[發明專利]一種應用于空氣中重金屬顆粒檢測的傳感器

在審

• 申請號: 202010133521.X
• 申請日: 2020-03-02
• 公開（公告）號: CN111289413A
• 公開（公告）日: 2020-06-16
• 發明（設計）人: 樊華;毛江敏;謝華江;馮全源;馮浪;刁小芃;岑遠軍
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G01N15/06
• 分類號: G01N15/06;G01R33/07;G01R33/09
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 陳一鑫

該發明公開了一種應用于空氣中重金屬顆粒檢測的傳感器，本發明涉及空氣質量檢測、磁學、微電子學與固體電子學等交叉領域，首次提出使用磁性芯片檢測懸浮于空氣中重金屬顆粒的設想與方法。該發明通過電磁鐵吸引空氣中的金屬顆粒于芯片上表面；通過磁化的方式，將鐵、鈷、鎳、其氧化物和金屬合金等擁有遠大于1的相對磁導率的物質與空氣中的其他物質區分開來；設計與空氣中顆粒的大小相當的小尺寸霍爾器件，保證顆粒存在時，霍爾器件能產生明顯的霍爾電壓；設計多霍爾器件組成的陣列，增加傳感器的檢測范圍及檢測顆粒的位置；對比有顆粒時的霍爾器件輸出，即可確定顆粒的存在和位置。該發明的實際意義在于人們對于健康的重視和對于生活品質的追求，重金屬作為PM2.5的重要組成部分，越來越受時代的重視。

技術領域

本發明涉及空氣質量檢測、磁學、微電子學與固體電子學等交叉領域，首次提出使用磁性芯片檢測懸浮于空氣中重金屬顆粒的設想與方法。

背景技術

(1)空氣質量

2013年初，我國首次將PM2.5(懸浮于空氣中直徑小于等于2.5微米的顆粒物)作為預警分級的重要指標之一，空氣質量對人的生活健康不言而喻。重金屬是PM2.5的重要成分，空氣中的重金屬對于身體的危害北京大學早在文獻[杜金花,張宜升,何凌燕,黃曉鋒,梅立永,賴梅東,欒勝基.深圳某地區大氣PM2.5中重金屬的污染特征及健康風險評價.環境與健康雜志,2012,29(9):838-840.]中有過報道；另外近些年也有文獻[Maher B.A.,AhmedI.A.M.,Karloukovski V.,et al.Magnetite pollution nanoparticles in the humanbrain.Proceedings of the National Academy of Sciences,2016,113(39):10797-10801.]指出磁性金屬氧化物顆粒隨著呼吸道進入腦部，粘附在大腦皮層的危害。

空氣由眾多物質組成，目前商業的空氣傳感器都是針對空氣中的一種或者幾種物質進行檢測，檢測的物質包括：揮發性有機化合物、二氧化碳、一氧化碳、甲醛、氧氣、PM2.5等。尚無單獨檢測空氣重金屬顆粒的產品與先例。

PM2.5的主要由有機碳、元素碳、硝酸鹽、硫酸鹽、銨鹽、鈉鹽、重金屬和微生物等組成。重金屬是PM2.5的重要組成部分，其中PM2.5的檢測是根據光的散射原理來開發的，顆粒和分子在光的照射下會產生光的散射現象，與此同時，還吸收部分照射光的能量。當一束平行單色光入射到被測顆粒時，會受到顆粒周圍散射和吸收的影響，光強將被衰減。如此一來便可求得入射光通過待測濃度的相對衰減率。而相對衰減率的大小基本上能線性反應待測場灰塵的相對濃度。光強的大小和經光電轉換的電信號強弱成正比，通過測得電信號就可以求得相對衰減率，進而就可以測定待測場里灰塵的濃度。該方法雖然能檢測PM2.5的濃度，但無法區分具體物質，不能明確的檢測重金屬物質。

(2)磁學

然而，空氣中的部分重金屬顆粒是可以用磁學的方法與其他物質分辨開來的。當物質受到外來磁場B₀后物質會磁化，從而產生額外的磁場B’,進而總磁場B＝B₀+B’，如：加了鐵芯的線圈會產生更大的磁場，就是因為此時的B’遠大于B₀。其中根據B’數值的不同，可以簡單的將物質分為順磁材料、抗磁材料和鐵磁材料三大類。順磁和抗磁材料產生的B’都特別小，一般不予以考慮。鐵磁材料如鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)以及他們組成的合金和氧化物等是本項目的主要考慮目標。當然，除了物質的材料特性以外，在實際情況時，還需要考慮顆粒形狀及表面氧化等問題，這個需要試驗的進一步驗證。圖1是通過專業的電磁仿真軟件Maxwell初步仿真的有無直徑為2.5微米鎳顆粒存在時的對比試驗，左邊是電磁鐵產生的磁場，右邊是將一直徑為2.5微米鎳顆粒置于相同磁場環境中的磁場變化。可以明顯看到2.5微米鎳顆粒附近會產生一個明顯的磁場增強效果，本發明的基本設想就是通過磁性傳感器測量增強的磁場從而感知顆粒的存在和位置。

(3)微電子學與固體電子學