1、表面微结构/微型质谱仪加工应用摘要。本文提出的概念及处理的一个微型质谱仪,尺寸约只有几厘米。其制造是基于技术中使用细致的处理和在特别的各向异性腐蚀,薄膜沉积、电镀、和阳极键合。质谱仪的由一个等离子体电子源经衡量电离以及离子光学和大规模分隔符专为系统的小维度。 质谱仪属于最精确的工具用于生态分析。目前主要用于质谱仪相对体积分隔符。大尺寸的几个 10厘米的长度需要低压力的 1/10000 米栏或少来防止离子碰撞,这将减少该决议。下面的生产真空 1/10000米酒吧一个两阶段泵 aystem 是必需的通常由叶片型泵和一个涡轮分子的扶轮支持总体成本的分享。大量以及所需的电力供应会降低可移植性和限制使用
2、这些质谱仪。质谱仪捏造作为一个微型大大减少这些缺点。小分离器 2.5 毫米长度促进大众分离压力约为 1 到10pa,因此要求也大大减少了真空系统。由于体积小疏散使用微真空泵似乎可行。通过芯片上实现技术的运用细观力学和薄膜技术的成本大规模生产可以大幅减少。小维度和使用集成电路的产生挠度电压大大增强了可移植性。这些优势让质谱仪对许多现有和潜在的应用程序,例如过程监控在微电子技术、航空航天以及光学镀膜行业以及一个扩张等领域的污染监测(空气质量,排放监测、识别和分析的氯氟化碳),位置的泄密在天然气、石油和供水管道和坦克和医学诊断。1 分离原理有各种各样的分离原则和技术设计。这两个最著名和最广泛的有“维
3、也纳过滤器”的使用静态电场和磁场实现空间分隔不同的大规模1和四极矩过滤基于所使用的动态电场产生稳定的或不稳定的轨迹为不同的群众2。二者共有分离原则的要求高磁场强度来迫使离子到指定的轨迹。微型技术许可的很小的结构的造型纪念它能够获得满意的磁场强度适中的电压。使用非常小的电压大约 10V 允许应用程序的集成电路产生更多复杂和更高的频率信号作为常用的,例如,在一个四极矩分隔符。这允许开发大规模筛选尤其适合一个显微机器系统把所有其优势 ans 局限性考虑3提出了使用的信号的质谱图所示Fig,1。重复的频率的信号S1和S2的是12.5 MHz和最高频率的组件被传输的是25 MHz。当被应用到电极分隔符,
4、如图 2 所示,信号 S1 到 S3 导致偶极旅行沿着通道并更改其极性从一个电极对未来(见图 3)。相邻电极带倒信号两倍的电场强度。移动的偶极场有重复频率为 12.5 兆赫,即。每 80s 一个新的偶开始从入口通道的分隔符。偶极旅行的距离在此时间跨度四电极的速度 相当于 10000 m / s。因此,离子注入以这样的速度进入分离器影响横向力方向相反但数量相等的一个电极对未来。这导致一个正弦轨迹穿过分隔符,从而检测的离子(参见图 14)。较快或较慢的离子达到静态字段地区、中和在电极。因此,大规模筛选是选择性的速度相结合原则瞬时的轨迹稳定性。离子的速度调整加速,所有离子静电场获得同样的动能 E =
5、欧盟= 1/2mv和开发不同的速度与他们的群众(比例为 1 / m)。一个大规模扫描可以轻松获得通过的变种静电加速度字段。在通信的重复性的离子光束进入分离器。2 微型系统一个示意图质谱仪的草图显示在图4。进行测量的是在电离室的电离电子碰撞。完成最高可能的电离率在小尺寸、压力室是大约10 Pa -100 Pa。这些电子产生的等离子体和微波刺激中提取等离子腔通过一个双栅的系统工作时,加速度电极。同时,它可以防止血浆从燃烧的外部等离子腔和抑制电场穿透了电离室。提供一个空间限定区域的离子化,这是必要的,以保持能量分布的离子尽可能的窄,电子束聚焦在一个100m100m小洞宽度和50m的长度从而进入电离室
6、。洞里充当一个压力阶段,为了最小化等离子气体的混合与进行测量。一个静电透镜体系主要离子通道的分隔符。同时它作为一个压力阶段分离电离室和分隔符。这里的压力1-10pa确保必要的自由路径的长度在分离器通道大约2.5毫米长。作为一个探测器积分器半导体元件可能使用了一种低噪声、整合几个离子包。由于近乎无限的输出电阻的分隔符、离子电流低于1 pa是可以衡量的。检测可以进一步增强被集成电子的乘数通道。3 等离子腔实现系统的寿命长,避免必要的高真空条件下,电子束的生成的电离过热蒸气从等离子体而不是难事。虽然一代一微波刺激等离子是电的难度比一代的直流等离子体,两个决定性的优势获得应用微波等离子体在微型质谱仪:
7、首先毁灭的商会由于保持低增长影响溅射系统寿命,其次,流浪字段分隔符渠道穿透进非关键因为离子是无法跟随高频率。一个示意图的微波等离子腔如图5所示。它由三层pyrex玻璃。底层携带微波饲料,微带,加上经验确定匹配网络组成的一个存根的合适的长度和距离室。微带和网络都是作为一个照片存入得病的图形化结构化薄膜金属层(大约400海里)。在中心层实际的等离子腔形成了h和穿孔等离子气体进口作为一个海沟通过化学蚀刻。这个结构是通过使用 50%高频烷基聚一LPCVD 硅层作为蚀刻面具4。在上部侧面地上的平面微带沉积另一个薄膜层,这是意识到为一个网格高于洞使电子提取出来。在派热克斯玻璃晶圆上,另一个小洞,形成一个第
8、二提取网格用于加速电子电离作用室。由于小网格距离电子非关键和提取是,事实上,它可以观察到,等离子体停止燃烧,因为电子损失当提取电压驱动太高;因此增加电子电流可能当微波功率或等离子体压力增加(见图7)。派热克斯玻璃被选为基材,原因有两个。它有一个相对较低的相对电容率(r = 4.3)和损失系数,使功放和因此微波功率低。这是必要的概念中小型化包括微波源。第二,它可以用硅刻蚀面具的阳极键合为一个容易的方法连接三个层4。照片的等离子腔显示在图7。因为点燃了等离子体需要更高的微波功率比维持它,等离子点火的压电火花放电。它充分增加电子浓度了很短一段时间来生成一个等离子体。图7显示了提取的电子电流对不同的微
9、波权力。即使在中等强国适合细致、电子电流达到约100的巴勒斯坦权力机构。4 大众分离器图3和图14显示了工作原理的大规模分隔符。宽度挠度的电极和距离的相邻,相反电极是100m。较小尺寸的分隔符(几毫米长)允许质量分离在相对较高的压力- 10的pa,以及一代的高电场分离在低电压下工作所必需的。较小尺寸的分隔符(几毫米长)允许质量分离在相对较高的压力- 10的pa,以及一代的高电场分离在低电压下工作所必需的。一个大规模分离器原理图的操作系统显示在图8。派热克斯玻璃作为衬底确保电气绝缘电极的偏转。电极由铜增长了电镀在突然得病的照片以图形方式结构化铜薄膜6。他们有一个100点的宽度和高度,每个相邻的距
10、离,也是100m相反电极。来实现所需的100点的高度,每一样。来实现所需的高度特殊的光阻剂(Epon-SU8)使用。这是在一个单一涂层工艺纺过程的高度超过100点,并充当一个面具的电镀结构7。图9和10显示SEM照片结构化的光刻胶和形成的电极。顶部的分隔符是由一个被侵蚀的氢氧化钾频道密封硅覆盖。在离子通道的另一个铜薄膜电极沉积在派热克斯玻璃基质。像它的封面携带电势略高于平均旅行领域潜在的,从而迫使离子的旅游中心的通道,防止其液。分离器的设计是非常关键的,因为小电极距离和由此产生的电容。由于关系我=基民盟/ dt,电容只有10 pf会引起的最大电流10 mAif挠度电压玫瑰从0到20 V(见图1
11、)这种数量级的电流在所需的频率是至关重要的,因为以下概念的小型化所有的控制信号应提供一个集成电路。自提出了结构的电容约0.5 pf,集成在一个集成电路的偏转信号是可行的。第一步措施实现业已实现5。5 离子光学这个电离室和随后的离子光学必须仔细设计,因为他们强烈影响质谱仪的分辨率和检测限。图是显示在图11。有一个叫电离室的大小为300m 300m和150 m的高度。离子的插座,提取电极构造非常小(小于50 m)当他们作为一个狭缝入口,在探测器上成像是通过一个 2 -电极浸入式镜头。此外出口孔径和提取电极作为电离室里的压力(大约10 - 100 - pa)对比压力分隔符够高电离率(衡量和原子离子化
12、每注入电子)中获得小维度。同时压力分隔符频道足够低(1-10pa)来保证必要的自由长度的路径。图12显示了计算潜力发展两个空间安排。之间的电位差电离室和提取电极是大约100 V。它必须随室和电极之间的距离,以及它们光圈大小。一个小的潜在差异或一个大的电极距离结果在一个小的普及率提取潜在进卧房,从而在降低离子收益率(定义为商的提取离子和生成离子)。反之亦然,更高的潜在差异或一个小电极距离造成较高的产量,但同时在离子更广泛的能量分布的提取的离子减少的分辨率分离器尤其是在小质量的范围。图12显示了对于一个提取潜力绘制的电压100伏在一个电极距离的50点,孔径为50点也。这些值产生一个主要是单色的离子
13、光束与半宽价值同一个数量级的给定麦克斯韦的能量分布的室温。在随后浸入式镜头第一电极有阻碍,从而将,效应8。第二电极的潜力决定了离子注入的能量场旅行9。通过改变其电压质量扫描获得。一个三维的计算离子光学及其特点是绘制在型材。电离室以及离子光学是电镀在相同的过程步骤作为分隔符电极。这包括一个优势是不被低估。距离和方向的离子源到分隔符是精确地确定,因此调整平版印刷面具的单位是不必要的。6 分辨率和检测限图14显示了一个计算机模拟一个分辨率为一个分隔符由十个电极对,计算了SimIon3D V 6.0分隔符是一个离子选择性大规模的40个u,导致一项决议的m / m = 20。对于质量更高的分辨率将是较少
14、的,对于较低的较大规模的它会更高,因为横向位移幅度的机会更高更低的质量在给定的电场强度。此外,大规模的分隔符是速度 敏感,与速度成反比的平方根大规模分隔符是速度敏感,与速度成反比的平方根质量。该决议可能增加的代价不再分离器通道和其产生的局限性就意味着免费的路径长度。检测极限根据以下公式sepIOeDtosel IrIn )1(/因为商用乘数渠道板块的尺寸的单通道内的范围的点,集成到一个微型机器质谱仪似乎是可行的,并因此检测极限可以进一步加强了两到三个数量级10。7 结论尺寸和微型机器质谱仪的处理提出了。基本的计算机模拟基于这些经验表明,实现一个原型质谱仪依照提出了概念是有前途的。此外,概念存在的改进当前的组件和集成的额外组件,这将提高效率,使新的应用程序可访问分光计。结合不同的平版印刷口罩在生产过程显示了调整的分辨率和检测过程中允许调整的分辨率和检测上限,根据应用程序。解决方案是可行的,甚至成对的。
