包括柔性印刷电路板的离子反射器的制作方法

专利名称：包括柔性印刷电路板的离子反射器的制作方法
此申请是根据1999年8月16日提交的临时申请No60/149,103，文中包括全部的参考文件。
发明的背景1.发明的领域本发明涉及一种飞行时间(TOF)质谱仪，尤其是涉及一种新的例如可用于TOF质谱仪的离子反射器以及其制造方法。
2.相关技术的介绍光谱分析仪是一种分析仪器，其根据发射的特性(例如质量和能量)色散发射物(例如颗粒或射线)并测量色散量。色散测定的分析可以揭示关于色散的信息，例如色散的单个颗粒的识别。
众所周知，通过电场施加在离子化颗粒(离子)上的能量可以使得离子运动。此原理被应用在不同种类的光谱分析仪上以实现不同的目的。例如，离子流动光谱仪(IMS)被用于检测和分析在大气中的有机烟雾或污染物。如Yoon等在美国专利No5,834,771所公开和介绍的一种典型的IMS检测器单元(也称为一种离子漂移管)，其包括用于产生离子的反应区，用于分离离子的漂移区或漂移区和收集器。
一种载体或漂移气体与被引入IMS的样品气体一起被离子化，然后样品气体被在漂移管施加的电场作用下移动通过漂移管。当在样品中的不同的离子在与漂移气体碰撞时，在漂移管中根据它们的行为而分离。每一种离子根据它们的特殊结构表示出它自身的特征行为模式，例如每一种离子由于其质量、大小和电荷而表示出特定的速度。被分离的离子进而离开漂移管与收集器碰撞产生可测量的电流。到达收集器的离子的漂移速度和高峰电流提供了可以大致识别进入反应区的样品的特征的基础；但是，由于将两种具有相同的质量和与漂移气体同样反应的不同类型的离子相互间进行区别，如果不是不可能的话，也是很困难的，因此它不是一个精确的技术。
如前述的‘771专利所述的，有在反应区和漂移管中使用的各种产生电场的方法。’771专利的主题是一种涉及将一种柔性印刷电路板固定在漂移管的表面上的的方法。在柔性电路板上形成平均间隔平行的导电带，导电带通过电阻连接到相邻的带上。通过电阻器的适当的分压，导电带被沿管被设置成相对于它们的位置的电位，从而沿着管的轴形成一个均匀电场。
质谱仪是另一种众所周知的光谱分析仪方法。质谱仪被用于精确地测定物质的化学成分和分子结构。一种类型的质谱仪，飞行时间(TOF)质谱仪是一种通过测量在高度真空环境下化合物的分子和/或离子片段穿过(通常是)一个无电场的漂移区的时间(通常是从几十到几百微秒)而记录下该化合物或混合物的质谱。TOF质谱仪是根据如下原理工作的，即当离子被一固定的能量加速时，离子的速度完全因为质量和电荷的不同而不同。因此，从A点到B点的飞行时间根据离子质量而不同。使用TOF质谱仪，离子质量可以根据它们的飞行时间计算。由于没有在IMS中发生的与载体气体的碰撞，而只有速度，以及质量和电荷(通常为+1)用于计算。这使得可以精确地识别分子。
TOF质谱仪包括一个源区，其中中性分子被离子化，还包括一个漂移区，以及一个离子反射器(也称为reflectron)和一个探测器。在离子源中，离子在高度真空环境下形成并接着加速进入无电场漂移区。离子仅根据它们的质量/电荷比(通常为+1)按时间分离。在进入被离子反射器产生的相反的电场中时，离子逐渐地慢下来、停止并反方向运动。在离子被重新加速离开离子反射器后进行检测。除了使得可以进行离子质量的计算外，离子包峰宽(ion packet peak width)由于离子通过离子反射器而尖锐化，导致增加了仪器的运算功率。
离子反射器自从六十年代末就已经使用，其典型的结构是沿陶瓷杆配置多个单独制造的金属环，采用绝缘垫片将环相互分开。此技术由于制造和加工较大直径(1或更大)而又很薄的环(厚度为几密耳mil)是劳动力密集型的，成本高，限制设计的灵活性。此结构的例子如美国专利No4,625,112中Yshida所示。虽然有许多此设备的变更，但结构方法仍限制于上述的环方法。
与‘771专利的平行导电带相同，环被设置成一定电位，其沿圆柱的轴产生电场。但是与沿漂移管产生均匀电场仅大致地识别样品分子的IMS方法相反，TOF质谱仪能够高精确度地测量原子和分子的重量。进而，为了提高TOF质谱仪的性能，离子反射器的结构可以沿离子反射器管产生非均匀的电场。通过利用一个分压器网络改变施加在每个平均间隔的环上的电位从而产生非均匀的电场。可以在美国专利No5,464,985上发现Cornish等完全结合文中的参考文献对非线性离子反射器的详细解释。
上述的TOF质谱仪设计证明对环的直径较大并平均间隔排列的大型的反射器效果十分令人满意，而采用远程TOF质谱仪的新的应用需要小型的部件、坚固的结构、和/或使用轻质材料。小的TOF质谱仪减小了漂移长度，必须使用理想的能量聚焦设备(离子反射器)以增强分辨率。
因此，希望开发出新的构造方法以便制造小型的用于TOF的更小、坚固、重量轻的提供最大的分辨率的离子反射器。
发明的概述因此，一种采用高精度的印刷电路板设计和各种薄的、柔性的基片的新技术被设计出来产生一种新型的离子反射器。在此方法中，在一平板，柔性电路板基片上蚀刻一系列精确地被限定的薄导电带(迹线)。然后柔性基片被卷入一个管中以形成反射器体，导电带形成离子反射器的环。在导电带间的间隔，即环的间隔可以方便地在蚀刻凝固程中通过调整在基片上的导线分布图可以方便地改变。
本发明是一种用于飞行时间(TOF)质谱仪的多层离子反射器，包括多结构层；至少一个柔性电极层，在离子反射器中产生电场的柔性电极层，当在其上施加一个电压时可以使穿过离子反射器的离子慢下来、停止以及运动方向反转。柔性电极层包括一个柔性基片，在其上形成有多个导电带，柔性基片被卷成管状以便所述的导电带在离子反射器的中轴周围形成环。在导电带即环之间的距离，如果需要的话，可以从离子反射器的一端到另一端逐渐地减小。在导电带之间的距离还可以平均间隔排列或根据用户定义(所需要的任何间隔排列)。
根据本发明介绍的离子反射器制造方法包括以下步骤在柔性基片上照相蚀刻多个导电带，绕轴缠绕照相蚀刻基片以便多个导电带共同形成多个绕轴的环，留下柔性基片的连接端不被缠绕；绕基片缠绕一个或多个匝或层的为未凝固，预浸渍的合成物材料，以便基片所有暴露的部分，除了未缠绕的连接端外，被合成物材料层所覆盖；处理在中轴上的照相蚀刻基片和复合材料；从中轴上除去凝固的照相蚀刻基片和复合材料从而形成刚性管状离子反射器。
这些目的，以及其它目的和优点通过在下文以及附图对其结构和操作的更详细地介绍，将会更清楚。附图中相同的标号表示相同的部件。
附图的简要说明

图1是表示根据本发明的第一制造步骤准备的柔性电路板基片；
图2是表示根据本发明的第二制造步骤；图3是表示根据本发明的第三制造步骤；图4是表示根据图1-3中介绍的步骤所制造的反射器组件；图5是表示本发明的柔性电路板的连接端可以被端接刚性电路部分；图6是表示本发明的柔性电路板可以被分成多个片段。
最佳实施例的说明图1表示根据本发明的第一步骤准备的电路板基片100。根据本发明，平行导电带102(为了示例，在图1中表示了50个导电带)被用传统的蚀刻方法蚀刻到柔性电路板上。在图1所示的例子中，导电带102的连接端104被蚀刻，使得导电带102在倾斜部分106有一定角度。这使得导电带102会聚在连接端104，以便在连接部分108，它们靠在一起，适当地排列，因此使得可以方便地与连接器(未显示)连接。
在本发明的一个实施例中，电路板基片100包括镀铜Kapton(由杜邦制造)聚酰亚胺薄片，约为0.002”厚，被蚀刻在电路板基片102上的导电带102约为0.008”宽0.001”厚。每个导电带之间的距离是一致的，或者如图1所示，可以在一些导电带之间较窄，在其它导电带之间较宽。在反射器管中的环之间的距离影响管产生的电场，因此在导电带或导电带宽度之间的距离可以根据终端用户的需要而调整。进而，如下文更详细地说明的，在另一端的导电带A和B可以比另一端的导电带宽以当离子反射器制造完成时促使导电连接到最远的环上。
如上所述，一旦柔性电路板基片100被蚀刻，它就被卷成管状并在这个刚性形式的管状物中被支撑。当不需要支撑刚性形式的管时，这样做可以确保通过柔性电路板基片100卷绕形成的环的对称性，其导致环产生的电场的精确度。
现在参见示例的图2和3。在图2中，柔性电路板基片绕中轴210形成管状。当柔性电路板基片100卷绕中轴210时，每个导电带对准其本身而形成建立电场所需要的环。由于柔性电路板100的薄度，不需要电连接每个导电带的端部；它们处于相同的电位以确保在管内部的连续的电场。
接着，未凝固的预浸渍的玻璃纤维被缠绕在柔性电路板基片100的周围，其被缠绕在中轴210的周围(图3)。在图3中，使用了五匝玻璃纤维312、314、316、318和320，每个约为0.010”厚。玻璃纤维匝的尺寸应该是宽度等于或超过图1中“W”的距离，长度约等于中轴210的周长。
通过使用此长度的玻璃纤维匝，当在卷绕的柔性电路板基片100周围缠绕匝时，有一小开口324，柔性电路板基片100的连接端104可以穿过它并延伸。为了使得柔性电路板基片100保持自然形状，减小卷边，在第二实施例中每个连续的玻璃纤维匝的开始位置被相对于其前匝做了微小的移动以便形成一个渐斜坡326，因此如图所示形成一个离开中轴210方向的柔性电路板基片100的渐斜角度。
如上所述一旦形成反射器组件，组件就被以已知的方式做热和压力处理约2个小时。然后组件被冷却，移走中轴210。应该注意的是也可以采用其它的不需要热和压力处理的其它材料。因此，在组件中使用的材料类型表示处理的类型。以此方式形成的卷绕反射器组件的最终壁厚度约为0.060”。如图4所示为根据前述的步骤制造的反射器组件。一个标准连接器430，例如标准的插带连接器(pin ribbonconnector)可以被连接到连接端104以便离子反射器可以方便地组装到质谱仪中或需要离子反射器的其它设备中。如果需要，端盖(end caps)(例如聚碳酸脂塞，未显示，或其它合适的材料)可以被安装在离子反射器的任一端，以支撑在质谱仪的真空室中的离子反射器并提供一表面以添加格栅(grid)。众所周知，格栅限定了质谱仪的电场，其通常用不锈钢或镍制造并/或导线电连接到导电带A和B。导电带A和B的较大的宽度增大了格栅/盖和导电带之间电连接的完整性。圆柱形的支撑管和完整的环结构使得格栅/盖可以用许多不同的结构形式制造，例如盘插件或重叠盖。如果需要，在圆柱中可以加工退刀槽以保证这样的盖或格栅合适的定位。
本发明生产的离子反射器是质量非常轻、很坚固，价格不贵，容易批量生产。比现有技术优越的其它优点包括在选择环的宽度和间隔距离上有较大的设计灵活性；不需要象现有技术一样手工组装环；在环之间的间隔、宽度距离可以通过可再加工的照相蚀刻印刷处理或根据使用的材料用其它的合适的处理方便地控制。生产的印刷模式或其它模式可以采用简单的计算机辅助设计技术在各种应用中实现；由于离子反射器的插入式特性，可以方便地实现离子反射器的更换；采用高Tg电路板材料使得离子反射器可以在宽温度范围内工作。
本发明在下文中关于TOF质谱仪进行了描述，根据本发明制造的离子反射器可以被应用于任何需要建立静电场的设备中，尤其是要求精确、坚固、重量轻、价格不贵，标准组件和/或可批量生产的结构的设备。进而在文中介绍和附图中表示的圆柱形的离子反射器，对电路板做了简单的修改，其它的几何形状，例如圆锥形反射器，也被高精确度地制造。
上述的处理采用了凝固的玻璃纤维层用做为离子反射器提供需要的刚性管状支撑，任何可以被缠绕或卷绕在柔性电路板的周围的凝固的复合材料都满足要求。进而，蚀刻的柔性电路板可以采用任何方法形成刚性管，导致具有环的刚性管沿管的内部形成。例如，为了替代采用如上所述的玻璃纤维层，蚀刻的柔性电路板可以被粘贴(层压)到一个适当直径的支撑管的内部。支撑管可以用金属或复合材料制成，取决于所需要的工作条件。为了使得柔性电路板的连接端延伸到管的外部，管上设有一个几乎贯穿整个管长度的切槽。此切槽的目的与图3的开口324的相同，即它使得柔性电路板的一端从管延伸以便允许方便地用导线或连接器连接到形成在管的内部的单个环上。
图5表示，如果需要的话，柔性电路板100的连接端104可以端接在所示的刚性电路板部分530。刚性电路板部分530可以容纳，例如，一个分压器网络530(即必须将一个特定电压施加到每个环上的高精度电阻和互连模式)。分压器网络532被组装在与环组件相同的结构，允许整个离子反射器通过简单地从把分压器网络连接到高电压电源两个导线534和536上拆卸组件来方便地更换。在以这种方式配置时，全部只需要一个简单的双插头连接器(以做高电压电源连接)。
如果还需要进一步地降低离子反射器的重量，如图6所示，当电路板退出离子反射器管时，电路板100可以被分成多个片段并穿过多个切槽640；多个切槽640形成插入切槽支撑642，从而对结构提供了附加的刚度，其仍然可以电连接到导电带102上。
前述的内容仅考虑到本发明的原理。而且，由于对于本领域的技术人员而言做很多修改和变化是可以容易地实现的，所以不希望将本发明限制在所表示和介绍的特定的结构和应用方面。因此，全部的适当的修改和类似的变化都可以归于发明和所附的权利要求及其等价物的范围。
权利要求
1.一种用于飞行时间(TOF)摄谱仪的多层离子反射器，包括多结构层；和至少一个柔性电极层，所述的柔性电极层在所述的离子反射器中产生一个电场，此时在柔性电极层上施加一个电压以便使穿过所述的离子反射器的离子的运动慢下来、停止，并反向运动。
2.根据权利要求1所述的一种多层离子反射器，其中所述的柔性电极层包括一个柔性基片，在其上形成有许多导电带，所述的柔性基片被卷绕成管状以便所述的导电带形成以环绕穿过所述的离子反射器的长度的中轴的环。
3.根据权利要求2所述的一种多层离子反射器，其中所述的离子反射器具有第一端和第二端，其中在所述的导电带之间的距离从所述的离子反射器的第一端到第二端逐渐减小。
4.根据权利要求2所述的一种多层离子反射器，其中所述的离子反射器具有第一端和第二端，其中在所述的导电带之间的距离由用户定义。
5.根据权利要求2所述的一种多层离子反射器，其中所述的离子反射器具有第一端和第二端，其中在所述的导电带之间的距离相等。
6.根据权利要求2所述的一种多层离子反射器，其中所述的多结构层包括绕所述的柔性基片缠绕的凝固的复合材料匝或层。
7.根据权利要求6所述的一种多层离子反射器，其中所述的凝固的复合材料包括玻璃纤维层。
8.一种用于飞行时间质谱仪的离子反射器，包括至少一个第一柔性印刷电路板，在其上形成有多个平行的导电带，所述的柔性电路板被固定到管状定位装置中以便所述的平行导电带形成环，环在有能源供能时，在所述的环内产生电场。
9.根据权利要求8所述的一种多层离子反射器，其中所述的离子反射器具有第一端和第二端，其中在所述的导电带之间的距离从所述的离子反射器的第一端到第二端减小。
10.根据权利要求8所述的一种多层离子反射器，其中所述的离子反射器具有第一端和第二端，其中在所述的导电带之间的距离由用户定义。
11.根据权利要求8所述的一种多层离子反射器，其中所述的离子反射器具有第一端和第二端，其中在所述的导电带之间的距离相等。
12.根据权利要求8所述的一种多层离子反射器，还包括绕所述的柔性基片缠绕的凝固的复合材料匝或层。
13.根据权利要求6所述的一种多层离子反射器，其中所述的凝固的复合材料包括玻璃纤维层。
14.一种制造离子反射器的方法，包括以下步骤将多个导电带照相蚀刻到柔性基片上；绕一中轴缠绕所述的照相蚀刻基片以便所述的多个导电带一起绕所述的中轴形成多个环，留下所述的柔性基片的一个连接端不被缠绕；绕所述的基片缠绕一层或多层的未凝固的、预浸渍的复合材料层/匝，以便所述的基片的全部的暴露的部分，除了所述的未缠绕的连接端之外，被所述的复合材料匝覆盖。处理在所述的中轴上的所述的照相蚀刻的基片；从所述的中轴上移出所述的凝固的照相蚀刻基片和复合材料以形成一个刚性的管状离子反射器。
全文摘要
本发明公开了一种利用高精度印刷电路板设计和薄柔性基片的物理变化性能的新技术以产生一种新的类型的离子反射器。在平板的柔性电路板基片蚀刻有一系列精确定制的薄导电带(迹线)。最好是,在基片的一端,薄导电带被进一步地分离并更加向基片的另一端靠近。然后柔性基片被卷成一个管以形成反射器体,其导电带形成离子反射器的环。在导电带之间的距离以及环的间隔可以在蚀刻期间通过调整在基片上的导线分布而方便地改变。通过调整环之间的间隔,离子反射器建立的电场的特性可以根据用户的需要而方便地定制。
文档编号H01J49/06GK1369107SQ00811243
公开日2002年9月11日 申请日期2000年8月16日 优先权日1999年8月16日
发明者蒂莫西·J·科尼什, 哈里·K·查利斯, 保罗·D·温霍德 申请人:约翰霍普金斯大学