CN101036213A - 离子迁移率谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种离子迁移率谱仪，所述离子迁移率谱仪具有离子过滤器，所述离子过滤器为至少一条离子通道的形式，所述离子通道具有多个电极。施加到导电层上的随时间变化的电势使得所述过滤器选择性地允许离子种类进入。所述电势具有驱动分量和横向分量，并且在优选实施方案中，所述电极中的每一个均参与产生所述驱动电场和横向电场的分量。可以在没有漂移气流的情况下使用所述装置。本发明描述了微制造技术以制造作为谱仪的各种应用的微尺度谱仪。

Description

离子迁移率谱仪

技术领域

本发明涉及一种离子迁移率谱仪(ion mobility spectrometer)，更具体地，涉及一种场不对称离子迁移率(FAIM)谱仪。本发明的某些方面涉及一种微加工的FAIM谱仪。本发明的方面还涉及执行离子迁移率光谱测定的方法，和用于这种谱仪的元件。

背景技术

离子迁移率光谱测定(ion mobility spectrometry)是用于检测气体样品中的分子种类的存在的通用技术。该技术在检测样品中的爆炸物、药物和化学试剂方面具有特别的应用，但是它不限于这些应用。便携式检测器通常用于安检(security screening)和国防工业。然而，传统的便携式装置还是较大。

离子迁移率光谱测定以不同离子种类通过电场到达检测器的有差别移动为基础；且本质上(if at all)，通过适当地选择电场参数，使具有不同性质的离子在不同时间到达检测器。飞行时间(TOF)离子迁移率光谱测定测量离子在受到电场作用沿漂移管逆着漂移气流移动至检测器时所需要的时间。通过改变电场，不同特性的离子将在不同时间到达检测器，从而可以分析样品的组成。这种形式的光谱测定的分辨率依赖于漂移管的长度；漂移管越长，检测器作用越大。因为存在对可以有效使用的漂移管的下限尺寸的限制，所以这限制了将这种谱仪小型化的可能性。此外，假设需要较高电场强度，对漂移管长度的限制还导致在装置中需要使用较高电压，这可能对操作者产生潜在的危害，并且进一步限制了装置小型化的可能性。

在US 5,789,745中描述了关于TOF离子迁移率光谱测定的变化，所述离子迁移光谱测定使用移动电势使离子逆着漂移气流向检测器移动。使多个间隔的电极交替产生脉冲以产生移动的势肼，所述势肼随同它一起携带选定的离子。这种装置不适于小型化，其中原因在于需要泵产生漂移气流。

场不对称离子迁移率光谱测定(FAIMS)是飞行时间离子迁移率光谱测定(TOFIMS)的衍生物，其潜在地提供更小的波形因数(form factor)；然而，现有的设计使用移动的气流和高电压，这对于微芯片仪器(implementation)是不希望的。测量(scaling)还受到分子扩散，即在微米状态中变得明显的一种效应的阻碍。在通过引用在此并入的L.A.Buryakov等，Int.J.Mass.Spectrom.Ion Process.128(1993)143；和E.V.Krylov等，Int.J.Mass.Spectrom.Ion Process.225(2003)39-51中，可以发现关于FAIMs的背景信息。

传统的FAIMS通过将处于大气压的空气吸入到使样品成分电离的反应区中进行操作。当气相化合物中的化学试剂暴露于它们的母离子中时，气相化合物中的化学试剂形成离子簇。离子簇的迁移主要是形状和重量的函数。在一个具有低电压DC偏压与另一个具有周期性的高电压脉冲波形的两个金属电极之间，将离子吹到检测器板，离子碰撞检测器板，并且电流被记录下来。将离子在脉冲相位期间朝向一个电极迅速驱动，并且在脉冲之间朝向相对电极缓慢驱动。一些离子在到达检测器板之前撞击电极；具有适当的微分迁移率的其它离子到达终点，从而使这种装置成为一种微分迁移率离子过滤器。产生的电流相对DC偏压的图提供了一种特征微分离子迁移率光谱。光谱中与电荷量对应的峰值强度表示试剂的相对浓度。

尽管与传统TOFIMS相比，这种安置提供了进一步小型化的可能性，但是产生气流的需要要求存在泵、隔板或类似物，所述泵、隔板或类似物使用限制这种装置的下限尺寸的现有技术。在US 6,495,823和US6,512,224中描述了这种装置的典型实例。

提供用于传感技术的小型化离子迁移率谱仪将是有益的，即这些小型化离子迁移率谱仪不但适于变换应用(convert use)或大范围配送，而且更小的尺寸将允许在装置中使用更低的电压。与传统装置相比，不具有或具有更少移动部件的装置也是有益的，因为它们比传统传感器更耐用，因而适于部署在高通信量区域或苛刻的环境中。

本发明人研究了无需操作用的漂移气流的FAIMS的另一种变型。相反，电场被用来使离子朝向检测器移动。这允许无需气泵或类似物的固态构造，因而与否则可能出现的情况相比允许装置的进一步小型化，并且允许更耐用的构造。因为无需泵并且可以降低电子装置的尺寸，所以总体上可以降低系统的尺寸和成本。尺寸降低允许电极之间的间隙尺寸更小以及由此更低的电压，这导致更小、集成度更高的电子装置，更精确并且可控的波形，并且提高功耗(power usage)和分辨率(resolution)方面的性能。因为只通过改变电场性质可以容易地重新调节离子过滤器，所以被检测的离子的光谱可以同时提供关于多种分析物的信息。通过改变控制过滤器和后续分析的软件，可以合并另外的分析物的检测，因而使系统高度专用化。

本发明的其它优点包括通过随时间调节多个参数降低假阳性，这可以再次使用软件控制得到实现。可以将多个检测器一起形成网络以组合输出信号，从而减少局部干扰物的有害效应并且增加分类置信度(classification confidence)以及使系统总体上更耐用。

最后，本发明是高度灵敏的，允许痕量级和快速检测。在减小离子发生器和检测器之间的距离的情况下，离子必须存在以被检测的时间减少，因而允许检测短寿命的离子。所述系统可以在低电压和低功率下进行操作，从而允许在环境范围内更长久地操作使用。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种包括离子发生器、离子过滤器和离子检测器的离子迁移率谱仪；

其中所述离子过滤器限定至少一条离子通道，离子能够沿所述至少一条离子通道从所述离子发生器到达所述离子检测器；且

其中所述离子过滤器包括多个电极，所述多个电极设置在所述离子通道最近处；

所述谱仪进一步包括电极控制装置，所述电极控制装置用于控制所述电极从而沿着所述离子通道的长度产生第一驱动电场，并且与第一驱动电场正交地产生第二横向电场，并且其中所述多个电极中的每一个参与产生所述驱动电场和所述横向电场的分量。

此布置允许将驱动电场用于推进离子穿过所述通道，而横向电场可以用于根据例如它们的电荷的参数，选择性地影响离子的迁移率。因此，本发明的谱仪可以在没有漂移气流的情况下使用，因而与传统谱仪相比，需要更少的移动部件。另外，对于本发明而言，无需长漂移管以有效地操作。优选同时使用驱动电场和横向电场。使用相同的电极产生驱动电场和横向电场的分量，使需要的电极数量减到最少以及减小装置尺寸。在本发明的某些实施方案中，却可以存在另外的电极，并且不是谱仪中的所有电极都需要参与产生驱动电场和横向电场的分量。驱动场优选是纵向电场。

优选地，驱动电场是静电场；即，所述电场不随时间变化。然而，可以使用随时间变化的驱动电场以例如调整分辨率峰值的宽度，从而在特定应用中为了最佳性能配置仪器。在一些仪器中，可以在电场强度的范围内扫描场并且采集数据。以此方式，驱动电场强度可以用作后处理用的另一参数以达到提高(更精确)的效果。所述电场可以通过在电极两端施加DC偏压产生。已经发现的是，连续的静电场足以沿着离子通道驱动离子，而横向电场根据迁移率，由此根据例如形状、质量和电荷的参数分开离子；这种场的组合消除了对漂移气流的需要。

横向电场可以随时间变化，并且可以通过在电极两端施加AC电压产生。所述AC电压优选是不对称的。因此，在本发明的优选实施方案中，横向电场包括AC分量和DC分量。所述DC分量优选与所述AC分量相反；即，所述AC分量趋向于朝向离子通道的一个侧壁驱动离子，而所述DC分量趋向于朝向所述通道的另一侧壁驱动离子。还可以添加DC斜坡(ramp)或扫描电压，并且AC电压的参数例如振幅、工作循环(duty cycle)等也可以变化以获得扫描且提高灵敏度和选择性或其它效果。

所述电极控制装置优选地允许改变电场的任何一个或全部；这允许调节电场以允许检测特定离子。

优选地，所述电极设置成邻近离子通道的入口和出口。可选地，所述电极可以设置在通道本身内部。

可以设置至少两个电极对；一个电极合宜地位于通道的每一个拐角。即，四个电极形成四个电极对：用于产生横向电场的两个横向对和用于产生驱动电场的两个纵向对。每个电极是两对的部件，即一个横向对和一个驱动对。所述电极对由通道本身横向分开，但是所述对可以通过在电阻(例如1-100KΩcm电阻硅)上半导电或绝缘的材料垂直分开以提供结构稳定性。优选地，在每个离子通道设置四对电极。

所述离子发生器可以包括任何合宜的装置；例如，电离辐射源、UV源等。

所述过滤器优选地包括多条离子通道，并且合宜地包括大于5、大于10、大于15和大于20条的离子通道。所述通道可以合宜地由形成梳状布置的多个电极指限定。在优选实施方案中，所述过滤器包含两个或更多个交叉的电极阵列，且每一个阵列具有多个电极指。多条离子通道的存在允许在所述通道附近使用较大的电离体积，从而与具有单条离子通道、因此被限制至较小的电离体积的传统装置相比，提高了谱仪的灵敏度。

优选地，所述离子通道是细长的；即，它们具有较短的长度(离子流动的方向)和较短的宽度(在次横向方向上)，具有较长的深度(在主横向方向上)。

任选地，交叉指可以是弯曲的，更特别是蜿蜒的，于是以这种方式可以限定弯曲或蜿蜒的通道。这具有减少扩散损失的优点，所述扩散损失在直电极的情况下，由扩散到通道壁中的离子导致。在弯曲或蜿蜒的电极的情况下，因为在通道内形成部分势肼，减少这些扩散损失(并且在某种意义上有效增加了通道宽度)。弯曲或蜿蜒的通道还降低有害的空间电荷排斥效应。

因此，在另一个方面中，本发明提供了具有由具有这种普通形态的电极限定的通道的离子过滤器。还提供了包括形成多条离子通道的两个交叉电极的离子过滤器。可以如所述地使用这种布置，或在漂移气流的情况下使用这种布置；即使在使用漂移气流时，由交叉过滤器布置提供的更小间隙尺寸仍然提供降低的电压，从而更简单的控制电子装置的优点。

所述过滤器优选地包括在其上设置导电表面以形成电极的电阻或半导电基片。可以将导电表面设置在所述基片的两面上。所述基片可以包括硅。所述导电表面可以包括金属、掺杂多晶硅等。在其中谱仪具有微加工尺度的优选实施方案中，可以使用传统的半导体加工技术，合宜地蚀刻所述基片和表面以形成需要的形状和构造，并且提供离子通道。这允许并行地且以小尺度地形成多条通道。

优选地离子通道的长度小于过滤器的深度，并且优选地显著较小；例如，小至少10倍。在优选实施方案中，所述过滤器具有大体上晶片状的形式，且通道长度是过滤器深度的一小部分。在一些优选实施方案中，通道长度小于1000微米、小于900微米和小于800微米，而过滤器深度大于10,000微米。优选的通道长度是1000至100微米，更优选为800至300微米，并且最优选为500至300微米。

还优选地，离子通道的宽度(即，跨过在其上产生横向电场的通道的间隙间距)小于通道长度。在优选实施方案中，间隙间距在10和100微米之间。这种布置允许在较低电压和功耗的情况下产生跨过通道宽度的较大电场。在本发明的优选实施方案中，电场可以足够大以引起离子碎裂或离子分裂。这使得大的离子种类碎裂成较小的种类，从而可以提高监测器灵敏度，并且降低干扰物使结果模糊的可能性。

所述谱仪优选地包括用于加热过滤器的装置。优选地，所述过滤器可以被加热到至少150℃。加热过滤器可以提高性能，并且可以帮助除去来自过滤器的污染物。尽管优选地加热装置与过滤器集成，但是可以设置单独的加热器(例如，过滤器安装在其上的基片)。在优选实施方案中，过滤器包括例如在在基片两端施加电压时、通过焦耳效应加热而被加热的基片。如果将基片集成到过滤器中，那么将在激活过滤器电极时施加这种电压。本发明优选的微尺度的实施方案允许使用较低电压以通过焦耳效应提供有效的加热。

所述谱仪合宜地包括多个功能层；每一层可以具有晶片状形式。因为该布置允许使用大规模制造(例如，批量或平行制造法)半导体技术，所以该安置有利于组装微加工谱仪。半导体技术的使用通常指制造在绝对无尘室(或超净室)环境中进行，从而在可以使用组装制品之前，无需冗长的清除和预备步骤。由于所述层结构，这种谱仪还可以是较紧凑的，从而允许比其它情况更大的小型化。例如，所述离子发生器、过滤器和检测器中的每一个可以包含功能层。在某些实施方案中，可以在单个物理晶片状层上组合一个或多个功能层。例如，通过使用在绝缘体上的硅(SOI)晶片处理层作为检测器电极并且在背侧沉积集成电路，或者只将控制电子装置移出装置外，可以合并过滤器层和检测器层。通过将入口平板的下侧上的金属放射性同位素膜形成图案，离子发生器可以与入口层集成。在一个实施方案中，传感器可以只由两层组成：在单个SOI晶片中制造的集成的过滤器和检测器层，和具有在下侧上形成图案的金属电离材料的多孔入口罩。这种实施方案将只需要一个粘接步骤。

在实施方案中，通道大体上垂直于过滤器的一个表面。优选地，过滤器具有大于1∶1(mm)，更优选大于10∶1或100∶1(mm)的表面面积与通道长度的比率。例如，过滤器可以具有8mm×8mm的表面面积和约200μm的通道长度。

所述谱仪可进一步包括一个或多个如下附加构件；在优选实施方案中，这些附加构件中的每一个形成附加功能层：

a)入口层，可以存在入口层以防止不需要的颗粒进入谱仪中，同时允许分析物扩散到装置中。所述入口层合宜地由多孔材料例如多孔陶瓷制成。

b)减湿器层，用于减少来自谱仪的水蒸汽。该层可以包括吸收剂材料；可选地，可以使用干燥剂或类似物。该层还可以包括可用于周期性清理吸收剂材料的加热元件。

c)预浓缩器层，用于积累和周期性释放分析物以有效地浓缩分析物。该层还可以包括吸收剂材料，所述吸收剂材料例如具有尺寸适当大的孔以吸收需要范围内的分析物的分子筛。然后可以激活加热元件以周期性释放所吸收的分析物。

d)掺杂剂层，所述掺杂剂层包含渗有需要的化学品或掺杂剂的材料，所述化学品或掺杂剂从所述层中释放或脱附，并且进入活性区以影响化学反应，从而改变性能。这可能是例如氨水，用于增强某些化合物的大气压电离，或者可以是例如水，已知水用于增强化合物在光谱中的分离性，从而提高分辨率。

所述检测器可以包含位于基片上的电极。合宜地，所述检测器是晶片状半导体基片；例如，硅。所述检测器可以进一步包括控制电路等；所述控制电路等合宜地形成在半导体基片上。所述检测器可以进一步包括连接器，所述连接器用于将控制电路和/或电极连接到监测电极或控制装置用的处理器装置等上。

所述谱仪还可以包括用于产生与离子移动方向相反地穿过过滤器的气体逆流的装置。样品很少全部电离，从而完整(intact)的分子或部分电离的产物可能进入过滤器。在过滤器区中的这些分子可以导致进一步的反应和相互作用，从而引起例如峰移等的有害效应。气体逆流的使用可以帮助从过滤器中除去污染物，或者在过滤器中保持不起反应的环境。使用的气体可以是不起反应的，例如氮或氦，或者可以被选择以影响污染物电离的亲和势，例如可以使用氨、DCM等。还可以使用气体逆流改变过滤器中离子的迁移率。所述气体逆流可以处在很低的流速；例如，因为无需所述流移动离子(不像在传统谱仪中的气流)，所以在过滤器侧面之间的最小压力差通常是足够的。因此，可以以较低的功耗使用小型化的泵或隔板；或者可以使用加压气体储罐。

根据本发明的另一个方面，提供了一种分析样品的方法，所述方法包括如下步骤：

沿着离子通道的长度设置第一驱动电场；

设置与第一驱动电场正交的第二横向电场；

使样品电离以在邻近所述离子通道的入口处产生离子；和

检测产生的离子，所述产生的离子穿过所述离子通道。

优选地所述驱动电场是静电场；即，所述场不随时间变化。然而，如前所述，也可以使用随时间变化的电场。所述电场可以通过将DC偏压施加在电极两端产生。

所述横向电场可以随时间变化，并且可以通过将AC电压施加在电极两端产生。在本发明的优选实施方案中，横向电场包括AC分量和DC分量。所述DC分量优选与所述AC分量相反；即，所述AC分量趋向于朝向离子通道的一侧驱动离子，而所述DC分量趋向于朝向所述通道的另一侧驱动离子。还可以如前所述地改变参数。

优选地同时设置驱动电场和横向电场。优选地，驱动电场和横向电场通过多个电极产生，且每一个电极均参与形成所述驱动电场和所述横向电场的分量。

所述方法还可以包括使用与离子移动方向相反地穿过过滤器的气体逆流的步骤。

所述方法进一步包括通过在所述离子通道两端施加足够大的电场使离子分裂成碎片的步骤。

例如，通过在基片两端施加足够的电压以产生焦耳热，可以将所述离子通道加热。

根据本发明的另一个方面，提供了一种离子过滤器，所述离子过滤器在例如离子迁移率谱仪的谱仪中使用，所述过滤器限定离子能够通过的至少一条离子通道，且在所述离子通道最近处设置了多个电极，所述电极构造成允许沿着所述离子通道长度产生第一驱动电场，并且产生与第一驱动电场正交的第二横向电场，其中所述多个电极的每一个均参与产生所述驱动电场和所述横向电场的分量。

可以设置至少两个电极对；一个电极合宜地位于通道的每个拐角。所述电极对由通道本身横向分开，同时所述对可以由绝缘材料垂直分开以提供结构稳定性。优选地在每个离子通道设置了四个电极。

所述过滤器优选地包括多条离子通道，并且合宜地包括大于5、大于10、大于15和大于20条的离子通道。所述通道可以合宜地由形成梳状布置的多个电极指限定。在优选实施方案中，所述过滤器包括两个或更多个交叉的电极阵列，且每一个阵列具有如前所述任意弯曲的多个电极指。

优选地，所述离子通道是细长的；即，它们具有较短的长度(离子流动的方向)和较短的宽度(在次横向方向上)，具有较长的深度(在主横向方向上)。

所述过滤器优选地包括在其上设置导电表面以形成电极的电阻基片。可以将导电表面设置在所述电阻基片的两面上。所述基片可以包括硅。所述导电表面可以包括金属、掺杂多晶硅等。在其中谱仪具有微加工尺度的优选实施方案中，可以使用传统的半导体加工技术，合宜地蚀刻所述基片和表面以形成需要的形状和构造，并且提供离子通道。这允许并行地且以小尺度地形成多条通道。

优选地，离子通道的长度比过滤器的深度小，并且优选地显著较小；例如，小至少10倍。在一些优选实施方案中，所述过滤器具有大体上晶片状的形式，且通道长度是过滤器深度的一小部分。在特别优选的实施方案中，通道长度小于1000微米、小于900微米和小于800微米，而过滤器深度大于10,000微米。优选的通道长度是1000至100微米，更优选为800至300微米，并且最优选为500至300微米。

根据本发明的另一方面，提供一种包括离子发生器、离子过滤器和离子检测器的离子迁移率谱仪；

其中所述离子过滤器限定多条离子通道，沿所述离子通道离子可以从所述离子发生器到达所述离子检测器；且

其中所述离子过滤器包括多个电极，所述多个电极设置在所述离子通道最近处；

所述谱仪进一步包括电极控制装置，所述电极控制装置用于控制所述电极从而沿着所述离子通道的长度产生第一驱动电场，并且与第一驱动电场正交地产生第二横向电场。

本发明还提供了一种离子过滤器，所述离子过滤器在例如离子迁移率谱仪的谱仪中使用，所述过滤器限定离子能够通过的多条离子通道，且在所述离子通道最近处设置了多个电极，所述电极构造成允许沿着所述离子通道长度产生第一驱动电场，并且产生与第一驱动电场正交的第二横向电场。

根据本发明的再一个方面，提供了一种制造离子迁移率谱仪的方法，所述方法包括如下步骤：

设置大体上为平面的电阻基片，所述电阻基片具有设置在它的两个表面上的导电层；

将基片形成图案例如蚀刻基片以提供包括两个或更多交叉电极阵列的过滤器，所述电极阵列限定多条离子通道，所述多条离子通道具有设置在所述通道最近处的电极；

将所述过滤器的一个面粘接到大体上为平面的离子检测器层，所述离子检测器层包括检测器电极；和

将所述过滤器的相对面粘贴到大体上为平面的电离层，所述电离层包括用于电离分析物的装置。

优选所述方法进一步包括设置电极控制装置的步骤，所述电极控制装置用于控制电极，从而沿着离子通道的长度产生第一驱动电场，并且与第一驱动电场正交地产生第二横向电场。

附图说明

现在将参照附图只通过示例描述本发明的这些方面和其它方面，其中：

图1是传统FAIMS过滤器结构的示意图；

图2是可以与根据本发明的实施方案的谱仪一起使用的FAIMS过滤器结构的示意图；

图3是根据本发明的实施方案的谱仪的透视图；

图4是图3中的谱仪的分解透视图；

图5是图3中的谱仪的入口层的透视图；

图6是图3中的谱仪的减湿器层的透视图；

图7是图3中的谱仪的预浓缩器层的透视图；

图8是图3中的谱仪的离子发生器层的透视图；

图9是图3中的谱仪的过滤器层的透视图；

图10是图3中的谱仪的检测器层的透视图；

图11是显示当改变样品流量时，根据本发明的谱仪的响应图；

图12是显示根据本发明的谱仪对作为分析物的丙酮的响应图；

图13是根据本发明的实施方案的离子过滤器的一部分的电子显微镜相片(electron micrograph)，图13图示了过滤器结构；

图14显示了在本发明的情况下加热的膜入口管的使用；

图15显示了在本发明的情况下使用入口管对流体采样；

图16显示了标准物(standard)装入本发明；

图17显示了可以与本发明一起使用的检测器电极阵列；

图18显示了可以与本发明一起使用的切换式积分器(switchedintegrator)；和

图19显示了由层叠的平面层形成的过滤器的一个实例。

具体实施方式

图1示意性地显示了传统的FAIMS(场不对称离子迁移率光谱)的操作。将空气在大气压下吸入到其中样品成分被电离的反应区中。在一个具有低电压DC偏压、和另一个具有周期性的高电压脉冲波形的两个金属电极14a、14b之间，将离子吹到检测器板(没有示出)，在此离子碰撞检测器板，并且电流被记录下来。将离子在脉冲相位期间朝向一个电极迅速驱动，并且在脉冲之间朝向相对电极缓慢驱动。一些离子12a在到达检测器板之前撞击电极；具有适当的微分迁移率的其它离子12b到达终点，从而使其成为微分迁移率离子过滤器。产生的电流相对DC偏压的图(plot)提供了一种特征微分离子迁移率光谱。与电荷量对应的光谱中的峰值强度表示试剂的相对浓度。

图2a和2b中显示了本发明的过滤器的操作的示意图。该设计意在克服或降低尺度限制。本发明人的方法集中于创新的电极几何形状，所述创新的电极几何形状提供低电压操作。通过蚀刻出穿过高电阻率硅的窄通道的密集阵列，形成交叉电极结构。通过新的传输机制，驱动离子穿过通道，所述新的传输机制依靠电场而不是移动气流以达到无泵操作。离子通道22由承载导电层26的硅基片24限定，所述导电层26限定在离子通道的入口和出口的每个拐角的电极。描述的放大器28表示模拟加法器。要注意的是，金属板被高电阻硅代替。除在通道两端产生的高电压脉冲和低电压DC偏压以外，还有DC源30形成驱动离子穿过通道的驱动电场，从而消除了对移动气流的需要。理论分析表明可以足够快地推进离子以避免扩散引起的进入通道壁的离子损失。图2a显示具有多条离子通道的优选实施方案，而为清楚起见，图2b图示了一条离子通道以及控制电子装置。典型地过滤器在以下情况下操作，即通道两端使用40至200V的电场，且高电压脉冲典型为3MHz至10或20MHz。驱动电场通常可以是10至40V。

图3显示了本发明的传感器的透视图。如将要描述的，所述传感器由粘接在一起的多个单层形成。所述离子通道垂直定向成离子移动被引导为垂直于硅基片表面。该几何形状允许将子系统隔开以分开以离子流的顺序层叠并且粘接的晶片层，从而生产出具有最小可能尺寸的全集成气体传感器。

图4中显示了传感器的分解透视图。除过滤器层以外，所述谱仪还包含多层。从顶部至底部，这些层是：入口层50、减湿器层60、预浓缩器层70、离子发生器层80、过滤器层90和检测器层100。

这只是预想的一个实施方案，并且可以被极大地简化或者另外以多种方式进行修改。例如，通过将在绝缘体上的硅结构(SOI)晶片处理层使用为检测器电极并将集成电路沉积在背侧，或只将控制电子装置移出所述装置，可以合并过滤器层和检测器层。可以将减湿器层和预浓缩器层一起集成到相同层上或者移出所述装置并且移到容纳传感器的腔中。通过将入口平板的下侧上的金属放射性同位素膜形成图案，离子发生器可以与入口层集成。在最简单的情况下，传感器可以只由两层组成：在单个SOI晶片中制备的集成的过滤器和检测器层，和具有在下侧上形成图案的金属电离材料的多孔入口罩。该实施方案将需要仅仅一个粘接步骤。

本发明人的观念的优越性在于利用小尺寸性质以提高性能。微结构化的过滤器层使用低电压并且执行分析物传输的新方法，这消除了对移动气流的需要并且允许无泵操作。微尺度的绝热便于快速的微尺度的预浓缩器的低功率操作。精密集成的检测器提高了灵敏度。传感器空腔的小尺寸允许用于除去降低性能的湿气的简单方法。本发明人的微机电系统(MEMS)执行的批量制造优点使其很适用于普遍存在的部署方案(deploymentscenarios)。

构造

通过如图4所示将分开的子系统层粘接在一起，形成完整的(或完成的)传感器。该构造允许在独立的晶片上制备每一个子系统以便简化设计和便于制造。下面给出每一个子系统层的功能和制造的细节。通过使用穿过芯片的通孔或简单的金属丝粘接，所述层彼此电连接。

图5：入口层

功能：该层的功能是防止颗粒进入检测器中，同时允许分析物扩散通过到分析区。

构造：该层由多微孔性介质(如陶瓷)制成，所述多微孔性介质具有小得足以防止微粒通过的孔尺寸。它具有如所示的简单平面构造。

制造：所述多微孔性介质以无需进一步制备的适当尺寸的晶片的形式获得。所述多微孔性介质被简单地粘接到传感器晶片叠层的顶部。

图6：减湿器层

功能：该层的功能是控制传感器空腔的湿度。水蒸汽影响在FAIMS中化合物的分离，并且尽管水蒸汽可以有助于增加分辨率，但是如果它得不到控制，则它可能给测量增加不确定性，从而导致差的性能。通过除去水蒸汽或者将传感器空腔干燥，可以实现湿度控制。通过使用在传感器入口在湿气可以进入分析区之前就将其选择性除去的材料，可以实现干燥。周期性地加热该材料以清除吸收的水分。

构造：专用的吸收剂膜62覆盖微型热板64，所述微型热板64沿着这部分的顶面悬置。所述微型热板由沉积于氮化硅膜66上的弯曲的多晶硅线组成。所述元件全部形成于硅基片68上。所述吸收剂膜包含分子筛化合物，所述分子筛化合物具有大约为或小于3的细孔。所述细孔刚好大到足以吸收水分子但是又太小而不能吸收分析物化合物。

制造：执行多晶硅和氮化硅沉积，并且使用光刻技术(lithography：或称之为平版印刷术、石印)将微型热板形成图案。可选地，使用商业化的CMOS处理。然后将吸收剂膜沉积在顶部上，并且使用蚀刻脱除(etchrelease)以便悬置所述结构。

图7：预浓缩器层

功能：该层的功能是将分析用的分析物浓缩。这是通过使用分子筛材料72实现的，所述分子筛材料72与减湿器层中所用的分子筛材料相同，但选择性(selective)较低。在分析期间将它加热以释放浓缩的分析物羽状物。

构造：专用的吸收剂膜72覆盖微型热板74，所述微型热板74沿着这部分的顶面悬置。所述微型热板由沉积于氮化硅膜76上的弯曲的多晶硅线组成。所述吸收剂膜包含分子筛化合物，所述分子筛化合物具有很大的细孔尺寸，所述细孔尺寸被选择成吸收所有想要的分析物。

制造：执行多晶硅和氮化硅沉积，并且使用光刻技术将微型热板形成图案。可选地，使用商业化的CMOS处理。然后将吸收剂膜沉积在顶部上，并且使用蚀刻脱除以便悬置所述结构。

图8：离子发生器层

功能：电离层的功能是使分析物电离。首先放射性同位素用于此目的，但是紫外线发光二极管(UV-LED)也是可选的。UV-LED潜在地更具选择性，但是尚未得到适合的形式。辐射被完全限制在电离组件中，从而在过滤器区内不发生将降低传感器性能的电离。

构造：该层主要是其中发生电离的中空的空腔(hollow cavity)。UV-LED或放射性箔82被贴上(attached)以提供电离激源。因为它们对处理更安全，潜在地更具选择性，可以被循环隔离(cycled off)，并且在公众中引起更小的惊慌，所以UV-LED是更适宜的。放射源不消耗功率，并且可以是安全的。不幸的是，尚未得到适合的UV-LED，但是对它们的研究正取得显著的进步。可接受的紫外线源应该发出短于280nm的波长。

制造：在顶部沉积氮化硅膜84，并沉积金属晶种层。穿过两者将开口形成图案。然后将放射源82电镀在晶种层上。最后，执行主体蚀刻(bulketch)以制造空腔。

图9：过滤器层

功能：所述过滤器层的功能是容许选择的离子种类到达检测器，并且中和所有未选择的种类。这是通过将电离的分析物引入到微通道92的阵列中实现的，在所述微通道92的阵列处，两个垂直(或正交)的电场同时作用在阵列上。施加驱动静电场，以驱使离子在它们有时间扩散到微通道壁内之前、迅速穿过过滤器区。施加横向振荡电场，以便在高场迁移率对低场迁移率的特定比率的情况下选择种类。

构造：该层由稍稍间隔开的一对交叉电极94a、94b组成。所述电极由高电阻率硅96制成，所述高电阻率硅95的特征为几微米宽和几百微米深，这形成了很多(典型为几十至几百)具有很高的长宽比的通道92，在所述通道92内，过滤器产生作用。由过滤器层占据的大部分体积是开口空间。大的通道组合孔径指可以将离子有效地结合(coupled)到过滤器区内，从而离子通过量、以及由此装置的灵敏度可以变得很高。因为电压随间隙距离升高，所以窄的通道宽度指产生横向电场所需的电压很小，典型为几十伏特。使用高电阻率硅，从而电极充当电阻器。从顶部到底部流过每个电极的电流产生驱动静电场，所述驱动静电场用于驱动离子穿过所述结构。

制造：主要使用传统微加工技术制造所述过滤器层。绝缘体上的硅(SOI)晶片是定制的，且高电阻率装置层在两侧专门参了杂质以便形成薄导电电极表面96并便于欧姆接触98。深层反应离子蚀刻(DRIE)用于产生很高的长宽比特征。计算表明20∶1的长宽比是足够的；当然可以其它的长宽比，例如，10∶1或大于20∶1。执行反蚀刻(back etch)，然后执行氧化物蚀刻脱除(release)以打开通道并且提供到被覆盖的电极表面的通路。

可以通过一系列传统的微制造技术制造过滤器结构。一种代表性的方法包括如下步骤。使用的基片是高电阻率硅晶片。将铝沉积在晶片的顶面和底面上，随后将光致抗蚀剂(photo resistant)涂覆在每个表面上。顶面被掩膜，并受到光刻(photolithography)，其后将顶面的铝涂层进行湿法蚀刻以提供电极阵列。将光致抗蚀剂从两个面剥离，并且重复所述方法以形成底面电极。将另一抗蚀剂涂层施加到顶面上，其后使用深层反应离子蚀刻，从下面蚀刻硅以形成通道。最后一次剥离光致抗蚀剂，并且过滤器准备好进一步处理。

在该技术的变型中，首先可以将硅晶片粘接到玻璃基片的底面上；然后从顶面实施各种蚀刻步骤以形成通道和电极，其后玻璃基片被酸蚀刻以暴露晶片的底面，从而让玻璃支撑件与晶片接触。其它变型包括使用除了玻璃之外的基片；并且实施以不同的顺序列出的步骤。

图13显示了本发明的过滤器结构的一部分的电子显微相片。

图10：检测器层

功能：检测器层的功能是产生驱动离子过滤器层的信号，收集并且测量被过滤的离子种类的电流，并且输出光谱测定数据，通过将检测电流与驱动信号联系起来计算出所述光谱测定数据。

构造：在该层中包含所有系统电路102，即：过滤器电极驱动器、检测器互阻抗放大器、数据转换器和控制逻辑。电路受到氧化物层106的保护，并且在顶部露出离子集电极(或称之为离子收集器电极)104。为了提供更好的钝化，可以添加中间金属层108以保护集电极免受泄漏电流。从电路到在基片底部上的焊料片110的通孔为叼焊晶片安装做准备。可以使用多条检测器通道降低分析时间。该方案要求并行复制过滤器电极和相关电路。

制造：通过使用商用混合信号的BiCMOS程序制造所有电路和电极，所述BiCMOS程序提供能够需要的电压。使用DRIE和金属化步骤将交付的晶片后处理以在电路和背侧之间形成通孔，然后形成焊料凸块(solderbumped)。

在某些实施方案中，例如，通过在充当集电极的基片上粘接或制造过滤器层可以将集电极集成到过滤器层中。

控制和分析运算法则

因为使用低电压和传统的集成电路控制过滤器层电极，所以与使用传统设计可能出现的情况相比，可以更精确并且以更复杂的方式控制过滤器区内的电场强度。从而可以更精确地确定微分迁移率，因此由于此精确度，可以预期提高分辨率。通过对在多个场强度的分析物离子迁移率取样，代替只在两个点，即现有的FAIMS设计的通常情形，更复杂的控制和分析运算法则可以降低错误警报率。

可以将组装的谱仪连接到处理器装置，如计算机等上，所述处理器装置可以用于控制该谱仪并且监测数据。

如所述地构建采样装置，并且所述采样装置用于监测丙酮试样。图11是显示当通过装置的丙酮流量增加时装置的变化响应的图。图12显示在将丙酮引入到装置中时来自装置的响应上的变化的图，并表明可以获得灵敏的响应。

与传统的谱仪相比，根据本发明的谱仪的实施方案可以具有许多优点。这些优点包括：

a)精密集成和小的传感器尺寸。最终制品是全集成单片传感器，其可以在不足1平方厘米的占用面积(footprint)和小于1立方厘米的体积的情况下制造。可以预期它的最小化的尺寸使得多种新应用和部署方案(deployment scenarios)成为可能，并且它的单片构造使其具有抗高压力的弹性。

b)简化的系统设计、更改、制造和检验。本发明的方法将三维传感器分成单独的二维层。这些层是独立并且平行设计的。它们可以使用现有的微加工方法进行制造，并且容易使用传统的晶片探测器进行测试。

c)减少或消除另外的包装和组装的需要。因为通过晶片粘接，子部分(或称之为小部分)以气密形式被连接，所以很少或不需要外部包装。无泵设计消除了使用外部泵进行制造后组装的需要。MEMS包装可以是总装置成本的相当大的一部分。从而具有简化的包装需求的设计是有利的。

d)叼焊芯片执行。离子通过顶部被吸入、并且被引导至在底部的检测器。因为检测器层包含所有电路并且是很靠底部的层，所以穿过芯片的通孔可以将电路与在背侧的焊料片连接以形成叼焊芯片装置。叼焊芯片连接方案需要安装用的最小板区域，提供最低可能的重量，并且具有最可靠的互连。

e)使用传统的微制造技术制造。只需要标准的微加工技术，如SOI的DRIE。因此，只需要最小的工艺过程开发，容易以经济的价格大量获得基材，并且已经存在能够商业化生产的加工(fabs)。

在本发明的某些实施方案中，所述谱仪还可以包含膜，并且特别是包含半透膜(或称之为半渗透性膜)。例如，所述膜可以由膨胀的PTFE(如以商品名GORE-TEX(RTM)出售的PTFE)或二甲基硅氧烷制成。在本发明中，这种半透膜可以得到诸多应用。

谱仪的入口可以被膜覆盖。这具有多种功能；一是防止灰尘和微粒进入装置，同时半透膜还允许气体(或气态)分析物进入。所述膜可以将极性分子排除在谱仪的活性区以外；过多的极性分子可以导致降低装置的分辨率并且影响数据的聚集。所述膜用于使直接邻近传感器的区域中的分析物浓缩，因而提高灵敏度。此外，液体可以通过膜，从而分析物可以从液体以气相形式扩散到装置中，从而允许分析液体样品。所述膜可以装有加热元件；膜的温度的变化可以影响穿过膜的扩散过程，因而允许附加的选择性。

适当的膜材料的选择还可以用于将特定的分子种类排除在装置以外。

特别在膜还装有加热元件的情况下，膜还可以用为预浓缩器层。分析物可以扩散到膜中，在此分析物可以被保持直至温度升高；从而释放较高浓度的分析物进入到装置中。所述膜可以只覆盖谱仪的入口，但是在优选实施方案中，可以采取通向装置的入口管的形式；样品可以沿着所述管连续通过，并随时间给出一些样品数据，同时当需要从入口管释放分析物的浓缩堵塞物时，可以释放分析物的浓缩堵塞物。对于采样液体，可以将入口管浸入到样品中，从而允许分析物从液体扩散到膜中。加热膜将分析物释放到谱仪中。在图14和15中显示了这些情形的实例。

还可以将单独的膜用作样品引入装置。可以将含有埋入的硅晶片的PDMS(聚二甲基硅氧烷)膜(或其它适合的材料)引入到液体或气体样品中。将来自样品的分析物吸附到膜中。然后，样品引入装置位于邻近谱仪处，并且电流通过硅晶片，用于加热晶片，从而加热膜。然后吸附的分析物在邻近谱仪处脱附。该安置允许在远离谱仪的位置进行取样。可以将取样装置连接到谱仪的电子装置上以允许电流通过硅晶片。

可以使用各种膜相关装置以将标准物装入谱仪中。标准物的使用可以允许校准谱仪响应，并且在一些情况下，还可以作温度或湿度变量的校正。主要根据选择的膜的物理性能，而不是根据标准物本身的浓度，膜标准物可以以大体上恒定的速率释放分析物。因此，这些标准物较易于制造、耐用，并且可以在无需精确的重新校准的情况下进行再装填。可以以多种方式实现膜标准物的装填。对于固体，可以在膜固化处理过程中引入标准物。对于液体或气体，可以使用膜封装标准物样品；并且对于气体，气体可以渗入膜并且存储在受控的顶部空间中。膜标准物可以是与谱仪独立的部件，或者可以被装入到谱仪内部以允许迅速校准(ready calibration：或称之为预备校准)；例如，可以将标准物连接到通向谱仪的入口管；这在图16中得到说明。内部标准物还可以用于连续监测取样数据和对取样数据进行确认。使用的标准物将基于特定的应用，但是优选的标准物可以具有高质子/电子亲和势或者可以给予质子/电子；可以与目标化合物分离；并且不可以被自然(或必然)出现的干扰物掩蔽。

可以将多个过滤器和/或检测器组合到检测器阵列中以提高对一系列分析物的灵敏度。在单个过滤器的情况下，有必要扫描补偿电压以将过滤器调整至传输某些离子种类；对于大部分时间，补偿电压不能被调整到相关的分析物，并且在扫描电压时，存在滞后时间。几个过滤器和/或检测器的组合使得每一个过滤器被调整为单个电压以检测相关的特定分析物，同时阵列形式允许检测一系列不同的分析物。在具有很多对应于相关的分析物的数量的通道的情况下，来自传感器阵列的输出信号将是离散光谱。还可以具有几个过滤器，所述几个过滤器被调整为相同电压，但是在每一个装置中具有不同的掺杂剂化学性质以提高屏蔽并且降低干扰效应；或甚至具有几个相同的过滤器用于冗余。

通过使用具有单个过滤器的多个检测器电极，可以实现灵敏度的进一步提高。当使用单个检测器电极时，所述单个检测器电极就是单个板，所述单个板测量整个离子流，所述离子流可以包含几种离子类型，尽管只有一种类型可能是相关的。可以使用一系列离散的检测器电极，其正交于离子离开过滤器时所采取的出口通路；这产生将离子朝向检测器吸引的正交场。离子朝向电极移动的速率依赖于离子的迁移率；并且因为还存在到电场的线性分量，所以不同迁移率的离子将碰撞不同的检测器电极。这允许更大灵敏度地检测通过过滤器的不同离子种类。在图17中显示了示范性检测器电极阵列。

藉此可以提高检测器灵敏度的另一种方法是通过将检测器电极连接到电容器上，所述电容器当单独的离子碰撞检测器板时逐渐积累电荷。电容器的周期性放电允许随时间加总(sum)离子组成(ion contributions)，从而增加装置的灵敏度和信噪比。

在某些情况下，还可以使用切换式积分器或代替地使用切换式积分器以提高灵敏度。离子检测器通过切换连接到积分器；且离子检测器切换成测量输出电压，并且循环另一次切换以将装置复位。在图18中显示了切换式积分器的一个实例。

在某些实施方案中，可以以检测用的切换模式操作本发明的谱仪；即，将检测器周期性激活以有规则的间隔取样。次操作模式可以用于减小功耗并且延长装置的操作寿命。当意在使用装置以延长样品的监测时，这是特别有利的；例如，在安全应用等中。

谱仪的操作还可以包括改变装置运行的温度和/或压力以改变装置的性能。

尽管迄今，本发明在仅使用电场驱动离子穿过过滤器方面得到描述，但是明显的是，可以协同气流使用过滤器，所述气流或者为如前所述的逆流，或者为与被电场驱动的离子流方向相同的气流。

在实施方案中可以单独使用气流以将离子引入到谱仪中，同时一旦离子进入装置，电场就操作。可选地，在只使用横向电场的情况下，可以操作过滤器以选择性允许离子进入；且离子的纵向移动完全由纵向气流控制。

在本发明的一些实施方案中，可以将过滤器结构制造成以气流模式操作用的全固体金属元件，或制造成金属涂覆的硅或其它晶片结构。可以通过例如溅射、蒸发、电镀、无电电镀、原子层沉积或化学气相沉积形成金属涂层。可以通过水切割、激光切割、加工、研磨或LIGA制造固体金属装置。尽管该安置不具有完全电场驱动的装置的优点，但是使用具有气流推进的小型化过滤器的能力具有例如降低操作电压的优点。使用离子通道的交叉阵列在某种程度上补偿使用的低电压。

如上所述，可以使用气流将离子结合到谱仪中。可选的引入方法是使用电喷电离。使溶于溶剂中的分析物强行穿过带电的毛细细小针尖。这在排出的液滴上感应出电荷，所述排出的液滴朝向带相反电荷的针孔孔板加速。这允许使用非放射性的离子发生器，以及允许在不使用可以使一些分析物降解的加热的情况下的液相电离，并且还允许一些大分子如缩氨酸的电离。

尽管本发明主要在具有晶片结构方面描述了过滤器结构，但是明显的是，可以由多个层叠的平面层制成适合的过滤器结构，以提供具有比晶片结构的离子通道长得多的离子通道的过滤器。叠层的交替层可以并联电连接。尽管晶片结构特别适合微尺度制造，但是通过使用大尺度的部件如金属涂覆的陶瓷层，以及微尺度例如使用EFAB处理，可以实现层叠的平面布置。由于在该实施方案中增加了离子通道的长度，优选的是，本发明的该实施方案在组合气流和电场的情况下操作以驱动离子穿过通道。图19中显示了该过滤器结构的示意性说明。

可以有差别地驱动本发明的过滤器结构；即，可以不同相地将横向电场的AC分量施加到离子通道的相对侧。

所述离子通道还可以包括位于它的壁上的惰性导电颗粒；这些惰性导电颗粒可以是纳米颗粒，例如金纳米颗粒。在离子通道包含硅处，随时间可能发生一些表面的氧化，从而改变装置的电性能。尽管通道表面的氧化，但是惰性颗粒将不会到氧化，因而可以提供离子接触用的导电表面。

本发明的谱仪可以连接到一种或更多其它的检测或分析装置；或者可以结合一种或更多其它分析技术操作所述谱仪。所述谱仪可以接收来自这种装置的分析物，或者可以将分析物转移到所述装置中。代表性的附加检测或分析技术包括质谱、气相色谱、离子迁移率光谱、液相色谱、毛细管电泳、火焰电离检测、导热性检测和固相微萃取。可以将这些的任何一种或全部与本发明组合，并且还可以将本发明的谱仪与根据本发明的其它谱仪组合。

本发明的谱仪的两种代表性用途包括药物气味分析和酒的质量控制。对于药物气味分析，所述装置可以用于检测在研究对象的呼气过程中因使用受控物质产生的挥发性代谢物。这将比通常依赖于头发、血液或尿分析的现有分析技术迅速和简单得多。将要检测的代谢物取决于将要被筛查的物质。

酒对损害饮料的味道或质量的异味或软木塞气味敏感。带软木塞气味的酒包含多种污染物如三氯代苯甲醚和四氯代苯甲醚，以及三氯代苯酚和四氯苯酚。可以使用本发明的谱仪检测这些化合物。在一些实施方案中，可以将谱仪集成到软木塞形状的壳体中，所述壳体将要位于标准酒瓶颈内，从而允许快速测试酒类样品。可以将简易的红或绿光警报器装入所述装置以允许快速读取结果。可选地，所述装置可以装入酒装瓶生产线中以保证装瓶的质量控制。在进行装瓶之前，所述装置还可以用于对软木塞上吸取的空气取样以检查软木塞自身中的污染物。

Claims (41)

1、一种离子迁移率谱仪，所述谱仪包括离子发生器、离子过滤器和离子检测器；

其中所述离子过滤器限定至少一条离子通道，离子能够沿所述至少一条离子通道从所述离子发生器到达所述离子检测器；且

其中所述离子过滤器包括多个电极，所述多个电极设置在所述离子通道最近处；

所述谱仪进一步包括电极控制装置，所述电极控制装置用于控制所述电极从而沿着所述离子通道的长度产生第一驱动电场，并且与第一驱动电场正交地产生第二横向电场，并且其中所述多个电极中的每一个参与产生所述驱动电场和所述横向电场分量。

2、根据权利要求1所述的谱仪，其中所述驱动电场是静电场。

3、根据权利要求1或2所述的谱仪，其中所述横向电场随时间变化。

4、根据权利要求3所述的谱仪，其中所述横向电场包括AC分量和DC分量。

5、根据前面任一项权利要求所述的谱仪，其中所述电极设置在邻近所述离子通道的入口和出口处。

6、根据前面任一项权利要求所述的谱仪，其中设置了至少两个电极对。

7、根据前面任一项权利要求所述的谱仪，其中所述过滤器包括多条离子通道。

8、根据权利要求7所述的谱仪，其中所述离子通道由形成梳状布置的多个电极指限定。

9、根据前面任一项权利要求所述的谱仪，其中所述过滤器包括两个或更多交叉的电极阵列，每一个阵列具有多个电极指。

10、根据前面任一项权利要求所述的谱仪，其中所述过滤器具有大体晶片状的形式。

11、根据前面任一项权利要求所述的谱仪，其中所述谱仪包括多个功能层，每一层具有晶片状的形式。

12、根据前面任一项权利要求所述的谱仪，所述谱仪进一步包括入口层、减湿器层和预浓缩器层中的一个或多个。

13、根据前面任一项权利要求所述的谱仪，所述谱仪进一步包括半透膜。

14、根据权利要求13所述的谱仪，其中所述膜包括加热元件。

15、根据权利要求13或14所述的谱仪，其中所述膜为入口管的形式。

16、根据前面任一项权利要求所述的谱仪，所述谱仪包括标准物。

17、根据前面任一项权利要求所述的谱仪，所述谱仪包括多个离子过滤器。

18、根据前面任一项权利要求所述的谱仪，所述谱仪包括多个离子检测器。

19、根据前面任一项权利要求所述的谱仪，所述谱仪进一步包括用于产生穿过所述谱仪的气流的装置。

20、根据权利要求19所述的谱仪，其中所述气流是与离子移动方向相反的逆流。

21、根据前面任一项权利要求所述的谱仪，所述谱仪进一步包括用于加热所述过滤器的装置。

22、根据权利要求21所述的谱仪，其中所述加热装置包括通过焦耳效应加热而加热的基片。

23、根据前面任一项权利要求所述的谱仪，其中所述离子通道包括沿所述通道的长度位于通道的壁上的惰性导电颗粒。

24、根据前面任一项权利要求所述的谱仪，其中所述离子过滤器包括晶片状的形式。

25、根据权利要求1至23中任一项所述的谱仪，其中所述离子过滤器包括多个层叠的平面层。

26、根据前面任一项权利要求所述的谱仪，其中所述离子通道是弯曲或蜿蜒的。

27、一种根据前面任一项权利要求所述的谱仪，所述谱仪连接到一种或多种其它检测或分析装置。

28、根据前面任一项权利要求所述的谱仪，所述谱仪进一步包括用于周期性操作所述谱仪以间隔取样的控制装置。

29、根据前面任一项权利要求所述的谱仪，其中所述离子检测器包括连接到周期性放电的电容器上的电极。

30、一种分析样品的方法，所述方法包括如下步骤：

沿着离子通道的长度设置第一驱动电场；

设置与第一驱动电场正交的第二横向电场；

使样品电离以在邻近所述离子通道的入口处产生离子；和

检测产生的离子，所述产生的离子穿过所述离子通道。

31、根据权利要求30所述的方法，其中所述驱动电场和横向电场通过多个电极产生，每一个电极均参与形成所述驱动电场和所述横向电场的分量。

32、根据权利要求30或31所述的方法，其中所述驱动电场是静电场。

33、根据权利要求30、31或32所述的方法，其中所述横向电场随时间变化。

34、根据权利要求30至33中任一项所述的方法，所述方法进一步包括周期性重复所述步骤以间隔取样。

35、一种离子过滤器，所述离子过滤器在例如离子迁移率谱仪的谱仪中使用，所述过滤器限定离子能够通过的至少一条离子通道，且在所述离子通道最近处设置了多个电极，所述电极构造成允许沿着所述离子通道长度产生第一驱动电场，并且产生与第一驱动电场正交的第二横向电场，其中所述多个电极的每一个均参与产生所述驱动电场和所述横向电场的分量。

36、一种离子迁移率谱仪，所述离子迁移率谱仪包括离子发生器、离子过滤器和离子检测器；

其中所述离子过滤器限定多条离子通道，离子沿所述多条离子通道能够从所述离子发生器到达所述离子检测器；并且

其中所述离子过滤器包括多个电极，所述在所述离子通道最近处设置了多个电极；

所述谱仪进一步包括电极控制装置，所述电极控制装置用于控制所述电极从而沿着所述离子通道的长度产生第一驱动电场，并且与第一驱动电场正交地产生第二横向电场。

37、一种离子过滤器，所述离子过滤器在例如离子迁移率谱仪的谱仪中使用，所述过滤器限定离子能够通过的多条离子通道，且在所述离子通道最近处设置了多个电极，所述电极构造成允许沿着所述离子通道长度产生第一驱动电场，并且产生与第一驱动电场正交的第二横向电场。

38、一种制造离子迁移率谱仪的方法，所述方法包括如下步骤：

设置大体上为平面的电阻基片，所述电阻基片具有设置在它的两个表面上的导电层；

将基片形成图案以提供包括两个或更多交叉电极阵列的过滤器，所述电极阵列限定多条离子通道，所述多条离子通道具有设置在所述通道最近处的电极；

将所述过滤器的一个面粘接到大体上为平面的离子检测器层，所述离子检测器层包括检测器电极；和

将所述过滤器的相对面粘贴到大体上为平面的电离层，所述电离层包括用于电离分析物的装置。

39、一种离子迁移率谱仪，所述离子迁移率谱仪包括离子发生器、多个离子过滤器、和离子检测器；

其中每一个离子过滤器限定至少一条离子通道，沿所述离子通道离子能够从所述离子发生器到达所述离子检测器；且

其中每一个离子过滤器包括多个电极，所述多个电极设置在所述离子通道最近处；

所述谱仪进一步包括电极控制装置，所述电极控制装置用于控制所述电极从而沿着所述离子通道的长度产生第一驱动电场，并且与第一驱动电场正交地产生第二横向电场。

40、一种离子迁移率谱仪，所述离子迁移率谱仪包括离子发生器、离子过滤器和离子检测器；其中所述离子过滤器限定至少一条离子通道，沿所述离子通道，离子能够从所述离子发生器到达所述离子检测器；并且其中所述离子过滤器包括多个电极，所述多个电极设置在所述离子通道最近处；所述谱仪进一步包括：电极控制装置，所述电极控制装置用于控制所述电极从而沿着所述离子通道的长度产生第一驱动电场，并且与第一驱动电场正交地产生第二横向电场；和另外的控制装置，所述另外的控制装置用于周期性地操作所述谱仪以间隔取样。

41、一种离子过滤器，所述离子过滤器使用在例如离子迁移率谱仪的谱仪中，所述过滤器包括一对交叉电极，所述一对交叉电极限定多条离子通道，离子能够沿着所述多条通道通过。

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