CN205038126U - 用于检测空气中的颗粒物的传感器及检测设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种传感器，以及包含该传感器的检测设备。所述传感器用于检测空气中的颗粒物，其包括：上部分，在其里侧上设置有颗粒筛选器，以及分别轴对称地设置多个光源腔和多个探测腔，以及形成在其上的贯穿的、分别作为待测空气进入和排出的进气口和出气口；以及面对上部分的所述里侧固定到上部分的下部分，该下部分的里侧上形成有电路，以及在对应于所述光源腔和探测腔的范围内，在其里侧分别轴对称地设置多个发光元件和多个光检测元件；其中所述轴为进气口中心与出气口中心连线形成的轴。

Description

用于检测空气中的颗粒物的传感器及检测设备

技术领域

本实用新型涉及一种用于检测空气中的颗粒物的传感器，特别是涉及用于检测空气中的细颗粒物，例如PM2.5的传感器。

背景技术

随着科技的进步，生活水平的提高，人们对健康问题越发关注。其中就包括人们对污染防范的意识逐渐加强，越来越关注所居住环境的污染问题。空气污染作为一个不可被忽视的较为严重污染情况，也日益受到更多关注。相应地，可用于检测空气中的颗粒物，特别是细颗粒物，例如PM2.5的含量的传感器炙手可热。

目前，人们获得环境中的空气质量数据，例如PM2.5浓度数据的途径主要有两个。一是，国家环保部门定期发布的空气质量报告，其更新的周期最短为1小时，具体信息及数据可以通过相关网站获取，或通过手机APP查询。二是，市场上有很多可以实时检测空气质量的设备，通常可用于家庭或办公区的室内空气质量检测。

其中，第一种途径的缺点在于非实时性和非实地性，数据所反映的仅仅是空气采样地点当时、当地的空气质量，不足以代表使用者所在位置处的实时的空气质量。因此仅能用于参考，尤其是对于北京这样的大城市，局部的空气质量受很多因素的影响，这种劣势就更显突出。第二种途径，即各种商用的空气检查装置，存在体积和重量大、大不便于携带，以及检测精度不高等缺陷。

此外,中国实用新型专利CN204044033U公开了一种用于检测空气中的颗粒物的装置及包括该装置的可穿戴设备。其中所述用于检测空气中的颗粒物的装置主要包括：由硅基材料制成的上部部分和下部部分；形成在上述上、下部部分之间的测量室；以及至少一个发光元件和至少一个感光元件。其中，所述测量室包括互相平行的上、下表面，以及相对所述上、下表面倾斜的侧表面。并且所述发光元件设置在所述测量室中且包括具有发射口的第一侧面，所述发射口用于沿着平行于所述上表面且朝着所述侧表面的方向发射光。所述感光元件也位于所述测量室中，且邻近所述发光元件的第二侧面而设置，所述第二侧面与所述第一侧面相对。

上述装置解决了传统技术中空气检测设备体积大、不便于携带等缺点。然而根据上述装置的结构可以看到，其结构较为复杂，构成测量室的各表面之间需要具有一定的位置及相对倾斜关系。且发光元件及感光元件在测量室中位置的设定也有较为严格要求，否则将影响到测量结果的精度。

鉴于以上情况，有必要提出一种结构简单、易于制造，且体积小、功耗低、精度高的用于检测空气中颗粒物的传感器及其制造方法。

实用新型内容

本实用新型正是针对以上问题所提出。根据本实用新型的第一方面，提供一种用于检测空气中的颗粒物的传感器，所述传感器包括：上部分，在其里侧上设置有颗粒筛选器，以及分别轴对称地设置多个光源腔和多个探测腔，以及形成在其上的贯穿的、分别作为待测空气进入和排出的进气口和出气口；以及面对上部分的所述里侧固定到上部分的下部分，该下部分的里侧上形成有电路，以及在对应于所述光源腔和探测腔的范围内，在其里侧分别轴对称地设置多个发光元件和多个光检测元件；其中所述轴为进气口中心与出气口中心连线形成的轴。

根据本实用新型的具有以上结构的传感器，由于相对于进气口和出气口的中心连线，轴对称地设置多个发光元件，以及多个光检测元件，使得传感器对待测空气形成的气流的检测不受传感器的倾斜、位置变化以及空气流动方式等因素的影响。且由于取对称位置的多个检测输出的平均值作为最终检测结果，使得检测精度进一步提高。进一步地，当采用对称组的检测元件时，当其中一组元件损坏，另一组仍可继续工作，从而提高了检测设备的鲁棒性。

优选地，本实用新型采用“虚拟”颗粒筛选器，即所述颗粒筛选器包括：第一通道，其为待测空气从进气口进入后首先经过的初始通道，经过该第一通道的待测空气形成的气流获得一预定流速；第二通道，其为所述轴对称地形成在第一通道和所述多个探测腔之间的多个通道；以及第三通道，其为形成在第一通道与出气口之间的通道。

采用该种筛选方式，无需设置特定孔径的筛网进行筛选，从而避免了使用筛网进行筛选时，大颗粒物会在筛网的网眼处堆积，长时间使用发生堵塞，需要定期更换筛网等缺陷。取得了简化传感器结构、节约制造成本等有益效果。

本实用新型的传感器，优选进一步包括：入射光准直器，其为以所述轴对称的方式形成在所述光源腔与探测腔之间通道，用于对发光元件发出的光进行准直，以便进一步提高检测精度。

为使得待测空气的流速达到测量需要，或根据所检测颗粒物的大小设置相应的空气流速，本实用新型的传感器优选进一步包括，气流发生装置，用于在所述传感器内形成气流。

为提高待测空气在传感器内的流速，从而满足测量需要，根据本实用新型的传感器，优选所述进气口的大小小于出气口。

根据本实用新型的第二方面，提供一种用于检测空气中的颗粒物的检测设备，其包括根据本实用新型第一方面所述的传感器，以及驱动电路，用于对多个光检测元件输出的信号进行运算，取其平均值作为检测结果。

为便于检测结果的展示和获取，根据本实用新型第二方面的所述检测设备，其特征在于还包括显示设备，用于显示所述检测结果。

根据本实用新型所述的检测设备，其可以是可穿戴设备。即所述传感器适合制造随身可穿戴的空气质量检测装置，也适合集成到可穿戴电子设备，如智能手机、手表、手环等。

根据本实用新型的第三方面，提供一种制造根据本实用新型第一方面的所述传感器的方法，所述方法包括：形成上部分的步骤，以氧化硅薄膜为掩模对硅基板进行刻蚀，得到形成在所述上部分的所述里侧的结构，以及贯穿的进气口和出气口；形成下部分的步骤：在以氧化硅薄膜为掩模对沉积了金属薄膜的硅基板进行刻蚀，得到形成在所述下部分的所述里侧的结构，以及所需电路；发光元件以及光检测元件固定步骤：将作为发光元件的光源芯片和作为光检测元件的光线探测器芯片固定到下部分的所述里侧；以及上部分和下部分粘合步骤：将所述上、下部分以里侧面对并对准的方式将两者粘合在一起。

根据本实用新型的具有以上结构的传感器的制造方法，由于所述传感器具有轴对称的结构，因此，制造工艺简单，降低了对制造精度的要求，从而降低了制造成本。

以下结合附图以及本实用新型的优选实施方式，对本实用新型的传感器及其制造方法，以及包含该传感器的检测设备做进一步具体描述，本实用新型的优点将进一步明确。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本实用新型的一部分，其用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1是根据本实用新型一优选实施例的应用了传感器的检测系统的系统结构示意图。

图2是根据本实用新型一优选实施例的传感器及电路结构图。

图3是根据本实用新型一优选实施例传感器上、下部分的平面结构示意图；图3(a)为上部分的结构示意图；图3(b)为下部分的结构示意图。

图4是根据本实用新型一优选实施例的传感器制造方法的流程图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型的具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。需要指出的是，显然，所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

首先结合图1说明应用了本实用新型的传感器的空气颗粒物检测设备的构成示意图。如图所示，所述检测设备包括传感器1，及其驱动电路2，以及必要的情况下可连接用以显示相关检测数据或信息的显示设备3。其中，传感器1用于检测空气中的具有预定大小的颗粒物，例如PM2.5，其具体结构及制造方法将在下文做进一步详细描述。

驱动电路2包括，例如用于控制所述传感器的控制电路，以及用于为传感器和控制电路供电的电源。具体地，控制电路包括，例如控制传感器中的发光元件发光的光源控制电路，以及接收传感器的光检测元件输出的检测信号并进行相应的运算处理的光检测元件控制电路。举例来说，例如，发光元件采用650nm的红光激光芯片，光检测元件采用光电二极管的情况下，控制电路可以提供脉冲发光信号给激光芯片，以及以一定频率读取该光电二极管的输出电流，经运算处理后得到例如，待测空气中所含某尺寸范围的颗粒物的浓度的作为检测结果。所述驱动电路还可实现控制，以将作为检测结果的上述颗粒物浓度的数值以某种形式显示到外设的所述显示设备3上，如智能设备的屏幕。

显示设备3，例如可以为液晶显示器，或其他智能显示设备，其用于显示经驱动电路2运算处理后获得的最终用于显示的检测结果，其可以是空气中某范围大小的颗粒个数或者其质量浓度，例如PM2.5的浓度数据，也可以是所述颗粒物散射到光检测元件122的光信号的强度等。

下面结合图2说明本实用新型的一优选实施例的传感器立体结构示意图。如图2所示，所述传感器1包括上、下两个里侧互相面对而粘合在一起的部分。上部分主要形成待测空气的流通通道，包括在其里侧上形成的颗粒筛选器，以及分别大致轴对称地设置多个光源腔和多个探测腔，以及形成在其上的贯穿的、分别作为待测空气进入和排出的进气口和出气口进气口、出气口等结构。下部分设置发光元件及光检测元件以及电路等结构，包括在对应于所述光源腔和探测腔的范围内，在其里侧分别大致轴对称地设置多个发光元件和多个光检测元件。另外，所述轴为进气口中心与出气口中心连线形成的轴。

以下结合图3(a)、(b)对所述传感器的上、下两部分的具体结构及其工作原理进行详细说明。如图3(a)、(b)所示，分别示出了根据本实用新型一优选实施例的上部分11和下部分12的平面结构示意图。图3(a)为所述上部分11的平面结构示意图，图3(b)为所述下部分12的平面结构示意图。

其中，上部分11包括空气进气口111、颗粒筛选器112、大致轴对称设置的两个探测腔113、大致轴对称设置的两个光源腔114、以及空气流出的出气孔115。其中，进气口111、颗粒筛选器112、两探测腔113、以及出气口115成为待检测空气在其中流通并经受检测的气流通道。下部分12包括用于实现检测的发光元件121、光检测元件122等电子元件，以及必要的电路(未示出)。其中发光元件121、光检测元件122在下部分12上设置在对应于上部分11上的光源腔114、探测腔113对应的位置处。

待检测空气从进气口111进入到传感器，并首先经过颗粒筛选器112。颗粒筛选器12可以选用已知的筛网，设置在进气口之后的空气通道中的适当位置处。本实用新型提出一种优选的颗粒筛选器112，其包括空气最先通过一段狭窄的通道(第一通道)(如图3(a)所示从进气口111开始的向右的箭头所示的通道)，并获得一定的流速。该第一通道可以是微通道，举例来说，如果采用普通硅片材料制作所述传感器1，硅片厚度为500um，则所述微通道的宽度和深度均优选200um，长度则在1mm以上。需要说明的是，此仅为举例说明，而非限制性的。当该气流到达该段狭窄通道的末端时，气流将沿三个方向前进，即如图3(a)所示向上、向下以及最右侧向右的箭头所示的三个方向，也就是说获得一个预定流速的气流将直行(第三通道)或左右转弯(第二通道)。从而，空气中携带的颗粒物会随着气流进入不同的前进通道。其中，质量较大的大颗粒物由于惯性较大，因此继续前进，即沿着图3(a)所示的最右侧箭头指示的方向直行，而质量较小的细颗粒物则相对容易地改变运动方向，即随气流沿如图3(a)所示的上、下箭头指示的方向前进，并进一步进入到两探测腔113，最终从出气孔115流出。

以上，通过如图3(a)所设置的颗粒筛选器112，实现了对待测空气中的颗粒物的初步筛选。此种颗粒筛选也称“虚拟”筛选，其利用颗粒物的空气动力学原理，对颗粒物的运动轨迹进行定向改变，从而实现对颗粒物的筛选。采用该种筛选方式，无需设置特定孔径的筛网进行筛选，从而避免了使用筛网进行筛选时，大颗粒物会在筛网的网眼处堆积，长时间使用发生堵塞，需要定期更换筛网等缺陷。取得了简化传感器结构、节约制造成本等有益效果。

同时，优选地，进气口111设计的比出气口115小，从而使得待测空气易于在传感器1的进气口111与出气口115之间形成具有一定流速的从进气口到出气口的气流。

此外，在光源腔114与探测腔113之间，设置有一段狭窄的通道，例如微通道，该通道的以能够起到光线准直器的作用为准，即，该狭窄通道成为入射光准直器，使得从发光元件121发出的具有一定分散角度的光通过该通道而被准直，以便以近乎直线的方式进入探测腔113。当然，所述光线准直器并非必须设置的元件，而其形式也不限于上述狭窄通道，其可以通过在光路上设置具有准直功能的微光学元件，例如准直透镜来实现。

如图3(b)所示，传感器1的下部分12上大致轴对称地设置有两个发光元件121，其为例如激光二极管，或者其他的发光二极管，其可以以光源芯片的方式存在。根据发光元件121及光源腔114的尺寸关系，该发光元件121可以直接设置于形成传感器1的下部分的基板的表面，或者在所述基板上形成凹槽，将该发光元件设置在凹槽中。该发光元件121在所述基板上的位置正对形成在传感器1上部分11上的光源腔114的范围内，且优选对准所述入射光准直器的位置。当然，其也可以根据需要设置在光源腔范围内的其它位置，通过利用微光学元件将该发光发出的光引导至上述入射光准直器即可。

类似的，大致轴对称地设置光检测元件122，其可以是光敏二极管，或者其它任何类型能实现本实用新型检测目的的感光元件。并且，其可以以光探测器芯片的形式存在。优选地，在所述基板上形成凹槽，将该光检测元件122设置在凹槽中，从而适当降低光检测元件的高度，同时凹槽起到一定的聚光效果，提高了光检测的灵敏度。并且，该光检测元件122优选设置在所述基板上正对形成在所述传感器1的上部分12上的探测腔113的范围内，优选与所述入射光准直器对焦。进一步优选，该光检测元件122设置在对准上述入射光准直器，且位于探测腔113的与入射准直器相对的一角。上述位置并非限制性的，也可通过相应的设置反射镜、透镜等光学元件将光束引导到所述光检测元件122上，从而该光检测元件可以根据设计需要而设置在任意可行位置，以尽量避免入射光线直接照射到光检测元件表面为原则。

另外，为实现必要的信号传输及电源供给等，下部分12的基板表面相应地设置有电路(未示出)，从而实现发光元件121和光检测元件122与例如驱动电路等的电路连接。

根据本实用新型的传感器1的上、下部分11、12的结构形成在基板上，所述基板的材料可以是硅片或聚合物材料。此外，还可以根据需要设置光学减反射膜，以减少因腔体内表面等的光线反射造成的干扰，从而进一步提高检测精度。

接下来，描述传感器1对筛除了大颗粒物的待测空气进行颗粒物检测的方法。传感器1利用光学散射原理，对随气流沿如图3(a)所示的上、下箭头指示的方向前进，并进入到两探测腔113内的包含细颗粒物的待测空气中细颗粒物的浓度进行检测。发光元件114发出的光经所述入射光准直器后入射到探测腔113。在待检测空气中没有颗粒物对光线进行散射的情况下，光线几乎直接从探测腔113射出，而不会有光线照射到光检测元件122上。相反地，当待检测空气形成的气流中携带颗粒物的情况下，在气流流经探测腔113时，空气中的颗粒物会对入射的光线大量地进行散射。而由于散射光线方向的随机性，将会有光线照射到光检测元件122上。利用所述驱动电路对所述光检测元件122输出的信号进行运算处理，即可以得到表征待测空气质量的测量结果。作为表征所述空气质量的测量结果，可以是空气中某范围大小的颗粒物个数或者其质量浓度，也可以是所述颗粒物散射道光检测元件122的光信号的强度等。

对于两个所述光检测元件122输出的检测信号，取两者平均值或其中一个的输出值作为检测结果。具体地，在通常情况下，两个光检测元件122的输出结果数值相近，则可以认为两个光检测元件的响应均正常，取两者的平均值作为检测结果。当其中一个光检测元件的输出结果数值明显异常时，可判断该光检测元件响应异常，则取另一光检测元件的数值作为检测结果。以上判断依据可以在所述传感器的标定过程中具体确定。

另外，为了形成达到测量需要的气流，优选设置气流发生装置。例如，可以选用迷你抽气扇，将其固定在传感器1的出气口115处。此外，也可以在出气口115处连接导气管，根据需要在导气管的末端设置一定的抽气装置以形成气流。进一步优选地，可以根据传感器内部的颗粒筛选器112的所筛选的颗粒物的尺寸调整气流发生装置，从而调整气流的大小，从而使进入粒子筛选器的气体具有特定的流速，达到筛选特定尺寸粒子的目的。

根据以上本实用新型所述的传感器及应用了该传感器的检测设备，由于相对于进气口和出气口，对称地设置多个发光元件，以及多个光检测元件，使得传感器对待测空气形成的气流的检测不受传感器的倾斜等因素的影响。且由于取对称位置的多个检测输出的平均值作为最终检测结果，使得检测精度进一步提高。进一步地，当采用对称组的检测元件时，当其中一组元件损坏，另一组仍可继续工作，从而提高了检测设备的鲁棒性。

以下结合图4说明根据本实用新型一优选实施例的所述传感器的制造方法。如图4所示，以硅基板作为形成所述传感器的上、下部分为例，所述方法包括：形成上部分的步骤，以氧化硅薄膜为掩模对硅基板进行刻蚀，得到形成在所述上部分的所述里侧的结构，以及贯穿的进气口和出气口；形成下部分的步骤：在以氧化硅薄膜为掩模对沉积了金属薄膜的硅基板进行刻蚀，得到形成在所述下部分的所述里侧的结构，以及所需电路；发光元件以及光检测元件固定步骤：将作为发光元件的光源芯片和作为光检测元件的光线探测器芯片固定到下部分的所述里侧；以及上部分和下部分粘合步骤：将所述上、下部分以里侧面对并对准的方式将两者粘合在一起。

具体地，在形成上部分的步骤中，在硅片上利用光刻图像化沉积在其两侧的氧化硅薄膜，并以氧化硅薄膜为掩模对硅基板进行刻蚀，得到形成在所述上部分11的里侧的传感器结构，例如，包括光源腔、探测腔、进气口、出气口以及入射光准直器等结构；再对外侧进行光刻和刻蚀，得到贯穿的进气口和出气口。

进一步优选地，初始材料为双面抛光硅片，清洗后，在硅片两侧沉积所述氧化硅薄膜，利用光刻技术对氧化硅薄膜进行图形化。接下来，以该图像化的氧化硅薄膜做为掩模，对硅基板进行刻蚀，从而得到具有所述传感器上部分11里侧的结构的图形。接下来，再对硅基板背面进行光刻和硅刻蚀，得到贯穿的进气口111和出气口115。最后，去掉硅基板表面剩余的氧化硅薄膜，即得到所述传感器11的上部分的结构。优选地，在硅基板表面沉积光线减反射膜，例如，氮化硅薄膜，以减少干扰反射光，提高检测精度。

接下来描述形成下部分的步骤：在硅片上利用光刻图像化沉积在其两侧的氧化硅薄膜，并以氧化硅薄膜为掩模对硅基板进行刻蚀，得到形成在所述下部分12的里侧的传感器结构，例如，包括用于放置光检测元件的凹槽结构等。沉积金属薄膜，对金属薄膜进行光刻和刻蚀，形成所需电路及电极等。

进一步优选地，初始材料为双面抛光硅片，清洗后，在硅片两侧沉积氮化硅薄膜，对上表面的氮化硅薄膜进行光刻，以图形化的氮化硅薄膜做为掩模，对硅基板进行刻蚀，得到用于放置光检测元件的凹槽结构。接下来，去掉氮化硅薄膜。进一步优选地，在硅片表面沉积光学减反膜。最后在光学减反膜表面沉积金属薄膜，例如，铝；对金属薄膜进行光刻和刻蚀，得到所需的电路和电极。

在发光元件以及光检测元件固定步骤中：将作为发光元件的光源芯片和作为光检测元件的光线探测器芯片用，例如导电胶，固定到下部分的硅基板上，并利用，例如引线键合的方式，完成芯片和硅基板的电连接，当然，也可采用其他电连接方式，例如可以使用导电焊料替代导电胶。另外，可以选用无需引线键合的芯片，只需导电胶或焊料直接固定在硅基板上实现电连接，省略引线键合。

上部分和下部分粘合步骤：将得到的所述上部分对准倒扣在所述下部分上，两部分之间用胶粘剂进行粘结。当然，也可以使用其他方法进行两部分之间的连接，如金-金键合等。

上述方法制造的传感器主体部分，尺寸为17mm*12mm，厚度仅为1mm。且由于所述传感器具有对称结构，从而使得制造方法简单，降低了对制造精度的要求，节约了制造成本。

以上对本实用新型的传感器及包含该传感器的检测设备、以及所述传感器的制造方法进行了详细描述，然而本实用新型并不限于此。对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种用于检测空气中的颗粒物的传感器，包括：

上部分，在其里侧上设置有颗粒筛选器，以及分别轴对称地设置多个光源腔和多个探测腔，以及形成在其上的贯穿的、分别作为待测空气进入和出去的进气口和出气口；以及

面对上部分的所述里侧固定到上部分的下部分，该下部分的里侧上形成有电路，以及在对应于所述光源腔和探测腔的范围内，在其里侧分别轴对称地设置多个发光元件和多个光检测元件；

其中所述轴为进气口中心与出气口中心连线形成的轴。

2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述颗粒筛选器包括：

第一通道，其为待测空气从进气口进入后首先经过的初始通道，经过该第一通道的待测空气形成的气流获得一预定流速；

第二通道，其为所述轴对称地形成在第一通道和所述多个探测腔之间的多个通道；以及

第三通道，其为形成在第一通道与出气口之间的通道。

3.如权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，进一步包括：

入射光准直器，以所述轴对称的方式形成在所述光源腔与探测腔之间，用于对发光元件发出的光进行准直。

4.如权利要求3所述的传感器，其特征在于进一步包括：

气流发生装置，用于在所述传感器内形成气流。

5.如权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，

所述进气口的大小小于出气口。

6.如权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，

所述传感器的上部分和下部分均由硅基板形成。

7.如权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，所述传感器的下部分的里侧形成有凹槽，所述光检测元件设置在该凹槽中。

8.一种用于检测空气中的颗粒物的检测设备，其包括：

根据权利要求1-7任一项所述的传感器，以及

驱动电路，用于对多个光检测元件输出的信号进行运算，取其平均值或其中之一作为检测结果。

9.如权利要求8所述的检测设备，其特征在于，

还包括显示设备，用于显示所述检测结果。

10.如权利要求8或9所述的检测设备，其特征在于，

所述检测设备为可穿戴设备。