微通道光离子化检测器的制作方法

微通道光离子化检测器
1.相关申请
2.本技术要求于2019年7月9日提交的美国专利申请no.16/506,758的优先权权益，该美国专利申请整体通过引用的方式被纳入本文。
技术领域
3.本公开内容总体涉及一种微通道光离子化检测器。更具体地，本公开内容涉及一种可部署在气相色谱系统中的微通道光离子化检测器。


背景技术：

4.此部分的陈述仅仅提供与本公开内容相关的背景信息，可能不构成现有技术。
5.光离子化检测器(pid)常规地用于检测流体样本(例如，气体)中某些化合物的存在。pid通过将样本暴露至高能量光子，使流体样本的分子离子化，从而产生离子。这些离子在电场的作用下流动从而生成电流，该电流能够被测量以指示某一化合物的有关浓度。
6.典型的pid包括使流体样本离子化的离子化单元。离子化单元通常是真空腔室，占据较大体积。这样的离子化单元使得pid不适合用于微型化、便携式的气体分析系统，诸如微型气相色谱(gc)系统。


技术实现要素：

7.根据本公开内容的一个方面，提供了一种微流体光离子化检测器(pid)。pid包括：衬底；导电层，所述导电层被形成在衬底上，所述导电层包括微通道。所述导电层进一步包括第一电极区和第二电极区，所述第一电极区和所述第二电极区通过微通道被彼此分离。pid进一步包括：欧姆接触层，所述欧姆接触层被形成在所述第一电极区和所述第二电极区的顶部上；以及，光源，所述光源被形成在欧姆接触层上，用于朝向微通道发射光。
8.根据本公开内容的一个方面，提供了一种微流体光离子化检测器(pid)。pid包括：衬底；导电层，所述导电层被形成在衬底上，所述导电层包括微通道。所述导电层进一步包括第一电极区和第二电极区，所述第一电极区和所述第二电极区通过微通道被彼此分离。pid进一步包括：光源，所述光源被形成在欧姆接触层上，用于朝向微通道发射光；以及，光传输层，所述光传输层被布置在所述导电层和所述光源之间并且被结合至所述导电层。
9.应理解，前面的总体描述以及下面的详细描述仅是示例性的和解释性的，并非对权利要求的限制。
附图说明
10.附图被纳入说明书且构成本说明书的一部分，附图例示了示例性实施方案，并且与描述一起用于解释实施方案的原理。在附图中：
11.图1a示意性例示了根据本公开内容的一个实施方案的采样操作中的气相色谱(gc)系统。
12.图1b示意性例示了根据本公开内容的一个实施方案的分析操作中的gc系统。
13.图2以分解透视图示意性例示了根据本公开内容的一个实施方案的光离子化检测器(pid)。
14.图3a是根据本公开内容的一个实施方案的包括在pid中的光传输层和欧姆接触层的俯视图。
15.图3b是根据本公开内容的一个实施方案的包括在pid中的欧姆接触层、导电层以及柱的分解视图。
16.图4是根据本公开内容的另一实施方案的包括在pid中的导电层、欧姆接触层以及柱的分解视图。
17.图5a以透视图示意性例示了根据本公开内容的一个实施方案的pid。
18.图5b以剖切(cut-out)透视图示意性例示了根据本公开内容的一个实施方案的pid。
19.贯穿附图的若干视图，相应的参考数字指示相应的部分。
具体实施方式
20.现在将详细参考示例性实施方案，这些示例性实施方案的实施例在附图中被例示。下面的描述参考附图，其中不同附图中的相同数字表示相同或类似的元件，除非另有表示。下面对示例性实施方案的描述中所阐明的实施方式并不表示所有的实施方式。替代地，它们仅仅是与所附权利要求相关的多个方面一致的设备和方法的实施例。
21.本公开内容的实施方案解决了一个或者多个与常规光离子化检测器(pid)相关联的缺点。一方面，本公开内容提供了一种可以包括由导电材料(诸如，掺杂半导体)所形成的导电层的pid。导电层可以形成有微流体通道(下文称为“微通道”)，流体样本可以在微通道中被离子化。因此，pid的尺寸可被大大减小，使得pid适合用于微型气相色谱(gc)系统。
22.根据一个实施方案，导电层可以包括第一电极区和第二电极区，所述第一电极区和所述第二电极区通过所述微通道被彼此物理分离。欧姆接触层可以被沉积在第一电极区和第二电极区中的每一个上，以分别形成第一电极和第二电极。因此，稳定的欧姆金属-半导体接触部可以分别形成在第一电极和第二电极处。稳定的欧姆接触部可避免潜在的不稳定的基线读数，该读数是由非欧姆势垒、电荷泵送效应以及接地回路的非线性环境效应(例如，温度、湿度)导致的。
23.根据一个实施方案，在沉积欧姆接触层之前，导电层可形成有多个凹部。因此，在第一电极与第一电极区之间以及第二电极与第二电极区之间可以形成牢固的结合。
24.根据一个实施方案，光传输层可被结合至导电层，从而密封导电层中所形成的微通道，所述导电层沉积有欧姆接触层。因此，可能不需要使用光胶粘剂(诸如，环氧化物)来密封微通道。因而，可以消除胶粘剂对流体样本的污染，且在不同的pid之间可以实现更好的性能一致性。
25.根据一个实施方案，pid可进一步包括壳体，以包围pid的多个部件。壳体可对pid的部件进行屏蔽，以免受多种环境干扰，诸如ac电源线频率噪声和周围环境的任何电磁场。因此，可以降低基线噪声水平。
26.根据一个实施方案，可以采用密封剂来将pid的多个部件密封在壳体内。因此，可
以消除潮湿以及来自周围环境的任何其他污染物的影响。
27.根据一个实施方案，pid可以被放置在炉中，所述炉被维持在一受控温度。因此，受控温度设置可进一步减小环境温度波动对pid性能的影响。
28.图1a和图1b示意性例示了根据本公开内容的一个实施方案的气相色谱(gc)系统100。图1a例示了根据本公开内容的一个实施方案的执行采样操作时的gc系统100。图1b例示了根据本公开内容的一个实施方案的执行分析操作时的gc系统100。
29.如图1a和图1b中所示，根据本公开内容的实施方案的gc系统100可包括预浓缩器110、六通阀(six-point valve)120、泵130、样本入口140、载气入口150、柱模块160以及pid 170。样本入口140可用于将流体样本引入gc系统100。流体样本可包括气体、蒸汽、液体等。例如，流体样本可以是挥发性有机化合物(voc)。载气入口150可用于将载气引入gc系统100。例如，载气可以是惰性气体。
30.在图1a所示出的实施方案中，在采样操作期间，六通阀120可被配置为将预浓缩器110与泵130和样本入口140连接且将预浓缩器110与载气入口150和柱模块160断开。当泵130开始泵送时，流体样本可通过样本入口140进入预浓缩器110。预浓缩器110可以收集且浓缩流体样本。
31.在图1b所示出的实施方案中，在分析操作期间，六通阀120可被配置为将预浓缩器110与载气入口150和柱模块160连接且将预浓缩器110与泵130和样本入口140断开。载气可通过载气入口150被引入预浓缩器110中。载气可将预浓缩器110中所收集的流体样本携带进入柱模块160。柱模块160可将流体样本分离成具有不同滞留时间的多种流体成分(分析物)。然后，这些流体成分可以根据它们各自的滞留时间依次地在柱模块160中出现且进入pid 170。
32.图2以分解透视图示意性例示了根据本公开内容的一个实施方案的微流体光离子化检测器(pid)200。图3a是根据本公开内容的实施方案的包括在pid 200中的光传输层和欧姆接触层的俯视图。图3b是根据本公开内容的实施方案的包括在pid 200中的欧姆接触层、导电层以及柱的分解图。pid 200可被实施为图1a和图1b中所例示的gc系统100中的pid 170。
33.如图2、图3a和图3b中所示，根据本公开内容的示例性实施方案的pid 200可以包括(依次从pid 200的底部朝向顶部)衬底210、导电层220、欧姆接触层230、光传输层240、光源250以及印刷电路板(pcb)260。导电层220可以包括微流体通道(下文称为“微通道”)222、第一电极区224以及第二电极区226。如所示，第一电极区224和第二电极区226通过微通道222被彼此分离。微通道222的相对端部可以分别被连接至上游柱272和下游柱274。欧姆接触层230可以包括布置在第一电极区224上的第一接触部234以及布置在第二电极区226上的第二接触部236。
34.如图3b中所示，欧姆接触层230可以被形成在导电层220上。上游柱272可以被配合在微通道222的一个端部中，下游柱274可以被配合在微通道222的相对端部中。
35.在pid 200的操作期间，流体样本的流体成分可以经由上游柱272依次进入微通道222，且经由下游柱274依次离开微通道222。光源250可以朝向微通道222发射光(典型地在紫外(uv)范围内)。发射的光所包括的高能量光子可以破坏微通道222中的流体成分中的分子，以产生带正电荷的离子和自由电子。同时，第一接触部234和第二接触部236可以被施加
有不同的电压以形成电场。电场可以导致离子在第一电极区224和第二电极区226之间流动，从而产生电流。可以测量电流，以指示流体成分的有关浓度。
36.衬底210可以由任何合适的能够支撑pid 200的多个部件的材料形成。例如，衬底210可以由玻璃形成。
37.导电层220可以通过例如阳极结合而被形成在衬底210的顶部上。导电层220可以由任何类型的导电材料形成。例如，导电层220可以由导电掺杂半导体材料(例如，硅)形成。在一些实施方案中，导电层220可以包括微通道222、第一电极区224和第二电极区226。微通道222可以通过使用例如光刻法和深反应离子刻蚀(drie)来蚀刻穿过导电层220形成。因此，第一电极区224和第二电极区226可以通过微通道222被彼此绝缘且物理分离。
38.导电层220可以具有从约20nm至约2μm的厚度。替代地，导电层220可以比上面所公开的范围更厚或者更薄，只要它能够实现所要求的目的。在一些实施方案中，导电层220可比柱272和274的外径更厚，以使得存在足够的空间将柱272和274配合到导电层220所包括的微通道222中。柱272和274的典型外径可以从100μm至1000μm，导电层220的厚度可以大于柱272和274的外径。例如，当柱272和274的外径是380μm时，导电层220的厚度可以是500μm。
39.欧姆接触层230可被形成在导电层220的顶部上，以形成欧姆接触层230与导电层220之间的稳定的欧姆接触部。在一些实施方案中，欧姆接触层230可包括形成在第一电极区224的顶部上的第一接触部234以及形成在第二电极区226的顶部上的第二接触部236。在一个实施方案中，欧姆接触层230可以被沉积在导电层220的整个顶部表面上，然后被蚀刻以移除沉积在微通道中的部分，从而形成第一接触部234、第二接触部236以及位于第一接触部234与第二接触部236之间的间隙232。因而，第一接触部234与第二接触部236可以通过间隙232被物理分离且被电气绝缘。
40.欧姆接触层230可以被形成在任何结构中，且可以由能够充当导电层220的电接触部的任何导电材料形成。在一些实施方案中，欧姆接触层230可以被形成为包括金属或者任何其他导电材料的层。金属或者其他导电材料可以被均匀地或者非均匀地包括在欧姆接触层230中。金属可以从诸如铂(pt)、金(au)、银(ag)和铜(cu)的一组金属选择。其他导电材料可以是例如石墨烯。在一些替代实施方案中，欧姆接触层230可以是多层，包括至少第一层和形成在第一层的顶部上的第二层。第一层可被形成在导电层220的顶部上，以充当胶粘层。第一层对于下面的导电层220(可以由硅形成)具有良好的导电属性以及良好的胶粘属性，以便于将第二层胶粘至导电层220。第一层可以由第一金属形成，第一金属从诸如铬(cr)、钛(ti)和铝(al)的一组金属选择。第一层可以具有0.5nm至10nm的厚度。第二层可充当接触层。第二层可以具有良好的导电性属性和环境稳定性属性(诸如，抗氧化性)。第二层可以由第二金属形成，第二金属从铂(pt)、金(au)、银(ag)和铜(cu)的一组金属选择。第二层可以具有20nm至2um的厚度。当制作pid 200时，第一层可以首先被沉积在导电层220上，然后第二层可以被沉积在第一层的顶部上。仍然替代地，欧姆接触层230可以由能够充当导电层220的电接触部的任何其他材料或者材料的组合形成。
41.在类似的pid中，不存在第一电极区224和第二电极区226上的欧姆接触层。替代地，第一电连接器(例如，铜线)被连接至第一电极区224的有限部分，第二电连接器被连接至第二电极区226的有限部分。因此，非欧姆势垒可被形成在第一电连接器与第一电极区224之间的对接处，以及被形成在第二电连接器与第二电极区226之间的对接处。因为非欧
姆势垒可以具有非线性环境效应(例如，温度、湿度)，可能出现诸如不稳定的基线读数、电荷泵送效应和接地回路等问题。根据本公开内容的实施方案，欧姆接触层230可被沉积在第一电极区224和第二电极区226的整个顶部表面上。以此方式，稳定的欧姆接触部可在第一电极区224和第二电极区226中形成。稳定的欧姆接触部可避免潜在的不稳定的基线读数，该读数是由非欧姆势垒、电荷泵送效应以及接地回路的非线性环境效应(例如，温度、湿度)导致的。
42.在一些实施方案中，光源250可以包括板252和源主体254。板252可以被放置在源主体254下方且被附接至源主体254。源主体254可以被电连接至外部功率源(未例示)，且响应于由外部功率源所供应的电功率，源主体254可以穿过板252朝向导电层220中的微通道222发射光。源主体254所发射的光的波长可以在紫外(uv)范围中。板252可以由光传输材料形成，该光传输材料可以至少部分传输源主体254所发射的光。在一些实施方案中，依赖于光源的波长，板252可以由诸如氟化锂(lif)、氟化镁(mgf2)、氟化钙(caf2)、氟化钡(baf2)、氧化铝(al2o3)或者二氧化硅(sio2)等材料形成。
43.在一些实施方案中，光传输层240可以被布置在光源250与欧姆接触层230之间，所述光源250可以包括板252和源主体254。光传输层240可以被物理或化学结合至导电层220，所述导电层220形成有欧姆接触层230。光传输层240与导电层220之间的结合可以通过诸如阳极结合(静电结合)、直接结合、热压结合以及胶粘结合等工艺实现。在一些实施方案中，光传输层240可以由能够至少部分地传输光源250所发射的光的材料形成。光传输层240可被配置为具有等于或者大于预定阈值的传输效率，使得传输穿过光传输层240的光中所包括的光子量充分大，从而能够对导电层220的微通道222中的流体成分的分子离子化。在一些实施方案中，取决于光源的波长，光传输层240可以由诸如氟化锂(lif)、氟化镁(mgf2)、氟化钙(caf2)、氟化钡(baf2)、氧化铝(al2o3)或者二氧化硅(sio2)等材料制成。
44.在一些实施方案中，为了进一步提高光的传输，光传输层240可被涂覆有涂层。另外，光传输层240上的涂层可以具有某一图案。例如，涂层的图案可以包括格栅或者网格。然而，本公开内容并不限制涂层的材料和图案。
45.在一些实施方案中，光传输层240被结合至导电层220和欧姆接触层230，以密封微通道222。因此，微通道222可以被由光传输层240所形成的顶壁、由衬底210所形成的底壁以及由导电层220所形成的两个侧壁包围。
46.在类似的pid中，通过使用由环氧化物或者类似化合物所形成的光学胶粘剂将光源250的板252粘合在导电层220上，将光源250直接附接至导电层220。胶粘剂会污染微通道222中的流体成分(例如，voc)。在本公开内容的实施方案中，光传输层240可以被结合至导电层220和欧姆接触层230，以密封微通道222。以此方式，可以避免使用环氧化物或者任何其他化合物，从而消除胶粘剂对流体样本的污染，且为不同的pid提供更好的性能一致性。另外，不需要将光源250附接至导电层220，使得更容易维护和更换光源250。
47.在一些实施方案中，pcb 260可以被布置在光源250上方。pcb260可以包括驱动电路、信号放大电路和连接至外部电路的电连接器262。就此而言，光传输层240可以包括位于光传输层240的拐角处的窗242。图3a是根据本公开内容的实施方案的包括在pid 200中的光传输层240和欧姆接触层230的俯视图。如图3a中所示，光传输层240可被形成在欧姆接触层230上。窗242可以使布置在光传输层240下方的欧姆接触层230暴露，以允许欧姆接触层
230连接至pcb 260中的驱动电路和信号放大电路。
48.图4是根据本公开内容的另一实施方案的pid中所包括的导电层320、欧姆接触层330以及柱372和374的分解视图。
49.如图4中所示，导电层320可以包括第一电极区324、第二电极区326以及形成在第一电极区324与第二电极区326之间的微通道322。欧姆接触层330可以包括第一接触部334、第二接触部336以及形成在第一接触部334和第二接触部336之间的间隙。欧姆接触层330可通过将导电材料沉积在导电层320上来形成。
50.另外，为了提高欧姆接触层330与和导电层320之间的物理结合，在将欧姆接触层330沉积在导电层320上之前，导电层320的顶部表面可以被蚀刻，以形成多个凹形图案328。凹形图案328的深度可以为约10nm至约200nm。然后，当欧姆接触层330被形成在导电层320上时，欧姆接触层330可以具有与导电层320的顶部表面相一致的形状。因此，欧姆接触层330也可以变成形成有多个凹形图案338的带图案层。多个凹形图案328和338可以提高欧姆接触层330与导电层320之间的结合强度，且减小金属从欧姆接触层330朝向导电层320的热扩散，从而使得欧姆接触层330与导电层320之间的结合更强，且允许pid在更高的温度下工作。
51.图5a和图5b示意性例示了根据本公开内容的一个实施方案的pid 500。图5a例示了pid 500的透视图。图5b例示了pid 500的剖切透视图。
52.图5a和图5b例示的实施方案中的pid 500可以包括图2、图3a、图3b和图4中例示的pid的多个部件。多个部件包括衬底210、导电层220或者320、欧姆接触层230或者330、光传输层240、光源250以及pcb 260。这些部件的属性和布置与图2、图3a、图3b和图4中例示的实施方案中的属性和布置相同。因而，这些部件的详细描述不在此处重复。
53.在图5a和图5b例示的实施方案中，pid 500可以进一步包括壳体510，以包围上面所提及的pid 500的部件，包括衬底210、导电层220或者320、欧姆接触层230或者330、光传输层240、光源250以及pcb 260。壳体510可以由任何适合的材料形成。壳体510可以由单个元素或者钢、铜、镍、铝、镁、铂、金、碳的合金，或者任何其他元素或合金，或者甚至涂覆有/粘合有塑料的导电层制成，只要它们能够实现提供刚性的壳体且具有导电性以提供电磁屏蔽效应的目的。例如，壳体510可以提供刚性的壳体，且是导电的，以提供电磁屏蔽效应。在一些实施方案中，壳体510可以是从钢、铜、镍、铝、镁、铂、金或者碳的一组中选择的单个元素，或者是从该组中所选定的两个或多个元素的合金。替代地，壳体510可以由涂覆有塑料或者粘合有塑料的导电层形成。壳体510可被形成有开口，以允许pcb 260的电连接器262突出到壳体510的外部，从而连接至外部电路。另外，壳体510可被形成有开口，以允许上游柱272和下游柱274与导电层220中所形成的微通道222连接。
54.壳体510可被配置以对pid 500的多个部件(包括形成有驱动电路和信号放大电路的pcb 260)进行电磁屏蔽，以免受ac电源线频率噪声和来自周围环境的电磁场的影响。与没有壳体的pid相比，壳体510可以将基线噪声水平从约2mv抑制降至约0.1mv，这是20倍的改进。
55.壳体510可以被短接至pid 500的地。替换地，当pid 500被包括在gc系统(该gc系统被包围在底架中)中时，壳体510可被短接至该底架。
56.gc系统的底架可以为pid 500进一步提供电磁保护。底架可以产生0.05mv的基线
噪声水平，这与没有底架的pid相比，是额外两倍的改进。
57.如图5b中所示，密封剂520可被进一步布置在壳体510中，以密封pid 500的部件。也就是说，在衬底210、导电层220或者320、欧姆接触层230或者330、光传输层240、光源250以及pcb 260被装配且被布置在壳体510内之后，壳体510内的剩余空间可被填充有密封剂520。密封剂520可以是基于硅酮的密封剂或者基于环氧化物的密封剂。密封剂520可以将pid 500的部件与周围环境阻隔，从而消除潮湿或者任何其他污染物的影响。
58.在一些实施方案中，为了避免环境温度波动的影响，pid 200或者500可以被放在炉中，所述炉被维持在约40℃至350℃的受控温度。该温度可以根据不同的测量方案来控制。例如，当期望较少的残留物时，可以使用更高的温度。用于形成pid 200或者500的材料可以根据受控温度来选择。例如，用于形成pid 200或者500的材料能够承受受控的炉温度。以壳体510的材料为例，金属壳体可以是多用途的，且可以承受大于200℃的温度。对于所设计的100℃以下的炉温度，大多数其他材料(诸如，塑料(例如，ptfe、peek、尼龙、pc、abs等))可被用于壳体510。在这种情况下，虽然pid仍然可以起作用，但是在没有金属壳体的情况下，容易受emi(电磁干扰)的影响。
59.另外，在一些实施方案中，导电层220和光源250可以与pcb 260分立封装。也就是说，导电层220和光源250可以被封装在第一壳体中，pcb 260可以被封装在第二分立的壳体中。以此方式，即使pid 200或者500被加热至100℃至300℃，pid 200或者500仍然保持稳定。
60.尽管本文已经描述了例示性实施方案，但是本公开内容的范围涵盖具有本领域技术人员基于本公开内容将理解的等效元件、修改、省略、组合(例如，多个实施方案的多个方面的组合)、适配和/或更改的任何和所有实施方案。例如，包括在不同实施方案且在不同图中所示出的特征可以被组合。权利要求中的限制应当基于权利要求中所采用的语言被宽泛地解释，不应被限制于本说明书或本技术的审查期间所描述的实施例。这些实施例应当被解释为非排他性的。因而，意图是说明书和实施例应当被认为仅是示意性的，通过随后的权利要求及其全部范围的等效物来指示实际的范围和精神。