本发明专利技术涉及一种基于MEMS工艺的多层结构离子源芯片，包括底层硅、中间层玻璃、导电硅和顶层玻璃；底层硅上侧设有电极层和碳纳米管；中间层玻璃两侧分别设电极层；顶层玻璃下侧设电极层；底层硅与中间层玻璃结合，中间层玻璃及顶层玻璃分别与导电硅结合。中间层玻璃对应碳纳米管的上方区域为栅网结构，对中间玻璃层下侧电极层和底层硅电极层施加高电压激发碳纳米管产生电子，电子透过中间层玻璃的栅网结构进入该中间层玻璃上方的电离室中，在电离室内与待测气体样品发生碰撞产生离子，离子被设置在该电离室后方的离子提取与聚焦区引出和聚焦并加速。本发明专利技术的离子源芯片为“硅‑碳纳米管‑玻璃‑硅‑玻璃”的多层结构，具有体积小重量轻、低功耗、便携化等优点。
【技术实现步骤摘要】
一种基于MEMS工艺的多层结构离子源芯片及质谱分析进样系统
本专利技术涉及一种质谱分析设备
，尤其是一种基于MEMS工艺的多层结构离子源芯片及质谱分析进样系统。
技术介绍
质谱分析法是根据带电粒子在电磁场中能够偏转的原理，按物质原子、分子或分子碎片的质量差异进行分离和检测的方法。传统机械加工方法导致质谱仪体积庞大、价格昂贵、操作步骤繁杂、不能对样品实时快速检测，并且只能存放于实验室内进行使用。随着食品安全问题、空间探索活动的不断发展，突发事件、公共安全的迫切需求，开发并设计小型机微型质谱仪器件将促进其在航空航天、军事探索和军民融合领域的进一步应用，对于现有质谱技术的革新具有重要的理论意义和应用价值。随着微电子机械系统(MEMS)制造方法的不断发展完善，质谱仪的尺寸向着更小的数量级发展。质谱仪器一般由样品进样系统、离子源、质量分析器、检测器等部分组成。其中离子源是使中性原子或分子电离，并从中引出离子束流的装置，是质谱分析仪器中不可缺少的部件，决定质谱仪器的电离性能，影响最终的分析结果。MEMS制造工艺(MicrofabricationProcess)是下至纳米尺度，上至毫米尺度微结构加工工艺的通称。当前国际上许多国家利用MEMS加工技术对离子源进行制作，法国TassettiCM,DuraffourgL,DanelJS等人发表的AMEMSElectronImpactionSourceIntegratedinaMicro-time-of-flightMassSpectrometer☆[J].Sensors&ActuatorsBChemical,2013,189(12):173-178.利用硅-玻璃键合技术集成制作了电子碰撞离子源，并对电离的离子电流进行测试。但是其电子源采用外置电子枪，并未集成电子源，因此该微器件还有待改进，将完整的电子源集成，使芯片中构成完整的MEMS离子源芯片。德国HauschildJP,WapelhorstE,MüllerJ等人发表的MassspectrameasuredbyafullyintegratedMEMSmassspectrometer[J].InternationalJournalofMassSpectrometry,2007,264(1):53-60公开了利用硅-玻璃-硅键合结构集成的微型质谱仪中采用等离子体做电子源对样品进行电离，但使用气体制备等离子体时还需设置供气装置，导致设备体积庞大，不利于小型化，因此芯片设计还需进一步改进进气装置。综上所述，现有的离子源芯片均存在诸多不足。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题为了解决现有技术的上述问题，本专利技术提供一种基于MEMS工艺的多层结构离子源芯片，本专利技术的离子源芯片沿着离子流动方向设有离子产生区(包含电子源)和离子提取与聚焦区等多个功能区，大大缩减离子源尺寸及功耗，为微型离子源设计提供重要参考价值。(二)技术方案为了达到上述目的，本专利技术采用的主要技术方案包括：一种基于MEMS工艺的多层结构离子源芯片，在高度方向上依次包括底层硅(7)、中间层玻璃(5)、导电硅(3)和顶层玻璃(1)；其中：所述底层硅(7)的上侧面设有电极层(8)和碳纳米管(9)；所述中间层玻璃(5)的上下两侧面分别设有电极层(4)和电极层(6)；所述顶层玻璃(1)下侧面设有电极层(2)；所述底层硅(7)与所述中间层玻璃(5)相结合，所述中间层玻璃(5)及顶层玻璃(1)均与所述导电硅(3)相结合；所述中间层玻璃(5)对应该碳纳米管(9)的区域为网孔或栅网结构；所述中间层玻璃(5)的电极层(6)、底层硅(7)上电极层(8)和碳纳米管(9)构成电子产生区(10)，通过对电极层(6)与电极层(8)施加电压使碳纳米管(9)在高压下产生电子；所述中间层玻璃(5)的电极层(4)、导电硅(3)和顶层玻璃(1)的电极层(2)之间形成电离室(13)和离子提取与聚焦区(16)；所述碳纳米管(9)在高压产生的电子透过所述中间层玻璃(5)的栅网结构进入所述电离室(13)，与待测气体样品进行碰撞生成离子，生成的离子被离子提取与聚焦区(16)引出、聚焦和加速。其中,中间层玻璃(5)对应碳纳米管(9)上方的区域是通过激光加工成所述网孔或栅网结构(11)。作为本专利技术一个较佳实施例，所述电子产生区(10)和电离室(13)构成一个离子产生区(12)。作为本专利技术一个较佳实施例，所述碳纳米管(9)是通过催化剂生长法或印刷方法生成于所述底层硅(7)的电极层(8)上。作为本专利技术一个较佳实施例，所述底层硅(7)上的电极层(8)、顶层玻璃(1)的电极层(2)、中间层玻璃(5)两侧的电极层(4、6)通过溅射离子镀以及刻蚀形成电极图案。作为本专利技术一个较佳实施例，所述底层硅(7)与所述中间层玻璃(5)进行键合连接，所述中间层玻璃(5)及顶层玻璃(1)均与所述导电硅(3)进行键合连接。作为本专利技术一个较佳实施例，所述电离室(13)对应设于所述中间层玻璃(5)的栅网结构区域，并且将栅网结构区域围在电离室(13)内部，并留有离子出口和毛细进样口，电离室(13)所围成的面积不大于1mm2。优选地，电离室(13)形状为矩形或圆形。作为本专利技术一个较佳实施例，所述离子提取与聚焦区(16)包含提取电极(14)和聚焦透镜电极组(15)，提取电极(14)和聚焦透镜电极组(15)均为所述导电硅(3)的一部分；所述离子提取与聚焦区(16)对应于所述电离室(13)的离子出口方向设置。作为本专利技术一个较佳实施例，所述提取电极(14)与所述电离室(13)电压符号相反，电离室(13)电压为正，提取电极(14)电压为负，用于将电离室(13)内产生的离子通过所述提取电极(14)与所述电离室(13)之间形成的电场提取出来；所述提取电极(14)中间有开口，以便离子通过；所述聚焦透镜电极组(15)包含由大于1的奇数个电极组成，各电极中间有开口，以便离子通过。作为本专利技术一个较佳实施例，所述提取电极(14)与聚焦电极透镜组(15)中各电极的长宽高均相等，电极宽高不超过500μm，长度不超过4mm，相邻两个电电极之间的间距不超过0.5mm。作为本专利技术一个较佳实施例，所述聚焦透镜电极组(15)由有3个或5个电极组成，电极电压成交错分布0、V、0或者0、V、0、V、0,其中V为负电压，用于将所述提取电极(14)从所述电离室(13)中提取出来的离子进行聚焦和输出。作为本专利技术一个较佳实施例，所述电离室(13)、提取电极(14)和聚焦透镜电极组(15)处于同轴线设置，电离室(13)的离子出口、提取电极(14)和聚焦透镜电极组(15)中的各电极的开口同轴线，且提取电极(14)和聚焦透镜电极组(15)中的各电极的开口宽度不大于电离室(13)的离子出口宽度；所述电离室(13)的开口宽度不大于500μm。作为本专利技术一个较佳实施例，所述的导电硅(3)通过刻蚀形成电离室(13)、提取电极(14)和聚焦透镜电极组(15)。其中，提取电极(14)和聚焦透镜电极组(15)所对应的上方、下方电极层(2、4)也为与各电极相一致的形状，且中间不留开口，以便上方、下方电极层(2、4)与对应的电极(提取电极14、聚焦透镜电极组15的各电极)围成闭环结构。此外，本专利技术还提供一种基于M本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于MEMS工艺的多层结构离子源芯片，其特征在于，在高度方向上依次包括底层硅(7)、中间层玻璃(5)、导电硅(3)和顶层玻璃(1)；其中：所述底层硅(7)的上侧面设有电极层(8)和碳纳米管(9)；所述中间层玻璃(5)的上下两侧面分别设有电极层(4)和电极层(6)；所述顶层玻璃(1)下侧面设有电极层(2)；所述底层硅(7)与所述中间层玻璃(5)相结合，所述中间层玻璃(5)、及顶层玻璃(1)均与所述导电硅(3)相结合；所述中间层玻璃(5)对应该碳纳米管(9)的区域为网孔或栅网结构；所述中间层玻璃(5)的电极层(6)、底层硅(7)上电极层(8)和碳纳米管(9)构成电子产生区(10)，通过对电极层(6)与电极层(8)施加电压使碳纳米管(9)在高压下产生电子；所述中间层玻璃(5)的电极层(4)、导电硅(3)和顶层玻璃(1)的电极层(2)之间形成电离室(13)和离子提取与聚焦区(16)；所述碳纳米管(9)在高压产生的电子透过中间层玻璃(5)的栅网结构进入所述电离室(13)，与待测气体样品进行碰撞生成离子，生成的离子被离子提取与聚焦区(16)引出、聚焦和加速。
【技术特征摘要】
1.一种基于MEMS工艺的多层结构离子源芯片，其特征在于，在高度方向上依次包括底层硅(7)、中间层玻璃(5)、导电硅(3)和顶层玻璃(1)；其中：所述底层硅(7)的上侧面设有电极层(8)和碳纳米管(9)；所述中间层玻璃(5)的上下两侧面分别设有电极层(4)和电极层(6)；所述顶层玻璃(1)下侧面设有电极层(2)；所述底层硅(7)与所述中间层玻璃(5)相结合，所述中间层玻璃(5)、及顶层玻璃(1)均与所述导电硅(3)相结合；所述中间层玻璃(5)对应该碳纳米管(9)的区域为网孔或栅网结构；所述中间层玻璃(5)的电极层(6)、底层硅(7)上电极层(8)和碳纳米管(9)构成电子产生区(10)，通过对电极层(6)与电极层(8)施加电压使碳纳米管(9)在高压下产生电子；所述中间层玻璃(5)的电极层(4)、导电硅(3)和顶层玻璃(1)的电极层(2)之间形成电离室(13)和离子提取与聚焦区(16)；所述碳纳米管(9)在高压产生的电子透过中间层玻璃(5)的栅网结构进入所述电离室(13)，与待测气体样品进行碰撞生成离子，生成的离子被离子提取与聚焦区(16)引出、聚焦和加速。2.根据权利要求1所述的基于MEMS工艺的多层结构离子源芯片，其特征在于，所述碳纳米管(9)是通过催化剂生长法或印刷法生成于底层硅(7)上侧面电极层(8)上。3.根据权利要求1所述的基于MEMS工艺的多层结构离子源芯片，其特征在于，所述底层硅(7)上的电极层(8)、顶层玻璃(1)的电极层(2)、中间层玻璃(5)两侧的电极层(4、6)通过溅射离子镀以及刻蚀形成电极图案。4.根据权利要求1所述的基于MEMS工艺的多层结构离子源芯片，其特征在于，所述底层硅(7)与所述中间层玻璃(5)进行键合连接，所述中间层玻璃(5)及顶层玻璃(1)均与所述导电硅(3)进行键合连接。5.根据权利要求1所述的基于MEMS工艺的多层结构离子源芯片，其特征在于，所述电离室(13)对应设于所述中间层玻璃(5)的栅网结构区域，并且将栅网结构区域围在电离室(13)内部，电离室(13)留有离子出口和毛细进样口，电离室(13)所...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘坤，张浩，郝明，巴要帅，谢元华，杜广煜，巴德纯，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21
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