专利名称：一种基于聚酰亚胺薄膜的膜片型气体富集器的制作方法
技术领域：
本发明涉及气体富集器技术领域，具体涉及一种基于聚酰亚胺薄膜的膜片型 气体富集器。
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，在气相色镨
(GC)、质语(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，加热吸附材剩4吏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。影响富集率的因素主要有吸附面积、升温速率、 气体流量、吸附时间等。
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。而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。
文献USP6171378;正EE International Frequency Control Symposium, 1999， 991—996; IEEE Sensor Journal, 2006， 6(3): 784-795报道了美国Sandia实验室研制 的膜片式气体富集器，其主要特点是采用了低应力的SiN悬空薄膜做膜片，膜 片上设置有Pt薄膜加热器和化学吸附膜。该富集器尽管具有加热速率快的优点， 但为了保证SiN膜片的机械强度，膜片的尺寸很小，仅为2.2 x 2.2mm2，制约了
3富集率的才是高。
文献Sensors & Actuators B, 2007， 126: 447~454报道了美国海军实验室研制 的名为CASPAR的富集器，采用聚酰亚胺薄膜(PI)估文膜片，并且PI膜的一半面 积是通孔，气流垂直于膜片流动，通过提高气体流量(可达100L/min)来提高 富集率。但是，CASPAR富集器相当于一个筛子，气流垂直于筛面流过，减少 了与筛面上吸附薄膜的有效接触，不利于提高富集率。而且，富集器作为气体 探测器的一部分，其气体流量必然受到探测器适用的流量范围的限制。对于某 些探测器，CASPAR大的气体流量的优势无M挥。
发明内容
本发明所要解决的问题是如何提供一种膜片型气体富集器，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，增加吸附薄膜与目标气体的有效接触，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基于聚酰亚胺薄膜的膜 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，所述富集区包括悬空膜片、薄膜加热器和吸附薄膜，所述悬空膜片设置 在硅基板上，所述薄膜加热器和吸附薄膜设置在悬空膜片表面上，所述顶盖设 置有进气口和出气口，在悬空膜片和顶盖之间形成气流通道，其特征在于，所 述悬空膜片采用聚酰亚胺薄膜，且不设穿孔，气流通道中的气流沿其表面流动。
按照本发明所提供的基于聚酰亚胺的膜片型气体富集器，其特征在于，悬 空膜片的尺寸为5 x5 mm2~50x50mm2。
按照本发明所提供的基于聚酰亚胺薄膜的膜片型气体富集器，其特征在于， 在薄膜加热器与吸附薄膜之间设置有一层导热薄膜，材料采用硅、氮化铝、氮
化硅或氧化铝。
按照本发明所提供的基于聚酰亚胺薄膜的膜片型气体富集器，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 中的一种。
本发明的实质是在美国Sandia富集器结构的基础上，用聚酰亚胺膜片替换
4原来的SiN膜片。由于聚酰亚胺是一种耐高温的聚合物材料，且具有柔性，与刚 性的无机膜片如SiN、 Si02等相比，不存在随着膜片尺寸的增大因机械强度不够 而导致膜片破裂的问题。因此，采用聚酰亚胺做膜片，可以将膜片的尺寸做得更 大，从而提高富集率。美国海军实验室的CASPAR富集器证实了聚酰亚胺做膜 片可以实现更大的空腔结构(7.5x7.5mm2),但CASPAR富集器相当于一个筛子， 聚酰亚胺膜片有一半的面积是穿孔的，气流垂直于筛面流过，减少了与筛面上吸 附薄膜的有效接触，不利于提高富集率。本发明综合了美国上述两种富集器的优 势，取长补短，利用聚酰亚胺薄膜构建平板型的富集器结构，在有效增大富集面 积的同时，也兼顾了气流与吸附薄膜的有效接触，从而提高了富集率。本发明的 富集器简化了工艺流程，与美国Sandia富集器相比，不需要采用昂贵的化学气 相沉积技术制备SiN或SiOz膜片；与CASPAR富集器相比，不需要采用氧等离 子体刻蚀技术在聚酰亚胺薄膜上制备穿孔。
图1为本发明的基于聚酰亚胺膜片的气体富集器结构示意图2为本发明的带导热层的基于聚酰亚胺膜片的气体富集器结构示意图。
其中，l为硅基底；2为悬空膜片；3为薄膜加热器；4为吸附薄膜；5为
空腔；6为顶盖；7为气流通道；8为进气口； 9为出气口； IO为导热薄膜。
具体实施例方式
下面结合附图以及实施例对本发明作进一步描述
本发明所提供的膜片型气体富集器，是包括一个硅基板l、 一个顶盖6和设 置在硅基板1和顶盖6之间的富集区，富集区包括悬空膜片2、薄膜加热器和吸 附薄膜，所述悬空膜片2设置在硅基板上，所述薄膜加热器3和吸附薄膜4设 置在悬空膜片2表面上，所述顶盖设置有进气口 8和出气口 8,在悬空膜片2和 顶盖6之间形成气流通道7，悬空膜片2采用聚酰亚胺薄膜，且不设穿孔，气流 通道7中的气流沿其表面流动，其中悬空膜片的尺寸为5 x5 mm2~50x50mm2， 在薄膜加热器3与吸附薄膜4之间设置有一层导热薄膜10，材料采用硅、氮化 铝、氮化硅或氧化铝，薄膜加热器3由蛇形金属薄膜构成，材料采用铂、钯、 钨、钼、钽及其合金中的一种。实施例l一聚酰亚胺膜片型气体富集器
图1为基于聚酰亚胺膜片的气体富集器结构示意图，主要包括石圭基底l、悬
空膜片2 (聚酰亚胺薄膜)、薄膜加热器3、吸附薄膜4、空腔5、顶盖6(玻璃 顶盖)、气体通道7、进气口 8、出气口 9。 一般采用约5001im厚的硅作为基底。 首先在硅基底1正面釆用旋涂法制备聚酰亚胺薄膜，然后在氮气气氛下38(TC固 化，具体工艺为以2°C/s的升温速率加热至120°C，保温15分钟，以同样的 速率加热至220X:保温30分钟，最后加热至380。C保温1小时。聚酰亚胺薄膜 制备完成以后，用磁控溅射法在其上沉积约200nm厚的金属铂薄膜，并经光刻 腐蚀形成蛇形的薄膜加热器3。然后采用反应离子刻蚀技术(DRIE)将加热器下 方的珪基底1腐蚀掉，形成面积约20mmx20mm、深500pm的空腔5,空腔上 方的聚酰亚胺形成悬空膜片2。然后在加热元件3上采用喷涂法沉积一层选择性 吸附薄膜4，薄膜的厚度为数微米，吸附材料根据所要富集的气体来决定。最后 在膜片的正面设置顶盖6，主要作用是在吸附薄膜之上形成气体流动的气流通道 7，顶盖与吸附薄膜之间的距离在500阿左右，这样可以保证气体与吸附薄膜充 分接触。玻璃顶盖比聚酰亚胺薄膜的面积稍大，采用硅玻键合技术与硅基底紧 密连接。在玻璃顶盖的两端上侧分别刻蚀出两个毛细孔，作为进气口 8和出气 o 9。
在该实施例中，采用聚曱基[3-(2-羟基)苯基]丙基硅氧烷(PMPS)作为选择性 吸附膜，神经毒气模拟剂曱基膦酸二曱酯(DMMP)作为测试气体，该富集器可在 约150ms的时间内升温到250°C,富集率可达280。
实施例2—带导热层的聚酰亚胺膜片型气体富集器
图2为本发明的带导热层的聚酰亚胺膜片型气体富集器结构示意图。其主 要的实施方法和例1相同，不同之处在于在制备完加热元件3以后，采用射频 賊射法在加热元件3上制备一层A1N薄膜作为导热薄膜10，膜厚约lpm,然后 再在其上沉积吸附薄膜4。由于A1N具有优良的导热性能，因此该富集器的升 温速率更快，可在70s内升温到250°C，富集率也有所提高，约为340。
权利要求
1、一种基于聚酰亚胺薄膜的膜片型气体富集器，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，所述富集区包括悬空膜片、薄膜加热器和吸附薄膜，所述悬空膜片设置在硅基板上，所述薄膜加热器和吸附薄膜设置在悬空膜片表面上，所述顶盖设置有进气口和出气口，在悬空膜片和顶盖之间形成气流通道，其特征在于，所述悬空膜片采用聚酰亚胺薄膜，且不设穿孔，气流通道中的气流沿其表面流动。
2、 根据权利要求1所述的基于聚酰亚胺的膜片型气体富集器，其特征在于， 悬空膜片的尺寸为5 x5 mm2~50x50mm2。
3、 根据权利要求l所述的基于聚酰亚胺薄膜的膜片型气体富集器，其特征 在于，在薄膜加热器与吸附薄膜之间设置有一层导热薄膜，材料采用硅、氮化 铝、氮化硅或氧化铝。
4、 根据权利要求l所述的基于聚酰亚胺薄膜的膜片型气体富集器，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、钇、鴒、钼、钽及 其合金中的一种。
全文摘要
本发明公开了一种基于聚酰亚胺薄膜的膜片型气体富集器，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，所述富集区包括悬空膜片、薄膜加热器和吸附薄膜，所述悬空膜片设置在硅基板上，所述薄膜加热器和吸附薄膜设置在悬空膜片表面上，所述顶盖设置有进气口和出气口，在悬空膜片和顶盖之间形成气流通道，其特征在于，所述悬空膜片采用聚酰亚胺薄膜，且不设穿孔，气流通道中的气流沿其表面流动。由于聚酰亚胺薄膜具有良好的韧性，因此聚酰亚胺膜片的尺寸可以远远大于无机刚性材料如SiN、SiO<sub>2</sub>的膜片而不会破裂，不仅有效增大了富集面积，同时还兼顾了气流与吸附薄膜的有效接触，从而提高了富集率。
文档编号G01N30/00GK101603956SQ20091005998
公开日2009年12月16日 申请日期2009年7月14日 优先权日2009年7月14日
发明者夏乐洋, 杜晓松, 华 肖, 蒋亚东 申请人:电子科技大学