離子光學裝置及質譜儀的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及質譜分析技術領域,特別是涉及一種用于質譜儀的離子光學裝置及質譜儀。
【背景技術】
[0002]離子光學裝置,主要用于質譜儀中作為離子傳輸或導引裝置,以便把從離子源產生的離子導入到質量分析器。而電極陣列形式的離子光學裝置,如美國專利US6107628,US8581181,以及中國專利CN201210203634等,由于設計和功能上的靈活性,在業(yè)內得到了廣泛使用。
[0003]目前電極陣列的制作方式主要是直接制作分立的純金屈電極器件,然后通過工裝夾具以定位、固定。純金屈電極制作的好處,一是加工精度可以很高,容易滿足離子光學器件的需求,二是器件本身沒有絕緣部分,所以不容易有電荷積累。但由于電極陣列數目較多,用這種工藝往往非常復雜、耗時,成本較高;還有就是會帶來很大的電容,所以需要很大功率的電源。為了降低制作成本并減少電容,一種較好的方式是利用層疊式的印刷線路板(PCB),將印刷線路板的邊緣鍍上金屈鍍層作為電極,未覆蓋金屈鍍層的印刷線路板作為絕緣層,然后將多片印刷線路板層疊起來組成電極陣列。盡管PCB工藝成熟,但多片疊加的方式需要工裝用以定位,過程比較復雜。除去印刷線路板的邊緣,線路板的表面也可以鍍上電極以形成離子光學器件,如美國專利US6316768中,用PCB工藝制作飛行時間質譜儀的飛行腔、加速電極、反射鏡電極等,又美國專利US7498569中利用PCB工藝制作平面型直線離子阱。
[0004]另外,近年來由于微納加工技術,特別是微機電系統(tǒng)(MEMS)的迅速發(fā)展,很多人開始將其應用于離子光學器件,特別是離子阱的制作。盡管相比傳統(tǒng)IC工藝中的PCB技術,微加工技術強調立體結構,但在目前的離子光學器件中,利用的主要還是絕緣層表面的平面金屈鍍層作為電極使用,如美國專利US7217922,US7402799, US8213118和US8299443
坐寸ο
[0005]盡管成熟的PCB工藝和迅速發(fā)展的MEMS工藝已有眾多應用于離子光學器件的例子,但是目前為止,電極陣列本身的單元電極僅僅是作為一個電位施加點或面來使用,因此單元電極的形狀是點狀、直線狀或矩形等簡單的幾何構型,如果要得到某種復雜的電位分布,需要眾多的單元電極以及與之配套的電源系統(tǒng),或僅能采用結構復雜的三維電極才能形成需要的對應空間電場分布。
【發(fā)明內容】
[0006]鑒于以上所述現有技術的缺點,本發(fā)明的目的在于提供一種用于質譜儀中的離子光學裝置,以解決現有技術中電極陣列較難實現較復雜電位分布、或即使能實現也結構復雜加工困難等技術問題。
[0007]為實現上述目標及其他相關目標,本發(fā)明提供一種離子光學裝置,包括:至少一平面絕緣基板,覆蓋金屈圖案以構成電極陣列,其中,所述電極陣列包括多個單元電極,所述多個單元電極根據預定義離子導引方向而排列以構成所述電極陣列的幾何圖案分布,所述預定義離子導引方向定義為第一方向;其中,各個相鄰的且相互絕緣的單元電極施加有相位相異的射頻電壓以束縛離子;電極陣列中至少部分單元電極間還施加有直流電壓差,驅動入射離子沿所述第一方向運動,且通過所述電極陣列的幾何圖案分布所形成對應電場分布,該電場分布驅動所述入射離子沿基本正交于所述第一方向的第二方向運動,以實現離子偏轉、聚焦或散焦。在實現上,可以利用PCB或MEMS工藝來印刷各種平面幾何形狀的單兀電極具有低成本、聞精度、聞靈活性等優(yōu)點。
[0008]可選的,所述電極陣列的至少部分單元電極的幾何形狀為一條折線或曲線,以形成與所述電極陣列的幾何圖案分布相對應的電場線分布。
[0009]可選的,所述離子光學裝置包括:至少一對所述平面絕緣基板,設置成各自的單元電極在第二方向上相對,以于所述一對平面絕緣基板間形成電場分布使所述入射離子沿第二方向產生所述偏轉、聚焦或散焦。
[0010]可選的,所述離子光學裝置包括:至少兩片邊相接形成共用邊、或至少三片邊角相接形成共用角的所述平面絕緣基板,在所述平面絕緣基板上以共用邊上一點或共用角為中心而向其靠近的方向上分布尺寸趨小的環(huán)狀單元電極,以使所述入射離子向所述共用邊上該點或共用角處聚焦。
[0011]可選的,所述離子光學裝置包括:至少四片所述平面絕緣基板,環(huán)繞相接圍成離子導引腔,在所述離子導引腔內表面沿所述第一方向間隔形成環(huán)形金屈電極的陣列;其中,至少兩片平面絕緣基板上的至少部分環(huán)形金屈電極被一斜向絕緣條隔離成兩段以形成第一單元電極及第二單元電極,使所述第一單元電極和第二單元電極均呈現沿所述預定義離子導引方向而長度遞變,且在第一單元電極和第二單元電極間施加直流電壓差,以驅動入射離子沿第二方向偏轉的同時被聚焦。
[0012]可選的,所述的離子光學裝置包括:至少四片所述平面絕緣基板,環(huán)繞相接圍成離子導引腔;在所述離子導引腔內各個面上沿所述第一方向及第二方向均間隔設置多個單元電極,并在至少部分單元電極間施加不同直流電壓,以形成對應電場分布驅動入射離子沿第二方向產生偏轉、聚焦或散焦。
[0013]可選的,所述直流驅動電場可由射頻電場所取代,所述射頻電場在第二方向上產生強度不等的贗勢壘,以驅動離子偏轉、聚焦或散焦。
[0014]可選的,決定所述電極陣列的幾何圖案分布的參數包括:電極陣列中單元電極的長度、半徑、曲率、及與所述第一方向的夾角中的一種或多種組合。
[0015]可選的,所述參數是沿所述第一方向逐漸變化的,以形成對應的電場分布。
[0016]可選的,所述平面絕緣基板為矩形。
[0017]可選的,所述平面絕緣基板為印刷線路板的基底,所述金屈鍍層為印刷線路。
[0018]可選的,以形成所述直流或射頻電場的至少部分電子元件位于所述印刷線路板上、
[0019]可選的,所述平面絕緣基板上未覆蓋金屈圖案的部分設有切槽或者覆蓋有高電阻值的鍍層。
[0020]可選的,所述平面絕緣基板和金屈圖案由微納加工工藝獲得。
[0021]為實現上述目標及其他相關目標,本發(fā)明提供一種質譜儀,包括:所述離子光學裝置,用于離子導引。
[0022]可選的,所述質譜儀,包括:與所述離子光學裝置聯(lián)用的質量分析器。
[0023]可選的,所述質譜儀,包括:與所述離子光學裝置聯(lián)用的離子遷移率分析器。
[0024]如上所述,本發(fā)明提供的離子光學裝置及質譜儀,包括:至少一平面絕緣基板,覆蓋金屈圖案以構成包括多個單元電極的電極陣列,多個單元電極根據預定義離子導引方向即第一方向排列以構成電極陣列的幾何圖案分布;各個相鄰的且相互絕緣的單元電極施加有相位相異的射頻電壓以束縛離子;電極陣列中至少部分單元電極間還施加有直流電壓差,驅動入射所述電極陣列所生成電場的各離子沿電極陣列作第一方向運動;且通過所述幾何圖案分布形成對應電場分布,該電場分布來驅動所述各入射離子沿在基本正交于所述第一方向的第二方向運動,以實現離子偏轉、聚焦或散焦。本發(fā)明通過平面電極的幾何結構和分布形成各種所需要的空間電場分布。在一優(yōu)選實施例中,僅使用兩片PCB平板,可將離子在較寬氣壓范圍內被有效聚焦;在另一優(yōu)選實施例中,離子可被偏軸傳輸并聚焦以降低中性噪音。在實現上,利用PCB或MEMS工藝來印刷各種平面幾何形狀的單元電極具有低成本、高精度、高靈活性等優(yōu)點。
【附圖說明】
[0025]圖1a顯示為本發(fā)明的離子光學裝置的一實施例的結構示意圖。
[0026]圖1b顯示為根據圖1實施例,用計算機模擬得到的離子軌跡圖。
[0027]圖1c顯示為本發(fā)明的離子光學裝置實現離子聚焦的一實施例的結構示意圖。
[0028]圖2a顯示為本發(fā)明的離子光學裝置實現離子聚焦的一實施例的結構示意圖。
[0029]圖2b顯示為圖2a的部分結構示意圖。
[0030]圖2c顯示為圖2a的截面結構示意圖。
[0031]圖3a顯示為本發(fā)明的離子光學裝置實現離子聚焦的一實施例的結構示意圖。
[0032]圖3b顯示為本發(fā)明的離子光學裝置實現離子聚焦的一實施例的截面結構示意圖。
[0033]圖3c顯示為本發(fā)明的離子光學裝置實現離子聚焦的一實施例的結構示意圖。
[0034]圖4a及4b顯示為本發(fā)明的離子光學裝置實現離子聚焦的實施例的結構示意圖。
[0035]圖4c顯示為根據圖4b實施例,用計算機模擬得到的離子軌跡圖。
[0036]圖5a顯示為本發(fā)明的離子光學裝置實現周期性聚焦散焦的一實施例的結構示意圖。
[0037]圖5b顯示為本發(fā)明的離子光學裝置實現周期性聚焦散焦的一實施例的結構示意圖。
[0038]圖6顯示為本發(fā)明的離子光學裝置實現離子包束縛的一實施例的結構示意圖。
[0039]圖7a顯示為本發(fā)明的離子光學裝置實現離子偏轉的一實施例的結構示意圖。
[0040]圖7b顯示為本發(fā)明的離子光學裝置實現離子偏轉的一實施例的結構示意圖。
[0041]圖8顯示為圖2b的實施例的一具體實現例的結構示意圖。
[0042]圖9a顯示為本發(fā)明的離子光學裝置的一實施例的結構示意圖。
[0043]圖9b顯示為本發(fā)明的離子光學裝置的一實施例的結構示意圖。
[0044]圖10顯示為本發(fā)明的離子光學裝置應用的質譜儀的一實施例的結構示意圖。
[0045]圖1la顯示為本發(fā)明的離子光學裝置整體結構的一實施例的結構示意圖。
[0046]圖1lb顯示為本發(fā)明的離子光學裝置整體結構的一實施例的結構示意圖。
【具體實施方式