CN102568976B - 一种二级反射器的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二级反射器的制作方法，其包括如下步骤：S100：准备两个绝缘套筒，在所述绝缘套筒上其电极的引出位置处，进行打孔，并对其内壁和端面进行研磨和抛光；S101：将该绝缘套筒彻底清洗；S102：在上述绝缘套筒的内壁上制作出金属电极阵列，并通过小孔将电极引出至绝缘套筒的外侧；S103：制作两个反射电极；S104：将其中一个反射电极组装在一个所述绝缘套筒的一端，将另一个所述反射电极组装在所述两个绝缘套筒之间；S105：完成二级反射器的组装。

Description

一种二级反射器的制作方法

技术领域

本发明涉及反射器的制作技术领域，尤其涉及一种二级反射器的制作方法。 

背景技术

二级反射器作为一个基本部件被广泛应用于飞行时间质谱仪。反射器首先由Mamyrin提出，后经Wiley和McLaren的改进而在工业界中得以推广及运用。其主要目的在于利用有限的空间通过电场的调节加长离子的飞行距离。与此同时，反射器还可以补偿具有能量分布的同一种离子的飞行时间差，使该种离子能够在同一时刻到达探测器从而提高仪器的分辨率。 

图1为一个简单的飞行时间质谱仪的示意图。这里先给出在不考虑栅网效应时的二级反射器设计的计算公式。设离子的初始能量为V0，共用去T时间从离子入口到离子探测器。L_eff表示如果没有反射器，能量为V0的离子自由飞行T时间所对应的有效飞行距离。 

设x＝V0/Vt  这里Vt第一级反射器末端所加电压，以离子源入口处电压为地，这里电压等同于能量。一旦L_eff，x and V0都已知，则关于反射器的其它参数也就可根据如下公式推出。具体的公式推导这里暂且省略。 

$\mathrm{lr}\left(x\right)=\frac{4x}{3-2x}---\left(1\right)$

$\mathrm{er}\left(x\right)=1+\frac{1}{2}\mathrm{lr}\left(x\right){\left(\frac{x-1}{x}\right)}^{\frac{3}{2}}---\left(2\right)$

L_free是图1中的离子自由飞行距离.它可有如下公式表示 

$L\_\mathrm{free}\left(x\right)=\frac{L\_\mathrm{eff}\·\mathrm{lr}\left(x\right)}{[\mathrm{lr}\left(x\right)+4\sqrt{x}(\sqrt{x}-\sqrt{x-1})+4\sqrt{x}\·\mathrm{er}\left(x\right)\·\sqrt{x-1}]}---\left(3\right)$

设dt是第一级反射器的长度，则 

$\mathrm{dt}\left(x\right)=\frac{L\_\mathrm{free}\left(x\right)}{\mathrm{lr}\left(x\right)}---\left(3\right)$

$\mathrm{Vt}\left(x\right)=\frac{V_0}{x}---\left(4\right)$

设Vk第二级反射器末端所加电压， 

V_k＝ε_k·V_max               (5) 

这里εk是安全系数，一般大于1.1，作用在于确保具有最大能量Vmax的离子不会撞上第二级反射器的末端。离子的最大能量Vmax是由入射口离子束的能量分布决定.再设dk是第二级反射器的长度 

$\mathrm{dk}\left(x\right)=\frac{V_k-V_t\left(x\right)}{V_t\left(x\right)}\·\mathrm{dt}\left(x\right)\·\mathrm{er}\left(x\right)---\left(6\right)$

根据上述六个公式，我们就可以按选择的L_eff，V0，x和εk来决定设计的二级反射器的几何尺寸和所加电压。例如如果我们选择L_eff＝2.5米，x＝1.25，εk＝1.1，V0＝1000eV，并假设Vmax＝1030eV，根据上面公式我们可求的dt＝156.25毫米，Vt＝800伏，dk＝94.125毫米and Vk＝1133伏.离子的总飞行时间可由如下公式计算： 

$T=\frac{L\_\mathrm{free}}{\mathrm{lr}\left(x\right)}\·\sqrt{\frac{2m}{q{V}_t\left(x\right)}}\·[\frac{\mathrm{lr}\left(x\right)}{2\sqrt{x}}+2(\sqrt{x}-\sqrt{x-1})+2\mathrm{er}\left(x\right)\sqrt{x-1}]---\left(7\right)$

这里m离子质量，q是单个离子所带的电荷。 

目前工业界大部分的二级反射器都是用多片的金属材料与两个栅网级联而成。由于二级反射器对金属片与栅网彼此之间的平行度要求很高，因此目前的二级反射器都存在机械加工的要求很高，组装复杂，重量重，一旦损坏难以修复等缺点。 

有鉴于此，提供一种基于MEMS技术高效生产二级反射器的制作方法成为必要。 

发明内容

本发明的发明目的是提供一种基于MEMS技术高效生产二级反射器的制作方法。 

为了实现上述目的，本发明提供的一种二级反射器的制作方法，其包括如下步骤：S100：准备两个绝缘套筒，在所述绝缘套筒上其电极的引出位置处，进行打孔，并对其内壁和端面进行研磨和抛光；S101：将该绝缘套筒彻底清洗；S102：在上述绝缘套筒的内壁上制作出金属电极阵列，并通过小孔将电极引出至绝缘套筒的外侧；S103：制作两个反射电极；S104：将其中一个反射电极组装在一个所述绝缘套筒的一端，将另一个所述反射电极组装在所述两个绝缘套筒之间；S105：完成二级反射器的组装。 

进一步地，所述步骤S102中的制作所述内壁电极的步骤包括：S1021：将上述绝缘套筒、电阻丝和待蒸发的金属放置在一个真空腔内；S1022：加热该电阻丝，使得待蒸发的金属熔化蒸发，金属蒸汽到达绝缘套筒内壁后淀积成膜；S1023：在所述绝缘套筒的内壁喷涂一层光刻胶，并将其烘干；S1024：使用曝光系统将需要曝光的光刻胶曝光；S1025：将所述光刻胶显影，制作出电极图形，并保留被所述光刻胶覆盖的金属，移出未被所述光刻胶覆盖的金属；S1026：将光刻完毕后的绝缘套筒内放入腐蚀液腐蚀金属，制作出环状电极；S1027：将绝缘套筒内表面的光刻胶除去；S1028：完成内壁电极的制作。 

进一步地，所述步骤S1024中的曝光系统包括线性位移调节架、聚焦透镜和设置在所述调节架上的激光器，所述绝缘套筒的端面上设置有套管端面位置传感器；曝光时，以所述绝缘套筒的端面作为参照面，在所述套管端面位置传感器作用下对激光器发出的激光束照射位置进行实时校准定位，所述激光束被聚焦透镜聚焦在所述绝缘套筒内壁上，通过旋转所述绝缘套筒，曝光需要曝光的光刻胶。 

进一步地，在金属蒸发时，上下移动所述绝缘套筒，以使其小孔侧壁上也有良好的金属覆盖。 

进一步地，所述绝缘套筒内壁后淀积成的金属薄膜为一种金属或多种金属的组合。 

进一步地，所述金属薄膜为金和铬。 

进一步地，所述步骤S1026中还包括：将绝缘套筒内未被金属覆盖的区域进行氧化硅的腐蚀，以制作凹槽。 

进一步地，所述步骤S103中的制作所述反射电极的步骤包括：S1031：选择高平整度的硅片，其中该硅片厚度变化小于1微米，其直径稍大于所述绝缘套筒的外径；S1032：将所述硅片的双面淀积低应力的氮化硅薄膜；S1033：将所述硅片一面的氮化硅薄膜进行栅网结构图形化，对其另一面的氮化硅薄膜进行窗口结构图形化；S1034：将所述硅片放入氢氧化钾中腐蚀，直至氮化硅电极栅网结构完全悬空，并所述硅片进行清洗；S1035：清洗后，在氮化硅电极栅网结构上淀积金属薄膜；S1036：完成所述反射电极的制作。 

进一步地，所述步骤S100中的制作所述的绝缘套筒由具有低热膨胀系数的材料构成，如熔融石英玻璃，玻璃或陶瓷。 

进一步地，所述步骤S100中的制作所述绝缘套筒的打孔方法可为超声打孔，激光打孔，激光水刀打孔方法及其组合。 

本发明提供的一种二级反射器的制作方法，采用绝缘套筒结构，大大减少了零部件数量，降低了组装的难度和零部件的加工成本；其绝缘套筒由石英玻璃管制成，其可精密加工性好于不锈钢，并且采用光刻工艺，各电极的形状和相对位置具有很高的精度。由于有张具有应力的氮化硅网格支撑，金属栅网可以有很高的平整度，且各电极，栅网间有很高的平行度；该电极的制作采用MEMS技术，重复性好，利于批量生产，其电极的图形化采用光刻/腐蚀技术批量制作，在保证质量的同时，提高了生产效率。 

附图说明

图1为一个简单的飞行时间质谱仪的示意图； 

图2为二级反射器从绝缘套筒端看的结构示意图； 

图3为二级反射器从反射电极端看的结构示意图； 

图4为反射电极的结构示意图； 

图5为二级反射器的整体结构示意图； 

图6为图5所示的二级反射器的剖视图； 

图7为加热蒸发淀积金属薄膜示意图； 

图8为在绝缘套筒内壁光刻方法示意图； 

图9为制作图4所示的反射电极步骤S1031操作示意图； 

图10为制作图4所示的反射电极步骤S1032操作示意图； 

图11为制作图4所示的反射电极步骤S1033操作示意图； 

图12为制作图4所示的反射电极步骤S1034操作示意图； 

图13为制作图4所示的反射电极步骤S1035操作示意图。 

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面，特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。 

本发明所提出的一种二级反射器的制作方法是在绝缘套筒内壁采用金属镀膜，光刻制作互相平行的电极圆环以取代现有技术中需单独加工和组装的金属片，再将绝缘套筒和反射电极栅网组装成二级反射器。该二级反射器的基本结构示意图如图1-6所示，二级反射器100包括两个绝缘套筒2和两个反射电极2，绝缘套筒1的内壁上设置有互相平行的圆环电极11，其一侧设置有通过超声打的小孔12；反射电极2将采用标准的MEMS加工工艺制作，其设置有平整电极栅网结构21。 

本发明提供的一种二级反射器的制作方法，其包括如下步骤：S100：准备两个绝缘套筒1，在绝缘套筒1上其电极的引出位置处，进行打孔12，并对其内壁和端面进行研磨和抛光； 

S101：将该绝缘套筒1彻底清洗； 

S102：在上述绝缘套筒1的内壁上制作出内壁电极11； 

S103：制作两个反射电极2； 

S104：将其中一个反射电极2组装在一个所述绝缘套筒1的一端，将另一个所述反射电极2组装在所述两个绝缘套筒1之间； 

S105：完成二级反射器100的组装。 

绝缘套筒1的制作： 

首先进行坯料加工：由于二级反射器100需要由两个绝缘套筒1和两个反射电极2组装而成，该绝缘套筒1由具有低热膨胀系数的材料构成，如熔融石英玻璃，玻璃或陶瓷。各端面需要很好的平行度以保证绝缘套筒1内壁的金属电极11和反射电极2内的各电极栅网结构21保持平行，以得到最佳的工作效果。绝缘套筒1内壁应保持光滑，内径均匀性好。为达到以上要求，绝缘套筒1采用石英玻璃管，玻璃材料的可精密加工性好于不锈钢。并对石英玻璃管进行内壁和端面的研磨和抛光，然后在金属电极11的引出位置，打出小孔12。该绝 缘套筒的打孔方法可为超声打孔，激光打孔，激光水刀打孔方法及其组合。 

该制作好的绝缘套筒1坯料需彻底清洗，去除油污和杂质。例如，将该绝缘套筒1放在加热的氨水，双氧水和去离子水中浸泡，然后在加热的稀盐酸，双氧水和去离子水浸泡，足后用去离子水冲洗干净。 

内壁金属电极11的制作： 

所述步骤S102中的制作所述内壁电极的步骤包括： 

S1021：如图7所示，将上述绝缘套筒1、电阻丝107和待蒸发的金属放置在一个真空腔106内； 

S1022：加热该电阻丝107，使得待蒸发的金属熔化蒸发，金属蒸汽到达绝缘套筒1内壁后淀积成膜； 

S1023：在所述绝缘套筒1的内壁喷涂一层光刻胶，并将其烘干； 

S1024：如图8所示，使用曝光系统将需要曝光的光刻胶曝光； 

S1025：将光刻胶显影，制作出电极图形，并保留被光刻胶覆盖的金属，移出未被光刻胶覆盖的金属； 

S1026：将光刻完毕后的绝缘套筒1内放入腐蚀液腐蚀金属，制作出环状电极11； 

S1027：将绝缘套筒1内表面的光刻胶除去； 

S1028：完成内壁电极11的制作。 

内壁电极的制作方法，是先淀积金属薄膜，再用光刻/化学腐蚀的方法制作互相平行的金属圆环电极11。 

金属薄膜的淀积： 

由于内壁金属电极11需要耐腐蚀，抗氧化，因此金是一个不错的选择，但金与石英玻璃的内壁的粘附性不好，需要用铬做粘附层。金和铬采用热蒸发的方法制作金属薄膜。热蒸发的原理示意图如图7所示。将绝缘套筒1，待蒸发的金属和电阻丝107被放置在一个真空腔106内，电阻丝107通电加热后会使待蒸发的金属熔化，蒸发，金属蒸汽到达绝缘套筒1内壁后冷却淀积成膜。该绝缘套筒1内壁后淀积成的金属薄膜为一种金属或多种金属的组合。较佳地，金属薄膜为金和铬。 

在金属蒸发时，可上下移动所述绝缘套筒1，以使其小孔侧壁上也有良好的金属覆盖，既提高小孔能导电能力，为金属圆环电极11的引出打好基础。 

圆环电极11阵列的制作： 

在金属薄膜制作完成后，在绝缘套筒1内壁喷涂一层光刻胶，烘干。采用图8所示的曝光系统进行曝光。曝光系统包括线性位移调节架101、聚焦透镜104和设置在所述调节架101上的激光器102，所述绝缘套筒的端面上设置有套管端面位置传感器13；曝光时，以所述绝缘套筒1的端面作为参照面，在所述套管端面位置传感器13作用下对激光器12发出的激光束14照射位置进行实时校准定位，所述激光束经过折射镜103折射，被聚焦透镜104聚焦在所述绝缘套筒1内壁上，通过旋转所述绝缘套筒1，曝光需要曝光的光刻胶。因此，圆环形电极11边缘将与绝缘套筒1的端面平行。位置误差取决于对参照面的位置的测量精度和激光系统位置的控制精度，该精度可小于50nm。由于所有圆环电极11使用相同的参杂面，没有位置误差的累积。因此，该方法制作的器件的精度不受电极数量宽度的限制。 

将光刻胶显影，制作出电极图形。在有光刻胶覆盖的地方，金属将被保留，没有光刻胶覆盖的地方，金属将被移出；被曝光的光刻胶在显影步骤中被移除。而未曝光的光刻胶将保留下来作为金属腐蚀的保护膜，保留下来的光刻胶进一步被烘干，以提高抗腐蚀性。 

将光刻完毕后的绝缘套筒1放入腐蚀液腐蚀金和铬，制作出环形电极11。根据需要，将绝缘套筒1内未被金属覆盖的区域还可以进一步进行氧化硅的腐蚀，以制作凹槽。该凹槽可降低在不导电的玻璃套筒表面的电荷积累。 

最后将绝缘套筒1内表面的光刻胶用有机溶剂去除，完成内壁电极11的制作。 

反射电极2的制作： 

所述步骤S103中的制作所述反射电极2的步骤包括： 

S1031：如图9所示，选择高平整度的硅片22，其中该硅片厚度小于1微米，其直径稍大于所述绝缘套筒1的外径； 

S1032：如图10所示，将所述硅片22的双面淀积低应力的氮化硅薄膜23； 

S1033：如图11所示，将所述硅片22一面的氮化硅薄膜23进行栅网结构231图形化，对其另一面的氮化硅薄膜23进行窗口结构232图形化； 

S1034：将所述硅片22放入氢氧化钾中腐蚀，如图12所示，直至氮化硅电极栅网结构21完全悬空，并所述硅片22进行清洗； 

S1035：清洗后，如图13所示，在氮化硅电极栅网结构21上淀积金属薄膜24； 

S1036：完成所述反射电极2的制作。 

反射电极2采用标准的MEMS加工工艺制作。先制作一张具有应力的氮化硅网格，再在氮化硅网格两侧淀积金属，以达到制作大面积的平整电极栅网结构。 

首先选择高平整度的(100)硅片22。该硅片的厚度均匀性可小于1微米。硅片22大小由绝缘套筒1的直径决定。一般硅片22的直径稍大于绝缘套筒1的外径。将硅片22双面淀积低应力氮化硅薄膜23。对氮化硅薄膜23进行图形化。其一面制作栅网结构231，另一面制作硅22腐蚀的窗口232。之后将硅片22放入氢氧化钾(KOH)中腐蚀，直至氮化硅电极栅网结构21完全悬空。硅片22，清洗后，在氮化硅电极栅网结构21上淀积金属薄膜24，该金属薄膜24一般为铬金。在氮化硅电极栅网结构21背面淀积金属薄膜24时，需要使用遮挡物以避免硅片22框架的背面也被淀积上金属薄膜24。 

将上述步骤中制造出的两个绝缘套筒1和两个反射电极2按照步骤S104组装起来，需保证各部件紧密贴紧，就完成了二级反射器100的制作。 

本发明提供的一种二级反射器的制作方法，采用绝缘套筒结构，大大减少了零部件数量，降低了组装的难度和零部件的加工成本；其绝缘套筒由石英玻璃管制成，其可精密加工性好于不锈钢，并且采用光刻工艺，各电极的形状和相对位置具有很高的精度。由于有张具有应力的氮化硅网格支撑，金属栅网可以有很高的平整度，且各电极，栅网间有很高的平行度；该电极的制作采用MEMS技术，重复性好，利于批量生产，其电极的图形化采用光刻/腐蚀技术批量制作，在保证质量的同时，提高了生产效率。 

以上所揭示的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属于本发明所涵盖的范围。 

Claims (7)

1.一种二级反射器的制作方法，其包括如下步骤：

S100：准备两个绝缘套筒，在所述绝缘套筒上其电极的引出位置处，进行打孔，并对其内壁和端面进行研磨和抛光；

S101：将该绝缘套筒彻底清洗；

S102：在上述绝缘套筒的内壁上制作出金属电极阵列，并通过小孔将电极引出至绝缘套筒的外侧；

S103：制作两个反射电极；

S104：将其中一个反射电极组装在一个所述绝缘套筒的一端，将另一个所述反射电极组装在所述两个绝缘套筒之间；

S105：完成二级反射器的组装；

所述步骤S102中的制作所述内壁电极的步骤包括：

S1021：将上述绝缘套筒、电阻丝和待蒸发的金属放置在一个真空腔内；

S1022：加热该电阻丝，使得待蒸发的金属熔化蒸发，金属蒸汽到达绝缘套筒内壁后淀积成膜；

S1023：在所述绝缘套筒的内壁喷涂一层光刻胶，并将其烘干；

S1024：使用曝光系统将需要曝光的光刻胶曝光；

S1025：将所述光刻胶显影，制作出电极图形，并保留被所述光刻胶覆盖的金属，移出未被所述光刻胶覆盖的金属；

S1026：将光刻完毕后的绝缘套筒内放入腐蚀液腐蚀金属，制作出环状电极；

S1027：将绝缘套筒内表面的光刻胶除去；

S1028：完成内壁电极的制作；

所述步骤S1024中的曝光系统包括线性位移调节架、聚焦透镜和设置在所述调节架上的激光器，所述绝缘套筒的端面上设置有套管端面位置传感器；曝光时，以所述绝缘套筒的端面作为参照面，在所述套管端面位置传感器作用下对激光器发出的激光束照射位置进行实时校准定位，所述激光束被聚焦透镜聚焦在所述绝缘套筒内壁上，通过旋转所述绝缘套筒，曝光需要曝光的光刻胶；

在金属蒸发时，上下移动所述绝缘套筒，以使其小孔侧壁上也有良好的金属覆盖。

2.根据权利要求1所述的一种二级反射器的制作方法，其特征在于：所述绝缘套筒内壁后淀积成的金属薄膜为一种金属或多种金属的组合。

3.根据权利要求2所述的一种二级反射器的制作方法，其特征在于：所述金属薄膜为金和铬。

4.根据权利要求1所述的一种二级反射器的制作方法，其特征在于：所述步骤S1026中还包括：将绝缘套筒内未被金属覆盖的区域进行氧化硅的腐蚀，以制作凹槽。

5.根据权利要求1所述的一种二级反射器的制作方法，其特征在于：所述步骤S103中的制作所述反射电极的步骤包括：

S1031：选择高平整度的硅片，其中该硅片厚度变化小于1微米，其直径稍大于所述绝缘套筒的外径；

S1032：将所述硅片的双面淀积低应力的氮化硅薄膜；

S1033：将所述硅片一面的氮化硅薄膜进行栅网结构图形化，对其另一面的氮化硅薄膜进行窗口结构图形化；

S1034：将所述硅片放入氢氧化钾中腐蚀，直至氮化硅电极栅网结构完全悬空，并所述硅片进行清洗；

S1035：清洗后，在氮化硅电极栅网结构上淀积金属薄膜；

S1036：完成所述反射电极的制作。

6.根据权利要求1所述的一种二级反射器的制作方法，其特征在于：所述步骤S100中的制作所述的绝缘套筒由具有低热膨胀系数的材料构成。

7.根据权利要求1所述的一种二级反射器的制作方法，其特征在于：所述步骤S100中的制作所述绝缘套筒的打孔方法可为超声打孔，激光打孔，激光水刀打孔方法及其组合。

Images