CN103940711A - 一种基于圆盘微机械谐振器的pm2.5颗粒物检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于圆盘微机械谐振器的PM2.5颗粒物检测装置。基于氮化铝圆盘谐振器的平面谐振模态，提出一种新的PM2.5颗粒物质量法检测机理，通过检测沉积颗粒物条件下圆盘谐振器谐振频率的变化，检测空气中PM2.5颗粒物浓度。基于该检测机理，使用MEMS制造与集成工艺，制造空气中PM2.5颗粒物静电驱动与吸附装置、颗粒物过滤装置、质量法检测微机械敏感单元，并将上述结构集成在微小型集成封装单元内，构成PM2.5颗粒物检测装置，以实现空气中PM2.5颗粒物的高精度、快速检测。通过使用MEMS工艺制造微机械器件，应用于PM2.5检测装置中，减小检测设备的体积与功耗，实现检测设备的微小型化与集成化，提高PM2.5的检测精度与检测速度，提高谐振性能与检测精度可靠性。
Description
技术领域:
本发明涉及一种使用氮化铝圆盘微机械谐振器的PM2.5空气悬浮颗粒物检测装置。属于微机电系统器件应用与空气环境监测设备领域。
背景技术:
空气颗粒物浓度监测是空气污染监测与防治工作中的重要组成部分，是建设以人为本的环境友好型社会的重要工作内容。以PM2.5高浓度细颗粒物污染为主要形式的空气污染严重威胁公众健康，恶化公众感受与居民生活水平，对国民经济产生了不良影响，空气污染存在潜在的长期危害风险，潜伏期长，影响消除困难，将会对未来我国社会发展与经济建设造成不可估量的损失。因此，空气污染的监测与治理成为关系国计民生的重大问题。
但是，现有的PM2.5细颗粒物质量法检测设备在实际应用中表现出一些明显的不足之处。现有检测设备中使用宏观尺度的梁-杆单元作为谐振器件，此类质量敏感器件的尺寸与质量尺度较PM2.5细颗粒物大几个数量级，这样的传统大尺寸谐振器件在检测设备中的应用限制了设备的性能与发展：一方面，大尺寸的谐振器件导致检测设备质量大，体积大，功耗高，设备重量达到千克级别，厚度超过10cm，很难做到手持检测设备的集成度，也不可能将其微型化集成在个人终端设备上，这就决定了这种体积规模的检测设备只能应用于相对固定的环境监测点，而无法实现便携式，手持式的随时检测，这就很大地降低了设备的适用性。另一方面，较大的谐振器件限制了检测精度的提升空间，单一PM2.5颗粒物的沉积质量很小，对大尺寸谐振器的谐振频率的作用几乎可以忽略，而要采集能够触发最小可检测频率变化阈值的足够颗粒物质量，就需要大量收集颗粒沉积物，这就会导致较长的采集时间。由于上述原因，使用传统谐振器件的PM2.5检测设备在体积、功耗、检测速度与精度上都存在改进空间。基于上述分析，需要一种新的PM2.5颗粒物检测装置，以减小设备体积，提高检测精度与速度。而MEMS微机械谐振器可以从制造工艺与检测原理两个方向消除传统设备的缺陷，提升性能。
发明内容：
本发明要解决的技术问题是使用微机电系统器件构造的装置，对PM2.5空气悬浮颗粒物浓度实现高精度质量法检测，同时解决现有PM2.5质量法检测设备体积大，功耗高，精度低，集成度低的缺陷。
本发明公开一种基于圆盘微机械谐振器的PM2.5颗粒物检测装置。基于氮化铝圆盘谐振器的平面谐振模态，提出一种新的PM2.5颗粒物质量法检测机理，通过检测沉积颗粒物条件下圆盘谐振器谐振频率的变化，检测空气中PM2.5颗粒物浓度。基于该检测机理，使用MEMS制造与集成工艺，制造空气中PM2.5颗粒物静电驱动与吸附装置、颗粒物过滤装置、质量法检测微机械敏感单元，并将上述结构集成在微小型集成封装单元内，构成PM2.5颗粒物检测装置，以实现空气中PM2.5颗粒物的高精度、快速检测。通过使用MEMS工艺制造微机械器件，应用于PM2.5检测装置中，减小检测设备的体积与功耗，实现检测设备的微小型化与集成化，提高PM2.5的检测精度与检测速度，提高谐振性能与检测精度可靠性。
本发明公开的一种基于圆盘微机械谐振器的PM2.5颗粒物检测装置是通过下述技术方案实现：
本发明公开的一种基于圆盘微机械谐振器的PM2.5颗粒物检测装置的具体组成结构如下：
1.空气中PM2.5颗粒物静电驱动与吸附装置。该装置制造在硅衬底圆片上，硅圆片上有刻蚀通孔，作为预荷电空气样本入口，硅圆片下表面有光刻图形化构成的金属结构，作为静电驱动电极。
2.空气中PM2.5颗粒物过滤装置。该装置由硅衬底圆片制造，硅圆片上布置刻蚀通孔，构成过滤器，通孔分布区域按圆盘谐振器检测机理设计，通孔直径为2.5微米。
3.空气中PM2.5颗粒物质量法检测微敏感单元。该装置由氮化铝圆盘谐振器，直流驱动电极与射频电极组成。
4.微小型集成封装单元。由静电驱动与吸附装置、颗粒物过滤装置、质量法检测微敏感单元、外密封筒与电路管脚构成。外密封筒上带有圆盘固定与气密性装置。相应各装置结构按功能要求集成在外密封筒中，构成相应的腔室，通过电路管脚与外围控制与检测电路连接。构成基于圆盘微机械谐振器的PM2.5颗粒物检测装置的微小型集成封装单元的完整结构。
本发明公开的一种基于圆盘微机械谐振器的PM2.5颗粒物检测装置的具体检测步骤如下：
步骤1.将装置暴露在待测空气中，采集到的空气样本通过空气样本入口，进入样本预处理腔，空气样本中的颗粒物使用静电驱动与吸附装置，经过预荷电处理带上电荷。
步骤2.空气样本中的颗粒物通过颗粒物过滤装置进行颗粒物直径筛选，直径小于2.5微米的颗粒物通过筛选，直径大于2.5微米的颗粒物被拦阻。
步骤3.氮化铝圆盘谐振器处于简谐振动工作状态下。PM2.5颗粒物在静电驱动下沉积在谐振圆盘的相应位置上，改变圆盘的谐振模态。
步骤4.直流驱动电极连接直流电压，射频电极连接射频信号频率检测设备，通过检测圆盘谐振频率的变化，得到圆盘谐振器上沉积的PM2.5颗粒物的质量，进而得到待测空气样本中PM2.5颗粒物的浓度。
有益效果：
1.本发明公开的一种基于圆盘微机械谐振器PM2.5颗粒物检测装置，使用MEMS制造工艺，具有极小的体积与功耗，较传统设备尺寸减小两个数量级，可以显著减小PM2.5颗粒物检测设备的体积与功耗，实现PM2.5颗粒物检测设备的微小型化与集成化。
2.本发明公开的一种基于圆盘微机械谐振器PM2.5颗粒物检测装置中使用圆盘微机械谐振器作为质量法检测微敏感单元，由于具有微小的体积与质量，对极小的质量变化具有高度的敏感特性，因此可以通过更微小量级的谐振频率变化的测量，更加精确地检测微小质量，从而提高PM2.5的检测精度与检测速度。
3.本发明公开的一种基于圆盘微机械谐振器PM2.5颗粒物检测装置中使用的氮化铝圆盘谐振器，具有优异的机电性能与热稳定性，因此基于氮化铝圆盘谐振器的PM2.5检测装置具有更好的谐振性能与检测精度可靠性。
附图说明：
图1为空气中PM2.5颗粒物过滤装置。
图2为空气中PM2.5颗粒物质量法检测微敏感单元。
图3为基于圆盘微机械谐振器的PM2.5颗粒物检测装置的微小型集成封装单元。
图4为基于圆盘微机械谐振器的PM2.5颗粒物检测装置的检测机理。
具体实施方式
下面详细描述本发明的具体实施方式。
实施例1：
本实施例公开的一种基于圆盘微机械谐振器的PM2.5颗粒物检测装置的具体实施步骤如下：
步骤1.将装置暴露在待测空气中，采集到的空气样本通过空气样本入口，进入样本预处理腔，空气样本中的颗粒物使用静电驱动与吸附装置，经过预荷电处理带上电荷。
步骤2.空气样本中的颗粒物通过颗粒物过滤装置进行颗粒物直径筛选，直径小于2.5微米的颗粒物通过筛选，直径大于2.5微米的颗粒物被拦阻。
步骤3.氮化铝圆盘谐振器处于简谐振动工作状态下。PM2.5颗粒物在静电驱动下沉积在谐振圆盘的相应位置上，改变圆盘的谐振模态。
步骤4直流驱动电极连接直流电压，射频电极连接射频信号频率检测设备，通过检测圆盘谐振频率的变化，得到圆盘谐振器上沉积的PM2.5颗粒物的质量，进而得到待测空气样本中PM2.5颗粒物的浓度。
本发明保护范围不仅局限于上述实施例，上述实施例用于解释本发明，凡与本发明在相同原理和构思条件下的变更或修改均在本发明公开的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于圆盘微机械谐振器的PM2.5颗粒物检测装置，其特征在于：包括空气中PM2.5颗粒物静电驱动与吸附装置，空气中PM2.5颗粒物过滤装置，空气中PM2.5颗粒物质量法检测微敏感单元，微小型集成封装单元。
2.根据权利要求1所述的空气中PM2.5颗粒物静电驱动与吸附装置，其特征在于：该装置制造在硅衬底圆片上，硅圆片上有刻蚀通孔，作为预荷电空气样本入口，硅圆片下表面有光刻图形化构成的金属结构，作为静电驱动电极。
3.根据权利要求1所述的空气中PM2.5颗粒物过滤装置，其特征在于：该装置由硅衬底圆片制造，硅圆片上布置刻蚀通孔，构成过滤器，通孔分布区域按圆盘谐振器检测机理设计，通孔直径为2.5微米。
4.根据权利要求1所述的空气中PM2.5颗粒物质量法检测微敏感单元，其特征在于：该装置由氮化铝圆盘谐振器、直流驱动电极与射频电极组成。
5.根据权利要求1所述的微小型集成封装单元，其特征在于由静电驱动与吸附装置、颗粒物过滤装置、质量法检测微敏感单元、外密封筒与电路管脚构成。外密封筒上带有圆盘固定与气密性装置。相应各装置结构按功能要求集成在外密封筒中，构成相应的腔室，通过电路管脚与外围控制与检测电路连接。
6.一种基于圆盘微机械谐振器的PM2.5颗粒物检测装置，其特征在于：PM2.5颗粒物检测过程包含以下步骤：
步骤一、将装置暴露在待测空气中，采集到的空气样本通过空气样本入口，进入样本预处理腔，空气样本中的颗粒物使用静电驱动与吸附装置，经过预荷电处理带上电荷。
步骤二、空气样本中的颗粒物通过颗粒物过滤装置进行颗粒物直径筛选，直径小于2.5微米的颗粒物通过筛选，直径大于2.5微米的颗粒物被拦阻。
步骤三、氮化铝圆盘谐振器处于简谐振动工作状态下。PM2.5颗粒物在静电驱动下沉积在谐振圆盘的相应位置上，改变圆盘的谐振模态。
步骤四、直流驱动电极连接直流电压，射频电极连接射频信号频率检测设备，通过检测圆盘谐振频率的变化，得到圆盘谐振器上沉积的PM2.5颗粒物的质量，进而得到待测空气样本中PM2.5颗粒物的浓度。
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