CN103900945B - 微型pm2．5检测传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型PM2.5检测传感器，它包括基板、设置在基板上的入射光通道、检测光通道以及开设在基板上的气体通道，入射光通道、检测光通道和气体通道两两垂直并相交，相交处为检测区域，入射光通道包括一端与激光器相连接另一端连接在基板上的入射光纤、用于将光线汇聚在检测区域的中心位置的微柱面透镜组，检测光通道包括一端与检测装置相连接另一端连接在基板上的检测光纤、设置在检测区域底部的反射镜。通过采用上述技术方案，本发明微型PM2.5检测传感器，集成在一块石英玻璃芯片上，体积小，结构简单，实现方便，降低了传感器的制作成本，解决了普通民众对PM2.5的检测需求。

Description

微型PM2．5检测传感器

技术领域

本发明涉及一种用于测量大气中PM2.5污染浓度的检测装置，尤其涉及一种基于光学颗粒计数原理的微型PM2.5检测传感器，该传感器适用于个人或者家庭等PM2.5浓度检测的普通民用市场需求。

背景技术

面对着频繁发生的严重雾霾天气，大气污染已经成为整个社会共同关注的内容。PM2.5浓度是评价大气污染程度的关键指标之一。越来越多的普通民众希望自己能对大气PM2.5污染浓度进行检测。PM2.5是指大气中空气动力学粒径小于2.5微米气溶胶粒子。目前的PM2.5检测方式主要有称重法、微振荡天平法、β射线法和光散射法。称重法测量过程复杂，需要专业人士进行操作；微振荡天平法和β射线法可以实现自动测量，但是不能进行实时检测，而且仪器价格昂贵，体积比较大，不适合普通个人和家庭等民用检测的需求。光散射法是根据微小颗粒对光的散射原理对PM2.5进行检测，它分为浊度法和颗粒计数法。浊度法是根据检测腔内所有粒子散射光强度的大小计算颗粒物的浓度。浊度法检测精度低，本身只能测量出总的颗粒物的浓度，并不能单独检测出PM2.5的质量浓度。光学颗粒计数法根据单个粒子的散射光大小测量粒子的粒径，从而求出气体采样体积内颗粒物的大小和分布，计算出PM2.5颗粒物的浓度。基于光学颗粒计数原理的PM2.5检测仪器可以进行实时检测，测量方便，比较适合于个人或家庭等普通民用检测市场。国内外的几家生产企业推出了几款基于光学颗粒计数原理的手持式PM2.5检测仪，它们的价格在几千元至几万元之间，超出了大多数个人或家庭的期望价格，限制了该类产品在市场的推广应用。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种结构简单、成本低的微型PM2.5检测传感器，适用于普通个人或家庭民用市场，以解决普通民众对PM2.5的检测需求。

为了达到以上目的，本发明采用的技术方案是：微型PM2.5检测传感器，它包括基板、设置在基板上的入射光通道、检测光通道以及开设在基板上的气体通道，入射光通道、检测光通道和气体通道两两垂直并相交，相交处为检测区域，入射光通道包括一端与激光器相连接另一端连接在基板上的入射光纤、用于将光线汇聚在检测区域的中心位置的微柱面透镜组，检测光通道包括一端与检测装置相连接另一端连接在基板上的检测光纤、设置在检测区域底部的反射镜，检测区域底部被定义为检测区域的与检测光纤另一端相对并远离检测光纤另一端的一端部。

进一步地，基板上开设有入射光纤固定槽，入射光纤固定连接在该入射光纤固定槽内。

进一步地，入射光纤固定槽的对应入射光纤另一端的端部呈阶梯状，以防止入射光纤另一端的端面和上述入射光纤固定槽的端部的端面直接接触而受到损伤。

进一步地，微柱面透镜组包括第一微柱面透镜和第二微柱面透镜。第一微柱面透镜将入射光纤输出的光准直为平行光，第二微柱面透镜将平行光汇聚在检测区域的中心位置，形成一个宽度为几十微米的线光斑。

进一步地，入射光纤另一端的端面位于第一微柱面透镜的一个焦平面上，第一微柱面透镜的另一个焦平面和第二微柱面透镜的一个焦平面相重合，第二微柱面透镜的另一个焦平面位于检测区域的中心位置。

进一步地，第一微柱面透镜和第二微柱面透镜的曲面为球面或非球面。

进一步地，基板上开设有检测光纤固定槽，检测光纤固定连接在该检测光纤固定槽内。

进一步地，入射光纤为单模光纤、多模光纤和塑料光纤中的一种，检测光纤为单模光纤、多模光纤和塑料光纤中的一种。

进一步地，反射镜用于反射PM2.5微粒的散射光，增加检测光纤接收的散射光信号范围，其材质为金属。

进一步地，基板内设置有光阑，光阑由反射率较低的金属薄膜制成，用于阻挡入射光路产生的杂散光，提高传感器的信噪比。光阑在其对应检测区域的位置处开设有通孔，以使散射光通过。在一种更为优先的方案中，光阑位于入射光通道和气体通道的上方，通孔位于检测区域的正上方。

进一步地，基板材质为石英玻璃，基板上的各种结构通过MEMS的加工工艺进行加工制作。

通过采用上述技术方案，本发明微型PM2.5检测传感器，集成在一块石英玻璃芯片上，体积小，结构简单，实现方便，降低了传感器的制作成本，解决了普通民众对PM2.5的检测需求。

附图说明

附图1为本发明微型PM2.5检测传感器的立体结构示意图；

附图2为本发明微型PM2.5检测传感器的俯视结构示意图；

附图3为本发明微型PM2.5检测传感器的侧视结构示意图；

附图4至附图9依次为将本发明微型PM2.5检测传感器的制作流程示意图；其中附图4至附图6为下基板的俯视图，附图7至附图9为上基板的侧剖视图。

图中标号为：

100、基板；110、下基板；120、上基板；1、入射光纤；2、入射光纤固定槽；3、第一微柱面透镜；4、第二微柱面透镜；5、气体通道；6、检测区域；7、反射镜；8、光阑；9、检测光纤固定槽；10、检测光纤；11、通孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

参考附图1至附图3，本实施例中的微型PM2.5检测传感器，它包括基板100、设置在基板100上的入射光通道、检测光通道以及开设在基板100上的气体通道5，入射光通道、检测光通道和气体通道5两两垂直并相交，三者相交于同一处，该相交处为检测区域6，入射光通道包括一端与激光器相连接另一端连接在基板100上的入射光纤1、用于将光线汇聚在检测区域6的中心位置的微柱面透镜组，检测光通道包括一端与检测装置相连接另一端连接在基板100上的检测光纤10、设置在检测区域6底部的反射镜7，检测区域6底部被定义为检测区域6的与检测光纤10另一端相对并远离检测光纤10另一端的一端部。

本实施例中的基板为长和宽为10mm×10mm、厚度为5mm的石英玻璃，基板包括下基板110和上基板120。

入射光纤1的一端和半导体激光器光源封装在一起。下基板110上开设有入射光纤固定槽2，上述的入射光纤1的另一端固定连接在该入射光纤固定槽2内。入射光纤固定槽2的对应入射光纤1另一端的端部呈阶梯状，阶梯状的设计是为了避让入射光纤1另一端的端面，以防止入射光纤1另一端的端面和入射光纤固定槽2的端部的端面直接接触而受到损伤。

入射光纤1为单模光纤、多模光纤或塑料光纤，本实施例中采用直径为1mm的塑料光纤，与之相配合的入射光纤固定槽2为宽为1.1mm、深度为1.1mm的矩形槽。

上述的气体通道5为宽1mm、深1mm的矩形通道，开设在下基板110上。

上述的微柱面透镜组开设在下基板110上，微柱面透镜组包括第一微柱面透镜3和第二微柱面透镜4。入射光纤1另一端的端面位于第一微柱面透镜3的一个焦平面上，第一微柱面透镜3的另一个焦平面和第二微柱面透镜4的一个焦平面相重合，第二微柱面透镜4的另一个焦平面位于检测区域6的中心位置。第一微柱面透镜3和第二微柱面透镜4的曲面为球面或非球面，本实施例中优先选用曲率半径为0.5mm的球面，第一微柱面透镜3和第二微柱面透镜4的焦距为1mm。

半导体激光器发出的光通过入射光纤1传输到第一微柱面透镜3上，经过第一微柱面透镜3之后被准直为平行光，平行光经过第二微柱面透镜4之后在检测区域6的中心位置处汇聚为几十微米宽的线光斑。由气体通道5流经检测区域6的PM2.5颗粒被线光斑照射后产生散射光信号。

上述的检测光纤10可以为单模光纤、多模光纤或塑料光纤，本实施例中采用直径为1mm的塑料光纤。检测光纤10的一端与光电探测器封装在一起。上基板120上开设有检测光纤固定槽9，检测光纤10的另一端用胶固定连接在该检测光纤固定槽9内。检测光纤10另一端的端面与检测区域6顶部的距离为0.5mm。所述的检测区域6顶部被定义为检测区域6的与上述检测区域6底部相对的另一端部。

上述的反射镜7用于反射PM2.5微粒的散射光，增加检测光纤10接收的散射光信号范围，反射镜7的材质为金属，本实施例中优先选用厚度为1微米的铝膜作为反射镜7，反射镜7的尺寸为1mm×1mm。

基板100内设置有光阑8，光阑8由反射率较低的金属薄膜制成，用于阻挡入射光路产生的杂散光，提高传感器的信噪比，本实施例中优先选用1微米厚的钛钨合金薄膜。光阑8位于入射光通道和气体通道5的上方，光阑8在其对应检测区域6的位置处开设有通孔11，通孔11位于检测区域6的正上方，以使散射光通过，通孔11为直径为1mm的圆孔。上述的检测光纤10另一端的端面与光阑8之间的距离为0.5mm。

大气中的颗粒物随着采样气体流经检测区域6，被线光斑照射产生散射光，一部分散射光直接入射到检测光纤10另一端的端面，另一部分散射光被反射镜7反射之后入射到检测光纤10另一端的端面。散射光经检测光纤10传输到光电探测器，光电探测器输出一个脉冲信号，信号大小和颗粒物的粒径成比例。对脉冲信号的大小和个数进行统计，就可以求出一定采样气体体积内的PM2.5颗粒物的粒径分布，从而测量出空气中PM2.5的浓度。

本实施例中的传感器的制作过程为：

1、参考附图4，在厚度为3mm,长和宽为10mm的石英玻璃（即下基板110）上光刻入射光纤固定槽2、第一微柱面透镜3、第二微柱面透镜4和气体通道5。

、参考附图5，在下基板110上表面溅射厚度为1微米的金属铝，光刻铝，在气体通道5的对应的检测区域6位置形成1mm×1mm的反射镜7。

、参考附图6，将一端封装了半导体激光器的入射光纤1用胶固定在入射光纤固定槽2中。

、参考附图7，选用另一块厚度为2mm,长和宽为10mm的石英玻璃（即上基板120），在上基板120的一表面溅射1微米厚的钛钨合金，光刻钛钨合金，形成中心孔直径为1mm的光阑8。

、参考附图8，在上基板120的另一面用机械或者光学腐蚀的方法制作直径为1.1毫米、深度为1.5mm的圆孔，形成检测光纤固定槽9。

、参考附图9，将一端封装了光电探测器的检测光纤10用胶固定在检测光纤固定槽9中。

、将制作好的下基板110和下基板120用键合的方法封装在一起，形成PM2.5检测传感器。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种微型PM2.5检测传感器，其特征在于：它包括基板（100）、设置在所述基板（100）上的入射光通道、检测光通道以及开设在所述基板（100）上的气体通道（5），所述的入射光通道、检测光通道和气体通道（5）两两垂直并相交，相交处为检测区域（6），所述的入射光通道包括一端与激光器相连接另一端连接在所述基板（100）上的入射光纤（1）、用于将光线汇聚在所述检测区域（6）的中心位置的微柱面透镜组，所述的检测光通道包括一端与检测装置相连接另一端连接在所述基板（100）上的检测光纤（10）、设置在所述检测区域（6）底部的反射镜（7），所述的检测区域（6）底部被定义为检测区域（6）的与检测光纤（10）另一端相对并远离检测光纤（10）另一端的一端部，所述基板（100）材质为石英玻璃，所述反射镜（7）为溅射于基板（100）上并经光刻形成的铝膜，

所述微柱面透镜组、所述气体通道（5）光刻形成于所述基板（100）上，

所述的基板（100）内设置有光阑（8），所述的光阑（8）在其对应检测区域（6）的位置处开设有通孔（11），所述光阑（8）为溅射形成的钛钨合金薄膜，

所述的基板（100）上开设有入射光纤固定槽（2），所述的入射光纤（1）固定连接在该入射光纤固定槽（2）内，所述的入射光纤固定槽（2）的对应所述的入射光纤（1）另一端的端部呈阶梯状，

所述的微柱面透镜组包括第一微柱面透镜（3）和第二微柱面透镜（4），所述的入射光纤（1）另一端的端面位于第一微柱面透镜（3）的一个焦平面上，第一微柱面透镜（3）的另一个焦平面和第二微柱面透镜（4）的一个焦平面相重合，第二微柱面透镜（4）的另一个焦平面位于所述检测区域（6）的中心位置。

2.根据权利要求1所述的微型PM2.5检测传感器，其特征在于：所述的第一微柱面透镜（3）和第二微柱面透镜（4）的曲面为球面或非球面。

3.根据权利要求1所述的微型PM2.5检测传感器，其特征在于：所述的基板（100）上开设有检测光纤固定槽（9），所述的检测光纤（10）固定连接在该检测光纤固定槽（9）内。

4.根据权利要求1所述的微型PM2.5检测传感器，其特征在于：所述的入射光纤（1）为单模光纤、多模光纤和塑料光纤中的一种，所述的检测光纤（10）为单模光纤、多模光纤和塑料光纤中的一种。