论文总字数：20926字

摘 要

本文利用荷电法设计了一种粉尘检测传感器，其原理是先通过电晕放电使粉尘荷电，通过带电平行板电容所产生的电场力使带电粉尘偏移打到低电势板上，由于电荷的积累会导致板间电势差减小，因此测量板间电压变化量可以得到，将直接测量粉尘浓度转变为对电荷数的测量，根据电学性质推导出粉尘浓度与电压变化量的关系式，且呈线性关系，斜率与粉尘流速、放电电场强度、测量时间、粉尘颗粒粒径呈正相关关系，实现了对粉尘浓度的在线检测。本文用matlab模拟被测电压与粉尘浓度的曲线，分别找出了适合低浓度粉尘环境（每立方米一百万个粉尘以下）与高浓度粉尘环境（每立方米一百万个粉尘以上）的测量参数，最后给出了粉尘检测传感器的结构和硅工艺制作流程制作图，最终得到了以硅为衬底，上覆一层氧化层，两块高起的氧化层相对内面分别附着一层金属作为平行板，两板外接金属引线。

关键词：粉尘浓度检测；电荷法；粒径

A Study On The Dust Concentration Censor

Abstract

In this paper, a new method of measuring dust concentration was designed. Here is its principle: firstly, charging the dust by corona discharge, and then the dust flow through the Parallel plate capacitor. Due to the electric field force produced by parallel plate capacitor, the charging dust will be attracted to one of the metal plate, and as time goes by, the voltage between two plate capacitor will be lowered by charged dust. Thus, the dust concentration can be acquired by measuring the voltage between two plate capacitor. The relationship between the dust concentration and the variation of the voltage is deduced, and the linear relationship is presented, and the slope was positively correlated with the dust velocity, the electric field intensity, the measuring time and the particle size of the dust particles. The on-line detection of dust concentration was realized. In this paper, the MATLAB was used to simulate the curve of the measured voltage and dust concentration, a group of appropriate parameters was find. Finally, the production flow chart of the dust concentration censor was presented in this paper, its construction consist of silicon substrate, silicon oxide, metal plate.

Key words: dust concentration sensor; charging dust; particle size

目 录

第一章 绪论 3

1.1 研究背景及意义 3

1.2 国内外粉尘检测传感器研究现状 3

1.2.1 电容法 4

1.2.2 光学法 4

1.2.3 电荷感应法 4

1.3 本文的主要研究工作 6

第二章 传感器设计原理 7

2.1 设计思考过程 7

2.1.1 类比霍尔效应 7

2.2 传感器设计原理 8

2.3 量化模型 9

2.3.1 电晕放电 9

2.3.2 平行板电容器模型 9

2.3.2 公式推导 10

2.4 本章小结 13

第三章 模拟测试与实验数据 14

3.1 适用于低浓度环境的参数 14

3.2 适用于高浓度环境的参数 18

3.3 本章小结 21

第四章 传感器的结构与工艺 22

4.1 粉尘检测传感器结构 22

4.2 粉尘检测传感器制造工艺 23

4.3 本章小结 25

第五章 总结 26

5.1 研究成果与结论 26

5.2 不足与展望 27

致谢 28

第一章 绪论

工农业的迅速发展在带给我们生活质量提高的同时也为带了其它的很多隐患，漫天飞舞的有害粉尘颗粒物就是其中之一。高精度灵敏的粉尘检测传感器应运而生，其重要性不言而喻，国内外也有大量的文献和不同的检测手段纷纷出谋划策。作为一个有着高度敏感的体质的人，我深刻切肤地感受到了问题的严峻，本文提出了一种新的、不同于传统方法的电荷检测法，以实现对粉尘浓度进行在线检测。

粉尘浓度有两种定义方式，一种是我们常说的“千克每立方米”——质量浓度，还有一种是以“个每立方米”为单位的粉尘浓度——数量浓度。五十年前，大部分国家都用数量浓度作为对粉尘浓度上限的规定，只有我国和俄国使用质量浓度单位，渐渐的由于人们发现尘肺病与粉尘的质量浓度息息相关，于是其它国家也纷纷开始使用质量浓度单位。但是直到如今，数量浓度还是保留着它重要的作用，对于某些会引起严重疾病和危害的粉尘仍旧采用数量浓度来控制。

11.1 研究背景及意义

环境问题越来越成为人们关注的焦点，而环境问题的重中之重就是与我们息息相关的空气质量。“PM2.5”成了近一段时间内的热点话题。所谓“PM2.5”就是指粒径小于2.5微米的颗粒物，也是我们常说的“粉尘”中的一种。PM2.5对人体的伤害不会一下子显现，但长此以往会导致造成哮喘等尘肺病。国际标准化组织规定，当固体悬浮物粒径小于75微米时这种悬浮物就可以被叫做粉尘。

粉尘有利也有弊，它可以维持地球的温度，如果过少就会导致环境气温的不正常变化，但如果过多则会诱发人类的疾病。粉尘最致命的环境是在生产环境中，例如矿井作业下常常发生的粉尘爆炸就是由于一些金属性粉尘、小麦粉、煤尘等在火源或高温的环境下发生剧烈的化学反应产生的。由此可见对于粉尘检测传感器的研究的重要性，如果能够及时了解工作环境中的粉尘浓度状况就可以很好的保护工作人员的安全甚至是生命。不仅仅是在矿井作业能够体现粉尘浓度监测的价值，在平时的日常生活中，高精度的粉尘浓度监测器也可以提醒我们避免过敏原、降低尘肺病的概率。

1.2 国内外粉尘检测传感器研究现状

近年来，随着人们对粉尘问题的重视，测量粉尘的仪器也是q多种多样，各种原理层出不穷。从测量原理上来说大致可分为采样法和非采样法。采样法也就是我们常说的直接测量法，以称重法为例。称重法^[1]，顾名思义就是取样后过滤直接测量粉尘的重量，再用公式得到粉尘的浓度。采样法思路简单、精度更高但是步骤繁琐且耗费时间很长。相对的，非采样法运用多种物理规律和关系实现间接测量，有些方法可以满足某些环境实时监测的需求，然而，缺点当然是与直接测量法相比会在精度上有些欠缺。非采样法有：电容、光学、电荷感应法

1.2.1 电容法

电容法的基本原理是利用两电容板之间的介质变化进行测量^[2]。将混有粉尘的空气视为另一种介质，利用公式计算出该介质的等效介电常数，由于介电常数的变化引起了两板电容的变化且可推算出该变化与粉尘浓度呈正比关系。然而由于介电常数的变化微小，在后续的测量结构上还要利用一些放大被测量的方法解决这个问题。由于介电常数常常与温度、湿度有很大的关系，导致电容法的缺点就是检测结果易受环境影响。

1.2.2 光学法

光学法^[3]是利用光的折射与散射的性质以实现对粉尘浓度的在线检测。我国主要以激光散射法为主，具体原理是将待测的含有粉尘的空气抽到测量仪器中，由于粉尘颗粒物的存在，再经过内置的光源照射后会将光散射到各个方向，接着利用光电倍增管将微弱的光信号变化转换输出为电信号，通过分析电信号变化与粉尘浓度的规律来得到待测的粉尘浓度。这个方法的优点是可以得到实时的浓度数据，然而缺点是检测结果很容易受到一起种残留的粉尘影响，则需要过一段时间就对仪器内部进行清理，不间断的长期检测无法实现。

1.2.3 电荷感应法

回看过去的五十多年的计量学历史，我们不难发现很多非接触式测量都是基于静电感应的原理进行的。目前静电感应法已经开始被广泛应用于管道颗粒物气流带电量的测量，也常常直接用来衡量估计质量流量、浓度、承载体积和流速这些气固两相流的参数。

粉尘颗粒在矿井作业等生产活动中会由于碰撞及摩擦而带电，在粉尘气流中放入金属探测装置，带电的粉尘流的经过会致使金属探测器上感应出等量异号的电荷，电荷随着附近的粉尘浓度改变而改变，当粉尘浓度越高的时候产生的感应电荷也会相对更多，金属探头将交变电流信号经过放大电路等处理输出即可得到实时粉尘浓度。这个方法在近年来广泛在国际上被应用于的粉尘浓度检测，这个方法与散射法相比优点就是在具有高灵敏度的同时不需要定期清理粉尘，且结构简单，不足之处与电容法相似，就是粉尘自身由于碰撞摩擦带电量有限，导致感应电流数量级太小，难以被测，因此这个方法对后续测量工作有一定的要求。

对于金属探头的形状也是有讲究的，主流的有棒状探头与环状探头：

图1-1.棒状探头模型

棒状探头^[4]的特点是感应电荷在探头两端急剧变化但是在探头中间维持稳定。

图1-2.yan环状探头模型

图1-2为著名的yan环状探头模型^[5]。与棒状电荷不同的是，外环状探头仅仅探测感应电荷而不包括摩擦电荷。不同的测量需求对应不同形状的金属探头。

但是，在众多测量法中只有一种测量方法广泛地发展改良、量化并且应用于实验室实践甚至是工业装置，那就是金属环状探头电荷感应法。有些论文的作者阅读了静电测量法的一些发展成果后，他们仅仅只是在众多其它非接触式测量法比如电容法、超声波法、微波法、光子法、电导法、热力学法中提到这个方法。许多著作被发表，但是大多数的这些作品都非常相似，唯一的区别就是一些电极探头的微小改动，比如说这个探头装在金属的哪个部位。不过也有一些数学模型的不同理论方法发展了电荷感应法并且拓宽了它在工业领域的应用。

有很多器件，比如非接触式探头、传感器是测量仪器的一部分并且感知颗粒物流的变化，比如质量流量、浓度、流速、空间电荷密度等等。这些探测器一直以来都是根据颗粒物在电场中的静电感应原理设计的。他们都是经过严谨的数学模型并且被大量的论文讨论过。这样的器件不仅可以被应用于测量颗粒物带电量和质量流量、浓度、颗粒物平均流速或者所有这些被测量，尤其是在气力输送的部分，而且他们也可以被应用于最日常的测周围的空气。

最受欢迎、且最完善使用范围最广的电极是环状电极。在模型中单个带电颗粒物作为思考对象或者仅仅用点电荷作为代替，这样的理论分析和实验室反复实验中结果被广泛发表刊登在学术期刊上。带电颗粒物或带电颗粒群可以沿着环的几何轴或这平行于几何轴的直线移动。接着，颗粒物不停的碰撞环状探头壁或者内表面，它的行为是严格根据感应的规律来的，除非该颗粒物的轨道与环的几何轴不平行或者与内表面不是切向方向，那么颗粒物对环的影响才有可能。在这样的情况下，带电颗粒物在碰壁之前先在壁上产生感应电荷然后再直接碰撞给颗粒物充电或者甚至通过碰撞时的摩擦带上电荷。

大多数情况，静电流探针是与气固两相流分开的，比如说安装在绝缘材料的管道上，颗粒物只与管道内表面撞击而不是探针，然后探针上带有一定量的由于带电粉尘移动和带电绝缘表面而引起感应电荷。强烈的摩擦导致电荷聚集在表面上。这些电荷可以被轻易且持续的感知到，更重要的是还可以引起探头的信号改变，这可以与其他有用的侦测到的探头信号作为比较；这个信号可以从总的信号中被相对轻易的过滤。同时，刷型放电有时也可以被观察到而且会导致放电脉冲，这也可以从有用的探针信号中被过滤出来。

有些电极的设计不是整个圆环型的，它们有以下这些形状：开环探头、安装在传输管绝缘探头或管道形的板和管道壁的成型结构、四分之一环状探头、半圆环状探头、钉子形电极、还有电极安装在与管道壁的齐平的地方。那些以环状探头为参照形式的设计会和固体颗粒流有直接的接触。所有这些器件不会阻碍粉尘流因为他们主要是安装在与管道内表面齐平的地方。

带电颗粒物非均匀分散，很少存在一致性，管道可以流经整个环的横断面区域或者仅仅它自己这块区域。他们会形成通量相似于一块区域内部分散充满着随机带电颗粒物柱。在这种情况下，如果颗粒物不是和它所在的流分离，则会影响环内表面，当其它颗粒物上的电荷单单是通过环内表面感应出的。

有些不同的静电流探针、传感器和换能器可以检测流噪声到非常微小变化，甚至更精准的静电流噪声，形成管道中带电固体颗粒物流中器件感知区域的气动输送。噪声是一个很好的气固两相流参数的信息来源：质量或体积流量、浓度、载荷量和平均流速。所有的这些传感器件都与MI或者电子信号处理器相连，处理器许可它的电子信号被检测、放大、转换、显示并且或者存储作为微机单元、仪器或系统。探针、传感器、换能器信号传输到一个前置放大器的输入端或者MI别的电子器件部分，这个部分需要能够使得电流在器件和地之间或者测量到电势与环状探头前置放大器系统总阻抗的关系。这种类型的探头、传感器被认为是和电子信号处理还有相关电参数相关的。MI、器件的电性特征的探头输入是相连的，形状和影响整个测量系统的总的电性特征，比如灵敏度、带宽。

在过去，国外应用电荷感应法测量粉尘的研究更为深入^[6]，最早追溯到二十年前，美国环保局首次在规定中认可且推荐了这种方法对于粉尘测量的有效性，希望这项技术能运用于除尘装置。现在各国也有了多种使用这项技术的产品。然而国内在这点上还并没有跟上节奏，只是部分高校有做一些相关的研究。

1.3 本文的主要研究工作

电荷感应法给了本文很多启发，由粉尘带电机理测量粉尘浓度的方法本文想到了利用粉尘带电然后利用物理规律测量电荷以得到粉尘浓度的放法，将在本文进行详细的论述和数据分析。

本文第二章主要阐释了本文设计的粉尘传感器测量浓度的思考过程和基本原理，在一开始失败的方案上进行改进后找到的新方案，给出了参照模型、公式推导的过程以及一些基本参数的设定。

本文第三章分析的是一些利用MATLAB测出的实验数据，并用MATLAB描绘了的公式的曲线，对比了与其他方法测试出的精度差距，筛选出可行的数据范围具体探讨了传感器的可行性与适用范围。

本文第四章是基于传感器结构的一些介绍，关于如何在微电子机械系统的范围内实现传感器的结构以及完成传感器的制作工艺。

本文第五章是是对毕业设计的一些总结，其中包括对本方案的一些不足、需要改进的地方以及对未来的展望。

第二章 传感器设计原理

2.1 设计思考过程

2.1.1 类比霍尔效应

根据电荷感应法，本文认为如果让粉尘带上一定量的电荷，会使得测量由对粉尘浓度的测量转变为对粉尘流中电荷数的测量。电学的规律有很多，在这之中，本文最先想到的是曾在大学物理实验中做过的霍尔效应。霍尔效应^[7]具体是指在半导体薄片两端通入电流I，在垂直于半导体的方向加上磁感应强度为B的磁场，由于在薄片中的正负电荷收到方向相反的有磁场产生的洛伦兹力，导致正负电荷往薄片的两边聚集在薄片两端形成了一种电势差，这种电势差被叫做霍尔电压，电流越大磁感应强度越大，则霍尔电压越大。

由霍尔效应本文联想到了如果把这个半导体薄片想成是一种介质，那么如果把这个介质替换为空气，载流子类比为空气总的粉尘，那么是不是可以类比霍尔效应的公式测出粉尘的浓度？

于是本文设想了这样一种结构：如下图所示两片薄半导体或导体薄板相对，在平行于两板间的方向加入向里或者向外的磁场，再从薄片的一侧通入待测的带电粉尘流，粉尘颗粒也会像霍尔效应中的载流子一样、带着正负电荷受到洛伦兹力而聚集在上下两个板上，测量两板间的电压，用形成的电势差推算与粉尘浓度的关系。

图2-1.霍尔效应构想图

但是，在后来调研过程中本文发现忽略了一件事情，那就是霍尔效应只能维持一段时间，因为在两板形成电势差的一段时间后这个电势差会越来越大，最后会产生电场力可以抵消原本洛伦兹力的作用，粉尘颗粒就会受力平衡按照原本的粉尘流移动，不定期清理则无法实现连续测量。这是个小问题，导致这个方案不能继续下去的原因是原本公式中的霍尔系数是与载流子浓度有关的，

R=1/n……………………………………………………………………………（1）

n为载流子浓度、e为元电荷大小，根据这个公式本文将载流子浓度n类比为粉尘浓度，e类比为粉尘平均带电量q，I类比为单位时间内通过截面的粉尘量，这个时候就出现了问题，因为这样粉尘浓度就抵消了，这个公式最后得出的电压并不与粉尘浓度有关系，说明最后维持稳定电压取决于磁场大小等因素与粉尘浓度无关。这样本文就不能采用霍尔效应得到的霍尔电压分析霍尔浓度，紧接着本文想到利用在达到稳定电压之前的一段进行测量。于是本文大致计算了一下稳定电压：

U=BSV/d……………………………………………………………………（2）

（2）式中B为磁感应强度，S为截面积大小，V为流速，d为宽度。

假定磁感应强度B=0.5T，高度S/D=10um，流速v=10m/s，得出U=50um。在数量级来说这个电压太小了不易被测量，再加上很少有文献描述霍尔效应中在达到稳定电压之前载流子具体移动情况包括：载流子移动速度^[8]、与时间的关系等等，于是最后本文放弃了这个方案。设计传感器的过程并不是一番通顺的，有经历失败和瓶颈，但即使失败的方案也给本文带来了思考和收获，成功的方案就是在失败的方案基础上进行修改的，因此霍尔效应的这一步对本文来说并不是浪费时间和无意义的、而是起到了关键作用的一步。

2.2 传感器设计原理

经历了霍尔效应的失败本文知道了应该注意些什么问题，因为粉尘的带电量非常小，所以需要把注意力放在放大被测量以及被测量的数量级这个方面上。根据霍尔效应中正负电荷收到方向相反的洛伦兹力这个现象，本文想到了最原始的电荷和电场力之间的关系，同性相吸、异性相斥这个最基本的原理。如果不加磁场、单单用带电的两块极板也能起到吸引电荷的作用，再通过测量两极板间电压的改变量，这个方案与上文提到的霍尔效应的想法类似，并且结构上更简单了。

图4.传感器设计原理图

正如图4中所描绘的，上下两板为金属或半导体（导电性质的皆可）带电板，形成电场强度为E的电场，带电的粉尘流经过，电荷会受到电场力而改变原来的轨迹吸附在不同的板上：正电荷吸附在电势较低极板上、负电荷吸附在电势较高的极板上，聚集越来越多以后会造成两板间电势差的减小，显然粉尘浓度关系与两板间电压的改变量有关，于是我们可以将对粉尘浓度的测量转变为对电压的测量。

由于粉尘自身摩擦、碰撞而带电的电荷量较小，所以依靠粉尘本身带有的电荷量测量难度较大，对测量电压的灵敏度要求非常高，因此在本方案中本文采用电晕放电或尖端放电的原理使粉尘带电、这样大大降低了测量的难度。尖端放电是电晕放电的一种，是物体最尖锐的部分的一种放电现象，在强电场的作用下，表面曲率最大的地方电荷最密集，附近的电场极强，容易使空气电离，电荷可以离开导体扩散到外部，此时电荷有足够的时间与粉尘结合，使粉尘带电。高压电晕放电被广泛应用于静电除尘装置^[9]中。

2.3 量化模型

2.3.1 电晕放电

电晕放电有两种荷电效果^[10]，一种是扩散荷电：由于离子的热运动而向粉尘表面扩散而使粉尘带电，还有一种是电场荷电：电晕放电形成的单极性离子碰撞粉尘粒子的表面使其荷电。

对与不同粒径的粉尘也会导致不同的粉尘荷电效果，粒径在0.2微米以下的粉尘颗粒，使它带电的电场荷电远小于扩散荷电^[11]，因此在计算的时候不用考虑电场荷电，粒径在0.5微米以上的粉尘颗粒，电场荷电远大于扩散荷电，因此的在计算的时候不考虑扩散荷电。对于粒径大于0.2微米小于0.5微米的粉尘颗粒需要同时考虑到扩散荷电和电场荷电。

本文的粉尘颗粒以大粒径为主，都在0.5微米以上。由于这一块内容牵涉到了大量流体力学的知识，于是翻阅了很多文献之后，找到了相关的公式，对于粒径在0.5微米以上的粉尘颗粒饱和带电量为^[12]：

…………………………………….(3)

其中，是介质相对介电常数，是真空介电常数8. 85× 10^-12F/ m，E是粉尘所处位置的场强，是粉尘颗粒的粒径。

2.3.2 平行板电容器模型

根据平行板电容器的定义：距离很近的两块平行的金属板，期间隔有一层绝缘的电介质比如空气，这时候就可以将这两个板当作是平行板电容器就组成了一个最简单的电容器，叫做平行板电容器。而在本文设计的传感器中这两个金属板正好符合这些条件，在计算过程中可以将他们看作是一对平行板电容器。

平行板电容器有这样的性质^[13]：当平行板电容两块电板带电量不等的时候，一板m带电量为q1，一板n带电量为q2，(q1) 它们的分布将会是板内带有大小相等、符号相反的电荷，板外表面带有大小相反、符号相同的电荷。两板里侧所带电量将为q1-q2|/2，外侧带电量将为（q1-q2）/2。原因是一板内侧带电量多余另一板时，另一板会感应出等量异号的电荷，而此时为了保持原有的电荷量该板外侧又会感应出等量异号的电荷，因此为了保持稳定带电量多的那块板会分出一板的电荷到外侧去，这样就维持了两块平行电容板的平衡，具体数值证明如下：

假设m板外侧带电量为A，内侧带电量为B，n板外侧带电量为D，内侧带电量为C。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：20926字