一种基于叠层结构的质谱仪

1.本发明涉及质谱仪器领域，特别是涉及一种基于叠层结构的小型质谱仪，以及一种将离子光学器件和真空腔体融合为一体的质谱仪。


背景技术：

2.质谱仪是一种可以测定物质成份组成的生化分析仪器，其通过构建特定的电磁场去操纵待测样品离子的运动轨迹，并将不同质荷比的离子在时间或者空间上进行分离，最终依次进行检测得到可以反映待测样品组份的质谱图。
3.除了必要的电源、测控电路系统和数据处理系统之外，一个典型的质谱仪最核心的部件主要包括进样装置、电离装置、质量分析器、检测器以及真空系统。进样系统用于将气态样品分子从大气环境传输至真空环境，既需要保证样品分子有足够高的传输效率，又要限制不必要的环境气体进入真空环境。常见的质谱进样系统有膜进样、毛细管进样、真空锥进样和基于电磁夹管阀的非连续大气压接口进样等方式。电离装置可以将中性的样品分子电离成带电的样品离子，根据待测样品的原始形态和是否会产生碎片离子，可以将电离装置分成多个类别，应用于不同类型的质谱仪器上。常见的电离装置有电子电离源、化学电离源、电喷雾电离源、大气压化学电离源、基质辅助激光解吸电离源，以及各种基于等离子体的电离源等。质量分析器是最重要的质谱器件，通过构建特定的电磁场控制离子的运动轨迹，并将不同质荷比的离子进行分离，并依次传输至下游的检测器进行检测。常见的质量分析器有磁扇形质量分析器、四极杆质量分析器、离子阱质量分析器、飞行时间质量分析器、傅里叶变换离子回旋共振质量分析器和轨道阱质量分析器等。检测器的主要作用是将经过分离的离子转换成电信号，然后经检测电路处理后传输至数据处理系统进行数据处理和分析。常见的检测器有法拉第筒检测器、电子倍增检测器和微通道板检测器等。法拉第筒检测器具有结构简单、成本低、无需特殊材料、不受工作气压的影响等诸多优点，非常适合用于小型质谱仪器。
4.传统的离子光学器件通常都是异质异构的设计，即使用多种材料和多种复杂的结构，难以实现加工工艺的统一，因而集成度很低。通常，只能通过基本零件的组装实现一个一个的子部件，再由子部件组装成更大的部件。这种基于传统机械加工的方式在仪器的小型化上存在比较明显的瓶颈，难以实现高集成度、复杂系统的大批量平行制造。真空系统主要由真空泵、真空腔体、真空规等组成，其基本作用是为上述各离子光学器件提供合适的工作气压。通常情况真空腔体由铝合金或不锈钢材料制成，既用于容纳各个离子光学器件，也用于承担整机的骨架结构。为了便于离子光学器件的拆装和日常的维护，真空腔体既需要增加额外的冗余设计，又需要增加额外的操作空间，因而进一步增加了真空腔体的结构复杂程度，以及体积和重量，从而直接增加了真空腔体的制造成本。在传统质谱仪中，真空腔体在体积、重量、成本等方面在整机中的占比极高，解决现有真空腔体存在的上述问题对质谱仪器的小型化影响重大。
5.离子光学器件是质谱仪最核心的部分，然而各离子光学器件的功能、机械结构，以
及优选的工作条件差别比较大，传统质谱仪器中的离子光学器件通常都是各自使用了不同的材料和结构设计，并且独立进行设计和安装。这在很大程度上，造成了现有质谱仪器的结构比较复杂，器件的加工难度和制造成本都很高，最终使得整个仪器体积大、重量重、成本高，极其不利于实现小型化或微型化的质谱仪器。特别是为了提高仪器的可维护性和便于器件的拆装，在真空腔体中增加了很多冗余设计，由此造成真空腔体在体积、重量、成本等方面的占比极高。
6.程玉鹏等人在中国专利cn102163531b中公开了一种基于mems工艺的平板线型离子阱质量分析器及其制作方法，该专利仅针对离子聚焦装置、离子阱质量分析器和法拉第检测器等离子光学器件的集成制造，未考虑真空腔体和离子光学装置的融合，同时也未提及进样装置和离子源，因此该技术仍存在集成度不够高、批量生产困难以及加工成本高等问题。
7.carl b.freidhoff在美国专利us7402799b2中公开了一种mems质谱仪公开了一种分析气态样品的mems质谱仪，该专利使用金属墙壁结构构建的腔体仅用于功能区域的分隔，未提及可用作真空腔体，而且其采用的焊接方式也难以实现真空腔体的密封要求。另外，其也未将离子光学器件和腔体进行融合设计和制作。
8.综上所述，现有的质谱技术并没有彻底解决离子光学器件集成度低和制造成本高的问题，也没有将离子光学器件和真空腔体进行融合设计和制造。针对于此，本发明公开的一种基于叠层结构的质谱仪很好地解决了上述问题，便于质谱仪器的小型化和微型化，而且易于实现批量平行制造，降低加工成本。


技术实现要素：

9.为了解决传统质谱仪器中离子光学器件的异质异构、集成度低，以及真空腔体中存在的结构复杂、设计冗余、笨重庞大等问题，本发明提出了一种基于平板叠层结构的质谱仪，该质谱仪将真空腔体和离子光学器件融合为一体，极大提高了质谱仪器集成度，便于批量化平行制造，同时降低了加工成本，可广泛用于多种类型的小型质谱仪器的设计和制造。
10.为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
11.一种基于叠层结构的质谱仪，包括进样装置、电离装置、质量分析器、检测器和真空腔体；
12.所述真空腔体由第一基板和第二基板堆叠而成；
13.所述进样装置、电离装置、质量分析器、检测器中的一个或多个的一个或多个电极在所述基板上制作完成。
14.进一步地，所述第一基板或第二基板上设置有凹槽，所述第一基板和第二基板堆叠形成所述真空腔体。
15.进一步地，所述第一基板和第二基板之间设有中间支撑层；所述中间支撑层为中空的框架，所述第一基板、中间支撑层和第二基板堆叠形成真空腔体。
16.进一步地，所述进样装置设置在所述第一基板或第二基板。
17.进一步地，所述进样装置设置在所述中间支撑层上。
18.进一步地，所述第一基板或第二基板上设有至少一个抽气孔。
19.进一步地，所述中间支撑层设有至少一个隔断；所述隔断上设有限流口；所述隔断
将所述真空腔体分成多个子腔体，并通过限流口连通相邻子腔体；所述各个子腔体的气压不同。
20.进一步地，所述第一基板和第二基板的材质为玻璃、硅片、陶瓷、高分子聚合物、金属或金属合金中的任意一种；所述玻璃为硼硅玻璃。
21.进一步地，所述中间支撑层的材质为玻璃、硅片、陶瓷、高分子聚合物、金属或金属合金中的任意一种。
22.进一步地，所述第一基板和第二基板的连接方式为键合、胶黏、焊接、机械固定中的任意一种。
23.进一步地，所述第一基板和第二基板，第一基板和中间支撑层以及第二基板和中间支撑层的连接方式为键合、胶黏、焊接、机械固定中的任意一种。
24.进一步地，所述进样装置为膜进样装置、限流微孔进样装置或微通道进样装置中的任意一种或多种的组合。
25.进一步地，所述限流微孔进样装置或微通道进样装置设置在所述第一基板或所述第二基板上。
26.进一步地，所述限流微孔进样装置或微通道进样装置设置在所述第一基板或所述第二基板或所述中间支撑层上。
27.进一步地，所述限流微孔进样装置包括若干限流微孔；所述限流微孔的最小尺寸范围为：1μm～10μm、10μm～20μm、20μm～30μm、 30μm～40μm、40μm～50μm、50μm～60μm、60μm～70μm、 70μm～80μm、80μm～90μm、90μm～100μm、100μm～1000μm中的任意一种。
28.进一步地，所述微通道进样装置包括若干微通道；所述微通道的最小尺寸范围为：1μm～10μm、10μm～20μm、20μm～30μm、30μm～40μm、 40μm～50μm、50μm～60μm、60μm～70μm、70μm～80μm、 80μm～90μm、90μm～100μm、100μm～1000μm中的任意一种。
29.进一步地，所述电离装置为冷阴极电子电离源、光电离源、等离子体电离源以及电喷雾电离源中的任意一种或多种的组合。
30.进一步地，所述质量分析器为离子阱、四极杆、飞行时间、磁扇形、静电阱和wien滤质器中的任意一种或多种的组合。
31.进一步地，所述检测器为法拉第筒检测器、电子倍增检测器、微通道板检测器中的任意一种或多种的组合。
32.进一步地，所述真空腔体连接有真空泵；
33.所述真空泵为旋片泵、隔膜泵、涡旋泵、涡轮分子泵、离子泵、吸气剂泵中的任意一种或多种的组合。
34.进一步地，所述真空腔体的内部压强范围为《10-4
pa、10-4
pa～10-3
pa、10-3
pa～10-2
pa、10-2
pa～10-1
pa、10-1
pa～101pa、101pa～102pa中的任意一种。
35.进一步地，所述电极采用mems加工工艺、3d打印快速成型工艺、pcb 加工工艺、机械加工工艺中的任意一种或多种的组合在所述基板上制作而成。
36.进一步地，所述真空腔体通过tgv、tsv、pcb盲孔方式中的一种或组合实现所述电极与真空腔体外部电路系统的电气连接。
37.进一步地，所述进样装置，电离装置，质量分析器，检测器中的至少一个包含若干重复单元。
38.和现有技术相比，本发明的优点为：
39.本发明解决了离子光学器件的异质异构、集成度低的问题，并将真空腔体与离子光学器件进行融合，解决了现有真空腔体的结构复杂、冗余设计、笨重庞大等问题。本发明所述的质谱仪结构简单，消除了冗余设计，极大减小了仪器的体积和重量，有利于仪器的小型化，便于大批量平行制造，大大降低了制造成本。
附图说明
40.图1是本发明中基于叠层结构的质谱仪的结构示意图；
41.图2是本发明中真空腔体的结构示意图；
42.图3是本发明中真空腔体的爆炸结构示意图；
43.图4是本发明中中间支撑层上的结构示意图；
44.图5a是本发明中离子阱质量分析器的优选结构一的截面剖视图；
45.图5b是图5a中的离子阱质量分析器的四极场等势线的示意图；
46.图6a是本发明中离子阱质量分析器优选结构二的截面剖视图；
47.图6b是图6a中的离子阱质量分析器的四极场等势线的示意图；
48.图7a是图5a中离子阱质量分析器的阵列结构示意图；
49.图7b是图6a中离子阱质量分析器的阵列结构示意图；
50.图8是具有双腔体的真空腔体的结构示意图；
51.图9是三腔体的真空腔体的结构示意图；
52.图10是两层基板构成的真空腔体的结构示意图；
53.图11是图10中真空腔体的截面剖视图。
54.其中：
55.100、真空腔体，101、第一基板，102、第二基板，103、中间支撑层， 104、进样装置，104a、限流微孔进样装置，104b、微通道进样装置，105、电离装置，106、质量分析器，107、检测器，108、抽气孔，109、真空泵， 110、密封面，111、腔体一，112、腔体二，113、腔体三，201、电极一， 202、电极二，203、电极三，204、tgv引线，205、外部电极。
具体实施方式
56.下面结合附图对本发明做进一步说明：
57.实施例一
58.如图1所示的一种基于叠层结构的质谱仪，包括进样装置104、电离装置 105、质量分析器106、检测器107和真空腔体100。所述真空腔体100由第一基板101和第二基板102堆叠而成。所述进样装置104或电离装置105或所述质量分析器106或所述检测器107中至少一个电极在所述第一基板101 或第二基板102上制作而成。
59.所述电极采用mems加工工艺、3d打印快速成型工艺、pcb加工工艺、机械加工工艺中的任意一种或多种的组合在所述基板上制作而成。 mems全称为micro-electro-mechanical system，即微机电系统，是在微电子技术基础发展起来的，融合了光刻、腐蚀、薄膜、liga、硅微加工、非硅微加工和机密机械加工等技术制造的电子机械器件。
60.进样装置104用于将气态样品分子从大气环境传输至真空环境，既需要保证样品
分子有足够高的传输效率，又要限制不必要的环境气体进入真空环境。所述进样装置104为膜进样装置、限流微孔进样装置或微通道进样装置中的任意一种或多种的组合，也可以采用其他结构形式的进样装置。
61.电离装置105用于将中性的样品分子电离成带电的样品离子。电离装置 105是一种可以将中性分子电离为离子的装置，参与电离过程的能量有多种形式，包括电磁能、热能、光能、化学能等。优选地，所述电离装置105为场发射电子电离源。场发射电子电离源是一种通过增强电极尖端电场强度，从而可以常温进行电子发射的装置，发射出来的电子通过电场的加速可以进一步用于电离样品分子。场发射电子电离源主要包括电子发射阴极和对电极阳极。通常对电极阳极为开孔或者筛网电极，便于发射出来的电子有比较高的穿透效率。电子发射阴极可以由微针电极阵列、碳纳米管薄膜、碳纳米颗粒等结构实现。场发射电离装置具有易于微型化制造、兼容mems工艺、易于和叠层结构集成、电离效率高、工作寿命长等诸多优点。所述电离装置105 也可以是热致发射电子电离源、光电离源、等离子体电离源、电喷雾电离源中的一种。
62.质量分析器106是最重要的质谱器件，通过构建特定的电磁场控制离子的运动轨迹，并将不同质荷比的离子进行分离，并依次传输至下游的检测器 107进行检测。所述质量分析器106为离子阱、四极杆、飞行时间、磁扇形、静电阱和wien滤质器中的任意一种或多种的组合。优选地，所述质量分析器 106为离子阱质量分析器。离子阱质量分析器主要是通过构建四极场来囚禁离子，通过调整工作电压参数来改变不同质荷比离子轨迹的稳定性，由此将离子依次逐出阱外进行检测。四极场的构建方式是影响离子阱质量分析器性能的最主要因素。理论上，理想的四极场是通过在两组正交放置的双面曲电极上施加等幅反相射频电压来实现。然而，双面电极加工困难，成本高，不适于小型化质谱仪器，因此通常使用圆杆、方杆等电极来实现近似的四极场。
63.检测器107的主要作用是将经过分离的离子转换成电信号，然后经检测电路处理后传输至数据处理系统进行数据处理和分析。所述检测器107为法拉第筒检测器、电子倍增检测器、微通道板检测器中的任意一种或多种的组合。经过质量分析器106分离后的离子依次被检测器107接收和检测。优选地，所述检测器107为法拉第筒检测器。法拉第筒检测器结构简单，兼容 mems工艺，不受工作气压限制，不需要高压电源，可以保证较高的检测灵敏度。可选地，所述检测器107也可以是电子倍增检测器、微通道板检测器中的一种或组合。
64.在本实施方式中，如图1和图2所示，所述两层基板分别为第一基板101 和第二基板102。所述第一基板101和第二基板102之间设有中间支撑层 103；所述中间支撑层103为中空的框架，所述第一基板101、中间支撑层 103和第二基板102围成真空腔体。位于第一基板101和第二基板102上的电极在所述真空腔体的内部空间中形成了电离装置105、质量分析器106和检测器107各自的电场区域。
65.进一步的，所述第一基板101和中间支撑层103以及第二基板102与中间支撑层103的连接方式为键合、胶黏、焊接、机械固定中的任意一种或多种的组合。所述第一基板101和第二基板102与中间支撑层103的接触面为密封面110；所述第一基板101和第二基板102在所述密封面110处与中间支撑层103进行真空密接。
66.所述第一基板101、中间支撑层103和第二基板102采用阳极键合技术、金硅共熔键合技术、胶黏、焊接或机械固定中任意一种方式进行真空密封和连接。
67.密封面100的密封性能对真空腔体最终能实现的真空度至关重要。优选地，所述密封面110的密接方式为玻璃和硅的阳极键合，前期测试结果证实采用阳极键合的真空密封的漏率小于9.5
×
10-9
pa
·
m-3
/s。另外，由于阳极键合不使用额外的密封剂，同时玻璃和硅在真空环境中都具有极低的气体释放速率，所以基于阳极键合的真空密封具有极佳的长期稳定性，优于传统基于橡胶圈的密封方式。可选地，所述密封面110的密封方式也可以是阳极键合之外的其他键合技术，比如金硅共熔键合，以及胶黏、焊接或机械固定等其他真空密封方式。
68.进一步地，所述进样装置104设置在所述第一基板101或第二基板102 或中间支撑层103上。
69.所述进样装置采用如图3所示的限流微孔进样装置或者如图4所示的微通道进样装置。所述限流微孔进样装置104a设置在第一基板101上。所述微通道进样装置104b设置在所述中间支撑层103上。所述限流微孔进样装置 104a的另一个实施例是由多个限流微孔组成；所述微通道进样装置104b的另一个实施例是由多个微通道组成；这样的好处是可以防止堵塞影响可靠性。微孔和微通道尺寸的选择主要取决于真空腔体的预期工作气压和气态样品的进样速率。样品进样速率直接影响了可供分析的样品量大小，所以直接影响了仪器的灵敏度。
70.所述微孔进样装置104a的孔直径以及微通道进样装置104b的通道截面尺寸(深度或宽度)的最小值为以下范围中的一个或组合：1)1μm
‑ꢀ
10μm；2)10μm-20μm；3)20μm-30μm；4)30μm-40μm；5)40μm
‑ꢀ
50μm；6)50μm-60μm；7)60μm-70μm；8)70μm-80μm；9)80μm
‑ꢀ
90μm；10)90μm-100μm；11)100μm-1000μm。
71.进一步地，所述第二基板102上设有抽气孔108。所述抽气孔108连接有真空泵109。
72.预期工作气压主要和离子源、质量分析器和检测器等离子光学器件的优化工作气压有关，从而使其工作性能达到最佳。明显地，在样品进样速率确定的情况下，预期工作气压越低所述微孔直接或微通道截面尺寸也越小。优选地，真空腔体100的预期工作气压为以下范围中的一个或组合：1)《10-4
pa；2)10-4
pa-10-3
pa；3)10-3
pa-10-2
pa；4)10-2
pa-10-1
pa；5)10-1
pa-101pa； 6)101pa-102pa。为了满足预期工作气压的要求，所述真空泵为旋片泵、隔膜泵、涡旋泵、涡轮分子泵、离子泵、吸气剂泵中的任意一种或多种的组合。
73.进一步地，所述基板的材质为玻璃、硅片、陶瓷、高分子聚合物、金属或金属合金中的任意一种；优选地，所述玻璃为硼硅玻璃。
74.进一步地，所述中间支撑层103的材质为玻璃、硅片、陶瓷、高分子聚合物、金属或金属合金中的任意一种。
75.进一步地，所述真空腔体通过tgv、tsv、pcb盲孔等方式中的一种或组合实现所述电极与真空腔体外部电路系统的连接。tgv全称为through glass via，即玻璃通孔技术，通过在玻璃基板上进行深孔形成和导电物质的填充实现垂直电气互连，是一种先进的三维集成电路技术，其可实现数据中心、5g通信网络和iot设备等各种市场的设备小型化，以及高密度封装和 ghz速度的数据处理。tsv全称为through silicon via，即硅通孔技术。它是通过在芯片和芯片之间、晶圆和晶圆之间制作垂直导通；tsv技术通过铜、钨、多晶硅等导电物质的填充，实现硅通孔的垂直电气互连，实现芯片之间互连的最新技术。pcb全称为printed circuit board，即印制电路板，又称印刷线路板，是重要的电子部件，是电子元器件的支撑
体，也是电子元器件电气互连的载体。
76.具体地说，所述第一基板101和第二基板102上开设有通孔或盲孔。所述通孔采用tgv技术或tsv技术实现。所述盲孔采用pcb技术实现。所述真空腔体通过所述通孔或所述盲孔实现所述电极与所述真空腔体外部的电路系统的连接。
77.为了适应叠层结构的加工工艺，本发明提出了两种基于叠层结构的离子阱质量分析器。图5a和图5b分别示出了基于叠层结构的离子阱质量分析器的优选结构一的截面示意图和四极场等势图。通过金属镀膜的方式在第一基板101和第二基板102分别设置有离子阱质量分析器的电极一201、电极二 202和电极三203，其中电极一201和电极三203上施加相同的射频电压，且与电极二202上施加的射频电压有相同的幅值和频率，而相位相反。通过扫描射频电压的幅值或者频率是相应地改变离子阱质量分析器内不同质荷比离子运动轨迹的稳定性，从而将离子按次序逐出离子阱质量分析器。
78.为了进一步提高离子扫描的性能，还可以在射频电压上耦合特定频率的交流电压，当扫描射频电压时离子的运动频率恰好和交流电压的频率一致，从而引起离子的共振激发，最终将离子逐出离子阱质量分析器外部。真空馈穿件可以在不破坏真空的情况下实现真空腔体内外的电气连接。本发明通过 tgv技术在第一基板、第二基板上设置有多个可以连接真空腔体内外电极的 tgv引线204，比如电极一201通过tgv引线204和外部电极205进行电气连接，而不影响真空腔体的真空度。外部电极205和相应的电路进行连接。
79.图6a和图6b分别示出了基于叠层结构的离子阱质量分析器的优选结构二的截面示意图和四极场等势图。与优选结构一不同的是，电极一和电极三为硅电极通过阳极键合设置在第一基板101、第二基板102上。为了增强导电性，所述硅电极为重掺杂硅。类似地，电极一201和电极三203施加相同的射频电压，且和电极二202上的射频电压幅值和频率相同，而相位相反。同样地，内部的电极通过tgv引线204连接到外部电极205，比如内部的电极一201通过tgv引线204连接到外部电极205。相比于优选结构一，优选结构二可以通过优化电极一201和电极三203的厚度来实现更好的四极场，同时降低表面电荷的影响。
80.进一步地，为了提高离子容量，降低空间电荷效应，所述离子阱质量分析器可以是阵列结构。如图7a和图7b所示，分别展示了优选结构一(a)和优选结构二(b)的阵列结构示意图。
81.本发明的工作原理为：
82.气态样品分子随着环境气体经设置在第一基板101上的进样装置104进入真空腔体100，一部分样品分子和大部分环境气体经第二基板102上的抽气孔108被真空泵109抽走，另一部分样品分子在电离装置105处被电离后形成样品离子。
83.样品离子在质量分析器106处受到电/磁场的作用，依据质荷比的不同在空间或时间上被分离开，然后被检测器107检测到形成可被进一步处理的电信号，并最终被数据处理系统处理后得到质谱图。
84.实施例二
85.在本实施方式中，如图10和图11所示，所述真空腔体包括第一基板101 和第二基板102。所述第一基板101上设有凹槽一，所述第二基板102上设有与凹槽一相对应的凹槽二；所述第一基板101和第二基板102围成真空腔体。。第一基板101上设置有微孔进样装置，用于将气态样品引入真空腔体 100，第二基板102设置有抽气孔108，用于连接真空泵109。
相比而言，双层结构的实施例结构更简单，制作成本更低。
86.其它同实施例一。
87.实施例三
88.在本实施方式中，所述中间支撑层103设有至少一个隔段；所述隔段上设有限流口；所述隔段将所述真空腔体分成多个子腔体；所述第二基板102 上设有多个抽气孔，所述子腔体中的至少一个对应至少一个抽气孔，一个子腔体对应多个抽气孔有利于提高抽气的效率；各个子腔体的气压不同。除图1 所示的单腔体结构外，所述的真空腔体还可以采用如图8所示的两腔体或如图9所示的三腔体。多腔体结构有利于优化和兼顾不同离子光学器件的工作气压，提高最终的灵敏度和分辨率等性能。
89.如图8所示的双真空腔体结构，其基本结构由第一基板101、第二基板 102和中间支撑层103组成。所述中间支撑层103设置有隔板以及连通两个腔体的限流口，两个腔体分别为腔体一111和腔体二112。第二基板102上设置有两个抽气孔，分别对应腔体一111和腔体二112。两个抽气孔分别连接抽取速率不同的真空泵上。腔体二112对应抽气孔108b，连接在抽气速率更高或极限真空更优的真空泵上，因此腔体二112内的气压低于腔体一111内的气压。第一基板101上设置有微孔进样装置104，对应于腔体二112。优选地，所述离子源位于腔体一101内，所述质量分析器106和检测器107位于腔体二112内。
90.进一步地，所述真空腔体100还可以是如图9所示的由第一基板101、第二基板102和中间支撑层103组成的三腔体结构，三个分腔分别为腔体一 111、腔体二112和腔体三113。所述中间支撑层303设置有隔段以及连通相邻分腔的限流口。第二基板102上设置有三个抽气孔108a、108b和108c，分别对应三个腔体111、112和113。所述三个抽气孔分别连接不同的真空泵，正常情况下三个腔体的气压关系为：腔体一111》腔体二112》腔体三113。第一基板101上设置有微孔进样装置104，对应腔体一111。优选地，所述离子源位于腔体一111或腔体二112内，质量分析器106和检测器107位于腔体三113内。
91.其它同实施例一。
92.综上所述，本发明所述的基于叠层结构的质谱仪，将离子光学器件和真空腔体融为一体，有效提高了质谱仪的集成度，便于实现质谱仪的小型化，尤其适用于mems和pcb加工工艺。本发明不仅极大降低了加工难度和制造成本，还显著提高了质谱仪的批量制造能力。
93.以上所述实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种基于叠层结构的质谱仪，其特征在于，包括进样装置、电离装置、质量分析器、检测器和真空腔体；所述真空腔体由第一基板和第二基板堆叠而成；所述进样装置、电离装置、质量分析器、检测器中的一个或多个的一个或多个电极在所述基板上制作完成。2.根据权利要求1所述的基于叠层结构的质谱仪，其特征在于，所述第一基板或第二基板上设置有凹槽，所述第一基板和第二基板堆叠形成所述真空腔体。3.根据权利要求1所述的基于叠层结构的质谱仪，其特征在于，所述第一基板和第二基板之间设有中间支撑层；所述中间支撑层为中空的框架，所述第一基板、中间支撑层和第二基板堆叠形成真空腔体。4.根据权利要求1所述的基于叠层结构的质谱仪，其特征在于，所述进样装置设置在所述第一基板或第二基板。5.根据权利要求3所述的基于叠层结构的质谱仪，其特征在于，所述进样装置设置在所述中间支撑层上。6.根据权利要求1所述的基于叠层结构的质谱仪，其特征在于，所述第一基板或第二基板上设有至少一个抽气孔。7.根据权利要求3所述的基于叠层结构的质谱仪，其特征在于，所述中间支撑层设有至少一个隔断；所述隔断上设有限流口；所述隔断将所述真空腔体分成多个子腔体，并通过限流口连通相邻子腔体；所述各个子腔体的气压不同。8.根据权利要求1所述的基于叠层结构的质谱仪，其特征在于，所述第一基板和第二基板的材质为玻璃、硅片、陶瓷、高分子聚合物、金属或金属合金中的任意一种；所述玻璃为硼硅玻璃。9.根据权利要求3所述的基于叠层结构的质谱仪，其特征在于，所述中间支撑层的材质为玻璃、硅片、陶瓷、高分子聚合物、金属或金属合金中的任意一种。10.根据权利要求2所述的基于叠层结构的质谱仪，其特征在于，所述第一基板和第二基板的连接方式为键合、胶黏、焊接、机械固定中的任意一种。11.根据权利要求3所述的基于叠层结构的质谱仪，其特征在于，所述第一基板和第二基板，第一基板和中间支撑层以及第二基板和中间支撑层的连接方式为键合、胶黏、焊接、机械固定中的任意一种。12.根据权利要求1所述的基于叠层结构的质谱仪，其特征在于，所述进样装置为膜进样装置、限流微孔进样装置或微通道进样装置中的任意一种或多种的组合。13.根据权利要求10所述的基于叠层结构的质谱仪，其特征在于，所述限流微孔进样装置或微通道进样装置设置在所述第一基板或所述第二基板上。14.根据权利要求11所述的基于叠层结构的质谱仪，其特征在于，所述限流微孔进样装置或微通道进样装置设置在所述第一基板或所述第二基板或所述中间支撑层上。15.根据权利要求12所述的基于叠层结构的质谱仪，其特征在于，所述限流微孔进样装置包括若干限流微孔；所述限流微孔的最小尺寸范围为：1μm～10μm、10μm～20μm、20μm～30μm、30μm～40μm、40μm～50μm、50μm～60μm、60μm～70μm、70μm～80μm、80μm～90μm、90μm～100μm、100μm～1000μm中的任意一种。
16.根据权利要求12所述的基于叠层结构的质谱仪，其特征在于，所述微通道进样装置包括若干微通道；所述微通道的最小尺寸范围为：1μm～10μm、10μm～20μm、20μm～30μm、30μm～40μm、40μm～50μm、50μm～60μm、60μm～70μm、70μm～80μm、80μm～90μm、90μm～100μm、100μm～1000μm中的任意一种。17.根据权利要求1所述的基于叠层结构的质谱仪，其特征在于，所述电离装置为冷阴极电子电离源、光电离源、等离子体电离源以及电喷雾电离源中的任意一种或多种的组合。18.根据权利要求1所述的基于叠层结构的质谱仪，其特征在于，所述质量分析器为离子阱、四极杆、飞行时间、磁扇形、静电阱和wien滤质器中的任意一种或多种的组合。19.根据权利要求1所述的基于叠层结构的质谱仪，其特征在于，所述检测器为法拉第筒检测器、电子倍增检测器、微通道板检测器中的任意一种或多种的组合。20.根据权利要求1所述的基于叠层结构的质谱仪，其特征在于，所述真空腔体连接有真空泵；所述真空泵为旋片泵、隔膜泵、涡旋泵、涡轮分子泵、离子泵、吸气剂泵中的任意一种或多种的组合。21.根据权利要求1所述的基于叠层结构的质谱仪，其特征在于，所述真空腔体的内部压强范围为<10-4
pa、10-4
pa～10-3
pa、10-3
pa～10-2
pa、10-2
pa～10-1
pa、10-1
pa～101pa、101pa～102pa中的任意一种。22.根据权利要求1所述的基于叠层结构的质谱仪，其特征在于，所述电极采用mems加工工艺、3d打印快速成型工艺、pcb加工工艺、机械加工工艺中的任意一种或多种的组合在所述基板上制作而成。23.根据权利要求1所述的基于叠层结构的质谱仪，其特征在于，所述真空腔体通过tgv、tsv、pcb盲孔方式中的一种或组合实现所述电极与真空腔体外部电路系统的电气连接。24.根据权利要求1所述的基于叠层结构的质谱仪，其特征在于，所述进样装置，电离装置，质量分析器，检测器中的至少一个包含若干重复单元。

技术总结
本发明涉及一种基于叠层结构的质谱仪，包括进样装置、电离装置、质量分析器、检测器和真空腔体。所述真空腔体由两层基板堆叠而成。所述进样装置或电离装置或所述质量分析器或所述检测器的至少一个电极在所述基板上制作而成。本发明解决了离子光学器件的异质异构、集成度低的问题，并将真空腔体与离子光学器件进行融合，解决了现有真空腔体的结构复杂、冗余设计、笨重庞大等问题。本发明所述的质谱仪结构简单，消除了冗余设计，极大减小了仪器的体积和重量，有利于仪器的小型化，便于大批量平行制造，大大降低了制造成本。大大降低了制造成本。大大降低了制造成本。


技术研发人员：陈池来 程玉鹏 李山 王晗 刘友江 吴章旭
受保护的技术使用者：中国科学院合肥物质科学研究院
技术研发日：2022.09.27
技术公布日：2023/1/6