專利名稱：一種基于mems工藝的平板線型離子阱質(zhì)量分析器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于物質(zhì)成分測(cè)定的離子阱質(zhì)譜儀領(lǐng)域，特別涉及一種基于MEMS工藝的平板線型離子阱質(zhì)量分析器及其制作方法。
背景技術(shù)：
離子阱質(zhì)譜儀(ITMS)是一種便于小型化和實(shí)現(xiàn)在線快速現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)未知物質(zhì)成分的分析檢測(cè)儀器，應(yīng)用在食品安全，環(huán)境監(jiān)測(cè)，科學(xué)研究，國(guó)防安全等眾多領(lǐng)域。離子阱質(zhì)量分析器是ITMS的關(guān)鍵部件，用來(lái)捕獲和篩選離子。離子阱質(zhì)量分析器的好壞直接決定了 ITMS的性能，同時(shí)離子阱質(zhì)量分析器的結(jié)構(gòu)和加工難易程度直接影響了 ITMS的成本。平板線型離子阱質(zhì)量分析器(PLITMA)是綜合了實(shí)際需求和加工成本等因素提出來(lái)的一種簡(jiǎn)易的離子阱質(zhì)量分析器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。上海華質(zhì)生物技術(shù)有限公司的潘鑫淵等人申請(qǐng)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(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工，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(shí)，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。由于上述PLITMA基于PCB板或金屬板，加工和裝配精度有限，因此制作的成品率不高，難以批量生產(chǎn)。針對(duì)先前報(bào)道的PLITMA面臨著加工精度以及成品率不高等問(wèn)題，基于MEMS微細(xì)加工的PLITMA制作方法很好地解決了這些問(wèn)題。與此同時(shí)，為了使有一定發(fā)散角的離子束可以匯聚后進(jìn)入離子阱，減少離子損耗，基于MEMS工藝的平板線型離子阱質(zhì)量分析器設(shè)計(jì)了離子聚焦透鏡，并同PLITMA單板集成在一起，既提高了離子捕獲效率，同時(shí)也減小了裝配帶來(lái)的誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種基于MEMS工藝的平板線型離子阱質(zhì)量分析器及其制作方法，并集成有離子聚焦透鏡，提高了離子捕獲效率。為了實(shí)現(xiàn)上述目的本發(fā)明采用如下技術(shù)方案基于MEMS工藝的平板線型離子阱質(zhì)量分析器，包括結(jié)構(gòu)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(gòu)成供離子流通入的離子流通道，其特征在于所述基板的內(nèi)側(cè)面沿著離子流的方向依次附著有相互平行的三對(duì)離子透鏡聚焦電極，與離子透鏡聚焦電極平行的前門電極、后門電極，所述的前門電極、后門電極之間設(shè)有與前門電極、后門電極垂直主射頻電極， 主射頻電極兩側(cè)還分別有與之平行的輔助射頻電極，所述上、下基板上位于輔助射頻電極外側(cè)分別設(shè)有離子出口推斥電極，其中一個(gè)的離子出口推斥電極內(nèi)開(kāi)有離子出口，所述的離子出口分別位于上、下基板上主射頻電極的不同側(cè)。所述上、下基板的三對(duì)離子透鏡聚焦電極、前門電極、后門電極位置一一對(duì)應(yīng)。
所述的基于MEMS工藝的平板線型離子阱質(zhì)量分析器，其特征在于所述上、下基板相應(yīng)的上、下離子透鏡聚焦電極之間離子流通道構(gòu)成離子聚焦區(qū)，所述上、下基板相應(yīng)的上、下前門電極、主射頻電極、輔助射頻電極、后門電極之間離子流通道構(gòu)成線型離子阱四極場(chǎng)區(qū)，所述上、下基板相應(yīng)的上、下離子出口推斥電極之間離子流通道構(gòu)成離子導(dǎo)出區(qū)。所述的基于MEMS工藝的平板線型離子阱質(zhì)量分析器的制作方法，其特征在于包括以下步驟(1)按所需尺寸裁剪上、下基板，并將上、下基板的表面清洗干凈；(2)在上、下基板的正面上旋涂光刻膠，并依次進(jìn)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)剝離光刻膠后形成正面圖形，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，后門電極，以及離子出口推斥電極；(5)在基板上標(biāo)記好的位置打通孔，形成離子出口 ；(6)將所需厚度的硅片按所需尺寸裁剪成長(zhǎng)條狀得到支撐梁；(7)將兩根支撐梁與上、下基板進(jìn)行粘合。所述的基于MEMS工藝的平板線型離子阱質(zhì)量分析器，所述的基板選自普通玻璃、 硼硅玻璃、鉀玻璃、石英玻璃或陶瓷，所述支撐梁為定制的厚硅片或?qū)⑻厥夂穸鹊呐鸸璨Ａp面與常規(guī)硅片靜電鍵合后得到。所述的基于MEMS工藝的平板線型離子阱質(zhì)量分析器的制作方法，所述的金屬膜選自鈦、金、鉬、銀或者銅中的一種或多種組合。所述的基于MEMS工藝的平板線型離子阱質(zhì)量分析器的制作方法，所述的支撐梁可以通過(guò)將定制厚度的硅片裁剪成長(zhǎng)條狀得到或者通過(guò)將常規(guī)厚度的硅片和特殊厚度的硼硅玻璃片按所需尺寸裁剪，將硼硅玻璃條與兩板常規(guī)厚度的硅條進(jìn)行雙面靜電鍵合后得到。所述的基于MEMS工藝的平板線型離子阱質(zhì)量分析器的制作方法，其支撐梁與基板通過(guò)靜電鍵合或金屬擴(kuò)散焊接。本發(fā)明的有益效果(1)將離子聚焦透鏡同PLITMA集成在一起，相對(duì)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)相比基于印制電路板(PCB)或金屬板的PLITMA加工方法，基于MEMS工藝的加工方法有著更高的加工精度和成品率，便于批量加工。


圖1為本發(fā)明基于MEMS工藝的平板線型離子阱質(zhì)量分析器結(jié)構(gòu)主視圖。圖2為本發(fā)明基于MEMS工藝的平板線型離子阱質(zhì)量分析器結(jié)構(gòu)右視圖。其中(a)為單層定制厚度的硅片做支撐梁時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖，(b)為兩層硼硅玻璃和常規(guī)厚度硅片兩次靜電鍵合后做支撐梁時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明單片硼硅玻璃基板結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明基于MEMS工藝的平板線型離子阱質(zhì)量分析器制作方法的工藝程圖。
具體實(shí)施例方式參見(jiàn)圖1、2，一種基于MEMS工藝的平板線型離子阱質(zhì)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(duì)應(yīng)的三對(duì)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，后門電極11，離子出口推斥電極1、7，在上、下基板12上預(yù)先標(biāo)定的位置開(kāi)有通孔作為離子出口 13，支撐梁和硼硅玻璃基板的鍵合區(qū)域8、14;支撐梁是將定制厚度的硅片16按預(yù)定尺寸裁剪成長(zhǎng)條狀制作而成，或者將兩片常規(guī)厚度的硅片18和硼硅玻璃19按預(yù)定尺寸裁剪后進(jìn)行兩次靜電鍵合后得到；上、下基板12相應(yīng)的上、下離子透鏡聚焦電極5、4、3之間的區(qū)域構(gòu)成離子聚焦區(qū)20，上、下基板12相應(yīng)的上、下前門電極6，主射頻電極10，輔助射頻電極2、9，后門電極 11之間的區(qū)域構(gòu)成線型離子阱四極場(chǎng)區(qū)21，上、下基板12相應(yīng)的上、下對(duì)應(yīng)的離子出口推斥電極1、7之間的區(qū)域構(gòu)成離子導(dǎo)出區(qū)22。所述的離子出口 13分別位于上、下基板12上主射頻電極的上、下不同側(cè)，相互錯(cuò)開(kāi)。待測(cè)離子流15進(jìn)入離子聚焦區(qū)20后，受離子透鏡聚焦電極5、4、3產(chǎn)生的靜電場(chǎng)作用，離子流向中間會(huì)聚形成較窄的離子束，離子束進(jìn)入到線型離子阱四極場(chǎng)區(qū)21，受線型離子阱勢(shì)場(chǎng)的作用，離子在線型離子阱勢(shì)場(chǎng)區(qū)21中各自做振蕩運(yùn)動(dòng)，隨著主射頻電極10 射頻信號(hào)的改變，線型離子阱勢(shì)場(chǎng)對(duì)離子進(jìn)行篩選，具有相應(yīng)質(zhì)荷比的目標(biāo)離子17被捕獲到，然后在輔助射頻電極2、9上施加相應(yīng)的輔助交流信號(hào)，使對(duì)應(yīng)的目標(biāo)離子17在輔助射頻電極2、9之間的運(yùn)動(dòng)達(dá)到共振，最終目標(biāo)離子17擺脫線型離子阱勢(shì)場(chǎng)的束縛，進(jìn)入離子導(dǎo)出區(qū)22，目標(biāo)離子受離子出口推斥電極1、7產(chǎn)生的靜電場(chǎng)的推斥作用，從離子出口 13飛出平板線型離子阱質(zhì)量分析器，并最終被外置的離子檢測(cè)器檢測(cè)到。一種基于MEMS工藝的平板線型離子阱質(zhì)量分析器的制作方法具體包括以下幾個(gè)步驟(1)按所需尺寸裁剪上、下基板，并將上、下基板的表面清洗干凈；(2)在上、下基板的正面上旋涂光刻膠，并依次進(jìn)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)剝離后形成正面圖形，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，后門電極，以及離子出口推斥電極；(5)在基板上標(biāo)記好的位置打通孔，形成離子出口 ；(6)將所需厚度的硅片按所需尺寸裁剪成長(zhǎng)條狀得到支撐梁；(7)將兩根支撐梁與上、下基板進(jìn)行粘合。支撐梁可以通過(guò)將定制厚度的硅片裁剪成長(zhǎng)條狀得到，也可以通過(guò)將常規(guī)厚度的硅片和所需厚度的硼硅玻璃按所需尺寸裁剪，然后將硼硅玻璃條與兩片常規(guī)厚度硅條進(jìn)行雙面靜電鍵合后得到。
權(quán)利要求
1.一種基于MEMS工藝的平板線型離子阱質(zhì)量分析器，包括結(jié)構(gòu)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(gòu)成供離子流通入的離子流通道，其特征在于所述基板的內(nèi)側(cè)面沿著離子流的方向依次附著有相互平行的三對(duì)離子透鏡聚焦電極，與離子透鏡聚焦電極平行的前門電極、后門電極，所述的前門電極、后門電極之間設(shè)有與前門電極、后門電極垂直主射頻電極， 主射頻電極兩側(cè)還分別有與之平行的輔助射頻電極，所述上、下基板上位于輔助射頻電極外側(cè)分別設(shè)有離子出口推斥電極，其中一個(gè)的離子出口推斥電極內(nèi)開(kāi)有離子出口，所述的離子出口分別位于上、下基板上主射頻電極的不同側(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MEMS工藝的平板線型離子阱質(zhì)量分析器，其特征在于 所述上、下基板相應(yīng)的上、下離子透鏡聚焦電極之間離子流通道構(gòu)成離子聚焦區(qū)，所述上、 下基板相應(yīng)的上、下前門電極、主射頻電極、輔助射頻電極、后門電極之間離子流通道構(gòu)成線型離子阱四極場(chǎng)區(qū)，所述上、下基板相應(yīng)的上、下離子出口推斥電極之間離子流通道構(gòu)成 1 子導(dǎo)出區(qū)ο
3.—種如權(quán)利要求1所述的基于MEMS工藝的平板線型離子阱質(zhì)量分析器的制作方法， 其特征在于包括以下步驟(1)按所需尺寸裁剪上、下基板，并將上、下基板的表面清洗干凈；(2)在上、下基板的正面上旋涂光刻膠，并依次進(jìn)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)剝離光刻膠后形成正面圖形，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，后門電極，以及離子出口推斥電極；(5)在基板上標(biāo)記好的位置打通孔，形成離子出口；(6)將所需厚度的硅片按所需尺寸裁剪成長(zhǎng)條狀得到支撐梁；(7)將兩根支撐梁與上、下基板進(jìn)行粘合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MEMS工藝的平板線型離子阱質(zhì)量分析器，其特征在于 所述的基板選自普通玻璃、硼硅玻璃、鉀玻璃、石英玻璃或陶瓷，所述支撐梁為定制的厚硅片或?qū)⑻厥夂穸鹊呐鸸璨Ａp面與常規(guī)硅片靜電鍵合后得到。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于MEMS工藝的平板線型離子阱質(zhì)量分析器的制作方法，其特征在于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(jù)權(quán)利要求3所述的基于MEMS工藝的平板線型離子阱質(zhì)量分析器的制作方法，其特征在于所述的支撐梁可以通過(guò)將定制厚度的硅片裁剪成長(zhǎng)條狀得到或者通過(guò)將常規(guī)厚度的硅片和特殊厚度的硼硅玻璃片按所需尺寸裁剪，將硼硅玻璃條與兩板常規(guī)厚度的硅條進(jìn)行雙面靜電鍵合后得到。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于MEMS工藝的平板線型離子阱質(zhì)量分析器的制作方法，其特征在于支撐梁與基板通過(guò)靜電鍵合或金屬擴(kuò)散焊接。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于MEMS工藝的平板線型離子阱質(zhì)量分析器及其制作方法，基于MEMS工藝的平板線型離子阱質(zhì)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、后門電極、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(lái)的誤差，制作方法采用MEMS工藝，提高了加工精度和成品率，易于批量生產(chǎn)。
文檔編號(hào)G01N27/62GK102163531SQ20111005673
公開(kāi)日2011年8月24日 申請(qǐng)日期2011年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月10日
發(fā)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(lái), 陳然 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院