[發明專利]高性能微制造靜電四極透鏡

有效

• 申請號: 200810006812.1
• 申請日: 2008-01-31
• 公開（公告）號: CN101236877A
• 公開（公告）日: 2008-08-06
• 發明（設計）人: 理查德·西姆斯
• 申請（專利權）人: 麥克諾塞伊可系統有限公司
• 主分類號: H01J49/42
• 分類號: H01J49/42
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司
• 代理人: 楊紅梅;李春暉

技術領域

本發明涉及質譜學，且具體地涉及具有高范圍、低噪聲和高靈敏度的微型靜電四極質量過濾器的提供。

背景技術

微型質譜儀可用作檢測生化戰劑、毒品、爆炸物和污染物的便攜器件、用作空間探索的儀器以及用作殘留空氣分析儀。

質譜儀包括三個主要的子系統：離子源、離子過濾器和離子計數器。最成功的變體之一是使用四極靜電透鏡作為質量過濾器的四極質譜儀。傳統的四極透鏡包括四個圓柱電極，這些電極精確地平行安裝且它們的中心到中心的間隔與它們的直徑有明確定義的比率[Batey?1987]。

離子被注入到電極之間的光瞳中并且在隨時間變化的雙曲線靜電場的影響之下與電極平行地行進。該電場包含直流(DC)和交流(AC)分量。AC分量的頻率是固定的，且DC電壓與AC電壓之比也是固定的。

對在此電場中的離子的動力學研究已經表明只有特定質荷比的離子才會越過四極而不向這些棒之一放電。因而該器件用作質量過濾器?？梢詸z測成功離開過濾器的離子。如果DC和AD電壓混在一起(ramptogether)，則檢測到的信號是出現在離子流中的不同質量的譜?？梢詸z測到的最大質量取決于可以施加的最大電壓。

四極過濾器的分辨率取決于兩個主要因素：各離子所經歷的交變電壓的周期數，以及產生所需電場的精確度。于是各離子經歷足夠多個數的周期，以小的軸向速率注入離子，并且使用射頻(RF)AC分量。該頻率必需隨著過濾器的長度的減少而增加。

質譜儀的靈敏度且由此其總體性能也受信號等級和噪聲等級的影響。傳統地，通過使用接地屏(grounded?screen)來降低因雜散離子而產生的噪聲[Denison?1971]。隨著入射光瞳的尺寸的降低，離子透射性明顯地減小。因此已經付諸努力以提高微型四極中的透射性，并且已經表明可以通過減少在四極的輸入處的彌散場效應來獲得在給定分辨率下顯著提高的透射性。

一種有效方法涉及所謂Brubaker透鏡或者Brubaker預過濾器的使用，該透鏡或者預過濾器包括與主四極電極共線安裝的附加的四個短圓柱電極組。利用施加于主四極透鏡的AC電壓(而不是DC電壓)激勵Brubaker預過濾器。眾所周知，僅用AC電壓激勵的四極用作全通過濾器，從而Brubaker預過濾器提供到主四極中的離子引導。然而，在施加DC電壓分量時的延遲造成彌散場的減少并且顯著地提高在給定質量分辨率下的總體離子透射性[Brubaker?1968；US?3,129,327；US?3,371,204]。

為了產生期望的雙曲線場，運用了高度精確的構造方法。然而，隨著結構尺寸的減少變得越來越難以獲得所需精確度[Batey?1987]。微制造方法因此越來越多地用來使質譜儀微型化以降低成本和允許便攜。

由于可能使用的圖案化和蝕刻工藝以及可兼容沉積的范圍，通常在硅晶片上制作微制造器件。然而，硅的電阻率固有地受限于本征材料的電阻率，而沉積的絕緣膜的厚度受限于此膜中的應力。這些限制對于RF器件(比如在硅中形成的靜電四極質量過濾器)的性能具有特定的影響。

例如，幾年以前展示了基于硅的四極靜電質量過濾器，該過濾器包括成對安裝在兩個氧化的硅基底上的四個圓柱電極。所述基底通過兩個圓柱絕緣間隔物保持分離，且由各向異性濕化學蝕刻形成的V形槽用來對電極和間隔物進行定位。電極是焊接到沉積在槽中的金屬膜上的金屬涂覆玻璃棒[US?6,025,591]。

使用具有0.5mm直徑和30mm長度的電極的器件展示質量過濾????[Syms等人，1996年；Syms等人，1998年；Taylor等人，1999年]。然而，性能受到由于經由基底通過氧化物夾層在共面圓柱電極之間的電容耦合引起的RF加熱所限制。結果，該器件表現出不良電負荷，且粘接電極的焊料易于融化。這些效應制約了可以施加的電壓和頻率，而這又限制了質量范圍(限于約100個原子質量單位)和質量分辨率。盡管基底接地，但是不完整屏的使用仍然造成高的噪聲等級，且器件也遭受低的透射率。

在克服這些限制的努力中，開發了基于粘合絕緣體上硅(BSOI)的替代構造[GB?2391694]。BSOI包括其上結合有第二晶片的氧化的硅晶片。第二晶片可以拋光回到所需厚度以留下硅-氧化物-硅多層。