用于便携式电子设备的颗粒物传感器制造技术

本主题技术方面涉及用于电子设备的颗粒物传感器。颗粒物传感器可包括三个激光器、三个全内反射透镜和三个检测器，该三个检测器用于检测三个激光器的操作由于自混合干涉测量法的原理而引起的变化。三个全内反射透镜可使用内反射表面来使三个光束倾斜成在三维空间中形成正交基的三个对应方向，以便可确定气体流速，同时保持用于在便携式电子设备中实现传感器的小型模块化形状因数。

Particle sensor for portable electronic equipment

【技术实现步骤摘要】
用于便携式电子设备的颗粒物传感器相关申请的交叉引用本专利申请要求35U.S.C.§119下的2018年9月21日的提交的美国临时专利申请62/734,943的优先权的权益，该文献全文以引用方式并入本文。
本说明书整体涉及电子设备，并且更具体地但非排他性地涉及用于便携式电子设备的颗粒物传感器。
技术介绍
在自混合干涉测量法中，由相干或部分相干源(例如激光器)发射的光从目标反射和/或散射并重新耦合到光源的光学腔体中。这种重新耦合可相干地修改激光器的电场、载流子分布、光学增益分布轮廓和激光阈值，以产生激光结点上的电压(如果激光器是用电流源驱动的)、激光器上的偏置电流(如果激光器是用电压源驱动的)和/或激光器发射的光功率的可测量变化。自混合干涉仪有时用于通过检测风流量中反射和/或散射激光的颗粒来测量风速。基于所确定的速度和随时间推移检测到的颗粒数，可估计风流量中的颗粒物浓度。为了减小由于气流的未知方向造成的风速和颗粒物浓度测量上的误差，实现自混合干涉仪的颗粒物传感器通常包括使空气以已知速度并沿已知方向移动通过感测体积的风扇。附图说明本主题技术的一些特征在所附权利要求书中被示出。然而，出于解释的目的，在以下附图中阐述了本主题技术的若干实施方案。图1示出了根据本主题技术的各个方面的具有颗粒物传感器的电子设备的示意图。图2示出了根据本主题技术的各个方面的具有颗粒物传感器并且以手持设备的形式实现的电子设备的透视图。图3示出了根据本主题技术的各个方面的具有颗粒物传感器并且以智能手表的形式实现的电子设备的透视图。图4示出了根据本主题技术的各个方面的位于颗粒物传感器附近的电子设备的一部分的示意性横截面侧视图。图5示出了根据本主题技术的各个方面的颗粒物传感器的激光发射方向的单位矢量投影。图6示出了根据本主题技术的各个方面的颗粒物传感器模块的示意性侧视图。图7示出了根据本主题技术的各个方面的用于颗粒物传感器的全内反射(TIR)透镜的横截面侧视图。图8示出了根据本主题技术的各个方面的用于颗粒物传感器的TIR透镜的侧视图。图9示出了根据本主题技术的各个方面的用于颗粒物传感器的TIR透镜的透视图。图10示出了根据本主题技术的各个方面的用于颗粒物传感器的另一全内反射(TIR)透镜的横截面侧视图。图11示出了根据本主题技术的各个方面的利用颗粒物传感器进行颗粒物浓度测量的示例性过程的流程图。具体实施方式下面示出的具体实施方式旨在作为本主题技术的各种配置的描述并且不旨在表示本主题技术可被实践的唯一配置。附图被并入本文并且构成具体实施方式的一部分。具体实施方式包括具体的细节旨在提供对本主题技术的透彻理解。然而，对于本领域的技术人员来说将清楚和显而易见的是，本主题技术不限于本文示出的具体细节并且可在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些情况下，以框图形式示出了熟知的结构和部件，以便避免使本主题技术的概念模糊。为了使用自混合干涉测量法准确测量气体中的颗粒物浓度，准确测量或以其他方式知晓气体的流速是很重要的。在一些系统中，使用风扇来使气体以已知速度和方向移动通过自混合干涉仪的测量体积。然而，这种气体运动控制在实验室环境之外通常是不实用的并且/或者需要具有风扇和内部气流通路的大体积专用设备。由于风流量矢量是三维的，并且自混合干涉仪可在与干涉仪的激光束的传播方向相对应的方向上测量速度，因此为了在没有这种气流控制的情况下进行颗粒物浓度测量，通常需要三个自混合干涉仪来推断风速。当这三个自混合干涉仪的光束的传播方向不相互正交时，可能在风速和颗粒物浓度测量中产生不期望的较大误差。对于具有三个相互非正交光束的布置，此类大误差可随着沿每个光束的风流动方向的推断而减小，这利用自混合干涉测量法可通过同步于粒子到达和渡越时间的发射激光束的波长调制，随后例如使用快速傅里叶变换进行自混合干涉信号的光谱分析来实现。然而，由于粒子的到达和渡越时间往往是随机的并且无法预期，因此风速和颗粒物浓度测量中仍可能存在大的误差。因此，为了测量各种环境中的流速，可提供沿三个相互垂直的方向产生光束的三个相干或部分相干光源(例如，激光器)。这三个光束可在测量位置处会聚，或者在一些实施方案中，可在不同位置处会聚以对随气体流动的颗粒物执行独立测量。然而，在构造具有三个相互垂直的相干或部分相干光束的设备时也会出现挑战，除非该设备是具有流动室的大型独立颗粒物浓度传感器。因此，提供一种利用由流速测量所提供的精度来准确测量颗粒物浓度的颗粒物传感器可能具有挑战性，尤其是在可在诸如手持设备或可穿戴设备(例如，智能电话、智能手表等)之类的其他电子设备中实现的紧凑的模块化包装中。构造更紧凑的颗粒物传感器的一种选择是提供相互垂直的相干或部分相干的光束以形成三维中的正交基。已确定用于三个光束的此类正交基可通过布置产生具有等距角间距(例如，120度)的三个对应光束的三个光源并且通过将光束从每个光源(例如，朝向彼此)倾斜约54-56度(例如，当传感器用于空气中的测量时)来产生，如下文更详细地解释。然而，已发现使用折射元件诸如折射透镜来产生具有足够的光束质量的54-56度倾斜以用于颗粒物感测是极具挑战性的。例如，由低折射率材料(例如，折射率为约1.4-1.8的材料)制成的常规折射元件不表现出产生所需的光束倾斜程度的光功率。可使用双面折射元件，但在前表面和后表面之间呈现出显著的对准挑战。由高折射率材料制成的折射元件原则上可实现所需的倾斜，但由这些高折射率材料制成的透镜需要高表面轮廓精度和高安装精度。高折射率材料的另一个挑战在于它们显著的菲涅耳反射损耗。根据本主题公开的各个方面，提供了颗粒物传感器，该颗粒物传感器包括自混合干涉仪和全内反射(TIR)透镜，该TIR透镜使三个相干或部分相干的光束倾斜，使得使经过对应透镜之后的光束传播方向在三维空间中形成正交基。这样，可提供模块化颗粒物传感器，其可在其他电子设备诸如便携式和/或可穿戴电子设备(例如，智能电话和/或智能手表等)中实现。图1中示出了具有颗粒物传感器的例示性电子设备的示意性框图。在图1的示例中，电子设备100包括颗粒物传感器103。如图所示，颗粒物传感器103包括光源105、光检测器107和TIR透镜108。光源105可为相干或部分相干光源，诸如激光器(例如，垂直腔面发射激光器(VCSEL))。光检测器107可为与光源105分开或各自与对应光源105(例如，在腔内或腔外布置中)集成在一起的光电二极管或其他光传感器。如下文进一步详细描述的，光源105可安装在公共平面中，使得每个光源发射穿过一个或多个TIR透镜108的光束，该一个或多个TIR透镜使光束倾斜以在三维空间中形成正交基。如在几何远场(即，夫琅和费区)中观察到的，三个光束可成角度地间隔开120度。光源105可以或者可不以相同的120度角间隔开。例如，在一个具体实施中，单个光源105和对应TIR透镜可沿线定位。在该具体实施中，三个光束将被本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种颗粒物传感器，所述颗粒物传感器包括：/n三个光源；和/n三个全内反射透镜，其中所述三个光源被布置成将三个对应光束分别发射到所述三个全内反射透镜中，并且其中所述三个全内反射透镜被布置成使所述三个对应光束重新定向到在三维空间中形成正交基的三个对应方向。/n

【技术特征摘要】
20180921 US 62/734,943;20190722 US 16/518,8881.一种颗粒物传感器，所述颗粒物传感器包括：
三个光源；和
三个全内反射透镜，其中所述三个光源被布置成将三个对应光束分别发射到所述三个全内反射透镜中，并且其中所述三个全内反射透镜被布置成使所述三个对应光束重新定向到在三维空间中形成正交基的三个对应方向。


2.根据权利要求1所述的颗粒物传感器，还包括三个光检测器，所述三个光检测器各自被配置为检测所述三个光源中的对应一个光源的操作由于与所述三个对应光束中的至少一个相关联的测量体积内的颗粒的反射或反向散射而引起的变化。


3.根据权利要求2所述的颗粒物传感器，其中每个光检测器被配置为通过检测由所述三个光源中的所述对应一个光源发射的光功率的变化来检测所述光源的操作的变化。


4.根据权利要求2所述的颗粒物传感器，其中每个光检测器被配置为通过检测在所述三个光源中的所述对应一个光源的腔体内存在的光功率的变化来检测所述光源的操作的变化。


5.根据权利要求2所述的颗粒物传感器，其中所述三个光源包括三个激光器。


6.根据权利要求5所述的颗粒物传感器，其中所述三个激光器包括将所述三个对应光束以平行方向发射到所述三个全内反射透镜中的三个垂直腔面发射激光器。


7.根据权利要求6所述的颗粒物传感器，其中所述三个光检测器包括三个光电二极管，所述三个光电二极管各自与所述垂直腔面发射激光器中的一个一体成形。


8.根据权利要求1所述的颗粒物传感器，其中所述全内反射透镜中的每个包括非球面全内反射表面。


9.根据权利要求1所述的颗粒物传感器，其中所述全内反射透镜中的每个包括透镜化表面和全内反射表面。


10.一种方法，包括：
将三个光束从三个对应光源发射到三个对应全内反射透镜中；
利用所述三个对应全内反射透镜使发射的所述三个光束重新定向到在三维中形成正交基的三个对应方向，以会聚在至少一个会聚位置处；
利用三个对应光检测器检测所述三个对应光源的操作由于所述三个光束在围绕所述至少一个会聚位置的测量体积内的反射或反向散射而引起的变化；以及
基于所检测到的变化来确定气体中的一种或多种颗粒物浓度。


11.根据权利要求10所述的方法，其中基于所检测到的变化来确定所述气体中的所述一种或多种颗粒物浓度包括基于所检测到的变化来确定所述气体在所述测量体积中的流速。


12.根据权利要求11所述的方法，其中基于所检测到的变化来确定所述气体中的所述一种或多种颗粒物浓度还包括对在时间段内穿过测量体积的颗粒的数量进行计数。


13.根据权利要求12所述的方法，其中基于所检测到的变化来确定所述气体中的所述一种或多种颗...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·穆特鲁，J·J·达德利，M·T·温克勒，蔡文睿，
申请(专利权)人：苹果公司，
类型：发明
国别省市：美国;US