[发明专利]一种粉尘浓度检测装置及检测方法

说明书

技术领域

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

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。

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≤10μm的颗粒物称为可吸入颗粒物,而将空气动力学当量直径≤7.07μm的颗粒物称为呼吸性颗粒物。

现在比较常用的检测方法主要有光散射法、β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

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。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

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。

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。

作为实施例，所述的玻璃衬底与锥状电极之间的距离大于锥状电极的高度。

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。

作为实施例，所述的淀积电阻的厚度为0.5μm。

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。

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。

作为实施例所述的锥状电极为圆锥状。

一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：

其中，P表示粒子渗透率，n_p表示粉尘平均带电荷量，d_p表示粉尘直径，单位μm；根据式(1)求解出n_p；

其中，ΔR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表示悬臂梁的长度，E_Y表示悬臂梁的杨氏模量，w表示一个悬臂梁的宽度，t表示悬臂梁的厚度；F表示悬臂梁所受的力；依据式(2)求解出F；

F＝E*n*n_p式(3)

其中，F表示悬臂梁所受的力，E表示悬臂梁所在处的外加电场强度，n表示粉尘数量；n_p表示粉尘平均带电荷量。

作为实施例，所述的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。