【摘要】 TG 芯片包含一个自加热谐振微悬臂梁，用于测量样品加热引起的质量变化，DTA 芯片带有集成在悬浮隔热隔膜上的微加热器和温度检测热电堆。

热分析技术的联合使用可以实现不同表征方法的互补。结合热重分析和差热分析（​​TG/DTA）的综合热分析不仅可以测量样品的质量变化，还可以测量程序加热诱导反应或相变过程中的温度变化，从而获得材料的多方面热信息，例如如脱水、结构分解、相变和热稳定性。本研究提出并开发了一种基于 MEMS 芯片的 TG/DTA 微系统，该系统将编程加热和检测元件集成到 TG 芯片和 DTA 芯片中，使微型仪器能够在显微镜观察下执行 TG/DTA 联合表征。

 

TG 芯片包含一个自加热谐振微悬臂梁，用于测量样品加热引起的质量变化，DTA 芯片带有集成在悬浮隔热隔膜上的微加热器和温度检测热电堆。 TG和DTA芯片只需要纳克和微克级的样品，从而实现对强氧化剂等含能材料的安全测量。这种基于芯片的微型仪器超越了最先进的商用TG/DTA仪器，这些仪器长期受到大样本量（毫克级）要求的困扰，无法测量含能材料。与商用仪器相比，基于芯片的微型仪器具有分析更准确、加热速率更高、仪器体积更小、功耗更低等优点。该微型仪器采用晶圆级MEMS技术制造。

 

测试结果表明，TG芯片在空气中的质量检测灵敏度高达0.45 Hz/pg，DTA芯片在25℃/s的高升温速率下温度灵敏度达到2.9 mV/K。采用TG/DTA联合表征在显微观察下对强氧化剂KMnO4进行了分析。在显微镜观察热分解现象的同时，识别了KMnO4的两步热分解过程，并得到了热分解温度。 TG/DTA显微仪器有望应用于各种材料的研究。

 

Figure 1 Temperature calibration and sensitivity test of the TG/DTA microsystem. (a) CalibratedIR-TGA resistance of the microheater versus temperature. (b) Mass sensitivity obtained by testingthe frequency shift of MR-TGA with 140 4g sample. (e) Calibrated heating-plate temperatureversus input voltage of heating resistor for DTA. (d) Thermopile output voltage versus heating-platetemperature in DTA. (e) Tested melting curve of indium for calibration of DTA.[1]

 

TG/DTA 微系统需要基于输入编程的温度校准过程。使用空间分辨率设置为 20 µm 的红外相机对两个芯片的加热区域进行非接触式测量。对于MR-TGA芯片，利用红外热像仪对加热器电阻值与样品池温度之间的关系进行标定，结果如图1a示。计算获得的微加热器电阻（TCR）的温度系数并将其用作编程加热过程的控制信号。图 1b显示了 MR-TGA 的校准质量检测灵敏度。在空气中用140 pg标准质量样品（聚苯乙烯微球）测试，频移为63.2 ± 0.1 Hz，表明室温下的灵敏度为0.45 Hz/pg。测试了悬臂梁与温度相关的质量灵敏度，导致 25 ppm/°C 的热引起的灵敏度漂移可以忽略不计，该漂移主要来自硅杨氏模量的温度系数。在

 

DTA芯片中，采用掺杂多晶硅作为加热电阻，其TCR的线性度不如金属电阻。通过直接测量加热电阻的输入电压与加热板温升之间的关系（如图1所示），可以使用拟合的电压-温度曲线来控制编程的加热过程。然后，通过检测热电堆与温度相关的输出信号，也可以获得热电堆对于温度测量的灵敏度。如图 1 所示，热电堆的温度灵敏度为 2.9 mV/°C ± 0.1%，输出电压与加热板温度呈线性关系。图1显示了加热诱导熔化过程中铟的DTA曲线。热电堆读出的铟熔点为155.4℃，比已知的铟熔点低1.1℃。所提出的基于MEMS芯片的热重/差热分析（​​TG/DTA）联合检测微系统是利用MEMS集成技术开发的。与市售TG/DTA设备相比，该显微仪器具有体积更小、制造成本更低、加热速率更快等优点，从而可以实现快速加热测试，实时显微观察程序加热过程中材料的形貌演变。由于 TGA 和 DTA 所需的纳克和微克级样品量，TG/DTA 显微仪器可以分析以往难以在市售 TG/DTA 仪器中测量的含能材料。所提出的TG/DTA显微仪器有望广泛用于各种先进材料的热分析。

 

[1]Zhou, W.; Li, X.; Yao, F.; Zhang, H.; Sun, K.; Chen, F.; Xu, P.; Li, X. Chip-Based MEMS Platform for Thermogravimetric/Differential Thermal Analysis (TG/DTA) Joint Characterization of Materials. Micromachines 2022, 13, 445. https://doi.org/10.3390/mi13030445

 

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