[发明专利]离子光学部件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明总体上涉及离子光学部件，并且更具体地涉及基于使用印刷电路板(PCB)技术制造的电极子组件的离子光学部件。

背景技术

质谱仪(MS)是一种根据气态离子的质荷比(m/z)过滤气态离子并且测量每种离子种类的相对丰度的装置。一种典型的质谱仪包括一个离子源，其中产生这些离子；一个滤质器，其中将这些离子在空间或时间上分离；一个离子检测器，其中收集过滤的离子并且测量它们的相对丰度；一个真空系统；以及一个用于为该质谱仪供能的电源。取决于样品的种类和将样品引入该质谱仪中的方法，离子可以在离子源中通过电子轰击电离、光致电离、热电离、化学电离、解吸电离、喷射电离、或其他方法而产生。

质谱仪通常根据该质量过滤是使用电场和/或磁场来完成的基础进行分类。滤质器类型包括磁性扇区、飞行时间、线性四极杆、离子回旋共振、以及离子阱。离子检测典型地使用一个单点离子收集器，如法拉第杯或电子倍增器，或使用一个多点收集器，如阵列或微通道板收集器来完成，由此所有离子同时到达该收集器。

常规的质谱仪使用利用标准金属机加工技术制造的金属部件。这些金属部件导致此类质谱仪大而笨重，这限制了此类装置的广泛应用和部署。此外，制造这些金属部件并将其组装在一起是昂贵的。参照图1，示出了杆状电极4的一个四极杆组件2的简化图。每个电极4是一个具有圆形截面的金属棒。这四个棒在两个电极对中相对彼此精确排列，这两个电极对与装置中心线对齐并且跨过其相对。一个离子体积6被限定在这些电极4之间，在该体积内这些离子在有或无质量过滤的情况下沿z方向传输，这取决于施加到这些电极4上的具体电压。

图2示出了一个包括多个分段电极10的组件8。组件8与组件2类似，但每个电极10包括与彼此电隔离的多个单独的区段18。施加适当电压到这些单独的区段18上产生沿离子体积12内的轴向方向(z方向)被引导的电压梯度。该轴向引导的电压梯度用于使离子沿组件8的长度移动。

电极组件2和8可以用作将离子在质谱仪的不同阶段之间转移的离子导向器。当然，除了图1和2中示出的四极杆配置之外，包括六个电极(六极杆)或八个电极(八极杆)的离子导向器也是已知的。此外，之前已经描述了具有堆叠环形电极几何形状的离子导向器，如例如离子漏斗和环形极离子导向器。上述所有类型的离子导向器必须被组装在一起，要求不同电极和其他部件的精确对齐。如本领域的普通技术人员将毫无疑问地认识到，将一个离子导向器的分开件组装在一起是一个劳动密集型和耗时的过程。此外，必须将在该组装的离子导向器结构中这些单独的电极各自进行电连接，这易于产生误差并且导致复杂的组件。

已经将相当多的努力投入于开发特别用于包括法医学、食品和环境分析、临床试验分析等等的领域应用中的小型质谱仪。此类应用要求具有高可靠性、稳健性、高性能和低成本的特征的分析仪器。当然，不言而喻，基于使用标准金属机加工技术制造的金属部件的质谱仪并不很好地适合于小型化。具体地，小型化加重了使用标准金属机加工技术来机加工部件和随后将这些单独部件组装在一起的困难性。

在美国专利号6,967,326中，Pai等人披露了基于微电子加工技术的包括沉积在半导体或介电晶片基底上的多层结构的小型化质谱仪。Pai等人传授了这些多层结构是在多个汽相沉积或溅射步骤中建立的。牺牲材料用于保持在之前步骤中形成的结构，这使得必需一个具有化学蚀刻剂的步骤来去除该牺牲材料并且产生开放结构。形成小型化质谱仪的方法因此涉及许多步骤和潜在地危险化学品的使用。此外，因为这些沉积步骤产生彼此上下地堆叠的平面特征，由Pai等人描述的可以使用该方法制造的电极几何形状的类型是相当有限的。例如，接近四极杆离子导向器的杆状电极的结构不能容易地使用由Pai等人披露的技术来制造。