專利名稱：基于分立電極的空間非對稱離子遷移譜實現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種離子遷移譜實現(xiàn)方法，尤其是涉及一種基于分立電極的空間非對稱離子遷移譜實現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
離子遷移譜技術(shù)被用來在常壓條件下檢測極低濃度的氣態(tài)化學(xué)物質(zhì)及其濃度。一般而言，離子遷移譜設(shè)備首先通過電離源將待測物分子電離，電離后的待測物分子(后簡稱離子)被引入遷移管中，并在遷移管內(nèi)的電場作用下沿著遷移管方向運(yùn)動；離子運(yùn)動的速度由電場強(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檢測極板，離子到達(dá)極板時，會被相應(yīng)的檢測電路定量檢測。在一定的電場條件下，不同種類的氣體離子因其不同的遷移率，將以不同的飛行時間達(dá)到檢測極板，這樣就能夠分辨出待測樣品中有哪些特定分子的存在，這種技術(shù)被稱為飛行時間離子遷移譜。飛行時間離子遷移譜的變體是非對稱場離子遷移譜，其與傳統(tǒng)的飛行時間離子遷移譜的區(qū)別在于，在非對稱場離子遷移譜中，遷移管中除了沿離子運(yùn)動方向的遷移電場之外，傳統(tǒng)的非對稱離子遷移譜通過機(jī)械泵或者“壓差氣膜，，來驅(qū)動氣流通過橫向電極板，離子被交流或者直流脈沖橫向電場交替改變遷移方向，最后只有遷移方向改變最小的離子可以順利穿過橫向電場，到達(dá)檢測極板。盡管微加工工藝使得遷移管和非對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)動離子氣流，使得現(xiàn)有技術(shù)無法將離子遷移譜儀器繼續(xù)縮小，同時，其功率損耗也受到了限制。 在專利PCT/GB2005/050126中，利用多電極同時在遷移溝道中施加縱向電場和橫向電場， 其中縱向電場驅(qū)動離子氣流，橫向電場進(jìn)行過濾，從而不需要在使用其它方法驅(qū)動離子氣流，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，橫向電場只有一個，因此如需要過濾離子，并使需要被采樣的離子順利通過溝道，就需要施加脈沖或者交流橫向電場，從而增加了電路設(shè)計難度，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稱離子遷移譜實現(xiàn)方法?？梢允沟每刂齐娐犯唵危瑥亩档统杀?。為了實現(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稱離子遷移譜實現(xiàn)方法，橫向電場由多對分立電極組成，電極對分別依次分布在離子遷移的路徑周圍，交替產(chǎn)生相同或相反的直流靜電場，但其中不同方向的靜電場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，然后在特定的地點刻蝕出離子溝道。
對于平行結(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，也可以在生長完一維納米材料后繼續(xù)在周圍沉積絕緣材料如二氧化硅，保證納米材料間不會相互接觸，減弱溝道內(nèi)的電場，之后可以通過刻蝕形成離子溝道。檢測極板可以通過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物理或化學(xué)黏合的方法集成，并保證檢測極板和溝道的相對位置合適。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單，從而降低電路開發(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方式實現(xiàn)的基于垂直生長的碳納米管的離子遷移譜的一對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是為檢測極板收集到的電流信號示意圖。其中，圖5-圖10的橫軸都表示時間，信號在橫軸上從左至右被分為三個部分，第一部分表示為了檢測出2號氣體，電極對ABCDE所加的直流電壓信號，第二部分表示為了檢測出1號氣體，電極對ABCDE所加的直流電壓信號，第三部分表示為了檢測出3號氣體，電極對ABCDE所加的直流電壓信號。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。本發(fā)明對多電極同時產(chǎn)生橫向與縱向電場進(jìn)行了改進(jìn)，縱向電場依然不變，引導(dǎo)離子氣流的流動，使待檢測的離子最終到達(dá)探測極板，而橫向電場由多對分立電極組成，電極對分別依次分布在離子遷移的路徑周圍，交替產(chǎn)生相同或相反的直流靜電場，但其中不同方向的靜電場的空間尺寸并不相等，這樣在離子被驅(qū)動到達(dá)檢測極板之前，所受到的橫向電場方向和大小由所達(dá)到的位置決定，不同的位置，受橫向電場的作用，運(yùn)動方向被改變，從而可以通過選擇性地安排產(chǎn)生橫向電場的電極對的方向和大小，對遷移中的離子實現(xiàn)過濾。如圖1的原理圖所示，以由5對分立電極對的遷移溝道為例。圖1中A，B, C，D，E 分別為離子氣流遷移溝道內(nèi)的五對分立電極，其中B，D電極在遷移溝道中所占據(jù)的長度要分別大于A，C，E電極。第一種情況，如果從A至E，A電極對中的正電極電勢小于B電極對中的負(fù)電極電勢，B電極對中的正電極電勢小于C電極對中的負(fù)電極電勢，C電極對中的正電極電勢小于D電極對中的負(fù)電極電勢，D電極對中的正電極電勢小于E電極對中的負(fù)電極電勢，這樣安排是為了使得負(fù)離子可以被驅(qū)動到達(dá)檢測極板。第二種情況，如果從A至E，A 電極對中的負(fù)電極電勢大于B電極對中的正電極電勢，B電極對中的負(fù)電極電勢大于C電極對中的正電極電勢，C電極對中的負(fù)電極電勢大于D電極對中的正電極電勢，D電極對中的負(fù)電極電勢大于E電極對中的正電極電勢，這樣安排是為了使得正離子可以被驅(qū)動到達(dá)檢測極板。從A至E的橫向電場的方向以此交替，大小可以根據(jù)檢測離子的種類來進(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電極端的電勢所吸引從左邊進(jìn)入遷移溝道并往檢測極板遷移，如圖1所示的1號氣體，代表需要被過濾的負(fù)離子的遷移軌跡， 在A，C電極的作用范圍內(nèi)，離子在向檢測極板遷移的同時向其正電極遷移，當(dāng)?shù)竭_(dá)電極對B 電極的作用范圍時，離子向相反方向的正電極遷移，通過安排A，B，C的電極的電壓大小，利用離子在大電場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，以至于該離子無法通過遷移溝道。而3號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法通過遷移溝道。只有2號氣體離子，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，從而可以順利通過遷移溝道，到達(dá)檢測極板，從而信號被檢測電路捕獲。可以通過調(diào)整個電極電壓來獲得第二種情況下的離子過濾和檢測。傳統(tǒng)的離子遷移譜利用脈沖或交流電路非對稱地改變橫向電場進(jìn)行離子過濾，而這個發(fā)明中的脈沖或交流電路產(chǎn)生的時間非對稱交替橫向電場，被只需直流電壓信號的空間非對稱交替橫向電場所取代。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化，傳統(tǒng)的機(jī)械加工工藝在這種情況下會增加儀器的體積，因為需要更多的電極；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增加，但控制電路得到簡化，可以完全采用最簡單的直流電路，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)實現(xiàn)的這個結(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，然后在特定的地點刻蝕出離子溝道。絕緣層的厚度需要保證電極層之間沒有漏電流，電極層的厚度按照圖1所示來安排，最后可以通過刻蝕并沉積互聯(lián)線來向各層引入電壓信號，襯底即可以作為檢測極板，收集穿過溝道的離子，也可以將襯底刻蝕穿透，將檢測極板至于襯底之下。 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，也可以在生長完一維納米材料后繼續(xù)在周圍沉積絕緣材料如二氧化硅，保證納米材料間不會相互接觸，減弱溝道內(nèi)的電場，之后可以通過刻蝕形成離子溝道。檢測極板可以通過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物理或化學(xué)黏合的方法集成，并保證檢測極板和溝道的相對位置合適。
權(quán)利要求
1.基于分立電極的空間非對稱離子遷移譜實現(xiàn)方法，其特征在于，橫向電場由多對分立電極組成，電極對分別依次分布在離子遷移的路徑周圍，交替產(chǎn)生相同或相反的直流靜電場，但其中不同方向的靜電場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稱離子遷移譜實現(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稱離子遷移譜實現(xiàn)方法，其特征在于，對于垂直結(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稱離子遷移譜實現(xiàn)方法，其特征在于，對于平行結(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，也可以在生長完一維納米材料后繼續(xù)在周圍沉積絕緣材料如二氧化硅，保證納米材料間不會相互接觸，減弱溝道內(nèi)的電場，之后可以通過刻蝕形成離子溝道。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于分立電極的空間非對稱離子遷移譜實現(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稱離子遷移譜實現(xiàn)方法，其特征在于，檢測極板通過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物理或化學(xué)黏合的方法集成，并保證檢測極板和溝道的相對位置合適。
全文摘要
基于分立電極的空間非對稱離子遷移譜實現(xiàn)方法，橫向電場由多對分立電極組成，電極對分別依次分布在離子遷移的路徑周圍，交替產(chǎn)生相同或相反的直流靜電場，但其中不同方向的靜電場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單，從而降低電路開發(fā)和生產(chǎn)成本。
文檔編號G01N27/64GK102157329SQ201110040679
公開日2011年8月17日 申請日期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 申請人:汪小知