專利名稱：一種雙面膜片微型氣體富集器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣體富集器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種采用MEMS技術(shù)制備的微型氣體
富集器。
背景技術(shù)：
外場(chǎng)環(huán)境下對(duì)痕量的工業(yè)污染、高爆炸藥、毒品、化學(xué)及生物毒劑等的檢測(cè)，需要高靈敏、高選擇、快響應(yīng)、低功耗、便攜型的氣體探測(cè)器。單單依靠氣體傳感器自身已經(jīng)難以滿足要求，需要在傳感器的前端引入微型富集器以提高靈敏度，引入微型色譜以提高選擇性，研制由多個(gè)部件構(gòu)成的氣體探測(cè)器集成系統(tǒng)。在分析化學(xué)領(lǐng)域，富集器已經(jīng)應(yīng)用多年。其工作原理是使待測(cè)氣體通過(guò)吸附材料， 富集一段時(shí)間后，加熱吸附材料使吸附氣體在短時(shí)間內(nèi)解吸，從而得到高濃度氣體。富集器不僅可以提升探測(cè)器的靈敏度1-3個(gè)數(shù)量級(jí)，而且通過(guò)采用合適的吸附薄膜，還可以提高探測(cè)器對(duì)特定目標(biāo)的選擇性。影響富集器效率的因素除了吸附薄膜的本質(zhì)特性以外，主要由吸附薄膜的面積、 氣流的大小和加熱的快慢所決定。當(dāng)富集的氣體分子一樣多時(shí)，加熱速度越快，氣體解吸峰的峰強(qiáng)越高、半高寬越窄?？焖偌訜岬年P(guān)鍵是低熱容的富集器結(jié)構(gòu)，需要采用MEMS技術(shù)制作，文獻(xiàn) Trends in Analytical Chemistry, 2008, 27(4): 327-343 對(duì) MEMS 氣體富集器近年來(lái)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)。在所有的微型富集器中，USP6171378公開(kāi)的二維膜片型富集器(見(jiàn)圖Ia)具有最小的熱容，對(duì)于O. 5 μ m厚的SiN膜片，僅用IOms就能在IOOmW的功率下加熱到200°C，氣體解吸峰的半高寬僅為200ms。但該富集器的缺點(diǎn)也很突出，一是吸附薄膜的面積小，二是富集時(shí)氣體的流量小，導(dǎo)致其富集效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的管式富集器。(參見(jiàn)文獻(xiàn)IEEE Sensor Journal, 2006， 6(3): 784-795 圖 4b)。針對(duì)二維膜片富集器吸附薄膜面積過(guò)小的問(wèn)題，USP7118712和USP7306649公開(kāi)了三維結(jié)構(gòu)的富集器，其特征是在一定厚度的三維材料上設(shè)置多個(gè)穿孔形成氣體的流道， 吸附薄膜涂敷在孔壁。與二維膜片型富集器相比，吸附薄膜的面積可以增大數(shù)十倍，氣體流量也大大增加。蛤殼形富集器(見(jiàn)圖Ib)是三維富集器的典型代表，它是利用魚(yú)鰭狀的平行槽作為吸附薄膜的支撐結(jié)構(gòu)以增大吸附面積，使得其富集率與管式富集器相當(dāng)。蛤殼形富集器也有懸空膜片，薄膜加熱器和魚(yú)鰭狀的吸附支撐結(jié)構(gòu)分別位于膜片的兩面。盡管采用了上述絕熱措施，但由于鰭狀結(jié)構(gòu)增加了熱容，其解吸峰的半高寬增大到2. 3s。(參見(jiàn)文獻(xiàn) IEEE Sensor Journal, 2006， 6(3): 784-795 圖 4b)。對(duì)于集成氣體探測(cè)器而言，當(dāng)其后端設(shè)置有微型色譜時(shí)，富集器還必須起到色譜儀中注入器的作用，要求富集器的氣體解吸峰的半高寬應(yīng)盡量小，否則會(huì)導(dǎo)致色譜譜峰的展寬，降低色譜的性能。可見(jiàn)，三維富集器富集效率的提高是以犧牲快速加熱能力為代價(jià)， 不能滿足集成氣體探測(cè)器對(duì)低熱容、高效率的富集器的需要。二維膜片富集器還存在著在加熱時(shí)膜片易破的問(wèn)題，這是由于設(shè)置在玻璃頂蓋上的進(jìn)/出氣口的截面過(guò)小所致。三維富集器的穿孔結(jié)構(gòu)大大增加了流道截面，很好地改善了這一問(wèn)題。但在USP7118712給出的多個(gè)實(shí)施例中(如圖lb)，三維的吸附支撐結(jié)構(gòu)都是懸掛在一層薄薄的膜片上，膜片會(huì)受到很大的靜態(tài)應(yīng)力，也存在破裂的風(fēng)險(xiǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問(wèn)題是如何在保持膜片型富集器熱容小、加熱速率快、功耗低等優(yōu)點(diǎn)的條件下，有效地提高吸附薄膜的面積，從而獲得更大的富集效率。本發(fā)明所提出的技術(shù)問(wèn)題是這樣解決的一種雙面膜片微型氣體富集器，具有兩個(gè)硅片，每個(gè)硅片上設(shè)置有至少一個(gè)懸空膜片，每個(gè)懸空膜片上制備有薄膜加熱器，兩個(gè)硅片上下對(duì)準(zhǔn)后鍵合形成至少一個(gè)微型氣室，每個(gè)懸空膜片的內(nèi)壁涂敷有吸附薄膜，在微型氣室的側(cè)壁開(kāi)有氣孔以形成多個(gè)微型氣室之間的氣流通道或整個(gè)富集器的進(jìn)氣口和出氣 □。按照本發(fā)明所提供的雙面膜片微型氣體富集器，其特征在于，所述懸空膜片為氮化硅或氮氧硅或二氧化硅薄膜或氮化硅/ 二氧化硅多層薄膜，厚度為O. 5 2微米。按照本發(fā)明所提供的雙面膜片微型氣體富集器，其特征在于，所述薄膜加熱器由蛇形金屬薄膜或重?fù)蕉嗑Ч璞∧?gòu)成，金屬薄膜的材料采用鉬或鈀或鎢或鑰或鉭。按照本發(fā)明所提供的雙面膜片微型氣體富集器，其特征在于，所述吸附薄膜為聚合物或碳黑/聚合物復(fù)合材料或溶膠-凝膠無(wú)機(jī)氧化物。本發(fā)明是對(duì)現(xiàn)有膜片型氣體富集器的改進(jìn)，通過(guò)將微型氣室的上下兩面都制作成懸空膜片，并在膜片上涂覆吸附薄膜，從而在不改變富集器尺寸大小的前提下，將吸附薄膜的面積增大了一倍，獲得了一種富集效率更高的微型氣體富集器。


圖Ia和圖Ib為現(xiàn)有技術(shù)，其中，圖Ia為單膜片富集器，圖Ib為蛤殼形富集器； 圖2a至圖2c為本發(fā)明的單元型I雙面膜片氣體富集器結(jié)構(gòu)示意圖，其中，圖2a為立
體圖，圖2b為俯視圖，圖2c為圖2b的A-A剖面圖3a至圖3f為單元型I雙面膜片氣體富集器的制備工藝流程圖4為本發(fā)明的單元型2雙面膜片氣體富集器結(jié)構(gòu)示意圖5a和圖5b為本發(fā)明的陣列型雙面膜片氣體富集器結(jié)構(gòu)示意圖，其中，圖5a為俯視圖，圖5b為圖5a的A-A剖面圖6為本發(fā)明的單元型富集器的加熱曲線；
圖7為本發(fā)明的單元型和陣列型富集器的熱解吸曲線。其中，I為硅底座；2為硅頂蓋；3為懸空膜片；4為薄膜加熱器；5為吸附薄膜；6為進(jìn)氣口；7為出氣口 ；8為硅襯底；9為SiN薄膜；10為空腔；11為粘接層；12為微型氣室； 13為氣流通孔；14為氣體分配網(wǎng)絡(luò)；15為玻璃蓋。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的雙面膜片微型氣體富集器，分為單元型和陣列型兩種。其核心是將兩個(gè)硅片上的懸空膜片上下對(duì)準(zhǔn)后鍵合在一起，形成富集器的微型氣室，使得氣室的上下內(nèi)壁都涂敷有吸附薄膜。下面結(jié)合附圖以及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述
實(shí)施例I一單元型I
圖2a至圖2c為單元型I雙面膜片氣體富集器的結(jié)構(gòu)示意圖。主要結(jié)構(gòu)包括硅底座I、 硅頂蓋2、懸空膜片3、薄膜加熱器4、吸附薄膜5、進(jìn)氣口 6、出氣口 7。圖3a至圖3f為該單元型富集器的制備流程，過(guò)程如下在兩塊約500 μ m厚的硅襯底8上加工硅底座I和硅頂蓋
2,娃底座I和娃頂蓋2上的圖形結(jié)構(gòu)和尺寸完全一樣，因此下面僅以娃底座I的加工為例進(jìn)行說(shuō)明。首先在硅襯底8正面采用PECVD (等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法)制備約700nm 厚的低應(yīng)力SiN薄膜9，也可以是氮氧硅薄膜。然后采用剝離法在SiN薄膜上制備I個(gè)蛇形的薄膜加熱器4. 1，加熱器外沿尺寸為2_X2mm，線條寬度約100 μ m，采用濺射法依次沉積20nm厚的NiCr薄膜和300nm厚的Pt薄膜。接著采用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)(DRIE)從背面刻蝕薄膜加熱器4. I下方的硅襯底8形成懸空膜片3. I、進(jìn)氣口 6. I和出氣口 7. I?？涛g分兩步進(jìn)行，第一步刻蝕進(jìn)氣口 6. I和排氣口 7. I，深度約為250 μ m，寬約500 μ m，長(zhǎng)約3mm ； 第二步將薄膜加熱器4. I正下方的硅襯底完全刻蝕掉，形成2. 2 mmX2. 2mm的空腔10. 1， 進(jìn)氣口 6. I和出氣口 7. I分別位于空腔10. I的兩側(cè)并相互連通。采用漏板噴涂、噴墨打印或滴涂法將吸附薄膜5沉積在懸空膜片3. I的背面(沒(méi)有薄膜加熱器的那一面)。吸附薄膜可以采用各種聚合物，在本實(shí)施例中，采用的是一種強(qiáng)氫鍵酸性聚合物聚甲基-{3-[2_羥基-4，6-二(三氟甲基)]苯基}_丙基硅氧烷(簡(jiǎn)稱DKAP)，它對(duì)有機(jī)磷毒氣具有選擇性吸附功能。吸附薄膜也可以采用碳黑/聚合物復(fù)合材料，還可以是溶膠凝膠無(wú)機(jī)氧化物。通過(guò)上述工藝步驟完成硅底座I的加工，然后采用同樣的方法制作硅頂蓋2，最后將硅頂蓋2倒扣在硅底座I上，圖形上下對(duì)準(zhǔn)后將上下兩個(gè)硅片鍵合形成一個(gè)整體。對(duì)于所有種類的吸附薄膜5，鍵合都可采用聚合物中間層鍵合技術(shù)；而當(dāng)吸附薄膜5為無(wú)機(jī)氧化物等耐高溫材料時(shí)，也可采用金硅鍵合或鋁硅鍵合技術(shù)。在鍵合時(shí)吸附薄膜5位于微型氣室的內(nèi)壁，空腔 10. I和10. 2合并而形成微型氣室12，進(jìn)氣口 6. I和6. 2合并形成總的進(jìn)氣口 6，出氣口 7. I 和7. 2合并形成總的出氣口 7。因此，進(jìn)氣口 6和出氣口 7的截面積為500 μ mX 500 μ m，通過(guò)一個(gè)外接的微型氣泵抽氣，可以保證獲得足夠大的流量。實(shí)施例2—單元型2
圖4為單元型2雙面膜片氣體富集器的結(jié)構(gòu)示意圖。單元型2與單元型I的結(jié)構(gòu)和加工方法大體相同，不同之處在于①在鍵合時(shí)是將娃頂蓋2正置于娃底座I上，因此,微型氣室12僅由空腔10. 2構(gòu)成，空腔10. I是開(kāi)放的。②在硅底座I上不制作進(jìn)氣口 6. I和出氣口 7. 1，總的進(jìn)氣口 6和出氣口 7由硅頂蓋上的進(jìn)氣口 6. 2和出氣口 7. 2單獨(dú)構(gòu)成。③在硅底座I上的吸附薄膜5沉積在懸空膜片3. I的正面而不是背面。實(shí)施例3—陣列型
圖5a和圖5b為陣列型雙面膜片氣體富集器的結(jié)構(gòu)示意圖，是在圖2所示的單元型I 富集器的基礎(chǔ)上擴(kuò)展而成。在硅底座I和硅頂蓋2上分別設(shè)置了 16個(gè)懸空膜片，16個(gè)懸空膜片上的薄膜加熱器前后連接各形成一個(gè)總的加熱器網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)懸空膜片之間留有500 微米左右寬度的硅框架進(jìn)行支撐，16個(gè)懸空膜片排列成4行，每行4個(gè)，行與行之間完全隔離。硅底座I和硅頂蓋2對(duì)準(zhǔn)鍵合后形成16個(gè)空腔，每行的空腔通過(guò)氣流通孔13前后貫通。而總的進(jìn)氣口 6和出氣口 7分別設(shè)計(jì)成氣流分配網(wǎng)絡(luò)14，使得氣路一分為二，再二分為四，以使得4個(gè)流路的氣流均勻。在DRIE刻蝕時(shí)，氣流分配網(wǎng)絡(luò)14和氣流通孔13先刻蝕，而懸空膜片處的硅襯底后刻蝕。圖6為單個(gè)膜片的加熱速率測(cè)試結(jié)果，膜片尺寸為2. 2 mmX2. 2mm，厚lm，其上設(shè)置有鉬膜加熱器4和聚合物吸附薄膜5。在約120mW的加熱功率下，膜片的溫度從室溫升高到200°C只需約15ms?？梢?jiàn)，本發(fā)明的富集器的熱性能與USP6171378公開(kāi)的二維膜片型富集器的性能相當(dāng)。 本發(fā)明富集器的典型解吸曲線如圖7所示，對(duì)于O. Olppm的DMMP，富集30s后加熱 ls，采用火焰電離計(jì)測(cè)試(FID)富集效果。可見(jiàn)，單元型富集器的解吸峰的半高寬為260ms， 也與USP6171378公開(kāi)的二維膜片型富集器的性能相當(dāng)。而陣列型富集器的半高寬雖然增大到405ms，但也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于三維結(jié)構(gòu)的MEMS富集器。本發(fā)明的陣列型富集器和單元型富集器相比，富集效率提高了約15倍。
權(quán)利要求
1.一種雙面膜片微型氣體富集器，其特征在于，具有兩個(gè)硅片，每個(gè)硅片上設(shè)置有至少一個(gè)懸空膜片，每個(gè)懸空膜片上制備有薄膜加熱器，兩個(gè)硅片上下對(duì)準(zhǔn)后鍵合形成至少一個(gè)微型氣室，每個(gè)懸空膜片的內(nèi)壁涂敷有吸附薄膜，在微型氣室的側(cè)壁開(kāi)有氣孔以形成多個(gè)微型氣室之間的氣流通道或整個(gè)富集器的進(jìn)氣口和出氣口。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙面膜片微型氣體富集器，其特征在于，所述懸空膜片為氮化硅薄膜或氮氧硅薄膜或二氧化硅薄膜或氮化硅/二氧化硅多層薄膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙面膜片微型氣體富集器，其特征在于，所述薄膜加熱器由蛇形金屬薄膜或重?fù)蕉嗑Ч璞∧?gòu)成，金屬薄膜的材料采用鉬或鈀或鎢或鑰或鉭。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙面膜片微型氣體富集器，其特征在于，所述吸附薄膜為聚合物或碳黑/聚合物復(fù)合材料或溶膠-凝膠無(wú)機(jī)氧化物。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種雙面膜片微型氣體富集器，由上下兩個(gè)硅片鍵合而形成一個(gè)微型氣室，每個(gè)硅片上設(shè)置有一個(gè)或多個(gè)懸空膜片，懸空膜片對(duì)應(yīng)位置的硅被完全去除而形成空腔，每個(gè)懸空膜片上制備有薄膜加熱器，每個(gè)懸空膜片的內(nèi)壁涂敷有吸附薄膜。本發(fā)明通過(guò)將富集器的雙面都設(shè)計(jì)成懸空膜片的方法，提高了膜片上吸附薄膜的面積，在保留膜片型富集器熱容小、加熱速率快、功耗小等優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，增大了吸附薄膜的面積，提高了富集效率。
文檔編號(hào)G01N30/08GK102590398SQ20121007885
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月23日
發(fā)明者吳澤, 李臆, 杜曉松, 蔣亞?wèn)|, 邱棟 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)