DE19815436A1 - Ionenmobilitätsspektrometer - Google Patents

Abstract

Das Ionenmobilitätsspektrometer (IMS) weist zur Bildung eines Ionisations- und/oder Driftbereiches zwei gegenüberliegende, durch mindestens ein Abstandsstück verbundene Wandelemente (1, 2) mit parallel zueinander angeordneten, planaren, gasführenden Wandflächen mit gegenüberliegenden Leiterstrukturen (4) zur Erzeugung eines Driftfeldes (E-Feld) auf. Das Verhältnis von Abstand (d) der gasführenden Wandflächen zur felderzeugenden Breite (b) der Leiterstruktur (4) senkrecht zur Driftrichtung (x) ist kleiner als ·1·/2, vorteilhafterweise ·1·/3 bis ·1·/10.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ionenmobilitätsspektrometer (IMS) mit einem Ioni­ sationsbereich zum Ionisieren eines zu analysierenden Substanzgemisches und Bildung eines gasförmigen Ionengemisches, mindestens einem an den Ionisa­ tionsbereich angrenzenden Ionentor, das zwischen einem Sperr- und einem Durchlaßzustand elektrisch umschaltbar ist, einem an das Ionentor angrenzen­ den Driftbereich mit einem längs einer Driftstrecke verlaufenden elektrischen Driftfeld und einem Ionenkollektor, welcher mit einer Elektronik zum Nach­ weis von auftreffenden Ionen verbunden ist.

Aus der DE 41 34 212 A1 ist ein miniaturisiertes IMS bekannt, wobei sich dessen Miniaturisierung aus einer monolithischen Integration der Ionenquelle, der Driftstrecke, der Kollektorelektroden sowie der notwendigen Elektronik auf der Basis eines Halbleitermaterials ergibt. Eine konkrete Ausführung eines derartigen Gerätes, welche insbesondere mit den Mitteln der Halbleitertech­ nologie rationell durchführbar wäre, ist jedoch aus dieser Schrift nicht be­ kannt.

In der älteren Anmeldung DE 196 50 612 wird ein IMS beschrieben, bei dem insbesondere das Ionentor, die Driftkammer und der Ionenkollektor aus Teil­ stücken aufgebaut ist, welche aus gängigem Halbleitermaterial herausge­ schnitten werden können. Insbesondere das Ionentor ist dabei noch als senk­ recht zur Driftrichtung stehendes Gitter ausgebildet, welches auch in Halb­ leitertechnik noch vergleichsweise aufwendig hergestellt werden muß. Auch die Verbindung von Ionisations- und Driftkammer über das Ionentor ist mit erheblichem mechanischen Fertigungsaufwand verbunden.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein miniaturisierbares IMS zu schaffen, welches noch einfacher als bisher aufgebaut und herstellbar ist. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch ein IMS mit den Merkmalen des Patent­ anspruches 1.

Das neukonzipierte IMS geht von der Erkenntnis aus, daß sich die bisherige dreidimensionale Gasführung im Ionisations- und Driftbereich auf eine im wesentlichen zweidimensionale Ausführung reduzieren läßt. Bei genügend kleinem Abstand zweier paralleler, gasbegrenzender Wandflächen ist dann noch nicht einmal ein seitlicher Abschluß notwendig, so daß für die Verbin­ dung der Wandelemente ein oder mehrere simple Abstandstücke ausreichen, gegen welche die Wandelemente über Klammern und dergleichen angepreßt werden. Aufgrund der planaren Anordnung gelingt es auch, das Ionentor durch planare Leiterstrukturen auf den Wandelementen zu realisieren, was eine ganz erhebliche Verminderung des Fertigungsaufwandes bedeutet, zumal keine gesonderten Kammern für die Ionisationsbildung und die Driftstrecke mehr erforderlich sind. In gleicher Weise kann auch der Ionenkollektor her­ gestellt sein, was eine zusätzliche Vereinfachung bedeutet.

Aufgrund der planaren Ausführung von Wandelementen und Leiterstrukturen kann zur Kontaktierung der Leiterbahnen auf sogenannte Leitgummikontakte zurückgegriffen werden, welche aus der LCD-Technik bekannt sind und dort für eine problemlose Kontaktierung einer großen Anzahl von nebeneinander­ liegenden Kontaktflächen zur Anwendung kommen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand des in der Figur schematisch darge­ stellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben.

Das in der oberen Hälfte der Figur dargestellte IMS weist im wesentlichen zwei planparallele Platten 1 und 2 aus z. B. Glas, Keramik oder Halbleitermaterial auf, welche im wesentlichen deckungsgleich mit einem Abstand d übereinan­ der angeordnet sind. Der Abstand d wird durch nicht näher dargestellte Ab­ standsstücke, die in Form von Klötzchen oder Streifen zwischen den Platten 1 und 2 eingeklemmt sind, eingestellt. Die Platten bilden, gegebenenfalls unter Berücksichtigung der randbegrenzenden Abstandstücke oder weiter unten be­ schriebenen Kontaktelemente 3, einen gasführenden Kanal der Breite b, wel­ che mindestens das doppelte des Abstandes d, vorteilhafterweise das 5- bis 10fache davon beträgt. Die Platten 1 und 2 weisen auf ihrer jeweiligen Innen­ seite Leiterstrukturen 4 auf, welche u. a. zur Erzeugung eines elektrischen Feldes E in Längsrichtung (x-Richtung) im Innenraum zwischen den beiden Platten 1 und 2 dienen. Diese Leiterstruktur besteht aus streifenförmigen Lei­ tern senkrecht zur x-Richtung, welche entweder über eine nicht dargestellte dünne Widerstandsschicht oder über Einzelwiderstände elektrisch miteinander verbunden sind. Die Leiterstreifen können auch abwechselnd mit einem Ende mit dem linken Nachbarstreifen und mit dem anderen Ende mit dem rechten Nachbarstreifen zu einem durchgehenden, mäanderförmigen Leiter verbunden sein. In der Figur sind zur Darstellung unterschiedlicher Bereiche die Leiter­ streifen unterschiedlich dick und mit unterschiedlichen Abständen dargestellt. Dies kann zweckmäßig sein, ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Im ein­ fachsten Fall genügt eine konstante Breite sowie ein konstanter Abstand der Leiterstreifen von ca. 200 µm. Die einzelnen Leiterstreifen werden über einen kammartig gegliederten Leitgummistreifen 3 an einer Seite kontaktiert, so daß daran gegebenenfalls die unterschiedlichen Potentiale Φ zur Erzeugung des Driftfeldes, zur Steuerung des Ionentores sowie für den Ionenkollektor angelegt werden können.

Der linke Teil des von den Platten eingeschlossenen Raumes dient zur Zufuhr des Driftgases sowie des Probenmaterials und als Ionisationsbereich. Eine ein­ fache und effiziente Ionisierung kann beispielsweise durch eine radioaktive Ni 63-Quelle, welche entweder an den seitlichen Rändern oder im Strömungs­ bereich mit einer Erstreckung in x-Richtung angeordnet ist, erzielt werden.

Aufgrund der planaren Anordnung ergibt sich eine wesentliche Vereinfachung für die Realisierung eines Ionentores. Hierzu werden ein Teil der Leiterstrei­ fen in dem als Ionentor bezeichneten Bereich der Leiterstruktur 4 elektrisch von den übrigen Leiterstreifen isoliert. Während der in der unteren Hälfte der Figur dargestellte Potentialverlauf an den Leiterstreifen bei offenem Ionentor mit vorgebbarem Gradienten von links nach rechts abfällt, kann zur Schlie­ ßung des Ionentores an den dafür vorgesehenen Leiterstreifen die Kontinuität des Potentialverlaufs deltaförmig unterbrochen werden, so daß die im Ionisa­ tionsbereich gebildeten Ionen die Potentialbarriere nicht passieren können.

Ebenso wie das Ionentor, so läßt sich auch der Ionenkollektor durch auf die Innenwände der Platten 1 und 2 aufgebrachte Leiterschichten realisieren.

Aufgrund der oben beschriebenen Bauweise bilden der Ionisationsbereich, das Ionentor, der Driftbereich und der Ionenkollektor einen durchgehenden Kanal, der strömungsmäßig nicht gestört ist und einfach über die Stirnflächen mit entsprechenden Quellen für das Drift- bzw. Probengas verbunden werden kann.

Die planare Ausführung hat weiterhin den Vorteil, daß auf den Deckflächen der Platten 1 und 2 weitere Komponenten angeordnet werden können. So ist es z. B. möglich, auf die Deckflächen eine Leiterschleife 5 für eine elektrische Heizung des Ionisations- und Driftbereiches aufzubringen. Eine derartige Hei­ zung hat den Vorteil, daß im Ionisationsbereich die Reaktionskinetik bei der Bildung von Ionen verbessert werden kann; im Driftbereich wirkt die Heizung sogenannten Vergiftungen durch an den Wänden anlagernde Ionen entgegen.

Die obengenannten Bauteile und Strukturen lassen sich mittels einfacher Stan­ dardprozesse der Mikrosystemtechnologie mit großer Präzision und einer Vielzahl von Variationsmöglichkeiten herstellen. Dies ermöglicht auch eine Fertigung in großen Stückzahlen zu günstigem Preis.

Ein wesentlicher Vorteil der planaren Ausführung besteht auch darin, daß die Feldführung und -formung, insbesondere im Driftbereich erheblich erleichtert wird. So können auf den ebenen Innenflächen der Platten 1 und 2 anstelle der geraden Leiterstreifen auch entsprechend gekrümmte Leiterstreifen aufge­ bracht werden, um damit die aus der Elektronenoptik bekannten Effekte, z. B. eine Fokussierung des Ionenstromes, zu erreichen. Auf diese Weise läßt sich auch das Abdriften von Ionen aus den eventuell offenen Seitenbereichen ver­ hindern.

Claims (11)

1. Ionenmobilitätsspektrometer (IMS) mit
einem Ionisationsbereich zum Ionisieren eines zu analysierenden Substanz­ gemisches und Bildung eines gasförmigen Ionengemisches,
mindestens einem an den Ionisationsbereich angrenzenden Ionentor, das zwi­ schen einem Sperr- und einem Durchlaßzustand elektrisch umschaltbar ist,
einem an das Ionentor angrenzenden Driftbereich mit einem elektrischen Driftfeld, welches durch zwei diametral zur Driftstrecke angeordnete Leiter­ strukturen erzeugt wird, und einem Ionenkollektor, welcher mit einer Elek­ tronik zum Nachweis von auftreffenden Ionen und/oder Elektronen verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Ionisations- und/oder Driftbereich zwei gegenüberliegende, durch mindestens ein Abstandsstück verbundene Wandelemente (1, 2) mit parallel zueinander angeordneten, im wesentlichen planaren, das gasförmige Ionen­ gemisch begrenzende Wandflächen aufweist, und
daß das Verhältnis von Abstand (d) der das gasförmige Ionengemisch be­ grenzenden Wandflächen zur felderzeugenden Breite (b) der Leiterstruktur (4) senkrecht zur Driftrichtung (x) kleiner als 1/2 ist.

2. IMS nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis aus Abstand (d) der das gasförmige Ionengemisch begrenzenden Wandflächen zur felderzeugenden Breite (b) der Leiterstruktur (4) senkrecht zur Driftrichtung (x) zwischen 1/3 und 1/10 beträgt.

3. IMS nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Ionentor und/oder ein Ionenkollektor durch separierte, elektrisch getrennt an­ steuerbare Bereiche der Leiterstruktur (4) gebildet wird.

4. IMS nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterstruktur (4) parallel zueinander und in Driftrichtung (x) nebeneinander angeordnete Leiterstreifen aufweist.

5. IMS nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterstreifen an den jeweiligen Enden abwechselnd zu einem mäanderförmigen Leiter ver­ bunden sind.

6. IMS nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter­ streifen gekrümmt sind.

7. IMS nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Leiterstreifen voneinander getrennt angeordnet und mit einer Widerstandsschicht untereinander verbunden sind.

8. IMS nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Wandelement (1, 2) im Ionisations- und/oder Driftbereich eine elektrisch von der Leiterstruktur (4) isolierte Heizung (5) aufweist.

9. IMS nach einem der Ansprüche 4 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterstreifen der Leiterstruktur (4) und/oder der Heizung (5) an zumindest jeweils einem Ende mit einem gegliederten Leitgummikontakt (3) versehen sind.

10. IMS nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, daß sich die Leiterstruktur (4) über den Ionisations- und Driftbereich erstreckt, daß Mittel zur Erzeugung eines zusätzlichen Driftfeldes in dem Ionisationsbereich vorgesehen sind und daß weiterhin Mittel zur Erzeugung einer Potentialbarrie­ re im Bereich des Ionentores vorgesehen sind.

11. IMS nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionisationsbereich ein radioaktives Material aufweist.