專利名稱：基于分立電極的空間非對(duì)稱離子遷移譜實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種離子遷移譜實(shí)現(xiàn)方法，尤其是涉及一種基于分立電極的空間非對(duì)稱離子遷移譜實(shí)現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
離子遷移譜技術(shù)被用來(lái)在常壓條件下檢測(cè)極低濃度的氣態(tài)化學(xué)物質(zhì)及其濃度。一般而言，離子遷移譜設(shè)備首先通過(guò)電離源將待測(cè)物分子電離，電離后的待測(cè)物分子(后簡(jiǎn)稱離子)被引入遷移管中，并在遷移管內(nèi)的電場(chǎng)作用下沿著遷移管方向運(yùn)動(dòng)；離子運(yùn)動(dòng)的速度由電場(chǎng)強(qiáng)度和離子遷移率共同決定。由于離子的質(zhì)量和電荷的不同，不同離子會(huì)有不同的遷移率以及相應(yīng)的遷移速度。如果在遷移管末端放置一個(gè)檢測(cè)極板，離子到達(dá)極板時(shí)，會(huì)被相應(yīng)的檢測(cè)電路定量檢測(cè)。在一定的電場(chǎng)條件下，不同種類(lèi)的氣體離子因其不同的遷移率，將以不同的飛行時(shí)間達(dá)到檢測(cè)極板，這樣就能夠分辨出待測(cè)樣品中有哪些特定分子的存在，這種技術(shù)被稱為飛行時(shí)間離子遷移譜。飛行時(shí)間離子遷移譜的變體是非對(duì)稱場(chǎng)離子遷移譜，其與傳統(tǒng)的飛行時(shí)間離子遷移譜的區(qū)別在于，在非對(duì)稱場(chǎng)離子遷移譜中，遷移管中除了沿離子運(yùn)動(dòng)方向的遷移電場(chǎng)之外，傳統(tǒng)的非對(duì)稱離子遷移譜通過(guò)機(jī)械泵或者“壓差氣膜，，來(lái)驅(qū)動(dòng)氣流通過(guò)橫向電極板，離子被交流或者直流脈沖橫向電場(chǎng)交替改變遷移方向，最后只有遷移方向改變最小的離子可以順利穿過(guò)橫向電場(chǎng)，到達(dá)檢測(cè)極板。盡管微加工工藝使得遷移管和非對(duì)稱遷移譜的遷移溝道可以小型化，但采用機(jī)械氣泵或者其它原理驅(qū)動(dòng)離子氣流，使得現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法將離子遷移譜儀器繼續(xù)縮小，同時(shí)，其功率損耗也受到了限制。 在專利PCT/GB2005/050126中，利用多電極同時(shí)在遷移溝道中施加縱向電場(chǎng)和橫向電場(chǎng)， 其中縱向電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)離子氣流，橫向電場(chǎng)進(jìn)行過(guò)濾，從而不需要在使用其它方法驅(qū)動(dòng)離子氣流，節(jié)省了空間，并且可以采用微機(jī)電系統(tǒng)的制造工藝在硅芯片上制造。然后，在專利PCT/ GB2005/050126中，橫向電場(chǎng)只有一個(gè)，因此如需要過(guò)濾離子，并使需要被采樣的離子順利通過(guò)溝道，就需要施加脈沖或者交流橫向電場(chǎng)，從而增加了電路設(shè)計(jì)難度，并一定程度上限制了體積。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種基于分立電極的空間非對(duì)稱離子遷移譜實(shí)現(xiàn)方法?？梢允沟每刂齐娐犯?jiǎn)單，從而降低成本。為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種基于分立電極的空間非對(duì)稱離子遷移譜實(shí)現(xiàn)方法，橫向電場(chǎng)由多對(duì)分立電極組成，電極對(duì)分別依次分布在離子遷移的路徑周?chē)?，交替產(chǎn)生相同或相反的直流靜電場(chǎng)，但其中不同方向的靜電場(chǎng)的空間尺寸并不相等。本發(fā)明的進(jìn)一步方案是，電極的供電電源是直流電。本發(fā)明的進(jìn)一步方案是，對(duì)于垂直結(jié)構(gòu)的遷移溝道，在襯底比如單晶硅或者石英上依次沉積絕緣層/電極層，然后在特定的地點(diǎn)刻蝕出離子溝道。
對(duì)于平行結(jié)構(gòu)的遷移溝道，在一片絕緣襯底上，首先在特定位置沉積導(dǎo)電線，然后在導(dǎo)電線的末端生長(zhǎng)一維導(dǎo)電納米材料作為電極，如碳納米管，硅納米管線等。電極之間互不接觸，并在襯底上方形成離子溝道，也可以在生長(zhǎng)完一維納米材料后繼續(xù)在周?chē)练e絕緣材料如二氧化硅，保證納米材料間不會(huì)相互接觸，減弱溝道內(nèi)的電場(chǎng)，之后可以通過(guò)刻蝕形成離子溝道。檢測(cè)極板可以通過(guò)刻蝕或者沉積的方法制造在另一片襯底上，之后兩塊襯底可以通過(guò)物理或化學(xué)黏合的方法集成，并保證檢測(cè)極板和溝道的相對(duì)位置合適。本發(fā)明的有益效果在于，從使用交流電到使用直流電的變化使得控制電路更簡(jiǎn)單，從而降低電路開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)成本。


圖1是分離電極離子遷移譜技術(shù)遷移管結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是以垂直結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的分立電極離子遷移譜技術(shù)遷移管。圖3是以平行結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的分立電極的離子遷移譜技術(shù)遷移管。圖4是以圖3方式實(shí)現(xiàn)的基于垂直生長(zhǎng)的碳納米管的離子遷移譜的一對(duì)分立電極電子顯微鏡圖。圖5是為圖1所示電極A的外加電壓示意圖。圖6是為圖1所示電極B的外加電壓示意圖。圖7是為圖1所示電極C的外加電壓示意圖。圖8是為圖1所示電極D的外加電壓示意圖。圖9是為圖1所示電極E的外加電壓示意圖。圖10是為檢測(cè)極板收集到的電流信號(hào)示意圖。其中，圖5-圖10的橫軸都表示時(shí)間，信號(hào)在橫軸上從左至右被分為三個(gè)部分，第一部分表示為了檢測(cè)出2號(hào)氣體，電極對(duì)ABCDE所加的直流電壓信號(hào)，第二部分表示為了檢測(cè)出1號(hào)氣體，電極對(duì)ABCDE所加的直流電壓信號(hào)，第三部分表示為了檢測(cè)出3號(hào)氣體，電極對(duì)ABCDE所加的直流電壓信號(hào)。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。本發(fā)明對(duì)多電極同時(shí)產(chǎn)生橫向與縱向電場(chǎng)進(jìn)行了改進(jìn)，縱向電場(chǎng)依然不變，引導(dǎo)離子氣流的流動(dòng)，使待檢測(cè)的離子最終到達(dá)探測(cè)極板，而橫向電場(chǎng)由多對(duì)分立電極組成，電極對(duì)分別依次分布在離子遷移的路徑周?chē)?，交替產(chǎn)生相同或相反的直流靜電場(chǎng)，但其中不同方向的靜電場(chǎng)的空間尺寸并不相等，這樣在離子被驅(qū)動(dòng)到達(dá)檢測(cè)極板之前，所受到的橫向電場(chǎng)方向和大小由所達(dá)到的位置決定，不同的位置，受橫向電場(chǎng)的作用，運(yùn)動(dòng)方向被改變，從而可以通過(guò)選擇性地安排產(chǎn)生橫向電場(chǎng)的電極對(duì)的方向和大小，對(duì)遷移中的離子實(shí)現(xiàn)過(guò)濾。如圖1的原理圖所示，以由5對(duì)分立電極對(duì)的遷移溝道為例。圖1中A，B, C，D，E 分別為離子氣流遷移溝道內(nèi)的五對(duì)分立電極，其中B，D電極在遷移溝道中所占據(jù)的長(zhǎng)度要分別大于A，C，E電極。第一種情況，如果從A至E，A電極對(duì)中的正電極電勢(shì)小于B電極對(duì)中的負(fù)電極電勢(shì)，B電極對(duì)中的正電極電勢(shì)小于C電極對(duì)中的負(fù)電極電勢(shì)，C電極對(duì)中的正電極電勢(shì)小于D電極對(duì)中的負(fù)電極電勢(shì)，D電極對(duì)中的正電極電勢(shì)小于E電極對(duì)中的負(fù)電極電勢(shì)，這樣安排是為了使得負(fù)離子可以被驅(qū)動(dòng)到達(dá)檢測(cè)極板。第二種情況，如果從A至E，A 電極對(duì)中的負(fù)電極電勢(shì)大于B電極對(duì)中的正電極電勢(shì)，B電極對(duì)中的負(fù)電極電勢(shì)大于C電極對(duì)中的正電極電勢(shì)，C電極對(duì)中的負(fù)電極電勢(shì)大于D電極對(duì)中的正電極電勢(shì)，D電極對(duì)中的負(fù)電極電勢(shì)大于E電極對(duì)中的正電極電勢(shì)，這樣安排是為了使得正離子可以被驅(qū)動(dòng)到達(dá)檢測(cè)極板。從A至E的橫向電場(chǎng)的方向以此交替，大小可以根據(jù)檢測(cè)離子的種類(lèi)來(lái)進(jìn)行安排。 在第一種情況下，當(dāng)離子氣流進(jìn)入溝道后，負(fù)離子被E電極端的電勢(shì)所吸引從左邊進(jìn)入遷移溝道并往檢測(cè)極板遷移，如圖1所示的1號(hào)氣體，代表需要被過(guò)濾的負(fù)離子的遷移軌跡， 在A，C電極的作用范圍內(nèi)，離子在向檢測(cè)極板遷移的同時(shí)向其正電極遷移，當(dāng)?shù)竭_(dá)電極對(duì)B 電極的作用范圍時(shí)，離子向相反方向的正電極遷移，通過(guò)安排A，B，C的電極的電壓大小，利用離子在大電場(chǎng)下的非線性遷移率曲線，使得該離子在A，C電極的作用范圍內(nèi)橫向遷移的距離要大于B電極作用范圍橫向遷移的距離，以至于該離子無(wú)法通過(guò)遷移溝道。而3號(hào)氣體離子所示的離子軌跡，表示該離子在A，C電極作用范圍內(nèi)的橫向遷移距離，小于B，D電極作用范圍內(nèi)的橫向遷移距離，從而最終該離子也無(wú)法通過(guò)遷移溝道。只有2號(hào)氣體離子，A，C 電極作用范圍內(nèi)的橫向遷移距離等于B，D電極作用范圍內(nèi)的橫向遷移距離，從而可以順利通過(guò)遷移溝道，到達(dá)檢測(cè)極板，從而信號(hào)被檢測(cè)電路捕獲?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整個(gè)電極電壓來(lái)獲得第二種情況下的離子過(guò)濾和檢測(cè)。傳統(tǒng)的離子遷移譜利用脈沖或交流電路非對(duì)稱地改變橫向電場(chǎng)進(jìn)行離子過(guò)濾，而這個(gè)發(fā)明中的脈沖或交流電路產(chǎn)生的時(shí)間非對(duì)稱交替橫向電場(chǎng)，被只需直流電壓信號(hào)的空間非對(duì)稱交替橫向電場(chǎng)所取代。這樣的好處是以遷移溝道的空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性換取了控制電路的簡(jiǎn)化，傳統(tǒng)的機(jī)械加工工藝在這種情況下會(huì)增加儀器的體積，因?yàn)樾枰嗟碾姌O；但利用微加工工藝和納米加工工藝，遷移溝道的體積并不會(huì)增加，但控制電路得到簡(jiǎn)化，可以完全采用最簡(jiǎn)單的直流電路，為進(jìn)一步減小儀器的體積和功耗提供了保障。利用微加工技術(shù)和納米技術(shù)實(shí)現(xiàn)的這個(gè)結(jié)構(gòu)可以分為垂直結(jié)構(gòu)和平行結(jié)構(gòu)兩種。 垂直結(jié)構(gòu)如圖2所示，在襯底比如單晶硅或者石英上依次沉積絕緣層/電極層，然后在特定的地點(diǎn)刻蝕出離子溝道。絕緣層的厚度需要保證電極層之間沒(méi)有漏電流，電極層的厚度按照?qǐng)D1所示來(lái)安排，最后可以通過(guò)刻蝕并沉積互聯(lián)線來(lái)向各層引入電壓信號(hào)，襯底即可以作為檢測(cè)極板，收集穿過(guò)溝道的離子，也可以將襯底刻蝕穿透，將檢測(cè)極板至于襯底之下。 絕緣層和電極層的沉積，刻蝕，以及互聯(lián)線的制造，可以利用目前的半導(dǎo)體和微電機(jī)系統(tǒng)加工工藝。平行結(jié)構(gòu)如圖3，在一片絕緣襯底上，首先在特定位置沉積導(dǎo)電線，然后在導(dǎo)電線的末端生長(zhǎng)一維導(dǎo)電納米材料作為電極，如碳納米管，硅納米管線等。電極之間互不接觸， 并在襯底上方形成離子溝道，也可以在生長(zhǎng)完一維納米材料后繼續(xù)在周?chē)练e絕緣材料如二氧化硅，保證納米材料間不會(huì)相互接觸，減弱溝道內(nèi)的電場(chǎng)，之后可以通過(guò)刻蝕形成離子溝道。檢測(cè)極板可以通過(guò)刻蝕或者沉積的方法制造在另一片襯底上，之后兩塊襯底可以通過(guò)物理或化學(xué)黏合的方法集成，并保證檢測(cè)極板和溝道的相對(duì)位置合適。
權(quán)利要求
1.基于分立電極的空間非對(duì)稱離子遷移譜實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，橫向電場(chǎng)由多對(duì)分立電極組成，電極對(duì)分別依次分布在離子遷移的路徑周?chē)?，交替產(chǎn)生相同或相反的直流靜電場(chǎng)，但其中不同方向的靜電場(chǎng)的空間尺寸并不相等。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分立電極的空間非對(duì)稱離子遷移譜實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，電極的供電電源是直流電。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分立電極的空間非對(duì)稱離子遷移譜實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，對(duì)于垂直結(jié)構(gòu)的遷移溝道，在襯底比如單晶硅或者石英上依次沉積絕緣層/電極層，然后在特定的地點(diǎn)刻蝕出離子溝道。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分立電極的空間非對(duì)稱離子遷移譜實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，對(duì)于平行結(jié)構(gòu)的遷移溝道，在一片絕緣襯底上，首先在特定位置沉積導(dǎo)電線，然后在導(dǎo)電線的末端生長(zhǎng)一維導(dǎo)電納米材料作為電極；電極之間互不接觸，并在襯底上方形成離子溝道，也可以在生長(zhǎng)完一維納米材料后繼續(xù)在周?chē)练e絕緣材料如二氧化硅，保證納米材料間不會(huì)相互接觸，減弱溝道內(nèi)的電場(chǎng)，之后可以通過(guò)刻蝕形成離子溝道。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于分立電極的空間非對(duì)稱離子遷移譜實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，所述一維導(dǎo)電納米材料是碳納米管或者硅納米管線。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于分立電極的空間非對(duì)稱離子遷移譜實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，檢測(cè)極板通過(guò)刻蝕或者沉積的方法制造在另一片襯底上，之后兩塊襯底可以通過(guò)物理或化學(xué)黏合的方法集成，并保證檢測(cè)極板和溝道的相對(duì)位置合適。
全文摘要
基于分立電極的空間非對(duì)稱離子遷移譜實(shí)現(xiàn)方法，橫向電場(chǎng)由多對(duì)分立電極組成，電極對(duì)分別依次分布在離子遷移的路徑周?chē)?，交替產(chǎn)生相同或相反的直流靜電場(chǎng)，但其中不同方向的靜電場(chǎng)的空間尺寸并不相等。本發(fā)明的有益效果在于，從使用交流電到使用直流電的變化使得控制電路更簡(jiǎn)單，從而降低電路開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)成本。
文檔編號(hào)G01N27/64GK102157329SQ201110040679
公開(kāi)日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2011年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月20日
發(fā)明者李鵬, 汪小知 申請(qǐng)人:汪小知