Pm2.5检测装置及其制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种PM2.5检测装置及其制造方法，其包括用于将所需定量空气中大于2.5μm的颗粒过滤去除的颗粒分离机构以及用于对所述定量空气中PM2.5含量实施检测的PM2.5检测机构，所述颗粒分离机构的出口端与PM2.5检测机构的入口端连接，所述PM2.5检测机构包括检测腔体，所述检测腔体的外侧设置检测光源及光探测器，检测光源发出的光线通过检测腔体上的光入射窗口进入检测腔体内，光探测器通过检测腔体上的光出射窗口接收检测腔体内经PM2.5颗粒吸收、散射后的出射光线，所述光探测器根据出射光线的强度确定并输出PM2.5的浓度值。本发明与常规MEMS工艺相兼容，工艺简单方便，可提高PM2.5检测的精度及有效性，小型化的结构使其具有便携性和实时检测的特点，适应范围广，安全可靠。
【专利说明】PM2.5检测装置及其制造方法【技术领域】
[0001]本发明涉及一种检测装置及制造方法，尤其是一种PM2.5检测装置及其制造方法，具体地说是一种基于光学探测技术的PM2.5检测装置及其制造方法，属于MEMS和环境科学的【技术领域】。
【背景技术】
[0002]PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5μπι的颗粒物，也称可入肺颗粒物。虽然ΡΜ2.5只是地球大气成分中含量很少的组分，但它对空气质量和能见度等有着重要的影响。ΡΜ2.5粒径小，含有大量有毒、有害物质且在大气中停留时间长、输送距离远，因此对人体健康和大气环境质量的影响很大。
[0003]气象专家和医学专家认为，由细颗粒物造成的灰霾天气对人体健康的危害甚至要比沙尘暴更大。粒径10 μ m以上的颗粒物，会被挡在人的鼻子外面，粒径在2.5-10 μ m之间的颗粒物，能够进入上呼吸道，但部分可通过痰液等排出体外，此外也会被鼻腔内部的绒毛阻挡，对人体健康危害相对较小。而粒径在2.5 μ m以下的细颗粒物，不易被阻挡，被吸入人体后会直接进入支气管，干扰肺部的气体交换，引发包括哮喘、支气管炎和心血管病等方面的疾病。
[0004]人体的生理结构决定了人体对PM2.5没有任何过滤、阻拦能力，而PM2.5对人类健康的危害却随着医学技术的进步，逐渐暴露出其恐怖的一面。每个人平均每天要吸入约I万升的空气，进入肺泡的微尘会被迅速吸收、不经过肝脏解毒而直接进入血液循环分布到全身各处，进而损害血红蛋白输送氧的能力，造成血液丧失，对贫血和血液循环障碍的病人来说，这种情况可能会产生非常严重的后果，例如可能加重呼吸系统疾病，甚至引起充血性心力衰竭和冠状动脉等心脏疾病。这些颗粒还将通过支气管和肺泡进入血液，其中含有的有害气体、重金属等会溶解在血液中，对人体健康的伤害更大。
[0005]为了使民众能精确地感知本地空气质量，以减少其在污染天气的外出活动或提醒其采取相应的保护措施，对PM2.5进行方便、快捷、实时的检测就成为了一项具有重大意义的工作。
[0006]目前，各国环保部门广泛采用的PM2.5检测分析方法主要分两类:手工分析和自动分析。手工分析主要采用重量法，而自动分析主要包括β射线法、微量振荡天平法。我国目前对ΡΜ2.5的测定主要采用重量法，其原理主要是抽取空气通过采样器，使环境空气中的ΡΜ2.5被截留在已知质量滤膜上，根据采样前后滤膜的质量差和采样体积计算出ΡΜ2.5的浓度。β射线法则是利用β射线衰减的原理，当β射线通过沉积着颗粒物的滤膜时，β射线能量衰减，通过对衰减量的测定便可计算出颗粒物的浓度。微量振荡天平法是在质量传感器内使用一个振荡空心锥形管，在其振荡端安装可更换的滤膜，振荡频率取决于锥形管特征和其质量。当采样气流通过滤膜，其中的颗粒物沉积在滤膜上，滤膜的质量变化导致振荡频率的变化，通过振荡频率变化计算出沉积在滤膜上颗粒物的质量，再根据流量、现场环境温度和气压计算出该时段颗粒物标志的质量浓度。[0007]可以看到，PM2.5的检测过程主要分为两部分:收集与分析。而上述三种方法的收集过程都依赖于PM2.5切割器、采样器以及滤膜，但是现有的设备普遍具有体积大、功耗大、价格高、不便携等缺点，且对不同粒径颗粒的过滤效果完全靠滤膜的孔隙尺寸决定。鉴于此，如何能够方便、快捷、便宜、高效地检测PM2.5就成为了一项具有重要意义的工作。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种PM2.5检测装置及其制备方法，其结构紧凑合理，与常规MEMS工艺相兼容，工艺操作简单方便，可提高PM2.5检测的精度及有效性，小型化的结构使其具有便携性和实时检测的特点，适应范围广，安全可靠。
[0009]按照本发明提供的技术方案，所述PM2.5检测装置，包括用于将所需定量空气中大于2.5 μ m的颗粒过滤去除的颗粒分离机构以及用于对所述定量空气中PM2.5含量实施检测的PM2.5检测机构，所述颗粒分离机构的出口端与PM2.5检测机构的入口端连接，所述PM2.5检测机构包括检测腔体，所述检测腔体的外侧设置检测光源及光探测器，检测光源发出的光线通过检测腔体上的光入射窗口进入检测腔体内，光探测器通过检测腔体上的光出射窗口接收检测腔体内经PM2.5颗粒吸收、散射后的出射光线，所述光探测器根据出射光线的强度确定并输出PM2.5的浓度值。
[0010]所述检测光源包括红外光源、紫外光源和激光光源，光探测器包括红外探测器、紫外探测器和激光探测器。
[0011]所述颗粒分离机构包括颗粒分离机构框体，所述颗粒分离机构框体内的一端设置空气入口，另一端设置空气出口，所述空气出口通过降尘室机构与空气入口相连通；所述降尘室机构包括第一级降尘室、第二级降尘室及第三级降尘室，所述第一级降尘室的上方设置第一级挡尘板，第二级降尘室的上方设置第二级挡尘板，第三极降尘室的上方设置第三级挡尘板，所述第一级挡尘板、第二级挡尘板及第三级挡尘板与空气入口相对应，第一级挡尘板与第一级降尘室及第二级降尘室的结合部形成第一级挡尘间隙，第二级挡尘板与第二级降尘室及第三级降尘室的结合部形成第二级挡尘间隙，第三级挡尘板与颗粒分离机构框体间形成第三级挡尘间隙，所述第三级挡尘间隙与空气出口相连通，第三级挡尘间隙的尺寸不大于2.5 μ m。
[0012]所述颗粒分离机构框体内的下部设置液体流道，所述液体流道沿空气入口指向空气出口的方向分布，并贯通所述颗粒分离机构框体；液体流道分别通过第一级入液口、第二级入液口及第三级入液口与第一级降尘室、第二级降尘室及第三级降尘室相连通。
[0013]所述检测腔体的长度为0.f 100mm，检测腔体内涂覆有高反射层。
[0014]所述第一级挡尘间隙的尺寸为10-50 μ m，第二级挡尘间隙的尺寸为5-10 μ m。
[0015]一种PM2.5检测装置的制备方法，所述PM2.5检测装置的制备方法包括如下步骤:
a、提供所需的颗粒分离机构基底，选择性地掩蔽和刻蚀所述颗粒分离机构基底，以在所述颗粒分离机构基底上得到所需的颗粒分离机构框体，所述颗粒分离机构框体包括位于一端的空气入口及位于另一端的空气出口，所述空气出口通过降尘室机构与空气入口相连通；
b、在所述颗粒分离机构框体上设置用于实现半封闭降尘室机构的盖体，以形成颗粒分离机构；
C、在颗粒分离机构的空气出口设置PM2.5检测机构的检测腔体，所述检测腔体与空气出口相连通；在所述检测腔体上设置光入射窗口及光出射窗口 ；
d、在检测腔体的外侧设置检测光源及光探测器，所述检测光源与光入射窗口对应，光探测器与光出射窗口相对应，检测光源发出的光线通过检测腔体上的光入射窗口进入检测腔体内，光探测器通过检测腔体上的光出射窗口接收检测腔体内经PM2.5颗粒吸收、散射后的出射光线，所述光探测器根据出射光线的强度确定并输出PM2.5的浓度值。
[0016]所述步骤a包括如下步骤:
alO、所述颗粒分离机构基底包括第一基底，选择性地掩蔽和刻蚀所述第一基底，以在所述第一基底上得到所需的第一凹槽，以通过第一凹槽形成颗粒分离机构框体。
[0017]所述步骤a包括如下步骤:
a20、所述颗粒分离机构基底包括第四基底，选择性地掩蔽和刻蚀所述第四基底，以在第四基底上形成所需的凸起；
a21、在上述第四基底上设置压印预聚体，所述压印预聚体覆盖第四基底表面上形成的凸起；
a22、将所述压印预聚体烘培形成压印聚合体，并将所述压印聚合体与第四基底分离，压印聚合体内通过凸起形成所需的第二凹槽，压印聚合体通过第二凹槽形成颗粒分离机构框体。
[0018]所述降尘室机构包括第一级降尘室、第二级降尘室及第三级降尘室，所述第一级降尘室的上方设置第一级挡尘板，第二级降尘室的上方设置第二级挡尘板，第三极降尘室的上方设置第三级挡尘板，所述第一级挡尘板、第二级挡尘板及第三级挡尘板与空气入口相对应，第一级挡尘板与第一级降尘室及第二级降尘室的结合部形成第一级挡尘间隙，第二级挡尘板与第二级降尘室及第三级降尘室的结合部形成第二级挡尘间隙，第三级挡尘板与颗粒分离机构框体间形成第三级挡尘间隙，所述第三级挡尘间隙与空气出口相连通，第三级挡尘间隙的尺寸不大于2.5 μ m。
[0019]本发明的优点:利用颗粒分离机构实现空气中不同粒径颗粒的有效分离，并将PM2.5收集到检测腔体中用于浓度的测试，避免了常规PM2.5浓度测试方法中粒径较大颗粒对测试结果造成的干扰，同时，光线在检测腔体中可以多次反射，因而增加了光程并增加了光线被PM2.5吸收和散射的次数，从而可有效提高测试的准确性与精度。此外，所述装置体积小，所需的空气采样量小，颗粒分离所需的时间短，可实时提供PM2.5浓度信息。同时，该装置中颗粒分离机构具有高度的可扩展性，可用于检测PM10、PM5、PM2.5或其它粒径的颗粒浓度。该PM2.5过滤结构的制备方法简单，工艺成本低廉，材料的选择范围大，结构的应用安全可靠，应用前景广阔。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为本发明PM2.5检测装置的总体结构前视示意图。
[0021]图2为本发明在第一基底上形成第一凹槽后的结构示意图。
[0022]图3为图2的剖视图。
[0023]图4为本发明在第四基底上形成凸起后的剖视图。[0024]图5为本发明在第四基底上设置压印预聚体后的剖视图。
[0025]图6为本发明在第四基底上形成压印聚合体并与第四基底分离后的示意图。
[0026]图7为本发明在第一基底上设置第二基底，并通过第二基底形成第一盖体后的剖视图。
[0027]图8为本发明在压印聚合体下设置第三基底，并通过第三基底形成第二盖体后的首1J视图。
[0028]图9为本发明在颗粒分离机构的空气出口位置设置PM2.5检测腔体、光入射窗口和光出射窗口后的前视图。
[0029]图10为本发明在检测腔体外侧设置检测光源和光探测器后的前视图。
[0030]附图标记说明:A-颗粒分离机构、B-PM2.5检测机构、1_颗粒分离机构框体、2_液体流道、3-空气入口、4_液体入口、5-第一级降尘室、6-第一级挡尘板、7-第一级挡尘间隙、8-第一级入液口、9-第二级降尘室、10-第二级挡尘板、11-第二级挡尘间隙、12-第二级入液口、13-第三级降尘室、14-第三级挡尘板、15-第三级挡尘间隙、16-第三级入液口、17-空气出口、18-检测腔体、19-液体出口、20-检测光源、21-光探测器、22-光入射窗口、23-光出射窗口、101-第一基底、102-第一凹槽、103-凸起、104-第二凹槽、110-第四基底、201-第二基底、301-压印预聚体、401-压印聚合体及501-第三基底。
【具体实施方式】
[0031]下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0032]如图1所示:为了能对空气中的PM2.5进行有效检测，本发明包括用于将所需定量空气中大于2.5 μ m的颗粒过滤去除的颗粒分离机构A以及用于对所述定量空气中PM2.5含量实施检测的PM2.5检测机构B，所述颗粒分离机构A的出口端与PM2.5检测机构B的入口端连接，所述PM2.5检测机构B包括检测腔体18，所述检测腔体18的外侧设置检测光源20及光探测器21，检测光源20发出的光线通过检测腔体18上的光入射窗口 22进入检测腔体18内，光探测器21通过检测腔体18上的光出射窗口 23接收检测腔体18内经PM2.5颗粒吸收、散射后的出射光线，所述光探测器21根据出射光线的强度确定并输出PM2.5的浓度值。
[0033]具体地，所述检测光源20包括红外光源、紫外光源和激光光源，光探测器21包括红外探测器、紫外探测器和激光探测器。本发明实施例中，光入射窗口 22位于检测腔体18的一端，光出射窗口 23位于检测腔体18的另一端,光入射窗口 22邻近颗粒分离机构A的出口端，当检测光源20采用红外光源时，检测腔体18的内表面涂覆有高红外反射层，用于提高对PM2.5检测的精度及效率，同时，光探测器21采用红外探测器，包括基于赛贝克效应的热电堆红外探测器或热释电型红外探测器，光探测器21能够用于接收检测光源20发出的平行红外光。所述高红外反射层包括金属铝、钛、不锈钢，设置所述铝、钛高红外反射层材料的方法包括溅射、蒸发及其之后的图形化处理，本发明实施例中，高反射层的反射率为70%-100%。进一步地，所述检测光源20也可以采用其他的形式，如紫外光和激光等，光探测器21采用与检测光源20匹配的形式。光入射窗口 22与光出射窗口 23可以位于检测腔体18的两侧，也可以位于检测腔体18的同一侧。
[0034]所述颗粒分离机构A包括颗粒分离机构框体1，所述颗粒分离机构框体I内的一端设置空气入口 3，另一端设置空气出口 17，所述空气出口 17通过降尘室机构与空气入口3相连通；所述降尘室机构包括第一级降尘室5、第二级降尘室9及第三级降尘室13，所述第一级降尘室5的上方设置第一级挡尘板6，第二级降尘室9的上方设置第二级挡尘板10，第三极降尘室13的上方设置第三级挡尘板14，所述第一级挡尘板6、第二级挡尘板9及第三级挡尘板13与空气入口 3相对应，第一级挡尘板6与第一级降尘室5及第二级降尘室9的结合部形成第一级挡尘间隙7，第二级挡尘板10与第二级降尘室9及第三级降尘室13的结合部形成第二级挡尘间隙11，第三级挡尘板14与颗粒分离机构框体I间形成第三级挡尘间隙15，所述第三级挡尘间隙15与空气出口 17相连通，第三级挡尘间隙15的尺寸不大于2.5μπι。第一级挡尘板6、第二级挡尘板10及第三级挡尘板14与颗粒分离机构框图1为一体结构，具有较大的机械强度，当空气在颗粒分离机构框体I中流动时，第一级挡尘板6、第二级挡尘板10及第三级挡尘板14无形变，不会发生堵塞挡尘间隙的情况。[0035]本发明实施例中，为了能够确保通过空气入口 3进入的空气充分降尘与过滤，在颗粒分离机构框体I上设置用于半密封上述降尘室机构的盖体，使得空气只能从空气入口3进入，并通过降尘室机构降尘过滤后从空气出口 17逸出进入检测腔体18内。所述空气出口 17即为颗粒分离机构A的出口端。上述说明及图中仅示出了降尘室机构采用三级结构的示意图，在具体实施例时，可以根据需要设置更多级的降尘过滤结构，但靠近ΡΜ2.5检测机构B的挡尘间隙尺寸不大于2.5 μ m，以确保空气中大于2.5 μ m的颗粒不会进入检测腔体18内，避免对PM2.5含量检测产生干扰。本发明实施例中，所述第一级挡尘间隙7的尺寸为10-50μπι，第二级挡尘间隙11的尺寸为5-10 μ m。
[0036]为了避免空气流通过程中过大的颗粒堵塞空气通道，在各级降尘室中分别设置挡尘板和挡尘间隙，且各挡尘间隙下的降尘室侧壁呈倒梯形角度，以便于颗粒更好地沉降，本发明利用液体的匀速流动，带走降尘室中的颗粒，具体地，所述颗粒分离机构框体I内的下部设置液体流道2，所述液体流道2沿空气入口 3指向空气出口 17的方向分布，并贯通所述颗粒分离机构框体I ;液体流道2分别与第一级降尘室5、第二级降尘室9及第三级降尘室13相连通。进一步地，第一级降尘室5的底部设置第一级入液口 8，第一级降尘室5通过第一级入液口 8与液体流道2相连通；第二级降尘室9的底部设置第二级入液口 12，第二级降尘室9通过第二级入液口 12与液体流道2相连通，第三级降尘室13的底部设置第三级入液口 16，第三级降尘室13通过第三级入液口 16与液体流道2相连通。液体流道2具有液体入口 4及与所述液体入口 4对应的液体出口 19，其中，液体入口 4与空气入口 3位于同一端，液体出口 19与空气出口 17位于同一端。液体流道2内的液体为不腐蚀颗粒分离机构框体I及位于所述颗粒分离机构框体I上盖体的液体，包括水、油或乙醇。所述检测腔体18的长度为0.f 100mm。本发明实施例中，液体流道2的纵向深度为100-?000 μ m，远大于各级入液口的尺寸。
[0037]检测时，被测试空气样品以设定的流速从空气入口 3进入颗粒分离机构A内，经过第一级降尘室5时，因为第一级降尘室5对应的第一级挡尘间隙7尺寸小于20 μ m，致使粒径大于20 μ m的灰尘颗粒被挡在第一级降尘室5内，并由于重力而沉降在第一级降尘室5底部，并在达到一定量后经过第一级入液口 8到达液体流道2，并随着液体流道2中的液体经过液体出口 19排出装置外。
[0038]与此同时，粒径小于20微米的灰尘颗粒通过第一级挡尘间隙7到达第二级降尘室9，因为第二级降尘室9对应的第二级挡尘间隙11尺寸小于10 μ m，致使粒径大于10 μ m的灰尘颗粒被挡在第二级降尘室9内，并由于重力而沉降在第二级降尘室9底部，并在达到一定量后经过第二级入液口 12到达液体流道2，并随着液体流道2中的液体经过液体出口 19排出装置外；此外，粒径小于IOym的灰尘颗粒通过第二级挡尘间隙11到达第三级降尘室13，因为第三级降尘室13对应的第三级挡尘间隙15尺寸小于2.5 μ m，致使粒径大于
2.5 μ m的灰尘颗粒被挡在第三级降尘室13内，并由于重力而沉降在第三级降尘室13底部，并在达到一定量后经过第三级入液口 16到达液体流道2，并随着液体流道2中的液体经过液体出口 19排出装置外；此时，粒径小于2.5微米的灰尘颗粒通过第三级挡尘间隙15到达空气出口 17，并进入PM2.5的检测腔体18。
[0039]检测光源20辐射出的红外光穿过光入射窗口 22到达检测腔体18，经检测腔体18侧壁的多次反射后经由光出射窗口 23到达光探测器21，因为检测腔体18中存在的PM2.5颗粒在多次反射过程中也多次吸收和散射红外光，根据朗伯-比尔定律和Gustav Mie粒子光散射理论，光探测器21的输出电压值将变小，通过电压值的变化量可以获得PM2.5检测腔体18中PM2.5颗粒的浓度信息。
[0040]如图疒图10所示:上述结构的PM2.5检测装置，可以通过下述工艺步骤制备得至IJ，所述PM2.5检测装置的制备方法包括如下步骤:
a、提供所需的颗粒分离机构基底，选择性地掩蔽和刻蚀所述颗粒分离机构基底，以在所述颗粒分离机构基底上得到所需的颗粒分离机构框体1，所述颗粒分离机构框体I包括位于一端的空气入口 3及位于另一端的空气出口 17，所述空气出口 17通过降尘室机构与空气入口 3相连通；
本发明实施例中，对颗粒分离机构基底采用MEMS技术制备得到颗粒分离机构框体1，对于颗粒分离机构I内的空气入口 3、空气出口 17以及降尘室机构可以通过多种工艺制备，具体地:
第一种工艺步骤中，所述步骤a包括如下步骤:
alO、所述颗粒分离机构基底包括第一基底101，选择性地掩蔽和刻蚀所述第一基底101，以在所述第一基底101上得到所需的第一凹槽102，以通过第一凹槽102形成颗粒分离机构框体I。
[0041]如图2和图3所示:在第一基底101的表面旋涂光刻胶，并通过光刻工艺在对应所需设置第一凹槽102以外的位置形成光刻胶图形，利用RIE (Reactive 1n Etching)技术对第一基底101进行各向异性刻蚀，将光刻胶上的图形转移到第一基底101上,形成第一凹槽102。随后，利用氧等离子体干法去胶以及硫酸/双氧水湿法去胶相结合的方法去除第一基底101表面的光刻胶。在得到第一凹槽102的过程中，同时能够得到空气入口 3、空气出口 17及降尘室机构。第一基底101的材料为与MEMS工艺兼容的衬底材料，包括硅和玻璃。
[0042]所述步骤a包括如下步骤:
a20、所述颗粒分离机构基底包括第四基底110，选择性地掩蔽和刻蚀所述第四基底110，以在第四基底110上形成所需的凸起103 ；
如图4所示:在第四基底110的表面旋涂光刻胶，并通过光刻工艺在对应所需的位置形成光刻胶图形，利用RIE技术对第四基底110进行各向异性刻蚀，将光刻胶上的图形转移到第四基底110上，形成凸起103。随后，利用氧等离子体干法去胶以及硫酸/双氧水湿法去胶相结合的方法去除第四基底110表面的光刻胶。
[0043]a21、在上述第四基底110上设置压印预聚体301，所述压印预聚体301覆盖第四基底110表面上形成的凸起103 ；
如图5所示:将一定量的道康宁Sylgardl84有机硅弹性体的主剂和固化剂按10:1的体积比充分搅拌混合产生均匀的气泡，而后静置直至气泡完全消失，得到PDMS的压印预聚体301 ;将所述分布有凸起103的第四基底110水平放置于培养皿中，并在第四基底110上倾倒PDMS的压印预聚体301，使PDMS的压印预聚体301完全覆盖第四基底110表面上形成的凸起103。
[0044]a22、将所述压印预聚体301烘培形成压印聚合体401，并将所述压印聚合体401与第四基底110进行分离，压印聚合体401内通过凸起103形成所需的第二凹槽104，压印聚合体104通过第二凹槽104形成颗粒分离机构框体I。
[0045]如图6所示:在80°C的烘箱中加热40分钟，使PDMS的压印预聚体301交联固化，得到带有第二凹槽10 2的压印聚合体401。本发明实施例中，凸起103的位置与第一凹槽102的位置相对应，当通过凸起103形成第二凹槽102后，能在压印聚合体401上得到空气入口 3、空气出口 17及降尘室机构。
[0046]所述降尘室机构包括第一级降尘室5、第二级降尘室9及第三级降尘室13，所述第一级降尘室5的上方设置第一级挡尘板6，第二级降尘室9的上方设置第二级挡尘板10，第三极降尘室13的上方设置第三级挡尘板14，所述第一级挡尘板6、第二级挡尘板9及第三级挡尘板13与空气入口 3相对应，第一级挡尘板6与第一级降尘室5及第二级降尘室9的结合部形成第一级挡尘间隙7，第二级挡尘板10与第二级降尘室9及第三级降尘室13的结合部形成第二级挡尘间隙11，第三级挡尘板14与颗粒分离机构框体I间形成第三级挡尘间隙15，所述第三级挡尘间隙15与空气出口 17相连通，第三级挡尘间隙15的尺寸不大于
2.5 μ m0
[0047]上述降尘室机构中还包括位于颗粒分离机构框体I内下部的液体流道2，所述液体流道2沿空气入口 3指向空气出口 17的方向分布，并贯通所述颗粒分离机构框体I ;液体流道2与第一级降尘室5、第二级降尘室9及第三级降尘室13分别通过第一级入液口、第二级入液口及第三级入液口相连通。
[0048]第一级挡尘间隙7即为第一级挡尘板6与第一级降尘室5侧壁的间隙，第二级挡尘间隙11即为第二级挡尘板10与第二级降尘室9侧壁的间隙，第三级挡尘间隙15即为第三级挡尘板14与第三级降尘室13侧壁的间隙。第一级降尘室5通过第一级挡尘间隙7与第二级降尘室9相连通，第二级降尘室9通过第二级挡尘间隙11与第三级降尘室13相连通，第三级降尘室13通过第三级挡尘间隙15与空气出口 17相连通。所述第一级挡尘间隙7的尺寸为10-50 μ m，第二级挡尘间隙11的尺寸为5-10 μ m。第一级挡尘板6、第二级挡尘板10及第三级挡尘板14的横向尺寸为50-300 μ m。
[0049]b、在所述颗粒分离机构框体I上设置用于实现半封闭降尘室机构的盖体，以形成颗粒分离机构A ；
本发明实施例中，所述用于实现半封闭降尘室机构的盖体是指盖体能够封闭空气入口
3、空气出口17外的部分，使得空气只能从空气入口 3进入，并只能从空气出口 17进入检测腔体18。进一步地，所述盖体还应该封盖液体流道2的中间部分，即覆盖除液体入口 4及液体出口 19外的部分。
[0050]如图7所示:当采用第一基底101形成颗粒分离机构框体I时，所述盖体采用第二基底201，将第二基底201压盖在颗粒分离机构I上。选取表面平整的第二基底201，将其与设置第一凹槽102的第一基底101键合，其中，第一基底101上的第一凹槽102图形靠近第二基底201的键合面。所述第二基底201的材料包括玻璃、硅、金属和PDMS。当第二基底201的材料为PDMS时，第二基底201和第一基底101之间的键合利用范德华力实现，当第二基底201的材料为硅、玻璃和金属时，其和第一基底101之间的键合利用阳极键合方法实现。
[0051]如图8所示:当采用压印聚合体401形成颗粒分离机构框体I时,盖体采用第三基底501，将第三基底501覆盖在压印聚合体401对应形成第二凹槽104的表面。选取表面平整的第三基底501，将所述压印聚合体401置于第三基底501的表面上，使压印聚合体401中所得到的第二凹槽104的位置固定，利用范德华力实现压印聚合体401和第三基底501的键合。
[0052]C、在颗粒分离机构A的空气出口 17设置PM2.5检测机构B的检测腔体18，所述检测腔体18与空气出口 17相连通；在所述检测腔体18上设置光入射窗口 21及光出射窗口23 ；
如图9所示:制作半封闭腔体，所述半封闭腔体的一端开口，且端面平整；在所述半封闭腔体靠近检测光源20放置位置开设光入射窗口 22，在靠近光探测器21放置位置开设光出射窗口 23 ;利用范德华力或密封胶将所述半封闭腔体开口一端与颗粒分离机构A粘贴键合，构成检测腔体18。所述检测腔体18可以全部采用高红外反射层材料也可以在红外光路中部分设置高红外反射层材料。所述高红外反射层材料包括金属铝、钛、不锈钢，设置所述铝、钛高红外反射层材料的方法包括溅射、蒸发及其之后的图形化处理。检测腔体18的长度为0.1?100mm。
[0053]d、在检测腔体18的外侧设置检测光源20及光探测器21，所述检测光源20与光入射窗口 22对应，光探测器21与光出射窗口 23相对应，检测光源20发出的光线通过检测腔体18上的光入射窗口 22进入检测腔体18内，光探测器21通过检测腔体18上的光出射窗口 23接收检测腔体18内经PM2.5颗粒吸收、散射后的出射光线，所述光探测器21根据出射光线的强度确定并输出PM2.5的浓度值。
[0054]如图10所示:在所述检测腔体18的外侧分别设置检测光源20和光探测器21，所述光探测器21包括红外探测器、紫外探测器和激光探测器，所述红外光探测器包括热释电红外探测器或热电堆红外探测器，其位置靠近光出射窗口 23 ;所述检测光源20为平行光源，其对准光入射窗口 22并与检测腔体18侧壁有一定的距离。
[0055]本发明利用颗粒分离机构A实现空气中不同粒径颗粒的有效分离，并将PM2.5收集到检测腔体18中用于浓度的测试，避免了常规PM2.5浓度测试方法中较大粒径颗粒对测试结果造成的干扰，同时，光线在检测腔体18中可以多次反射，因而增加了光程并增加了光线被PM2.5吸收和散射的次数，从而可有效提高测试的准确性与精度。此外，所述装置体积小，所需的空气采样量小，颗粒分离所需的时间短，可实时提供PM2.5浓度信息。同时，该装置中颗粒分离机构具有高度的可扩展性，可用于检测PM10、PM5、PM2.5或其它粒径的颗粒浓度。该PM2.5过滤结构的制备方法简单，工艺成本低廉，材料的选择范围大，结构的应用安全可靠，应用前景广阔。
【权利要求】
1.一种PM2.5检测装置，其特征是:包括用于将所需定量空气中大于2.5 μ m的颗粒过滤去除的颗粒分离机构(A)以及用于对所述定量空气中PM2.5含量实施检测的PM2.5检测机构(B)，所述颗粒分离机构(A)的出口端与PM2.5检测机构(B)的入口端连接，所述PM2.5检测机构(B)包括检测腔体(18)，所述检测腔体(18)的外侧设置检测光源(20)及光探测器(21)，检测光源(20)发出的光线通过检测腔体(18)上的光入射窗口(22)进入检测腔体(18)内，光探测器(21)通过检测腔体(18)上的光出射窗口(23)接收检测腔体(18)内经PM2.5颗粒吸收、散射后的出射光线，所述光探测器(21)根据出射光线的强度确定并输出PM2.5的浓度值。
2.根据权利要求1所述的PM2.5检测装置，其特征是:所述检测光源(20)包括红外光源、紫外光源和激光光源，光探测器(21)包括红外探测器、紫外探测器和激光探测器。
3.根据权利要求1所述的PM2.5检测装置，其特征是:所述颗粒分离机构(A)包括颗粒分离机构框体(1)，所述颗粒分离机构框体(I)内的一端设置空气入口(3)，另一端设置空气出口(17)，所述空气出口(17)通过降尘室机构与空气入口(3)相连通；所述降尘室机构包括第一级降尘室(5)、第二级降尘室(9)及第三级降尘室(13)，所述第一级降尘室(5)的上方设置第一级挡尘板(6)，第二级降尘室(9)的上方设置第二级挡尘板(10)，第三极降尘室(13)的上方设置第三级挡尘板(14)，所述第一级挡尘板(6)、第二级挡尘板(9)及第三级挡尘板(13)与空气入口(3)相对应，第一级挡尘板(6)与第一级降尘室(5)及第二级降尘室(9 )的结合部形成第一级挡尘间隙(7 )，第二级挡尘板(10 )与第二级降尘室(9 )及第三级降尘室(13)的结合部形成第二级挡尘间隙(11)，第三级挡尘板(14)与颗粒分离机构框体(I)间形成第三级挡尘间隙(15 )，所述第三级挡尘间隙(15 )与空气出口( 17 )相连通，第三级挡尘间隙(15)的尺寸不大于2.5 μ m。
4.根据权利要求3所述的PM2.5检测装置，其特征是:所述颗粒分离机构框体(I)内的下部设置液体流道(2)，所述液体流道(2`)沿空气入口( 3)指向空气出口( 17)的方向分布，并贯通所述颗粒分离机构框体(I);液体流道(2)分别通过第一级入液口(8)、第二级入液口(12)及第三级入液口(16)与第一级降尘室(5)、第二级降尘室(9)及第三级降尘室(13)相连通。
5.根据权利要求2所述的PM2.5检测装置，其特征是:所述检测腔体(18)的长度为0.f 100mm，检测腔体(18)内涂覆有高反射层。
6.根据权利要求3所述的PM2.5检测装置，其特征是:所述第一级挡尘间隙(7)的尺寸为10-50μπι，第二级挡尘间隙(11)的尺寸为5-ΙΟμπι。
7.一种ΡΜ2.5检测装置的制备方法，其特征是，所述ΡΜ2.5检测装置的制备方法包括如下步骤: (a)、提供所需的颗粒分离机构基底，选择性地掩蔽和刻蚀所述颗粒分离机构基底，以在所述颗粒分离机构基底上得到所需的颗粒分离机构框体(1)，所述颗粒分离机构框体(I)包括位于一端的空气入口(3)及位于另一端的空气出口(17)，所述空气出口(17)通过降尘室机构与空气入口(3)相连通； (b)、在所述颗粒分离机构框体(I)上设置用于实现半封闭降尘室机构的盖体，以形成颗粒分离机构(A)； (C)、在颗粒分离机构(A)的空气出口(17)设置PM2.5检测机构(B)的检测腔体(18)，所述检测腔体(18)与空气出口(17)相连通；在所述检测腔体(18)上设置光入射窗口(21)及光出射窗口(23)； (d)、在检测腔体(18)的外侧设置检测光源(20)及光探测器(21)，所述检测光源(20)与光入射窗口(21)相对应，光探测器(21)与光出射窗口(23)相对应，检测光源(20)发出的光线通过检测腔体(18 )上的光入射窗口( 22 )进入检测腔体(18 )内，光探测器(21)通过检测腔体(18)上的光出射窗口(23)接收检测腔体(18)内经PM2.5颗粒吸收、散射后的出射光线，所述光探测器(21)根据出射光线的强度确定并输出PM2.5的浓度值。
8.根据权利要求7所述的PM2.5检测装置的制备方法，其特征是，所述步骤(a)包括如下步骤: (alO)、所述颗粒分离机构基底包括第一基底(101)，选择性地掩蔽和刻蚀所述第一基底(101)，以在所述第一基底(101)上得到所需的第一凹槽(102)，以通过第一凹槽(102)形成颗粒分离机构框体(I)。
9.根据权利要求7所述PM2.5检测装置的制备方法，其特征是，所述步骤(a)包括如下步骤: (a20)、所述颗粒分离机构基底包括第四基底(110)，选择性地掩蔽和刻蚀所述第四基底(110)，以在第四基底(110)上形成所需的凸起(103)； (a21)、在上述第四基底(110)上设置压印预聚体(301)，所述压印预聚体(301)覆盖第四基底(110)表面上形成的凸起(103)； (a22)、将所述压印预聚体(301)烘培形成压印聚合体(401)，并将所述压印聚合体(401)与第四基底(110)分离，压印聚合体(401)内通过凸起(103)形成所需的第二凹槽 (104)，压印聚合体(401)通过第二凹槽(104)形成颗粒分离机构框体(I )。
10.根据权利要求7所述PM2.5检测装置的制备方法，其特征是:所述降尘室机构包括第一级降尘室(5 )、第二级降尘室(9 )及第三级降尘室(13 )，所述第一级降尘室(5 )的上方设置第一级挡尘板(6)，第二级降尘室(9)的上方设置第二级挡尘板(10)，第三极降尘室(13)的上方设置第三级挡尘板(14)，所述第一级挡尘板(6)、第二级挡尘板(9)及第三级挡尘板(13)与空气入口(3)相对应，第一级挡尘板(6)与第一级降尘室(5)及第二级降尘室(9)的结合部形成第一级挡尘间隙(7)，第二级挡尘板(10)与第二级降尘室(9)及第三级降尘室(13)的结合部形成第二级挡尘间隙(11 )，第三级挡尘板(14)与颗粒分离机构框体(I)间形成第三级挡尘间隙(15 )，所述第三级挡尘间隙(15 )与空气出口( 17 )相连通，第三级挡尘间隙(15)的尺寸不大于2.5 μ m。
【文档编号】G01N15/06GK103454194SQ201310400323
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年9月5日 优先权日:2013年9月5日
【发明者】毛海央, 谌灼杰, 欧文, 吴文刚 申请人:江苏物联网研究发展中心