[发明专利]一种基于悬臂梁隧道电流的细颗粒物质量浓度检测方法

说明书

本发明涉及一种基于悬臂梁隧道电流的细颗粒物质量浓度检测方法，包括：体积为Qt升的气体样本经过静态悬臂梁前端气路的一段金属气路；上述气体样本中带电细颗粒物在静态悬臂梁自由端上表面的采样区上沉积；静态悬臂梁发生形变，检测隧道电流的大小；所述隧道电流是指流经静态悬臂梁自由端下表面的隧道电流表面上的电流，在隧道电流表面下方设置一个隧尖探针，隧尖探针与隧道电流表面的间距为x；计算出静态悬臂梁上吸附的细颗粒物的质量m，根据多依奇捕获效率η计算出细颗粒物的质量浓度ρ。本发明中静态悬臂梁的微变形量是通过隧道电流进行检测的，且微型静态悬臂梁均匀布线荷载较小，检测灵敏度较高。

技术领域

本发明涉及大气环境检测技术领域，尤其是一种基于悬臂梁隧道电流的细颗粒物质量浓度检测方法。

背景技术

空气中的细颗粒物是指环境空气中空气动力学半径小于2.5um的颗粒物，其中粒径越小，比表面积越大，活性越强，对人体的毒害越大。在大气环境监测方面，现在主要的激光、射线方法，需要使用重量浓度系数把数量浓度换算成质量浓度，尤其在空气颗粒物粒径和浓度较低的情况下，测量较为不准确，甚至失真。随着微纳加工技术的发展，传感器的体积不断减小，但是由于系统的减小，对信号处理、配套的光学和机械系统要求极高。目前运用于空气颗粒物检测的微纳传感器主要运用微纳谐振式传感器，利用吸附在敏感器件上的被测物质质量改变谐振频率的原理，以计算得出被测物质的质量。在空气中细颗粒物检测中，谐振式等动态检测方式存在三个问题：(1)细颗粒物很难牢靠的吸附在敏感元件上，如果敏感元件用较高的振动频率振动会导致颗粒物脱附的问题；(2)想要提高传感器的灵敏度，共振频率一般较高，然而在非真空的环境下的高频振动会导致系统阻尼增大，发热严重，甚至测量结果失真；(3)采样区一般涂有吸附材料，该采样方式使用粘性较强的材料，会导致吸附在传感器上的细颗粒物难以脱附，传感器难以再次利用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大大提高了测量结果的可靠性、检测灵敏度较高的基于悬臂梁隧道电流的细颗粒物质量浓度检测方法。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种基于悬臂梁隧道电流的细颗粒物质量浓度检测方法，该方法包括下列顺序的步骤：

(1)体积为Qt升的气体样本经过静态悬臂梁前端气路的一段金属气路；

(2)上述气体样本中带电细颗粒物在静态悬臂梁自由端上表面的采样区上沉积；

(3)静态悬臂梁发生形变，检测隧道电流的大小；所述隧道电流是指流经静态悬臂梁自由端下表面的隧道电流表面上的电流，在隧道电流表面下方设置一个隧尖探针，隧尖探针与隧道电流表面的间距为x；

(4)计算出静态悬臂梁上吸附的细颗粒物的质量m，根据多依奇捕获效率η计算出细颗粒物的质量浓度ρ。

在步骤(1)中，所述金属气路的一端接地，并连接至高压直流电的正极，经过金属气路的空气细颗粒物将会带电。

在步骤(2)中，所述采样区是指涂敷在静态悬臂梁自由端上表面的一层金属镀膜，细颗粒物在经过采样区时，会在静电力的作用下驱进并吸附在采样区，该过程满足多依奇捕获效率η：

η＝1-e^-vs/Q

其中，S为采样区的面积，Q是气体样本的流量，v是荷电细颗粒物在电场中的驱进速度。

在步骤(3)中，所述隧道电流表面是在静态悬臂梁自由端的下表面且与采样区相对应的位置处涂敷的一层金属镀膜，所述间距x为1um，隧道电流表面和隧尖探针二者组成用于检测静态悬臂梁微量形变的隧道电流检测机构，隧道电流的大小I表示为：

其中，I为隧道电流；V为隧道电流两端的电压；A为常数，其值为1.025*10¹⁰；为隧道结势垒高度，x为隧尖探针与隧道电流表面的间距。