[發明專利]一種三明治結構MEMS圓柱形離子阱、制備方法及應用

有效

• 申請號: 201510030729.8
• 申請日: 2015-01-21
• 公開（公告）號: CN104637776B
• 公開（公告）日: 2017-06-20
• 發明（設計）人: 肖軍徽;李鐵;黃剛;劉延祥;王躍林
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所;中國航天員科研訓練中心
• 主分類號: H01J49/10
• 分類號: H01J49/10;H01J9/00;B81C1/00;G01N27/62;H01J49/42
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司31002
• 代理人: 潘振甦

技術領域

本發明涉及到微米級圓柱形離子阱、制備及應用，特別是涉及一種采用微機電(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)加工鍵合方法制備三明治結構圓柱形離子阱及應用，屬于微小型化離子阱質量分析儀制備與應用技術領域。

背景技術

質譜儀(Mass Spectrometer,MS)是用高能電子流等轟擊樣品變成運動著的帶電氣態離子，通過設定的電場、磁場后，使樣品按質荷比(m/z)大小分離，并檢測其相應峰強，從而達到對樣品的定性、定量分析的一種分析儀器。質譜儀器一般由樣品導入系統、離子源、質量分析器、檢測器等部分組成。

傳統大型質譜儀因其體積龐大、操作復雜、不能實時檢測以及價格昂貴等因素決定了其只能在實驗室等場合應用。如果能將質譜儀小型化，就可能拓展其在不明危險物的快速定性、野外實時分析、密閉環境檢測、工業多點輪測等方面的應用。

質譜儀器一般由樣品導入系統、離子源、質量分析器、檢測器等部分組成。其中質量分析器是其關鍵部件，決定了質譜儀的分辨能力。質量分析器目前主要有單聚焦質量分析器、雙聚焦質量分析器、飛行時間質量分析器、傅立葉變換分析器、四級桿質量分析器以及圓柱形離子分析器。其中，單聚焦質量分析器利用靜磁場的方向聚焦作用，其結構簡單，操作方便，但分辨率低(500以下)，主要用于同位素測定，雙聚焦質量分析器是離子經過扇形電場和磁場之后達到能量與方向的雙聚焦，分辨率提高很大，但是這兩種如果減小其體積和重量將極大影響磁場的強度，相應的虛弱了質量分析器的性能；飛行時間質量分析器利用相同動能的離子飛行速度與質荷比的關系進行分離，適合大分子的測定，掃描速度快的分辨力與尺寸成正比，較小尺寸的分辨力下降很大，并且飛行時間質量分析器所需的脈沖離子源便攜化也有較大的困難；傅立葉變換分析器通過測定離子共振回落的信號感應形成的電流，分辨能力高,定性能力強,適合于未知物的鑒定工作,但它在需要穩定強磁場的同時還需要射頻電場,且功耗較大,使得它比其他分析器更難小型化；四級桿質量分析器利用棒狀電極加的直流和射頻電壓形成的電場對離子進行篩選和掃描，體積小，掃描速度快，應用最廣泛，對真空要求低，但是它的定性分析能力不足，并且增加了加工、安裝等的難度；圓柱形離子分析器，又稱圓柱形離子阱，被認為四級桿的三維形式，由一個圓環電極和兩個端蓋電極組成，憑借其結構簡單、所需真空度低、可以實現時間上的串聯等優點，特別適合小型化制造。

目前國際上小型化圓柱形離子阱的制造主要采用是MEMS工藝。具體有兩種方法:(1)結構簡化法，由于MEMS工藝加工難以在圓柱形空腔上面制備覆蓋住空腔的頂蓋電極，直接將離子阱的上端蓋電極進行簡化，改為敞口結構，采用沉積多晶硅作為圓環電極。如S.Pau,C.Pai,Y.Low,J.Moxom,P.Reilly,W.Whitten,J.Ramsey,Microfabricated Quadrupole Ion Trap for Mass Spectrometer Applications,Physical Review Letters,96(2006)；(2)雙面鍵合法，在兩個硅片上面分別刻蝕出一半圓柱形離子阱的結構，再鍵合在一起組合成完成離子阱，如A.Chaudhary,F.H.W.van Amerom,R.T.Short,Experimental evaluation of micro‐ion trap mass spectrometer geometries,International Journal of Mass Spectrometry,371(2014)17‐27.縱觀這兩種方法，第一種為了降低工藝難度，對離子阱的結構進行了變換，經過仿真發現囚禁離子的穩定狀態與原始結構的穩定狀態有所不同，并且沉積多晶硅厚度達到40微米，同樣需要一定的技術要求；第二種方法保留了圓柱形離子阱的結構，但是主要有兩個問題，一是利用氧化硅絕緣層對圓柱電極與端蓋電極進行絕緣，鑒于氧化層厚度，端蓋電極與圓柱電極相距很近，造成很大的寄生電容，二是這種方法將圓柱電極從中間剖分為兩個部分，再進行鍵合形成一個圓柱電極，這樣對對準精度要求極高，稍有偏差就會對圓柱形離子阱內的電場產生很大影響。

基于以上認知，提出了一種三明治結構MEMS圓柱形離子阱、制備方法及應用，構筑成本申請的構思。

發明內容

本發明的目的在于提供三明治結構MEMS圓柱形離子阱及制備方法，采用將兩個端蓋電極與圓柱電極分兩次鍵合的方法制備，用于解決MEMS制備圓柱形離子阱的制備難題，有效的減少了復雜工藝的使用，降低制作難度。