[發明專利]用于檢測空氣中顆粒的裝置和方法以及包括該裝置的可穿戴設備

有效

• 申請號: 201410356081.9
• 申請日: 2014-07-24
• 公開（公告）號: CN104089862A
• 公開（公告）日: 2014-10-08
• 發明（設計）人: E·耶爾沃利諾;F·圣阿加塔;韋嘉;李學明;祁高進;郭成;張國旗
• 申請（專利權）人: 常州市武進區半導體照明應用技術研究院
• 主分類號: G01N15/06
• 分類號: G01N15/06
• 代理公司: 北京市中倫律師事務所 11410
• 代理人: 賈媛媛;張思悅

技術領域

本發明涉及煙霧檢測、預防醫學、照明、可穿戴式電子等領域，尤其涉及用于檢測空氣中顆粒的方法和裝置，以及包括該裝置的可穿戴設備。

背景技術

現有的顆粒物質(PM)傳感器大多是基于微機電系統(MEMS)的顆粒物質傳感器，通常包括以下部件：微流體通道，用于根據顆粒尺寸來分離顆粒；微加工的薄膜體聲波諧振器(FBAR)，FBAR對質量敏感，即在FBAR上的質量加載會導致其諧振頻率變化，而且頻率變化速率對應于采樣空氣體積中的顆粒濃度；以及CMOS驅動器，FBAR連接到該CMOS驅動器，作為皮爾斯振蕩器。

一種顆粒物質傳感器是使用FBAR的、三片堆疊的MEMS，其能夠測量PM2.5的質量濃度，靈敏度可達到2μg/m³，但只能累積使用10分鐘，因此不可能實現實時反饋；而且，使用三片堆疊的MEMS傳感器和多個制造步驟增加了這種傳感器的總成本；此外，為了記錄測量結果，需要電腦控制的頻譜分析儀，并使用特定的計算機程序進行跟蹤，因此，這種傳感器是不可能包含在可穿戴的設備中。

另一種基于MEMS技術的顆粒物質傳感器使用了基于顆粒計數器的電暈放電原理，雖然這種設備體積小，但需要高電壓(千伏量級)來進行測量，因此也不可能包含在可穿戴的設備。

還有一些顆粒物質傳感器，使用現成的商用(COTS)塵埃傳感器，雖然較廉價，但只能獲得不精確的、粗略的讀數，而在一些場合中，這種粗略的讀數是不滿足要求的。此外，這種傳感器本身體積相對較大，且需要連接其他外部裝置來配合使用，因此，也不可能包含在任何可穿戴部件中。

其他的顆粒物質傳感器雖然是可攜帶的，但它們仍然較昂貴且尺寸較大，對于使用者來說是不經濟的，而且導致隨身攜帶時的不適。

上述現有的顆粒物質傳感器由于其本身的結構及工作原理所限，在預防醫學領域，以及以下領域中存在很多局限性，很難同時滿足這些領域的要求：

1)城市檢測：在已提出的城市檢測方案中，為了建立市區的噪聲污染地圖，可以使用顆粒物質傳感器來測繪危險區域，并標記污染嚴重的地區。為了提供更高的空間和時間分辨率，需要提供便攜的、可移動的、結構簡單的顆粒物質傳感器。但相對于昂貴的固定設備來說，目前的簡單的顆粒物質傳感器所獲得的準確度通常較低，因此，需要開發準確度高、可靠性強的顆粒物質傳感器。另外，需要降低顆粒物質傳感器的成本，從而允許發展中國家建立經濟的用于空氣質量監測的測量網。

2)個人生活日志：顆粒物質傳感器可應用于存在潛在危險的環境中，如煤礦或木工車間。這些環境因素與健康高度相關，因此，要求顆粒物質傳感器具有高靈敏度。

3)個人信息：對于不同個體來說，在環境中長期和短期暴露的情況可能存在很大差別，因此任何單一的標準或準則都不能完全地保護每個人。尤其對于高風險人群，必須確保他們不會過度暴露于高濃度的顆粒物物質，例如由于室內污染物和/或吸煙產生的煙霧導致室內的空氣質量非常差的情況。而現有的低成本、便攜式的顆粒物質傳感器，例如售價為幾美元的、廉價的紫外線測量儀或溫度計之類的商品，只能給出粗略的讀數，準確度很低。因此，需要開發低成本、精確度高的顆粒物質傳感器。

由此，開發低成本、可穿戴的、高靈敏度的、準確度高、可靠性強的空氣監測裝置是非常必要的。

發明內容

鑒于上述問題，提出了本發明，以便提供一種克服上述問題或者至少部分地解決上述問題的用于檢測空氣中顆粒的裝置和方法，以及包括該裝置的可穿戴設備。

依據本發明的第一方面，提供了一種用于檢測空氣中顆粒的裝置，包括：上部部分和下部部分，所述上部部分和所述下部部分由硅基材料制成；所述上部部分和所述下部部分之間形成有測量室，所述測量室包括上表面、下表面和側表面，所述上表面和所述下表面彼此平行，所述側表面相對于所述上表面傾斜；至少一個發光元件，設置在所述測量室中且包括具有發射口的第一側面，所述發射口用于沿著平行于所述上表面且朝著所述側表面的方向發射光；至少一個感光元件，所述至少一個感光元件位于所述測量室中且鄰近所述至少一個發光元件的第二側面而設置，所述第二側面與所述第一側面相對；所述至少一個發光元件所發射的光經所述顆粒散射到達所述至少一個感光元件；所述至少一個感光元件用于檢測經所述顆粒散射到達所述至少一個感光元件的光信號，以獲得顆粒檢測結果。