微型pm2.5檢測傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種微型PM2.5檢測傳感器，它包括基板、設(shè)置在基板上的入射光通道、檢測光通道以及開設(shè)在基板上的氣體通道，入射光通道、檢測光通道和氣體通道兩兩垂直并相交，相交處為檢測區(qū)域，入射光通道包括一端與激光器相連接另一端連接在基板上的入射光纖、用于將光線匯聚在檢測區(qū)域的中心位置的微柱面透鏡組，檢測光通道包括一端與檢測裝置相連接另一端連接在基板上的檢測光纖、設(shè)置在檢測區(qū)域底部的反射鏡。通過采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明微型PM2.5檢測傳感器，集成在一塊石英玻璃芯片上，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)方便，降低了傳感器的制作成本，解決了普通民眾對PM2.5的檢測需求。
【專利說明】微型PM2.5檢測傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于測量大氣中PM2.5污染濃度的檢測裝置，尤其涉及一種基于光學(xué)顆粒計數(shù)原理的微型PM2.5檢測傳感器，該傳感器適用于個人或者家庭等PM2.5濃度檢測的普通民用市場需求。
【背景技術(shù)】[0002]面對著頻繁發(fā)生的嚴重霧霾天氣，大氣污染已經(jīng)成為整個社會共同關(guān)注的內(nèi)容。PM2.5濃度是評價大氣污染程度的關(guān)鍵指標之一。越來越多的普通民眾希望自己能對大氣PM2.5污染濃度進行檢測。PM2.5是指大氣中空氣動力學(xué)粒徑小于2.5微米氣溶膠粒子。目前的PM2.5檢測方式主要有稱重法、微振蕩天平法、β射線法和光散射法。稱重法測量過程復(fù)雜，需要專業(yè)人士進行操作；微振蕩天平法和β射線法可以實現(xiàn)自動測量，但是不能進行實時檢測，而且儀器價格昂貴，體積比較大，不適合普通個人和家庭等民用檢測的需求。光散射法是根據(jù)微小顆粒對光的散射原理對ΡΜ2.5進行檢測，它分為濁度法和顆粒計數(shù)法。濁度法是根據(jù)檢測腔內(nèi)所有粒子散射光強度的大小計算顆粒物的濃度。濁度法檢測精度低，本身只能測量出總的顆粒物的濃度，并不能單獨檢測出ΡΜ2.5的質(zhì)量濃度。光學(xué)顆粒計數(shù)法根據(jù)單個粒子的散射光大小測量粒子的粒徑，從而求出氣體采樣體積內(nèi)顆粒物的大小和分布，計算出ΡΜ2.5顆粒物的濃度?；诠鈱W(xué)顆粒計數(shù)原理的ΡΜ2.5檢測儀器可以進行實時檢測，測量方便，比較適合于個人或家庭等普通民用檢測市場。國內(nèi)外的幾家生產(chǎn)企業(yè)推出了幾款基于光學(xué)顆粒計數(shù)原理的手持式ΡΜ2.5檢測儀，它們的價格在幾千元至幾萬元之間，超出了大多數(shù)個人或家庭的期望價格，限制了該類產(chǎn)品在市場的推廣應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低的微型ΡΜ2.5檢測傳感器，適用于普通個人或家庭民用市場，以解決普通民眾對ΡΜ2.5的檢測需求。
[0004]為了達到以上目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:微型ΡΜ2.5檢測傳感器，它包括基板、設(shè)置在基板上的入射光通道、檢測光通道以及開設(shè)在基板上的氣體通道，入射光通道、檢測光通道和氣體通道兩兩垂直并相交，相交處為檢測區(qū)域，入射光通道包括一端與激光器相連接另一端連接在基板上的入射光纖、用于將光線匯聚在檢測區(qū)域的中心位置的微柱面透鏡組，檢測光通道包括一端與檢測裝置相連接另一端連接在基板上的檢測光纖、設(shè)置在檢測區(qū)域底部的反射鏡，檢測區(qū)域底部被定義為檢測區(qū)域的與檢測光纖另一端相對并遠離檢測光纖另一端的一端部。
[0005]進一步地，基板上開設(shè)有入射光纖固定槽，入射光纖固定連接在該入射光纖固定槽內(nèi)。
[0006]進一步地，入射光纖固定槽的對應(yīng)入射光纖另一端的端部呈階梯狀，以防止入射光纖另一端的端面和上述入射光纖固定槽的端部的端面直接接觸而受到損傷。
[0007]進一步地，微柱面透鏡組包括第一微柱面透鏡和第二微柱面透鏡。第一微柱面透鏡將入射光纖輸出的光準直為平行光，第二微柱面透鏡將平行光匯聚在檢測區(qū)域的中心位置，形成一個寬度為幾十微米的線光斑。
[0008]進一步地，入射光纖另一端的端面位于第一微柱面透鏡的一個焦平面上，第一微柱面透鏡的另一個焦平面和第二微柱面透鏡的一個焦平面相重合，第二微柱面透鏡的另一個焦平面位于檢測區(qū)域的中心位置。
[0009]進一步地，第一微柱面透鏡和第二微柱面透鏡的曲面為球面或非球面。
[0010]進一步地，基板上開設(shè)有檢測光纖固定槽，檢測光纖固定連接在該檢測光纖固定槽內(nèi)。
[0011]進一步地，入射光纖為單模光纖、多模光纖和塑料光纖中的一種，檢測光纖為單模光纖、多模光纖和塑料光纖中的一種。
[0012]進一步地，反射鏡用于反射PM2.5微粒的散射光，增加檢測光纖接收的散射光信號范圍，其材質(zhì)為金屬。
[0013]進一步地，基板內(nèi)設(shè)置有光闌，光闌由反射率較低的金屬薄膜制成，用于阻擋入射光路產(chǎn)生的雜散光，提高傳感器的信噪比。光闌在其對應(yīng)檢測區(qū)域的位置處開設(shè)有通孔，以使散射光通過。在一種更為優(yōu)先的方案中，光闌位于入射光通道和氣體通道的上方，通孔位于檢測區(qū)域的正上方。
[0014]進一步地，基板材質(zhì)為石英玻璃，基板上的各種結(jié)構(gòu)通過MEMS的加工工藝進行加工制作。
[0015]通過采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明微型PM2.5檢測傳感器，集成在一塊石英玻璃芯片上，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)方便，降低了傳感器的制作成本，解決了普通民眾對PM2.5的檢測需求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]附圖1為本發(fā)明微型PM2.5檢測傳感器的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
附圖2為本發(fā)明微型PM2.5檢測傳感器的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；
附圖3為本發(fā)明微型PM2.5檢測傳感器的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖；
附圖4至附圖9依次為將本發(fā)明微型PM2.5檢測傳感器的制作流程示意圖；其中附圖4至附圖6為下基板的俯視圖，附圖7至附圖9為上基板的側(cè)剖視圖。
[0017]圖中標號為:
100、基板；110、下基板；120、上基板；1、入射光纖；2、入射光纖固定槽；3、第一微柱面透鏡；4、第二微柱面透鏡；5、氣體通道；6、檢測區(qū)域；7、反射鏡；8、光闌；9、檢測光纖固定槽；10、檢測光纖；11、通孔。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的較佳實施例進行詳細闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點和特征能更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，從而對本發(fā)明的保護范圍做出更為清楚明確的界定。
[0019]參考附圖1至附圖3，本實施例中的微型PM2.5檢測傳感器，它包括基板100、設(shè)置在基板100上的入射光通道、檢測光通道以及開設(shè)在基板100上的氣體通道5，入射光通道、檢測光通道和氣體通道5兩兩垂直并相交，三者相交于同一處，該相交處為檢測區(qū)域6，入射光通道包括一端與激光器相連接另一端連接在基板100上的入射光纖1、用于將光線匯聚在檢測區(qū)域6的中心位置的微柱面透鏡組，檢測光通道包括一端與檢測裝置相連接另一端連接在基板100上的檢測光纖10、設(shè)置在檢測區(qū)域6底部的反射鏡7，檢測區(qū)域6底部被定義為檢測區(qū)域6的與檢測光纖10另一端相對并遠離檢測光纖10另一端的一端部。
[0020]本實施例中的基板為長和寬為IOmmX 10mm、厚度為5mm的石英玻璃,基板包括下基板110和上基板120。
[0021]入射光纖I的一端和半導(dǎo)體激光器光源封裝在一起。下基板110上開設(shè)有入射光纖固定槽2，上述的入射光纖I的另一端固定連接在該入射光纖固定槽2內(nèi)。入射光纖固定槽2的對應(yīng)入射光纖I另一端的端部呈階梯狀，階梯狀的設(shè)計是為了避讓入射光纖I另一端的端面，以防止入射光纖I另一端的端面和入射光纖固定槽2的端部的端面直接接觸而受到損傷。
[0022]入射光纖I為單模光纖、多模光纖或塑料光纖，本實施例中采用直徑為Imm的塑料光纖，與之相配合的入射光纖固定槽2為寬為1.1mm、深度為1.1mm的矩形槽。
[0023]上述的氣體通道5為寬1mm、深I(lǐng)mm的矩形通道，開設(shè)在下基板110上。
[0024]上述的微柱面透鏡組開設(shè)在下基板110上，微柱面透鏡組包括第一微柱面透鏡3和第二微柱面透鏡4。入射光纖I另一端的端面位于第一微柱面透鏡3的一個焦平面上，第一微柱面透鏡3的另一個焦平面和第二微柱面透鏡4的一個焦平面相重合，第二微柱面透鏡4的另一個焦平面位于檢測區(qū)域6的中心位置。第一微柱面透鏡3和第二微柱面透鏡4的曲面為球面或非球面，本實施例中優(yōu)先選用曲率半徑為0.5mm的球面，第一微柱面透鏡3和第二微柱面透鏡4的焦距為1mm。
[0025]半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光通過入射光纖I傳輸?shù)降谝晃⒅嫱哥R3上，經(jīng)過第一微柱面透鏡3之后被準直為平行光，平行光經(jīng)過第二微柱面透鏡4之后在檢測區(qū)域6的中心位置處匯聚為幾十微米寬的線光斑。由氣體通道5流經(jīng)檢測區(qū)域6的PM2.5顆粒被線光斑照射后產(chǎn)生散射光信號。
[0026]上述的檢測光纖10可以為單模光纖、多模光纖或塑料光纖，本實施例中采用直徑為Imm的塑料光纖。檢測光纖10的一端與光電探測器封裝在一起。上基板120上開設(shè)有檢測光纖固定槽9，檢測光纖10的另一端用膠固定連接在該檢測光纖固定槽9內(nèi)。檢測光纖10另一端的端面與檢測區(qū)域6頂部的距離為0.5mm。所述的檢測區(qū)域6頂部被定義為檢測區(qū)域6的與上述檢測區(qū)域6底部相對的另一端部。
[0027]上述的反射鏡7用于反射PM2.5微粒的散射光，增加檢測光纖10接收的散射光信號范圍，反射鏡7的材質(zhì)為金屬，本實施例中優(yōu)先選用厚度為I微米的鋁膜作為反射鏡7，反射鏡7的尺寸為ImmX 1mm。
[0028]基板100內(nèi)設(shè)置有光闌8，光闌8由反射率較低的金屬薄膜制成，用于阻擋入射光路產(chǎn)生的雜散光，提高傳感器的信噪比，本實施例中優(yōu)先選用I微米厚的鈦鎢合金薄膜。光闌8位于入射光通道和氣體通道5的上方，光闌8在其對應(yīng)檢測區(qū)域6的位置處開設(shè)有通孔11，通孔11位于檢測區(qū)域6的正上方，以使散射光通過，通孔11為直徑為Imm的圓孔。上述的檢測光纖10另一端的端面與光闌8之間的距離為0.5mm。
[0029]大氣中的顆粒物隨著采樣氣體流經(jīng)檢測區(qū)域6，被線光斑照射產(chǎn)生散射光，一部分散射光直接入射到檢測光纖10另一端的端面，另一部分散射光被反射鏡7反射之后入射到檢測光纖10另一端的端面。散射光經(jīng)檢測光纖10傳輸?shù)焦怆娞綔y器，光電探測器輸出一個脈沖信號，信號大小和顆粒物的粒徑成比例。對脈沖信號的大小和個數(shù)進行統(tǒng)計，就可以求出一定采樣氣體體積內(nèi)的PM2.5顆粒物的粒徑分布，從而測量出空氣中PM2.5的濃度。
[0030]本實施例中的傳感器的制作過程為:
1、參考附圖4，在厚度為3mm，長和寬為IOmm的石英玻璃(即下基板110)上光刻入射光纖固定槽2、第一微柱面透鏡3、第二微柱面透鏡4和氣體通道5。
[0031]2、參考附圖5，在下基板110上表面濺射厚度為I微米的金屬鋁，光刻鋁，在氣體通道5的對應(yīng)的檢測區(qū)域6位置形成ImmX Imm的反射鏡7。
[0032]3、參考附圖6，將一端封裝了半導(dǎo)體激光器的入射光纖I用膠固定在入射光纖固定槽2中。
[0033]4、參考附圖7,選用另一塊厚度為2mm,長和寬為IOmm的石英玻璃(即上基板120)，在上基板120的一表面濺射I微米厚的鈦鎢合金，光刻鈦鎢合金，形成中心孔直徑為Imm的光闌8。
[0034]5、參考附圖8，在上基板120的另一面用機械或者光學(xué)腐蝕的方法制作直徑為1.1毫米、深度為1.5mm的圓孔,形成檢測光纖固定槽9。
[0035]6、參考附圖9，將一端封裝了光電探測器的檢測光纖10用膠固定在檢測光纖固定槽9中。
[0036]7、將制作好的下基板110和下基板120用鍵合的方法封裝在一起，形成PM2.5檢測傳感器。
[0037]上述實施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，并不能以此限制本發(fā)明的保護范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種微型PM2.5檢測傳感器，其特征在于:它包括基板(100)、設(shè)置在所述基板(100)上的入射光通道、檢測光通道以及開設(shè)在所述基板(100)上的氣體通道(5)，所述的入射光通道、檢測光通道和氣體通道(5)兩兩垂直并相交，相交處為檢測區(qū)域(6)，所述的入射光通道包括一端與激光器相連接另一端連接在所述基板(100)上的入射光纖(I)、用于將光線匯聚在所述檢測區(qū)域(6)的中心位置的微柱面透鏡組，所述的檢測光通道包括一端與檢測裝置相連接另一端連接在所述基板(100)上的檢測光纖(10)、設(shè)置在所述檢測區(qū)域(6)底部的反射鏡(7)，所述的檢測區(qū)域(6)底部被定義為檢測區(qū)域(6)的與檢測光纖(10)另一端相對并遠離檢測光纖(10)另一端的一端部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型PM2.5檢測傳感器，其特征在于:所述的基板(100)內(nèi)設(shè)置有光闌(8)，所述的光闌(8)在其對應(yīng)檢測區(qū)域(6)的位置處開設(shè)有通孔(11)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型PM2.5檢測傳感器，其特征在于:所述的基板(100)上開設(shè)有入射光纖固定槽(2)，所述的入射光纖(I)固定連接在該入射光纖固定槽(2)內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微型PM2.5檢測傳感器，其特征在于:所述的入射光纖固定槽(2)的對應(yīng)所述的入射光纖(I)另一端的端部呈階梯狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型PM2.5檢測傳感器，其特征在于:所述的微柱面透鏡組包括第一微柱面透鏡(3 )和第二微柱面透鏡(4 )。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的微型PM2.5檢測傳感器，其特征在于:所述的入射光纖(I)另一端的端面位于第一微柱面透鏡(3)的一個焦平面上，第一微柱面透鏡(3)的另一個焦平面和第二微柱面透鏡(4)的一個焦平面相重合，第二微柱面透鏡(4)的另一個焦平面位于所述檢測區(qū)域(6)的中心位置。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的微型PM2.5檢測傳感器，其特征在于:所述的第一微柱面透鏡(3)和第二微柱面透鏡(4)的曲面為球面或非球面。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型PM2.5檢測傳感器，其特征在于:所述的基板(100)上開設(shè)有檢測光纖固定槽(9)，所述的檢測光纖(10)固定連接在該檢測光纖固定槽(9)內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型PM2.5檢測傳感器，其特征在于:所述的入射光纖(I)為單模光纖、多模光纖和塑料光纖中的一種，所述的檢測光纖(10)為單模光纖、多模光纖和塑料光纖中的一種。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型PM2.5檢測傳感器，其特征在于:所述基板(100)材質(zhì)為石英玻璃。
【文檔編號】G01N15/14GK103900945SQ201410110001
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月24日
【發(fā)明者】孫吉勇, 沈瑋棟, 梁鳳飛, 唐紅陽, 周大農(nóng) 申請人:江蘇蘇凈集團有限公司