[发明专利]一种带制冷器的微型气体富集器及其使用方法

说明书

技术领域

本发明涉及气体富集器技术领域，具体涉及一种集成有半导体制冷片的微型气体富集器及其使用方法。 

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，在气相色谱(GC)、质谱(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，加热吸附材料使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 inAnalytical 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。 

但是不论是管式富集器还是MEMS富集器，几乎全都是在室温下吸附气体，而在高温下进行解吸。然而，吸附材料中所富集气体的量严重依赖于环境温度，温度越高，吸附的气体越少，解吸现象越明显；反之，温度越低越有利于吸附的发生。甚至是不需要吸附材料，任何冷却的固体表面都能有效地吸附气体。 

因此，采用主动冷却的方法可以提高富集率。方法是将吸附材料的温度设定在室温以下，让其吸附更多的气体，然后升高温度进行解吸。美国专利20080184886采用了该种方法，系利用半导体制冷片来调控沉积在其上的富集材料的温度。由于加热和制冷都由半导体制冷片完成，只需改变电源的极性，因此该富集器结构简单，操作方便。但是，该富集器的热容量很大，在其中的一个实施例中，解吸时间长达30秒，比普通的管式富集器约10秒的解吸时间都还要长，更不用说与MEMS富集器约100ms的解吸时间相比。简言之，USP20080184886公开的富集器尽管具有低温增强吸附的优点，但其热容量大、升温速率慢的缺点严重制约了 该富集器性能的提升。 

发明内容

本发明所要解决的问题是：如何提供一种带制冷器的微型气体富集器，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，还能将温度设置在室温以下，以增强吸附功能，从而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：提供一种带制冷器的微型气体富集器，包括一个膜片型的气体富集器和一个半导体制冷片，所述膜片型气体富集器由一个硅基板、一个玻璃顶盖、进气口、出气口和设置在硅基板和玻璃顶盖之间的富集区构成，所述富集区由一个或多个富集单元构成，每个富集单元具有一个悬空膜片以及设置在悬空膜片上方的薄膜加热器和吸附薄膜，其特征在于，所述半导体制冷片设置在膜片型气体富集器的下方，并不与悬空膜片直接接触，而由空气腔间隔，所述空气腔由硅基板、悬空膜片和半导体制冷片围成。 

按照本发明所提供的带制冷器的微型气体富集器，其特征在于，所述空气腔是不密闭的，硅基板上设置有气孔，该通气孔由设置在硅基板上的凹槽或者通气孔构成。 

按照本发明所提供的带制冷器的微型气体富集器，其特征在于，所述悬空膜片材料采用氮化硅或二氧化硅或聚酰亚胺。 

按照本发明所提供的带制冷器的微型气体富集器，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。 

一种带制冷器的微型气体富集器的使用方法，其特征在于，包括以下步骤： 

a)启动半导体制冷片将悬空膜片的温度降低至室温以下； 

b)在降温的同时泵入待测气体，使得吸附薄膜对特定的气体产生吸附； 

c)富集一段时间后，停止制冷同时启动薄膜加热器，对吸附的气体进行快速解吸； 

d)将富集后的气体送入气体传感器进行分析； 

e)停止加热，同时重新启动半导体制冷片，开始一个新的制冷吸附→加热解吸→测试分析的循环。