專利名稱：微工程多極離子導向器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及離子導向器。本發(fā)明更具體地涉及以微工程制造并在質譜儀系統(tǒng)中用作為對離子通過中間真空階段時的軌跡進行限制的部件的多極離子導向器。這種中間真空階段通?？杀辉O在大氣壓離子源(例如電噴離子源)和高度真空下的質量分析儀之間。
背景技術：
如電噴和化學電離等大氣壓電離技術被用來生成離子以供質譜儀做分析。一般使用一個或更多階段的差壓抽氣把在大氣壓下產生的離子傳送至高度真空以用于質量分析。 這些中間階段被用來抽吸大部分氣體負荷。理想地，保持盡量多的離子電流。通常這是通過使用對離子通過各階段時的軌跡進行限制的離子導向器來實現(xiàn)的。在以厘米級和更大尺度的部件為基礎的傳統(tǒng)的質譜儀系統(tǒng)中，已知使用各種離子導向器結構。這些導向器結構包括多極結構。這種多極設備通常使用傳統(tǒng)的機加工技術和材料制成。使用傳統(tǒng)技術構造的多極離子導向器一般涉及如下配置對極桿進行鉆孔并攻出螺紋，以使用緊固螺絲將它們緊靠在外部陶瓷支撐環(huán)上。電氣連接用每隔一個極桿跨接極桿的布線環(huán)通過緊固螺絲形成。然而，由于場半徑減小和/或用來限定多極的 極桿的數(shù)量增加，與這種傳統(tǒng)技術關聯(lián)的問題包括提供帶有獨立電氣連接的牢固且精確的裝配配置。

發(fā)明內容
根據(jù)本教示，通過提供可根據(jù)微工程原理制作的離子導向器來解決這些和其它問題。相應地，本申請的第一實施例提供了如權利要求1所詳述的微工程質譜儀系統(tǒng)。在從屬權利要求中提供了優(yōu)選的實施例。


下面將參照附圖來說明本申請，在附圖中圖1示出了根據(jù)本教示的、將離子導向器包含在第二真空室中的示例的微工程質譜儀系統(tǒng)的示意圖。圖2示出了根據(jù)本教示的、將離子導向器包含在第一真空室中的示例的微工程質譜儀系統(tǒng)的示意圖。圖3示出了單個極桿的半徑如何隨著多極幾何形狀內的極桿數(shù)量的增加而減少。圖4對于四極、六極和八極幾何形狀各自示出了偽勢阱。圖5示出了示例的八極裝配配置。圖6更詳細地示出了圖5的單個裝配座。圖7示出了去掉精確分隔塊以揭示極桿裝配座的軸移位的圖5的配置的側視圖。圖8示出了維持2個晶片之間正確的分隔和配準的示例的精確分隔塊。圖9示出了如何使用各晶片上的印線使極桿電氣連接。
圖10示出了提供六極配置的變形例。圖11示出了使用接合的硅-玻璃-硅基板來提供六極配置的另一變形例。圖12示出了使用三個晶片來提供六極配置的替代變形例。
具體實施例方式圖1以示意形式示出 了根據(jù)本教示的質譜儀系統(tǒng)100的示例。如電噴離子源等的離子源110在大氣壓下進行離子111的生成。在本示例配置中，離子通過第一開口 125被導向至第一腔室120。該第一腔室中的壓強是1乇的量級。通過開口 125進入第一腔室120 的氣體和隨流離子的一部分被第二開口 130取樣并進入通常工作在10_4至10_2乇的壓強下的第二腔室140。第二開口 130可呈現(xiàn)為平板或錐形物中的小孔。或者，可以在第二腔室的入口附近設置撇除器或者將撇除器與第二腔室的入口集成以攔截初始自由噴流膨脹。第二腔室或離子導向室140經過第三開口 150耦合至分析室160，在分析室160可使用例如四極濾質器165根據(jù)離子的質荷比(m/z)對離子進行過濾，然后使用合適的離子檢測器170來檢測離子。本領域技術人員應認識到，包括例如磁扇區(qū)和飛行時間分析儀在內的其它類型的質量分析儀也可代替四極濾質器使用。應當理解離子導向室140是設置在大氣壓離子源 110和質量分析室160之間的中間腔室，盡管它在該第一腔室的示例中處于下游。通過各真空室抽吸的氣體的量等于壓強與抽氣速度的乘積。為了處處都能使用適度尺寸的抽氣泵(抽氣速度與抽氣泵的物理尺寸相關)，希望在高壓下抽吸大部分氣體負荷，從而使必須在低壓下抽吸的氣體的量最小。由于第一腔室120和第二腔室140相對較高的工作壓強，經由第一腔室120和第二腔室140將流過第一開口 125的多數(shù)氣流抽離，而僅有少部分通過第三開口 150并進入分析室，該分析室中需要低壓以使濾質器165和檢測器170的正常工作。為了將盡量多的離子電流傳送至分析室，第二腔室包括作用于離子但對不需要的中性氣體分子無效果的多極離子導向器145。這種離子導向器具有由包含圍繞想要的離子路徑排列成圓周的多個獨立極桿在內的多極結構，極桿集體地發(fā)生對離子通過第二腔室時的軌跡進行限制的電場。多極結構中采用的極桿的數(shù)量決定用于定義該結構的命名法。例如，4根極桿定義四極，6根極桿定義六極，而8根極桿定義八極。要求施加至各極桿的電壓以射頻(RF)振蕩，且施加至相鄰極桿的波形具有相反的相位。四極濾質器利用附加至異相 RF波形的、振幅相等但極性相反的直流(DC)成分進行工作。當DC成分的幅度設定得適當時，僅發(fā)射特定質量的離子。然而離子導向器沒有該DC成分(僅有RF)也可工作，并發(fā)射質量處在由RF電壓幅度所定義的范圍內的全部離子。應當認識到，初看起來，四極離子導向器似乎在結構上與用來使四極濾質器的入口處的邊緣場效應最小的預過濾器有些相似。然而，預過濾器必須將進行質量過濾的四極 165放置得較為接近而無任何中間孔，即不將離子從一個真空階段傳送至另一個真空階段。應當理解，在第二腔室內，如果壓強足夠高，則與中性氣體分子的碰撞造成離子損失能量，且它們的運動可近似為阻尼簡諧振動(即已知的碰撞聚焦效應)。隨著離子變得沿中心軸聚集，這使發(fā)射離子電流增加。已知如果壓強與離子導向器的長度的乘積處在 6X10_2至15X10_2乇厘米之間則這種效應最大。繼而短的離子導向器允許使用更高的工作壓強，由此允許使用更小的抽氣泵。
圖2以示意形式示出了根據(jù)本教示的質譜儀系統(tǒng)200的第二示例。在該配置中只有2個真空室，且多極離子導向器145在離子通過第一開口 215后直接作用于離子。它同樣容納于在離子源110和設置有質量分析儀165的真空室160之間的中間腔室210中。選擇第一開口 215、第二開口 150和抽氣泵220的尺寸以限制流入分析室160的氣流。根據(jù)本教示，提供離子的限制和聚焦的多極離子導向器通常具有與設置在分析室內的微工程四極過濾器相同的臨界尺度。由于離子導向器與濾質器的規(guī)模都很小，因而它們可容納在比傳統(tǒng)系統(tǒng)所使用的真空室更小的真空室中。此外，由于這些部件所承受的工作壓強高于傳統(tǒng)系統(tǒng)所使用的工作壓強，因而抽氣泵也可以更小?？疾旃潭ǖ膱霭霃絩Q(其能夠由例如圖1中的第二開口 130的直徑決定)或是從圖2中的第一開口 215發(fā)源的自由噴流膨脹的徑向限度是合理的。在圖3中，可看出用來定義多極的極桿越多，各桿的半徑R變得越小，由此八極結構(圖3C)中的Re小于六極結構 (圖3B)中的Rb，而六極結構中的Rb又小于四極結構(圖3A)中的Ra。由于施加至相鄰極桿的RF波形必須相位相反，因而到極桿的電氣連接被做成2組(由圖3中的黑圈和白圈所標)。微工程技術提供了精確地形成具有必要電氣連接的獨立的組的極桿裝配座的手段。盡管多極離子導向器內的電場響應于施加至極桿的RF波形而迅速振蕩，但離子就像被陷俘在勢阱內似地運動?？梢允褂孟率絹砻枋鱿莘I勢
權利要求
1.一種微工程質譜儀系統(tǒng)，包括離子導向室，其包括限定離子導向器的多根極桿，第一組極桿被支撐在第一基板上，第二組極桿被支撐在第二基板上；以及分析室，其包括質量分析儀，其中所述離子導向器能夠將離子導向分析室，并且被支撐的所述極桿繞離子束軸線排列成圓周狀。
2.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述分析室能夠在高度真空條件下工作，并且所述離子導向室能夠在所述高度真空條件和大氣壓之間的壓強下工作。
3.根據(jù)前述任意一項權利要求所述的系統(tǒng)，其中所述離子導向器和所述質量分析儀共用同一離子束軸線，所述離子導向器在離子被傳輸至所述分析室之前能夠對離子進行碰撞聚焦ο
4.根據(jù)前述任意一項權利要求所述的系統(tǒng)，其中所述極桿組形成四極、六極或八極中的一種。
5.根據(jù)前述任意一項權利要求所述的系統(tǒng)，其設置在包括第一和第二相對的平面基板的夾層結構中。
6.根據(jù)權利要求1到4中的任一項所述的系統(tǒng)，包括第三組極桿，所述第三組極桿設在第三平面基板上，其中所述第一、第二和第三基板各自相對于彼此排列，以限定在它們之間的離子束軸線。
7.根據(jù)前述任意一項權利要求所述的系統(tǒng)，其中所述基板中的每一個包括用于支撐特定極桿的各自不同的裝配座，所述極桿被配置成組，其中第一組極桿與第二組極桿電氣絕緣。
8.根據(jù)權利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述不同的裝配座具有用于與被支撐的極桿進行接觸的第一和第二接觸表面。
9.根據(jù)權利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述第一和第二接觸表面大體相互垂直或相互平行。
10.根據(jù)權利要求8或9所述的系統(tǒng)，其中所述接觸表面相對于彼此排列以限定所述裝配座的上表面中的凹槽，并且被支撐的所述極桿的至少一部分被容納在所述凹槽內。
11.根據(jù)前述任意一項權利要求所述的系統(tǒng)，其中由單個基板支撐的各個極桿相對于由同一基板支撐的其它極桿被垂直地移位。
12.根據(jù)前述任意一項權利要求所述的系統(tǒng)，包括設置在第一分析室和第二分析室之間的離子導向室，其中所述離子導向器能夠存儲離子并保留碎片離子，以及將離子導向所述第二分析室。
13.根據(jù)前述任意一項權利要求所述的系統(tǒng)，其中通過以運動式耦合或準運動式耦合為特征的方式，借助于拱形表面通過線接觸或點接觸與平坦表面、V形槽、用于限定孔的表面或錐狀物的接觸，將所述基板耦合在一起。
14.根據(jù)前述任意一項權利要求所述的系統(tǒng)，其中使用一個或更多個球狀物和承窩將所述基板耦合在一起。
15.根據(jù)前述任意一項權利要求所述的系統(tǒng)，其中所述基板被構造為向各個極桿提供一條或更多條電路徑。
全文摘要
描述了一種微工程多極離子導向器，所述微工程多極離子導向器用于小型質譜儀中。描述了以六極、八極和其它多極幾何形狀來裝配極桿的示例方法。形成離子導向器的極桿被支撐在至少在第一和第二基板中限定的蝕刻硅結構中。
文檔編號H01J49/22GK102214542SQ20111008463
公開日2011年10月12日 申請日期2011年4月1日 優(yōu)先權日2010年4月1日
發(fā)明者史蒂文·賴特, 沙恩·馬丁·歐普雷 申請人:麥克諾塞伊可系統(tǒng)有限公司