氣溶膠質量傳感器和感測方法與流程

本發明涉及氣溶膠中顆粒質量的測量和存在的顆粒類型的識別。

背景技術：

空中顆粒污染，特別是顆粒尺寸小于2.5μm直徑范圍(稱為“PM2.5”)的顆粒污染是中國等國家的一個重大問題，其中工業化的速度延伸到監管要求的邊界。

作為增加消費者賦權的結果，對生活空間的空氣質量的信息的需求正在增加。特別是在中國，過度的PM2.5污染已經成為過去十年的常見問題。這個問題也通過在中國各個城市的連續測量得到驗證。數據是公開可用的，并且可以由移動電話應用或通過網絡同時監測。

這些數據的可用性以及國家和國際媒體的持續關注使消費者對這個問題的認識更加強烈。

官方室外空氣質量標準將顆粒物濃度定義為每單位體積的質量濃度(例如μg/m³)。中國大陸的平均PM2.5污染濃度已經根據衛星數據計算得到，并且已經發現，該國大部分地區超過世界衛生組織的10μg/m³的限值，一些地區達到甚至超過PM2.5濃度100μg/m³。

標準化的參考測量方法基于例如使用石英晶體微量天平、錐形諧振器、撞擊器或稱重過濾器和篩子測量每個空氣采樣體積的沉積或捕獲的顆粒的質量。

然而，這些系統需要用于處理測量的手動部分(例如稱重過濾器和篩)和/或定期維護以清潔積聚的質量、維護各種系統部件和重新校準的專業操作指南。

以這種方式的質量測量也不提供關于顆粒本身的化學和物理化學性質的任何信息。

環境氣溶膠，室內和室外的，由具有取決于它們的來源的不同的化學和物理性質的各種物質組成。不同類型包括揮發性/半揮發性物質(例如硝酸鹽和硫酸鹽)，烴類物質(聚芳香烴)，各種碳物質(例如煤煙，煙霧)和無機物，生物氣溶膠(細菌，病毒，寵物皮屑，塵螨排泄物，和真菌孢子)。

氣溶膠的物理和化學性質的分析提供了可以與它們對健康的影響相關聯的附加信息。這些物理和化學性質也可以用于鑒定氣溶膠的來源，并且該信息將使得能夠更好地估計顆粒尺寸分布、形狀、密度等。

存在用于微粒物質的化學分析的方法。例如，熱重分析是一種公知的分析技術，其也可以應用于未知來源的氣溶膠的表征。該方法包括在受控加熱條件(例如受控加熱速率)下測量未知樣本的重量變化。因此可以鑒定混合物中的揮發性和反應性物質的類型和比例。

雖然氣溶膠的熱重分析提供了一組有用的信息，但是其通常在具有專用設備的已建立的實驗室裝置中進行。

因此，需要一種小型化系統以實現適用于消費者應用的低成本分析裝置。

已經提出了用于氣溶膠污染監測的基于諧振的質量感測。例如，已經提出使用用于個人接觸量監測的具有皮克級水平的質量分辨率的微型機械硅懸臂裝置。過濾器可以用于消除大顆粒，并且可以提供用于在懸臂上沉積納米顆粒的靜電取樣器。例如，WO2013/064157公開了一種基于MEMS的諧振顆粒測量裝置，被設計用于測量空氣流中的氣溶膠納米顆粒。

然而，該方法不提供任何化學分析。

期望提供一種能夠確定顆粒濃度(基于質量感測)以及所收集的顆粒的一些化學和物理信息的低成本裝置。已知的熱重分析工具被設計用于實驗室設施，并且不適合在消費者裝置中使用。

技術實現要素：

本發明由權利要求限定。

根據本發明的一個實施例，提供了一種用于測量氣溶膠中顆粒質量的質量傳感器，包括：

傳感器元件；

用于加熱傳感器元件的加熱元件；

用于驅動傳感器元件諧振并且檢測傳感器元件的諧振頻率的換能器元件，其中所述諧振頻率取決于沉積在傳感器元件上的顆粒的質量；以及

用于在感測周期期間操作加熱元件，并且基于檢測到的諧振頻率的變化監測加熱期間的質量變化的控制器。

氣溶膠可以是空氣或任何其他具有夾帶顆粒的氣體。

控制該傳感器布置以使得在顆粒物已經沉積在傳感器元件上之后(例如在感測周期的第一階段期間)，執行加熱。沉積在傳感器上的顆粒物的質量將在加熱期間(例如由于與溫度有關的蒸發)發生改變。基于隨溫度變化的諧振頻率檢測到的質量隨溫度變化的方式(特別是減小)可用于獲取關于沉積顆粒的性質的信息。

控制器還可以適合于：

在沒有加熱的情況下實施初始采樣操作；以及

執行后續的溫度控制。

以這種方式，最初控制傳感器以吸引樣本，隨后使用溫度控制來確定樣本相對于溫度的函數。

優選地，提供包括與用于不同類型的顆粒物的質量-溫度函數有關的信息的查找表。

以這種方式，可以利用先前存儲的結果(可以基于計算或基于校準信息)進行質量函數與溫度的比較，以能夠獲得顆粒物的類型。

傳感器元件可以包括任何可以使用的基于諧振的傳感器，其提供足夠的質量分辨率，例如從皮克到毫克。例如傳感器元件可以包括MEMS傳感器。這使得能夠制造低成本和緊湊的傳感器。

例如，MEMS傳感器元件可以形成為夾緊-夾緊諧振梁或夾緊-自由諧振梁。

加熱元件可以包括形成在諧振體的表面上或嵌入諧振體中的加熱跡線。這使得加熱元件能夠集成到傳感器的結構中。諧振體可具有低熱質量從而需要低功率加熱器。

可替代地，可以使用外部加熱器元件(例如紅外燈)或在諧振傳感器附近的電阻加熱器來施加熱。

在所有情況下，優選地加熱器元件在整個測試期間提供可控的加熱速率(即，相對于時間的溫度斜率)。

優選地提供樣本攝取裝置，用于至少在感測周期的第一部分期間操作，以向傳感器元件驅動被監測的氣溶膠。然后傳感器僅在感測操作期間暴露于顆粒氣溶膠，以延長壽命。

樣本攝取裝置可以是風扇或泵。可替代地，可以提供靜電吸引裝置。另外的替代方案包括基于重力的顆粒沉積，或熱泳沉積，或使用自然對流。

顆粒過濾裝置可以用于限定要分析氣溶膠污染物的顆粒尺寸范圍。

這意味著可以僅針對感興趣的顆粒尺寸范圍監測顆粒的行為。過濾可以基于機械過濾器或基于空氣動力學分離，例如使用撞擊器。

傳感器還可以包括在傳感器元件附近的氣體感測元件，以隨著溫度增加檢測從傳感器發射的氣體或蒸汽的性質。氣體傳感器也可以用于檢測反應氣體的濃度變化。例如，氧濃度的降低將指示通過氧化反應的消耗，并且各種化學反應可以在升高的溫度下發生。

本發明的實施例還提供了一種測量氣溶膠內的顆粒質量的方法，包括：

驅動傳感器元件進行諧振；

檢測傳感器元件的諧振頻率，其中諧振頻率取決于沉積在所述傳感器元件上的顆粒的質量；

加熱傳感器元件；以及

基于檢測到的諧振頻率的變化監測加熱期間的質量變化。

該方法監測在傳感器元件的加熱期間質量的變化。質量-溫度函數的特性使得能夠獲取關于沉積顆粒的性質的信息。

可以在沒有加熱的情況下進行初始采樣操作，然后可以進行后續的溫度控制。

以這種方式，最初控制傳感器以吸引樣本，隨后使用溫度控制來確定其關于溫度的函數。

本發明還提供一種空氣處理裝置，包括本發明的質量傳感器。

附圖說明

現在將參照附圖詳細描述本發明的示例，其中：

圖1圖示了利用彈簧質量系統解釋的基于諧振的質量檢測的基本方面，其中，諧振器的質量影響諧振頻率；

圖2圖示了熱重信息的基本要素；

圖3圖示了本發明的傳感器的實施例；

圖4圖示了本發明的方法的實施例；以及

圖5圖示了在本發明的系統和方法中使用的具有集成加熱器的諧振器元件的實施例。

具體實施方式

本發明提供了一種用于測量氣溶膠內的顆粒質量的質量傳感器，其中使用諧振頻率檢測來確定顆粒質量。加熱元件用于加熱諧振傳感器元件，并且在感測周期期間利用在加熱期間監測的沉積顆粒的質量變化來控制該加熱元件。這使得低成本裝置能夠檢測顆粒濃度以及提供關于顆粒的化學和/或物理性質的信息。

使用諧振設備的直接質量測量是已知的技術。該技術基于公知原理，該公知原理基于諧振頻率(f₀)和諧振器質量之間的關系，如圖1所示。

在圖1中，示意性地表示了具有質量m和彈簧常數k的諧振器質量10。該圖示出了作為頻率(x軸)的函數的諧振振蕩的幅值(在y軸上)。曲線12用于基本諧振器質量。如果添加了附加質量14(Δm)，則振蕩曲線在頻率上向下移動到具有頻率偏移Δf的曲線16。

控制諧振振動的方程是：

等式1示出了基本諧振頻率和諧振器特性之間的關系。等式2示出了由質量變化引起的頻率變化，等式3示出了可以檢測到的最小質量(Δm_min)。最小值取決于諧振器的機械品質因數Q。

在文獻中存在用于氣溶膠污染物監測的基于諧振的質量感測的幾個示例。例如，已經提出使用用于個人接觸量監測的具有皮克級水平的質量分辨率的微型機械硅懸臂裝置。過濾器可以用于消除大顆粒，并且可以提供用于在懸臂上沉積納米顆粒的靜電采樣器。

例如，WO 2013/064157公開了一種基于MEMS的諧振顆粒測量裝置，其被設計用于測量空氣流中的氣溶膠納米顆粒。

以與隨著沉積質量的增加諧振頻率降低相同的方式，如果質量在諧振器上如通過蒸發的方式減小，則諧振頻率增加。

假設的氣溶膠沉積物的熱重信息的基本要素如圖2所示。該圖顯示了質量關于溫度的變化。質量變化可以由質量傳感器隨時間測量，并且如果存在關于時間的已知溫度曲線，則能夠獲取如圖2所示的曲線。

重量變化曲線(在這種情況下為重量損失)的不同階段對應于某些事件，這可能與某種類型的氣溶膠的存在相關。

例如，溫度范圍T1期間的質量下降可對應于水分損失。在溫度范圍T2期間的質量下降可以對應于第一半揮發性化合物的蒸發。在溫度范圍T3期間的質量下降可以對應于第二半揮發性化合物的蒸發。在溫度范圍T4期間質量的下降可對應于剩余有機氣溶膠的燃燒和氣化。顯然，一些反應，例如固態氧化可導致測量質量的增加，并且在這種情況下，熱重曲線將表明在對應于該反應的溫度范圍的向上移動。

氣溶膠混合物中不同化合物的濃度(重量百分比)可以通過從氣溶膠沉積物的原始質量(m₀)中減去相應的質量值(m₁，m₂等)來計算。

在文獻中已經研究了各種來源的氣溶膠的熱性質。在Atmospheric Environment 54(2012)：36-43中的Perrino，Cinzia等人的文章“Thermal stability of inorganic and organic compounds in atmospheric particulate matter”公開了大氣顆粒物的熱行為的研究。它公開了用于檢測質量損失的熱重分析。

在Atmospheric Environment 38.31(2004)：5205-5215中的Wittmaack，Klaus和Lothar Keck的文章“Thermodesorption of aerosol matter on multiple filters of different materials for a more detailed evaluation of sampling artifacts”還公開了在逐步熱解吸之后的樣本的重量質量分析。

因此，各種氣溶膠的熱退化/蒸發的溫度范圍是已知的。

例如，本發明可以以內置或在線查表的形式利用這些信息源。還可以通過實驗獲得相關信息，例如使用旨在由質量傳感器檢測的物質的樣品。

在優選的解決方案中，可以通過軟件升級或通過使用用于所提出的傳感器的數據分析部分的在線數據庫來更新查找表。

本發明基于用于加熱諧振傳感器元件的加熱元件的使用，使得能夠在加熱期間基于檢測到的諧振頻率的變化，監測諧振傳感器元件上的沉積顆粒的質量變化。

傳感器的詳細設計將取決于應用條件。

一般來說，如圖3所示，傳感器系統包括顆粒預分類單元30和攝入采樣裝置(例如過濾器組套)，MEMS諧振器32(下面描述)，用于驅動和讀取傳感器和其他系統部件的電子電路34，以及用于數據處理和存儲的控制器36。到傳感器單元的空氣流可以通過使用風扇和/或熱對流來處理。

MEMS諧振器32包括由控制器36控制以執行加熱周期的加熱器元件38。

樣本攝入和調節單元30被設計為考慮目標顆粒范圍。可以通過使用適當的顆粒尺寸預分類方法，例如，網眼/過濾器組合或慣性分離，來把特定的微粒物質范圍(例如PM1，PM2.5，PM10)作為目標。在使用壽命期間始終如一地提供足夠的樣本空氣體積是設計這種系統的關鍵參數。顆粒過濾器如纖維過濾器、篩網、慣性和空氣動力學分離單元可用于顆粒尺寸范圍選擇。

可以通過接地或相反偏置的諧振器上的帶電顆粒的靜電或電泳沉淀來控制顆粒的沉積。替代地，可以使用包括在諧振器和相反表面之間產生溫度差的熱泳沉淀。替代地，沉積可以基于隨機顆粒移動。

還可以使用用于輸送采樣得到的空氣體積的風扇、泵或對流單元來設計系統以與該關鍵參數兼容。

選擇取決于最小可檢測質量，“清潔空氣”中的平均顆粒濃度(基線水平)，通過采樣子系統中的顆粒過濾器的顆粒比例，以及最終用戶對最小顆粒濃度檢測的要求。

MEMS諧振器可以用作諧振傳感器元件32。諧振器可以被設計和制造為具有合適的尺寸，以達到用于提供所需檢測極限的期望的諧振頻率。

可能的諧振器結構的示例是懸臂式的結構(一端夾緊，另一端自由)，以及雙夾緊或膜型諧振器。

懸臂設計在靜電顆粒收集的情況下在懸臂尖端處提供足夠的電場密度可能是特別有益的。懸臂結構可以是簡單的矩形形式、三角形形式(用于較大的夾持區)或錘頭狀形式，用于增加表面積，同時保持夾緊端的低面積。

這些參數都會影響系統的諧振行為，并且可以使用基本諧振器設計原理。

用于驅動和讀取諧振頻率的電路34還取決于諧振器的Q值，換能器的選擇(例如，壓電的，熱的，壓阻的，光學的，電容性的等)。根據對最小可檢測質量的要求，可以實現Q補償機制以增加系統的質量分辨率。選擇電子域中諧振頻率的檢測以適合于致動方法。在文獻中這種諧振器的電路設計的基本原理是已知的。

例如，在壓電致動和感測的情況下，使用包含諧振器的電阻抗的振蕩器電路。在靜電/電容致動和感測的情況下，使用壓控振蕩器電路。

用于數據處理和操作的控制器36也可以根據應用要求(例如數據采樣率，用于計算的處理負載和數據處理算法的實現)來選擇和設計。控制器與電子電路34相連接并且提供對加熱器元件38的控制。

傳感器還可以包括在傳感器元件32附近的氣體感測元件39，以當溫度增加時檢測從傳感器發射的氣體或蒸汽的性質。氣體傳感器也可以用于檢測反應氣體的濃度變化。例如，氧濃度的降低將指示通過氧化反應的消耗，并且各種化學反應可以在升高的溫度下發生。氣體傳感器提供

圖4圖示了使用傳感器的方法。

在步驟40中，測量初始諧振頻率(f₀)(即在時間t₀)。

周期開始于步驟42中，例如通過啟動進氣口(例如利用風扇，以已知的空氣流量)。

在已經對固定體積的空氣進行采樣之后，在步驟44中測量諧振頻率，并且獲取質量m₀的變化。

在步驟46中，激活加熱器。在加熱期間，在步驟48中監測諧振頻率，直到加熱周期完成。監測諧振頻率用于跟蹤諧振頻率Δf的變化。

所記錄的關于時間的頻率曲線被處理以導出關于時間的質量曲線。這轉換為質量對溫度的曲線，并且從質量對溫度的響應可以導出化學和/或物理信息。該處理全部在步驟50中進行。溫度關于時間的函數可以基于諧振器元件對提供給它的加熱功率的已知響應來獲得，或者可以存在溫度感測和反饋以輔助準備溫度對時間的曲線。該溫度對時間的曲線用于將質量對時間的曲線轉換為質量對溫度的曲線。

處理步驟50可以包括將來自(圖2的)熱重曲線的數據與包含與源自不同的室內氣溶膠產生事件的化合物相關的信息的查找表進行比較。然后，該信息用于識別氣溶膠產生事件和該特定類型事件的預期顆粒尺寸分布。

然后該信息可以用于例如優化空氣過濾過程。例如，產生具有高水分含量的氣溶膠的事件典型的對應于烹飪活動和/或生物氣溶膠，其可以通過有關揮發性化合物比例的附加信息來區分。

質量傳感器提供輸出，其從而指示特定大小范圍的顆粒的濃度，并且還給出關于顆粒的性質的信息。該信息可以用于控制空氣處理裝置。例如，指示高污染水平的高記錄質量可以產生高容量操作模式(例如通過為空氣凈化器裝置選擇高風扇速度設置)，并且低記錄質量可以產生較低容量操作模式。以這種方式，獲得了節能，并且可以延長空氣凈化器裝置的壽命。

可以根據檢測到的顆粒污染的類型激活不同的空氣處理裝置，使得空氣處理過程可以根據存在的污染類型來定制。

在通過使用從戶外攝入的空氣控制空間的空氣性質的空氣處理裝置的情況下，傳感器讀數可用于調節來自室外的空氣攝入，例如根據室外空氣污染是否超過系統要求以及根據檢測到的污染類型。

傳感器讀數(或者顆粒的濃度和類型)可以作為輸出例如使用顯示屏提供給用戶。然后，用戶可以相應地處理和響應信息，并且傳感器可以是獨立的傳感器裝置。可替代地，傳感器讀數可用作較大系統內的內部控制參數，該較大系統響應于檢測到的污染水平自動地反應。該較大的系統可以是空氣凈化器或其他空氣質量控制系統。

在一個示例中，加熱器38形成在諧振器表面上，用于以受控的方式操縱溫度。圖5中給出了微諧振器的示意性表示。具有已知電阻的金屬(或其他導體)線可以用于在諧振器表面上構造加熱器38。圖5所示的諧振器具有懸臂設計，具有固定到基底的固定端52，以及自由端54。

金屬可以根據期望的溫度范圍來選擇。例如，對于適于監測燃燒過程(例如，在正常空氣環境中燃燒有機物以檢測氣溶膠的有機物含量)的高溫，應選擇適于700℃-800℃范圍內的溫度的材料。例如，作為MEMS制造工藝中使用的典型材料的硅微諧振器和TiN加熱器的組合適合于此目的。

使用微諧振器系統還實現了低功率操作，因為系統的熱質量與大部分系統相比非常小，因此加熱不需要大功率消耗。低熱質量和集成加熱器線還能夠通過使用加熱器線電阻和溫度(即電阻的負溫度系數)之間的已知線性關系來嚴格控制諧振器溫度。因此，電阻測量提供了使用加熱元件本身而不是需要單獨的溫度傳感器來提供溫度反饋的機制。

作為諧振器的MEMS制造工藝的一部分(例如在諧振器釋放步驟期間)，通過提供可以通過塊微加工技術(例如深反應離子蝕刻)實現的開口，可以在諧振器和錨/基底之間提供熱絕緣。用于提供熱絕緣的開口可以優選地通過晶片的背面蝕刻來獲得，該晶片用于構建諧振器或者將諧振器構建在該晶片中。在硅(或其他半導體)晶片的情況下，一種優選的方法是使用絕緣體上硅型晶片，然后可以使用絕緣體層的熱絕緣特性來防止過多的熱能損失到大塊基底材料。

上述示例使用形成傳感器的集成部分的加熱器元件。然而，可以使用外部加熱器元件(例如紅外燈)或在諧振器傳感器附近的電阻加熱器來施加熱。可以使用加熱元件的組合。

上述實施例基于PM2.5顆粒的檢測，但是本發明可以應用于PM10，PM1顆粒或其它類別的超細顆粒。

上述示例基于MEMS諧振器。然而，該方法可以基于其他微諧振器，例如膜裝置(類似于電容微加工超聲換能器)或石英晶體微量天平(QCM)。諧振器可以是體聲波(BAW)諧振器或表面聲波諧振器(SAW)。

本發明可應用于空氣凈化器，獨立的顆粒傳感器單元，個人暴露監測裝置，車輛車廂顆粒測量傳感器，室外使用的顆粒傳感器(作為獨立的傳感器單元或例如用于城市管理的用于燈柱的傳感器)，通風單元，建筑物氣候管理系統的各種部件以及通常各種類型的質量傳感器。在呼吸支持和藥物遞送應用中也有醫療應用。

該系統使用控制器。可用于控制器的組件包括但不限于常規微處理器，專用集成電路(ASIC)和現場可編程門陣列(FPGA)的應用。

在各種實現中，處理器或控制器可以與一個或多個存儲介質相關聯，諸如易失性和非易失性計算機存儲器，例如RAM，PROM，EPROM和EEPROM。存儲介質可以用一個或多個程序編碼，以當在一個或多個處理器和/或控制器上執行時執行所需功能。各種存儲介質可以固定在處理器或控制器內，或者可以是便攜的，使得存儲在其上的一個或多個程序可以被加載到處理器或控制器中。

通過研究附圖、公開內容和所附權利要求，本領域技術人員在實踐要求保護的本發明時可以理解和實現所公開的實施例的其它變型。在權利要求中，詞語“包括”不排除其他元件或步驟，并且不定冠詞“一”或“一個”不排除多個。在相互不同的從屬權利要求中陳述某些措施的事實并不表示不能有利地使用這些措施的組合。權利要求中的任何附圖標記不應被解釋為限制范圍。