[發明專利]一種粉塵濃度檢測裝置及檢測方法

有效

• 申請號: 201510220545.8
• 申請日: 2015-05-04
• 公開（公告）號: CN104819918B
• 公開（公告）日: 2017-08-04
• 發明（設計）人: 陳潔;惠肇宇
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01N15/06
• 分類號: G01N15/06
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙)32249
• 代理人: 楊曉玲

技術領域

本發明屬于微機械系統技術領域，具體來說，涉及一種粉塵濃度檢測裝置及檢測方法。

背景技術

粉塵是由大氣中來源于土壤、風化、火山噴發和污染產生的，微粒所構成的物質。在家庭、辦公室、和其他人類生存環境中的粉塵包含植物種子、毛發、織物和紙張纖維、戶外礦物、土壤、人類皮膚細胞等。

空氣中的粉塵濃度是衡量空氣質量的一個重要指標,空氣中的懸浮顆粒物(也稱“粉塵”)對人體健康危害極大,尤其以小粒徑顆粒物為甚。環境保護部門將空氣動力學當量直徑≤10μm的顆粒物稱為可吸入顆粒物,而將空氣動力學當量直徑≤7.07μm的顆粒物稱為呼吸性顆粒物。

現在比較常用的檢測方法主要有光散射法、β射線法和微重量天平法、靜電感應法、壓電天平法。在用于微結構時，主要有光學法檢測和諧振器檢測。光學檢測是最常用的用來檢測，統計微/納米微粒尺寸測量的方法。在最簡單光學顆粒傳感器，顆粒物在經過激光束的時候由光電檢測器檢測到。這種光學測量技術有時候并不能達到需要的分辨率，并且光波長受到檢測顆粒尺寸的限制。同時，還需要一些光學元件，使整個系統更加復雜，昂貴和笨重。諧振質量傳感器，如石英晶體微天平(QCM)，表面聲波(SAW)，和薄膜體聲波諧振器(FBAR)已被用來作為光傳感應用技術的代替品。這種裝置可以通過其諧振頻率的變化來檢測空氣中的顆粒沉積在其表面在的累積質量。然而，它們不能提供顆粒計數和粒度分布數據。這就需要單個粒子的質量測量。此外，在大多數情況下，他們沒有設計所需的靈敏度。

發明內容

技術問題：本發明所要解決的技術問題是：提供一種粉塵濃度檢測裝置及檢測方法，該裝置避免了傳統的檢測裝置體積大響應慢的問題，具有便于攜帶，響應迅速的特點。

技術方案：為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：

一種粉塵濃度檢測裝置，該檢測裝置包括淀積電阻、懸臂梁、玻璃襯底、錐狀電極和硅襯底；其中，懸臂梁的端面與硅襯底的端面固定連接，淀積電阻位于懸臂梁與硅襯底接觸部位的頂部，且淀積電阻連接懸臂梁與硅襯底；淀積電阻的兩端由金屬導線引出；錐狀電極固定連接在硅襯底上表面，且錐狀電極的表面設有鈦銅合金層；玻璃襯底位于錐狀電極的上方，玻璃襯底上設有通孔，且玻璃襯底的表面設有鎳涂層。

作為實施例，所述的淀積電阻為兩個，兩個淀積電阻沿懸臂梁橫向中心線對稱布設，且兩個淀積電阻通過導線串聯。

作為實施例，所述的玻璃襯底與錐狀電極之間的距離大于錐狀電極的高度。

作為實施例，所述的淀積電阻的厚度小于懸臂梁厚度的十分之一。

作為實施例，所述的淀積電阻的厚度為0.5μm。

作為實施例，所述的淀積電阻由多晶硅制成，金屬導線由銅制成。

作為實施例，所述的鈦銅合金層覆蓋在錐狀電極的整個表面。

作為實施例所述的錐狀電極為圓錐狀。

一種粉塵濃度檢測方法，該檢測方法包括以下過程：首先向檢測裝置的錐狀電極上施加高電壓，并在懸臂梁的上方施加恒定電場，然后將粉塵氣流通入檢測裝置的錐狀電極和玻璃襯底之間的通道中，粉塵吸附電荷從而帶電；帶電粉塵到達懸臂梁的上方，沉積在懸臂梁的上表面，對懸臂梁施加壓力，最后依據式(1)、式(2)和式(3)測算粉塵數量n：

其中，P表示粒子滲透率，n_p表示粉塵平均帶電荷量，d_p表示粉塵直徑，單位μm；根據式(1)求解出n_p；

其中，ΔR表示淀積電阻的電阻變化；R表示淀積電阻的電阻；G表示淀積電阻的應變系數；L表示懸臂梁的長度，E_Y表示懸臂梁的楊氏模量，w表示一個懸臂梁的寬度，t表示懸臂梁的厚度；F表示懸臂梁所受的力；依據式(2)求解出F；

F＝E*n*n_p式(3)

其中，F表示懸臂梁所受的力，E表示懸臂梁所在處的外加電場強度，n表示粉塵數量；n_p表示粉塵平均帶電荷量。

作為實施例，所述的檢測裝置包括淀積電阻、懸臂梁、玻璃襯底、錐狀電極和硅襯底；其中，懸臂梁的端面與硅襯底的端面固定連接，淀積電阻位于懸臂梁與硅襯底接觸部位的頂部，且淀積電阻連接懸臂梁與硅襯底；淀積電阻的兩端由金屬導線引出；錐狀電極固定連接在硅襯底上表面，且錐狀電極的表面設有鈦銅合金層；玻璃襯底位于錐狀電極的上方，玻璃襯底上設有通孔，且玻璃襯底的表面設有鎳涂層。