一種基於聚醯亞胺薄膜的膜片型氣體富集器的製作方法

2023-06-07 18:31:41 1

專利名稱：一種基於聚醯亞胺薄膜的膜片型氣體富集器的製作方法
技術領域：
本發明涉及氣體富集器技術領域，具體涉及一種基於聚醯亞胺薄膜的膜片型 氣體富集器。
背景技術：
對極低濃度氣氛的檢測一直是各種分析儀器面臨的巨大挑戰，在氣相色鐠
(GC)、質語(MS)、離子遷移譜(IMS)、聲表面波傳感器(SAW)、火焰離子探測器 (FID)等分析系統的前端設置富集器可以使系統的探測能力提升1-3個數量級， 富集器業已成為高靈敏氣體測試系統一個不可或缺的重要組成部件。
富集器主要由吸附材料和加熱器構成，其工作原理是首先使待測氣體通過 吸附材料，富集一段時間後，加熱吸附材剩4吏吸附氣體在短時間內解吸附，從 而得到高濃度氣體。富集後與富集前氣體濃度的比值f稱為富集率，它是表徵富 集器性能優劣的最重要指標。影響富集率的因素主要有吸附面積、升溫速率、 氣體流量、吸附時間等。
傳統的富集器是管狀結構，內充吸附材料，外纏加熱絲或利用不鏽鋼外殼 加熱。這種富集器熱容大、熱效率低，因而升溫慢，氣體解吸附的譜峰寬，富 集能力較差。而採用微機械加工技術(MEMS)製備的新型富集器與管式富集器 相比，由於熱容小，熱效率高，升溫時間可縮短至數十毫秒，因此獲得的瞬態 濃度遠遠高於傳統的管式富集器，成為富集器新的研究方向。文獻Trends in Analytical Chemistry, 2008, 27(4): 327-343對MEMS氣體富集器近年來的研究現 狀進行了系統總結。
文獻USP6171378;正EE International Frequency Control Symposium, 1999， 991—996; IEEE Sensor Journal, 2006， 6(3): 784-795報導了美國Sandia實驗室研製 的膜片式氣體富集器，其主要特點是採用了低應力的SiN懸空薄膜做膜片，膜 片上設置有Pt薄膜加熱器和化學吸附膜。該富集器儘管具有加熱速率快的優點， 但為了保證SiN膜片的機械強度，膜片的尺寸很小，僅為2.2 x 2.2mm2，制約了
3富集率的才是高。
文獻Sensors & Actuators B, 2007， 126: 447~454報導了美國海軍實驗室研製 的名為CASPAR的富集器，採用聚醯亞胺薄膜(PI)估文膜片，並且PI膜的一半面 積是通孔，氣流垂直於膜片流動，通過提高氣體流量(可達100L/min)來提高 富集率。但是，CASPAR富集器相當於一個篩子，氣流垂直於篩面流過，減少 了與篩面上吸附薄膜的有效接觸，不利於提高富集率。而且，富集器作為氣體 探測器的一部分，其氣體流量必然受到探測器適用的流量範圍的限制。對於某 些探測器，CASPAR大的氣體流量的優勢無M揮。

發明內容
本發明所要解決的問題是如何提供一種膜片型氣體富集器，該富集器能克 服現有技術中所存在的一些缺陷，不僅保持熱容小、加熱速率快、功耗低的優點， 還能增大富集器的吸附面積，增加吸附薄膜與目標氣體的有效接觸，從而提高氣 體的總吸附量，獲得更大的富集效率。
本發明所提出的技術問題是這樣解決的提供一種基於聚醯亞胺薄膜的膜 片型氣體富集器，包括一個矽基板、 一個頂蓋和設置在矽基板和頂蓋之間的富 集區，所述富集區包括懸空膜片、薄膜加熱器和吸附薄膜，所述懸空膜片設置 在矽基板上，所述薄膜加熱器和吸附薄膜設置在懸空膜片表面上，所述頂蓋設 置有進氣口和出氣口，在懸空膜片和頂蓋之間形成氣流通道，其特徵在於，所 述懸空膜片採用聚醯亞胺薄膜，且不設穿孔，氣流通道中的氣流沿其表面流動。
按照本發明所提供的基於聚醯亞胺的膜片型氣體富集器，其特徵在於，懸 空膜片的尺寸為5 x5 mm2~50x50mm2。
按照本發明所提供的基於聚醯亞胺薄膜的膜片型氣體富集器，其特徵在於， 在薄膜加熱器與吸附薄膜之間設置有一層導熱薄膜，材料採用矽、氮化鋁、氮
化矽或氧化鋁。
按照本發明所提供的基於聚醯亞胺薄膜的膜片型氣體富集器，其特徵在於， 所述薄膜加熱器由蛇形金屬薄膜構成，材料採用鉑、鈀、鎢、鉬、鉭及其合金 中的一種。
本發明的實質是在美國Sandia富集器結構的基礎上，用聚醯亞胺膜片替換
4原來的SiN膜片。由於聚醯亞胺是一種耐高溫的聚合物材料，且具有柔性，與剛 性的無機膜片如SiN、 Si02等相比，不存在隨著膜片尺寸的增大因機械強度不夠 而導致膜片破裂的問題。因此，採用聚醯亞胺做膜片，可以將膜片的尺寸做得更 大，從而提高富集率。美國海軍實驗室的CASPAR富集器證實了聚醯亞胺做膜 片可以實現更大的空腔結構(7.5x7.5mm2),但CASPAR富集器相當於一個篩子， 聚醯亞胺膜片有一半的面積是穿孔的，氣流垂直於篩面流過，減少了與篩面上吸 附薄膜的有效接觸，不利於提高富集率。本發明綜合了美國上述兩種富集器的優 勢，取長補短，利用聚醯亞胺薄膜構建平板型的富集器結構，在有效增大富集面 積的同時，也兼顧了氣流與吸附薄膜的有效接觸，從而提高了富集率。本發明的 富集器簡化了工藝流程，與美國Sandia富集器相比，不需要採用昂貴的化學氣 相沉積技術製備SiN或SiOz膜片；與CASPAR富集器相比，不需要採用氧等離 子體刻蝕技術在聚醯亞胺薄膜上製備穿孔。


圖1為本發明的基於聚醯亞胺膜片的氣體富集器結構示意圖2為本發明的帶導熱層的基於聚醯亞胺膜片的氣體富集器結構示意圖。
其中，l為矽基底；2為懸空膜片；3為薄膜加熱器；4為吸附薄膜；5為
空腔；6為頂蓋；7為氣流通道；8為進氣口； 9為出氣口； IO為導熱薄膜。
具體實施例方式
下面結合附圖以及實施例對本發明作進一步描述
本發明所提供的膜片型氣體富集器，是包括一個矽基板l、 一個頂蓋6和設 置在矽基板1和頂蓋6之間的富集區，富集區包括懸空膜片2、薄膜加熱器和吸 附薄膜，所述懸空膜片2設置在矽基板上，所述薄膜加熱器3和吸附薄膜4設 置在懸空膜片2表面上，所述頂蓋設置有進氣口 8和出氣口 8,在懸空膜片2和 頂蓋6之間形成氣流通道7，懸空膜片2採用聚醯亞胺薄膜，且不設穿孔，氣流 通道7中的氣流沿其表面流動，其中懸空膜片的尺寸為5 x5 mm2~50x50mm2， 在薄膜加熱器3與吸附薄膜4之間設置有一層導熱薄膜10，材料採用矽、氮化 鋁、氮化矽或氧化鋁，薄膜加熱器3由蛇形金屬薄膜構成，材料採用鉑、鈀、 鎢、鉬、鉭及其合金中的一種。實施例l一聚醯亞胺膜片型氣體富集器
圖1為基於聚醯亞胺膜片的氣體富集器結構示意圖，主要包括石圭基底l、懸
空膜片2 (聚醯亞胺薄膜)、薄膜加熱器3、吸附薄膜4、空腔5、頂蓋6(玻璃 頂蓋)、氣體通道7、進氣口 8、出氣口 9。 一般採用約5001im厚的矽作為基底。 首先在矽基底1正面釆用旋塗法製備聚醯亞胺薄膜，然後在氮氣氣氛下38(TC固 化，具體工藝為以2°C/s的升溫速率加熱至120°C，保溫15分鐘，以同樣的 速率加熱至220X:保溫30分鐘，最後加熱至380。C保溫1小時。聚醯亞胺薄膜 製備完成以後，用磁控濺射法在其上沉積約200nm厚的金屬鉑薄膜，並經光刻 腐蝕形成蛇形的薄膜加熱器3。然後採用反應離子刻蝕技術(DRIE)將加熱器下 方的珪基底1腐蝕掉，形成面積約20mmx20mm、深500pm的空腔5,空腔上 方的聚醯亞胺形成懸空膜片2。然後在加熱元件3上採用噴塗法沉積一層選擇性 吸附薄膜4，薄膜的厚度為數微米，吸附材料根據所要富集的氣體來決定。最後 在膜片的正面設置頂蓋6，主要作用是在吸附薄膜之上形成氣體流動的氣流通道 7，頂蓋與吸附薄膜之間的距離在500阿左右，這樣可以保證氣體與吸附薄膜充 分接觸。玻璃頂蓋比聚醯亞胺薄膜的面積稍大，採用矽玻鍵合技術與矽基底緊 密連接。在玻璃頂蓋的兩端上側分別刻蝕出兩個毛細孔，作為進氣口 8和出氣 o 9。
在該實施例中，採用聚曱基[3-(2-羥基)苯基]丙基矽氧烷(PMPS)作為選擇性 吸附膜，神經毒氣模擬劑曱基膦酸二曱酯(DMMP)作為測試氣體，該富集器可在 約150ms的時間內升溫到250°C,富集率可達280。
實施例2—帶導熱層的聚醯亞胺膜片型氣體富集器
圖2為本發明的帶導熱層的聚醯亞胺膜片型氣體富集器結構示意圖。其主 要的實施方法和例1相同，不同之處在於在製備完加熱元件3以後，採用射頻 賊射法在加熱元件3上製備一層A1N薄膜作為導熱薄膜10，膜厚約lpm,然後 再在其上沉積吸附薄膜4。由於A1N具有優良的導熱性能，因此該富集器的升 溫速率更快，可在70s內升溫到250°C，富集率也有所提高，約為340。
權利要求
1、一種基於聚醯亞胺薄膜的膜片型氣體富集器，包括一個矽基板、一個頂蓋和設置在矽基板和頂蓋之間的富集區，所述富集區包括懸空膜片、薄膜加熱器和吸附薄膜，所述懸空膜片設置在矽基板上，所述薄膜加熱器和吸附薄膜設置在懸空膜片表面上，所述頂蓋設置有進氣口和出氣口，在懸空膜片和頂蓋之間形成氣流通道，其特徵在於，所述懸空膜片採用聚醯亞胺薄膜，且不設穿孔，氣流通道中的氣流沿其表面流動。
2、 根據權利要求1所述的基於聚醯亞胺的膜片型氣體富集器，其特徵在於， 懸空膜片的尺寸為5 x5 mm2~50x50mm2。
3、 根據權利要求l所述的基於聚醯亞胺薄膜的膜片型氣體富集器，其特徵 在於，在薄膜加熱器與吸附薄膜之間設置有一層導熱薄膜，材料採用矽、氮化 鋁、氮化矽或氧化鋁。
4、 根據權利要求l所述的基於聚醯亞胺薄膜的膜片型氣體富集器，其特徵 在於，所述薄膜加熱器由蛇形金屬薄膜構成，材料採用鉑、釔、鴒、鉬、鉭及 其合金中的一種。
全文摘要
本發明公開了一種基於聚醯亞胺薄膜的膜片型氣體富集器，包括一個矽基板、一個頂蓋和設置在矽基板和頂蓋之間的富集區，所述富集區包括懸空膜片、薄膜加熱器和吸附薄膜，所述懸空膜片設置在矽基板上，所述薄膜加熱器和吸附薄膜設置在懸空膜片表面上，所述頂蓋設置有進氣口和出氣口，在懸空膜片和頂蓋之間形成氣流通道，其特徵在於，所述懸空膜片採用聚醯亞胺薄膜，且不設穿孔，氣流通道中的氣流沿其表面流動。由於聚醯亞胺薄膜具有良好的韌性，因此聚醯亞胺膜片的尺寸可以遠遠大於無機剛性材料如SiN、SiO2的膜片而不會破裂，不僅有效增大了富集面積，同時還兼顧了氣流與吸附薄膜的有效接觸，從而提高了富集率。
文檔編號G01N30/00GK101603956SQ20091005998
公開日2009年12月16日 申請日期2009年7月14日 優先權日2009年7月14日
發明者夏樂洋, 杜曉松, 華 肖, 蔣亞東 申請人:電子科技大學