基于MEMS技术的微型气相色谱系统的研究

论文摘要

基于MEMS技术的微型气相色谱系统采用MEMS微加工技术，使整个系统的体积大大减小，并且具有灵敏度高，分析速度快，应用范围广，便携性好等特点，可以方便地对混合气体进行现场检测。近年来更多的研究机构投入了这项研究。本文全面总结了基于MEMS技术的微型气相色谱系统的研究现状和最新进展，然后讨论了MEMS气相色谱柱的材料选择和形状设计，设计了九种不同长度和形状的MEMS色谱柱，确定了所有色谱柱的形状和具体参数，长度分为6米、3米和1米，形状分为双螺旋形和S型两种。摸索并确定了色谱柱的MEMS制作工艺，色谱柱采用深反应离子刻蚀技术加工出色谱通道，再与Pyrex 7740玻璃进行键合密封。固定液的涂敷方法可分为静态涂敷和动态涂敷，本文采用动态涂敷方法，固定相采用OV-1，溶解于戊烷和二氯甲烷的混合液中，解决了向微型色谱柱内涂敷固定相的关键技术。分别针对6米和1米长的微型色谱柱进行了分离实验，待分离的混合气为苯和甲苯，分别给出了最终色谱图，计算出了保留时间，半峰宽，理论塔板数和分离度。其中1米色谱柱对于苯的分离效果非常好，理论塔板数接近8000，达到国际领先水平。分析了影响理论塔板数的诸多因素，包括固定相涂层的均匀性，固定相涂层附着不牢固，转弯处气体分子的流线不等长等等，对进一步工作提出了建议。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 色谱法简介
• 1.2 气相色谱法简介
• 1.3 气相色谱系统介绍
• 1.4 MEMS气相色谱系统的研究进展
• 1.5 本论文主要目标和内容介绍
• 1.5.1 主要目标
• 1.5.2 内容介绍
• 第二章 色谱理论分析
• 2.1 色谱流出曲线及有关术语
• 2.1.1 流出曲线和色谱峰
• 2.1.2 基线
• 2.1.3 峰高
• 2.1.4 保留值
• 2.1.5 区域宽度
• 2.2 色谱法分析的基本原理
• 2.2.1 分配系数K
• 2.2.2 分配比k
• 2.2.3 滞留因子Rs
• 2.2.4 分配系数K与分配比k的关系
• 2.2.5 分配系数K及分配比k与选择因子α的关系
• 2.3 塔板理论
• 2.4 分离度
• 2.5 基本色谱分离方程式
• 2.5.1 分离度与柱效的关系
• 2.5.2 分离度与选择因子的关系
• 2.5.3 分离度与容量因子的关系
• 2.5.4 分离度与分析时间的关系
• 2.6 本章小结
• 第三章 MEMS气相色谱柱的设计与研制
• 3.1 MEMS主要工艺介绍
• 3.1.1 阳极键合工艺
• 3.1.2 硅高深宽比反应离子刻蚀技术
• 3.2 MEMS气相色谱柱的设计
• 3.2.1 材料选择
• 3.2.2 形状设计
• 3.2.3 固定液的选择
• 3.3 MEMS气相色谱柱的研制
• 3.3.1 MEMS色谱柱的制备工艺
• 3.3.2 固定相的涂敷
• 3.4 本章小结
• 第四章 测试与分析
• 4.1 测试条件的选择
• 4.1.1 柱温的选择
• 4.1.2 进样量的选择
• 4.2 测试方法
• 4.3 6米色谱柱分离结果
• 4.4 1米S型色谱柱分离结果
• 4.5 结果讨论
• 4.6 本章小结
• 第五章 总结
• 5.1 主要研究工作
• 5.2 主要成果
• 5.3 进一步的工作设想
• 参考文献
• 发表论文目录
• 致谢