CN101636814A - 质谱仪 - Google Patents
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Abstract
一种质谱仪，其特征在于，该质谱仪以完全平面的方式被构造；组件被设置在平坦的不导电的衬底上；该质谱仪具有用于离子的能量过滤器(k)，所述能量过滤器(k)被实施为扇形、尤其是90°扇形；通过对施加到该衬底和布线上的被掺杂的半导体片进行光刻和蚀刻来制造电离室(b)、用于使电子和离子加速的电极(g，h，j)、用于所述离子的探测器(l)、和所述能量过滤器(k)，并且前述部件被第二个平坦的不导电的衬底覆盖。
Description
技术领域
本发明涉及一种质谱仪，该质谱仪具有：
-电离室，具有用于要检查的气体的供给通道，
-电子源，用于电离要检查的气体，
-用于使电离电子加速的电极，
-用于通过使离子加速/减速来根据质量分离所述离子的电极，
-用于被分离的离子的探测器，以及
-具有金属线的布线。
背景技术
质谱仪被用在多种应用中。以前，质谱仪主要用于科学目的，而如今存在越来越多的与如下有关的应用：环境保护、用于确定有害气体的空气质量测量、过程监控和控制、例如在机场中的安全检查等。尤其是具有小尺寸并因此易于运输以及能够被普遍使用的质谱仪适用于这些目的。对于大规模应用来说，另一要求是：能够低成本地制造这些质谱仪。
先前公知的具有四极质量分离器(Quadrupolmassenseparator)的质谱仪以小尺寸为特征(WO 2004/013890，GB 234908A)。缺点是，在这样的四极质量分离器的情况下对电极几何形状(Elektrodengeometrie)提出非常高的要求，从而不能通过在微系统技术中常用的蚀刻法或沉积法来制造分离器。由于系统由多个必须以彼此精确配合的方式被调节和定位的组件构成，所以必须进行昂贵和复杂的单系统处理。
在另一质谱仪中使用磁场分离器(WO 96/16430)。但是该磁场分离器要求某个最小尺寸，因为一方面针对该磁场分离器必须存在非常高的磁场强度，而在其它位置处必须屏蔽该磁场以便不影响电离或离子光学。
在一种根据微系统技术制造的质谱仪(YOON H J等人：“Fabrication of a novel micro time-of-flight mass spectrometer”，SENSORS AND ACTUATORS A，ELSEVIER SEQUOIA S.A.，LAUSANNE，CH，Bd.97-98，2002年4月1日(2002-04-01)，第441-447页，XP004361634 ISSN：0924-4247)中，使用硅作为衬底，该衬底具有的优点是：具有大量结构化可能性，但是具有的缺点是：有使该衬底加热的大的泄漏电流流动。另一缺点是高的介电常数，该高的介电常数即使在使用由二氧化硅构成的绝缘中间层时也导致信号失真。而且，通过电场仅发生离子运动方向上的连续的加速，而不发生垂直于离子运动方向的时变的加速(而通过所述时变的加速可以改善依赖速度的离子选择)，从而所有离子都到达探测器，并且必须在时间上分辨该离子流的测量。此外，该先前公知的质谱仪未以完整方式被构造；如图11中所示，分离器和探测器是分开的元件。
利用微系统技术的方法，另一先前公知的小型化的质谱仪(WO96/11492)同样未以完全平面的方式来制造；设置有用于质量分离的外部磁体。在上面已经结合另一公知的质谱仪(WO 96/16340)提到相应的缺点。
开头所述类型的质谱仪曾被开发用于微系统中，该质谱仪可以利用在微系统技术中常用的方法来制造(DE 197 20 278 A1)。该质谱仪仅具有非常小的尺寸。但是，制造非常复杂，因为一方面为了加速以便电离要检查的气体需要无支撑的绝缘栅(isoliertes Gitter)，而另一方面必须产生电接触的、由铜或镍构成的电镀生长的结构。各个组件的构造分开地在总共四个衬底上进行，必须利用适当的构造和连接技术将这些衬底连接成单片系统。
发明内容
本发明的任务在于提供一种开头所述类型的质谱仪，所述质谱仪可以简单并且低成本地制造，并且适于大量生产。
在开头所述类型的质谱仪的情况下，根据本发明的解决方案在于：
-该质谱仪以完全平面的方式被构造，
-组件被设置在平坦的不导电的衬底上，
-该质谱仪具有用于离子的能量过滤器，所述能量过滤器被实施为扇形、尤其是90°扇形，
-通过对施加到该衬底和布线上的被掺杂的半导体片
进行光刻和蚀刻来制造电离室、用于使电子和离子加速的电极、用于所述离子的探测器、和能量过滤器，并且前述部件被第二个平坦的不导电的衬底覆盖。
在此，应该将“扇形”理解为弧段，其中所述离子在该弧段上移动。
质谱仪具有通过加速/减速来根据质量分离离子的功能基于以下事实：由于通过所述电极的电场进行加速，重量不同的离子达到不同的速度，并且基于这种速度差异实现分离。但是，相应的被允许通过的离子束并不是单色的，而是也含有质量更大或者更小的离子，这些离子由于热运动而具有了更大的或者更小的起动速度。为了滤除这些非单色的离子，设置有能量过滤器，在所述能量过滤器中，在两个具有不同的、尤其是相反的电势的电极之间，离子在所述电极之间的通道(扇形)中被偏转。通过该措施获得更高的精度。
与现有技术的双聚集(doppelfokussierend)质谱仪(WO96/11492)相比，在此舍弃通过外部磁场的偏转。在本发明中，仅通过在平面结构之内产生的电场来根据质量/能量分开离子。
本发明的特别的优点在于：该质谱仪以完全平面的方式被构造并且可以利用微电子技术由晶片来制造。组件被设置在平坦的不导电的衬底上，在该衬底上首先施加有金属连接布线。通过对施加到该衬底和该布线上的半导体片进行光刻和蚀刻来制造电离室、用于使电子和离子加速的电极、用于所述离子的探测器、和能量过滤器，其中在光刻和蚀刻步骤中产生所有的组件。接下来，则用平坦的不导电的衬底来覆盖所述组件，以便因此获得闭合的单元。
在一种有利的实施方式中，该电子源是热发射器。在另一有利的实施方式中，该电子源具有等离子体室，该等离子体室具有用于稀有气体的供给通道和用于引入微波以便产生和维持等离子体的微波线路，其中该等离子体室、该供给通道和该微波线路连同其它部件一起同样通过蚀刻半导体片来制造。
在一种有利的实施方式中，用于通过加速/减速来根据质量分离离子的电极被构造和设置为飞行时间质量分离器。在第一栅电极装置中，离子束被脉冲调制(gepulst)。因此，仅有短离子脉冲到达漂移路段中，在该漂移路段中，该脉冲由于离子的速度不同而分散。在第二栅电极装置处，该离子脉冲被采样。在此，不同的传播时间对应于不同的质量。于是通过能量过滤器确保只有刚好具有某一能量的离子到达探测器并且在那里被记录。
在行波场分离器的情况下，在测量路段中设置有大量的电极，所述电极被施加交流电压，该交流电压从一端到另一端随着所述离子而“迁移(wandern)”。只有刚好具有对应于电场的“迁移速度”的速度的离子总是移动通过正好未被施加电压的电极。所有其它不合拍的离子在正好被施加有电压的电极之间移动，从而它们被偏转到旁侧。
用于所述离子的探测器被有利地构造为法拉第探测器(Faradaydetektor)。在具有更高灵敏度的另一有利的实施方式中，用于所述离子的探测器被构造为电子倍增器。
用于使电子加速的电极可以是两个配备有光阑孔径
的能够被施加不同电势的电极。这些电极同样可以由半导体材料来制造，从而避免现有技术中先前公知的、难以制造的用于加速电子的格栅装置(DE 197 20 278 A)。
该质谱仪有利地具有微控制器，通过该微控制器来控制该质谱仪。
有利地通过共晶半导体-金属接触来电连接所述布线的金属导体和所述电极。为此，在金属线或者印制导线上在相应位置上设置有由适当的金属构成的凸起，所述凸起在与半导体片结合时形成共晶半导体-金属接触。
用于该共晶接触的特别有利的金属是金。
该不导电的衬底有利地由硼硅玻璃或者石英玻璃构成。
本发明的特征还在于一种用于制造该质谱仪的方法。根据该方法，在平坦的不导电的衬底上施加金属布线，在该金属布线上设置用于与半导体电极相连接的金属焊盘。然后将对应于该布线的凹陷蚀刻到半导体片中，以便半导体材料在结合时仅接触所述金属焊盘，而不接触所述布线。接下来，则将该半导体片施加到该衬底上，并且在该半导体片上设置光刻掩膜。在此，可以通过如下方式光学地实现该掩膜相对于该布线和金焊盘的对准：使用具有某一波长的光，对于所述光来说硅片是透明的。在此，对硅来说，1.2μm以上的波长是合适的。在相应地曝光和除去该掩膜之后，则在一个步骤中局部地蚀刻该半导体片，以便产生该质谱仪的组件。接下来，利用第二个不导电的衬底覆盖该半导体片。
在此，可以预先在该第二个不导电的衬底上施加另外的布线，以便例如使电极对的电极相互连接。
附图说明
接下来根据有利的实施方式参照附图来描述本发明。
图1示出在没有布线和不导电衬底的情况下质谱仪的有利实施方式的主要部件的基本布置；
图2示出沿着图1的线A-A的截面，其中一并示出了不导电衬底，
图3以类似于图1的示图示出另一实施方式，
图4以类似于图2的示图示出对应于图3的线A-A的截面，
图5以及
图6示出第三实施方式的对应于图1和图2或图3和图4的示图，
图7示出加速电极装置的俯视图；
图8示出沿着图7的线A-A的截面；以及
图9示出制造本发明的质谱仪的原理。
具体实施方式
在图1中示出了完成了的半导体片，该半导体片在该实施方式中由掺杂的硅构成，并且在该半导体片中通过蚀刻制造出相应的组件。该谱仪具有用于样品气体的供给通道a，该样品气体被导向电离室b中。电离所需的具有典型地为70eV的能量的电子从等离子体室d中被提取出，并在两个处于不同电势的光阑孔径c之间被加速。所述光阑孔径之间的整个区域朝着该系统的旁侧被抽成真空。稀有气体通过通道e被供给等离子体室d。通过微波导体f利用微波来激励所述稀有气体以便产生等离子体并且由此释放所需的电子。通过通道e或所连接的毛细管之前的入口压力来控制该等离子体室中的压力。
通过室壁与离子光学器件g之间的电场将来自电离室b的离子提取到另一光阑孔径上，利用所定义的能量使所述离子加速并聚集。离子束在第一栅电子装置h处被脉冲调制。因此只有短离子脉冲到达漂移路段i中，在该漂移路段i中脉冲由于离子的速度不同而分散。在第二栅电极装置j处，该离子脉冲被采样。能量过滤器k确保只有刚好具有某一能量的离子到达探测器1并且在那里被记录。
图3和图4示出另一实施方式，该实施方式在加速电极的区域内与图1和图2的实施方式不同。行波场分离器的电极m被施加交流电压，从而在正好被施加电压的电极之间移动通过的电子被偏转到旁侧并且被从该射束中除去。只有刚好具有正确速度的、在没有电压施加在电极处时分别通过这些电极的离子到达能量过滤器k，该能量过滤器k的在四分之一圆形通道的两侧的两个电极处于相反的电势，以便因此仅使刚好具有所定义的能量的离子通过。这些离子然后又打到探测器1上。
图5和图6的实施方式与图1和图2的实施方式的不同之处在于：代替稀有气体等离子体，将热发射器n用于释放电离所需的电子。
在图7和图8中示出了根据本发明的质谱仪的电极区域。硼硅玻璃1充当该系统的载体，在该硼硅玻璃1上施加有金属印制导线2以便将电极电互连。通过共晶金硅接触5来实现金属印制导线2与硅电极4之间的电接触。印制导线2与硅电极4之间的接触位置处的金焊盘3在与高掺杂硅结合时熔合，并且因此产生欧姆接触。在此，在图8中以截面的形式示出了电极的构造。
在图9中示出了制造该质谱仪的原理。通过在该硅片中进行蚀刻产生凹槽(Ausnehmung)8，该凹槽8在完成的质谱仪中导致载体衬底1上的金属印制导线2与硅片6之间的所需距离。这是必需的，以便能够以平面的方式结合衬底1和硅片6。在此，蚀刻坑8的深度被设计为使得金焊盘3在衬底1与硅片6连接在一起时与蚀刻坑8的底部接触。这样根据I所产生的装置然后在步骤II中被结合。在步骤III中，在施加了相应的掩膜并通过蚀刻曝光之后产生所期望的结构。实际上，在I、II和III中所示的上部的衬底7在这些步骤过程中还不存在。该衬底7同样承载导体，并且然后在IV中被结合到该装置上，其中通过设置在上部的衬底7处的导体来连接电极。
可以以统一的步骤在晶片中进行该质谱仪的制造。图中所示的完成了的质谱仪可以具有如5×10mm那样小的尺寸。由于尺寸小，因此也仅对真空泵的泵功率提出低的要求。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种质谱仪，该质谱仪具有：
-电离室(b)，具有用于要检查的气体的供给通道(a)，
-电子源(d，n)，用于电离所述要检查的气体，
-用于使电离电子加速的电极(c)，
-用于通过使离子加速/减速来根据质量分离所述离子的电极(g，h，j，m)，
-用于被分离的离子的探测器(1)，以及
-具有金属导体的布线，
其特征在于，
-组件被设置在平坦的不导电的衬底(1)上，
-该质谱仪具有用于所述离子的能量过滤器(k)，所述能量过滤器(k)被实施为90°扇形，
-该质谱仪以完全平面的方式被构造，
-通过对施加到所述衬底(1)和所述布线(2)上的被掺杂的半导体片(6)进行唯一的光刻和蚀刻步骤来制造所述电离室(b)、用于使电子和离子加速的电极(g，h，j，m)、用于所述离子的探测器(1)、和所述能量过滤器(k)，并且前述部件被第二个平坦的不导电的衬底(7)覆盖。
2.根据权利要求1所述的质谱仪，其特征在于，所述电子源(n)是热发射器。
3.根据权利要求1所述的质谱仪，其特征在于，所述电子源具有等离子体室(d)，该等离子体室(d)具有用于稀有气体的供给通道(e)和用于引入微波以便产生和维持等离子体的微波线路(f)，其中通过对所述半导体片(6)进行蚀刻来制造所述等离子体室(d)、所述供给通道(e)和所述微波线路(f)。
4.根据权利要求1至3之一所述的质谱仪，其特征在于，用于通过加速/减速来根据质量分离离子的电极(g，h，j)被构造和设置为飞行时间质量分离器。
5.根据权利要求1至3之一所述的质谱仪，其特征在于，用于通过加速/减速来根据质量分离离子的电极(g，m)被构造和设置为行波场分离器。
6.根据权利要求1至5之一所述的质谱仪，其特征在于，用于所述离子的探测器(1)被构造为法拉第探测器。
7.根据权利要求1至5之一所述的质谱仪，其特征在于，用于所述离子的探测器(1)被构造为电子倍增器。
8.根据权利要求1至7之一所述的质谱仪，其特征在于，用于使电子加速的电极(c)是两个配备有光阑孔径的、能够被施加不同电势的电极。
9.根据权利要求1至8之一所述的质谱仪，其特征在于，该质谱仪具有微控制器。
10.根据权利要求1至9之一所述的质谱仪，其特征在于，通过共晶金属-半导体接触来电连接所述金属导体(2)和所述电极(4)。
11.根据权利要求1至9之一所述的质谱仪，其特征在于，通过共晶金-半导体接触来电连接所述金属导体(2)和所述电极(4)。
12.根据权利要求1至9之一所述的质谱仪，其特征在于，半导体材料是被掺杂的硅。
13.根据权利要求1至12之一所述的质谱仪，其特征在于，不导电的衬底(1，7)由硼硅玻璃或者石英玻璃构成。
14.一种用于制造质谱仪的方法，该质谱仪具有：用于要检查的气体的电离室，该电离室具有用于该气体的供给通道；用于电离该气体的电子的电子源；用于使所述电子加速的电极；用于使从该电离室离开的离子聚集并加速以及用于通过加速/减速来根据质量分离所述离子的电极；用于所述离子的探测器；用于前述组件的金属导体形式的连接布线；以及用于所述离子的能量过滤器，该能量过滤器被实施为扇形，其特征在于，在平坦的不导电的衬底上施加金属布线，在该金属布线上设置用于与半导体电极相连接的金属焊盘，将对应于该布线的凹陷蚀刻到半导体片中，将该半导体片施加到该衬底上，在该半导体片上利用具有大约1.2μm以上的波长的光来光学对准光刻掩膜，随后局部地蚀刻该半导体片，并且然后利用第二个不导电的衬底覆盖该半导体片。
15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，利用所述第二个不导电的衬底来施加另外的布线。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其特征在于，将被掺杂的硅用作半导体材料。
17.根据权利要求14至16之一所述的方法，其特征在于，将金用作所述金属焊盘的金属。
Claims (16)
1.一种质谱仪，该质谱仪具有：
-电离室(b)，具有用于要检查的气体的供给通道(a)，
-电子源(d，n)，用于电离要检查的气体，
-用于使电离电子加速的电极(c)，
-用于通过使离子加速/减速来根据质量分离所述离子的电极(g，h，j，m)，
-用于被分离的离子的探测器(1)，以及
-具有金属导体的布线，
其特征在于，
-该质谱仪以完全平面的方式被构造，
-组件被设置在平坦的不导电的衬底(1)上，
-该质谱仪具有用于所述离子的能量过滤器(k)，所述能量过滤器(k)被实施为扇形、尤其是90°扇形，
-通过对施加到所述衬底(1)和所述布线(2)上的掺杂的半导体片(6)进行光刻和蚀刻来制造所述电离室(b)、用于使电子和离子加速的电极(g，h，j，m)、用于所述离子的探测器(1)、和所述能量过滤器(k)，并且前述部件被第二个平坦的不导电的衬底(7)覆盖。
2.根据权利要求1所述的质谱仪，其特征在于，所述电子源(n)是热发射器。
3.根据权利要求1所述的质谱仪，其特征在于，所述电子源具有等离子体室(d)，该等离子体室(d)具有用于稀有气体的供给通道(e)和用于引入微波以便产生和维持等离子体的微波线路(f)，其中通过对所述半导体片(6)进行蚀刻来制造所述等离子体室(d)、所述供给通道(e)和所述微波线路(f)。
4.根据权利要求1至3之一所述的质谱仪，其特征在于，用于通过加速/减速来根据质量分离离子的电极(g，h，j)被构造和设置为飞行时间质量分离器。
5.根据权利要求1至3之一所述的质谱仪，其特征在于，用于通过加速/减速来根据质量分离离子的电极(g，m)被构造和设置为行波场分离器。
6.根据权利要求1至5之一所述的质谱仪，其特征在于，用于所述离子的探测器(1)被构造为法拉第探测器。
7.根据权利要求1至5之一所述的质谱仪，其特征在于，用于所述离子的探测器(1)被构造为电子倍增器。
8.根据权利要求1至7之一所述的质谱仪，其特征在于，用于使电子加速的电极(c)是两个配备有光阑孔径的、能够被施加不同电势的电极。
9.根据权利要求1至8之一所述的质谱仪，其特征在于，该质谱仪具有微控制器。
10.根据权利要求1至9之一所述的质谱仪，其特征在于，通过共晶金属-半导体接触来电连接所述金属导体(2)和所述电极(4)。
11.根据权利要求1至9之一所述的质谱仪，其特征在于，通过共晶金-半导体接触来电连接所述金属导体(2)和所述电极(4)。
12.根据权利要求1至9之一所述的质谱仪，其特征在于，半导体材料是被掺杂的硅。
13.根据权利要求1至12之一所述的质谱仪，其特征在于，不导电的衬底(1，7)由硼硅玻璃或者石英玻璃构成。
14.一种用于制造质谱仪的方法，该质谱仪具有：用于要检查的气体的电离室，该电离室具有用于该气体的供给通道；用于电离该气体的电子的电子源；用于使所述电子加速的电极；用于使从该电离室离开的离子聚集并加速以及用于通过加速/减速来根据质量分离所述离子的电极；用于所述离子的探测器；用于前述组件的金属导体形式的连接布线；以及用于所述离子的能量过滤器，该能量过滤器被实施为扇形，其特征在于，在平坦的不导电的衬底上施加金属布线，在该金属布线上设置用于与半导体电极相连接的金属焊盘，将对应于该布线的凹陷蚀刻到半导体片中，将该半导体片施加到该衬底上，在该半导体片上利用具有大约1.2μm以上的波长的光来光学对准光刻掩膜，随后局部地蚀刻该半导体片，并且然后利用第二个不导电的衬底覆盖该半导体片。
15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，利用所述第二个不导电的衬底来施加另外的布线。
16.根据权利要求14至15之一所述的方法，其特征在于，将金用作所述金属焊盘的金属。
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