DE19815436B4

DE19815436B4 - Ionenmobilitätsspektrometer

Info

Publication number: DE19815436B4
Application number: DE19815436A
Authority: DE
Inventors: Johann Göbel; Christoph Wagner; Ulrich Breit; Harald Ertl
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1998-04-07
Filing date: 1998-04-07
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2018-04-08
Also published as: DE19815436A1

Abstract

Ionenmobilitätsspektrometer (IMS) mit:
– einem Ionisationsbereich zum Ionisieren eines zu analysierenden Substanzgemisches und Bildung eines gasförmigen Ionengemisches,
– mindestens einem an den Ionisationsbereich angrenzenden Ionentor, das zwischen einem Sperr- und einem Durchlasszustand elektrisch umschaltbar ist,
– einem an das mindestens eine Ionentor angrenzenden Driftbereich mit einem elektrischen Driftfeld, wobei das Driftfeld durch zwei entlang des Driftbereichs angeordnete Leiterstrukturen (4) erzeugt wird, und
– einem Ionenkollektor, welcher mit einer Elektronik zum Nachweis von auftreffenden Ionen und/oder Elektronen verbunden ist,
wobei der Ionisations- und der Driftbereich durch zwei gegenüberliegende Wandelemente (1, 2), die über mindestens ein Abstandsstück (3) miteinander verbundenen sind, gebildet wird,
wobei die Wandelemente (1, 2) zwei parallel zueinander angeordnete Wandflächen aufweisen, zwischen denen das Ionengemisch strömt,
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Ionentor und der Ionenkollektor durch separierte, elektrisch getrennt ansteuerbare Bereiche der Leiterstruktur (4) gebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft Ionenmobilitätsspektrometer (IMS) mit einem Ionisationsbereich zum Ionisieren eines zu analysierenden Substanzgemisches und Bildung eines gasförmigen Ionengemisches, mindestens einem an den Ionisationsbereich angrenzenden Ionentor, das zwischen einem Sperr- und einem Durchlasszustand elektrisch umschaltbar ist, einem an das mindestens eine Ionentor angrenzenden Driftbereich mit einem elektrischen Driftfeld, wobei das Driftfeld durch zwei entlang des Driftbereichs angeordnete Leiterstrukturen (4) erzeugt wird, und einem Ionenkollektor, welcher mit einer Elektronik zum Nachweis von auftreffenden Ionen und/oder Elektronen verbunden ist, wobei der Ionisations- und der Driftbereich durch zwei gegenüberliegende Wandelemente (1, 2), die über mindestens ein Abstandsstück (3) miteinander verbundenen sind, gebildet wird und wobei die Wandelemente (1, 2) zwei parallel zueinander angeordnete Wandflächen aufweisen, zwischen denen das Ionengemisch strömt.

Aus der US-PS 4 855 595 ist ein Ionenmobilitätsspekrometer bekannt geworden, welches einen Ionisationsbereich zum Ionisieren des zu analysierenden Substanzgemisches sowie ein an den Ionisationsbereich angrenzendes und zwischen einem Sperr- und einem Durchlasszustand umschaltbares Ionentor aufweist und einen an das Ionentor angrenzenden Driftbereich aufweist, welcher zu einem Ionenkollektor führt. Auf welche Weise ein solches Grät miniaturisiert werden kann ist ebenso wenig angegeben wie in der US-PS 5 235 182, welche eine Ionenmobilitätsspektrometer in einer ähnlichen Bauart beschreibt.

Zur Herstellung des aus der DE 195 13 459 A1 bekannten Ionenmobilitätsspektrometers werden flexible gedruckte Leiterbahnen anstelle leitender Ringe oder leitender Scheiben verwendet. Der übrige Aufbau entspricht jedoch wieder demjenigen konventioneller Ionenmobilitätsspektrometer.

In der älteren Anmeldung DE 190 50 612 wird ein IMS beschrieben, bei dem insbesondere das Ionentor, die Driftkammer und der Ionenkollektor aus Teilstücken aufgebaut ist, welche aus gängigem Halbleitermaterial herausgeschnitten werden können. Insbesondere das Ionentor ist dabei noch als senkrecht zur Driftrichtung stehendes Gitter ausgebildet, welches auch in Halbleitertechnik 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 Patentanspruches 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 Verbindung 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 hergestellt 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 nebeneinanderliegenden Kontaktflächen zur Anwendung kommen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand des in der Figur schematisch dargestellten 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 übereinander angeordnet sind. Der Abstand d wird durch nicht näher dargestellte Abstandsstücke, 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 beschriebenen Kontaktelemente 3, einen gasführenden Kanal der Breite b, welche mindestens das doppelte des Abstandes d, vorteilhafterweise das 5- bis 10 fache davon beträgt. Die Platten 1 und 2 weisen auf ihrer jeweiligen Innenseite Leiterstrukturen 4 auf, welche u.a. zur Erzeugung eines elek-trischen Feldes E in Längsrichtung (x-Richtung) im Innenraum zwischen den beiden Platten 1 und 2 dienen. Diese Leiterstruktur besteht aus streifenförmigen Leitern senkrecht zur x-Richtung, welche entweder über eine nicht dargestellte dünne Widerstandsschicht oder über Einzelwiderstände elek-trisch 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, mäanderförrnigen Leiter verbunden sein. In der Fig. sind zur Darstellung unterschiedlicher Bereiche die Leiterstreifen unterschiedlich dick und mit unterschiedlichen Abständen dargestellt. Dies kann zweckmäßig sein, ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Im einfachsten 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 einfache und effiziente Ionisierung kann beispielsweise durch eine radioaktive Ni 63-Quelle, welche entweder an den seitlichen Rändern oder im Strömungsbereich 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 Leiterstreifen in dem als Ionentor bezeichneten Bereich der Leiterstruktur 4 elektrisch von den übrigen Leiterstrei fen 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 Schließung des Ionentores an den dafür vorgesehenen Leiterstreifen die Kontinuität des Potentialverlaufs deltaförmig unterbrochen werden, so dass die im Ionisationsbereich 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 Heizung 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 Standardprozesse 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 aufgebracht 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 verhindern.

Claims

Ionenmobilitätsspektrometer (IMS) mit: – einem Ionisationsbereich zum Ionisieren eines zu analysierenden Substanzgemisches und Bildung eines gasförmigen Ionengemisches, – mindestens einem an den Ionisationsbereich angrenzenden Ionentor, das zwischen einem Sperr- und einem Durchlasszustand elektrisch umschaltbar ist, – einem an das mindestens eine Ionentor angrenzenden Driftbereich mit einem elektrischen Driftfeld, wobei das Driftfeld durch zwei entlang des Driftbereichs angeordnete Leiterstrukturen (4) erzeugt wird, und – einem Ionenkollektor, welcher mit einer Elektronik zum Nachweis von auftreffenden Ionen und/oder Elektronen verbunden ist, wobei der Ionisations- und der Driftbereich durch zwei gegenüberliegende Wandelemente (1, 2), die über mindestens ein Abstandsstück (3) miteinander verbundenen sind, gebildet wird, wobei die Wandelemente (1, 2) zwei parallel zueinander angeordnete Wandflächen aufweisen, zwischen denen das Ionengemisch strömt, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Ionentor und der Ionenkollektor durch separierte, elektrisch getrennt ansteuerbare Bereiche der Leiterstruktur (4) gebildet ist.
Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Abstand (d) der das gasförmige Ionengemisch begrenzenden Wandflächen zur felderzeugenden Breite (b) der Leiterstruktur (4) senkrecht zur Driftrichtung (x) kleiner als 1/2 ist.
Ionenmobilitätsspektrometer 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.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterstruktur (4) parallel zueinander und in Driftrichtung (x) nebeneinander angeordnete Leiterstreifen aufweist.
Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterstreifen an den jeweiligen Enden abwechselnd zu einem mäanderförmigen Leiter verbunden sind.
Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterstreifen gekrümmt sind.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Leiterstreifen voneinander getrennt angeordnet und mit einer Widerstandsschicht untereinander verbunden sind.
Ionenmobilitätsspektrometer 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.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterstreifen der Leiterstruktur (4) an zumindest jeweils einem Ende mit einem gegliederten Leitgummikontakt (3) versehen sind.
Ionenmobilitätsspektrometer 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 Potentialbarriere im Bereich des Ionentores vorgesehen sind.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Ionisationsquelle im Ionisationsbereich ein radioaktives Material vorgesehen ist.