微波微等离子体电子源的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于质谱分析仪器领域，涉及百微米尺度的微型质谱仪，具体涉及微波微等离子体电子源，该电子源可实现大范围物质的电离，拓宽微型质谱仪应用范围。
【背景技术】
[0002]微小型质谱仪有一些较成熟、商业化的产品，但它们的共同点是质谱仪分析系统的各部件采用精密机械加工技术分别进行加工，而各部件之间是通过装配并采用各种接口组合在一起，没有经过特定的尺寸设计，在组合时会带来装配方面的误差以及还需要接口的设计，进而加大检测误差。因此采用微电子机械系统(MEMS)技术来加工微型质谱仪，即将质谱仪分析系统的各个部件集成在一片硅基底上进行加工，该方法可以杜绝装配误差引入的检测误差。而为了使质谱仪的分析精度更高，要对其各个部分进行最优化设计。
[0003]质谱分析采用的离子源有很多种，其中电子轰击型离子源的通用性强，应用范围最广，适用于气体或具有一定挥发性的固体、液体物质的电离。因此对于其分析物质的范围还是具有局限性。为了使微型质谱仪的可应用范围更广，即可分析物质的范围更广，可分析的前提决定于该物质可被离子源电离，选用微波微等离子体源作为离子源的电子源使用。现有技术中有报道采用微波微等离子体源作为离子源的电子源使用，但是其没有将阻抗匹配结构集成设计，而是在使用时外接阻抗匹配，外接阻抗匹配容易引入的焊接电容，而使功率反射变大，导致几乎没有功率可以传输给气体而不能起到激发及维持等离子体的作用。
【发明内容】
[0004]为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种电子束能量高且能量范围可调，可应用于大范围物质电离的微波微等离子体电子源，所述微等离子体电子源是硅-玻璃双层结构，将等离子体电子源的所有部件集成在一片硅基底上，采用微电子机械系统(MEMS)加工技术，可以完全杜绝匹配误差引入的分析误差。
[0005]本发明的技术解决方案如下:
[0006]微波微等离子体电子源，依次包括等离子体腔室5、电子加速透镜12、电子聚焦透镜11、能量过滤器9和检测器8，其特征在于:
[0007]所述微等离子体电子源为硅-玻璃双层结构，下层为硅基底，上层为玻璃；所述等离子体腔室5、电子加速透镜12、电子聚焦透镜11、能量过滤器9和检测器8在硅基底上通过深硅刻蚀工艺形成，再与玻璃键合形成所述微等离子体电子源。
[0008]根据本发明所述微波微等离子体电子源，所述等离子体腔室5的侧壁上设置电子引出口 13，所述电子引出口 13后依次为电子加速透镜12、电子聚焦透镜11、能量过滤器9和检测器8 ;
[0009]在所述等离子体腔室5的侧壁上，与所述电子引出口 13垂直相向的两个方向分别设置气体进样通道3和电打火电极14 ;
[0010]在所述等离子体腔室5的侧壁上，与所述电子引出口 13相对的方向设置微波功率输入电极的引入口 16。
[0011]根据本发明所述微波微等离子体电子源，进一步，在所述气体进样通道3的上方玻璃上设置进气口 4，在对应所述进气口位置的玻璃上粘一进气法兰18，氩气通过法兰进入所述等离子体腔室5。
[0012]根据本发明所述微波微等离子体电子源，进一步，所述电打火电极14上焊接银丝，在等离子体激发前，打开信号源及放大器，同时用高压陶瓷装置给银丝一个瞬时高电压激励，等离子体产生。
[0013]根据本发明所述微波微等离子体电子源，进一步，在所述等离子体腔室5内设置并联三开路支节的微带谐振器结构17，所述并联三开路支节的微带谐振器结构10的尾部与SMA接头连接，通过SMA接头和所述谐振器将微波信号耦合到等离子体腔室中，进而电离氩气，形成微等离子体。
[0014]根据本发明所述微波微等离子体电子源，进一步，所述三开路支节微带谐振器是在玻璃上通过电镀金形成的，然后键合的时候对应到等离子体腔室上。
[0015]根据本发明所述微波微等离子体电子源，进一步，所述并联三开路支节的微带谐振器结构17的三开路支节匹配结构2通过在玻璃上溅射金属层(例如可以是铝，钛，金等)而形成，与周围硅结构分离的硅盖住所述并联三开路支节的微带谐振器结构17的三开路支节匹配结构2，在所述硅盖与金属层之间有二氧化硅层作为绝缘层。
[0016]根据本发明所述微波微等离子体电子源，优选的是，所述等离子体腔室5为一圆柱腔体。
[0017]根据本发明所述微波微等离子体电子源，由工作在微波频率2.4-2.5GHz的信号源及放大器供给IW的功率，通过SMA接头耦合到电子源；SMA接头连接一个并联三开路支节的微带谐振器结构，使SMA接头处反射系数达到0.2?0.3，该谐振器将微波信号耦合到等离子体腔室中，进而电离氩气，形成微等离子体。
[0018]根据本发明所述微波微等离子体电子源，所述深硅刻蚀的深度为200 μπι ;所述电子引出口的宽度为450 μ m，电子加速、聚焦透镜的出口宽度均为500 μ m，电子加速聚焦透镜组与电子引出口的距离为500 μ m，透镜组之间的间距为1000 μ m，透镜组距离能量过滤器为1000 μm，能量过滤器通道宽度为500 μm，长度为4710 μm，距法拉第筒为1000 μπι ;通过调节电子加速、聚焦透镜及电子能量过滤器上所施加电压的值，可得到不同电子能量的电子流。
[0019]根据本发明所述微波微等离子体电子源，所述微波微等离子体电子源采用微电子机械系统加工技术实现，集成等离子体腔室、引出聚焦透镜组、能量过滤器、检测器在一片硅基底上。
[0020]根据本发明所述微波微等离子体电子源，应用所述微波微等离子体电子源的质谱仪可进行分析的前提在于所分析的物质可被离子源电离。
[0021 ] 物质被电子碰撞电离的几率与电子能量有一个函数关系，每一种物质都有对应的一个最佳电子能量，而本发明所述微波微等离子体电子源可以通过透镜的电压控制来得到不同能量的电子束，扩大微型质谱仪可检测物质的范围，使微型质谱仪的应用范围更广。
[0022]发明详述:
[0023]本发明提供的电子束能量高且能量范围可调，可应用于大范围物质电离的微等离子体电子源(图1)，且因微电子机械系统(MEMS)加工技术的特点，后期集成设计加工离子源、质量分析器、检测器等，可以完全杜绝匹配误差引入的分析误差。
[0024]所述微波微等离子体电子源由高压陶瓷装置给予等离子体腔室中的氩气高电压激励，并通过一个三开路支节结构的微带谐振器将2.4?2.5GHz微波频段，功率为IW的功率耦合给氩气，从而形成稳定的等离子体；将等离子体腔室接地电位，电子加速、聚焦透镜分别施加电压1V及80V，能量过滤器施加电压为32V，输出电子能量为10eV的电子流。
[0025]所述高压陶瓷装置起到一个类似电打火的作用，对着打火电极瞬间给予一个高压激励，其作用实给予等离子体放电腔室内的气体一个初始激励而产生更多的种子电子。
[0026]所述三开路支节结构，在微波应用中需要用到的一种微带线匹配网络，因为微波功率如果传输线路不匹配，很容易导致功率反射，而导致几乎没有功率可以传输给气体而不能起到激发及维持等离子体的目的，微带线匹配网络有一支节(该支节短路或者开路)、双支节或者多支节匹配，本发明所用的玻璃材料的相对介电常数比较小，导致在2.4?
2.5GHz下所对应的微带线比较长，考虑整体结构的紧凑型，采用的三开路支节，而之