一種基於mems工藝的平板線型離子阱質量分析器及其製作方法
2023-05-14 01:33:51
專利名稱：一種基於mems工藝的平板線型離子阱質量分析器及其製作方法
技術領域：
本發明涉及用於物質成分測定的離子阱質譜儀領域，特別涉及一種基於MEMS工藝的平板線型離子阱質量分析器及其製作方法。
背景技術：
離子阱質譜儀(ITMS)是一種便於小型化和實現在線快速現場檢測未知物質成分的分析檢測儀器，應用在食品安全，環境監測，科學研究，國防安全等眾多領域。離子阱質量分析器是ITMS的關鍵部件，用來捕獲和篩選離子。離子阱質量分析器的好壞直接決定了 ITMS的性能，同時離子阱質量分析器的結構和加工難易程度直接影響了 ITMS的成本。平板線型離子阱質量分析器(PLITMA)是綜合了實際需求和加工成本等因素提出來的一種簡易的離子阱質量分析器，具有結構簡單，成本低廉等優點。上海華質生物技術有限公司的潘鑫淵等人申請的專利(CN101599410) 「一種平板線型離子阱」提出了一種平板線性離子阱結構，結構簡單，易於加工，但其中未將離子聚焦透鏡集成在一起，ITMS工作在外離子源模式時，需要在外部放置離子聚焦透鏡，需要較高的裝配精度以保證較高的離子傳輸效率、較低的離子損耗。由於上述PLITMA基於PCB板或金屬板，加工和裝配精度有限，因此製作的成品率不高，難以批量生產。針對先前報導的PLITMA面臨著加工精度以及成品率不高等問題，基於MEMS微細加工的PLITMA製作方法很好地解決了這些問題。與此同時，為了使有一定發散角的離子束可以匯聚後進入離子阱，減少離子損耗，基於MEMS工藝的平板線型離子阱質量分析器設計了離子聚焦透鏡，並同PLITMA單板集成在一起，既提高了離子捕獲效率，同時也減小了裝配帶來的誤差。
發明內容
本發明目的是提供一種基於MEMS工藝的平板線型離子阱質量分析器及其製作方法，併集成有離子聚焦透鏡，提高了離子捕獲效率。為了實現上述目的本發明採用如下技術方案基於MEMS工藝的平板線型離子阱質量分析器，包括結構相同的上、下基板，以及安裝在上、下基板之間以連接上下基板為一體的支撐梁，所述的上、下基板之間和支撐梁圍成的腔體構成供離子流通入的離子流通道，其特徵在於所述基板的內側面沿著離子流的方向依次附著有相互平行的三對離子透鏡聚焦電極，與離子透鏡聚焦電極平行的前門電極、後門電極，所述的前門電極、後門電極之間設有與前門電極、後門電極垂直主射頻電極， 主射頻電極兩側還分別有與之平行的輔助射頻電極，所述上、下基板上位於輔助射頻電極外側分別設有離子出口推斥電極，其中一個的離子出口推斥電極內開有離子出口，所述的離子出口分別位於上、下基板上主射頻電極的不同側。所述上、下基板的三對離子透鏡聚焦電極、前門電極、後門電極位置一一對應。
所述的基於MEMS工藝的平板線型離子阱質量分析器，其特徵在於所述上、下基板相應的上、下離子透鏡聚焦電極之間離子流通道構成離子聚焦區，所述上、下基板相應的上、下前門電極、主射頻電極、輔助射頻電極、後門電極之間離子流通道構成線型離子阱四極場區，所述上、下基板相應的上、下離子出口推斥電極之間離子流通道構成離子導出區。所述的基於MEMS工藝的平板線型離子阱質量分析器的製作方法，其特徵在於包括以下步驟(1)按所需尺寸裁剪上、下基板，並將上、下基板的表面清洗乾淨；(2)在上、下基板的正面上旋塗光刻膠，並依次進行光刻和顯影；(3)在顯影后的上、下基板的正面上濺射金屬膜；(4)剝離光刻膠後形成正面圖形，得到離子透鏡聚焦電極，前門電極，主射頻電極， 輔助射頻電極，後門電極，以及離子出口推斥電極；(5)在基板上標記好的位置打通孔，形成離子出口 ；(6)將所需厚度的矽片按所需尺寸裁剪成長條狀得到支撐梁；(7)將兩根支撐梁與上、下基板進行粘合。所述的基於MEMS工藝的平板線型離子阱質量分析器，所述的基板選自普通玻璃、 硼矽玻璃、鉀玻璃、石英玻璃或陶瓷，所述支撐梁為定製的厚矽片或將特殊厚度的硼矽玻璃片雙面與常規矽片靜電鍵合後得到。所述的基於MEMS工藝的平板線型離子阱質量分析器的製作方法，所述的金屬膜選自鈦、金、鉬、銀或者銅中的一種或多種組合。所述的基於MEMS工藝的平板線型離子阱質量分析器的製作方法，所述的支撐梁可以通過將定製厚度的矽片裁剪成長條狀得到或者通過將常規厚度的矽片和特殊厚度的硼矽玻璃片按所需尺寸裁剪，將硼矽玻璃條與兩板常規厚度的矽條進行雙面靜電鍵合後得到。所述的基於MEMS工藝的平板線型離子阱質量分析器的製作方法，其支撐梁與基板通過靜電鍵合或金屬擴散焊接。本發明的有益效果(1)將離子聚焦透鏡同PLITMA集成在一起，相對外置離子聚焦透鏡而言，減小了裝配誤差，降低了離子損耗，提高了離子捕獲效率。(2)相比基於印製電路板(PCB)或金屬板的PLITMA加工方法，基於MEMS工藝的加工方法有著更高的加工精度和成品率，便於批量加工。
圖1為本發明基於MEMS工藝的平板線型離子阱質量分析器結構主視圖。圖2為本發明基於MEMS工藝的平板線型離子阱質量分析器結構右視圖。其中(a)為單層定製厚度的矽片做支撐梁時的結構示意圖，(b)為兩層硼矽玻璃和常規厚度矽片兩次靜電鍵合後做支撐梁時的結構示意圖。圖3為本發明單片硼矽玻璃基板結構示意圖。圖4為本發明基於MEMS工藝的平板線型離子阱質量分析器製作方法的工藝程圖。
具體實施例方式參見圖1、2，一種基於MEMS工藝的平板線型離子阱質量分析器，包括有上、下基板 12，以及支撐上下基板12的支撐梁，在基板12上依次濺射有上、下對應的三對相互平行的離子透鏡聚焦電極5、4、3，前門電極6，主射頻電極10，輔助射頻電極2、9，後門電極11，離子出口推斥電極1、7，在上、下基板12上預先標定的位置開有通孔作為離子出口 13，支撐梁和硼矽玻璃基板的鍵合區域8、14;支撐梁是將定製厚度的矽片16按預定尺寸裁剪成長條狀製作而成，或者將兩片常規厚度的矽片18和硼矽玻璃19按預定尺寸裁剪後進行兩次靜電鍵合後得到；上、下基板12相應的上、下離子透鏡聚焦電極5、4、3之間的區域構成離子聚焦區20，上、下基板12相應的上、下前門電極6，主射頻電極10，輔助射頻電極2、9，後門電極 11之間的區域構成線型離子阱四極場區21，上、下基板12相應的上、下對應的離子出口推斥電極1、7之間的區域構成離子導出區22。所述的離子出口 13分別位於上、下基板12上主射頻電極的上、下不同側，相互錯開。待測離子流15進入離子聚焦區20後，受離子透鏡聚焦電極5、4、3產生的靜電場作用，離子流向中間會聚形成較窄的離子束，離子束進入到線型離子阱四極場區21，受線型離子阱勢場的作用，離子在線型離子阱勢場區21中各自做振蕩運動，隨著主射頻電極10 射頻信號的改變，線型離子阱勢場對離子進行篩選，具有相應質荷比的目標離子17被捕獲到，然後在輔助射頻電極2、9上施加相應的輔助交流信號，使對應的目標離子17在輔助射頻電極2、9之間的運動達到共振，最終目標離子17擺脫線型離子阱勢場的束縛，進入離子導出區22，目標離子受離子出口推斥電極1、7產生的靜電場的推斥作用，從離子出口 13飛出平板線型離子阱質量分析器，並最終被外置的離子檢測器檢測到。一種基於MEMS工藝的平板線型離子阱質量分析器的製作方法具體包括以下幾個步驟(1)按所需尺寸裁剪上、下基板，並將上、下基板的表面清洗乾淨；(2)在上、下基板的正面上旋塗光刻膠，並依次進行光刻和顯影；(3)在顯影后的上、下基板的正面上濺射金屬膜；(4)剝離後形成正面圖形，得到離子透鏡聚焦電極，前門電極，主射頻電極，輔助射頻電極，後門電極，以及離子出口推斥電極；(5)在基板上標記好的位置打通孔，形成離子出口 ；(6)將所需厚度的矽片按所需尺寸裁剪成長條狀得到支撐梁；(7)將兩根支撐梁與上、下基板進行粘合。支撐梁可以通過將定製厚度的矽片裁剪成長條狀得到，也可以通過將常規厚度的矽片和所需厚度的硼矽玻璃按所需尺寸裁剪，然後將硼矽玻璃條與兩片常規厚度矽條進行雙面靜電鍵合後得到。
權利要求
1.一種基於MEMS工藝的平板線型離子阱質量分析器，包括結構相同的上、下基板，以及安裝在上、下基板之間以連接上下基板為一體的支撐梁，所述的上、下基板之間和支撐梁圍成的腔體構成供離子流通入的離子流通道，其特徵在於所述基板的內側面沿著離子流的方向依次附著有相互平行的三對離子透鏡聚焦電極，與離子透鏡聚焦電極平行的前門電極、後門電極，所述的前門電極、後門電極之間設有與前門電極、後門電極垂直主射頻電極， 主射頻電極兩側還分別有與之平行的輔助射頻電極，所述上、下基板上位於輔助射頻電極外側分別設有離子出口推斥電極，其中一個的離子出口推斥電極內開有離子出口，所述的離子出口分別位於上、下基板上主射頻電極的不同側。
2.根據權利要求1所述的基於MEMS工藝的平板線型離子阱質量分析器，其特徵在於 所述上、下基板相應的上、下離子透鏡聚焦電極之間離子流通道構成離子聚焦區，所述上、 下基板相應的上、下前門電極、主射頻電極、輔助射頻電極、後門電極之間離子流通道構成線型離子阱四極場區，所述上、下基板相應的上、下離子出口推斥電極之間離子流通道構成 1 子導出區ο
3.—種如權利要求1所述的基於MEMS工藝的平板線型離子阱質量分析器的製作方法， 其特徵在於包括以下步驟(1)按所需尺寸裁剪上、下基板，並將上、下基板的表面清洗乾淨；(2)在上、下基板的正面上旋塗光刻膠，並依次進行光刻和顯影；(3)在顯影后的上、下基板的正面上濺射金屬膜；(4)剝離光刻膠後形成正面圖形，得到離子透鏡聚焦電極，前門電極，主射頻電極，輔助射頻電極，後門電極，以及離子出口推斥電極；(5)在基板上標記好的位置打通孔，形成離子出口；(6)將所需厚度的矽片按所需尺寸裁剪成長條狀得到支撐梁；(7)將兩根支撐梁與上、下基板進行粘合。
4.根據權利要求1所述的基於MEMS工藝的平板線型離子阱質量分析器，其特徵在於 所述的基板選自普通玻璃、硼矽玻璃、鉀玻璃、石英玻璃或陶瓷，所述支撐梁為定製的厚矽片或將特殊厚度的硼矽玻璃片雙面與常規矽片靜電鍵合後得到。
5.根據權利要求3所述的基於MEMS工藝的平板線型離子阱質量分析器的製作方法，其特徵在於所述的金屬膜選自鈦、金、鉬、銀或者銅中的一種或多種組合。
6.根據權利要求3所述的基於MEMS工藝的平板線型離子阱質量分析器的製作方法，其特徵在於所述的支撐梁可以通過將定製厚度的矽片裁剪成長條狀得到或者通過將常規厚度的矽片和特殊厚度的硼矽玻璃片按所需尺寸裁剪，將硼矽玻璃條與兩板常規厚度的矽條進行雙面靜電鍵合後得到。
7.根據權利要求3所述的基於MEMS工藝的平板線型離子阱質量分析器的製作方法，其特徵在於支撐梁與基板通過靜電鍵合或金屬擴散焊接。
全文摘要
本發明公開了一種基於MEMS工藝的平板線型離子阱質量分析器及其製作方法，基於MEMS工藝的平板線型離子阱質量分析器包括基板、支撐梁、離子聚焦電極、前門電極、主射頻電極、輔助射頻電極、後門電極、離子出口推斥電極以及離子出口，集成的離子聚焦電極降低了離子損耗，提高了離子捕獲效率，相比外置離子聚焦透鏡，減少了裝配精度帶來的誤差，製作方法採用MEMS工藝，提高了加工精度和成品率，易於批量生產。
文檔編號G01N27/62GK102163531SQ20111005673
公開日2011年8月24日 申請日期2011年3月10日 優先權日2011年3月10日
發明者劉友江, 劉 英, 孔德義, 孫文娟, 李莊, 段秀華, 殷世平, 王電令, 程玉鵬, 趙聰, 趙貴, 錢玉潔, 陳池來, 陳然 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院