DE69030381T2

DE69030381T2 - Spektrometer mit ladungsdetektor

Info

Publication number: DE69030381T2
Application number: DE69030381T
Authority: DE
Inventors: Keith The Romans Ta Birkinshaw
Original assignee: Micromass UK Ltd
Current assignee: Micromass UK Ltd
Priority date: 1989-06-29
Filing date: 1990-06-29
Publication date: 1997-07-17
Anticipated expiration: 2010-06-30
Also published as: JP2733872B2; JPH05506326A; CA2062946A1; ATE151200T1; GB8914910D0; US5296816A; WO1991000612A1; CA2062946C; EP0479827B1; DE69030381D1; EP0479827A1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Ein- und Vielkanal-Ladungssensoren, die in der Form von integrierten Schaltungen hergestellt sind und auf verschiedene Arten von Spektrometern, in die diese Sensoren eingebaut sind.
Dispersive Spektrometer des Abtasttyps sind im Wirkungsgrad beschränkt, da nur ein kleiner Anteil des das gesamte Spektrum einer Probe repräsentierenden Signals zu jedem Zeitpunkt während der Abtastung auf einem Ein-Kanal-Detektor aufgezeichnet wird. Es ist bekannt, daß der Wirkungsgrad durch die Verwendung eines Vielkanal-Detektors vergrößert werden kann, der zumindest einen wesentlichen Teil des Spektrums gleichzeitig registrieren kann. In dem Fall eines Spektrometers für geladene Partikel, zum Beispiel ein Massen- oder Elektronenenergie-Spektrometer, umfassen Vielkanal-Detektoren des Stands der Technik typischerweise einen oder mehrere Kanalplatten-Elektronenvervielfacher, die die das aufzuzeichnende Spektrum umfassenden geladenen Partikel empfangen und aus diesen ein verstärktes Elektronenbild erzeugen. Dann wandelt ein Vielkanal-Ladungssensor das Elektronenbild in elektrische Signale, die durch einen Computer verarbeitet werden können. Es wurden mehrere verschiedene Typen von Ladungssensoren verwendet, zum Beispiel ein Phosphorschirm, auf den geladene Partikel aufprallen, um Photonen zu erzeugen, und der mittels einer faseroptischen Verbindung mit einem optischen Detektorsystem, wie etwa eine Fernsehkamera, eine Fotodiode oder ein CCD-Feld mit geeigneter Elektronik verbunden ist. Ein anderer Ladungssensortyp umfaßt ein Mehrfachanodenfeld mit einzelnen ladungsempfindlichen Verstärkern für jede Anode. Ferner werden positionsempfindliche Detektoren, wie etwa Widerstandsstreifen- oder Widerstandskeil- und Streifendetektoren, verwendet, insbesondere in dem Fall von Elektronenenergiespektrometern; bei den meisten spektrometrischen Anwendungen sind diese aber von beschränktem Nutzen, da sie zu einem Zeitpunkt nur die Position eines Ereignisses aufzeichnen können.
Unglücklicherweise sind die Leistungsanforderungen eines Vielkanaldetektors, der für Spektrometer für geladene Teilchen geeignet ist, sehr streng. Dies ist insbesondere wahr für Hochauflösungs-Massenspektrometer, die eine große Anzahl von nahe beabstandeten Kanälen erfordern, wenn sowohl der Massenbereich als auch die Empfindlichkeit beizubehalten sind. Weiterhin ist der Empfindlichkeitsvorteil von Vielkanaldetektoren nur nützlich, falls die Geschwindigkeit des Detektors und seiner zugeordneten Elektronik ausreichend groß ist. Detektortypen des Stands der Technik haben bisher versagt, eine kosteneffektive Verbesserung der Leistung von Ein-Kanal-Detektor-Massenspektrometern guter Qualität zu liefern.
Von den gegenwärtig erhältlichen Ladungserfassungssystemen scheint das Mehrfachanodenfeld die besten Aussichten angemessener Leistung zu bieten, da es zur echten gleichzeitigen Erfassung mit einer kurzen Totzeit und mit einer nur durch den Abstand der Anoden bestimmten Auflösung fähig ist. Allerdings sind die praktischen Probleme des Herstellen eines Felds aus einer ausreichenden Anzahl von Anoden (mehrere tausend sind für ein hochauflösendes Massenspektrometer notwendig) und der zugeordneten Elektronik sehr groß. Jede Anode erfordert ihre eigene Ladungserfassungsschaltung und die Bereitstellung tausender externer Verstärker und der zugeordneten Verdrahtung ist nicht praktikabel. Es ist allerdings offensichtlich, daß das Problem im Prinzip durch die Verwendung einer integrierten Schaltung gelöst werden könnte, die wenigstens die Anoden und die zugeordneten Ladungssensoren und eine Datenaufnahmeschaltung zum Multiplexen der Ausgaben der Ladungssensoren zu einer annehmbaren Anzahl von externen Verbindungen umfaßt.
Mehrfachanodendetektoren umfassend eine relativ kleine Anzahl von Anoden und externen Ladungssensoren, die für die Verwendung mit Kanalplatten-Elektronenvervielfachern geeignet sind, wurden durch Padmore (Nucl. Instrum. and Meth. in Phys. Res. 1988 Band A270(2-3) Seiten 582-9), Gurney, Ho, Richter und Villarubia (Rev. Sci. Instrum. 1988 Band 59(1) Seiten 22-44), Timothy und Bybee (Proc. SPIE 1981 Band 265 Seiten 93-105 und Applied Optics 1975 Band 14 (7) Seiten 1632-44 und Liptak, Sandie, Shelley und Simpson (IEEE Trans. Nucl. Sci. 1984 Band NS-31(1) Seiten 780-785) realisiert. Allerdings wurden Felder mit mehr als 500 Anoden nur durch die Verwendung von Koinzidenzfeldern realisiert, was die Verwendung von zwei Sätzen von Elektroden für grobe bzw. feine Positionierung nach sich zieht. Diese sind aus den gleichen Gründen wie einfache positionsempfindliche Detektoren für die meisten spektrometrischen Anwendungen nicht geeignet.
Hicks und Hatfield (PCT-Anmeldungs-Veröffentlichungsnummer WO90/03043, im März 1990 veröffentlicht) beschreibt einen Mehrfachanodendetektor zur Verwendung mit einem Kanalplatten-Elektronenvervielfacher, bei dem die Ladungssensoren und die Anoden als eine integrierte Schaltung hergestellt sind. Dies ist unten im Detail diskutiert.
Es sind eine Anzahl verschiedener Arten von Ladungssensorschaltungen, die zur Verwendung mit Mehrfachanodendetektoren geeignet sind, bekannt. Diese umfassen typischerweise einen ladungsempfindlichen Vorverstärker und eine Integrationsschaltung, die einen Diskriminator speist, um ein digitales Ausgabesignal immer dann zu liefern, wenn die Ladung auf der Anode ein gewisses Niveau erreicht. Alle Systeme des Stands der Technik sind durch die Notwendigkeit für einen externen Taktgenerator zur Steuerung der Funktion des Sensors gekennzeichnet, und es ist dieser Takt, der bestimmt, wann eine bestimmte Anode, eine Gruppe von Anoden oder sogar das gesamte Feld fähig ist, auf einen weiteren Elektronenpuls von dem Kanalplattenvervielfacher zu reagieren. Die in den integrierten Detektor von Hicks und Hatfield inkorporierte Schaltung ist typisch für diese Systeme des Stands der Technik. Bei dieser Schaltung ist die Elektrode durch einen Verstärker (einen herkömmlichen CMOS-Invertierer) während des "Abtast"-Teils des Taktzyklus mit einem Speicherkondensator verbunden, und gleichzeitig wird aus einer stabilen Referenzspannung ein Referenzkondensator geladen. Während dieser Phase wird jegliche an der Anode ankommende Ladung verstärkt und in dem Speicherkondensator gespeichert. Während des zweiten Teils des Taktzyklus werden der Verstärker und die Referenzspannungsquelle von den Kondensatoren getrennt, und die auf den Kondensatoren vorhandenen Spannungen werden durch eine CMOS-Komparatorstufe verglichen. Während des dritten Teils des Taktzyklus wird die Ausgabe des Komparators zum Inkrementieren eines Zählers verwendet, wenn gefunden wurde, daß das Potential des Speicherkondensators dasjenige auf dem Referenzkondensator überschreitet. Während des vierten Teils des Zyklus wird der Verstärker kurzgeschlossen, um den der Anode zugeordneten Kondensator zu entladen, und beide Kondensatoren werden in Vorbereitung für den nächsten Meßzyklus auf ein geeignetes Spannungsniveau geladen. Die Komplexität dieser Schaltung und ihre Leistungsdissipation scheint die Herstellung einer integrierten Schaltung, die eine ausreichende Anzahl von Elektroden zur Verwendung in einem hochauflösenden Massenspektrometer aufweist, unter Verwendung gegenwärtig verfügbarer Herstellungsverfahren auszuschließen.
Die Aussichten einer erfolgreichen Herstellung und einer hohen Zuverlässigkeit der derart hergestellten integrierten Schaltung werden vergrößert, indem die Komplexität der jeder Anode zugeordneten Schaltung vermindert wird, so daß die Ausbeute- und Leistungsdissipationsprobleme minimiert werden. Eine weniger komplizierte Schaltung ist auch kleiner, was einen kleineren Abstand zwischen den Anoden ermöglicht. Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine integrierte Ladungssensorschaltung und ein Feld derartiger Sensoren, die für spektroskopische Anwendungen höchster Anforderungen geeignet sind und die weniger kompliziert als Sensoren des Stands der Technik sind, bereitzustellen. Eine andere Aufgabe ist es, einen Vielkanaldetektor unter Verwendung derartiger Sensoren sowie verschiedene Arten von Spektrometern, in die ein derartiger Detektor eingebaut ist, bereitzustellen.
Die vorliegende Erfindung stellt deshalb einen Sensor für elektrische Ladung bereit, umfassend eine Elektrode zum Empfangen von Ladung und eine ladungserfassende Schaltung, wobei die Elektrode und die Schaltung als eine integrierte Schaltung hergestellt sind; dadurch gekennzeichnet, daß die ladungserfassende Schaltung umfaßt:
a) ein mit der Elektrode verbundenes Mittel zum anfänglichen Setzen des Potentials der Elektrode auf ein gewähltes Potential;
b) ein potentialempfindliches Schaltmittel, das mit der Elektrode zum Überwachen des Potentials der Elektrode verbunden ist, wobei das Schaltmittel den Zustand immer dann umschaltet, wenn in Antwort auf die Ankunft von Ladung an der Elektrode das Potential der Elektrode von dem anfänglich gesetzten Potential (VDIS) um mehr als ein vorgewähltes Ausmaß abweicht;
c) ein mit der Elektrode verbundenes Mittel zum Wiederherstellen des Potentials der Elektrode:
1) auf im wesentlichen das gewählte Potential wann immer das Schaltmittel den Zustand umschaltet; und/oder
2) kontinuierlich zu dem gewählten Potential;
d) ein mit dem Schaltmittel verbundenes Mittel zum Zählen der Anzahl, wie oft das Schaltmittel den Zustand umschaltet, um eine Angabe der durch die Elektrode empfangenen elektrischen Ladung zu liefern.
Bei bevorzugten Sensoren ist das Schaltmittel ein nicht haltendes Schaltmittel. Ferner ist bevorzugt, daß das Schaltmittel zurücksetzt, nachdem das Potential auf der Elektrode im wesentlichen wieder das anfänglich gewählte Potential erreicht. Auf diese Art und Weise wird durch das Schaltmittel jedesmal dann ein Puls erzeugt und durch das Zählmittel gezählt, wenn das Elektrodenpotential von dem anfänglich gesetzten Potential ausreichend abweicht, um dieses Mittel zu betätigen. Der Puls wird automatisch durch das Mittel zur Wiederherstellung beendet, das das Elektrodenpotential in einer (oder in beiden) der folgenden Weisen zurücksetzt.
Erstens kann das Mittel zum Wiederherstellen bewirken, daß das Elektrodenpotential zurückgesetzt wird, indem es zu einer festen Potentialquelle geschaltet wird (das anfänglich gesetzte Potential), sobald das Schaltmittel gearbeitet hat. Wenn das Schaltmittel eine Art von Halten einschließt, dann wird der Signalspeicher zu dem gleichen Zeitpunkt ebenfalls zurückgesetzt. Andernfalls wird das Schaltmittel automatisch zurückgesetzt, wie erklärt. Dieser Betriebsmodus ist nützlich, wenn der Sensor einen im wesentlichen kontinuierlichen Ladungsfluß erfassen soll, in welchem Fall die Frequenz der erzeugten Pulse von diesem Fluß abhängig ist.
Zweitens kann das Mittel zum Wiederherstellen ein Mittel zum kontinuierlichen Wiederherstellen des Potentials der Elektrode hin zum anfänglich gesetzten Potential umfassen, zum Beispiel durch einen zwischen der Elektrode und der Potentialquelle zwischengeschalteten Widerstand. Der Wiederherstellungsprozeß wird natürlich nicht instantan sein, sondern seine Rate wird von der Zeitkonstante der Wiederherstellungsschaltung abhängen, d.h. von dem Produkt des Widerstands und der gesamten ihr zugeordneten Kapazität. Damit das Schaltmittel arbeitet, muß die Rate des Ankommens von Ladung einen Minimalwert überschreiten, der ausreicht, damit sie das Potential der Elektrode genug für das Schaltmittel ändert, so daß dieses arbeitet, bevor die Ladung durch den Widerstand wegleckt. Dieser Betriebsmodus ist besonders vorteilhaft, wenn der Sensor zum Erfassen von Ladungspulsen verwendet wird, wie sie aus dem Aufprall eines Ions auf einen Kanalplatten-Elektronenvervielfacher resultieren könnten. Dies hat den Effekt, daß kleine Ladungsansammlungen auf der Elektrode weglecken, ohne daß Fehlzählungen erzeugt werden, und dies liefert einen Sensor, der nur auf ausreichend große und schnelle Pulse anspricht. Es werden sich niemals kleine Ladungsmengen derart ansammeln, daß Fehlzählungen auftreten, und ein derartiger Sensor ist zur Verwendung mit einem Kanalplattenvervielfacher gut geeignet, bei dem er das Problem des Ladungsüberlaufs (oder der "Überstrahlung") aufgrund eines ionischen Aufpralls vermindert, der mehr als einen Vervielfacherkanal und/oder mehr als eine Elektrode in einem Feld von Sensoren aktiviert.
Die maximale Zählrate eines Sensors unter Verwendung nur des zweiten Modus wird natürlich begrenzt sein, da die Elektrode im wesentlichen entladen sein muß, bevor das Schaltmittel zurücksetzt und die Schaltung auf einen weiteren Ladungspuls reagieren kann. Die am meisten bevorzugte Form eines Ladungspulssensors inkorporiert deshalb beide Modi des Wiederherstellens des Potentials der Elektrode. Somit wird die Schaltung zurückgesetzt, sobald ein Puls erzeugt worden ist, woraus eine sehr effiziente Funktionsweise resultiert, wobei aber kleine Ladungsmengen niemals das Schaltmittel auslösen und durch den widerstandsbehafteten Pfad weglecken, wodurch "Überstrahlungs"-Probleme minimiert werden.
Im folgenden und im obigen soll, soweit anwendbar, der Begriff "Schalten" den relativ allmählichen Übergang von einem nicht-leitenden zu einem leitenden Zustand oder umgekehrt umfassen. Der Begriff "leitend" soll nicht notwendigerweise einen Pfad sehr niedrigen Widerstands, wie er durch einen mechanischen Schalter erhältlich wäre, implizieren, sondern vielmehr einen viel niedrigeren Widerstand als der "nicht-leitende" Zustand einer Komponente, wie etwa ein Transistor.
In einer bevorzugten Form zum Erfassen negativer Ladung kann das Schaltmittel einen p-Kanal-MOS-Transistor umfassen, dessen Gate mit der Elektrode verbunden ist und der durch das anfänglich gesetzte Potential auf einen solchen Punkt voreingestellt ist, daß er von einem nicht-leitenden zu einem leitenden Zustand schaltet, wann immer sich das Potential der Elektrode mehr als ein vorbestimmtes Ausmaß ändert. Dieses vorbestimmte Ausmaß und folglich die Empfindlichkeit des Schaltmittels kann einfach verändert werden, indem das anfänglich gesetzte Potential eingestellt wird. Je näher dieses Potential zu dem Schaltpotential ist, desto kleiner ist die detektierbare Ladungsmenge, wobei dieses allerdings auf Kosten der Rauschunempfindlichkeit erreicht wird.
Bei einer bevorzugten Form eines Sensors für positive Ladung kann das Schaltmittel einen n-Kanal-MOS-Transistor umfassen, dessen Gate mit der Elektrode verbunden ist, und der durch das anfänglich gewählte Potential auf einen solchen Punkt voreingestellt ist, daß er von einem nicht-leitenden zu einem leitenden Zustand schaltet, wann immer das Potential in Antwort auf die Ankunft von positiver Ladung an der Elektrode mehr als ein vorbestimmtes Ausmaß von dem anfänglich gewählten Potential abweicht.
Sowohl beim Sensor für positive Ladung als auch beim Sensor für negative Ladung wird das Schalten des Transistors von einem nicht leitenden zu einem leitenden Zustand verwendet, um ein digitales Signal zu erzeugen, daß das Zählmittel inkrementiert. Das automatische Wiederherstellen des Elektrodenpotentials beendet den Puls, ohne daß irgendeine zusätzliche Schaltungsanordnung nötig ist.
Obwohl das Schaltmittel nur einen einzigen MOS-Transistor umfassen kann, kann eine bessere Version durch Hinzufügen eines zweiten MOS-Transistors implementiert werden, der durch den ersten getrieben wird, um während des Schaltvorgangs ein Signal vorzusehen, das zu dem ersten Transistor zurückgeführt wird, um dessen Voreinstellung zu ändern und eine positivere Schaltwirkung zu gewährleisten. Dies kann die Empfindlichkeit des Schaltmittels für kleinere Ladungsmengen vergrößern. Allerdings muß bei der Auslegung einer derartigen Anordnung Sorge getragen werden, insbesondere hinsichtlich der Wahl der Widerstände der leitenden Zustände beider Transistoren (durch ihre physikalischen Bemessungen bestimmt), um zu vermeiden, daß die Rückkopplung umgekehrt wirkt und die Empfindlichkeit des Schaltmittels reduziert. Man wird auch einsehen, daß die Länge des erzeugten Ausgabepulses sowohl durch die Antwortgeschwindigkeit des Mittels zum Wiederherstellen des Potentials der Elektrode als auch durch die Schaltzeit des Schaltmittels bestimmt ist. Alle diese Faktoren sind bei der Auslegung einer Schaltung mit angemessener Empfindlichkeit kritisch, und die richtige Optimierung der Konfiguration kann nur durch Computersimulation ihrer Leistung erreicht werden.
Ein Sensor gemäß dieser Erfindung unterscheidet sich deshalb durch die Abwesenheit irgendeines externen Taktgebers zumindest teilweise von Ladungssensoren des Stands der Technik. Dies reduziert nicht nur die Komplexität der Schaltung, sondern reduziert auch die Totzeit des Sensors, da dieser fähig ist, einen weiteren Puls zu empfangen, sobald das Schaltmittel gearbeitet hat. Im Gegensatz dazu sind bekannte Sensoren nicht fähig, Ladung während eines wesentlichen Teils des Taktzyklus zu erfassen, insbesondere dann, wenn die Zyklusdauer ausreichend kurz ist, um eine Erfassung mit Raten zu ermöglichen, die zur Verwendung bei hohen Zählraten in einem hochauflösenden Massenspektrometer schnell genug sind.
Bekannte Sensoren stützen sich auch auf die Verstärkung der Ladung auf den Elektroden, bevor diese für eine festgelegte Zeitdauer auf einem Kondensator integriert wird. Dies ist bei Systemen, die externe Elektronik erfordern, nötig, da die Kapazität der Verdrahtung derart hoch ist, daß ein einzelner Elektronenvervielfacherpuls das Kondensatorpotential nicht ausreichend verändern kann, um eine zuverlässige Erfassung ohne Verstärkung zu ermöglichen. Bei der vorliegenden Erfindung wird ein Vorteil aus Herstellungstechniken für integrierte Schaltungen gezogen, um die Elektrodenkapazität auf einen Wert deutlich unter derjenigen bei bekannten Schaltungen mit diskreten Komponenten zu reduzieren, so daß durch eine vorgegebene Ladung eine größere Spannungsänderung erzeugt wird. Dies ermöglicht es, daß die Ladungssensorschaltung vereinfacht wird, was wiederum die Herstellung eines Feldes, umfassend viel mehr Sensoren als bisher möglich war, vereinfacht. Ein derartiges Feld ist in Zusammenhang mit einem oder mehreren Kanalplatten-Elektronenvervielfachern nützlich, um einen für ein Spektrometer, insbesondere - aber nicht ausschließlich - einen für ein hochauflösendes Massenspektrometer geeigneten Vielkanaldetektor herszustellen.
In dem Fall eines Felds von Sensoren, das ebenfalls auf dem Substrat hergestellt ist, auf dem die Elektroden und Pulsformschaltungen hergestellt sind, wird eine relativ herkömmliche digitale Schaltungsanordnung zum Lesen der in den Zählern akkumulierten Zählungen und zum Ausgeben dieser Daten in einer Form, die durch einen externen Computer verarbeitet werden kann, vorgesehen sein. Diese Schaltungen können gemäß der Anzahl von Sensoren in dem Feld variieren. Typischerweise werden sie eine jedem Zähler zugeordnete Schnittstellenschaltung umfassen, die den Zählwert zu einem lokalen Datenbus ausgibt, wenn dies nötig ist. Es kann eine Mehrzahl von lokalen Bussen vorgesehen sein, die jeweils eine Gruppe von Sensoren bedienen. Alle lokale Datenbusse sind über Puffer mit einem Hauptbus verbunden, der zu externen Anschlüssen auf dem Chip geführt ist, um zu einem externen Computer zuzuführen. Typischerweise wird die Schnittstellenschaltung eine Anzahl von Tristate-Puffern umfassen, die nach Empfang eines Freigabesignals Daten von den Zählern zu dem Datenbus weiterleiten.
Es ist wichtig, daß die Zählertotzeit während des Auslesens auf einem Minimum gehalten wird. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die Puffer aller Schnittstellenschaltungen der Reihe nach durch eine Reihe von "Lese"-Pulsen von dem externen Computer freigegeben werden. Der erste Lese-Puls bewirkt, daß der durch den ersten Zähler in dem Feld gespeicherte Zählwert zu dem Bus ausgegeben wird, und dieser Prozeß kann den zweiten Zähler und die Schnittstelle derart bereitmachen, daß der nächste Lese-Puls den durch den zweiten Zähler gespeicherten Zählwert ausgibt. Die erste Schnittstelle wird dann zurückgesetzt und ihr Zähler auf Null gesetzt, was ermöglicht, daß der Zähler das Zählen wieder aufnimmt, während nachfolgende Sensoren ausgelesen werden. Der Prozeß fährt fort, bis alle Sensoren ausgelesen wurden, und kann dann automatisch neu starten. Auf diese Art und Weise ist die Zählertotzeit minimiert.
Es können Daten akkumuliert werden, bis irgendeiner der Zähler einen vorbestimmten Zählwert erreicht, an welchem Punkt das Zählen an allen Sensoren angehalten werden kann und ein Auslesezyklus aller Zähler ausgelöst wird. Dies gewährleistet, daß relative Spitzenintensitäten in einem Spektrum beibehalten werden. Alternativ kann das Auslesen kontinuierlich durchgeführt werden, wie oben beschrieben, und es kann jeder Zähler, der den vorbestimmten Zählwert erreicht, einfach am weiteren Zählen gehindert werden, während das Zählen an allen anderen Zählern im Feld fortfährt. Dieser Modus ermöglicht, daß sehr schwache Spitzen auf Kosten eines verzerrten Spektrums, in dem große Spitzen sättigen werden, aufgezeichnet werden.
Sehr große Sensorfelder können hergestellt werden, indem mehrere separate Chips zusammengefügt werden und indem der Hauptbus von einem Chip zum nächsten verlängert wird.
In dem Fall von Spektrometern, die nur entlang einer Achse Dispersion aufweisen, kann ein Vorteil auch dadurch erhalten werden, daß ein Detektor vorgesehen wird, der zwei auf beiden Seiten einer zur Dispersionsachse des Spektrometers parallelen oder mit dieser zusammenfallenden Linie angeordnete Sensorfelder umfaßt, so daß der gleiche Teil des Spektrums gleichzeitig auf beide Felder abgebildet wird. Dies kann ausgeführt werden durch Herstellen von zwei Sensorfeldern auf einem einzelnen Substrat oder durch Zusammenfügen von Chips, die jeweils ein einzelnes Sensorfeld umfassen, wobei die Verbindungsstelle parallel zu der Dispersionsachse angeordnet ist oder mit dieser zusammenfällt. Falls die Chips derart zusammengefügt werden, daß die einzelnen Elektroden um die Hälfte ihrer Breite versetzt sind, ist das Problem von gelegentlich fehlfunktionierenden Sensoren in einem Feld gemildert und die Auflösung des Detektorsystems kann über diejenige vergrößert werden, die mit einem einzelnen Chip erreichbar ist, da die Anzahl von Sensoren in einer vorgegebenen Länge vergrößert ist.
Ein Sensorfeld kann ein Siliziumsubstrat umfassen, auf dem eine die beschriebenen Funktionen implementierende Schaltung unter Verwendung relativ standardmäßiger CMOS-Technologie hergestellt ist, bevorzugt mit 3 µm langen Polysiliziumgates. Die Elektroden umfassen bevorzugt längliche Metallstreifen (zum Beispiel Aluminium), die auf einem isolierenden Film abgelagert sind, der über die fertige Schaltung geschichtet ist. Bevorzugt besteht der isolierende Film aus Polyimid, das wenigstens 10 µm dick ist, um die Elektrodenkapazität ausreichend niedrig zu halten. Bevorzugt ist die einer Elektrode zugeordnete Ladungserfassungsschaltungsanordnung unterhalb dieser Elektrode angeordnet. Die Elektroden können typischerweise ungefähr 4 mm lang und 15 µm breit sein.
Die Erfindung stellt ferner ein dispersves Spektrometer für Photonen oder andere Partikel (zum Beispiel Elektronen, Ionen usw. oder neutrale Partikel) bereit, das eine Fokalebene aufweist, in der wenigstens ein Teil des Spektrums gleichzeitig abgebildet wird. Das Spektrometer kann ein in der Fokalebene angeordnetes Vielkanal-Partikelvervielfachungsmittel umfassen, das auf die Photonen oder Partikel empfindlich ist und das ein verstärktes Elektronenbild auf einem Feld von Sensoren im wesentlichen wie oben beschrieben erzeugt.
Typischerweise wird das Vielkanal-Partikelvervielfachungsmittel eine oder mehrere Kanalplattenelektronen-Vervielfacher umfassen, und das Ladungssensorfeld wird dazu angepaßt sein, die Elektronenpulse, die von der Kanalplatte als ein Ergebnis des Aufpralls von Photonen, Elektronen oder Ionen usw. auf seiner Eintrittsfläche emittiert werden, zu erfassen. Das Spektrometer kann ein dispersives Elektronenenergie-Spektrometer oder ein Massenspektrometer, insbesondere ein Hochauflösungs-Massenspektrometer, sein. Optische (entweder UV, IR oder sichtbares Licht) dispersive Spektrometer können ebenfalls mit einem Detektor wie beschrieben ausgerüstet sein, in welchem Fall das Vervielfachungsmittel auf Photonen der verwendeten Wellenlänge empfindlich sein wird.
Es werden nun bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung in genaueren Einzelheiten rein als Beispiel und mit Bezugnahme auf die Figuren beschrieben, in denen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Ladungssensors gemäß der Erfindung ist;
Fig. 2 ein Schaltungsdiagramm eines bevorzugten Typs des Sensors der Fig. 1 ist;
Fig. 3 ein Schaltungsdiagramm eines Teils eines Vielkanalsensors nach der Erfindung ist;
Fig. 4 das Layout eines Vielkanalsensors nach der Erfindung zeigt;
Fig. 5 und Fig. 6 verschiedene Arten zeigen, nach denen Vielkanalsensoren nach der Erfindung zusammengefügt werden können, um ein größeres Sensorfeld zu bilden;
Fig. 7 eine Schnittansicht einer integrierten Sensorschaltung nach der Erfindung ist;
Fig. 8 eine Zeichnung ist, die zeigt, wie ein Teil des in Fig. 7 gezeigten Sensors hergestellt werden kann;
Fig. 9 ein Blockdiagramm eines Spektrometers nach der Erfindung ist; und
Fig. 10 veranschaulicht, wie ein anderer Teil des in Fig. 7 gezeigten Sensors hergestellt werden kann.
Es wird als erstes auf Fig. 1 Bezug genommen. Das Potential auf einer Elektrode 1 zum Empfangen elektrischer Ladung wird durch ein potentialempfindliches Schaltmittel 2 überwacht, das eine digitale Ausgabe erzeugt, die bei jedem Arbeiten des Schaltmittels zum Inkrementieren eines Zählmittels 4 geeignet ist. Das Potential auf der Elektrode 1 wird anfänglich durch das unten diskutierte Mittel 3 auf ein ausgewähltes Potential VDIS gesetzt. Eine Ankunft von Ladung (zum Beispiel ein Elektronenfluß) an der Elektrode 1 bewirkt, daß ihr Potential von VDIS abweicht, und das Schaltmittel 2 arbeitet, falls und wenn diese Abweichung größer als ihr Schwellenwert ist, wodurch das Zählmittel 4 inkrementiert wird. Das Mittel 3 zum Wiederherstellen des Potentials der Elektrode dient auch als ein Mittel zum anfänglichen Setzen ihres Potentials und arbeitet auf eine oder auf beide von zwei Arten. Als erstes kann es, typischerweise durch einen Schalttransistor, die Elektrode 1 mit dem festen Potential VDIS verbinden, unmittelbar nachdem das Schaltmittel 2 gearbeitet hat. Falls das Schaltmittel nicht-haltend ist, wie bevorzugt, wird es durch diesen Prozeß automatisch zu seinem Anfangszustand zurückgeführt. Falls das Schaltmittel einen Signalspeicher enthält, kann dieser ebenfalls durch das Mittel 3 zurückgesetzt werden, wodurch der Sensor zu seinem ursprünglichen Zustand zurückgeführt wird. Als zweites kann das Mittel 3 kontinuierlich arbeiten, um das Potential der Elektrode 1 zu VDIS zurückzuführen, typischerweise indem ein widerstandsbehafteter Pfad zwischen der Elektrode 1 und VDIS, wie erklärt, vorgesehen wird. Insbesondere dann, wenn der Sensor zum Erfassen von Ladungspulsen verwendet werden soll, kann das Mittel 3 beide Arten des Wiederherstellens des Potentials der Elektrode einschließen.
Für einen Sensor für negative Ladung kann das Schaltmittel 2 durch einen p-Kanal-MOS-Transistor 5 und die zugeordneten Widerstände 6, 7 und 8, wie in Fig. 2 gezeigt, implementiert sein. Die Elektrode 1 ist mit dem Transistorgate verbunden und wird durch die Widerstände 10 und 11 auf dem Potential VDIS gehalten. VDIS ist derart gewählt, daß der Transistor 5 in einen nicht-leitenden Zustand voreingestellt ist, so daß die Ankunft von negativer Ladung an der Elektrode 1 bewirken wird, daß der Transistor 5 zu einem leitenden Zustand schaltet. VDIS kann eingestellt werden, um die Empfindlichkeit des Sensors durch Festsetzen einer Schwelle zum Schalten des Transistors 5 zu wählen. Falls VDIS nahe dem tatsächlichen Schaltpotential des Transistors 5 liegt, wird die zum Schalten des Transistors benötigte Ladungsmenge klein sein, so daß die Empfindlichkeit hoch sein wird, aber die Rauschunempfindlichkeit gering sein wird. Ein Verstellen von VDIS von dem tatsächlichen Schaltpotential weg wird die Empfindlichkeit reduzieren, aber die Rauschunempfindlichkeit vergrößern.
Wenn der Transistor 5 den Zustand ändert, wird ein zweiter p-Kanal-Transistor 12 über die Verbindung 9 von dem leitenden zu einem nicht-leitenden Zustand geschaltet. Dies bewirkt über eine Verbindung 13, daß ein dritter p-Kanal- Transistor 14 angeschaltet wird, wodurch die Elektrode 1 zu dem Potential VDIS zurückgeführt wird und wodurch die drei Transistoren wieder in ihre ursprünglichen Zustände gebracht werden (d.h. die Transistoren 5 und 14 sind nicht- leitend, der Transistor 12 ist leitend). Es wird deshalb an der Verbindung 13 ein Puls erzeugt und zu einem Pulsformer umfassend einen p-Kanal-Transistor 15, einen n-Kanal-Transistor 16 und den Widerstand 17, die als herkömmlicher CMOS-Invertierer verbunden sind, weitergegeben.
In der Schaltung der Fig. 2 stellt der Transistor 12 ferner ein Signal bereit, das über eine Verbindung 18 zu dem ersten Transistor 5 zurückgeführt wird, um dessen Voreinstellung dynamisch zu ändern und die Schaltwirkung positiver zu machen. Eine detailliertere Beschreibung, wie die Schaltung schaltet, ist unten gegeben. Wenn ein Ladungspuls an der Elektrode 1 ankommt, beginnt der Transistor 5 zu einem leitenden Zustand zu schalten, so daß das Potential an der Verbindung 9 in Richtung zu Vdd anzusteigen beginnt. Dies bewirkt, daß der Transistor 12 anfängt, zu dem nicht- leitenden Zustand zu schalten, was in der Verbindung 18, aber weniger als die Verbindung 9, einen Anstieg hin zu Vdd bewirkt. Dies hat zur Folge, daß der Potentialunterschied zwischen der Elektrode 1 und Verbindung 18 zunimmt, was bewirkt, daß der Transistor 5 weiter zu dem leitenden Zustand schaltet, und was die Schaltwirkung verstärkt. Während der Prozeß fortfährt, fällt das Potential an der Verbindung 13 ausreichend, um zu bewirken, daß der Transistor 14 zu einem leitenden Zustand schaltet, was die Entladung der Elektrode 1 auf die beschriebene Art und Weise beginnt. Die resultierende Änderung im Potential auf der Elektrode 1 bewirkt, daß der Transistor 5 anfängt, zu einem nicht-leitenden Zustand zu schalten, und dieser Prozeß wird durch die Rückkopplung vom Transistor 12 und von der Verbindung 18 verstärkt, was schließlich zur Folge hat, daß der Transistor 12 leitend wird und der an der Verbindung 13 erzeugte Ausgabepuls beendet wird.
Man wird sehen, daß die Pulserzeugung ein komplexer Prozeß ist, der von den Zeitkonstanten des Schaltens der verschiedenen Transistoren, der Elektrodenkapazität und den relativen Werten der Widerstände und den Widerstandswerten der Transistoren in ihren leitenden Zuständen abhängt. Es ist nötig, alle diese Parameter zu optimieren, um eine Schaltschaltung mit optimaler Leistung herzustellen. Dies kann durch die Verwendung von Schaltungssimulation-Computerprogrammen getan werden, die gut bekannt sind. Ein wichtiges Merkmal ist, daß sich das Potential an der Verbindung 9 stärker ändert als das an der Verbindung 18, wenn die Schaltung zu schalten beginnt. Falls die Widerstandswerte derart wären, daß das Gegenteil wahr wäre, würde der Transistor 12 die Wirkung haben, die Empfindlichkeit der Schaltung zu vermindern, da dann eine größere Potentialänderung an der Elektrode 1 nötig wäre, um einen Puls zu erzeugen. Ferner ist die zusätzliche, durch den Transistor 12 eingeführte Zeitverzögerung wichtig, die ermöglicht, daß die Verbindung 13 durch den Widerstand 19 zu einem bei Vss näheren Potential entlädt, wenn der Transistor 12 nicht-leitend wird, wodurch ein größerer Puls an der Verbindung 13 erzeugt wird, bevor die Wirkung des Transistors 14 ein Wiederanschalten des Transistors 12 ergibt.
Man wird sehen, daß der Transistor 14 ein Mittel zum Wiederherstellen des Potentials der Elektrode 1 zu dem anfänglich gewählten Wert (VDIS) unmittelbar nach dem Schalten der Transistoren 5 und 12 bereitstellt. Dieser Prozeßablauf setzt die Schaltung zurück, so daß diese für die nächste Ladungsankunft bereit ist. Zusätzlich stellt der Widerstand 10 sowohl ein Mittel zum fortwährenden Zurückführen des Potentials der Elektrode hin zu VDIS als auch zum anfänglichen Setzten des Potentials bereit. Der Wert des Widerstands 10 ist derart gewählt, daß die Zeitkonstante des Zurückführungsprozesses eine Größenordnung größer als die mittlere Pulslänge ist, die die Schaltung zu erfassen ausgelegt ist. In dem Fall eines Elektronenvervielfachers weist der von dem Aufprall eines Partikels resultierende Puls typischerweise eine Länge von einer Nanosekunde auf, so daß der Widerstand 10 derart gewählt sein sollte, daß er eine Zeitkonstante von ungefähr 20 Nanosekunden ergibt. Das Vorhandensein des Widerstands 10 wird nur eine sehr geringe Wirkung auf das Arbeiten der Schaltschaltung mit einem Puls von 1 Nanosekunde haben, ist aber wirksam, das "Überstrahlen" in Kanalplatten-Vervielfachersystemen, das aus den durch einen einzelnen Aufprall auf die Vervielfacherplatte resultierenden Elektronen, die auf mehr als eine Sensorelektrode fallen, resultieren kann, zu reduzieren. Ist der Widerstand 10 abwesend, hat dies ein Ansammeln von Ladung auf den zu demjenigen Sensor, der die Ladung richtigerweise empfangen sollte, benachbarten Sensoren zur Folge, was schließlich Fehlzählungen ergibt. Ein Wert von ungefähr 200 kOhm für den Widerstand 10 ist in einem wie unten beschrieben hergestellten Sensorfeld, bei dem eine typische Elektrodenkapazität ungefähr 0,2 pF beträgt, geeignet.
Die in Fig. 2 gezeigte Schaltung benötigt eine Potentialänderung auf der Elektrode 1 von ungefähr 0,2 V zum zuverlässigen Arbeiten. Mit der unten beschriebenen Herstellungstechnik kann sie eine Ladung von ungefähr 0,5 x 5&supmin;¹³ Coulomb erfassen, was angemessen ist, um die Elektronenpulse zu erfassen, die aus einem einzelnen Partikelaufprall bei einem herkömmlichen Kanalplatten-Elektronenvervielfachersystem resultieren. Eine Verminderung der Größe der Elektrode wird natürlich die Kapazität vermindern und die Empfindlichkeit vergrößern; die minimal verwendbare Elektrodengröße wird aber durch das Erfordernis, Ladung über einen bestimmten Bereich zu sammeln, bestimmt.
Die in Fig. 2 gezeigte Schaltung kann zum Erfassen positiver Ladung verwendet werden, einfach indem das Potential VDIS derart geändert wird, daß der Transistor 5 anfänglich für an voreingestellt ist und der Transistor 12 anfänglich für aus voreingestellt ist. Eine Ankunft von positiver Ladung an der Elektrode 1 bewirkt dann einfach, daß die Schaltung in umgekehrter Art und Weise, wie für negative Ladung beschrieben, arbeitet. Allerdings kann ein mehr zufriedenstellender Sensor für positive Ladung hergestellt werden, indem die Polarität der Versorgungsschienen Vdd und Vss invertiert wird und die p-Kanal-Transistoren zu n- Kanal-Transistoren und umgekehrt geändert werden. Der Widerstand 17 sollte auch umgesetzt werden, so daß er zwischen Vdd und dem Transistor 15 liegt.
Wie beschrieben, kann der Sensor betrieben werden, daß er einen kontinuierlichen Ladungsfluß aufzeichnet (der "Gleichstrom-Modus"), falls der Widerstand 10 weggelassen ist. Die Tabelle 1 listet die optimalen Widerstandswerte und Transistorgatebreiten für negative Pulse und Betrieb im negativen "Gleichstrom-Modus" auf, und die Tabelle 2 listet weitere relevante Transistorparameter für den Negativpulssensor auf. Typische Leistungscharakteristika eines nach Fig. 2 hergestellten Sensorfeldes sind in Tabelle 3 aufgelistet. Tabelle 1: Schaltungsparameter für verschiedene Modi Tabelle 2: Transistorabmessungen für negativen Pulsbetrieb Tabelle 3: Leitungscharakteristika
Das Zählmittel 4 (Fig. 1) umfaßt einen herkömmlichen CMOS- 8-Bit-Zähler, und es ist in dem Fall eines Feldes von Sensoren eine Logik vorgesehen, um die Zähler an einen Datenbus anzuschließen zur Kopplung mit einem externen Computer. Die Fig. 3 veranschaulicht eine bevorzugte Art der Implementierung dieser Logik. Die jedem Sensor zugeordnete Schaltungsanordnung ist innerhalb des gestrichelten Kastens 20 gezeigt. Das Signal von dem CMOS-Inverter (15, 16, Fig. 2) wird über ein UND-Gatter 21 zu einem 8-Bit-Zähler 22 geführt, dessen acht Ausgänge über acht Tristate-Puffer 24 mit einem lokalen Bus 23 verbunden sind. Jeder lokale Bus 23 ist geeignet, ungefähr 100 Zähler zu bedienen und ist über weitere Tristate-Puffer 26 mit einem Hauptbus 25 verbunden.
Das Zählmittel kann in beiden von zwei Modi arbeiten. Im ersten Modus beendet der erste Zähler, der 252 Zählungen erreicht, das Zählen auf allen Zählern im Feld und initiiert einen Lesezyklus aller Zähler durch einen externen Computer. Die relativen Intensitäten der auf jedem Sensor akkumulierten Ladung ist deshalb unverzerrt; aufgrund des beschränkten, durch den Zähler auferlegten Dynamikbereiches können aber kleine Ladungen unerfaßt bleiben. In dem zweiten Modus wird ein Zähler, der 252 Zählungen erreicht, einfach daran gehindert, weitere Zählungen zu erfassen, wohingegen das Zählen auf allen anderen Zählern im Feld ununterbrochen fortfährt. In diesem Modus werden die Zähler kontinuierlich durch den externen Computer auf der unten beschriebenen Art und Weise ausgelesen. Dies macht es möglich, kleinere Ladungsmengen beim Vorhandensein von viel größeren auf andere Sensoren fallenden Ladungsmengen zu erfassen, wobei allerdings diese größeren Ladungsmengen nicht richtig gemessen werden. Die Zahl von 252 (anstatt 255 für einen 8-Bit-Zähler) ist derart gewählt, daß jegliche Ladung, die während der Periode ankommt, während der der Zähler angehalten ist, die richtige Arbeitsweise nicht stört.
In der Schaltung der Fig. 3 findet, wenn der zweite Modus gewählt ist, das Auslesen der Zähler kontinuierlich statt, während Daten erfaßt werden, mit Ausnahme des Zählers, der an einem gegebenen Zeitpunkt tatsächlich ausgelesen wird. Der Auslesezyklus arbeitet wie folgt. Die Rin-Leitung 33 des ersten Zählers im Feld ist mit der Leseleitung 32 verbunden, die allen Sensoren gemeinsam ist. Am Beginn des Lesezyklus greift der externe Computer auf die Leseleitung 32 und dementsprechend auf die Rin-Leitung 33 des ersten Zählers zu. Dies beendet, daß Pulse den Zählereingang durch die Gatter 36, 31 und 21 erreichen und gibt das Auslesen des Tristate-Puffers 24 frei. Zu gleicher Zeit ist der lokale Bus 23 mit dem Hauptbus 25 über das bistabile Element 38 verbunden, das die Puffer 26 freigibt. Der externe Computer liest dann von dem Hauptbus 25 die Ausgabe des Zählers 22 und gibt die Leseleitung 32 frei. Dies betätigt über das Gatter 35 das bistabile Element 34, das Rout an der (mit Rin des zweiten Zählers verbundenen) Leitung 39 anlegt. Das nächste Mal, daß der externe Computer auf die Leseleitung 32 zugreift, werden über den lokalen und den Hauptbus die Inhalte der Zähler des zweiten Sensors ausgelesen. Sobald die Puffer des zweiten Zählers freigegeben sind, setzt ein Signal auf der Leitung 40 den Zähler 22 des ersten Sensors auf Null zurück, so daß dieser für die nächste Pulsakkumulation bereit ist. Auf diese Art und Weise werden die mit dem lokalen Bus 23 verbundenen Zähler sequentiell gelesen, während zu jedem Zeitpunkt nur einer von ihnen tatsächlich an der Datenerfassung gehindert ist.
Wenn der letzte Zähler am Bus 23 ausgelesen ist, setzt das Signal an seinem Freigabeausgang 41 den Zähler des vorher gelesenen Sensors zurück und gibt den nächsten lokalen Bus frei, durch Zugriff auf die Rin-Leitung des ersten Sensors des zweiten lokalen Busses gelesen zu werden. Der nächste Lesepuls auf Leitung 32 gibt deshalb diesen Sensor frei und sperrt gleichzeitig über das bistabile Element 38 (des ersten Sensors des zweiten Busses) die Puffer 26, die dem lokalen Bus 23 zugeordnet sind, wobei das bistabile Element 38 über die Leitung 43 mit dem Gatter 42 und dem bistabilen Element 38 des ersten lokalen Busses verbunden ist. Zu gleicher Zeit bewirkt das Freigeben des ersten Sensors des zweiten Busses die Freigabe der diesen Bus mit dem Hauptbus verbindenden Tristate-Puffer. Auf diese Art und Weise kann der externe Computer alle Zähler am zweiten Bus und an folgenden lokalen Bussen der Reihe nach lesen.
Wenn jeder Detektor gelesen worden ist, wird der Prozeß neu gestartet, indem der externe Computer auf die Rset-Leitung 44, 45 für eine kurze Periode zugreift. Dies setzt alle bistabilen Elemente 34, 38 auf einen Anfangszustand für den nächsten vollständigen Zyklus zurück.
Um alle Zähler auf Null zu setzen, ist es nötig, einen Scheinlesezyklus durchzuführen, während der externe Computer auf die STCIN-Leitung 30 zugreift, um über die Gatter 31 die Akkumulation von Daten zu unterbinden. Während jeder Zähler gelesen wird, wird hierdurch automatisch der vorangehende Zähler auf Null zurückgesetzt.
Im ersten Betriebsmodus greift der erste Zähler, der 252 Zählungen erreicht, durch das Gatter 27 und den Treibertransistor 28 auf die STCOUT-Leitung 29 zu. Der externe Computer wird dies erkennen und kann auf die STCIN-Leitung zugreifen, um eine weitere Akkumulation von Daten zu verhindern, und der externe Computer initiiert einen einzelnen vollständigen Lesezyklus, wie oben beschrieben. Wenn dieser beendet ist, werden alle Zähler auf Null gesetzt worden sein, und die Datenerfassung kann neu gestartet werden.
Die in den Fig. 2 und 3 gezeigten Schaltungen sind ausreichend klein und dissipieren wenig genug Leistung, um zu ermöglichen, daß 400 Sensoren/cm mit Elektroden von 4 mm x 15 µm auf einem einzelnen Substrat von ungefähr 1 cm x 1,5 cm hergestellt werden. Die durch die Tristate-Puffer und die Busarchitektur gelieferte Isolation ermöglicht, daß die Gesamtbuskapazität niedrig genug gehalten wird, um eine Auslesezeit von weniger als 400 Nanosekunden für jeden Zähler zu erlauben. Das Layout eines Sensorfelds unter Verwendung der Schaltungen der Fig. 2 und 3 ist in Fig. 4 gezeigt. Der Hauptbus 25 ist entlang der Oberseite des Substrats 45 hergestellt und endet in Anschlußflecken 46, wie gezeigt. Diese können verwendet werden, um den Bus mit einem längsseitig angefügten anderen Chip zu verbinden. Es ist eine Mehrzahl von lokalen Bussen 23, 47, 48, 49 wie gezeigt hergestellt, und die Tristate-Puffer und die Steuerlogik (26, 38 und 42) zum Anschließen jedes lokalen Busses an dem Hauptbus ist an ihren Verbindungsstellen hergestellt.
An dem von dem Hauptbus 25 entfernten Ende des Substrats 45 sind die einzelnen Detektorelektroden 1 als auf einer relativ dicken Polyimidschicht (10 µm) abgelagerte Aluminiumstreifen hergestellt, welche Polyimidschicht über das Substrat geschichtet ist. Die Pulsformschaltungen (Fig. 2) sind auf dem Substrat unterhalb der entsprechenden Elektrode hergestellt. Die Zähler-Bus-Schnittstellen (die in dem Kasten 20 eingeschlossenen Teile der Fig. 3) sind benachbart den lokalen Bussen in dem Bereich zwischen den Elektroden und dem Hauptbus hergestellt und sind über eine sich parallel zu dem lokalen Bus erstreckende Metallbahn mit dem passenden Pulsformer verbunden.
Mehrere einzelne Chips 51 (Fig. 5) dieser Arten können wie in Fig. 6 gezeigt zusammengefügt werden und durch Drahtbrücken 49 zwischen den Anschlußflecken 46 auf jedem Chip verbunden werden, um einen Detektor bereitzustellen, der tausende einzelner Kanäle aufweist. Es ist ferner eine Eingabe/Ausgabe-Logikschaltung 50 vorgesehen, um den Hauptbus und die Steuerleitungen an dem externen Computer anzuschließen.
Es können auch einzelne Chips 51 verbunden werden, um ein Feld von versetzten Detektoren, wie in Fig. 6 gezeigt, bereitzustellen. Zum Beispiel in dem Fall eines Ionendetektors für ein Massenspektrometer, das eine oder mehrere Kanalplatten-Vervielfacher umfaßt, wird die Verbindung 52 parallel zu der Dispersionsachse des Spektrometers angeordnet, so daß das Massenspektrum in dem durch den gestrichelten Kasten 53 angedeuteten Bereich abgebildet wird. Die Chips 51 sind wie gezeigt um ungefähr die halbe Breite der Elektroden 1 versetzt, wodurch die Auflösung des Detektors effektiv vergrößert und das Problem von fehlfunktionierenden Sensoren minimiert wird, da die gleiche spektrale Information auf den beiden Chips auf entgegengesetzten Seiten der Verbindung 52 erhältlich ist.
Fig. 7 zeigt einen Schnitt durch den Bereich des Detektorchips, der die Elektroden 1 trägt. Das Siliziumsubstrat 45 trägt eine CMOS-Schaltungsanordnungsschicht 73, die die Schaltungsanordnungen der Fig. 2 und Fig. 3 umfaßt. In dieser Schicht sind die der Schaltung der Fig. 2 zugeordneten Widerstände in einer Schicht aus Polysilizium gebildet. Alternativ können die Widerstände als Transistoren im Verarmungsmodus, wie bei herkömmlichen CMOS-Schaltungsanordnungen verwendet, hergestellt sein; da aber die Leistung dieser Transistoren nicht exakt äquivalent zu einem einfachen Widerstand ist, müßten die Schaltungsparameter neu optimiert werden. Eine Isolationsschicht 53 aus Siliziumdioxid ist über der Schicht 73 geschichtet, wie üblich, und auf dieser sind in der Schicht 54 Aluminiumverbindungen gebildet.
Eine relativ dicke (zum Beispiel 10 bis 20 µm) Schicht 55 aus Polyimid ist über der Schicht 54 geschichtet, und die Elektroden 1 sind auf deren oberen Oberfläche in der Form von Aluminiumbahnen abgelagert. Über der Elektrodenschicht ist eine dicke Passivierungsschicht 56 aus Polyimid abgelagert, wobei diese in der Form eines Troges 57 weggeätzt ist, der sich orthogonal zu den längsten Achsen der Elektroden über alle Elektroden erstreckt. Über die Passivierungsschicht 56 ist eine weitere Metallschicht 58 geschichtet. Üblicherweise ist ein Kanalplatten-Elektronenvervielfacher 59 mit seiner Ausgangsfläche benachbart zu der Schicht 58 angeordnet. Dieser wird üblicherweise eine weitere Metallschicht 60 auf der Ausgangsfläche enthalten, die das Potential der Austrittsenden der einzelnen Vervielfacherkanäle bestimmt.
Es ist eine dicke Polyimidschicht 55 notwendig, um die niedrigst praktikable Kapazität zwischen den Elektroden 1 und der benachbarten Schaltungsanordnung zu gewährleisten. Die Bildung derartiger Schichten, wie die Schichten 55 und 56, typischerweise durch das Ablagern und teilweise Heilen mehrerer dünner Schichten, ist eine Standardprozedur. Allerdings bereitet die Bildung zuverlässiger Kontakte zwishen den Elektroden und der Schaltungsanordnung unterhalb des Polyimids mehr Schwierigkeiten. Obwohl mehrere verschiedene Verfahren zum Herstellen dieser Verbindungen existieren, scheint das erfolgreichste Verfahren zu sein, ein kleines quadratisches Loch 63 (Fig. 8) in die Schicht 64 in der ersten Stufe und zunehmend größere Löcher (62, 61) in jede nachfolgende Schicht (65, 66) zu ätzen. Die Seiten jedes nachfolgenden Lochs sollten um ungefähr 45º relativ zu den Seiten des Lochs darunter gedreht sein. Diese Lochstruktur 74 kann zuverlässig metallisiert werden, um einen Kontakt durch die zusammengesetzte Schicht aus Polyimid, wie in Fig. 7 gezeigt, zu erstrecken.
Wenn Chips wie in Fig. 6 gezeigt zusammengefügt werden, muß eine relativ große Anzahl von Anschlußflecken 46 an dem Hauptbus 25 vorgesehen sein. Die Gesamtkapazität dieser Flecken kann die Arbeitsgeschwindigkeit des Hauptbusses reduzieren, falls herkömmliche Flecken verwendet werden. Anschlußflecken mit niedriger Kapazität können zum Beispiel wie in Fig. 10 gezeigt hergestellt werden. Herkömmlich wird ein Flecken gebildet durch Ablagerung über einen großen metallisierten Weg in der Polyimidschicht, um diesen mit der Metallschicht unterhalb des Polyimids zu verbinden. In Fig. 10 wird die Verankerung des Fleckens mit der unteren metallisierten Schicht 54 unterhalb der Polyimidschicht 55 durch mehrere kleinere metallisierte Wege 75 hergestellt, die eine inhärent geringere Kapazität als der herkömmliche einzelne große Weg aufweisen. Die Wege 75 werden zweckmäßig auf die gleiche Art und Weise wie die Wege 74 gebildet, die zum Verbinden der Elektroden 1 mit den Pulsformschaltungen verwendet werden.
Ein Vielkanaldetektor nach der Erfindung ist insbesondere nützlich als ein Detektor in dispersiven Spektrometern, insbesondere Massenspektrometern, Elektronenenergie-Spektrometern oder optischen Spektrometern (UV, IR oder sichtbares Licht). In Fig. 9 erzeugt ein dispersives Spektrometer 67 einen Strahl 68 aus Partikeln oder Photonen, die fokussiert werden, um wenigstens einen Teil des Spektrums (Masse, Energie oder Wellenlänge, wie es paßt) in einer Bildfokalebene 69 abzubilden. Ein Kanalplatten-Elektronenvervielfacher 70 ist in der Bildfokalebene 69 angeordnet und wandelt das Partikel- oder Photonenbild in ein Elektronenbild um. Ein Sensorfeld 71, im wesentlichen wie beschrieben, ist dazu angeordnet, dieses Bild zu empfangen, und es wird ein Computer 72 verwendet, um sowohl das Sensorfeld 71 und das Spektrometer 67 zu steuern als auch die spektralen Daten von dem Feld in einer angemessenen Art und Weise zu manipulieren. Eine derartige Anordnung ist üblich, insbesondere aber in dem Fall eines Hochauflösungsmassenspektrometers vergrößert die durch die vorliegende Erfindung möglich gemachte Verwendung eines Detektors mit einem Feld von mehreren tausend Kanälen die Empfindlichkeit des Spektrometers in einer ökonomischen Art und Weise auf ein Niveau, das mit bekannten Detektoren nicht erreicht werden kann.

Claims

1. Sensor für elektrische Ladung umfassend eine Elektrode (1) zum Empfangen von Ladung und eine ladungserfassende Schaltung (2-4), wobei die Elektrode (1) und die Schaltung (2-4) als eine integrierte Schaltung hergestellt sind; dadurch gekennzeichnet, daß die ladungserfassende Schaltung umfaßt:

a) ein mit der Elektrode (1) verbundenes Mittel (3) zum anfänglichen Setzen des Potentials der Elektrode (1) auf ein gewähltes Potential (VDIS);

b) ein potentialempfindliches Schaltmittel (2), das mit der Elektrode (1) zum Überwachen des Potentials der Elektrode (1) verbunden ist, wobei das Schaltmittel (2) den Zustand immer dann umschaltet, wenn in Antwort auf die Ankunft von Ladung an der Elektrode (1) das Potential der Elektrode (1) von dem anfänglich gesetzten Potential (VDIS) um mehr als ein vorgewähltes Ausmaß abweicht;

c) ein mit der Elektrode (1) verbundenes Mittel (3) zum Wiederherstellen des Potentials der Elektrode (1):

1) auf im wesentlichen das gewählte Potential (VDIS) wann immer das Schaltmittel (2) den Zustand umschaltet; und/oder

2) kontinuierlich zu dem gewählten Potential (VDIS);

d) ein mit dem Schaltmittel (2) verbundenes Mittel (4) zum Zählen der Anzahl, wie oft das Schaltmittel (2) den Zustand umschaltet, um eine Angabe der durch die Elektrode (1) empfangenen elektrischen Ladung zu liefern.

2. Sensor nach Anspruch 1, bei dem das Schaltmittel (2) nichthaltend ist.

3. Sensor nach Anspruch 2, bei dem das Schaltmittel (2) zurückgesetzt wird, nachdem das Potential auf der Elektrode (1) im wesentlichen zu dem anfänglich gewählten Potential (VDIS) zurückkehrt.

4. Sensor für negative Ladung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Schaltmittel (2) einen p- Kanal-MOS-Transistor (5) umfaßt, dessen Gate mit der Elektrode (1) verbunden ist und durch das anfänglich gewählte Potential (VDIS) auf einen solchen Punkt voreingestellt ist, daß er von einem nicht-leitenden zu einem leitenden Zustand schaltet, wann immer das Potential der Elektrode (1) in Antwort auf die Ankunft von negativer Ladung an der Elektrode (1) um mehr als das vorgewählte Ausmaß von dem anfänglich gewählten Potential (VDIS) abweicht.

5. Sensor für positive Ladung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Schaltmittel einen n-Kanal-MOS- Transistor (5) umfaßt, dessen Gate mit der Elektrode (1) verbunden ist und durch das anfänglich gewählte Potential (VDIS) auf einen solchen Punkt voreingestellt ist, daß er von einem nicht-leitenden zu einem leitenden Zustand schaltet, wann immer das Potential der Elektrode (1) in Antwort auf die Ankunft von positiver Ladung an der Elektrode (1) um mehr als das vorgewählte Ausmaß von dem anfänglich gewählten Potential (VDIS) abweicht.

6. Sensor nach Anspruch 4 oder 5, bei dem das Schaltmittel (2) ferner einen durch den ersten MOS-Transistor (5) getriebenen zweiten MOS-Transistor (12) umfaßt, um während des Schaltvorgangs ein Signal vorzusehen, das zu dem ersten Transistor (5) zurückgeführt wird, um dessen Voreinstellung dynamisch zu ändern und eine positivere Schaltwirkung zu gewährleisten.

7. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Mittel zum Wiederherstellen (3) einen MOS-Transistor (14) umfaßt, der in Antwort auf das Arbeiten des Schaltmittels (2) zu einem leitenden Zustand schaltet, um die Elektrode (1) mit dem anfänglich gewählten Potential (VDIS) zu verbinden.

8. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Mittel zum Wiederherstellen (3) einen widerstandsbehafteten Pfad (10) zwischen der Elektrode (1) und einem auf dem anfänglich gewählten Potential (VDIS) gehaltenen Punkt umfaßt, so daß das Potential der Elektrode (1) kontinuierlich zu dem anfänglich gewählten Potential (VDIS) mit einer Rate wiederhergestellt wird, die von dem Wert des widerstandsbehafteten Pfads (10) und der der Elektrode (1) zugeordneten Kapazität abhängt.

9. Feld von Sensoren nach einem der vorangehenden Ansprüche, das auf einem Substrat (45) hergestellt ist, wobei:

a) das jedem Sensor zugeordnete Schaltmittel (2) auf dem Substrat (54) unterhalb der Elektrode (1) hergestellt und mit dieser verbunden ist;

b) eine Schicht aus Polyimid (55) zwischen allen Elektroden (1) und der auf dem Substrat (45) hergestellten Schaltungsanordnung (73) angeordnet ist; und

c) auf dem Substrat (45) digitale Schaltungsmittel (20) vorgesehen sind zum sequentiellen Übertragen der in jedem der Zählermittel (4, 22) gespeicherten Daten über eine Mehrzahl von Puffern (24) zu einem Bus (23) zum nachfolgenden Auslesen zu einem externen Computer.

10. Feld von Sensoren nach Anspruch 9, die zum Empfangen einer Reihe von Lesepulsen von dem externen Computer ausgelegt sind, und bei dem das digitale Schaltungsmittel (20) in Antwort auf einen derartigen Lesepuls

a) das einem ersten Sensor zugeordnete Mittel zum Zählen (4, 22) davon abhält, auf Pulse von seinem zugeordneten Schaltmittel (2) zu reagieren;

b) die dem ersten Sensor zugeordnete Mehrzahl von Puffern (24) freigibt, um die in dem zugeordneten Mittel (4; 22) zum Zählen gespeicherten Daten zu dem Bus (23) zu übertragen, wo sie durch den externen Computer gelesen werden können;

c) am Ende des Lesepulses bewirkt, daß der Inhalt des Mittels zum Zählen (4; 22) eines vorher gelesenen zweiten Sensors auf Null gesetzt wird, um zu ermöglichen, daß dieses auf Pulse von dem Schaltmittel (2) wieder reagiert, und einen dritten, nicht ausgelesenen Sensor freigibt, durch den nächsten Lesepuls abgefragt zu werden.

11. Feld von Sensoren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem eine Mehrzahl von lokalen Bussen (23, 47-49) mit einem Hauptbus (25) zur Verbindung mit einem externen Computer verbunden sind, wobei jeder lokale Bus (23, 47-49) mit einer begrenzten Anzahl der Sensoren verbunden ist und wobei das digitale Schaltungsmittel (20) auf dem Substrat (45) Puffermittel (26) bereitstellt, um den lokalen Bus (23, 47-49), mit dem ein Sensor verbunden ist, mit dem Hauptbus (25) zu verbinden, wann immer die dem Sensor zugeordnete Mehrzahl von Puffern (22) freigegeben ist, Daten seines Mittels zum Zählen (4; 22) zu dem lokalen Bus (23) zu übertragen.

12. Mehrzahl von Feldern nach einem der Ansprüche 9 bis 11, die verbunden sind, um ein im wesentlichen ununterbrochenes Feld von Sensoren bereitzustellen.

13. Vielkanaldetektor für Partikel oder Photonen, umfassend ein Vielkanal-Elektronenvervielfachermittel, das auf die Partikel oder Photonen anspricht, und ein Feld von Sensoren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei das Feld von Sensoren die Ausgabe des Elektronenvervielfachermittels empfängt.

14. Dispersives Spektrometer für Photonen oder Partikel mit einer Fokalebene, in der wenigstens ein Teil des von ihm erzeugten Spektrums gleichzeitig abgebildet wird, wobei das Spektrometer einen in der Fokalebene angeordneten Vielkanaldetektor nach Anspruch 13 umfaßt.

15. Spektrometer nach Anspruch 14, das nur entlang einer Achse Dispersion aufweist und bei dem der Detektor zwei Felder (51) von Sensoren umfaßt, die entlang einer zu der Achse parallelen oder mit dieser zusammenfallenden Linie verbunden sind, so daß wenigstens ein Teil des Spektrums gleichzeitig auf diese Felder abgebildet wird.

16. Spektrometer nach Anspruch 15, bei dem die Felder (51) derart versetzt sind, daß die Elektroden (1) eines Felds von jenen im anderen Feld um ungefähr ihre halbe Breite verlagert sind.

17. Spektrometer nach einem der Ansprüche 14 bis 16, das geladene Partikel gemäß ihres Massen-zu-Ladungs-Verhältnisses Dispersion unterwirft.