面向无人机平台超细颗粒物监测的微型化差分电迁移率分析仪技术研究

The ultrafine particles are important air pollutants. The effective detection of ultrafine particles is the foundation for intensive study on the characteristics and transmission of dust hazes. The Differential Mobility Analyzer (DMA) is the mainstream technology of ultrafine particle detection nowadays, which combined with Unmanned Aerial Vehicle (UAV) is expected to provide a large region, fast and stereoscopic vision, but the challenge is miniaturization of DMA and influence of the distribution of gas flow and electric field on the transmission function of charged ultrafine particles. Based on this, MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) and DBDI (Dielectric Barrier Discharge Ionization) are employed to carry out miniaturized and highly integrated DMA technology. From properties of micro region DBDI, the dependence between the charge efficiency and the particle size distribution will be studied and a charge model of ultrafine particles will be established. The diffusion and transmission of ultrafine particles in electric field of the planar DMA will be studied by comparing simulation and experiment. A highly integrated DMA technique will be developed and the inversion function will be performed to achieve effective detection of ultrafine particles below 100 nm. The airborne test on UAV will be carried out at last to verify the availability of miniature DMA. This project is expected to provide the theoretical support and lay the technical foundation for UAV detection of ultrafine particles.

超细颗粒物是重要的大气污染物，其有效探测是深入研究灰霾污染特征、迁移规律的重要基础。差分电迁移率分析仪（DMA）是现阶段超细颗粒物检测的主流技术，与无人机结合有望提供立体化、宽时空范围、快速便捷的探测手段，但需要解决DMA小型化以及由此带来的流场、电场分布变化对带电超细颗粒物传输函数的影响问题。针对此，本项目拟结合MEMS、介质阻挡放电等技术，开展高集成微型化DMA技术研究。从微区介质阻挡放电荷电特性入手，研究荷电效率与粒径谱分布之间的影响机理，建立超细颗粒物荷电模型；结合仿真分析与实验结果，研究平板型DMA微小空间中超细颗粒物扩散和电场迁移规律；通过多功能区MEMS集成工艺等研究，发展DMA电离源与分析器的高集成方法；构建超细颗粒物粒谱反演函数，实现对100nm以下超细颗粒物有效探测，并搭载无人机平台进行验证。本项目研究成果有望为超细颗粒物无人机探测奠定理论基础和技术支持。

超细颗粒物(UFPs)是重要的大气污染物，在气候环境效应和人体健康方面危害极大，其有效探测是深入研究灰霾污染特征、迁移规律的重要基础。针对超细颗粒物立体化、宽时空范围、快速便捷的区域环境探测需求，本项目开展了基于无人机平台的差分迁移率分析仪(DMA)技术研究。通过微区放电电离源技术研究，实现5nm以上超细颗粒物的高效荷电，荷电效率在60%以上，为超细颗粒物的高灵敏探测提供了电荷基础；通过仿真和理论研究，将圆筒型差分迁移率分析仪进行小型化平板型结构设计，研究了流场、电场分布变化对带电超细颗粒物传输函数的影响问题，建立了超细颗粒物运动模型；在此基础上，通过微电子机械系统(MEMS)集成设计和工艺研究，实现微型化DMA分析器集成制造；在核心器件集成基础上，搭建DMA原理样机验证技术可行性，通过实验室气溶胶发生器产生多分散超细颗粒物获取不同粒径粒谱分布，通过产生单分散气溶胶实现对颗粒物检测粒径的标定，实现100nm以下超细颗粒物粒谱数浓度信息探测。在此基础上，搭载大疆M600pro多旋翼无人机平台，进行户外载荷飞行检测实验，完成原理样机区域环境超细颗粒物探测验证。本项目成果能够实现对空气超细颗粒物污染垂直分布特征的观测，为大气污染的预报预警和区域污染防控提供重要检测技术支撑。