CN206460008U - 一种含有流线型椭圆微柱阵列的微色谱柱 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种含有流线型椭圆微柱阵列的微色谱柱，所述微色谱柱包括：微沟道；以及椭圆微柱阵列，周期性排列于所述微沟道内，椭圆微柱的长轴与待测组分的流动方向平行，短轴方向与待测组分的流动方向相垂直，所述椭圆微柱的长轴与短轴的长度比为2:1~4:1。本实用新型将微色谱柱的微柱设计为具有流线型结构的椭圆微柱，一方面可以使得微柱后所形成的“准零流速区”的区域大大缩小，以提高微色谱柱内固定相涂敷的均匀性；另一方面可以使得柱内的流速分布更均匀，以抑制色谱峰型的展宽。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种属于微电子机械系统领域，特别是涉及一种含有流线型椭圆微柱阵列的微色谱柱。
背景技术
气相色谱柱的主要功能是对待分析的混合样品气体进行分离，它是气相色谱仪的核心部件。传统的气相色谱柱包括毛细管柱、填充柱等，由于体积较大，需要专门的柱温箱为其加热，其功耗达几千瓦，因此为了实现气相色谱仪的微型化，气相色谱柱的微型化至关重要。
自上世纪70年代末以来，人们开始尝试在硅片上通过腐蚀/刻蚀的方法制作微色谱柱芯片。为了提高硅基微色谱柱的分离效率，研究者对其几何结构进行了优化设计，并取得了重要进展。对色谱柱在硅片上的布局研究表明蛇形布局优于螺旋形；色谱柱横截面有圆形和矩形之分，高深宽比的矩形柱性能更佳。
为了进一步增加柱内表面积，研究者在柱内设计了规则排列的微柱结构阵列，即所谓半填充式柱结构，这种微色谱柱具有易于涂敷固定相、分离效率高等优点。目前所报道的微柱结构有方形微柱和圆形微柱，但我们通过研究发现，当气体流经这些微柱结构时在微柱后均存在较大的“准零流速区”，这将导致微色谱柱内固定相涂敷不均匀，另外由于流速分布不均匀，将导致最后所获得的色谱峰型展宽。
为了解决上述问题，本实用新型提出了一种含有流线型椭圆微柱阵列的微色谱柱及制备方法。
实用新型内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种含有流线型椭圆微柱阵列的微色谱柱及其制备方法，用于解决现有技术中方形微柱和圆形微柱所导致的固定相涂敷不均匀和色谱峰型展宽问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种含有流线型椭圆微柱阵列的微色谱柱，所述微色谱柱包括：微沟道；以及椭圆微柱阵列，周期性排列于所述微沟道内，椭圆微柱的长轴与待测组分的流动方向(即沿着微沟道方向，如图4中14所示)平行，短轴方向与待测组分的流动方向相垂直，所述椭圆微柱的长轴与短轴的长度比为2:1～4:1。
作为本实用新型的含有流线型椭圆微柱阵列的微色谱柱的一种优选方案，所述微色谱柱包括：硅衬底；微沟道，形成于所述硅衬底中；微流控端口，形成于所述微沟道两端；椭圆微柱阵列，周期性排列于所述微沟道内，椭圆微柱的长轴与待测组分的流动方向平行，短轴方向与待测组分的流动方向相垂直，所述椭圆微柱的长轴与短轴的长度比为2:1～4:1。
作为本实用新型的含有流线型椭圆微柱阵列的微色谱柱的一种优选方案，在长轴的方向上，相邻两椭圆微柱的柱心距与长轴的长度比为1:1～5:3，在短轴方向上，相邻两椭圆微柱的柱心距与短轴的长度比为5:2～9:2。
作为本实用新型的含有流线型椭圆微柱阵列的微色谱柱的一种优选方案，所述椭圆微柱的长轴与短轴的长度比为2.5:1～3.5:1，在长轴的方向上，相邻两椭圆微柱的柱心距与长轴的长度比为3.5:3～4.5:3，在短轴方向上，相邻两椭圆微柱的柱心距与短轴的长度比为6.5:2～7.5:2。
作为本实用新型的含有流线型椭圆微柱阵列的微色谱柱的一种优选方案，所述微沟道的截面呈矩形，该矩形的宽度范围为100～530μm，深度范围为100～550μm。
作为本实用新型的含有流线型椭圆微柱阵列的微色谱柱的一种优选方案，所述椭圆微柱的长轴长度为16～170μm，短轴长度为6～64μm，在长轴的方向上，相邻两椭圆微柱的柱心距的范围为16～283μm，在短轴方向上，相邻两椭圆微柱的柱心距的范围为15～288μm。优选地，所述椭圆微柱的长轴长度为20～148μm，短轴长度为7～51μm，在长轴的方向上，相邻两椭圆微柱的柱心距的范围为23～223μm，在短轴方向上，相邻两椭圆微柱的柱心距的范围为22～191μm。
作为本实用新型的含有流线型椭圆微柱阵列的微色谱柱的一种优选方案，所述微沟道包括多个平行排列的子微沟道，各子微沟道的通过U型沟道首尾相连。
本实用新型还提供一种含有流线型椭圆微柱阵列的微色谱柱的制备方法，包括步骤：步骤1)，提供一硅衬底，采用光刻-刻蚀工艺于所述硅衬底中制作出微沟道及微流控端口，所述微沟道内包含椭圆微柱阵列，椭圆微柱的长轴与待测组分的流动方向平行，短轴方向与待测组分的流动方向相垂直，所述椭圆微柱的长轴与短轴的长度比为2:1～4:1；步骤2)，提供一玻璃基底，将所述硅衬底具有微沟道的一面与所述玻璃基底进行键合。
作为本实用新型的含有流线型椭圆微柱阵列的微色谱柱的制备方法的一种优选方案，步骤1)中，以二氧化硅及光刻胶中的一种或两种作为掩膜，采用DRIE工艺于所述硅衬底中刻蚀出微沟道及微流控端口。
作为本实用新型的含有流线型椭圆微柱阵列的微色谱柱的制备方法的一种优选方案，步骤2)中，将玻璃基底置于键合机的阴极，硅衬底置于键合机的阳极进行硅-玻璃阳极键合。
作为本实用新型的含有流线型椭圆微柱阵列的微色谱柱的制备方法的一种优选方案，在长轴的方向上，相邻两椭圆微柱的柱心距与长轴的长度比为1:1～5:3，在短轴方向上，相邻两椭圆微柱的柱心距与短轴的长度比为5:2～9:2。
作为本实用新型的含有流线型椭圆微柱阵列的微色谱柱的制备方法的一种优选方案，所述椭圆微柱的长轴与短轴的长度比为2.5:1～3.5:1，在长轴的方向上，相邻两椭圆微柱的柱心距与长轴的长度比为3.5:3～4.5:3，在短轴方向上，相邻两椭圆微柱的柱心距与短轴的长度比为6.5:2～7.5:2。
作为本实用新型的含有流线型椭圆微柱阵列的微色谱柱的制备方法的一种优选方案，所述微沟道的截面呈矩形，该矩形的宽度范围为100～530μm，深度范围为100～550μm。
作为本实用新型的含有流线型椭圆微柱阵列的微色谱柱的制备方法的一种优选方案，所述椭圆微柱的长轴长度为16～170μm，短轴长度为6～64μm，在长轴的方向上，相邻两椭圆微柱的柱心距的范围为16～283μm，在短轴方向上，相邻两椭圆微柱的柱心距的范围为15～288μm。优选地，所述椭圆微柱的长轴长度为20～148μm，短轴长度为7～51μm，在长轴的方向上，相邻两椭圆微柱的柱心距的范围为23～223μm，在短轴方向上，相邻两椭圆微柱的柱心距的范围为22～191μm。
作为本实用新型的含有流线型椭圆微柱阵列的微色谱柱的制备方法的一种优选方案，所述微沟道包括多个平行排列的子微沟道，各子微沟道的通过U型沟道首尾相连。
如上所述，本实用新型的含有流线型椭圆微柱阵列的微色谱柱及其制备方法，具有以下有益效果：
本实用新型将微色谱柱的微柱设计为具有流线型结构的椭圆微柱，一方面可以使得微柱后所形成的“准零流速区”的区域大大缩小，以提高微色谱柱内固定相涂敷的均匀性；另一方面可以使得柱内的流速分布更均匀，以抑制色谱峰型的展宽。本实用新型结构和制备工艺简单，可以有效提高微色谱柱的检测性能，在微电子机械系统领域尤其是微色谱柱的设计及制备领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1～图4显示为本实用新型的含有流线型椭圆微柱阵列的微色谱柱的制备方法各步骤所呈现的结构，其中，图1～图3为微色谱柱的截面结构示意图，图4为刻蚀出微沟道和微流控端口后的硅衬底的扫描电镜图，其中，微沟道内部包含有一系列按照一定规则排列的流线型椭圆微柱阵列。
图5a～图5b显示为含有圆形微柱阵列的微色谱柱内的流速分布图。
图6a～图6b显示为本实用新型的含有流线型椭圆微柱阵列的微色谱柱内的流速分布图。
元件标号说明
1 微沟道
11 椭圆微柱
12 微沟道壁
13 微流控端口
14 待测组分流动方向
2 硅衬底
3 玻璃基底
41、42 准零流速区
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1～图6b。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图示中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图4所示，本实施例提供一种含有流线型椭圆微柱11阵列的微色谱柱，所述微色谱柱包括：微沟道1；以及椭圆微柱11阵列，周期性排列于所述微沟道1内，椭圆微柱11的长轴与待测组分的流动方向14平行，短轴方向与待测组分的流动方向14相垂直，所述椭圆微柱11的长轴与短轴的长度比为2:1～4:1。
具体地，如图4所示，所述含有流线型椭圆微柱11阵列的微色谱柱包括：硅衬底2；微沟道1，形成于所述硅衬底2中；微流控端口13，形成于所述微沟道1两端；椭圆微柱11阵列，周期性排列于所述微沟道1内，椭圆微柱11的长轴与待测组分的流动方向14平行，短轴方向与待测组分的流动方向14相垂直，所述椭圆微柱11的长轴与短轴的长度比为2:1～4:1。
在本实施例中，所述待测组分为气体。
作为示例，在长轴的方向上，相邻两椭圆微柱11的柱心距与长轴的长度比为1:1～5:3，在短轴方向上，相邻两椭圆微柱11的柱心距与短轴的长度比为5:2～9:2。所述微沟道1的截面呈矩形，该矩形的宽度范围为100～530μm，深度范围为100～550μm。所述椭圆微柱11的长轴长度为16～170μm，短轴长度为6～64μm，在长轴的方向上，相邻两椭圆微柱11的柱心距的范围为16～283μm，在短轴方向上，相邻两椭圆微柱11的柱心距的范围为15～288μm。
在本实施例中，所述椭圆微柱11的长轴与短轴的长度比为2.5:1～3.5:1，在长轴的方向上，相邻两椭圆微柱11的柱心距与长轴的长度比为3.5:3～4.5:3，在短轴方向上，相邻两椭圆微柱11的柱心距与短轴的长度比为6.5:2～7.5:2。所述微沟道1的截面呈矩形，该矩形的宽度范围为100～530μm，深度范围为100～550μm。所述椭圆微柱11的长轴长度为20～148μm，短轴长度为7～51μm，在长轴的方向上，相邻两椭圆微柱11的柱心距的范围为23～223μm，在短轴方向上，相邻两椭圆微柱11的柱心距的范围为22～191μm。与方形微柱和圆形微柱相比较，在这个设计的尺寸下，可以使得微柱后所形成的“准零流速区”的区域大大缩小，以提高微色谱柱内固定相涂敷的均匀性；并且可以使得柱内的流速分布更均匀，以抑制色谱峰型的展宽。
具体地，所述椭圆微柱11的长轴与短轴的长度比为3:1，在长轴的方向上，相邻两椭圆微柱11的柱心距与长轴的长度比为4:3，在短轴方向上，相邻两椭圆微柱11的柱心距与短轴的长度比为7:2。在一具体的尺寸设计中，所述微沟道1的截面呈矩形，该矩形的宽度为250μm，深度为300μm。所述椭圆微柱11的长轴长度为60μm，短轴长度为20μm，在长轴的方向上，相邻两椭圆微柱11的柱心距的范围为80μm，在短轴方向上，相邻两椭圆微柱11的柱心距的范围为70μm。在这个设计的尺寸下，可以使得微柱后所形成的“准零流速区”的区域极大的缩小，大大提高微色谱柱内固定相涂敷的均匀性；并且可以使得柱内的流速分布极为均匀，进一步抑制色谱峰型的展宽。值得注意的是，图4中每排只有3个椭圆柱，只画出了9列微沟道，事实上，椭圆柱的每排的排列个数、椭圆柱在微沟道内如何排列、微沟道的长度，都可根据实际需要进行选择。
如图4所示，在本实施例中，所述微沟道1包括多个平行排列的子微沟道，各子微沟道的通过U型沟道首尾相连，各子微沟道通过微沟道壁12隔离。这种设计可以大大提高微色谱柱的分离性能。
图5a图5b显示为现有的含有圆形微柱阵列的微色谱柱内的流速分布图，图6a～图6b显示为本实用新型的含有流线型椭圆微柱11阵列的微色谱柱内的流速分布图，可以看出，与圆形微柱阵列相比较，本实用新型的椭圆微柱11阵列的柱后的“准零流速区(图中分别标号为41及42)”更小；椭圆微柱11阵列的柱间流速分布AA’处和柱后流速分布BB’处更接近、流速分布更均匀。
如图1～图4所示，本实施例还提供一种含有流线型椭圆微柱11阵列的微色谱柱的制备方法，包括步骤：
如图1～图2所示，步骤1)，提供一硅衬底2，采用光刻-刻蚀工艺于所述硅衬底2中制作出微沟道1及微流控端口13，所述微沟道1内包含椭圆微柱11阵列，椭圆微柱11的长轴与待测组分的流动方向平行，短轴方向与待测组分的流动方向相垂直，所述椭圆微柱11的长轴与短轴的长度比为2:1～4:1。
作为示例，以二氧化硅及光刻胶中的一种或两种作为掩膜，采用DRIE工艺于所述硅衬底2中刻蚀出微沟道1及微流控端口13。
在本实施例中，所述待测组分为气体。
刻蚀完成后的器件俯视图如图4所示，在长轴的方向上，相邻两椭圆微柱11的柱心距与长轴的长度比为1:1～5:3，在短轴方向上，相邻两椭圆微柱11的柱心距与短轴的长度比为5:2～9:2。所述微沟道1的截面呈矩形，该矩形的宽度范围为100～530μm，深度范围为100～550μm。所述椭圆微柱11的长轴长度为16～170μm，短轴长度为6～64μm，在长轴的方向上，相邻两椭圆微柱11的柱心距的范围为16～283μm，在短轴方向上，相邻两椭圆微柱11的柱心距的范围为15～288μm。
在本实施例中，所述椭圆微柱11的长轴与短轴的长度比为2.5:1～3.5:1，在长轴的方向上，相邻两椭圆微柱11的柱心距与长轴的长度比为3.5:3～4.5:3，在短轴方向上，相邻两椭圆微柱11的柱心距与短轴的长度比为6.5:2～7.5:2。所述微沟道1的截面呈矩形，该矩形的宽度范围为100～530μm，深度范围为100～550μm。所述椭圆微柱11的长轴长度为20～148μm，短轴长度为7～51μm，在长轴的方向上，相邻两椭圆微柱11的柱心距的范围为23～223μm，在短轴方向上，相邻两椭圆微柱11的柱心距的范围为22～191μm。与方形微柱和圆形微柱相比较，在这个设计的尺寸下，可以使得微柱后所形成的“准零流速区”的区域大大缩小，以提高微色谱柱内固定相涂敷的均匀性；并且可以使得柱内的流速分布更均匀，以抑制色谱峰型的展宽。
具体地，所述椭圆微柱11的长轴与短轴的长度比为3:1，在长轴的方向上，相邻两椭圆微柱11的柱心距与长轴的长度比为4:3，在短轴方向上，相邻两椭圆微柱11的柱心距与短轴的长度比为7:2。在一具体的尺寸设计中，所述微沟道1的截面呈矩形，该矩形的宽度为250μm，深度为300μm。所述椭圆微柱11的长轴长度为60μm，短轴长度为20μm，在长轴的方向上，相邻两椭圆微柱11的柱心距的范围为80μm，在短轴方向上，相邻两椭圆微柱11的柱心距的范围为70μm。在这个设计的尺寸下，可以使得微柱后所形成的“准零流速区”的区域极大的缩小，大大提高微色谱柱内固定相涂敷的均匀性；并且可以使得柱内的流速分布极为均匀，进一步抑制色谱峰型的展宽。值得注意的是，图4中每排只有3个椭圆柱，只画出了9列微沟道，事实上，椭圆柱的每排的排列个数、椭圆柱在微沟道内如何排列、微沟道的长度，都可根据实际需要进行选择。
如图4所示，在本实施例中，所述微沟道1包括多个平行排列的子微沟道，各子微沟道的通过U型沟道首尾相连，各子微沟道通过微沟道壁12隔离。这种设计可以大大提高微色谱柱的分离性能。
如图3所示，然后进行步骤2)，提供一玻璃基底3，将所述硅衬底2具有微沟道1的一面与所述玻璃基底3进行键合。
在本实施例中，将玻璃基底3置于键合机的阴极，硅衬底2置于键合机的阳极进行硅-玻璃阳极键合。
接着进行步骤3)，键合完成后划片获得色谱柱芯片。
最后进行步骤4)，在两个微流控端口安装固定毛细管，以完成含有流线型椭圆微柱阵列的微色谱柱芯片的制备。
如上所述，本实用新型的含有流线型椭圆微柱阵列的微色谱柱及其制备方法，具有以下有益效果：
本实用新型将微色谱柱的微柱设计为具有流线型结构的椭圆微柱，一方面可以使得微柱后所形成的“准零流速区”的区域大大缩小，以提高微色谱柱内固定相涂敷的均匀性；另一方面可以使得柱内的流速分布更均匀，以抑制色谱峰型的展宽。本实用新型结构和制备工艺简单，可以有效提高微色谱柱的检测性能，在微电子机械系统领域尤其是微色谱柱的设计及制备领域具有广泛的应用前景。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。
Claims (8)
1.一种含有流线型椭圆微柱阵列的微色谱柱，其特征在于，所述微色谱柱包括：
微沟道；
椭圆微柱阵列，周期性排列于所述微沟道内，椭圆微柱的长轴与待测组分的流动方向平行，短轴方向与待测组分的流动方向相垂直，所述椭圆微柱的长轴与短轴的长度比为2:1～4:1。
2.根据权利要求1所述的含有流线型椭圆微柱阵列的微色谱柱，其特征在于，所述微色谱柱包括：
硅衬底；
微沟道，形成于所述硅衬底中；
微流控端口，形成于所述微沟道两端；
椭圆微柱阵列，周期性排列于所述微沟道内，椭圆微柱的长轴与待测组分的流动方向平行，短轴方向与待测组分的流动方向相垂直，所述椭圆微柱的长轴与短轴的长度比为2:1～4:1。
3.根据权利要求1或2所述的含有流线型椭圆微柱阵列的微色谱柱，其特征在于：在长轴的方向上，相邻两椭圆微柱的柱心距与长轴的长度比为1:1～5:3，在短轴方向上，相邻两椭圆微柱的柱心距与短轴的长度比为5:2～9:2。
4.根据权利要求1或2所述的含有流线型椭圆微柱阵列的微色谱柱，其特征在于：所述椭圆微柱的长轴与短轴的长度比为2.5:1～3.5:1，在长轴的方向上，相邻两椭圆微柱的柱心距与长轴的长度比为3.5:3～4.5:3，在短轴方向上，相邻两椭圆微柱的柱心距与短轴的长度比为6.5:2～7.5:2。
5.根据权利要求1或2所述的含有流线型椭圆微柱阵列的微色谱柱，其特征在于：所述微沟道的截面呈矩形，该矩形的宽度范围为100～530μm，深度范围为100～550μm。
6.根据权利要求1或2所述的含有流线型椭圆微柱阵列的微色谱柱，其特征在于：所述椭圆微柱的长轴长度为16～170μm，短轴长度为6～64μm，在长轴的方向上，相邻两椭圆微柱的柱心距的范围为16～283μm，在短轴方向上，相邻两椭圆微柱的柱心距的范围为15～288μm。
7.根据权利要求6所述的含有流线型椭圆微柱阵列的微色谱柱，其特征在于：所述椭圆微柱的长轴长度为20～148μm，短轴长度为7～51μm，在长轴的方向上，相邻两椭圆微柱的柱心距的范围为23～223μm，在短轴方向上，相邻两椭圆微柱的柱心距的范围为22～191μm。
8.根据权利要求1或2所述的含有流线型椭圆微柱阵列的微色谱柱，其特征在于：所述微沟道包括多个平行排列的子微沟道，各子微沟道的通过U型沟道首尾相连。
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