JP7102733B2 - イオン検出装置及び電界非対称波形イオン移動度分光分析システム - Google Patents

Description

本発明は、イオン検出装置及び電界非対称波形イオン移動度分光分析システムに関する。

電界非対称波形イオン移動度分光分析（Field Asymmetric Ion Mobility Spectrometry：ＦＡＩＭＳ）システムによる化学物質の検出及び分析について種々の検討が行われている。ＦＡＩＭＳシステムは、非対称の交流信号が印加される１対の電極を備えたイオンフィルタを有しており、イオン化した化学物質をイオンフィルタに流すと、その移動度の差によって選別される。イオンフィルタを通過した化学物質をイオン検出電極に衝突させ、イオン検出電極で発生した電流を検出することで、化学物質を特定できる。

従来、ＦＡＩＭＳシステムに関し、イオン化した化学物質の流れを制御するための構造を備えたイオン移動度分光計が提案されている。

しかしながら、従来のＦＡＩＭＳシステムでは十分な検出感度を得ることができない。

本発明は、優れた検出感度を得ることができるイオン検出装置及びＦＡＩＭＳシステムを提供することを目的とする。

イオン検出装置の一態様は、互いに対向する第１の電極及び第２の電極を備えたイオンフィルタと、前記イオンフィルタを通過した通過イオンが衝突するイオン検出電極と、前記イオン検出電極を前記第１の電極及び前記第２の電極から電気的に絶縁する固体の絶縁材と、を有し、第１の支持層、第１の絶縁層及び第１の活性層を備えた第１のＳＯＩ基板と、第２の支持層、第２の絶縁層及び第２の活性層を備え、前記第２の支持層が前記第１の支持層に接する第２のＳＯＩ基板と、を有し、前記イオン検出電極は、前記第１の活性層に形成され、前記絶縁材は、前記第１の絶縁層及び前記第２の絶縁層に形成され、前記第１の電極及び前記第２の電極は、前記第２の活性層に形成されていることを特徴とする。
イオン検出装置の他の一態様は、互いに対向する第１の電極及び第２の電極を備えたイオンフィルタと、前記イオンフィルタを通過した通過イオンが衝突するイオン検出電極と、前記イオン検出電極を前記第１の電極及び前記第２の電極から電気的に絶縁する固体の絶縁材と、を有し、第１の支持層、第１の絶縁層及び第１の活性層を備えた第１のＳＯＩ基板と、第２の支持層、第２の絶縁層及び第２の活性層を備え、前記第２の活性層が前記第１の支持層に接する第２のＳＯＩ基板と、を有し、前記イオン検出電極は、前記第１の活性層に形成され、前記絶縁材は、前記第２の絶縁層に形成され、前記第１の電極及び前記第２の電極は、前記第２の活性層に形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、優れた検出感度を得ることができる。

第１の実施形態に係るイオン検出装置を示す模式図である。 イオンの移動度の電界強度依存性を示す図である。 第１の実施形態に係るイオン検出装置におけるイオンの移動の軌跡を示す図である。 イオンフィルタで発生する電界波形の一例を示す図である。 第２の実施形態に係るイオン検出装置を示す模式図である。 第２の実施形態に係るイオン検出装置の作用を示す断面図である。 第３の実施形態に係るイオン検出装置を示す模式図である。 第３の実施形態に係るイオン検出装置の使用方法を示す斜視図である。 第４の実施形態に係るイオン検出装置を示す斜視図及び上面図である。 第４の実施形態に係るイオン検出装置を示す分解斜視図である。 第４の実施形態に係るイオン検出装置を示す断面図である。 第４の実施形態に係るイオン検出装置の使用方法を示す斜視図である。 第４の実施形態に係るイオン検出装置の製造方法を工程順に示す断面図である。 第５の実施形態に係るイオン検出装置を示す斜視図及び上面図である。 第５の実施形態に係るイオン検出装置を示す分解斜視図である。 第５の実施形態に係るイオン検出装置を示す断面図である。 第５の実施形態に係るイオン検出装置の使用方法を示す斜視図である。 第４の実施形態の変形例を示す斜視図である。 第６の実施形態に係るイオン検出装置を示す斜視図及び断面図である。 第６の実施形態に係るイオン検出装置を示す分解斜視図である。 第７の実施形態に係るイオン検出装置を示す斜視図及び断面図である。 第７の実施形態に係るイオン検出装置を示す分解斜視図である。 第８の実施形態に係るＦＡＩＭＳシステムの構成を示すブロック図である。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った。この結果、従来のＦＡＩＭＳシステムに用いられているイオン検出装置においては、イオンフィルタとイオン検出電極との間にセンチメートルオーダーの隙間が存在しており、この隙間が検出感度に影響を及ぼしていることが判明した。一般に、イオンは拡散及びクーロン斥力により、空間的に広がろうとする。このため、イオンフィルタからイオン検出電極までの距離が長いほどイオンのロスが増加し、検出感度が低下してしまう。イオンフィルタとイオン検出電極との距離を短縮すればイオンのロスを低減することが可能であるが、距離が短いほどイオンフィルタとイオン検出電極との間で放電が生じやすい。そこで、本発明者らは、放電を回避しながらイオンのロスを低減すべく、更に鋭意検討を行った。この結果、イオンフィルタ及びイオン検出電極を互いから電気的に絶縁する固体の絶縁材を設けることで、イオンフィルタとイオン検出電極との距離を短縮しても放電を回避することが可能であることが見出された。更に、固体の絶縁材はイオンフィルタ及びイオン検出電極の位置決め部材として機能し、構造の安定性の向上にも寄与することが見出された。そして、本発明者らは下記の種々の実施形態に想到した。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係るイオン検出装置を示す模式図である。

図１に示すように、第１の実施形態に係るイオン検出装置１００は、互いに対向する第１の電極１１１及び第２の電極１１２を備えたイオンフィルタ１１０と、イオンフィルタ１１０を通過した通過イオンが衝突するイオン検出電極１２０と、イオン検出電極１２０を第１の電極１１１及び第２の電極１１２から電気的に絶縁する固体の絶縁材１３０とを有する。

ここで、イオン検出装置１００の基本原理について説明する。図２は、イオンの移動度の電界強度依存性を示す図である。図３は、イオン検出装置１００におけるイオンの移動の軌跡を示す図である。図４は、イオンフィルタで発生する電界波形の一例を示す図である。イオン検出装置１００は、イオン検出電極１２０にイオン電流検出回路を接続して用いられる。イオン検出電極１２０に衝突したイオンの量に応じて電流が発生し、この電流がイオン電流検出回路により検出される。なお、ここでは、ＸＹＺ３次元直交座標系を用い、被測定分子の進行方向を＋Ｚ方向とし、第２の電極１１２から第１の電極１１１が見える方向を＋Ｙ方向とする。

イオンは、電界Ｅの環境下では次の（１）式で示される移動速度Ｖで移動する。ここで、Ｋは、該イオンの移動度である。
Ｖ＝Ｋ×Ｅ ・・・ （１）

ところで、イオンの移動度には電界強度依存性がある。そして、この電界強度依存性は、イオンの種類によって異なっている。図２には、一例として、種類が異なる３つのイオン（イオン１１、イオン１２、イオン１３）における移動度の電界強度依存性が示されている。なお、図２では、分かりやすくするため、各イオンの移動度が電界強度０で等しくなるように正規化されている。

３つのイオン（イオン１１、イオン１２、イオン１３）の移動度は、電界強度が９ｋＶ／ｃｍ以下の低電界強度ではほぼ変化なしである。電界強度が約１０ｋＶ／ｃｍから増すにつれてイオンの種類固有の特性が移動度に現れる。イオン１１の移動度は、電界強度が増加するに従って大きく増加し、正の高電界（Ｅｍａｘ）で最大となる。イオン１２の移動度は、イオン１１よりも緩やかに増加する。イオン１３の移動度は、緩やかに減少する。このように三者三様の特性を示している。イオンフィルタ１１０は、低電界強度での移動度と高電界強度での移動度との違いを利用してイオンの選別を行う。

図３には、イオンフィルタ１１０の第１の電極１１１と第２の電極１１２との間における３つのイオン（イオン１１、イオン１２、イオン１３）の移動の軌跡が示されている。なお、ここでは、分かりやすくするため、便宜的に、第１の電極１１１及び第２の電極１１２を導電体でできた平行平板としている。

第１の電極１１１と第２の電極１１２との間に発生する電界の波形を非対称電界波形とすることによって、任意のイオン（図３では、イオン１２）のみをイオン検出電極１２０に到達させることができる。

図４には、第１の電極１１１と第２の電極１１２との間に発生させる電界波形の一例が示されている。この電界波形は、正の高電界（Ｅｍａｘ）と負の低電界（Ｅｍｉｎ）を交互に繰り返している。そして、高電界の期間（ｔ１）は低電界の期間（ｔ２）よりも短く、ｔ１とｔ２との比は１：３～１：５である。このように電界波形は、上下に関して非対称である。この非対称電界波形は、時間平均電界が零であり、次の（２）式が成り立つように設定されている。
｜Ｅｍａｘ｜×ｔ１＝｜Ｅｍｉｎ｜×ｔ２ ・・・ （２）

すなわち、図４における領域２１の面積と領域２２の面積が一致するように設定されている。

なお、以下では、次の（３）式に示されるように、｜Ｅｍａｘ｜×ｔ１の値、及び｜Ｅｍｉｎ｜×ｔ２の値をβとする。
｜Ｅｍａｘ｜×ｔ１＝｜Ｅｍｉｎ｜×ｔ２＝β ・・・ （３）

ところで、高電界の期間（ｔ１）に、イオンがＹ軸方向に関して移動する速度（Ｖｕｐ）は、次の（４）式で示される。ここで、Ｋ（Ｅｍａｘ）は、高電界（Ｅｍａｘ）のときのイオンの移動度である。
Ｖｕｐ＝Ｋ（Ｅｍａｘ）×｜Ｅｍａｘ｜ ・・・ （４）

例えば、｜Ｅｍａｘ｜が約１０ｋＶ／ｃｍ以上の場合、３つのイオン（イオン１１、イオン１２、イオン１３）では、イオン毎に移動度が異なるので、３つのイオンの移動速度（Ｖｕｐ）は三者三様に異なる。すなわち、図３に示されるように、高電界の期間（ｔ１）では、３つのイオンの移動軌跡の傾斜は互いに異なっている。

そして、高電界の期間（ｔ１）に、イオンがＹ軸方向に関して移動した距離である変位（ｙｕｐ）は、次の（５）式で示される。
ｙｕｐ＝Ｖｕｐ×ｔ１ ・・・ （５）

一方、低電界の期間（ｔ２）に、イオンがＹ軸方向に関して移動する速度（Ｖｄｏｗｎ）は、次の（６）式で示される。ここで、Ｋ（Ｅｍｉｎ）は、低電界（Ｅｍｉｎ）のときのイオンの移動度である。
Ｖｄｏｗｎ＝－Ｋ（Ｅｍｉｎ）×｜Ｅｍｉｎ｜ ・・・ （６）

例えば、｜Ｅｍｉｎ｜が約５ｋＶ／ｃｍ以下の場合、３つのイオン（イオン１１、イオン１２、イオン１３）では、移動度がほぼ同一であるので、３つのイオンの移動速度（Ｖｄｏｗｎ）はほぼ同一である。すなわち、図３に示されるように、低電界の期間（ｔ２）では、３つのイオンの移動軌跡の傾斜はほぼ同じである。

そして、低電界の期間（ｔ２）に、イオンがＹ軸方向に関して移動した距離である変位（ｙｄｏｗｎ）は、次の（７）式で示される。
ｙｄｏｗｎ＝Ｖｄｏｗｎ×ｔ２ ・・・ （７）

非対称電界波形の１周期（Ｔ）内では、イオンは、＋Ｚ方向に移動しつつ、期間（ｔ１）の間に＋Ｙ方向に移動し、期間（ｔ２）の間に－Ｙ方向に移動する。

そこで、図３に示されるように、ジグザグ運動を繰り返しながら第１の電極１１１に向かうもの（イオン１１）と、ジグザグ運動を繰り返しながら第２の電極１１２に向かうもの（イオン１３）と、＋Ｙ方向の変位と－Ｙ方向の変位とが釣り合い、イオン検出電極１２０に向かうもの（イオン１２）とに分類される。

ところで、非対称電界波形における１周期（Ｔ）での、イオンのＹ軸方向に関する平均変位（ΔｙＲＦ）は、次の（８）式で表される。
ΔｙＲＦ＝ｙｕｐ＋ｙｄｏｗｎ
＝Ｋ（Ｅｍａｘ）×｜Ｅｍａｘ｜×ｔ１－Ｋ（Ｅｍｉｎ）×｜Ｅｍｉｎ｜×ｔ２ ・・・ （８）

そして、上記（８）式は、上記（３）式を用いて次の（９）式のように表すことができる。
ΔｙＲＦ＝β｛Ｋ（Ｅｍａｘ）－Ｋ（ｍｉｎ）｝ ・・・ （９）

ここで、Ｋ（Ｅｍａｘ）－Ｋ（ｍｉｎ）をΔＫとおくと、上記（９）式は次の（１０）式のように表される。
ΔｙＲＦ＝βΔＫ ・・・ （１０）

βは第１の電極１１１と第２の電極１１２との間に印加される非対称電界で決まる定数である。そこで、非対称電界波形の１周期（Ｔ）あたりのイオンのＹ軸方向に関する変位は、低電界（Ｅｍｉｎ）での移動度と高電界（Ｅｍａｘ）での移動度の差分であるΔＫに依存する。

キャリアガスだけがイオンをＺ軸方向に移送させると仮定すると、イオンが第１の電極１１１と第２の電極１１２との間に滞在しているときの、該イオンのＹ軸方向に関する変位（Ｙ）は、次の（１１）式で示される。ここで、ｔｒｅｓは、イオンが第１の電極１１１と第２の電極１１２との間に滞在している平均時間（平均イオン滞在時間）である。

平均イオン滞在時間ｔｒｅｓは、次の（１２）式で表される。ここで、Ａはイオンフィルタ１１０におけるイオンパスの断面積、ＬはＺ軸方向に関する電極の長さ（電極深さ）、Ｑはキャリアガスの容積流量である。Ｖはイオンフィルタ１１０の容積（＝Ａ×Ｌ）である。

上記（１１）式は、上記（１２）式及び上記（３）を用いて、次の（１３）式のように表すことができる。ここで、Ｄは非対称電界波形のデューティであり、Ｄ＝ｔ１／Ｔである。

非対称電界波形における高電界（Ｅｍａｘ）、イオンフィルタ１１０におけるイオンパスの容積（Ｖ）、非対称電界波形のデューティ（Ｄ）、及びキャリアガスの容積流量（Ｑ）について、すべてのイオン種に対して同一の値を用いると、上記（１３）式から、変位（Ｙ）は、イオン種固有の低電界（Ｅｍｉｎ）での移動度と高電界（Ｅｍａｘ）での移動度との差分ΔＫに比例することがわかる。

なお、図３ではイオン１２の変位（Ｙ）が最小であり、イオン１２のみがイオン検出電極１２０に到達しているが、デューティ（Ｄ）を変化させることによってイオン１２とは異なるΔＫを有するイオンをイオン検出電極１２０に到達させることができる。さらに、デューティ（Ｄ）を小刻みに変化させていくことで、ΔＫが異なる様々なイオンの有無や量を検出することができる。

また、イオン検出装置１００において、ΔＫが異なる様々なイオン種を検出する方法として、非対称電界波形に低強度のＤＣ電界を重畳する方法がある。この方法によると、期間（ｔ１）及び期間（ｔ２）でのＹ軸方向に関する変位量を変化させることができる。そこで、第１の電極１１１又は第２の電極１１２に接触せずにイオン検出電極１２０に到達することができるイオン種を連続的に変えることができる。なお、非対称電界波形に重畳するＤＣ電界は補償電圧（compensation voltages：ＣＶ）とよばれている。この方法では、補償電圧を掃引してΔＫが異なる様々なイオン種の有無や量を検出する。

ところで、イオン検出電極１２０に到達する前に第１の電極１１１又は第２の電極１１２に接触したイオンは、中和されてイオンでなくなり検出されない。

イオン検出装置１００によれば、イオンフィルタ１１０とイオン検出電極１２０との間に固体の絶縁材１３０が設けられているので、イオンフィルタ１１０とイオン検出電極１２０との距離を短くしても放電が生じにくい。従って、放電を回避しながら、イオンフィルタ１１０とイオン検出電極１２０とを互いに近づけてイオンのロスを低減することができる。このため、高い検出感度を得ることができる。更に、固体の絶縁材１３０はイオンフィルタ１１０及びイオン検出電極１２０の位置決め部材としても機能するため、構造の安定性を向上することができる。また、固体の絶縁材１３０の特性は気温、湿度及び気圧等の雰囲気の影響を受けにくいため、イオンフィルタ１１０とイオン検出電極１２０との間に空気のみが存在する構造と比べて本実施形態は安定した動作が可能である。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図５は、本発明の第２の実施形態に係るイオン検出装置を示す模式図である。

図５に示すように、第２の実施形態に係るイオン検出装置２００は、第１の実施形態におけるイオン検出電極１２０に代えて、イオンフィルタ１１０を通過する通過イオンの進行方向と平行に延びる開口部２２１が設けられたイオン検出電極２２０を含む。他の構成は第１の実施形態と同様である。通過イオンの進行方向は、イオンフィルタ１１０内のドリフトガスの進行方向と一致する。

イオン検出装置２００によってもイオン検出装置１００と同様の効果が得られる。更に、イオン検出装置２００では、イオン検出電極２２０に開口部２２１が設けられているため、図６に示すように、イオンフィルタ１１０を通過してきたドリフトガスがイオン検出電極２２０を通過しやすい。従って、第１の実施形態と比較して、ドリフトガスの流れの乱れに起因するイオンのロスが低減される。

イオン検出電極２２０が多孔質の導電材から構成されていてもよく、機械加工等により導電性の板材に開口部２２１が形成されていてもよい。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図７は、本発明の第３の実施形態に係るイオン検出装置を示す模式図である。

図７に示すように、第３の実施形態に係るイオン検出装置３００は、第１の実施形態におけるイオン検出電極１２０に代えて、互いから電気的に絶縁された第３の電極３２３及び第４の電極３２４を有するイオン検出電極３２０を含む。第３の電極３２３及び第４の電極３２４は、例えば、第１の電極及び第２の電極と同様に、互いに対向している。第３の電極３２３及び第４の電極３２４は、通過イオンの進行方向と平行な板形状を有しており、第３の電極３２３と第４の電極３２４との間には、イオンフィルタ１１０内のイオンパスと繋がる空間が存在する。他の構成は第１の実施形態と同様である。通過イオンの進行方向は、イオンフィルタ１１０内のドリフトガスの進行方向と一致する。

ここで、イオン検出装置３００の使用方法について説明する。図８は、イオン検出装置３００の使用方法を示す斜視図である。第３の電極３２３又は第４の電極３２４の一方にイオン電流検出回路が接続され、他方に直流電圧が印加される。例えば、図８に示すように、第３の電極３２３にイオン電流検出回路が接続され、第４の電極３２４に直流電圧が印加される。この場合、直流電圧の極性に応じたイオンが第３の電極３２３に衝突し、この衝突したイオンの量に応じた電流がイオン電流検出回路により検出される。他の内容は第１の実施形態と同様である。

イオン検出装置３００によってもイオン検出装置２００と同様の効果が得られる。更に、イオン検出装置３００によれば、ドリフトガスの乱れをより一層抑制できるとともに、イオン検出電極３２０への直流電圧の印加によりイオンのイオン検出電極３２０への衝突頻度を向上することができる。従って、より高効率での検出が可能となる。また、直流電圧の極性に応じて検出するイオンを選択することもできる。

（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。図９（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ本発明の第４の実施形態に係るイオン検出装置を示す斜視図、上面図である。図１０は、本発明の第４の実施形態に係るイオン検出装置を示す分解斜視図である。図１１（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ図９（ｂ）中のＩ－Ｉ線、ＩＩ－ＩＩ線、ＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面図である。

第４の実施形態に係るイオン検出装置４００は、図９～図１１に示すように、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板４５０を有する。ＳＯＩ基板４５０は、例えば、導電性を具備したＳｉの支持層４６０、支持層４６０上のＳｉＯ_２の絶縁層４７０、及び絶縁層４７０上の導電性を具備したＳｉの活性層４８０を含む。支持層４６０の中央部に複数の矩形の開口部４６１が並んで形成され、絶縁層４７０の中央部に平面視で蛇行する開口部４７１が形成され、活性層４８０の中央部に平面視で蛇行する開口部４８１が形成されている。言い換えると、絶縁層４７０及び活性層４８０は、いずれも、その中央部に互いに入れ違いになった櫛歯状のパターンを有する。開口部４７１及び開口部４８１は開口部４６１を横切るようにして蛇行している。支持層４６０はイオン検出電極の一例であり、絶縁層４７０は絶縁材の一例であり、活性層４８０はイオンフィルタの一例である。活性層４８０に開口部４８１に繋がる２つの溝４８２が形成されており、開口部４８１及び溝４８２により活性層４８０が２分割されている。分割された活性層４８０の一方が第１の電極の一例であり、他方が第２の電極の一例である。

ここで、イオン検出装置４００の使用方法について説明する。図１２は、イオン検出装置４００の使用方法を示す斜視図である。図１２に示すように、例えば、第２の電極４１２の電位を接地電位等に固定し、第１の電極４１１に非対称の交流信号源を接続する。また、支持層４６０にイオン電流検出回路を接続する。そして、イオンを含むドリフトガスを活性層４８０の上方から開口部４８１に通流させる。この結果、開口部４８１を通過する間にイオンが分類され、支持層４６０に衝突したイオンの量に応じて電流が発生し、この電流がイオン電流検出回路により検出される。

次に、イオン検出装置４００の製造方法について説明する。図１３は、イオン検出装置４００の製造方法を工程順に示す断面図である。図１３には、図１１（ａ）と同様、図９（ｂ）のＩ－Ｉ線に沿った断面を示す。

まず、図１３（ａ）に示すように、支持層４６０、絶縁層４７０及び活性層４８０を含むＳＯＩ基板を準備する。次いで、図１３（ｂ）に示すように、活性層４８０をエッチングし、開口部４８１（第１の開口部）を形成する。次いで、図１３（ｃ）に示すように、支持層４６０をエッチングし、開口部４６１（第２の開口部）を形成する。次いで、図１３（ｄ）に示すように、絶縁層４７０をエッチングし、開口部４７１（第３の開口部）を形成する。このようにして、イオン検出装置４００を製造することができる。

この方法によれば、小型のイオン検出装置を容易かつ高精度に製造することができる。すなわち、イオンフィルタ、絶縁材及びイオン検出電極を個別に準備し、これらを組み合わせる方法では、これらを小型化するほど組み合わせ時の位置合わせ精度を高く維持することが困難となる。特に、イオンフィルタとイオン検出電極との間の距離を狭めるべく、絶縁材を薄くするほど、絶縁材のハンドリング性が低下し、位置合わせが困難になりやすい。一方、この方法では、一般的な半導体装置等の製造方法で採用されているＳＯＩ基板のエッチングを行えばよく、例えば絶縁層４７０を単独でハンドリングする必要がなく、高精度での位置合わせが可能である。

なお、開口部の形成順序は上記のものに限定されない。例えば、開口部４６１を形成した後に開口部４８１を形成してもよい。

第４の実施形態において、絶縁層４７０のパターンが活性層４８０のパターンに倣うのではなく、支持層４６０のパターンに倣っていてもよい。

イオン検出装置４００の寸法は限定されない。例えば、ＳＯＩ基板４５０の厚さは０．２ｍｍ～０．４ｍｍ、ＳＯＩ基板４５０の平面形状は一辺の長さが３．０ｍｍ～７．０ｍｍの矩形、開口部４８１が形成された領域は一辺の長さが２．０ｍｍ～３．０ｍｍの矩形領域、開口部４８１の幅は０．０３０ｍｍ～０．０４０ｍｍである。

（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。図１４（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ本発明の第５の実施形態に係るイオン検出装置を示す斜視図、上面図である。図１５は、本発明の第５の実施形態に係るイオン検出装置を示す分解斜視図である。図１６（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ図１４（ｂ）中のＩ－Ｉ線、ＩＩ－ＩＩ線に沿った断面図である。

図１４～図１６に示すように、第５の実施形態に係るイオン検出装置５００は、ＳＯＩ基板５５０を有し、ＳＯＩ基板５５０は、第４の実施形態における支持層４６０に代えて、導電性を具備したＳｉの支持層５６０を含む。支持層５６０の中央部に平面視で蛇行する開口部５６１が形成されている。言い換えると、支持層５６０は、その中央部に互いに入れ違いになった櫛歯状のパターンを有する。開口部５６１は開口部４７１及び開口部４８１と倣うように形成されている。つまり、開口部５６１、開口部４７１及び開口部４８１は、平面視で重なり合っている。支持層５６０はイオン検出電極の一例である。支持層５６０に開口部５６１に繋がる２つの溝５６２が形成されており、開口部５６１及び溝５６２により支持層５６０が２分割されている。分割された支持層５６０の一方が第３の電極５２３として用いられ、他方が第４の電極５２４として用いられる。

ここで、イオン検出装置５００の使用方法について説明する。図１７は、イオン検出装置５００の使用方法を示す斜視図である。第３の電極５２３又は第４の電極５２４の一方に直流電圧が印加され、他方にイオン電流検出回路が接続される。例えば、図１７に示すように、第３の電極５２３に直流電圧（バイアス電圧）が印加され、第４の電極５２４にイオン電流検出回路が接続される。この場合、直流電圧の極性に応じたイオンが第４の電極５２４に衝突し、この衝突したイオンの量に応じた電流がイオン電流検出回路により検出される。他の内容は第４の実施形態と同様である。

イオン検出装置５００によってもイオン検出装置４００と同様の効果が得られる。更に、イオン検出装置５００によれば、ドリフトガスの乱れをより一層抑制できるとともに、イオン検出電極として機能する支持層５６０への直流電圧（バイアス）の印加によりイオンを支持層５６０に衝突させやすくできる。従って、イオンの検出効率をより向上することができる。また、直流電圧の極性に応じて検出するイオンを選択することもできる。

平面視で、溝５６２の位置は溝４８２の位置からずれていることが好ましい。これらが重なり合っている場合、平面視で重なり合った場所には絶縁層４７０のみが存在することになるため、イオン検出装置５００の強度が低くなるおそれがあるからである。

イオン検出装置５００を製造するには、イオン検出装置４００の製造方法と同様の方法において、支持層５６０のエッチングパターンを変更すればよい。

なお、第４の実施形態において、開口部４６１が互いに繋がり、開口部５６１のように平面視で蛇行していてもよい。更に、図１８に示すように、平面視で蛇行する開口部４６１に溝５６２と同様の溝４６２が形成され、２分割された支持層４６３が支持層４６０に代えて用いられてもよい。この場合、使用時には、２分割された支持層４６３の両方にイオン電流検出回路が接続される。

（第６の実施形態）
次に、本発明の第６の実施形態について説明する。図１９（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ本発明の第６の実施形態に係るイオン検出装置を示す斜視図、断面図である。図２０は、本発明の第６の実施形態に係るイオン検出装置を示す分解斜視図である。図１９（ｂ）には、図１９（ａ）中の二点鎖線で示す断面を示す。

第６の実施形態に係るイオン検出装置６００は、図１９及び図２０に示すように、２つのＳＯＩ基板６５０を有する。ＳＯＩ基板６５０は、例えばＳｉの支持層６６０、支持層６６０上のＳｉＯ_２の絶縁層６７０、及び絶縁層６７０上の導電性を具備したＳｉの活性層６８０を含む。活性層６８０の中央部に平面視で蛇行する開口部６８１が形成されている。言い換えると、活性層６８０は、その中央部に互いに入れ違いになった櫛歯状のパターンを有する。支持層６６０の中央部には、平面視で、開口部６８１を取り囲むように開口部６６１が形成されている。絶縁層６７０の中央部には、開口部６６１に倣う開口部６７１が形成されている。活性層６８０に開口部６８１に繋がる２つの溝６８２が形成されており、開口部６８１及び溝６８２により活性層６８０が２分割されている。

２つのＳＯＩ基板６５０は、互いに支持層６６０同士が向かい合うようにして貼り合わされており、両ＳＯＩ基板６５０の開口部６８１同士が平面視で重なり合っている。両ＳＯＩ基板６５０の開口部６６１同士及び開口部６７１同士も平面視で重なり合っている。２つの活性層６８０のうちの一方がイオン検出電極の一例であり、他方がイオンフィルタの一例であり、絶縁層６７０及び支持層６６０の積層体が絶縁材の一例である。イオンフィルタに相当する分割された活性層６８０の一方が第１の電極の一例であり、他方が第２の電極の一例である。イオン検出電極に相当する分割された活性層６８０の一方が第３の電極の一例であり、他方が第４の電極の一例である。

イオン検出装置６００によっても第５の実施形態と同様の効果を得ることができる。

イオン検出装置６００を製造する際には、ＳＯＩウェハを準備し、エッチングにより開口部６８１、開口部６６１及び開口部６７１を形成し、ＳＯＩウェハの個片化を行うことにより、複数のＳＯＩ基板６５０を作製する。次いで、２つのＳＯＩ基板６５０を貼り合わせることにより、イオン検出装置６００を得る。

このように、イオン検出装置６００の製造に当たっては、支持層６６０及び絶縁層６７０に開口部６８１ほどの微細な加工を行う必要がない。このため、第５の実施形態と比較して製造しやすい。一般に、パターンが疎であるほど高いエッチングレートが得やすい。このため、開口部６６１を短時間で形成することができる。

開口部６８１の形成後で開口部６６１を形成する前に研磨等により支持層６６０を薄化することが好ましい。両活性層６８０の間の距離を縮めてイオンのロスをより低減するためである。

（第７の実施形態）
次に、本発明の第７の実施形態について説明する。図２１（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ本発明の第７の実施形態に係るイオン検出装置を示す斜視図、断面図である。図２２は、本発明の第７の実施形態に係るイオン検出装置を示す分解斜視図である。図２１（ｂ）には、図２１（ａ）中の二点鎖線で示す断面を示す。

第７の実施形態に係るイオン検出装置７００は、図２１及び図２２に示すように、２つのＳＯＩ基板６５０を有する。ＳＯＩ基板６５０の構成は第６の実施形態と同様である。イオン検出装置７００においては、一方のＳＯＩ基板６５０の支持層６６０が他方のＳＯＩ基板６５０の活性層６８０と向かい合うようにして、２つのＳＯＩ基板６５０が貼り合わされており、両ＳＯＩ基板６５０の開口部６８１同士が平面視で重なり合っている。両ＳＯＩ基板６５０の開口部６６１同士及び開口部６７１同士も平面視で重なり合っている。

絶縁材は、その全体が絶縁体から構成されている必要はなく、イオンフィルタとイオン検出電極とを互いから電気的に絶縁できればよい。

絶縁材の材料は特に限定されないが、絶縁材は１００ｋＶ／ｍｍ以上の絶縁破壊強度を有することが好ましく、２００ｋＶ／ｍｍ以上の絶縁破壊強度を有することがより好ましい。絶縁材を薄くしてもイオンフィルタとイオン検出電極との間の絶縁破壊を生じにくくするためである。種々の材料の絶縁破壊強度を表１に示す。絶縁材の材料としては、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４及びＡｌ_２Ｏ_３が特に好ましい。

（第８の実施形態）
次に、本発明の第８の実施形態について説明する。図２３は、本発明の第８の実施形態に係る電界非対称波形イオン移動度分光分析（ＦＡＩＭＳ）システムの構成を示すブロック図である。

第８の実施形態に係るＦＡＩＭＳシステム８００は、イオン検出装置８０２と、イオン検出装置８０２の前段に設けられたイオン発生装置８０１と、イオン検出装置８０２のイオン検出電極で発生した電流を検出するイオン電流検出回路８０３と、を含む。イオン発生装置８０１は、被測定分子をイオン化させる。イオン検出装置８０２は、第１～第７の実施形態に係るイオン検出装置のいずれかである。

ＦＡＩＭＳシステム８００には、第１～第７の実施形態に係るイオン検出装置のいずれかが含まれるため、優れた検出感度を得ることができる。

１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００ イオン検出装置
１１０ イオンフィルタ
１１１ 第１の電極
１１２ 第２の電極
１２０、２２０ イオン検出電極
１３０ 絶縁材
２２１ 開口部
３２３、５２３ 第３の電極
３２４、５２４ 第４の電極
４５０、５５０、６５０ ＳＯＩ基板
４６０、５６０、６６０ 支持層
４６１、５６１、６６１ 開口部
４７０、６７０ 絶縁層
４７１、６７１ 開口部
４８０、６８０ 活性層
４８１、６８１ 開口部
８００ ＦＡＩＭＳシステム
８０１ イオン発生装置
８０２ イオン検出装置
８０３ イオン電流検出回路

特許第５２２１９５４号公報

"HIGH SENSITIVITY FIELD ASYMMETRIC ION MOBILITY SPECTROMETER", Mario Andres, (2016), EPFL, PhD Thesis "Improving FAIMS Sensitivity Using a Planar Geometry with Slit Interfaces" Ridha Mabrouki, et al., J. Am. So. Mass Spectrom., (2009), 20, 1768 "Review on Ion Mobility Spectrometry. Part 1: current instrumentation" R. Cumeras et al., Analyst, 2015, 140, 1376-1390

Claims (8)

1. 互いに対向する第１の電極及び第２の電極を備えたイオンフィルタと、
   前記イオンフィルタを通過した通過イオンが衝突するイオン検出電極と、
   前記イオン検出電極を前記第１の電極及び前記第２の電極から電気的に絶縁する固体の絶縁材と、
   を有し、
   第１の支持層、第１の絶縁層及び第１の活性層を備えた第１のＳＯＩ基板と、
   第２の支持層、第２の絶縁層及び第２の活性層を備え、前記第２の支持層が前記第１の支持層に接する第２のＳＯＩ基板と、
   を有し、
   前記イオン検出電極は、前記第１の活性層に形成され、
   前記絶縁材は、前記第１の絶縁層及び前記第２の絶縁層に形成され、
   前記第１の電極及び前記第２の電極は、前記第２の活性層に形成されていることを特徴とするイオン検出装置。
2. 互いに対向する第１の電極及び第２の電極を備えたイオンフィルタと、
   前記イオンフィルタを通過した通過イオンが衝突するイオン検出電極と、
   前記イオン検出電極を前記第１の電極及び前記第２の電極から電気的に絶縁する固体の絶縁材と、
   を有し、
   第１の支持層、第１の絶縁層及び第１の活性層を備えた第１のＳＯＩ基板と、
   第２の支持層、第２の絶縁層及び第２の活性層を備え、前記第２の活性層が前記第１の支持層に接する第２のＳＯＩ基板と、
   を有し、
   前記イオン検出電極は、前記第１の活性層に形成され、
   前記絶縁材は、前記第２の絶縁層に形成され、
   前記第１の電極及び前記第２の電極は、前記第２の活性層に形成されていることを特徴とするイオン検出装置。
3. 前記絶縁材に、前記通過イオンの進行方向と平行に延びる開口部が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のイオン検出装置。
4. 前記絶縁材は１００ｋＶ／ｍｍ以上の絶縁破壊強度を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のイオン検出装置。
5. 前記絶縁材は、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４又はＡｌ_２Ｏ_３の膜を有することを特徴とする請求項４に記載のイオン検出装置。
6. 前記イオン検出電極は、導電性を備えた第１のＳｉ層を有し、
   前記第１の電極及び前記第２の電極は、導電性を備えた第２のＳｉ層を有し、
   前記絶縁材は、ＳｉＯ_２膜を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のイオン検出装置。
7. 前記イオン検出電極は、互いから電気的に絶縁された第３の電極及び第４の電極を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のイオン検出装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載のイオン検出装置と、
   前記イオン検出装置の前段に設けられたイオン発生部と、
   前記イオン検出電極で発生した電流を検出するイオン電流検出部と、
   を有することを特徴とする電界非対称波形イオン移動度分光分析システム。

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