TWI553311B - 離子分離光譜儀裝置、電離程序與氣體分析系統 - Google Patents

Description

離子分離光譜儀裝置、電離程序與氣體分析系統

本發明大體係關於氣體偵測器，且特定但非專屬地關於具有整合帶電離子分離之偵測器。

本申請案根據35 U.S.C.§ 119(e)規定主張於2009年7月2日申請且仍申請中之美國臨時專利申請案第61/222,807號之優先權。

氣體偵測儀器用於從一氣體分離化學離子且偵測該等離子。然而現存之儀器均具有缺點，使得其等建置昂貴，操作繁重，且較困難或不可能小型化。一離子遷移光譜儀(IMS)係一氣體偵測儀器，其中隨著透過電場而使氣體離子漂移，使氣體離子根據其等個別的速率而分離。大多數傳統大型非攜帶式IMS系統使用電噴灑電離以將化學分子電離，但此電離源太過複雜以至於無法具成本效益地縮減尺寸且與其他組件整合。已使用其他電離技術，諸如表面電離，但大多數電離技術需要用於輸入樣品氣體之高真空環境，此實施於一小型化IMS系統中為非常具挑戰性的。結果，需要可在大氣壓下操作之具有可擴縮尺寸的一新電離源。

Sandia國家實驗室已報告一較小尺寸之IMS器件，但此小型化IMS漂移器涉及太多部件及電連接，此導致相當低的器件製造處理能力及相當高的封裝及組裝成本。此外，此IMS具有在10cm×2cm×2 cm範圍內的量測尺寸，但在其可用作一完全組裝之手持式氣體偵測系統之前仍需要進一步之尺寸減小。

Draper實驗室發展了一小型化射頻IMS(rf-IMS)。此rf-IMS由於藉由使用高場不對稱波形離子遷移光譜儀(FAIMS)技術以在漂移之通道中過濾離子的漂移或分離電極之簡化而具有顯著減小之漂移通道尺寸。此FAIMS技術需要一非常高之射頻(RF)電場以用2MHz頻率之1700V之一電壓在漂移通道中過濾離子。對應之高電壓RF電源供應器消耗非常高之電力，且亦需要特殊微波保護。同時，用於產生此高電壓RF信號之電子非常昂貴且通常非常大，此繼而導致在產製一低成本小型化氣體偵測器系統上的困難。

在當前先進技術小型化氣體偵測系統兩者中，使用放射性材料作為電離源以保持小系統擺設區域：該Sandia IMS使用放射性241Am作為其電離源，以減小系統尺寸，而Draper實驗室rf-IMS使用放射性63Ni作為電離源。放射性材料之使用引起其自身之問題。必須執行定期的洩露測試來使用該等材料。同時，特殊之安全規章及許可要求可限制使用放射性材料之器件之商業接受度。放射性廢料處理亦引起關於環境影響之嚴重關切。因此，可代替放射性材料之一周圍壓力電離源的發展係所期望的。

當前之小型化氣體偵測器仍由分離之個別組件而構造：分離之電離源、分離之離子漂移及分離之通道以及分離之離子偵測器，其等需要相當量之組裝勞力，且因此成本較高。在製造中無法單片地整合該等分離組件，且需要顯著的組裝勞力，此增加該器件之成本。用以低成本大規模生產之可固有地整合的一更穩健之小型化氣體偵測器係所期望的。

200‧‧‧離子分離光譜儀/偵測器

202‧‧‧子組件

204‧‧‧子組件

206‧‧‧間隔物

208‧‧‧基板

210‧‧‧電極

212‧‧‧電極

214‧‧‧尖端式電極/探針

216‧‧‧接觸墊

220‧‧‧導電路徑

222‧‧‧導電路徑

224‧‧‧電極組

226‧‧‧電阻器

228‧‧‧導電路徑

229‧‧‧導電路徑

230‧‧‧感測器電極/感測器/電極/偵測器電極

231‧‧‧基板

232‧‧‧電極

233‧‧‧電極

234‧‧‧平面式電極

236‧‧‧接觸墊

238‧‧‧導電路徑

240‧‧‧導電路徑

242‧‧‧電極組

244‧‧‧電阻器

246‧‧‧導電路徑

248‧‧‧感測器電極/感測器/電極/偵測器電極

249‧‧‧導電路徑

252‧‧‧直流高電壓(DC-HV)源

254‧‧‧直流高電壓源

256‧‧‧直流高電壓源

258‧‧‧直流高電壓源

260‧‧‧直流高電壓源

262‧‧‧電路及邏輯

400‧‧‧微離子分離光譜儀(ISS)/偵測器

401‧‧‧矽晶圓

402‧‧‧玻璃晶圓

403‧‧‧玻璃晶圓

404‧‧‧注入器電極

406‧‧‧注入器電極

408‧‧‧注入器電極

410‧‧‧注入器電極

412‧‧‧平面式電極

414‧‧‧平面式電極

416‧‧‧尖端式探針

418‧‧‧電極組

419‧‧‧電極組

420‧‧‧電阻器

421‧‧‧電阻器

422‧‧‧偵測器電極

424‧‧‧偵測器電極

426‧‧‧發熱元件

450‧‧‧微ISS

451‧‧‧矽層

452‧‧‧基底層

454‧‧‧絕緣體層

500‧‧‧微ISS

504‧‧‧注入器電極

506‧‧‧注入器電極

508‧‧‧注入器電極

510‧‧‧注入器電極

512‧‧‧平面式電極

514‧‧‧平面式電極

516‧‧‧尖端式探針

518‧‧‧電極組

520‧‧‧電阻器

522‧‧‧直流電壓源

524‧‧‧電極組

526‧‧‧電阻器

528‧‧‧直流電壓源

530‧‧‧感測器電極

600‧‧‧微電暈ISS

618‧‧‧分離電極

620‧‧‧分離電極

700‧‧‧氣體偵測系統

702‧‧‧預集中器

704‧‧‧氣體層析儀

706‧‧‧離子分離光譜儀

708‧‧‧電路及邏輯

710‧‧‧關聯邏輯

圖1A係一離子分離光譜儀之一實施例之一高階方塊圖。

圖1B展示圖解說明用圖1A中展示之離子分離光譜儀可行之結果的一對圖表。

圖2A係一離子分離光譜儀之一實施例之一側視圖。

圖2B係圖2A中展示之離子分離光譜儀之實施例之一側視圖，其圖解說明可用於光譜儀之電連接的一實施例。

圖2C係圖解說明圖2B中展示之離子分離光譜儀之操作的一實施例的一圖表。

圖3A至圖3D係圖解說明圖1A中展示之離子分離光譜儀之構造的一實施例的圖。

圖4A至圖4B分別係一離子分離光譜儀之一替代實施例的一側視圖及一平面圖。

圖4C係圖4A至圖4B中展示之離子分離光譜儀之一替代實施例之一側視圖。

圖5A係一離子分離光譜儀之一替代實施例之一平面圖。

圖5B展示圖解說明圖5A中展示之離子分離光譜儀可行之結果的一對圖表。

圖6係一離子分離光譜儀之另一替代實施例之一平面圖。

圖7係使用一離子分離光譜儀之一實施例之一氣體分析系統之一實施例之一示意性圖。

本發明之非限制性且非專屬性實施例參考以下圖而描述，其中相同之參考數字貫穿多種視圖指相同之部分，除非另有指示。圖並非按比例繪製，除非特定指示。

在此描述一裝置、方法及系統及一整合離子分離光譜儀之方法的實施例。在下文之描述中，描述許多特殊細節以提供對本發明之實施例的一徹底理解。然而熟習此項技術者將意識到，本發明可在沒有 一個或多個特殊細節或其他方法、組件、材料等的前提下實踐。在其他實例中，熟知之結構、材料或操作不詳細展示或描述，但仍涵蓋於本發明之範圍內。

貫穿本說明書之對於「一項實施例」或「一實施例」之參考意味著結合實施例而描述之一特定特徵、結構或特性包含於本發明之至少一項實施例中。因此，在本說明書中出現之片語「在一項實施例中」或「在一實施例中」不必要均指相同之實施例。此外，該等特定特徵、結構或特性可在一個或多項實施例中以任意適宜之方式組合。

圖1A示意性地圖解說明一離子分離光譜儀(ISS)之一實施例。該ISS包含三個主要組件：一電離及注入區段，其具有一入口及一出口；一離子漂移及分離通道，其具有一個末端耦接至該電離及注入區段之該出口；及一離子偵測區段，其在該電離及注入區段耦接至該離子漂移及分離通道的相對末端處耦接至該通道。所有三個元件實質上沿著一軸或中心線而對準。

圖1A及圖1B一起圖解說明圖1A之該ISS之操作。一氣體樣品引導至該電離及注入區段，在該電離及注入區段處電離氣體中之化學原子或分子，且在電離之後，所得之離子叢集注入至該漂移及分離通道中。在該漂移及分離通道中，該等離子經受一電場。在該等離子叢集中之不同離子將具有不同電荷、不同質量及不同之橫截面形狀及面積。由該電場對每個離子產生之力將取決於該離子之電荷，且回應於該力之每個離子的加速度將取決於離子質量。從而，將該等離子叢集經受一電場具有從該等離子叢集分離個別離子之效果，且以不同速率將離子加速朝向該離子偵測器，使得不同的離子將在不同時期到達該偵測器(即，使離子在時域內分離)。因為該等離子被分離，且在不同時期內到達該偵測器，可基於來自該離子偵測器之信號的時間訊跡(signature)而感測不同離子之存在及濃度，如圖1B中所展示。

圖2A圖解說明一離子分離光譜儀(ISS)200之一實施例。所圖解說明之實施例係一較小尺寸之微ISS，其將該ISS之元件整合至一單一晶片，但關於此晶片或在此揭示之任意其他實施例，前置詞「微」不限制該器件或其任意組件之尺寸，因為該器件及/或其組件之其他較大尺寸之實施例亦係可行的。

ISS 200包含：一第一子組件202，其具有該微ISS之一些元件形成於其上；一第二子組件204，其具有該微ISS之其他元件形成於其上及；一間隔物206，其在該等子組件之間，以在該等子組件如展示般接合在一起時以所期望之分離保持該等子組件。對於損失成本之大規模生產，可在一PCB板或矽晶圓上(例如)藉由微電機系統(MEMS)處理而製造該微電暈ISS晶片。在下文中結合圖3A至圖3D而描述子組件202及204之細節。ISS 200意欲操作於一周圍壓力中，但亦可應用於真空環境中。

ISS 200包含四個主要組件：一微電暈電離器，其電離進入該入口的一氣體樣品中之化學原子及/或分子；一漂移及分離通道；一離子注入器，用以將所得之離子注入漂移及分離通道中；及一離子收集器電極或偵測器陣列。該微電暈電離器包含形成於基板208上之一尖端式電極或探針214，及形成於基板231上之一平面式電極234。探針214係藉由一導電路徑220而電耦接至基板208之相對側上之一接觸墊216。接觸墊216及導電路徑220用於提供電力至探針214。類似地，平面式電極234係藉由一導電路徑238而電耦接至基板231之相對側上之接觸墊236。接觸墊236及導電路徑238用於提供電力至平面式電極234。探針214之尖端及平面式電極234之表面間隔一放電距離d，此可取決於例如待施加之電壓及在氣體樣品中待電離之化學品而改變。因此在ISS晶片中之微電暈電離器用於電離輸入氣體/VOC，而非使用放射性材料作為一電離源。

該離子注入器包含兩對注入器電極。第一對注入器電極置於接近該離子注入器之入口處，且包含形成於基板208上之電極210及形成於基板231上之電極233。電極210從電極233處分離距離h1。電極210電耦接至在基板208中或在基板208上之一導電路徑222，而電極233電耦接至基板231中或基板231上之一導電路徑240。第二對注入器電極置於接近該離子注入器之出口處，且包含形成於基板208上之電極212及形成於基板231上之電極232。電極212從電極232處分離距離h2。電極212電耦接至基板208中或基板208上之一導電路徑222，而電極232電耦接至基板231中或基板231上之一導電路徑240。導電路徑222可用於提供電力至電極210及212，而導電路徑240可用於提供電力至電極232及233。

在所圖解說明之實施例中，該兩對之注入器電極彼此縱向間隔開距離L1，且該微電暈電離器置於該等電離器電極對之間。可基於ISS 200之操作需求(諸如待施加之電壓及待電離及注入之化學品)，而決定介於兩對電極之間之距離L1，以及介於電極之間之橫向距離h1及h2。在所圖解說明之實施例中，該等注入器電極均為實質上相同之尺寸，但在其他實施例中，該等注入器電極不需要相同之尺寸：不同之注入器電極對可具有不同尺寸之電極，在每一對中之電極可為不同尺寸，或此兩者。此外，在所圖解說明之實施例中，該等注入器電極經放置使得該離子注入器之出口實質上與ISS 200之一中心線對準，但在其他實施例中，該等注入器電極可經尺寸化使得該離子注入器之出口遠離ISS 200之中心線。

該離子漂移及分離通道耦接至該離子注入器之出口，且包含兩組分離電極：形成於基板208之側上的一組電極224，其界定該通道之一壁；及形成於基板231上之一組電極242，其形成該通道之另一壁。分離電極224及242用於在該漂移及分離通道中建立一電場，以分離離 子且將離子加速朝向該偵測器加速。

分離電極組224及242彼此間隔開橫向距離D，且在每一組電極中之個別電極沿著基板之一縱向方向而有規則地間隔。可基於ISS 200之操作需求(諸如待分離之該等離子、待施加之電壓、該通道之長度L2等等)而決定距離D以及在每一組中個別電極之間之縱向間距。在所圖解說明之實施例中，該等分離電極組224及242各包含八個有規則地間隔之電極，但在其他實施例中，每組電極可包含任意數目之電極，包含一單一(即，一個)電極，且在每組中個別電極之間之縱向間距不需為規則的。然而，在所圖解說明之實施例中，電極組224及242兩者具有相同數目之個別電極，但在其他實施例中，電極組224及242不需具有相同數目之個別電極。然而在其他實施例中，分離電極組之數目可大於或小於所圖解說明之實施例中展示之數目。多種類型之分離電極組態及電場施加可用於該漂移及分離通道中，以在離子到達該離子偵測器之前的行進期間達成所期望的離子分離，如在此描述之其他實施例中所展示。

在電極組224中之個別電極係藉由導電路徑228電耦接至基板208之相對側上之電阻器226，類似地，在電極組242中之個別電極係藉由導電路徑246電耦接至基板208之相對側上之電阻器244。除其他外，電阻器226及244可用於加熱該漂移及分離通道。導電路徑228及246亦提供介於電極及電阻器與電源之間之電耦接，使得電力可供應至電極及電阻器。在所圖解說明之實施例中，個別電阻器之數目與電極之數目匹配，但在其他實施例中不需為此情況。

該離子偵測器置於與該通道耦接至該離子注入器之末端相對的該漂移及分離通道之末端處。該離子偵測器具有一縱向尺寸L3，大略相當於最後之個別分離電極與感測器或偵測器之間之距離。在所圖解說明之實施例中，該感測器包含形成於基板208上之感測器電極(亦指 一「感測電極」)230及形成於基板231上之一感測器電極248。感測器電極230電耦接至一導電路徑229，該導電路徑229通至與電極230形成之處之側相對的基板208之側，而感測器248電耦接至一導電路徑249，該導電路徑249通至與電極248形成之處之側相對的基板231之側。導電路徑229及249提供電路與所關聯之邏輯耦接至電極230及248的一方式，以讀取、調節及處理在該等感測器電極處接收之由帶電荷離子產生之信號。可基於來自該等感測器電極之信號之光譜訊跡而決定特定氣體或化學品之存在及濃度。在所圖解說明之實施例中，相似尺寸之兩個感測器電極展示於相同之縱向位置，但其他實施例可包含更少或更多數目之電極，且在其他實施例中，該等電極不需在相同之縱向位置，且不需具有相同尺寸。

圖2B圖解說明可用於ISS 200之電連接之一實施例。一切換式直流(DC)高電壓(DC-HV)源252經由接觸墊216及導電路徑220而電連接至探針214，且亦由經接觸墊236及導電路徑238而電連接至平面式電極234。切換式DC-HV源252可在探針214與平面式電極234之間施加高電壓，以將注入至ISS 200中之一氣體樣品中之化學品電離。由DC-HV源252施加之確切電壓可取決於諸如該分離距離d及待電離之化學品的因素，而該切換式高電壓之持續時間可取決於操作需求而從奈秒至大於毫秒而改變。在一項實施例中，DC-HV源252可施加介於0V與1000V之間之電壓，但在其他實施例中，DC-HV源252可施加在0V與1000V範圍之外的電壓。

該等注入器電極類似地連接至分離DC高電壓(DC-HV1)源。注入器電極210及212經由導電路徑222而耦接至DC-HV1源254，而注入器電極232及233經由導電路徑240而耦接至DC-HV1源256。由DC-HV1源254及DC-HV1源256施加之電壓將決定至該漂移及分離通道中之初始離子注入速率。在一項實施例中，DC-HV1源254及256可施加介於0 V與1000V之間之電壓，但在其他實施例中，DC-HV1源254及256可施加在0V與1000V範圍外之電壓。

電極組224及242電耦接至相同或分離之DC高電壓(DC-HV2)源。電極組224經由導電路徑228而耦接至DC-HV2源258，而電極組242經由導電路徑246而耦接至DC-HV2源260。電極組224及242均勻地間隔開距離D，且在每一組內有規則地間隔個別之電極，由DC-HV2源258及260施加之電壓產生沿著離子行進方向的一均勻縱向電場。HV2電壓將在到達偵測器之前決定離子漂移時間。在一項實施例中，DC-HV2源258及260可施加介於500V與1000V之間的電壓，但在其他實施例中，DC-HV2源258及260可施加在500V與1000V範圍外的電壓。

偵測器電極230及248電耦接至電路及邏輯262，以讀取、調節及/或處理從該等偵測器電極接收之信號，用於定量氣體離子分析。偵測器電極230經由導電路徑229而耦接至電路及邏輯262，而偵測器電極248經由導電路徑249而耦接至電路及邏輯262。

圖2C概略地圖解說明具有圖2B中展示之電連接之ISS 200的一實施例之操作。當氣體分析物引入至ISS 200時，例如由如圖7中展示之一氣體層析儀引入，脈衝開關該微電暈電離器，其將輸入氣體/化學品電離。若尚未由另一組件(諸如一氣體層析儀)分解(分離)，則該微電暈電離器從不同之氣體/化學品同時產生離子叢集。該等離子叢集接著由該離子注入器(若施加一注入電壓，DC-HV1≠0)或由氣體流(若不施加注入電壓，DC-HV1=0)掃進該離子漂移及分離通道。當行進通過該漂移及分離通道內之周圍時，不同之離子具有不同質量及對應之橫截面電阻。由於沿著該漂移及分離通道之不同的行進速度，該等離子叢集接著及時分離且由該離子偵測器/電極而感測。藉由評估從感測器電極接收之離子電流信號型樣，不由其他器件(諸如一氣體層析儀)而分離之特定之氣體/化學品可由ISS 200而進一步分辨。離子信號 強度決定對應之輸入化學濃度。

圖3A至圖3D圖解說明第一子組件202及第二子組件204之構造的一實施例，其等與間隔物206接合在一起以形成ISS 200(參見圖2A)。圖3A至圖3B一起圖解說明第一子組件202之構造的一實施例。子組件202包含其上形成有許多組件的一基板208。探針214、注入器電極210及212、電極組224及偵測器電極230形成於基板208之一側上，而電阻器組226及接觸墊216形成於基板208之另一側。在一項實施例中，所有電極可為金屬且可藉由電鍍或直接印刷而製造至所期望的尺寸，但在其他實施例中，半導體或其他非金屬導體可用作電極。在其他實施例中，不同之製造做法亦係可行的。例如，若ISS 200且因此子組件202為一小尺寸之器件，諸如一MEMS尺寸之器件，則可使用諸如光微影圖案化及蝕刻之處理(參見例如圖4A至圖4C)。

基板208可為可支撐形成於其上之組件且可經受住將面臨之製造及操作條件的任意類型之基板。在一項實施例中，基板208可為一單層或多層之印刷電路板(PCB)，但在其他實施例中，基板208可為另一類型之基板，諸如矽晶圓、單晶矽、絕緣體上覆矽(參見圖4C)、玻璃、陶瓷或低溫共燒陶瓷(LTCC)技術。

在子組件202中，導電路徑220從接觸墊216延伸至探針214，以提供電力至該探針。類似地，導電路徑222延伸經過基板208，以為注入器電極210及212提供電連接，且導電路徑228延伸經過基板208，以提供介於電極組224與電阻器組226之間之電連接，以及提供一路徑，電力可經該路徑而供應至電極組224及電阻器組226。最後，導電路徑229可用於提供介於偵測器電極230與電路及邏輯之間之一電連接，該電路及邏輯可用於偵測由到達該偵測器電極之離子產生的信號。在所圖解說明之實施例中，導電路徑可為該基板內之金屬跡線及通孔的一組合，諸如可在一多層之印刷電路板內找到的導電路徑，或可使用光 微影技術而經圖案化、沈積且蝕刻至一基板的導電路徑。在其他實施例中，該等導電路徑可代替地經印刷或圖案化且蝕刻至該基板之表面上，而非經該基板之內部。然而在其他實施例中，該等導電路徑可為單獨之組件，諸如電線。

圖3C至圖3D一起圖解說明第二子組件204之構造的一實施例。子組件204包含其上形成有許多組件的一基板231。平面式電極234、注入器電極232及233、電極組242以及偵測器電極248形成於基板231之一側上，而電阻器組244及接觸墊236形成於基板204之另一側上。子組件204與子組件202之間之主要差異係平面式電極234存在於子組件204中，而探針214存在於子組件202中。可使用可用於製造子組件202之任意技術而製造子組件204，且變動可應用於子組件202，且其組件同樣可應用於子組件204及其組件中。

圖4A至圖4B一起圖解說明一MEMS尺寸之微ISS 400之一替代實施例。就如ISS 200，微ISS 400意欲操作於周圍壓力中，但亦可用於一真空環境中。微ISS 400製造於一矽晶圓401上，矽晶圓401夾在一第一玻璃晶圓402及一第二玻璃晶圓403中間。微ISS 400之大部分元件使用諸如微影圖案化及蝕刻之處理而形成於矽晶圓401中。注入器電極404、406、408及410形成於矽晶圓401中。微電暈電離器亦形成於介於注入器電極對404及406與另一注入器電極對408及410之間之矽晶圓401中。在所圖解說明之實施例中，微電暈電離器包含平面式電極412及414。尖端式探針416從平面式電極414突出朝向平面式電極412。如在ISS 200中，介於探針416之尖端與平面式電極412之間之距離將取決於諸如待電離之化學品、待施加之電壓等因素。直接藉由運用光罩將矽微影蝕刻而形成探針及放電間隙。可精確地由在此情況下設計之該光罩而界定間隙。亦可同時在相同之處理中構造所有分離電極。

電極組418及419亦形成於矽晶圓401中，如偵測器電極422及424。電阻器420可在接合至矽之前形成於玻璃晶圓403上，且電耦接至電極組418中之個別分離電極，而電阻器421亦可形成於玻璃晶圓402上，且電耦接至個別分離電極419。包含一個或多個加熱元件426之一加熱器可形成於玻璃晶圓403上，在與晶圓接合至矽晶圓401處相對的晶圓之側上。儘管圖中未展示，導電路徑可提供於矽晶圓401、玻璃晶圓402及/或玻璃晶圓403內或上，以對不同之組件提供必需的電連接。儘管微ISS 400係不同於ISS 200之構造，其所有的元件經受上文描述之ISS 200之元件在尺寸、位置、數目、構造等的相同變動。

圖4C圖解說明一微ISS 450之一替代實施例。微ISS 450在大多數方面類似於微ISS 400。主要之差異為在微ISS 450中，大部分組件形成於一矽層451上，該矽層形成一厚絕緣體上覆矽(SOI)晶圓的部分，SOI晶圓包含一基底層452、一絕緣體層454及矽層451。換句話說，微ISS 450用一SOI晶圓替代微ISS 400之玻璃晶圓403及矽晶圓401。玻璃晶圓402用於相同之位置，且處於如其在微ISS 400中相同之功能。用於微ISS 400之相同的製造技術可用於微ISS 450。

圖5A圖解說明一微ISS 500的一替代實施例。就如ISS 400，微ISS 500意欲操作於周圍壓力中，但亦可使用於一真空環境中。在所圖解說明之實施例中，微ISS 500係一MEMS ISS，其可製造於夾在兩個基板(諸如玻璃板)之間的一矽晶圓中，如圖4A及圖4B所展示，或可製造於一SOI晶圓中，如圖4C所展示。在其他實施例中，可不同地製造ISS 500，且不需為一MEMS或MEMS尺寸之器件。再者，微ISS 500之所有元件經受上文所描述之ISS 200之元件在尺寸、位置、數目、構造等的相同變動。

微ISS 500包含注入器電極504、506、508及510。微電暈電離器 亦形成於該等注入器電極之間。在所圖解說明之實施例中，微電暈電離器包含平面式電極512及514。尖端式探針516從平面式電極514突出朝向平面式電極512。如在其他所描述之實施例中，介於探針516之尖端與平面式電極512之間之放電距離將取決於諸如待電離之化學品、待施加之電壓等因素。

分離電極組518及524亦形成於矽晶圓401中，且電阻器520可電耦接至分離電極組518內的個別分離電極，而電阻器526可電耦接至在分離電極組524內之個別分離電極。在微ISS 500中，分離電極組518及524不如ISS 400般由一均勻距離D間隔開，但代替地，介於分離電極組之間之間距在縱向尺寸上改變。在所圖解說明之實施例中，間距從該注入器線性地增加縱向距離(即，其發散)，使得在一第一縱向位置之間距係D1，而在一第二縱向位置之間距距該注入器更遠為D2，D2大於D1。在其他實施例中，在分離電極組之間之間距不需線性地在縱向位置上改變，且然而在其他實施例中，間距不需在縱向位置增加，但可代替地減小(聚合於)縱向位置。然而在其他實施例中，間距在縱向位置上之變動不需為如展示般單調的。

在微ISS 500中，分離電極組518耦接至一直流高電壓(DC-HV2)源522，而分離電極組524係耦接至另一直流高電壓(DC-HV3)源528。可施加兩個或兩個以上不同之DC高電壓(DC-HV2及DC-HV3)至該等分離電極，以建立沿著離子行進方向之縱向及橫向電場兩者。在該情況下，不同的離子將以不同曲率及速度行進朝向該等感測器電極530。感測電極530之一陣列以多種設計而放置，以分別偵測不同的曲率離子，如圖5B中所展示。

在微ISS 500，偵測器電極530之一陣列形成於與該離子注入器相對之該漂移及分離通道之末端。在所圖解說明之實施例中，六個偵測器530相對於一中心線而對稱地放置，且置於數個不同的縱向位置 處。在其他實施例中，偵測器之數目可改變，該等偵測器不需相對於該中心線而對稱放置，且不需置於不同的縱向位置。在藉由施加不同的電壓至該等分離電極組而建立縱向及橫向電場的一實施例中，該偵測器陣列提供一額外氣體離子空間分佈，導致一強力的二維氣體/化學光譜圖案，其將分離離子在時間及空間上映射，如圖5B所展示。因此，其可徹底地改良微ISS 500的選擇性。

包含一個或多個加熱元件(圖中未展示)的一加熱器可形成於微ISS 500在與晶圓接合至矽晶圓401處之晶圓之側上。如同ISS 400及ISS 450，導電路徑(圖中未展示)可提供於形成微ISS 500之晶圓中或上，以對不同組件提供必需電連接。

圖6圖解說明具有分離電極及用於2D光譜圖案映射之一感測器電極陣列的一微電暈ISS 600的一替代實施例。就如在此描述之其他ISS實施例，微ISS 600意欲操作於周圍壓力中，但亦可用於一真空環境中。微ISS 600在大多數方面類似於微ISS 500。主要之差異為簡單彎曲之分離電極618及620可設計於該漂移及分離通道之每一側上。一DC高電壓(HV2)直接施加於兩個電極之間，產生從微電暈電離器及注入器跨注入之離子的一橫向電場。類似於圖5A中之組態，藉由分離電極而偵測具有不同行進曲率之氣體離子，且因此，可獲得2D光譜圖案映射，例如如圖5B中展示。

圖7圖解說明氣體偵測系統700的實施例，其中可使用如上文中所描述之ISS之實施例。系統700包含一預集中器702，其藉由一流體連接而耦接至一氣體層析儀704。氣體層析儀704繼而藉由一流體連接而耦接至離子分離光譜儀(ISS)706，在一些實施例中，ISS 706可為上文描述之任意的ISS實施例。ISS 706耦接至離子感測、調節及處理電路及邏輯708。一控制電路及關聯邏輯710耦接至電路及邏輯708，以及耦接至預集中器702、氣體層析儀704及ISS 706。

預集中器702包含一入口，一氣體樣品經過該入口而進入耦接至氣體層析儀704的一出口。隨著氣體樣品流經預集中器702，預集中器從氣體樣品吸收某些化學品，因此為之後的分離及偵測而集中化學品。在系統700之一項實施例中，預集中器702可為一MEMS預集中器，但在其他實施例中，預集中器702可為一非MEMS晶片尺度之器件。

氣體層析儀704包含耦接至預集中器702的一入口及耦接至ISS 706的一出口。氣體層析儀704從預集中器702接收流體，且將流體輸出至ISS 706。隨著從預集中器702接收之流體流經氣體層析儀704，從該預集中器接收之氣體樣品中之個別化學品在時域上彼此分離以供之後輸入至ISS 706。在系統700之一項實施例中，氣體層析儀704可為一MEMS氣體層析儀，但在其他實施例中，氣體層析儀108可為一非MEMS晶片尺度之器件。

ISS 706耦接至氣體層析儀704。隨著流體流入ISS 706，不由氣體層析儀704分離之化學品進入該ISS且由該ISS內之感測器而感測化學品之存在及/或濃度，如上文所描述。ISS 706對於不由微GC晶片分離之化學品達成電離之氣體/化學品分離及感測。結果，ISS 706提供第二階段的氣體/VOC分離，此進一步改良系統在類似氣體或化學分析物之間之選擇性。如圖7中所展示，當ISS 706經組態且與預集中器702及氣體層析儀704整合在相同的系統中時，ISS 706可達到十億分率(ppb)至萬億分率(ppt)之範圍內的氣體/化學品偵測限度(LOD)。

感測、調節及處理電路708耦接至ISS 706的一輸出，使得其可從ISS 706內的個別感測器接收資料信號，且處理及分析該等資料信號。在一項實施例中，電路708可為對該任務特殊設計的一特殊應用積體電路(ASIC)，諸如一CMOS控制器，該控制器包含處理、揮發性及/或非揮發性儲存、記憶體及通信電路，以及關聯邏輯，以控制多 種電路且外部地通信。然而在其他實施例中，電路708代替地為一多種用途之微處理器，其中用軟體中實施控制功能。儘管圖中展示均具有三個功能：感測、調節及處理；在其他實施例中，該等功能不需要都存在，或可存在於不同電路中。電路708亦耦接至控制電路710，且可發送信號至控制電路710及從控制電路710接收信號，使得該兩個電路可協調且最佳化系統700的操作。儘管所圖解說明之實施例展示控制電路710及電路708作為實體上分離的單元，在其他實施例中，該控制器以及該讀出及分析電路可組合於一單一單元內。

控制電路710通信地耦接至系統700內之個別元件，使得控制電路710可發送控制信號及/或從該等個別之元件接收回饋信號。在一項實施例中，控制電路710可為對任務特殊設計之一特殊應用積體電路(ASIC)，例如一CMOS控制器，該控制器包含處理、揮發性及/或非揮發性儲存、記憶體及通信電路，以及關聯邏輯以控制多種電路且外部地通信至系統700之元件。然而在其他實施例中，控制電路710可代替地為一多種用途之微處理器，其中實施用軟體控制功能。

本發明之圖解說明之實施例的上述描述(包含在摘要中的描述)並非意欲為徹底的，或將本發明限制至所揭示之精確的形式。雖然本發明之實例之特殊實施例在此出於例證性的目的而描述，如熟習此項技術者將意識到在本發明之範圍內之多種等價修正係可行的。該等修正可按照上文詳細之描述而對本發明作出。

在下述申請專利範圍內使用之術語不應解譯為限制本發明至說明書及申請專利範圍中揭示之特定實施例。相反，本發明之範圍完全由下述申請專利範圍而決定，其等按照申請專利範圍解釋之已確定的教示而解譯。

200‧‧‧離子分離光譜儀

202‧‧‧子組件

204‧‧‧子組件

206‧‧‧間隔物

208‧‧‧基板

210‧‧‧電極

212‧‧‧電極

214‧‧‧尖端式電極/探針

216‧‧‧接觸墊

220‧‧‧導電路徑

222‧‧‧導電路徑

224‧‧‧電極組

226‧‧‧電阻器

228‧‧‧導電路徑

229‧‧‧導電路徑

230‧‧‧感測器電極/感測器/電極/偵測器電極

231‧‧‧基板

232‧‧‧電極

233‧‧‧電極

234‧‧‧平面式電極

236‧‧‧接觸墊

238‧‧‧導電路徑

240‧‧‧導電路徑

242‧‧‧電極組

244‧‧‧電阻器

246‧‧‧導電路徑

248‧‧‧感測器電極/感測器/電極/偵測器電極

249‧‧‧導電路徑

Claims (36)

1. 一種用於氣體偵測之裝置，該裝置包括：具有一入口及一出口的一離子注入器；置於該離子注入器之該入口及該出口之間的一微電暈電離器，該微電暈電離器包含：一平面式電極；及一尖端刀緣(sharp knife-edge)電極，其與該平面式電極間隔開且以該尖端刀緣指向該平面式電極而放置；具有一第一末端及一第二末端的一漂移及分離通道，該第一末端耦接至該離子注入器之出口；及一離子偵測器，其耦接至該離子分離及漂移通道之該第二末端。
2. 如請求項1之裝置，其進一步包括耦接於該平面式電極與該尖端刀緣電極之間的一電壓源。
3. 如請求項1之裝置，其中該離子注入器包括：一第一對之注入電極；及一第二對之注入電極，其與該第一對注入電極間隔開。
4. 如請求項3之裝置，其中該微電暈電離器置於該第一對注入電極與該第二對注入電極之間。
5. 如請求項3之裝置，其進一步包括耦接於該第一對注入電極與該第二對注入電極之間的一電壓源。
6. 如請求項1之裝置，其中該漂移及分離通道包括：其上具有一第一組分離電極之一第一通道壁；及其上具有一第二組分離電極之一第二通道壁，其中該第二組分離電極與該第一組分離電極間隔開。
7. 如請求項6之裝置，其進一步包括：耦接至該第一組分離電極之一電壓源；及耦接至該第二組分離電極之一電壓源。
8. 如請求項7之裝置，其中施加至該第一組分離電極之電壓不同於施加至該第二組分離電極之電壓。
9. 如請求項6之裝置，其中介於該第一組分離電極與該第二組分離電極之間之間距係恆定的。
10. 如請求項6之裝置，其中介於該第一組分離電極與該第二組分離電極之間之間距在從該通道之第一末端至該通道之第二末端而改變。
11. 如請求項1之裝置，其中該離子偵測器包括至少兩個感測器電極之一陣列，該等感測器電極相對於該漂移及分離通道之一中心線而放置。
12. 如請求項11之裝置，其進一步包括一讀取電路及邏輯，其耦接至感測器電極之該陣列以感測及讀取由每個感測器電極產生之信號。
13. 如請求項12之裝置，其進一步包括一調節電路及邏輯，其耦接至該讀取電路以調節從該讀取電路接收之信號。
14. 一種用於氣體偵測之處理程序，該處理程序包括：使用一微電暈電離器來電離在一氣體樣品中之化學品，其中電離化學品包括：引導該氣體樣品至介於一平面式電極及與該平面式電極間隔開之一尖端刀緣電極之間的一空間內，其中該尖端刀緣電極係以該尖端刀緣指向該平面式電極而放置；及在該平面式電極與該尖端刀緣電極之間施加一電壓；將該等電離之化學品注入至一漂移及分離通道中； 在該漂移及分離通道中將該等化學離子彼此進行時域(time-domain)分離；及偵測該等時域分離之化學離子。
15. 如請求項14之處理程序，其中注入該等電離之化學品包括：在一第一對之注入電極及與該第一對之注入電極間隔開的一第二對之注入電極之間放置該等電離之化學品；及在該第一對注入電極與該第二對注入電極之間施加一電壓。
16. 如請求項14之處理程序，其中將該等化學離子彼此進行時域分離包括：將該等化學離子注入至一漂移及分離通道內，在一第一組分離電極及與該第一組分離電極間隔開之一第二組分離電極之間；及對該第一組分離電極及該第二組分離電極施加一電壓。
17. 如請求項16之裝置，其中施加至該第一組分離電極之電壓不同於施加至該第二組分離電極之電壓。
18. 如請求項16之處理程序，其中偵測該等分離之化學離子包括：在至少兩個感測器電極之一陣列處接收該等時域分離之化學離子；及在每一電極中產生指示在該電極處接收之離子的一信號。
19. 如請求項18之處理程序，其進一步包括讀取由該等感測器電極產生之該等信號。
20. 如請求項19之處理程序，其進一步包括調節讀取自該等感測器電極之該等信號。
21. 一種用於氣體偵測之系統，該系統包括：具有一入口及一出口之一氣體層析儀；耦接至該氣體層析儀之該出口的一偵測器，該偵測器包括： 具有一入口及一出口之一離子注入器，其中該離子注入器之該入口耦接至該氣體層析儀之該出口；置於該離子注入器之該入口及該出口之間的一微電暈電離器，該微電暈電離器包括：一平面式電極；及一尖端刀緣電極，其與該平面式電極間隔開且以該尖端刀緣指向該平面式電極而放置；具有一第一末端及一第二末端之一離子分離及漂移通道，該第一末端耦接至該離子注入器之出口；及耦接至該離子分離及漂移通道之該第二末端的一離子偵測器。
22. 如請求項21之系統，其進一步包括耦接於該平面式電極與該尖端刀緣電極之間的一電壓源。
23. 如請求項21之系統，其中該離子注入器包括：一第一對之注入電極；及一第二對之注入電極，其與該第一對注入電極間隔開。
24. 如請求項23之系統，其中該微電暈電離器置於該第一對注入電極與該第二對注入電極之間。
25. 如請求項23之系統，其進一步包括耦接於該第一對注入電極與該第二對注入電極之間的一電壓源。
26. 如請求項21之系統，其中該漂移及分離通道包括：其上具有一第一組分離電極的一第一通道壁；及其上具有一第二組分離電極的一第二通道壁，其中該第二組分離電極與該第一組分離電極間隔開。
27. 如請求項26之系統，其進一步包括：耦接至該第一組分離電極之一電壓源；及 耦接至該第二組分離電極之一電壓源。
28. 如請求項27之系統，其中施加至該第一組分離電極之電壓不同於施加至該第二組分離電極之電壓。
29. 如請求項26之系統，其中介於該第一組分離電極與該第二組分離電極之間之間距係恆定的。
30. 如請求項26之系統，其中介於該第一組分離電極與該第二組分離電極之間之間距從該通道之該第一末端至該通道之該第二末端而改變。
31. 如請求項21之系統，其中該離子偵測器包括至少兩個感測器電極之一陣列，該等感測器電極相對於該漂移及分離通道之一中心線而放置。
32. 如請求項31之系統，其進一步包括一讀取電路及邏輯，其耦接至感測器電極之該陣列以感測且讀取由每一感測器電極產生之信號。
33. 如請求項31之系統，其進一步包括一調節電路及邏輯，其耦接至該讀取電路以調節從該讀取電路接收之信號。
34. 如請求項33之系統，其進一步包括一處理電路及邏輯，其耦接至該調節電路以處理該等調節信號。
35. 如請求項34之系統，其進一步包括一控制電路及邏輯，其耦接至該離子感測器、該氣體層析儀及該處理電路。
36. 如請求項21之系統，其進一步包括耦接至該氣體層析儀之該入口的一預集中器。