一種粉塵濃度檢測裝置及檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于微機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)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(shù)】
[0002] 粉塵是由大氣中來源于土壤、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、戶外 礦物、土壤、人類皮膚細(xì)胞等。
[0003] 空氣中的粉塵濃度是衡量空氣質(zhì)量的一個重要指標(biāo)，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(huán)境保護(hù)部門將空氣動力學(xué)當(dāng) 量直徑< 10ym的顆粒物稱為可吸入顆粒物，而將空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑< 7. 07ym的顆粒 物稱為呼吸性顆粒物。
[0004] 現(xiàn)在比較常用的檢測方法主要有光散射法、e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，主要有光學(xué)法檢測和諧振器檢測。光學(xué)檢測是最常用的 用來檢測，統(tǒng)計微/納米微粒尺寸測量的方法。在最簡單光學(xué)顆粒傳感器，顆粒物在經(jīng)過激 光束的時候由光電檢測器檢測到。這種光學(xué)測量技術(shù)有時候并不能達(dá)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(xué)元件，使整個系統(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)已被用來作為光傳感應(yīng)用技術(shù)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(zhì)量。然而，它們不能提供顆粒計數(shù)和粒度分 布數(shù)據(jù)。這就需要單個粒子的質(zhì)量測量。此外，在大多數(shù)情況下，他們沒有設(shè)計所需的靈敏 度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 技術(shù)問題：本發(fā)明所要解決的技術(shù)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(tǒng)的檢測裝置體積大響應(yīng)慢的問題，具有便于攜帶，響應(yīng)迅速的特點。
[0006] 技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0007] -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(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。
[0008] 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(shè)，且兩個淀積電阻通過導(dǎo)線串聯(lián)。
[0009] 作為實施例，所述的玻璃基板與錐狀電極之間的距離大于錐狀電極的高度。
[0010] 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。
[0011] 作為實施例，所述的淀積電阻的厚度為〇. 5um。
[0012] 作為實施例，所述的淀積電阻由多晶硅制成，金屬導(dǎo)線由銅制成。
[0013] 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。
[0014] 作為實施例所述的錐狀電極為圓錐狀。
[0015] -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(dá)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(jù)式（1)、式（2)和式（3)測算粉塵數(shù)量n:
[0016]
【主權(quán)項】
1. 一種粉塵濃度檢測裝置，其特征在于，該檢測裝置包括淀積電阻（1)、懸臂梁（2)、玻 璃襯底⑶、錐狀電極⑷和硅襯底⑵；其中， 懸臂梁（2)的端面與硅襯底（7)的端面固定連接，淀積電阻（1)位于懸臂梁（2)與硅 襯底（7)接觸部位的頂部，且淀積電阻（1)連接懸臂梁（2)與硅襯底（7);淀積電阻（1)的 兩端由金屬導(dǎo)線（5)引出；錐狀電極（4)固定連接在硅襯底（7)上表面，且錐狀電極（4)的 表面設(shè)有鈦銅合金層(6);玻璃襯底（3)位于錐狀電極（4)的上方，玻璃襯底（3)上設(shè)有通 孔，且玻璃襯底（3)的表面設(shè)有鎳涂層。
2. 按照權(quán)利要求1所述的粉塵濃度檢測裝置，其特征在于，所述的淀積電阻（1)為兩 個，兩個淀積電阻（1)沿懸臂梁（2)橫向中心線對稱布設(shè)，且兩個淀積電阻（1)通過導(dǎo)線串 聯(lián)。
3. 按照權(quán)利要求1所述的粉塵濃度檢測裝置，其特征在于，所述的玻璃基板（3)與錐狀 電極（4)之間的距離大于錐狀電極（4)的高度。
4. 按照權(quán)利要求1所述的粉塵濃度檢測裝置，其特征在于，所述的淀積電阻（1)的厚度 小于懸臂梁（2)厚度的十分之一。
5. 按照權(quán)利要求4所述的粉塵濃度檢測裝置，其特征在于，所述的淀積電阻（1)的厚度 為 0? 5um。
6. 按照權(quán)利要求1所述的粉塵濃度檢測裝置，其特征在于，所述的淀積電阻（1)由多晶 硅制成，金屬導(dǎo)線（5)由銅制成。
7. 按照權(quán)利要求1所述的粉塵濃度檢測裝置，其特征在于，所述的鈦銅合金層（6)覆蓋 在錐狀電極（4)的整個表面。
8. 按照權(quán)利要求1至7中任何一項所述的粉塵濃度檢測裝置，其特征在于，所述的錐狀 電極⑷為圓錐狀。
9. 一種粉塵濃度檢測方法，其特征在于，該檢測方法包括以下過程： 首先向檢測裝置的錐狀電極（4)上施加高電壓，并在懸臂梁（2)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（4)和玻璃襯底（3)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（2)的上方，沉積在懸臂梁（2)的上表面，對懸臂梁（2) 施加壓力，最后依據(jù)式（1)、式（2)和式（3)測算粉塵數(shù)量n :
其中，P表示粒子滲透率，np表示粉塵平均帶電荷量，d p表示粉塵直徑，單位um ;根據(jù)式 ⑴求解出np;
其中，AR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（2)的長度，Ey表示懸臂梁（2)的楊氏模量，w表示一個懸臂梁（2)的寬 度，t表示懸臂梁（2)的厚度；F表示懸臂梁（2)所受的力；依據(jù)式（2)求解出F ; F = E*n*np 式⑶ 其中，F(xiàn)表示懸臂梁（2)所受的力，E表示懸臂梁（2)所在處的外加電場強(qiáng)度，n表示粉 塵數(shù)量；np表示粉塵平均帶電荷量。
10.按照權(quán)利要求9所述的粉塵濃度檢測方法，其特征在于，所述的檢測裝置包括淀積 電阻（1)、懸臂梁（2)、玻璃襯底（3)、錐狀電極⑷和硅襯底（7);其中， 懸臂梁（2)的端面與硅襯底（7)的端面固定連接，淀積電阻（1)位于懸臂梁（2)與硅 襯底（7)接觸部位的頂部，且淀積電阻（1)連接懸臂梁（2)與硅襯底（7);淀積電阻（1)的 兩端由金屬導(dǎo)線（5)引出；錐狀電極（4)固定連接在硅襯底（7)上表面，且錐狀電極（4)的 表面設(shè)有鈦銅合金層(6);玻璃襯底（3)位于錐狀電極（4)的上方，玻璃襯底（3)上設(shè)有通 孔，且玻璃襯底（3)的表面設(shè)有鎳涂層。
【專利摘要】<b/><b/>本發(fā)明公開了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(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。還公開了粉塵濃度檢測方法。該檢測裝置和方法避免了傳統(tǒng)的檢測裝置體積大響應(yīng)慢的問題，具有便于攜帶，響應(yīng)迅速的特點。
【IPC分類】G01N15-06
【公開號】CN104819918
【申請?zhí)枴緾N201510220545
【發(fā)明人】陳潔, 惠肇宇
【申請人】東南大學(xué)
【公開日】2015年8月5日
【申請日】2015年5月4日