CN104335036B - 累积电容器跨阻放大器 - Google Patents

Abstract

描述了包括累积容性检测器的光谱仪。累积容性检测器将来自收集器(220)的离子电流累积成改变的电压。检测器包括被配置为在光谱仪中接收离子的收集器、电介质(228)和在电介质的相反侧布置在与收集器的重叠配置中的板(232)。所述检测器还包括放大器(226)。

Description

累积电容器跨阻放大器

技术领域

本发明涉及检测器装置，更具体地涉及用于光谱仪的检测器。

背景技术

离子迁移光谱仪(“IMS”)和场不对称离子迁移光谱仪(“FAIMS”)或者微分迁移光谱仪(“DMS”)装置通常用于检测例如爆炸物、药物，起泡物和神经毒剂等等物质。光谱仪通常包括其中含有被怀疑的物质或分析物的空气样本被提供为气体或蒸汽的检测器单元。单元工作在大气压或接近大气压，并且包含激励以产生沿所述单元的电压梯度的电极。

空气样本中的分子诸如通过放射性源、紫外线(“UV”)源、或通过电晕放电被电离，并且被允许通过在一端的静电闸门进入单元的漂移区。电离的分子以依赖于到收集器的离子大小的速度漂移到单元的另一端，这会导致收集器中的电流脉冲。电流进入收集器被转换为电压并放大。通过测量沿着单元的飞行时间能够识别离子。

在背景技术部分中讨论的本主题不应该被认为是现有技术，仅仅是作为其在背景技术部分中提及的结果。同样地，在背景技术部分中提及或与背景技术部分的主题关联的问题不应该被认为已经在现有技术中被认识到。在背景技术部分中的本主题只是表示不同的方法，在其本身之中和其本身也可能是发明。

发明内容

描述了包括累积容性检测器的光谱仪。光谱仪可用于电离来自感兴趣样本的分子，以便识别基于离子的分子。在实施方式中，离子沿光谱仪内的腔室行进，并通过收集器收集。所产生的离子信号由累积容性检测器放大。

在一个方面，提供了光谱仪。光谱仪包括检测器。检测器包括具有第一侧和第二侧的收集器，所述第一侧被配置为接收已经漂移向收集器的离子。所述检测器还包括邻近所述收集器的第二侧的电介质元件。所述检测器还包括具有输入和输出的放大器。所述检测器还包括靠近所述电介质元件和与所述收集器相对的容性板元件。容性板元件与放大元件的输出耦合。

在另一个方面，提供了光谱仪。光谱仪包括检测器。所述检测器包括收集器，被配置为接收朝向支撑在电介质的第一侧上的收集器漂移的离子。所述检测器还包括板元件，设置在与所述电介质的所述第一侧相对的第二侧上并与所述收集器重叠配置。所述检测器还包括具有输入和输出的放大器。收集器与输入耦合。板元件与输出耦合。

本发明的另一个实施方式涉及一种光谱仪。所述光谱仪包括被配置为收集离子的收集器。所述收集器被布置并配置为电容器的第一板。所述光谱仪还包括靠近所述收集器的电介质。所述光谱仪还包括相对于所述电介质与收集器相对布置的被配置为电容器的第二板的板。所述光谱仪还具有包括输入、输出和反馈回路的放大元件。所述电容器被配置在反馈回路中。

提供本发明内容以用简化的形式介绍概念的选择，其在具体实施方式中将被进一步描述。本发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。

附图说明

具体实施方式参照附图进行描述。在附图中，参考数字最左边的数字标识参考数字首次出现的附图。在说明书和附图的不同实例中使用相同的参考数字指示相似或相同的项。

图1是根据本公开的实施方式的包含累积容性检测器的示例性IMS装置的示意图；

图2示出了累积容性检测器的实施方式的详细视图，该累积容性检测器例如可以被用作具有图1所示的示例性IMS装置的累积容性检测器；

图3是跨阻放大器电路的实施方式的示意图，该跨阻放大器电路诸如，例如由图2所示的配置形成的电路；

图4是由图2所示的配置构成的电路的替换实施方式的示意图；

图5是包含累积容性检测器和第二检测器的IMS装置的第二实施方式的示意图；

图6是具有复位电路的检测器的实施方式的示意图。

具体实施方式

图1是例如离子迁移光谱仪(“IMS”)100的示例性光谱仪的示意图，其实现感兴趣的样本中对分子的电离子化。IMS 100包括从第一壁(wall)104延伸到第二壁106的细长壳体102。限定在壳体102中接近第一壁104的是入口108。感兴趣的分子可以通过入口108被吸入到壳体102中。壳体102还限定了流体流通但由闸门114隔离的电离室110和漂移室112，该闸门114可以控制离子到漂移室的通道。电离室110包括电离源116，其可以是放射性源，例如镍63源、电晕放电设备、光电离源、或用于电离感兴趣样本的任何其他合适类型的源。漂移室112包括沿着所述漂移室112间隔开的电极对118，以提供沿着漂移室112的长度的电位梯度，该电位梯度有效地使离子从左向右漂移(如图1)。在漂移室112中邻近外壳102的第二壁106的是检测器122的收集器120。当离子到来与收集器120接触时，离子被检测到。

对感兴趣的分子的电离可以各种方式发生。例如，电离源可以通过使用形成在等离子体中的离子的各种多步过程来电离分子。

在实施方式中，反应物离子通过电晕产生。反应物离子电离感兴趣的分子。例如，电离源形成离子，该离子随后被抽离以电离感兴趣的分子。反应物离子可以是电离气体(例如，氮气和在空气中的气体)以及在电离室的其他气体，例如水等等。虽然感兴趣分子的碎片(fragmentation)是可能的，但电离可以被控制以产生“软”电离从而在携带单个电荷(例如正一或负一价电荷)的分子的帮助下最小化分子的碎片。

在一个实施方式中，IMS测定在闸门114打开之后离子需要多长时间到达收集器120。此飞行时间可以与底层(underlying)分子相关联。离子的离子迁移率被用来识别与所述离子相关的分子。例如，计算机可以被用于将检测器122的输出与已知离子的等离子体色谱图(plasmagrams)库进行比较。从收集器120释放的离子电流通常很小。因此，如将在下面进一步描述的，检测器122包括放大电路124，该放大电路124包括放大元件126以放大离子电流。

检测器122的输出可以耦合到测量系统123。测量系统123的实施方式可以包括模拟-数字转换器、数字-模拟转换器、放大元件、处理器等等，这将在以下进一步说明。处理器不受形成它们的材料或其中所采用的处理机制的限制。例如，处理器可以由半导体(S)和/或晶体管(例如，电子累积电路(“IC”))组成。实施方式可以包括其它适当的测量系统123。

存储器可以被包括在处理器中。存储器可以存储数据，例如用于操作IMS、数据等的指令的程序。尽管可以使用单一存储器设备，但是也可以采用多种类型和组合的存储器(例如，有形存储器)，例如，随机存取存储器(“RAM”)、硬盘存储器、可移动介质存储器、外部存储器、和其他类型的计算机可读存储介质。

离子在漂移室112朝着第二壁106向下移动。位于靠近第二壁106的是收集器120。在所示实施方式中，收集器120由电介质128支撑。电介质128可以是任何合适的电介质，并在所示实施方式中是由聚酰亚胺组成的印刷电路板(“PCB”)。收集器120可以由任何合适的材料(例如，铜、其它金属、导电材料等)或材料的组合构成，并且可以被沉积在PCB上或与PCB通过适当的方式耦合。

图2示出了累积容性检测器的实施方式的详细视图，该累积容性检测器例如可以被用作具有图1所示的示例性IMS装置的累积容性检测器。收集器220被沉积在PCB 228上合适的区域，以用于收集离子。在一个实施方式中，PCB 228基本上为圆形，直径为大约7.5毫米以及大约为44平方毫米的方形面积。其它合适的形状、尺寸和区域也被预见。在一个实施方式中，收集器220大小足够紧凑，同时允许精确检测。在所示实施方式中，收集器220由保护环230环绕。保护环230可以由任何合适的材料形成，如导电材料、金属等。

支撑在PCB 228的与收集器220相对的一侧是容性板元件232。容性板元件232可以由任何合适的材料(例如，铜、其它金属、导电材料等)或组合材料构成，且可被沉积在PCB上或与PCB通过适当的方式耦合。

平行板电容器根据以下等式具有基于板的重叠表面面积、板之间的间隔，以及介电常数(相对电容率)的电容：

C＝(k*8.854*10^-12*A/D)*1*10^-12

其中k是电介质材料的介电常数，A是板的重叠面积，D是板之间的距离，C是电容器的电容。

容性板元件232和收集器220沿着PCB 228的重叠部分被配置为充当电容器，收集器220的与容性板元件232重叠的部分充当电容器的一个板，PCB228充当电介质，及容性板元件232充当电容器的另一个板。容性板元件232的尺寸被设计为具有重叠收集器220的一部分区域的区域，以获得期望的应用所需的电容，如将在下面进一步描述的。在一个实施方式中，PCB 228由聚酰亚胺形成，其具有大约3.4的介电常数。容性板元件232的大小被设置成具有与收集器220重叠的大约44平方毫米区域。PCB 228大约1.5毫米厚。因此，由收集器220、容性板元件232和PCB 228形成的电容器的电容是约0.883皮法。造成适合于各种应用的其他电容的其它布置也是可以预见的。

如将在下面进一步解释的，由容性板元件232和收集器220沿着电介质的重叠部分形成的电容器和收集器220形成容性跨阻放大器电路的相加结点。这个相加结点与放大元件226的第一输入234耦合。

进一步参考图2，放大元件226是任何合适类型的运算放大器。此外，其它合适类型的放大元件也被预见。运算放大器226的第一输入234是其反相输入端。运算放大器226还包括第二输入236，这是运算放大器226的非反相输入端。运算放大器226的第二输入236接地。运算放大器226还包括输出238。输出238与容性板元件232耦合。

图3是由图2所示的装置形成的电路的示意图。由图2的容性板元件232、电介质228和收集器229形成的电容器用作布置在放大元件326的反馈回路中的反馈电容器340。反馈电容器340和收集器320在相加结点342接合，该相加结点342与运算放大器326的反相输入334耦合。

图3的电路用作容性跨阻放大器，该容性跨阻放大器将施加到其输入的电流转换成低阻抗输出。当离子撞击收集器320时，该离子信号使电荷积聚在电容器340，且运算放大器326的输出依赖于输入信号的极性在正或负方向增加。因此，如图所示的电路用作累积器并将来自收集器320的离子电流累积为增加的电压。

当电荷积聚在电容器340上时，电容器340可能达到其工作极限，需要放电以复位电容器340。在一个实施方式中，电容器340被并联耦合到复位切换电路344。当期望复位电容器340时，复位开关电路344的开关可以闭合，允许电容器340被复位和放电。在实施方式中，复位开关电路344还可以包含电阻元件，以控制电压的变化率，从而限制瞬时电流。

图4是由图2所示的装置形成的电路的示意图，其具有用于对电容器440放电的替换配置。各种运算放大器426提供输入保护二极管。与运算放大器426的输出耦合的容性板元件432被切换到接地。存储在电容器上的电荷随后通过运算放大器426的保护二极管消散。在一些实施方式中，提供电阻元件，以限制放电期间的瞬时电流。

运算放大器426包括电源连接，以将电力提供给运算放大器426。电容器440在一些实例中通过使得运算放大器的电源连接接地而被复位。存储在电容器440上的电荷随后通过运算放大器的内部二极管结构消散。在一些实施方式中，电阻元件被结合，以控制电压的变化率，从而限制瞬时电流。

在另一个实施方式中，电容器440通过部分或完全反转运算放大器426的电源连接而被复位。存储在电容器440上的电荷随后通过运算放大器的内部二极管结构消散。在一些实施方式中，电阻元件被结合，以控制电压的变化率，从而限制瞬时电流。

在又一实施方式中，光谱仪100还包括在切换极性的单元中的离子发生器。代替对电容器440进行复位，离子发生器被用于将电容器转向相反的极性。

虽然描述了对电容器440复位，还可以预见检测器122也可以用在不对电容器440进行复位的偏移配置中，如在一个实施方式中描述的，例如申请的同时被转让给本申请的受让人、题为Capacitive Transimpedance Amplifier With Offset的美国专利申请号61/654,426，其全部引入本文作为参考。

图5示出了光谱仪500的替换实施方式。光谱仪500包括基本上与图1的光谱仪100相同的组件，然而，光谱仪500还包括第二收集器546、第二运算放大器548和布置在运算放大器548的反馈回路中的电阻元件550。电阻元件550和第二收集器546耦合于结点552，该结点553与第二运算放大器548的反向输入554耦合。第二运算放大器548的非反相输入556接地。

在操作中，感兴趣的样本被吸入到电离室510，并且电离源516电离样本。在闸门114打开之后的第一时间中，允许离子行进通过漂移室512，离子被第二收集器546收集。在这一段时间内，第一收集器520和其相关电路被保持在复位状态。由电离源516进行的电离通常导致反应物离子峰值(和所得的反应物离子峰值电流)。直到此反应物离子峰值已过，第二收集器546及其相关电路被使用。然而，反应物离子峰值之后，第一收集器520及其相关电路将不再保持复位，并用于单独或与第二收集器546组合来监控离子流。所描述的布置可以以这种方式被用于放大离子光谱的选定部分。

图6示出了检测器622的替换实施方式。在此实施方式中，运算放大器626的输出与电阻元件657耦合。电阻元件657与开关659耦合，当关闭时，使得电阻元件657接地。当开关659打开时，该电阻元件657与第二放大元件661(在一个实施方式中，为仪表放大器或第二运算放大器)的非反相输入耦合。第二运算放大器661的输出与反馈电容器640耦合。基于这样的配置，在反馈电容器640中的电荷可以独立于系统的现有状态和独立于输入信号而改变。当开关659闭合时，在连接到第二放大元件661的容性板元件632上的电压可以被驱动到放大元件的电源电压中的任何级别。电容器640的相对的板通过背对背二极管663被要求接近地。虽然二极管663被示出为分离的元件，但在一个实施方式中，这些二极管663被结合到第一放大元件626的输入电路。因此，在一个实施方式中，电容器640可在没有附加的组件或到相加结点642的附加连接的情况下被复位。

电介质128和在电介质128上与收集器120相对的一侧的组件可以各种实施方式被布置在漂移室112和壳体102的内部或外部。可以预见在一些实施方式中，累积器、电介质的相加结点可以位于外壳102的内部，这些元件被以任何方式适当地屏蔽。

虽然在上述实施方式中容性元件被以平行板型电容器描述，但可以预见使用其他容性配置。此外，虽然在本实施方式中所描述的PCB作为电介质128，但也可以预见PCB可以被用来与其他结构技术相结合，以提供容性板元件132和收集器120之间的空气间隙。

另外，虽然放大电路126在附图中被示意性地示出，但可以预见，放大电路126可以由PCB 128支撑。在其他实施方式中，放大电路126可以独立于电介质。

包括容性跨阻放大器的检测器的实施方式可避免或减少热噪声，从而提供低噪声信号。

在一个实施方式中，跨阻放大器可提供对外部噪声源的屏蔽，并避免噪声引入。在另一个实施方式中，跨阻放大器可提供宽带宽。在另一实施方式中，跨阻放大器可避免漏电。

虽然累积容性检测器以上结合IMS的特定实施方式被描述，这种IMS被配置在环境压力下操作，但是可以预见的是累积容性检测器的实施方式将与各种不同的光谱仪(包括FAIMS和DMS)布置一起使用。公开了被预见使用累积容性检测器的实施方式的示例性光谱仪装置，例如在Bradshaw等人的美国专利No.6,051,832、Turner等人的美国专利No.6,255,623、Taylor等人的美国专利No.5,952,652、Spangler等人的美国专利No.4,551,624、Machlinski等人的美国专利No.6,459,079、和Atkinson等人的美国专利6,495,824中，其全部引入本文作为参考。

在描述本发明的上下文中(特别是在权利要求书的上下文中)，术语“一”和“1”及“该”等类似的指示的使用，应当解释为涵盖单数和复数，除非本文另有说明或上下文明显抵触。除非另有说明，术语“包括”、“具有”、“包含”和“含有”用于限定开放式属于(即，意为“包括但不限于”)。除非本文另有说明，本文对数值范围的描述，仅仅用作个别地指示落在该范围内的每个单独值的简化方法，且将每个单独值引入本说明书中，如同在本文中单独地列举它。除非本文另有说明或上下文明显抵触，可以以任何合适的次序进行本文所述的所有方法。除非另有声明，本文提供的任意的和所有的示例或示例性的语言(例如，“如”)的使用，仅仅用于更好地解释本发明，且不对本发明的范围施加限制。本说明书中的任何语言，都不应解释为指示任何未要求保护的元素是实现本发明所必需的。

在另外实施方式中，各种分析设备可利用本文描述的结构、技术、方法等等。因此，虽然在本文档中描述一种IMS设备，但是各种分析仪器可利用所描述的技术、方法、结构等等。这些装置可被配置成具有有限的功能(例如，精简设备)，或者具有强大功能(例如，复杂(thick)装置)。因此，设备的功能可涉及到该设备的软件或硬件资源，例如，处理能力、存储器(例如，数据存储性能)、分析能力等等。例如，电晕源也可以在涉及离子化处理的其它类型光谱(如质谱仪(MS))中使用。

虽然参考了放大器和放大元件，但并不意在将放大器或放大元件限制在单一的元件。相反，可以预见，这些术语可以在一些实施方式包括包含多个元件、累积电路或适于放大的任何其它布置的电路。

虽然本公开以结构方式描述了实施方式，但是该结构和其结构性和/或功能性等价物可以执行方法。

在此描述了本发明的优选实施方式，包括发明人已知的实施本发明的最佳方式。在阅读前述说明书时，那些优选实施方式的变型对于本领域的普通技术人员是显而易见的。发明人预期技术人员适当地采用这些变型，且发明人预期本发明可以与本文具体所述不同的方式实施。因而，本发明如可适用法律所允许的那样包括在此所附权利要求书中记载的主题的所有更改和等同物。此外，本发明涵盖其所有可能变型中上述元素的任意组合，除非本文另外指出或上下文清楚地相反表示。

虽然已以特定于结构特征和/或方法动作的语言描述了本发明，但是将理解，在所附权利要求中定义的本发明不必限于描述的特定特征或动作。相反，特定特征和动作被公开为实现所要求的发明的样例。

Claims (18)

1.一种光谱仪，包括：

检测器，包括：

具有第一侧和第二侧的收集器，所述第一侧被配置为检测朝向所述收集器漂移的离子；

邻近所述第二侧的电介质元件；

具有输入和输出的放大器；以及

邻近所述电介质元件并与所述收集器相对的容性板元件，所述容性板元件与所述放大器的输出耦合，所述收集器与所述放大器的输入耦合，由此所述收集器、所述电介质元件和所述容性板元件在所述放大器的反馈回路中用作电容器。

2.根据权利要求1所述的光谱仪，其中所述电介质包括印刷电路板。

3.根据前述任一权利要求所述的光谱仪，其中所述放大器、所述收集器、所述电介质元件和所述容性板元件形成容性跨阻放大器。

4.根据权利要求1或2所述的光谱仪，其中所述容性板元件、所述电介质和所述收集器包括被配置为累积来自所述收集器的离子电流作为电压的累积器电路。

5.根据权利要求1或2所述的光谱仪，该光谱仪还包括与所述电容器耦合的复位电路，该复位电路被配置以选择性地复位所述电容器。

6.根据权利要求1或2所述的光谱仪，其中所述放大器包括运算放大器；并且其中所述电容器被配置为通过所述运算放大器的二极管放电而被选择性复位。

7.根据利要求1或2所述的光谱仪，该光谱仪包括保护环，该保护环围绕邻近所述电介质的所述收集器。

8.根据利要求1或2所述的光谱仪，其中所述电介质包括空气间隙、印刷电路板、陶瓷、热塑性塑料或玻璃中的至少一者。

9.根据利要求1或2所述的光谱仪，其中所述电介质包括聚碳酸酯、聚酯、聚苯乙烯、聚丙烯或PFTE中的至少一者。

10.根据权利要求1或2所述的光谱仪，其中所述光谱仪是被配置为基本上在环境压力下操作的离子迁移光谱仪。

11.根据权利要求1或2所述的光谱仪，其中所述容性板元件和所述收集器在大约四十四平方毫米的区域上重叠。

12.根据权利要求1或2所述的光谱仪，该光谱仪还包括与跨阻放大器耦合的第二收集器，该第二收集器被配置为接收离子至少直到离子峰值已经过去。

13.根据权利要求1或2所述的光谱仪，其中：

所述收集器被配置为接收朝向支撑在电介质的第一侧上的收集器漂移的离子；

所述容性板元件，设置在所述电介质的与所述第一侧相对的第二侧上并与所述收集器重叠配置；以及

所述收集器被配置成与所述输入耦合，所述容性板元件被配置成与所述输出耦合。

14.根据权利要求13所述的光谱仪，该光谱仪还包括复位电路，该复位电路被配置为选择性地复位所述电容器。

15.根据权利要求14所述的光谱仪，其中所述放大器包括至少一个输入保护二极管；并且其中所述复位电路包括开关元件和电阻元件，该开关元件被选择性地配置为将所述板元件与所述放大器的所述至少一个输入保护二极管耦合。

16.根据权利要求1或2所述的光谱仪，包括：

所述收集器被配置为接收离子，所述收集器被布置并配置为电容器的第一板；

所述电介质元件靠近所述收集器；

所述容性板元件相对于所述电介质(128，228)与所述收集器相对布置的被配置作为所述电容器的第二板；和

所述放大器具有输入、输出和反馈回路；以及

所述电容器被配置在所述反馈回路中。

17.根据权利要求16所述的光谱仪，其中所述收集器、所述电介质元件、所述容性板元件和所述放大器被布置和配置为累积器，所述累积器包括相加结点，所述光谱仪还包括被配置为复位所述累积器而不直接与所述相加结点耦合的复位电路。

18.根据权利要求17所述的光谱仪，其中所述收集器被布置成朝向所述光谱仪的漂移管的一端以用于收集来自所述漂移管的离子。