CN215727541U - 一种压合式声表面波pm2.5监测器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种压合式声表面波PM2.5监测器，包括温度控制单元、压合式监测探头、气体采集与流量控制单元和数据采集运算单元，其特征在于，压合式监测探头包括：上壳体(1)、密封圈(4)、上压合结构(13)、密封垫(14)、微流通道上层(5)、微流通道下层(12)、下压合结构(23)、下壳体(18)、制冷器(20)、散热器(21)。本实用新型的优点为：声表面波芯片可方便更换，监测探头可重复利用、气密性高、一体性强。

Description

一种压合式声表面波PM2.5监测器

技术领域

本实用新型涉及空气污染物监测领域，特别是涉及一种压合式声表面波PM2.5监测器。

背景技术

PM2.5成为近十年来热门议题之一。PM2.5是多重成分的复杂空气污染物，可以通过自然源排放，也可通过人为排放。目前，国际上采用的PM2.5监测原理主要有：重量法、微量振荡天平法、β射线法、光散射法等。

重量法是最基础的测量方法，也是为自动监测数据提供参考标准的方法，我国目前主要使用重量法对PM2.5进行监测；重量法虽监测精确度较高，但因重量法是一种手工方法，耗费时间较长，故不适用于自动监测网络。微量振荡天平法是一种快速精确的测量方法，微量震荡天平法可自动进行温度、压力补偿，提供高精度测量，但其维护工作量大，且易受到空气湿度影响，所以常需加装动态测量***监测滤膜来校正误差。β射线法则是根据颗粒物对¹⁴C释放射线的吸收强度进行分析，操作简单，维护工作量小，但测量精度较低。光散射法是基于微粒Mie散射理论实现的，该方法检测PM2.5结果准确性较差，通常需要增加其他辅助方法补偿误差。

因为声表面波传感器因有体型小、工艺简单、灵敏度高等特点，与PM2.5监测器向着微型化、一体化方向发展的趋势相匹配。专利201610463140.1公开了一种基于声表面波的PM2.5检测器，该检测器包括上壳体、下壳体、虚拟冲击器、声表面波检测器、加热源、左气流通道、中气流通道和右气流通道。当气流流入PM2.5监测器时，通过设置的虚拟冲击器从气流中分离出包含PM2.5粒子的气流，包含PM2.5粒子的气流流入中气流通道，剩余气流从左右气流通道流出，通过加热源产生的热泳场，PM2.5粒子沉积在声表面波监测器上，声表面波检测器通过检测沿其捕获粒子后的表面产生的声表面波传播速度的变化量，以获得该声表面波检测器工作频率的变化量，进而计算得到空气中PM2.5质量浓度。

但是，现有基于热泳沉积方法的声表面波PM2.5监测器存在气密性和一体性差、无法更换声表面波芯片的问题，同时，微流通道的结合方式常引入如胶体颗粒等杂质污染声表面波芯片，造成监测结果存在一定误差。

实用新型内容

本实用新型目的在于克服当前热泳沉积方法的声表面波PM2.5监测器存在的声表面波芯片无法更换、监测探头气密性差、易引入杂质颗粒干扰监测结果的问题，从而提供一种压合式声表面波PM2.5监测器，实现了声表面波芯片可方便更换的同时保护探头内部其它关键部件的完整性，监测探头拥有可重复利用、气密性高、一体性强的优点，且监测探头的结合方式避免引入其他杂质颗粒，防止监测结果受到干扰。

为实现上述目的，本实用新型提供一种压合式声表面波PM2.5监测器，压合式监测探头由上至下依次包括：上壳体(1)、密封圈(4)、微流通道上层(5)、微流通道下层(12)、上压合结构(13)、密封垫(14)、下压合结构(23)、下壳体(18)；

所述上壳体(1)上分别设有进气通道接口(2)、出气通道接口(3)，并且所述上壳体(1)内部在所述进气通道接口(2)与出气通道接口(3)对应位置设置密封圈放置槽，密封圈(4)放置于密封槽中；

所述微流通道上层(5)分别设置有进气口(6)和出气口(7)，与进气通道接口(2)和出气通道接口(3)对应；微流通道上层(5)的下表面制作微热源(8)；

所述微流通道下层(12)位于微流通道上层(5)下方，上表面制作有虚拟冲击器(9)、微流通道(10)、并开设声表面波芯片放置窗口(11)和微热源引线放置槽(22)；微流通道下层(12)通过键合技术与微流通道上层(5)形成微流通道组合体，微热源(8)引线嵌入所述微热源引线放置槽(22)中；

所述上压合结构(13)的中间设置微流通道组合体的嵌槽，与微流通道组合体通过涂胶固定，并通过引线连接微热源(8)，在外侧还设置射频连接窗口(24)；

所述下压合结构(23)在与所述声表面波芯片放置窗口(11)下方对应位置设置声表面波芯片放置槽(16)，声表面波芯片(15)置于所述声表面波芯片放置槽(16)上方，并嵌入声表面波芯片放置窗口(11)中，且在与微流通道下层(12)下方对应位置设置密封垫放置槽(25)，密封垫(14)置于密封垫放置槽(25)中；所述声表面波芯片放置槽(16)两侧设置声表面波芯片连接端口(26)；所述下压合结构(23)在与射频连接窗口(24)对应位置设置射频连接端口(17)；

所述下壳体(18)与上壳体(1)固定在一起。

作为上述方案的进一步改进，所述微流通道组合体中的微流通道上层(5)延伸有大于微流通道下层(12)的外沿，所述微流通道下层(12)嵌合于上压合结构(13)的嵌槽中，且通过微流通道上层(5)的外沿固定于上压合结构(13)。

作为上述方案的进一步改进，所述密封垫放置槽(25)设置于所述虚拟冲击器(9)的区域的***，其中微流通道下层(12)各边与虚拟冲击器(9)的对应外边缘保持合适距离，增大的面积可以防止因密封垫(14)与微流通道下层(12)的接触面积小而导致微流通道组合体变形、碎裂。

作为上述方案的进一步改进，所述声表面波芯片使用谐振器结构或延迟线结构，其中，谐振器结构分为单端对谐振器或双端对谐振器，包含单个或多个换能器和反射栅；延迟线结构由输入型换能器和输出型换能器组成。主气流中颗粒物在热泳力作用下沉积在声表面波芯片表面的敏感区域，干扰声表面波在压电基片上的传播，使声速改变，进而导致声表面波芯片的频率改变，实现对颗粒质量的检测。

作为上述方案的进一步改进，所述微流通道上层(5)通过硅-硅键合方法与所述微流通道下层(12)形成微流通道组合体。

作为上述方案的进一步改进，所述声表面波芯片放置窗口(11)处于微流通道(10)中，用于容纳声表面波芯片(15)与声表面波芯片连接端口(26)，用于避免压合后声表面波芯片引线触碰微流通道；微热源引线放置槽(22)与声表面波芯片放置窗口(11)重合，宽度与微热源(8)相同。

作为上述方案的进一步改进，所述下壳体(18)在声表面波芯片放置槽(16)下方对应位置设置制冷器安装窗口(19)，制冷器(20)嵌入所述制冷器安装窗口(19)中并固定在散热器(21)上表面。

作为上述方案的进一步改进，所述微流通道上层(5)和所述微流通道下层(12)采用非金属材料；所述微热源(8)采用金属材料；所述上壳体(1)和所述下壳体(18)采用耐高温、具有良好机械强度的材料；所述密封圈(4)和密封垫(14)采用耐高温弹性材料。

作为上述方案的进一步改进，微热源(8)采用MEMS微加工工艺制作，包含加热薄膜电阻、测温薄膜电阻和接触电极；其中加热薄膜电阻充当微流通道(10)的热源，测温薄膜通过电阻值反馈热源温度，接触电极与加热薄膜电阻和测温薄膜电阻相连，来提供输入电流以及测量测温薄膜电阻的阻值。

作为上述方案的进一步改进，所述微流通道上层(5)的涂胶区域的下表面通过施加涂胶或卡扣、螺丝等方式与上压合结构(13)固定。

作为上述方案的进一步改进，所述声表面波芯片放置槽(16)的深度设置满足与声表面波芯片(15)粘贴后，声表面波芯片(15)的敏感区域与微流通道组合体底部齐平。

作为上述技术方案的进一步改进，虚拟冲击器尺寸设计包括喷嘴孔径、喷嘴长度与孔径比、收口距离与喷嘴孔径比，气流采集与流量控制单元以固定流量抽气，气流雷诺数处于500～3000，并通过仿真软件验证当颗粒物粒径为2.5μm时满足50％切割效率。

作为上述技术方案的进一步改进，所述压合式监测探头中声表面波芯片在长期使用后敏感区域颗粒过沉积，最终影响监测效果。压合式监测探头中，声表面波芯片与虚拟冲击器、微流通道分离。通过去除螺丝或卡扣等方式将下压合结构取出更换，实现声表面波芯片更换的同时保证监测探头的气密性、保护微流通道与微热源的完整性。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型的一种可更换敏感芯片的声表面波PM2.5监测器将颗粒筛选、颗粒附着、颗粒测量一体化，实现声表面波芯片可方便更换的同时保护探头内部其它关键部件的完整性，监测探头拥有可重复利用、气密性高、一体性强的优点，且监测探头的结合方式避免引入其他杂质颗粒，防止监测结果受到干扰。

附图说明

图1为本实用新型实施例中提供的一种压合式声表面波PM2.5监测器的压合式探头结构图；

图2为本实用新型实施例中提供的一种压合式声表面波PM2.5监测器的压合式探头微流通道上层仰视图；

图3为本实用新型实施例中提供的一种压合式声表面波PM2.5监测器的结构框图；

图4为本实用新型实施例中提供的基于一种压合式声表面波PM2.5监测器的方法的基础流程图。

附图标记

1、上壳体 2、进气通道接口 3、出气通道接口

4、密封圈 5、微流通道上层 6、进气口

7、出气口 8、微热源 9、虚拟冲击器

10、微流通道 11、声表面波芯片放置窗口

12、微流通道下层 13、上压合结构 14、密封垫

15、声表面波芯片 16、声表面波芯片放置槽

17、射频连接端口 18、下壳体 19、制冷器安装窗口

20、制冷器 21、散热器 22、微热源引线放置槽

23、下压合结构 24、射频连接窗口 25、密封垫放置槽

26、声表面波芯片连接端口

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型所述的一种压合式声表面波PM2.5监测器详细说明。

本实用新型提供的一种压合式声表面波PM2.5监测器，包括温度控制单元、压合式监测探头、气体采集与流量控制单元和数据采集运算单元，其中所述压合式监测探头包括：上壳体(1)、密封圈(4)、上压合结构(13)、密封垫(14)、下压合结构(23)、下壳体(18)。基于上述结构的压合式监测探头，其工作原理为：气流导管与进气通道接口连接，包含气溶胶颗粒的采样气体经导管进入虚拟冲击器入口，不同粒径的颗粒经过虚拟冲击器筛选，使颗粒物粒径小于2.5μm的气溶胶颗粒进入随主流气流进入微流通道。

所述的虚拟冲击器调整参数设计包括：喷嘴宽度、收口宽度、喷嘴长度、喷嘴与收口间距、收口顶端圆角、喷嘴与收口同轴度，使虚拟冲击器的切割粒径D₅₀为2.5±0.2μm，收集效率曲线在位于D₅₀处陡峭，此时虚拟冲击器有较好的颗粒分离特性。采样气流流经虚拟冲击器入口处加速，并在收口处分离成包含粒径为2.5±0.2μm及以下的主气流和粒径为2.5±0.2μm以上的次气流。

所述微流通道组合体中的微流通道上层(5)延伸有大于微流通道下层(12)的外沿，所述微流通道下层(12)嵌合于上压合结构(13)的嵌槽中，且通过微流通道上层(5)的外沿涂胶固定于上压合结构(13)。所述声表面波芯片结构多样，主要可分为谐振器型和延迟线型。本实施例以谐振器型声表面波芯片为例，在压电基片的表面制备换能器和反射栅。当输入换能器被施加电信号，电信号通过逆压电效应转变成机械能，以声表面波的形式在压电基片1～2个波长深度范围内沿表面传播，并与反射栅共同形成驻波谐振腔，再通过压电效应转变成电信号输出。所述虚拟冲击器的主气流中颗粒物在热泳力作用下沉积在声表面波芯片表面的敏感区域，干扰声表面波在压电基片上的传播，使声速改变，进而导致声表面波芯片的频率改变，数据采集运算单元对芯片的工作频率变化量进行采集计算，实现对颗粒质量的检测。

本实施例中，所述上压合结构、下压合结构的尺寸约为40mm×50mm，其中上压合结构的微流通道开窗使微流通道下层嵌入。下压合结构的声表面波芯片放置槽的深度和密封垫厚度根据选用的声表面波芯片尺寸合理设计，使声表面波芯片表面与微通道处于同一水平面。所述处于下压合结构的密封垫放置槽深度合理考虑，在放入密封垫压合后，保证探头的气密性。

本实施例中，所述微流通道上层(5)采用石英材料；所述微热源(8)采用金属薄膜材料；所述微流通道下层(12)采用硅片材料；所述上壳体(1)和所述下壳体(18)采用聚四氟乙烯材料，充分保护内部结构；所述密封圈(4)和密封垫(14)采用硅橡胶材料。

本实施例中，所述上壳体(1)和所述下壳体(18)设有螺丝孔，装配完成后通过螺丝固定,当声表面波芯片需要更换时，旋出固定螺丝后将放置声表面波芯片的下压合结构(23)取出即可更换，实现了声表面波芯片更换的同时保证监测探头的气密性、保护微流通道与微热源的完整性。

图3示出了本实用新型实施例中提供的一种压合式声表面波PM2.5监测器的结构框图。气体采集与流量控制单元位于监测器气流通道末端，该气体采集与流量控制单元由逻辑控制模块、电磁调节阀、流量传感器、校准电路、与采集气泵构成，并对监测器采样气流流量的动态控制与调节。气体采集与流量控制单元用于将所需采样气流流量输入逻辑控制模块，该模块根据所需流量控制采集气泵的供电电压，调整气泵产生合适负压以满足采集流量。所述采集气泵用于在监测器气道末端产生负压，通过气道入口采集采样气流；流量传感器采用毛细管传热温差量热法原理测量气体的质量流量并以电压信号反馈至校准电路，校准电路通过反馈电压信号与设定电压的对比差值调节电磁调节阀开启程度。温度控制单元按设定参数产生稳定的温度梯度场。数据采集运算单元读取声表面波芯片的频率信号，作为初始频率f₀，并计算相应质量作为质量零值m₀。采样气体从采样入口进入压合式监测探头后，利用虚拟冲击器进行颗粒筛选，PM2.5载气流进入主流通道流向微加热器和制冷器产生的温度梯度场区域，其余气流进入大粒径颗粒次流通道流向采样出口。利用温度控制单元动态控制调整微热源，产生稳定的温度梯度场，PM2.5颗粒物在热泳力作用下沉积在声表面波芯片的敏感区域，并相应产生频率移动。载气气体随主气流流出压合式监测探头流向采样出口。数据采集运算单元根据设定采样时间周期T采集频移信号，并计算Δf。数据采集运算单元还用于计算在周期T内相应的颗粒质量变化量Δm，根据设定的采样气流流量参数和声表面波芯片反馈的频移量计算得出采样气体的质量浓度。

图4示出了本实用新型实施例中提供的基于一种压合式声表面波PM2.5监测器的监测方法基础流程图，该方法包括以下步骤：

步骤1：设定数据采集运算单元采样周期T及气体采集与流量控制单元的流量参数L；

步骤2：通过温度控制单元控制微热源与制冷器产生温度梯度场；

步骤3：开始采样，数据采集运算单元读取声表面波芯片频率f₀，

步骤4：数据采集运算单元计算并储存初始质量m₀，作为质量零值；

步骤5：PM2.5载气流的颗粒物流经温度梯度场，在热泳力作用下沉积在声表面波芯片的敏感区域，产生频率移动；

步骤6：数据采集运算单元按照设定周期T读取颗粒物沉积在声表面波芯片表面产生的频率变化Δf，并计算在周期T内相应的颗粒质量变化量Δm；

步骤7：数据采集运算单元按照设定流量参数L计算周期T内流经压合式监测探头的采样气体体积V，得到周期T内的采样气体中PM2.5质量浓度为C_T＝Δn/V。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种压合式声表面波PM2.5监测器，包括温度控制单元、压合式监测探头、气体采集与流量控制单元和数据采集运算单元，其特征在于，压合式监测探头由上至下依次包括：上壳体(1)、密封圈(4)、微流通道上层(5)、微流通道下层(12)、上压合结构(13)、密封垫(14)、下压合结构(23)、下壳体(18)；

所述上壳体(1)上分别设有进气通道接口(2)、出气通道接口(3)，并且所述上壳体(1)内部在所述进气通道接口(2)与出气通道接口(3)对应位置设置密封圈放置槽，密封圈(4)放置于密封槽中；

所述微流通道上层(5)分别设置有进气口(6)和出气口(7)，与进气通道接口(2)和出气通道接口(3)对应；微流通道上层(5)的下表面制作微热源(8)；

所述微流通道下层(12)位于微流通道上层(5)下方，上表面制作有虚拟冲击器(9)、微流通道(10)、并开设声表面波芯片放置窗口(11)和微热源引线放置槽(22)；微流通道下层(12)通过键合技术与微流通道上层(5)形成微流通道组合体，微热源(8)嵌入所述微热源引线放置槽(22)中；

所述上压合结构(13)的中间设置微流通道组合体的嵌槽，与微流通道组合体通过涂胶固定，并通过引线连接微热源(8)，在外侧还设置射频连接窗口(24)；

所述下压合结构(23)在与所述声表面波芯片放置窗口(11)下方对应位置设置声表面波芯片放置槽(16)，声表面波芯片(15)置于所述声表面波芯片放置槽(16)上方，并嵌入声表面波芯片放置窗口(11)中，且在与微流通道下层(12)下方对应位置设置密封垫放置槽(25)，密封垫(14)置于密封垫放置槽(25)中；所述声表面波芯片放置槽(16)两侧设置声表面波芯片连接端口(26)；所述下压合结构(23)在与射频连接窗口(24)对应位置设置射频连接端口(17)；

所述下壳体(18)与上壳体(1)固定在一起。

2.根据权利要求1所述的压合式声表面波PM2.5监测器，其特征在于，所述微流通道上层(5)通过硅-硅键合方法与所述微流通道下层(12)形成微流通道组合体。

3.根据权利要求1所述的压合式声表面波PM2.5监测器，其特征在于，所述微流通道组合体中的微流通道上层(5)延伸有大于微流通道下层(12)的外沿，所述微流通道下层(12)嵌合于上压合结构(13)的嵌槽中，且通过微流通道上层(5)的外沿固定于上压合结构(13)。

4.根据权利要求1所述的压合式声表面波PM2.5监测器，其特征在于，所述密封垫放置槽设置于所述虚拟冲击器(9)的区域***。

5.根据权利要求1所述的压合式声表面波PM2.5监测器，其特征在于，所述声表面波芯片(15)使用谐振器结构或延迟线结构，其中：谐振器结构分为单端对谐振器或双端对谐振器，由压电基片和设置于压电基片表面的单个或多个换能器与反射器构成；延迟线结构由压电基片和设置于压电基片表面的输入换能器和输出换能器构成。

6.根据权利要求1所述的压合式声表面波PM2.5监测器，其特征在于，所述声表面波芯片放置窗口(11)处于微流通道(10)中，用于容纳声表面波芯片(15)与声表面波芯片连接端口(26)；微热源引线放置槽(22)与声表面波芯片放置窗口(11)重合，宽度宽于微热源(8)的引线。

7.根据权利要求1所述的压合式声表面波PM2.5监测器，其特征在于，所述下壳体(18)在声表面波芯片放置槽(16)下方对应位置设置制冷器安装窗口(19)，制冷器(20)嵌入所述制冷器安装窗口(19)中并固定在散热器(21)上表面。

8.根据权利要求1所述的压合式声表面波PM2.5监测器，其特征在于，所述微流通道上层(5)和所述微流通道下层(12)采用非金属材料，所述微热源(8)采用金属材料，所述上壳体(1)和所述下壳体(18)采用耐高温、具有良好机械强度的材料；所述密封圈(4)和密封垫(14)采用耐高温弹性材料。

9.根据权利要求1所述的压合式声表面波PM2.5监测器，其特征在于，所述微热源(8)采用MEMS微制造工艺制作，包含加热薄膜电阻、测温薄膜电阻和接触电极；其中加热薄膜电阻为微流通道(10)充当热源，测温薄膜通过电阻值反馈热源温度，接触电极与加热薄膜电阻和测温薄膜电阻相连。

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