本發(fā)明涉及氣溶膠中顆粒質(zhì)量的測(cè)量和存在的顆粒類型的識(shí)別。

背景技術(shù)：

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(guó)等國(guó)家的一個(gè)重大問(wèn)題，其中工業(yè)化的速度延伸到監(jiān)管要求的邊界。

作為增加消費(fèi)者賦權(quán)的結(jié)果，對(duì)生活空間的空氣質(zhì)量的信息的需求正在增加。特別是在中國(guó)，過(guò)度的PM2.5污染已經(jīng)成為過(guò)去十年的常見(jiàn)問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題也通過(guò)在中國(guó)各個(gè)城市的連續(xù)測(cè)量得到驗(yàn)證。數(shù)據(jù)是公開(kāi)可用的，并且可以由移動(dòng)電話應(yīng)用或通過(guò)網(wǎng)絡(luò)同時(shí)監(jiān)測(cè)。

這些數(shù)據(jù)的可用性以及國(guó)家和國(guó)際媒體的持續(xù)關(guān)注使消費(fèi)者對(duì)這個(gè)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)更加強(qiáng)烈。

官方室外空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)將顆粒物濃度定義為每單位體積的質(zhì)量濃度(例如μg/m³)。中國(guó)大陸的平均PM2.5污染濃度已經(jīng)根據(jù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)計(jì)算得到，并且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，該國(guó)大部分地區(qū)超過(guò)世界衛(wèi)生組織的10μg/m³的限值，一些地區(qū)達(dá)到甚至超過(guò)PM2.5濃度100μg/m³。

標(biāo)準(zhǔn)化的參考測(cè)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(guò)濾器和篩子測(cè)量每個(gè)空氣采樣體積的沉積或捕獲的顆粒的質(zhì)量。

然而，這些系統(tǒng)需要用于處理測(cè)量的手動(dòng)部分(例如稱重過(guò)濾器和篩)和/或定期維護(hù)以清潔積聚的質(zhì)量、維護(hù)各種系統(tǒng)部件和重新校準(zhǔn)的專業(yè)操作指南。

以這種方式的質(zhì)量測(cè)量也不提供關(guān)于顆粒本身的化學(xué)和物理化學(xué)性質(zhì)的任何信息。

環(huán)境氣溶膠，室內(nèi)和室外的，由具有取決于它們的來(lái)源的不同的化學(xué)和物理性質(zhì)的各種物質(zhì)組成。不同類型包括揮發(fā)性/半揮發(fā)性物質(zhì)(例如硝酸鹽和硫酸鹽)，烴類物質(zhì)(聚芳香烴)，各種碳物質(zhì)(例如煤煙，煙霧)和無(wú)機(jī)物，生物氣溶膠(細(xì)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(xué)性質(zhì)的分析提供了可以與它們對(duì)健康的影響相關(guān)聯(lián)的附加信息。這些物理和化學(xué)性質(zhì)也可以用于鑒定氣溶膠的來(lái)源，并且該信息將使得能夠更好地估計(jì)顆粒尺寸分布、形狀、密度等。

存在用于微粒物質(zhì)的化學(xué)分析的方法。例如，熱重分析是一種公知的分析技術(shù)，其也可以應(yīng)用于未知來(lái)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(cè)量未知樣本的重量變化。因此可以鑒定混合物中的揮發(fā)性和反應(yīng)性物質(zhì)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(shè)備的已建立的實(shí)驗(yàn)室裝置中進(jìn)行。

因此，需要一種小型化系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)適用于消費(fèi)者應(yīng)用的低成本分析裝置。

已經(jīng)提出了用于氣溶膠污染監(jiān)測(cè)的基于諧振的質(zhì)量感測(cè)。例如，已經(jīng)提出使用用于個(gè)人接觸量監(jiān)測(cè)的具有皮克級(jí)水平的質(zhì)量分辨率的微型機(jī)械硅懸臂裝置。過(guò)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(kāi)了一種基于MEMS的諧振顆粒測(cè)量裝置，被設(shè)計(jì)用于測(cè)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(xué)分析。

期望提供一種能夠確定顆粒濃度(基于質(zhì)量感測(cè))以及所收集的顆粒的一些化學(xué)和物理信息的低成本裝置。已知的熱重分析工具被設(shè)計(jì)用于實(shí)驗(yàn)室設(shè)施，并且不適合在消費(fèi)者裝置中使用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明由權(quán)利要求限定。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，提供了一種用于測(cè)量氣溶膠中顆粒質(zhì)量的質(zhì)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(qū)動(dòng)傳感器元件諧振并且檢測(cè)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(zhì)量；以及

用于在感測(cè)周期期間操作加熱元件，并且基于檢測(cè)到的諧振頻率的變化監(jiān)測(cè)加熱期間的質(zhì)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(jīng)沉積在傳感器元件上之后(例如在感測(cè)周期的第一階段期間)，執(zhí)行加熱。沉積在傳感器上的顆粒物的質(zhì)量將在加熱期間(例如由于與溫度有關(guān)的蒸發(fā))發(fā)生改變?；陔S溫度變化的諧振頻率檢測(cè)到的質(zhì)量隨溫度變化的方式(特別是減小)可用于獲取關(guān)于沉積顆粒的性質(zhì)的信息。

控制器還可以適合于：

在沒(méi)有加熱的情況下實(shí)施初始采樣操作；以及

執(zhí)行后續(xù)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(lái)確定樣本相對(duì)于溫度的函數(shù)。

優(yōu)選地，提供包括與用于不同類型的顆粒物的質(zhì)量-溫度函數(shù)有關(guān)的信息的查找表。

以這種方式，可以利用先前存儲(chǔ)的結(jié)果(可以基于計(jì)算或基于校準(zhǔn)信息)進(jìn)行質(zhì)量函數(shù)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(zhì)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(jié)構(gòu)中。諧振體可具有低熱質(zhì)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(lái)施加熱。

在所有情況下，優(yōu)選地加熱器元件在整個(gè)測(cè)試期間提供可控的加熱速率(即，相對(duì)于時(shí)間的溫度斜率)。

優(yōu)選地提供樣本攝取裝置，用于至少在感測(cè)周期的第一部分期間操作，以向傳感器元件驅(qū)動(dòng)被監(jiān)測(cè)的氣溶膠。然后傳感器僅在感測(cè)操作期間暴露于顆粒氣溶膠，以延長(zhǎng)壽命。

樣本攝取裝置可以是風(fēng)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(duì)流。

顆粒過(guò)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(duì)感興趣的顆粒尺寸范圍監(jiān)測(cè)顆粒的行為。過(guò)濾可以基于機(jī)械過(guò)濾器或基于空氣動(dòng)力學(xué)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(cè)元件，以隨著溫度增加檢測(cè)從傳感器發(fā)射的氣體或蒸汽的性質(zhì)。氣體傳感器也可以用于檢測(cè)反應(yīng)氣體的濃度變化。例如，氧濃度的降低將指示通過(guò)氧化反應(yīng)的消耗，并且各種化學(xué)反應(yīng)可以在升高的溫度下發(fā)生。

本發(fā)明的實(shí)施例還提供了一種測(cè)量氣溶膠內(nèi)的顆粒質(zhì)量的方法，包括：

驅(qū)動(dòng)傳感器元件進(jìn)行諧振；

檢測(cè)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(zhì)量；

加熱傳感器元件；以及

基于檢測(cè)到的諧振頻率的變化監(jiān)測(cè)加熱期間的質(zhì)量變化。

該方法監(jiān)測(cè)在傳感器元件的加熱期間質(zhì)量的變化。質(zhì)量-溫度函數(shù)的特性使得能夠獲取關(guān)于沉積顆粒的性質(zhì)的信息。

可以在沒(méi)有加熱的情況下進(jìn)行初始采樣操作，然后可以進(jìn)行后續(xù)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(lái)確定其關(guān)于溫度的函數(shù)。

本發(fā)明還提供一種空氣處理裝置，包括本發(fā)明的質(zhì)量傳感器。

附圖說(shuō)明

現(xiàn)在將參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的示例，其中：

圖1圖示了利用彈簧質(zhì)量系統(tǒng)解釋的基于諧振的質(zhì)量檢測(cè)的基本方面，其中，諧振器的質(zhì)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(fā)明的傳感器的實(shí)施例；

圖4圖示了本發(fā)明的方法的實(shí)施例；以及

圖5圖示了在本發(fā)明的系統(tǒng)和方法中使用的具有集成加熱器的諧振器元件的實(shí)施例。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供了一種用于測(cè)量氣溶膠內(nèi)的顆粒質(zhì)量的質(zhì)量傳感器，其中使用諧振頻率檢測(cè)來(lái)確定顆粒質(zhì)量。加熱元件用于加熱諧振傳感器元件，并且在感測(cè)周期期間利用在加熱期間監(jiān)測(cè)的沉積顆粒的質(zhì)量變化來(lái)控制該加熱元件。這使得低成本裝置能夠檢測(cè)顆粒濃度以及提供關(guān)于顆粒的化學(xué)和/或物理性質(zhì)的信息。

使用諧振設(shè)備的直接質(zhì)量測(cè)量是已知的技術(shù)。該技術(shù)基于公知原理，該公知原理基于諧振頻率(f₀)和諧振器質(zhì)量之間的關(guān)系，如圖1所示。

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

控制諧振振動(dòng)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(guān)系。等式2示出了由質(zhì)量變化引起的頻率變化，等式3示出了可以檢測(cè)到的最小質(zhì)量(Δm_min)。最小值取決于諧振器的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Q。

在文獻(xiàn)中存在用于氣溶膠污染物監(jiān)測(cè)的基于諧振的質(zhì)量感測(cè)的幾個(gè)示例。例如，已經(jīng)提出使用用于個(gè)人接觸量監(jiān)測(cè)的具有皮克級(jí)水平的質(zhì)量分辨率的微型機(jī)械硅懸臂裝置。過(guò)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(kāi)了一種基于MEMS的諧振顆粒測(cè)量裝置，其被設(shè)計(jì)用于測(cè)量空氣流中的氣溶膠納米顆粒。

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

假設(shè)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(zhì)量關(guān)于溫度的變化。質(zhì)量變化可以由質(zhì)量傳感器隨時(shí)間測(cè)量，并且如果存在關(guān)于時(shí)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(duì)應(yīng)于某些事件，這可能與某種類型的氣溶膠的存在相關(guān)。

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

氣溶膠混合物中不同化合物的濃度(重量百分比)可以通過(guò)從氣溶膠沉積物的原始質(zhì)量(m₀)中減去相應(yīng)的質(zhì)量值(m₁，m₂等)來(lái)計(jì)算。

在文獻(xiàn)中已經(jīng)研究了各種來(lái)源的氣溶膠的熱性質(zhì)。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(kāi)了大氣顆粒物的熱行為的研究。它公開(kāi)了用于檢測(cè)質(zhì)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(kāi)了在逐步熱解吸之后的樣本的重量質(zhì)量分析。

因此，各種氣溶膠的熱退化/蒸發(fā)的溫度范圍是已知的。

例如，本發(fā)明可以以內(nèi)置或在線查表的形式利用這些信息源。還可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得相關(guān)信息，例如使用旨在由質(zhì)量傳感器檢測(cè)的物質(zhì)的樣品。

在優(yōu)選的解決方案中，可以通過(guò)軟件升級(jí)或通過(guò)使用用于所提出的傳感器的數(shù)據(jù)分析部分的在線數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)更新查找表。

本發(fā)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(cè)到的諧振頻率的變化，監(jiān)測(cè)諧振傳感器元件上的沉積顆粒的質(zhì)量變化。

傳感器的詳細(xì)設(shè)計(jì)將取決于應(yīng)用條件。

一般來(lái)說(shuō)，如圖3所示，傳感器系統(tǒng)包括顆粒預(yù)分類單元30和攝入采樣裝置(例如過(guò)濾器組套)，MEMS諧振器32(下面描述)，用于驅(qū)動(dòng)和讀取傳感器和其他系統(tǒng)部件的電子電路34，以及用于數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)的控制器36。到傳感器單元的空氣流可以通過(guò)使用風(fēng)扇和/或熱對(duì)流來(lái)處理。

MEMS諧振器32包括由控制器36控制以執(zhí)行加熱周期的加熱器元件38。

樣本攝入和調(diào)節(jié)單元30被設(shè)計(jì)為考慮目標(biāo)顆粒范圍。可以通過(guò)使用適當(dāng)?shù)念w粒尺寸預(yù)分類方法，例如，網(wǎng)眼/過(guò)濾器組合或慣性分離，來(lái)把特定的微粒物質(zhì)范圍(例如PM1，PM2.5，PM10)作為目標(biāo)。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(shè)計(jì)這種系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)。顆粒過(guò)濾器如纖維過(guò)濾器、篩網(wǎng)、慣性和空氣動(dòng)力學(xué)分離單元可用于顆粒尺寸范圍選擇。

可以通過(guò)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(lái)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(chǎn)生溫度差的熱泳沉淀。替代地，沉積可以基于隨機(jī)顆粒移動(dòng)。

還可以使用用于輸送采樣得到的空氣體積的風(fēng)扇、泵或?qū)α鲉卧獊?lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)以與該關(guān)鍵參數(shù)兼容。

選擇取決于最小可檢測(cè)質(zhì)量，“清潔空氣”中的平均顆粒濃度(基線水平)，通過(guò)采樣子系統(tǒng)中的顆粒過(guò)濾器的顆粒比例，以及最終用戶對(duì)最小顆粒濃度檢測(cè)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(shè)計(jì)和制造為具有合適的尺寸，以達(dá)到用于提供所需檢測(cè)極限的期望的諧振頻率。

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

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

這些參數(shù)都會(huì)影響系統(tǒng)的諧振行為，并且可以使用基本諧振器設(shè)計(jì)原理。

用于驅(qū)動(dòng)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(xué)的，電容性的等)。根據(jù)對(duì)最小可檢測(cè)質(zhì)量的要求，可以實(shí)現(xiàn)Q補(bǔ)償機(jī)制以增加系統(tǒng)的質(zhì)量分辨率。選擇電子域中諧振頻率的檢測(cè)以適合于致動(dòng)方法。在文獻(xiàn)中這種諧振器的電路設(shè)計(jì)的基本原理是已知的。

例如，在壓電致動(dòng)和感測(cè)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(dòng)和感測(cè)的情況下，使用壓控振蕩器電路。

用于數(shù)據(jù)處理和操作的控制器36也可以根據(jù)應(yīng)用要求(例如數(shù)據(jù)采樣率，用于計(jì)算的處理負(fù)載和數(shù)據(jù)處理算法的實(shí)現(xiàn))來(lái)選擇和設(shè)計(jì)?？刂破髋c電子電路34相連接并且提供對(duì)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(cè)元件39，以當(dāng)溫度增加時(shí)檢測(cè)從傳感器發(fā)射的氣體或蒸汽的性質(zhì)。氣體傳感器也可以用于檢測(cè)反應(yīng)氣體的濃度變化。例如，氧濃度的降低將指示通過(guò)氧化反應(yīng)的消耗，并且各種化學(xué)反應(yīng)可以在升高的溫度下發(fā)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(cè)量初始諧振頻率(f₀)(即在時(shí)間t₀)。

周期開(kāi)始于步驟42中，例如通過(guò)啟動(dòng)進(jìn)氣口(例如利用風(fēng)扇，以已知的空氣流量)。

在已經(jīng)對(duì)固定體積的空氣進(jìn)行采樣之后，在步驟44中測(cè)量諧振頻率，并且獲取質(zhì)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(jiān)測(cè)諧振頻率，直到加熱周期完成。監(jiān)測(cè)諧振頻率用于跟蹤諧振頻率Δf的變化。

所記錄的關(guān)于時(shí)間的頻率曲線被處理以導(dǎo)出關(guān)于時(shí)間的質(zhì)量曲線。這轉(zhuǎn)換為質(zhì)量對(duì)溫度的曲線，并且從質(zhì)量對(duì)溫度的響應(yīng)可以導(dǎo)出化學(xué)和/或物理信息。該處理全部在步驟50中進(jìn)行。溫度關(guān)于時(shí)間的函數(shù)可以基于諧振器元件對(duì)提供給它的加熱功率的已知響應(yīng)來(lái)獲得，或者可以存在溫度感測(cè)和反饋以輔助準(zhǔn)備溫度對(duì)時(shí)間的曲線。該溫度對(duì)時(shí)間的曲線用于將質(zhì)量對(duì)時(shí)間的曲線轉(zhuǎn)換為質(zhì)量對(duì)溫度的曲線。

處理步驟50可以包括將來(lái)自(圖2的)熱重曲線的數(shù)據(jù)與包含與源自不同的室內(nèi)氣溶膠產(chǎn)生事件的化合物相關(guān)的信息的查找表進(jìn)行比較。然后，該信息用于識(shí)別氣溶膠產(chǎn)生事件和該特定類型事件的預(yù)期顆粒尺寸分布。

然后該信息可以用于例如優(yōu)化空氣過(guò)濾過(guò)程。例如，產(chǎn)生具有高水分含量的氣溶膠的事件典型的對(duì)應(yīng)于烹飪活動(dòng)和/或生物氣溶膠，其可以通過(guò)有關(guān)揮發(fā)性化合物比例的附加信息來(lái)區(qū)分。

質(zhì)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(guān)于顆粒的性質(zhì)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(zhì)量可以產(chǎn)生高容量操作模式(例如通過(guò)為空氣凈化器裝置選擇高風(fēng)扇速度設(shè)置)，并且低記錄質(zhì)量可以產(chǎn)生較低容量操作模式。以這種方式，獲得了節(jié)能，并且可以延長(zhǎng)空氣凈化器裝置的壽命。

可以根據(jù)檢測(cè)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(guò)程可以根據(jù)存在的污染類型來(lái)定制。

在通過(guò)使用從戶外攝入的空氣控制空間的空氣性質(zhì)的空氣處理裝置的情況下，傳感器讀數(shù)可用于調(diào)節(jié)來(lái)自室外的空氣攝入，例如根據(jù)室外空氣污染是否超過(guò)系統(tǒng)要求以及根據(jù)檢測(cè)到的污染類型。

傳感器讀數(shù)(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(yīng)地處理和響應(yīng)信息，并且傳感器可以是獨(dú)立的傳感器裝置?？商娲?，傳感器讀數(shù)可用作較大系統(tǒng)內(nèi)的內(nèi)部控制參數(shù)，該較大系統(tǒng)響應(yīng)于檢測(cè)到的污染水平自動(dòng)地反應(yīng)。該較大的系統(tǒng)可以是空氣凈化器或其他空氣質(zhì)量控制系統(tǒng)。

在一個(gè)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(dǎo)體)線可以用于在諧振器表面上構(gòu)造加熱器38。圖5所示的諧振器具有懸臂設(shè)計(jì)，具有固定到基底的固定端52，以及自由端54。

金屬可以根據(jù)期望的溫度范圍來(lái)選擇。例如，對(duì)于適于監(jiān)測(cè)燃燒過(guò)程(例如，在正?？諝猸h(huán)境中燃燒有機(jī)物以檢測(cè)氣溶膠的有機(jī)物含量)的高溫，應(yīng)選擇適于700℃-800℃范圍內(nèi)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(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了低功率操作，因?yàn)橄到y(tǒng)的熱質(zhì)量與大部分系統(tǒng)相比非常小，因此加熱不需要大功率消耗。低熱質(zhì)量和集成加熱器線還能夠通過(guò)使用加熱器線電阻和溫度(即電阻的負(fù)溫度系數(shù))之間的已知線性關(guān)系來(lái)嚴(yán)格控制諧振器溫度。因此，電阻測(cè)量提供了使用加熱元件本身而不是需要單獨(dú)的溫度傳感器來(lái)提供溫度反饋的機(jī)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(guò)提供可以通過(guò)塊微加工技術(shù)(例如深反應(yīng)離子蝕刻)實(shí)現(xiàn)的開(kāi)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(kāi)口可以優(yōu)選地通過(guò)晶片的背面蝕刻來(lái)獲得，該晶片用于構(gòu)建諧振器或者將諧振器構(gòu)建在該晶片中。在硅(或其他半導(dǎo)體)晶片的情況下，一種優(yōu)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(lái)防止過(guò)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(lái)施加熱。可以使用加熱元件的組合。

上述實(shí)施例基于PM2.5顆粒的檢測(cè)，但是本發(fā)明可以應(yīng)用于PM10，PM1顆?；蚱渌悇e的超細(xì)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(fā)明可應(yīng)用于空氣凈化器，獨(dú)立的顆粒傳感器單元，個(gè)人暴露監(jiān)測(cè)裝置，車(chē)輛車(chē)廂顆粒測(cè)量傳感器，室外使用的顆粒傳感器(作為獨(dú)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(fēng)單元，建筑物氣候管理系統(tǒng)的各種部件以及通常各種類型的質(zhì)量傳感器。在呼吸支持和藥物遞送應(yīng)用中也有醫(yī)療應(yīng)用。

該系統(tǒng)使用控制器?？捎糜诳刂破鞯慕M件包括但不限于常規(guī)微處理器，專用集成電路(ASIC)和現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)的應(yīng)用。

在各種實(shí)現(xiàn)中，處理器或控制器可以與一個(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)介質(zhì)相關(guān)聯(lián)，諸如易失性和非易失性計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器，例如RAM，PROM，EPROM和EEPROM。存儲(chǔ)介質(zhì)可以用一個(gè)或多個(gè)程序編碼，以當(dāng)在一個(gè)或多個(gè)處理器和/或控制器上執(zhí)行時(shí)執(zhí)行所需功能。各種存儲(chǔ)介質(zhì)可以固定在處理器或控制器內(nèi)，或者可以是便攜的，使得存儲(chǔ)在其上的一個(gè)或多個(gè)程序可以被加載到處理器或控制器中。

通過(guò)研究附圖、公開(kāi)內(nèi)容和所附權(quán)利要求，本領(lǐng)域技術(shù)人員在實(shí)踐要求保護(hù)的本發(fā)明時(shí)可以理解和實(shí)現(xiàn)所公開(kāi)的實(shí)施例的其它變型。在權(quán)利要求中，詞語(yǔ)“包括”不排除其他元件或步驟，并且不定冠詞“一”或“一個(gè)”不排除多個(gè)。在相互不同的從屬權(quán)利要求中陳述某些措施的事實(shí)并不表示不能有利地使用這些措施的組合。權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記不應(yīng)被解釋為限制范圍。