基于MEMS技术的微型热导检测器的研制

　　0引言

　　早在上世纪二三十年代，在欧、美就有许多公司生产相当于今天热导检测器(Thermal Conductivity Detector, TCD)的气体分析装置，用于化学工业和电厂的气体分析。气相色谱出现后，TCD开创了现代气相色谱检测器的时代川。其操作原理、基本理论和响应特征在60年代就已成熟。虽然TCD灵敏度较低，但它对所有物质都有响应。加之，它的结构简单，性能可靠;定量准确、价格低廉，经久耐用，又是非破性检测器，可与其他检测器联用等。特别是近二十余年来，毛细管柱的发展，TCD在流路、形状、池体积、热丝材料、电桥检测电路、温度控制精度、灵敏度、线性范围和采集数据速度等方面，均作了不断的改进和提高。如今池体积小至几微升，可与填充柱、也可与毛细管柱直接相连以及作快速GC (gas chromatog-raphy)、微型GC和便携式GC的检测器;不仅适于作常量分析、也可直接作IL岁g级的痕量分析。近20年中，商品气相色谱检测器的产量，一直是TCD和FID交替领先。因此，TCD始终充满着旺盛的生命力，至今仍是应用最广的检测器。

　　但传统的气相色谱生化分析系统由于体积庞大、笨重、分析速度慢、灵敏度低、选择性差，而且在大多数情况下，检测人员依赖从野外采集样品，再回到实验室来进行分析检测，这种耗时又耗力，而且效率低下的分析模式，已经越来越不适应野外环境监测，工业污染检测，家居安全，矿井安全以及战场毒气现场在线分析与检测的需求。随着MESS技术日益成熟，基于MEMS技术的微型气相色谱系统，由于其灵敏度高，稳定性好、操作简单、分析速度快，体积小、便携等优点，越来越受到重视并成为研究的焦点。

　　1热导检测器的总体设计

　　基于MEMS技术的热导检测器主要包括以下几部分:进样系统、热导检测器、检测电路、运算放大电路、控温系统以及数据处理与显示部分。其工作流程是:将载气和样品(气态混合物)通过进样系统(自制微泵)分别导人热导检测器的参考池(参考臂)与测量池(测量臂)，热导检测器)对不同气体成分导热的差异，将不同气体浓度信息转换成电信号，由于从TCD获得的电压信号比较微弱，在进行数据处理之前，需要对信号进行放大，弱电压信号经多级差分运算放大电路后，可得到0一5 V的脉冲电压信号，然后再经A/D模数转换，即可输人到单片机进行数据处理，并在终端液晶显示器(LCD)上显示出来。

　　2检测电路

　　热导池检测器是利用被测组分和参考气体的热导系数不同而响应的浓度型检测器(其工作原理如图1所示)，由于不同的气体具有不同的热导系数，当载气同时通过2个臂时，对两臂的热传导有同样的影响，对热丝温度的影响也相同，因而使2根热丝的阻值变化也相同。当样品气体随载气进人测量臂时，由于样品气体二元体系的热导系数和纯载气的热导系数不同(气体的导热系数通常与温度有关，当温度升高时，分子运动加剧，导热系数随之增大)，因而使2根热丝的温降也不同，以铂电阻为代表的热电丝，其电阻值随温度的变化十分敏感，感温电阻与温度间之关系式，可表述为: