基于3d打印技术的虚拟冲撞器与微粒分离与浓度检测器及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微机电系统(MEMS)技术领域中的传感器领域，具体涉及一种基于3D打印技术的虚拟冲撞器与微粒分离与浓度检测器及方法。
【背景技术】
[0002]微流量系统是使用尺寸在几十到几百微米的微流道处理或操作微量流体的系统。微流控制系统技术最初应用在分析领域，它具有使用样本和试剂量小、分离和探测的分辨率和灵敏度高、成本低、分析时间短，可重复利用的优点。微流控技术不仅有小尺寸的特点，该技术还利用了其中流体的流动特性，如层流。它对微粒的收集、分离等应用提供了新的方法。
[0003]石英晶振微天平把质量、密度和粘度等信息转化为频率信号，即可以把石
[0004]英晶振电极表面质量、密度和粘度等改变转换成振动频率的改变，通过测量频率的变化来反映质量、密度和粘度等信息的变化。QCM传感器振荡频率对电极表面的质量负载和反应体系物理性状如密度、粘度、电导率的改变高度敏感，具有纳克级的质量响应灵敏度。
[0005]在特定的条件下，石英晶体上的电极表面吸附待测物质时。它的固有频率就会发生改变，且频率的变化量与吸附质量相关，在石英晶体上的电极表面镀上一层湿敏材料薄膜，当湿敏薄膜吸附待测物质后，通过测量QCM传感器的频率变化即可获得待测物质的浓度。
[0006]3D打印或快速成型技术，是将粉末状固体粘合或液体固化，通过逐层打印的方式构造物体的技术。使用3D打印或快速成型技术加工微粒分离器的优势在于可轻松实现复杂空间的立体微流道设计，不受切割刀具等的限制。
[0007]Jarami I 1等人通过静电分级器(DMA)基于电子迀移率选择直径10纳米
[0008]以下的微粒，并用多孔传导电极收集带电微粒【I】。通过梳齿状驱动器使电容式静电计在高频下工作，从而达到减少静电计受噪声干扰的目的。这种方法虽然有很高的分辨率，但是过分依赖梳齿状的感应结构使其成本过高、稳定性低、可靠性差不利于大规模应用。Carminati等人利用空气中的微粒可以改变电容的相对介电常数，设计制造了一种用于PM个人监测的仪器【2】。这种PM检测仪可重复性较差、灵敏度低。Paprotny等人使用质量改变引起体声波谐振器(FBAR)的谐振频率改变的原理来测量PM浓度【3】。但由于FBAR的制造技术复杂，也不利于大规模应用。
[0009]为了提高传感器的便携性与可集成性，需要进一步的减小体积，这就需要减少微流道的整体尺寸，为了达到分离要求，喷口尺寸为1_，还需要设计成折叠延伸式，因而微流道结构较为复杂，使用微加工存在刻蚀深度过大，难以实现，成本较高等缺点，使用传统精密机械加工存在工艺复杂，误差较大等缺点，且两者都存在着难以克服的装配问题，对于要求密封的微流道，装配产生的误差对于装置的负面作用变得十分的显著，使用3D打印或快速成型技术加工微粒分离器的优势在于可轻松实现复杂空间的立体流道设计，不受切割刀具的等的限制，且加工精度足以实现Imm的微流道。
[0010]因此有必要提供一种输出信号稳定、易于实现、分辨率高且适合大规模生产的微粒分离与浓度检测器。
[0011]引用文献:
[0012]【l】Gerardo JaramiI1,Cesare Buffa,Mo Li ,Fred J.Brechtel,GiacomoLangfelder,and David A.Horsley.MEMS electrometer with femtoampere resolut1nfor aerosol particulate measurements[J].1EEE Sensors Journal,2013.13(8):2993-3000
[0013][2]M.Carminati et al.Capacitive detect1n of micrometric airborneparticulate matter forsolid-state personal air quality monitors[J].Sensorsand Actuators A!Physical,2014.219:80-87
[0014][3]Igor Paprotny et al.Microfabricated air-microfluidic sensor forpersonal monitoring of airborneparticulate matter:Design，fabricat1n，andexperimental results[J],Sensors and Actuators A!Physical,2014.201:506-516
【发明内容】
[0015]为了克服微粒分离与浓度检测器输出不稳定、实现复杂、分辨率低或不利于大规模生产的不足，本发明提供了一种基于3D打印技术的虚拟冲撞器与石英晶体微天平的微粒分离与浓度检测器及其方法，该微粒分离与浓度检测器不仅具有高分辨率，容易检测出输出信号，而且结构简单适合大规模生产。
[0016]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0017]一种基于3D打印技术的虚拟冲撞器与微粒分离与浓度检测器，包括传感器支架
(I)、石英晶体微天平传感器(2)和虚拟冲撞器(6);所述的虚拟冲撞器(6)中开设有一条小流量通道(3)、两条大流量通道(4)和一个微粒入口(5)，小流量通道(3)由连通的小流量通道水平部(301)和小流量通道上升部(302)组成，大流量通道(4)由连通的大流量通道水平部(401)和大流量通道上升部(402)组成，微粒入口(5)正对小流量通道水平部(301)的入口，两条大流量通道水平部(401)对称布置于小流量通道水平部(301)两侧;微粒入口( 5)、小流量通道水平部(301)和大流量通道水平部(401)处于同一平面上形成一个三向气体孔，使空气流入微粒入口(5)后被分成三路。成平直状能够尽量增大压力差。所述的石英晶体微天平传感器(2)嵌入式固定于传感器支架(I)底部，传感器支架(I)固定于虚拟冲撞器(6)顶部且两者之间存在一个空腔，小流量通道上升部(302)和两条大流量通道上升部(402)的出口均位于该空腔中，且石英晶体微天平传感器(2)位于其中一条大流量通道上升部(402)出口的上方;传感器支架(I)上开设有与空腔相通的排气口。
[0018]作为优选，所述的小流量通道上升部(302)呈折叠式。由于大流量通道出口压力应该比小流量通道出口压力高，为了实现这种压力差，因此要增加流小流量通道的长度，将其折叠延伸，增加了沿途压力损失，在保证压力差相等的情况下，减小了长度与面积。而将小流量通道进行上述设计不仅实现了压差，同时也能大大减小整个虚拟冲撞器(6)的体积。
[0019]作为优选，所述的大流量通道上升部(402)在虚拟冲撞器(6)中垂直设置，而且两条大流量通道(4)以小流量通道(3)为中心左右对称分布。对称结构能够使气体进入时，左右两侧分布均匀，使最终的检测结果更加准确。
[0020]作为优选，所述的石英晶体微天平谐振传感器中心为石英晶体，石英晶体两面分别设置电极层，并在整体外部涂布一层光刻胶。
[0021]作为优选，所述的虚拟冲撞器(6)中:小流量通道水平部(301)截面呈ImmXImm的正方形，大流量通道水平部(401)入口呈2mm X Imm的长方形，微粒入口(5)截面呈Imm X Imm的正方形，大流量通道(4)和小流量通道(3)出口压差设置为79Pa。上述设计下，可以使PM2.5达到90%的分离率。
[0022]作为优选，所述的小流量通道(3)、大流量通道(4)和微粒入口(5)均通过3D打印技术在虚拟冲撞器(6)形成。近年来，基于3D打印技术的机械系统越来越多的引起人们的关注，其原理是将粉末状固体粘合或液体固化，通过逐层打印的方法制造零件，应用3D打印加工虚拟冲撞器的优势在于可轻松实现复杂空间的立体微流道设计，不受切割刀具的限制，且加工精度足以实现Imm左右的微流道，成本相对较低，而且一次成型，不需要进行装配，消除了装配误差。本方案使用的3D打印机原理是利用光固化和投影仪数字光处理(DigitalLight Processing，DLP)技术通过可见光将光敏树脂逐层固化成的3D对象，3D对象从上到下逐层创建堆积而成。在3D打印过程中，在无材料填充区域要使用支撑液体进行填充并固化，以支持下一层打印，最终将固化的支撑材料排出，形成空腔，进而成为想要的微流道形状，从而大大减小装置大小，使其能做成微型结构集成于移动设备或便携式设备中。
[0023]本发明的另一目的在于提供一种使用所述检测器进行微粒分离与浓度检测方法，包括如下步骤:
[0024]I)将传感器支架(I)上的排气口依次与流量计、节流阀、真空栗相连，石英晶体微天平传感器(2)与阻抗分析仪相连；
[0025]2)利用真空栗产生负压，通过流量计与节流阀调节流量，将空气中的颗粒进行分离;并利用阻抗分析仪测得石英晶体微天平传感器(2)的谐振频率变化速率，再换算得到空气中PM微粒的质量，进而计算PM微粒浓度值。
[0026]从上述的技术方案可以看出，本发明的有益效果是:采用3D打印技术直接成型虚拟冲撞器，避免了装配误差，维持了精确的校准，同时器壁热损失小，能够保证结构的简洁与稳定性;石英晶体微天平谐振传感器由正反双面电极，石英晶体组成，切方式为AT，首先使用银胶将铜线链接在QCM平面与凹面电极处，银胶固化后将QCM涂布一薄层光刻胶，使其粘附上微粒，使得微小的质量变化转化为频率的改变，得到较高的分辨率;器件结构稳定，可以在室温环境下工作，工作稳定。
【附图说明】
[0027]图1是基于3D打印技术的虚拟冲撞器与微粒分离与浓度检测器的整体结构示意图；
[0028]图2是基于3D打印技术的虚拟冲撞器与微粒分离与浓度检测器的内部结构示意图；
[0029]图3是本发明的虚拟冲撞器顶部结构示意图；
[0030]图4是本发明的虚拟冲撞器内部通道结构示意图；[0031 ]图5是本发明的系统工作流程图；
[0032]图6是流量分配和微粒分离原理图；
[0033]图7是系统测试示意图；
[0034]图8是QCM的谐振频率与时间的相关关系图；
[0035]图9是本发明实施例1中的载玻片测试效果图，a)是两侧大流量通道的载玻片颗粒物检测结果，b)是中间小流量通道载玻片颗粒物检测结果。
【具体实施方式】
[0036]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合附图