KR102078116B1 - 통합된 커패시터 트랜스임피던스 증폭기 - Google Patents

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Abstract

통합된 용량성 검출기를 포함하는 분광계가 설명된다. 통합된 용량성 검출기는 콜렉터로부터의 이온 전류를 변화 전압으로 통합한다. 검출기는 분광계 내에 이온을 수용하도록 구성된 콜렉터, 유전체, 및 유전체의 반대측 상의 콜렉터와의 중첩 구성으로 배치된 플레이트를 포함한다. 검출기는 또한 증폭기를 포함한다.

Description

통합된 커패시터 트랜스임피던스 증폭기{INTEGRATED CAPACITOR TRANSIMPEDANCE AMPLIFIER}
본 발명은 검출기 장치에 관한 것으로서, 특히, 분광계용 검출기에 관한 것이다.
이온 이동도 분광계("IMS") 및 필드 비대칭 이온 이동도 분광계("FAIMS") 또는 차동(differential) 이동도 분광계("DMS") 장치는 종종 폭발물, 마약, 수포 및 신경 작용제 등과 같은 물질을 검색하는데 사용된다. 분광계는 일반적으로 의심되는 물질 또는 분해 물질(analyte)을 포함하는 공기의 샘플이 가스 또는 증기로서 공급되는 검출기 셀을 포함한다. 셀은 대기압에서나 근처에 동작하고, 셀을 따라 전압 구배(voltage gradient)를 생성하도록 통전된 전극을 포함한다.
공기의 샘플 내의 분자는 방사성 소스, 자외선("UV") 소스, 또는 코로나 방전에 의해 이온화되고, 하나의 단부에 있는 정전 게이트에 의해 셀의 드리프트 영역으로 들어간다. 이온화된 분자는 콜렉터에 대한 이온의 크기에 의존하는 속도로 셀의 대향 단부로 드리프트하며, 이는 콜렉터 내에 전류 펄스를 발생시킨다. 콜렉터로의 전류는 전압으로 변환되어 증폭된다. 셀을 따라 비행 시간을 측정함으로써 이온을 식별할 수 있다.
본 발명의 배경 부분에서 논의된 주제(subject matter)는 본 발명의 배경 부분에서 언급한 결과로서만 종래 기술로 간주되지 않아야 한다. 마찬가지로, 본 발명의 배경 부분에서 언급되거나 본 발명의 배경 부분의 주제와 연관된 문제는 이전에는 종래에서 인식된 것으로 간주되지 않아야 한다. 본 발명의 배경 부분에서의 주제는 그 자체가 또한 발명일 수 있는 서로 다른 접근 방식을 나타낸다.
통합된 용량성 검출기를 포함하는 분광계가 설명된다. 분광계는 이온에 기초하여 분자를 식별하기 위해 관심 샘플로부터 분자를 이온화하기 위해 사용될 수 있다. 구현에서, 이온은 분광계 내의 챔버를 따라 이동하며, 콜렉터에 의해 수집된다. 생성된 이온 신호는 통합된 용량성 검출기에 의해 증폭된다.
일 양태에서, 분광계가 제공된다. 분광계는 검출기를 포함한다. 검출기는, 콜렉터를 향하여 드리프트된 이온을 수용하도록 구성된 제 1 측 및 제2측을 갖는, 콜렉터를 포함한다. 검출기는 또한 콜렉터의 제 2 측에 인접한 유전체 요소를 포함한다. 검출기는 또한 입력 및 출력을 가진 증폭기를 포함한다. 검출기는 또한 유전체 요소에 인접하고, 콜렉터의 반대편에 있는 용량성 플레이트 요소를 포함한다. 용량성 플레이트 요소는 증폭 요소의 출력과 결합된다.
다른 양태에서, 분광계가 제공된다. 분광계는 검출기를 포함한다. 검출기는 유전체의 제 1 측 상에 지지된 콜렉터를 향해 드리프트되는 이온을 수용하도록 구성된 콜렉터를 포함한다. 검출기는 또한 콜렉터와의 중첩 구성(overlapping configuration)에서의 제 1 측의 반대편의 유전체의 제 2 측 상에 배치된 플레이트 요소를 포함한다. 검출기는 또한 입력 및 출력을 갖는 증폭기를 포함한다. 콜렉터는 입력과 전기적으로 결합된다. 플레이트 요소는 출력과 전기적으로 결합된다.
본 발명의 다른 실시예는 분광계에 관한 것이다. 분광계는 이온을 수집하도록 구성된 콜렉터를 포함한다. 콜렉터는 커패시터의 제 1 플레이트로 배치되고 구성된다. 분광계는 콜렉터에 인접한 유전체를 포함한다. 분광계는 또한 유전체에 대해 콜렉터의 반대편에 배치된 커패시터의 제 2 플레이트로서 구성된 플레이트를 포함한다. 분광계는 또한 입력, 출력, 및 피드백 루프를 포함하는 증폭 요소를 갖는다. 커패시터는 피드백 루프 내에 구성된다.
본 발명의 요약은 아래에서 상세한 설명에 더 설명되는 간략한 형태로 개념의 선택을 도입하기 위해 제공된다. 이러한 본 발명의 요약은 청구된 발명 대상의 주요 특징 또는 본질적인 특징을 식별하도록 의도되지 않고, 청구된 발명 대상의 범위를 제한하는데 사용되는 것으로 의도되지 않는다.
상세한 설명은 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 도면에서, 참조 번호의 최좌측 숫자는 참조 번호가 먼저 보이는 도면을 식별한다. 이러한 설명과 도면에서 서로 다른 사례(instance)의 동일한 참조 번호의 사용은 유사하거나 동일한 항목을 나타낼 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라 통합된 용량성 검출기를 포함하는 예시적인 IMS 장치의 개략도이다.
도 2는 예를 들어 도 1에 도시된 예시적인 IMS 장치와 통합된 용량성 검출기로서 이용될 수 있는 통합된 용량성 검출기의 실시예의 상세도를 도시한다.
도 3은 예를 들어 도 2에 도시된 배치에 의해 형성된 회로와 같은 트랜스임피던스 증폭기 회로의 실시예의 개략도이다.
도 4는 도 2에 도시된 배치에 의해 형성된 회로의 대안적 실시예의 개략도이다.
도 5는 통합된 용량성 검출기 및 제 2 검출기를 포함하는 IMS 장치의 제 2 실시예의 개략도이다.
도 6은 리셋 회로를 가진 검출기의 실시예의 개략도이다.
도 1은 관심 샘플의 분자의 전기적 이온화를 구현하는 이온 이동도 분광계("IMS")와 같은 예시적인 분광계의 개략도이다. IMS(100)는 제 1 벽(104)에서 제 2 벽(106)으로 연장하는 세장형 하우징(elongate housing)(102)을 포함한다. 제 1 벽(104)에 인접한 하우징(102) 내에는 유입구(108)가 정의되어 있다. 관심 분자는 유입구(108)를 통해 하우징(102) 내로 유입될 수 있다. 하우징(102)은 또한 유체 연통하는 이온화 챔버(110) 및 드리프트 챔버(112)를 정의하지만 드리프트 챔버(112)로의 이온의 통과를 제어할 수 있는 게이트(114)에 의해 분리된다. 이온화 챔버(110)는 니켈 63 소스, 코로나 방전 장치, 광 이온화 소스, 또는 관심 샘플을 이온화하기 위한 임의의 다른 적절한 타입의 소스와 같은 방사성 소스일 수 있는 이온화 소스(116)를 포함할 수 있다. 드리프트 챔버(112)는 이온이 (도 1에 도시된 바와 같이) 왼쪽에서 오른쪽으로 드리프트하는 데에 효과적인 드리프트 챔버(112)의 길이를 따라 전위 구배를 제공하기 위해 드리프트 챔버(112)를 따라 이격된 전극 쌍(118)을 포함한다. 드리프트 챔버(112) 내의 하우징(102)의 제 2 벽(106)에는 검출기(122)의 콜렉터(120)가 인접해 있다. 이온은 이온이 콜렉터(120)와 접촉할 때에 검출된다.
관심 분자의 이온화는 다양한 방법으로 발생할 수 있다. 예를 들면, 이온화 소스는 플라즈마에 형성되는 이온을 이용하여 다양한 다단계 프로세스를 통해 분자를 이온화할 수 있다.
실시예에서, 반응물 이온(reactant ion)은 코로나에 의해 생성된다. 반응물 이온은 관심 분자를 이온화한다. 예를 들면, 이온화 소스는 후속하여 관심 분자를 이온화하기 위해 떼어놓은 이온을 형성한다. 반응물 이온은 이온화된 가스(예를 들어, 공기 내의 질소 및 가스) 및 물 등과 같은 이온화 챔버 내의 다른 가스일 수 있다. 관심 분자의 분열(fragmentation)이 가능하지만, 이온화는 "소프트" 이온화를 생성시킴으로써 하나의 전하, 예를 들어, 플러스 1 또는 마이너스 1 전하를 전달하는 분자를 위하여 분자의 분열을 최소화하도록 제어될 수 있다.
일 실시예에서, IMS는 이온이 게이트(114)가 개방된 후에 콜렉터(120)에 도달하는 데 걸리는 시간이 길다. 이러한 비행 시간은 기본 분자와 연관될 수 있다. 이온의 이온 이동도는 이온과 관련된 분자를 식별하는 데 사용된다. 예를 들면, 컴퓨터는 공지된 이온의 플라즈마그램(plasmagram)의 라이브러리와 검출기(122)의 출력을 비교하기 위해 사용될 수 있다. 콜렉터(120)로부터 방전된 이온 전류는 일반적으로 매우 작다. 따라서, 아래에 더 설명되는 바와 같이, 검출기(122)는 이온 전류를 증폭하기 위해 증폭 요소(126)를 포함하는 증폭 회로(124)를 포함한다.
검출기(122)의 출력은 측정 시스템(123)에 결합될 수 있다. 아래에 더 설명되는 바와 같이, 측정 시스템(123)의 실시예는 아날로그-디지털 변환기, 디지털-아날로그 변환기, 증폭 요소, 프로세서 등을 포함할 수 있다. 프로세서는, 프로세서가 형성되는 물질이나 프로세서 내에서 채용되는 처리 메커니즘에 의해 제한되지 않는다. 예를 들면, 프로세서는 반도체 및/또는 트랜지스터(예를 들어, 전자 집적 회로("IC"))로 구성될 수 있다. 실시예는 다른 적절한 측정 시스템(123)을 포함할 수 있다.
메모리는 프로세서에 포함될 수 있다. 메모리는 IMS, 데이터 등을 조작하기 위한 명령어의 프로그램과 같은 데이터를 저장할 수 있다. 하나의 메모리 장치가 사용될 수 있지만, 랜덤 액세스 메모리("RAM"), 하드 디스크 메모리, 분리 가능한 매체의 메모리, 외부 메모리, 및 다른 타입의 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체와 같은 다양한 타입 및 조합의 메모리(예를 들어, 유형의 메모리(tangible memory))가 채용될 수 있다.
이온은 제 2 벽(106)을 향해 드리프트 챔버(112)로 끌어 내린다. 콜렉터(120)는 제 2 벽(106)에 인접하여 위치된다. 도시된 실시예에서, 콜렉터(120)는 유전체(128)에 의해 지지된다. 유전체(128)는 임의의 적절한 유전체일 수 있고, 도시된 실시예에서는 폴리이미드로 이루어진 인쇄 회로 기판("PCB")이다. 콜렉터(120)는 임의의 적절한 재료(예를 들어, 구리, 다른 금속, 전도성 재료 등) 또는 재료의 조합으로 구성될 수 있고, PCB 상에 증착되거나 적절한 수단에 의해 PCB와 결합될 수 있다.
도 2는 예를 들어 도 1에 도시된 예시적인 IMS 장치와 통합된 용량성 검출기로서 이용될 수 있는 통합된 용량성 검출기의 실시예의 상세도를 도시한다. 콜렉터(220)는 이온을 수집을 위한 적절한 영역에 걸쳐 PCB(228) 상에 증착된다. 일 실시예에서, PCB(228)는 실질적으로 대략 7.5 mm의 직경을 가진 원형 및 대략 44 평방 밀리미터의 사각형 영역이다. 다른 적절한 형상, 치수 및 영역이 또한 구상된다. 일 실시예에서, 콜렉터(220)는 정확한 검출을 허용하면서 상당한 소형의 크기이다. 도시된 실시예에서, 콜렉터(220)는 가드 링(230)에 의해 둘러싸여 있다. 가드 링(230)은 전도성 재료, 금속 등과 같은 임의의 적절한 재료로부터 형성될 수 있다.
콜렉터(220)의 반대편의 PCB(228)의 측면 상에는 용량성 플레이트 요소(232)가 지지되어 있다. 용량성 플레이트 요소(232)는 임의의 적절한 재료(예를 들어, 구리, 다른 금속, 전도성 재료 등) 또는 재료의 조합으로 구성될 수 있고, PCB 상에 증착되거나 적절한 수단에 의해 PCB와 결합될 수 있다.
평행 플레이트 커패시터는, 플레이트의 중첩 면적, 플레이트 사이의 분리 및 유전 상수(비유전율(relative permittivity))에 기초한, 다음의 식에 따른 커패시턴스를 가지며,
Figure 112014124424534-pct00001
여기서, k는 유전 재료의 유전 상수이고, A는 플레이트의 중첩 영역이고, D는 플레이트 사이의 거리이며, C는 커패시터의 커패시턴스이다.
PCB(228)와 함께 용량성 플레이트 요소(232) 및 콜렉터(220)의 중첩 부분은 커패시터로서 작용하도록 구성되고, 용량성 플레이트 요소(232)와 중첩하는 콜렉터(220)의 부분은 커패시터의 플레이트 중 하나로서 작용하고, PCB(228)는 유전체로서 작용하며, 용량성 플레이트 요소(232)는 커패시터의 다른 플레이트로서 작용하도록 구성된다. 아래에 더 설명되는 바와 같이, 용량성 플레이트 요소(232)는 원하는 응용에 대해 원하는 커패시턴스를 달성하기 위해 콜렉터(220)의 영역의 일부를 중첩하는 영역을 갖도록 치수가 정해진다. 일 실시예에서, PCB(228)는 약 3.4의 유전 상수를 갖는 폴리이미드로 형성된다. 용량성 플레이트 요소(232)는 콜렉터(220)를 중첩하는 대략 44 평방 밀리미터의 영역을 갖도록 크기가 정해진다. PCB(228)는 두께가 대략 1.5 mm이다. 따라서, 콜렉터(220), 용량성 플레이트 요소(232), 및 PCB(228)에 의해 형성된 커패시터의 커패시턴스는 대략 0.883 피코패럿이다. 다양한 응용에 적절한 다른 커패시턴스를 생성하는 다른 배치가 또한 구상된다.
아래에서 더 설명되는 바와 같이, 유전체와 함께 용량성 플레이트 요소(232) 및 콜렉터(220)의 중첩 부분에 의해 형성되는 커패시터 및 콜렉터(220)는 용량성 트랜스임피던스 증폭기 회로의 합산 접합 노드를 형성한다. 이러한 합산 접합 노드는 증폭 요소(226)의 제 1 입력(234)과 결합된다.
도 2를 더 참조하면, 증폭 요소(226)는 임의의 적절한 타입의 연산 증폭기이다. 부가적으로, 증폭 요소의 다른 적절한 타입이 또한 구상된다. 연산 증폭기(226)의 제 1 입력(234)은 이의 반전 입력이다. 연산 증폭기(226)는 또한 연산 증폭기(226)의 비반전 입력인 제 2 입력(236)을 포함한다. 연산 증폭기(226)의 제 2 입력(236)은 접지된다. 연산 증폭기(226)는 또한 출력(238)을 포함한다. 출력(238)은 용량성 플레이트 요소(232)와 결합된다.
도 3은 도 2에 도시된 장치에 의해 형성된 회로의 개략도이다. 용량성 플레이트 요소(232), 유전체(228), 및 도 2의 콜렉터(229)에 의해 형성된 커패시터는 증폭 요소(326)의 피드백 루프에 배치된 피드백 커패시터(340)의 역할을 한다. 피드백 커패시터(340) 및 콜렉터(320)는 연산 증폭기(326)의 반전 입력(334)과 결합되는 합산 접합 노드(342)에서 만난다.
도 3의 회로는 입력에 인가된 전류를 저 임피던스 출력으로 변환하는 용량성 트랜스임피던스 증폭기의 역할을 한다. 이온이 콜렉터(320)에 영향을 미칠 때, 이러한 이온 신호는 전하가 커패시터(340)에 걸쳐 축적하도록 하고, 연산 증폭기(326)의 출력은 입력 신호의 극성에 따라 양 또는 음의 방향으로 증가한다. 따라서, 도시된 바와 같이, 회로는 적분기로서 동작하고, 콜렉터(320)로부터의 이온 전류를 증가하는 전압으로 통합한다.
전하가 커패시터(340)에 축적함에 따라, 커패시터(340)는 동작 한계(operational limit)에 도달할 수 있고, 커패시터(340)를 리셋하기 위해 방전을 필요로 할 수 있다. 일 실시예에서, 커패시터(340)는 리셋 스위칭 회로(344)와 병렬로 결합된다. 커패시터(340)를 리셋하고자 할때, 리셋 스위칭 회로(344)의 스위치는 폐쇄되고, 커패시터(340)가 리셋되어 방전될 수 있도록 한다. 실시예에서, 리셋 스위칭 회로(344)는 또한 순간 전류를 제한하기 위해 전압의 변화율을 제어하기 위한 저항 요소를 포함할 수 있다.
도 4는 도 2에 도시되고, 커패시터(440)를 방전시키기 위한 대안적 배치를 가진 장치에 의해 형성된 회로의 개략도이다. 다양한 연산 증폭기(426)는 입력 보호 다이오드를 제공한다. 연산 증폭기(426)의 출력과 결합되는 용량성 플레이트 요소(432)는 접지되도록 스위칭된다. 그 후, 커패시터 상에 저장된 전하는 연산 증폭기(426)의 보호 다이오드를 통해 소산된다. 일부 실시예에서, 저항 요소는 방전 동안 순간 전류를 제한하기 위해 제공된다.
연산 증폭기(426)는 전력을 연산 증폭기(426)에 제공하기 위한 공급 연결부(supply connection)를 포함한다. 일부 예에서, 커패시터(440)는 연산 증폭기(426)의 공급 연결부를 접지함으로써 리셋된다. 그 다음에, 커패시터(440) 상에 저장된 전하는 연산 증폭기의 내부 다이오드 구조를 통해 소산된다. 일부 실시예에서, 저항 요소는 순간 전류를 제한하기 위해 전압의 변화율을 제어하도록 통합된다.
다른 실시예에서, 커패시터(440)는 연산 증폭기(426)의 공급 연결부를 부분적으로 또는 완전히 반전시킴으로써 리셋된다. 그 다음에, 커패시터(440) 상에 저장된 전하는 연산 증폭기의 내부 다이오드 구조를 통해 소산된다. 일부 실시예에서, 저항 요소는 순간 전류를 제한하기 위해 전압의 변화율을 제어하도록 통합된다.
또 다른 실시예에서, 분광계(100)는 전환된 극성 셀 내의 이온 발생기를 더 포함한다. 커패시터(140)를 리셋하는 대신에, 이온 발생기는 커패시터를 반대 극성으로 커패시터를 스윙(swing)하기 위해 사용된다.
커패시터(140)의 리셋에 대해 설명되지만, 또한 일 실시예에서 예를 들어 명칭이 오프셋을 가진 용량성 트랜스임피던스 증폭기이고, 본 출원의 양수인과 동시에 출원되고 본 출원의 양수인에게 양도되었으며, 본 명세서에서 전적으로 참조로 통합된 미국 특허 출원 제61/654,426호에 설명된 바와 같이 검출기(122)는 커패시터(140)의 리셋없이 오프셋 배치에도 사용될 수 있다는 것이 구상된다.
도 5는 분광계(500)의 대안적 실시예를 도시한다. 분광계(500)는 실질적으로 도 1의 분광계(100)와 동일한 구성 요소를 포함하지만, 분광계(500)는 또한 제 2 콜렉터(546), 제 2 연산 증폭기(548)와 연산 증폭기(548)의 피드백 루프에 배치된 저항 요소(550)를 포함한다. 저항 요소(550) 및 제 2 콜렉터(546)는 제 2 연산 증폭기(548)의 반전 입력(554)과 결합되는 접합부(552)에 결합된다. 제 2 연산 증폭기(548)의 비반전 입력(556)은 접지된다.
동작시에, 관심 샘플은 이온화 챔버(510)로 끌어들여지고, 이온화 소스(516)는 샘플을 이온화한다. 이온이 드리프트 챔버(512)를 통해 이동하도록 하기 위해 개방되는 게이트(114)에 후속하는 시간의 제 1 부분을 위해, 이온은 제 2 콜렉터(546)에 의해 수집된다. 이러한 기간 동안, 제 1 콜렉터(520) 및 관련 회로는 리셋 상태로 유지된다. 이온화 소스(516)에 의한 이온화는 통상적으로 반응물 이온 피크(및 생성된 반응물 이온 피크 전류)를 초래한다. 이러한 반응물 이온 피크가 경과할 때까지, 제 2 콜렉터(546) 및 관련된 회로가 사용된다. 그러나, 반응물 이온 피크 후, 제 1 콜렉터(520) 및 관련된 회로는 리셋하기 위해 더 이상 유지되지 않고, 단독으로 또는 제 2 콜렉터(546)와 조합하여 이온 스트림을 모니터링하는 데 사용된다. 설명된 배치는 이런 방식으로 이온 스펙트럼의 선택된 부분을 확대하는 데 사용된다.
도 6은 검출기(622)의 대안적 실시예를 도시한다. 본 실시예에서, 연산 증폭기(626)의 출력은 저항 요소(657)와 결합된다. 저항 요소(657)는 폐쇄될 때 저항 요소(657)를 접지하는 스위치(659)와 결합된다. 스위치(659)가 개방되면, 저항 요소(657)는 제 2 증폭 요소(661), 일 실시예에서는 계측 증폭기 또는 제 2 연산 증폭기의 비반전 입력과 결합된다. 제 2 연산 증폭기(661)의 출력은 피드백 커패시터(640)와 결합된다. 이러한 구성에 기초하여, 피드백 커패시터(640)에 걸친 전하는 시스템의 기존 상태와 입력 신호와 관계 없이 변경될 수 있다. 스위치(659)가 폐쇄되면, 제 2 증폭 요소(661)에 연결된 용량성 플레이트 요소(632)에서의 전압은 증폭 요소의 공급 전압 내의 임의의 레벨로 구동될 수 있다. 커패시터(640)의 대향 플레이트는 백투백(back-to-back) 다이오드에 의해 접지 근처에 차지하게 된다. 다이오드(663)가 별도의 요소로서 도시되지만, 일 실시예에서는 이러한 다이오드(663)가 제 1 증폭 요소(626)의 입력 회로에 통합된다. 따라서, 일 실시예에서, 커패시터(640)는 추가적인 구성 요소 또는 추가적인 연결부 없이 합산 접합 노드(642)로 리셋될 수 있다.
유전체(128) 및 콜렉터(120)의 반대편의 유전체(128)의 측면에 나타낸 구성 요소는 다양한 실시예에서 드리프트 챔버(112) 및 하우징(102)의 내부 또는 외부에 배치될 수 있다. 일부 실시예에서 적분기, 유전체 등의 합산 접합부는 하우징(102)의 내부에 위치될 수 있고, 이러한 요소는 임의의 수단에 의해 적절히 차폐된다는 것이 구상된다.
상술한 실시예에서는 용량성 요소가 평행한 플레이트 타입 커패시터의 측면에서 설명되지만, 다른 용량성 배치의 사용이 또한 구상된다. 부가적으로, 설명된 실시예에서 PCB가 유전체(128)로서 작용하지만, 또한 PCB가 용량성 플레이트 요소(132)와 콜렉터(120) 사이에 에어 갭을 제공하기 위해 다른 구조적인 기술과 함께 사용될 수 있다는 것이 구상된다. 한편, 유전체 요소는 에어 갭, 인쇄 회로 기판, 세라믹, 열가소성, 유리, 폴리카보네이트, 폴리에스테르, 폴리스티렌, 폴리프로필렌, 또는 PFTE 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
부가적으로, 증폭 회로(126)가 도면에 개략적으로 도시되어 있지만, 증폭 회로(126)는 PCB(128)에 의해 지지될 수 있다는 것이 구상된다. 다른 실시예에서, 증폭 회로(126)는 유전체로부터 분리될 수 있다.
용량성 트랜스임피던스 증폭기를 포함하는 검출기의 실시예는 열 잡음을 피하거나 감소시킬 수 있고, 저잡음 신호를 제공한다.
일 실시예에서, 트랜스임피던스 증폭기는 외부 잡음 소스로부터 차폐하여 잡음 도입을 피할 수 있다. 다른 실시예에서, 트랜스임피던스 증폭기는 광대역폭을 제공할 수 있다. 다른 실시예에서, 트랜스임피던스 증폭기는 전기 누설을 피할 수 있다.
통합된 용량성 검출기가 주위 압력에서 동작하도록 구성되는 IMS의 특정 실시예와 조합하여 상술되지만, 통합된 용량성 검출기의 실시예는 FAIMS 및 DMS를 포함하는 다양한 서로 다른 분광계 배치로 이용될 것이라는 것이 구상된다. 통합된 용량성 검출기의 실시예가 사용될 수 있다는 것이 구상되는 예시적인 분광 장치는 예를 들어 브래드쇼 등에 의한 미국 특허 제6,051,832호, 터너 등에 의한 미국 특허 제6,255,623호, 테일러 등에 의한 미국 특허 제5,952,652호, 스팽글러 등에 의한 미국 특허 제4,551,624호, 매치린스키 등에 의한 미국 특허 제6,459,079호, 앳킨슨에 의한 미국 특허 제6,495,824호에 개시되어 있으며, 이의 각각의 개시물은 본 명세서에서 전적으로 참조로 통합된다.
본 명세서에서 달리 나타내거나 문맥에 의해 명백하게 부인하지 않으면, 본 발명을 설명하는 문맥에서(특히 다음의 청구범위의 문맥에서) 용어 "하나(a, an)" 및 "상기(the)" 및 유사한 참조물의 사용은 단수와 복수의 모두를 커버하는 것으로 해석되어야 한다. 용어 "포함하는" 및 "갖는"는 달리 명시하지 않는 한 제약을 두지 않은(open-ended) 용어로 해석되어야 한다(즉, "포함하지만, 이에 제한되지 않는 것"을 의미한다). 본 명세서에서 달리 나타내지 않으면, 본 명세서에서 값 범위의 설명은 범위 내에 속하는 각각의 별도의 값을 개별적으로 참조하는 속기 방법(shorthand method)의 역할을 하도록만 의도되고, 각각의 별도의 값은 본 명세서에 개별적으로 설명된 것처럼 본 명세서에 통합된다. 본 명세서에서 달리 나타내거나 문맥에 의해 명백하게 부인하지 않으면, 본 명세서에 설명된 모든 방법은 임의의 적절한 순서로 수행될 수 있다. 본 명세서에 제공된 임의 및 모든 예 또는 예시적인 언어(예컨대, "와 같은")의 사용은 본 발명을 더 잘 설명하기 위해서만 의도되고, 달리 청구되지 않는 한 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다. 본 명세서의 어떤 언어도 본 발명을 실시하는데 필수적인 어떤 청구되지 않은 요소를 나타내는 것으로 해석되어서는 안된다.
부가적인 실시예에서, 다양한 분석 장치는 본 명세서에서 설명된 구조, 기술, 접근 방식을 이용할 수 있다. 따라서, IMS 장치가 본 문서에서 기술되어 있지만, 다양한 분석 기기는 설명된 기술, 접근 방식, 구조 등을 이용할 수 있다. 이러한 장치는 제한된 기능(예를 들어, 얇은 장치) 또는 강력한 기능(예를 들어, 두꺼운 장치)으로 구성될 수 있다. 따라서, 장치의 기능은 장치의 소프트웨어 또는 하드웨어 자원, 예를 들어, 처리 능력, 메모리(예를 들어, 데이터 저장 능력), 분석 능력 등에 관계할 수 있다. 예를 들면, 코로나 소스는 또한 질량 분광계("MS")와 같은 이온화 프로세스를 포함하는 다른 타입의 분석법에 이용될 수 있다.
증폭기 및 증폭 요소에 대한 참조가 행해지지만, 증폭기 또는 증폭 요소는 하나의 요소로 제한되는 것으로 의도되지 않는다. 대신에, 이러한 용어가 일부 실시예에서 다수의 요소, 집적 회로, 또는 증폭을 위해 적절한 임의의 다른 배치를 포함하는 회로를 포함할 수 있다는 것이 구상된다.
본 개시물이 구조적인 방식으로 실시예를 설명하였지만, 구조 및 구조적 및/또는 기능적 균등물은 방법을 수행할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예는 본 명세서에서 설명되고, 본 발명을 수행하기 위해 본 발명자에게 알려진 최상의 모드를 포함한다. 이러한 바람직한 실시예의 변형은 상술한 설명을 이해할 시에 당업자에게 명백해질 수 있다. 본 발명자는 당업자가 이러한 변형을 적절히 사용하기를 기대하며, 본 발명자는 본 발명이 특히 본 명세서에서 설명된 것과 다르게 실시되기를 의도한다. 따라서. 본 발명은 적용 가능한 법률에 의해 허용되는대로 본 명세서에 첨부된 청구범위에 인용된 주제의 모든 수정 및 균등물을 포함한다. 더욱이, 본 명세서에서 달리 지시되거나 문맥 상 명백하게 부인되지 않는 한, 모든 가능한 변형의 상술한 요소의 임의의 조합은 본 발명에 포함된다.
본 발명이 구조적 특징 및/또는 방법론적 동작에 특정한 언어로 설명되었지만, 첨부된 청구범위에 정의된 본 발명은 설명된 특정한 특징 또는 동작에 반드시 제한되지는 않는 것으로 이해되어야 한다. 오히려, 특정한 특징 및 동작은 청구된 발명을 구현하는 예시적인 형태로서 개시된다.

Claims (24)

  1. 분광계에 있어서,
    검출기를 포함하는데, 상기 검출기는
    제 1 측 및 제 2 측을 가진 콜렉터로서, 상기 제 1 측은 상기 콜렉터로 드리프트되는 이온을 검출하도록 구성되는 상기 콜렉터;
    상기 제 2 측에 인접한 유전체 요소;
    입력 및 출력을 가진 증폭기; 및
    상기 유전체 요소에 인접하고, 상기 콜렉터의 반대편에 있는 용량성 플레이트 요소를 포함하는데, 상기 용량성 플레이트 요소는 상기 증폭기의 출력과 결합되며,
    상기 콜렉터, 상기 유전체 요소, 및 상기 용량성 플레이트 요소는 상기 증폭기의 피드백 루프에서 커패시터의 역할을 하는 분광계.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체 요소는 인쇄 회로 기판을 포함하는 분광계.
  3. 삭제
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 콜렉터는 상기 증폭기의 입력과 결합되어, 상기 증폭기, 상기 콜렉터, 상기 유전체 요소, 및 상기 용량성 플레이트 요소가 용량성 트랜스임피던스 증폭기를 형성하는 분광계.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 용량성 플레이트 요소, 상기 유전체 요소 및 상기 콜렉터는 상기 콜렉터로부터의 이온 전류를 전압으로서 통합하도록 구성된 적분기 회로를 포함하는 분광계.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 커패시터와 결합되어, 상기 커패시터를 선택적으로 리셋하도록 구성되는 리셋 회로를 더 포함하는 분광계.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 증폭기는 연산 증폭기를 포함하고, 상기 커패시터는 상기 연산 증폭기의 다이오드를 통해 방전시킴으로써 선택적으로 리셋되도록 구성되는 분광계.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 유전체 요소에 인접한 상기 콜렉터를 둘러싸는 가드 링을 더 포함하는 분광계.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 유전체 요소는 에어 갭, 인쇄 회로 기판, 세라믹, 열가소성, 유리, 폴리카보네이트, 폴리에스테르, 폴리스티렌, 폴리프로필렌, 또는 PFTE 중 적어도 하나를 포함하는 분광계.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 분광계는 주위 압력에서 동작하도록 구성되는 이온 이동도 분광계인 분광계.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 용량성 플레이트 요소 및 상기 콜렉터는 44 평방 밀리미터 영역에 걸쳐 중첩하는 분광계.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    이온 피크가 경과할 때까지 적어도 이온을 수용하도록 구성되는 트랜스임피던스 증폭기와 결합된 제 2 콜렉터를 더 포함하는 분광계.
  13. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 콜렉터는 상기 유전체 요소의 제 1 측 상에 지지되며,
    상기 용량성 플레이트 요소는 상기 콜렉터와의 중첩 구성으로 상기 제 1 측의 반대편의 상기 유전체 요소의 제 2 측 상에 배치된 분광계.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 커패시터를 선택적으로 리셋하도록 구성된 리셋 회로를 더 포함하는 분광계.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 증폭기는 적어도 하나의 입력 보호 다이오드를 포함하고;
    상기 리셋 회로는 스위칭 요소 및 저항 요소를 포함하는데, 상기 스위칭 요소는 상기 증폭기의 적어도 하나의 입력 보호 다이오드와 상기 용량성 플레이트 요소를 결합하도록 선택적으로 구성되는 분광계.
  20. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 콜렉터는 상기 커패시터의 제 1 플레이트로 배치되고 구성되며,
    상기 용량성 플레이트 요소는 상기 유전체 요소에 대해 상기 콜렉터의 반대편에 배치된 상기 커패시터의 제2 플레이트로 구성된 분광계.
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 제 20 항에 있어서,
    상기 콜렉터, 상기 유전체 요소, 상기 용량성 플레이트 요소 및 상기 증폭기는 적분기로 배치되고 구성되며,
    상기 적분기는 합산 접합부를 포함하고, 상기분광계는 상기 합산 접합부와 직접 결합되지 않고 상기 적분기를 리셋하도록 구성된 리셋 회로를 더 포함하는 분광계.
  24. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 콜렉터는 드리프트 튜브로부터 이온을 수집하기 위한 상기 분광계의 상기 드리프트 튜브의 단부를 향해 배치되는 분광계.
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