CN110849964A

CN110849964A - 一种用于qcm传感器阵列的气室

Info

Publication number: CN110849964A
Application number: CN201911178810.5A
Authority: CN
Inventors: 孟庆浩; 杨天昊
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2019-11-27
Filing date: 2019-11-27
Publication date: 2020-02-28

Abstract

本发明涉及一种用于QCM传感器阵列的气室，包括上气室、下气室、气室入口、气室出口及电路板，其特征在于，气室入口设置在上气室的顶部，气室出口设置在下气室的底部；电路板位于上气室和下气室之间，与上气室和下气室之间密封连接，电路板开设有过孔，在电路板上设置有石英晶片和电极；上气室内壁为圆锥形，顶部为锥形，底部为内弧形截面，使气体流动时更多的聚集到上气室上方。

Description

一种用于QCM传感器阵列的气室

技术领域

本发明涉及用于阵列式石英晶体微天平(QCM)气体传感器的电子鼻气室设计。

背景技术

随着经济的快速发展，人们对生活品质的追求越来越高，对大气污染、工业废气以及食品和居住环境中出现的低浓度毒害气体的检测问题越来越重视。现有的MOS(MetalOxideSemiconductor:金属氧化物半导体)型气体传感器很难对ppb(partsperbillion，十亿分之一)级低浓度气体做出响应。基于石英晶体微天平(QCM：QuartzCrystalMicrobalance)制作的气体传感器，具有检测ppb级浓度气体的潜质。为实现对混合气体的检测与识别，可使用由不同敏感膜制备的QCM传感器组成的阵列。

QCM传感器由AT切型的石英晶体谐振器、敏感膜、采集电路以及信号处理电路等组成，其中石英晶体谐振器以AT切型的石英晶片作为核心元件，通过真空蒸镀将电极(金、银、铂)镀在石英晶片表面，然后通过导线经管脚引出构成石英晶体谐振器。研究表明，QCM传感器对气流速度、气压变化十分敏感。QCM传感器的输出频率随气压增加呈现下降趋势，过大的气体流速会在石英晶片表面产生静态压力，从而使输出频率发生波动。因此，研究QCM传感器阵列的气室结构设计对提高其稳定性和准确性具有重要意义。

目前，QCM传感器阵列的研究主要集中在敏感膜制备、模式识别算法及应用等方面，很少涉及到气室结构的研究。

专利200810059559.6(用于现场检测的低功耗手持式电子鼻系统，浙江大学)研制了一种用于现场检测的低功耗手持式电子鼻系统，内部集成了检测电子电路、无线通讯模块、单片机和用于数据处理及模式识别的DSP系统，同时将气体流控系统以及气室集成在一起，能够脱离计算机独立工作。但该电子鼻的气室内传感器一字排开，进气口在中间，无法保证被测气体同时达到每一个传感器，而且也没有考虑气流对传感器的影响。

张开桓等(张开桓，李光.纳米敏感膜修饰的QCM气敏传感器的制备及性能提高研究[D].浙江大学，2017:50-52.)利用三颈烧瓶作为气室，两个瓶口分别用于进气和出气，一个瓶口用于引出传感器输出。此设计保证了气室的密封性、流通性和易清洗的特点。但该方法由于需要将起振电路模块一同放入气室内，因此放入的传感器数量有限。此外，起振电路模块自身产生的挥发性有机气体(例如残留的焊锡膏)对QCM传感器的影响无法估计。

专利201710031906.3(一种实时监测有害气体的高空火警无人机，深圳名创自控技术有限公司)研制了一种实时监测有害气体的高空火警无人机，传感器支架放置在无人机机体一侧，支架上设有各类不同传感器，其中QCM传感器气室单独设计了隔间，其内部由3个气敏传感器和1个对比传感器组成，并将起振电路放置在气室外，缩小了气室体积。但该设计中的4个传感器距离进气口位置不同，导致传感器接触气体的时间不同，并且在进气口没有控制进气气流速度，影响传感器与被测气体接触响应过程。

综上所述，现有的QCM传感器阵列气室设计较少考虑气流速度和压力对传感器的影响。

发明内容

本发明针对阵列式QCM气体检测系统给出了一种体积小、气流速度分布均匀、气压稳定的气室设计方法。

一种用于QCM传感器阵列的气室，包括上气室、下气室、气室入口、气室出口及电路板，其特征在于，气室入口设置在上气室的顶部，气室出口设置在下气室的底部；电路板位于上气室和下气室之间，与上气室和下气室之间密封连接，电路板开设有过孔，在电路板上设置有石英晶片和电极；上气室内壁为圆锥形，顶部为锥形，底部为内弧形截面，使气体流动时更多的聚集到上气室上方。

优选地，在气室入口出固定有“十字架”结构，用于对入口气流起到缓冲和分流作用。

通过电路板将石英晶片上的电极引脚引出到气室外部，再将起振电路模块与引出引脚连接。

多个石英晶片组成阵列，位于气室中央。

下气室的内壁为圆锥形，底部为锥形。

本发明具有以下优点：

[1]气室体积小、无异味。气室分为上下两部分，中间通过电路板将石英晶振的电极引脚引出气室，将起振电路放置在气室外部，大大减小了气室体积。气室采用无异味材料。

[2]气室结构对称。气室的设计针对QCM传感器，中心对称分布，保证每个传感器能同时接触到被测气体。

[3]气流平稳。由于入口增加“十字架”结构，气体流入气室时被分流为多路，均匀散开从侧壁平缓流向传感器表面，同时减小了进入气室后的气体流速；锥形的下半部分气室使得气体流出气室时腔口越来越小，保证气流平稳流出。

[4]保持传感器阵列处气压。QCM传感器随气压增大而呈现频率下降状况，将传感器放置在上下圆锥的中间，保证传感器检测时不受入口狭小而产生压力升高的影响。

[5]便于清洗。QCM传感器本身在气室内部起到了阻挡气流的作用，因此保证了气体可以与传感器充分接触；而气室的下半部分因为没有多余的结构，保证了气体的流动性，使得气室便于清洗。

附图说明

图1传感器阵列图

图2QCM传感器阵列气室三维结构图及剖面图

图3气室网格化后的气室结构图

图4气室内甲苯含量变化曲线

图5采样过程中气室内甲苯浓度分布

图6清洗过程中气室内甲苯浓度分布

图7气室内气流和气压分布仿真图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。实施例是以本发明所述技术方案为前提进行的具体实施，给出了详细的实施方式和过程。但本申请的权利要求保护范围不受限于下述实施例的描述。

QCM传感器需要使用起振电路模块才能将振荡频率以电信号输出，而起振电路模块放入气室内会增大气室的体积，且使用的传感器越多，所需要的起振电路模块越多。为实现气室的小型化设计，提出了一种新型的气室结构。将石英晶体放入气室内部，通过与气室尺寸配套的电路板将石英晶体上的电极引脚引出到气室外部，再将起振电路模块与引出引脚连接。可使用多个QCM传感器组成阵列，位于气室中央。气室由上下两部分圆锥状结构组成。

为了使气流在进入气室后不直接冲击传感器，在气室入口和传感器区域之间设计“十字架”结构，对入口气流起到缓冲和分流作用，使被测气体均匀到达每个传感器。为使被测气体能够更集中的聚集在传感器附近，在上半部分气室内壁增加内弧形结构，在保持气流速度的同时改变气流方向，将分流的气体汇聚到传感器上方。

传感器固定在同心圆电路板上，多个QCM传感器呈对称分布。为实现气室良好的气密性，在气室上下两部分增加密封槽，用于放置密封硅胶圈，保证气室与电路板之间接触的位置不漏气。

如图1所示，这是设计的同心圆电路板以及传感器阵列。其中，1是电路板模型，电路板外圆直径为80mm，内径为44mm。2是直径为3mm的过孔，用于连接上下两部分气室，通过螺丝将三部分固定在一起。3是石英晶片，4为石英晶片上的电极，5是与电极连接的引脚，这三部分组成传感器本体，通过电路板将引脚引出。

参见图2，这是上下两部分气室以及传感器结合的三维图。6和10分别是气室的入口和出口，内径为3.4mm，外径为5mm，长为20mm；7是上半部分圆锥气室，9是下半部分圆锥气室，圆锥高度为29mm，直径为60mm。13是上半部分圆锥气室内壁设计的内弧形截面，使气体流动时更多的聚集到传感器正上方。结构11为“十字架”结构，距离进气口12.41mm，结构上端为锥形，避免在阻碍入口气流时造成的横向气流速度。剖面图的12是气室中和电路板中间的密封槽，通过硅胶密封圈提升密封效果。

参见图3，这是用ICEM CFD软件网格化后的气室结构图；ICEM CFD是ANSYS的子软件，将气室结构网格化处理，然后再导入Fluent中进行计算；网格的质量对于后续的计算有着重要的影响，在生成网格的过程中，选择Tetra/Mixed(四面体/混合)模型，Robust方法自动生成网格，网格数为287768。其中气室各个区域设置不同的网格尺寸，输入和输入管道以及传感器附近网格更加密集，气室内部空间网格采用四面体网格，符合气体流动规律，可以在保证仿真结果精确的同时减小仿真计算时间。在图3中，将网格划分为7个区域，14、17、20的网格尺寸为1mm；16、18的网格尺寸为2mm；15的网格尺寸为0.5mm；19的网格尺寸为0.25mm。

在Fluent中计算时，假设气泵流速设定为1L/min，经计算可以设定流速为1.8m/s，根据气室内部结构选择计算直径为25mm，则可以计算出气室入口附近雷诺数R_e＝1.2×1.8×25×10^-3/(18×10^-6)＝3000，此时气室内流体处于过渡状态，因此为求解器选择标准k-ω模型。运行模式设置为瞬态，将甲苯作为目标气体，流体材料设置为空气和甲苯气体，甲苯浓度比例为1.5％；通过Fluent仿真检测气室内甲苯浓度，当甲苯浓度稳定后通入空气观察清洗气室情况。

为了探究气室内传感器测量和清洗过程中气室内甲苯含量变化情况，在仿真过程中对气室内甲苯浓度含量进行检测。如图4所示，从0s开始通入浓度比例为1.5％的甲苯空气混合气体，在气室中，甲苯含量在4s内很快提高，并在接下来的15s内逐渐趋于稳定。等到气室内甲苯浓度稳定在1.5％后，改变通入气体为空气，气室内甲苯含量逐渐降低为0，完成仿真。

为了进一步分析气室内传感器测量和清洗过程中气室内气流分布状态，使用Tecplot软件对数据进行后处理。参见图5，是气体通入过程中气室内甲苯分布情况，如图5-(a)，在0.25s时，甲苯刚刚通入气室，甲苯主要集中在气室入口处；如图5-(b)，在4.5s时，QCM传感器阵列区域甲苯浓度已经到达1.5％；如图5-(c)，在13s时，整个气室内甲苯浓度稳定到1.5％。

参见图6，是清洗气室过程中气室内甲苯分布情况，如图6-(a)，在19s时，空气通入气室，气室入口处甲苯浓度很快降低；如图6-(b)，在23s时，QCM传感器阵列区域甲苯浓度已经降为0％；如图6-(c)，在32s时，气室清洗完毕，气室内甲苯含量为0。

由于气室内气流、气压对QCM传感器响应存在影响，故对气室内气体流速分布和气压进行仿真分析。参见图7(a)，为气流仿真分布图，从图中可以看出，气室入口和出口处流速较大，分布在2.2m/s～2.5m/s之间，而在气室腔体内气流速度很小，传感器区域出的气流速度在0.17m/s左右，表明气室结构对气室入口气流有缓解作用，有效降低QCM传感器附近的气流速度。图7(b)为气室内压力分布图，由于入口小，气室腔体大的缘故，气室内部压力明显低于入口压力，并且气室内部压力分布均匀，压力在仿真过程中无较大波动，从而减小了因气室内压力变化对QCM传感器产生较大波动的影响。

综上所述，设计的气室采用圆锥形结构设计，并在入口处加入十字架结构起到对气流缓冲的作用，根据仿真结果分析表明，设计的气室传感器阵列区域处气流速度较小且气流分布均匀，而且气室内传感器附近的气压分布较低，从而可以防止气体流速、气压波动对传感器频率产生影响，提升检测精度。且设计的气室可以实现快速清洗。

本发明申请的实质性特点主要涉及以下方面：

1)气室外部轮廓由正放和倒放的两个圆锥对接而成，两个圆锥中间通过电路板将石英晶振电极引脚引出气室，起振电路放置于气室外部，以减小气室体积。

2)在气室内部入口与气室中部传感器区域之间设有“十字架”结构，此结构对入口气流起缓冲作用，一方面防止入口气流直接冲击传感器影响其响应特性，另一方面对入口起到分流作用，使待测气体均匀到达每个传感器。

3)气室上半部分内壁增加内弧形结构，可以在保持气流速度大小的同时改变气流方向，使其向传感器附近聚集，从而有利于传感器与气体充分接触。

4)气室内下半部分没有多余结构，保证了气体流动性，便于气室清洗。

5)气室上下两圆锥对接部分增加密封槽，用于放置密封硅胶圈，保证气室与电路板之间接触的位置不漏气。

Claims

1.一种用于QCM传感器阵列的气室，包括上气室、下气室、气室入口、气室出口及电路板，其特征在于，气室入口设置在上气室的顶部，气室出口设置在下气室的底部；电路板位于上气室和下气室之间，与上气室和下气室之间密封连接，电路板开设有过孔，在电路板上设置有石英晶片和电极；上气室内壁为圆锥形，顶部为锥形，底部为内弧形截面，使气体流动时更多的聚集到上气室上方。

2.根据权利要求1所述的气室，其特征在于，在气室入口出固定有“十字架”结构，用于对入口气流起到缓冲和分流作用。

3.根据权利要求1所述的气室，其特征在于，通过电路板将石英晶片上的电极引脚引出到气室外部，再将起振电路模块与引出引脚连接。

4.根据权利要求1所述的气室，其特征在于，多个石英晶片组成阵列，位于气室中央。

5.根据权利要求1所述的气室，其特征在于，下气室的内壁为圆锥形，底部为锥形。