CN111433597A - 制造离子迁移过滤器的方法 - Google Patents
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Abstract
公开了制造离子迁移过滤器的方法。所公开的技术涉及制造MEMS气体传感器的方法，例如制造可以用作场非对称离子迁移谱过滤器的离子迁移过滤器的方法。所述制造用于光谱系统的离子过滤器的方法包括：提供导电材料的片材并且在所述片材上限定多个离子过滤器。限定所述多个离子过滤器是通过以下步骤获得的：为所述片材上的每一个离子过滤器形成电极层(22)，其中每一个电极层包括：至少一个离子通道(28)和包围所述至少一个离子通道(28)的隔离通道(30)。在每一个电极层上还形成支撑层(24)。每一个支撑层(24)包括孔(25)，该孔(25)至少部分地与所述至少一个离子通道(28)对准。然后将离子过滤器分离。通过利用隔离通道(30)包围所述至少一个离子通道(28)，降低了在分离所述离子过滤器时污染物进入到至少一个离子通道(28)的风险。
Description
技术领域
本发明涉及制造MEMS气体传感器的方法，例如制造可以用作场非对称离子迁移谱过滤器的离子迁移过滤器的方法。
背景技术
存在可以用于分析气体样本的各种类型的微电子机械系统(microelectromechanical system，MEMS)传感器。这些传感器可以包括气体流动路径(例如通道)，其被配置成接收气体样本流。所述气体流动路径可以在器件的功能层中，并且所述功能层可以由半导体二极管或其他导电材料制成。例如，离子迁移谱仪被用于探测气体(例如空气)中的特定化学物质。差分式离子迁移谱(Differential mobilityspectrometry，DMS)，又称场非对称波形离子迁移谱(field-asymmetric waveform ionmobility spectrometry，FAIMS)，被认为是对气相离子进行分离和表征的有力工具。
具有用于制造MEMS的各种方法，例如块体微加工法或表面微加工法。作为一个示例，图1a至图1c示出了可以如何制造气体传感器(例如离子过滤器)。离子过滤器10包括由支撑层12支撑的电极层16。电极层16包括限定位于一对正负电极之间的至少一个离子通道14。通过以已知的方式应用补偿场和色散场来控制来自样本的通过离子通道的离子流。穿过离子通道的离子由探测器予以探测并且可以分析输出结果，以确定样本中存在的物质。
支撑层12可以由
或类似的绝缘材料制成。支撑层12的外边缘与电极层16的外边缘邻接，并且支撑层12为大体上矩形框架形式的环形。如图1中的虚线所示意性地显示的，支撑层12的内边缘限定有孔，该孔至少部分地与电极层16中的一个或多个离子通道14对准，以使离子能够流过孔。
已知的制造方法典型地包括：将支撑层与电极层键合，并随后蚀刻电极层，以限定一个或多个电极和离子通道。电极层典型地是硅晶片，并且如图1c所示出的，多个离子过滤器形成在单独的硅晶片上。因此，该方法中的最终步骤是将晶片中的各个离子过滤器分离。这通常是利用非常薄且精准的锯(例如具有金刚石尖端齿的水冷型圆锯)对硅晶片进行切割或划片来完成。
申请人意识到在切割过程中，碎片可能会污染一个或多个离子通道。因此，申请人意识到需要一种制造离子过滤器的可替换的方法。
发明内容
根据本发明，提供了如所附权利要求所阐述的方法和设备。本发明的其它特征将从从属权利要求和以下描述中变得明了。
我们描述了制造用于光谱系统的离子过滤器的方法，所述方法包括：提供导电材料的片材；通过在所述片材上为每一个离子过滤器形成电极层来在所述片材上限定多个离子过滤器，其中每一个电极层包括至少一个离子通道和包围所述至少一个离子通道的隔离通道(isolation channel)；以及在每一个电极层上形成支撑层，其中每一个支撑层包括孔，所述孔与所述至少一个离子通道至少部分地对准；以及将所述多个离子过滤器分离。
通过利用隔离通道包围所述至少一个离子通道，降低了在分离所述离子过滤器时污染物进入到所述至少一个离子通道的风险。所述分离可以包括从所述片材切割或锯切单独的离子过滤器，例如沿着片材上标记的用以在多个离子过滤器中限定单独的离子过滤器的虚线进行切割。切割或锯切将产生碎片，因此在以这种方式完成分离时所述隔离通道将特别有用。然而，包围所述至少一个离子通道的隔离通道必然会将离子过滤器分成至少两部分，因此使用支撑层是很重要的，其防止了在制造过程期间离子过滤器被分离成多个部分。
形成所述电极层可以包括：蚀刻所述电极层中的所述至少一个离子通道和隔离通道。对单独的过滤器中的通道进行蚀刻可以同时进行或者分阶段进行。可以使用例如深度反应离子蚀刻技术。
在每一个电极层上形成支撑层可以包括：在蚀刻所述至少一个离子通道和所述隔离通道之前，将所述支撑层与每一个电极层键合(bond)。所述支撑层可以是绝缘材料，例如
可以以框架的形式来提供所述支撑层。通过这种方式，在键合所述支撑层之前，可以在支撑层中预先形成所述孔。可替换地，在进行蚀刻之前，可以将支撑层设置在每一个电极层上。
所述在每一个电极层上形成支撑层可以包括：在蚀刻所述至少一个离子通道和所述隔离通道之后，将所述支撑层键合到每一个电极层键合。在该布置中，为了防止器件破裂，每一个电极层可以包括具有涂层的导电层，并且形成所述电极层包括：蚀刻所述至少一个离子通道和所述隔离通道，所述蚀刻穿过所述导电层而不穿过所述涂层。
作为预先形成的支撑层或沉积的支撑层的替换方案，形成所述支撑层可以包括：在支撑层已键合到所述电极层键合之后，蚀刻孔，所述蚀刻穿过所述支撑层。所述支撑层可以包括硅。利用包括有硅的支撑层的好处是有助于蚀刻过程。然而，在该布置中，必要的是将支撑层中的硅与电极层绝缘，因此所述至少一个支撑层和电极层可以包括绝缘涂层。所述支撑层和电极层均可以包括由相同材料(例如氧化硅)制成的绝缘涂层。键合所述支撑层可以包括：将两个绝缘涂层键合在一起，以在支撑层与电极层之间形成绝缘层。
在支撑层包括衬底和绝缘层的布置中，在两个步骤中，可以首先蚀刻所述孔，所述蚀刻穿过所述衬底并随后穿过绝缘层。例如，所述方法可以包括：利用XeF2-二氟化氙来蚀刻衬底并且利用利用HF-氢氟酸来蚀刻所述绝缘层。在蚀刻所述孔之前，该方法可以包括翻转所述片材。
所述导电材料的片材可以包括掺杂的硅，由此掺杂增加了导电性。
支撑层中的孔可以与隔离环(isolation ring)对准。换句话说，在使用时，所述孔可以大到足以使离子流过隔离环和至少一个离子通道两者。因此，所述隔离环还提供了在最终切割步骤中减少污染物并且作为离子通道本身的优点。因此以这种方式制造的离子过滤器通过在不同电场中同时提供测量值来提高过滤器的分辨率。
所述支撑层可以覆盖所述隔离环。换句话说，在使用谱系统时，所述孔可以小到足以防止离子流过隔离环。所述孔可以与隔离环同心地对准。当所述孔小于所述隔离环时，可以将孔的尺寸选择成将该孔与所述至少一个离子通道中的所有离子通道对准或者只与所述至少一个离子通道中的部分离子通道对准。在所述至少一个离子通道中可能具有不均匀的电场区域，通过将孔仅与均匀的电场区域对准，可以提高过滤器的分辨率。例如，所述电极层可以包括电极的交叉指型阵列，并且典型地，在所述阵列中的所述电极的相对的端部具有不均匀的电场。因此，形成所述支撑层可以包括：形成覆盖所述交叉指型阵列中的所述电极的相对的端部的支撑层。
我们还描述了根据上述的方法所制造的离子过滤器。
我们还描述了用于谱系统的离子过滤器，所述离子过滤器包括：电极层：其包括隔离通道和至少一个离子通道，所述至少一个离子通道位于第一电极部与第二电极部之间，所述隔离通道包围所述至少一个离子通道以及所述第一电极部和所述第二电极部；以及在所述电极层上的支撑层，其中，所述支撑层包括孔，所述孔与所述至少一个离子通道至少部分地对准。
所述离子过滤器可以包括由硅形成的衬底。所述电极层可以包括由掺杂硅形成的导电层。所述电极层和所述支撑层中的至少一个可以包括：在所述衬底和所述电极层之间的绝缘层，以防止在两个硅层之间产生寄生电容。
所述孔可以与隔离环对准。换句话说，在使用时，所述孔可以大到足以使离子同时流过隔离环和至少一个离子通道中的所有通道两者。可替换地，所述支撑层可以覆盖所述隔离环。换句话说，在谱系统中使用时，所述孔可以小到足以防止离子流过隔离环。所述孔可以与至少一个离子通道中的所有离子通道对准。换句话说，所述孔可以大到足以使离子穿过所有的离子通道。可替换地，第一电极部与第二电极部中的每一个可以具有电极阵列，该电极阵列形成电极的交叉指型阵列，所述支撑层可以覆盖所述交叉指型阵列中的所述电极的相对的端部。
所描述的离子过滤器可以结合到光谱系统中，因此我们还描述了离子迁移谱系统，包括：如上所述的离子过滤器；电离器，其用于在气体样本中产生离子；以及探测器，其用于探测来自所述离子过滤器的输出。所述探测器可以包括探测元件，例如一对探测器电极，在合适情况下用于每一个离子通道和/或隔离环。
所述系统还包括处理器，其被配置成在合适的情况下，即所述孔与至少一个离子通道和隔离环均对准的情况下，生成用于至少一个离子通道和隔离环的图像输出。所述图像输出可以基于由所述探测器探测到的信息，例如离子电流。处理器可以被配置以生成在所述探测器处的离子电流的测量值，所述离子电流的测量值是针对所述至少一个离子通道和所述隔离环中的每一个的已施加的色散场和已施加的补偿场的函数。所述系统可因此包括驱动信号系统，其用于施加色散场和补偿场，例如如在FAIMS中所熟知的。还可以对所述驱动信号系统进行选择，以向所述至少一个离子通道和隔离环施加不同的电场。
应当理解的是，上述的离子过滤器也可以用于过滤离子。特别地，我们还描述了从气体样本中的目标化学物质中过滤离子的方法，所述方法包括：使所述气体样本穿过所述至少一个离子通道，以从所述气体样本中的目标化学物质中过滤离子；使所述气体样本穿过所述隔离环，以从所述气体样本中的目标化学物质中过滤离子；其中，所述至少一个离子通道具有与所述隔离环的至少一部分中的电场不同的电场。
我们还描述了从气体样本中的目标化学物质中探测离子的方法，所述方法包括：电离所述气体样本，以产生所述目标化学物质的离子；以如上所述的方法对所述离子进行过滤；以及利用探测器探测从过滤器输出的离子。所述方法也可以键合上述的与所述系统相关的特征。
还应当理解的是，上述的方法可以适用于任意类型的MEMS气体传感器。例如，我们还描述了制造MEMS气体传感器的方法，所述方法包括：在第一片材上限定多个气体传感器；每一个气体传感器包括至少一个气体流动路径；形成隔离通道，所述隔离通道包围至少一个气体流动路径中的每一个路径；在所述第一片材上形成支撑层，其中，所述支撑层包括多个孔，每一个孔与相应的MEMS气体传感器的所述至少一个气体流动路径至少部分地对准；以及将多个MEMS气体传感器分离。所述第一片材可以为半导体材料的片材。所述第一片材可以形成气体传感器中的功能层。
附图说明
为了更好地理解本发明，并说明如何实施本发明的实施例，现在将仅以示例的方式参考所附的示意图，其中：
图1a和图1b显示了利用已知方法制造的离子过滤器的平面图和截面图；
图1c显示了包含有图1中的几个离子过滤器的硅晶片；
图2a和图2b是根据本发明的离子过滤器的平面图和底侧图；
图2c至图2e是显示了用于图2a中的离子过滤器的制造过程的示意性的截面；
图3a和图3b是根据本发明的第二离子过滤器的平面图和底侧图；
图4a至图4h是显示了用于图2a或图3a中的离子过滤器的另一制造过程的示意性的截面；
图5a和图5b是根据本发明的第三离子过滤器的平面图和截面图；
图6a是包含有图2a、图3a和图5a中的任一个的离子过滤器的谱系统的示意性框图；
图6b是来自图6a的系统的输出的示例。
具体实施方式
图2a和图2b显示了第一离子过滤器20。离子过滤器20包括单片(monolithic)电极层22和支撑层24。如图2a中更清楚地显示的，电极层22包括连续的通道26，该连续的通道26限定了多个离子通道28和外部隔离环30，所述离子通道28大体上位于电极层的中央，所述外部隔离环30包围所述多个离子通道28。所述连续的通道将电极层22分成三个电极部。第一电极部32和第二电极部34在隔离环30的内部并且通过多个离子通道28而彼此分隔。第三电极部36通过隔离环30与所述第一电极部32和第二电极部34分隔。第三电极部36包围所述第一电极部32和第二电极部34。
第一电极焊盘42附接至第一电极部32的上表面，第二电极焊盘44附接至第二电极部34的上表面。在该布置中，第一电极焊盘和第二电极焊盘中的每一个在所述多个离子通道的相对侧上与隔离环30相邻，但应当理解的是，也可以使用其他位置。第三电极焊盘46附接至第三电极部36的上表面。在该布置中，第三电极焊盘46与离子过滤器20的拐角相邻。所述焊盘提供了与驱动电路(未显示)之间的连接，该驱动电路设定了所述电极的电压。第一电极部可以是正的，而第二电极部可以是负的(或反之亦然)。第三电极可以被设定有与第一电极部和第二电极部的电位不同的常数。
在该布置中，连续的通道26包括蛇形部，该蛇形部限定了九个分隔且平行的离子通道28。在每一对离子通道之间是呈“指(finger)”形的电极，并且电极形成交叉指型阵列，其中从第一电极部延伸的电极与从第二电极部延伸的电极进行交替。具有四个电极38和四个电极39，所述四个电极38从第一电极部延伸并且形成第一电极部的一部分，所述四个电极39从第二电极部延伸并且形成第二电极部的一部分。应当理解的是，离子通道和电极的数量仅仅是参考性的，也可以使用其他布置方式。
如图2b中更清楚地显示的，支撑层24的形状为大体上类框状。支撑层24的外边缘与电极层22的外边缘邻接，并且支撑层40的内边缘40在图2a中以虚线显示。内边缘40限定了支撑层24中的孔25，以使离子流过离子通道，从而流出离子过滤器。在该布置中，孔25的外边缘具有与隔离环30类似的成形轮廓。孔25大到足以暴露所有的离子通道28，但小到足以使支撑层24覆盖全部的第三电极部、隔离环30、以及第一和第二电极部的外部部分，在该布置中，所述外部部分承载所述第一和第二电极焊盘。
如下文更详细解释的，在单个片材(典型地为硅晶片)上制造多个离子过滤器。在将单独的离子过滤器从所述片材上切下来之前，将支撑层24与电极层键合。隔离环30有助于减少离子通道中的来自切割过程的污染物。
图2c至图2e显示了制造图2a中的离子过滤器的方法。在图2c中显示的第一步骤中，利用标准技术将支撑层24与电极层22键合。支撑层24可以由
或其他绝缘材料制成。在图2d中显示的第二步骤中，蚀刻所述连续的通道以形成离子通道26(出于示意性目的显示为单个的通道)和隔离环30，该隔离环30在截面上在所述离子通道26的两侧形成两个分离的通道。在图2e中显示的下一步骤中，蚀刻孔25，所述蚀刻穿过支撑层24。在两个蚀刻步骤中，可以使用标准的技术，例如对于离子和隔离通道可以使用深度反应离子蚀刻(deepreactive ion etching，DRIE)技术，对于所述支撑层可以使用化学蚀刻技术。
作为在键合步骤之后在所述支撑层24中蚀刻孔25的可替换方式，在将所述支撑层键合到所述电极层之前，可以在所述支撑层24中预先形成所述孔。可替换地，支撑层24可以以期望的形状(例如具有孔25的类框状形状)设置在所述电极层上。
图2c至图2e中显示的步骤在单独片材上形成了多个离子过滤器。最终步骤是例如使用已知的切割或锯切技术将多个单独的离子过滤器分离。所述隔离通道使在划片过程中进入到离子通道中的污染物减少。
图3a和图3b显示了第二离子过滤器50，该第二离子过滤器50与图2a和图2b中显示的离子过滤器大体上类似，因此相应的特征具有相同的参考标记。可以利用上述的方法来制造图3a中的离子过滤器。如在之前的过滤器中，离子过滤器30包括单片电极层22和支撑层54。存在连续的通道26，其限定了多个离子通道28和外部隔离环30，该外部隔离环30包围所述多个离子通道28。所述连续的通道将电极层22分成三个电极部32、34、36。第一电极焊盘42、第二电极焊盘44和第三电极焊盘46被分别安装在相应的第一电极部32、第二电极部34和第一电极部36上。所述第一电极部和第二电极部形成交叉指型阵列，其中从第一电极部延伸32的电极38与从第二电极部34延伸的电极39进行交替。
如图3b中更清楚地显示的，支撑层54具有中央孔55。在该布置中，所述中央孔55比在之前实施例中使用的孔更小。因此，所述支撑层54覆盖了全部的第三电极部36、隔离环30以及大部分的第一电极部32和第二电极部34。只有从所述第一电极部32和第二电极部34延伸且形成所述电极的交叉指型阵列的电极38、39与所述孔55对准。接合电极尖端处的多个单独的离子通道的连续的通道的部分将导致不均匀的电场区域。这将降低过滤器的分辨率。可以通过利用支撑层来防止离子流过这些区域而得到改善。因此，支撑层可以提供两种益处：即，如上面描述的允许使用隔离环来减少污染物，并且还可以通过去除连续的通道的不均匀的电场区域来提高过滤器的分辨率。
图4a至图4h示出了制造图2a或图3a中的离子过滤器的可替换方法。在图4a中显示的第一步骤中，提供电极层72和支撑层74。所述电极层72包括导电层76(例如掺杂的硅或其他合适的材料)和绝缘涂层78(例如SiOx(硅氧化物)或其他合适的材料)。所述支撑层74包括衬底80(例如未掺杂的硅或其他合适的材料)和绝缘涂层82(例如氧化硅或类似物)。利用掺杂的硅来增加导电层的导电性。在合适的情况下，可以利用标准技术将绝缘涂层78、82沉积在相应的层上。
在图4b中显示的第二步骤中，形成了穿过所述导电层76的通道。如上面所描述的，所述通道可以形成连续的通道的一部分，并且可以通过任何合适的技术(例如深度反应离子蚀刻(DRIE)技术)来形成。形成了隔离环84，该隔离环84在离子通道86的两侧提供有通道。应当理解的是，单个的离子通道86是示例性的，也可以在隔离环中具有多个离子通道。
在图4c中显示的第三步骤中，利用两个绝缘涂层78、82将电极层72与支撑层74彼此键合，两个绝缘涂层78、82互相接合以有效地形成单个的绝缘层88。可以利用任何合适的技术来完成所述键合步骤。如图4d中显示的，下一个步骤是翻转所述器件，以使支撑层74能够被蚀刻。
在图4e中，在过滤器上临时性地放置光刻胶掩膜层90。该掩膜层90防止在后续蚀刻步骤期间去除一部分的支撑层74。在该布置中，具有两个蚀刻步骤，但是应当理解的是，也可以使用在支撑层中限定孔的任何合适的蚀刻技术。在图4f中显示的第一蚀刻步骤中，例如通过利用二氟化氙(xenon difluoride)或者其他合适的材料，来去除支撑层内的衬底80。在第二蚀刻步骤中，例如通过利用氢氟酸(hydrogen fluoride)或其他合适的材料来去除绝缘层88。
如图4g中显示的，随后去除光刻胶掩膜以保留离子过滤器100。离子过滤器具有穿过支撑层(衬底80和绝缘层88)的孔92，在使用时气体样本可以通过该孔。如上面所描述的，孔92可以位于中央。在孔周围，支撑层覆盖了由隔离环限定的通道，以使来自气体样本的离子不能穿过这些通道。
图4h示意性地示出了图4a至图4g中图示的在单个片材102上形成多个离子过滤器100的步骤。最终步骤是例如使用已知的划片技术将多个离子过滤器分离。所述隔离通道使在切割(或类似的)过程中进入到离子通道中的污染物减少。
当使用图2c至图2e中显示的制造过程时，重要的是键合步骤发生在蚀刻步骤之前。否则，电极部将被彼此物理分离(并且实际上脱落)。在图4a至图4h的方法中，键合步骤发生在离子和隔离通道已经被蚀刻之后。这是可能的，因为电极层72包括绝缘层78，其防止电极部彼此分离。应当理解的是，在可替换的布置中，键合步骤可以发生在形成离子通道和隔离通道之前。
在图2c至图2e显示的制造过程中，所述衬底的材料(例如
)可以意味着更难蚀刻所述隔离通道和离子通道。在图4a至图4h的示例中，所述衬底由硅形成，以改善蚀刻过程。然而，使用硅衬底将由于在硅衬底与电极层中的硅导电层之间形成的寄生电容而引入额外的问题。这可以例如通过利用绝缘涂层和/或通过利用电极层中的掺杂硅以及支撑层中的未掺杂的硅来加以解决。
图5a和图5b显示了第三离子过滤器120，其可以使用上面描述的工艺来制造。所述离子过滤器与图2a或图3a中显示的离子过滤器类似。离子过滤器120包括单片电极层122和支撑层124。如图5a中更清楚地显示的，电极层包括连续的通道126，该连续的通道126限定了多个离子通道128和外部隔离环130，所述离子通道128大体上位于电极层的中央，所述外部隔离环130包围所述多个离子通道128。所述连续的通道将电极层122分成三个电极部。第一电极部132和第二电极部134位于隔离环130的内部并且通过多个离子通道128彼此分隔。第三电极部136通过隔离环130与所述第一电极部132和第二电极部134分隔。
第一电极焊盘142附接至第一电极部132的上表面，第二电极焊盘144附接至第二电极部134的上表面。在该布置中，第一电极焊盘和第二电极焊盘中的每一个在所述多个离子通道的完全相对的侧上与隔离环130相邻，但应当理解的是，也可以使用其他位置。第三电极焊盘146附接至第三电极部136的上表面。在该布置中，第三电极焊盘146与离子过滤器120的拐角相邻。如在之前的布置中，所述焊盘提供了与驱动电路(未显示)的连接，该驱动电路设定了所述电极的电压。
在该布置中，连续的通道126包括蛇形部，该蛇形部限定了五个分隔且平行的离子通道128。通道之间的电极138、139形成了交叉指型阵列。具有两个电极138和两个电极139，所述两个电极138从第一电极部132延伸并且形成第一电极部132的一部分，所述两个电极139从第二电极部延伸134并且形成第二电极部134的一部分。
支撑层124的形状为大体上类框状且具有两个突出部148，并且如图5b所示，支撑层124包括衬底150(例如未掺杂的硅)和绝缘层152(例如氧化硅或氧化物-氮化物-氧化物层)。支撑层124的外边缘与电极层122的外边缘邻接，并且支撑层124的内边缘140在图5a中以虚线显示。内边缘140限定了支撑层124中的孔125，以使离子流过离子通道，从而流出离子过滤器。与图2a或图3a中显示的布置相比，孔125大到足以暴露隔离通道130以及所有的离子通道128。因此，在这种布置中，离子也可以流过隔离通道130。所述突出部148覆盖了所述连续的通道126中的所述隔离通道130与所述多个离子通道128交汇的部分。这是为了防止离子流过连续的通道的这些部分，这是因为这些区域很可能具有不均匀的电场并因此降低离子过滤器的敏感度。
可以将上面所描述的离子过滤器结合到谱系统中，例如场非对称离子迁移系统(FAIMS)中。如图6中示意性地显示的，所述谱系统包括驱动信号系统230，该驱动信号系统230设定所述离子过滤器200中的所述第一、第二和第三电极部的电位。驱动信号系统230施加振荡电场以及直流(DC)电压。所述振荡电场包括低压脉冲持续时间t(s)和高压脉冲持续时间τ(s)的可变高压不对称波形，并且施加峰值电压VD，以建立VD/g(kVcm-1)的可变场。离子过滤器(也称分离器)内的各离子的迁移率在低场迁移率K0与高场迁移率KE之间振荡，并且高场迁移率与低场迁移率之间的差被称为ΔK。不同化学物质的离子将具有不同的ΔK值，离子采用净纵向漂移路径长度(dh-dt)通过离子过滤器，该长度由它们的高场和低场漂移速度(vD(h)和vD(l))以及高场和低场脉冲持续时间所决定。所述直流电压是偏置直流“调谐电压”(Vc)，其能够对峰值电压VD进行微调，以抵消特定ΔK的离子所经历的漂移。只有处于“平衡”状态的离子才会从离子过滤器中出来，并且被离子探测器210探测到。
来自探测器210的输出被发送至处理器220，处理器120可以是本地的(即在离子过滤器内部)或远程的(即在单独的计算机/服务器中)。处理器适于提取数值参数，这些数值参数有助于对离子进行化学检测、识别、分类和/或量化。例如，该处理器可以被配置以产生如图6b所显示的输出，其中将探测器处的离子电流的测量值绘制成由被称为色散场ED(kVcm-1)的非对称波形所得到的施加电场与由被称为补偿场EC(kVcm-1)的直流电压所得到的施加电场的函数。该谱输出也可以被可替换地表示为在m补偿场和n色散场设置下的离子电流测量值的m×n矩阵。然后，从处理器输出的图形可以与在相同条件下收集的已知图形进行匹配，以探测和识别特定的化学物质。
已知的是在一些情况下，将难以识别两种化学物质之间的图形。图5a的布置可以通过提供具有不同电场的通道来提供该问题的解决方案。例如，所述驱动信号系统可以(例如，通过焊盘)提供适当的信号以在第一电极部132和第二电极部314之间的离子通道中提供第一电场，在第一电极部132和第三电极部136之间的隔离环130的部分中提供第二电场，以及在第二电极部分134和第三电极部分136之间的隔离环130的部分中提供第三电场。第一、第二和第三电场中的每一个电场可能是不同的，并且通过同时测量穿过这些不同电场的离子，这增加了将获得正确的化学物质识别的可能性，这是因为两种化学物质在多个不同电场下具有重叠图形的可能性很小。此外，相比于对每个电场进行多次系统操作，同时运行多个不同电场则效率更高且因此对化学物质识别过程所花费的时间更少。
尽管已示出和描述了本发明的一些优选的实施例，但本领域技术人员将明了的是，可以在不脱离如所附权利要求所限定的本发明的范围的情况下进行各种改变和修改。
本说明书中所披露的所有特征(包括任何所附权利要求、摘要和附图)，和/或所披露的任何方法或过程中的所有步骤，均可以任何组合方式进行组合，除了至少其中一些特征和/或步骤是相互排斥的组合之外。
除非另有明确规定，否则本申请中公开的每一个特征(包括任何所附的权利要求、摘要和附图)可以被具有相同、等同或类似用途的替换特征取代。因此，除非另有明确说明，否则所公开的每一个特征仅为等同或者类似特征的通用系列的一个示例。
本发明并不限于上述一个或多个实施例的细节。本发明延伸至本说明书中所披露的特征的任何新颖的特征或任何新颖的组合(包括任何所附权利要求、摘要和附图)，或者延伸至所披露的任何方法或过程的步骤中的任何新颖的特征或任何新颖的组合。
Claims (30)
1.一种制造用于光谱系统的离子过滤器的方法，所述方法包括：
提供导电材料的片材；
通过以下在所述片材上限定多个离子过滤器：
在所述片材上为每一个离子过滤器形成电极层，每一个电极层包括：隔离通道和至少一个离子通道，所述至少一个离子通道位于第一电极部与第二电极部之间，并且所述隔离通道包围所述至少一个离子通道以及所述第一电极部和所述第二电极部；以及
在每一个电极层上形成支撑层，其中每一个支撑层包括孔，所述孔与所述至少一个离子通道至少部分地对准；以及
将所述多个离子过滤器分离。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括：通过蚀刻所述至少一个离子通道和所述隔离通道来形成每一个电极层。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述在每一个电极层上形成支撑层包括：在蚀刻所述至少一个离子通道和所述隔离通道之前，将所述支撑层与每一个电极层键合。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，形成所述支撑层包括：提供框架形式的支撑层。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述在每一个电极层上形成支撑层包括：在蚀刻所述至少一个离子通道和所述隔离通道之后，将所述支撑层与每一个电极层键合。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，每一个电极层包括具有涂层的导电层，并且所述形成每一个电极层包括：蚀刻所述至少一个离子通道和所述隔离通道，所述蚀刻仅穿过所述导电层。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，每一个支撑层包括具有涂层的衬底，并且键合所述支撑层包括：将所述支撑层上的涂层与所述电极层上的涂层键合在一起，以在所述支撑层与所述电极层之间形成绝缘层。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，形成所述支撑层包括：在将每一个支撑层与每一个电极层键合之后，蚀刻所述孔，所述蚀刻穿过所述衬底并随后穿过所述绝缘层。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，形成所述支撑层包括：在将每一个支撑层与每一个导电层键合之后并且在蚀刻所述孔之前，翻转所述片材。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述衬底包括硅。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，所述导电材料的片材包括掺杂的硅。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，包括形成支撑层，所述支撑层具有与所述隔离环对准的孔。
13.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，包括：形成覆盖了所述隔离环的支撑层。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，包括形成支撑层，所述支撑层具有与所述至少一个离子通道中的所有离子通道对准的孔。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，包括：形成具有电极的交叉指型阵列的电极层，以及形成覆盖所述交叉指型阵列中的所述电极的相对的端部的支撑层。
16.一种离子过滤器，所述离子过滤器是根据权利要求1至15中任一项所述的方法制造的。
17.一种用于光谱系统的离子过滤器，所述离子过滤器包括：
电极层，其包括隔离通道和至少一个离子通道，所述至少一个离子通道位于第一电极部与第二电极部之间，并且所述隔离通道包围所述至少一个离子通道以及所述第一电极部和所述第二电极部；以及
在所述电极层上的支撑层，其中所述支撑层包括孔，所述孔与所述至少一个离子通道至少部分地对准。
18.根据权利要求17所述的离子过滤器，其特征在于，所述电极层包括由掺杂硅形成的导电层。
19.根据权利要求17或18所述的离子过滤器，其特征在于，所述支撑层包括由硅形成的衬底。
20.根据权利要求19所述的离子过滤器，其特征在于，所述电极层和所述支撑层中的至少一个包括：位于所述衬底和所述电极层之间的绝缘层。
21.根据权利要求17至20中任一项所述的离子过滤器，其特征在于，所述孔与所述隔离环对准。
22.根据权利要求17至20中任一项所述的离子过滤器，其特征在于，所述支撑层覆盖所述隔离环。
23.根据权利要求22所述的离子过滤器，其特征在于，所述孔与所述至少一个离子通道中的所有离子通道对准。
24.根据权利要求23所述的离子过滤器，其特征在于，所述第一电极部与所述第二电极部中的每一个都具有电极阵列，所述电极阵列形成电极的交叉指型阵列并且所述支撑层覆盖所述交叉指型阵列中的所述电极的相对的端部。
25.一种离子迁移谱系统，包括：
离子过滤器，其是根据权利要求16至24中任一项所述的离子过滤器；
电离器，其用于在气体样本中产生离子；以及
探测器，其用于探测来自所述离子过滤器的输出。
26.根据权利要求25所述的离子迁移谱系统，在权利要求25引用权利要求22时，还包括驱动信号系统，其中，所述驱动信号系统被配置以向所述至少一个离子通道和所述隔离环施加不同的电场。
27.根据权利要求26所述的离子迁移谱系统，其特征在于，所述处理器被配置以生成在所述探测器处的离子电流的测量值，所述离子电流的测量值是针对所述至少一个离子通道和所述隔离环中的每一个所施加的色散场与所施加的补偿场的函数。
28.一种利用权利要求21所述的离子过滤器从气体样本中的目标化学物质中过滤离子的方法，所述方法包括：
使所述气体样本穿过所述至少一个离子通道，以从所述气体样本中的目标化学物质中过滤离子；
使所述气体样本穿过所述隔离环，以从所述气体样本中的目标化学物质中过滤离子，
其中，所述至少一个离子通道具有与所述隔离环的至少一部分中的电场不同的电场。
29.一种从气体样本中的目标化学物质中探测离子的方法，所述方法包括：
电离所述气体样本，以产生所述目标化学物质的离子；
用权利要求28中所述的方法对所述离子进行过滤；以及
利用探测器探测从过滤器输出的离子。
30.一种制造MEMS气体传感器的方法，所述方法包括：
在第一片材上限定多个气体传感器，每一个气体传感器包括至少一个气体流动路径；
形成隔离通道，所述隔离通道包围至少一个气体流动路径中的每一个路径；
在所述第一片材上形成支撑层，其中，所述支撑层包括多个孔，每一个孔与在相应MEMS气体传感器中的所述至少一个气体流动路径至少部分地对准；以及
将多个所述MEMS气体传感器分离。
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| 王涛龙: "集成式MEMS-FAIMS芯片设计与工艺技术研究", 《硕士电子期刊》 * |
| 王涛龙: "集成式MEMS-FAIMS芯片设计与工艺技术研究", 《硕士电子期刊》, no. 08, 15 August 2016 (2016-08-15) * |
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