【発明の詳細な説明】
ソリッドステート型の質量分析器汎用ガス検出センサ
発明の背景 発明の分野
本発明は、ガス検知センサに関し、特に、半導体層上に微細加工を施したソリ
ドステート型の質量分析器に関する。先行技術情報
ガス試料中に存在する分子の量や種類の同定に、近年では種々の装置を利用す
ることが出来る。そのような装置の一つに質量分析計がある。
質量分析計は、ガス試料中に存在する分子の量や種類をそれらの質量を測定す
ることによって同定している。この同定は、少量の試料をイオン化し、これに電
場及び／又は磁場をかけてイオンの電荷量と質量の比を求めることによって行わ
れる。従来の質量分析計は、装置が大きく架台の上に載せて使用する大きさのも
のである。そして従来の質量分析計は、重量があって（１００ポンド、約４５キ
ロ）高価でもある。従来の質量分析計の大きな特長は、それらがどのような環境
でも使用することが出来ることである。
ガス試料中に存在する分子の量や種類の同定に使用される他の装置としては、
ケミカルセンサがある。そのようなセンサは低価格で購入することが出来るが、
個々の測定環境で使用する毎に検定を必要とし、しかも測定出来る化学物質の種
類も限定される。従って、複合した環境下では複数のセンサが必要となる。
従って、どのような環境でも使用でき、低価格のガス検知センサが必要とされ
ている。
発明の概要
上述した要求及び他の要求は発明によって達成され、この発明は半導体質量分
光器に向けられている。この半導体質量分光器は半導体基板上にて実現される。
半導体基板にはマイクロ加工によりキャビティが形成され、このキャビティは入
口及びその入口近傍のガス化セクションを有し、次に質量フィルタセクション及
び検出セクションを順次有している。負圧手段はキャビティを排気し、入口を通
じてキャビティ内に試料ガスを導入する。基板において、キャビティのガスイオ
ン化セクションに形成されたガスイオン化手段は、入口を通じて導入された試料
ガスをイオン化する。イオン化ガスは、キャビティの質量フィルタセクション内
に形成された質量フィルタ手段を通過する。この質量フィルタは、好ましくはウ
ィーンフィルタからなり、質量／電荷比によってイオン化ガスを濾過する。キャ
ビティの検出セクションにおける検出手段は、イオン化試料ガスを濾過する質量
／電荷比を検出する。好ましくは、検出手段は、試料ガス中の複数のガス成分を
同時に検出し、検出要素の配列を備えている。特に、線形検出器配列が面内にあ
って、その面内において、質量フィルタはそれらの質量／電荷比に基づき試料ガ
スのイオンを分散させる。検出器配列は、基板においてキャビティの端部に配置
され、基板上に形成されて対をなす集中電極を有している。集中電極はファラデ
ーケージとして機能し、検出セルに与えるためにイオンを集める。好ましくは検
出セルはキャビティの外側に配置された電荷結合装置である。
発明の好適した形態において、基板は２つの部分に形成されており、これら部
分はキャビティを通じて延びる区分面に沿って隣接している。検出セルは、半導
体基板の一方の半体の区分面におけて、凹所内に形成されている。
半導体基板内のキャビティは仕切より、多数の区画に区分されており、これら
区画は整合された開口を備えている。これら開口は入口からイオン器(ionizer)
を通じて質量フィルタを通過する試料ガスの通路を与える。各区画からの真空引
きは差動排気をもたらし、その差動排気は真空ポンプに要求される能力を減少さ
せる。
好ましくは、ガスイオン器はキャビティにおけるガスイオン化セクションの基
板に形成された半導体電子放出器である。電子放出器と質量フィルタとの間の開
口した仕切に形成された電極はイオンオプティクスとして機能し、このイオンオ
プティクスは、質量フィルタ内への導入ビーム内にイオンを加速且つ集中させる
。
上述したように、好ましくは質量フィルタはウィーンフィルタである。半導体
基板を囲む永久磁石又はキャビティの壁に形成された磁気フィルムによって、磁
場を発生させることができる。ウィーンフィルタの電場は、フィルタセクション
内のキャビティの対向壁に形成ささた電極によって発生される。この発明の半導
体質量分光器は、小形で低消費電力且つ可搬の容易な汎用装置であり、この装置
は試料ガスの複合成分を同時に検出することができる。十分な生産量があれば、
広範囲に適用できる安価なセンサとなる。
図面の簡単な説明
本発明は、添付図面を参考に、以下の好ましい実施の形態の記載から十分に理
解されるであろう。
第１図は、本発明に係るソリドステート型質量分析器の機能ダイヤグラムであ
る。
第２図は、本発明に係る質量分析器の、それを２分割して見開き、内部構造を
示した等角投影図である。
第３図は、本発明に係る質量分析器の部分縦断面図である。
第４図は、本発明に係る他の実施の形態を示す、第３図に類似の図である。
第５図は、本発明に係る質量分析器の一部を構成する、多点検出器列の回路模
式図である。
第６図は、第５図の多点検出器列の動作を説明する信号波形図である。
第７図は、半導体層上に形成させた検出器列の部分平面図である。
第８図は、第７図の８−８線に沿う検出器列の部分断面図である。
第９図は、第７図の９−９線に沿う検出器列の部分断面図である。
第１０図は、第７図の１０−１０線に沿う検出器列の部分断面図である。
第１１図は、本発明の別の態様による検出器列の一部切欠平面図である。
好適実施例の説明
本発明の質量分析器１の機能図が第１図に示されている。この質量分析器１は
、サンプルガス中の複数の組成成分を同時に検出できる。サンプルガスは、ダス
トフィルタ３を介して分析器１に入る。フィルタには、ガスサンプリング路を塞
ぐ粒子が保持されている。次いで、サンプルガスは、サンプルオリフィス５を介
してガスイオン化装置に移動し、このサンプルオリフィスにおいて、電子ボンバ
ード、核崩壊からのエナージェティクス粒子により、あるいは、高周波誘起プラ
ズマ中でイオン化される。次に、イオン光学素子９は、質量フィルタ１１を介し
てイオンを加速し集束させる。この質量フィルタ１１は、イオンビームに強い電
磁界を加える。質量フィルタは、主に磁界を利用するものであって、本発明のミ
ニアチュア質量分析器に最も適するものと思われる。約１テスラ（１０，０００
ガウス）の所要の磁界をコンパクトな永久磁石設計にて容易に達成できるからで
ある。同一エネルギに加速されたサンプルガスのイオンは、質量フィルタ１１内
で、イオン走行方向に対して垂直の均一磁界に晒されたときに、円形の経路を描
く。この経路の円弧半径は、イオン質量と電荷との比率に依存する。本発明の好
適な実施例において、質量フィルタ１１はウィーンフィルタであって、このフィ
ルタでは、交差した電界と磁界とが一定速度でフィルタ処理されたイオンビーム
１３を生じさせる。このイオンビームにおいて、イオンは、第１図の平面にある
分散面内で質量／電荷比率に従って分散される。この代わりに、質量フィルタ１
１として磁気セクタを使用可能ではある。しかし、ウィーンフィルタの方がコン
パクトであり、また、電界をスイープさせることにより、追加の範囲および分解
能を得ることができる。
真空ポンプ１５は、質量フィルタ１１中に真空を生じさせて、イオンに対して
非衝突環境を提供する。これは、衝突によるイオン軌跡誤差を防ぐために必要で
ある。
質量フィルタ処理されたイオンビームは、イオン検出器１７において集められ
る。このイオン検出器１７は、サンプルガスの複数の組成成分を同時検出可能と
するリニア配列の検出器要素である。マイクロプロセッサ１９は検出器出力を解
析し、イオンの速度および質量に関連する周知のアルゴリズムを用いて、サンプ
ルされたガスの化学的構造を判別する。マイクロプロセッサ１９による解析の結
果は出力装置２１へ提供される。この出力装置は、アラーム、ローカルディスプ
レイ、トランスミッタ及び／又はデータ記憶装置から構成できる。ディスプレイ
は、第１図に２１で示す形式をとることができ、ここで、サンプルガスの組成成
分が、原子質量単位（ＡＭＵ）で計測されるラインによって同定される。
質量分析器１は、第２図に示すように半導体チップ２３で実施される。例示的
な分析器１において、チップ２３は長さが約２０ｍｍであり、幅および暑さが０
．８ｍｍである。このチップ２３は、長手方向に延びる分割面２７Ａ、２７ｂに
沿って接合される両半部２５ａ、２５ｂに形成された半導体材料の基板を備えて
いる。２つの基板半部２５ａ、２５ｂは、分割面２７ａ、２７ｂにおいて細長い
空洞２９を形成している。この空洞２９は、入口部３１、ガスイオン化部３３、
質量フィルタ部３５および検出部３７を有している。基板に形成された多数の仕
切３９は、室４１を形成する空洞２９を横断して延びている。空洞２９を介して
ガス経路を画成する半部２５ａの仕切３９の整合した孔４３によって、これらの
室が相互に接続されている。第１図に示す真空ポンプ１５は、対向面２７ａ、２
７ｂに形成された側方通路４５を介して室の各々に接続されている。この装置構
成により、室４１のディファレンシアルポンピングを提供し、ミニアチュア真空
ポンプをもって、質量フィルタ部および検出部で必要とされる圧力を達成可能と
する。上述のように、イオンとガス分子との間の衝突は、イオンの軌跡をランダ
ム化して、所要イオン電流を減少させるとともにバックグラウンドを増大させる
。平均自由行程は、温度および圧力条件の下で、別のガス分子と出会う前にガス
分子が移動する平均距離である。室温における空気中でのガス分子の平均自由行
程は、１０ｍトールのオーダの圧力において約１ｃｍである。
空洞２９の入口部３１には、多孔性シリコンまたは焼結金属から構成可能なダ
ストフィルタ４７を備えている。入口部３１は、孔付きの仕切３９を幾つか含み
、従って、幾つかの室４１を含んでいる。
空洞２９のガスイオン化部３３は、ガスイオン化器５１とイオン化器光学素子
５３とを含むガスイオン化システム４９を収容している。質量分析器１に引き込
まれたガスサンプルは、中性原子および分子からなる。留意すべきは、これら中
立のものの一部をイオン化する必要があることである。光化学的イオン化、電界
イオン化または化学的イオン化などの異なるイオン化機構がある。しかし、質量
分析計および分析器において最も通常使用されるイオン化手法は、電子衝突によ
るイオン化である。この手法では、電子ガン(e-gun)は、ガス分子に衝撃を与え
て***的にイオン化する電子を加速する。
質量分析計で最も普通の電子エミッタは、耐熱性金属ワイヤを用いている。こ
のワイヤは、加熱されたときに、加熱熱電子放出をうける。フォトリソログラフ
ィ(photolithrography)を用いて、これらをミクロン寸法までスケールダウンで
きる。しかしながら、熱電子放出は、酸化に耐えるための特殊な被覆を要すると
ともにパワーをくう。しかし、約１ｍＡの比較的大きい電子流を生じさせること
ができる。
後述の、本分析器で用いる検出器の感度に起因して、および、ディファレンシ
ャル真空ポンピングにより可能なイオン化部での高いガス圧に起因して、電子ガ
ンでは、約１μＡという、より小さい電子ビーム流が必要になる。本発明の譲受
人が開発した２つのエミッタは、この要件に合致する。最初のものは、電界効果
冷陰極エミッタである。このものは、電子放出を促進する高電界領域を生じさせ
る尖ったポイントまたはエッジを用いている。その様な陰極は、５０μＡのビー
ム流までの試験を終えており、半導体リソグラフィ手法によって容易に製造され
る。電界放出冷陰極の一つの欠点は、試験ガス中の汚染物質により汚染される傾
向があることである。従って、陰極のディファレンシャルポンピングが必要にな
るであろう。第２の電子ガン機構は、逆バイアスp-n結合である。このものは、
汚
染されにくく、従って、本発明の分析器の電子エミッタに好適である。逆バイア
スp-n結合は、固体素子回路を介して電子流レーシングを送出する。表面近傍で
は、非常に浅い接合により、電子の最大エネルギの一部が真空中へ漏れ出ること
が可能になる。薄い金のフィルムが長時間にわたって所望の放出を行うには、そ
の様な小電子流が必要である。
イオン光学素子５３は、孔付き仕切３９の幾つかに電極５５を備えている。イ
オン光学素子５３は、イオンを加速し、質量フィルタ１１への導入のためにイオ
ンビームを視準する。
質量フィルタ１１は、空洞２９の質量フィルタ部３５に配されている。本発明
の好適実施例は、パワー消費を低減する永久磁石５７を用いている。この永久磁
石５７は、上側および下側極片５７ａ、５７ｂを有している。第３図を参照。極
片は、基板半部２５ａ、２５ｂに跨っており、イオン経路に対して垂直の磁界を
生じさせる。本発明の好適実施例で用いられるウィーンフィルタに対する直交電
界は、空洞２９の質量フィルタ部３５の側壁６１に形成された両電極５９により
形成される。第２図及び第３図に示すように、追加の一対のトリミング電極６３
は、空洞２９の質量フィルタ部３５の頂壁および底壁に沿って離隔している。電
圧スペクトルは、これらの追加電極に印加され、両電極感に電界を均一に形成す
る。追加電極６３は、金のような、非磁性の導電性材料からなり、永久磁石５７
により形成される磁界と干渉しない。電極６３は、空洞２９をライニングするシ
リコン二酸化物の絶縁層にデポジットされる。
永久磁石５７に代えて、第４図に示すように、空洞２９の質量フィルタ部３５
の頂壁および底壁の絶縁シリコン二酸化物層６４ａ、６４ｂにデポジットした磁
性フィルム６５により、質量フィルタ１１用の磁界を生じさせることができる。
この実施例では、電界トリミング電極６３は、磁性フィルム６５を被覆するシリ
コン二酸化部部の絶縁層６６ａ、６６ｂにデポジットされている。
イオン検出器１７は、空洞２９の検出部３７の端で、（第３図及び第４図の面
に垂直な）分散面７１内に方向づけられた検出器要素６９のリニア配列体６７で
ある。例示的な配列６７は、６４個の検出器要素すなわちチャネル６９を有して
いる。検出器要素６９の各々はファラデーケージを含む。このファラデーケージ
は、空洞２９の端に形成されたＶ字状の溝７５の表面に形成した一対の収束電極
７３ａ、７３ｂによって形成されている。ファラデーケージは、多重衝突によっ
て、分散面７１から僅かに出ることがあるイオンを集めることにより信号強度を
増大させる。
ファラデーケージの電極７３ａ、７３ｂは、基板半部２９ａ、２９ｂの切断面
２７ａ、２７ｂに沿って空洞２９の端を越えて延びている。電極７３ａ、７３ｂ
は、２つの基板半部２５ａ，２５ｂに形成されたシリコン二酸化物の絶縁層６４
ａ、６４ｂ上にメッキされている。電極７３ｂは、絶縁シリコン二酸化物層７７
ｂの凹部７９内に延びて、基板半部２５ｂに形成された電荷結合装置（ＣＣＤ）
または金属酸化物半導体（ＭＯＳ）スイッチ装置８１のための可変容量パッド(c
opacitor pad)を形成している。イオンは、分散面７１において質量フィルタ１
１により分散されて、質量／電荷比率により定められて検出要素をたたく。イオ
ンが検出器要素６９の電極７３ａ又は７３ｂをたたくと、その電荷が中性化され
る。イオンを中性化するのに必要な電荷は、ＣＣＤまたはＭＯＳ８１から読み出
される。
絶縁電極８３ａ、８３ｂは、検出器電極７３と質量フィルタ部の電極との間に
おいて空洞２９の上壁および下壁を横断して延びている。電極８３ａ、８３ｂは
アースされて、検出器要素を質量フィルタの場から絶縁している。シーラント８
５は、凹部７９を満たして、２つの基板半部２５ａ、２５ｂを接合している。
第５図は、イオン検出配列体６７のマルチプレックス作動のための回路構成を
示している。この機構において、イオンは、検出器要素６９のコンデンサＣｓの
一方の電極に入射する。センサコンデンサＣｓに正味正電荷を残したセンサコン
デンサ電極７３ｂにより、イオン電荷は中性化される。各コンデンサＣｓの総イ
オン電荷は、積分期間、本発明の例示的な実施例ではたとえば９０ミリ秒(msec)
にわたって積分される。この間、第５図に示したマルチプレクサスイッチ８７1-
64はオフ状態にあり、非常に低い漏洩を提供して検出感度を向上させる。積分期
間の終わりで、マルチプレクサスイッチは、順次オンされて、センサコンデンサ
の累積電荷を、電位計増幅器ＦＥＴ８９の、より大きいゲートキャパシタンスに
放出する。この追加電荷によるゲート電圧は、電子計により、増幅され、また、
出力電流信号へ変換される。検出感度向上のため、回路中の電位計およびマルチ
プレクサ８７により発生されるノイズを最小にする必要がある。このため、これ
ら装置についてはＰ−チャネルＭＯＳＦＥＴが選択される。Ｎ−チャネル素子よ
りもノイズが小さいからである。ノイズをさらに低減するとともにスイッチング
トランジエント効果を最小にするため、相関二重サンプリング（Correlated Dou
ble Sampling(CDS)）９１と呼ばれる手法が用いられ、電位計からの出力電流が
処理される。
ＣＤＳ機構は、第６図のタイミング図に示すように、信号読み出しのための４
サイクル作動を利用している。この機構において、まず、リセット期間中にリセ
ットスイッチ９３をオンさせることにより、電位計８９のゲートは、基準電圧Ｖ
Ｒにリセットする。リセット期間の終わりでは、ノイズおよびスイッチングトラ
ンジエントに起因して電位計８９のゲート電圧はＶＲと僅かに異なる。このため
、電位計８９の出力電流がクランプ期間中に計測されて、オフチップコンデンサ
内に記憶される。次の作動は、マルチプレクサスイッチ８７の一つをオンさせる
ことで、これにより、センサコンデンサの積分電荷を電位計ゲートに放出する。
電位計８９の出力電流は、ゲートへ放出された電荷量に依存するものであり、次
に、サンプリング期間中に計測される。サンプリング期間とタランプ期間とで得
た出力電流値の再は、所望信号である積分されたイオン電荷に比例している。こ
の４サイクル作動が、配列体の残りに対して繰り返される。ＣＤＳ中で用いられ
るデイファレンシング手順(differencing procedure)によって、スイッチングト
ラ
ンジエント効果が低減され、リセットノイズが低減され、また、電位計８９から
生じるノイズが低減される。
検出器配列体に対して必要な種々のタイミング信号は、好ましくはパワー放散
を減じるためにＣＭＯＳからなるデジタル回路９５を用いて、発生させることが
できる。本発明の例示的な実施例では、ダイナミックシフトレジスタを用いてマ
ルチプレクサ信号を発生するようにしている。オフチップ回路を用いて、ブルー
ミングコントロール信号などの残りの制御信号を発生させている。ブルーミング
コントロール信号は、センサコンデンサに属し得る電荷量を制限して、隣接する
センサコンデンサの小信号を、高信号センサコンデンサから誘起される電荷のク
ロストーク干渉なしに、判別可能とする。
リニア検出配列体６７の一実施例の平面図が第７図に示されている。第７図及
び第８図からわかるように、各センサ要素６９についてのファラデーケージの一
半部を形成するＣｒ／Ａｕイオンセンサ金属７３ｂは、チップの誘電体層９９の
開口９７を介して延びており、基板１０３に埋設されたアルミニウム金属リード
１０１に接触している。第７図及び第９図に示すように、リード１０１は、ｐ＋
インプラント領域１０５にわたって延びており、また、１０００ないし３０００
オングストロームという厚さが薄い誘電体層１０７により、同領域から分離され
ている。リード１０１は、コンデンサＣｓの一方のプレートを形成し、ｐ＋イン
プラント１０５は他方のプレートを形成している。ｐ＋インプラント１０５は、
リード１０１に対して平行に延びるアルミニウムアース接触リード１０９を介し
てアースに接続されている。ｐ＋インプラント１０５は基板１０３に形成されて
おり、誘電体層１０７の開口を介してアース接触リード１０９に接続されている
。本発明の例示的な実施例において、フィールド酸化層９９は、厚さが約８００
０オングストロームのシリコン二酸化物である。
第７図からわかるように、各検出器要素６９からのアース接触１０９のすべて
は開口１１５を介して横断アースリード１１３に接続されている。
各検出器要素６９に対するアルミニウムリード１０１は、ｐ−チャネルＭＯＳ
ＦＥＴマルチプレクサスイッチ８７のｐ＋インプラント１１７へ延びてこれに接
触している。各スイッチ１８７のゲート電極１１９は、ＣＭＯＳ制御回路９５へ
延びるリード１２１に接続されている。スイッチ８７のすべてのｐ＋インプラン
ト領域１１７は、共通リード１２３により、Ｐ−チャネルＭＯＳＦＥＴであるリ
セットスイッチ９３へ接続されている。リード１２３は、電位計増幅器ＦＥＴ８
９のゲートに接続されている。
参照符号１２５で示す、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴマルチプレクサスイッチ８７
のすべてのｎ−ウエル(well)は、第７図及び第１０図に示すように、一端が接合
している。第１０図に示すように、アルミニウムコンタクト１２７は、酸化物層
１０７の開口１２９に設けられ、接続されたｎ−ウエルの両端電気抵抗を低減し
ている。ｎ＋層は、ｎ−ウエル１２５とアルミニウムコンタクト１２７間の電気
接触を向上させる。ｎ−ウエルに接続されたリード１３１はブルーミングコント
ロール信号を運ぶ。
第１１図は、検出器配列６７’の変形例を示す。この配列において、ファラデ
ーケージのセンサ電極７３ｂ’はアースされた電極１３３によって囲まれて、よ
り良好なチャネル分離を提供している。これらの電極１３３は、リード１３５を
介してアースされ、１３７を介して電極１３３へ接続されたコンデンサアース電
極１０９に対してアースへの経路を提供している。
以上、本発明の特定の実施例を詳細に説明したが、開示の全体的な教示に照ら
して、これらの詳細に対する種々の変形および代替が可能であることは当業者に
は明らかである。従って、開示した特定の装置構成は、図示例であることを意味
するものであり、本発明の範囲を限定するものではない。本発明の範囲には、添
付の特許請求の範囲およびそのすべての等価物の全範囲が与えられるべきもので
ある。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gas detection sensor, and more particularly to a solid state mass spectrometer having a semiconductor layer on which fine processing is performed. Regarding vessels. Prior Art Information Various devices can be used in recent years to identify the amount and type of molecules present in a gas sample. One such device is a mass spectrometer. Mass spectrometers identify the amount and type of molecules present in a gas sample by measuring their mass. This identification is performed by ionizing a small amount of a sample and applying an electric field and / or a magnetic field thereto to determine the ratio of the charge amount to the mass of the ion. The conventional mass spectrometer is large enough to be mounted on a gantry and used. And conventional mass spectrometers are heavy (100 pounds, about 45 kg) and expensive. A major feature of conventional mass spectrometers is that they can be used in any environment. Another device used to identify the quantity and type of molecules present in a gas sample is a chemical sensor. Although such sensors can be purchased at low cost, they require a calibration each time they are used in a particular measurement environment, and the types of chemical substances that can be measured are limited. Therefore, a plurality of sensors are required in a complex environment. Therefore, there is a need for a low-cost gas detection sensor that can be used in any environment. SUMMARY OF THE INVENTION The above and other needs are met by the invention, which is directed to semiconductor mass spectrometers. This semiconductor mass spectrometer is realized on a semiconductor substrate. A cavity is formed in the semiconductor substrate by micromachining, and the cavity has an inlet and a gasification section near the inlet, and then has a mass filter section and a detection section in that order. The negative pressure means exhausts the cavity and introduces the sample gas into the cavity through the inlet. The gas ionization means formed in the gas ionization section of the cavity in the substrate ionizes the sample gas introduced through the inlet. The ionized gas passes through mass filter means formed within the mass filter section of the cavity. The mass filter preferably comprises a Wien filter and filters the ionized gas by mass / charge ratio. The detection means in the detection section of the cavity detect the mass / charge ratio which filters the ionized sample gas. Preferably, the detection means simultaneously detects a plurality of gas components in the sample gas and comprises an array of detection elements. In particular, there is a linear detector array in the plane in which the mass filters disperse the ions of the sample gas based on their mass / charge ratio. The detector array is located at the end of the cavity in the substrate and has a pair of concentrated electrodes formed on the substrate. The focusing electrode acts as a Faraday cage and collects the ions for delivery to the detection cell. Preferably the detection cell is a charge coupled device located outside the cavity. In a preferred form of the invention, the substrate is formed in two parts, which are abutted along a section plane extending through the cavity. The detection cell is formed in the recess in the partition surface of one half of the semiconductor substrate. The cavity in the semiconductor substrate is divided into a number of compartments by the partition, and these compartments have aligned openings. These openings provide the passage of sample gas through the mass filter from the inlet through the ionizer. Evacuation from each compartment results in differential evacuation, which reduces the capacity required of the vacuum pump. Preferably, the gas ionizer is a semiconductor electron emitter formed on the substrate of the gas ionization section in the cavity. The electrodes formed in the open partition between the electron emitter and the mass filter act as ion optics, which accelerate and focus the ions in the introduction beam into the mass filter. As mentioned above, preferably the mass filter is a Wien filter. The magnetic field can be generated by a permanent magnet surrounding the semiconductor substrate or a magnetic film formed on the wall of the cavity. The electric field of the Wien filter is generated by electrodes formed on opposite walls of the cavity in the filter section. The semiconductor mass spectrometer according to the present invention is a small-sized, low-power-consumption and easy-to-use general-purpose device that can simultaneously detect complex components of a sample gas. With sufficient production, it will be an inexpensive sensor that can be applied in a wide range. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The present invention will be more fully understood from the following description of preferred embodiments thereof, with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a functional diagram of a solid state mass spectrometer according to the present invention. FIG. 2 is an isometric view showing the internal structure of the mass spectrometer according to the present invention, which is divided into two and opened. FIG. 3 is a partial vertical cross-sectional view of the mass spectrometer according to the present invention. FIG. 4 is a view similar to FIG. 3 showing another embodiment of the present invention. FIG. 5 is a schematic circuit diagram of a multipoint detector array which constitutes a part of the mass spectrometer according to the present invention. FIG. 6 is a signal waveform diagram for explaining the operation of the multipoint detector array of FIG. FIG. 7 is a partial plan view of a detector array formed on a semiconductor layer. FIG. 8 is a partial cross-sectional view of the detector array along the line 8-8 in FIG. FIG. 9 is a partial cross-sectional view of the detector array taken along the line 9-9 in FIG. FIG. 10 is a partial cross-sectional view of the detector array taken along the line 10-10 in FIG. FIG. 11 is a partially cutaway plan view of a detector array according to another aspect of the present invention. DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT A functional diagram of the mass spectrometer 1 of the present invention is shown in FIG. This mass analyzer 1 can simultaneously detect a plurality of constituent components in the sample gas. The sample gas enters the analyzer 1 via the dust filter 3. The filter holds particles that block the gas sampling path. The sample gas then travels to the gas ionizer via the sample orifice 5 where it is ionized by electron bombardment, energetic particles from nuclear decay, or in radiofrequency induced plasma. Next, the ion optical element 9 accelerates and focuses the ions via the mass filter 11. The mass filter 11 applies a strong electromagnetic field to the ion beam. Mass filters primarily utilize magnetic fields and appear to be the most suitable for the miniature mass analyzer of the present invention. This is because the required magnetic field of about 1 Tesla (10,000 Gauss) can be easily achieved with a compact permanent magnet design. The ions of the sample gas accelerated to the same energy form a circular path when exposed to a uniform magnetic field perpendicular to the ion traveling direction in the mass filter 11. The arc radius of this path depends on the ratio of ion mass to charge. In the preferred embodiment of the invention, the mass filter 11 is a Wien filter in which the intersecting electric and magnetic fields produce a constant velocity filtered ion beam 13. In this ion beam, the ions are dispersed according to the mass / charge ratio in a dispersion plane lying in the plane of FIG. Alternatively, a magnetic sector can be used as the mass filter 11. However, the Wien filter is more compact, and by sweeping the electric field, additional range and resolution can be obtained. Vacuum pump 15 creates a vacuum in mass filter 11 to provide a non-collision environment for ions. This is necessary to prevent ion trajectory errors due to collisions. The mass filtered ion beam is collected at the ion detector 17. The ion detector 17 is a linear array detector element capable of simultaneously detecting a plurality of composition components of the sample gas. Microprocessor 19 analyzes the detector output and uses well known algorithms relating ion velocity and mass to determine the chemical structure of the sampled gas. The result of the analysis by the microprocessor 19 is provided to the output device 21. The output device can consist of an alarm, a local display, a transmitter and / or a data storage device. The display may take the form shown at 21 in FIG. 1, where the composition of the sample gas is identified by a line measured in atomic mass units (AMU). The mass spectrometer 1 is implemented with a semiconductor chip 23 as shown in FIG. In the exemplary analyzer 1, the tip 23 has a length of about 20 mm and a width and heat of 0. 8 mm. The chip 23 includes a substrate made of a semiconductor material formed on both half portions 25a and 25b which are joined along division surfaces 27A and 27b extending in the longitudinal direction. The two substrate halves 25a, 25b form an elongated cavity 29 at the dividing surfaces 27a, 27b. The cavity 29 has an inlet portion 31, a gas ionization portion 33, a mass filter portion 35, and a detection portion 37. A number of partitions 39 formed in the substrate extend across the cavity 29 forming the chamber 41. These chambers are interconnected by aligned holes 43 in the partition 39 of the half 25a that define a gas path through the cavity 29. The vacuum pump 15 shown in FIG. 1 is connected to each of the chambers via a lateral passage 45 formed in the facing surfaces 27a, 27b. This configuration of the device provides differential pumping of the chamber 41 and allows the miniature vacuum pump to achieve the pressure required at the mass filter and detector. As mentioned above, collisions between ions and gas molecules randomize the trajectory of the ions, reducing the required ionic current and increasing the background. The mean free path is the average distance traveled by a gas molecule under temperature and pressure conditions before encountering another gas molecule. The mean free path of gas molecules in air at room temperature is about 1 cm at a pressure on the order of 10 mTorr. At the inlet 31 of the cavity 29 there is provided a dust filter 47 which can be made of porous silicon or sintered metal. The inlet section 31 comprises several perforated partitions 39 and thus comprises several chambers 41. The gas ionization section 33 of the cavity 29 houses a gas ionization system 49 including a gas ionizer 51 and an ionizer optical element 53. The gas sample drawn into the mass spectrometer 1 consists of neutral atoms and molecules. Note that some of these neutrals need to be ionized. There are different ionization mechanisms such as photochemical ionization, field ionization or chemical ionization. However, the most commonly used ionization technique in mass spectrometers and analyzers is electron impact ionization. In this approach, an electron gun (e-gun) impacts gas molecules to accelerate splitting ionized electrons. The most common electron emitter in mass spectrometers uses refractory metal wires. This wire, when heated, undergoes heated thermionic emission. These can be scaled down to micron dimensions using photolithography. However, thermionic emission requires a special coating to withstand oxidation and is power hungry. However, a relatively large electron current of about 1 mA can be generated. Due to the sensitivity of the detector used in this analyzer, which is described below, and due to the high gas pressure in the ionization section that is possible with differential vacuum pumping, the electron gun has a smaller electron beam current of about 1 μA. Will be required. Two emitters developed by the assignee of the present invention meet this requirement. The first is a field effect cold cathode emitter. It uses sharp points or edges that create high electric field regions that promote electron emission. Such a cathode has been tested up to a beam current of 50 μA and is easily manufactured by semiconductor lithography techniques. One drawback of field emission cold cathodes is their tendency to be contaminated by contaminants in the test gas. Therefore, differential pumping of the cathode would be required. The second electron gun mechanism is reverse bias pn coupling. It is less susceptible to contamination and is therefore suitable for the electron emitter of the analyzer of the invention. Reverse-biased pn coupling delivers electron flow lacing through a solid state device circuit. Near the surface, the very shallow junction allows some of the electron's maximum energy to escape into the vacuum. Such small electron currents are required for thin gold films to provide the desired emission over time. The ion optical element 53 includes electrodes 55 on some of the partitions 39 with holes. The ion optics 53 accelerates the ions and collimates the ion beam for introduction into the mass filter 11. The mass filter 11 is arranged in the mass filter portion 35 of the cavity 29. The preferred embodiment of the present invention uses a permanent magnet 57 that reduces power consumption. The permanent magnet 57 has upper and lower pole pieces 57a and 57b. See FIG. The pole pieces straddle the substrate halves 25a, 25b and produce a magnetic field perpendicular to the ion path. The orthogonal electric field for the Wien filter used in the preferred embodiment of the present invention is formed by both electrodes 59 formed on the side wall 61 of the mass filter portion 35 of the cavity 29. As shown in FIGS. 2 and 3, a pair of additional trimming electrodes 63 are spaced along the top and bottom walls of the mass filter portion 35 of the cavity 29. The voltage spectrum is applied to these additional electrodes to evenly form an electric field across the electrodes. The additional electrode 63 is made of a nonmagnetic conductive material such as gold and does not interfere with the magnetic field formed by the permanent magnet 57. The electrode 63 is deposited on an insulating layer of silicon dioxide that lines the cavity 29. As shown in FIG. 4, instead of the permanent magnet 57, a magnetic film 65 deposited on the insulating silicon dioxide layers 64a and 64b on the top and bottom walls of the mass filter portion 35 of the cavity 29 is used for the mass filter 11. A magnetic field can be generated. In this embodiment, the electric field trimming electrode 63 is deposited on the insulating layers 66a and 66b of the silicon dioxide portion which covers the magnetic film 65. The ion detector 17 is a linear array 67 of detector elements 69 oriented in a dispersion plane 71 (perpendicular to the planes of FIGS. 3 and 4) at the end of the detector 37 of the cavity 29. The exemplary array 67 has 64 detector elements or channels 69. Each of the detector elements 69 includes a Faraday cage. This Faraday cage is formed by a pair of focusing electrodes 73a and 73b formed on the surface of a V-shaped groove 75 formed at the end of the cavity 29. The Faraday cage increases the signal strength by collecting ions that may slightly leave the dispersion plane 71 due to multiple collisions. The Faraday cage electrodes 73a, 73b extend beyond the ends of the cavity 29 along the cut surfaces 27a, 27b of the substrate halves 29a, 29b. The electrodes 73a, 73b are plated on the insulating layers 64a, 64b of silicon dioxide formed on the two substrate halves 25a, 25b. The electrode 73b extends into the recess 79 of the insulating silicon dioxide layer 77b and is a variable capacitance pad for a charge coupled device (CCD) or metal oxide semiconductor (MOS) switch device 81 formed in the substrate half 25b. (c actuator pad) is formed. The ions are dispersed by the mass filter 11 on the dispersion surface 71 and strike the detection element as defined by the mass / charge ratio. When the ions strike the electrode 73a or 73b of the detector element 69, its charge is neutralized. The charge required to neutralize the ions is read from the CCD or MOS 81. The insulated electrodes 83a and 83b extend across the upper and lower walls of the cavity 29 between the detector electrode 73 and the electrodes of the mass filter section. Electrodes 83a, 83b are grounded to isolate the detector element from the mass filter field. The sealant 85 fills the recess 79 and joins the two substrate halves 25a, 25b. FIG. 5 shows a circuit configuration for multiplex operation of the ion detection array 67. In this mechanism, the ions are incident on one electrode of the capacitor Cs of the detector element 69. The ionic charge is neutralized by the sensor capacitor electrode 73b that leaves a net positive charge in the sensor capacitor Cs. The total ionic charge on each capacitor Cs is integrated over an integration period, for example 90 milliseconds (msec) in an exemplary embodiment of the invention. During this time, the multiplexer switches 871-64 shown in FIG. 5 are in the off state, providing very low leakage and improving detection sensitivity. At the end of the integration period, the multiplexer switches are turned on sequentially, releasing the accumulated charge on the sensor capacitor to the larger gate capacitance of the electrometer amplifier FET 89. The gate voltage due to this additional charge is amplified and converted into an output current signal by the electronic meter. In order to improve the detection sensitivity, it is necessary to minimize the noise generated by the electrometer and multiplexer 87 in the circuit. Therefore, P-channel MOSFETs are selected for these devices. This is because the noise is smaller than that of the N-channel element. To further reduce noise and minimize switching transient effects, a technique called Correlated Double Sampling (CDS) 91 is used to process the output current from the electrometer. The CDS mechanism utilizes a 4-cycle operation for signal readout, as shown in the timing diagram of FIG. In this mechanism, first, the gate of the electrometer 89 is reset to the reference voltage VR by turning on the reset switch 93 during the reset period. At the end of the reset period, the gate voltage of electrometer 89 differs slightly from VR due to noise and switching transients. Therefore, the output current of the electrometer 89 is measured during the clamp period and stored in the off-chip capacitor. The next operation is to turn on one of the multiplexer switches 87, which releases the integrated charge of the sensor capacitor to the electrometer gate. The output current of the electrometer 89 depends on the amount of charge discharged to the gate, and is then measured during the sampling period. The re-creation of the output current value obtained during the sampling period and the ramp period is proportional to the integrated ionic charge that is the desired signal. This 4-cycle operation is repeated for the rest of the array. The differencing procedure used in the CDS reduces switching transient effects, reduces reset noise, and reduces the noise generated by the electrometer 89. The various timing signals required for the detector array can be generated using a digital circuit 95, preferably composed of CMOS to reduce power dissipation. In an exemplary embodiment of the invention, a dynamic shift register is used to generate the multiplexer signal. An off-chip circuit is used to generate the remaining control signals such as blooming control signals. The blooming control signal limits the amount of charge that can belong to a sensor capacitor and enables a small signal of an adjacent sensor capacitor to be discriminated without the charge crosstalk interference induced from the high signal sensor capacitor. A plan view of one embodiment of the linear detector array 67 is shown in FIG. As can be seen in FIGS. 7 and 8, the Cr / Au ion sensor metal 73b forming one half of the Faraday cage for each sensor element 69 extends through the opening 97 in the dielectric layer 99 of the chip. , Is in contact with the aluminum metal lead 101 embedded in the substrate 103. As shown in FIGS. 7 and 9, the lead 101 extends over the p + implant region 105 and is separated from the region by a dielectric layer 107 with a thin thickness of 1000 to 3000 angstroms. The lead 101 forms one plate of the capacitor Cs and the p + implant 105 forms the other plate. The p + implant 105 is connected to earth via an aluminum earth contact lead 109 extending parallel to the lead 101. The p + implant 105 is formed in the substrate 103 and is connected to the ground contact lead 109 through the opening in the dielectric layer 107. In the exemplary embodiment of the invention, field oxide layer 99 is silicon dioxide having a thickness of about 8000 Angstroms. As can be seen in FIG. 7, all of the ground contacts 109 from each detector element 69 are connected to the transverse ground lead 113 via openings 115. The aluminum lead 101 for each detector element 69 extends to and contacts the p + implant 117 of the p-channel MOS FET multiplexer switch 87. The gate electrode 119 of each switch 187 is connected to the lead 121 extending to the CMOS control circuit 95. All p + implant regions 117 of switch 87 are connected by common lead 123 to reset switch 93, which is a P-channel MOSFET. The lead 123 is connected to the gate of the electrometer amplifier FET 89. All n-wells of the P-channel MOSFET multiplexer switch 87, indicated by reference numeral 125, are joined at one end, as shown in FIGS. 7 and 10. As shown in FIG. 10, an aluminum contact 127 is provided in the opening 129 in the oxide layer 107 to reduce the electrical resistance across the connected n-well. The n + layer improves the electrical contact between n-well 125 and aluminum contact 127. Lead 131 connected to the n-well carries the blooming control signal. FIG. 11 shows a modification of the detector array 67 '. In this arrangement, the Faraday cage sensor electrode 73b 'is surrounded by a grounded electrode 133 to provide better channel separation. These electrodes 133 are grounded via leads 135 and provide a path to ground for capacitor ground electrode 109, which is connected to electrodes 133 via 137. While particular embodiments of the present invention have been described in detail above, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and alternatives to these details are possible in light of the overall teaching of the disclosure. Therefore, the particular device configurations disclosed are meant to be illustrative and not limiting the scope of the invention. The scope of the invention should be given the full scope of the appended claims and all equivalents thereof.
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フロントページの続き
(72)発明者 ヤング・ロバート・エム
アメリカ合衆国 ペンシルバニア州
15215，ピッツバーグ，オークハースト
ロード 106
(72)発明者 スリラム・サプサリシ
アメリカ合衆国 ペンシルバニア州
15416，モンローヴィル 109番，フォック
スヒル ドライブ 1135────────────────────────────────────────────────── ───
Continuation of front page
(72) Inventor Young Robert M
United States Pennsylvania
15215, Pittsburgh, Oakhurst
Road 106
(72) Inventor Sriram Sapsarishi
United States Pennsylvania
15416, Monroeville 109, Fock
Shill drive 1135