基于MEMS技术的微型四极杆质谱仪研制及其在空间科学中的应用探索

为突破传统质谱仪(MS)体积大、功耗高的局限，印度空间研究组织(ISRO)团队采用硅基玻璃(SOG)微机电系统(MEMS)工艺开发了微型四极杆质量过滤器(QMF)，集成电子轰击离子源(EI)、法拉第杯(FC)检测器及读出电路，首次实现2 amu分辨率(15-50 amu质量范围)，为行星科学探测提供了轻量化(＜5%载荷质量占比)、低功耗的空间仪器解决方案。

　　

在深空探测和行星科学研究中，质量分析仪器如同星际"嗅觉器官"，能解析大气成分与表面物质。但传统质谱仪(MS)的"笨重身躯"（数瓦功耗、千克级重量）严重制约其在空间任务中的应用——当前科学仪器仅允许占用5%的载荷质量预算。更棘手的是，宏观尺寸的离子光学系统需要超长平均自由程，迫使设备配备大功率真空泵。微机电系统(MEMS)技术为这一困境带来曙光，通过将四极杆质量过滤器(QMF)等核心部件微缩至微米尺度，可实现系统体积、功耗的指数级下降。

印度空间研究组织LEOS研究所的Anitha Balakrishnan团队在《Microchemical Journal》发表的研究，首次采用空间级硅微加工工艺开发MEMS-QMF，其创新性在于：通过硅-玻璃键合(SOG)技术制造直径1 mm、长30 mm的圆柱形电极，结合Brubaker预滤器(4 mm短电极)抑制边缘场效应，集成50 eV电子轰击离子源(EI)与法拉第杯(FC)检测器，在1×10^-4 Torr真空下实现16/18/20 amu的2 amu分辨率。关键技术包括：(1)不锈钢电极的100 nm级表面抛光；(2)激光辅助多组件对准装配；(3)混合微电路互连工艺；(4)可调谐RF/DC(6.5 MHz)驱动电路优化。

【Fabrication and assembly of MEMS QMF】
采用304不锈钢圆柱电极(1 mm直径)，通过机械抛光使表面粗糙度达100 nm RMS，配合湿法硅刻蚀制作的V型槽支架，实现电极间距±5 μm装配精度。预滤器采用AC耦合电容驱动，有效消除DC边缘场对离子传输的干扰。

【Development of compact QMS and test setup】
自主设计机械支架集成EI离子源-QMF-FC检测器，开发激光定位系统确保光学对准。真空测试腔体配置可调偏压(-100至+100 V)和RF振幅(0-500 V_p-p)系统，支持10^-4 Torr级动态压力调控。

【Results and discussion】
在Ar/O₂混合气氛(1-2×10^-4 Torr)中，16/18/20 amu峰分离度达基线水平，但40 amu以上分辨率劣化。分析表明电极微振动和装配误差是限制因素，后续将通过单晶硅电极替代金属方案改善性能。

该研究标志着首款面向空间应用的MEMS-QMS原型诞生，其意义不仅在于2 amu分辨率的实现，更开创性地验证了SOG工艺制造航天级QMF的可行性。相比英国帝国理工学院团队开发的商用MEMS-MS（1 amu分辨率/400 amu范围），该设计更侧重极端环境适应性，为未来月球/火星原位成分分析提供了技术储备。作者计划通过三点升级突破性能瓶颈：(1)采用深反应离子刻蚀(DRIE)制作整体硅电极；(2)引入离子光学透镜提升传输效率；(3)扩展RF频率至10 MHz以覆盖200 amu范围。这项研究为"立方卫星级"质谱仪的发展奠定了关键技术基础。