FAMS晶片和檢測器之間形成貫穿所述支撐固定板和PCB板的檢測通道。
[0008]所述微空心陰極放電電離源為三層結構，並設置有貫穿三層的放電通道，其中間層為絕緣層，進氣口一側為陽極，出氣口一側為陰極，所述陽極和陰極採用金屬材料。
[0009]所述陽極和陰極之間距離為20-400微米，所述放電通道為圓柱形，其直徑為20-400微米，陽極和陰極的厚度為10-200微米。
[0010]所述微空心陰極放電電離源的放電電壓為200-450V，放電電流為0.5_10mA。
[0011]所述放電通道為1-9個，呈陣列形式分布。
[0012]所述微空心陰極放電電離源中的放電氣體為氦氣、氖氣、氬氣或者氮氣、空氣。
[0013]所述微空心陰極放電電離源的外加電壓採用直流電壓或交流電壓。
[0014]所述FAMS晶片中間沿著同一方向在矽片上刻蝕出多個離子遷移溝道，每個所述溝道的間距為30-500微米，其深度為300-3000微米。
[0015]所述FAMS晶片外加一個非對稱的射頻高壓，其頻率在0.2-30MHZ，以實現高低電場交替變化的環境。
[0016]所述微空心陰極放電電離源整合式FAMS採用MEMS工藝加工，整合式FAMS整體厚度為0.8-1.5釐米，支撐固定板的外徑為2.5-3.5釐米。
[0017]本發明的上述技術方案相比現有技術具有以下優點:
(I)本發明所述的微空心陰極放電電離源整合式FAIMS，採用微空心陰極放電電離源放電電壓相對較低，對其他器件的電場幹擾較小，解決了現有技術中集成的微型高場非對稱波形離子遷移譜中離子源都要外加很大的離化電壓因而對其他區域造成電場幹擾，影響裝置的穩定性和靈敏性的問題，使得微空心陰極放電電離源整合式FAIMS具有更好的穩定性和更高的靈敏性。
[0018](2 )本發明所述的微空心陰極放電電離源整合式FAMS，採用微空心陰極放電電離源能產生的等離子體密度高，電子濃度大，克服了現有技術中產生的離子濃度不高，導致離子遷移譜的信號比較弱，線性範圍小的問題。
[0019](3)本發明所述的微空心陰極放電電離源整合式FAMS，所述放電通道為圓柱形，其直徑為20-400微米，實現了微空心陰極放電電離源在大氣壓下放電，降低了工作要求，更適合推廣應用到更多的器件。
[0020](4)本發明所述的微空心陰極放電電離源整合式FAMS，本發明採用MEMS工藝加工，整體厚度僅約0.8-1.5cm，外徑約2.5-3.5 cm。整合式的微空心陰極放電離子源與遷移區的微納化使器件大大縮小，可以實現強場非對稱波形離子遷移譜儀的微型化。
【專利附圖】

【附圖說明】[0021]為了使本發明的內容更容易被清楚的理解，下面結合附圖，對本發明作進一步詳細的說明，其中，
圖1是本發明所述微空心陰極放電電離源整合式FAIMS的切面剖視圖；
圖2是本發明所述微空心陰極放電電離源整合式FAIMS的單孔式微空心陰極放電電離源的結構示意圖；
圖3是本發明所述微空心陰極放電電離源整合式FAIMS的多孔式微空心陰極放電電離源的結構示意圖；
圖4是本發明所述微空心陰極放電電離源整合式FAMS中的FIAMS晶片的主視圖；
圖5是本發明所述微空心陰極放電電離源整合式FAIMS的應用多孔式微空心陰極放電電離源的整合式FAIMS的切面剖視圖。
[0022]圖中附圖標記表示為:1-支撐固定板,2-微空心陰極放電電離源，3-FAMS晶片，4-密封圈，5-PCB板，6-多孔微空心陰極放電電離源，7-檢測器，21-絕緣層，22-陽極，23-陰極。
【具體實施方式】
[0023]下面提供本發明所述的微空心陰極放電電離源整合式FAIMS的【具體實施方式】。
[0024]實施例1
本發明所述的微空心陰極放電電離源整合式FAIMS的結構如圖1所示，包括PCB板5和支撐固定板1，所述支撐固定板I的一端連接在所述PCB板5上，另一端為開放端，在所述開放端上設置有進氣口和電源接口 ；所述支撐固定板I內部從所述開放端至連接端分層依次設置有微空心陰極放電電離源2、FAIMS晶片3和檢測器7，所述檢測器7設置在所述PCB板5上，所述進氣口、所述微空心陰極放電電離源2、所述FAMS晶片3和檢測器7之間形成貫穿所述支撐固定板I和PCB板5的檢測通道；所述支撐固定板I優選的可以採用圓形結構，樣品從微空心陰極放電電離源2端進入檢測通道，所述空心陰極放電電流的範圍為0.5-10mA,當所述微空心陰極放電電流為ImA時，所述微空心陰極放電電離源在大氣壓下保持穩定的微空心陰極放電，此時的放電電壓為200-450V,遠遠低於現有技術中的幾千伏，使得本發明使用起來更穩定更方便；樣品經過微空心陰極放電離子源2進行電離，電離後的各種離子經過離子遷移溝道晶片進行篩選後，在檢測器7上通過微電流放大器進行檢測。
[0025]實施例2
本發明所述的微空心陰極放電電離源整合式FAIMS中的所述微空心陰極放電電離源2為三層結構，如圖2所示，並設置有貫穿三層的放電通道，其中間層為絕緣層21，進氣口一側為陽極22，出氣口一側為陰極23，所述陽極22和陰極23採用金屬材料，優選的採用鉬。所述絕緣層21優選的採用石英，所述陽極22和陰極23之間的距離和氣體通道直徑優選的為100微米，所述放電通道優選的為圓柱形，其直徑100微米，陽極22和陰極23的厚度均為50微米。所述微空心陰極放電電離源2的放電通道採用一個，也可採用有多個呈陣列形式，所述放電通道最優選的為4個，呈陣列形式分布，如圖3中的多孔微空心陰極放電電離源6。所述微空心陰極放電電離源2中的放電氣體採用惰性氣體如氦氣、氖氣、氬氣。所述微空心陰極放電電離源2的外加電壓優選的採用直流電壓。[0026]作為其他可變換的方式，所述陽極22和陰極23還可以採用鎳、鎢、銅等，所述絕緣層21還可以採用雲母、陶瓷、輕型耐高溫塑料等，所述放電氣體還可以採用氮氣、空氣等，外加電壓也可採用交流電壓如RF射頻電壓，所述陽極22和陰極23之間的距離和氣體通道直徑還可以為20-400微米，所述放電通道還可以為其他形狀如方形，陽極22和陰極23的厚度均還可以為10-200微米，所述放電通道數量還可以選擇1-9個。
[0027]實施例3
本發明所述的微空心陰極放電電離源整合式FAMS中的所述FAMS晶片3中間沿著縱向在矽片上刻蝕出多個離子遷移溝道。如圖4所示，每個溝道的間距優選的為30-500微米，溝道的深度優選的為300-3000微米，本實施例中溝道的間距為100微米，溝道的深度為700微木。在所述FAMS晶片3的兩個電極優選的加上一個非對稱的射頻高壓，頻率優選為
0.2-30MHZ,實現高低電場交替變化的環境。
[0028]實施例4
本發明所述的微空心陰極放電電離源整合式FAIMS採用MEMS工藝加工，如圖5所示，整體厚度僅約0.8-1.5cm，外徑約2.5-3.5 cm，使本發明微型化，可以應用的範圍更廣。所述支撐固定板I外部採用密封圈4固定。
[0029]顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而並非對實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這裡無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處於本發明創造的保護範圍之中。
【權利要求】
1.一種微空心陰極放電電離源整合式FAMS，包括PCB板和支撐固定板，所述支撐固定板的一端連接在所述PCB板上，另一端為開放端，在所述開放端上設置有進氣口和電源接Π ； 其特徵在於:所述支撐固定板內部從所述開放端至連接端分層依次設置有微空心陰極放電電離源、FAMS晶片和檢測器，所述檢測器設置在所述PCB板上，所述進氣口、所述微空心陰極放電電離源、所述FAMS晶片和檢測器之間形成貫穿所述支撐固定板和PCB板的檢測通道。
2.根據權利要求1所述的微空心陰極放電電離源整合式FAMS，其特徵在於:所述微空心陰極放電電離源為三層結構，並設置有貫穿三層的放電通道，其中間層為絕緣層，進氣口一側為陽極，出氣口一側為陰極，所述陽極和陰極均採用金屬材料。
3.根據權利要求1或2所述的微空心陰極放電電離源整合式FAMS，其特徵在於:所述陽極和陰極之間距離為20-400微米，所述放電通道為圓柱形，其直徑為20-400微米，陽極和陰極的厚度均為10-200微米。
4.根據權利要求1或2或3任一項所述的微空心陰極放電電離源整合式FAMS，其特徵在於:所述微空心陰極放電電離源的放電電壓為200-450V，放電電流為0.5-10mA。
5.根據權利要求2-4任一項所述的微空心陰極放電電離源整合式FAMS，其特徵在於:所述放電通道為1-9個，呈陣列形式分布。
6.根據權利要求1-5任一項所述的微空心陰極放電電離源整合式FAMS，其特徵在於:所述微空心陰極放電電離源中的放電氣體為氦氣、氖氣、IS氣或者氮氣、空氣。
7.根據權利要求1-6任一項所述的微空心陰極放電電離源整合式FAMS，其特徵在於:所述微空心陰極放電電離源的外加電壓採用直流電壓或交流電壓。
8.根據權利要求1-7任一項所述的微空心陰極放電電離源整合式FAMS，其特徵在於:所述FAMS晶片中間沿著同一方向在矽片上刻蝕出多個離子遷移溝道，每個所述溝道的間距為30-500微米，其深度為300-3000微米。
9.根據權利要求1-8任一項所述的微空心陰極放電電離源整合式FAMS，其特徵在於:所述FAMS晶片外加一個非對稱的射頻高壓，其頻率在0.2-30MHZ。
10.根據權利要求1-9任一項所述的微空心陰極放電電離源整合式FAMS，其特徵在於:所述微空心陰極放電電離源整合式FAMS採用MEMS工藝加工，整合式FAMS整體厚度為0.8-1.5釐米，支撐固定板的外徑為2.5-3.5釐米。
【文檔編號】H01J49/26GK103441058SQ201310410123
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年9月11日 優先權日:2013年4月12日
【發明者】李靈鋒, 王向陽, 汪小知, 李鵬 申請人:浙江大學蘇州工業技術研究院