專利名稱：快速分離的微型氣相色譜柱集成芯片的制作方法
技術領域：
本發明涉及氣相色譜柱集成芯片技術領域，是ー種快速分離的微型氣相色譜柱集成芯片，用于各種混合氣體(包含無機、有機混合氣體)分離，用于潛艇有害氣體、野外環境監測、家居安全、食品安全、癌癥診斷、礦井瓦斯、毒品檢測等檢測技術領域。
背景技術：
氣相色譜法(GC)是英國生物化學家Martin ATP等人創立的ー種極有效的分離方法，它可用于分析和分離復雜的多組分氣體混合物。20年來，氣相色譜技術在實現方式、儀器開發和應用領域擴展上都獲得了飛速的發展。然而，傳統的氣相色譜生化分析系統大多采用填充柱或毛細填充柱，這種色譜柱，一般比較長，占用體積空間比較大，分析速度比較慢，很難適應現場快速分析檢測的需求，而且，使用傳統的色譜柱開發出來的色譜系統，大多是體積龐大、笨重、分析速度慢，在大多 數情況下，依賴檢測人員從野外采集樣品，再回到實驗室來進行分析檢測，這種耗時又耗力，而且效率低下的分析模式，已經越來越不適應野外環境監測、家居安全、礦井安全等現場在線檢測與分析的需求。為了適應多種領域現場快速檢測的需要，小型化、便攜式氣相色譜分析儀眾望所歸，這種小型色譜儀其關鍵的組件之一就是微型色譜柱，這種體積小、分離速度快、分離性能好的微型色譜柱，不僅可以大大縮小色譜系統的體積，滿足現場快速檢測的需求，而且可批量化的生產，降低儀器價格，擴展應用范圍。為了加快氣相色譜柱氣體樣品分子從固定相內的脫附速度以及獲得良好的分離性能，傳統的氣相色譜柱無論是填充柱還是毛細色譜柱都置于ー柱箱內，通過柱箱進行程序升溫，因此，體積相當大。而現有微型色譜柱，微型加熱器和微型溫度傳感器集成在微型色譜柱的溝道的底部，存在著加熱速度慢，加熱溫度不高，溫度響應不靈敏，直接影響了色譜柱的分離速度以及分離性能。
發明內容
本發明的目的是提出ー種快速分離的微型氣相色譜柱集成芯片，以解決現有技術存在的問題。為達到上述目的，本發明的技術解決方案是ー種快速分離的微型氣相色譜柱集成芯片，包括微型色譜柱溝道(I)、組合式微型加熱器(2a)、(2b)、(2c)、組合式微型溫度傳感器(3a, 3b, 3c)、氣體進樣ロ(4)、氣體出樣ロ
(5)，其微型色譜柱是基于MEMS技術，首先在基底(6)上通過深刻蝕或者化學腐蝕形成微型色譜柱的溝道(I)，再與另一基底(7)鍵合形成微型色譜柱；組合式微型加熱器中的第一微型加熱器(2a)集成在微型色譜柱的溝道(I)中，并位于所述基底(7)的鍵合面上，組合式微型加熱器中的第二微型加熱器(2b)集成在所述基底(6)的底部；組合式微型溫度傳感器中，第一微型溫度傳感器(3a)集成在微型色譜柱的溝道(I)中，并位于基底(7)的鍵合面上。所述的微型氣相色譜柱集成芯片，其所述位于微型色譜柱的溝道(I)中的第一微型加熱器(2a)與位于微型色譜柱的溝道(I)中的第一微型溫度傳感器(3a)共用ー個電扱。所述的微型氣相色譜柱集成芯片，其所述微型色譜柱的溝道(I)的形狀為螺旋型或折疊形。所述的微型氣相色譜柱集成芯片，其所述組合式微型加熱器，通過它們的組合加熱，可快速升高微型色譜柱的溫度，升溫速度為50-150°C /min，最高溫度為250°C。
所述的微型氣相色譜柱集成芯片，其所述組合式微型加熱器，是采用Pt金屬材料加工加熱電阻，采用Au金屬材料引出電極。所述的微型氣相色譜柱集成芯片，其所述組合式微型加熱器中的第一微型加熱器(2a)，其電阻結構形狀與微型色譜柱的溝道(I) 一致，第二微型加熱器(2b)位于整個微型色譜柱的溝道(I)的正下方，其結構是由四個微型加熱電阻組合而成，且每個微型加熱電阻都連接ー對電扱，電極外接控制電路；四個微型加熱電阻，蛇形排列，加熱電阻覆蓋的面積與整個微型色譜柱溝道(I)面積一致或略大ー些，利于微型色譜柱各部位加熱均勻一致,第三個微型加熱器(2c),位于基底(7)的上表面,其形狀與第二微型加熱器(2b) —祥。所述的微型氣相色譜柱集成芯片，其所述組合式微型溫度傳感器，另外兩個微型溫度傳感器(3b)和(3c)，其位置第二微型溫度傳感器(3b)位于基底(6)的底部，其形狀與第一微型溫度傳感器(3a) —樣,第三微型溫度傳感器(3c)位于基底(7)的上表面,其形狀與第一微型溫度傳感器(3a) —祥；組合式微型溫度傳感器是采用Pt材料作為熱敏電阻，以Au金屬作為電極。所述的微型氣相色譜柱集成芯片，其所述基底(6、7)是玻璃或者硅片；鍵合，包括陽極鍵合技術和靜電鍵合技術。所述的微型氣相色譜柱集成芯片，其工作流程為混合氣體樣品經氣體進樣孔
(4)進入微型色譜柱的溝道(I)中，混合氣體各組分被色譜柱溝道(I)內的固定相吸附，當組合式微型加熱器(2a)、(2b)、(2c)加熱時，各組分陸續脫附，最后已分離的各組分先后從氣體出樣孔(5)出來，實現分離。所述的微型氣相色譜柱集成芯片，其其用于潛艇有害氣體、礦井瓦斯、環境空氣質量、家居安全、癌癥診斷、毒品檢測中氣體樣品的分離。本發明的快速分離的微型氣相色譜柱集成芯片，采用了集成組合式微型加熱器，其中，第一微型加熱器(2a)集成在微型色譜柱的溝道中，并位于所述另一基底(7)的鍵合面上，第二微型加熱器(2b)則集成在所述基底(6)的底部，通過它們的組合加熱，能夠實現快速升溫以及提高微型色譜柱的分離速度和分離性能。同時，在微型色譜柱的溝道中集成了第一微型溫度傳感器(3a)，這種設計，能快速響應色譜柱內氣體樣品的溫度，從而利于外部控制電路實時調節微型加熱器的加熱狀態，控制色譜柱的溫度，使色譜柱具有快速分離且總體分離性能優異的特點。
圖I是本發明快速微型氣相色譜柱集成芯片的整體結構示意圖2是本發明微型色譜柱的溝道的掃描電鏡SEM圖；圖3是本發明螺旋形微型色譜柱的溝道的結構示意圖；圖4是本發明折疊形微型色譜柱的溝道的結構示意圖；圖5是本發明第一微型加熱器2a的結構示意圖；圖6是本發明第二微型加熱器2b的結構示意圖；圖7是本發明第一微型溫度傳感器3a的結構示意圖。圖中標號I-微型色譜柱的溝道 2a，2b，2c-組合式微型加熱器3a, 3b, 3c-組合式微型溫度傳感器 4-氣體進樣口5-氣體出樣口6-硅基底7-玻璃基底8-加熱電阻9-電極10-微型溫度傳感器的熱敏電阻
具體實施例方式本發明的快速分離的微型氣相色譜柱集成芯片，是將微型色譜柱、組合式微型加熱器、組合微型溫度傳感器集成一體，實現對混合氣體的快速分離，其工作原理是(如圖I所示)混合氣體樣品經氣體進樣孔4進入微型色譜柱的溝道I中，混合氣體各組分被色譜柱溝道內的固定相吸附，當組合式微型加熱器2a，2b，2c加熱時，各組分陸續脫附，最后已分離的各組分先后從氣體出樣孔5出來，實現分離。這種微型氣相色譜芯片，在國外、國內未見報導。本發明的快速分離的微型氣相色譜柱集成芯片，是將微型色譜柱的溝道、組合式微型加熱器以及組合式微型溫度傳感器高度集成。其加工工藝是首先在硅基底6上生長一層氮化硅作為絕緣層，再濺射一層鋁膜，然后光刻和濕法腐蝕去悼鋁，暴露出色譜溝道，再利用深刻蝕技術刻蝕得到微型色譜柱的溝道1，色譜溝道I的掃描電鏡SEM圖如圖2所示，在去掉掩膜(鋁)并對微型色譜柱進行清洗、烘干后，得到微型色譜柱的溝道1，其形狀可以是螺旋形(如圖3所示)，亦可是折疊形(如圖4所示)，或者其他的形狀。組合式微型加熱器中的第一微型加熱器2a是以玻璃為基底7，其加工工藝是首先在玻璃基底7上涂覆一層正光刻膠并光刻，再磁控濺射沉積一層Pt或其他熱敏材料，然后剝離得到微型加熱器的加熱電阻8，然后再涂覆一層正光刻膠并光刻，再磁控濺射沉積一層以Au或其他金屬材料，剝離后即得到微型加熱器的電極9，從而形成整個的第一微型加熱器2a，其加熱的電阻8形狀與溝道I的形狀一致(如圖5所示)，最后將其所在面與微型色譜柱的溝道I所在面鍵合密封后，第一微型加熱器2a則正好處于微型色譜柱的溝道I中，并位于所述另一基底7的鍵合面上。組合式微型加熱器中的第二微型加熱器2b，是在基底6上，即溝道I所在基底6的底面，加工出第二微型加熱器2b，其加工工藝是首先在硅基底6上涂覆一層正光刻膠并光亥IJ，再磁控濺射沉積一層Pt或其他熱敏材料，剝離后得到微型加熱器的加熱電阻8，然后再涂覆一層正光刻膠并光刻，再磁控濺射沉積一層以Au或其他金屬膜，剝離后得到微型加熱器的電極9，形成整個的第二微型加熱器2b，第二微型加熱器2b的熱敏電阻可設計不同形狀，其結構如圖6所示，是由四個微型加熱電阻組合而成，且每個微型加熱電阻都連接一對電極，電極外接控制電路。四個微型加熱電阻，蛇形排列，加熱電阻覆蓋的面積與整個微型色譜柱溝道(I)面積一致或略大一些，利于微型色譜柱各部位加熱均勻一致。組合式微型加熱器中的第三微型加熱器2c，其亦是以基底7為基底，在基底7的非鍵合面加工，其加工工藝是首先在基底7上表面涂覆一層正光刻膠并光刻，再磁控濺射沉積一層Pt或其他材料，剝離得到微型加熱器的加熱電阻8，然后再涂覆一層正光刻膠并光亥IJ，隨之再磁控濺射沉積一層Au或其他金屬膜，剝離得到微型加熱器的電極9，形成整個的第三微型加熱器2c，其結構亦可如圖6所示，也可是其他形狀，并位于整個微色譜柱溝道I的正上方，其面積與整個微型色譜柱溝道I面積一致或相當。當組合式微型加熱器2a，2b，2c —起工作時，氣體樣品升溫速度很快，溫度能在極短的時間內升高到250°C，能使微型色譜柱實現對混合氣體的快速分離并獲得優異的總體分離性能。組合式微型溫度傳感器3a，3b，3c中，位于微型色譜柱溝道中的第一微型溫度傳感器3a是以基底7的鍵合面為基底，位置緊挨著色譜柱溝道I的氣體出樣口 5位，其加工工藝首先是在玻璃基底7上涂覆一層正光刻膠并光刻，再磁控濺射沉積一層Pt或其他熱敏材料，剝離得到微型加熱器的熱敏電阻8，然后再涂覆一層正光刻膠并光刻，再磁控濺射沉積一層Au或其他金屬膜，剝離后得到微型溫度傳感器的電極9，整個第一微型溫度傳感器3a的形狀可如圖7所示，也可以是其他形狀，鍵合密封后，該微型溫度傳感器3a也正好位于色譜溝道I中，直接感應氣體樣品的溫度變化，具有感應速度快，靈敏，測溫精確等特點，組合式微型溫度傳感器中位于微型色譜柱溝道I上、下表面的第二微型溫度傳感器3b和第三微型溫度傳感器3c，其加工工藝與位于微型色譜柱溝道中的微型溫度傳感器3a加工工藝一致，組合式微型溫度傳感器與可外部控制電路一起控制組合式微型加熱器的加熱狀態。待組合式微型加熱器與組合式溫度傳感器制作完畢后，在玻璃(與色譜柱溝道的進氣、出氣口對應的位置處)上，用打孔儀各打一個尺寸大小為I. Omm的小孔，即可通過陽極鍵合技術或靜電鍵合技術將硅基底6與玻璃基底7對準、鍵合密封，從而得到微型色譜柱集成芯片。下面結合附圖描述本發明優選的方案，而不限制本發明的范圍。快速分離的微型氣相色譜柱集成芯片包含微型色譜柱溝道、組合式微型加熱器以及組合式微型溫度傳感器，各部分的具體實施方案如下微型氣相色譜柱的溝道I的制備工藝實施方式一清洗N型或P型雙面拋光單晶硅片，首先在硅基底6上沉積一層2000 A鋁(鋁厚度范圍可在1000 A-7000 A選擇)膜，然后正膠AZ1500光刻和濕法腐蝕去掉鋁，暴露出色譜溝道，再利用深刻蝕技術刻蝕得到微型色譜柱的溝道，(溝道寬可在100-300微米、長O. 5-6米、深度為50-150微米選擇)，然后再利用H3PO4濕法腐蝕去掉掩膜(鋁)并對微型色譜柱的溝道進行清洗、烘干后，得到微型色譜柱的溝道I。
微型氣相色譜柱溝道I的制備工藝實施方式二 清洗N型或P型雙面拋光單晶硅片；首先在硅基底6上LPCVD或PECVD生長一層4000 A氮化硅(氮化硅厚度可在2000-7000 A選擇)作絕緣層和掩膜，然后正膠AZ1500光亥IJ，然后反應離子刻蝕去掉氮化硅，暴露出微型色譜柱的溝道，再利KOH緩沖液化學腐蝕得到微型色譜柱的溝道(溝道寬可在100-300微米、長O. 5-6米、深度為50-150微米選擇)，最后對微型色譜柱的溝道進行清洗、烘干 后，得到微型色譜柱的溝道I。組合式微型加熱器的制備工藝第一微型加熱器2a的制備工藝實施方式是以玻璃為基底7，首先并在玻璃基底上涂覆一層AZ1500正光刻膠并光刻，再磁控濺射沉積一層1000 A Pt或其他材料(厚度可在500 A -7000 A選擇)，然后剝離得到微型加熱器的加熱電阻8，然后再涂覆一層正光刻膠AZ1500并光刻，再磁控濺射(或電子束蒸發或電鍍)沉積一層4000 AAU(厚度可在1000 A-7000 A選擇)或其他金屬膜，然后剝離得到微型加熱器的電極9，形成整個的第一微型加熱器2a，最后將其所在面與微型色譜柱的溝道所在面相對鍵合密封，密封后，第一微型加熱器2a則正好位于微型色譜柱的溝道I中，其加熱電阻8形狀與微型色譜柱的溝道的形狀一致。第二微型加熱器2b的制備工藝實施方式是以微型色譜柱溝道所在的硅基6的背面為基底，首先并在硅基上LPCVD或PECVD生長一層4000 A氮化硅(氮化硅厚度可在1000 A-7000 A選擇)作為絕緣層，然后再涂覆一層AZ1500(或厚膠)正光刻膠并光刻，再磁控濺射沉積一層IOOOA (厚度可在500 A-7000 A選擇)Pt或其他材料，然后剝離得到第二微型加熱器的加熱電阻8，然后再涂覆一層AZ1500正光刻膠并光刻，再磁控濺射(或電子束蒸發或電鍍)沉積一層4000 A (厚度可在1000 A-7000 A選擇)Au或其它金屬膜，然后剝離得到微型加熱器的電極9，形成第二微型加熱器2b，并位于微型色譜柱的溝道I的正下方，其面積與整個微型色譜柱溝道I面積一致或相當。第三微型加熱器2c的制備工藝實施方式第三微型加熱器2c亦是以玻璃為基底7，在玻璃基底非鍵合面加工，其加工工藝是首先在玻璃基底上涂覆一層正光刻膠AZ1500并光刻，再磁控濺射沉積一層1000 A (厚度可在500-7000 A選擇)Pt或其他材料，剝離得到微型加熱器的加熱電阻8，然后再涂覆一層正光刻膠AZ1500并光刻，磁控濺射(或電子束蒸發或電鍍)沉積一層4000 A (厚度可在1000 A -7000 A選擇)Au或其它金屬膜，剝離得到微型加熱器的電極9，形成整個的第三微型加熱器2c，位于整個微型色譜柱的溝道I的正上方。組合式微型溫度傳感器的制備工藝組合式微型溫度傳感器中第一微型溫度傳感器3a是以玻璃為基底7，位置位于第一微型加熱器2a的末端并與之共用一個電極，其加工工藝首先是在玻璃基底7上涂覆一層正光刻膠AZ 1500并光刻，再磁控濺射沉積一層1000 A (厚度可在500 A -7000 A選擇)Pt或其他材料，剝離得到微型傳感器的熱敏電阻10，然后再涂覆一層正光刻膠AZ1500并光亥|J，磁控濺射(或電子束蒸發或電鍍)沉積一層4000A (厚度可在1000 A-7000 A選擇)Au或其它金屬膜，剝離得到微型溫度傳感器的電極9，鍵合密封后，該微溫度傳感器3正好位于微型色譜柱的溝道I中。組合式微型溫度傳感器中的第二微型溫度傳感器3b和第三微型溫度傳感器3c，其位置分別位于所述基底6的底部和所述基底7的上表面，加工工藝分別與微型第二加熱器2b和微型第三加熱器2c的加工工藝一致。待組合式微型加熱器與組合式溫度傳感器制作完畢后，在玻璃與微型色譜柱的溝道的進氣口 4、出氣口 5對應的位置處，用激光打孔機打一個尺寸大小為I. Omm的小孔，即可通過陽極鍵合技術(或靜電鍵合技術)將硅基底6與玻璃基底7對準，再鍵合 密封，即得到微型色譜柱集成芯片。
權利要求
1.一種快速分離的微型氣相色譜柱集成芯片，包括微型色譜柱溝道(I)、組合式微型加熱器(2a)、(2b)、(2c)、組合式微型溫度傳感器(3a, 3b, 3c)、氣體進樣口(4)、氣體出樣口(5)，其特征在于微型色譜柱是基于MEMS技術，首先在基底(6)上通過深刻蝕或者化學腐蝕形成微型色譜柱的溝道(I)，再與另一基底(7)鍵合形成微型色譜柱；組合式微型加熱器中的第一微型加熱器(2a)集成在微型色譜柱的溝道⑴中，并位于所述基底(7)的鍵合面上，組合式微型加熱器中的第二微型加熱器(2b)集成在所述基底￠)的底部；組合式微型溫度傳感器中，第一微型溫度傳感器(3a)集成在微型色譜柱的溝道(I)中，并位于基底(7)的鍵合面上。
2.如權利要求I所述的微型氣相色譜柱集成芯片，其特征在于所述位于微型色譜柱的溝道(I)中的第一微型加熱器(2a)與位于微型色譜柱的溝道(I)中的第一微型溫度傳感器(3a)共用一個電極。
3.如權利要求I所述的微型氣相色譜柱集成芯片，其特征在于所述微型色譜柱的溝道(I)的形狀為螺旋型或折疊形。
4.如權利要求I所述的微型氣相色譜柱集成芯片，其特征在于所述組合式微型加熱器，通過它們的組合加熱，可快速升高微型色譜柱的溫度，升溫速度為50-150°C /min，最高溫度為250°C。
5.如權利要求I所述的微型氣相色譜柱集成芯片，其特征在于所述組合式微型加熱器，是采用Pt金屬材料加工加熱電阻，采用Au金屬材料引出電極。
6.如權利要求I所述的微型氣相色譜柱集成芯片，其特征在于所述組合式微型加熱器中的第一微型加熱器(2a)，其電阻結構形狀與微型色譜柱的溝道(I) 一致，第二微型加熱器(2b)位于整個微型色譜柱的溝道(I)的正下方，其結構是由四個微型加熱電阻組合而成，且每個微型加熱電阻都連接一對電極，電極外接控制電路；四個微型加熱電阻，蛇形排列，加熱電阻覆蓋的面積與整個微型色譜柱溝道(I)面積一致或略大一些，利于微型色譜柱各部位加熱均勻一致；第三個微型加熱器(2c)，位于基底(7)的上表面，其形狀與第二微型加熱器(2b) —樣。
7.如權利要求I所述的微型氣相色譜柱集成芯片，其特征在于所述組合式微型溫度傳感器，另外兩個微型溫度傳感器(3b)和(3c)，其位置第二微型溫度傳感器(3b)位于基底(6)的底部，其形狀與第一微型溫度傳感器(3a) —樣,第三微型溫度傳感器(3c)位于基底(7)的上表面，其形狀與第一微型溫度傳感器(3a) —樣；組合式微型溫度傳感器是采用Pt材料作為熱敏電阻，以Au金屬作為電極。
8.如權利要求2所述的微型氣相色譜柱集成芯片，其特征在于所述基底(6、7)是玻璃或者硅片；鍵合，包括陽極鍵合技術和靜電鍵合技術。
9.如權利要求I所述的微型氣相色譜柱集成芯片，其特征在于工作流程為混合氣體樣品經氣體進樣孔(4)進入微型色譜柱的溝道(I)中，混合氣體各組分被色譜柱溝道(I)內的固定相吸附，當組合式微型加熱器(2a)、(2b)、(2c)加熱時，各組分陸續脫附，最后已分離的各組分先后從氣體出樣孔(5)出來，實現分離。
10.如權利要求I所述的微型氣相色譜柱集成芯片，其特征在于其用于潛艇有害氣體、礦井瓦斯、環境空氣質量、家居安全、癌癥診斷、毒品檢測中氣體樣品的分離。
全文摘要
本發明公開了一種快速分離的微型氣相色譜柱集成芯片，涉及氣相色譜柱集成芯片技術，包括微型色譜柱、組合式微型加熱器、組合式微型溫度傳感器、。基于MEMS技術，在硅基底上經深刻蝕或化學腐蝕形成微型色譜柱的溝道，再與玻璃鍵合密封形成微型色譜柱，在鍵合之前，先在微型色譜柱的溝道內及溝道所在基底底部集成組合式微型加熱器，通過組合加熱，能夠實現快速升溫及提高微型色譜柱的分離速度和分離性能。同時，在微型色譜柱的溝道上、下表面及溝道中集成組合式微型溫度傳感器，實時響應微型色譜柱內氣體樣品的溫度，從而利于外部控制電路實時調節微型加熱器的加熱狀態，控制微型色譜柱的溫度，使微型色譜柱達到快速分離，且總體分離性能優異。
文檔編號G01N30/54GK102680609SQ20111005561
公開日2012年9月19日 申請日期2011年3月8日 優先權日2011年3月8日
發明者任艷飛, 孫建海, 崔大付, 張璐璐, 李輝, 蔡浩原, 陳興 申請人:中國科學院電子學研究所