一種基于圓盤微機(jī)械諧振器的pm2.5顆粒物檢測(cè)裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于圓盤微機(jī)械諧振器的PM2.5顆粒物檢測(cè)裝置。基于氮化鋁圓盤諧振器的平面諧振模態(tài)，提出一種新的PM2.5顆粒物質(zhì)量法檢測(cè)機(jī)理，通過檢測(cè)沉積顆粒物條件下圓盤諧振器諧振頻率的變化，檢測(cè)空氣中PM2.5顆粒物濃度。基于該檢測(cè)機(jī)理，使用MEMS制造與集成工藝，制造空氣中PM2.5顆粒物靜電驅(qū)動(dòng)與吸附裝置、顆粒物過濾裝置、質(zhì)量法檢測(cè)微機(jī)械敏感單元，并將上述結(jié)構(gòu)集成在微小型集成封裝單元內(nèi)，構(gòu)成PM2.5顆粒物檢測(cè)裝置，以實(shí)現(xiàn)空氣中PM2.5顆粒物的高精度、快速檢測(cè)。通過使用MEMS工藝制造微機(jī)械器件，應(yīng)用于PM2.5檢測(cè)裝置中，減小檢測(cè)設(shè)備的體積與功耗，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)設(shè)備的微小型化與集成化，提高PM2.5的檢測(cè)精度與檢測(cè)速度，提高諧振性能與檢測(cè)精度可靠性。
【專利說明】—種基于圓盤微機(jī)械諧振器的PM2.5顆粒物檢測(cè)裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明涉及一種使用氮化鋁圓盤微機(jī)械諧振器的PM2.5空氣懸浮顆粒物檢測(cè)裝置。屬于微機(jī)電系統(tǒng)器件應(yīng)用與空氣環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】:
[0002]空氣顆粒物濃度監(jiān)測(cè)是空氣污染監(jiān)測(cè)與防治工作中的重要組成部分，是建設(shè)以人為本的環(huán)境友好型社會(huì)的重要工作內(nèi)容。以PM2.5高濃度細(xì)顆粒物污染為主要形式的空氣污染嚴(yán)重威脅公眾健康，惡化公眾感受與居民生活水平，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生了不良影響，空氣污染存在潛在的長(zhǎng)期危害風(fēng)險(xiǎn)，潛伏期長(zhǎng)，影響消除困難，將會(huì)對(duì)未來我國(guó)社會(huì)發(fā)展與經(jīng)濟(jì)建設(shè)造成不可估量的損失。因此，空氣污染的監(jiān)測(cè)與治理成為關(guān)系國(guó)計(jì)民生的重大問題。
[0003]但是，現(xiàn)有的PM2.5細(xì)顆粒物質(zhì)量法檢測(cè)設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出一些明顯的不足之處?，F(xiàn)有檢測(cè)設(shè)備中使用宏觀尺度的梁-桿單元作為諧振器件，此類質(zhì)量敏感器件的尺寸與質(zhì)量尺度較PM2.5細(xì)顆粒物大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，這樣的傳統(tǒng)大尺寸諧振器件在檢測(cè)設(shè)備中的應(yīng)用限制了設(shè)備的性能與發(fā)展:一方面，大尺寸的諧振器件導(dǎo)致檢測(cè)設(shè)備質(zhì)量大，體積大，功耗高，設(shè)備重量達(dá)到千克級(jí)別，厚度超過10cm，很難做到手持檢測(cè)設(shè)備的集成度，也不可能將其微型化集成在個(gè)人終端設(shè)備上，這就決定了這種體積規(guī)模的檢測(cè)設(shè)備只能應(yīng)用于相對(duì)固定的環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)，而無法實(shí)現(xiàn)便攜式，手持式的隨時(shí)檢測(cè)，這就很大地降低了設(shè)備的適用性。另一方面，較大的諧振器件限制了檢測(cè)精度的提升空間，單一 PM2.5顆粒物的沉積質(zhì)量很小，對(duì)大尺寸諧振器的諧振頻率的作用幾乎可以忽略，而要采集能夠觸發(fā)最小可檢測(cè)頻率變化閾值的足夠顆粒物質(zhì)量，就需要大量收集顆粒沉積物，這就會(huì)導(dǎo)致較長(zhǎng)的采集時(shí)間。由于上述原因，使用傳統(tǒng)諧振器件的PM2.5檢測(cè)設(shè)備在體積、功耗、檢測(cè)速度與精度上都存在改進(jìn)空間。基于上述分析，需要一種新的PM2.5顆粒物檢測(cè)裝置，以減小設(shè)備體積，提高檢測(cè)精度與速度。而MEMS微機(jī)械諧振器可以從制造工藝與檢測(cè)原理兩個(gè)方向消除傳統(tǒng)設(shè)備的缺陷，提升性能。

【發(fā)明內(nèi)容】
:
[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是使用微機(jī)電系統(tǒng)器件構(gòu)造的裝置，對(duì)PM2.5空氣懸浮顆粒物濃度實(shí)現(xiàn)高精度質(zhì)量法檢測(cè)，同時(shí)解決現(xiàn)有PM2.5質(zhì)量法檢測(cè)設(shè)備體積大，功耗高，精度低，集成度低的缺陷。
[0005]本發(fā)明公開一種基于圓盤微機(jī)械諧振器的PM2.5顆粒物檢測(cè)裝置?；诘X圓盤諧振器的平面諧振模態(tài)，提出一種新的PM2.5顆粒物質(zhì)量法檢測(cè)機(jī)理，通過檢測(cè)沉積顆粒物條件下圓盤諧振器諧振頻率的變化，檢測(cè)空氣中PM2.5顆粒物濃度。基于該檢測(cè)機(jī)理，使用MEMS制造與集成工藝，制造空氣中PM2.5顆粒物靜電驅(qū)動(dòng)與吸附裝置、顆粒物過濾裝置、質(zhì)量法檢測(cè)微機(jī)械敏感單元，并將上述結(jié)構(gòu)集成在微小型集成封裝單元內(nèi)，構(gòu)成PM2.5顆粒物檢測(cè)裝置，以實(shí)現(xiàn)空氣中PM2.5顆粒物的高精度、快速檢測(cè)。通過使用MEMS工藝制造微機(jī)械器件，應(yīng)用于PM2.5檢測(cè)裝置中，減小檢測(cè)設(shè)備的體積與功耗，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)設(shè)備的微小型化與集成化，提高PM2.5的檢測(cè)精度與檢測(cè)速度，提高諧振性能與檢測(cè)精度可靠性。
[0006]本發(fā)明公開的一種基于圓盤微機(jī)械諧振器的PM2.5顆粒物檢測(cè)裝置是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0007]本發(fā)明公開的一種基于圓盤微機(jī)械諧振器的PM2.5顆粒物檢測(cè)裝置的具體組成結(jié)構(gòu)如下:
[0008]1.空氣中PM2.5顆粒物靜電驅(qū)動(dòng)與吸附裝置。該裝置制造在硅襯底圓片上，硅圓片上有刻蝕通孔，作為預(yù)荷電空氣樣本入口，硅圓片下表面有光刻圖形化構(gòu)成的金屬結(jié)構(gòu)，作為靜電驅(qū)動(dòng)電極。
[0009]2.空氣中PM2.5顆粒物過濾裝置。該裝置由硅襯底圓片制造，硅圓片上布置刻蝕通孔，構(gòu)成過濾器，通孔分布區(qū)域按圓盤諧振器檢測(cè)機(jī)理設(shè)計(jì)，通孔直徑為2.5微米。
[0010]3.空氣中PM2.5顆粒物質(zhì)量法檢測(cè)微敏感單元。該裝置由氮化鋁圓盤諧振器，直流驅(qū)動(dòng)電極與射頻電極組成。
[0011]4.微小型集成封裝單元。由靜電驅(qū)動(dòng)與吸附裝置、顆粒物過濾裝置、質(zhì)量法檢測(cè)微敏感單元、外密封筒與電路管腳構(gòu)成。外密封筒上帶有圓盤固定與氣密性裝置。相應(yīng)各裝置結(jié)構(gòu)按功能要求集成在外密封筒中，構(gòu)成相應(yīng)的腔室，通過電路管腳與外圍控制與檢測(cè)電路連接。構(gòu)成基于圓盤微機(jī)械諧振器的PM2.5顆粒物檢測(cè)裝置的微小型集成封裝單元的完整結(jié)構(gòu)。
[0012]本發(fā)明公開的一種基于圓盤微機(jī)械諧振器的PM2.5顆粒物檢測(cè)裝置的具體檢測(cè)步驟如下:
[0013]步驟1.將裝置暴露在待測(cè)空氣中，采集到的空氣樣本通過空氣樣本入口，進(jìn)入樣本預(yù)處理腔，空氣樣本中的顆粒物使用靜電驅(qū)動(dòng)與吸附裝置，經(jīng)過預(yù)荷電處理帶上電荷。
[0014]步驟2.空氣樣本中的顆粒物通過顆粒物過濾裝置進(jìn)行顆粒物直徑篩選，直徑小于2.5微米的顆粒物通過篩選，直徑大于2.5微米的顆粒物被攔阻。
[0015]步驟3.氮化鋁圓盤諧振器處于簡(jiǎn)諧振動(dòng)工作狀態(tài)下。PM2.5顆粒物在靜電驅(qū)動(dòng)下沉積在諧振圓盤的相應(yīng)位置上，改變圓盤的諧振模態(tài)。
[0016]步驟4.直流驅(qū)動(dòng)電極連接直流電壓，射頻電極連接射頻信號(hào)頻率檢測(cè)設(shè)備，通過檢測(cè)圓盤諧振頻率的變化，得到圓盤諧振器上沉積的PM2.5顆粒物的質(zhì)量，進(jìn)而得到待測(cè)空氣樣本中PM2.5顆粒物的濃度。
[0017]有益效果:
[0018]1.本發(fā)明公開的一種基于圓盤微機(jī)械諧振器PM2.5顆粒物檢測(cè)裝置，使用MEMS制造工藝，具有極小的體積與功耗，較傳統(tǒng)設(shè)備尺寸減小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，可以顯著減小PM2.5顆粒物檢測(cè)設(shè)備的體積與功耗，實(shí)現(xiàn)PM2.5顆粒物檢測(cè)設(shè)備的微小型化與集成化。
[0019]2.本發(fā)明公開的一種基于圓盤微機(jī)械諧振器PM2.5顆粒物檢測(cè)裝置中使用圓盤微機(jī)械諧振器作為質(zhì)量法檢測(cè)微敏感單元，由于具有微小的體積與質(zhì)量，對(duì)極小的質(zhì)量變化具有高度的敏感特性，因此可以通過更微小量級(jí)的諧振頻率變化的測(cè)量，更加精確地檢測(cè)微小質(zhì)量，從而提高PM2.5的檢測(cè)精度與檢測(cè)速度。
[0020]3.本發(fā)明公開的一種基于圓盤微機(jī)械諧振器PM2.5顆粒物檢測(cè)裝置中使用的氮化鋁圓盤諧振器，具有優(yōu)異的機(jī)電性能與熱穩(wěn)定性，因此基于氮化鋁圓盤諧振器的PM2.5檢測(cè)裝置具有更好的諧振性能與檢測(cè)精度可靠性?！緦＠綀D】

【附圖說明】:
[0021]圖1為空氣中PM2.5顆粒物過濾裝置。
[0022]圖2為空氣中PM2.5顆粒物質(zhì)量法檢測(cè)微敏感單元。
[0023]圖3為基于圓盤微機(jī)械諧振器的PM2.5顆粒物檢測(cè)裝置的微小型集成封裝單元。
[0024]圖4為基于圓盤微機(jī)械諧振器的PM2.5顆粒物檢測(cè)裝置的檢測(cè)機(jī)理。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面詳細(xì)描述本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0026]實(shí)施例1:
[0027]本實(shí)施例公開的一種基于圓盤微機(jī)械諧振器的PM2.5顆粒物檢測(cè)裝置的具體實(shí)施步驟如下:
[0028]步驟1.將裝置暴露在待測(cè)空氣中，采集到的空氣樣本通過空氣樣本入口，進(jìn)入樣本預(yù)處理腔，空氣樣本中的顆粒物使用靜電驅(qū)動(dòng)與吸附裝置，經(jīng)過預(yù)荷電處理帶上電荷。
[0029]步驟2.空氣樣本中的顆粒物通過顆粒物過濾裝置進(jìn)行顆粒物直徑篩選，直徑小于2.5微米的顆粒物通過篩選，直徑大于2.5微米的顆粒物被攔阻。
[0030]步驟3.氮化鋁圓盤諧振器處于簡(jiǎn)諧振動(dòng)工作狀態(tài)下。PM2.5顆粒物在靜電驅(qū)動(dòng)下沉積在諧振圓盤的相應(yīng)位置上，改變圓盤的諧振模態(tài)。
[0031]步驟4直流驅(qū)動(dòng)電極連接直流電壓，射頻電極連接射頻信號(hào)頻率檢測(cè)設(shè)備，通過檢測(cè)圓盤諧振頻率的變化，得到圓盤諧振器上沉積的PM2.5顆粒物的質(zhì)量，進(jìn)而得到待測(cè)空氣樣本中PM2.5顆粒物的濃度。
[0032]本發(fā)明保護(hù)范圍不僅局限于上述實(shí)施例，上述實(shí)施例用于解釋本發(fā)明，凡與本發(fā)明在相同原理和構(gòu)思條件下的變更或修改均在本發(fā)明公開的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于圓盤微機(jī)械諧振器的PM2.5顆粒物檢測(cè)裝置，其特征在于:包括空氣中PM2.5顆粒物靜電驅(qū)動(dòng)與吸附裝置，空氣中PM2.5顆粒物過濾裝置，空氣中PM2.5顆粒物質(zhì)量法檢測(cè)微敏感單元，微小型集成封裝單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空氣中PM2.5顆粒物靜電驅(qū)動(dòng)與吸附裝置，其特征在于:該裝置制造在硅襯底圓片上，硅圓片上有刻蝕通孔，作為預(yù)荷電空氣樣本入口，硅圓片下表面有光刻圖形化構(gòu)成的金屬結(jié)構(gòu)，作為靜電驅(qū)動(dòng)電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空氣中PM2.5顆粒物過濾裝置，其特征在于:該裝置由硅襯底圓片制造，硅圓片上布置刻蝕通孔，構(gòu)成過濾器，通孔分布區(qū)域按圓盤諧振器檢測(cè)機(jī)理設(shè)計(jì)，通孔直徑為2.5微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空氣中PM2.5顆粒物質(zhì)量法檢測(cè)微敏感單元，其特征在于:該裝置由氮化鋁圓盤諧振器、直流驅(qū)動(dòng)電極與射頻電極組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微小型集成封裝單元，其特征在于由靜電驅(qū)動(dòng)與吸附裝置、顆粒物過濾裝置、質(zhì)量法檢測(cè)微敏感單元、外密封筒與電路管腳構(gòu)成。外密封筒上帶有圓盤固定與氣密性裝置。相應(yīng)各裝置結(jié)構(gòu)按功能要求集成在外密封筒中，構(gòu)成相應(yīng)的腔室，通過電路管腳與外圍控制與檢測(cè)電路連接。
6.一種基于圓盤微機(jī)械諧振器的PM2.5顆粒物檢測(cè)裝置，其特征在于:PM2.5顆粒物檢測(cè)過程包含以下步驟: 步驟一、將裝置暴露在待測(cè)空氣中，采集到的空氣樣本通過空氣樣本入口，進(jìn)入樣本預(yù)處理腔，空氣樣本中的顆粒物使用靜電驅(qū)動(dòng)與吸附裝置，經(jīng)過預(yù)荷電處理帶上電荷。 步驟二、空氣樣本中的顆粒物通過顆粒物過濾裝置進(jìn)行顆粒物直徑篩選，直徑小于2.5微米的顆粒物通過篩選，直徑大于2.5微米的顆粒物被攔阻。 步驟三、氮化鋁圓盤諧振器處于簡(jiǎn)諧振動(dòng)工作狀態(tài)下。PM2.5顆粒物在靜電驅(qū)動(dòng)下沉積在諧振圓盤的相應(yīng)位置上，改變圓盤的諧振模態(tài)。 步驟四、直流驅(qū)動(dòng)電極連接直流電壓，射頻電極連接射頻信號(hào)頻率檢測(cè)設(shè)備，通過檢測(cè)圓盤諧振頻率的變化，得到圓盤諧振器上沉積的PM2.5顆粒物的質(zhì)量，進(jìn)而得到待測(cè)空氣樣本中PM2.5顆粒物的濃度。
【文檔編號(hào)】G01N15/06GK103940711SQ201410146997
【公開日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年4月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月14日
【發(fā)明者】王剛, 徐立新, 王婷, 盧沖贏, 韓琦, 叢琳 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)