[发明专利]非对称高场强离子迁移谱分析仪迁移管过滤器及其加工方法

说明书

技术领域

本发明涉及非对称高场强离子迁移谱分析仪，具体涉及一种非对称高场强离子迁移谱分析仪FAIMS迁移管过滤器及其加工方法。

背景技术

离子迁移谱分析仪IMS是一种从气体样品中检测特定分子的有效方法。图1示出了典型的离子迁移谱分析仪迁移管过滤器结构，根据图1，载气和样品气体通过左边箭头所示的方向进入离化区，并在离化区被电离；电离后的样品气体进入迁移区，在迁移区的内电场作用下进行迁移；在特定的内电场中，不同的离子迁移率不同，因此通过整个迁移区的时间也不相同。通过测量已知迁移区长度和内电场下的离子迁移时间，就可以计算出被测样品离子的迁移率，从而识别样品的化学成分。该技术在爆炸物、毒品等化学成分检测方面有广泛的应用。但是，IMS的迁移电场的电极极板间距较大，需要很高的电压生成需要的内电场，气体成份需要使用特定的气体载体送入检测电场，设备庞大、复杂，需要专门的实验室，不适合安全筛查和国防等领域的在线应用。

图2示出了ABC三种不同物质离子迁移率随着电场强度的增加而发生变化的曲线。其中，Emin是离子迁移率偏离常值的最小场强，Emax是通常状况下，不产生击穿的最大场强。根据图2，本领域技术人员可以知道，离子在更高场强下的迁移率不再是常数。例如图2中不同的三种物质A、B和C在常规的IMS下无法区分，但是在高场强下就能通过率子迁移率的测量得到很好的区分。

图3表示了平板电场极板间距尺寸和击穿电压特性曲线。根据图3，当电场极板之间的间距降低到很小的时候，比如：10~100um，击穿场强也从10kV/cm提升到30kV/cm，甚至更高。因此，使用微小的极板间距可以获得更高场强的平板电场。

图4a、图4b表示了现有的非对称高场强离子迁移谱分析仪FAIMS迁移管过滤器的结构，图4a为硅片纵向切割剖面图，图4b为俯视图，图4a对应图4bP-P’的截面图。根据图4a、图4b，该迁移管的迁移区电场是利用纵向刻蚀加工技术在硅片上加工出的微间距极板（附图4a、图4b中的极板212、极板214），也就是在硅片表面纵深向下加工出通透空间225，剩下的部分就成为迁移管过滤器的极板212和214；然后对极板施加高电压形成的。由于极板212和极板214的间距很小，比如30um，因此，就可以测量高场强区物质的离子迁移率特性，利用高场强区丰富的离子迁移率特性，从而更好的区分三种气体成份（301、302、303）。而且，由于过滤电场的极板间距极小，因此，无需庞大的高压设备，只需要几百伏的电压就可以获得很高的场强，降低了对高压电源的要求。这样的离子迁移率谱分析仪被称为非对称高场强离子迁移率谱分析仪FAIMS。

FAIMS的迁移管过滤器极板（212、214）是在同一个硅片加工得到的，电极（315、316、317、318）为加工于硅片表面、用于电信号连接和传导的金属镀层，在加工好过滤器的几何结构之后，需要将硅片粘贴到用于固定过滤器电场极板的绝缘结构（图5中不可见）之上后，再将其极板212和极板214断开得到迁移管过滤器电场的两个独立电极。图5表示了绝缘隔离型的FAIMS迁移管过滤器的另外一种电极极板结构：其中未画斜线填充的部分（22a）会被纵深向下加工出通透空间，其余画斜线填充的部分形成电极极板；通透空间加工完成后，对结合区域（22）使用氧化等方法形成高阻绝缘结构，从而得到两个独立的电场电极。

和IMS测量离子特定电场下迁移时间不同，FAIMS是一种离子迁移时间导数的离子迁移谱分析仪。相关的文献和专利参看参考文献[1]：L.A.Buryakov et al.Int.J.Mass.Spectrum Ion Process.128(1993)143;参考文献[2]：E.V. Krylov et al.Int.J.Mass Spectrum.Ion Process225(2003)39-51,参考文献[3]:WO2006/013396，参考文献[4]:WO2006/046077。在FAIMS中，筛选电场的驱动电压具有电压幅度（电场强度）、电压脉冲占空比、电压脉冲的直流分量、电压脉冲频率等参数。只有在特定的参数组合下，被测离子才能够越过筛选电场达到探测电极，因此，FAIMS的筛选电场也被称为过滤区电场，筛选电场器件也被称为迁移管过滤器。