专利名称：具有模块化结构的相控Ⅶ微流体分析器的制作方法
技术领域：
本发明涉及对流体的检测。本发明涉及流体检测，具体涉及流体 检测器。具体而言，本发明涉及流体检测器关联于制造的结构。
背景技术：
在公告于2002年5月28日、授权于Ulrich Bonne等人的发明名 称为 "Gas Sensor with Phased Heaters for Increased Sensitivity" 的 美国专利号6,393,894 Bl中揭示了关联于流体分析器的结构及处理 方面的内容，将其内容通过引用包含于本文中。
当前可获得的气体成分分析器可能是可选并灵敏的，但其不具备 识别具有未知组分的样品气体混合物的成分的能力，此外其体积较 大，且较昂贵。目前的组合分析器GC-GC及GC-MS (气相色谱仪-质i普仪)接近选择性、 灵敏性及智能性的希望组合，但还是体积较 大、较昂贵、速度緩慢、且不适用于电池供电应用领域。在GC-AED (气相色谱仪-原子发射检测器)中，仅AED就要消耗多于100瓦特、 使用水冷、具有高于10MHz的微波放电、并且较昂贵。
相控加热器阵列传感器最初由用于浓缩器、分离器、以及用于片 外流量传感器的独立芯片构成。这些芯片可以集成在单一 芯片上， 并在降低能耗的同时提供对结构集成及温度控制的改进。随后的相
7控加热器阵列传感器涉及增加用于对分析物进行检测、识别、及量
化的可集成微放电装置。但是，在没有在芯片上一体集成FET开关 及移位寄存器的情况下，还是需要通过其微处理器控制FET开关从 子板引线接合、路由并连接多根导线至母板，这会导致体积及劳动 成本增大。此外，相控加热器阵列传感器分析器以及现有的GC对在 线改变预浓缩及分离能力似乎缺乏灵活性。
需要比现有技术以更廉价、更高效、低能耗、且便携的方式来对 极小量的流体进行检测、识别、及分析。
发明内容
本发明的流体成分传感器、分析器或色谱仪可具有浓缩器、分离 器、各种检测器、及泵。浓缩器可具有相控加热器阵列，这些相控 加热器在液流通道内以彼此不同的时间打开。其可涉及相控加热器 阵列结构，具体而言涉及对作用传感器、分析器或色谱仪(用于识 别并量化流体成分)的结构的应用。具有这种加热器构造的这种设 备可被视为或称为"相控(PHASED)"装置。术语"相控"也可被 视为"用于改进检测的相控加热器阵列结构(Phased Heater Array Sturcture for Enhanced Detection )"的缩写。可将相控系统的各个 元件临时但高效地通过模块组建方式(即，用于容纳相控微流体分 析器的全部元件的模块结构)装配在一起，由此可以开发各个元件 而不会受到机械性、系统整体制造周期时间或集成性的限制。
图l是传感器系统的视图2示出了微气体设备的细节；
图3是说明性相控加热器机构的整体结构；
图4是在直线通道上的加热器元件的长度方向的剖视图5是在直线通道上的一对薄膜加热器元件的长度方向的剖视
图6a， 6b及6c示出了一对薄膜加热器元件及单一薄膜元件的横 截面端视图7是示出加热器温度分布与在传感器设备的各个加热器元件处产生的对应浓度脉冲的曲线图8是示出一些加热器元件的曲线图，以示出分析物浓度的逐步
升高；
图9是示出浓度脉沖到达100%浓度水平的曲线图IO是示出对于各种元素的检测限制及选择性的图表；
图11示出了多元素测试混合物的色谙；
图12是对于气体的相对浓度放电相对于压力的图形；
图13示出了光源阵列及用于气体感测的检测器对的剖视图14是微放电装置与Si光电二极管之间的光谱敏感度比较的图
形；
图15是用于包括传感器、浓缩器及分离器的相控加热器阵列结
构的集成布局的说明；
图16是选择用于传感器的浓缩器及分离器部分的逻辑加热元件
的示意图17示出了具有超级预浓缩器的微分析器； 图； 、5',、 、曰 、又''
图19是元素数量及各个浓度增益的图表；
图20是示出相对于MEM通道的元素数量的压力变化的图表；
图21是具有双气相色谱仪构造的微分析器的视图22是具有双气相色镨仪的微分析器的视图，该双气相色谱仪
具有围绕第二分离器的旁路；
图23是具有双气相色谱仪构造的微分析器的视图，该双气相色
镨仪具有两个泵；
图24是具有相控加热器结构的双气相色谱仪系统的设计及性能 数据的图表；
图25及图25a是具有两级浓缩器及分离器的微分析器的视图； 图26a、 26b及26c是低能耗、小体积微分析器的工作流程图； 图27是低能耗、小体积微分析器的分解立体图； 图28是离子牵引泵(ion drag pump )的横截面图，用于简要说
明这种泵的工作原理；
图29是离子牵引泵流量及能量特性的示例的图表；
9图30是可用在图1的泵中的微放电装置的交叉指型 (interdigited )示例的示例；
图31是一些关键元素的电子亲合力及电子构造的图表；
图32是用于离子牵引泵的微放电装置阵列的两种元素的视图33示出离子牵引泵的说明性示例；
图34示出离子牵引泵的另一说明性示例；
图35是对比基于不同技术的泵的性能的图表；
图36是离子浓度的温度影响的图表；
图37是就电流强度相关于施加电压关于来自碳纳米管的电子冷 阴极发射的视图38a是说明用于从金刚石薄膜进行冷阴极发射的发射电流相 对于施力口电压的视图38b是微波CVD样品的电子发射的限制Fowler-Nordheim
图39示出用于容纳相控微流体分析器的模块结构； 图40示出容纳另一相控微流体分析器的模块结构；且 图41是于两个模块之间通过另一层内的通道的流体通道的横截 面视图。
具体实施例方式
一方面，包括相控加热器传感器的其他流体传感器系统在没有重 新设计并制造掩膜并且进行数次运行以结合任何新的检测器及其重 新的情况下，可能不能很好地利用多个新的检测器概念，这甚至会 需要与旧模式的相控加热器传感器系统难以兼容的制造处理。另一 方面，将诸如预浓缩器及分离器的独立相控加热器元件与可获得的 微装配件进行连接(即"菊花链接")会导致GC半峰宽增而分辨率 下降的风险。在本说明书中，术语"流体"可以是具体包括气体及 液体的通用术i吾。
也可增大制造产能的本设备可具有模块化标准建立模块用于相 控加热器传感器的微分析器元件，由此可以缩短总体的制造时间及 设计复杂度，可以同时进行独立部件的研发，由此带来加速的研发 并仍可提供集成优点。
10向相控流体传感器及分析器增加更多的GC (气相色镨法)检测 器将趋于需要高效装置来互连、对接并断开(即，即插即用)各种 芯片级组件。图39、图40及图41分别示出了数种构想方法、共平
面模式及异平面堆叠模式。
共平面方法会涉及独立芯片，其制造有可彼此经由密封件(O环 或其他类型密封件)装配的通道，同时每个芯片还保持其自身不同 结构(分别如图39及图40中的倒立视图所示的两种不同构造870 及880)。
异面堆叠方法可通过图39及图40中的结构870及880的俯视图 来部分设想。如图41所示的侧视图可合适地说明异面堆叠结构940, 其具有可布置在芯片底部上(而非如共平面模式中位于芯片侧部 上)的密封件。该方法的一方面可包括芯片分隔器，其可被用作导 引，以将新的芯片向下导引以与底部结构中的开口对齐。此外，为 了最小化多端口衬底或共用层中的额外压降，如图41所示，该衬底 或层可具有比普通相控加热器芯片内的通道更大的内径的通道。
可通过非各向同性导电弹性体(即，"导电橡胶条")来设置临 时电端子，由此可以容易并迅速地更换各个芯片，而不需要标准但 繁瑣的Au导线接合(其趋于使基底结构不能被再次使用)。
该相控加热器系统模块结构可由将微流体装置经由横向或顶至 底装配件链接的方式构成，以实现芯片之间的紧密封并使得可同时 研发其元件(在此情况下为相控加热器微气相色谱法(PHASED HGC)元件)。操作者可通过保留平锯侧用于装配至横向入口/出口 ， 以及其他侧(优选地一侧)用于引线安装或导线接合来重复上述内 容。操作者可通过调节施加的电压来操作泵作为主动阀以相对并平 衡外部流量或压力驱动器。微桥流量传感器可起零点指示器的作 用，具有可被放大并用于调整施加电压的电子输出。如图41所示， 可存在模块分隔导引结构，以及具有特定内径的低Ap衬底通道。
本发明的微流体分析器模块化结构优于其他结构的优点可包括 在改变温度环境中工作(即，对各个独立检测器的改变的灵敏度进 行补偿的能力)同时自动而非手动地对这种改变进行补偿，以及无 需移动部件进行工作的性能，由此使得在吸入侧不存在可测量到的 波紋(< 1%)。上述装置可以是由可选灵敏快速低能耗相控加热器元件的阵列 与小型快速低能耗环境压力最小泵送质谱分析装置的阵列共同构成 的传感器系统/微分析器以完成对流体成分的确定、识别、以及量化。 该装置可极小、能量效率高、便携、并具有其自身的电源。
微流体分析器可具有一个或更多浓缩器及两个或更多分离器。分 析器可具有一个、两个或更多泵。分析器可包括具有数个通道的预 浓缩器。可具有大量沿分析器的流动路径布置的检测器。此外，可 在流动路径中布置一个或更多量孔及微阀。浓缩器可具有相控加热 器元件阵列，其提供热能脉沖以产生沿流体路径移动的解吸分析物 浓度脉冲，以提供分析物的增大的浓度。可设置分析器作为多流体 或气相色谱〃f义。
此外，通过FET开关、移位寄存器及控制逻辑将柔性低成本小 型特性结合在经由子PCB (仅经由约10根引线连接至母PCB的印 刷电路板)上的引线接合器或焊剂垫连接至相控加热器阵列传感器 芯片的同一或不同芯片上，为使用者提供能够选择用于预浓缩及分 离的全部可加热元件的部分以及选择分析逻辑的灵活性。
多流体检测及分析可经由廉价、原地、超灵敏、低能耗、低维护 及小型微检测器及分析器自动完成，检测器及分析器可通过无线或 其他媒介(例如，有线或光纤)将其检测及/或分析结果传送至中央 或其他控制站。微流体分析器可结合相控加热器阵列、浓缩器、分 离器及各种不同方法。微流体分析器可以是具有数个十亿分率 (ppb)最大发射目标的感测臭氧的低成本方法。分析器能够检测主 或基本样品气体中示踪化合物或主液体中示踪化合物的混合物。
流体分析器可连接至关联微控制器或处理器。对传感器的应用可 包括对飞行器空间内除了常规C02、 H20及CO之外诸如乙醛、丁 酸、曱苯、及己烷等空气污染物的检测及分析。其他感测可包括对 空调室内空间的诸如C02、 H20、乙醛、烃及乙醇的气体的水平的感 测，以及对室外空间以及(例如在化学、精炼、产品提纯、食品、 造纸、冶金、玻璃、医学及制药领域中的)工业处理流的感测。此 外，在环境保证及保护中感测也非常重要。通过在化学制品的浓度 增大并变得有害之前较早地对化学制品进行检测，感测可在工厂内 外设置被动安全措施。
12传感器的一大部分可通过常规半导体处理或微机电系统
(MEMS)技术集成在芯片上。这种制造方法允许对微分析器进行 较小的低能耗现场放置。空气或气体样品通过监控器的流率也可以 很小。此外，不一定需要用于样品的载气，因此，没有载气除了减 少处理增压气罐的关联维护费用及体积，还可降低对待测试样品的 稀释。这种方法允许传感器以快于相关现有装置至少一个数量级的 速度提供快速的分析及迅速的反应结果。其避免了劳动密集型实验 室分析的延迟及成本。传感器的智能在于其可具有用于分析并识别 检测气体的集成微控制器，并可保持精确性，顺利地操作并与无人 远程位置进行信息通信。传感器可经由公用事业线路、或光学或无 线媒介进行检测器信息、分析及结果的通信，同时具有与主系统进 行远距离全双工通信的能力，并适用于"即插即用"且方便简单。 传感器可进行网路工作。其可与其他气体样品调节装置(例如，滤 尘器、阀、流量及压力传感器)、局部维护控制点互连，并可经由 互联网提供监控。传感器的强度高。其可在具有极强电场及磁场的 电磁干扰(EMI)环境中保持精确性。传感器具有较高灵敏性。传感 器提供亚ppm或亚ppb水平的检测，这优于相关现有技术100倍至 超过10000倍，例如常规气相色谱仪可提供1至10ppm范围的灵敏 度。除了其他特性，传感器是低能耗、快速、更小型、更灵敏、及 廉价模式的气相色谱仪。在检测及分析增压流体样品的应用中，在 很大的压降范围内，其可具有结构完整性，并具有非常低或不具有 渗漏的危险。
在传感器中，诸如Honeywell MesoPumpTM的小型泵可将样品抽 吸进入系统，同时其仅有一小部分以受阀(可以是Honeywell MesoValveTM或Hoerbiger PiezoValveTM)控制的速率流过相控加热 器传感器。尽管取样管线较长，该方法还是使得能够快速获得样品， 并可为检测器提供约0.1至3cmVmin的控制流率。可以设置传感器 的泵以抽吸样品气体通过过滤器，使得提供快速的样品获取以及通 过相控加热器传感器的控制流量。
当泵抽吸样品气体通过传感器时，气体会膨胀，由此其体积及线 速度增大。可以设计控制电路以补偿在速度上的变化以保持加热器 "波，，与传感器中变化的气体速度同步。当样品气体被迫通过加热
13器通道时，为了补偿样品气体体积的变化，其电子组件可能需要调整流量控制及/或加热器"波"速度以保持内部气体流速与电驱动加热器"波"同步。
在气体检测操作期间，传感器的性能(类似任何其他慢速气相色
谱仪)可感测多个空气示踪成分，例如约330至700ppm的C02，约1至2ppm的CH4，以及约0.5至2.5百分率的H20。这使得能够进行对输出洗脱时间的在线校准，以及对所存在的例如乙烷的额外峰值的检测(表示可能存在天然气、丙烷或其他气体的管道渗漏)。因此样品气体成分的比率峰值高度可揭示关于示踪气体来源(可包括汽车排气或汽油蒸汽)的信息。
传感器可具有灵敏度、速度、便携性及低功率，这使得传感器特别适于沿输送或分配管路系统对天然气或丙烷气体及其他化学加工工厂中的气体进行强制安全周期渗漏测量。
传感器可在其渗漏感测应用中利用一些或全部气体成分(以及其峰值比率)作为校准标志(洗脱时间表示气体成分的性质)及/或作为渗漏源标识。如果仅确定存在诸如曱烷的特定峰值(其在高原空气中的含量约为l至2ppm),则可能不能获得足够信息来显示该成分的来源是来自沼气、天然气、或管路气体或其他流体。
可使用传感器作为便携装置或安装至固定位置。不同于可比较的现有技术传感器，其可比便携火焰电离检测器更紧凑而不需要笨重的氢气罐，其可以比热丝或金属氧化物易燃气体传感器更快速且更灵敏，且比常规及/或便携气相色谱仪更快速、更紧凑、且更加低能耗。
图1中通过传感器15进行的检测及分析可包括检测、识别、并量化流体成分。这可包括对待测流体的浓度或百万分率进行检测。可使用传感器15检测环境中的流体。此外，传感器15可检测调节或测试空间的周围环境中的细微量的污染物。传感器15可表示健康，以及环境空气或呼气中人体毒素的水平。
图1示出了低功率传感器系统11的示意性视图。来自处理流、环境空间或容积体61的样品流体25可进入连接至传感器或微气体设备15的输入端34的导管或管19。流体25可通过传感器15进行处理。处理后流体37可离开传感器15的输出端36并经由导管或管39被排放至容积体61或其他无论何处的容积体。
可将传感器15的结果发送至微控制器/处理器29进行分析，并立即获得结论及结果。可发送该信息至观察站31以对发现的结果进行检查以及进一步的分析，评估及判断。可将数据及控制信息从站31发送至微控制器/处理器29。可在监控器11及站31处通过发送器/接收器33经由无线媒介来发送并接收数据及信息。或者可在监控器11及站31处通过调制解调器35经由有线或通信光纤来发送并接收数据及信息。可将数据及信息发送至SCADA(监督控制及数据获取)系统。可在工业(加工业、制造业、服务业、医疗业等)中使用这些系统以检测特定气体并提供相关于检测的信息至远程接收器。
微控制器或处理器29可将各种信号发送至分析器15用于控制、调整、校准或其他目的。此外，可对微控制器/处理器29进行编程以基于检测结果提供对环境的预测。可将分析计算、结果或其他信息发送至调制解调器35用于转换为待经由线路、光纤或其他类似媒介发送至站31的信号。此外，这种对调制解调器35的输出可被替代地或同时地发送至发射器33用于与获得检测的实际位置处的信息一同无线传输至站31 (特别是被用作便携装置时，例如经由GPS)。此外，站31可向调制解调器35及接收器33发送各种信号，其可被传输到达微控制器/处理器29用于控制、调整、校准或其他目的。
在图1中，可以打开或关闭容积体61。传感器系统ll可具有可用于诸如飞行器舱、机器室、工厂、或其他环境中一些位置的封闭容积体61中的连接。或者其可被用在地面环境的开放容积体61中。输入管或管路19的末端可处于开放容积体61中，而排放管37的排放端可置于从封闭容积体61离开一定距离的位置。用于容积体61的系统11可自身处于容积体61中，除了管路39可离开进入容积体容积体61 (特别是在容积体61是处理流的情况下其下游)。
图2示出了微气体设备15的某些细节。结合以下附图对其细节及变化进行描述。样品流25可从管路或管19进入输入端口 34。可存在微粒过滤器43用于从待进入设备15的流体流25去除灰尘及其他微粒。这种去除的目的在于保护设备，并且过滤不应降低设备精确分析流体25的成分的性能。污染流体(带有悬浮固体或液体非挥发颗粒)会损害正常的传感器功能。流体25的一部分45会流过差温热传导检测器(TCD)或化学传感器(CRD)或光电离传感器/检测器(PID)或其他装置127 (其可检测光电离电流)的第一支路，并且流体25的一部分47流过管49到达泵51。通过紧邻入口 45布置"T"管，因为相对较高的流47有助于缩短过滤器净化时间，故可以实现极短时间延迟的取样。泵51可使得流体47从微粒过滤器"的输出端通过管49并离开泵51。泵53可使得流体流45经由管57通过传感器。泵51现在在小于1磅/平方英寸(psi)压降(Ap)下提供10-300 cm3/min的抽吸能力，而低流量能力泵53可在高达10磅/平方英寸压降的Ap提供0.1-3 cm3/min的抽吸能力。还可为图2中的系统15设置更多或更少的泵以及各种不同的管道或管件配置或构造。可将来自检测器127及128的数据发送至控制器130，其然后可继续转输数据至微控制器且/或处理器29用于处理。可将结果信息发送至站31。
泵51及53可以是非常节能并高效的结构，应用于抽入待检测流体的样品用于检测可能来自某处的气体。可以应用在不工作时处理睡眠模式的低能耗电子器件。对这种特别节能但功能充分的泵51及53(其可在起动浓缩器及/或分析器系统11的测量周期之前仅运行大约或少于1-10秒)的使用，以及对用于控制器130及/或微控制器/处理器29的低能耗电子器件(当不工作时其可应用睡眠模式)的使
用可节省约两倍的能量消耗量。
图3是传感器设备10、 15—部分的示意性视图，示出了图2中浓缩器124或分离器126的一部分。传感器设备可包括衬底12及控制器130。控制器130可以或可以不结合在衬底12中。衬底12可具有数个布置在其上的薄膜加热器元件20、 22、 24及26。虽然仅示出了四个加热器元件，但例如可在两个或一千个之间(通常在20-100的范围内)设置任意数量的加热器元件。加热器元件20、 22、 24及26可由任何合适的导电体、稳定金属、或合金薄膜(例如有时被称为坡莫合金的具有80%的镍及20%的铁的成分的镍铁合金)、铂、铂硅化物及多晶硅制成。加热器元件20、 22、 24及26可设置在图4及图5所示的薄的低热质量、低面内导热的支撑构件30上。支撑构件或隔膜30可由Si3N4或其他合适或类似的材料制成。加热器元件可由Pt或其他合适或类似的材料制成。
16好界定的单通道相控加热器机构41，其具有用于接收样品流体流45的通道32。图5示出了具有通道31及32的双通道相控加热器设计41。衬底12及部分或晶片65可具有界定的通道31及32用于接收样品流体45的流。可通过选择性地蚀刻支撑构件30下方的硅通道晶片衬底12及支撑构件上方的晶片或部分65来制造通道。通道可包括入口 34及出口 36。
传感器设备还可包括通道31及32内的数个交互元件，由此他们暴露至样品流体45的流。每个交互元件都可邻近布置(用于尽可能紧密地接触)至相应的加热器元件。例如，在图4中，交互元件40，42, 44，及46可设置在通道32中支撑构件30的下表面上并分别邻近加热器元件20、 22、 24及26。在图5中，额外交互元件140， 142，144，及146可设置在第二通道站31中支撑构件30的上表面上并分别邻近加热器元件20、 22、 24及26。还可设置具有额外交互薄膜元件(在本说明性示例中未示出)的其他通道。交互元件可由任意数量通用在液相或气相色谱法中的薄膜(例如硅凝胶、聚甲基硅氧烷、聚二曱硅氧烷、聚乙二醇、多孔硅、NanoglassTM、活性碳、及其他聚合物质)来形成。此外，上述交互物质可通过合适的掺杂剂来改良以实现不同程度的极性及/或疏水性，以实现对目标分析物最佳的吸附及/或分离。
图6a示出了双通道相控加热器机构41的横截面端视图。在图6a,图6b及图6c中的部分的俯视及仰视不一定显得相同。在图6b及图6c中，单通道相控加热器机构"的端视图可包括支撑构件30及衬底12以及其间的构件。图6b示出了具有暴露的1微米隔膜的相控加热器机构41模式。图6b中所示的为开放空间392。图6c示出了具有较小封闭空间394的耐用低能耗模式。可将支撑构件30安装至顶部结构65。锚定装置67可将支撑构件30相对于通道31保持在位。更少的锚定装置67点可减小从支撑构件30至结构41的其他部分的导热损耗。可存在加热器隔膜，其具有用于从加热器元件进行小量导热的少量锚定点。不同于标准锚定设计，本示例可具有较少的锚定点以节省约1.5倍的剩余加热器元件输入能量。
相控加热器阵列的加热器元件可在两个表面(即顶侧及底侧)上覆涂有吸附材料，用于更少的能量消耗及对进入的待测气体更有效
17的加热。加热器元件可具有较小的宽度以降低能耗。
可通过使输送所需要吸收剂材料的材料流通过单通道加热器机
构41的通道32来形成交互薄膜元件。这样就可在整个通道内设置交互层。如果需要独立的交互元件40, 42， 44, 46，则可以在安装图6a中的顶晶片65之前将涂层旋涂在安装至底晶片12的衬底30上，然后经由加热器元件20、 22、 24及26，使用标准光阻材料掩膜及形成图案方法或通过提供对涂层的温度改变来选择性地"显影"。
除了那些通过设计有意地涂有吸附材料的表面之外，可使用非吸附隔热层来覆涂加热器阵列的内部通道的表面。可以减小吸附涂层或薄膜的厚度，由此减少吸附及解吸所需时间。如在图6a中，可以将非吸附隔热材料的涂层69涂附至单通道加热器41中通道31的内壁，并涂附至双通道加热器机构41中通道31及32的壁，除了设计需要的吸附剂涂附表面，例如交互元件。涂层69可降低约1.5倍的加热器元件需求能量。上述材料应该具有大大低于通道壁中使用材料的导热性。后者可以是硅。用于涂层69的其他材料可包括Si02或其他金属氧化物。涂层69可降低支撑构件30中加热器元件所需能量。对加热器元件隔膜以及吸附剂薄膜的尺寸(宽度、长度、及厚度)上的最小化或减小，同时保持合理的运动/静止相体积的比率，可以实现约4倍的能耗降低。最小化或减小吸附剂薄膜厚度可缩短吸附解吸所需时间并在给定分析器结构下对于每一次流体分析可节省约1.5倍的能量需求。
加热器元件20、 22、 24及26可以是在顶侧及底侧两者上涂附的GC薄膜，由此减小加热器元件表面的宽度及能耗约两倍。对这些加热器元件的制造涉及两个涂附步骤，其中第二步骤要求在保护第二晶片内的第 一涂层并在溶解第 一 晶片之后进行晶片对晶片接合及涂附。
实现希望的耐用性(即，不将薄的隔膜20, 22， 24等暴露至外部环境)且不需要对顶部及底部进行涂附的另一种方法是仅对顶部进行涂附并将底部通道32降低至较低的高度，参见图6a，由此容积比(空气/薄膜)为小于500的值。
微气体分析器可具有加热器元件40， 42， 44， 46及140， 142，144， 146，这种加热器元件通过反复顺序地S走涂步骤(或其他沉积方法)制造，由此浓缩器及分离器元件的预布置图案涂附有不同的
吸附剂材料A， B， C (在GC文献中公知为固定相)，由此不仅可 选择浓缩器/分离器元件比率，而且还可选择哪些涂附材料A， B， C 等等(以及在何种沉积温度下)，以辅助浓缩处理并被电子地喷射 进入分离器，在这里可再次选择元件温度变化率用于不同于B， C等 的A，此外还为该系统增加了功能性，使得在从"A，，元件组中分离 了气体之后，可从"B"元件组分离另一组气体等。浓缩器对分离器 加热器元件的比率可通过连接至控制器130的比率控制机构490来 设定或改变。
如图3所示，控制器130可电连接至各个加热器元件20、 22、 24及26以及检测器50。控制器130可以时间相控顺序(见图7的底 部)来对加热器元件20、 22、 24及26供能，使得每个对应的交互元 件40， 42, 44及46变热并大约在上游浓度脉冲(由一个或更多上游 交互元件产生)到达交互元件时解吸选择的成分至样品流体45的流 中。可以使用任意数量的交互元件以实现成分气体在浓度脉沖中希 望的浓度。可向检测器50， 128提供获得的浓度脉冲用于检测及分 析。检测器50， 127或128 (图2及图3)可以是导热检测器、放电 电离检测器、CRD、 PID、 MDD或任何其他类型的检测器(例如在 气相或液相色谱法中通用的检测器)。
图7是示出说明性相对加热器温度与在每个加热器元件处产生 的对应浓度脉冲的曲线图。如上所述，控制器130可以时间相控顺 序利用电压信号71向加热器元件20、 22、 24及26供能。用于加热 器元件20、 22、 24及26的说明性时间相控加热器相对温度分别由温 度轮廓或线60， 62， 64及66示出。在示出的示例中，控制器130 (图 3)可首先对第一加热器元件20供能以如图7所示的线60升高其温 度。如果没有其他加热器元件被形成脉沖，因为第一加热器元件20 热耦合至第一交互元件40 (图4及图5)，故第一交互元件解吸选 择的成分进入至样品流体45的流中以在检测器128或50处产生第一 浓度脉冲70(图7)。流动样品流体45输送第一浓度脉冲70向下游 朝向第二加热器元件22 (如箭头72所示)。
控制器130然后可以在元件20上的能量脉冲已经停止时或之前 对第二加热器元件22供能如线62所示升高其温度。因为第二加热器元件22热耦合至第二交互元件42，故第二交互元件也可将选择的 成分解吸进入流动样品流体45以产生第二浓度脉沖。控制器130可 对第二加热器元件"供能，使得第二浓度脉冲大致与第一浓度脉冲 70重叠，以产生如图7所示的较高浓度脉冲74。流动样品流体45 输送较大浓度脉冲74向下游朝向第三加热器元件24 (如箭头76所 示)。
控制器130然后可对第三加热器元件24供能以如图7中线64 所示升高其温度。因为第三加热器元件24热耦合至第三交互元件 44，故第三交互元件44可将选择的成分解吸进入流动样品流体以产 生第三浓度脉冲。控制器130可对第三加热器元件24供能，使得第 三浓度脉沖大致与第一及第二加热器元件20及22提供的较大脉冲 浓度74重叠，以产生更大的浓度脉冲78。流动样品流体45输送该 更大的浓度脉冲78向下游朝向第N加热器元件26 (如箭头80所 示)。
控制器130然后可对第N加热器元件26供能以如线66所示升 高其温度。因为第N加热器元件26热耦合至第N交互元件46，故 第N交互元件46可将选择的成分解吸进入流动样品流体45以产生 第N浓度脉沖。控制器130可对第N加热器元件26供能，使得第N 浓度脉冲大致与之前N-l个交互元件提供的更大脉沖浓度78重叠。 如下所述，流动样品流体输送第N浓度脉沖82至分离器U6或至检 测器50或128。
如上所述，加热器元件20、 22、 24及26可具有相同的长度。由 此，控制器130可通过向各个加热器元件提供相同的电压、电流、
或能量脉冲来实现加热器元件相同的温度。电压、电流、或能量脉 冲可具有任何希望的形状，包括三角形、矩形、钟形、或其他任何 形状。可以使用大致矩形的电流、能量或电压脉沖71来实现图7所 示的温度轮廓60， 62， 64及66。温度轮廓相对于电压脉冲显得类似， 注意以极短的时间延迟产生了解吸物。
图8是示出了数种加热器元件的视图，首先说明了浓度是如何随 着后续元件的解吸大致与流动样品流体速度同时而逐步增大的，其 次说明了随着浓度水平及坡度的增大各个元件是如何与质量扩散通 量的预期增大率匹配的。需要在这里指出的是，在图8所示的元件
20之前，通过使初始元件以比元件100 (HI)所示的长度长F倍的时 间发生脉冲，或可替代地在使其发生脉沖之前通过同时使元件1， 2，…，F发生脉沖并通过仍然较冷的元素100 (Hl)来收集全部解 吸的分析物，分析物浓度可能已经通过因数F被放大。发现当在通 道32中向下行进时，由于扩散的原因，每个浓度脉沖均趋于在幅值 上减小而在长度上增大。为了适应这种增大的长度，预期可沿流动 样品流体增大各个相继加热器元件的长度。例如，第二加热器元件 102可具有长于第一加热器元件100的长度Wi的长度W2。类似的， 第三加热器元件104可具有长于第二加热器元件102的长度\￥2的长 度\￥3。因此，预期可相对于邻近上游加热器元件将各个加热器元件 100, 102及104的长度增大一个量，该量对应于上游加热器元件的 浓度脉沖因扩散的原因而预期增大的长度。但是，在其中目标分析 物浓度非常低或吸附薄膜能力极强的某些情况下，能够并可有利地 极大地减小后续或最后的加热器元件的长度，以实现浓缩器功能的 最大聚焦性能，这基于使薄膜体积最小化，该薄膜体积是可在给定 时间期间从泵送(图2所示的泵51 )通过浓缩器的给定体积的样品 气体吸附给定量的分析物的薄膜体积，并由此将分析物浓度增大与 样品体积/ (最后的加热器元件的)薄膜体积相同的比率。
为了简化对加热器元件的控制，可以将各个相继加热器元件的长 度保持一致以在加热器元件之间产生相同的加热器总体阻抗，由此 允许使用相同的电压、电流或能量脉沖来产生类似的温度轮廓。可 替代地，加热器元件可具有不同的长度，且控制器可提供不同的电 压、电流、或能量脉冲幅值至加热器元件以产生类似的温度轮廓。
图9是示出实现100%浓度水平的浓度脉冲110。发现尽管浓度 脉冲110已达到最大浓度水平，例如100%，但依然可判定相应成分 的浓度。由此检测器50, 128及164可检测浓度脉冲110，且控制器 130可随时间对检测器的输出信号积分，以确定原始样品流45中相 应成分的浓度。
在"GC峰值判定"中，希望精确地将化学化合物与离开气相色 语仪(GC)的各个气体峰值相关联，气相色谱仪是实现将各个成分 彼此分离的工具。存在数种方法用于判定气体的成分。在GC-MS组 合中，分析每个GC峰值的质量，同时对来自MS入口处的需求电离处理的分子碎片进行处理。在GC-GC组合中，在第一及笫二GC中 使用不同分离柱材料，以向分析记录增加信息，这可有助于化合物 判定。在GC-AED组合中，微波供能气体放电可产生说明光镨发射 线(原子)及带(分子)以帮助识别在气体放电等离子区内GC峰值 的气体。在GC-MDD或GC-GC-MDD构造中，随着其从GC或GC-GC 洗脱，微放电装置(MDD)可发射分析物峰值的光语，并示出分子 及原子结构并由此判定分析物峰值。MDD可具有检测器。
在图11中示出了 AED的选择波长通道可如何识别由GC分离的 化合物的原子组成，其示出了用于C、 H、 N、 O、 S、 Cl、 Br、 P、 D、 Si及F原子发射的独立的通道，其中通道的对应列表示于图10 的表格中。图11示出了多元素测试混合物的色谱，其中各个不同峰 值可表示元素及其大致的量。峰值301表示2.5毫微克的4-氟苯曱 醚；峰值302表示2.6毫微克的l-溴已烷；峰值303表示2.1毫微克 的原硅酸四乙酯；峰值304表示1.9毫微克的n-氘化癸烷；峰值305 表示2,7毫微克的硝基苯；峰值306表示2.4毫微克的三乙烷磷酸盐； 峰值307表示2.1毫微克的叔丁二硫化物；峰值308表示3.3毫微克 的1, 2， 4-三氯代苯；峰值309表示170毫微克的n-十二烷；峰值 310表示17毫微克的n-十三烷；峰值311表示5.1毫微克的n-十四 烷。对于上述色谱，GC情况可以包括3.3mL/min的柱流量、36: 1 的分流比、以及以在30摄氏度/min下从60摄氏度至180摄氏度的 加热炉程序。
以低能微放电产生的Ne的中性及电离发射器的UV光谱的一部 分如图12所示。还在图12中示出，随着"Ne"压力的改变，光语 类型在强度上发生改变。光输出可取决于诸如放电空穴几何形状、 施加电压及压力的数个参数。分子带被发射出来且甚至可被用于对 这种诸如喷气发动机的热排气中的气体进行"NO"测量。
通过将环境气体样品供应至微放电装置，使用者可获得有用的气 体成分信息。在第一种方法中，使用者可使用一个微气体放电装置， 可以改变其操作参数(电压、压力、流量及可能的几何形状)以产 生输出发射光语中的变化，使得在评估并处理了上述发射数据后， 可以形成关于气体样品成分的类型及浓度的信息。在第二种方法 中，使用者可使用数个微气体放电装置，由此可以改变每个的操作
22参数，用于如第一种方法中一样的发射输出评估，并可通过统计分 析获得更好的结果。第三种方法可与第一种相同，除了每次微放电 仅可在一种条件下进行，并被设定为与其他微放电的设定点不同。
图13表示出了第三种方法，由此气体样品可连续地从一种类型 的放电通过到达另一种类型，连接号而可以假设气体样品的性质在 该过程期间不会改变。附图示出了光源-检测器对的阵列350，用于 在各种不同压力及电压下对气流45进行气体成分感测。可以这样来 标记不同的电压+Vl、十V2…以及压力Pl及P2。来自光源模块351 的微放电352的等离子区由(+ )及(-)电极之间的椭圆形来表示。 相对的源模块351为检测器模块353，其具有作为来自源放电352的 光的检测器354工作的微气体放电装置。可在检测器354上设置过滤 器。过滤器可以不相同，并选择用于对具体的气体组进行检测及分 析。可以检测并识别来自微放电的气体的各种发射线，用于判定待 检测气体的成分。阵列350可连接至控制器130。可以在微放电的控 制中以及在通过阵列350的气流45放电效果的检测中使用处理器。
光源模块351可由硅制成。Si^4或PyrexTM制成的壁状结构355 可设置在模块351上，以形成用于容纳通过装置350的气流45的通 道。Pt或Cu材料的导电层356可位于结构355的顶部。可在流动通 道上延伸的Si3N4制成的层357位于Pt材料上。Pt制成的层358以 及作为壁的Si3N4制成的层359可位于层357的顶部，用于形成检测 器354用通道。第四种方法可类似于第三种方法，除了将气体样品 供应至并联而非串联形式的各个放电器。
第五种方法可以与第四或第三种方法相同，除了气体样品已经历 了例如由常规GC所提供的分离处理。第六种方法可与第五种方法相 同，除了在分离处理之前，所关心的样品分析物可通过常规预浓缩 步骤首先浓缩。
第七种方法可与第六种方法相同，除了在分离处理之前，所关心 的样品分析物已经预先通过多级预浓缩处理进行了浓缩，然后被电 喷进入由相控加热器阵列传感器所提供的分离器。
参考图2，在第六及第七种方法中，概念是将从GC柱或相控加 热器阵列传感器分离器通道洗脱的各个气体分析物峰值供应至示出 的放电器阵列中的各个放电装置。
23气流可如图13所示为串行的。或者其可以为并行的(最佳峰值 识别所需)，由此(为了使总分析时间最小化)各个放电单元可在 固定的施加电压及气体压力(通过真空或抽吸泵(例如通过 MesopumpTM)在阵列的出口处进行判定)的条件下操作。在图13 中，仅示例性地示出两种压力，其可通过第4与第5放电元件之间 的流量限制来容易地实现。未示出放电参数中诸如流率、温度(通 过局部微加热器)或几何形状(除了识别单元中简单的改变之外的 中空阴极或平板放电器)的数种变化，但可类似地实现。
由于这些传感器典型的特征是尺寸小(10-100 Hm)，所以这些 传感器看起来占地小并且可不包括在图2的框图128内。
传感器15有流量传感器125,该流量传感器位于浓缩器124、分 离器126和在浓缩器(concentrator) 124的入口处的热传导检测器 之间。传感器15在浓缩器124和分离器126之间有热传导检测器。 在放电装置350的出口处有热传导检测器。如图2，在传感器128不 同的位置上，传感器15包括多个上述元件的各种组合，该组合形式 取决于实际的应用。图2中所示的结构图是传感器15的实施例，传 感器15有其它结构并没有在该图中列出。
气体微放电单元具有引人注目的特征，该特征较大的提高了相控 加热器阵列传感器(phased heater array sensor )的有效性、多功能 性和值。例如这些特征包括l)低功率容量-在10nm时使用小至 120V直流电，每次放电达到700-900 Torr(0.9h1.18 bar),即可等于 1.2毫瓦，即使是微TDC也达不到如此小的功率；2)结构简单且体 积小(50x50微米)，如图12的插图所示；3)作为光电检测器的微 放电的可操作性，这可以由图14中100(xm微放电与Si APD之间的 光语响应性比较显示出来，没有其他光源(例如100-W微波驱动 AED,其要求水冷)已知可做到；4) 放电源与光电二极管的晶片 级装配的可集成性-利用相控加热器阵列结构且不需要使用掺硅技 术去制造单片硅-光电二极管；5)通过改变上述讨论的放电参数可以 增大维度(即选择性)。
本发明具有通过微放电的气体成分检测能力，这包括以下内容 l)相控加热器阵列传感器与微型气体放电装置的组合；2)在本段1) 的组合中，由此气体阵列装置其中的 一 个組或阵列提供光谱发射，另一个互补组(包括或不包括窄带带通滤波器或微型光i普仪)可以
提供光检测功能；3)在第一至七种方法下适当变换上述设计的本段 2)的组合；4)因为需要特定的分析以获得最佳的预浓缩或分离性 能，对作为相控加热器阵列结构附加的预浓缩器或分离器元件的可 加热元件编程的灵活性。
在本发明中，相控加热器阵列传感器是优于现有微气体分析器的 微放电检测器的组合，该传感器提供相控加热器陈列传感器的灵敏 度、速度、便携性和低率，结合有选择性、"峰值识别"能力、低功 率、光源和检测性能、可集成性、简单性和紧凑性这些由微气体放 电装置贡献的特点，还没有其他的微分析仪能达到这一点。
用图15说明，微型气体仪器15 (即相控加热器阵列装置)的传 感器、预浓缩器和/或浓缩器124和分离器126集成在一块芯片上， 该芯片安装或连接在与其它芯片相连的电路板上，这里指的其它芯 片保持FET开关、移位寄存器和逻辑单元。芯片401位于子电路板 上，芯片401和主电路板之间最初通过约IIO根电线连接。然而，在所有的开关都集成于子电路板上分离式芯片上之后，印刷电路板接 线头和连接插脚减少到10个(例如，为温差补偿、流量传感器、开 关时钟、逻辑单元、功率和接地的插脚)。在分离式集成电路上， FET开关、移位寄存器和控制逻辑单元可通过电线连接头或焊接头 连接到相控加热器阵列结构的芯片上。在传感器系统15中，利用FET 的新逻辑单元，用户可选择全部加热元件的一部分用作预浓缩器对
分离器。
图16的示意图显示传感器系统11的控制逻辑单元的实施例
402。 电路410是阵列逻辑单元的实例，该电路410包括D型触发器
403、 R画S型触发器404、"与"门405和415、"或，，门406、 FET407 变流器408以及需要附加电路。时钟线411可连接到D型触发器403 的时钟输入端。分离器使能线413可连接"与"门405的第一输入端。 一根数据输入线412连接到触发器403的D型输入端。复位线414 可连接到触发器404的S输入端和触发器403的复位输入端。触发 器404的Q型输出端连接"与"门405的第二输入端。触发器403的 Q输出端连接到触发器404的R输入端并到"与"门415的第一输入 端。分离器使能线413连接到变流器408的输入端，变流器408的输出端连接到"与"门415的第二输入端。"与"门415和405的输出端分 别连接到"或"门406的第一输入端和第二输入端。"或"门406的输出 端连接到FET 407的门。FET 407的其它终端分别连接到FET公用 线416和FET输出端417。最右边的逻辑单元有触发器403的Q型 输出端，该输出端连接数据输出线418。
该逻辑单元允许用户预先选择预浓缩器元件的数量，在停止并且 于是升高所有其余加热器元件上的温度前，电路把脉冲传输给这些 元件从而加热这些元件，这就是分段式分离器的部分功能。增大了 灵活性尺度，这就允许不同材料经由适当掩模沉积在芯片401的任 何相控加热器阵列传感器的元件上，因此可以进行优先的的预浓 缩、干扰过滤和级联分离。
图16进一步说明芯片上(on-chip)逻辑单元是如何控制50个 FET开关的，每个都有等于或小于0,5欧姆的接通电阻且能够切换大 约12伏的电压。这个芯片上逻辑单元具有双工作模式，也就是说， 浓缩器或1号模式和分离器或2号模式，各模式由控制线比特确定。 1号模式包括移位寄存器，该移位寄存器在复位之后继而接通低阻抗 FET，从而使与这个FET相连的触发器停止工作。在下一个时钟脉 冲周期里，第一个FET断开，接着下一个FET接通且与它相连的触 发器停止工作。这一过程将反复重复直到外部的驱动电子设备关闭 了时钟为止，即激活了 2号工作模式。 一旦2号模式被激活，在尚 未停止工作的触发器上，所有FET会同时接通。2号模式将持续到 复位被触发并且触发器复位，FET全部断开，然后这个过程将继续 重复循环。
两个芯片可串联焊接到相控加热器阵列传感器每一侧的焊点上 (直至50个)，这样顺序的切换将从第一个芯片进行到第二个芯片。 信号需要从第一个芯片的最后一个开关到第二个芯片的第一个开 关。在转换已经到达第二个芯片之前或之后，可能有时模式转换是 从剩余并联FET的顺序寻址开始。
本发明中的相控加热器阵列传感器元件引入了吸附剂涂层多样 性(adsorber coating diversity )， 例如，在图16中，利用一种以上
的吸附剂涂层在预浓缩器或分离器中一个或两个上交替应用于单个 元件或元件组，并且为开关调整逻辑程序，或者(按照最大的外加电压或温度)在预浓缩器中使用特定类型的涂层，而在分离器中使 用相同或不同类型的涂层，以至于可以获得希望的分析物预浓缩、 分析物过滤和分析结果，也就是对选择性群组预浓缩器脉沖或级联 (按时间)预浓缩器分析物脉冲的分析结果。
用户可以很灵活的调整相控加热器阵列传感器的操作和性能，以
便满足为解决分析问题而引起的变化需要用户能够选择总加热器 阵列元件的数量或部分，从而用作预浓缩器对分离器，这样就改变 与分离有关的分析物浓度，例如分析物成分的选择性和分辨率；同 时保持了设计与制造低功率、最佳控制温度加热器元件的能力，该 加热器元件的特征是结构完整、最佳聚焦、分析物的选择性/可过滤、 预浓缩、分离以及流量控制与检测技术，例如TC和等离子体放电传 感器的巧妙集成。可以将CMOS驱动电子器件与相控加热器阵列传 感器流动通道芯片集成。
例如，在重要的气体分析环境下，当威胁健康的毒素、化学防腐 剂或加工过程中排出污染物时，都需要用小的不确定性(假阳性的 概率低)和量化进行识别，此时传统的检测器甚至是频谱仪(MS， GC， 或光)都不能保证低水平的假阳性概率Pfp。
例如在GC-MS和GC-GC系统中的组合分析器可以接近希望的 低Pfp值，但是这些系统是典型的非便携式台式系统，这是因为有两 套复杂且超大的注入式(injection)系统、超大的MS泵系统以及每 次分析的巨大总能耗。最重要的是，如果台式系统式便携式系统不 能提供所需灵敏度，即使是分离的能力很好，假阳性概率还是会迅 速的增力口。
一种解决方案在图17所示的微型分析器500中被具体表示出 来，在需要的情况下，也就是，假设没有微型气体色谱仪可以通过 多级预浓缩提供这个选择性，该分析器可以组合选择性且由类似 jiGC卞GC结构提供该选择性。在nGC-fiGC结构中，微型分析器500 仍然保留它的紧密性—掌上型(相对于立方英寸型)、3秒分析、ppb 灵敏度、灵活性、智能、集成结构、低功耗和低成本这些特点。另 一种解决方案在图21所示的微型分析器600中被具体表示出来。
微型分析器500采用流体530的样本流穿过过滤器527的输入 端。流体530从过滤器527流出来之后，流过微型检测器(nD) 531,
27然后进入到第一级预浓缩器526里，该预浓缩器有并联通道529。在 泵521或522的作用下，流体530流经通道529达到微型分析器500 的主要部分。泵521和522可以同时工作或者根据各自的时间表进行 工作。一部分流体530流过浓缩器523和流量传感器532。浓缩器523 的内直径大约为100微米。流体530从流量传感器532出来，流过分 离器524、微型检测器533、分离器525和微型检测器534。分离器 524和525的内直径分别约为140微米和70微米。流体530流到泵 522里。从泵521和522中压出来的流体530可回到自己最初流出的 位置或流到另一个位置。每一个微型检测器531、 533或534可能是 TCD、 MDD、 PID、 CRD、 MS或其它种类的检测器。分析器500 可具有比示出的更多或更少的检测器，该分析器还有通道量孔，例 如在微型检测器533和524的出口分别有量孔541和542。分析器500 还有阀和其它元件。控制设备535或微型控制器或处理器可连接到 泵521和522、检测器531、 533和534、传感器532、浓缩器523、 分离器524和525和其它所需的元件以充分的控制与协调分析器500 的运行，这一点同样适用于本发明中描述的微流分析器。
微型分析器500的特点之一是与引入附加的预浓缩维度有关。每
所示r这;同于上述;寸二过的单二水平,多级预浓缩器7预浓缩器-
PC)。在多级PC系统中，在第一级PC中已经获得并且然后被下一 级或最后一级(多元件和多级)预浓缩器吸附的分析物浓度已经由 第一级预浓缩器增大，并且第一级预浓缩器需要足够大在一定时间 内可以释放分析物，以至于第二级或最后一级的预浓缩器可以完全 的运行。
假定，移动相与固定相的容积之比和在吸附与解吸附温度下的分 段函数之比，对假定的分析物而言，使得达到G=100的浓缩增益， 渐增的浓缩级别的计时通过图18中数字串511、 512、 513、 5"、 515 和516表示出来(这有助于记住气体扩散，即均匀地重新分配被排 斥或被解吸的气体，按穿过通道横截面的平方计算，d = 0.01厘米仅 花费时间是At = d2/(2D) = 0.012/2/0.1 = 0.0005秒)。
通过一串有次序的步骤完成多级PC的运行
l)吸附时间za，当样本气体v = 110cm/s时分析物的摩尔份数X
28=lppt流动，为有充足的时间，Za，以使固定相达到平衡那么Za =
N,GL/v，这里N, -吸附元件的数量，L =在流动方向上吸附薄膜元 件的长度。假设 =500和L-0.5cm可以推出z = 500 x 100 x0.5 / 110 = 227秒。注意Za是独立于X的，假定在全部的预浓缩的步骤 完成以后X值小于1 (对于1^ = 50的芯片，时间将会是22.7秒；对 于L = 0.1的芯片时间会是4.3秒。因此增加样本气体的流速会减少 吸附时间，但是增大薄膜的厚度会增加吸附时间)。
2) 饱和度。在时间的终点z-Za，第一级吸附器很大程度上饱和 了 (因为简化的原因，这里可能忽略扩散质量的指数性质从样本气 体转移到固定薄膜上)，同时样本气体在分析物的浓度x下继续流 动，x用虚线表示出来。如图18所示511和512分别表示气体和固 定相的浓缩区域。
3) 第一级解吸附作用开始。在任何时间z^Za时(如z = z。)， 都可以迅速(lms内)加热所有的N,个元件，然后以lOOx的高浓度 充满样本气体通道，例如x = 100 ppt (如图18的区域513)。这个 经过100倍加浓的气体像"塞子"塞进下一级PC的第一个元件]\2里 时，其以比前面的区域512的分析物浓度高lOOx ，来尽力平衡和饱 和K的下一个N,/G吸附器元件。
4) 第二级吸附时间期未浓缩的样本气体把浓缩的分析物清除 到图18的区域514以外之前，在有限的时间和有限的塞或柱体形体 积内气体以速度v移动，有用的时间z-N,L/v-Za/G,或2.27秒， 对于上述的或任意的实例，取N,- 500、 L=0.5和v=110 cm/s。
5) 第二级解吸附时间开始第二级解吸附不迟于z = z。 + za/G 时开始，通过仅加热N2的第一个元件，所需时间为Az-L/v，该时 间为l-5毫秒之间(例如Az二4.5ms)。这样就会在通道内产生和增 加分析物的浓度(图18的区域515 ) 10000倍，相对于最初的x值。 经过时间Az以后，第二个元件会被加热，这样一直继续下去，直到 所有N2-N1/G个元件发生脉冲为止，从而把解吸的分析物加到流过 的气体上。这样整个过程所需要的总时间勤)-Az N2 = (Ni/G) (L/v) =za/G2 or 227/104 = 23毫秒，对于任意的实例，取N,=500 、 N2=N,/G=5、 L-0.5cm和V=110 cm/s。
6) 第二级解吸附时间期如图18的区域516所示，最后分析物
29浓度离开预浓缩器之外，那么x-XoG^2-XoN,G-50000，即，在样 本气体中最后的分析物浓度是最初分析物浓度的50000倍。预浓缩 的增益比当原始分析物仅被吸附了一次且仅被一组相控元件浓缩时 达到的增益高10x。
上述的例子中，利用上述Nl=500的例作为图19的表中行A。 行B-E表示附加的实例，这些实例增加了元件数量从而相应的增大 了总浓缩增益值。然而，如果增加元件的数量，那么在典型的100x100 Hm的横截面的MEMS通道上的压降会迅速增大，如图20中的表格 所示。仅当N, = 50， v =100 cm/s和L=0.5 cm时，可以获得Ap-2.6 psid，这里空气是样本气体的主要部分。即使每个元件缩短到L = 0.1 cm,对于 + 2 =505或1010个元件的预浓缩器里，Ap值会迅速的 变为不切实际地增大，如图20列出和计算了经过的压降和峰值功 率的数据，并且表示出Ap的数值分别为5.3和10.6 psi。高压降对于 真空泵抽吸样本气体这样的系统特别不利， 一 种减少高压降的方法 是在两个或多个相同且并联的通道上安装K个元件。对于q个并联 通道，压降值就会降低到Ap/q，不需要改变均热时间或需要的峰值 功率，因为全部N,个并联元件的解吸附作用必须同时开始，除非每 个通道提供相配的阀，这样它们可以顺序被解吸附。更好的是，均 热时间将会通过并联通道的设计而减少，如果没有使用阀，就可以 利用图17所示的双泵521和522结构。
当两个泵521和522在均热阶段会吸取样本气体时，由于泵522 更强大的真空作用，经过微型分析器500的流体并没有被影响，但 是允许第一级预浓缩器526利用泵521去吸取10-100x大的流速，这 样在10-100x小的时间内完成了这个均热阶段。在均热阶段的结束以 后，泵521停止工作，同时泵522吸取样本气体穿过浓缩器523、微 型分析器500的分离器524和525，并且为预浓缩器526增加并联通 道529。
如图3-5,超级预浓缩器526 ( Hyper pre-concentrator )、浓缩 器523和浓缩器623有许多通道，这些通道包括加热元件20、 22、 24、 26等、交互元件40、 42、 44、 46等和选择的附加交互元件M0、 142、 144、 146等。控制器535和635电连接每个加热元件20、 22、 24、 26。控制器535和635按时间相控序列给加热元件20、 22、 24、
3026提供电能(看图7的底部)，这样相应的交互元件40、 42、 44、 46被加热且解吸附被选择的成分进入流动的样本流体530和630 中，所需的时间约为上游浓缩脉冲到达交互元件时，该脉冲是由一 个或多个上游交互式元件产生。利用任意数量的交互式元件可以在 浓缩脉冲上达到想得到的组分气体浓度。
微型分析器500的特征包括1)利用与其他微型分析器集成的 方法完成多水平、多级预浓缩；2)在微型分析器500中用两个泵实 现这个集成的方法，除非压力泵的用途是简单的提高过滤器的净化 率，该方法对减少第一级预浓缩的均热时间有利；3)完成第一级预 浓缩，使得第一级输出能够暂时作为第二级预浓缩的高浓度分析物 源，该分析器是多级型；4)在需要极端灵敏度的情况下(如在亚ppt 级上存在的分析物)，完成第一级预浓缩，使得第一级输出能够暂 时作为第二级预浓缩的高浓度分析物源，依次第二级输出能够暂时 作为第三级预浓缩的高浓度分析物源，该分析器是多级型；5)第一 级预浓缩器不是简单很长的通道(比前面介绍的多级预浓缩器要长 100x,如果G=100是每一个吸附-解吸附阶段能够达到的浓度增益)， 以作为预浓缩器最后一级的(高100x的)浓缩分析物饱和源，这样 就导致了非常高的压降，而是为降低压降值，该通道由几个并联通 道组成，因此它的压降比预浓缩器的最后一级的压降低很多；6)在 没有损失希望的气体与固定相之低容积比的情况下，通过扩大预浓 缩器通道、加热器和吸附剂薄膜以达到降低压降；7)在没有不适当 的增加解吸附的时间而减少希望的气体与固定相之低容积比的情况 下，通过增加吸附器薄膜的厚度达到降低压降；8)能够以更灵活的 方式运行微型分析器500，例如，为满足低灵敏度分析的需要，没有 运行并行的第一级预浓缩器，和/或没有第二级分离器OiGC #2)，如 果不要求最后的分离。
GC弁1和GC #2分别是指微型分离器的第一和第二流体或气体 色谱仪。第一和第二分离器被分别视为柱形#1和#2，而且分别同 微型分析器的其它元件一起作为GC#1和GC幷2的一部分。
微型分析器500的优点是1 )在满足nGCs的选择性、峰值容 量和灵敏度的要求下，分析时间短(因为使用薄型薄膜为基础的固 定薄膜支持)；2)在没有影响选择性或分析速度的情况下，能达到
31可能存在的最高灵敏度(由于非常高的PC水平)；3)同时达到可 能存在的最高灵敏度、选择性和每个分析的低能耗性能。(为实现 低压净化和均热功能而使用两个单独的泵并且更高压力的一个用于 最终预浓缩水平和分离功能)。
图21所示，微型分析器600有GC-GC型二维结构。样本气体 流630 (也做载气用)进入粒子过滤器627的输入端，然后被泵640 经过两个并联通道抽出。在主通道里，流体630继续向前分别流过 微型检测器631和浓缩器623。浓缩器623的直径约为IOO微米。流 体630从浓缩器623流出，经过流量传感器624，然后进入分离器 624,该分离器的内直径约为100微米。从分离器624出来，流体630 会分流， 一部分流入第二个分离器625，另一部分流入微型检测器 633。分离器625的内直径约为50微米。流体630从分离器625出来， 流过微型检测器634和量孔644。流体630从微型检测器633出来， 经过线路643流过微型阀641。流体630从过滤器627输出端的"T" 型连接出来流过线路646，受到量孔645控制。控制器、微控制器或 处理器635连接泵640、微型检测器631、 633和634、流量传感器 632、浓缩器623、分离器624与625、还有微型阀641，以实现对分 析器600进行适当的操作。每个微型检测器631、 633和634可以是 TCD、 MDD、 PID、 EDC或其它种类的检测器。相对于上述检测器 使用的数量，分析器600可以有更多或更少的检测器，它也可以有 附加的阀和其它的元件。在其他方法中，可能不需要微型阀641,所 以只留下未受控制的泵和临界量孔的流调节。
在本发明的说明书中公开了主通道，并且第二通道实现第二级 pGC，在第二通道中"采样"数据(nGC肘峰值的半宽卞GCW的"自
由"洗脱时间)。
经由使两种或多种分离薄膜材料附着在集成结构上的微型流体 分析器结构不能分离的物质，在此利用扩大的、经典的GC-GC结构 可以实现。相对緩慢的第一级GC可以产生具有10-30ms的半宽度 的峰值，每隔20-100 ms通过受脉冲作用的第二级GC分析这个值， 在第一级GC的终端通过检测器触发定时或按需求基准。第二级GC 还可以经过快速(l ms)加热和冷却第一个加热元件聚焦吸入峰值，所 以电子-控制或微型阀-控制的喷射峰值的半宽度不超过-1 ms。在方法#1中，图21的分析器600，活动的微型阀641控制nGC #1的流动，该流体流过支路然后通过固定量孔(例如634和645 )柱 体2#被控制即设定。方法#2，用于流量控制的附加固定量孔代替微 阀641。
在#3中，全部nGC #1的流体630流都进入jiGC #2;在泵640 之前该流由固定的量孔647控制(快但不受控制的速度)，而且自 动的加速转换到柱体#2的横截面上，如果需要，可在另一个固定量 孔/节流口 648之后，看图22。
如图23，为了更好的抽吸流体630微型分析器620有两个泵621 和622。和流量传感器632相邻的是分离器651，该分离器的内直径 约为140微米。流体630从分离器出来，分别流过微型检测器652 和量孔653。从量孔653出来，流体630流过分离器654 (内直径约 为70微米)。从分离器出来，流体630分别流过微型检测器、量孔 656和线管657,然后到达泵622。微型阀561或661可选地连接在 分析器500、 610和620上对应的分离器525、 625和654。
在任何情况下，在jiGC #2柱体上第一个短吸附元件的作用下， 被采样的宽峰值(broad peak)经过简短的聚焦期要"喷射"到^GC #2，这里更适宜采用固定相薄膜材料和柱体#1的厚度。其次，利用 快速加热和解吸附把分析物喷射到HGC #2里，fiGC #2的特征是更 狭窄的柱体、更高速度和更薄的吸附薄膜，从而在nGCW的最大分 辨率的条件下达到更高的理想速度。这个更高的速度也要通过在该 柱体内的低压力才能实现，不是通过穿过柱体#2的大压降，就是通 过固定量孔(没有表示在图21中)，该量孔位于上述的柱体#2的元 件#1的末端和柱体#2的其余部分之间，或者在柱体#1和柱体#2的交 汇处。
在运行期间，在固定的时间间隔或仅当柱体#1检测器检测峰值 时，会重复聚焦过程。然后，在有代表性的2xAt (例如2x20ms, 如图24-表1所示)峰值半宽度期间，以上述的柱体#2的元件#1的 温度的骤跌使聚焦运行开始。在这样一个浓缩时期(te)之后，会快 速释放被吸附的分析物，而导致峰值半宽度约为2ms。详见图24, 其它有代表性的数据包括在柱体#1和柱体#2中样本气体的流速-V，这和方法#3中的速度相同；浓缩时间te = t。(#2) = 2At(别)；样本气体速度-v需要接近最大化分辨率的理想速度，R = tR/At，中间范围 是0《k〈5,且k = (tR-t。)/t。；解吸附柱体#2的元件#1 (或柱体#1最 后的元件)的时间为 At/2，该时间需要和局部流速度保持一致，所 以1 / v "t(#2)《2 1/v.
尤其当HD是多通道检测器的时候，例如MDD、 nECD、 nFD(微 型荧光检测器)，因为使用nGC屮GC卞D的多个独立测量数值(例 如可分辨的峰值或总峰值量)要大一些，假阳性的概率就会减少。 如果HGC #1的总峰值量为-50, fiGC #2的总峰值量为-30， MDD的 总峰值量为-10，独立测量值的总数为50 x 30 x 10 = 15,000。
微型分析器600、 610和/或620的特点包括1)多级预浓缩器 (PC)卞GC-nGC-检测器集成于一块芯片，可以选择更多的附加检 测器集成到该芯片上，更为重要的是利用材料最理想的混合和配合 作用于PC，、 GC弁1和GC #2的薄膜、微型检测器和fiD上，所以 jiD检测到的干扰物不保留和/或不预浓缩，然而目标分析物获得预浓 缩且分离良好；2)在本发明中的一个或两个nGCs都可以智能的和 灵活的运行，例如用户可以选择总加热阵列元件的数量决定预浓缩 器(PC)对分离器(S)的作用，和/或用户可以选择混合物的类型 以及在预浓缩器材料中解吸附物的类型(为了防止从各种预浓缩器 的元件中解吸附所有的材料)；3)在本段中特点1)的设计保留了 自身(对于立方-英寸型的掌上型)的紧凑性、3秒分析、《ppb的灵 敏度、灵活性、智能性、集成结构、低功耗、无阀(valve-less)的 电子喷射和超低成本这些特点。4)根据在本段中的特点1)和3) 的设计，就把图21中的活动微阀6"去掉了 ，所以为径流调节只剩 下未受控制的泵和临界量孔；5)根据在本段中特点1)至4)的设 计，经过nGC #1和#2的质量流率是相等的，但是这些柱体(与在 柱体#1的末端处固定压降量孔或喷嘴)要被配置(ID，泵容量和其 它固定量孔以至于通过音速喷嘴控制泵)为达到 3-10x的柱体#1级 别而增大流速，所以在从柱体#1洗脱出的峰值半宽度期间，通过柱 体#2可以做近似完整的分析(在t。到2t。的时间内)，而且为获得 Golay方程的最佳值，调整吸附剂薄膜的厚度；6)在相配的(相同 或一半大小最合适)元件和时间2At内，通过"聚焦"柱体1#的完整 的峰值(如图24， At=20 ms)，以完成微型分析器600、 610和/或
34610的运行，因而在时间At2， 1-2 ms内该微型分析器能够释放和喷 射被吸附物；7)如图23中使用了两个泵621和622,设计每一个泵 在特定的流速和抽吸压力下抽吸气体，但而非使用一个泵来满足两 个任务的最大流量、抽吸时间和压力需求；8)多种集成检测器的集 成和使用减少了假阳性概率，其会随独立测量值数量增大而减小， 更好的做法是把两个分离的功能嵌入微型分析器中-经由非选择 但灵敏的检测器实现选择性(通过光谱测定的功能可以实现选择 性，例如，根据光学吸收、质量、沸点及其他性质可以分离分析物) 灵敏性。
微型检测器方法#3的优点是l)nGC卞GC的合并，不仅能够 增大分辨率，而且不需要增加成本就能为最低限度的增加以及不同 吸附薄膜材料的额外掩膜和沉积获得更完整的分析；2)成本的减少 -去掉活动阀，以及利用小调整以"加热-波"传播的电子受控速度保 持正确同步；3)进一步减少成本—减少校准精确度，以满足流量 传感器的辅助设备调节和调整该流量传感器的需要，然而，按本段-优点#2的描述，经过调整电加热速度已经完成了最佳同步；4)进一 步减少维护成本-泵容量比所需容量高20-80% (在成本不变的情 况下)，从而节约了与泵速率控制有关的控制设计和调试工作。过 剩的容量可以通过固定量孔节流的方法简单的控制；5)如图23中 使用了两个泵621和622，设计成各自完成自己的任务，但是更有效 的设计是使用一个泵，即满足最大流量、抽吸时间和压力需求，又 节约了附加量孔的成本和设计工作；6)在系统中每个ni的作用是组 成m-阶元件PC卞GC- nGC-fiD3…jiDm，这样可以使假阳性概率—Pfp 降到最低，此时1/Pfp = [l-exp{-(RSN-l)/4}l ( n" n2,…nj °'8 (Y+l),其 中R^H言号/噪声比，n，，ii2,n3,.…nm-独立测量值的数量或消除标准 (例如经由选择性PC元件的过滤步骤，经由nGC弁l或pGC #2 的光谱测定分辨率元件，或者经由几个不同^Dj的测量通道)且Y = 1/P， 特殊假阳性的逆概率， 一旦记录可以由冗余传感器、重复测量 值、在传感器栅格的相邻检测元件、和/或罕见的高横向灵敏度的千 扰物表面传播产生所确认。
图25的微型分析器800组合了空间、灵敏度、速度、能量节约、 错误报警这的最大约束，例如利用电池功率运行在无人驾驶飞行器(UAV)、无人操作的地面传感器(UGS)、门诊部监控系统、以前的 MGA(微型气体分析器)中，因此该微型分析器足够紧凑、灵敏、 快速、功耗低和可靠以至于可以达到这些功能的性能要求。分析器 800灵敏度《lppt (亿万分之一)，总分析时间《4秒，每次分析消耗 的能量小于1焦耳，并且该分析器的可靠性超过了台式GC-MS系 统。所有的分析电源占用大约2 cm3的空间(不包括电池占用的空 间)且满足或超过了目前仅由台式GC-MS分析器产生的假阳性概率 的要求。尽管不严格要求小于100ppt的灵敏度，但是要求每次分析 的时间要小于50秒且消耗的能量要小于10焦耳。然而，在检测器 的极限接近l.OOppt的时候，每次分析的时间小于5秒时消耗的能量 可小于3焦耳。流体的浓缩、分离、检测还意味着流体的分析物或 组成物。
把LucentTM 1-10微米离子捕捉质i瞽4义(mass spectrometer )增
加到微型分析器800中，使该分析器极大改进了峰值鉴别能力从而 成为极小型MS，并且没有产生不利的后果，如要求增加联合真空泵 的成本、大小和功率。
微型分析器800可具有在本发明的各部分描述中公开的结构、性 能和特点。作为非常紧凑的装置，微型分析器800对高灵敏流体检 测和分析有利。微型分析器800是电池供电型、微型以及便携式分 析器。然而，在这里由于这个公开的结构特点，微型分析器800可 以被看作是消耗的功率非常低，因此把它制造成非常使实用的电池 供电型分析器。
微型分析器800有功率减少的特点。该特点包括分析特点，如预 浓缩(PC)和色层分离(CS)的最佳薄膜厚度、在PC和CS元件 上改进加热元件的定时、合并MDID (微型放电阻抗检测器)和其他 检测器和/或ASIC (专用集成电路)。质语仪可以变换为飞行时间质 i普仪、磁偏转质i瞽仪或四级质i普仪。
在本发明的描述中，术语"预浓缩器，，和"浓缩器"会被可互换地使 用。装置826可被看作是预浓缩器、第一级预浓缩器或第一级浓缩 器。装置823可被看作是另一个预浓缩器、第二级预浓缩器、第二 级浓缩器或只是一个浓缩器。"预"可以是"预分析"的简写。图25中 的装置826和823分别被看作是预浓缩器和浓缩器。通常情况下装置
36826和823视为浓缩器。预浓缩器826有相控加热器，该加热器以经 过的气体分析物定时，从加热器传出的热脉冲以相同速度与分析物 一起移动。也就是，用非常短的时间打开或关闭加热器，这样形成 热脉冲与气体或分析物混在一起移动经过浓缩器，特别地浓缩器 823。移动气体中的热就像脉冲一样，当气体经过浓缩器时，热随着 温度不断的增加和积累。加热窗口是5到6毫秒范围，但要尽可能 短以保存能量。气体热团(或"脉冲")或分析物利用第一级浓缩器 为进入第二级浓缩器做好准备，第二级浓缩器比第一级浓缩器的级 数(例如相控加热器)更多。在第二级浓缩器的热脉冲非常短和陡， 从而很快的把被吸附的气体或分析物加热至高温度。气体更大的浓 度增加倾向于在第二级浓缩器里完成。第一级浓缩器要做准备，例 如为第二级浓缩器浓缩气体。在这两个浓缩器中，在加热器脉冲与 加热的气体团或分析物移动通过各自的浓缩器之前和之后相控加热 器是空闲的。例如，假设每个浓缩器有20个加热元件且每个元件的 加热时间为6毫秒，那么加热整个气体流动或分析物的时间为120 毫秒。如果浓缩器有几百或更多的相控加热元件，那么总时间会更 长。交互元件可以是沉积在相控加热器上的吸附剂薄膜。吸附剂涂 层是一种、两种或多种成分，这里每种涂层吸附分析物的亚群并且 在这个亚群中与分析物产生交互作用，这些涂层还能够处理分析物 的这个亚群，如浓缩和分离。
浓缩器中的相控加热器同步加热一个体积单位的流体流量，该流 体流量包括流过每个相控加热器的分析物，这里每个相控加热器打 开的时间只够吸附或解吸附分析物，从而在一个体积单位的流体流 量上增大分析物的浓度。换句话说，当这个体积单位上的流体离开 各自的相控加热器时每个相控加热器关闭并且温度降低。
首先在预浓缩器中吸附分析物，其次在预浓缩器相控加热器中解 吸附该分析物进入一个体积单位的流体流量里，这个流体流过预浓 缩器的每一个相控加热器，而每个相控加热器打开的时间只是这一 个体积单位的流体流量通过该相控加热器的时间。加热器各自关闭
之后，当一定数量的流体离开各自的加热器时温度降低。 一个体积 单位的流体流量在分析物已浓缩的样本气体上形成组，这个组即将 流动且与下游的浓缩器823互相作用。浓缩器823的作用与预浓缩器
37类似。
气体组、团或脉冲830，从浓缩器823中流出来，然后进入或被 注入到分离器824里。在分离器中加热的窗口比在任何一个浓缩器 中加热窗口都长。流过分离器的气体有慢的和快的(即，气体为分 析而分离的基本原理)。在分离器中的温度逐渐平稳上升大约到250 摄氏度。这样，慢气体经过分离器的温度比快气体高。在第一个快 分析物来到之前，和慢气体或最后的分析物穿过各项分离器的加热 元件之后，分离器加热元件可被断开。检测仪器位于浓缩器、分离 器的上游和下游。
如图25所示，微型分析器800包括流体830的样本流，流体830 穿过输入口 843到达过滤器827,然后从过滤器827流出，进入第一 级预浓缩器826里，预浓缩器826有串联连接的通道829。然而，该 通道829可以是并联连接或者有串并联组合结构。从预浓缩器826 流出，流体830的第一部分流过过滤器831且第二部分流过浓缩器 823，至少在一个通道32上有相控加热器20, 22, 24，...， 26，在该通道 里或在该通道最接近的地方有吸附涂层交互元件40, 42, 44,…，46并 紧接这几个加热器和流量传感器/微型检测器832。浓缩器823还有 在通道31上设置有交互元件140, 142， 144,…，U6,其紧接相控加热 器40,42,44，...， 46。流体830可由泵821抽吸通过通道829。除了吸 附涂层表面以外，在浓缩器823的一个通道或多个通道的内表面上 涂上了绝缘涂料69 (图6a、 6b和6c)。泵822牵引流体830穿过 微型分析器800的主要部分，包括浓缩器823、传感器/检测器832 和分离器824。泵821和822同时工作或根据自己的时间表运行。流 体830从传感器/检测器832流出，流过第二个微型检测器833、第 二个分离器825和第三个微型检测器834。泵822拉着流体830向前 流动。
浓缩器826和823与分离器824和825有许多温度达到300°C的 柱体，这些柱体会很快消耗能量，且限制运行的时间，和/或增大在 微型分析器800中常规使用的最小电池的尺寸。可以用几种方法减 少这个高能耗量。与分离器824和825有关的一种减少能量的方法是 平稳升高分离器柱体的温度且只升高柱体的有效部分的温度。这种 方法是通过分段柱体关闭在预定的分析时间内洗脱最后的分析物的
38时间和位置之后的加热器。也就是说，通过将位于在分配的总洗脱
时间段内洗脱的最后混合物之后的分离器元件824和825断热以减 少每次分析的能耗。
关于预浓缩器826，能量节约的方法是—不立刻加热整个第一级 浓缩器(例如，预浓缩器826)而只加热第一级最后的预浓缩器元件， 其与供应至第二级浓缩器入口的高分析物浓度的流体相关，因此使 用吸附薄膜制造预浓缩器826时，该吸附材料要尽可能的厚，可是 仍然要和要求的解吸附速度保持一致，以最小化合成的P值(气体 体积与固定相位之比vol. gas/stat.phase )和流量限制。
能量节约的方法还包括允许增加预浓缩器的通道829的宽度，以 适应吸附薄膜的要求质量以达到需要的总浓缩增益(总增益x注入 体积/100);在预浓缩器826中允许增加吸附薄膜的厚度，通过减 少P值(气体体积与固定相位之比vol. gas/stat.phase)、分割宽的预 浓缩器826元件和仅给每一个元件供能至足以解吸附所吸附分析 物，从而减少预浓缩器826的整体尺寸、流量限制、压降并增大增 益。如图27中的实施例所示，与流体830的方向垂直而沿着20毫米 的总长度，把5毫米宽的第一级浓缩器826分割成50- 100微米宽的 加热条。加热条组成相控加热器。预浓缩器的加热元件形成一个窄 平行条的阵列，且纵向长度等于流体通道的宽度，而平行于流体的
分析物采样方向上的尺寸该通道宽度小10—100倍。
流体830从泵821和822里抽出，然后回到该流体最初流出的地 方或流到另一个地方。每个微型检测器831、 833和834包括TCD、 MDD、 PID、 CRD、 CID、 ITMS、 MS和/或其他类型的检测器或仪 器。然而，在微型832和833中可以只包括TCD和CID。相对于 上述检测器使用的数量，分析器800可以有更多或更少的检测器。 检测器有一薄层薄膜材料，包括聚合材料、金属材料和纳米结构的 材料。有些检测器检测绝对电阻和微分电阻的变化。聚合材料能够 基于电阻、电容、吸附质量或机械应力变化形式分析物浓度。微型 分析器还有流量量孔，例如在微型检测器833和834出口处的量孔 841和842。此外，；敞型分析器800在对它有利的地方，有阀和其它 的元件。控制装置835或微型控制器或处理器连接泵821和822、检 测器或传感器831、 832、 833、 834、预浓缩器826、浓缩器823、分
39离器和825和其他需要的元件，这样可以充分的控制和调整分析 器800的运行。分析器800可具有在本发明中描述的其他分析器的类 似结构。
在有或没有质镨仪的情况下，辨别分析物故障是导致"假阳性" 产生的原因，在最小化假阳性概率的方面，多级检测器的使用增加 了微型分析器800的可靠性。关于检测器的选择方案，为了增加分 析物辨别的准确性， 一种方案是把更多的TCD测试设备增加微型分 析器800中，从而减少假阳性概率，在这里对这种方案进行讨论。 一连串的PC、 CS和检测器在形式上有
PC (1+2) +CS (1+2) +TCD+CID+MDID+ITMS或 PC (1+2) +CS (1+2) +TCD+CID+MDID+PID+MDD。
指定CID是化学阻抗检测器(化学电阻器或化学电容器)以及 指定MDD是微型放电装置。质谱仪包括四级质谱仪、飞行时间质谱 仪和》兹偏转质谱仪。
图26a是包括两级浓缩的模块化相控微型分析器800的流量图。 该图与图25中的微型分析器800的结构相似。该图表示样本流体从 入口 843进入到预浓缩器826。流体830在预浓缩器826之后分流流 入集成流量传感器831和浓缩器823。流体830从传感器831被泵送 穿过高速低压力变化泵8"，然后到微型分析器800的出口 。流体830 流过浓缩器823继续向前到达测试设备832,测试设备823包括集成 流量传感器824和TCD845。流体830从测试设备832可进入第一分 离器824和TCD833。然后流体830进入第二级分离器825和测试i殳 备834。测试i殳备834包括TCD 846、 CID 847、 MDID 848和ITMS 849。在图26a中，PID 861和MDD 862连接测试设备832从而代替 或合并ITMS 849。 MDD 849包括许多形式且有UV光i普发射、可见 频带和红外频带。为了方便的测量各种波长频带(每个都具有自身 的窄带通滤波器)附加了 MDD。
测试设备834有或多或少的装置。在测试设备834中可以有其他 类型的装置。例如，测试设备832、 833和/或834可以是薄层薄膜聚 合体，通过薄膜在电阻、电容或应力方面的变化以及在厚度上从微 米到纳米(是自制的单层或其他结构)的改变，所以该聚合体能够 检测在流体830中经过的分析物。如图25a和26c所示，温度传感器863、 864和865分别位于预浓缩器826、浓缩器823和分离器824 之后。这些传感器863、 864和865连接控制器835。流体830从测 试设备834流出，高速低压力变化泵822把流体830泵送出微型分析 器之外。控制器835连接所有的传感器和检测器，包括泵、浓缩器、 分离器、发射装置、频镨仪和其他装置。元件可以在分析器800不 同的形式或实例中互换。
如图25a和26c所示，在预浓缩器826和867的入口处、预浓缩 器826和868的出口处、泵821和869的入口处以及泵822的入口处 都有压力和/或压降传感器866。压力传感器866提供信息以检测流 过第一个泵821的流量，且通过该传感器调节器的频率而调整流速， 以检测第二个泵822的(第一和第二)分离器的流速以及为质谱仪 检测真空。还有第三个泵873,该泵有第二个泵8"上游的出口和入 口，泵873再泵送其输出到高流率第一泵821的入口。
如图26a所示，控制器835为分析流体830的信息，接受从流量 传感器831和844、热传导检测器845、 833和846、化学电阻检测器 847、微型放电电阻检测器848和离子收集质谱仪中传出的信息。频 谱仪显示流体830的分子质量。在图26b中，控制器835为分析流 体830的信息，接受从流量传感器831和844、热传导检测器845、 833和846、化学电阻检测器847、微型放电电阻检测器848、光电离 检测器861和微型放电装置862中传出的信息。
图26a中控制器835包括控制电子装置851、数据采集与分析模 块852和高频驱动电子装置853。控制器835和分析器的其它部分集 成一体于ASIC (专用集成电路)中。模块852连接流量传感器844、 TCD 833、 845、 846、 CID 847、 MDID 848和ITMS 849。还有，模 块852连接控制电子装置851和高频驱动电子装置853。预浓缩器 826、浓缩器823、第一分离器824、第二分离器825、第一级泵821 和第二级泵822都被连接到控制器835上(如图25所示)。图26b 表示ITMS 849^皮与模块852连接的PID 861和MDD 862代替。
图27表示微分析器800的一张扩大的透视图。分析器中组件或 模块860的侧面面积约为2厘米xl.3厘米。模块860是一堆晶片或 芯片。组件的竖直尺寸约为0.7厘米且体积约为1.8 cm3。模块860 的下部分是控制器835,该控制器包括控制电子装置852、数据采集
41与分析852芯片和高频驱动电子装置853芯片。该下部分的厚度约为 3毫米。中间部分854包括预浓缩器826、浓缩器823、第一级分离 器824、第二级分离器825和测试设备831、 832、 834,至少有一个
通路和相控加热器20、 22、 24..... 26。部分或晶片854可以有或
没有ITMS 849。频谱仪849是在分离芯片或芯片堆上。中间部分854 的厚度约为l毫米。顶部分包括第一级泵821、第二级泵822和过滤 器827。顶部分的厚度约为3毫米。在模块860下部分的底部是层或 部分856，该层是为微分析器800的数据传送与控制而设计的无线通 信装置。层856这部分的厚度约为3毫米，并且它和模块860侧面面 积相同。在层856下面的一部分包括电池857或电源或支架，该层厚 度约为3.8毫米且它与模块860的侧面面积相同。电池857的厚(如 10毫米)薄取决于分析器800所需的功率、充电之间的期望时间和 电池的工艺(例如锂电池)。如果把所有的部分(包括无线电装置 和电池)都粘在一起，总厚度约为1.38厘米而体积约为3.6 cm3，假
如粘的不需要特别紧凑那么这个尺寸就不严格。在后一情形中，在 有泵的顶层，其面积小于25平方厘米且厚度小于10毫米。无线通 信部分856，其面积小于25平方厘米且厚度小于10毫米。在有控制 器854的下部分，其面积小于25平方厘米且厚度小于IO毫米。中间 部分854其面积小于25平方厘米且厚度小于10毫米。电池857或它 的支架层的部分，其面积小于25平方厘米。上述的尺寸可以替代地 小于2.5平方厘米来取代25平方厘米。
图28是泵1010的剖视图。高频微型放电装置(micro discharge devices即MDD) 1014和1015可以产生离子电子偶。相对大的离子 1016向(-)电极1011漂移而且牵引中性分子一起移动。离子漂移 泵1010的工作原理是外加电场吸引离子粘性牵引力，所以它们累积 的表面牵引中性分子一直向前移动，直到该牵引力与感应流1081和 毛细管道(或MEMS通道)壁1013之间的牵引力建立了平衡。在外 加电场的情况下，已知离子的漂移率、数量密度和体积，可以求出 前者(Stokes定律)，然后根据泊肃叶定律(Poiseuille law )可以求 出后者。这里所谓的术语"流体"指普通的流体包括气体类和液体 类，如空气、煤气、水、油都是流体。
Stokes定律与粒子半径r、粒子速度v、流体粘性ri、粘性切变应力Fy有关，其中Fv = 6tt'tt vr。 如果粒子1017被充电，那么它 会感应静电力Fe = E*q。粒子漂移速率是v-Vd,且它与电荷q、质 量m、碰撞花费的平均时间t和电场E的控制力有关；在这里，假 设外加100v电压到(+)电极1011和(-)电极1012上且它们相隔l厘 米，那么m(N2) = 0.028 kg/mole/NA而且Vd = q* E* t/hi = 1.6022 10 19'1 1.34* 10 10/(0.028/6.022. 1023)= 0.000462 m/s per V/m或4.62 cm2/ (Vs)或462 cm/s。
为得到上述的Vd,就要利用t = 6.7' 10-6/50，000 =1.34 10 10 秒，基于在空气中N2分子的平均速度v = 50000 cm/s，在这里，t二碰 撞间时间=X/vT = X/ (3kT/m) es ， N2+栽流子的质量m = 28/NA= kg' 质量，vT=热速度，还有在1大气压下1=平均自由路径=6.7 x 10 一6厘米或1 = 0.005/p，对于环境条件p以托(Torr)为单位且1以 厘米为单位，NA = 6.022 1023 =每摩尔分子的阿伏伽德罗常数，玻 尔兹曼常数k =1.3807* l(T16 erg/K，而且单电子电量q =1.6022'l(T
19库仑。
流体流量在毛细壁1013上引起的粘性切变应力可以由泊肃叶定 律导出，该力与体积流量和压降有关V = 7trc2 v =7t* Ap'rc4/(8 Lc* i])， 因J:匕Fc = Ap, 7irc2 = 87T, T] v Lc。
为了使两个力相等，力需要在粒子浓度上做假定。对于v-lOO cm/s, re = 0.0050 cm且Xion = 10 ppb离子浓度导致电流产生 q* 7trc2* v争x' NA* = 1.6022 10 tt* 0.00502 100 10 8 NA =0.0232
外加电势IOOV时对应的功率为Q = 2.32jiW。当电场长度L-l cm时移动离子的数量为N = NA/VM(T。/T) 'Xion' 7trc2 L0= 6.022* 1023/22415 (T。/T) 10 8* tt' 0.00502' 1/ = 19,660,000离子而分子在L。上 的总数量为NA* = NA/VM(T。/T) = 2.883* 1019/cm3。
使N个离子具有相同的离子牵引力就可以确定可达到的宏观流 速ve, F^是上述的毛细管1013长度Le上毛细管流量的离子牵引 力，力Fe = Ap* 7ire2，并且让Fion- Fc ，在这里强调，离子摩擦力 与Vd有关而离子流与Vc + Vd有关，这里Fion = 6" vd' ri()n* Xi()n NA" 7irc2Le = Fc=8tt' ti'Vc'Lc，可以取rion = 1.5' 10 8 cm, Vd(lOO V/cm) — 461.6 cm/s:
43vc = (6tt/8) vd* Xi。n* ri。n* NA" re2 =(2.3562) 461.7. 10 -8.1.5. 10 8' 2.883' 1019* 0.00502 = 117.6 cm/s，其条件参数为10 ppb离子、100 V/cm、 lOOjim毛细管。
图29中的表1020表示离子牵引泵的流量和能量特性。可以让读 者改变图上带星号标记的输入值，如外加电压、V、 rion、 re、加电 场时毛细管1013的长度和整个系统毛细管的长度Ls,对于给定的Vc 由Ls决定Ap的值。表1020中每一行数据表示在未知和假定单向离 子浓度的情况下相应的变化量，这决定在毛细管长度Le和Ls上宏 观粘性流量，从表中得到的结果是、随着Ap的变大而变小。
表1020上的数据显示出上面使用的值不包括微小的变化；这 种产生流量的方法效果好；而且离子浓度非常低；假如没有离子碰 进电子附加装置，那么当重离子被气体拖拉时，空间电荷会起作用 并能保持电中性。然而，离子漂移频谱仪可以起杠杆作用，该频谱 仪可以当作气体检测器使用。
还有，在图28中在MDD (微型放电装置)IOI4和1016上为离 子产生而增强电场强度；如图30所示多套交叉电极1021和1022; 离子产生的速率、离子浓度、集中牵引力和最后得到的宏观流量速 度都增大直到阀关闭为止，这样漂移速度再被MDD1014的外加直流 电场控制(如图28所示)。然而，当总气体速度Ve加快时，它不会 达到或超过离子漂移速度Vd,而只是增大到顶点或继续向气体速度 Vc的顶点攀升。
当直流电场增大、改变或关闭时，宏观流量在一个毫秒的分数内 变化，该变化应用在nGC-nGC分析器的第二级中的控制和/或脉动 流量，其中pGC是微型气体色层分离法。
尽管考虑到使用气体的价值，但是在液体中离子的稳定性可以通 过它本身被泵1010的液体流体所利用，而且液体中正负离子(没有
自由电子)之间的差异要比气体中正负离子的差异小。
为测定实际流量速度，要从平衡离子牵引力和在毛细管1013长 度！^上流动产生的粘性牵引力角度出发计算结果，可以假定Fion^ Fc，因此得到6丌'tt vd* ri。n' Nj。n = 8" ti'Vc' Les,在数值上取rion = 1.5* 10 8 cm, xion = 10 ppb， vd(100 V/cm) = 461.6 cm/s, Lce = 1 cm, Lcs =50 cm和rc = 0.0050 cm,
44vc = (6丌/8) vd xion.rion* NA" rc2* Lce/Lcs = (2.3562) 461.7' 10 _ M.5"1(T 8' 2.883* 1019'0.00502= 117.6 cm/s.
该流量可以通过vd = q* E* T/m， Xion， rion和Lce增加，且随着 Lcs的变长而减少。附加参数如表1020所示，尤其是这些参数与能耗 有关。
本发明中的离子牵引泵的实用性取决于产生离子的密度和寿 命、正负载流子之间在尺寸或不对称上的差异、不对称的配置、离 子漂移电场的电极组态。
因为提供这些条件，载流子能够驱动中性分子流动，不但要穿过 它自己的电场部分而且要克服有用的"负栽"，例如克服实际流动系 统在GC或jiGC柱体长度L^上的流量限制。这有一些实际可变的 输入值，例如100V/cmDC (直流)电场、离子的尺寸(假定可以通 过像水的极性分子的附加装置而变大)、离子摩尔分数的范围，表 1020列出没有负载(Lcs = Lce)的情况下可获得的流速；对实用的 负栽，流速ve、雷诺数Re、粘性压降Ape、耗散功率、总功率、效 率，把理想理论上的功率作为参考，该功率要能克服列出的压力差 从而推动气体。
一个额外的重要考虑因素是需要的功率大小，当离子沿着电场的 方向漂移和重组时，不仅要能推动和收集离子而且也要产生和再生 这些离子。表1020假定在电场作用下移动气体在圆柱里将需要再生 离子99次。实际上这样的考虑有点多余，可以看出生产离子实际能 量超过了理论能量值达因子4到6，所以理论上的10到12ev变成了 实际上的60到70(如图31的表1021所示为转换成焦耳使用eV x 96600 Cb/mole )。
以下列出的因素消耗离子泵的能量1)气体中离子漂移摩擦力 的损耗，驱动全部离子时Qiondrag-FvVion-67niVi。n2'ri。n'Ni。n; 2) 气体流动粘性摩擦力损耗，Qgas-Fc'Vc-87fti'v/'Les;3)电阻性 功率耗散Qohmic = 1>I = U, Nion (Vion + Vgas) ; 4 )离子产生 和(99%)再生时Qgen = (1+99) Eion + Nion* (Vion+Vgas) ; 5 )工作 在流动(假定不能压缩)的状态下，气体穿过Ap， Qideal =fVF (p) dp= 7i* rc2* vgas* Ap。
图29表1020中的数据指出，即使由于重组需要再生电离子对99多次，为了保持具有代表性的离子浓度xion-lO-6，离子泵的效率 要达到50%,这里的参考条件是E = 100 V/cm, Lcs = 50 cm， rion = 1.5 A,以及rc-50nm。表中的数据揭示了某些特性当离子浓度增加 时，泵的速度、Re、 Ap和单个Qs都增加，从而效率提高；功率通 过离子电流和外加直流电压耗散，施加DC电压Qohmic可以比 Qvisc低100倍，但可以不必用在Qtotal计算中，Qtotal以离子粘性 耗散总数和毛细管流动正离子产生和再生的能量为基础。
改变输入参数更加能显出泵的特性和它当前的模型l)Xion = 1 ppm时，增加有效离子半径达因子2导致效率从42.5 %上升到 68.8%; 2)需要的产生功率仅仅为1.65 mW时对于Eion = 70 eV且 99%再生率；3)电场减少2倍导致流量减少2倍且效率从42%降到 27%; 4)毛细管长度减少2倍，而流速快了两倍，保持压降不变， 效率升到52.5%。
综上所述，实际的离子泵的应用依赖于为产生必要的离子浓度和 不对称而配置和运行MDD的能力。通过串联和并联方式配置MDD 1014和1016，就可以获得想要的流量和泵的压降。
通过当前的模型要获得最有利的能量效率依赖于MDDs移动样 本气体所需功率的实际数目和数量。根据宏观离子泵系统的描述揭 示出，尺寸的减少导致效率的降低，但是也与离子产生的类型有很 大的关系。
如图32中所示，为使用UV光产生，MDD必须完全匹配微型泵 的操作且在量孔的排列上已经标准化，如TBD量孔大小和形状、电 极薄膜的厚度、边沿的光滑度和样式；因此，运行许多MDD ( 100 到1000个)只需要两个触点。图32说明，在离子牵引泵中阵列MDD 的两个元件1031和1032穿过量孔1033和1034。对称变化可以由离 子的形状和厚度来实现从而创造电晕产生源。量孔1033的薄或尖锐 边沿对于发射和引起离子电离是有利的。另一方面，在电极1031上 的量孔1034有发射点或尖点1035。为形成电晕和导致电离，量孔1034 有许多发射点或尖点1035。虽然在金属板1031上有量孔1033和1034 两个实例，但实际上在离子泵的电极板上有成千上万的量孔。为了 与量孔1033和1034对应一致，电极板1032上的量孔1037和1038 分别和量孔1033和1034排成一行。在电极板1031和1032之间是
46一层绝缘材料1036且上面有连接着各自量孔的孔1041和1042。孔 1041、 1042与量孔1033、 1037 、 1034、 1038的尺寸和直径大约 相同，孔1041、 1042位于绝缘层1036上且在相反的电极板1031和 1032上连接相应的量孔。
在图33和图34中，在每一列的薄膜绝缘体上使用不同数量的串 联和并联MDD量孔就有不同的形式。注意这里的电活性量孔具有小 内径，然而，大电活性量孔用于引导流体进入到下一泵级，并且在 绝缘体的同 一侧作为第 一级输入端。
图33是离子牵引泵1030剖面图的草图，其在泵1030 —系列的 级中具有数组并联泵元件1043。泵元件1043可以位于泵级或子泵室 (sub-chamber) 1061、 1062、 1063以及1064中，这些子泵室通过 通道或孔1045穿过层1031和1032以及绝缘体1036串联连接。为了 阻止在通道中放电，绝缘体延伸到通道1045里。量孔1046、 1047 和孔1048是圆形或其它形状。为提供有极性的电晕，电极层1031 和1032是导电薄膜。每个泵元件或它本身的孔1045被设计成可以 转换电晕极性，这样在相对于经过元件1043的流体方向的其它方向 上推动流体。每个泵元件1043有量孔1046，该量孔与图32中的量 孔1033或1034类似。量孔1046、量孔1047和孔1048的内径大约 六微米或更大。也就是每个泵元件1043都有与图32中量孔1037或 1038类似的量孔1047。在量孔1046和1047之间是孔或者是绝缘体 1036的通道1048，这与图32中的孔1041和1042类似。制作每一个 多级并联泵元件1043和1044都达到流量和Ap的要求。
在量孔1046的尖锐边、尖角或稀薄的地方，电晕放电是导体周 围流体电离作用引起的电子放电，在没有火花的情况下电晕放电当 势梯度或集中场超过定值时发生。在负电晕(从施加到锐点或脊的 高压产生)情况下，出现的高能电子超过电离边界，并且电子数量 会超过在正电晕的情况下的量级。正电暈和负电晕能产生对流放电 和拖动中性分子向可测量的流体。加在金属片1031和1032上的电压 值的范围是9伏特到900伏特的直流电。电源正级连接金属片1031 而电源接地的负极连接金属片1032。绝缘层1036是由介质材料构成 的，并且有足够阻止在电极板之间或薄膜1031和1032之间产生电压 拱作用的厚度。在泵元件1043的第一个侧边是泵室的侧边1051，该侧边包含泵 1030抽吸的流体。在泵元件1043的另一个侧边是泵室的侧边1052。 流体进入泵1030的入口是输入口 1053，该输入口对着泵室1051和 泵1030的一端。侧边或侧壁1051和1052是由硅、聚合体或其它合 适的材料构成的。流体流出泵1030的出口是输出口 1054，该输出口 对着泵室1051和泵1030的另一端。流体1055的流程是从输入口进 入到泵1030的第一级泵室里。流体1055从输入口 1053流入，经过 第一级或子泵室1061的泵元件1043、第二级或子泵室1062、第三级 或子泵室1063、第四级或子泵室1064，最后从输出口 1054流出泵 1030。
离子泵包括绝缘层1036、位于绝缘层1036第一侧的第一导电层 1032、位于绝缘层1036第二侧的第二导电层1031。在第一导电层 1032、绝缘层1036和第二导电层1031上有开口 1046从而组成泵元 件或通道1043，该通道有第一电极放电器和第二电极放电器。密闭 腔，例如在图33中的密闭腔1051和1052，包括通道1043、接近第 一导电层1032的输入口 1053、接近第二导电层1031的输出口 1054。 在密闭腔内的流体(最好是气体)1055被施加压力经过通道IO"在 输入口 1053和输出口 1054之间传输。
在第一导电层上的开口 1046是尖锐形状，而在第二导电层上的 开口 1047是非尖锐形状。这样的安排是在尖锐边导电开口 1046的附 近能主要产生原位离子。然后，该离子主要承受这些尖锐边的极性 作用，该极性可以感应中性分子的流体1055流程，从而得到这些主 导离子的压力和粘性阻力。
开口或量孔1046的尖锐导体利用导电的毫微管金属须产生电子 放电。毫微管金属须在冷阴极场发射模式下工作。毫微管金属须也 可以在电晕放电的模式下工作。通过外加的直流或交流电压来激发 电子放电。为提供电子放电，尖锐导体开口或电极由薄膜材料组成。 为提供电子放电，导电电极材料(例如薄膜材料)可以在冷阴极场 发射模式下工作。同样为提供电子放电，导电电极材料(例如薄膜 材料)可以在离子放电模式下工作。
开口或量孔1046的主导放电极性电极的尖锐边是由IO-IOO纳米 厚度的导电薄膜材料组成，而开口或量孔1047的非主导电极的薄膜厚度至少要厚10-100倍，并且在内径边上倒圆。
开口或量孔1045、 1046和孔1048是通过蚀刻、激光钻孔、机械 冲压或这几个过程的组合来制作完成的。开口的尺寸是轴向长度(非 导电薄膜厚度)和内直径R之比，为得到泵的最佳性能，所以1 5 Rl 10;对于非导电隔离薄膜材料的厚度为6 nm￡S< 100 jim。
泵可以看作是许多串联结构组成的，例如串联、泵级、L(如泵 级1061、 1062、 1063和1064 )和外加电压U;希望得到的总压降APt =n'Ap，这里的Ap是每一泵级实际的压降，因为实际的容差，所以 每一泵级存在绝对压力、气体体积(由于气体的可压缩性)和温度 的变化，因此每一泵级的效率和容量有变化。因为可以选择开口、 泵级、n和外加电压U的数量，所以就能达到希望的总泵容量率和 总泵压降，而实际的容差压力通过泵自身(要求开口的数量n。)和 (分析器)负载自身下降。利用因子a =n/n。 = Ap。 / (Ap。 - APL) 来增加开口的数量，这里的Ap。等于没有负栽时的离子泵压降，还 有APL等于通过负载的压降值，为Apo- 2'APL时为最佳。
用外加电场归零来激活泵中样本气体流量的快速控制，例如样 本/分析物的实际小气体脉冲/喷射进入微GC圓柱里，这是在GC-GC 系统的第一泵级或二等材料分离柱的第二部分。离子泵的运转像操 作阀，即通过外加电压到导电电极去校准反向和平衡外部流量或压 力转动。通过让径向距离大约等于绝缘层半径的10%_20%,尖锐 边电极或尖锐形开口就可以凹进比绝缘层ID (内直径)大的ID里， 从而在剩余的主导离子进入绝缘层开口的ID之前使非主导极性离子 移出。
当前的泵是气体泵，该泵没有移动部分、通过施加压力驱动以及 在泵的内部产生的离子电场导致漂移。即使泵在没加电压时"正常的 打开"，在加电压以后，泵维持零或正电流。这个泵的基本组成部分 是中央绝缘层，为运转不均匀电晕放电，该绝缘层利用许多并联开
口来承受顶部电极和底部电极。
图34是一组离子牵引泵并联和串联泵元件剖面图的草图。泵 1040被制作成三级1071、 1072、 1073,而且需要许多并联泵元件1074 以达到流体1075需要的流量。每个泵元件1074都有量孔1077，该 量孔在泵级1071和1073的电极板1032上以及在泵级1072的电极板1031上。泵元件1074都有量孔1078，该量孔在泵级1071和1073 的电极板1031上以及在泵级1072的电极板1032上。量孔1078与图 32中的量孔1037类似。连接对应的量孔1077和1078可以为绝缘体 1036上的孔1079。孔1079与图32中的孔1041和1042类似。量孔 1077和1078以及孔1079可以具有约6微米或更大的内径。
泵1040的泵室由泵室的侧边或侧壁1076和1077组成，侧边或 侧壁1076和1077是由硅、聚合体或其它合适的材料构成的。在泵级 1071和1072之间以及在泵级1072和1073之间，可以转换电晕极性 以避免使用图33中额外的流量换向器。真空泵1040需要保持在三 级，而每个泵级都能增加并联泵元件1074的数量，以便在需要的时 候达到想要的流量。当气体膨胀时，泵1040的主要特征是在每一级 都可以增加泵元件数量和体积流量。
泵1040的设计是消除被压进泵的样本气体的额外流程，其它的 权衡设计与图33中的泵1030有关。泵1040在两个电极使用的是同 样的材料。对于尖锐焊接电晕发射器(如离子发射器)使用第一材 料的沉积图案，而对于集流器使用第二材料。
以下列出的是与以上描述有关的一些常用物理参数的术语
E是电场；E = U/s，单位是伏特/厘米；Eion是形成离子的能量；
F是力，静电场力Fe、离子粘性阻力Fion、粘性毛细流的力Fc;
Lc是毛细管的长度，在外加电场的情况下Lee，整个系统的长度 Lcs， 以厘米为单位；
1是碰撞间的平均自由路径，以厘米为单位；
N是电极之间在毛细管长度上离子的数量，N =xion NA* wrc2
NA是阿伏加德罗数，以mol。为单位； NA+是阿伏加德罗数，以cm —3为单位； r是半径，毛细管半径rc，离子半径rion; T是温度，以K为单位；
t是碰撞间的时间t = X/VT = X/(3kT/m) °'5，以秒为单位； x是摩尔或容积百分率，离子xion，分子x;v是速度1) 对于流体的离子漂移Vion; 2)宏观毛细管流，ve，以cm/s为单位； Vion是离子漂移相对于流体的速度，离子总速度=Vion +
50Vc,而摩擦力损失-Vion; V是体积，以cn^为单位； VF是体积流量，以cmVs为单位；
VM是一摩尔气体的体积，在一个大气压和0。C条件下VMo。
泵1010、 1030和1040的特点包括l)利用产生的原位离子在 小通道去检测宏观气体流量，当外加高电场时在喷射方向角上观测 (对流放电效应)，这样在大的正离子与-1000倍的小电子(大多数) 之间平衡巨大的尺寸差异。2)由相应的分布式MDDs产生离子，该 离子特别在2kHz到20 MHz的频率范围内通过无电镀的放电操作进 行加压；3)利用高频率MDD消除了一直困扰传统机械泵的泵振动； 4)为同样使用无电镀操作，将不对称的交流电压和功率应用于离子 加速离子上，所以吸引大多数正离子和重离子的负电极获得分段的 "开"时间；5)利用电极的位置为产生离子合并MDD从而产生电子 漂移，这就是在产生和离子漂移/加速的过程中利用上述不对称方法 的原因；6)通过外加电场归零实现气体流量的快速控制，例如样 本/分析物的实际小气体脉冲/喷射进入微GC圓柱里，这是在GC-GC 系统的第二泵级上；7)离子泵的运转像操作阀，即通过外加电压到 导电电极去校准反向和平衡外部流量或压力转动。
泵1010、 1030和1040超过其它相似泵的优点包括l)消除或 大量减少了流量脉动，因此不需要緩冲体积；2)降低了机械噪声； 3)尺寸更小，功率更低(如图35中的表1022所示)，移动泵的部 件没有机械磨损，以及更长的使用寿命；4)更低的成本费和维护费， 还有更高的可靠性。
把理论上的理想泵和实际制造出来可工作的泵做性能参数的比 较。本发明的泵体积小且能耗低。与其他泵的设计比较起来，该泵 在100x100 jun的管道上可以达到235 cm/s速率，例如，如图35中 的表1022所示对9.7 psi的Ap对应1.41 cm3/s。如表所示，离子牵 引泵不但可以在没有波动的情况下以连续变化的速率抽吸样本气 体，而且在阻力电压的作用下通过调节器易控制速率，比仅次于最 好的静电力机械泵占用的空间要少100到IOOO倍且耗能要低IO倍。 这个仅次于最好的泵是个中型泵，公开于美国专利第6106245号， 由C. Cabuz所做并于2000年8月22日公告，名称为"低成本高泵抽 率的静电致动中型泵 (Low Cost, High Pumping Rate
51Electrostatically- Actuated Mesopump )，，；美国专利第6179586 Bl 号，由W. Herb等人所做并于2001年1月30日公告，名称为"双膜 片,单泵室中型泵(Dual Diaphragm, Single Chamber Mesopump )"; 还有美国专利第618M07B1号，由C. Cabuz等人所做并于2001年2 月6日公告，名称为"采用共用电极的非平行阵列静电执行器的传动 策略(Driving Strategy for Non-Parallel Arrays of Electrostatic Actuators Sharing a Common Electrode )，，, 上述这些专利作为这里 的参考文献。
需要能量产生离子，列出的两套实例显示出气体正离子大概比负 离子能量高10倍。图31中表1021是周期表里前10个元素的电子亲 和性和电子组态。图36中表1023是温度和离子浓度的相互关系。
在离子泵中为电子发射器电极使用碳纳米管冷阴极发射模式。在 冷阴极场发射模式或电暈放电模式下，纳米管金属须为电子放电和 运转做好准备。如图37中的曲线图1081所示在碳纳米管冷阴极发射 的情况下电流密度和外加电压的关系曲线，电晕起点在200/.0063大 约3.1 kV/cm和600/.0260大约2.1 kV/cm。如图38a中的曲线插图 1082所示，在菱形薄膜(或类似)发射器冷阴极发射的情况下，发 射电流与外加电压的关系曲线。在图上有在本发明的泵中使用的插 入装置1086。在离子泵的MDD中，这种发射型的装置被当作电子 发射器。从发射器1085发出的电子到达集流器1087。在图38a中， 门1084位于发射装置1086的绝缘体1085上，该门在本发明中使用 但是主要应用在没有牵引作用的泵上。绝缘体1088和菱形发射器 1085位于电极1089上，依次位于基极1091上。图38b表示有关微 波CVD样本电子发射情况的部分Fowler-Nordheim图。
图39中的模块化结构870可具有用于流体检测器、分析器、相 控加热器的不同元件的模块。为流体分析器和色语仪，模块化结构 使用MEMS制造技术和材料。在适当的位置处模块由导轨875和876 支撑，模块可按需要在导轨上来回滑动，以基于选择的设计用特定 的元件制成分析器。不同类型的元件可标准化。
模块化系统的实施例是结构870。流体样本877流进入口 (该入 口可以是通道、管线、管道878或其它类似的通道)，然后流过离 子泵模块881，但是并不经过它本身的离子879。所谓的术语"管道(tube)"指各种类型的传输通路和通道。流体877从管道878流入 管道885，而且在模块882的预浓缩器886中流体877可以流入管道 885。通过一个或多个O形环887或者用另 一个密封装置实现模块881 和模块882之间的流体连接，以密封管道878和885之间的连接使得 流体877从一个管道流入另一个管道时就不会有流体泄漏到管道以 外。出了O形环本身，这里所谓的"O形环"可指各种类型的密封装 置。 一定量的压力会通过模块881和882加到O形环上，以密封两 个模块之间的流体流动连接。
流体887经过浓缩器886流入出口管道888。管道888和传感器 /检测器模块883的输入端之间利用O形环匹配，这样流体877可以 在模块882和883之间无泄漏地流入模块883。流体877流过管道889 进入到浓缩器和分离器模块的接口 ，该接口用O形环893连接输入 管线892和管道889。流体877流过模块884的浓缩器894，从浓缩 器894出来，流体877流入和流过分离器895。流体877在模块884 和883的接口处流出分离器895，然后流入热传导检测器和光电离检 测器898的管道896。在模块接口处用O形环893封住管道892和 897之间的连接。在有O形环891的模块化接口处流体877从管道 892流到模块882的管道899。流体877经管道899传输流过模块882 到达模块882和881的接口处。流体877从模块882的管道899经由 O形环992进入到模块881的管道901, O形环992提供管道间的密 封。因此流体877可以在接口无泄漏地流过接口 。流体877被泵送过 离子泵879,到出口管道903。
与图39中模块结构870配置不同，图40中模块化结构880配有 导轨875和876。样本流体910进入过滤器和泵模块911的输入管道 904里，流体910流入过滤器905然后经由出口管道卯6流出该过滤 器并流入管道907，该出口管道906提供模块911和检测器/传感器 才莫块912之间的接口 。管道906和卯7之间通过O形环908匹配到 彼此。流体910流过模块912到分离器模块的管道909且在模块接口 有O形环917。 O形环917保持管道907和909之间的密封状态。流 体910经管道909传输，流过模块913,到达浓缩器模块914的管道 918，且经过有O形环919的模块接口 。流体910继续流过管道918， 然后流入泵模块915的管道921，且经过有O形环的模块接口 。
53流体910经管道921传输，穿过模块915,经过有O形环924的模块 接口到达预浓缩器模块916的管道923，该O形环密封管道921和 923之间的连接，以阻止流体在接口处泄漏。流体910继续向前，经 过管道923进入预浓缩器925。
流体910经过预浓缩以后，到达模块961和915之间的接口 ，该 接口连接预浓缩器925的出口和模块915的管道926。在预浓缩器925 和管道926之间，O形环924能提供无泄漏的连接。在模块915里泵 927连接管道926。泵927是低A压力离子泵，该泵可以把流体910 从管道926抽出并且把流体泵送到下一个目的地。剩余的流体910 将会流到模块914的浓缩器928的入口 。 O形环922封住管道926 和浓缩器928入口之间的连接，这样流体910在模块915和914之间 可无泄漏地流动。
浓缩器928的相控加热器布置是在本文的其它地方描述的布 置。浓缩器928的出口连接模块913上分离器929的入口。模块914 的浓缩器928的出口与分离器929入口之间使用O形环919的密封 而匹配。流体910流过分离器，该分离器有出口到检测器/传感器模 块912。分离器929的出口通过O形环917连接模块912的检测器/ 传感器阵列930的入口 。
检测器/传感器阵列930是由一个或几个设备的组合构成，如 TCD、 CIS、 MDID、 PID、 MDD和ITMS。阵列930的出口与才莫 块911上泵931的入口连接。0形环908为分离器出口和泵的入口之 间提供流体密封接合。泵931泵送流体910穿过模块化微分析器系统 880，即从入口 904到达泵931和结构880之间的出口 932。泵931 是离子泵且可以提供高A压力。
此外，在结构里或在结构的末端都可以为结构870和880增加模 块。导轨可将模块足够牢固地保持到彼此以在O-密封上维持足够的 压力以阻止流体泄漏。
还有，结构870的模块有接触端子933。例如，接触端子933的 电连接是由导电弹性体(如斑马条)制成，这样在结构870上模块 或模块阵列改变时可以方便快速的去除连接。另外，其他方便快速 的电连接技术和机制可应用于传送控制信号和功率到结构870，控制 信号和功率可从控制器里输出。例如，模块的浓缩器的加热器功率
54按时间为浓缩器相控加热器运行提供功率增量。而且可为离子泵提
供功率。特别是在模块883中，控制器从各种检测器和传感器上接 收信号。控制器具有分析来自模块化结构中的检测器和传感器信号 的处理器。在模块之间可具有额外互连，其可类似地容易改变。
控制器在结构880中的作用与在结构870中的作用类似。在控制 器和接触端子934之间采用电连接，用导电弹性体或其它技术和机 制(特别是在模块变化或替换时能方便快速改变接线)实现该连接， 该连接也可以使结构870和880的制造简单。为结构870提供控制信 号和功率，尤其为浓缩器加热器的相控运行提供时间功率增量。同 样，控制器从各种检测器和传感器上接受信号，控制器可处理和分 析该信号。此外，在模块之间的相互连接使用方便、快速、可变的 电连接4支术和机制。
如结构870和880所示，连接点933和934可分别沿着模块的末 端和边沿排列。连接点的位置有多处，连接的方式也不同。如结构 870和880所示的接触端子是示例实施例。电接触可位于各个模块的 中间或末端。模块的电接口包括各种各样的其他技术，如利用传感 器开关模块的灯，甚至还有射频介质。技术组合也可应用于有关的 模块连接和/或模块之间的控制、功率和信息接收。
图41是部分模块化结构940的侧剖面图。例如，模块941使流
体944穿过通道或管道945，该管道连接浓缩器、分离器、检测器/ 传感器、泵或与微分析器模块化结构940有关的其他设备。通道或 管道945可位于层9"和947之间且在模块941的边沿处向下转弯穿 过层947。术语"通道，，可指其他类型的传送或路径。在通道或管道 945的周围，层947的底部是O形环948用于密封通道940和晶片 950的通道945之间的连接，该晶片在衬底951上。然而，可能没有 层950，那么通道在衬底951中形成。层9"和与所示的通道945 至少组成模块941的一部分，因为图41仅显示了模块941和结构940 的一部分。同样，模块942和943所显示的那部分主要是模块之间通 道或管道的相互连接。模块941、 942和943可包括相控加热器微分 析器的浓缩器、泵、分离器或类似装置。在晶片950上通道949继续 延伸至另一个O-密闭环952，此处该通道与层954的通道953连接。 通道953继续延伸进入层955,此处该通道的底侧与层954的交界。通道953的这部分连接流体微分析元件。通道953在模块942的边沿 处可向下转弯穿过晶片954以经过O-密闭环956连接晶片950的通 道957。
流体944经过通道957向上流过有O-密闭环958的接口 ，该密 封环958使得流体944无泄漏的在晶片959和层960之间的接口流到 达层959的通道961。该流体流进层959和960之间的通道961里， 然后流体944从通道961中流出。许多模块都放在晶片951上，该晶 片提供各种模块之间相互连接的通道。模块941、 942和943分别以 芯片隔离器962提供的用于各通道的对齐而放置在晶片950上，这些 通道隔离器是导向件，因此模块或芯片的通道开口与晶片950的通 道开口对齐。在模块和管道或通道的底部有通道和密封的组合，密
封在模块芯片的末端、侧边或边沿。
模块化结构870和880(或他们的组合)显示出，模块化系统940 的点接触可沿着模块边沿或末端。电接触被置于模块的中部或底 部。模块间的电接口包括各种技术及技术组合，如灯和RF。在模块 化结构870、 880和940中，控制器的作用相同且电接口也是类似的。 这样的接口可以方便快速的改变连接和各个模块，而且这样的接口
使得模块化流体微检测器和分析器容易生产且成本不高。
尽管本发明至少详细描述了一个实施例的具体实施方式
，但是本
修i/因此，;虑到现有技术旨在^所附权利要求的范围解释的尽 可能宽泛以至于包括所有这些改变和修改。
权利要求
1. 一种模块化流体分析器系统，包括衬底；设置在所述衬底上的第一模块，其具有第一输入端口及第一输出端口；以及设置在所述衬底上的第二模块，其具有第二输入端口以及第二输出端口；并且其中所述第一输出端口耦合至所述第二输入端口。
2. 根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一模块是浓缩器；并且所述第二模块是分离器。
3. 根据权利要求2所述的系统，其中，所述第 一模块包括多个相控加热器。
4. 根据权利要求3所述的系统，其中，所述第一模块及所述第二模块为MEMS结构。
5. 根据权利要求4所述的系统，其中，所述第一输出端口经由所述衬底内的通道耦合至所述第二输入端口 。
6. 根据权利要求4所述的系统，其中，所述第一输出端口经由所述第一输出端口与所述第二输入端口之间的密封件耦合至所述第二输入端口 。
7. 根据权利要求5所述的系统，还包括，设置在所述衬底上的模块对齐器。
8. 根据权利要求6所述的系统，还包括，设置在所述衬底上的模块对齐导轨。
9. 根据权利要求4所述的系统，还包括，设置在所述衬底上的第三模块，其具有第三输入端口及第三输出端口；并且其中所述第三输入端口耦合至所述第二输出端口 。
10. 根据权利要求9所述的系统，其中，所述第三模块包括泵。
11. 根据权利要求9所述的系统，还包括，设置在所述村底上的第四模块，其具有第四输入端口及第四输出端口 。
12. 根据权利要求11所述的系统，其中，所述第四模块包括检测器/传感器配置。
13. 根据权利要求1所述的系统，其中，所述模块是用于所述流体分析器系统的元件的标准化建立块。
14. 根据权利要求4所述的系统，还包括，多个模块，其中每个模块都具有输入端口及输出端口。
15. —种模块化流体分析器系统，包括浓缩器模块；具有至所述浓缩器模块的连接的分离器模块；具有至所述分离器模块的连接的测试设备模块；以及具有至所述测试设备模块的连接的泵模块；并且其中所述模块设置在共用层上；并且所述连接位于所述模块的流体通道之间。
16. 根据权利要求15所述的系统，其中，利用MEMS技术来制造所述浓缩器模块、分离器模块、测试设备模块、以及泵模块。
17. 根据权利要求15所述的系统，其中，所述浓缩器模块包括相控加热器。
18. 根据权利要求16所述的系统，其中，所述模块的所述流体通道之间的连接经由所述共用层中的通道。
19. 根据权利要求17所述的系统，其中，通过设置在所述共用层上的导轨将所述模块彼此对齐。
20. 根据权利要求19所述的系统，其中，所述模块具有到所述模块及离开所述模块的接触端子电信号。
21. 根据权利要求20所述的系统，还包括，连接至所述接触端子的控制器。
22. 根据权利要求18所述的系统，其中，所述模块通过形成在所述共用层上的芯片分隔器彼此对齐并与所述共用层中的所述通道对齐。
23. —种使微流体分析器模块化的方法，包括设置共用层；设置浓缩器模块、分离器模块、以及泵模块；将导轨布置在所述共用层上用于布置并对齐所述模块；并且将所述模块在所述导轨内布置在所述共用层上；并且其中因为所述导轨，每个模块的流体管都与邻近所述模块的其他模块的管对齐。
24. 根据权利要求23所述的方法，其中，所述浓缩器模块包括相控加热器系统。
25. 根据权利要求24所述的方法，还包括，将检测器模块在所述导轨内设置在所述共用层上。
26. 根据权利要求24所述的方法，还包括，利用MEMS技术来设置所述浓缩器模块、所述分离器模块、所述泵模块、以及所述检测器模块。
27. —种使流体分析器模块化的方法，包括设置共用层；设置浓缩器模块、分离器模块、以及泵模块，其中所述模块具有输入及输出流体通道；将模块分隔器布置在所述共用层上；在所述共用层内制造多个通道；并且将由所述模块分隔器对齐的所述模块布置在所述共用层上，使得齐，由此将所述输入及所述输出通道彼此耦合。
28. 根据权利要求27所述的方法，其中，所述浓缩器模块包括相控加热机构。
29. 根据权利要求28所述的方法，其中，进行模块化的所述方法还包括使用MEMS技术。
30. 根据权利要求29所述的方法，还包括，将测试设备模块设置在所述共用层上。
31. —种用于分析流体的装置，包括用于在第一模块中进行浓缩的装置；用于在具有输入及输出流体端口的第二模块中进行分离的装置；用于在具有输入及输出端口的第三模块中进行泵送的装置；用于在具有输入及输出端口的第四模块中进行检测的装置；用于在结构上支撑所述第一、第二、第三及第四模块的装置；以及用于将所述模块相对于彼此对齐以将所述各个模块的输入及输出端口互连的装置。
32. 根据权利要求31所述的装置，其中，所述第一、第二、第三及第四模块为MEMS装置。
33. 根据权利要求32所述的装置，其中，所述用于进行浓缩的装置包括相控加热器。
34. —种MEMS模块化相控微流体分析器系统，包括衬底；设置在所述衬底上的第一模块，其包括具有相控加热器的浓缩器；设置在所述衬底上的第二模块，其包括分离器；设置在所述衬底上的第三模块，其包括泵；以及设置在所述衬底上的第四模块，其包括检测测试设备；并且其中所述衬底、第一模块、第二模块、第三模块、以及第四模块为MEMS结构。
35. 根据权利要求34所述的系统，其中，所述第 一模块具有输入及输出端口 ；所述第二模块具有输入及输出端口 ；所述第三模块具有输入及输出端口；并且所述第四模块具有输入及输出端口 。
36. 根据权利要求35所述的系统，其中，将所述第一、第二、第三及第四模块对齐以将特定输出端口与特定输入端口相连接。
37. 根据权利要求35所述的系统，其中，所述衬底具有通道；并且将所述第一、第二、第三及第四模块在所述村底上对齐以将特定输入端口经由所述通道与特定输出端口相连接。
38. 根据权利要求36所述的系统，还包括，控制器；并且其中所述控制器电连接至所述第一、第二、第三及第四模块。
39. 根据权利要求37所述的系统，还包括，控制器；并且其中所述控制器电连接至所述第一、第二、第三及第四模块。
40. 根据权利要求38所述的系统，还包括，导轨，其形成在所述衬底上以保持所述模块的对齐。
41. 根据权利要求39所述的系统，还包括，分隔器，其形成在所述衬底上以保持所述模块的对齐。
全文摘要
本发明提供了一种作为模块化系统(870)的结构，其大体具有浓缩器(894)、分离器(895)、各种检测器(898)、以及泵(879)。该浓缩器(894)可具有相控加热器阵列，其在液流通道内相对彼此在不同时间接通。上述结构可涉及这种相控加热器阵列结构，更具体地涉及其相对于传感器、分析器或色谱仪(用于识别并量化流体成分)的应用。上述结构(870)可以是小型化流体微系统。上述系统的模块(881，882，883，884)的可变性对研发、制造、使用、维修及修改有利。其还可以是高效、电池供电、并可作为便携设备使用。
文档编号G01N30/64GK101501488SQ200580033410
公开日2009年8月5日 申请日期2005年7月22日 优先权日2004年7月30日
发明者J·F·德特里, R·E·希加施, U·博尼 申请人:霍尼韦尔国际公司