[发明专利]一种应用于空气中重金属颗粒检测的传感器

说明书

该发明公开了一种应用于空气中重金属颗粒检测的传感器，本发明涉及空气质量检测、磁学、微电子学与固体电子学等交叉领域，首次提出使用磁性芯片检测悬浮于空气中重金属颗粒的设想与方法。该发明通过电磁铁吸引空气中的金属颗粒于芯片上表面；通过磁化的方式，将铁、钴、镍、其氧化物和金属合金等拥有远大于1的相对磁导率的物质与空气中的其他物质区分开来；设计与空气中颗粒的大小相当的小尺寸霍尔器件，保证颗粒存在时，霍尔器件能产生明显的霍尔电压；设计多霍尔器件组成的阵列，增加传感器的检测范围及检测颗粒的位置；对比有颗粒时的霍尔器件输出，即可确定颗粒的存在和位置。该发明的实际意义在于人们对于健康的重视和对于生活品质的追求，重金属作为PM2.5的重要组成部分，越来越受时代的重视。

技术领域

本发明涉及空气质量检测、磁学、微电子学与固体电子学等交叉领域，首次提出使用磁性芯片检测悬浮于空气中重金属颗粒的设想与方法。

背景技术

(1)空气质量

2013年初，我国首次将PM2.5(悬浮于空气中直径小于等于2.5微米的颗粒物)作为预警分级的重要指标之一，空气质量对人的生活健康不言而喻。重金属是PM2.5的重要成分，空气中的重金属对于身体的危害北京大学早在文献[杜金花,张宜升,何凌燕,黄晓锋,梅立永,赖梅东,栾胜基.深圳某地区大气PM2.5中重金属的污染特征及健康风险评价.环境与健康杂志,2012,29(9):838-840.]中有过报道；另外近些年也有文献[Maher B.A.,AhmedI.A.M.,Karloukovski V.,et al.Magnetite pollution nanoparticles in the humanbrain.Proceedings of the National Academy of Sciences,2016,113(39):10797-10801.]指出磁性金属氧化物颗粒随着呼吸道进入脑部，粘附在大脑皮层的危害。

空气由众多物质组成，目前商业的空气传感器都是针对空气中的一种或者几种物质进行检测，检测的物质包括：挥发性有机化合物、二氧化碳、一氧化碳、甲醛、氧气、PM2.5等。尚无单独检测空气重金属颗粒的产品与先例。

PM2.5的主要由有机碳、元素碳、硝酸盐、硫酸盐、铵盐、钠盐、重金属和微生物等组成。重金属是PM2.5的重要组成部分，其中PM2.5的检测是根据光的散射原理来开发的，颗粒和分子在光的照射下会产生光的散射现象，与此同时，还吸收部分照射光的能量。当一束平行单色光入射到被测颗粒时，会受到颗粒周围散射和吸收的影响，光强将被衰减。如此一来便可求得入射光通过待测浓度的相对衰减率。而相对衰减率的大小基本上能线性反应待测场灰尘的相对浓度。光强的大小和经光电转换的电信号强弱成正比，通过测得电信号就可以求得相对衰减率，进而就可以测定待测场里灰尘的浓度。该方法虽然能检测PM2.5的浓度，但无法区分具体物质，不能明确的检测重金属物质。

(2)磁学

然而，空气中的部分重金属颗粒是可以用磁学的方法与其他物质分辨开来的。当物质受到外来磁场B₀后物质会磁化，从而产生额外的磁场B’,进而总磁场B＝B₀+B’，如：加了铁芯的线圈会产生更大的磁场，就是因为此时的B’远大于B₀。其中根据B’数值的不同，可以简单的将物质分为顺磁材料、抗磁材料和铁磁材料三大类。顺磁和抗磁材料产生的B’都特别小，一般不予以考虑。铁磁材料如铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)以及他们组成的合金和氧化物等是本项目的主要考虑目标。当然，除了物质的材料特性以外，在实际情况时，还需要考虑颗粒形状及表面氧化等问题，这个需要试验的进一步验证。图1是通过专业的电磁仿真软件Maxwell初步仿真的有无直径为2.5微米镍颗粒存在时的对比试验，左边是电磁铁产生的磁场，右边是将一直径为2.5微米镍颗粒置于相同磁场环境中的磁场变化。可以明显看到2.5微米镍颗粒附近会产生一个明显的磁场增强效果，本发明的基本设想就是通过磁性传感器测量增强的磁场从而感知颗粒的存在和位置。

(3)微电子学与固体电子学