一种粉尘浓度检测装置及检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于微机械系统技术领域，具体来说，涉及一种粉尘浓度检测装置及检测 方法。
【背景技术】
[0002] 粉尘是由大气中来源于土壤、风化、火山喷发和污染产生的，微粒所构成的物质。 在家庭、办公室、和其他人类生存环境中的粉尘包含植物种子、毛发、织物和纸张纤维、户外 矿物、土壤、人类皮肤细胞等。
[0003] 空气中的粉尘浓度是衡量空气质量的一个重要指标，空气中的悬浮颗粒物（也称 "粉尘"）对人体健康危害极大，尤其以小粒径颗粒物为甚。环境保护部门将空气动力学当 量直径< 10ym的颗粒物称为可吸入颗粒物，而将空气动力学当量直径< 7. 07ym的颗粒 物称为呼吸性颗粒物。
[0004] 现在比较常用的检测方法主要有光散射法、e射线法和微重量天平法、静电感应 法、压电天平法。在用于微结构时，主要有光学法检测和谐振器检测。光学检测是最常用的 用来检测，统计微/纳米微粒尺寸测量的方法。在最简单光学颗粒传感器，颗粒物在经过激 光束的时候由光电检测器检测到。这种光学测量技术有时候并不能达到需要的分辨率，并 且光波长受到检测颗粒尺寸的限制。同时，还需要一些光学元件，使整个系统更加复杂，昂 贵和笨重。谐振质量传感器，如石英晶体微天平（QCM)，表面声波（SAW)，和薄膜体声波谐振 器（FBAR)已被用来作为光传感应用技术的代替品。这种装置可以通过其谐振频率的变化 来检测空气中的颗粒沉积在其表面在的累积质量。然而，它们不能提供颗粒计数和粒度分 布数据。这就需要单个粒子的质量测量。此外，在大多数情况下，他们没有设计所需的灵敏 度。
【发明内容】
[0005] 技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种粉尘浓度检测装置及检测方 法，该装置避免了传统的检测装置体积大响应慢的问题，具有便于携带，响应迅速的特点。
[0006] 技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
[0007] -种粉尘浓度检测装置，该检测装置包括淀积电阻、悬臂梁、玻璃衬底、锥状电极 和硅衬底；其中，悬臂梁的端面与硅衬底的端面固定连接，淀积电阻位于悬臂梁与硅衬底接 触部位的顶部，且淀积电阻连接悬臂梁与硅衬底；淀积电阻的两端由金属导线引出；锥状 电极固定连接在硅衬底上表面，且锥状电极的表面设有钛铜合金层；玻璃衬底位于锥状电 极的上方，玻璃衬底上设有通孔，且玻璃衬底的表面设有镍涂层。
[0008] 作为实施例，所述的淀积电阻为两个，两个淀积电阻沿悬臂梁横向中心线对称布 设，且两个淀积电阻通过导线串联。
[0009] 作为实施例，所述的玻璃基板与锥状电极之间的距离大于锥状电极的高度。
[0010] 作为实施例，所述的淀积电阻的厚度小于悬臂梁厚度的十分之一。
[0011] 作为实施例，所述的淀积电阻的厚度为〇. 5um。
[0012] 作为实施例，所述的淀积电阻由多晶硅制成，金属导线由铜制成。
[0013] 作为实施例，所述的钛铜合金层覆盖在锥状电极的整个表面。
[0014] 作为实施例所述的锥状电极为圆锥状。
[0015] -种粉尘浓度检测方法，该检测方法包括以下过程：首先向检测装置的锥状电极 上施加高电压，并在悬臂梁的上方施加恒定电场，然后将粉尘气流通入检测装置的锥状电 极和玻璃衬底之间的通道中，粉尘吸附电荷从而带电；带电粉尘到达悬臂梁的上方，沉积在 悬臂梁的上表面，对悬臂梁施加压力，最后依据式（1)、式（2)和式（3)测算粉尘数量n:
[0016]
【主权项】
1. 一种粉尘浓度检测装置，其特征在于，该检测装置包括淀积电阻（1)、悬臂梁（2)、玻 璃衬底⑶、锥状电极⑷和硅衬底⑵；其中， 悬臂梁（2)的端面与硅衬底（7)的端面固定连接，淀积电阻（1)位于悬臂梁（2)与硅 衬底（7)接触部位的顶部，且淀积电阻（1)连接悬臂梁（2)与硅衬底（7);淀积电阻（1)的 两端由金属导线（5)引出；锥状电极（4)固定连接在硅衬底（7)上表面，且锥状电极（4)的 表面设有钛铜合金层(6);玻璃衬底（3)位于锥状电极（4)的上方，玻璃衬底（3)上设有通 孔，且玻璃衬底（3)的表面设有镍涂层。
2. 按照权利要求1所述的粉尘浓度检测装置，其特征在于，所述的淀积电阻（1)为两 个，两个淀积电阻（1)沿悬臂梁（2)横向中心线对称布设，且两个淀积电阻（1)通过导线串 联。
3. 按照权利要求1所述的粉尘浓度检测装置，其特征在于，所述的玻璃基板（3)与锥状 电极（4)之间的距离大于锥状电极（4)的高度。
4. 按照权利要求1所述的粉尘浓度检测装置，其特征在于，所述的淀积电阻（1)的厚度 小于悬臂梁（2)厚度的十分之一。
5. 按照权利要求4所述的粉尘浓度检测装置，其特征在于，所述的淀积电阻（1)的厚度 为 0? 5um。
6. 按照权利要求1所述的粉尘浓度检测装置，其特征在于，所述的淀积电阻（1)由多晶 硅制成，金属导线（5)由铜制成。
7. 按照权利要求1所述的粉尘浓度检测装置，其特征在于，所述的钛铜合金层（6)覆盖 在锥状电极（4)的整个表面。
8. 按照权利要求1至7中任何一项所述的粉尘浓度检测装置，其特征在于，所述的锥状 电极⑷为圆锥状。
9. 一种粉尘浓度检测方法，其特征在于，该检测方法包括以下过程： 首先向检测装置的锥状电极（4)上施加高电压，并在悬臂梁（2)的上方施加恒定电场， 然后将粉尘气流通入检测装置的锥状电极（4)和玻璃衬底（3)之间的通道中，粉尘吸附电 荷从而带电；带电粉尘到达悬臂梁（2)的上方，沉积在悬臂梁（2)的上表面，对悬臂梁（2) 施加压力，最后依据式（1)、式（2)和式（3)测算粉尘数量n :
其中，P表示粒子渗透率，np表示粉尘平均带电荷量，d p表示粉尘直径，单位um ;根据式 ⑴求解出np;
其中，AR表示淀积电阻的电阻变化；R表示淀积电阻的电阻；G表示淀积电阻的应变系 数；L表示悬臂梁（2)的长度，Ey表示悬臂梁（2)的杨氏模量，w表示一个悬臂梁（2)的宽 度，t表示悬臂梁（2)的厚度；F表示悬臂梁（2)所受的力；依据式（2)求解出F ; F = E*n*np 式⑶ 其中，F表示悬臂梁（2)所受的力，E表示悬臂梁（2)所在处的外加电场强度，n表示粉 尘数量；np表示粉尘平均带电荷量。
10.按照权利要求9所述的粉尘浓度检测方法，其特征在于，所述的检测装置包括淀积 电阻（1)、悬臂梁（2)、玻璃衬底（3)、锥状电极⑷和硅衬底（7);其中， 悬臂梁（2)的端面与硅衬底（7)的端面固定连接，淀积电阻（1)位于悬臂梁（2)与硅 衬底（7)接触部位的顶部，且淀积电阻（1)连接悬臂梁（2)与硅衬底（7);淀积电阻（1)的 两端由金属导线（5)引出；锥状电极（4)固定连接在硅衬底（7)上表面，且锥状电极（4)的 表面设有钛铜合金层(6);玻璃衬底（3)位于锥状电极（4)的上方，玻璃衬底（3)上设有通 孔，且玻璃衬底（3)的表面设有镍涂层。
【专利摘要】<b/><b/>本发明公开了一种粉尘浓度检测装置，该检测装置包括淀积电阻、悬臂梁、玻璃衬底、锥状电极和硅衬底；其中，悬臂梁的端面与硅衬底的端面固定连接，淀积电阻位于悬臂梁与硅衬底接触部位的顶部，且淀积电阻连接悬臂梁与硅衬底；淀积电阻的两端由金属导线引出；锥状电极固定连接在硅衬底上表面，且锥状电极的表面设有钛铜合金层；玻璃衬底位于锥状电极的上方，玻璃衬底上设有通孔，且玻璃衬底的表面设有镍涂层。还公开了粉尘浓度检测方法。该检测装置和方法避免了传统的检测装置体积大响应慢的问题，具有便于携带，响应迅速的特点。
【IPC分类】G01N15-06
【公开号】CN104819918
【申请号】CN201510220545
【发明人】陈洁, 惠肇宇
【申请人】东南大学
【公开日】2015年8月5日
【申请日】2015年5月4日