PL230152B1

PL230152B1 - Integrated, miniature mass spectrometer

Info

Publication number: PL230152B1
Application number: PL419651A
Authority: PL
Inventors: Piotr Szyszka; Tomasz Grzebyk; Anna Górecka-Drzazga; Jan Dziuban
Original assignee: Politechnika Wroclawska
Priority date: 2016-12-01
Filing date: 2016-12-01
Publication date: 2018-09-28
Also published as: PL419651A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest zintegrowany, miniaturowy spektrometr mas wykonany z zastosowaniem technik MEMS, przeznaczony do wysoko precyzyjnej analizy składu chemicznego różnych substancji, w szczególności poprzez operowanie przy wysokiej próżni, rzędu 10^-5-10^-7 hPa.The subject of the invention is an integrated, miniature mass spectrometer made with the use of MEMS techniques, intended for high-precision analysis of the chemical composition of various substances, in particular by operating at high vacuum, in the order of 10 ^-5 -10 ^-7 hPa.

Spektrometry mas pozwalają na analizę składu chemicznego różnych substancji. Test rozpoczyna się od zadozowania i zjonizowania badanej próbki. Następnie, wykorzystując pole elektryczne lub magnetyczne wytworzone jony rozdziela się na podstawie stosunku ich masy do ładunku. Finalnie detektor zlicza rozseparowane jony i wynik uzyskuje się w postaci spektrum masowego. Spektrometry masowe są urządzeniami próżniowymi (separacja jonów, a w niektórych rozwiązaniach również jonizacja, następuje w warunkach obniżonego ciśnienia), dlatego urządzenia te muszą być na stałe podłączone do systemów pompowych.Mass spectrometers make it possible to analyze the chemical composition of various substances. The test begins with dosing and ionizing the test sample. Then, using an electric or magnetic field, the ions produced are separated based on their mass to charge ratio. Finally, the detector counts the separated ions and the result is obtained in the form of a mass spectrum. Mass spectrometers are vacuum devices (ion separation, and in some solutions also ionization, takes place under reduced pressure), therefore these devices must be permanently connected to the pumping systems.

W spektrometrze mas mogą być analizowane substancje w każdym stanie skupienia - stałym, ciekłym oraz gazowym, z czego wynika szerokie zastosowanie tej techniki pomiarowej. Wykorzystuje się ją do identyfikacji związków chemicznych oraz ich mieszanin, do ustalania ich struktury, składu pierwiastkowego i składu izotopowego (określanie źródła pochodzenia), a w szczególności do precyzyjnego określania składu złożonych związków o małych masach molowych (proteomika, metabolomika, badania materiałowe oraz chemia polimerów).The mass spectrometer can analyze substances in any state - solid, liquid and gaseous, which results in the wide application of this measurement technique. It is used to identify chemical compounds and their mixtures, to determine their structure, elemental composition and isotopic composition (determining the source of origin), and in particular to precisely determine the composition of complex compounds with low molar masses (proteomics, metabolomics, material research and polymer chemistry) .

W ostatnich latach podejmuje się rozliczne próby miniaturyzacji spektrometrów mas i/lub ich podzespołów. Celem jest wytworzenie przenośnych urządzeń analitycznych, które mogą być wykorzystywane nie tylko w specjalistycznych laboratoriach. Zmniejszenie wymiarów rozszerzy zakres ich aplikacji w dotychczas niedostępnych rozwiązaniach naukowych, cywilnych oraz wojskowych. W procesie miniaturyzacji oprócz technik mechaniki precyzyjnej wykorzystuje się mikroelektroniczne oraz mikroinżynieryjne techniki MEMS. W tej ostatniej technice podstawowe materiały to krzem monokrystaliczny oraz szkło borokrzemowe. Większość doniesień literaturowych oraz patentowych dotyczy miniaturyzacji poszczególnych podzespołów SM, nieliczne z systemów składają się z kilku komponentów.In recent years, numerous attempts have been made to miniaturize mass spectrometers and / or their components. The goal is to create portable analytical devices that can be used not only in specialized laboratories. Reducing the dimensions will expand the scope of their applications in previously unavailable scientific, civil and military solutions. In the miniaturization process, in addition to precision mechanics techniques, microelectronic and microengineering MEMS techniques are used. In the latter technique, the basic materials are monocrystalline silicon and borosilicate glass. Most of the literature and patent reports concern the miniaturization of individual SM components, few of the systems consist of several components.

Z publikacji S. Sheridan, M.W. Bardwell, A.D. Morse, G.H. Morgan, A carbon nano tube electron impact ionization source for low-power, compact spacecraft mass spectrometers, Advances in Space Research vol. 49, no. 8 (2012) 1245-1252, znana jest struktura źródła jonów wykorzystującego emisję połową elektronów z nanorurek węglowych. Urządzenie przeznaczone jest do jonizacji badanej próbki w wyniku bombardowania cząstek gazu wyemitowanymi wysokoenergetycznymi elektronami.From the publication of S. Sheridan, M.W. Bardwell, A.D. Morse, G.H. Morgan, A carbon nano tube electron impact ionization source for low-power, compact spacecraft mass spectrometers, Advances in Space Research vol. 49, no. 8 (2012) 1245-1252, the structure of an ion source using half electron emission from carbon nanotubes is known. The device is designed to ionize the tested sample by bombarding gas particles with emitted high-energy electrons.

Z publikacji L.F. Velasquez-Garcia, B.L.P. Gassend i A.I. Akinwande, CNT-based MEMS/NEMS gas ionizers for portable mass spectrometry applications, Journal of Microelectromechanical Systems vol. 19, no. 3 (2010) 484-493 znany jest miniaturowy jonizator gazów działający na podobnej zasadzie, ale wytworzony w całości technikami MEMS.From the publication of L.F. Velasquez-Garcia, B.L.P. Gassend and A.I. Akinwande, CNT-based MEMS / NEMS gas ionizers for portable mass spectrometry applications, Journal of Microelectromechanical Systems vol. 19, no. 3 (2010) 484-493 there is a known miniature gas ionizer operating on a similar principle, but entirely manufactured by MEMS techniques.

Z publikacji C-M Tassetti, R. Mahieu, J-S Danel i inni, A MEMS electron impact ion source integrated in a microtime-of-flight mass spectrometer, Sensors and Actuators B vol. 189 (2013) 173-178, znane jest miniaturowe źródło jonów zintegrowane wraz z analizatorem czasu przelotu. Struktura wykorzystuje zewnętrzne źródło elektronów w postaci żarnika wolframowego, elektrony wprowadzane są do komory jonizacyjnej, skąd wytworzone jony są wprowadzane w kierunku analizatora mas.From CM Tassetti, R. Mahieu, JS Danel et al., A MEMS electron impact ion source integrated in a microtime-of-flight mass spectrometer, Sensors and Actuators B vol. 189 (2013) 173-178, a miniature ion source is known. integrated with a time-of-flight analyzer. The structure uses an external source of electrons in the form of a tungsten filament, electrons are introduced into the ionization chamber, from where the generated ions are fed towards the mass analyzer.

Z publikacji K.H. Gilchrist, C.A. Bower, M.R. Lueck i inni, A novel ion source and detector for a miniature mass spectrometer, Proc. IEEE Sensors Conf. (Atlanta, GA, 28-31 October 2007) 1372-1375, znany jest filtr Wiena wykonany technikami MEMS wykorzystujący do analizy mas jonów prostopadłe pola elektryczne oraz magnetyczne odchylające rozpędzone jony. Detektor wytworzony jest w postaci matrycy krzemowych elektrod.From the publication of K.H. Gilchrist, C.A. Bower, M.R. Lueck et al., A novel ion source and detector for a miniature mass spectrometer, Proc. IEEE Sensors Conf. (Atlanta, GA, 28-31 October 2007) 1372-1375, a Wien filter made with MEMS techniques using perpendicular ion mass analysis is known electric and magnetic fields deflecting accelerated ions. The detector is made in the form of a matrix of silicon electrodes.

Z publikacji M. Geear, R.R.A. Syms, S. Wright i A.S. Holmes, Monolithic MEMS quadrupole mass spectrometers by deep silicon etching, Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 14, no. 5 (2005) 1156-1166, znany jest miniaturowy filtr kwadrupolowy wykonany technikami MEMS oraz metodami mechaniki precyzyjnej. Cztery metalowe pręty filtra o średnicy 250 gm montowane są na złączonych ze sobą podłożach krzemowych, które służą do precyzyjnego pozycjonowania.From the publication of M. Geear, R.R.A. Syms, S. Wright, and A.S. Holmes, Monolithic MEMS quadrupole mass spectrometers by deep silicon etching, Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 14, no. 5 (2005) 1156-1166, there is a known miniature quadrupole filter made by MEMS techniques and by methods of precision mechanics. Four metal filter rods with a diameter of 250 gm are mounted on interconnected silicon substrates, which are used for precise positioning.

Z publikacji K. Cheung, L.F. Velaquez-Garcia i A.I. Akinwande, Chip-scale quadrupole mass filters for portable mass spectrometry, Journal of Microelectromechanical Systems vol. 19, no. 3 (2010) 469-483, znany jest filtr kwadrupolowy z elektrodami krzemowymi o przekroju nie-hiperbolicznym.From the publication of K. Cheung, L.F. Velaquez-Garcia and A.I. Akinwande, Chip-scale quadrupole mass filters for portable mass spectrometry, Journal of Microelectromechanical Systems vol. 19, no. 3 (2010) 469-483, a quadrupole filter with non-hyperbolic silicon electrodes is known.

Z publikacji J. P. Haushild, E. Wapelhorst, J. Muller, Mass spectra measured by a fully integrated MEMS spectrometer, International Journal of Mass Spectrometry vol. 264, no. 1 (2007) 53-60, znanaFrom J. P. Haushild, E. Wapelhorst, J. Muller, Mass spectra measured by a fully integrated MEMS spectrometer, International Journal of Mass Spectrometry vol. 264, no. 1 (2007) 53-60, known

PL 230 152 B1 jest zintegrowana struktura miniaturowego spektrometru mas wytworzona technikami MEMS ze szkła i krzemu. Na jednym podłożu zintegrowano: jonizator, separator jonów oraz detektor. Próbki gazowe są doprowadzane przez szklane kapilary doklejone do struktury.The integrated structure of a miniature mass spectrometer produced by MEMS techniques from glass and silicon is integrated. Integrated on one substrate: ionizer, ion separator and detector. Gaseous samples are fed through glass capillaries glued to the structure.

Z publikacji I. Chakraborty, W.C. Tang, D.P. Bame, T.K. Tang , MEMS micro-valve for space applications, Sensors and Actuators vol. 83, no. 1-3 (2000) 188-193, znany jest miniaturowy zawór próżniowy w postaci membrany krzemowej zamykającej zawór przy pomocy aktuatora piezoelektrycznego.From the publication of I. Chakraborta, W.C. Tang, D.P. Bame, T.K. Tang, MEMS micro-valve for space applications, Sensors and Actuators vol. 83, no. 1-3 (2000) 188-193, a miniature vacuum valve is known in the form of a silicon membrane that closes the valve by means of a piezoelectric actuator.

Z publikacji B.G. Jamieson, B.A. Lynch, D.N. Harpold i inni, Microfabricated silicon leak for sampling planetary atmospheres with a mass spectrometer, Review of Scientific Instruments vol. 78, no. 6 (2007) 065109, znany jest dozownik gazów działający na zasadzie dławika mikronaciekowego. Wykonany jest on z dwóch podłoży krzemowych złączonych ze sobą metodą bondingu fuzyjnego. W pierwszym podłożu wytrawiono kanał o szerokości 1 pm, a w drugim otwory doprowadzające.From the publication of B.G. Jamieson, B.A. Lynch, D.N. Harpold et al., Microfabricated silicon leak for sampling planetary atmospheres with a mass spectrometer, Review of Scientific Instruments vol. 78, no. 6 (2007) 065109, a gas dispenser operating on the principle of a micro-stain gland is known. It is made of two silicon substrates joined together by fusion bonding. A 1 [mu] m wide channel was etched in the first substrate and the lead holes in the second.

Z międzynarodowego zgłoszenia patentowego WO2007055756 znany jest spektrometr masowy MEMS o metalowych ściankach znajdujących się pomiędzy pokrywą i podstawą, przy czym ścianki wyznaczają szereg komór wewnętrznych, kolejno komorę wejściową próbki gazu, komorę jonizatora, wiele komór soczewkujących optycznie wiązkę jonów i komory separacyjne jonów. Na końcu komory rozdzielania jonów znajduje się macierz detektora, która zawiera wiele elementów detekcyjnych w kształcie litery V umieszczonych wzdłuż dwóch linii równoległych i rozmieszczonych tak, aby przechwytywać wszystkie zjonizowane wiązki wytwarzane w spektrometrze masowym. Opisana struktura posiada również mikropompy membranowe podłączone równolegle do każdej z komórek. Urządzenie zostało wykonane przy wykorzystaniu lutowania bezrozpyłowego, główne komponenty tworzące strukturę są wytwarzane w procesie LIGA, a użyte materiały to Au, SiO2, poli-Si. Zaproponowana technologia wykonania pozwala na utrzymanie próżni rzędu maksymalnie 1 e-2 mbar.From the international patent application WO2007055756 there is known a MEMS mass spectrometer with metal walls between the cover and the base, the walls defining a series of internal chambers, successively a sample gas input chamber, an ionizer chamber, a number of optically lensing ion beam chambers and ion separation chambers. At the end of the ion separation chamber is a detector array which includes a plurality of V-shaped detector elements positioned along two parallel lines and arranged to capture all the ionized beams produced by the mass spectrometer. The structure described also has diaphragm micropumps connected in parallel to each of the cells. The device was made using spray-free soldering, the main components forming the structure are produced in the LIGA process, and the materials used are Au, SiO2, poly-Si. The proposed manufacturing technology allows to maintain a vacuum of a maximum of 1 e-2 mbar.

Cechą wspólną opisywanych w stanie techniki rozwiązań jest fakt, że atmosfera próżni, konieczna do uzyskiwania wysokich rozdzielczości w spektrometrach mas, wytwarzana jest przez zewnętrzne, stosunkowo duże układy pompujące, a jeżeli nawet są one zintegrowane, nie zapewniają wysokiej lub ultra-wysokiej próżni niezbędnej dla uzyskania akceptowalnej dokładności analizy.A common feature of the solutions described in the prior art is that the vacuum atmosphere necessary to obtain high resolution in mass spectrometers is produced by external, relatively large pumping systems, and even if they are integrated, they do not provide the high or ultra-high vacuum necessary for obtaining an acceptable accuracy of the analysis.

W zgłoszeniu patentowym P408322 autorstwa T. Grzebyka, A. Góreckiej-Drzazgi, i J. Dziubana, opisano mikromechaniczną, jonowo-sorpcyjną pompę próżniową. Pompa jest spójna technologicznie z innymi mikrosystemami MEMS, ma budowę wielowarstwową i składa się z krzemu oraz szkła. W mikropompie gaz jonizowany jest za pomocą wiązki elektronów emitowanej z polowego źródła elektronów, a zjonizowane cząstki absorbowane są na/w warstwie getera tytanowego. Mikropompa umożliwia wytworzenie próżni na poziomie 10^-5 hPa.In the patent application P408322 by T. Grzebyk, A. Górecka-Drzazga, and J. Dziuban, a micromechanical, ion-sorption vacuum pump is described. The pump is technologically consistent with other MEMS microsystems, has a multi-layer structure and consists of silicon and glass. In the micropump, the gas is ionized by means of an electron beam emitted from a field electron source, and the ionized particles are absorbed on / in the titanium getter layer. The micropump enables the creation of a vacuum of 10 ^-5 hPa.

Z artykułu autorstwa T. Grzebyka, A. Góreckiej-Drzazgi, i J. Dziubana, „Glow-discharge ionsorption micropump for vacuum MEMS”, Sensors and Actuators A vol. 208 (2014) 113-119, znana jest mikropompa próżniowa, która składa się z dwóch katod i anody rozdzielonych dwoma szklanymi dystansownikami oraz dwóch magnesów znajdujących się po obu stronach mikropompy. W mikropompie gaz jonizowany jest przy wykorzystaniu wyładowania elektrycznego. Mikropompa umożliwia wytworzenie próżni na poziomie 10^-7 hPa.From the article by T. Grzebyk, A. Górecka-Drzazga, and J. Dziuban, "Glow-discharge ionsorption micropump for vacuum MEMS", Sensors and Actuators A vol. 208 (2014) 113-119, a vacuum micropump is known, which consists of consists of two cathodes and an anode separated by two glass spacers and two magnets on both sides of the micropump. In the micropump, the gas is ionized by means of an electric discharge. The micropump enables the creation of a vacuum at the level of 10 ^-7 hPa.

Istota zintegrowanego miniaturowego spektrometru mas, według wynalazku, wykonanego technikami MEMS w formie kanapki z użyciem krzemu oraz szkła, uszczelnionego z wykorzystaniem próżniowego bondingu anodowego zawierającego mikropompę próżniową, składającą się z dwóch przeciwległych katod i umieszczonej pośrodku anody rozdzielonych dwoma szklanymi dystansownikami; dozownik i jonizator gazów, separator jonów oraz detektor, polega na tym, że posiada wspólne dla wszystkich elementów podłoże szklane oraz pokrywy szklane, górną i dolną, połączone z podłożem szklanym i uszczelnione wzajemnie ramką krzemową jako jeden chip, przy czym w podłożu i pokrywach wykonane są wytrawienia częściowe lub otwory przelotowe, przez co wyróżnione są kolejne komory i obszary: komora mikropompy, obszar dozownika, komora jonizatora gazów, komora separatora jonów oraz obszar detektora, przy czym w komorze mikropompy podłoże szklane połączone jest górną powierzchnią z krzemową anodą a anoda z pokrywą górną, która wraz z anodą i podłożem posiadają współśrodkowe otwory przelotowe, tworząc przestrzeń zamkniętą obustronnie katodami mikropompy; pomiędzy komorą mikropompy a komorą jonizatora gazów w podłożu szklanym wykonany jest mikrokanał pierwszy; w komorze jonizatora gazów podłoże szklane posiada wytrawiony kanał jonizatora, zaś do co najmniej górnej powierzchni podłoża szklanego w osi komory przyłączone są katody jonizatora, co najmniej górna z naniesionymi warstwami materiału emisyjnego, za którymi symetrycznie po obu stronach kanału jonizatora, prostopadle do jego osi, do co najmniej górnej powierzchni podłoża szklanego przyłączone są paryThe essence of the integrated miniature mass spectrometer according to the invention, made by MEMS techniques in the form of a sandwich with the use of silicon and glass, sealed with the use of vacuum anode bonding containing a vacuum micropump, consisting of two opposite cathodes and an anode placed in the middle separated by two glass spacers; gas dispenser and ionizer, ion separator and detector, consists in the fact that it has a glass substrate common to all elements and glass covers, upper and lower, connected to the glass substrate and mutually sealed with a silicon frame as one chip, with the substrate and covers made of there are partial etchings or through holes, which distinguish subsequent chambers and areas: micropump chamber, dispenser area, gas ionizer chamber, ion separator chamber and detector area, while in the micropump chamber the glass substrate is connected to the upper surface with a silicon anode and the anode with top cover, which, together with the anode and the substrate, have concentric through holes, creating a space closed on both sides with micropump cathodes; a first microchannel is provided between the micropump chamber and the gas ionizer chamber in the glass substrate; in the gas ionizer chamber, the glass substrate has an etched ionizer channel, and to at least the upper surface of the glass substrate in the axis of the chamber, ionizer cathodes are attached, at least the upper one with layers of emission material, behind which symmetrically on both sides of the ionizer channel, perpendicular to its axis, pairs are attached to at least the upper surface of the glass substrate

PL 230 152 B1 elektrod bramki, co najmniej górna, następnie pary elektrod anody, co najmniej górna, następnie pierwsza para elektrod bariery, co najmniej górna, następnie dwie pary elektrod zwalniających, co najmniej górna, przy czym elektrody zwalniające po tych samych stronach są ze sobą połączone, za nimi znajduje się druga para elektrod bariery, co najmniej górna, do komory jonizatora dochodzi zaś mikrokanał dozownika; następnie pomiędzy komorą jonizatora a komorą separatora w podłożu szklanym wykonany jest mikrokanał drugi; w komorze separatora do podłoża szklanego, posiadającego podłużny kanał separatora przyłączone są biegnące symetrycznie wzdłuż komory kolejno: zespół elektrod wprowadzających oraz elektrody pomiarowe, zaś na końcu komory separatora znajduje się detektor w postaci co najmniej jednej elektrody przyłączonej do co najmniej górnej powierzchni podłoża szklanego, przez którą podłoże szklane łączy się z pokrywą górną lub dolną.The gate electrodes at least the top, then the anode electrode pairs, at least the top, then the first barrier electrode pair, at least the top, then the two pairs of the release electrodes, at least the top, the release electrodes on the same sides being at least connected to each other, behind them there is a second pair of barrier electrodes, at least the upper one, and the microchannel of the dispenser is connected to the ionizer chamber; then a second microchannel is made in the glass substrate between the ionizer chamber and the separator chamber; in the separator chamber, a set of introducing electrodes and measuring electrodes running symmetrically along the chamber are connected to the glass substrate with a longitudinal separator channel, and at the end of the separator chamber there is a detector in the form of at least one electrode connected to at least the upper surface of the glass substrate, through which glass substrate connects to the top or bottom cover.

Korzystnie, warstwa materiału emisyjnego jest w postaci nanorurek węglowych.Preferably, the emissive material layer is in the form of carbon nanotubes.

Korzystnie, katody jonizatora w płaszczyźnie poziomej oddalone są od bramki o 0,1 do 0,5 mm, a przestrzeń ograniczona tymi elektrodami to obszar emisji elektronów.Preferably, the cathodes of the ionizer in the horizontal plane are spaced from the gate by 0.1 to 0.5 mm, and the space bounded by these electrodes is the area of electron emission.

Korzystnie, elektrody bramki oddalone są w płaszczyźnie poziomej o 2 do 5 mm od anody.Preferably, the gate electrodes are horizontally spaced 2 to 5 mm from the anode.

Korzystnie, obszar obejmowany elektrodami zwalniającymi ma długość od 2 mm do 5 mm.Preferably, the area covered by the release electrodes is from 2mm to 5mm in length.

Korzystnie, elektrody jonizatora są w postaci mikrobelek krzemowych szerokości 0,5 mm.Preferably, the ionizer electrodes are in the form of 0.5 mm wide silicon microbeads.

Korzystnie odstęp pomiędzy elektrodami anody, elektrodami bariery i elektrodami zwalniającymi w płaszczyźnie poziomej wynosi od 0,2 mm do 0,6 mm, a przestrzeń ograniczona tymi elektrodami to obszar jonizacji.Preferably, the spacing between the anode electrodes, barrier electrodes and release electrodes in the horizontal plane is from 0.2 mm to 0.6 mm, and the space delimited by these electrodes is the ionization area.

Korzystnie, mikrokanał dozownika wytrawiony jest w ramce krzemowej i jest wyposażony w zawór w postaci aktuatora piezoelektrycznego.Preferably, the microchannel of the dispenser is etched in a silicon frame and is equipped with a valve in the form of a piezoelectric actuator.

Korzystnie, katody mikropompy oraz jonizatora utrzymywane są na potencjale masy, anoda mikropompy jest spolaryzowana dodatnim napięciem od 500 V do 1000 V, anoda jonizatora spolaryzowana jest dodatnim napięciem od 800 V do 1800 V, a bramka ma potencjał od 500 V do 800 V.Preferably, the micropump and ionizer cathodes are held at ground potential, the micropump anode is positively biased from 500V to 1000V, the ionizer anode is positively biased from 800V to 1800V, and the gate has a potential of 500V to 800V.

Korzystnie, w komorze jonizatora w kierunku katoda-anoda przebiega pole magnetyczne o natężeniu od 0,1 do 0,3 T.Preferably, a magnetic field of 0.1 to 0.3 T runs in the cathode-anode direction in the ionizer chamber.

Korzystnie, zespół elektrod wprowadzających zbudowany jest z co najmniej dwóch par elektrod wprowadzających w formie mikrobelek krzemowych, z których każda kolejna para jest spolaryzowana w stosunku do poprzedniej, a różnica potencjałów wynosi od 100 do 200 V.Preferably, the introducing electrode assembly consists of at least two pairs of introducing electrodes in the form of silicon microcantilevers, each successive pair being polarized to the previous one, and the potential difference is between 100 and 200 V.

Korzystnie, zespół elektrod wprowadzających jest odległy w płaszczyźnie poziomej od środka komory jonizacyjnej od 1 do 8 mm.Preferably, the introducing electrode assembly is spaced horizontally from the center of the ionization chamber from 1 to 8 mm.

W wariancie wynalazku kanał jonizatora jest otworem przelotowym, zaś do powierzchni zarówno górnej, jak i dolnej podłoża szklanego przyłączone są katody jonizatora, górna i dolna, anoda górna i dolna, bramka górna i dolna, pierwsza para elektrod bariery, górna i dolna, górna para elektrod zwalniających oraz dolna para elektrod zwalniających i druga para elektrod bariery, górna i dolna, do elektrod zwalniających górnych natomiast przyłączona jest pokrywa górna a do elektrod zwalniających dolnych pokrywa dolna, natomiast kanał separatora w podłożu szklanym w komorze separatora jest wydłużonym, przelotowym otworem, zaś do górnej i do dolnej powierzchni podłoża szklanego symetrycznie względem osi biegnącej wzdłuż środka komory przyłączone są górna i dolna para e lektrod zespołu elektrod wprowadzających w formie mikrobelek oraz górna i dolna para elektrod pomiarowych, połączonych elektrycznie, stanowiących analizator kwadrupolowy, zaś na końcu komory separatora do górnej i dolnej powierzchni podłoża szklanego jest przyłączona para elektrod detektora, przy czym powierzchnie robocze wszystkich elektrod w tej komorze zachodzą na powierzchnię kanału separatora, a ponadto przez elektrody detektora podłoże szklane łączy się z pokrywą górną i dolną, zamykając komorę separatora.In a variant of the invention, the ionizer channel is a through hole, and the upper and lower ionizer cathodes, upper and lower anode, upper and lower gate, first pair of barrier electrodes, upper and lower, upper pair are attached to both the upper and lower surfaces of the glass substrate. of the release electrodes and the lower pair of release electrodes and the second pair of upper and lower barrier electrodes, the upper cover is attached to the upper release electrodes, and the lower cover is attached to the lower release electrodes, while the separator channel in the glass substrate in the separator chamber is an elongated, through hole, while connected to the upper and lower surface of the glass substrate symmetrically with respect to the axis running along the center of the chamber are connected the upper and lower pairs of electrodes of the introducing electrodes in the form of microcantilevers and the upper and lower pair of measuring electrodes, electrically connected, constituting a quadrupole analyzer, and at the end of the separator chamber to upper and lower surfaces a pair of detector electrodes is attached to the glass substrate, the working surfaces of all electrodes in the chamber overlap the surface of the separator channel, and further, through the detector electrodes, the glass substrate connects to the top and bottom covers, closing the separator chamber.

Korzystnie, połączenie elektryczne elektrod pomiarowych polega na połączeniu elektrod pomiarowych parami lewa górna z prawą dolną oraz prawa górna z lewą dolną.Preferably, the electrical connection of the measuring electrodes consists in pairing the measuring electrodes in pairs, the upper left with the lower right, and the upper right with the lower left.

Korzystnie, grubość podłoża szklanego w komorze separatora ma grubość od 0,7 do 2,0 mm.Preferably, the thickness of the glass substrate in the separator chamber is between 0.7 and 2.0 mm.

Korzystnie, odległości w poziomie pomiędzy elektrodami pomiarowymi w ramach pary górnej i dolnej stanowią 50-90% grubości podłoża szklanego.Preferably, the horizontal distances between the measurement electrodes within the upper and lower pairs are 50-90% of the thickness of the glass substrate.

W kolejnym wariancie wynalazku kanał separatora w podłożu szklanym w komorze separatora jest wydłużonym wgłębieniem, zaś symetrycznie względem osi kanału separatora do górnej powierzchni podłoża przyłączona jest para elektrod zespołu elektrod wprowadzających a następnie tuż za nią pierwsza para elektrod formujących, zaś przy końcu komory druga para elektrod formujących oraz pojedyncza elektroda detektora, przy czym powierzchnia elektrod wprowadzających i elektrody detektora zachodzą na powierzchnię kanału separatora.In a further variant of the invention, the separator channel in the glass substrate in the separator chamber is an elongated recess, and symmetrically with respect to the axis of the separator channel, a pair of electrodes of the introducing electrode assembly is connected to the upper surface of the substrate, followed by the first pair of forming electrodes, and at the end of the chamber, the second pair of electrodes. and a single detector electrode, the surface of the introducing electrodes and the detector electrodes overlapping the surface of the separator channel.

PL 230 152 B1PL 230 152 B1

Korzystnie, elektrody zespołu elektrod wprowadzających oraz elektrody formujące wykonane są w formie mikrobelek krzemowych szerokości 0,5 mm.Preferably, the electrodes of the introducing electrodes assembly and the forming electrodes are made in the form of 0.5 mm wide silicon microcantilever.

Korzystnie, kanał separatora będący obszarem dryfu jonów ma długość od 20 mm do 35 mm.Preferably, the separator channel being the ion drift region is 20 mm to 35 mm long.

W kolejnym wariancie wynalazku kanał separatora w podłożu szklanym w komorze separatora jest wydłużonym wgłębieniem, zaś symetrycznie względem osi kanału separatora do górnej powierzchni podłoża przyłączona jest para elektrod wprowadzających a następnie para elektrod kompensujących, wykonanych w formie równoległych, wydłużonych prostokątów, zaś przy końcu komory para elektrod apertury w formie mikrobelek oraz pojedyncza elektroda detektora, przy czym powierzchnia elektrod wprowadzających, elektrod kompensujących oraz elektrod apertury i elektrody detektora zachodzą na powierzchnię kanału separatora, przy czym pomiędzy elektrodami kompensującymi panuje napięcie od 20 V do 300 V przeciwdziałające skręcaniu wstrzeliwanych jonów w wyniku działania pola magnetycznego.In a further variant of the invention, the separator channel in the glass substrate in the separator chamber is an elongated recess, and symmetrically with respect to the separator channel axis, a pair of introducing electrodes and then a pair of compensating electrodes, made in the form of parallel, elongated rectangles, are connected to the upper surface of the substrate, and a pair at the end of the chamber. Aperture electrodes in the form of microcantilevers and a single detector electrode, the surface of the introducing electrodes, compensating electrodes as well as the aperture electrodes and the detector electrodes overlap the surface of the separator channel, while the voltage between the compensating electrodes is from 20 V to 300 V preventing twisting of the injected ions as a result of the operation magnetic field.

Korzystnie, w komorze separatora prostopadle do jego powierzchni panuje pole magnetyczne o natężeniu od 0,1 do 0,8 T.Preferably, a magnetic field of 0.1 to 0.8 T prevails in the separator chamber perpendicular to its surface.

Zaletami wynalazku są małe wymiary urządzenia oraz możliwość zastosowania spektrometru mas w dowolnym miejscu, nie tylko w wyspecjalizowanych laboratoriach. Zastosowanie technik MEMS do produkcji spektrometru pozwoli na wielkoseryjną produkcję, eliminuje konieczność stosowania zewnętrznej próżniowej obudowy. Integracja spektrometru z mikropompą próżniową wydłuża czas poprawnej pracy źródła elektronów oraz analizatora mas, niweluje efekty starzeniowe i pozwala uzyskać lepsze parametry rozdzielenia mas jonów, a co za tym idzie lepszą rozdzielczość separacji. Spektrometry mas używane są w wielu dziedzinach nauki. Są to jednak urządzenia duże i drogie. Zmniejszenie wymiarów czyni takie urządzenia przenośnymi oraz zmniejsza zużycie mocy i koszty.The advantages of the invention are the small dimensions of the device and the possibility of using the mass spectrometer anywhere, not only in specialized laboratories. The use of MEMS techniques for the production of the spectrometer will allow for large-scale production, eliminating the need for an external vacuum housing. The integration of the spectrometer with a vacuum micropump extends the time of the correct operation of the electron source and the mass analyzer, reduces aging effects and allows for better ion mass separation parameters, and thus a better separation resolution. Mass spectrometers are used in many fields of science. However, these are large and expensive devices. The reduction in size makes such devices portable and reduces power consumption and costs.

Wynalazek jest bliżej przedstawiony w przykładach realizacji i w oparciu o rysunek, którego fig. 1 przedstawia ideę konstrukcji zintegrowanego, miniaturowego spektrometru mas, fig. 2 przedstawia budowę komory jonizatora, fig. 3 przedstawia wariant separatora mas z filtrem kwadrupolowym, fig. 4 przedstawia wariant separatora mas z filtrem typu TOF, fig. 5 przedstawia wariant separatora mas z filtrem elektromagnetycznym, natomiast fig. 6 przedstawia widok ogólny i przekrój spektrometru w wariancie z filtrem kwadrupolowym.The invention is presented in more detail in the examples and based on the drawing, Fig. 1 shows the idea of the construction of an integrated, miniature mass spectrometer, Fig. 2 shows the structure of the ionizer chamber, Fig. 3 shows a variant of the mass separator with a quadrupole filter, Fig. 4 shows a variant of the separator masses with a TOF filter, Fig. 5 shows a variant of the mass separator with an electromagnetic filter, while Fig. 6 shows a general view and a cross-section of the spectrometer in a variant with a quadrupole filter.

P r z y k ł a d 1P r z k ł a d 1

Zintegrowany, miniaturowy spektrometr mas, wykonany technikami MEMS w formie kanapki z użyciem krzemu oraz szkła, uszczelniony z wykorzystaniem próżniowego bondingu anodowego zawiera mikropompę próżniową, składającą się z dwóch przeciwległych katod i umieszczonej pośrodku anody rozdzielonych dwoma szklanymi dystansownikami, zbudowaną według wynalazku P408322 opisanego w stanie techniki; dozownik i jonizator gazów, separator jonów oraz detektor, przy czym charakteryzuje się tym, że posiada wspólne dla wszystkich elementów podłoże szklane 6 oraz pokrywy szklane, górną 7a i dolną 7b, połączone z podłożem szklanym 6 i uszczelnione wzajemnie ramką krzemową 8 jako jeden chip, przy czym w podłożu szklanym 6 i pokrywach 7a, 7b wykonane są wytrawienia częściowe lub otwory przelotowe, przez co wyróżnione są kolejne komory i obszary: komora mikropompy 5, obszar dozownika 1, komora jonizatora gazów 2, komora separatora jonów 3 oraz obszar detektora 4. W komorze mikropompy 5 podłoże szklane 6 połączone jest górną powierzchnią z krzemową anodą mikropompy 25 a anoda mikropompy 25 z pokrywą górną 7a, która wraz z anodą mikropompy 25 i podłożem szklanym 6 posiadają współśrodkowe otwory przelotowe, tworząc przestrzeń zamkniętą obustronnie katodami mikropompy 24. Pomiędzy komorą mikropompy 5 a komorą jonizatora 2 gazów w podłożu szklanym 6 wykonany jest mikrokanał pierwszy 9a. Jonizator gazów 2 to planarna struktura krzemowo-szklana. W komorze jonizatora gazów podłoże szklane 6 posiada wytrawiony przelotowy kanał jonizatora, zaś do górnej i dolnej powierzchni podłoża szklanego 6 w osi komory przyłączone są katody jonizatora górna 12a i dolna 12b z naniesionymi warstwami materiału emisyjnego 13, za którymi symetrycznie po obu stronach kanału jonizatora, prostopadle do jego osi, do górnej i dolnej powierzchni podłoża szklanego 6 przyłączone są pary elektrod bramki górna 14a i dolna 14b, następnie pary elektrod anody, górna 15a i dolna 15b, następnie pierwsza para elektrod bariery, górna 16a i dolna 16b, następnie dwie pary elektrod zwalniających, górna 18a i dolna 18b, przy czym elektrody zwalniające 18 po tych samych stronach są ze sobą połączone, za nimi znajduje się druga para elektrod bariery, górna 16a i dolna 16b, do elektrod zwalniających górnych 18a natomiast przyłączona jest pokrywa górna 7a, do elektrod zwalniających dolnych 18b zaś pokrywa dolna 7b. Do komory jonizatora 2 dochodzi mikrokanał dozownika 1 wytrawiony w postaci samo-stopujących się V-kształtnych rowkówIntegrated, miniature mass spectrometer, made by MEMS techniques in the form of a sandwich with the use of silicon and glass, sealed with the use of vacuum anodic bonding, contains a vacuum micropump, consisting of two opposite cathodes and placed in the middle of the anode separated by two glass spacers, built according to the invention P408322 described in the condition techniques; gas dispenser and ionizer, ion separator and detector, characterized by the fact that it has a glass substrate 6 common to all elements and glass covers, upper 7a and lower 7b, connected to the glass substrate 6 and mutually sealed with a silicon frame 8 as one chip, partial etchings or through holes are made in the glass substrate 6 and the covers 7a, 7b, which distinguish further chambers and areas: micropump chamber 5, dispenser 1 area, gas ionizer chamber 2, ion separator chamber 3 and detector area 4. In the micropump chamber 5, the glass substrate 6 is connected by the upper surface with the silicon anode of the micropump 25 and the anode of the micropump 25 with the upper cover 7a, which, together with the anode of the micropump 25 and the glass substrate 6, have concentric through holes, creating a space closed on both sides by the cathodes of the micropump 24. The first microchannel 9a is made of the micropump 5 and the gas ionizer chamber 2 in the glass substrate 6. The gas ionizer 2 is a planar silicon-glass structure. In the gas ionizer chamber, the glass substrate 6 has an etched through ionizer channel, and the upper and lower ionizer cathodes 12a and lower 12b with layers of emission material 13 are attached to the upper and lower surface of the glass substrate 6 in the axis of the chamber, behind which symmetrically on both sides of the ionizer channel, perpendicular to its axis, the upper 14a and lower 14b gate electrode pairs are connected to the upper and lower surface of the glass substrate 6, then the anode electrode pairs, upper 15a and lower 15b, then the first pair of barrier electrodes, upper 16a and lower 16b, then two pairs upper 18a and lower 18b release electrodes, the release electrodes 18 on the same sides are connected to each other, followed by a second pair of barrier electrodes, upper 16a and lower 16b, to the upper release electrodes 18a, while the top cover 7a is attached, to the lower release electrodes 18b and the bottom cover 7b. To the ionizer chamber 2 there is a microchannel of dispenser 1 etched in the form of self-melting V-shaped grooves

PL 230 152 B1 o szerokości 5 nm w postaci serpentyn łącznej długości 5 cm. Odległość w płaszczyźnie poziomej pomiędzy katodami jonizatora 12a,b, a bramkami 14a,b wynosi 0,3 mm, a przestrzeń ograniczona tymi elektrodami stanowi obszar emisji elektronów 10. Elektrody bramki 14a,b w płaszczyźnie poziomej oddalone są o 3 mm od anody 15a,b. Obszar obejmowany elektrodami zwalniającymi 18a,b ma długość od 2 mm do 5 mm. Wszystkie elektrody jonizatora są w postaci mikrobelek krzemowych szerokości 0,5 mm. Odstęp w płaszczyźnie poziomej pomiędzy elektrodami anody 15a,b, elektrodami bariery 16a,b i elektrodami zwalniającymi 18a,b wynosi po 0,4 mm, a przestrzeń ograniczona tymi elektrodami to obszar jonizacji. Mikrokanał dozownika 1 wytrawiony jest w ramce krzemowej 8 oraz jest wyposażony w zawór w postaci aktuatora piezoelektrycznego. Pomiędzy komorą jonizatora 2, a komorą separatora 3 w podłożu szklanym 6 wykonany jest mikrokanał drugi 9b. W komorze separatora 3 podłoże szklane 6 ma kanał separatora 20 będący wydłużonym, przelotowym otworem, o szerokości 4 mm i głębokości 5 mm, stanowiący obszar dryfu, zaś do górnej i do dolnej powierzchni podłoża szklanego 6 symetrycznie względem osi biegnącej wzdłuż środka komory przyłączony zespół elektrod wprowadzających 17, składający się z dwóch górnych i dwóch dolnych par elektrod wprowadzających w formie mikrobelek oraz górna i dolna para elektrod pomiarowych 18 stanowiących analizator kwadrupolowy, każda grubości 0,4 mm, szerokości 3 mm, długości 30 mm. Zespół elektrod wprowadzających 17 jest odległy od środka komory jonizacyjnej o 4 mm. Na końcu kanału separatora 20 do górnej i dolnej powierzchni podłoża szklanego 6 jest przyłączona para elektrod detektora 4, szerokości 6 mm i długości 3 mm, przy czym powierzchnie robocze wszystkich elektrod 17, 19, 4 w tej komorze zachodzą na powierzchnię kanału separatora 20. Przez elektrody detektora 4 podłoże szklane 6 połączone jest z pokrywą górną 7a i dolną 7b, zamykając komorę separatora 3. Wokół całego spektrometru przebiega ramka krzemowa 8 o grubości 0,4 mm i szerokości 3 mm, uszczelniająca wszystkie komory. Elektrody pomiarowe 19 są ze sobą połączone elektrycznie parami lewa górna z prawą dolną oraz prawa górna z lewą dolną. Między elektrodami pomiarowymi, koncentrycznie, powstaje obszar pułapkowania jonów 26. Grubość podłoża szklanego 6 ma grubość 1,1 mm. Odległości w poziomie pomiędzy elektrodami pomiarowymi 19 w ramach pary górnej i dolnej stanowią 70% grubości podłoża szklanego 6. Katody mikropompy 24 oraz jonizatora 12 utrzymywane są na potencjale masy, anoda mikropompy 25 jest spolaryzowana dodatnim napięciem 700 V a anoda jonizatora 15 jest spolaryzowana dodatnim napięciem 1300 V, zaś bramka 14 ma potencjał 600 V. W komorze jonizatora 2 w kierunku katoda-anoda przebiega pole magnetyczne o natężeniu 0,2 T. W zespole elektrod wprowadzających 17 każda kolejna górna oraz dolna para jest spolaryzowana w stosunku do poprzedniej górnej oraz dolnej pary elektrod wprowadzających, przy czym na pierwszej górnej i dolnej parze elektrod panuje napięcie 0 V, a na drugiej górnej i dolnej parze elektrod panuje napięcie 100 V, przez co badane cząstki są przyspieszane i soczewkowane w komorze separatora 2.5 nm wide in the form of serpentine with a total length of 5 cm. The distance in the horizontal plane between the cathodes of the ionizer 12a, b and the gates 14a, b is 0.3 mm, and the space limited by these electrodes is the area of electron emission 10. The electrodes of the gate 14a, b in the horizontal plane are 3 mm away from the anode 15a, b . The area covered by the release electrodes 18a, b is from 2mm to 5mm in length. All ionizer electrodes are in the form of silicon microbeads 0.5 mm wide. The horizontal spacing between the anode electrodes 15a, b, barrier electrodes 16a, b and release electrodes 18a, b is 0.4 mm each, and the space bounded by these electrodes is the ionization area. The microchannel of the dispenser 1 is etched in the silicon frame 8 and is equipped with a valve in the form of a piezoelectric actuator. A second microchannel 9b is made in the glass substrate 6 between the ionizer chamber 2 and the separator chamber 3. In the separator chamber 3, the glass substrate 6 has a separator channel 20 being an elongated through hole, 4 mm wide and 5 mm deep, constituting the drift area, and a set of electrodes connected to the upper and lower surfaces of the glass substrate 6 symmetrically with respect to the axis running along the center of the chamber. insertion electrodes 17, consisting of two upper and two lower pairs of introducing electrodes in the form of microcantilevers and an upper and lower pair of measuring electrodes 18 constituting a quadrupole analyzer, each 0.4 mm thick, 3 mm wide, 30 mm long. The introducing electrode assembly 17 is located 4 mm from the center of the ionization chamber. At the end of the separator channel 20, a pair of detector electrodes 4, 6 mm wide and 3 mm long, are attached to the upper and lower surfaces of the glass substrate 6, the working surfaces of all electrodes 17, 19, 4 in this chamber overlapping the surface of the separator channel 20. By detector electrodes 4, the glass substrate 6 is connected to the upper cover 7a and lower cover 7b, closing the separator chamber 3. A silicon frame 8, 0.4 mm thick and 3 mm wide, runs around the entire spectrometer, sealing all chambers. The measuring electrodes 19 are electrically connected to each other in pairs, the upper left with the lower right and the upper right with the lower left. An ion trapping area 26 is formed concentrically between the measuring electrodes. The thickness of the glass substrate 6 is 1.1 mm. The horizontal distances between the measuring electrodes 19 in the upper and lower pairs are 70% of the thickness of the glass substrate 6. The cathodes of the micropump 24 and the ionizer 12 are kept at the ground potential, the anode of the micropump 25 is biased at a positive voltage of 700 V and the anode of the ionizer 15 is polarized with the positive voltage. 1300 V, and the gate 14 has a potential of 600 V. In the ionizer chamber 2 in the cathode-anode direction runs a magnetic field of 0.2 T. In the set of introducing electrodes 17, each successive upper and lower pair is polarized in relation to the previous upper and lower pairs introducing electrode pair, the first upper and lower pair of electrodes having a voltage of 0 V, and a voltage of 100 V on the second upper and lower pair of electrodes, thanks to which the tested particles are accelerated and lensed in the separator chamber 2.

P r z y k ł a d 2P r z k ł a d 2

Spektrometr wykonany jak w przykładzie 1 z tą różnicą, że elektrody katody jonizatora 12, anody jonizatora 15, bramki 14, elektrody bariery 16 i elektrody zwalniające 18 są przyłączone tylko do górnej powierzchni podłoża szklanego 6, natomiast kanał separatora 20 jest wydłużonym wgłębieniem, zaś symetrycznie względem osi kanału separatora 20 do górnej powierzchni podłoża przyłączony jest zespół elektrod wprowadzających 17 składających się z dwóch par elektrod, a następnie tuż za nim pierwsza para elektrod formujących 21 a zaś przy końcu komory druga para elektrod formujących 21 oraz pojedyncza elektroda detektora 4, przy czym powierzchnia elektrod wprowadzających 17 i elektrody detektora 4 zachodzą na powierzchnię kanału separatora 20 stanowiącego obszar dryfu. Elektrody wprowadzające 17 oraz elektrody formujące 21 wykonane są w formie mikrobelek krzemowych szerokości 0,5 mm. Kanał separatora 20 będący obszarem dryfu jonów ma długość 25 mm. Do elektrod zwalniających górnych 18a przyłączona jest pokrywa górna 7a, natomiast w obszarze jonizatora pokrywa dolna nie łączy się z elektrodami ani podłożem szklanym 6.Spectrometer made as in example 1, with the difference that the electrodes of the ionizer cathode 12, ionizer anode 15, gate 14, barrier electrodes 16 and release electrodes 18 are attached only to the upper surface of the glass substrate 6, while the separator channel 20 is an elongated recess and symmetrically connected with the axis of the separator channel 20, a set of introducing electrodes 17 consisting of two pairs of electrodes is connected to the upper surface of the substrate, followed by a first pair of forming electrodes 21 and, at the end of the chamber, a second pair of forming electrodes 21 and a single detector electrode 4, the surface of the introducing electrodes 17 and the detector electrodes 4 overlap with the surface of the separator channel 20 constituting the drift region. The introducing electrodes 17 and the forming electrodes 21 are made in the form of 0.5 mm wide silicon microconvulses. The separator channel 20 being the ion drift region has a length of 25 mm. The top cover 7a is attached to the top release electrodes 18a, while in the area of the ionizer the bottom cover does not connect to the electrodes or the glass substrate 6.

P r z y k ł a d 3P r z k ł a d 3

Spektrometr wykonany jak w przykładzie 1, z tą różnicą, że elektrody katody jonizatora 12, anody jonizatora 15, bramki 14, elektrody bariery 16 i elektrody zwalniające 18 są przyłączone tylko do górnej powierzchni podłoża szklanego 6, natomiast kanał separatora 20 będący obszarem dryfu jest w postaci wydłużonego wgłębienia, zaś symetrycznie względem osi kanału separatora 20 do górnej powierzchni podłoża szklanego 6 przyłączony jest zespół elektrod wprowadzających 17 złożony z dwóch par, a następnie para elektrod kompensujących 22, wykonanych w formie równoległych, wydłużonych prostokątów, zaś przy końcu komory separatora 3 para elektrod apertury 23 o szerokości 0,2 mm w formie mikrobelek oraz pojedyncza elektroda detektora 4, przy czym powierzchnia elektrod wprowadzających 17,Spectrometer made as in Example 1, with the difference that the electrodes of the ionizer cathode 12, ionizer anodes 15, gate 14, barrier electrodes 16 and release electrodes 18 are attached only to the upper surface of the glass substrate 6, while the separator channel 20 being the drift zone is in a set of introducing electrodes 17 consisting of two pairs, and then a pair of compensating electrodes 22, made in the form of parallel, elongated rectangles, and symmetrically with respect to the axis of the separator channel 20, connected to the upper surface of the glass substrate 6, aperture electrodes 23 0.2 mm wide in the form of microcantilever and a single detector electrode 4, the surface of the introducing electrodes 17,

PL 230 152 B1 elektrod kompensujących 22 oraz elektrod apertury 23 i elektrody detektora 4 zachodzą na powierzchnię kanału separatora 20. Dla jonów o stosunku masy do ładunku m/z = 40, pole magnetyczne w komorze separatora 3 wytworzone przez magnesy neodymowe umieszczone nad i pod obszarem dryfu wynosi 0,18 T i przebiega prostopadle do jego powierzchni, napięcie kompensujące 130 V przeciwdziałające skręcaniu wstrzeliwanych jonów w wyniku działania pola magnetycznego. Do elektrod zwalniających górnych 18a przyłączona jest pokrywa górna 7a, natomiast w obszarze jonizatora pokrywa dolna nie łączy się z elektrodami lub podłożem szklanym 6.The compensation electrodes 22 and the aperture electrodes 23 and detector electrodes 4 extend onto the surface of the separator channel 20. For ions with a mass-to-charge ratio of m / z = 40, the magnetic field in the separator chamber 3 generated by neodymium magnets located above and below the area the drift is 0.18 T and runs perpendicular to its surface, compensating voltage of 130 V preventing torsion of the fired ions as a result of the magnetic field. The top cover 7a is connected to the upper release electrodes 18a, while in the area of the ionizer the bottom cover does not connect to the electrodes or the glass substrate 6.

Działanie spektrometru według wynalazku jest następujące: przed uruchomieniem spektrometru załączana jest mikropompa próżniowa, która odpompowuje objętość wewnętrzną całego systemu (komory jonizacyjnej oraz separacyjnej) do wysokiej próżni (korzystnie 10-5 hPa). Następnie otwierany jest kanał dozownika i badana próbka gazowa powoli wnika do środka. Gaz jest jonizowany w module jonizatora za pomocą wiązki elektronów emitowanej z katody polowej pod wpływem działania silnego pola elektrycznego. Wytworzone elektrony zostają przechwycone przez anodę, a zjonizowany gaz wprowadzany jest przez układ elektrod do komory analizatora mas, gdzie następuje separacja jonów oraz detekcja. Separacja wykorzystuje ładunek oraz masę (stosunek m/z) badanych jonów, które oddziaływują z polem elektrycznym lub magnetycznym. W analizatorze czasu przelotu wiązki jonów wykorzystuje się impuls przyśpieszający jony, wprowadza je do obszaru wolnego dryfu, na którym rozdzielają się na frakcje o różnym m/z, lżejsze jony docierają do detektora szybciej od cięższych. W kwadrupolowym filtrze mas działającej na zasadzie pułapki jonowej oraz filtrze Wiena wykorzystującym skrzyżowane pola elektryczne oraz magnetyczne, stabilny przelot przez obszar dryfu mają zagwarantowane wyłącznie jony o danym m/z, reszta zostaje przechwycona przez elektrody filtra.The operation of the spectrometer according to the invention is as follows: before starting the spectrometer, a micropump is turned on, which pumps the internal volume of the entire system (ionization and separation chamber) to a high vacuum (preferably 10-5 hPa). Then the feeder channel is opened and the tested gas sample slowly enters inside. The gas is ionized in the ionizer module by an electron beam emitted from the field cathode under the influence of a strong electric field. The generated electrons are captured by the anode and the ionized gas is introduced through the electrode array into the mass analyzer chamber, where the ions are separated and detected. Separation uses the charge and mass (m / z ratio) of the ions under study, which interact with an electric or magnetic field. In the time-of-flight analyzer of the ion beam, a pulse accelerating ions is used, introducing them to the region of free drift, where they separate into fractions of different m / z, lighter ions reach the detector faster than heavier ions. In a quadrupole ion trap mass filter and a Wien filter using crossed electric and magnetic fields, only ions with a given m / z are guaranteed to pass a stable passage through the drift area, the rest is captured by the filter electrodes.

Claims

1. Integrated miniature mass spectrometer, made by MEMS techniques in the form of a sandwich with the use of silicon and glass, sealed using vacuum anode bonding, containing a vacuum micropump, consisting of two opposite cathodes and placed in the middle of the anode separated by two glass spacers; gas dispenser and ionizer, ion separator and detector, characterized in that it has a glass substrate (6) common to all elements and glass covers, upper (7a) and lower (7b), connected to the glass substrate (6) and sealed with a silicon frame (8) as one chip, with partial etchings or through holes in the glass substrate (6) and covers (7a), (7b), which distinguish subsequent chambers and areas: micropump chamber (5), dispenser area ( 1), the gas ionizer chamber (2), the ion separator chamber (3) and the detector area (4), where in the micropump chamber (5) the glass substrate (6) is connected by the upper surface to the silicon anode of the micropump (25), and the anode micropumps (25) with an upper cover (7a) which, together with the anode of the micropump (25) and the glass substrate (6), have concentric through holes, creating a space closed on both sides by the cathodes of the micropump (24); a first microchannel (9a) is provided in the glass substrate (6) between the micropump chamber (5) and the gas ionizer chamber (2); in the gas ionizer chamber, the glass substrate (6) has an etched ionizer channel, and the ionizer cathodes are connected to at least the upper surface of the glass substrate (6) in the chamber axis, at least the upper one (12a) with layers of emission material (13), behind which, symmetrically on both sides of the ionizer channel, perpendicular to its axis, to at least the upper surface of the glass substrate (6) are connected pairs of gate electrodes, at least the upper one (14a), then pairs of anode electrodes, at least the upper one (15a), then first pair of barrier electrodes, at least the upper one (16a), then two pairs of release electrodes, at least the upper one (18a), the release electrodes (18) on the same sides are connected to each other, followed by a second pair of barrier electrodes, at least the upper one (16a), a microchannel of the dispenser (1) adjoins the ionizer chamber (2); then a second microchannel (9b) is made in the glass substrate (6) between the ionizer chamber (2) and the separator chamber (3); in the separator chamber (3), to the glass substrate (6), which has a longitudinal separator channel (20), there are connected successively along the chamber and symmetrically to its axis: a set of introducing electrodes (17) and silicon electrodes

The electrode, and at the end of the separator chamber (3) there is a detector (4) in the form of at least one electrode attached to at least the upper surface of the glass substrate (6) through which the glass substrate (6) connects to the top cover (7a) or lower (7b).

2. Spectrometer according to claim The method of claim 1, characterized in that the layer of the emitting material (13) is in the form of carbon nanotubes.

3. Spectrometer according to claim The method of claim 1, characterized in that the cathodes of the ionizer (12a, b) in the horizontal plane are spaced from the gate (14a, b) by 0.1 to 0.5 mm, and the space limited by these electrodes constitutes the electron emission area (10).

4. Spectrometer according to claim The method of claim 1, characterized in that the gate electrodes (14a, b) are spaced 2 to 5 mm from the anode (15a, b) in the horizontal plane.

5. Spectrometer according to claim 1 The method of claim 1, characterized in that the area covered by the release electrodes (18a, b) has a length of 2mm to 5mm.

6. Spectrometer according to claim The method of claim 1, characterized in that the electrodes of the ionizer are in the form of 0.5 mm wide silicon microbeads.

7. Spectrometer according to claim The method of claim 1, characterized in that the spacing in the horizontal plane between the anode electrodes (15a, b), barrier electrodes (16a, b) and the release electrodes (18a, b) is from 0.2 mm to 0.6 mm, and the space limited by these electrodes is the ionization area (11).

8. A spectrometer according to claim The method of claim 1, characterized in that the microchannel of the dispenser (1) is etched in the silicon frame (8) and is provided with a valve in the form of a piezoelectric actuator.

9. Spectrometer according to claim 1 The method of claim 1, characterized in that the cathodes of the micropump (24) and the ionizer (12) are kept at the ground potential, the anode of the micropump (25) is polarized with a positive voltage from 500 V to 1000 V, the anode of the ionizer (15) is polarized with a positive voltage of 800 V to 1800 V, and the gate (14) has a potential of 500 V to 800 V.

10. Spectrometer according to claim 1 A magnetic field of 0.1 to 0.3 T runs in the ionizer chamber (2) in the cathode-anode direction.

11. A spectrometer according to claim 1 The method according to claim 1, characterized in that the set of introducing electrodes (17) consists of at least two pairs of introducing electrodes in the form of silicon microcantilever, each pair being polarized in relation to the previous one.

12. Spectrometer according to claim 1, The method of claim 1, characterized in that the assembly of introducing electrodes (17) is distant from the center of the ionizer chamber (2) from 1 mm to 8 mm.

13. A spectrometer according to claim 1, The ionizer cathodes, upper 12a and lower 12b, upper (13a) and lower (13b) anode (13b), upper gate are attached to both the upper and lower surfaces of the glass substrate (6). (14a) and lower (14b), first pair of barrier electrodes, upper (16a) and lower (16b), upper pair of release electrodes (18a) and lower pair of release electrodes (18b) and second pair of barrier electrodes, upper (16a) and lower (16b), the upper cover (7a) is connected to the upper release electrodes (18a) and the lower cover (7b) to the lower release electrodes (18b), while the separator channel (20) in the glass substrate (6) in the separator chamber ( 2) is an elongated, through hole, constituting a drift area, and a set of introducing electrodes (17) in the form of at least two upper and lower surfaces of the glass substrate (6) symmetrically with respect to the axis running along the center of the separator channel (20) is attached to the upper and lower surface of the glass substrate (20). lower pairs of wp electrodes leading in the form of microcantilevers and the upper and lower pair of measuring electrodes (19), electrically connected, forming a quadrupole analyzer, and at the end of the separator chamber (3), a pair of detector electrodes (4) is connected to the upper and lower surfaces of the glass substrate (6), the working surfaces of all electrodes in this chamber overlap the surface of the separator channel (20), and moreover, through the detector electrodes (4), the glass substrate (6) is connected to the upper (7a) and lower (7b) covers, closing the separator chamber (3) .

14. A spectrometer according to claim 14 11. The method according to claim 11, characterized in that the electrical connection of the measuring electrodes (19) consists in connecting the measuring electrodes in pairs: the upper left with the lower right and the upper right with the lower left.

15. A spectrometer according to claim 15 The method of claim 11, characterized in that the thickness of the glass substrate (6) is between 0.7 and 2.0 mm.

PL 230 152 B1

16. A spectrometer according to claim 16 The method of claim 11, characterized in that the horizontal distances between the measuring electrodes (19) in the upper and lower pairs constitute 50-90% of the thickness of the glass substrate (6).

17. A spectrometer according to claim The method of claim 1, characterized in that the separator channel (20) in the glass substrate (6) in the separator chamber (2), constituting the drift region, is an elongated recess, and symmetrically with respect to the separator channel axis 20, a set is connected to the upper surface of the glass substrate (6). introducing electrodes (17) composed of at least two pairs of introducing electrodes, followed by the first pair of forming electrodes (21), and at the end of the separator chamber (3) a second pair of forming electrodes (21) and a single detector electrode (4), the working surfaces of the introducing electrodes (17) and the detector electrodes (4) extend to the surface of the separator channel (20).

18. A spectrometer according to claim 18 The method of claim 15, characterized in that the introducing electrodes (17) and the forming electrodes (21) are made in the form of 0.5 mm wide silicon microcantilever.

19. Spectrometer according to claim 1 15. The method of claim 15, characterized in that the separator channel (20) being the particle drift region has a length of 20 mm to 35 mm.

20. A spectrometer according to claim 3. The method of claim 1, characterized in that the separator channel (20) in the glass substrate (6) in the separator chamber (2), constituting the particle drift area, is an elongated recess, and symmetrically with respect to the channel axis (21) connected to the upper surface of the glass substrate (6) there is a set of introducing electrodes (17) consisting of at least two pairs of introducing electrodes and then a pair of compensating electrodes (22) made in the form of parallel, elongated rectangles, and at the end of the chamber, a pair of aperture electrodes (23) in the form of microcantilever and a single detector electrode ( 4), with the surfaces of the introducing electrodes (17), compensating electrodes (22) and the aperture electrodes (23) and detector electrodes (4) overlapping the surface of the separator channel (20), with a voltage between the compensating electrodes (22) from 20 V to 300 V preventing ions from twisting as a result of the magnetic field.

21. A spectrometer according to claim 1 18. The method according to claim 18, characterized in that a magnetic field of 0.1 to 0.8 T prevails in the separator chamber (3) perpendicular to its surface.