CN101625345A - 一种大面积mems膜片型气体富集器 - Google Patents

一种大面积mems膜片型气体富集器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大面积MEMS膜片型气体富集器，包括一个硅基板、一个顶盖和设置在硅基板和顶盖之间的富集区，所述顶盖设置有进气口和出气口，其特征在于，所述富集区由多个富集单元构成，每个富集单元具有一个悬空膜片以及设置在悬空膜片上的薄膜加热器和吸附薄膜，在所述硅基板对应富集单元的下方设置为空腔。本发明通过将多个富集单元组合的方法，不仅兼有热容小、加热速率快等优点，而且有效地增加了吸附面积和吸附总量，提高了富集率。

Description

一种大面积MEMS膜片型气体富集器
技术领域
本发明涉及气体富集器技术领域，具体涉及一种大面积MEMS膜片富集器。
背景技术
对极低浓度气氛的检测一直是各种分析仪器面临的巨大挑战，在气相色谱(GC)、质谱(MS)、离子迁移谱(IMS)、声表面波传感器(SAW)、火焰离子探测器(FID)等分析系统的前端设置富集器可以使系统的探测能力提升1-3个数量级，富集器业已成为高灵敏气体测试系统一个不可或缺的重要组成部件。
富集器主要由吸附材料和加热器构成，其工作原理是首先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附，从而得到高浓度气体。富集后与富集前气体浓度的比值f称为富集率，它是表征富集器性能优劣的最重要指标。
传统的富集器是管状结构，内充吸附材料，外缠加热丝或利用不锈钢外壳加热。这种富集器热容大、热效率低，因而升温慢，气体解吸附的谱峰宽，富集能力较差。如美国海军实验室早期的化学战剂SAW探测器系统的富集器，由室温升至200℃需12s，而降温至100、75和50℃分别需20、30和45s(参见文献Anal Chem，1993，65(14)：1868-1881)。
采用微机械加工技术(MEMS)制备的新型富集器与管式富集器相比，由于热容小，热效率高，升温时间可缩短至数十毫秒，因此获得的瞬态浓度远远高于传统的管式富集器，成为富集器新的研究方向。文献Trends in AnalyticalChemistry，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。
MEMS气体富集器最早见于美国西屋电器公司的专利(USP5481110)，首次设计了膜片型结构的富集器，但并没有给出性能测试结果。随后美国Sandia实验室对此结构的富集器进行了深入的研究，参见文献：①USP6171378；②IEEEInternational Frequency Control Symposium，1999，991-996；③IEEE Sensor Journal，2006，6(3)：784-795。图1是Sandia富集器的结构示意图，其最大特点在于采用了低应力的悬空SiN膜片，膜片上设置有Pt薄膜加热器和化学吸附膜，从而获得具有小热容量和优良绝热性能的空腔结构，仅用4ms就能在100mW的功率下加热到200℃，气体解吸峰的半高宽仅有约200ms。在吸附薄膜面上设置了一个玻璃顶盖使气流平行于薄膜流动，有利于气体的吸附。
这种平板型富集器的缺点是富集面积小。由于采用很薄的SiN膜片，其机械强度难以支撑更大尺寸的悬空结构，Sandia富集器的空腔尺寸仅为2.2×2.2mm。由于吸附面积很有限，从而影响了富集率的提高。此外，玻璃盖上的微孔不利于大的气流通过，流量通常小于5sccm，一定程度上限制了吸附率的提高。
发明内容
本发明所要解决的问题是：如何提供一种大面积MEMS膜片型气体富集器，该富集器能克服现有技术中所存在的一些缺陷，不仅保持热容小、加热速率快、功耗低的优点，还能增大富集器的吸附面积，从而提高气体的总吸附量，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：提供一种大面积MEMS膜片型气体富集器，包括一个硅基板、一个顶盖和设置在硅基板和顶盖之间的富集区，所述顶盖设置有进气口和出气口，其特征在于，所述富集区由多个富集单元构成，每个富集单元具有一个悬空膜片以及设置在悬空膜片上的薄膜加热器和吸附薄膜，在所述硅基板对应富集单元的下方设置为空腔。
按照本发明所提供的大面积MEMS膜片型气体富集器，其特征在于，所述富集单元沿气体流动方向分为直线型或者并列型或盘曲型，三者的排列方式如下：
①直线型：所有富集单元从进气口逐个按照一条直线排列到出气口；
②并列型：在进气口处设置玻璃格栅，使气流分配为若干个气流通道，对应每个气流通道并列设置一排富集单元一直到出气口；
③盘曲型：设置若干排整齐排列的富集单元，在排与排或者列与列之间设置玻璃格栅，使气流从进气口到出气口之间成盘曲状流通。
按照本发明所提供的大面积MEMS膜片型气体富集器，其特征在于，所述悬空膜片材料采用氮化硅或二氧化硅。
按照本发明所提供的大面积MEMS膜片型气体富集器，其特征在于，所述薄膜加热器由蛇形金属薄膜构成，材料采用铂、钯、钨、钼、钽及其合金。
按照本发明所提供的大面积MEMS膜片型气体富集器，其特征在于，所述薄膜加热器由蛇形的N型硅或P型硅电阻条构成。
本发明是基于膜片型富集器的结构，每个富集单元都相当于一个单独的膜片型富集器，因此这种大面积富集器阵列并不增加制作工序，只需要重新设计光刻掩膜，按原有的工艺就可完成。通过将数个或数十个富集能力有限的富集单元，以直线型、并列型、盘曲型三种方式中的一种组合成一个新型富集器，使其同时具有热容量小、加热速率快、吸附面积大、吸附总量高等优点。根据富集器工作的基本原理，这些优点很好地提高了富集器的富集率，是一种富集能力很强的高效富集器。
附图说明
图1为Sandia富集器的结构示意图；
图2为本发明的直线型大面积富集器结构示意图；
图3为本发明的并列型大面积富集器结构示意图；
图4为本发明的盘曲型大面积富集器结构示意图；
图5为本发明的另一种盘曲型大面积富集器结构示意图。
其中，1为基底；2为膜片；3为加热器；4空腔，5为吸附材料；6为顶盖；7为气流通道；8为进气口；9为出气口；10为硅边框；11悬空膜片；12为加热元件；13为硅框架；14为选择性吸附薄膜；15为玻璃顶盖；16为玻璃格栅；17为气体分配通道。
具体实施方式
下面结合附图以及实施例对本发明作进一步描述：
实施例1-直线型
图2为富集单元按照直线型排列的大面积富集器结构示意图，共含4个富集单元，当然也可由更多的富集单元构成。主要结构包硅边框10、SiN膜片(悬空膜片11)、加热元件12、硅框架13、选择性吸附薄膜14、玻璃顶盖15。一般采用约500μm厚的硅作为基底。在基底正面采用等离子体增加化学气相沉积技术(PECVD)制备约1μm的SiN薄膜层(悬空膜片11)，也可以采用二氧化硅薄膜。随后按照直线型组合方式的设计，制作4个蛇形加热元件12。加热材料采用铂薄膜，膜厚约200nm，尺寸为1.8mm×1.8mm，由溅射法沉积并由光刻工艺获得加热器的蛇形图案。加热器材料也可以是金属钯、钨、钼、钽及其合金。然后采用反应离子刻蚀技术(DRIE)将加热器下方的硅基底腐蚀掉，形成面积约2mm×2mm、深500μm的空腔4，空腔上方是悬空的SiN膜片层，以保证加热器具有小的热容量和高的绝热性。空腔与空腔之间是0.5mm宽、500μm厚的硅框架13，对SiN膜片有很好的支撑作用。随后在加热元件12上采用喷涂法沉积一层选择性吸附薄膜14，薄膜的厚度为数μm，吸附材料根据所要富集的气体来决定。最后在膜片的正面设置玻璃顶盖，主要作用是在吸附薄膜之上形成气体流动的通道7，顶盖与吸附薄膜之间的距离在500μm左右，这样可以保证气体与吸附薄膜充分接触。玻璃顶盖比SiN薄膜的面积稍大，采用硅玻键合技术与硅基底紧密连接。在玻璃顶盖的两端上侧分别刻蚀出两个毛细孔，作为进气口8和出气口9。
直线型组合方式是大面积MEMS膜片型气体富集器中最简单的组合方式。若采用聚甲基[3-(2-羟基)苯基]丙基硅氧烷(PMPS)作为选择性吸附膜，神经毒气模拟剂甲基膦酸二甲酯(DMMP)作为测试气体，单元结构的膜片型富集器升温到250℃约需30ms，其富集率约为50；而直线型组合的大面积MEMS膜片型气体富集器的富集率可达110，升温速率不变。
实施例2-并列型
图3为16个富集单元构成的大面积富集器结构示意图，相当于是将4列直线型富集器并列在一起，每列4个富集单元。为了使各列的气流均匀，在进气口8和出气口9分别设计了气体分配通道17，使得气路一分为二，再二分为四，并保证每个气路的路程相等，从而使16个富集单元能够均匀地与气体接触，保证每个富集单元具有相同的吸附功能。并列型组合方式比直线型具有更大的吸附面积，其对DMMP的富集率可达到240。
实施例3-盘曲型1
图4为16个富集单元按盘曲型排列的大面积富集器结构示意图，其特征是在玻璃顶盖15上刻蚀有玻璃格栅16，这样当玻璃顶盖15与硅基底键合在一起后，这些玻璃格栅16在富集器内部形成固定的气路，使气体沿盘曲型的气路依次通过16个富集器单元。玻璃格栅16的宽约0.5mm，格栅之间以及格栅与顶盖边缘的距离为3mm，吸附单元在两个格栅之间的正中间位置，同一列的两个吸附单元之间的距离为0.5mm。
实施例4-盘曲型2
图5为16个富集单元按另一种盘曲方式排列的大面积富集器结构示意图，与图4相比，气体从入口侧的中央进入，并立刻在富集器内部分裂为两个气路，形成各自的蛇形路径，并最终汇聚在一起，由位于出口侧中央的排气口排出。

Claims (5)

1、一种大面积MEMS膜片型气体富集器，包括一个硅基板、一个顶盖和设置在硅基板和顶盖之间的富集区，所述顶盖设置有进气口和出气口，其特征在于，所述富集区由多个富集单元构成，每个富集单元具有一个悬空膜片以及设置在悬空膜片上的薄膜加热器和吸附薄膜，在所述硅基板对应富集单元的下方设置为空腔。
2、根据权利要求1所述的大面积MEMS膜片型气体富集器，其特征在于，所述富集单元沿气体流动方向分为直线型或者并列型或盘曲型，三者的排列方式如下：
①直线型：所有富集单元从进气口逐个按照一条直线排列到出气口；
②并列型：在进气口处设置玻璃格栅，使气流分配为若干个气流通道，对应每个气流通道并列设置一排富集单元一直到出气口；
③盘曲型：设置若干排整齐排列的富集单元，在排与排或者列与列之间设置玻璃格栅，使气流从进气口到出气口之间成盘曲状流通。
3、根据权利要求1所述的大面积MEMS膜片型气体富集器，其特征在于，所述悬空膜片材料采用
Figure A2009100596540002C1
氮化硅或二氧化硅。
4、根据权利要求1所述的大面积MEMS膜片型气体富集器，其特征在于，所述薄膜加热器由蛇形金属薄膜构成，材料采用铂、钯、钨、钼、钽及其合金。
5、根据权利要求1所述的大面积MEMS膜片型气体富集器，其特征在于，所述薄膜加热器由蛇形的N型硅或P型硅电阻条构成。
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