波浪形微型气相色谱柱及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种波浪形微型气相色谱柱，包括硅基板、玻璃顶盖，硅基板上刻蚀有横截面为矩形的深槽，深槽经玻璃顶盖闭合后形成微流道，微流道内壁涂覆有固定相薄膜，微流道在硅基板平面上的投影图形含有多段规则的波浪形曲线；本发明专利技术还提供一种波浪形微型气相色谱柱的制备方法，包括步骤：光刻版设计、掩模制备、光刻、DRIE刻蚀、阳极键合、划片、固定相涂覆；本发明专利技术的有益效果是：载气流速由于沟槽弯曲的结构而减缓，保证了气体分子与固定相的充分接触，增大沟槽里流动相和固定相的作用以得到高的分离效率；同时对比于直线型沟槽，在给定的面积上实现了更长的柱长，固定相的表面积也相对增大从而增大了气体分配系数，提高了柱效。

【技术实现步骤摘要】
波浪形微型气相色谱柱及其制备方法
本专利技术涉及气相色谱
，具体涉及一种波浪形微型气相色谱柱及其制备方法。
技术介绍
随着社会发展、工业化生产和人们生活水平的不断提高，环境污染带来的问题越来越多，应急监测要求环境监测部门尽快地准确辨别污染物种类、浓度、毒性、污染的范围等信息。便携式气相色谱仪具有体积小、重量轻、电池供电、现场操作等优点，因其能够满足不同分析环境的要求，通常情况下在几分钟内能对污染物进行定性分析以及得到初步定量结果。因此，研制灵敏度高、分辨率高、性价比高的便携式气相色谱仪器成为色谱领域的一个重要研究方向。传统的气相色谱仪虽然具有强大的混合物分离能力，但仪器体积大重量重，分离时间长，能耗较高。采用微加工技术能有效地实现色谱这种大型分析仪器的小型化，能加快色谱的分离速率，具有功耗低，便携性好等特点。同常规色谱一样，考核MEMS色谱最主要的性能指标是分离效率。分离效率除开固定相的因素之外，还受到色谱柱几何结构的影响，主要的影响因素有下述三点：(1)深宽比由于目前的MEMS色谱柱多采用DRIE技术加工刻蚀，色谱沟槽的横断面是矩形，不同于传统毛细管色谱的圆形截面。对于这种矩形沟槽，深度越深，宽度越窄，即深宽比越大时，MEMS色谱柱的分离效率越高。深宽比是影响分离效应的最主要因素。(2)沟槽的平面布局由于色谱沟槽必须达到一定的长度(典型值0.5-6m)，因此，为了在一个尽量小的硅片面积上盘曲足够长的微型色谱沟槽，现有的微型色谱柱的平面图形主要有回形针形、螺旋形等几种(图1)。美国伊利诺依大学系统比较了圆螺旋形、方螺旋形和回形针形三种微型色谱的分离效果，结果无论色谱工作于绝热还是加热模式，回形针形色谱的谱峰最尖锐，分辨率最高，参见文献1:RadadiaAD,Salehi-KhojinA,MaselRI,etal.Theeffectofmicrocolumngeometryontheperformanceofmicro-gaschromatographycolumnsforchipscalegasanalyzers,SensActuatorsB,2010,150:456-464。(3)沟槽内的微结构在上述(1)、(2)中，MEMS色谱的矩形沟槽是完全中空的，称为开管柱。当在矩形沟槽中加工有尺寸更为精细的微结构时(例如图2所示的等间距排列的微柱)，称为半填充柱。与具有同样沟槽尺寸的开管柱相比，半填充色谱柱的分离效率更高。这是由于气流在半填充柱的流动比开管柱中更为均匀。弗吉利亚理工大学通过有限元分析软件对气体通过开管柱和半填充柱进行了流体模拟分析，结果参见文献2:AliS,Ashraf-KhorassanibM,TaylorLT,etal.MEMS-basedsemi-packedgaschromatographycolumns,SensActuatorsB,2009,141:309-315中的图9，该图是一个彩色图，红色载气速度最快，蓝色为最慢。可见，开管柱的中心气流最快，而边缘处气流最慢，差异很大，气体的层流效应明显，不利于气体分子与固定相充分接触达到平衡。而半填充柱中气体层流效应减弱，从而可以提高色谱的分离效率。因此，气流在微型色谱沟槽中的流动状态对色谱的分离性能有很大的影响。虽然半填充柱具有比开管柱更高的分离效率，但是在半填充柱的MEMS加工中，需要在开管柱内制备尺寸更小，结构更为精细的微柱，存在着加工技术难度大的困难。
技术实现思路
为了克服现有技术的上述不足，本专利技术提供了一种波浪形微型气相色谱柱及其制备方法。本专利技术所采用的技术思路是：基于降低层流效应，增加流场均匀性的原理，但不是通过在流道中埋设微柱来获得，而是通过将流道弯曲化来获得。微型色谱沟槽的平面结构脱胎于回形针形沟槽结构，但是将回形针形沟槽的每一段直道都用波浪形的弯道代替，这样流动相速度减弱，从而降低了层流效应，保证了气体分子与固定相的充分接触，增大了流道中流动相和固定相的作用，最终获得更高的分离效率。本专利技术的技术方案如下：一种波浪形微型气相色谱柱，包括硅基板和硅基板上方的玻璃顶盖，硅基板上刻蚀有横截面为矩形的深槽，深槽经玻璃顶盖闭合后形成微流道，微流道内壁涂覆有固定相薄膜，微流道在硅基板平面上的投影图形含有多段规则的波浪形曲线。作为优选方式，波浪形曲线由上下两个小圆弧拼接而成，小圆弧对应的圆心角的范围为120°-150°，曲率半径为20％W-50％W，其中W为微流道宽度。作为优选方式，小圆弧对应的圆心角为136°，曲率半径为14.3μm，微流道的宽度和间距是40μm。作为优选方式，两段相邻的波浪形曲线之间采用180°的大圆弧相连。作为优选方式，波浪形曲线由两段正弦或余弦曲线拼接而成。作为优选方式，微流道的进气口和出气口设置在硅基板的侧面，划片后形成开口。本专利技术还提供一种所述的波浪形微型气相色谱柱的制备方法，包括如下步骤：光刻版设计、掩模制备、光刻、DRIE刻蚀、阳极键合、划片、固定相涂覆。作为优选方式，进一步包括如下步骤：1)光刻版设计：色谱微流道的总长度设计为2米，微流道宽度W为40μm，波浪形微流道采用半径r为14.3μm，角度为136°的两个小圆弧拼接而成，两段波浪形微流道采用180°的大圆弧连接，其内外径D1、D2分别为40μm和120μm；2)掩模制备：基板采用500μm的单晶硅片，采用电子束蒸发工艺，在单晶硅上沉积厚度约为100nm的铝薄膜作为硬掩模；3)光刻：旋涂光刻胶AZ6112，通过曝光、显影，将掩模板的图形转移转移到光刻胶上，随后RIE刻蚀掩模铝层，进一步将光刻胶的图形转移到铝掩模上；4)DRIE刻蚀：通过顺序通入SF6刻蚀气体和C4F8保护气体的方法，将硅片刻蚀至300μm深；5)硅玻键合：采用阳极键合将Pyrex7740玻璃和硅的正面发生硅玻键合，密封色谱沟槽；6)划片：在预设的位置划片，使得微型色谱的进气/出气口在划片的断面处暴露出来；7)固定相涂覆：采用静态法在沟槽的内壁涂覆5％二苯基1％乙烯基94％聚二甲基硅氧烷作为固定相薄膜。本专利技术的有益效果是：通过有限元软件模拟分析，波浪形沟槽相对于直线型沟槽，载气流速由于沟槽弯曲的结构而减缓，保证了气体分子与固定相的充分接触，增大沟槽里流动相和固定相的作用以得到高的分离效率。选择合适的波浪形曲线小圆弧即可以保证气体分子与固定相的充分接触又不影响分析时间。同时对比于直线形沟槽，在给定的面积上实现了更长的柱长，固定相的表面积也相对增大从而增大了气体分配系数，提高了柱效。附图说明图1(a)为现有微型色谱柱的圆螺旋形的平面结构；图1(b)为现有微型色谱柱的方螺旋形的平面结构；图1(c)为现有微型色谱柱的回形针形的平面结构；图2为现有的微型色谱半填充柱；图3为本专利技术的波浪形微型气相色谱柱的截面示意图；图4为本专利技术的波浪形微型气相色谱柱的俯视示意图(即微流道在硅基板平面上的投影图形)；图5为不同角度的小圆弧的流体模拟分析结果，(a)为0°(开管柱)，(b)为90°，(c)为136°，(d)为180°；图6为本专利技术的波浪形微型气相色谱柱的实物照片(局部)；图7为波浪形微型气相色谱柱对甲苯和间二甲苯混合物的分离效果。其中，1为硅基板，2是玻璃顶盖，3是深槽，4为固定相薄膜本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种波浪形微型气相色谱柱，包括硅基板和硅基板上方的玻璃顶盖，硅基板上刻蚀有横截面为矩形的深槽，深槽经玻璃顶盖闭合后形成微流道，微流道内壁涂覆有固定相薄膜，其特征在于：微流道在硅基板平面上的投影图形含有多段规则的波浪形曲线。

【技术特征摘要】
1.一种波浪形微型气相色谱柱，包括硅基板和硅基板上方的玻璃顶盖，硅基板上刻蚀有横截面为矩形的深槽，深槽经玻璃顶盖闭合后形成微流道，微流道内壁涂覆有固定相薄膜，其特征在于：微流道在硅基板平面上的投影图形含有多段规则的波浪形曲线，波浪形曲线由上下两个小圆弧拼接而成，小圆弧对应的圆心角的范围为120°-150°，曲率半径为20％W-50％W，其中W为微流道宽度，微流道的间距是40μm，两段相邻的波浪形曲线之间采用180°的大圆弧相连。2.根据权利要求1所述的波浪形微型气相色谱柱，其特征在于：小圆弧对应的圆心角为136°，曲率半径为14.3μm，微流道的宽度是40μm。3.根据权利要求1所述的波浪形微型气相色谱柱，其特征在于：波浪形曲线由两段正弦或余弦曲线拼接而成。4.根据权利要求1所述的波浪形微型气相色谱柱，其特征在于：微流道的进气口和出气口设置在硅基板的侧面，划片后形成开口。5.根据权利要求1至4任意一项所述的波浪形微型气相色谱柱的制备方法，其特征在于包括如下步骤：光刻版设计、掩模制备、光刻、DRIE刻蚀、阳极键合、划片、固定相...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜晓松，袁欢，赵栩澜，吴朋林，蒋亚东，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51