用于检测空气中的颗粒物的传感器及检测设备的制造方法_2

文档序号:10127936阅读:来源:国知局
具体结构及制造方法将在下文做进一步详细描述。
[0028]驱动电路2包括,例如用于控制所述传感器的控制电路,以及用于为传感器和控制电路供电的电源。具体地,控制电路包括,例如控制传感器中的发光元件发光的光源控制电路,以及接收传感器的光检测元件输出的检测信号并进行相应的运算处理的光检测元件控制电路。举例来说,例如,发光元件采用650nm的红光激光芯片,光检测元件采用光电二极管的情况下,控制电路可以提供脉冲发光信号给激光芯片,以及以一定频率读取该光电二极管的输出电流,经运算处理后得到例如,待测空气中所含某尺寸范围的颗粒物的浓度的作为检测结果。所述驱动电路还可实现控制,以将作为检测结果的上述颗粒物浓度的数值以某种形式显示到外设的所述显示设备3上,如智能设备的屏幕。
[0029]显示设备3,例如可以为液晶显示器,或其他智能显示设备,其用于显示经驱动电路2运算处理后获得的最终用于显示的检测结果,其可以是空气中某范围大小的颗粒个数或者其质量浓度,例如PM2.5的浓度数据,也可以是所述颗粒物散射到光检测元件122的光信号的强度等。
[0030]下面结合图2说明本实用新型的一优选实施例的传感器立体结构示意图。如图2所示,所述传感器1包括上、下两个里侧互相面对而粘合在一起的部分。上部分主要形成待测空气的流通通道,包括在其里侧上形成的颗粒筛选器,以及分别大致轴对称地设置多个光源腔和多个探测腔,以及形成在其上的贯穿的、分别作为待测空气进入和排出的进气口和出气口进气口、出气口等结构。下部分设置发光元件及光检测元件以及电路等结构,包括在对应于所述光源腔和探测腔的范围内,在其里侧分别大致轴对称地设置多个发光元件和多个光检测元件。另外,所述轴为进气口中心与出气口中心连线形成的轴。
[0031]以下结合图3(a)、(b)对所述传感器的上、下两部分的具体结构及其工作原理进行详细说明。如图3(a)、(b)所示,分别示出了根据本实用新型一优选实施例的上部分11和下部分12的平面结构示意图。图3 (a)为所述上部分11的平面结构示意图,图3(b)为所述下部分12的平面结构示意图。
[0032]其中,上部分11包括空气进气口 111、颗粒筛选器112、大致轴对称设置的两个探测腔113、大致轴对称设置的两个光源腔114、以及空气流出的出气孔115。其中,进气口111、颗粒筛选器112、两探测腔113、以及出气口 115成为待检测空气在其中流通并经受检测的气流通道。下部分12包括用于实现检测的发光元件121、光检测元件122等电子元件,以及必要的电路(未示出)。其中发光元件121、光检测元件122在下部分12上设置在对应于上部分11上的光源腔114、探测腔113对应的位置处。
[0033]待检测空气从进气口 111进入到传感器,并首先经过颗粒筛选器112。颗粒筛选器12可以选用已知的筛网,设置在进气口之后的空气通道中的适当位置处。本实用新型提出一种优选的颗粒筛选器112,其包括空气最先通过一段狭窄的通道(第一通道)(如图3(a)所示从进气口 111开始的向右的箭头所示的通道),并获得一定的流速。该第一通道可以是微通道,举例来说,如果采用普通硅片材料制作所述传感器1,硅片厚度为500um,则所述微通道的宽度和深度均优选200um,长度则在1mm以上。需要说明的是,此仅为举例说明,而非限制性的。当该气流到达该段狭窄通道的末端时,气流将沿三个方向前进,即如图3(a)所示向上、向下以及最右侧向右的箭头所示的三个方向,也就是说获得一个预定流速的气流将直行(第三通道)或左右转弯(第二通道)。从而,空气中携带的颗粒物会随着气流进入不同的前进通道。其中,质量较大的大颗粒物由于惯性较大,因此继续前进,即沿着图3(a)所示的最右侧箭头指示的方向直行,而质量较小的细颗粒物则相对容易地改变运动方向,即随气流沿如图3(a)所示的上、下箭头指示的方向前进,并进一步进入到两探测腔113,最终从出气孔115流出。
[0034]以上,通过如图3(a)所设置的颗粒筛选器112,实现了对待测空气中的颗粒物的初步筛选。此种颗粒筛选也称“虚拟”筛选,其利用颗粒物的空气动力学原理,对颗粒物的运动轨迹进行定向改变,从而实现对颗粒物的筛选。采用该种筛选方式,无需设置特定孔径的筛网进行筛选,从而避免了使用筛网进行筛选时,大颗粒物会在筛网的网眼处堆积,长时间使用发生堵塞,需要定期更换筛网等缺陷。取得了简化传感器结构、节约制造成本等有益效果。
[0035]同时,优选地,进气口 111设计的比出气口 115小,从而使得待测空气易于在传感器1的进气口 111与出气口 115之间形成具有一定流速的从进气口到出气口的气流。
[0036]此外,在光源腔114与探测腔113之间,设置有一段狭窄的通道,例如微通道,该通道的以能够起到光线准直器的作用为准,即,该狭窄通道成为入射光准直器,使得从发光元件121发出的具有一定分散角度的光通过该通道而被准直,以便以近乎直线的方式进入探测腔113。当然,所述光线准直器并非必须设置的元件,而其形式也不限于上述狭窄通道,其可以通过在光路上设置具有准直功能的微光学元件,例如准直透镜来实现。
[0037]如图3(b)所示,传感器1的下部分12上大致轴对称地设置有两个发光元件121,其为例如激光二极管,或者其他的发光二极管,其可以以光源芯片的方式存在。根据发光元件121及光源腔114的尺寸关系,该发光元件121可以直接设置于形成传感器1的下部分的基板的表面,或者在所述基板上形成凹槽,将该发光元件设置在凹槽中。该发光元件121在所述基板上的位置正对形成在传感器1上部分11上的光源腔114的范围内,且优选对准所述入射光准直器的位置。当然,其也可以根据需要设置在光源腔范围内的其它位置,通过利用微光学元件将该发光发出的光引导至上述入射光准直器即可。
[0038]类似的,大致轴对称地设置光检测元件122,其可以是光敏二极管,或者其它任何类型能实现本实用新型检测目的的感光元件。并且,其可以以光探测器芯片的形式存在。优选地,在所述基板上形成凹槽,将该光检测元件122设置在凹槽中,从而适当降低光检测元件的高度,同时凹槽起到一定的聚光效果,提高了光检测的灵敏度。并且,该光检测元件122优选设置在所述基板上正对形成在所述传感器1的上部分12上的探测腔113的范围内,优选与所述入射光准直器对焦。进一步优选,该光检测元件122设置在对准上述入射光准直器,且位于探测腔113的与入射准直器相对的一角。上述位置并非限制性的,也可通过相应的设置反射镜、透镜等光学元件将光束引导到所述光检测元件122上,从而该光检测元件可以根据设计需要而设置在任意可行位置,以尽量避免入射光线直接照射到光检测元件表面为原则。
[0039]另外,为实现必要的信号传输及电源供给等,下部分12的基板表面相应地设置有电路(未示出),从而实现发光元件121和光检测元件122与例如驱动电路等的电路连接。
[0040]根据本实用新型的传感器1的上、下部分11、12的结构形成在基板上,所述基板的材料可以是硅片或聚合物材料。此外,还可以根据需要设置光学减反射膜,以减少因腔体内表面等的光线反射造成的干扰,从而进一步提尚检测精度。
[0041]接下来,描述传感器1对筛除了大颗粒物的待测空气进行颗粒物检测的方法。传感器1利用光学散射原理,对随气流沿如图3(a)所示的上、下箭头指示的方向前进,并进入到两探测腔113内的包含细颗粒物的待测空气中细颗粒物的浓度进行检测。发光元件114发出的光经所述入射光准直器后入射到探测腔113。在待检测空气中没有颗粒物对光线进行散射的情况下,光线几乎直接从探测腔113射出,而不会有光线照射到光检测元件122上。相反地,当待检测空气形成的气流中携带颗粒物的情况下,在气流流经探测腔113时,空气中的颗粒物会对入射的光线大量地进行散射。而由于散射光线方向的随机性,将会有光线照射到光检测元件122上。利用所述驱动电路对所述光检测元件122输出的信号进行运算处理,即可以得到表征待测空气质量的测量结果。作为表征所述空气质量的测量结果,可以是空气中某范围大小的颗粒物个数或者
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