[發(fā)明專(zhuān)利]一種粉塵濃度檢測(cè)裝置及檢測(cè)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510220545.8
• 申請(qǐng)日: 2015-05-04
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104819918B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-08-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳潔;惠肇宇
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01N15/06
• 分類(lèi)號(hào): G01N15/06
• 代理公司: 南京瑞弘專(zhuān)利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙)32249
• 代理人: 楊曉玲

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體來(lái)說(shuō)，涉及一種粉塵濃度檢測(cè)裝置及檢測(cè)方法。

背景技術(shù)

粉塵是由大氣中來(lái)源于土壤、風(fēng)化、火山噴發(fā)和污染產(chǎn)生的，微粒所構(gòu)成的物質(zhì)。在家庭、辦公室、和其他人類(lèi)生存環(huán)境中的粉塵包含植物種子、毛發(fā)、織物和紙張纖維、戶(hù)外礦物、土壤、人類(lèi)皮膚細(xì)胞等。

空氣中的粉塵濃度是衡量空氣質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo),空氣中的懸浮顆粒物(也稱(chēng)“粉塵”)對(duì)人體健康危害極大,尤其以小粒徑顆粒物為甚。環(huán)境保護(hù)部門(mén)將空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑≤10μm的顆粒物稱(chēng)為可吸入顆粒物,而將空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑≤7.07μm的顆粒物稱(chēng)為呼吸性顆粒物。

現(xiàn)在比較常用的檢測(cè)方法主要有光散射法、β射線法和微重量天平法、靜電感應(yīng)法、壓電天平法。在用于微結(jié)構(gòu)時(shí)，主要有光學(xué)法檢測(cè)和諧振器檢測(cè)。光學(xué)檢測(cè)是最常用的用來(lái)檢測(cè)，統(tǒng)計(jì)微/納米微粒尺寸測(cè)量的方法。在最簡(jiǎn)單光學(xué)顆粒傳感器，顆粒物在經(jīng)過(guò)激光束的時(shí)候由光電檢測(cè)器檢測(cè)到。這種光學(xué)測(cè)量技術(shù)有時(shí)候并不能達(dá)到需要的分辨率，并且光波長(zhǎng)受到檢測(cè)顆粒尺寸的限制。同時(shí)，還需要一些光學(xué)元件，使整個(gè)系統(tǒng)更加復(fù)雜，昂貴和笨重。諧振質(zhì)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(lái)作為光傳感應(yīng)用技術(shù)的代替品。這種裝置可以通過(guò)其諧振頻率的變化來(lái)檢測(cè)空氣中的顆粒沉積在其表面在的累積質(zhì)量。然而，它們不能提供顆粒計(jì)數(shù)和粒度分布數(shù)據(jù)。這就需要單個(gè)粒子的質(zhì)量測(cè)量。此外，在大多數(shù)情況下，他們沒(méi)有設(shè)計(jì)所需的靈敏度。

發(fā)明內(nèi)容

技術(shù)問(wèn)題：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：提供一種粉塵濃度檢測(cè)裝置及檢測(cè)方法，該裝置避免了傳統(tǒng)的檢測(cè)裝置體積大響應(yīng)慢的問(wèn)題，具有便于攜帶，響應(yīng)迅速的特點(diǎn)。

技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種粉塵濃度檢測(cè)裝置，該檢測(cè)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(dǎo)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(shè)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(shè)有通孔，且玻璃襯底的表面設(shè)有鎳涂層。

作為實(shí)施例，所述的淀積電阻為兩個(gè)，兩個(gè)淀積電阻沿懸臂梁橫向中心線對(duì)稱(chēng)布設(shè)，且兩個(gè)淀積電阻通過(guò)導(dǎo)線串聯(lián)。

作為實(shí)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(shí)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(shí)施例，所述的淀積電阻的厚度為0.5μm。

作為實(shí)施例，所述的淀積電阻由多晶硅制成，金屬導(dǎo)線由銅制成。

作為實(shí)施例，所述的鈦銅合金層覆蓋在錐狀電極的整個(gè)表面。

作為實(shí)施例所述的錐狀電極為圓錐狀。

一種粉塵濃度檢測(cè)方法，該檢測(cè)方法包括以下過(guò)程：首先向檢測(cè)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(chǎng)，然后將粉塵氣流通入檢測(cè)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(dá)懸臂梁的上方，沉積在懸臂梁的上表面，對(duì)懸臂梁施加壓力，最后依據(jù)式(1)、式(2)和式(3)測(cè)算粉塵數(shù)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(jù)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(yīng)變系數(shù)；L表示懸臂梁的長(zhǎng)度，E_Y表示懸臂梁的楊氏模量，w表示一個(gè)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(jù)式(2)求解出F；

F＝E*n*n_p式(3)

其中，F(xiàn)表示懸臂梁所受的力，E表示懸臂梁所在處的外加電場(chǎng)強(qiáng)度，n表示粉塵數(shù)量；n_p表示粉塵平均帶電荷量。

作為實(shí)施例，所述的檢測(cè)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(dǎo)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(shè)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(shè)有通孔，且玻璃襯底的表面設(shè)有鎳涂層。