用于吸附和/或解吸氣體的至少一種成分的預濃縮器制造技術

本發明專利技術涉及一種用于吸附和/或解吸氣體的至少一種氣體成分的微結構（12），所述氣體被輸送給所述微結構（12），所述微結構包括具有下側（16）和上側（18）的半導體襯底（14），其中提供多個微通道（20），所述微通道分別從半導體襯底（14）的下側（16）延伸到上側（18），其中相應的微通道（20）的表面（22）被構造用于在氣體流經相應的微通道（20）時吸附和/或解吸至少一種氣體成分。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】用于吸附和/或解吸氣體的至少一種成分的預濃縮器
本專利技術涉及用于吸附和/或解吸氣體的至少一種氣體成分的微結構，所述微結構包括具有下側和上側的半導體襯底，其中所述氣體被輸送給微結構。此外，本專利技術涉及用于制造微結構的方法、用于利用微結構檢測至少一種氣體成分的設備以及用于運行設備的方法。
技術介紹
復雜混合物中的揮發性有機成分（VolatileOrganicCompounds（揮發性有機化合物），VOC）的直接確定對于在環境方面、在疾病檢測方面、在空氣質量確定方面、在生物醫學診斷方面以及在尤其與健康相關的許多其他關聯方面的人類負擔（menschlicheBelastungen）是重要的。這樣的復雜混合物例如可以是氣體，其中揮發性有機成分是氣體成分。這樣的氣體成分例如可以是室內空氣中的有毒氣體或者蒸發的炸藥耗量，所述蒸發的炸藥耗量應該在爆炸物檢測時被測量。針對要探測的（nachzuweisend）參量、也即要探測的氣體成分的重要尺度是其濃度。然而對于許多要探測的物質，所述濃度處于當前檢測系統的分辨率極限附近或者之下。為了檢測氣體成分的濃度、尤其氣體內的氣體成分的小濃度，由現有技術已知以下裝置，所述裝置被設計用于，吸附和/或解吸氣體成分。借助于所述裝置（以下稱作預濃縮器），來自氣體的成分例如可以被富集（angereichert）在裝置的表面處，并且在預先確定的時間之后再次被釋放，以便將所述成分輸送給測量裝置。由現有技術已知宏觀和微觀構造（Aufbauten）作為預濃縮器。宏觀構造通常由集氣小管組成，所述集氣小管被充以收集氣體的塑料顆粒或者活性炭。在收集器是冷的期間，例如通過這些小管泵浦一定的氣體量。收集器的溫度在此至多對應于室溫。此后，集氣小管迅速地被加熱并且以輕微的氣流被沖洗，由此快速解吸的氣體可以濃縮地被輸送給測量裝置、例如傳感器或者氣體色譜分析器。所述宏觀構造具有以下缺點，即所述宏觀構造通常具有高的空間需求，并且因此宏觀預濃縮器的使用可能性受到限制。微機械構造包括經蝕刻的通道或者板結構，所述板結構例如可以具有粗糙的表面。經蝕刻的通道或者板結構可以被涂上吸附材料。按照現有技術的微觀構造具有以下缺點，即微機械構造的表面并且從而其收集容量小。為了增加微觀構造的收集容量，在經蝕刻的通道情況下或在板結構情況下朝氣流方向必須維持一定的長度。由此得出以下缺點：在解吸過程時，如在氣體色譜分析器情況下那樣出現保留（Retentionen）或氣體分離效應，使得氣體不能完全地以流動注射的形式被用于跳躍式濃度變化。在MicrochemicalJournal98(2011)240-245"Characterizationofpoly(2,6-diphenyl-p-phenyleoxide)filmsasadsorbentformicrofabricatedpreconcentrators"(Bassam,Alfeeli,VaibhavJain,RichardK.Johnson,FrederickL.Beyer,JamesR.Heflin,MasoudAgah)的文章中描述另一微機械構造。在此描述所謂的微預濃縮器，所述微預濃縮器具有大量三維微柱。雖然所述微柱具有比經蝕刻的通道或者板結構更大的表面并且從而更大的收集容量，但是微柱通常是不穩定的。
技術實現思路
本專利技術的任務是，實現可靠的、穩定和微型化的構造，借助于所述構造也可以檢測氣體成分的小濃度。按照本專利技術，通過具有按照相應獨立專利權利要求的特征的微結構、用于制造微結構的方法、具有微結構的設備以及用于運行設備的方法來解決所述任務。本專利技術的有利的實施方案是從屬專利權利要求、說明書和圖的主題。按照本專利技術的微結構用于吸附和/或解吸被輸送給微結構的氣體的至少一種氣體成分，并且包括具有下側和上側的半導體襯底。微結構此外具有多個微通道，所述微通道分別從半導體襯底的下側延伸到上側，并且因此從微結構的上側延伸到微結構的下側，其中相應的微通道的表面被構造用于在氣體流經相應的微通道時，吸附和/或解吸至少一種氣體成分。因此可以借助于按照本專利技術的微結構實現預濃縮器，所述預濃縮器可以束縛（binden）和/或再次釋放氣體的氣體成分。這樣的氣體成分例如可以包括室內空氣中的有毒氣體分子或者人類呼吸空氣中的揮發性成分的分子。但是預濃縮器也可以在液體中被使用，并且在此吸附和/或解吸流經微通道的液體的成分。例如硅可以被用作半導體襯底。這種半導體材料可以被攙以大量微通道（也稱微孔）。由此，構成微通道的高密度排列（Array），其中微通道中的每一個建立從半導體襯底的上側到半導體襯底的下側的連續（durchg?ngige）連接。在此，微通道可以彼此平行地以周期性順序布置。因此可能的是，氣體例如可以通過微通道從半導體襯底的上側流到半導體襯底的下側。氣體在此通過微通道例如在半導體襯底的上側上的開口進入到微結構中，流經微通道并且通過微通道在半導體襯底的下側上的開口再次流出。在氣體流經時，至少一種氣體成分可以在相應的微通道的表面處保持附著。與在沒有微通道的情況下半導體襯底的基面相比，半導體襯底的表面可以借助于微通道被放大直至三百倍，其中在所述表面處可以吸附至少一種氣體成分。通過這種極其放大的表面，針對至少一種氣體成分的濃度、也即針對至少一種氣體成分的分子數量的探測下限（untereNachweisgrenze）可以被推移大約兩個數量級。特別優選地，相應的微通道的表面通過相應的微通道在其內壁處的表面結構構成。為了放大所輸送的氣體的至少一種被吸附的氣體成分的吸附率，可以在微通道的內壁處構造表面結構，所輸送的氣體和/或所輸送的液體的成分可以在所述表面結構處特別良好地被束縛。因此微通道的表面的附著特性可以被改善。優選地，通過覆層構成相應的微通道的表面，所述覆層被施加到相應的微通道的內壁上。這樣的覆層（所述覆層也被稱作吸附劑）例如可以是多孔的聚合物、例如Tenax?TA，所述多孔的聚合物可以在其大約0.2微米大的孔中例如積聚空氣的所有類型的氣體。其他合適的覆層材料例如是Carboxen?、硅膠、晶體材料（MOF）或者沸石。這些材料被看作特別強力的吸附劑，因為所述材料具有針對例如氣體成分的特別良好的附著特性，并且可以以特別有利的方式束縛氣體成分。覆層例如可以通過將吸附劑汽化滲鍍到微通道的內壁上來實現。在一種實施方式中規定，微結構具有用于對半導體襯底進行溫度調節的調溫元件（Temperierelement）。借助于所述調溫元件，微結構、尤其半導體襯底可以被加熱和/或冷卻。通過例如通過熱電珀爾帖冷卻器（Peltier-Kühler）冷卻半導體襯底，可以使至少一種氣體成分的吸附倍增。附加地，可以借助于調溫元件實現半導體襯底的加熱。通過快速加熱預濃縮器，在微通道的表面處所積累的至少一種氣體成分分子可以突然地被釋放，也即被解吸。因此，在結構周圍的環境中使濃度增加多倍。例如由硅制成的預濃縮器允許直至800℃、尤其直至900℃的解吸溫度。由于硅的良好的導熱性并且由于將預濃縮器構成為具有非常小的質量的微結構，所以可以使在非常低的能量消耗（例如在10至100毫瓦的范圍中）的情況下非常快速的加熱時間（例如在10至100毫秒的范圍中）成為可能。可以規定，調溫本文檔來自技高網...

【技術保護點】
用于吸附和/或解吸氣體的至少一種氣體成分的微結構（12），其中所述氣體被輸送給所述微結構（12），所述微結構包括具有下側（16）和上側（18）的半導體襯底（14），其特征在于多個微通道（20），所述微通道（20）分別從所述半導體襯底（14）的所述下側（16）延伸到所述上側（18），其中所述相應的微通道（20）的表面（22）被構造用于在所述氣體流經所述相應的微通道（20）時吸附和/或解吸所述至少一種氣體成分。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2014.07.16 DE 102014213874.41.用于吸附和/或解吸氣體的至少一種氣體成分的微結構（12），其中所述氣體被輸送給所述微結構（12），所述微結構包括具有下側（16）和上側（18）的半導體襯底（14），其特征在于多個微通道（20），所述微通道（20）分別從所述半導體襯底（14）的所述下側（16）延伸到所述上側（18），其中所述相應的微通道（20）的表面（22）被構造用于在所述氣體流經所述相應的微通道（20）時吸附和/或解吸所述至少一種氣體成分。2.按照權利要求1所述的微結構（12），其中所述相應的微通道（20）的所述表面（22）通過所述相應的微通道（20）在其內壁處的表面結構構成。3.按照權利要求1或2所述的微結構（12），其中所述相應的微通道（20）的所述表面（22）通過覆層構成，所述覆層被施加到所述相應的微通道（20）的內壁上。4.按照上述權利要求之一所述的微結構（12），其中所述微結構（12）具有用于對所述半導體襯底進行溫度調節的調溫元件（34）。5.按照權利要求4所述的微結構（12），其中所述調溫元件（34）布置在所述半導體襯底（14）的所述上側（18）上。6.按照權利要求4或5所述的微結構（12），其中所述調溫元件（34）具有多個與所述微通道（20）相對應的穿通孔（38），所述穿通孔（38）與所述相應的微通道（20）對準地布置。7.按照上述權利要求之一所述的微結構（12），其中所述微結構（20）具有至少一個熱傳導元件（36），所述熱傳導元件（36）從所述半導體襯底（14）的所述上側（18）延伸到下側（16）。8.按照權利要求7所述的微結構（12），其中所述微通道（20）布置在所述半導體襯底（14）的第一區域（R1）中，并且所述至少一個熱傳導元件（36）布置在所述半導體襯底（14）的與所述第一區域（R1）不同的第二區域（R2）中。9.按照權利...

【專利技術屬性】
技術研發人員：I艾澤勒，M弗萊舍爾，H黑德勒，M席貝爾，J扎普夫，
申請(專利權)人：西門子公司，
類型：發明
國別省市：德國,DE