[发明专利]高性能微制造静电四极透镜

说明书

技术领域

本发明涉及质谱学，且具体地涉及具有高范围、低噪声和高灵敏度的微型静电四极质量过滤器的提供。

背景技术

微型质谱仪可用作检测生化战剂、毒品、爆炸物和污染物的便携器件、用作空间探索的仪器以及用作残留空气分析仪。

质谱仪包括三个主要的子系统：离子源、离子过滤器和离子计数器。最成功的变体之一是使用四极静电透镜作为质量过滤器的四极质谱仪。传统的四极透镜包括四个圆柱电极，这些电极精确地平行安装且它们的中心到中心的间隔与它们的直径有明确定义的比率[Batey 1987]。

离子被注入到电极之间的光瞳中并且在随时间变化的双曲线静电场的影响之下与电极平行地行进。该电场包含直流(DC)和交流(AC)分量。AC分量的频率是固定的，且DC电压与AC电压之比也是固定的。

对在此电场中的离子的动力学研究已经表明只有特定质荷比的离子才会越过四极而不向这些棒之一放电。因而该器件用作质量过滤器。可以检测成功离开过滤器的离子。如果DC和AD电压混在一起(ramptogether)，则检测到的信号是出现在离子流中的不同质量的谱。可以检测到的最大质量取决于可以施加的最大电压。

四极过滤器的分辨率取决于两个主要因素：各离子所经历的交变电压的周期数，以及产生所需电场的精确度。于是各离子经历足够多个数的周期，以小的轴向速率注入离子，并且使用射频(RF)AC分量。该频率必需随着过滤器的长度的减少而增加。

质谱仪的灵敏度且由此其总体性能也受信号等级和噪声等级的影响。传统地，通过使用接地屏(grounded screen)来降低因杂散离子而产生的噪声[Denison 1971]。随着入射光瞳的尺寸的降低，离子透射性明显地减小。因此已经付诸努力以提高微型四极中的透射性，并且已经表明可以通过减少在四极的输入处的弥散场效应来获得在给定分辨率下显著提高的透射性。

一种有效方法涉及所谓Brubaker透镜或者Brubaker预过滤器的使用，该透镜或者预过滤器包括与主四极电极共线安装的附加的四个短圆柱电极组。利用施加于主四极透镜的AC电压(而不是DC电压)激励Brubaker预过滤器。众所周知，仅用AC电压激励的四极用作全通过滤器，从而Brubaker预过滤器提供到主四极中的离子引导。然而，在施加DC电压分量时的延迟造成弥散场的减少并且显著地提高在给定质量分辨率下的总体离子透射性[Brubaker 1968；US 3,129,327；US 3,371,204]。

为了产生期望的双曲线场，运用了高度精确的构造方法。然而，随着结构尺寸的减少变得越来越难以获得所需精确度[Batey 1987]。微制造方法因此越来越多地用来使质谱仪微型化以降低成本和允许便携。

由于可能使用的图案化和蚀刻工艺以及可兼容沉积的范围，通常在硅晶片上制作微制造器件。然而，硅的电阻率固有地受限于本征材料的电阻率，而沉积的绝缘膜的厚度受限于此膜中的应力。这些限制对于RF器件(比如在硅中形成的静电四极质量过滤器)的性能具有特定的影响。

例如，几年以前展示了基于硅的四极静电质量过滤器，该过滤器包括成对安装在两个氧化的硅基底上的四个圆柱电极。所述基底通过两个圆柱绝缘间隔物保持分离，且由各向异性湿化学蚀刻形成的V形槽用来对电极和间隔物进行定位。电极是焊接到沉积在槽中的金属膜上的金属涂覆玻璃棒[US 6,025,591]。

使用具有0.5mm直径和30mm长度的电极的器件展示质量过滤    [Syms等人，1996年；Syms等人，1998年；Taylor等人，1999年]。然而，性能受到由于经由基底通过氧化物夹层在共面圆柱电极之间的电容耦合引起的RF加热所限制。结果，该器件表现出不良电负荷，且粘接电极的焊料易于融化。这些效应制约了可以施加的电压和频率，而这又限制了质量范围(限于约100个原子质量单位)和质量分辨率。尽管基底接地，但是不完整屏的使用仍然造成高的噪声等级，且器件也遭受低的透射率。

在克服这些限制的努力中，开发了基于粘合绝缘体上硅(BSOI)的替代构造[GB 2391694]。BSOI包括其上结合有第二晶片的氧化的硅晶片。第二晶片可以抛光回到所需厚度以留下硅-氧化物-硅多层。