用于离子迁移过滤器的制造方法与流程

1.本发明涉及制造mems气体传感器的方法，例如用于制造可以用作场非对称离子迁移谱过滤器的离子迁移过滤器的方法。


背景技术：

2.存在可以用于分析气体样本的各种类型的mems传感器。这些传感器可以包括气体流路(例如通道)，其被构造成接收气体样本流。该气体流路可以在器件的功能层中，并且功能层可以由半导体或其它导电材料制成。例如，离子迁移谱仪用于探测例如空气的气体中的特定化学物质。差分式离子迁移谱(differential mobility spectrometry，dms)，也称为场非对称波形离子迁移谱(field
‑
asymmetric waveform ion mobility spectrometry，faims)，被认为是分离和表征气相离子的有力工具。
3.存在各种用于制造微机电系统(microelectromechanical system，mems)的方法，例如体微加工或面微加工。作为示例，图1a至图1c例示了可以如何制造例如离子过滤器的气体传感器。如图1a和图1b所示，离子过滤器10包括支撑在支撑层12上的电极层16。电极层16包括至少一个限定在一对正极与负极之间的离子通道14。来自样本的离子流通过离子通道以已知的方式通过施加补偿场和分散场予以控制。通过离子通道的离子由探测器探测，并且可以对所得到的输出进行分析，以确定样本中存在的物质。
4.支撑层12可以由或类似的绝缘材料制成。支撑层12的外缘与电极层16的外缘连续，并且支撑层12是呈大体矩形框架形式的环形。如图1a中的虚线示意性所示的，支撑层12的内缘限定出孔口，该孔口至少部分地与电极层16中的一个或多个离子通道14对齐，使得离子可以流过该孔口。
5.制造方法通常包括：将支撑层黏合到电极层，随后蚀刻该电极层，以限定出一个或多个电极和一个或多个离子通道。如图1b例示，在蚀刻过程期间形成的一个或多个离子通道将逐渐收窄(taper)，这导致每个离子通道的一端18根据蚀刻的方向相对于通道的相对端更小。应当理解，出于例示限制，逐渐收窄被放大。逐渐收窄意味着一端18处的尺寸减小幅度随着通道的深度d(或长度)的增加而增加。因此，逐渐收窄明显地限制了可以实现的通道的纵横比(即，深度d对宽度w)。这限制了离子迁移过滤器在过滤不同迁移的离子方面的性能，因为只有较少的离子能够在不接触电极的情况下行进通过逐渐收窄的通道。因此，只有较少的离子可以通过较小的出口离开。
6.如图1c例示，多个离子过滤器通常形成在单个硅片上。因此，方法中的最后一个步骤是分离晶片内的每个离子过滤器。这通常通过使用非常薄且精确的锯(例如具有金刚石尖端齿的水冷圆锯)对硅片进行切割或切割来完成。
7.因此，申请人已经认识到需要制造离子过滤器的替代性方法。


技术实现要素：

8.根据本发明，提供了如所附权利要求中阐述的方法和设备。本发明的其它特征将
从从属权利要求和下面的描述中得以明了。
9.我们描述了一种制造离子迁移过滤器的方法，方法包括：提供包括孔口的支撑件；将电极层附接到支撑件，使得电极层覆盖孔口；以及通过机械地切割穿过电极层来形成多个离子迁移电极；其中，每个相邻电极对在它们之间限定出离子通道，并且每个电极与一个或多个相邻的电极分开。换言之，每个相邻电极对中的两个电极彼此不接触，即，它们既不直接电连接也彼此不物理连接。在使用中，孔口可以适于允许离子过滤气体流过离子迁移过滤器。
10.我们描述了根据该方法制造的离子迁移过滤器。机械地切割可以被定义为实现部件之间的分离的过程。切割过程可以是包括划线(即，通过沿着切割线扫描而引入缺陷区域)和打断(即，沿着缺陷区域折断)的两阶段过程。切割过程可以通过任意合适的技术(例如机械锯切或激光切割)来完成。
11.我们还描述了一种离子迁移过滤器，包括：支撑件，其包括孔口；和电极层，其包括多个离子迁移电极，其中每个相邻的电极对在其间限定离子通道，并且每个电极与相邻的电极以及多个离子迁移电极中的其它电极分开，其中，每个离子迁移电极跨越孔口，并且每个离子迁移电极的相对端附接到支撑件。
12.通过机械地切割电极层，可以切得多个通道而不损失性能，每个通道具有至少10:1的纵横比。此外，多个平行通道可各自具有10微米至50微米的宽度。这种过滤器具有比现有技术过滤器更高的纵横比。与已知的mems相互交叉型离子迁移过滤器电极相比，这样形成的电极还可以更坚硬且稳定，例如因为两端都附接到支撑件。因此，电极不太可能随时间而移位，因此缓解了不均匀的离子通道和不良性能。使用切割还避免了通道中的逐渐收窄问题。每个离子通道可以限定在相邻电极的相对平行面之间。
13.支撑件可以包括支撑层、在支撑层的第一面上的第一导电层和在支撑层的相对面上的第二导电层。多个电连接可形成在第一导电层中。电连接可以是成对的，在电极的每一端各有一个。电连接可以彼此电隔离，由此每个电极与相邻电极电隔离。例如，除了切割电极层之外，该方法还可以包括：在形成多个离子迁移电极时部分地切割支撑件。这可以帮助将电连接彼此分开。电连接可将不相邻的电极连接在一起，以形成两个或更多个电极部。例如，第一组电极(例如每隔一个电极)可以被连接，以形成第一电极部，并且与第一组电极中的电极交错(即在这些电极之间)的电极可以被连接，以形成第二电极部。第一电极部可以被设置为正电位，第二电极部可以被设置为负电位。
14.电连接可形成在第二导电层上。可以穿过支撑层形成过孔，以电连接第一导电层和第二导电层。多个电连接和/或过孔可以在形成多个离子迁移电极之前形成。多个电连接和/或过孔可以通过蚀刻形成，或者可以通过其它合适的手段(例如沉积)形成。
15.电极层的厚度可以在1微米至10微米之间。电极层可以由任意导电材料形成，例如金属或半导体材料。类似地，第一导电层和第二导电层可以由任意导电材料形成，例如金属或半导体材料。支撑层可以是绝缘材料，例如
16.该方法可以包括：在附接电极层之前形成穿过支撑件的孔口。替代性地，支撑件可以以框架的形式提供。这样，在附接电极层之前，在支撑件中预先形成孔口。可以选择孔口的尺寸，以使孔口与所有离子通道对齐或仅与每个离子通道的一部分对齐。
17.所描述的离子过滤器可以结合在谱系统中，因此我们还描述了一种离子迁移谱系
统，包括：如上所述的离子过滤器；电离器，其用于利用气体样本生成离子；以及探测器，其用于探测来自离子过滤器的输出。探测器可以包括在适当的情况下用于每个离子通道的探测元件，例如，一对探测电极。
18.系统可包括处理器，其被配置成在适当的情况下生成至少一个离子通道的图形输出。图形输出可以基于由探测器探测的信息，例如离子电流。处理器可以被配置成作为针对至少一个离子通道中的每一个离子通道施加的分散场和施加的补偿场的函数生成探测器处的离子电流的测量。
19.因此，系统可以包括用于施加分散场和补偿场的驱动信号系统，例如在faims中众所周知的。可以选择驱动信号系统，以便将不同电场施加到至少一个离子通道。驱动信号系统可以连接到多个离子迁移电极，并且可以被配置成单独地控制多个离子迁移电极中的每一个电极的电位，即，可以被配置成向每个电极施加不同的电压。驱动信号系统可以被配置成：控制至少第一电极对中的每个电极上的电位，以在至少一个第一电极对之间的离子通道内生成第一电场，并且同时控制至少第二电极对中的每个电极上的电位，以在至少一个第二电极对之间的离子通道内生成第二电场，其中，第二电场不同于第一电场。各自具有第一电场的离子通道的数量可以选择成在1个至n
‑
1个之间，其中，n是离子通道的总数。离子通道的数量可以选择成在1个至n
‑
1个之间，其中，n是离子通道的总数。驱动信号系统可以被配置成控制附加电极对的每个电极上的电位，以生成附加的不同电场。我们还描述了一种探测来自气体样本中的目标化学物质的离子的方法，该方法包括：电离气体样本，以创建目标化学物质的离子；通过上述离子过滤器过滤离子；以及使用探测器探测从过滤器输出的离子。方法还可包括：在限定于多个电极中的第一电极对之间的第一离子通道中创建第一电场；以及在限定于多个电极中的第二电极对之间的第二离子通道中创建不同电场；从而当过滤气体样本时，目标化学物质的多个离子的第一部分通过第一离子通道，并且目标化学物质的多个离子的第二部分被第二离子通道吸收。该方法还可以结合以上关于系统描述的特征。
20.还应当理解，上述方法可以适用于任意类型的mems气体传感器。
附图说明
21.为了更好地理解本发明以及为了示出可以如何实现本发明的实施例，现在将仅以示例的方式参考附图，在附图中：
22.图1a和图1b示出了使用已知方法制造的离子过滤器的平面图和剖视图；
23.图1c示出了结合有图1a的若干离子过滤器的硅片；
24.图2是制造过程的步骤的流程图；
25.图3a至图3e是示出了图2的制造过程中的各阶段的示意性透视图；
26.图4a是结合有图2e的离子过滤器的谱系统的示意性框图；
27.图4b是来自图4a的系统的输出的示例；以及
28.图5示出了使用谱系统探测气体样本中的离子的方法。
具体实施方式
29.图1a至图1c在上述背景技术部分中进行了描述。
30.图2是示出了制造离子过滤器的方法中的各阶段的流程图，该方法解决了本领域中已知方法的一些缺点。图3a至图3e示出了图2方法的每个阶段。在如图2所示的第一步骤s300中，提供支撑件，并且这在图3a中例示。所述支撑件包括夹在两个导电层102、104之间的绝缘层100。可以使用标准技术将每个导电层102、104黏合到支撑层100的相对面。绝缘层100可以由或其它绝缘材料形成，并且可以足够厚和/或坚硬，以用作其它部件的支撑层。导电层102、104可以由半导体材料和/或金属形成。导电层102、104中的每一个导电层的厚度可以在1微米至10微米之间。
31.回到图2，第二步骤s302是形成穿过支撑件的孔口。可以通过蚀刻，例如深反应离子蚀刻(deep reactive ion etching，drie)和/或化学蚀刻或钻孔形成孔口106。作为在黏合过程之后在支撑层100中蚀刻孔口106的替代，可以在将绝缘层100黏合到每个导电层102、104之前在绝缘层100中预先形成孔口。在这种布置中，每个导电层102、104可以是框架状的，并且具有与绝缘层100中的孔口对齐的孔口。替代性地，绝缘层100可以以期望形状(例如具有孔口的框架状)沉积在一个导电层上，然后也具有期望形状的第二导电层可以黏合到相对面上。应当理解，步骤s300和步骤s302可以组合成单个步骤，在该单个步骤中提供具有孔口的支撑件。
32.第二步骤的结果在图3b中例示，图3b示出了穿过绝缘层100和两个导电层102、104中的每一个导电层形成的孔口106。如该布置所示，孔口106位于中心。
33.在图2所示的第三步骤s304中，在两个导电层102、104中形成电连接。可以通过蚀刻(例如深反应离子蚀刻(drie))形成该电连接。在一个导电层中(如图3c例示为下导电层)中形成电极极板110。蚀刻相对的导电层，以形成围绕孔口的框架108。蚀刻穿过框架108的多个过孔112，以在每个电极极板110与尚未形成的对应电极之间形成连接。过孔112可以涂布有金。
34.回到图2，下一步骤s306是使用任意合适的附接过程(例如黏合)来附接电极层114。如图3d所示，电极层114在孔口上延伸并覆盖该孔口。电极层114还延伸超过孔口的边缘，并且电极层114的至少一部分(例如，与电极层的边缘相邻的部分)接触并且因此与框架108的至少一部分重叠。电极层114可以由导电材料(例如半导体材料或金属)形成。电极层114的厚度可以在1微米至10微米之间。
35.如图2所示，最后一个步骤s308是在电极层114中形成一个或多个电极。与前面的步骤相反，不使用蚀刻而是使用切割(dice)来形成单独的电极。应当理解，重要的是，在切割步骤之前进行附接步骤。否则，当电极彼此物理分开时，它们将实际上从器件上脱落。
36.如图3e例示，存在大体上彼此平行的多个单独的电极116。在相邻的电极116对之间形成离子通道11，因此也存在多个平行的离子通道11。为了确保离子可以穿过每个离子通道11并且经由孔口106到达探测器，切割步骤一直切割穿过电极层，以形成单独的物理分开的电极116。如图3e所示，切割层也可以切割穿过电极层与支撑层之间的导电层。这形成凹部122，以使导电层中的每个电连接120分开。凹部122也可以部分地延伸到支撑层100中。使电极分开的离子通道和使用分开的电连接的组合意味着每个电极有效地与其它电极电隔离。
37.图3e因此例示了通过该方法形成的离子过滤器。离子过滤器包括支撑层100，该支撑层100包括孔口106。还存在电极层，该电极层包括由多个离子通道11分开的多个平行电
极116。每个电极在物理上和机械上彼此分开，即，在各电极之间没有直接的机械连接。每个离子通道11跨越孔口并具有深度d(可以替代性地称为长度)和宽度w。作为说明性示例，每个离子通道的宽度可以在10微米至50微米之间。每个离子通道的纵横比(即，深度与宽度之比)可以是至少10:1。利用切割作为形成电极的方法允许创建具有这种高纵横比的离子通道。
38.每个电极116的相对端安装在支撑层100与电极层之间的第一导电层上的电连接上。电连接120、121可以是成对的，在电极116的每一端各有一个。相邻的电极连接彼此分开，以确保在电极之间没有电连接。过孔从电连接穿过支撑层100延伸到支撑层100的与第一导电层相对的面上的第二导电层中的电极极板110。电极极板提供到设置电极电压的驱动电路(未示出)的连接。每个电极处于与其相邻的一个或多个电极不同的电位。
39.每个电极的电位可以是单独可控的。离子通道建立在相邻的电极对之间。通过适当选择电极对中的每个电极上的电位，可以在每个离子通道中建立不同的电场。例如，可以在第一离子通道中建立第一电场，并且该电场可以适于允许离子通过离子通道到达探测器。可以在与第一离子通道相邻的第二离子通道中建立不同于第一电场的第二电场。替代性地，电极可以被连接，以形成以相同电位驱动的电极组。例如，多个电极可以被认为形成第一电极部，并且与该第一电极部中的每个电极相邻(或在这些电极之间)的电极可以被认为形成第二电极部。第一电极部可以是正的，第二电极部可以是负的(反之亦然)。在这种布置中，利用第一电极部和第二电极部形成的每个离子通道将具有相同的电场。应当理解，可以存在多个电极部，以允许固定数量的不同电场。
40.在该说明性布置中，存在九个电极116和八个离子通道。例如，当所有通道具有相同电场时，第一电极、第三电极、第五电极、第七电极和第九电极中的每一个可以形成第一电极部的一部分，并且在如图所示的器件的前部的一端具有第一电连接121，并且在相对端具有第二电连接120。第二电极、第四电极、第六电极和第八电极可以形成第二电极部的一部分，并且在如图所示的器件的后部的一端具有第一电连接121，并且在相对端具有第二电连接120。因此，如图所示，第一电极部中的每个电极的第一电连接与第二电极部中的每个电极的第二电连接交错，反之亦然。替代性地，九个电极中的每一个电极可在一端具有分开的电连接121，并且在相对端具有分开的电连接120，由此，每个电极上的电位是单独可控的。应当理解，这仅仅是说明性的布置，并且可以使用任意数量的通道和电极以及在每个电极上实现所需电位的任何电连接。
41.上述离子过滤器可以结合到谱系统中，例如，结合到场非对称离子迁移系统(faims)中。如图4a示意性所示，谱系统包括驱动信号系统230，该驱动信号系统230设置离子过滤器200中的每个电极的电位。驱动信号系统230将振荡电场与dc电压一起施加到每个离子通道。振荡电场包括具有低压脉冲持续时间t(s)和高压脉冲持续时间τ(s)的可变高压非对称波形，并且施加峰值电压v
d
，以创建v
d
/g(kvcm
‑1)的可变场。离子过滤器(也称为分离器)内的每个离子的迁移率在低场迁移率k0和高场迁移率k
e
之间振荡，并且高场迁移率与低场迁移率之间的差称为δk。不同化学物质的离子将具有不同的δk值，并且离子采用通过离子过滤器的净纵向漂移路径长度(d
h
‑
d
t
)，该净纵向漂移路径长度(d
h
‑
d
t
)由离子的高场和低场漂移速度(v
d(h)
和v
d(t)
)以及高场和低场脉冲持续时间确定。dc电压是偏置dc“调谐电压”(v
c
)，该偏置dc“调谐电压”使得能够对峰值电压v
d
进行精细调节，以抵消特定δk的离子
所经历的漂移。只有处于“平衡”状态的离子才会从离子过滤器中的每个通道离开并被离子探测器210探测到。
42.来自探测器210的输出被发送到处理器220，该处理器220可以是本地的(即在离子过滤器内)或远程的(即在单独的计算机/服务器中)。处理器适于提取有助于离子的化学探测、识别、分类和/或量化的数值参数。例如，处理器可以被配置成生成如图4b所示的输出，在图4b中，探测器处的离子电流的测量被描绘为由非对称波形产生的被称为分散场e
d
(kvcm
‑1)的施加电场和由dc电压产生的被称为补偿场e
c
(kvcm
‑1)的施加电场的函数。谱输出可以替代性地呈现为m个补偿场和n个分散场设置下的离子电流测量的m
×
n矩阵。然后，从处理器输出的图形可以与在相同条件下收集的已知图形匹配，以探测和识别特定化学物质。
43.图5示出了使用图4a的谱系统探测气体样本中的离子的方法。该方法特别适合于在离子浓度高到足以使探测器电位饱和时探测离子。该系统包括多个离子通道，其中，多个离子通道中的每一个离子通道由一对电极限定。在步骤s500中，在至少第一离子通道中创建第一电场。该电场适于允许离子通过离子通道到达探测器，并且可以在选定数量的离子通道(例如在一个至n
‑
1个通道之间，其中n是通道的数量)中创建。在步骤s502中，通过将不同的电压组合施加到形成一个或多个第二离子通道的电极，在至少第二离子通道中同时创建不同于第一电场的第二电场。该电场可以在不处于第一电场的剩余离子通道中创建。
44.替代性地，如可选的步骤s504所示，可在一些剩余的离子通道中创建另外的不同电场。例如，参考图3e的过滤布置，可在第一电极与第二电极之间以及第八电极与第九电极之间创建第一电场，可在第二电极与第三电极之间以及第七电极与第八电极之间创建第二电场。在剩余电极之间可以创建第三电场。应当理解，这仅仅是可以使用的布置的说明。
45.在步骤s504中，电离器电离气体样本。在步骤s506中，离子过滤器过滤气体样本。在此，包括由电离器生成的感兴趣的离子(例如，目标化学物质的离子)的气流的第一部分通过第一离子通道，气流的第二部分通过第二离子通道。第一离子通道以正常方式过滤离子，但第二离子通道中的电场阻止离子穿过第二离子通道。使用第二离子通道来阻止离子穿过它使得能够减少离开离子过滤器的离子的总数，因此减少了由探测器探测到的离子的数量。这在离子浓度由于环境浓度水平的变化而增加到否则可能导致探测器信号变得饱和的程度的情况下是特别有用的。应当理解，使用更多的电场可以允许进一步调节离子的浓度。例如，由电离器生成的一些离子可以穿过第一离子通道，但不穿过第二离子通道并且被第三离子通道部分地吸收。换言之，可以调节一些离子通道，以允许减少感兴趣的离子的传输，而不是完全阻挡它们。
46.在该实施例中，被配置成使得离子能够穿过到达探测器的离子通道的数量可以在离子过滤器中存在的离子通道的总数中的一个与所有之间变化。该数量可以根据探测器测量的离子强度的水平而变化，使得当离子强度达到预设阈值水平时，驱动信号系统改变使得能够允许离子完全或部分传输的离子通道的数量。
47.尽管已经示出和描述了本发明的一些优选实施例，但是本领域技术人员将理解，在不偏离如所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下，可以进行各种改变和修改。
48.本说明书(包括任意所附权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征和/或如此公开的任意方法或过程的所有步骤可以以任何组合方式组合，除了其中至少一些这样的特征
和/或步骤相互排斥的组合。
49.除非另外明确说明，否则本说明书(包括任意所附权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由用于相同、等同或类似目的替代特征来替换。因此，除非另外明确说明，否则所公开的每个特征仅是一系列一般性等同或类似特征的一个示例。
50.本发明不局限于前述实施例的细节。本发明延及本说明书(包括任意所附权利要求、摘要和附图)中公开的特征的任意新颖的特征或任意新颖的组合，或者延及如此公开的任意方法或过程的步骤的任意新颖步骤或任意新颖的组合。