[發明專利]一種基于MEMS工藝的多層結構矩形離子阱及其制備方法

有效

• 申請號: 201610537862.7
• 申請日: 2016-07-08
• 公開（公告）號: CN106024575B
• 公開（公告）日: 2018-01-16
• 發明（設計）人: 唐飛;霍新明;王曉浩
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H01J49/42
• 分類號: H01J49/42
• 代理公司: 北京鴻元知識產權代理有限公司11327
• 代理人: 邸更巖

技術領域

本發明涉及一種基于MEMS工藝的具有多層結構的矩形離子阱質量分析器及其制備方法，屬于利用離子阱質譜儀器進行生化物質檢測的領域。

背景技術

質譜分析方法是一種同時具備高特異性和高靈敏度的普適性化學分析方法，在生命科學、環境監測、空間探測、醫藥衛生、公共安全等各個領域都有著廣泛的應用。而其中離子阱質譜憑借著相對簡單的儀器結構和強大的時間串級質譜能力，成為質譜分析儀器的一個重要分支。離子阱質譜的核心器件是離子阱質量分析器，主要分為三維離子阱和二維離子阱兩類，原理是首先利用四極電場束縛住離子，然后通過改變參數來改變離子在四極場內的穩定狀態，根據離子不同的質荷比來實現離子的篩選與分析。

隨著原位分析需求的不斷增加以及空間探測等極端領域的高速發展，便攜式甚至微型化的質譜儀器的需求量越來越大。MEMS工藝由于其具有器件體積小，重量輕，耗能低，成品率高，易于集成化與批量化等優點，為質譜儀的進一步微型化提供了新的方法。美國專利(US7154088B1)提出了一種利用表面生長的MEMS工藝來制備圓柱形離子阱陣列的方法，中國專利文獻(CNIO4637776A)也公開了一種利用三層硅鍵合的MEMS工藝來制備三明治結構的圓柱形離子阱的方法。而圓柱形離子阱屬于一種三維離子阱，其離子存儲在一點的空間內，特別是微型化的三維離子阱，空間電荷效應明顯，嚴重影響分析效果。而對于二維離子阱，離子阱儲存在線空間內，大大提高了離子阱的離子捕獲效率與存儲能力。但傳統的二維離子阱采用雙曲面形狀電極，加工裝配難度較大，難以實現批量化生產。中國專利(CNIO2163531A)在中國專利(CNI0159941)的基礎上提出了一種基于MEMS工藝的平板型離子阱質量分析器。簡化了離子阱的模型，僅在兩個對稱分布的平板電極上施加射頻電壓來完成離子的束縛與分析。該方法雖然降低了成本和制作難度，但簡化后的離子阱結構使四極電場破壞嚴重，離子控制模式受到了局限。

2004年的國際專利(WO2004063702A3)用平板電極取代傳統離子阱的雙曲面電極，研制出矩形離子阱質量分析器。這種結構具有與傳統二維離子阱一樣強大的離子儲存能力和豐富的控制模式，同時憑借其簡單的結構，降低了質量分析器的加工難度和制作成本。但該專利未將離子聚焦電極以及檢測電極集成在一起,對于微型的離子阱如果使用外部離子聚焦電極,需要較高的裝配精度來保證離子傳輸效率，不利于控制。

發明內容

本發明的目的是克服現有幾種MEMS離子阱質量分析器的不足，提供一種集成多離子源接口、離子聚焦電極、檢測電極和分析電極于一體的、便于批量加工而又具有良好穩定性與分析性能的、基于MEMS工藝且具有玻璃-金屬-硅-金屬-玻璃多層結構的微型矩形離子阱質量分析器及其制備方法。

本發明的技術方案如下：

一種基于MEMS工藝的具有多層結構的矩形離子阱，其特征在于：所述的矩形離子阱包括上玻璃層、下玻璃層、生長在上玻璃層下表面的上電極層、生長在下玻璃層上表面的下電極層，以及鍵合在上玻璃層下表面和下玻璃層上表面之間的硅層；其中上電極層、硅層和下電極層圍成離子流通道；所述的離子流通道沿離子流Z方向依次為離子聚焦區和離子分析區；所述的離子聚焦區由一個前聚焦電極，或一個前聚焦電極和多個相互平行的后聚焦電極構成；所述的離子分析區由前分析電極、主射頻電極以及后分析電極構成。

本發明所述的前聚焦電極由位于上電極層上的前聚焦電極上連接電極、位于硅層上的前聚焦電極硅電極和位于下電極層上的前聚焦電極下連接電極圍成；所述的后聚焦電極由位于上電極層上的后聚焦電極上連接電極、位于硅層上的后聚焦電極硅電極和位于下電極層上的后聚焦電極下連接電極圍成。

本發明所述的前分析電極，其特征在于：該前分析電極由位于上電極層上的前分析電極上連接電極、位于硅層上的前分析電極硅電極和位于下電極層的前分析電極下連接電極圍成；所述的后分析電極由位于上電極層上的后分析電極上連接電極、位于硅層上的后分析電極硅電極和位于下電極層上的后分析電極下連接電極圍成，后分析電極與前分析電極以及離子聚焦電極相互平行。

本發明所述的主射頻電極，其特征在于：該主射頻電極由位于硅層上的Y方向電極、位于上電極層上的上X方向電極和位于下電極層上的下X方向電極構成；上X方向電極和下X方向電極在各自的中心位置開有離子出射狹縫；主射頻電極的內邊界在XY截面上呈矩形分布。

本發明所述的前聚焦電極硅電極，其特征在于：該前聚焦電極硅電極呈錐形形狀，配合外部離子源進樣。