技术领域
[0001] 本实用新型属于微
机电系统(MEMS)技术领域中的
传感器领域，具体涉及一种基于3D打印技术的虚拟冲撞器与微粒分离与浓度检测器。
背景技术
[0002] 微流量系统是使用尺寸在几十到几百微米的微流道处理或操作微量
流体的系统。微流控制系统技术最初应用在分析领域，它具有使用样本和
试剂量小、分离和探测的
分辨率和灵敏度高、成本低、分析时间短，可重复利用的优点。微流控技术不仅有小尺寸的特点，该技术还利用了其中流体的流动特性，如
层流。它对微粒的收集、分离等应用提供了新的方法。
[0003]
石英晶振微天平把
质量、
密度和
粘度等信息转化为
频率信号，即可以把石[0004] 英晶振
电极表面质量、密度和粘度等改变转换成振动频率的改变，通过测量频率的变化来反映质量、密度和粘度等信息的变化。QCM传感器振荡频率
对电极表面的质量负载和反应体系物理性状如密度、粘度、电导率的改变高度敏感，具有纳克级的质量响应灵敏度。
[0005] 在特定的条件下，石英晶体上的电极表面
吸附待测物质时。它的固有频率就会发生改变，且频率的变化量与吸附质量相关，在石英晶体上的电极表面
镀上一层湿敏材料
薄膜，当湿敏薄膜吸附待测物质后，通过测量QCM传感器的频率变化即可获得待测物质的浓度。
[0006] 3D打印或
快速成型技术，是将粉末状固体粘合或液体
固化，通过逐层打印的方式构造物体的技术。使用3D打印或快速成型技术加工微粒分离器的优势在于可轻松实现复杂空间的立体微流道设计，不受切割刀具等的限制。
[0007] Jaramillo等人通过静电分级器(DMA)基于
电子迁移率选择直径10纳米[0008] 以下的微粒，并用多孔传导电极收集带电微粒【1】。通过梳齿状
驱动器使电容式静电计在高频下工作，从而达到减少静电计受噪声干扰的目的。这种方法虽然有很高的分辨率，但是过分依赖梳齿状的感应结构使其成本过高、
稳定性低、可靠性差不利于大规模应用。Carminati等人利用空气中的微粒可以改变电容的相对
介电常数，设计制造了一种用于PM个人监测的仪器【2】。这种PM检测仪可重复性较差、灵敏度低。Paprotny等人使用质量改变引起体
声波谐振器(FBAR)的谐振频率改变的原理来测量PM浓度【3】。但由于FBAR的制造技术复杂，也不利于大规模应用。
[0009] 为了提高传感器的便携性与可集成性，需要进一步的减小体积，这就需要减少微流道的整体尺寸，为了达到分离要求，喷口尺寸为1mm，还需要设计成折叠延伸式，因而微流道结构较为复杂，使用微加工存在
刻蚀深度过大，难以实现，成本较高等缺点，使用传统精密
机械加工存在工艺复杂，误差较大等缺点，且两者都存在着难以克服的装配问题，对于要求密封的微流道，装配产生的误差对于装置的负面作用变得十分的显著，使用3D打印或快速成型技术加工微粒分离器的优势在于可轻松实现复杂空间的立体流道设计，不受切割刀具的等的限制，且加工
精度足以实现1mm的微流道。
[0010] 因此有必要提供一种
输出信号稳定、易于实现、分辨率高且适合大规模生产的微粒分离与浓度检测器。
[0011] 引用文献：
[0012] 【1】Gerardo Jaramillo,Cesare Buffa,Mo Li,Fred J.Brechtel,Giacomo Langfelder,and David A.Horsley.MEMS electrometer with femtoampere resolution for aerosol particulate measurements[J].IEEE Sensors Journal,2013.13(8):2993-3000
[0013] 【2】M.Carminati et al.Capacitive detection of micrometric airborne particulate matter forsolid-state personal air quality monitors [J].Sensors and Actuators A:Physical,2014.219:80-87
[0014] 【3】Igor Paprotny et al.Microfabricated air-microfluidic sensor for personal monitoring of airborneparticulate matter:Design,fabrication,and experimental results[J],Sensors and Actuators A:Physical,2014.201:506-516实用新型内容
[0015] 为了克服微粒分离与浓度检测器输出不稳定、实现复杂、分辨率低或不利于大规模生产的不足，本实用新型提供了一种基于3D打印技术的虚拟冲撞器与
石英晶体微天平的微粒分离与浓度检测器，该微粒分离与浓度检测器不仅具有高分辨率，容易检测出输出信号，而且结构简单适合大规模生产。
[0016] 本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0017] 一种基于3D打印技术的虚拟冲撞器与微粒分离与浓度检测器，包括传感器
支架(1)、
石英晶体微天平传感器(2)和虚拟冲撞器(6)；所述的虚拟冲撞器(6)中开设有一条小流量通道(3)、两条大流量通道(4)和一个微粒入口(5)，小流量通道(3)由连通的小流量通道
水平部(301)和小流量通道上升部(302)组成，大流量通道(4)由连通的大流量通道水平部(401)和大流量通道上升部(402)组成，微粒入口(5)正对小流量通道水平部(301)的入口，两条大流量通道水平部(401)对称布置于小流量通道水平部(301)两侧；微粒入口(5)、小流量通道水平部(301)和大流量通道水平部(401)处于同一平面上形成一个三向气体孔，使空气流入微粒入口(5)后被分成三路。成平直状能够尽量增大压
力差。所述的石英晶体微天平传感器(2)嵌入式固定于传感器支架(1)底部，传感器支架(1)固定于虚拟冲撞器(6)顶部且两者之间存在一个空腔，小流量通道上升部(302)和两条大流量通道上升部(402)的出口均位于该空腔中，且石英晶体微天平传感器(2)位于其中一条大流量通道上升部(402)出口的上方；传感器支架(1)上开设有与空腔相通的排气口。
[0018] 作为优选，所述的小流量通道上升部(302)呈折叠式。由于大流量通道出口压力应该比小流量通道出口压力高，为了实现这种压力差，因此要增加流小流量通道的长度，将其折叠延伸，增加了沿途压力损失，在保证压力差相等的情况下，减小了长度与面积。而将小流量通道进行上述设计不仅实现了压差，同时也能大大减小整个虚拟冲撞器(6)的体积。
[0019] 作为优选，所述的大流量通道上升部(402)在虚拟冲撞器(6)中垂直设置，而且两条大流量通道(4)以小流量通道(3)为中心左右对称分布。对称结构能够使气体进入时，左右两侧分布均匀，使最终的检测结果更加准确。
[0020] 作为优选，所述的石英晶体微天平谐振传感器中心为石英晶体，石英晶体两面分别设置电极层，并在整体外部涂布一层
光刻胶。
[0021] 作为优选，所述的虚拟冲撞器(6)中：小流量通道水平部(301)截面呈1mm×1mm的正方形，大流量通道水平部(401)入口呈2mm×1mm的长方形，微粒入口(5)截面呈1mm×1mm的正方形，大流量通道(4)和小流量通道(3)出口压差设置为79Pa。上述设计下，可以使PM2.5达到90％的分离率。
[0022] 作为优选，所述的小流量通道(3)、大流量通道(4)和微粒入口(5)均通过3D打印技术在虚拟冲撞器(6)形成。近年来，基于3D打印技术的机械系统越来越多的引起人们的关注，其原理是将粉末状固体粘合或液体固化，通过逐层打印的方法制造零件，应用3D打印加工虚拟冲撞器的优势在于可轻松实现复杂空间的立体微流道设计，不受切割刀具的限制，且加工精度足以实现1mm左右的微流道，成本相对较低，而且一次成型，不需要进行装配，消除了装配误差。本方案使用的3D
打印机原理是利用光固化和投影仪
数字光处理(Digital Light Processing,DLP)技术通过可见光将光敏
树脂逐层固
化成的3D对象，3D对象从上到下逐层创建堆积而成。在3D打印过程中，在无材料填充区域要使用
支撑液体进行填充并固化，以支持下一层打印，最终将固化的支撑材料排出，形成空腔，进而成为想要的微流道形状，从而大大减小装置大小，使其能做成微型结构集成于移动设备或便携式设备中。
[0023] 从上述的技术方案可以看出，本实用新型的有益效果是：采用3D打印技术直接成型虚拟冲撞器，避免了装配误差，维持了精确的校准，同时器壁
热损失小，能够保证结构的简洁与稳定性；石英晶体微天平谐振传感器由正反双面电极，石英晶体组成，切方式为AT，首先使用
银胶将
铜线链接在QCM平面与凹面电极处，银胶固化后将QCM涂布一薄层光刻胶，使其粘附上微粒，使得微小的质量变化转化为频率的改变，得到较高的分辨率；器件结构稳定，可以在室温环境下工作，工作稳定。
附图说明
[0024] 图1是基于3D打印技术的虚拟冲撞器与微粒分离与浓度检测器的整体结构示意图；
[0025] 图2是基于3D打印技术的虚拟冲撞器与微粒分离与浓度检测器的内部结构示意图；
[0026] 图3是本实用新型的虚拟冲撞器顶部结构示意图；
[0027] 图4是本实用新型的虚拟冲撞器内部通道结构示意图；
[0029] 图6是流量分配和微粒分离原理图；
[0030] 图7是系统测试示意图；
[0031] 图8是QCM的谐振频率与时间的相关关系图；
[0032] 图9是本实用新型
实施例1中的
载玻片测试效果图，a)是两侧大流量通道的载玻片颗粒物检测结果，b)是中间小流量通道载玻片颗粒物检测结果。
具体实施方式
[0033] 为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合附图，对本实用新型进一步详细说明。
[0034] 如图1～4所示，一种基于3D打印技术的虚拟冲撞器与微粒分离与浓度检测器，包括传感器支架(1)、石英晶体微天平传感器(2)和虚拟冲撞器(6)。虚拟冲撞器(6)中的小流量通道(3)、大流量通道(4)和微粒入口(5)均通过3D打印技术在虚拟冲撞器(6)形成。所述的虚拟冲撞器(6)中开设有一条小流量通道(3)、两条大流量通道(4)和一个微粒入口(5)，小流量通道(3)由连通的小流量通道水平部(301)和小流量通道上升部(302)组成，大流量通道(4)由连通的大流量通道水平部(401)和大流量通道上升部(402)组成，微粒入口(5)正对小流量通道水平部(301)的入口，两条大流量通道水平部(401)对称布置于小流量通道水平部(301)两侧；微粒入口(5)、小流量通道水平部(301)和大流量通道水平部(401)处于同一平面上形成一个三向气体孔，使空气流入微粒入口(5)后被分成三路；所述的石英晶体微天平传感器(2)嵌入式固定于传感器支架(1)底部，传感器支架(1)固定于虚拟冲撞器(6)顶部且两者之间存在一个空腔，小流量通道上升部(302)和两条大流量通道上升部(402)的出口均位于该空腔中，且石英晶体微天平传感器(2)位于其中一条大流量通道上升部(402)出口的上方；传感器支架(1)上开设有与空腔相通的排气口。
[0035] 如图6所示，待检测气体由微粒入口(5)进入虚拟冲撞器(6)，通过三向气体孔时，大于2.5μm的微粒由于惯性作用从中间小流量流道(3)流出，小于2.5μm的微粒在压差作用下从两侧大流量流道(4)流出。大流量流道(4)和小流量流道(3)间的压差由其开口面积、长度等因素控制。利用石英晶体微天平传感器(2)检测通道中的微粒含量，并根据比例换算成微粒入口(5)气体中颗粒物含量，从而实现微粒分离与浓度检测。
[0036] 本实施方式中，小流量通道上升部(302)呈折叠式。小流量通道上升部(302)、大流量通道上升部(402)在虚拟冲撞器(6)中垂直设置，而且两条大流量通道(4)以小流量通道(3)为中心左右对称分布。
[0037] 虚拟冲撞器(6)中各通道的具体参数对最终分离效果有着决定性的影响，本实用新型在不断的试验过程中将其确定为：
[0038] 小流量通道水平部(301)截面呈1mm×1mm的正方形，小流量通道(3)呈水平方向的若干条段长度为20mm，共往返折叠6次(来回分别算一次)。大流量通道(4)：水平部分5mm*1mm*9mm面积，垂直部分5mm*1mm*13mm，大流量通道水平部(401)入口呈2mm×1mm的长方形。
微粒入口(5)截面呈1mm×1mm的正方形，长度为2mm微粒进入后，分为三路，两路大流量通道，一路小流量通道，其中，三向分开处两侧均设置了5mm的圆
角，防止产生
涡流，大流量通道和小流量通道出口压差设置为79MPa，可以达到90％的PM2.5分离率。
[0039] 虚拟冲撞器主体为了产生在中间次要流道和两侧的主要流道产生足够的力差以进行流量分配。在不产生堵塞的前提下，我们期望中间次要流道的截面积尽可能小。但为了配合3D打印技术加工的要求，我们需要将流道最小尺寸控制在1mm。在3D打印过程中，在无材料填充区域要使用支撑液体进行填充并固化，以支持下一层打印。而限制微流道最小尺寸的因素正是需要有效地将固化的支撑材料排出，形成空腔，进而成为想要的微流道形状。因此，微流道不能过小，不利于支撑材料的排出。因此，我们将微流道最小尺寸控制在1mm。
通过不断的试验想要达到分离PM2.5的目的，要使得小流量通道出口压强与大流量通道出口压强差为79Pa，通过设计计算，确定出了各通道的长度和截面积，为了减少漩涡的影响，
对流道口进行了优化设计，采用了圆心更靠近图形的几何中心和更大半径的圆角过渡，使过渡区域更加平滑流畅，大大减小了赘余区域面积。
[0040] 另外，本实施方式中石英晶体微天平谐振传感器中心为石英晶体，石英晶体两面分别设置电极层，并在整体外部涂布一层光刻胶。石英晶体微天平谐振传感器由正反双面电极、石英晶体组成(即在石英晶体两面分别设置电极层)，切割方式为AT，首先使用银胶将铜线链接在QCM平面与凹面电极处，银胶固化后将QCM涂布一薄层光刻胶，使其粘附上微粒。
[0041] 如图5和7所示，基于上述检测器，还可以实现一种使用所述检测器进行微粒分离与浓度检测方法，包括如下步骤：
[0042] 1)将传感器支架(1)上的排气口依次与流量计、节流
阀、
真空泵相连，石英晶体微天平传感器(2)与阻抗分析仪相连；
[0043] 2)利用
真空泵产生
负压，通过流量计与
节流阀调节流量，将空气中的颗粒进行分离；并利用阻抗分析仪测得石英晶体微天平传感器(2)的谐振频率变化速率，再换算得到空气中PM微粒的质量，进而计算PM微粒浓度值。
[0044] 利用真空泵产生负压，通过流量计与节流阀调节流量，将空气中的颗粒进行分离。如图8所示，分离出的需检测的小微粒粘附在QCM，随着时间的进行，微粒被不断地吸附在QCM上，QCM质量增加，谐振频率减小，谐振阻抗增加。如果保持空气微粒浓度不变，微粒分离与检测装置的流量也不随时间变化，在一定时间内吸附在QCM上的微粒质量将保持不变。所以，QCM的谐振频率理论上与时间呈线性关系。因此可利用阻抗分析仪测得石英晶体微天平传感器(2)的谐振频率变化速率，再换算得到空气中PM微粒的质量，进而计算PM微粒浓度值。
[0045] 实施例
[0046] 本实施例中使用了香烟烟气环境作为PM形成腔内的气体，并将QCM换成载玻片。大气中的细微颗粒物PM2.5，含有硫
氧化物、氮氧化物、多环芳
烃等多种物质，而香烟燃烧烟气中含氮氧化物、芳香烃等物质，与大气中PM2.5种类相似，所以研究中首先考虑到并使用了香烟烟气环境作为PM形成腔内的气体进行试验。装置采用如上所述的基于3D打印技术的虚拟冲撞器与微粒分离与浓度检测器。实验中点燃香烟，使用滴管连接香烟一头，将香烟燃烧一端放入PM形成腔内，轻轻
挤压滴管以给予香烟燃烧必要的气体流动，往复挤压香烟30秒。可以观察到香烟烟气迅速充满PM形成腔，此时熄灭香烟，封闭PM形成腔，打开真空泵使微粒分离与检测装置开始吸气。在持续约5min后，烟气被完全吸入系统，关闭真空泵结束实验。
使用带有日本JVC公司CCD的光学
显微镜检查载玻片上的颗粒物大小与分布，如图9所示。可以发现，两侧颗粒物数量明显多于中间。中间流道对应区域的颗粒明显大于两侧微流道对应区域的颗粒。
