CN104819918B - 一种粉尘浓度检测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种粉尘浓度检测装置，该检测装置包括淀积电阻、悬臂梁、玻璃衬底、锥状电极和硅衬底；其中，悬臂梁的端面与硅衬底的端面固定连接，淀积电阻位于悬臂梁与硅衬底接触部位的顶部，且淀积电阻连接悬臂梁与硅衬底；淀积电阻的两端由金属导线引出；锥状电极固定连接在硅衬底上表面，且锥状电极的表面设有钛铜合金层；玻璃衬底位于锥状电极的上方，玻璃衬底上设有通孔，且玻璃衬底的表面设有镍涂层。还公开了粉尘浓度检测方法。该检测装置和方法避免了传统的检测装置体积大响应慢的问题，具有便于携带，响应迅速的特点。
Description
技术领域
本发明属于微机械系统技术领域，具体来说，涉及一种粉尘浓度检测装置及检测方法。
背景技术
粉尘是由大气中来源于土壤、风化、火山喷发和污染产生的，微粒所构成的物质。在家庭、办公室、和其他人类生存环境中的粉尘包含植物种子、毛发、织物和纸张纤维、户外矿物、土壤、人类皮肤细胞等。
空气中的粉尘浓度是衡量空气质量的一个重要指标,空气中的悬浮颗粒物(也称“粉尘”)对人体健康危害极大,尤其以小粒径颗粒物为甚。环境保护部门将空气动力学当量直径≤10μm的颗粒物称为可吸入颗粒物,而将空气动力学当量直径≤7.07μm的颗粒物称为呼吸性颗粒物。
现在比较常用的检测方法主要有光散射法、β射线法和微重量天平法、静电感应法、压电天平法。在用于微结构时，主要有光学法检测和谐振器检测。光学检测是最常用的用来检测，统计微/纳米微粒尺寸测量的方法。在最简单光学颗粒传感器，颗粒物在经过激光束的时候由光电检测器检测到。这种光学测量技术有时候并不能达到需要的分辨率，并且光波长受到检测颗粒尺寸的限制。同时，还需要一些光学元件，使整个系统更加复杂，昂贵和笨重。谐振质量传感器，如石英晶体微天平(QCM)，表面声波(SAW)，和薄膜体声波谐振器(FBAR)已被用来作为光传感应用技术的代替品。这种装置可以通过其谐振频率的变化来检测空气中的颗粒沉积在其表面在的累积质量。然而，它们不能提供颗粒计数和粒度分布数据。这就需要单个粒子的质量测量。此外，在大多数情况下，他们没有设计所需的灵敏度。
发明内容
技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种粉尘浓度检测装置及检测方法，该装置避免了传统的检测装置体积大响应慢的问题，具有便于携带，响应迅速的特点。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种粉尘浓度检测装置，该检测装置包括淀积电阻、悬臂梁、玻璃衬底、锥状电极和硅衬底；其中，悬臂梁的端面与硅衬底的端面固定连接，淀积电阻位于悬臂梁与硅衬底接触部位的顶部，且淀积电阻连接悬臂梁与硅衬底；淀积电阻的两端由金属导线引出；锥状电极固定连接在硅衬底上表面，且锥状电极的表面设有钛铜合金层；玻璃衬底位于锥状电极的上方，玻璃衬底上设有通孔，且玻璃衬底的表面设有镍涂层。
作为实施例，所述的淀积电阻为两个，两个淀积电阻沿悬臂梁横向中心线对称布设，且两个淀积电阻通过导线串联。
作为实施例，所述的玻璃衬底与锥状电极之间的距离大于锥状电极的高度。
作为实施例，所述的淀积电阻的厚度小于悬臂梁厚度的十分之一。
作为实施例，所述的淀积电阻的厚度为0.5μm。
作为实施例，所述的淀积电阻由多晶硅制成，金属导线由铜制成。
作为实施例，所述的钛铜合金层覆盖在锥状电极的整个表面。
作为实施例所述的锥状电极为圆锥状。
一种粉尘浓度检测方法，该检测方法包括以下过程：首先向检测装置的锥状电极上施加高电压，并在悬臂梁的上方施加恒定电场，然后将粉尘气流通入检测装置的锥状电极和玻璃衬底之间的通道中，粉尘吸附电荷从而带电；带电粉尘到达悬臂梁的上方，沉积在悬臂梁的上表面，对悬臂梁施加压力，最后依据式(1)、式(2)和式(3)测算粉尘数量n：
其中，P表示粒子渗透率，np表示粉尘平均带电荷量，dp表示粉尘直径，单位μm；根据式(1)求解出np；
其中，ΔR表示淀积电阻的电阻变化；R表示淀积电阻的电阻；G表示淀积电阻的应变系数；L表示悬臂梁的长度，EY表示悬臂梁的杨氏模量，w表示一个悬臂梁的宽度，t表示悬臂梁的厚度；F表示悬臂梁所受的力；依据式(2)求解出F；
F＝E*n*np 式(3)
其中，F表示悬臂梁所受的力，E表示悬臂梁所在处的外加电场强度，n表示粉尘数量；np表示粉尘平均带电荷量。
作为实施例，所述的检测装置包括淀积电阻、悬臂梁、玻璃衬底、锥状电极和硅衬底；其中，悬臂梁的端面与硅衬底的端面固定连接，淀积电阻位于悬臂梁与硅衬底接触部位的顶部，且淀积电阻连接悬臂梁与硅衬底；淀积电阻的两端由金属导线引出；锥状电极固定连接在硅衬底上表面，且锥状电极的表面设有钛铜合金层；玻璃衬底位于锥状电极的上方，玻璃衬底上设有通孔，且玻璃衬底的表面设有镍涂层。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.反应迅速，可重复使用。本发明实施例中，锥状电极处于硅衬底之上，由钛铜合金层覆盖，悬臂梁与硅衬底接触部分上方为淀积电阻，淀积电阻的两端由金属导线引出，在锥状电极上方为具有镍涂层的通孔玻璃衬底。当粉尘通过锥状电极与玻璃衬底之间时，会捕获锥状电极所释放的电子，从而带电。此时在悬臂梁的上方施加电场，粉尘在电场作用下沉积在悬臂梁的上表面，从而使悬臂梁发生形变。这使得处于悬臂梁根部的淀积电阻发生改变。通过电阻的变化可以得出粉尘的浓度。因为是通过电阻的变化检测粉尘浓度，且停止放电时，表面粉尘会被气流带走，因此可重复使用。
2.体积小，成本低，便于安装携带，可构成传感网络。本发明使用标准mems工艺，便于大规模生产，成本低廉，可用于便携式设备，便于构建粉尘检测传感网络。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图。
图2是本发明实施例中硅衬底部分的俯视图。
图3是本发明实施例中玻璃衬底的俯视图。
图中有：淀积电阻1、悬臂梁2、玻璃衬底3、锥状电极4、金属导线5、钛铜合金层6、硅衬底7。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。
如图1至图3所示，本发明的一种粉尘浓度检测装置，包括淀积电阻1、悬臂梁2、玻璃衬底3、锥状电极4和硅衬底7。悬臂梁2的端面与硅衬底7的端面固定连接，淀积电阻1位于悬臂梁2与硅衬底7接触部位的顶部，且淀积电阻1连接悬臂梁2与硅衬底7。淀积电阻1的两端由金属导线5引出。锥状电极4固定连接在硅衬底7上表面，且锥状电极4的表面设有钛铜合金层6。玻璃衬底3位于锥状电极4的上方，玻璃衬底3上设有通孔，且玻璃衬底3的表面设有镍涂层。淀积电阻1优选由多晶硅制成，金属导线5优选由铜制成。
上述结构的粉尘浓度检测装置中，玻璃衬底3上设有通孔，是为了导通粒子流。玻璃衬底3的表面设镍涂层的目的是增加玻璃衬底3的导电性以及稳定性，同时，引导锥状电极4放电所产生的粒子，使放电产生的粒子向玻璃衬底3移动，不会四处飞溅。锥状电极4的表面设有一钛铜合金层6，是为了进行电晕放电，同时还具有导电功效。
上述结构的粉尘浓度检测装置的检测方法是：
当粉尘气流通过锥状电极4和玻璃衬底3之间时，由于锥状电极4上加高电压，会产生放电现象，在锥状电极4和玻璃衬底3之间存在大量自由移动的电荷，粉尘经过锥状电极4和玻璃衬底3之间的通道时，会吸附电荷从而带电。带电粉尘在通过放电区(即锥状电极4和玻璃衬底3之间的区域)后，到达悬臂梁2的上方。这时，在悬臂梁2的上方施加恒定电场，粉尘不仅会受到静电力的作用，从而沉积在悬臂梁2的上表面，而且在表面上由于电场的存在，对悬臂梁2有压力作用。相对于静电力来说，粉尘的重力可以忽略不计。悬臂梁2受到沉积在其上方的带电粉尘的静电力的作用，会发生形变。悬臂梁2的形变导致在悬臂梁2的根部的淀积电阻1的电阻值发生变化。通过电阻的变化，计算得到施加的静电力，从而估算粉尘的数量。具体来说：
所述的检测装置利用式(1)测算粉尘数量：
其中，P表示粒子渗透率，np表示平均带电荷量，dp表示粉尘直径，单位μm。P取84％，dp根据我们所要测的粉尘大小来决定，例如测PM2.5，dp取2.5μm，根据该公式求解出np。悬臂梁2所受的力为F＝E*n*np，其中，F表示悬臂梁2所受的力，此处E表示悬臂梁2所在处的外加电场强度，n表示粉尘数量。依据下式，通过淀积电阻1的电阻的变化，可求得F：
上式中，ΔR表示淀积电阻的电阻变化；R表示淀积电阻的电阻；G表示淀积电阻的应变系数，为一常数；L表示悬臂梁2长度，EY为悬臂梁2的杨氏模量，w表示一个悬臂梁2的宽度，t表示悬臂梁2厚度。
上述结构的粉尘检测装置，利用静电力技术，即利用粉尘在带电场之中受到静电力的作用，从而使得悬臂梁2弯曲，从而得到粉尘浓度。
上述结构的粉尘浓度检测装置制备过程是：利用微机械加工技术在硅衬底的表面侵蚀出锥状电极4，同时在附近淀积出悬臂梁2。在锥状电极4的周围利用溅射工艺镀上一钛铜合金层6，在悬臂梁2的根部通过淀积工艺形成淀积电阻1，以及电镀出金属引线5，最后在锥状电极4上方安置镀镍的通孔玻璃衬底3。
作为优选方案，所述的淀积电阻1为两个，两个淀积电阻1沿悬臂梁2横向中心线对称布设，且两个淀积电阻1通过导线串联。设置两个淀积电阻1，且用导线串联，可以增加电阻值的变化幅度，有利于提高测量的准确度。
作为优选方案，所述的玻璃衬底3与锥状电极4之间的距离大于锥状电极4的高度。在制备时，由200μm厚的光刻胶制成导通粉尘的通道，锥状电极4处于通道中，玻璃衬底3置于通道上方。玻璃衬底3与锥状电极4之间的距离大于锥状电极4的高度,使粉尘充分带电，避免与锥状电极4接触。
作为优选方案，所述的淀积电阻1的厚度小于悬臂梁2厚度的十分之一。淀积电阻1过厚会导致电阻形变不明显，从而导致电阻变化不明显。例如，淀积电阻1厚度可选择为0.5μm。
作为优选方案，所述的钛铜合金层6覆盖在锥状电极4的整个表面，使放电面积更大锥状电极4为圆锥状，更容易产生电晕放电现象。
上述结构的粉尘浓度检测装置中，将锥状电极4制作在硅衬底7上，提高了集成度以及反应时间。同时，锥状电极4与悬臂梁2靠的很近，两者的距离为10～20μm减少了响应时间。
上述结构的粉尘浓度检测装置，采用了微制造工艺，所以它与现有检测装置相比，具有体积小、性能稳定、易于携带、反应时间快等特点。
Claims (10)
1.一种粉尘浓度检测装置，其特征在于，该检测装置包括淀积电阻(1)、悬臂梁(2)、玻璃衬底(3)、锥状电极(4)和硅衬底(7)；其中，
悬臂梁(2)的端面与硅衬底(7)的端面固定连接，淀积电阻(1)位于悬臂梁(2)与硅衬底(7)接触部位的顶部，悬臂梁(2)的根部通过淀积工艺形成淀积电阻(1)，且淀积电阻(1)连接悬臂梁(2)与硅衬底(7)；淀积电阻(1)的两端由金属导线(5)引出；锥状电极(4)固定连接在硅衬底(7)上表面，且锥状电极(4)的表面设有钛铜合金层(6)；玻璃衬底(3)位于锥状电极(4)的上方，玻璃衬底(3)上设有通孔，且玻璃衬底(3)的表面设有镍涂层。
2.按照权利要求1所述的粉尘浓度检测装置，其特征在于，所述的淀积电阻(1)为两个，两个淀积电阻(1)沿悬臂梁(2)横向中心线对称布设，且两个淀积电阻(1)通过导线串联。
3.按照权利要求1所述的粉尘浓度检测装置，其特征在于，所述的玻璃衬底(3)与锥状电极(4)之间的距离大于锥状电极(4)的高度。
4.按照权利要求1所述的粉尘浓度检测装置，其特征在于，所述的淀积电阻(1)的厚度小于悬臂梁(2)厚度的十分之一。
5.按照权利要求4所述的粉尘浓度检测装置，其特征在于，所述的淀积电阻(1)的厚度为0.5μm。
6.按照权利要求1所述的粉尘浓度检测装置，其特征在于，所述的淀积电阻(1)由多晶硅制成，金属导线(5)由铜制成。
7.按照权利要求1所述的粉尘浓度检测装置，其特征在于，所述的钛铜合金层(6)覆盖在锥状电极(4)的整个表面。
8.按照权利要求1至7中任何一项所述的粉尘浓度检测装置，其特征在于，所述的锥状电极(4)为圆锥状。
9.一种粉尘浓度检测方法，其特征在于，该检测方法包括以下过程：
首先向检测装置的锥状电极(4)上施加高电压，并在悬臂梁(2)的上方施加恒定电场，然后将粉尘气流通入检测装置的锥状电极(4)和玻璃衬底(3)之间的通道中，粉尘吸附电荷从而带电；带电粉尘到达悬臂梁(2)的上方，沉积在悬臂梁(2)的上表面，对悬臂梁(2)施加压力，最后依据式(1)、式(2)和式(3)测算粉尘数量n：
其中，P表示粒子渗透率，np表示粉尘平均带电荷量，dp表示粉尘直径，单位μm；根据式(1)求解出np；
其中，ΔR表示淀积电阻的电阻变化；R表示淀积电阻的电阻；G表示淀积电阻的应变系数；L表示悬臂梁(2)的长度，EY表示悬臂梁(2)的杨氏模量，w表示一个悬臂梁(2)的宽度，t表示悬臂梁(2)的厚度；F表示悬臂梁(2)所受的力；依据式(2)求解出F；
F＝E*n*np 式(3)
其中，F表示悬臂梁(2)所受的力，E表示悬臂梁(2)所在处的外加电场强度，n表示粉尘数量；np表示粉尘平均带电荷量。
10.按照权利要求9所述的粉尘浓度检测方法，其特征在于，所述的检测装置包括淀积电阻(1)、悬臂梁(2)、玻璃衬底(3)、锥状电极(4)和硅衬底(7)；其中，
悬臂梁(2)的端面与硅衬底(7)的端面固定连接，淀积电阻(1)位于悬臂梁(2)与硅衬底(7)接触部位的顶部，悬臂梁(2)的根部通过淀积工艺形成淀积电阻(1)，且淀积电阻(1)连接悬臂梁(2)与硅衬底(7)；淀积电阻(1)的两端由金属导线(5)引出；锥状电极(4)固定连接在硅衬底(7)上表面，且锥状电极(4)的表面设有钛铜合金层(6)；玻璃衬底(3)位于锥状电极(4)的上方，玻璃衬底(3)上设有通孔，且玻璃衬底(3)的表面设有镍涂层。
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