[发明专利]一种微型气体富集器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种微型气体富集器及制备方法，包括一个填充层，一个覆盖在填充层上的封装层，在填充层上表面加工有对称分布的分流微型通道，通道内填充吸附颗粒；在封装层上开有与所述分流微型通道相连通的进气孔和出气孔，且出气孔处设有用于固定过滤层的沉孔；对应进气孔和出气孔处密封安装有进口转接管和出口转接管；在填充层上设置有SiO₂介电层，SiO₂介电层上分别设置一对快速加热元件和一对敏感测温元件。被富集气体自进口转接管进入，经过吸附颗粒的物理吸附作用，实现浓度富集，然后穿过过滤层并从出口转接管处排出。本发明富集器实现了微型化，具有高富集率、低功耗、低成本、易加工、材料稳定和易集成等特点；加热元件厚膜工艺简单、成本低。

技术领域

本发明涉及一种基于MEMS工艺和传统机械加工工艺相结合的金属材质的微型气体富集器的结构设计及其制备方法。

背景技术

超低限气体检测一直各种分析仪器面临的巨大挑战，为此提高分析仪器的探测极限是非常必要的，因此富集器对于微量分析系统来说是必不可少的重要组成部分；其通过对待测气体进行吸附、快速解析实现对痕量气体浓度的大幅提高，从而达到检测仪器的检测限。

传统的富集器结构为管式，其在吸附管的内壁或者外壁缠绕多圈金属加热丝，管内则填充对应的吸附材料，吸附材料可为薄膜、颗粒等多种形式；待富集气体进入管内经过材料的吸附以及加热丝的热脱附，最后实现浓度富集。此结构具有较好的富集率，但其缺点是：体积大、热容大、热效率低，温升速率慢、气体解吸峰宽，不适用于快速检测场合的应用以及小型便携式仪器的集成与设计。

随着MEMS技术的发展，很多科学工作者将微细加工技术应用到气体检测领域。气体富集器设计也逐渐从传统的管式结构向微型结构发展。其研究主要基于硅微工艺去实现，此技术具有体积小、热容小、功耗低、升温快、易于集成等优点，但由于其器件的微型化，导致其吸附面积小，大部分结构的富集效果不如传统的管式结构，同时依然存在着研发门槛高、制造难度大、加工成本高、设备成本大等不利因素，这不利于微型富集器在各个领域的低成本、快速推广。

因此如何使微型气体富集器提高富集性能、降低成本及加工难度成为该领域研究的一个重要课题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于为了克服传统富集器在微型气体检测系统中不匹配等缺陷以及硅微结构富集器富集因子低、成本高等缺陷，而提出了一种新型的金属材质微型气体富集器的结构设计及其制备方法。同时该方案通过结构设计的优化，大大降低了加工难度及生产成本，也更容易实现量化生产。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种微型气体富集器，包括一个填充层，一个覆盖在填充层上的封装层，在所述填充层上表面加工有对称分布的分流微型通道，通道内填充吸附颗粒；在所述封装层上开有与所述分流微型通道相连通的进气孔和出气孔，且出气孔处设有用于固定过滤层的沉孔；对应进气孔和出气孔处密封安装有进口转接管和出口转接管；被富集气体自进口转接管进入，经过吸附颗粒的物理吸附作用，实现浓度富集，然后穿过过滤层并从出口转接管处排出；在所述填充层的下方设置有SiO₂介电层，SiO₂介电层上分别设置了一对快速加热元件和一对敏感测温元件。

上述方案中，封装层和填充层均采用金属材料紫铜T2。

进一步，所述填充层上表面的微型通道上设有与封装层的进气孔和出气孔相对接的进口和出口，微型通道为沿进口和出口之间呈水平平行分布的两组并联的环形通道，且两组环形通道对称间隔分布，并通过连通通道从进口处分流，在出口处汇流；吸附颗粒密实填充在微型通道的进口至出口端。

进一步，每组并联的环形通道通过两端的汇流通道连通，每条流通路径的长度相等；微型通道宽度、深度尺寸为亚毫米级。

进一步，所述封装层和填充层之间的结合面采用真空扩散焊。