EP0978139A1 - Miniature device for generating a multipolar field, in particular for filtering or deviating or focusing charged particles - Google Patents

Miniature device for generating a multipolar field, in particular for filtering or deviating or focusing charged particles

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Publication number
EP0978139A1
EP0978139A1 EP98922869A EP98922869A EP0978139A1 EP 0978139 A1 EP0978139 A1 EP 0978139A1 EP 98922869 A EP98922869 A EP 98922869A EP 98922869 A EP98922869 A EP 98922869A EP 0978139 A1 EP0978139 A1 EP 0978139A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
microdevice
microbeams
charged particles
plates
filtering
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP98922869A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Robert Baptist
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP0978139A1 publication Critical patent/EP0978139A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/26—Mass spectrometers or separator tubes
    • H01J49/34—Dynamic spectrometers
    • H01J49/42—Stability-of-path spectrometers, e.g. monopole, quadrupole, multipole, farvitrons
    • H01J49/4205—Device types
    • H01J49/421—Mass filters, i.e. deviating unwanted ions without trapping
    • H01J49/4215—Quadrupole mass filters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/0013—Miniaturised spectrometers, e.g. having smaller than usual scale, integrated conventional components
    • H01J49/0018—Microminiaturised spectrometers, e.g. chip-integrated devices, Micro-Electro-Mechanical Systems [MEMS]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/10—Lenses
    • H01J2237/12—Lenses electrostatic
    • H01J2237/1205—Microlenses

Definitions

  • the invention relates to the field of electrode architectures for generating a multipolar field, or for filtering or deflecting or focusing charged particles. More particularly, the invention relates to microdevices integrating sets of microelectrodes, also with the aim of generating a multipolar field in particular for filtering or deflecting or focusing charged particles.
  • the invention finds an application in particular in the field of mass spectrometry: in fact, the sets of electrodes according to the invention can be used in mass spectrometers. The invention therefore also relates to the field of mass spectrometry.
  • Mass spectrometry is a widely used analytical technique in laboratories and industry. Thanks to it, the nature of the constituents of a gas can be determined with a sensitivity better than the ppm. To do this, the gas to be analyzed must be under low pressure, generally less than 10 ⁇ 4 mbar. This is a limitation for many applications where the pressure is higher
  • a mass spectrometer has three distinct parts, as illustrated in Figure 1: an ionization chamber 2, a separator 4 (filter) and an ion detector 6. Many separators are of the quadrupole type .
  • the theory of unipolar, quadrupolar mass spectrometers, etc. is for example described in the work "Engineering Techniques", volume P3, P 2615, p. 1-39.
  • the mass filter 4 is the place where, by the play of electromagnetic forces, the ions of different masses are separated.
  • a quadrupole (dedicated term meaning "mass analyzer equipped with a quadrupole type filter")
  • a high frequency electric field is generated between 4 parallel bars 8, 10, 12, 14 such as those represented in FIG. 1. It is assumed that the ions move in the mean direction OZ parallel to the bars.
  • a quadrupole electric field is such that its amplitude is a linear function of the coordinates.
  • the electric potential is therefore a quadratic form of the coordinates. It can be written in the form
  • V ( ⁇ / r 2 ) x (x 2 -y 2 )
  • r is the distance between the axis OZ and the bars (we also call r the throat radius of the quadrupole) and ⁇ a constant value of the potential.
  • the potential V also comprises a time-dependent component (term in cos ⁇ t) which is used to oscillate the charged particles.
  • the equipotential lines which correspond at a given moment to this distribution of potentials (as a function of the potentials applied to the bars) are hyperbolas in the XOY plane. In the ideal case, the straight sections of the bars have this same form of hyperbola.
  • a quadrupole system with bars 16, 18, 20, 22 of hyperbolic section is illustrated in FIG. 2 and is for example described in US-5,373,157.
  • the bars In the majority of cases, and in order to use only machining that is easy to carry out, the bars have straight circular sections osculating with hyperbolas at their apex; such cross sections 26, 28, 30, 32 are also represented in FIG. 2. A degradation of the resolution results from the passage from the hyperbola to the circle.
  • WO-96/31901 describes a miniaturized quadrupole mass spectrometer. This device uses cylindrical beams made from metallized optical fibers. In such a device, the insulators located between the cylindrical bars can lead to load effects detrimental to the operation of the device.
  • US Patent 5,401,962 describes a miniature quadrupole. The miniaturization, or the reduction in size, comes, in this document, from the assembly in parallel of a plurality of quadrupoles. This device lacks resolution. Furthermore, its production, even if it uses cylindrical electrodes, is fairly tedious.
  • Control plate for a lithography device.
  • This control plate essentially comprises a semiconductor substrate in which is made a window, or opening, to allow the passage of beams of particles.
  • Deflection elements make it possible to deflect the beams.
  • This document also describes methods for producing such a plate. In these methods, the deflection elements are obtained by etching a layer to produce depressions therein having the shape of the deflection elements, then voltaic filling of the depression zones. The deflection elements are therefore produced in a direction perpendicular to the plane of these layers.
  • the field generated is a uniform field in all directions and throughout the space between the planar electrodes. This field is not multipolar.
  • the invention relates to a microdevice for generating a transverse multipolar field, comprising n conductive microbeams, longitudinal, with polygonal cross section, arranged around a longitudinal axis.
  • the field is constant along the longitudinal axis.
  • multipolar field any electric field, even monopolar. Such a field is not uniform since it is multipolar or monopolar. Consequently, according to the invention, the production of electric fields on submillimetric scales, and deriving from potentials of the quadrupolar, hexapolar or octopolar type or, more generally, N-polar (N> 1), can be carried out with electrode structures (also called lenses) in which the electrodes have a cross section of polygonal shape. Such electrodes are compatible with an embodiment implementing the techniques of microelectronics or microtechnology, and therefore allow the manufacture of miniaturized mass spectrometers.
  • the invention also relates to a microdevice for filtering or deflecting or focusing charged particles, comprising n conductive microbeams, longitudinal, of polygonal cross section, and arranged around a longitudinal axis of propagation of charged particles.
  • the invention also relates to a microdevice for filtering or deflecting or focusing charged particles comprising a microdevice for generating a transverse multipolar field as already described above.
  • the invention defines an electrode structure for a filtering or deflection or focusing microdevice, which is compatible with an embodiment by the techniques of microelectronics or microtechnology. It is thus possible to generate electric fields, for a microdevice of filtering or deflection or focusing, on submillimetric scales.
  • the electrodes used in the device of quadrupole type, or more generally N-polar have sizes that cannot fall below certain dimensions, which limits the smaller size of the device.
  • document US Pat. No. 5,401,962 mentions cylindrical electrodes with a diameter between 0.5 mm and 1 mm, and with a length between about 1 cm and 2 cm.
  • the electrode structure according to the invention makes it possible to produce submillimetric devices (for example with bars the thickness of which is around a few hundred ⁇ m) and which can work at higher pressure (for example around 10 "2 mbar ).
  • Multipolar structures according to the invention can be associated with means for polarizing the conductive microbeams. Likewise, they can be associated with means for introducing ions or charged particles in a direction defined by the axis, or the axes, longitudinal / longitudinal. A multipolar field is associated with each longitudinal axis, all the longitudinal axes being parallel. According to a particular embodiment, each microbeam can be produced in a planar substrate and maintained in the plane of the substrate by lifting bars.
  • the microdevice may include: - at least first and second plates of insulating or semiconductor material,
  • the microdevice includes for example:
  • the means for holding the plates parallel to each other may also allow a alignment of said plates so as to obtain the desired multipolar field.
  • these means are spacers arranged in notches made in the plates to ensure this alignment.
  • These structures are entirely compatible with a collective and extremely precise production (at approximately + 1 ⁇ m), which can be implemented with techniques of etching and working of substrates known in microelectronics.
  • the invention also relates to a mass spectrometer comprising a microdevice according to the invention, as set out above, means for introducing ions therein and detection means.
  • the subject of the invention is a method of producing a microdevice for generating a transverse multipolar field and in particular a microdevice for filtering or deflecting or focusing charged particles, comprising the following steps: - etching of P substrates in insulating or semiconductor material so as to define, in each substrate, one or more microbeams,
  • FIG. 1 schematically represents a mass analyzer of the quadrupole type
  • FIG. 2 illustrates the production of quadrupoles using hyperbolic or cylindrical electrodes
  • FIG. 3 represents the production of a quadrupole according to the invention
  • FIGS. 4A and 4B represent, in section and in top view, a detailed embodiment of a quadrupole system according to the invention
  • FIG. 5 schematically represents a scale of microbeams
  • FIG. 6 is a plan view of a set of quadrupoles operating in parallel
  • FIGS. 7A and 7B represent, in section and in top view, a multiple quadrupole according to the invention, machined by microtechnology
  • a structure for producing a quadrupole according to the invention is illustrated on the Figure 3.
  • electrodes 32, 34, 36, 38, of polygonal cross section are arranged parallel to each other, and symmetrically with respect to an axis AA '.
  • the polygonal section shown in FIG. 3 is a square section, but other polygonal sections (pentagon, hexagon, etc.) can be produced within the framework of the invention.
  • This electrode assembly constitutes a quadrupole structure which can be implemented, for example in the context of a mass spectrometer. Such a quadrupole structure is then coupled on the one hand to an ion source (located at one end of the quadrupole structure) and on the other hand to an ion detection system (located at the other end of the structure quadrupole). Examples of such ion sources and such detection systems are described in the work "Engineering Engineering", volume P3, P2615, pages 1-39.
  • Each of the electrodes is connected to means for applying a certain potential to it. This results in an electric field in the space between the four electrodes, and around the axis AA '. If the electric field generated is a quadrupole electric field, its amplitude will be a linear function of the coordinates X, Y, Z. When the quadrupole serves as a filter or as a means of deflecting or focusing the beam of particles 40, the potential V also comprises a time-dependent component (term in cos ⁇ t) which makes it possible to oscillate the charged particles.
  • FIG. 4A An embodiment of a quadrupole system according to the invention is illustrated more precisely in FIG. 4A.
  • references identical to those of FIG. 3 designate the microbeams, of polygonal section (here: square), of the quadrupole device.
  • the device also comprises spacers 40, 42, making it possible to separate the upper plane 44, in which the upper microbeam 32 is made from the intermediate plane 46, in which the two microbeams 34, 38 are made and, on the other hand, the plane intermediate 46 of the lower plane 48 in which the microbeam 36 is produced.
  • FIG. 4B represents a top view of this device: the upper microbeam 32 is obtained for example by etching and partial or total metallization of a wafer of insulating material or semiconductor defining the plane 44.
  • the length 1 of the windows released by etching in the plane 44 is approximately 20 (where e is the thickness of a microbeam).
  • the microbeams 34, 38 are obtained by etching and partial or total metallization of a wafer of insulating or semiconductor material defining the plane 46 and the lower microbeam 36 is obtained by etching and partial or total metallization of a wafer of an insulating or semiconductor material defining the lower plane 48.
  • the references 50, 52, 54, 56 designate lift bars which connect the microbeam 32 to the rest of the plane 44.
  • such lift bars support the microbeams and connect those between them or with the engraved substrate.
  • Notches 60, 62, 64 are also made in the various material plates in order to be able to position the spacers 40, 42.
  • these notches are produced by etching the material plates, they will have a thickness equal to the distance separating two parallel planes increased by the etching depth in each of the material plates.
  • the spacers can be made, depending on the length of the device, in a single block or in several blocks.
  • the references 40-1, 40-2, 40-3 and 42-1, 42-2, 42-3 designate the traces of six spacers (three spacers aligned on each side) which separate the upper 44 and intermediate 46 planes.
  • each spacer has small dimensions Ci, c 2 , for example each equal to 1 mm or each less than 1 mm.
  • plates are selected in which the upper 44, intermediate 46 and lower 48 planes of the structure will be produced.
  • Such wafers can be silicon wafers, of thickness e being for example 0.5 mm.
  • steps 1 to 4 1) -
  • the upper 44 and lower 48 plates are engraved (deep engraving) to reveal, on the one hand the central bars 32, 36 and on the other hand the notches 60, 62 which will be used for positioning and fixing the assembly.
  • Known techniques using masks and lithography are used before etching.
  • the deep engraving operation is done in two stages in order to be able to keep four lifting bars 50, 52, 54, 56, preferably as thin and small as possible, whose role is to support the central bar 32, 36.
  • We engraving each plate first on one side, until the thickness of the bar is preserved, then on the other side to open, while preserving the bar (thanks to a second lithography step).
  • the intermediate plate (possibly in two pieces), of the same thickness as the previous ones, is etched to define the right bars 34 and left 38 and the notches 64 for the spacers.
  • electrodes serving as electrostatic shielding or focusing lens for bringing the ion beam to the inlet of the filter are added to the system.
  • ionization this is done by known methods (ionization by electron beams coming from a filament or a cathode with microtips or micro-knives, or coming from a discharge). Detection is done using conventional devices.
  • the method described above uses techniques from microtechnologies or microelectronics, and allows bars with square or polygonal cross-section to be produced with great precision. Such techniques are compatible with a collective manufacturing, making it possible to define precise dimensions for the entire architecture (a precision of the order of a micrometer is reached), all the more so since part of the assembly can be carried out at the time of manufacturing bars.
  • the deep etching techniques of silicon wafers known in the field of microtechnology or microelectronics, make it possible, from wafers with parallel faces, to obtain rectangular sections.
  • the anisotropy of engravings depending on the crystal faces makes it possible to obtain polygonal profiles.
  • the electrodes can be mounted, at their ends, on two holding plates, mutually parallel, each plate having the slots or inputs or outputs necessary for the path of the ions.
  • This device can be produced, in microtechnology, by a process known under the name of "LIGA".
  • the structure described above is a quadrupole structure, for example for obtaining a quadrupole electric field.
  • This structure can be generalized to the production of a set of n conductive microbeams, with a polygonal cross section, making it possible to obtain a transverse multipolar (and, advantageously, longitudinally uniform) field.
  • the invention also relates to the production of a multiple structure, for example of a set of quadrupoles operating in parallel.
  • the reduction, by a factor k, of the dimensions of a quadrupole leads to the reduction, by a factor k 2 , of the entry slit.
  • this attenuation is compensated for by placing k 2 quadrupole in parallel.
  • the gain in volume is therefore a factor k, and the sensitivity remains the same.
  • 4x (1/8) 0.5 times the volume of the original quadrupole, before reduction .
  • FIG. 6 is a view, from the side of the ion entry face, of a set of quadrupoles operating in parallel. Each of the scales corresponds to a line of black or white squares. Each individual quadrupole (for example the one defined in FIG. 6 by the bars 82, 84, 86, 88) has a microbeam in common with the immediately neighboring quadrupole on the same line (in FIG. 6, it is the defined quadrupole by microbeams 90, 92, 94, 84).
  • FIG. 7A illustrates the production of two quadrupoles arranged side by side, the microbeams being designated by the references 82-94.
  • microbeams are produced in planar substrates 96, 98, 100 etched, and the assembly of which is carried out using separation spacers 102, 104.
  • Figure 7B shows a top view of the structure of Figure 7A.
  • Each microbeam 82, 90 is supported by lifting bars 106,
  • the microbeam 84 is supported by similar bars.
  • these strips are made as thin and small as possible, so that they are not an obstacle to incident or emerging ions from quadrupoles, or multipoles.
  • the bars have, for example, lengths of 1240 ⁇ m (0.74e + e + 0.74e) for a section of 10 ⁇ x10 ⁇ m (the dimensions are given to ⁇ 1 ⁇ m).
  • the inlet and outlet ports of the ions are aligned on the axis of each quadrupole: the points A and B in FIG. 7A are the traces of these axes in this figure.
  • the length of the bars is of the order of 10 mm; such a quantity can be considered as large compared to the transverse dimensions, and allows a certain number of oscillations of the ion on its trajectory.
  • the polarization of the electrodes as a function of time is simulated using an electronic optics program ("SIMION" program, version 4.0, DA Dahl and JE Delmore, Idaho National Engineering Laboratory, 1988).
  • SIMION electronic optics program
  • the microbeam structure according to the invention therefore makes it possible to produce electrodes with controlled geometry.
  • This geometry makes it possible to provide results, as regards the electric field as the filtering capacities, as good as those of the cylindrical electrodes.
  • the proposed geometry is compatible with production by techniques derived from microelectronics, allowing collective manufacturing: the techniques for etching substrates or semiconductor wafers are indeed well mastered. Consequently, the electrode structure according to the invention makes it possible to produce a device having good resolution, as well as good reproducibility of its performance, and the cost of which is lowered, compared with currently known devices.

Landscapes

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  • Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)

Abstract

The invention concerns a miniature device for generating a transverse multipolar field, or a miniature device for filtering or deviating or focusing charged particles, comprising n longitudinal miniature conducting bars (32, 34, 36, 38), with polygonal cross section, and arranged about a longitudinal axis (AA').

Description

MICRODISPOSITIF POUR GENERER UN CHAMP MULTIPOLAIRE, EN PARTICULIER POUR FILTRER OU DEVIER OU FOCALISER DES MICRODISPOSITIVE FOR GENERATING A MULTIPOLAR FIELD, PARTICULARLY FOR FILTERING OR DEVIING OR FOCUSING
PARTICULES CHARGEESCHARGED PARTICLES
DESCRIPTIONDESCRIPTION
Domaine technique et art antérieurTechnical field and prior art
L'invention concerne le domaine des architectures d'électrodes permettant de générer un champ multipolaire, ou permettant de filtrer ou de dévier ou de focaliser des particules chargées. Plus particulièrement, l'invention concerne les microdispositifs intégrant des ensembles de microélectrodes, également dans le but de générer un champ multipolaire en particulier pour filtrer ou dévier ou focaliser des particules chargées.The invention relates to the field of electrode architectures for generating a multipolar field, or for filtering or deflecting or focusing charged particles. More particularly, the invention relates to microdevices integrating sets of microelectrodes, also with the aim of generating a multipolar field in particular for filtering or deflecting or focusing charged particles.
L'invention trouve une application notamment dans le domaine de la spectrométrie de masse : en effet, les ensembles d'électrodes selon l'invention peuvent être utilisés dans des spectromètres de masse. L'invention concerne donc également le domaine de la spectrométrie de masse.The invention finds an application in particular in the field of mass spectrometry: in fact, the sets of electrodes according to the invention can be used in mass spectrometers. The invention therefore also relates to the field of mass spectrometry.
La spectrométrie de masse est une technique d'analyse largement répandue dans les laboratoires et l'industrie. Grâce à elle on peut déterminer la nature des constituants d'un gaz avec une sensibilité meilleure que le p.p.m. Pour ce faire, le gaz à analyser doit être sous faible pression, en général inférieure à 10~4 mbar. Ceci est une limitation pour bien des applications où la pression est supérieureMass spectrometry is a widely used analytical technique in laboratories and industry. Thanks to it, the nature of the constituents of a gas can be determined with a sensitivity better than the ppm. To do this, the gas to be analyzed must be under low pressure, generally less than 10 ~ 4 mbar. This is a limitation for many applications where the pressure is higher
(10~2 mbar) et pour lesquelles il est alors nécessaire d'adjoindre des pompes et circuits supplémentaires afin d'abaisser la pression dans la zone où le spectromètre se trouve. La réalisation d'un spectromètre de petite taille (≈lc 3) permettrait de travailler dans des vides moins poussés. D'une manière générale, un spectromètre de masse comprend trois parties distinctes, comme illustré sur la figure 1 : une chambre d'ionisation 2, un séparateur 4 (filtre) et un détecteur d'ions 6. Beaucoup de séparateurs sont de type quadrupolaire . La théorie des spectromètres de masse unipolaire, quadrupolaire, etc.. est par exemple décrite dans l'ouvrage "Techniques de l'Ingénieur", volume P3, P 2615, p. 1-39. Le filtre de masse 4 est le lieu où, par le jeu de forces électromagnétiques, on sépare les ions de masses différentes. Dans un quadrupôle (terme consacré signifiant "analyseur de masse équipé d'un filtre de type quadrupolaire"), un champ électrique à haute fréquence est généré entre 4 barreaux parallèles 8, 10, 12, 14 tels que ceux représentés sur la figure 1. On suppose que les ions se déplacent selon la direction moyenne OZ parallèle aux barreaux.(10 ~ 2 mbar) and for which it is then necessary to add additional pumps and circuits in order to lower the pressure in the area where the spectrometer is located. The realization of a small spectrometer (≈lc 3 ) would allow to work in less deep voids. Generally, a mass spectrometer has three distinct parts, as illustrated in Figure 1: an ionization chamber 2, a separator 4 (filter) and an ion detector 6. Many separators are of the quadrupole type . The theory of unipolar, quadrupolar mass spectrometers, etc. is for example described in the work "Engineering Techniques", volume P3, P 2615, p. 1-39. The mass filter 4 is the place where, by the play of electromagnetic forces, the ions of different masses are separated. In a quadrupole (dedicated term meaning "mass analyzer equipped with a quadrupole type filter"), a high frequency electric field is generated between 4 parallel bars 8, 10, 12, 14 such as those represented in FIG. 1. It is assumed that the ions move in the mean direction OZ parallel to the bars.
D'une manière générale, un champ électrique quadrupolaire est tel que son amplitude est une fonction linéaire des coordonnées. Le potentiel électrique est donc une forme quadratique des coordonnées. Il peut s'écrire sous la formeIn general, a quadrupole electric field is such that its amplitude is a linear function of the coordinates. The electric potential is therefore a quadratic form of the coordinates. It can be written in the form
V= (φ/r2) x (x2-y2) où r est la distance entre l'axe OZ et les barres (on appelle aussi r le rayon de gorge du quadrupôle) et φ une valeur constante du potentiel. Pour obtenir une telle répartition de potentiel, deux barreaux opposés sont polarisés à +V, tandis que les deux autres sont polarisés à -V. Dans un quadrupôle servant de filtre ou de moyen de focalisation ou de déviation, le potentiel V comprend en outre une composante dépendante du temps (terme en cos ωt) qui sert à faire osciller les particules chargées. Les lignes équipotentielles, qui correspondent à un moment donné à cette répartition des potentiels (en fonction des potentiels appliqués aux barres) sont des hyperboles dans le plan XOY. Dans le cas idéal, les sections droites des barreaux ont cette même forme d'hyperbole. Un système quadrupolaire avec des barreaux 16, 18, 20, 22 de section hyperbolique est illustré sur la figure 2 et est par exemple décrit dans US-5 373 157.V = (φ / r 2 ) x (x 2 -y 2 ) where r is the distance between the axis OZ and the bars (we also call r the throat radius of the quadrupole) and φ a constant value of the potential. To obtain such a potential distribution, two opposite bars are polarized at + V, while the other two are polarized at -V. In a quadrupole serving as a filter or as a focusing or deflection means, the potential V also comprises a time-dependent component (term in cos ωt) which is used to oscillate the charged particles. The equipotential lines, which correspond at a given moment to this distribution of potentials (as a function of the potentials applied to the bars) are hyperbolas in the XOY plane. In the ideal case, the straight sections of the bars have this same form of hyperbola. A quadrupole system with bars 16, 18, 20, 22 of hyperbolic section is illustrated in FIG. 2 and is for example described in US-5,373,157.
Dans la majorité des cas, et pour n'utiliser que des usinages faciles à réaliser, les barreaux ont des sections droites circulaires osculatrices aux hyperboles en leur sommet ; de telles sections droites 26, 28, 30, 32 sont également représentées en figure 2. Une dégradation de la résolution résulte du passage de l'hyperbole au cercle.In the majority of cases, and in order to use only machining that is easy to carry out, the bars have straight circular sections osculating with hyperbolas at their apex; such cross sections 26, 28, 30, 32 are also represented in FIG. 2. A degradation of the resolution results from the passage from the hyperbola to the circle.
Si l'on désire réduire la taille d'un spectromètre quadrupolaire à environ 1 cm3, toutes les dimensions du filtre en sont affectées, en particulier le rayon des barreaux, leur distance au centre et, bien sûr, leur longueur.If one wishes to reduce the size of a quadrupole spectrometer to approximately 1 cm 3 , all the dimensions of the filter are affected, in particular the radius of the bars, their distance from the center and, of course, their length.
Le document WO-96/31901 décrit un spectromètre de masse quadrupolaire miniaturisé. Ce dispositif utilise des poutres cylindriques faites à partir de fibres optiques métallisées. Dans un tel dispositif, les isolants situés entre les barres cylindriques peuvent conduire à des effets de charge préjudiciables au fonctionnement du dispositif. Le brevet US-5 401 962 décrit un quadrupôle miniature. La miniaturisation, ou la réduction en taille, provient, dans ce document, de l'assemblage en parallèle d'une pluralité de quadrupoles. Ce dispositif manque de résolution. Par ailleurs, sa réalisation, quand bien même elle met en oeuvre des électrodes cylindriques, est assez fastidieuse.WO-96/31901 describes a miniaturized quadrupole mass spectrometer. This device uses cylindrical beams made from metallized optical fibers. In such a device, the insulators located between the cylindrical bars can lead to load effects detrimental to the operation of the device. US Patent 5,401,962 describes a miniature quadrupole. The miniaturization, or the reduction in size, comes, in this document, from the assembly in parallel of a plurality of quadrupoles. This device lacks resolution. Furthermore, its production, even if it uses cylindrical electrodes, is fairly tedious.
Le document US-A-4 994 336 décrit une plaque de contrôle pour un dispositif de lithographie. Cette plaque de contrôle comporte essentiellement un substrat semi-conducteur dans lequel est pratiquée une fenêtre, ou ouverture, pour permettre le passage de faisceaux de particules. Des éléments de déflexion permettent de défléchir les faisceaux. Ce document décrit également des procédés de réalisation d'une telle plaque. Dans ces procédés, les éléments de déflexion sont obtenus par gravure d'une couche pour y produire des dépressions ayant la forme des éléments de déflexion, puis remplissage voltaïque des zones de dépression. Les éléments de déflexion sont donc réalisés suivant une direction perpendiculaire au plan de ces couches.Document US-A-4 994 336 describes a control plate for a lithography device. This control plate essentially comprises a semiconductor substrate in which is made a window, or opening, to allow the passage of beams of particles. Deflection elements make it possible to deflect the beams. This document also describes methods for producing such a plate. In these methods, the deflection elements are obtained by etching a layer to produce depressions therein having the shape of the deflection elements, then voltaic filling of the depression zones. The deflection elements are therefore produced in a direction perpendicular to the plane of these layers.
Enfin, dans ce document, le champ généré est un champ uniforme dans toutes les directions et dans tout l'espace compris entre les électrodes planes. Ce champ n'est pas multipolaire.Finally, in this document, the field generated is a uniform field in all directions and throughout the space between the planar electrodes. This field is not multipolar.
Exposé de l'inventionStatement of the invention
Il se pose donc le problème de la réalisation de composants, en vue notamment de leur application à la spectrométrie de masse, permettant entre autres la miniaturisation des spectromètres . En particulier, il se pose le problème de la réalisation d'ensembles d'électrodes qui pourraient permettre une réalisation aisée de microspectrometres de masse. Plus précisément, l'invention a pour objet un microdispositif pour générer un champ multipolaire transverse, comportant n micropoutres conductrices, longitudinales, à section droite polygonale, disposées autour d'un axe longitudinal. Avantageusement, le champ est constant suivant l'axe longitudinal.The problem therefore arises of producing components, with a view in particular to their application to mass spectrometry, allowing inter alia the miniaturization of spectrometers. In particular, there is the problem of producing electrode assemblies which could allow easy production of mass microspectrometers. More specifically, the invention relates to a microdevice for generating a transverse multipolar field, comprising n conductive microbeams, longitudinal, with polygonal cross section, arranged around a longitudinal axis. Advantageously, the field is constant along the longitudinal axis.
On entend, par champ multipolaire, tout champ électrique même monopolaire. Un tel champ n'est pas uniforme puisqu'il est multipolaire ou monopolaire. Par conséquent, selon l'invention, la réalisation de champs électriques sur des échelles submillimétriques, et dérivant de potentiels de type par exemple quadrupolaire, hexapolaire ou octopolaire ou, plus généralement, N-polaire (N>1), peut s'effectuer avec des structures d'électrodes (appelées aussi lentilles) dans lesquelles les électrodes ont une section droite de forme polygonale. De telles électrodes sont compatibles avec une réalisation mettant en oeuvre les techniques de la micro- électronique ou de la microtechnologie, et permettent donc la fabrication de spectromètres de masse miniaturisés .By multipolar field is meant any electric field, even monopolar. Such a field is not uniform since it is multipolar or monopolar. Consequently, according to the invention, the production of electric fields on submillimetric scales, and deriving from potentials of the quadrupolar, hexapolar or octopolar type or, more generally, N-polar (N> 1), can be carried out with electrode structures (also called lenses) in which the electrodes have a cross section of polygonal shape. Such electrodes are compatible with an embodiment implementing the techniques of microelectronics or microtechnology, and therefore allow the manufacture of miniaturized mass spectrometers.
L'invention a également pour objet un microdispositif de filtrage ou de déviation ou de focalisation de particules chargées, comportant n micropoutres conductrices, longitudinales, à section droite polygonale, et disposées autour d'un axe longitudinal de propagation des particules chargées. L'invention a aussi pour objet un microdispositif de filtrage ou de déviation ou de focalisation de particules chargées comportant un microdispositif pour générer un champ multipolaire transverse tel que déjà décrit ci-dessus.The invention also relates to a microdevice for filtering or deflecting or focusing charged particles, comprising n conductive microbeams, longitudinal, of polygonal cross section, and arranged around a longitudinal axis of propagation of charged particles. The invention also relates to a microdevice for filtering or deflecting or focusing charged particles comprising a microdevice for generating a transverse multipolar field as already described above.
Là encore, l'invention définit une structure d'électrode pour un microdispositif de filtrage ou de déviation ou de focalisation, qui est compatible avec une réalisation par les techniques de la micro- électronique ou de la microtechnologie. On peut ainsi engendrer des champs électriques, pour un microdispositif de filtrage ou de déviation ou de focalisation, sur des échelles submillimétriques.Here again, the invention defines an electrode structure for a filtering or deflection or focusing microdevice, which is compatible with an embodiment by the techniques of microelectronics or microtechnology. It is thus possible to generate electric fields, for a microdevice of filtering or deflection or focusing, on submillimetric scales.
Actuellement, les électrodes utilisées dans le dispositif de type quadrupolaire, ou plus généralement N-polaire, ont des tailles ne pouvant descendre en- dessous de certaines dimensions, ce qui limite la taille inférieure du dispositif. En particulier, le document US-5 401 962 fait mention d'électrodes cylindriques de diamètre compris entre 0,5 mm et 1 mm, et de longueur comprise entre environ 1 cm et 2 cm. La structure d'électrodes selon l'invention permet de réaliser des dispositifs submillimétriques (par exemple avec des barreaux dont l'épaisseur est d'environ quelques centaines de μm) et pouvant travailler à plus forte pression (par exemple à environ 10"2 mbar) .Currently, the electrodes used in the device of quadrupole type, or more generally N-polar, have sizes that cannot fall below certain dimensions, which limits the smaller size of the device. In particular, document US Pat. No. 5,401,962 mentions cylindrical electrodes with a diameter between 0.5 mm and 1 mm, and with a length between about 1 cm and 2 cm. The electrode structure according to the invention makes it possible to produce submillimetric devices (for example with bars the thickness of which is around a few hundred μm) and which can work at higher pressure (for example around 10 "2 mbar ).
Le montage en parallèle de plusieurs structures multipolaires selon l'invention permet d'augmenter l'intensité du signal en sortie de cette même structure. La réalisation d'une telle structure passe par la réalisation de certaines parties de la structure de manière individuelle, puis par une étape d'assemblage de ces parties, en parallèle. On peut associer aux structures multipolaires selon l'invention des moyens de polarisation des micropoutres conductrices. De même, on peut leur associer des moyens pour introduire des ions ou des particules chargées suivant une direction définie par l'axe, ou les axes, longitudinal/longitudinaux. A chaque axe longitudinal est associé un champ multipolaire, tous les axes longitudinaux étant parallèles . Selon un mode particulier de réalisation, chaque micropoutre peut être réalisée dans un substrat plan et maintenue dans le plan du substrat par des barrettes de sustentation.The parallel mounting of several multipole structures according to the invention makes it possible to increase the intensity of the signal at the output of this same structure. The realization of such a structure passes by the realization of certain parts of the structure individually, then by a step of assembly of these parts, in parallel. Multipolar structures according to the invention can be associated with means for polarizing the conductive microbeams. Likewise, they can be associated with means for introducing ions or charged particles in a direction defined by the axis, or the axes, longitudinal / longitudinal. A multipolar field is associated with each longitudinal axis, all the longitudinal axes being parallel. According to a particular embodiment, each microbeam can be produced in a planar substrate and maintained in the plane of the substrate by lifting bars.
Le microdispositif peut comporter: - au moins une première et une deuxième plaques en matériau isolant ou semiconducteur,The microdevice may include: - at least first and second plates of insulating or semiconductor material,
- des moyens permettant de maintenir les plaques parallèles, à une certaine distance l'une de l'autre,means for keeping the plates parallel, at a certain distance from each other,
- des zones gravées dans chaque plaque pour y définir des micropoutres.- areas engraved in each plate to define microbeams.
Le microdispositif comporte par exemple :The microdevice includes for example:
- une première, une deuxième et une troisième plaques, en matériau isolant ou semiconducteur,- a first, a second and a third plate, of insulating or semiconductor material,
- des moyens permettant de maintenir parallèles les première et deuxième plaques, à une certaine distance l'une de l'autre,means for keeping the first and second plates parallel, at a certain distance from each other,
- des moyens permettant de maintenir parallèles les deuxième et troisième plaques, à une certaine distance l'une de l'autre, - des zones gravées dans chaque plaque y définissant les micropoutres.- Means allowing the second and third plates to be kept parallel, at a certain distance from one another, - engraved zones in each plate defining the microbeams therein.
Les moyens pour maintenir les plaques parallèles entre elles peuvent en outre permettre un alignement desdites plaques de manière à obtenir le champ multipolaire souhaité. Par exemple, ces moyens sont des entretoises disposées dans des encoches réalisées dans les plaques pour assurer cet alignement. Ces structures sont tout à fait compatibles avec une réalisation collective et extrêmement précise (à environ + lμm) , pouvant être mise en oeuvre avec des techniques de gravure et de travail de substrats connues en micro-électronique. L'invention a également pour objet un spectromètre de masse comportant un microdispositif selon l'invention, tel qu'exposé ci-dessus, des moyens pour y introduire des ions et des moyens de détection.The means for holding the plates parallel to each other may also allow a alignment of said plates so as to obtain the desired multipolar field. For example, these means are spacers arranged in notches made in the plates to ensure this alignment. These structures are entirely compatible with a collective and extremely precise production (at approximately + 1 μm), which can be implemented with techniques of etching and working of substrates known in microelectronics. The invention also relates to a mass spectrometer comprising a microdevice according to the invention, as set out above, means for introducing ions therein and detection means.
Enfin, l'invention a pour objet un procédé de réalisation d'un microdispositif pour générer un champ multipolaire transversal et en particulier un microdispositif de filtrage ou de déviation ou de focalisation de particules chargées, comportant les étapes suivantes : - gravure de P substrats en matériau isolant ou semiconducteur de manière à définir, dans chaque substrat, une ou plusieurs micropoutres,Finally, the subject of the invention is a method of producing a microdevice for generating a transverse multipolar field and in particular a microdevice for filtering or deflecting or focusing charged particles, comprising the following steps: - etching of P substrates in insulating or semiconductor material so as to define, in each substrate, one or more microbeams,
- métallisation des micropoutres,- metallization of microbeams,
- assemblage des P substrats gravés, en parallèle les uns des autres.- assembly of the P etched substrates, in parallel with each other.
Brève description des figuresBrief description of the figures
De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lumière de la description qui va suivre. Cette description porte sur les exemples de réalisation, donnés à titre explicatif et non limitatif, en se référant à des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente schématiquement un analyseur de masse de type quadrupolaire,In any case, the characteristics and advantages of the invention will appear better in the light of the description which follows. This description relates to the exemplary embodiments, given by way of explanation and without limitation, with reference to the appended drawings in which: FIG. 1 schematically represents a mass analyzer of the quadrupole type,
- la figure 2 illustre la réalisation de quadrupoles à l'aide d'électrodes hyperboliques ou cylindriques,FIG. 2 illustrates the production of quadrupoles using hyperbolic or cylindrical electrodes,
- la figure 3 représente la réalisation d'un quadrupôle selon l'invention,FIG. 3 represents the production of a quadrupole according to the invention,
- les figures 4A et 4B représentent, en coupe et en vue de dessus, une réalisation détaillée d'un système quadrupolaire selon l'invention,FIGS. 4A and 4B represent, in section and in top view, a detailed embodiment of a quadrupole system according to the invention,
- la figure 5 représente schématiquement une échelle de micropoutres,FIG. 5 schematically represents a scale of microbeams,
- la figure 6 est une vue en plan d'un ensemble de quadrupoles fonctionnant en parallèle, - les figures 7A et 7B représentent, en coupe et en vue de dessus, un quadrupôle multiple selon l'invention, usiné par microtechnologie,FIG. 6 is a plan view of a set of quadrupoles operating in parallel, FIGS. 7A and 7B represent, in section and in top view, a multiple quadrupole according to the invention, machined by microtechnology,
- les figures 8A à 8C représentent des résultats de simulation de filtrage, autour de la masse M=10 à l'aide d'un spectromètre à barreaux cylindriques,FIGS. 8A to 8C represent filtering simulation results, around the mass M = 10 using a spectrometer with cylindrical bars,
- les figures 9A et 9B représentent des potentiels obtenus avec des barreaux cylindriques- Figures 9A and 9B show potentials obtained with cylindrical bars
(figure 9A) ou à section carrée (figure 9B) , - les figures 10A à 10C représentent des résultats de simulation de filtrage, autour de la masse M=10 à l'aide d'un spectromètre à barreaux à section carrée.(Figure 9A) or square section (Figure 9B), - Figures 10A to 10C show filter simulation results, around the mass M = 10 using a square section bar spectrometer.
Description détaillée de modes de réalisation de 1 ' inventionDetailed description of embodiments of the invention
Une structure pour la réalisation d'un quadrupôle selon l'invention est illustrée sur la figure 3. Selon cette structure, des électrodes 32, 34, 36, 38, à section droite polygonale, sont disposées parallèlement les unes aux autres, et de manière symétrique par rapport à un axe AA' . La section polygonale représentée en figure 3 est une section carrée, mais d'autres sections polygonales (pentagone, hexagone, etc..) peuvent être réalisée dans le cadre de l'invention. Dans le cas d'une section carrée, le côté du carré vaut par exemple e=0,5 mm (ou moins) et l'électrode a par exemple une longueur de l'ordre de 10mm.A structure for producing a quadrupole according to the invention is illustrated on the Figure 3. According to this structure, electrodes 32, 34, 36, 38, of polygonal cross section, are arranged parallel to each other, and symmetrically with respect to an axis AA '. The polygonal section shown in FIG. 3 is a square section, but other polygonal sections (pentagon, hexagon, etc.) can be produced within the framework of the invention. In the case of a square section, the side of the square is for example e = 0.5 mm (or less) and the electrode has for example a length of the order of 10mm.
On donne plus loin des exemples pour lesquels les barreaux ont des épaisseurs d'environ 300μm ou 500μm. Cet ensemble d'électrode constitue une structure quadrupolaire pouvant être mise en oeuvre, par exemple dans le cadre d'un spectromètre de masse. Une telle structure quadrupolaire est alors couplée d'une part à une source d'ions (située à une extrémité de la structure quadrupolaire) et d'autre part à un système de détection d'ions (situé à l'autre extrémité de la structure quadrupolaire) . Des exemples de telles sources d'ions et de tels systèmes de détection sont décrits dans l'ouvrage "Technique de l'Ingénieur", volume P3, P2615, pages 1-39.Examples are given below for which the bars have thicknesses of around 300 μm or 500 μm. This electrode assembly constitutes a quadrupole structure which can be implemented, for example in the context of a mass spectrometer. Such a quadrupole structure is then coupled on the one hand to an ion source (located at one end of the quadrupole structure) and on the other hand to an ion detection system (located at the other end of the structure quadrupole). Examples of such ion sources and such detection systems are described in the work "Engineering Engineering", volume P3, P2615, pages 1-39.
Chacune des électrodes est reliée à des moyens pour lui appliquer un certain potentiel. Il en résulte un champ électrique dans l'espace entre les quatre électrodes, et autour de l'axe AA' . Si le champ électrique généré est un champ électrique quadrupolaire, son amplitude sera une fonction linéaire des coordonnées X, Y, Z. Lorsque le quadrupôle sert de filtre ou de moyen de déviation ou de focalisation du faisceau de particules 40, le potentiel V comprend en outre une composante dépendante du temps (terme en cos ωt) qui permet de faire osciller les particules chargées.Each of the electrodes is connected to means for applying a certain potential to it. This results in an electric field in the space between the four electrodes, and around the axis AA '. If the electric field generated is a quadrupole electric field, its amplitude will be a linear function of the coordinates X, Y, Z. When the quadrupole serves as a filter or as a means of deflecting or focusing the beam of particles 40, the potential V also comprises a time-dependent component (term in cos ωt) which makes it possible to oscillate the charged particles.
Une réalisation d'un système quadrupolaire selon l'invention est illustré de manière plus précise en figure 4A. Sur cette figure, des références identiques à celles de la figure 3 désignent les micropoutres, à section polygonale (ici : carrée) , du dispositif quadrupolaire. Le dispositif comporte également des entretoises 40, 42, permettant de séparer le plan supérieur 44, dans lequel est réalisée la micropoutre supérieure 32 du plan intermédiaire 46, dans lequel sont réalisées les deux micropoutres 34, 38 et, d'autre part, le plan intermédiaire 46 du plan inférieur 48 dans lequel est réalisé la micropoutre 36. La figure 4B représente une vue de dessus de ce dispositif : la micropoutre supérieure 32 est obtenue par exemple par gravure et métallisation partielle ou totale d'une plaquette d'un matériau isolant ou semiconducteur définissant le plan 44. La longueur 1 des fenêtres dégagées par gravure dans le plan 44 est d'environ 20e (où e est l'épaisseur d'une micropoutre). De même, les micropoutres 34, 38 sont obtenues par gravure et métallisation partielle ou totale d'une plaquette d'un matériau isolant ou semiconducteur définissant le plan 46 et la micropoutre inférieure 36 est obtenue par gravure et métallisation partielle ou totale d'une plaquette d'un matériau isolant ou semiconducteur définissant le plan inférieur 48. L'épaisseur e des barreaux est alors déterminée par l'épaisseur des plaquettes de matériau isolant ou semiconducteur qui ont été gravées. Par exemple, on peut avoir des barreaux, ou microélectrodes, d'épaisseur 300μm ou 500 μm. Pour une épaisseur de 500μm, le barreau, ou microélectrode, supérieur 32 est positionné à une distance d à peu près égale à 0, 74e=0, 74x500=370 μm des barreaux 34, 38.An embodiment of a quadrupole system according to the invention is illustrated more precisely in FIG. 4A. In this figure, references identical to those of FIG. 3 designate the microbeams, of polygonal section (here: square), of the quadrupole device. The device also comprises spacers 40, 42, making it possible to separate the upper plane 44, in which the upper microbeam 32 is made from the intermediate plane 46, in which the two microbeams 34, 38 are made and, on the other hand, the plane intermediate 46 of the lower plane 48 in which the microbeam 36 is produced. FIG. 4B represents a top view of this device: the upper microbeam 32 is obtained for example by etching and partial or total metallization of a wafer of insulating material or semiconductor defining the plane 44. The length 1 of the windows released by etching in the plane 44 is approximately 20 (where e is the thickness of a microbeam). Likewise, the microbeams 34, 38 are obtained by etching and partial or total metallization of a wafer of insulating or semiconductor material defining the plane 46 and the lower microbeam 36 is obtained by etching and partial or total metallization of a wafer of an insulating or semiconductor material defining the lower plane 48. The thickness e of the bars is then determined by the thickness of the plates of insulating material or semiconductor that have been etched. For example, one can have bars, or microelectrodes, of thickness 300 μm or 500 μm. For a thickness of 500 μm, the upper bar, or microelectrode 32, is positioned at a distance d approximately equal to 0.74e = 0.74 × 500 = 370 μm from the bars 34, 38.
Sur la figure 4B, les références 50, 52, 54, 56 désignent des barrettes de sustentation qui relient la micropoutre 32 au reste du plan 44. Dans chacun des autres plans 46, 48, de telles barrettes de sustentation soutiennent les micropoutres et relient celles-ci entre elles ou au substrat gravé.In FIG. 4B, the references 50, 52, 54, 56 designate lift bars which connect the microbeam 32 to the rest of the plane 44. In each of the other planes 46, 48, such lift bars support the microbeams and connect those between them or with the engraved substrate.
Des encoches 60, 62, 64 sont également réalisées dans les différentes plaquettes de matériau afin de pouvoir positionner les entretoises 40, 42.Notches 60, 62, 64 are also made in the various material plates in order to be able to position the spacers 40, 42.
Si ces encoches sont réalisées par gravure des plaquettes de matériaux, elles auront une épaisseur égale à la distance séparant deux plan parallèles augmentée de la profondeur de gravure dans chacune des plaques de matériaux. Pour reprendre l'exemple ci- dessus, et en supposant que l'on grave les encoches 60, 62, 64 sur une profondeur de lOμm, les entretoises 40, 42 auront une hauteur totale de : 370+10+10=390μm.If these notches are produced by etching the material plates, they will have a thickness equal to the distance separating two parallel planes increased by the etching depth in each of the material plates. To use the example above, and assuming that the notches 60, 62, 64 are etched to a depth of 10 μm, the spacers 40, 42 will have a total height of: 370 + 10 + 10 = 390 μm.
Les entretoises peuvent être réalisées, suivant la longueur du dispositif, en un seul bloc ou en plusieurs blocs. Par exemple, sur la figure 4B, les références 40-1, 40-2, 40-3 et 42-1, 42-2, 42-3 désignent les traces de six entretoises (trois entretoises alignées de chaque côté) qui séparent les plans supérieur 44 et intermédiaire 46. En vue de dessus, chaque entretoise présente des dimensions Ci, c2 faibles, par exemple égales chacune à 1mm ou inférieure chacune à 1 mm. Il peut y avoir plusieurs entretoises sur chaque côté ; mais, de préférence, chaque entretoise est de petite taille, de manière à ce que les ions écartés de l'axe longitudinal central de l'appareil, le long duquel ils se propagent, n'aillent pas s'y déposer, ce qui conduirait à des effets de charge indésirables.The spacers can be made, depending on the length of the device, in a single block or in several blocks. For example, in FIG. 4B, the references 40-1, 40-2, 40-3 and 42-1, 42-2, 42-3 designate the traces of six spacers (three spacers aligned on each side) which separate the upper 44 and intermediate 46 planes. When viewed from above, each spacer has small dimensions Ci, c 2 , for example each equal to 1 mm or each less than 1 mm. There may be several spacers on each side; but, preferably, each spacer is small, so that the ions spaced from the central longitudinal axis of the device, along which they propagate, do not go to settle there, which would lead to unwanted load effects.
Un procédé de réalisation d'une telle structure va maintenant être décrit. On sélectionne d'abord des plaquettes dans lesquelles vont être réalisés les plans supérieur 44, intermédiaire 46 et inférieur 48 de la structure. De telles plaquettes peuvent être des plaques en silicium, d'épaisseur e valant par exemple 0,5 mm. On procède ensuite aux étapes 1 à 4 suivantes : 1)- Les plaques supérieure 44 et inférieure 48 sont gravées (gravure profonde) pour faire apparaître, d'une part les barreaux centraux 32, 36 et d'autre part les encoches 60, 62 qui serviront pour le positionnement et la fixation de l'ensemble. Les techniques connues utilisant des masques et de la lithographie sont utilisées avant gravure. L'opération de gravure profonde se fait en deux étapes afin de pouvoir conserver quatre barrettes 50, 52, 54, 56 de sustentation, de préférence aussi fines et menues que possibles, dont le rôle est de soutenir le barreau central 32, 36. On grave chaque plaque d'abord d'un côté, jusqu'à conserver l'épaisseur de la barrette, puis de l'autre côté pour déboucher, tout en conservant la barrette (grâce à une deuxième étape de lithographie) .A method of producing such a structure will now be described. First, plates are selected in which the upper 44, intermediate 46 and lower 48 planes of the structure will be produced. Such wafers can be silicon wafers, of thickness e being for example 0.5 mm. We then proceed to the following steps 1 to 4: 1) - The upper 44 and lower 48 plates are engraved (deep engraving) to reveal, on the one hand the central bars 32, 36 and on the other hand the notches 60, 62 which will be used for positioning and fixing the assembly. Known techniques using masks and lithography are used before etching. The deep engraving operation is done in two stages in order to be able to keep four lifting bars 50, 52, 54, 56, preferably as thin and small as possible, whose role is to support the central bar 32, 36. We engraving each plate first on one side, until the thickness of the bar is preserved, then on the other side to open, while preserving the bar (thanks to a second lithography step).
2)- La plaque intermédiaire (éventuellement en deux pièces) , de même épaisseur que les précédentes, est gravée afin de définir les barreaux de droite 34 et de gauche 38 et les encoches 64 pour les entretoises.2) - The intermediate plate (possibly in two pieces), of the same thickness as the previous ones, is etched to define the right bars 34 and left 38 and the notches 64 for the spacers.
3)- Des métallisations partielles ou totales des barreaux et des trois plaques permettent d'amener les diverses tensions, à partir d'électrodes de connexion aux quatre barreaux.3) - Partial or total metallizations of the bars and the three plates make it possible to bring the various voltages, from connection electrodes to the four bars.
4)- Des entretoises 40, 42 en matériau isolant (Si02) sont gravées afin, d'une part, de pouvoir se loger dans les encoches 60, 62, 64 réservées sur les trois plaques précédentes et d'autre part, d'avoir l'épaisseur requise pour séparer les trois plaques (dans le cas présent l'espace interplaques vaut par exemple 0,74 e) . Pour l'application à la spectrométrie de masse, on peut rajouter les étapes suivantes : 5)- Au filtre ainsi assemblé, on ajoute une minichambre d'ionisation ainsi qu'un détecteur de type cage de Faraday ou multiplicateur d'électrons. Des orifices d'entrée et sortie des ions seront alignés sur l'axe de chaque quadrupôle. Eventuellement, des électrodes servant de blindage électrostatique ou de lentille de focalisation pour amener le faisceau d'ions à l'entrée du filtre sont rajoutées au système. En ce qui concerne l'ionisation, celle-ci se fait par des procédés connus (ionisation par faisceaux d'électrons issus d'un filament ou d'une cathode à micropointes ou à micro-couteaux, ou issus d'une décharge). La détection se fait à l'aide de dispositifs classiques.4) - Spacers 40, 42 of insulating material (Si0 2 ) are etched in order, on the one hand, to be able to be housed in the notches 60, 62, 64 reserved on the three preceding plates and, on the other hand, have the thickness required to separate the three plates (in this case the interplate space is for example 0.74 e). For the application to mass spectrometry, the following steps can be added: 5) - To the filter thus assembled, an ionization mini-chamber is added as well as a Faraday cage type detector or electron multiplier. Ion inlet and outlet ports will be aligned on the axis of each quadrupole. Optionally, electrodes serving as electrostatic shielding or focusing lens for bringing the ion beam to the inlet of the filter are added to the system. As regards ionization, this is done by known methods (ionization by electron beams coming from a filament or a cathode with microtips or micro-knives, or coming from a discharge). Detection is done using conventional devices.
Le procédé décrit ci-dessus met en oeuvre des techniques issues des microtechnologies ou de la microélectronique, et permet de réaliser avec une grande précision des barreaux de section carrée ou polygonale. De telles techniques sont compatibles avec une fabrication collective, permettant de définir des cotes précises pour l'ensemble de l'architecture (on atteint une précision de l'ordre du micromètre), d'autant plus qu'une partie de l'assemblage peut être réalisé au moment de la fabrication des barreaux. Les techniques de gravure profonde de plaquettes de silicium, connues dans le domaine de la microtechnologie ou de la microélectronique, permettent, à partir de plaquettes à faces parallèles, d'obtenir des sections rectangulaires. De même, 1 ' anisotropie de gravures dépendant des faces cristallines permet d'obtenir des profils polygonaux.The method described above uses techniques from microtechnologies or microelectronics, and allows bars with square or polygonal cross-section to be produced with great precision. Such techniques are compatible with a collective manufacturing, making it possible to define precise dimensions for the entire architecture (a precision of the order of a micrometer is reached), all the more so since part of the assembly can be carried out at the time of manufacturing bars. The deep etching techniques of silicon wafers, known in the field of microtechnology or microelectronics, make it possible, from wafers with parallel faces, to obtain rectangular sections. Likewise, the anisotropy of engravings depending on the crystal faces makes it possible to obtain polygonal profiles.
Outre le couplage à une source d'ions et/ou à un système de détection d'ions, et outre le montage de la figure 4A, les électrodes peuvent être montées, à leurs extrémités, sur deux plaques de maintien, parallèles entre elles, chaque plaque présentant les fentes ou entrées ou sorties nécessaires au trajet des ions. Ce dispositif peut être réalisé, en microtechnologie, par un procédé connu sous le nom de "LIGA" .In addition to coupling to an ion source and / or to an ion detection system, and in addition to the assembly of FIG. 4A, the electrodes can be mounted, at their ends, on two holding plates, mutually parallel, each plate having the slots or inputs or outputs necessary for the path of the ions. This device can be produced, in microtechnology, by a process known under the name of "LIGA".
La structure décrite ci-dessus est une structure quadrupolaire, par exemple pour l'obtention d'un champ électrique quadrupolaire. Cette structure peut être généralisée à la réalisation d'un ensemble de n micropoutres conductrices, à section droite polygonale, permettant d'obtenir un champ multipolaire transverse (et, avantageusement, longitudinalement uniforme) .The structure described above is a quadrupole structure, for example for obtaining a quadrupole electric field. This structure can be generalized to the production of a set of n conductive microbeams, with a polygonal cross section, making it possible to obtain a transverse multipolar (and, advantageously, longitudinally uniform) field.
L'invention concerne également la réalisation d'une structure multiple, par exemple d'un ensemble de quadrupoles fonctionnant en parallèle. La réduction, par un facteur k, des dimensions d'un quadrupôle, conduit à la réduction, par un facteur k2, de la fente d'entrée. Afin de conserver un signal suffisant sans agrandir les fentes (ce qui conduirait à une détérioration de la résolution aux masses élevées) on compense cette atténuation par la mise en parallèle de k2 quadrupôle. Le gain en volume est donc un facteur k, et la sensibilité reste la même.The invention also relates to the production of a multiple structure, for example of a set of quadrupoles operating in parallel. The reduction, by a factor k, of the dimensions of a quadrupole, leads to the reduction, by a factor k 2 , of the entry slit. In order to maintain a sufficient signal without enlarging the slits (which would lead to a deterioration of the resolution at high masses), this attenuation is compensated for by placing k 2 quadrupole in parallel. The gain in volume is therefore a factor k, and the sensitivity remains the same.
Par exemple, si on réduit par 2 toutes les dimensions, le quadrupôle est réduit, en poids et en volume, par un facteur 23=8. La fente d'entrée est réduite d'un facteur 22=4. En mettant en parallèle quatre quadrupoles, chacun avec de nouvelles fentes réduites, on obtient la même surface de fente d'entrée, et un volume total égal à 4x (1/8) =0,5 fois le volume du quadrupôle original, avant réduction. On gagne donc au minimum un facteur 2, et même plus, car un ou plusieurs barreaux sont en commun pour plusieurs quadrupoles en parallèles. Afin de maintenir ou d'augmenter l'intensité du signal total reçu par le détecteur, on peut donc réaliser une structure de quadrupoles (ou de n-pôles) montés en parallèle.For example, if we reduce by 2 all the dimensions, the quadrupole is reduced, in weight and in volume, by a factor 2 3 = 8. The entry slit is reduced by a factor of 2 2 = 4. By putting four quadrupoles in parallel, each with new reduced slots, we obtain the same entry slot area, and a total volume equal to 4x (1/8) = 0.5 times the volume of the original quadrupole, before reduction . We therefore gain at least a factor of 2, and even more, because one or more bars are in common for several quadrupoles in parallel. In order to maintain or increase the intensity of the total signal received by the detector, it is therefore possible to produce a structure of quadrupoles (or n-poles) connected in parallel.
Ainsi, on peut réaliser des "échelles" de barreaux, à section carrée ou polygonale, que l'on peut ensuite assembler parallèlement les unes aux autres grâce aux techniques de la microtechnologie. Une telle échelle est illustrée sur la figure 5, où les références 70, 72, 74, 76 désignent des pôles individuels, reliés de manière fixe entre eux par des structures de maintien 78, 80, à chacune de leurs extrémités .Thus, it is possible to produce "ladders" of bars, of square or polygonal section, which can then be assembled parallel to one another using the techniques of microtechnology. Such a scale is illustrated in FIG. 5, where the references 70, 72, 74, 76 designate individual poles, fixedly connected to each other by holding structures 78, 80, at each of their ends.
La figure 6 est une vue, du côté de la face d'entrée des ions, d'un ensemble de quadrupoles fonctionnant en parallèle. Chacune des échelles correspond à une ligne de carrés noirs ou blancs. Chaque quadrupôle individuel (par exemple celui défini sur la figure 6 par les barreaux 82, 84, 86, 88) possède une micropoutre en commun avec le quadrupôle immédiatement voisin sur la même ligne (sur la figure 6, il s'agit du quadrupôle défini par les micropoutres 90, 92, 94, 84) .FIG. 6 is a view, from the side of the ion entry face, of a set of quadrupoles operating in parallel. Each of the scales corresponds to a line of black or white squares. Each individual quadrupole (for example the one defined in FIG. 6 by the bars 82, 84, 86, 88) has a microbeam in common with the immediately neighboring quadrupole on the same line (in FIG. 6, it is the defined quadrupole by microbeams 90, 92, 94, 84).
Afin de ne pas obturer l'entrée des ions, on peut choisir de faire des échelles dans lesquelles une micropoutre sur deux est polarisée positivement (par exemple les barreaux noirs sur la figure 6) , les autres étant polarisées négativement. On peut aussi choisir de faire des échelles avec tous les barreaux ayant la même polarisation (tous noirs ou tous blancs) : dans ce cas, une fente sera aménagée de part et d'autre, pour définir une fente d'entrée et une fente de sortie des ions .In order not to block the entry of ions, one can choose to make scales in which one microbeam in two is positively polarized (for example the black bars in FIG. 6), the others being negatively polarized. We can also choose to make scales with all the bars having the same polarization (all black or all white): in this case, a slot will be provided on both sides, to define an entry slot and a exit of ions.
La réalisation d'une multilentille (ou d'une structure multiple du type de celle décrite ci-dessus en liaison avec la figure 6) fait appel au même type des microtechnologies que celle expliquée ci-dessus pour la réalisation d'une seule lentille ou d'un seul quadrupôle. La figure 7A illustre la réalisation de deux quadrupoles disposés côte à côte, les micropoutres étant désignées par les références 82-94.The production of a multi-lens (or of a multiple structure of the type described above in conjunction with FIG. 6) uses the same type of microtechnologies as that explained above for the production of a single lens or of a single quadrupole. FIG. 7A illustrates the production of two quadrupoles arranged side by side, the microbeams being designated by the references 82-94.
Comme dans le cas de la structure illustrée sur la figure 4A, les micropoutres sont réalisées dans des substrats plans 96, 98, 100 gravés, et dont l'assemblage est réalisé à l'aide d' entretoises de séparation 102, 104. La figure 7B représente une vue de dessus de la structure de la figure 7A. Chaque micropoutre 82, 90 est supportée par des barrettes de sustentation 106,As in the case of the structure illustrated in FIG. 4A, the microbeams are produced in planar substrates 96, 98, 100 etched, and the assembly of which is carried out using separation spacers 102, 104. Figure 7B shows a top view of the structure of Figure 7A. Each microbeam 82, 90 is supported by lifting bars 106,
108, 110, 112, 114, 116 réalisées par gravure de la plaquette 96.108, 110, 112, 114, 116 produced by etching the wafer 96.
De même, dans le plan de la plaquette intermédiaire 98, la micropoutre 84 est soutenue par des barrettes similaires. De préférence, on réalise ces barrettes aussi fines et menues que possible, afin qu'elles ne soient pas un obstacle aux ions incidents ou émergeants des quadrupoles, ou des multipôles.Similarly, in the plane of the intermediate plate 98, the microbeam 84 is supported by similar bars. Preferably, these strips are made as thin and small as possible, so that they are not an obstacle to incident or emerging ions from quadrupoles, or multipoles.
Les barrettes ont par exemple des longueurs de 1240 μm (0, 74e+e+0, 74e) pour une section de 10 μ xlO μm (les dimensions sont données à ± 1 μm) . Les orifices d'entrée et de sortie des ions sont alignés sur l'axe de chaque quadrupôle : les points A et B de la figure 7A sont les traces de ces axes sur cette figure.The bars have, for example, lengths of 1240 μm (0.74e + e + 0.74e) for a section of 10 μ x10 μm (the dimensions are given to ± 1 μm). The inlet and outlet ports of the ions are aligned on the axis of each quadrupole: the points A and B in FIG. 7A are the traces of these axes in this figure.
Une simulation comparative d'un quadrupôle classique (à électrode de section circulaire) et d'un quadrupôle à barreau carré (conforme à l'invention) a été réalisée.A comparative simulation of a conventional quadrupole (with an electrode of circular section) and a quadrupole with square bar (according to the invention) was carried out.
L'étude du mouvement d'un ion (confinée à la région centrale, près de l'axe du quadrupôle) dans un potentiel dépendant des variables x, y, z et temps, pour une configuration quadrupolaire donnée est possible de manière analytique ou par simulation. Les potentiels +V et -V sont variables dans le temps afin que l'ion soit successivement attiré par un groupe d'électrodes puis attiré par les deux autres électrodes et cela de manière cyclique. A) - Cas du quadrupôle classique : des barreaux à section circulaire, de rayon r0=0,39 mm, avec un rayon de gorge de 0,45 mm ont été considérés. La longueur des barreaux est de l'ordre de 10 mm ; une telle grandeur peut être considérée comme grande par rapport aux dimensions transverses, et permet un certain nombre d'oscillations de l'ion sur sa trajectoire. La polarisation des électrodes en fonction du temps est simulée à l'aide d'un programme d'optique électronique (programme "SIMION", version 4.0, D.A. Dahl et J.E. Delmore, Idaho National Engineering Laboratory, 1988). La solution choisie pour fixer les tensions U et V (partie continue et alternative du potentiel appliqué aux barres) est celle utilisée par la plupart des constructeurs (rapport U/V=0,17).The study of the movement of an ion (confined to the central region, near the quadrupole axis) in a potential dependent on the variables x, y, z and time, for a given quadrupole configuration is possible analytically or by simulation. The potentials + V and -V are variable over time so that the ion is successively attracted by a group of electrodes then attracted by the two other electrodes and this in a cyclical manner. A) - Case of the classic quadrupole: bars with circular section, radius r 0 = 0.39 mm, with a groove radius of 0.45 mm were considered. The length of the bars is of the order of 10 mm; such a quantity can be considered as large compared to the transverse dimensions, and allows a certain number of oscillations of the ion on its trajectory. The polarization of the electrodes as a function of time is simulated using an electronic optics program ("SIMION" program, version 4.0, DA Dahl and JE Delmore, Idaho National Engineering Laboratory, 1988). The solution chosen to fix the voltages U and V (continuous and alternative part of the potential applied to the bars) is that used by most manufacturers (U / V ratio = 0.17).
Les figures 8A-8C sont un exemple de résultat obtenu, pour un filtrage autour de la masse M=10 (M=9 : figure 8A, M=10 : figure 8B et M=ll : figure 8C) . Sur ces figures, seule la moitié de chaque barreau est représentée. D'après ces figures, on constate que, pour une énergie cinétique de lOeV dans la direction de l'axe du quadrupôle, la masse atomique 9 oscille un certain nombre de fois puis diverge après 3 mm de trajectoire, la masse atomique 10 reste stable en oscillant (et donc traverse le filtre) , la masse atomique 11 diverge après 4 mm de trajectoire oscillante non stable.Figures 8A-8C are an example of the result obtained, for a filtering around the mass M = 10 (M = 9: figure 8A, M = 10: figure 8B and M = ll: figure 8C). In these figures, only half of each bar is shown. According to these figures, it can be seen that, for a kinetic energy of 10eV in the direction of the axis of the quadrupole, the atomic mass 9 oscillates a certain number of times and then diverges after 3 mm of trajectory, the atomic mass 10 remains stable by oscillating (and therefore crosses the filter), the atomic mass 11 diverges after 4 mm of non-stable oscillating trajectory.
B)- cas du quadrupôle à barreaux carrés : dans ce cas, on a d'abord cherché à vérifier que des conditions de potentiel, dans la région centrale (forme d'hyperboles), semblables à celles obtenues avec des barreaux à section circulaire, peuvent être obtenues avec des barreaux à section carrée ou polygonale. C'est ce qui a été fait, et on a ainsi pu montrer, par simulation, que l'utilisation de barreaux carrés de petite section permet d'obtenir la même carte de potentiel électrique dans la région centrale du quadrupôle, que celle obtenue en utilisant des barreaux de section ronde. Les figures 9A et 9B montrent la juxtaposition des équipotentielles d'un modèle à barreaux de section ronde (cylindres de diamètre 2xr(=0,78 mm), figure 9A) et d'un autre à barreaux de section carrée (poutres carrées de côté a=0,46 mm, figure 9B) . Les surfaces des poutres carrées étant plus éloignées de l'axe du quadrupôle que celle des cylindres, on applique un potentiel plus élevé sur ces électrodes. Dans le cas étudié, le potentiel est doublé pour obtenir la même carte de potentiel au centre.B) - case of the quadrupole with square bars: in this case, we first tried to verify that potential conditions, in the central region (form of hyperbolas), similar to those obtained with bars with circular section, can be obtained with square or polygonal bars. It is which has been done, and it has thus been possible to show, by simulation, that the use of square bars of small section makes it possible to obtain the same map of electrical potential in the central region of the quadrupole, as that obtained by using bars of round section. Figures 9A and 9B show the juxtaposition of the equipotentials of a model with round section bars (cylinders of diameter 2xr (= 0.78 mm), Figure 9A) and another with square section bars (square side beams a = 0.46 mm, Figure 9B). The surfaces of the square beams being more distant from the axis of the quadrupole than that of the cylinders, a higher potential is applied to these electrodes. In the case studied, the potential is doubled to obtain the same potential card in the center.
Les figures 10A à 10C représentent le filtrage de la masse 10 (par rapport aux masses M=9 et M=ll) dans le cas d'un spectromètre à barreaux à section carrée. On constate que le filtrage s'effectue tout aussi bien qu'avec les barreaux cylindriques.FIGS. 10A to 10C represent the filtering of the mass 10 (with respect to the masses M = 9 and M = 11) in the case of a square section spectrometer. It can be seen that the filtering takes place just as well as with the cylindrical bars.
La structure de micropoutre selon l'invention permet donc de réaliser des électrodes à géométrie contrôlée. Cette géométrie permet de fournir des résultats, tant en ce qui concerne le champ électrique que les capacités de filtrage, aussi bonnes que celles des électrodes cylindriques. De plus, la géométrie proposée est compatible avec une réalisation par des techniques issues de la micro-électronique, permettant des fabrications collectives : les techniques de gravure de substrats ou de plaquettes de semiconducteur sont en effet bien maîtrisées. Par conséquent, la structure d'électrodes selon l'invention permet de réaliser un dispositif présentant une bonne résolution, ainsi qu'une bonne reproductibilité de ses performances, et dont le coût est abaissé, par rapport aux dispositifs actuellement connus.The microbeam structure according to the invention therefore makes it possible to produce electrodes with controlled geometry. This geometry makes it possible to provide results, as regards the electric field as the filtering capacities, as good as those of the cylindrical electrodes. In addition, the proposed geometry is compatible with production by techniques derived from microelectronics, allowing collective manufacturing: the techniques for etching substrates or semiconductor wafers are indeed well mastered. Consequently, the electrode structure according to the invention makes it possible to produce a device having good resolution, as well as good reproducibility of its performance, and the cost of which is lowered, compared with currently known devices.
Les dispositifs selon l'invention peuvent être utilisés dans tous les domaines de la spectrométrie de masse, où la connaissance de la nature des gaz et des polluants est souhaitée (par exemple dans le domaine de l'environnement ou de l'industrie de la microélectronique) . Même à résolution réduite, par exemple à ΔM=±3, un tel instrument (ou "capteur") peut présenter un intérêt. En effet, par exemple, les contaminations par hydrocarbures sont détectables entre les masses à 50 et 60, sans qu'il y ait dans ce domaine d'autres masses gênant l'analyse : une résolution réduite peut alors être tolérée. The devices according to the invention can be used in all fields of mass spectrometry, where knowledge of the nature of gases and pollutants is desired (for example in the field of the environment or the microelectronics industry ). Even at reduced resolution, for example at ΔM = ± 3, such an instrument (or "sensor") may be of interest. Indeed, for example, contamination by hydrocarbons is detectable between the masses at 50 and 60, without there being in this domain other masses hindering the analysis: a reduced resolution can then be tolerated.

Claims

REVENDICATIONS
1. Microdispositif pour générer un champ multipolaire transversal, comportant n micropoutres conductrices longitudinales (32-38 ; 70-76 ; 82-88 ; 90-94) , à section droite polygonale, et disposées autour d'un axe longitudinal, ces micropoutres étant aptes à générer un champ électrique non uniforme dans un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal.1. Microdevice for generating a transverse multipolar field, comprising n longitudinal conductive microbeams (32-38; 70-76; 82-88; 90-94), of polygonal cross section, and arranged around a longitudinal axis, these microbeams being able to generate a non-uniform electric field in a plane perpendicular to the longitudinal axis.
2. Microdispositif pour générer une pluralité de champs multipolaires transversaux, comportant une pluralité de microdispositifs selon la revendication 1, assemblés en parallèle suivant une pluralité d'axes longitudinaux .2. Microdevice for generating a plurality of transverse multipole fields, comprising a plurality of microdevices according to claim 1, assembled in parallel along a plurality of longitudinal axes.
3. Microdispositif de filtrage ou de déviation ou de focalisation de particules chargées comportant n micropoutres conductrices longitudinales (32-38 ; 70- 76 ; 82-88 ; 90-94), à section droite polygonale et disposées autour d'un axe longitudinal (AA' ) de propagation des particules chargées, ces micropoutres étant aptes à générer un champ électrique non uniforme dans un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal.3. Microdevice for filtering or deflecting or focusing charged particles comprising n longitudinal conductive microbeams (32-38; 70- 76; 82-88; 90-94), of polygonal cross section and arranged around a longitudinal axis ( AA ') of propagation of charged particles, these microbeams being able to generate a non-uniform electric field in a plane perpendicular to the longitudinal axis.
4. Microdispositif de filtrage ou de déviation ou de focalisation de particules chargées comportant une pluralité de microdispositifs selon la revendication 3, assemblés en parallèle, suivant une pluralité d'axes longitudinaux.4. Microdevice for filtering or deflecting or focusing charged particles comprising a plurality of microdevices according to claim 3, assembled in parallel, along a plurality of longitudinal axes.
5. Microdispositif selon l'une des revendications 1 à 4, comportant en outre des moyens pour polariser lesdites micropoutres conductrices. 5. Microdevice according to one of claims 1 to 4, further comprising means for polarizing said conductive microbeams.
6. Microdispositif selon l'une des revendications 1 à 5, chaque micropoutre étant réalisée dans un substrat plan (44, 46, 48 ; 96, 98, 100) et maintenue dans le plan du substrat par des barrettes de sustentation (50, 52, 54, 56 ; 106, 108, 110, 112, 114, 116) .6. Microdevice according to one of claims 1 to 5, each microbeam being produced in a planar substrate (44, 46, 48; 96, 98, 100) and maintained in the plane of the substrate by strips of lift (50, 52, 54, 56; 106, 108, 110, 112, 114, 116).
7. Microdispositif selon l'une des revendications 1 à 6, comportant : - au moins une première et une deuxième plaques (44, 46, 48 ; 96, 98, 100), en matériau isolant ou semiconducteur,7. Microdevice according to one of claims 1 to 6, comprising: - at least first and second plates (44, 46, 48; 96, 98, 100), of insulating or semiconductor material,
- des moyens (40, 42, 102, 104) permettant de maintenir les plaques parallèles, à une certaine distance l'une de l'autre,- means (40, 42, 102, 104) enabling the plates to be kept parallel, at a certain distance from each other,
- des zones gravées dans chaque plaque y définissant les micropoutres.- zones engraved in each plate defining the microbeams there.
8. Microdispositif selon la revendication 7, les moyens (40, 42, 102, 104) permettant de maintenir les plaques parallèles permettant en outre de réaliser un alignement de ces plaques de manière à obtenir un champ multipolaire.8. A microdevice according to claim 7, the means (40, 42, 102, 104) allowing the plates to be kept parallel allowing further alignment of these plates so as to obtain a multipolar field.
9. Microdispositif selon la revendication 7 ou 8, les zones gravées des plaques y définissant également des barrettes de sustentation (50, 52, 54, 56 ; 106, 108, 110, 112, 114, 116) reliant les micropoutres entre elles ou aux parties non gravées des plaques .9. Microdevice according to claim 7 or 8, the etched areas of the plates also defining there levitation bars (50, 52, 54, 56; 106, 108, 110, 112, 114, 116) connecting the microbeams together or to unetched parts of the plates.
10. Microdispositif selon l'une des revendications 7 à 9, les moyens pour maintenir les plaques à distance entre elles comportant des entretoises isolantes (40, 42, 102, 104) .10. Microdevice according to one of claims 7 to 9, the means for keeping the plates at a distance between them comprising insulating spacers (40, 42, 102, 104).
11. Microdispositif selon l'une des revendications 1 à 10, comportant en outre des moyens pour y faire entrer ou introduire des particules chargées suivant une direction définie par ledit axe longitudinal, ou suivant des directions définies par les axes longitudinaux. 11. Microdevice according to one of claims 1 to 10, further comprising means for entering or introducing charged particles in a direction defined by said longitudinal axis, or in directions defined by the longitudinal axes.
12. Spectromètre de masse comportant un microdispositif selon l'une des revendications 1 à 10, ainsi que des moyens pour introduire des ions dans le microdispositif, et des moyens de détection. 12. Mass spectrometer comprising a microdevice according to one of claims 1 to 10, as well as means for introducing ions into the microdevice, and detection means.
13. Procédé de réalisation d'un microdispositif pour générer un champ multipolaire transversal, ou d'un microdispositif de filtrage ou de déviation ou de focalisation de particules chargées, comportant les étapes suivantes : - gravure de P substrats (44, 46, 48 ; 96, 98, 100) en matériau isolant ou semiconducteur de manière à définir, dans chaque substrat, une ou plusieurs micropoutres longitudinales (32-38 ; 70-76 ; 82-88 ; 90-94) , - métallisation des micropoutre,13. Method for producing a microdevice for generating a transverse multipolar field, or a microdevice for filtering or deflecting or focusing charged particles, comprising the following steps: - etching of P substrates (44, 46, 48; 96, 98, 100) of insulating or semiconductor material so as to define, in each substrate, one or more longitudinal microbeams (32-38; 70-76; 82-88; 90-94), - metallization of the microbeam,
- assemblage des P substrats gravés, en parallèle les uns des autres, de manière à ce que les micropoutres soient disposées autour d'un ou de plusieurs axes longitudinaux, ou autour d'un ou de plusieurs axes longitudinaux de propagation des particules chargées, et soient aptes à générer un champ électrique non uniforme dans un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal .assembly of the P etched substrates, in parallel with one another, so that the microbeams are arranged around one or more longitudinal axes, or around one or more longitudinal axes of propagation of the charged particles, and are capable of generating a non-uniform electric field in a plane perpendicular to the longitudinal axis.
14. Procédé de réalisation d'un microdispositif pour générer une pluralité de champs multipolaires transversaux, ou d'un microdispositif de filtrage ou de déviation ou de focalisation de particules chargées, comportant :14. A method of producing a microdevice for generating a plurality of transverse multipolar fields, or of a microdevice for filtering or deflecting or focusing charged particles, comprising:
- la réalisation de microdispositifs individuels chacun permettant de générer un champ multipolaire transversal, ou chacun permettant de réaliser le filtrage ou la déviation ou la focalisation de particules chargées, et chacun comportant n micropoutres conductrices longitudinales (32-38, 70- 76, 82-88, 90-94) à section droite polygonale, et disposées autour d'un axe longitudinal, ces micropoutres étant aptes à générer un champ électrique non uniforme dans un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal, l'assemblage en parallèle des microdispositifs obtenus lors de l'étape précédente. - the production of individual microdevices each making it possible to generate a transverse multipolar field, or each making it possible to carry out the filtering or the deflection or the focusing of charged particles, and each comprising n longitudinal conductive microbeams (32-38, 70- 76, 82-88, 90-94) of polygonal cross section, and arranged around a longitudinal axis, these microbeams being able to generate a non-uniform electric field in a plane perpendicular to the longitudinal axis, the parallel assembly of the microdevices obtained during the previous step.
EP98922869A 1997-04-25 1998-04-24 Miniature device for generating a multipolar field, in particular for filtering or deviating or focusing charged particles Withdrawn EP0978139A1 (en)

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