气溶胶质量传感器和感测方法技术

一种用于测量气溶胶中颗粒质量的质量传感器，使用谐振频率检测以确定颗粒质量。加热元件用于加热谐振传感器元件，并且加热元件利用加热期间监测到的沉积颗粒的质量变化在感测周期内被控制。这使得低成本装置能够检测颗粒浓度，还能够提供有关颗粒的化学和/或物理性质的信息。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及气溶胶中颗粒质量的测量和存在的颗粒类型的识别。
技术介绍
空中颗粒污染，特别是颗粒尺寸小于2.5μm直径范围(称为“PM2.5”)的颗粒污染是中国等国家的一个重大问题，其中工业化的速度延伸到监管要求的边界。作为增加消费者赋权的结果，对生活空间的空气质量的信息的需求正在增加。特别是在中国，过度的PM2.5污染已经成为过去十年的常见问题。这个问题也通过在中国各个城市的连续测量得到验证。数据是公开可用的，并且可以由移动电话应用或通过网络同时监测。这些数据的可用性以及国家和国际媒体的持续关注使消费者对这个问题的认识更加强烈。官方室外空气质量标准将颗粒物浓度定义为每单位体积的质量浓度(例如μg/m3)。中国大陆的平均PM2.5污染浓度已经根据卫星数据计算得到，并且已经发现，该国大部分地区超过世界卫生组织的10μg/m3的限值，一些地区达到甚至超过PM2.5浓度100μg/m3。标准化的参考测量方法基于例如使用石英晶体微量天平、锥形谐振器、撞击器或称重过滤器和筛子测量每个空气采样体积的沉积或捕获的颗粒的质量。然而，这些系统需要用于处理测量的手动部分(例如称重过滤器和筛)和/或定期维护以清洁积聚的质量、维护各种系统部件和重新校准的专业操作指南。以这种方式的质量测量也不提供关于颗粒本身的化学和物理化学性质的任何信息。环境气溶胶，室内和室外的，由具有取决于它们的来源的不同的化学和物理性质的各种物质组成。不同类型包括挥发性/半挥发性物质(例如硝酸盐和硫酸盐)，烃类物质(聚芳香烃)，各种碳物质(例如煤烟，烟雾)和无机物，生物气溶胶(细菌，病毒，宠物皮屑，尘螨排泄物，和真菌孢子)。气溶胶的物理和化学性质的分析提供了可以与它们对健康的影响相关联的附加信息。这些物理和化学性质也可以用于鉴定气溶胶的来源，并且该信息将使得能够更好地估计颗粒尺寸分布、形状、密度等。存在用于微粒物质的化学分析的方法。例如，热重分析是一种公知的分析技术，其也可以应用于未知来源的气溶胶的表征。该方法包括在受控加热条件(例如受控加热速率)下测量未知样本的重量变化。因此可以鉴定混合物中的挥发性和反应性物质的类型和比例。虽然气溶胶的热重分析提供了一组有用的信息，但是其通常在具有专用设备的已建立的实验室装置中进行。因此，需要一种小型化系统以实现适用于消费者应用的低成本分析装置。已经提出了用于气溶胶污染监测的基于谐振的质量感测。例如，已经提出使用用于个人接触量监测的具有皮克级水平的质量分辨率的微型机械硅悬臂装置。过滤器可以用于消除大颗粒，并且可以提供用于在悬臂上沉积纳米颗粒的静电取样器。例如，WO2013/064157公开了一种基于MEMS的谐振颗粒测量装置，被设计用于测量空气流中的气溶胶纳米颗粒。然而，该方法不提供任何化学分析。期望提供一种能够确定颗粒浓度(基于质量感测)以及所收集的颗粒的一些化学和物理信息的低成本装置。已知的热重分析工具被设计用于实验室设施，并且不适合在消费者装置中使用。
技术实现思路
本专利技术由权利要求限定。根据本专利技术的一个实施例，提供了一种用于测量气溶胶中颗粒质量的质量传感器，包括：传感器元件；用于加热传感器元件的加热元件；用于驱动传感器元件谐振并且检测传感器元件的谐振频率的换能器元件，其中所述谐振频率取决于沉积在传感器元件上的颗粒的质量；以及用于在感测周期期间操作加热元件，并且基于检测到的谐振频率的变化监测加热期间的质量变化的控制器。气溶胶可以是空气或任何其他具有夹带颗粒的气体。控制该传感器布置以使得在颗粒物已经沉积在传感器元件上之后(例如在感测周期的第一阶段期间)，执行加热。沉积在传感器上的颗粒物的质量将在加热期间(例如由于与温度有关的蒸发)发生改变。基于随温度变化的谐振频率检测到的质量随温度变化的方式(特别是减小)可用于获取关于沉积颗粒的性质的信息。控制器还可以适合于：在没有加热的情况下实施初始采样操作；以及执行后续的温度控制。以这种方式，最初控制传感器以吸引样本，随后使用温度控制来确定样本相对于温度的函数。优选地，提供包括与用于不同类型的颗粒物的质量-温度函数有关的信息的查找表。以这种方式，可以利用先前存储的结果(可以基于计算或基于校准信息)进行质量函数与温度的比较，以能够获得颗粒物的类型。传感器元件可以包括任何可以使用的基于谐振的传感器，其提供足够的质量分辨率，例如从皮克到毫克。例如传感器元件可以包括MEMS传感器。这使得能够制造低成本和紧凑的传感器。例如，MEMS传感器元件可以形成为夹紧-夹紧谐振梁或夹紧-自由谐振梁。加热元件可以包括形成在谐振体的表面上或嵌入谐振体中的加热迹线。这使得加热元件能够集成到传感器的结构中。谐振体可具有低热质量从而需要低功率加热器。可替代地，可以使用外部加热器元件(例如红外灯)或在谐振传感器附近的电阻加热器来施加热。在所有情况下，优选地加热器元件在整个测试期间提供可控的加热速率(即，相对于时间的温度斜率)。优选地提供样本摄取装置，用于至少在感测周期的第一部分期间操作，以向传感器元件驱动被监测的气溶胶。然后传感器仅在感测操作期间暴露于颗粒气溶胶，以延长寿命。样本摄取装置可以是风扇或泵。可替代地，可以提供静电吸引装置。另外的替代方案包括基于重力的颗粒沉积，或热泳沉积，或使用自然对流。颗粒过滤装置可以用于限定要分析气溶胶污染物的颗粒尺寸范围。这意味着可以仅针对感兴趣的颗粒尺寸范围监测颗粒的行为。过滤可以基于机械过滤器或基于空气动力学分离，例如使用撞击器。传感器还可以包括在传感器元件附近的气体感测元件，以随着温度增加检测从传感器发射的气体或蒸汽的性质。气体传感器也可以用于检测反应气体的浓度变化。例如，氧浓度的降低将指示通过氧化反应的消耗，并且各种化学反应可以在升高的温度下发生。本专利技术的实施例还提供了一种测量气溶胶内的颗粒质量的方法，包括：驱动传感器元件进行谐振；检测传感器元件的谐振频率，其中谐振频率取决于沉积在所述传感器元件上的颗粒的质量；加热传感器元件；以及基于检测到的谐振频率的变化监测加热期间的质量变化。该方法监测在传感器元件的加热期间质量的变化。质量-温度函数的特性使得能够获取关于沉积颗粒的性质的信息。可以在没有加热的情况下进行初始采样操作，然后可以进行后续的温度控制。以这种方式，最初控制传感器以吸引样本，随后使用温度控制来确定其关于温度的函数。本专利技术还提供一种空气处理装置，包括本专利技术的质量传感器。附图说明现在将参照附图详细描述本专利技术的示例，其中：图1图示了利用弹簧质量系统解释的基于谐振的质量检测的基本方面，其中，谐振器的质量影响谐振频率；图2图示了热重信息的基本要素；图3图示了本专利技术的传感器的实施例；图4图示了本专利技术的方法的实施例；以及图5图示了在本专利技术的系统和方法中使用的具有集成加热器的谐振器元件的实施例。具体实施方式本专利技术提供了一种用于测量气溶胶内的颗粒质量的质量传感器，其中使用谐振频率检测来确定颗粒质量。加热元件用于加热谐振传感器元件，并且在感测周期期间利用在加热期间监测的沉积颗粒的质量变化来控制该加热元件。这使得低成本装置能够检测颗粒浓度以及提供关于颗粒的化学和/或物理性质的信息。使用谐振设备的直接质量测量是已知的技术。该技术基于公知原理，该公知原理基于谐振频率本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于测量气溶胶中的颗粒质量的质量传感器，包括：传感器元件(32)；加热元件(38)，用于加热所述传感器元件；换能器元件(34)，用于驱动所述传感器元件谐振并且检测所述传感器元件的谐振频率，其中所述谐振频率取决于沉积在所述传感器元件上的颗粒的质量；以及控制器(36)，用于操作所述加热元件，并且基于检测到的所述谐振频率的变化监测加热期间质量的变化。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.06.10 EP 14171818.91.一种用于测量气溶胶中的颗粒质量的质量传感器，包括：传感器元件(32)；加热元件(38)，用于加热所述传感器元件；换能器元件(34)，用于驱动所述传感器元件谐振并且检测所述传感器元件的谐振频率，其中所述谐振频率取决于沉积在所述传感器元件上的颗粒的质量；以及控制器(36)，用于操作所述加热元件，并且基于检测到的所述谐振频率的变化监测加热期间质量的变化。2.根据权利要求1所述的质量传感器，其中所述控制器(36)进一步适合于：在没有加热的情况下实施初始采样操作；以及执行后续的温度控制。3.根据权利要求2所述的质量传感器，进一步包括查找表，所述查找表包括与针对不同类型的颗粒物的质量-温度函数有关的信息。4.根据前述权利要求中的任一项所述的质量传感器，其中所述传感器元件(32)包括具有谐振体的MEMS传感器。5.根据权利要求4所述的质量传感器，其中所述加热元件包括形成在所述谐振体的表面上或嵌入所述谐振体内的加热迹线(38)。6.根据前述权利要求中的任一项所述的质量传感器，进一步包括样本摄入装置(30)，用于在感测周期的至少第一部分期间操作以向所述传感器元件驱动被监测的气溶胶。7.根据前述权利要求中的任一项所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：K·卡拉卡亚，
申请(专利权)人：皇家飞利浦有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰;NL