适合航天应用的MEMS离子阱质谱仪研究

离子阱能够实现离子的贮存与积累，性能优异，对真空系统要求低，便于加工和组装，最适合小型化研究。碳纳米管或碳纳米颗粒具有优异的场致发射特性，将其组装在微结构上可实现离子源的小型化。本课拟采用MEMS加工工艺,在硅基底上研制基于圆柱形离子阱质量分析器和纳米材料的三极管式离子源的新型质谱仪，实现质谱仪的小型化、阵列化，研制出原理样机，初步实现大气环境成分的检测，为最终实现适合航天应用的便携式质谱仪打下基础。主要研究内容包括：圆柱形离子阱质量分析器的理论分析与仿真研究；圆柱形离子阱质量分析器的结构设计、优化和实验研究；圆柱形离子阱MEMS结构及纳米材料的沉积工艺研究和离子阱及离子源在PCB电路板上的集成研究。利用MEMS技术和纳米材料制作微型离子阱和离子源，工艺一致性好，装配简单，且可以实现阵列化。这种集成度高、体积小、功耗低、灵敏度高的便携式质谱仪除适合航天用外，将具有广阔的应用前景。

本项目针对载人航天对微量有害气体在线检测的迫切需求，提出利用微机电系统（MEMS）技术，开发基于离子阱质量分析器的新型质谱仪的关键技术研究，为实现质谱仪的小型化的奠定基础。本项目设计了铁电阴极离子源，对其性能进行了测试，结果表明用铁电材料作为阴极的离子源其性能与传统灯丝作为阴极的离子源的灵敏度相当，其优越的真空适应性和抗中毒能力，为提高离子源的可靠性和寿命提供了可能。本项目对圆柱形和矩形离子阱质量分析器进行了仿真研究，结果表明对于圆柱形离子阱，在长径比为0.8时，圆柱形离子阱可以得到最大的离子捕获并束缚；对于矩形离子阱，离子阱的长宽比为0.8时候，可以得到最大的离子捕获并束缚；对于400um尺度的MEMS离子阱，当射频电压频率f增加到5 MHz时，可以保证 100%的离子捕获并束缚。本项目利用三层热键合技术制备矩形MEMS离子阱。因玻璃出射狭缝制作工艺以及ICP深刻蚀深宽比的限制，两次流片失败；下一步采用先打孔后溅射金属的方法，实现玻璃板上的狭缝；采用电极吸附法代替吸附盘法固定ICP过程中的硅片的固定。利用电镀法制备圆柱形离子阱。由于气泡附着在圆环形通孔之上，阻止了铜的进一步沉积，导致环形电极的底部很大一部分没有电镀上金属覆盖层。离子阱试制失败。利用三层键合的方法制备MEMS圆柱形离子阱。通过将端盖电极与环电极分离制备，利用端盖电极硅片顶部湿法腐蚀使其硅片厚度降低至100um左右，使得端盖电极具有足够的强度，底部湿法腐蚀来控制端盖电极与环电极之间的距离，有效的解决了关于寄生电容与击穿电压的难点；整个环电极作为一个整体制备，降低了对准偏差对整个器件性能的影响；对侧壁溅射金的覆盖性从理论上进行分析并实验验证；改进了金-金键合，利用绝缘层上生长非晶硅实现了共晶键合，提升了成品率与键合质量。从而成功制备出圆柱形离子阱。本项目搭建了离子阱分析器测试平台，对不朽钢材质和硅材质放大版矩形离子阱的性能进行了测试。不朽钢材质的放大版离子阱测试利血平可以很好分辨608amu，不能很好分辨609amu；用硅材料做电极的离子阱可以得到与不锈钢离子阱相似的分析性能