[发明专利]一种大面积MEMS膜片型气体富集器

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 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。 

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；②IEEE International 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和硅框架，硅框架环绕在悬空膜片四周，在悬空膜片上设置有薄膜加热器和吸附薄膜，多个悬空膜片的总面积大于16mm2。 

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。