[发明专利]一种双面膜片微型气体富集器

说明书

技术领域

本发明涉及气体富集器技术领域，具体涉及一种采用MEMS技术制备的微型气体富集器。

背景技术

外场环境下对痕量的工业污染、高爆炸药、毒品、化学及生物毒剂等的检测，需要高灵敏、高选择、快响应、低功耗、便携型的气体探测器。单单依靠气体传感器自身已经难以满足要求，需要在传感器的前端引入微型富集器以提高灵敏度，引入微型色谱以提高选择性，研制由多个部件构成的气体探测器集成系统。

在分析化学领域，富集器已经应用多年。其工作原理是使待测气体通过吸附材料，富集一段时间后，加热吸附材料使吸附气体在短时间内解吸，从而得到高浓度气体。富集器不仅可以提升探测器的灵敏度1-3个数量级，而且通过采用合适的吸附薄膜，还可以提高探测器对特定目标的选择性。

影响富集器效率的因素除了吸附薄膜的本质特性以外，主要由吸附薄膜的面积、气流的大小和加热的快慢所决定。当富集的气体分子一样多时，加热速度越快，气体解吸峰的峰强越高、半高宽越窄。快速加热的关键是低热容的富集器结构，需要采用MEMS技术制作，文献Trends in Analytical Chemistry, 2008, 27(4): 327-343对MEMS气体富集器近年来的研究现状进行了系统总结。

在所有的微型富集器中，USP6171378公开的二维膜片型富集器（见图1a）具有最小的热容，对于0.5μm厚的SiN膜片，仅用10ms就能在100mW的功率下加热到200℃，气体解吸峰的半高宽仅为200ms。但该富集器的缺点也很突出，一是吸附薄膜的面积小，二是富集时气体的流量小，导致其富集效率远远低于传统的管式富集器。（参见文献IEEE Sensor Journal, 2006, 6(3): 784-795图4b）。

针对二维膜片富集器吸附薄膜面积过小的问题，USP7118712和USP7306649公开了三维结构的富集器，其特征是在一定厚度的三维材料上设置多个穿孔形成气体的流道，吸附薄膜涂敷在孔壁。与二维膜片型富集器相比，吸附薄膜的面积可以增大数十倍，气体流量也大大增加。蛤壳形富集器（见图1b）是三维富集器的典型代表，它是利用鱼鳍状的平行槽作为吸附薄膜的支撑结构以增大吸附面积，使得其富集率与管式富集器相当。蛤壳形富集器也有悬空膜片，薄膜加热器和鱼鳍状的吸附支撑结构分别位于膜片的两面。尽管采用了上述绝热措施，但由于鳍状结构增加了热容，其解吸峰的半高宽增大到2.3s。（参见文献IEEE Sensor Journal, 2006, 6(3): 784-795图4b）。

对于集成气体探测器而言，当其后端设置有微型色谱时，富集器还必须起到色谱仪中注入器的作用，要求富集器的气体解吸峰的半高宽应尽量小，否则会导致色谱谱峰的展宽，降低色谱的性能。可见，三维富集器富集效率的提高是以牺牲快速加热能力为代价，不能满足集成气体探测器对低热容、高效率的富集器的需要。

二维膜片富集器还存在着在加热时膜片易破的问题，这是由于设置在玻璃顶盖上的进/出气口的截面过小所致。三维富集器的穿孔结构大大增加了流道截面，很好地改善了这一问题。但在USP7118712给出的多个实施例中（如图1b），三维的吸附支撑结构都是悬挂在一层薄薄的膜片上，膜片会受到很大的静态应力，也存在破裂的风险。

发明内容

本发明所要解决的问题是：如何在保持膜片型富集器热容小、加热速率快、功耗低等优点的条件下，有效地提高吸附薄膜的面积，从而获得更大的富集效率。

本发明所提出的技术问题是这样解决的：一种双面膜片微型气体富集器，具有两个硅片，每个硅片上设置有至少一个悬空膜片，每个悬空膜片上制备有薄膜加热器，两个硅片上下对准后键合形成至少一个微型气室，每个悬空膜片的内壁涂敷有吸附薄膜，在微型气室的侧壁开有气孔以形成多个微型气室之间的气流通道或整个富集器的进气口和出气口。

按照本发明所提供的双面膜片微型气体富集器，其特征在于，所述悬空膜片为氮化硅或氮氧硅或二氧化硅薄膜或氮化硅/二氧化硅多层薄膜，厚度为0.5～2微米。

按照本发明所提供的双面膜片微型气体富集器，其特征在于，所述薄膜加热器由蛇形金属薄膜或重掺多晶硅薄膜构成，金属薄膜的材料采用铂或钯或钨或钼或钽。

按照本发明所提供的双面膜片微型气体富集器，其特征在于，所述吸附薄膜为聚合物或碳黑/聚合物复合材料或溶胶-凝胶无机氧化物。