本發(fā)明涉及測(cè)量氣溶膠內(nèi)的顆粒質(zhì)量。

背景技術(shù)：

空氣顆粒污染，尤其是小于2.5μm直徑范圍的顆粒物(也稱為“PM2.5”)是中國(guó)等國(guó)家的大問題，產(chǎn)業(yè)化的速度拓展了法規(guī)要求的界限。

作為增加的消費(fèi)者賦權(quán)的結(jié)果，對(duì)關(guān)于它們的生存空間的空氣質(zhì)量的要求也增加。尤其在中國(guó)，過量的PM2.5污染變成過去十年的普遍問題。該問題也通過各個(gè)中國(guó)城市中的連續(xù)測(cè)量而被確認(rèn)。數(shù)據(jù)被公之于眾，并且可以通過移動(dòng)電話應(yīng)用或通過網(wǎng)站連續(xù)監(jiān)控。

該數(shù)據(jù)的可獲得性以及連續(xù)的國(guó)家和國(guó)際媒體關(guān)注對(duì)該問題產(chǎn)生了強(qiáng)烈的消費(fèi)者關(guān)注。

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)?；谛l(wèi)星數(shù)據(jù)來計(jì)算中國(guó)大陸的平均PM2.5污染濃度，并且發(fā)現(xiàn)大多數(shù)城市超過世界健康組織10μg/m³的限制，一些區(qū)域達(dá)到或者甚至超過100μg/m³的PM2.5濃度。

標(biāo)準(zhǔn)化的參考測(cè)量方法例如使用錐形諧振器、撞擊器或稱重過濾器和篩而基于測(cè)量每空氣采樣體積的沉積或捕獲顆粒的質(zhì)量。

然而，這些系統(tǒng)要求專業(yè)的操作指南來處理測(cè)量(例如，加權(quán)過濾器和篩)的人工部分和/或周期性維護(hù)，該周期性維護(hù)用于清潔累積的質(zhì)量、維護(hù)各個(gè)系統(tǒng)部件和再校準(zhǔn)。此外，它們對(duì)工作臺(tái)上使用來說通常尺寸較大，并且不適合于消費(fèi)者應(yīng)用。

已經(jīng)提出了用于氣溶膠(aerosol)污染監(jiān)控的基于諧振的質(zhì)量感測(cè)。例如，已經(jīng)提出了使用微機(jī)械硅懸臂設(shè)備，其具有微微克等級(jí)的質(zhì)量分辨率來用于個(gè)人暴露監(jiān)控。濾波器可用于消除大顆粒，并且靜電采樣器可用于在懸臂上沉積納米顆粒。例如，WO 2013/064157公開了一種基于MEMS的諧振顆粒測(cè)量設(shè)備，其被設(shè)計(jì)用于測(cè)量流動(dòng)空氣流中的氣溶膠納米顆粒。

然而，諧振顆粒測(cè)量設(shè)備的問題是不能精確地估計(jì)壽命的終點(diǎn)，使得用于替換感測(cè)器太早或太遲。

美國(guó)專利申請(qǐng)公開第20030123059A1公開了一種用于確定空氣樣本中的氣溶膠顆粒的非易失性成分的方法和裝置。具體地，根據(jù)質(zhì)量傳感器，預(yù)設(shè)用于微量天平的最大質(zhì)量負(fù)載，并且當(dāng)沉積最大質(zhì)量負(fù)載時(shí)將引起通過加熱來再生。然而，不能很好地控制每個(gè)感測(cè)循環(huán)中的傳感器元件上的質(zhì)量變化。

因此，需要一種質(zhì)量傳感器，其可以具有近似恒定的壽命而不管使用傳感器的環(huán)境如何，并且更好地控制每個(gè)感測(cè)循環(huán)中的質(zhì)量變化，尤其在高污染濃度的情況下在感測(cè)循環(huán)中具有較小的質(zhì)量變化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

通過權(quán)利要求來限定本發(fā)明。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，提供了一種用于測(cè)量氣溶膠內(nèi)的顆粒質(zhì)量的質(zhì)量傳感器，包括：

傳感器元件；

檢測(cè)器，用于檢測(cè)沉積在傳感器元件上的顆粒質(zhì)量，其中，在感測(cè)循環(huán)期間，顆粒沉積在傳感器元件上；以及

控制器，用于在感測(cè)循環(huán)期間操作檢測(cè)器，

其中，控制器適于設(shè)置感測(cè)循環(huán)的持續(xù)時(shí)間，使得在感測(cè)循環(huán)期間，引發(fā)由所沉積顆粒引起的質(zhì)量的預(yù)設(shè)變化。

傳感器上顆粒的沉積優(yōu)選限于感測(cè)循環(huán)的時(shí)間。氣溶膠可以是攜有顆粒的空氣或者任何其他氣體。

該傳感器裝置被控制為使得發(fā)生感測(cè)，直到在傳感器元件上沉積預(yù)設(shè)(附加)質(zhì)量的顆粒為止。

因此，對(duì)于低濃度的顆粒，感測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，而對(duì)于高濃度的顆粒，感測(cè)時(shí)間較短。在不存在清潔或維護(hù)措施的情況下，傳感器的壽命取決于總的沉積質(zhì)量。結(jié)果，壽命基本恒定，因?yàn)槊總€(gè)感測(cè)操作都產(chǎn)生恒定量的沉積顆粒質(zhì)量(即，質(zhì)量的預(yù)設(shè)變化)。這意味著可以更加精確地預(yù)測(cè)壽命。還意味著，當(dāng)存在高顆粒濃度時(shí)，與基于固定持續(xù)時(shí)間感測(cè)所經(jīng)歷的質(zhì)量變化相比，可以減小每個(gè)感測(cè)循環(huán)內(nèi)的質(zhì)量變化。

當(dāng)然，在極其低濃度的情況下，感測(cè)循環(huán)甚至可以在引發(fā)質(zhì)量的預(yù)設(shè)變化之前結(jié)束。因此，在這種情況下，質(zhì)量的預(yù)設(shè)變化針對(duì)用于高于閾值的顆粒濃度。在這種情況下，傳感器輸出可以表示顆粒質(zhì)量濃度低于特定閾值。在這些循環(huán)內(nèi)與恒定質(zhì)量的偏差并不會(huì)對(duì)壽命的預(yù)測(cè)增加顯著的變化，因?yàn)槠鋬H與感測(cè)循環(huán)相關(guān)，其中存在非常少的顆粒的沉積質(zhì)量。

控制器可以進(jìn)一步適于：

從感測(cè)循環(huán)的持續(xù)時(shí)間中得到被采樣的氣溶膠的體積，從而得到每單位體積的顆粒濃度。

這能夠?qū)⒏袦y(cè)的質(zhì)量轉(zhuǎn)換為質(zhì)量濃度。

在一個(gè)實(shí)施方式中，檢測(cè)器包括換能器元件，用于驅(qū)動(dòng)傳感器元件進(jìn)入諧振并且檢測(cè)傳感器元件的諧振頻率，其中，諧振頻率取決于沉積在傳感器元件上的顆粒的質(zhì)量。

該實(shí)施方式利用諧振質(zhì)量傳感器。這可以以低成本來實(shí)施，例如用于消費(fèi)者設(shè)備，并且還可以是能夠便攜式/移動(dòng)使用的小尺寸。

控制器可進(jìn)一步適于：

測(cè)量初始諧振頻率；

計(jì)算對(duì)應(yīng)于質(zhì)量的預(yù)設(shè)變化的諧振頻率偏移；以及

監(jiān)控諧振頻率以設(shè)置感測(cè)循環(huán)的持續(xù)時(shí)間。

以這種方式，傳感器實(shí)質(zhì)上在每個(gè)感測(cè)循環(huán)處再校準(zhǔn)。

任何基于諧振器的傳感器都可以使用，其提供充足的質(zhì)量分辨率，例如從微微克到毫克。傳感器元件例如可以包括MEMS傳感器。這能夠制造低成本和緊湊的傳感器。MEMS傳感器元件可形成為夾持-夾持(clamped-clamped)諧振器梁或夾持-自由(clamped-free)諧振器梁。

對(duì)于所有實(shí)施例，可以通過由傳感器放置于其中的器具(例如空氣凈化器)所驅(qū)動(dòng)的氣流來提供樣本進(jìn)入?？商鎿Q地，可提供用于在感測(cè)循環(huán)期間進(jìn)行操作的專用采樣進(jìn)入設(shè)備來驅(qū)動(dòng)被監(jiān)控的氣溶膠朝向傳感器元件。然后，傳感器僅在感測(cè)操作期間暴露給特定的氣溶膠，使得壽命延長(zhǎng)。

樣本進(jìn)入設(shè)備可以是風(fēng)扇或泵，其可以利用促進(jìn)顆粒在傳感器元件上更有效沉積的靜電吸引裝置來支持。此外，可選方式包括基于重力的顆粒沉積，或者熱泳沉積，或者使用自然對(duì)流。

顆粒過濾器裝置或空氣動(dòng)力分離器(例如，撞擊器、虛擬撞擊器等)可用于限定待監(jiān)控的氣溶膠顆粒質(zhì)量的顆粒大小的范圍。這表示僅在感興趣的顆粒大小范圍內(nèi)測(cè)量質(zhì)量濃度。

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

檢測(cè)在感測(cè)循環(huán)期間沉積在傳感器元件上的顆粒的質(zhì)量；以及

設(shè)置感測(cè)循環(huán)的持續(xù)時(shí)間，使得在感測(cè)循環(huán)期間內(nèi)，引發(fā)由沉積顆粒引起的質(zhì)量的預(yù)設(shè)變化。

該方法操作傳感器，直到特定質(zhì)量的顆粒沉積在傳感器元件上。如上所述，該方法意味著壽命基本恒定，使得其可以被更精確地預(yù)測(cè)。

本發(fā)明還提供了一種空氣處理設(shè)備，包括本發(fā)明的質(zhì)量傳感器。

附圖說明

現(xiàn)在將參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的示例，其中：

圖1示出了利用彈簧質(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，諧振傳感器的質(zhì)量影響諧振頻率；

圖2示出了在固定時(shí)間周期內(nèi)對(duì)氣溶膠進(jìn)行采樣的傳統(tǒng)方法；

圖3示出了對(duì)于固定質(zhì)量累積而對(duì)氣溶膠進(jìn)行采樣的本發(fā)明實(shí)施例的方法；

圖4示出了本發(fā)明的方法的實(shí)施例；以及

圖5示出了本發(fā)明的傳感器的實(shí)施例。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供了用于測(cè)量氣溶膠內(nèi)的顆粒質(zhì)量的質(zhì)量傳感器。設(shè)置感測(cè)循環(huán)的持續(xù)時(shí)間，使得引起由所沉積顆粒所引發(fā)的質(zhì)量的預(yù)設(shè)變化。在缺少清潔的情況下，傳感器的壽命取決于所沉積的總質(zhì)量。結(jié)果，通過該方法使得壽命基本恒定，因?yàn)槊總€(gè)感測(cè)操作都引發(fā)恒定量的沉積顆粒質(zhì)量。這意味著可以更加精確地預(yù)測(cè)壽命。

除WO 2013/064157中描述的基于MEMS的傳感器之外，用于確定收集樣本的質(zhì)量的其他方法包括測(cè)量所累積質(zhì)量的熱容量，或者測(cè)量詢問信號(hào)的衰減，例如如β衰減監(jiān)控器所使用的。

這些感測(cè)方法都具有存在感測(cè)極限的問題，當(dāng)累積質(zhì)量超過特定等級(jí)時(shí)達(dá)到該極限。例如，測(cè)量循環(huán)期間累積的質(zhì)量成為總累積質(zhì)量的較小部分，使得系統(tǒng)將最終達(dá)到分辨率極限。

例如，基于諧振操作的質(zhì)量傳感器在與初始諧振質(zhì)量相比所添加質(zhì)量較小的范圍中進(jìn)行操作。然而，傳感器的壽命期間的連續(xù)質(zhì)量累積是不可避免的。該問題對(duì)于MEMS規(guī)模的設(shè)備來說更加突出，其中，所累積質(zhì)量的機(jī)械和/或化學(xué)清潔是不可能的—至少對(duì)于消費(fèi)者應(yīng)用來說。

因此，MEMS質(zhì)量傳感器的壽命可以通過考慮初始質(zhì)量和每個(gè)測(cè)量循環(huán)的適當(dāng)質(zhì)量沉積來粗略估計(jì)。

產(chǎn)生質(zhì)量沉積的速率取決于使用設(shè)備的環(huán)境的問題，并且這適用于測(cè)量累積的質(zhì)量的所有傳感器。這使得難以預(yù)測(cè)設(shè)備的壽命，和/或預(yù)防性維護(hù)的定時(shí)。開發(fā)根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的方法和傳感器以解決上述問題。

將參照諧振質(zhì)量傳感器詳細(xì)描述本發(fā)明。然而，可以使用同樣可以從本發(fā)明獲利的其他質(zhì)量感測(cè)方法，。

使用諧振設(shè)備的直接質(zhì)量測(cè)量是已知技術(shù)。如圖1所示，其基于諧振頻率(f0)與諧振器的質(zhì)量之間的關(guān)系。

在圖1中，諧振器質(zhì)量10利用質(zhì)量m和彈簧常數(shù)k來示意性表示。該示圖示出了作為頻率(x軸)的函數(shù)的諧振振蕩的幅度(在y軸)。曲線12用于基本諧振器質(zhì)量。如果添加附加質(zhì)量14(Δm)，則振蕩曲線的頻率向下偏移到具有頻率偏移Δf的曲線16。

控制共振的等式為：

等式1示出了基本諧振頻率與諧振器特性之間的關(guān)系。等式2示出了由質(zhì)量變化引起的頻率的變化，以及等式3示出了可以檢測(cè)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)中具有用于氣溶膠污染監(jiān)控的基于諧振的質(zhì)量感測(cè)的多個(gè)示例。例如，提出了使用具有微微克等級(jí)的質(zhì)量分辨率的微機(jī)械硅懸臂設(shè)備來用于個(gè)人暴露監(jiān)控。過濾器可用于消除大顆粒，并且靜電采樣器可用于在懸臂上沉積納米顆粒。

例如，WO 2013/064157公開了基于MEMS的諧振顆粒測(cè)量設(shè)備，其被設(shè)計(jì)為測(cè)量流動(dòng)空氣流中的氣溶膠納米顆粒。

作為經(jīng)驗(yàn)法則，質(zhì)量傳感器在添加質(zhì)量與初始諧振質(zhì)量相比較小的范圍中進(jìn)行操作。然而，傳感器的壽命期間的連續(xù)質(zhì)量累積是不可避免的。該問題對(duì)于MEMS規(guī)模的設(shè)備來說更加突出，其中，累積質(zhì)量的機(jī)械和/或化學(xué)清潔是不可能的—至少對(duì)于消費(fèi)者應(yīng)用來說。因此，可以通過考慮初始質(zhì)量以及每測(cè)量循環(huán)的適當(dāng)質(zhì)量沉積來粗略估計(jì)MEMS質(zhì)量傳感器的壽命。

作為硅MEMS懸臂的示例，以下給出簡(jiǎn)要計(jì)算：

尺寸：100μm寬，1000μm長(zhǎng)，10μm厚

體積：10⁶μm³

質(zhì)量：2650ng(硅密度2.65g/cm³)。

對(duì)于10μg/m³(世界衛(wèi)生組織對(duì)于年平均濃度的限制)的最小顆粒濃度檢測(cè)限制以及1公升的采樣空氣體積(1分鐘采樣，1公升/分鐘(l/min)空氣進(jìn)氣)，諧振器上10ng的質(zhì)量沉積是合理的估計(jì)。對(duì)于增加的濃度，質(zhì)量沉積成比例地增加。這導(dǎo)致一定數(shù)量的測(cè)量循環(huán)，后者取決于濃度范圍而使得諧振器的原始質(zhì)量加倍，如下所總結(jié)的：

PM2.5濃度可達(dá)到幾百μg/m³(例如，2013年1月13日北京，700μg/m³)，使得可能導(dǎo)致更短的壽命，這對(duì)于使用這種消費(fèi)者等級(jí)應(yīng)用的系統(tǒng)是不合適的。

傳感器系統(tǒng)可以通過考慮操作壽命內(nèi)的平均顆粒濃度來設(shè)計(jì)。然而，濃度的較大變化總是帶來操作壽命的過早和不可預(yù)測(cè)的結(jié)束的風(fēng)險(xiǎn)。

使用質(zhì)量傳感器系統(tǒng)的傳統(tǒng)方式是基于測(cè)量預(yù)定采樣體積內(nèi)的累積質(zhì)量的濃度。通過將開始時(shí)以及測(cè)量循環(huán)結(jié)束時(shí)傳感器的諧振頻率進(jìn)行比較來進(jìn)行測(cè)量，并且將頻率偏移與質(zhì)量變化(Δm)相關(guān)。

這要求預(yù)定的樣本進(jìn)入時(shí)間；例如，通過在給定的時(shí)間段內(nèi)在傳感器上方流動(dòng)空氣。

圖2示出了傳統(tǒng)的傳感器讀取方法并示出了作為時(shí)間函數(shù)的累積質(zhì)量。

曲線20針對(duì)10μg/m³的低濃度，曲線22針對(duì)50μg/m³的中等濃度，以及曲線24針對(duì)100μg/m³的高濃度。

從圖中可以看出，給定采樣時(shí)間(例如，所示的60s和120s)內(nèi)的累積質(zhì)量取決于濃度。

通過檢測(cè)諧振頻率的變化進(jìn)行操作的質(zhì)量傳感器的壽命由此大大取決于顆粒物的濃度。污染等級(jí)的變化對(duì)于壽命帶來不可預(yù)測(cè)的問題；因此，限制了這些用于消費(fèi)者應(yīng)用的傳感器的可應(yīng)用性。

圖3用于解釋根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的感測(cè)方法。再次地，曲線20針對(duì)10μg/m³的低濃度，曲線22針對(duì)50μg/m³的中等濃度，以及曲線24針對(duì)100μg/m³的高濃度。這些曲線給出了與圖2所示不同的斜率，從而能夠更加清楚地看到該方法。

控制傳感器以設(shè)置感測(cè)循環(huán)的持續(xù)時(shí)間，使得在感測(cè)循環(huán)期間，引起由沉積顆粒引發(fā)的質(zhì)量的預(yù)設(shè)變化。對(duì)于10ng和20ng的累積質(zhì)量，在圖3中示出兩個(gè)示例。

該傳感器操作過程確保了質(zhì)量傳感器的特定壽命。對(duì)于傳感器限定固定的質(zhì)量累計(jì)值，并且操作具有可變的采樣時(shí)間。以這種方式，傳感器系統(tǒng)對(duì)于高濃度操作較短的采樣時(shí)間，而對(duì)于低濃度操作較長(zhǎng)的采樣時(shí)間。然后，通過總的采樣體積計(jì)算濃度，直到達(dá)到預(yù)定質(zhì)量累積為止。

可以設(shè)置最大采樣時(shí)間，使得對(duì)于尤其低的濃度在特定的時(shí)間點(diǎn)處結(jié)束采樣。在這種情況下，傳感器輸出將表示濃度低于閾值而不是給出絕對(duì)值。因此，恒定的質(zhì)量采樣被應(yīng)用于高于閾值的顆粒濃度，并且在閾值以下可以應(yīng)用最大采樣時(shí)間。濃度例如可以是需要針對(duì)特定應(yīng)用檢測(cè)的最低濃度，并且將相應(yīng)地選擇最大采樣時(shí)間的持續(xù)時(shí)間。因此，閾值以下的濃度的實(shí)際等級(jí)不是所關(guān)注的。添加針對(duì)低濃度的固定持續(xù)采樣時(shí)間的范圍將導(dǎo)致延長(zhǎng)傳感器的壽命超過僅基于恒定的質(zhì)量測(cè)量的設(shè)計(jì)壽命。

從圖3可以看出，用于實(shí)現(xiàn)特定質(zhì)量累積所要求的采樣時(shí)間與空氣中的污染等級(jí)成反比。這防止在諧振器上過多的質(zhì)量累積，后者導(dǎo)致短且不可預(yù)測(cè)的壽命。盡管在該示例中預(yù)定質(zhì)量被標(biāo)示為10ng或20ng，但這些值當(dāng)然可以根據(jù)特定的諧振器設(shè)計(jì)而進(jìn)行選擇。

圖4示出了如何計(jì)算空氣中的顆粒物濃度。

在步驟30中，測(cè)量(即在時(shí)間t0處)初始諧振頻率(f0)。

在步驟32中，獲得將源于預(yù)定質(zhì)量累積(Δm)的諧振頻率偏移(Δf)。這在諧振頻率中限定了偏移的目標(biāo)值Δf_target。

目標(biāo)值可以基于計(jì)算來得到，或者還可以訪問查找表。

循環(huán)開始于步驟34，例如，通過開始進(jìn)氣(例如，利用風(fēng)扇，以已知的空氣流速)。在步驟36中，連續(xù)地監(jiān)控諧振頻率，使得諧振頻率的變化Δf得以被監(jiān)控。

當(dāng)在步驟38中確定達(dá)到先前計(jì)算的諧振頻率偏移(Δf_target)時(shí)，采樣結(jié)束。在步驟40中輸出采樣時(shí)間，即，自t0以來的時(shí)間。

在步驟42中計(jì)算采樣體積V(V＝空氣流速*采樣時(shí)間)。

在步驟44中，計(jì)算顆粒濃度(C＝質(zhì)量/V)，例如以μg/m³為單位。

該方法提供了針對(duì)傳感器壽命的特定數(shù)量的測(cè)量循環(huán)，而不論空氣中的濃度如何。以這種方式，質(zhì)量傳感器可以被設(shè)計(jì)為具有消費(fèi)者應(yīng)用所需的可預(yù)測(cè)的壽命來直接測(cè)量空氣中的顆粒濃度。

傳感器的詳細(xì)設(shè)計(jì)將取決于應(yīng)用條件，并且應(yīng)該與期望的檢測(cè)限制、期望的壽命、驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)電子器件的能力(例如，操作頻率范圍)相關(guān)聯(lián)地進(jìn)行選擇。

通常，如圖5所示，傳感器系統(tǒng)包括顆粒預(yù)分類單元和進(jìn)氣采樣設(shè)備50(例如，過濾器疊層和風(fēng)扇或者其他配置)、MEMS諧振器52(如下所述)、用于驅(qū)動(dòng)和讀出傳感器和其他系統(tǒng)部件的電子電路54、以及用于數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)的控制器56。例如，可以通過使用風(fēng)扇和/或熱對(duì)流來處理進(jìn)入傳感器單元的氣流。

采樣進(jìn)入和調(diào)節(jié)單元50被設(shè)計(jì)為考慮目標(biāo)的顆粒大小范圍。特定顆粒物范圍(例如，PM1、PM2.5、PM10)的目標(biāo)可以通過使用適當(dāng)?shù)念w粒大小預(yù)分類方法來實(shí)現(xiàn)；例如，網(wǎng)/過濾器組合或者慣性/空氣動(dòng)力分離。在服務(wù)壽命上一致地提供足夠的采樣空氣體積是設(shè)計(jì)這種系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)。顆粒過濾器(諸如纖維過濾器、網(wǎng)、慣性或空氣動(dòng)力分離單元)可用于顆粒選擇。

可以通過帶電顆粒在接地或相對(duì)偏置的諧振器上的靜電或電泳沉淀來控制顆粒的沉積?？梢宰鳛榇娴厥褂脽嵊境恋恚浒ㄔ谥C振器與計(jì)數(shù)器表面之間創(chuàng)建溫度差。沉積可以作為代替地基于隨機(jī)顆粒移動(dòng)。

用于傳送采樣空氣體積的風(fēng)扇或泵也可以用于設(shè)計(jì)系統(tǒng)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(基準(zhǔn)值)、經(jīng)過采樣子系統(tǒng)中的顆粒過濾器以及最終用戶要求最小顆粒濃度檢測(cè)的顆粒的比值。

MEMS諧振器可用作質(zhì)量傳感器元件52。諧振器可設(shè)計(jì)和制造具有適當(dāng)?shù)某叽缫詫?shí)現(xiàn)用于提供所要求的檢測(cè)限制的期望諧振頻率。

可能的諧振器結(jié)構(gòu)的示例是懸臂結(jié)構(gòu)(一端被夾持，另一端自由)以及雙夾持或薄膜型諧振器。

在靜電顆粒收集的情況下，懸臂設(shè)計(jì)可以特別地關(guān)注于在懸臂尖端處提供充足的電場(chǎng)密度。懸臂結(jié)構(gòu)可以是簡(jiǎn)單的直角形式、三角形式(對(duì)于較大的夾持區(qū)域來說)或者錘頭狀的形式，用于增加表面積同時(shí)保持夾持端處的小面積。

這些參數(shù)均影響系統(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)和讀出諧振頻率的電路54還取決于諧振器的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)(Q值)、換能器選擇(例如，壓電、熱、壓阻、光學(xué)、電容等)。根據(jù)對(duì)最小可檢測(cè)質(zhì)量的要求，Q補(bǔ)償機(jī)制可實(shí)施用于增加系統(tǒng)的質(zhì)量分辨率。電子域中的諧振頻率的檢測(cè)被選擇適合于致動(dòng)方法。在文獻(xiàn)中已知用于這種諧振器的電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

例如，在壓電致動(dòng)和感測(cè)的情況下，使用結(jié)合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，使用壓控振蕩電路。

用于數(shù)據(jù)處理和操作的控制器56也根據(jù)應(yīng)用要求(諸如數(shù)據(jù)采樣速率、用于計(jì)算的處理負(fù)載以及數(shù)據(jù)處理算法的實(shí)施)來進(jìn)行選擇和設(shè)計(jì)。

質(zhì)量傳感器提供表示特定大小范圍的顆粒的濃度。該信息可用于控制空氣處理設(shè)備。例如，表示高污染等級(jí)的高記錄質(zhì)量可以引發(fā)高容量的操作模式(例如，通過選擇用于空氣凈化設(shè)備的高風(fēng)扇速度設(shè)置)，而低記錄質(zhì)量可引發(fā)較低容量的操作模式。以這種方式，實(shí)現(xiàn)能量節(jié)省，并且空氣凈化設(shè)備的壽命可以延長(zhǎng)。在控制通過使用從室外進(jìn)氣的空間的空氣特性的空氣處理設(shè)備的情況下，質(zhì)量傳感器讀數(shù)可用于調(diào)節(jié)從室外的進(jìn)氣，例如根據(jù)室外空氣污染是否超過系統(tǒng)要求。

本發(fā)明提供了可變持續(xù)時(shí)間的感測(cè)循環(huán)。然而，可以以固定的時(shí)間段來執(zhí)行每個(gè)感測(cè)循環(huán)。例如，可以每X分鐘執(zhí)行感測(cè)，其中X取決于在被監(jiān)控環(huán)境中污染等級(jí)期望變化的速率以及受控系統(tǒng)(諸如空氣凈化器)需要響應(yīng)的速度。例如，污染等級(jí)可以每1至30分鐘被記錄，并且各個(gè)感測(cè)循環(huán)可具有對(duì)于期望的采樣間隔提供足夠粒度的最大持續(xù)時(shí)間；例如，1-10秒用于1分鐘的采樣間隔，或者1-10分鐘用于30分鐘的采樣間隔。

采樣間隔還可以取決于環(huán)境中“用戶”的存在；例如，可以在用戶不在而沒有連續(xù)操作處理單元時(shí)進(jìn)一步延長(zhǎng)采樣間隔。

然后，控制器將指示傳感器每X分鐘進(jìn)行讀出操作。對(duì)于給定值X，機(jī)械傳感器的總壽命將基本恒定。

然而，可以通過用戶設(shè)置傳感器測(cè)量的頻率，或者還可以取決于傳感器的特定用法，例如根據(jù)響應(yīng)于質(zhì)量傳感器讀數(shù)的變化期望進(jìn)行如何快速的變化。

傳感器讀數(shù)可提供給用戶作為輸出，例如使用顯示屏幕。然后，用戶可以相應(yīng)地處理和對(duì)信息作出響應(yīng)，并且質(zhì)量傳感器可以是獨(dú)立的傳感器設(shè)備。可替換地，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)，其響應(yīng)于檢測(cè)的污染等級(jí)而自動(dòng)地反應(yīng)。該較大系統(tǒng)可以是空氣凈化器或其他空氣質(zhì)量控制系統(tǒng)。

各個(gè)測(cè)量循環(huán)根據(jù)污染等級(jí)為可變持續(xù)時(shí)間的事實(shí)將不被用戶所感知?？勺兂掷m(xù)時(shí)間僅僅意味著不同的傳感器測(cè)量具有所要求不同時(shí)間段的傳感器操作。優(yōu)勢(shì)是可以更精確地指定傳感器的總壽命。

上面參照諧振質(zhì)量傳感器描述了本發(fā)明，并且這在以低成本用于消費(fèi)者應(yīng)用的實(shí)施時(shí)尤其引入關(guān)注。然而，對(duì)于依賴于在感測(cè)循環(huán)期間的累積質(zhì)量分析的任何質(zhì)量傳感器，產(chǎn)生該不可預(yù)測(cè)壽命的問題。隨著累積質(zhì)量的增加，感測(cè)循環(huán)期間的質(zhì)量相對(duì)變化變得減小，使得分辨率隨著老化而下降，直到達(dá)到極限。類似地，可能存在對(duì)可通過傳感器設(shè)計(jì)累積的質(zhì)量的量的絕對(duì)限制。

第一可選方法是測(cè)量累積質(zhì)量的熱容量。這是另一相對(duì)簡(jiǎn)單的方法，但是精度取決于氣溶膠的熱特性，這可能是未知的。

第二可選方法是測(cè)量輻射衰減。該方法例如在β衰減監(jiān)控器中已知。測(cè)量將是精確的，但是該方法要求輻射源，這對(duì)于消費(fèi)者設(shè)備來說是不實(shí)際的。因此，該方法更適合于專業(yè)測(cè)量系統(tǒng)。然而，MEMS級(jí)的X射線發(fā)生器開始出現(xiàn)在文獻(xiàn)中，這提供了用于消費(fèi)者設(shè)備的潛力。

第三可選方法是使用累積質(zhì)量的光學(xué)監(jiān)控。

本發(fā)明可應(yīng)用于空氣凈化器、單獨(dú)的顆粒傳感器單元、個(gè)人暴露監(jiān)控設(shè)備、車廂顆粒測(cè)量傳感器、用于戶外使用的顆粒傳感器(作為單獨(dú)的傳感器單元，或者例如用于城市管理的燈柱的傳感器)、通風(fēng)單元、建筑物氣候管理系統(tǒng)的各個(gè)部分以及各種通用類型的質(zhì)量傳感器。還在呼吸支持和藥物傳輸應(yīng)用中具有醫(yī)療應(yīng)用。

上述示例基于PM2.5顆粒的檢測(cè)，但是本發(fā)明可應(yīng)用于PM10、PM1顆?；蛘叱?xì)顆粒的其他類別。

上述示例基于MEMS諧振器。然而，該方法可基于其他微諧振器，例如薄膜設(shè)備(類似于電容式微機(jī)械超聲換能器)或石英晶體微天平(QCM)。諧振器可以是體聲波(BAW)諧振器或表面聲波諧振器(SAW)。

系統(tǒng)利用控制器?？捎糜诳刂破鞯牟考ǖ幌抻趥鹘y(tǒng)的微處理器、專用集成電路(ASIC)和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)。

在各個(gè)實(shí)施方式中，處理器或控制器可以與一個(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)介質(zhì)(諸如非易失性計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器，諸如RAM、PROM、EPROM和EEPROM)相關(guān)聯(lián)。存儲(chǔ)介質(zhì)可以利用一個(gè)或多個(gè)程序來編碼，該一個(gè)或多個(gè)程序當(dāng)在一個(gè)或多個(gè)處理器和/或控制器行執(zhí)行程序時(shí)執(zhí)行所要求的功能。各個(gè)存儲(chǔ)介質(zhì)可固定在處理器或控制器內(nèi)或者可以是便攜式的，使得存儲(chǔ)于其上的一個(gè)或多個(gè)程序可以加載到處理器或控制器中。

本領(lǐng)域技術(shù)人員在研究附圖、公開和所附權(quán)利要求之后在實(shí)踐本發(fā)明的基礎(chǔ)上可以理解和實(shí)現(xiàn)對(duì)所公開實(shí)施例的其他變化。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“一個(gè)”不排除多個(gè)。在相互不同的從屬權(quán)利要求中引用的特定措施的僅有事實(shí)并不表示這些措施的組合不可用于獲利。權(quán)利要求中的任何參考符號(hào)不解釋為限制范圍。