[发明专利]一种三明治结构MEMS圆柱形离子阱、制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明涉及到微米级圆柱形离子阱、制备及应用，特别是涉及一种采用微机电(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)加工键合方法制备三明治结构圆柱形离子阱及应用，属于微小型化离子阱质量分析仪制备与应用技术领域。

背景技术

质谱仪(Mass Spectrometer,MS)是用高能电子流等轰击样品变成运动着的带电气态离子，通过设定的电场、磁场后，使样品按质荷比(m/z)大小分离，并检测其相应峰强，从而达到对样品的定性、定量分析的一种分析仪器。质谱仪器一般由样品导入系统、离子源、质量分析器、检测器等部分组成。

传统大型质谱仪因其体积庞大、操作复杂、不能实时检测以及价格昂贵等因素决定了其只能在实验室等场合应用。如果能将质谱仪小型化，就可能拓展其在不明危险物的快速定性、野外实时分析、密闭环境检测、工业多点轮测等方面的应用。

质谱仪器一般由样品导入系统、离子源、质量分析器、检测器等部分组成。其中质量分析器是其关键部件，决定了质谱仪的分辨能力。质量分析器目前主要有单聚焦质量分析器、双聚焦质量分析器、飞行时间质量分析器、傅立叶变换分析器、四级杆质量分析器以及圆柱形离子分析器。其中，单聚焦质量分析器利用静磁场的方向聚焦作用，其结构简单，操作方便，但分辨率低(500以下)，主要用于同位素测定，双聚焦质量分析器是离子经过扇形电场和磁场之后达到能量与方向的双聚焦，分辨率提高很大，但是这两种如果减小其体积和重量将极大影响磁场的强度，相应的虚弱了质量分析器的性能；飞行时间质量分析器利用相同动能的离子飞行速度与质荷比的关系进行分离，适合大分子的测定，扫描速度快的分辨力与尺寸成正比，较小尺寸的分辨力下降很大，并且飞行时间质量分析器所需的脉冲离子源便携化也有较大的困难；傅立叶变换分析器通过测定离子共振回落的信号感应形成的电流，分辨能力高,定性能力强,适合于未知物的鉴定工作,但它在需要稳定强磁场的同时还需要射频电场,且功耗较大,使得它比其他分析器更难小型化；四级杆质量分析器利用棒状电极加的直流和射频电压形成的电场对离子进行筛选和扫描，体积小，扫描速度快，应用最广泛，对真空要求低，但是它的定性分析能力不足，并且增加了加工、安装等的难度；圆柱形离子分析器，又称圆柱形离子阱，被认为四级杆的三维形式，由一个圆环电极和两个端盖电极组成，凭借其结构简单、所需真空度低、可以实现时间上的串联等优点，特别适合小型化制造。

目前国际上小型化圆柱形离子阱的制造主要采用是MEMS工艺。具体有两种方法:(1)结构简化法，由于MEMS工艺加工难以在圆柱形空腔上面制备覆盖住空腔的顶盖电极，直接将离子阱的上端盖电极进行简化，改为敞口结构，采用沉积多晶硅作为圆环电极。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)双面键合法，在两个硅片上面分别刻蚀出一半圆柱形离子阱的结构，再键合在一起组合成完成离子阱，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.纵观这两种方法，第一种为了降低工艺难度，对离子阱的结构进行了变换，经过仿真发现囚禁离子的稳定状态与原始结构的稳定状态有所不同，并且沉积多晶硅厚度达到40微米，同样需要一定的技术要求；第二种方法保留了圆柱形离子阱的结构，但是主要有两个问题，一是利用氧化硅绝缘层对圆柱电极与端盖电极进行绝缘，鉴于氧化层厚度，端盖电极与圆柱电极相距很近，造成很大的寄生电容，二是这种方法将圆柱电极从中间剖分为两个部分，再进行键合形成一个圆柱电极，这样对对准精度要求极高，稍有偏差就会对圆柱形离子阱内的电场产生很大影响。

基于以上认知，提出了一种三明治结构MEMS圆柱形离子阱、制备方法及应用，构筑成本申请的构思。

发明内容

本发明的目的在于提供三明治结构MEMS圆柱形离子阱及制备方法，采用将两个端盖电极与圆柱电极分两次键合的方法制备，用于解决MEMS制备圆柱形离子阱的制备难题，有效的减少了复杂工艺的使用，降低制作难度。