CN111050859B - 用于具有感测系统的呼吸器的贴合测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种贴合测试方法，所述贴合测试方法包括：提供由佩戴者佩戴的呼吸器，提供具有已知气溶胶输出参数的气溶胶发生器，提供围绕所述佩戴者头部进行物理支撑的外壳，其中所述气溶胶发生器输送具有所述已知气溶胶输出参数的气溶胶，所述气溶胶至少部分地包含在围绕佩戴者头部的所述外壳内，提供与感测元件电通信的传感器，其中所述传感器可操作地连接到所述呼吸器，并且其中所述传感器被配置为监测所述呼吸器内的颗粒物浓度参数，以及提供被配置为与所述传感器通信的读取器，其中所述读取器被配置为基于所述颗粒物浓度参数与所述已知气溶胶输出参数的比较来提供呼吸器贴合参数。
Description
背景技术
颗粒物(PM)传感器是被配置为能够量化环境(最常见的是颗粒悬浮在气相中的环境)中的颗粒物浓度的感测元件。在过去十年中，由于人们日益认识到PM可能对人类健康产生的影响，因此PM传感器受到了更多的关注。PM传感器通常用于实现环境PM监测、柴油机烟尘颗粒输出、颗粒过滤器效率测量以及呼吸器贴合测试。大多数传感器系统属于以下类别中的一个：1)基于质量的测量，其通过使用质量天平或石英晶体微量天平监测随时间沉积的颗粒的质量(通常用于环境监测)，2)基于光学的测量，其中使用光信号来监测气流中颗粒的浓度(通常用于环境监测和定量呼吸器贴合测试)，以及3)导电性感测，其中导电颗粒在一对电极上的沉积导致可测量的电信号(通常用于柴油机烟尘监测，因为烟尘颗粒是导电的)。
发明内容
本公开涉及用于呼吸器的贴合测试方法。具体地，本公开涉及具有已知气溶胶输出参数的气溶胶发生器；
围绕佩戴者头部进行物理支撑的外壳，其中气溶胶发生器提供已知气溶胶输出参数，该已知气溶胶输出参数至少部分地包含在围绕佩戴者头部的外壳内；包括可操作地连接到呼吸器的感测元件的传感器，其中传感器被配置为监测呼吸器内的颗粒物浓度参数；以及被配置为与传感器通信的读取器，其中读取器被配置为基于颗粒物浓度参数与已知气溶胶输出参数的比较来提供呼吸器贴合参数。
在一个方面，本公开提供了一种贴合测试方法，该方法包括：提供由佩戴者佩戴的呼吸器；提供具有已知气溶胶输出参数的气溶胶发生器；提供围绕佩戴者头部进行物理支撑的外壳，其中气溶胶发生器输送具有已知气溶胶输出参数的气溶胶，该气溶胶至少部分地包含在围绕佩戴者头部的外壳内；提供与感测元件电通信的传感器，其中该传感器可操作地连接到呼吸器，并且其中传感器被配置为监测呼吸器内的颗粒物浓度参数；以及提供被配置为与传感器通信的读取器，其中读取器被配置为基于颗粒物浓度参数与已知气溶胶输出参数的比较来提供呼吸器贴合参数。在一些实施方案中，传感器基本上安装在呼吸器的外部表面上。
在一些实施方案中，传感器的尺寸和传感器的重量被选择成使得传感器不会干扰佩戴者使用呼吸器。在一些实施方案中，传感器的尺寸和传感器的重量被选择成使得传感器不会改变呼吸器与佩戴者的贴合。在一些实施方案中，其中传感器与感测元件电通信并且被配置为感测该感测元件的电特性的变化。在一些实施方案中，其中感测元件被配置为当液体层设置在感测元件的表面的至少一部分上的至少两个电极之间的间隙中时感测流体可溶性颗粒物，其中流体可电离颗粒在该液体层中能够至少部分地溶解并且能够至少部分地电离，从而导致感测元件的至少两个电极之间的电特性的变化。
在一些实施方案中，传感器被配置为检测未过滤空气渗漏到形成在人面部的表面与呼吸器的内表面之间的内部气体空间中。在一些实施方案中，感测元件与传感器可移除地通信。在一些实施方案中，传感器与读取器就内部气体空间内的气体或气溶胶的一种或多种成分进行通信。在一些实施方案中，传感器与读取器就与内部气体空间内的气体相关的物理特性进行通信。
在一些实施方案中，传感器和读取器通信用于评估佩戴者进行体育锻炼的表现的参数。在一些实施方案中，传感器与读取器就内部气体空间内的气体或气溶胶的一种或多种成分彼此通信。在一些实施方案中，传感器与读取器就与内部气体空间内的气体相关的物理特性彼此通信。
在一些实施方案中，传感器和读取器通信用于评估佩戴者进行体育锻炼的表现的参数。在一些实施方案中，液体层的至少一个组分由人的呼吸提供。在一些实施方案中，流体可电离颗粒与感测元件的相互作用至少部分地受人的呼吸影响。
在一些实施方案中，感测元件被配置为能够与传感器机械分离。在一些实施方案中，感测元件为流体可电离颗粒物检测元件，该流体可电离颗粒物检测元件被配置为使得冷凝蒸气不在元件的表面上均匀地冷凝。在一些实施方案中，流体可电离颗粒物检测元件被进一步配置为使得与至少一个电极接触的冷凝蒸气不与至少一个其它电极形成连续凝相。在一些实施方案中，读取器被配置为与传感器无线通信。在一些实施方案中，读取器与传感器在相同电路上。在另一个方面，存在包括上述任何方法的呼吸贴合测试系统。
上述发明内容并不旨在描述本公开的每种实施方案或每种实施方式。通过参考以下具体实施方式和权利要求并结合附图，更全面的理解将变得显而易见。换句话讲，通过阅读以下具体实施方式，这些以及各种其它特征和优点将显而易见。
附图说明
图1是一个例示性感测元件的顶视图、前视图和侧视图的示意图。
图2是两个例示性感测元件的顶视图的示意图。
图3是一个例示性感测元件的剖视示意图。
图4A是另一个例示性感测元件的顶视图、前视图和侧视图的示意图。
图4B是另一个例示性感测元件的顶视图、前视图和侧视图的示意图。
图5A是制备感测元件的例示性方法的流程图。
图5B是制备感测元件的另一个例示性方法的流程图。
图6是图4A的感测元件的剖视示意图，其示出了设置在电极对结构上的流体。
图7是具有过滤元件的例示性感测元件的剖视示意图。
图8是图7的感测元件的剖视示意图，其示出了设置在电极对结构上的流体。
图9是另一个例示性感测元件的顶视图的示意图。
图10是另一个例示性感测元件的顶视图的示意图。
图11是示出传感器对水中不同浓度的NaCl的响应的曲线图，上面三个曲线图示出了当涂覆有所示溶液的液体层时由传感器测量的作为频率的函数的电阻(实线)和电抗(虚线)。下面三个曲线图示出了当涂覆有所示溶液的液体层时由传感器测量的作为频率的函数的阻抗大小(实线)和相移(虚线)。Z＝阻抗大小，θ＝相移，R＝电阻，X＝电抗。
图12A至图12C是示出施加到盐气溶胶传感器的不同表面改性和涂覆体系的等温吸水性和NaCl气溶胶响应的比较的曲线图。
图13A至图13D是示出对于两性离子硅氧烷表面，之后不同涂覆量的葡萄糖施加到盐气溶胶传感器，等温吸水性和NaCl气溶胶响应的比较的曲线图。
图14A至图14C是示出具有和不具有过滤元件的传感器的等温吸水性和NaCl气溶胶响应的比较的曲线图。
图15是例示性呼吸器传感器系统的示意图。
图16A是对应于本公开中有用的方法的例示性呼吸器传感器系统的示意图。
图16B是对应于本公开中有用的方法的例示性呼吸器传感器系统的示意图。
图17是对应于本公开中有用的方法的例示性呼吸器传感器系统的示意图。
图18是例示性传感器的示意图。
图19是包括例示性感测元件的例示性传感器的示意图。
图20是具有添加的间隔层、过滤元件和电桥的例示性感测元件的示意图。
图21是使用具有所描述的部件中的一些的感测元件的例示性传感器系统的示意图。
图22是具有气体传输结构的例示性传感器系统的示意图。
图23是气体传输结构的例示性内部结构的示意图。
图24是具有电池和充电端口的例示性传感器的示意图。
图25是用于传感器的例示性壳体的示意图。
图26是包括具有延伸突片的感测元件的例示性传感器的示意图。
图27是示出传感器的插入和移除的例示性传感器的示意图。
图28是包括具有环形流体通道的壳体的例示性传感器的示意图。
图29是包括具有可分离元件的壳体的例示性传感器的示意图。
图30是包括传输控制结构的例示性传感器的示意图。
图31A至图31D示出了当传感器安装在呼吸器的内部空间中时，将当前公开的传感器的氯化钠气溶胶检测与钠火焰光度计进行比较的数据。
图32是包括至少一个加热元件的示意性例示性传感器。
图33A至图33D示出了当传感器安装在呼吸器的外部上时，将当前公开的传感器的氯化钠气溶胶检测与钠火焰光度计进行比较的数据。
图34示出了佩戴者进行锻炼(诸如美国职业安全与健康管理局在30CFR 1910.134附录A中规定的那些锻炼)时的传感器信号的数据。
具体实施方式
在以下详细描述中，参考了形成该详细描述的一部分的附图，并且在附图中以例示的方式示出了若干具体实施方案。应当理解，在不脱离本公开的范围或实质的情况下，能够设想并作出其它实施方案。因此，以下具体实施方式不应被视为具有限制意义。
除非另外指明，否则本文所使用的所有科学和技术术语具有在本领域中普遍使用的含义。本文提供的定义将有利于理解本文频繁使用的某些术语，并且不意味着限制本公开的范围。
除非另外指明，否则本说明书和权利要求书中所使用的表达特征尺寸、量和物理特性的所有数在所有情况下均应理解成由术语“约”修饰。因此，除非有相反的说明，否则在上述说明书和所附权利要求中列出的数值参数均为近似值，这些近似值可根据本领域的技术人员使用本文所公开的教导内容寻求获得的性质而变化。
用端值来表述的数值范围包括该范围内所包含的所有数字(如1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)及该范围内的任何范围。
除非内容另外明确指明，否则如本说明书和所附权利要求中使用的，单数形式“一个”、“一种”和“所述”涵盖具有多个指代物的实施方案。
除非内容另外明确指明，否则如本说明书和所附权利要求书中使用的，术语“或”一般以其包括“和/或”的意义采用。
如本文所用，“具有”、“包括”、“包含”等等均以其开放性意义使用，并且一般是指“包括但不限于”。应当理解，“基本上由...组成”、“由...组成”等包含在“包含”等之中。
流体可溶性颗粒是可溶解在流体中的任何颗粒。流体可电离颗粒是除溶解外还会在一定程度上电离的颗粒。颗粒可溶解，但不会电离(诸如我们的吸湿层)。在一些情况下，在本公开中，术语“流体可溶性”和“流体可电离”可互换使用。
如本文所用，术语“气体”包括在环境条件下为气体的材料和气溶胶。然而，在一些实施方案中，术语“气体”不包括在环境条件下为液体的材料。如本文所用，术语“气溶胶”是指在环境条件下的两相系统，其中一相是连续相，诸如气体(即，空气或推进剂气体)，另一相是分散相，诸如固体颗粒、液体颗粒、原位改变为固体颗粒的液体颗粒、原位改变为液体颗粒的固体颗粒或它们的任何组合。
本公开涉及用于呼吸器的贴合测试方法。具体地，本公开涉及利用电子感测系统的贴合测试方法，该电子感测系统被配置为与读取器无线通信并检测基本上定位在呼吸器的内部气体空间内或基本上安装在呼吸器的外部表面上的传感器的电特性(电阻、电容、电感或其它AC阻抗特性)的变化。一种贴合测试的方法包括提供呼吸器；提供具有感测元件的传感器，该感测元件基本上可移除地定位在呼吸器的内部气体空间内或基本上安装在呼吸器的外部表面上；提供被配置为与传感器通信的读取器；当传感器基本上定位在呼吸器的内部气体空间内或基本上安装在呼吸器的外部表面上时，将该呼吸器定位在使用者的口部和鼻部上；以及观察从传感器传送至读取器的呼吸器贴合评估数据。另一种贴合测试的方法包括提供呼吸器；提供包括感测元件的传感器，该感测元件基本上可移除地定位在呼吸器的内部气体空间内或基本上安装在呼吸器的外部表面上；提供被配置为与传感器通信的读取器；当传感器基本上定位在呼吸器的内部气体空间内或基本上安装在呼吸器的外部表面上时，将该呼吸器定位在使用者的口部和鼻部上；以及观察由读取器传送的呼吸器贴合评估数据；以及一旦传感器指示已达到预定贴合评估数据值，就在使用者面部上捕获正确贴合位置的图像。在一些实施方案中，感测元件安装在呼吸器的内部气体空间内并且传感器安装在外部表面上，使得传感器可以使用电感、近场耦合等来监测来自感测元件的信号。
在一些实施方案中，一种用于检测气体介质中的流体可电离颗粒的方法包括：使气体介质与流体可电离颗粒物感测元件接触；在流体可电离颗粒物感测元件的至少一部分上冷凝气体介质的组分；确定流体可电离颗粒物检测元件的第一对电极之间的电特性；确定流体可电离颗粒物检测元件的第二对电极之间的电特性；以及至少部分地通过将第一对电极的电特性的值与第二对电极的电特性的值进行比较来确定与气体介质中流体可电离颗粒的存在相关的值。在一些实施方案中，读取器被配置为与传感器无线通信。在一些实施方案中，读取器与传感器在相同电路上。一种用于对呼吸器进行贴合测试的系统，包括：呼吸器、包括感测元件的传感器、以及被配置为与传感器通信的读取器。传感器基本上定位在呼吸器的内部气体空间内，或基本上安装在呼吸器的外部表面上。在一些实施方案中，系统还包括可安装在佩戴者的头部和/或肩膀上的外壳。在一些实施方案中，该系统还包括气溶胶发生器，该气溶胶发生器用于输送具有已知气溶胶输出参数的气溶胶，该气溶胶输出参数至少部分地包含在围绕佩戴者头部的外壳内。该感测元件可被配置为能够补偿由环境因素(例如，温度、湿度和气体组分相互作用)引起的背景噪声。该电子感测元件也可被配置为容易地插入传感器中并从传感器移除，以能够读出感测元件信号。在一些情况下，传感器可以经由无线通信与系统中的其它部件进行通信，从而实现具有一次性传感器元件的完全无线气溶胶监测系统，其可被配置为与呼吸保护装置集成。该电子感测元件可允许对在固态颗粒状态下不导电的一些颗粒进行电检测，并且还提供对环境变化的背景补偿的方法。该电子感测元件被配置为检测溶解成流体中的导电组分的颗粒。例如，结晶盐颗粒(诸如氯化钠颗粒)在固态颗粒状态下是电绝缘的，但在极性流体(诸如水)中溶解成导电的钠离子和氯离子。该感测元件能够检测这些颗粒，因为该感测元件的表面被设计成使得流体膜在电极之间的区域中形成。当所关注的颗粒冲击感测元件时，它们溶解到流体中，随后能够进行检测。该感测元件可被设计成使得流体膜由环境中的气体形成。例如，流体可通过来自人呼吸的水蒸气的冷凝而形成。在该示例中，感测可以基本上放置在呼吸器内部或安装在呼吸机的外部上以在呼吸器贴合测试中使用。渗漏到呼吸器中的雾化盐颗粒可冲击感测元件表面，该感测元件表面具有由佩戴者的呼气中的水蒸气形成的流体层，使得能够检测呼吸器的渗漏。
背景补偿可由感测元件表面上的第二对电极来提供(尽管这两对电极可共享单个公用接地元件)。该第二对电极(参考电极)可在电极对的表面上方具有颗粒过滤元件，这可防止所关注的颗粒与参考电极相互作用。然而，利用过滤元件的适当压降，与第一对电极相互作用的相同气体组分可能够穿过过滤器并且也与第二对参考电极相互作用。围绕电极对的表面改性特征可被图案化，使得电极对之间的流体中存在不连续性。这种不连续性可阻止元件从一个电极对迁移到另一个电极对。该组件产生参考电极对，该参考电极对经历第一电极对所经历的环境效应，但经历较少量的颗粒效应。这实现了从由第一对电极记录的信号中去除环境效应的方法。在一些实施方案中，参考电极对可具有预先设置在表面上的所关注的颗粒材料，使得背景补偿信号包括与所关注的PM的环境相互作用。例如，如果感测元件被配置为监测氯化钠颗粒，则参考对可用已知量的氯化钠预先加载，使得当来自第一对电极的信号匹配来自参考对的信号时，可推断第一对电极具有与参考对相同量的氯化钠。通过下文提供的对实施例的阐述，将获得对本公开各方面的认识，但本公开并不受此限制。
图1是例示性感测元件10的顶视图、前视图和侧视图的示意图。感测元件10被配置为与所关注的环境相互作用。感测元件10包括具有非导电表面11的基板1、至少一个高表面能区域3，以及设置在非导电表面11上的电极对结构2。电极对结构2包括在两者间具有间隙12的至少一对电极A、B。电极A或B中的至少一个至少部分地位于所述至少一个高表面能区域3内。感测元件10被配置为感测流体可溶性颗粒物。
高表面能区域3中的至少一些可以是重叠的且邻近电极对结构2或电极对A、B，并且可被配置为通过例如促进气体分子或颗粒物冷凝成高表面能区域3上以及特别地电极对结构2或电极对A、B的间隙12内的冷凝流体，或促进对所关注的组分的敏感性来与所关注的环境相互作用。
流体可电离颗粒物为这样的颗粒物，其在固态形式下可以是导电的或可以不是导电的，但在流体诸如水中可电离成导电组分。流体可溶性颗粒物在流体中的溶解可提供可由电极对结构2检测或感测的液体的电特性的变化。一种可用的流体可溶性颗粒物是氯化钠(NaCl)。
至少一对电极A、B中的电极A和B可相对于彼此共面。至少一对电极A、B中的电极A和B可为平行延伸或交叉的，或具有任何其它可用的构型。由至少一对电极A、B中的电极A和B之间的距离限定的间隙12可具有侧向距离GL值，其为任何可用值。该侧向距离GL值可在25微米至125微米的范围内。电极可具有任何可用的侧向宽度EL值。该侧向宽度EL值可在25微米至125微米的范围内。电极A和B可由任何导电和抗腐蚀或抗氧化材料诸如各种金属或金属合金形成。
高表面能区域3可被图案化到基板1或非导电表面11上，以提供液体到基板1或非导电表面11上的选择性沉积以用于接触电极对结构2。高表面能区域3可至少部分地或完全被一个或多个低表面能区域6围绕或界定。高表面能区域3可提供液体或水的选择性沉积，以将在电极对结构2的间隙12内的液体层或液体体积形成到高表面能区域3上。因此，液体层或液体体积可接触电极对结构2中的电极A和B两者。高表面能区域3可限定任何可用形状或表面积。
短语“高表面能区域”是指表现出按ASTM D7334测量的小于90度、或小于80度、或小于60度和/或优选地小于45度的前进水接触角的表面区域。需注意，ASTM D7334-08中的一般推荐即20微升的水体积可能太大以至于不能根据表面几何形状进行适当的测试。必须使水体积相对于表面区域的尺寸足够小，使得前进接触角不受该区域的限制的干扰。
短语“低表面能区域”是指具有比高表面能区域低的表面能的区域，使得低表面能区域的前进水接触角大于高表面能区域的前进水接触角。低表面能区域的前进水接触角可大于高表面能区域的前进水接触角，该前进水接触角为1至10度、或10至20度、或20至45度，以及/或者优选地大于45度。
例如，高表面能区域3可具有20度的前进水接触角，并且低表面能区域6可具有60度的前进水接触角。又如，高表面能区域3可具有70度的前进水接触角，并且低表面能区域6可具有100度的前进水接触角。前进水接触角的差值促进冷凝的流体被限制在预定义区域，这可使不期望的相互作用最小化。前进水接触角可受到表面区域的亲水性质或表面区域中材料的吸湿性质的影响，这有效地改变了前进水接触角。
高表面能区域3可通过对基板1或非导电表面11的表面处理来形成。这些表面处理包括例如等离子改性、化学改性等。等离子处理可包括氧等离子处理。化学处理包括硅烷或硅氧烷的沉积或气相沉积，以形成例如限定高表面能区域3的硅氧烷表面或两性离子型硅氧烷表面。化学处理也可包括或另选地包括吸湿材料的沉积以限定高表面能区域3。高表面能区域3可具有小于1E-9mol/mm2的可溶性离子含量。例如，具有10ng氯化钠的1mm2表面区域具有约3.45E-10mol/mm2(由钠贡献1.72E-10mol/mm2，由氯化物贡献1.72E-10mol/mm2)的可溶性离子含量，这归因于当水冷凝在该区域上时，氯化钠可能解离成钠离子和氯离子。可溶性离子含量影响传感器的表面电阻率。然而，由于高表面能区域3与环境的变化的相互作用，表面电阻率还受到周围环境诸如相对湿度的影响。例如，就具有10ng氯化钠的1mm2表面积而言，在氯化钠保持结晶固体的低湿度环境中，表面电阻率将较大，而在氯化钠从空气吸收水分并溶解成液体溶液的高湿度环境中，表面电阻率将较低。可溶性离子含量还受到高表面能区域中的物质的离子解离常数的影响。例如，氯化钠在水中具有较大的离子解离常数，而诸如葡萄糖的化合物的离子解离常数则低得多。因此，对于加载在表面上的葡萄糖当量摩尔量，葡萄糖表面的可溶性离子含量将显著低于具有氯化钠的表面的可溶性离子含量。
吸湿材料包括从周围环境吸收或吸附水的材料，以及优选地从周围气体介质吸收或吸附水蒸气的材料。例如，吸湿材料可为盐、酸、碱，或优选地在水中具有低离子解离常数的化合物，诸如吸水聚合物、单糖、多糖、醇，或更优选地多元醇，使得由于水的吸收或吸附而导致的传感器表面电阻率的变化最小化。
多元醇可为聚合物多元醇或单体多元醇，并且可优选地为糖醇，诸如山梨醇。吸湿层优选地为增强保水率的化合物，并且也可在称为湿润剂的化合物的类别内。吸湿材料优选地为在25摄氏度和1大气压下具有小于100％相对湿度，或小于90％相对湿度，或更优选地小于80％相对湿度的潮解点的材料。潮解点被认为是指材料从周围气体介质吸收足够水以使得其溶解并形成液体溶液时的相对湿度。液体溶液的形成可通过提供颗粒可溶解到其中的液体溶液来增强流体可电离颗粒物感测元件的性能。吸湿材料和涂覆量优选地被选择成使得所关注的溶解颗粒物的离子的电子迁移率通过吸湿材料的效应而最小限度地降低。
基板1可由任何非导电材料形成。基板1可为层合体或单一材料构造。基板1可由用作电路板或电传感器基板的任何材料形成。基板1可由任何玻璃或电介质树脂形成。例示性基板1材料可从美国科罗拉多的Advanced Circuits公司(Advanced Circuits,Colorado,USA)以及其它印刷电路板制造实体商购获得。
图2是例示性感测元件10的顶视图的示意图。如上所述，感测元件10包括具有非导电表面11的基板1、至少一个高表面能区域3，以及设置在非导电表面11上的电极对结构2。电极对结构2包括在两者间具有间隙12的至少一对电极A、B。如上所述，电极A或B中的至少一个至少部分地位于至少一个高表面能区域3内。感测元件10被配置为感测流体可溶性颗粒物。
图2左侧示出了具有两对相对的交叉构件A2和B2的交叉电极对A、B。交叉构件A2和B2之间的间隙12可具有侧向距离值，其为任何可用值。该距离值可在25微米至125微米的范围内。交叉构件A2和B2可具有任何可用的侧向宽度。该侧向宽度可在25微米至125微米的范围内。交叉构件A2和B2可具有诸如500微米至10,000微米范围的任何可用长度。交叉构件A2和B2可由任何导电和抗氧化或抗腐蚀材料诸如各种金属或金属合金形成。交叉电极对A、B示出为具有四个交叉构件，然而交叉电极对A、B可具有任意数目的总交叉构件，诸如在2至50，或4至40的范围内。
图2右侧示出了感测元件10的另一个实施方案，其中电极对结构2限定至少部分地围绕第二电极A并且限定两者间的间隙12的第一电极B。
图3为一个示例性感测元件10的剖视示意图。例如，图3提供了可应用于非导电表面11和电极对结构2以限定高表面能区域3并增强对流体可溶的目标颗粒材料(诸如盐气溶胶)的电阻抗响应的合适的层状结构例示。电极对结构2包括在两者间具有间隙12的至少一对电极A、B。
例示性表面处理层120可包括化学接枝到硅氧烷层或表面的两性离子型硅烷层或表面(其中硅氧烷表面可通过如图5A所示的氧+四甲基硅烷等离子处理来形成)。该例示性表面处理层120可被称为硅烷表面处理层120。该例示性表面处理层120可主要存在于非导电表面11的在电极对结构2之间或在至少一对电极A,B之间或在间隙12内的表面上。例示性表面处理层120可限定高表面能区域3。
图5A是用于形成例示性表面处理层120的方法的流程图。该方法包括在步骤210处，在非导电表面11上形成电极A、B。然后在步骤220处，施加掩蔽层以限定非导电表面11上的高表面能区域，使得至少一个电极A或B至少部分地位于限定的高表面能区域内。可将掩蔽层施加到非导电表面11上，使得非导电表面11的一些区域暴露于后续处理，并且一些区域被保护以免受后续处理。受保护免受后续处理的区域可形成低表面能区域。合适的掩蔽层是形成所需的图案以形成所需表面组合物的任何层，并且可在限定的位置处抵抗等离子处理。例如，合适的掩蔽层是以商品名“3M乙烯基带材491”从美国明尼苏达州的3M公司(3M,MN,USA)商购获得的带材。
在步骤230处，将掩蔽制品放置在真空室中。真空室可提供100mTorr或更小、或50mTorr或更小的真空环境。然后在步骤231处，将氧等离子施加到掩蔽制品。氧气(例如，浓度为500份每一百万份(ppm))可被引入并形成与电极表面的至少一些流体接触一段时间(例如，六十秒)的等离子。在某些实施方案中，可通过施加500W射频场来生成等离子。然后在步骤232处，将硅烷沉积或气相沉积到经等离子处理的制品上。可将四甲基硅烷(例如，浓度为150ppm)添加到等离子一段时间(例如，三十秒)。四甲基硅烷流可被中断，并且氧等离子持续一段时间(例如，六十秒)。在步骤233处，将第二氧等离子施加到掩蔽制品。然后在步骤234处，将经等离子处理的制品从真空室取出。
然后在步骤240处，将两性离子型硅烷溶液涂覆到经处理的制品上。施加包含两性离子型硅烷的溶液(例如在水中2重量％)与感测元件表面流体接触一段时间(例如，十秒)。在步骤241处，将涂覆的制品吹干，然后在升高的温度下烘烤一段时间(例如，在110℃下烘烤十分钟)。然后在步骤250处，用去离子水冲洗感测元件10，然后在步骤251处，干燥该感测元件。
硅烷表面处理层120可由具有式(I)的化合物形成，如国际专利公布WO2016/044082A1(Riddle等人)中所述：
(R1O)p-Si(Q1)q-W-N+(R2)(R3)-(CH2)m-Zt- (I)
其中：
每个R1独立地为氢、甲基基团或乙基基团；
每个Q1独立地选自羟基、含有1至4个碳原子的烷基基团和含有1至4个碳原子的烷氧基基团；
每个R2和R3独立地为饱和或不饱和的、直链、支链或环状的有机基团(优选地具有20个碳原子或更少)，其可任选地与基团W的原子连接在一起形成环；
W为有机连接基团；
Zt-为-SO3 -、-CO2 -、-OPO3 2-、-PO3 2-、-OP(＝O)(R)O-或它们的组合，其中t为1或2，并且R为脂族、芳族、支链、线性、环状或杂环基团(优选地具有20个或更少碳原子，更优选地R为具有20个或更少碳原子的脂族基团，甚至更优选地R为甲基、乙基、丙基或丁基)；
p为1至3的整数；
m为1至11的整数；
q为0或1；以及
p+q＝3。
式(I)的两性离子型硅烷化合物的合适示例描述于美国专利5,936,703(Miyazaki等人)中，包括例如：
(CH3O)3Si-CH2CH2CH2-N+(CH3)2-CH2CH2CH2-SO3-；以及
CH3CH2O)2Si(CH3)-CH2CH2CH2-N+(CH3)2-CH2CH2CH2-SO3-。
合适的两性离子型硅烷化合物的其它示例及其制备描述于美国专利申请No.13/806,056(Gustafson等人)中，包括例如：
在一些实施方案中，将盐材料层140施加到感测元件10或感测元件10的表面处理层120。盐材料层140可提供电极对A、B的参考电特性值。当将两个或更多个电极对与感测元件10一起使用时，这可能是有用的。盐材料层140可设置在高表面能区域3上。
在一些实施方案中，可将包含吸湿材料的层130施加到感测元件10或感测元件10的表面处理层120，然后使其干燥。在一些这样的实施方案中，盐材料层140可设置在感测元件10的高表面能区域3内的吸湿材料层130上或与吸湿材料层一起设置。盐材料140可与吸湿材料层130混合以形成复合吸湿材料和盐层130、140。
在一些实施方案中，吸湿材料层130设置在感测元件10上并且与层11、120以及电极对结构2中的至少一者接触。图5B是上述图5A的方法的流程图，其中添加了吸湿材料层130。然后在步骤260处，用吸湿材料溶液(例如，吸湿材料溶液可为在水中0.1重量％的山梨醇)处理图5A的具有表面处理层120的感测元件10，并且在步骤261处，将其加热至110摄氏度。该例示性吸湿材料层130可主要存在于非导电表面11的在电极对结构2之间或在至少一对电极A、B之间或在间隙12内或在表面处理层120上的表面上。例示性表面处理层130可限定高表面能区域3。
在一些实施方案中，添加吸湿材料层130可用于改变施加有该吸湿材料层的感测元件10表面的吸湿特性，并且可限定感测元件10上的高表面能区域3。当用在基于电阻抗变化而起作用的感测元件10的表面上时，一些吸湿材料具有改变吸湿特性而不在溶液中提供流动离子的特性。另外，一些吸湿材料具有另一个有利特性，即低蒸气压力。多元醇的吸湿特性是由于它们的水分活度，其受分子中大量羟基存在的影响。多种多元醇糖醇的水分活度热力学描述于Compernolle,S.和Muller,J.-F.,Atmos.Chem.Phys.(第14卷，第12815至12837页(2014年))中。例如，示出山梨醇在大于40％的相对湿度下形成热力学稳定的水-山梨醇混合物。当感测元件10将基于颗粒在液体中的电离作用而改性时，该特性可为有利的。吸湿材料诸如糖醇存在于感测元件10上或存在于非导电表面11的在电极对结构2之间或至少一对电极A、B之间或间隙12内或表面处理层120上的表面上可使得能够在更广范围的潮湿环境中使用。
在某些实施方案中，吸湿材料层130包含具有多个羟基的化合物。例如，吸湿材料层130可由购自美国密苏里州的西格玛-奥德里奇公司(Sigma-Aldrich,MO,USA)的聚乙二醇构成。在其它合适的示例中，多元醇层可包含至少一种糖醇。合适的糖醇的一些示例包括甘油、赤藓醇、阿拉伯糖醇、木糖醇、核糖醇、甘露糖醇、山梨醇、半乳糖醇、蒜糖醇、艾杜糖醇、麦芽糖醇、异麦芽糖醇、乳糖醇、己六醇和塔罗糖醇，它们均购自美国密苏里州的西格玛-奥德里奇公司(Sigma-Aldrich,MO,USA)。在其它合适的示例中，多元醇层130可包含糖类化合物。合适的糖类的一些示例包括购自美国密苏里州的西格玛-奥德里奇公司(Sigma-Aldrich,MO,USA)的葡萄糖、果糖、半乳糖、蔗糖、乳糖、纤维素和淀粉。
表面处理层120或硅烷表面处理层120的厚度可以是任何可用厚度。在许多实施方案中，表面处理层120或硅烷表面处理层120的厚度小于50纳米，或从1纳米至50纳米。
当存在时，吸湿材料层130的厚度可为任何可用厚度。在一些实施方案中，吸湿材料层130的厚度可为0.1微米至10微米厚。大于10微米或小于0.1微米的厚度也可为可用的。吸湿材料层130的厚度可影响吸水的总量以及吸收的动力学。通过改变厚度，这可通过改变涂覆量来实现，可针对给定环境改善感测元件响应。吸湿层厚度的影响的示例在图13A至13D中示出。
感测元件10可省略上述层中的一个或多个，并且所述层可根据需要被配置为具有一定范围的涂覆重量和厚度组合。当与基于电阻抗变化而起作用的感测元件10一起使用时，硅烷表面处理层120具有改变表面特性而不在溶液中提供大量流动离子的特性。在一些实施方案中，添加吸湿材料层130可用于改变感测元件10的吸湿特性并且有助于限定感测元件10上的高表面能区域3。当与基于电阻抗变化而起作用的感测元件10一起使用时，吸湿材料层130可具有改变表面特性而不在溶液中提供大量流动离子的特性。
图4A为具有两个电极对结构2、4或两对电极A、B和C、D的另一个例示性感测元件10的顶视图、前视图和侧视图的示意图。
感测元件10被配置为与所关注的环境相互作用。感测元件10包括具有非导电表面11的基板1、两个高表面能区域3，以及设置在非导电表面11上的两个电极对结构2、4。每个电极对结构2、4包括两者间具有间隙12AB和12CD的至少一对电极A、B和C、D。每个电极对结构2、4的至少一部分位于对应的高表面能区域3内。如图所示，高表面能区域3可为不连续的，使得低表面能区域6将对应于每个电极对A、B和C、D的高表面能区域3分离。感测元件10被配置为感测流体可溶或流体可电离的颗粒物。导电区域5可将电极对结构2、4与感测电子器件电连接。该电极构型可被称为包括四个电极A、B、C和D，其中形成两对电极A-B和C-D。
低表面能区域6可有助于保持两个高表面能区域3中的每个中的液体彼此分开。高表面能区域3的周边之外的区域可具有比高表面能区域3的周边内的表面能更低的表面能。因此，液体蒸气或水蒸气可选择性地冷凝并形成保持在高表面能区域3的周边内的液体层或液体体积。
水蒸气可通过在诸如过滤式面罩呼吸器(FFR)或弹性体呼吸器之类的呼吸器内部的人呼吸而产生。该水蒸气可冷凝到感测元件的高表面能区域3上。在一个示例中，盐气溶胶颗粒诸如氯化钠可与该冷凝水蒸气接触，使得盐颗粒溶解并改变电极对A、B和C、D中的至少一者的电特性(例如，阻抗)。空间上分离的表面处理使得能够通过防止电极对结构2和4之间的分子迁移来清楚地分离信号。
在一些实施方案中，围绕电极对结构2、4中的至少一个的区域的至少一部分可具有预设置在电极对结构2、4上或在两者间的间隙12AB、12CD内的颗粒材料或盐材料(如图3所示)。例如，氯化钠可预设置在围绕电极对结构2或4或在间隙12AB或12CD内的表面上，以产生与预设置的氯化钠的量相关的电阻抗。这可称为参考电极。可将已知量的固体材料(例如，氯化钠)设置或提供在一个高表面能区域3的周边内。一旦水蒸气冷凝在该高表面能区域3上，已知量的固体材料(例如，氯化钠)就溶解，并且可提供参考电特性或参考电极(电极对结构2或4)，在测试或感测操作期间可将感测电极(2或4中的剩余电极)与之进行比较。
图4B是另一个例示性感测元件10的顶视图、前视图和侧视图的示意图。
感测元件10被配置为与所关注的环境相互作用。感测元件10包括具有非导电表面11的基板1、两个高表面能区域3，以及设置在非导电表面11上的两个电极对结构2、4。每个电极对结构2、4包括一个电极而且共享公共电极C，并且在两者间具有间隙12AC、12BC。每个电极对结构2、4的至少一部分位于对应的高表面能区域3内。感测元件10被配置为感测流体可溶性颗粒物。低表面能区域6可分离两个高表面能区域3。导电区域5可将电极对结构2、4与感测电子器件电连接。电极构型可被称为包括三个电极A、B和C，其中形成两个电极对A-C和B-C，并且其中电极C对于这两个电极对是公用的。
感测元件可被配置为通过与一个或多个电子元件的物理接近而电耦合到一个或多个附加电子元件或与其去耦合。在一些实施方案中，例如，导电区域5可被配置用于与连接器中的电子元件进行物理接触。在一些实施方案中，例如，导电区域5可被配置为经由时变电磁场与另一电子元件电耦合而无需物理接触。
图6是图4A的感测元件10的剖视示意图，其示出了设置在电极对结构2、4上的流体9。感测元件10包括具有非导电表面11的基板1、两个高表面能区域3，以及设置在非导电表面11上的两个电极对结构2、4。每个电极对结构2、4包括两者间具有间隙12AB和12CD的至少一对电极A、B和C、D。每个电极对结构2、4的至少一部分位于对应的高表面能区域3内。感测元件10被配置为感测流体可溶性颗粒物。低表面能区域6可分离两个高表面能区域3。高表面能区域3的构型使得能够将水或液体蒸气选择性地冷凝到这些高表面能区域3上以形成液体气泡，或液体层或液体体积9。
在具有多个电极对A、B和C、D的实施方案中，具有不同表面能的区域可被配置为使得流体9，如在图6的示例所示出，优先润湿围绕电极对A、B或C、D中的至少一对的高表面能区域3，但流体9不与另一电极对A、B或C、D流体接触。在图6中示出了与不同电极对接触的流体的优先分离，其中流体9优先润湿邻近两个电极对2和4的区域，但由于低表面能区域6，不在电极对A、B和C、D之间形成流体桥。液体或水9对润湿区域6具有较低亲和力，从而产生彼此不流体连通的多个不同的流体区域9。
图7是具有过滤元件7的例示性感测元件10的剖视示意图。图8是图7的感测元件的剖视示意图，其示出了设置在电极对结构2、4上的流体9。
过滤元件7可被配置为使得其防止来自环境的至少一些颗粒或组分接触至少一个电极对C、D。在一些实施方案中，颗粒过滤器7可为非织造过滤元件。在一些实施方案中，将支架材料8设置在非导电表面11上，使得材料8围绕电极对结构4的至少一部分，并且将过滤器材料7设置在支架材料8上，使得过滤器材料7被配置为不物理接触电极对C、D。
例如，支架材料8的一个合适的示例是以商品名“3M聚氨酯泡沫带材4056”从美国明尼苏达州的3M公司(3M Co.,MN,USA)商购获得的粘合剂泡沫。支架材料8或泡沫可具有小于1000ppm的离子含量，使得冷凝流体引起的离子引出最小化。支架材料8还可以具有固有特性以向液体层添加或移除化学成分。例如，支架材料8可以是用于从液体层移除一些水的干燥剂。例如，该构型可产生参考电极对C、D，其可与能够穿过过滤材料7的环境中的气体化合物相互作用。然而，至少一些颗粒被过滤材料7截留并且防止其与参考电极对C、D相互作用。
过滤元件7可提供与电极对结构4或电极对C、D和周围环境的唯一气流连通，但不提供与电极和周围环境的颗粒连通。因此，电极对结构4可操作为实时参考电极，其可除去来自例如感测电极对结构2或电极对A、B(未被过滤元件7保护)的感测信号的环境影响。在其它实施方案中，可将固定量的所关注的固体材料诸如盐140(参见图3)或氯化钠设置在参考电极对结构4或电极对C、D上并且由过滤元件7所容纳。该构型可以提供参考电极对或电极对结构4或电极对C、D，其具有对感测电子器件的设定信号以用于与感测电极对或结构2或电极对A、B(未被过滤元件7保护)进行比较。
图9是另一个例示性感测元件10的顶视图的示意图。感测元件10包括具有非导电表面11的基板1、两个高表面能区域3，以及设置在非导电表面11上的两个电极对结构2、4。每个电极对结构2、4包括两者间具有间隙12AB和12CD的至少一对电极A、B和C、D。每个电极对结构2、4的至少一部分位于对应的高表面能区域3内。感测元件10被配置为感测流体可溶性颗粒物。低表面能区域6可分离两个高表面能区域3。这里，一个电极对A、B位于另一个电极对C、D之间。内部电极对C、D被示出为直线形、平行且共延伸的，然而，内部电极对C、D可如上所述交叉。
图10是另一个例示性感测元件10的顶视图的示意图。感测元件10包括具有非导电表面11的基板1、一个高表面能区域3，以及设置在非导电表面11上的一个电极对结构2。电极对结构2包括在两者间具有间隙12的至少一对电极A、B。每个电极对结构2的至少一部分位于高表面能区域3内。感测元件10被配置为感测流体可溶性颗粒物。低表面能区域6可围绕或界定高表面能区域3。电极对A、B被示出为直线形、平行且共延伸的，然而，电极对A、B可如上所述交叉。一个或多个穿孔、孔穴或开孔15延伸穿过基板1。穿孔、孔穴或开孔15可通过感测元件10提供气流连通，并且可改善颗粒与感测元件10接触或改善电极对A、B附近的流体的流体动力学。
保护性膜或可移除衬垫(未示出)可以为可移除地附着到感测元件10，以在感测元件10和电极对结构2、4的传输和安装期间提供保护。如下所述，感测元件10被插入传感器中，可将该传感器施加到呼吸器或个人防护装置或元件。
现在参考图19至图21，在一些实施方案中，电桥306设置在感测元件10的表面上。电桥306被配置为修改电路100中的导电路径。在示例性实施方案中，在将感测元件10插入插头105中时，电桥306将电子仪表100的电源电路从开路改变为闭路，或从高阻电路改变为低阻电路，从而允许增加的电流流向电路元件或向电路元件提供电压。在另一个示例中，电桥306接通到电路100上的稳压器的电路。在另一个示例中，电桥306修改到启用高功率状态的控制器的输入。例如，插入具有电桥306的感测元件10可以致使电子传感器从具有平均功耗X(例如，X<100微瓦)的低功率状态改变为功耗大于A的十倍(例如，Y>10X＝1毫瓦)的高功率状态Y。此特征可以用作节省电池电量的装置，因为该特征将电路配置为仅在感测元件10插入传感器320时消耗功率。应当理解，根据应用，可以使感测元件10通过前述特征的任何组合或省略来起作用。
现在参考图32，在一些实施方案中，感测元件10可以包括与一对或多对触点321、322电连通的一个或多个加热元件321a、322a。加热元件321a、322a可以与一个或多个电极对301a、302a在相同平面中，或者可以在不同平面中。例如，一个或多个加热元件321a、322a可以在感测元件10的相对侧上。在一些实施方案中，一个或多个加热元件321a、322a可以被电绝缘层覆盖，使得防止加热元件与任何冷凝流体形成电连通。例如，加热元件321a、322a可以被配置为增加感测元件10的检测表面(未示出)的温度以便增加在感测元件10上冷凝的流体的蒸气压力。在一些实施方案中，电桥306可以与一个或多个加热元件在相同平面中。
图15是例示性呼吸器传感器系统300的示意图。系统300包括呼吸器310、具有感测元件(如本文所述)的传感器320以及被配置为与传感器320无线通信的读取器330。传感器320基本上定位在呼吸器的内部气体空间内，或基本上安装在呼吸器310的外部表面上。
呼吸器传感器系统300可被配置为检测呼吸器310的内部气体空间内未过滤空气的存在。
如上所述，感测元件被配置为当液体层设置在感测元件的表面的至少一部分上的间隙中时感测流体可溶性颗粒物。流体可电离的颗粒在该液体层中能够至少部分地溶解并能够至少部分地电离，导致至少两个电极之间的电特性的变化。
水蒸气可由呼吸器内部的人呼吸产生，并冷凝到感测元件的高表面能区域上形成液体层。在一个示例中，盐气溶胶颗粒诸如氯化钠可与该冷凝水蒸气接触，使得盐颗粒溶解并且改变至少一个电极对的电特性(例如，阻抗)。电特性的这种变化可由传感器320感测并且无线传送至远程读取器330。流体可电离颗粒物向感测元件的传输可受到人的呼吸的影响。在一些实施方案中，可以通过使用气体移动元件将流体可电离颗粒物传输到感测元件。在一些实施方案中，气体移动元件是风扇或泵。
如上所述，感测元件为流体可电离的检测元件，其可被配置为使得冷凝蒸气不在感测元件的表面上均匀地冷凝。流体可电离检测元件可被进一步配置为使得与至少一个电极接触的冷凝蒸气不与至少一个其它电极形成连续凝相。
呼吸器310可为任何个人防护呼吸器制品，例如，诸如过滤面罩呼吸器或弹性体呼吸器。传感器320可包括电源、通信接口、感测电子器件和天线。传感器320的电源可为电池、可再充电电池或能量采集器。
感测元件可被配置为可替换的并且能够与传感器320机械分离。感测元件可与传感器320可移除地连通。感测元件可与传感器320无线通信。通过用新产的或新的感测元件替换使用过或失效的感测元件，可将传感器320重复使用。
传感器320可固定到、或附着到、或连接到呼吸器310或个人防护装置或元件的内部表面。一旦使用者佩戴呼吸器310或个人防护装置或元件，内部表面就可限定呼吸器的内部气体空间。内部气体空间与佩戴呼吸器310或个人防护装置或元件的使用者的呼吸气流连通。在一些实施方案中，传感器320可为可移除地定位或附接在内部气体空间内。在一些实施方案中，传感器320可为可移除地定位或附接到呼吸器310的内部表面。在一些实施方案中，传感器320可为可移除地定位或附接到呼吸器310的外部表面。例如，传感器320可通过任何可用的附接系统诸如粘合剂、钩和环、摩擦贴合连接器或抽吸来固定到、或附着到或连接到呼吸器310的内部表面或外部表面。例如，传感器320可以通过呼吸器中的端口(未示出)附接到呼吸器的外部表面，该端口在呼吸器的内部气体空间和外部气体空间之间形成流体通道。例如，可以通过将传感器320按压到端口上来将传感器320联接到这种端口，即摩擦贴合连接。
传感器320的尺寸和重量被选择成使得传感器不干扰佩戴者对呼吸器310的使用。传感器320的尺寸和传感器320的重量被选择成使得传感器320不改变呼吸器310与佩戴者的贴合。传感器320的重量可在0.1克至225克、优选地小于10克、或1克至10克的范围内。如果呼吸器足够紧，则重量为225克的传感器可不改变呼吸器的贴合性，但优选较低的重量以便减少呼吸器的重量。传感器320可具有0.1至50cm3、优选地小于10cm3、或1至10cm3范围内的体积。
现在参考图18，所示的传感器320包括电路100(其包括多个电触点104)和气体移动元件200。电路100被配置为测量至少一对电触点104之间的至少一个电特性(例如，阻抗)。传感器320被配置为将感测元件10接纳到插头105中，如图19所示，其中插头包含电触点104。在一些实施方案中，气体移动元件200是风扇，诸如轴流式风扇或离心式(即，鼓风机)风扇。风扇的一些合适示例是可从Sunonwealth Electric Machine Industry Co.,Ltd商购获得的Mighty Mini系列，其尺寸范围为9mm×9mm×3mm至30mm×30mm×3mm。在其它实施方案中，气体移动元件200是泵(诸如压电泵)。
在一些实施方案中，感测元件10被配置为能够与传感器320的其它元件机械分离。如果感测元件10被配置为一次性或可互换的，则此特征是有用的。在一些实施方案中，读取器330包括插头105，该插头包含感测元件10可插入其中的电触点，其中感测元件10和插头105的机械贴合会导致感测元件10和电触点104之间的电连接，从而在感测元件10和电路100之间建立电连接。
在一些实施方案中，将感测元件10包含在气体传输结构400内是有利的，其中气体传输由气体移动元件200驱动，如图22所示。气体传输结构400用于以受控方式将预定气体流量引导到检测表面301a和任选的附加检测表面。在一些实施方案中，排气通道405与气体移动元件200的排气流出对准，使得气体可以从气体传输结构400中排出。在该实施方案中，感测元件10布置在气体移动元件200的上游。在更进一步上游，布置了一个或多个进气通道401、402，使得气体可以通过进气通道进入，被引导朝向感测元件10的检测表面301a，并且然后通过排气通道405排出。在一些实施方案中，感测元件10的检测表面301a基本上垂直于预定气体流定位。一个或多个进气通道401、402，感测元件10和气体移动元件200的这种布置可以导致传感器响应时间和另选布置对气溶胶浓度变化的敏感性的改善，这是由于这些元件的组合将样本移动到感测元件10的检测表面301a的快速且受控的方式。例如，当用作呼吸器贴合测试的一部分时，这种布置可以导致在贴合测试期间的特定时刻快速检测呼吸器贴合变化。这可以使得能够更精确地识别导致佩戴者的呼吸器贴合变化的特定动作。
在一些实施方案中，在传感器320被配置为检测气溶胶的情况下，气体传输结构400被构造为气溶胶撞击器，其中感测元件10用作撞击器板。撞击器的实质是，撞击器优先仅将大于给定尺寸的颗粒收集在撞击器板上。因此，在该示例中，元件400和10的组合导致将大于给定尺寸(诸如1微米直径或2.5微米直径或10微米直径)的颗粒优先收集到感测元件10上。图23示出了气体传输结构400的合适内部结构的一个示例，其中一个示例性感测元件10处于插入状态。为了清楚起见，在该图中未示出气体移动元件200，但其应当被假定为如前所述的那样放置在—气体传输结构400内，排气通道405和感测元件10之间。在图23中，排气通道405被构造用于轴流式风扇，然而在图22中，排气通道405被构造用于离心式风扇。尽管排气通道在系统上赋予了不同的特性，但应当理解，可以使任一种构型都是合适的。
在一些实施方案中，气体传输结构400包含多个通道以便在进气通道和排气通道之间接纳多个感测元件。这也需要包括每个元件可插入其中的多个插头105。在该实施方案中，经过一个传感器条的空气随后经过第二传感器条。这种方法模仿了级联撞击器的设计，由此后续级连续收集较小颗粒。
在一些实施方案中，电路100和气体移动元件200由电源(诸如电池106)供电，该电源是传感器320的一部分，如图24所示。在一些实施方案中，电源106是被配置为被替换的一次电池。在一些实施方案中，电源106是可再充电电池。例如，具有40毫安小时容量的3.7V锂离子电池可以向2.5V和30mA的风扇，加上仪表电子设备供电，持续大于一小时的连续运行时间在本公开中是有用的。本领域技术人员将认识到，对于需要不同的运行时间或功率要求的应用，可以使用不同尺寸的电池。较小的电池具有较小尺寸和较低质量的益处。可再充电电池需要对电池充电的装置。在一些实施方案中，插头107可以被配置为接收充电电缆(诸如微型USB电缆)以对电池充电。在一些实施方案中，电路100可以包括感应充电结构，使得可以对电池进行无线充电。感应充电结构减小了必须保持可通向电路的开口的数量，由此减小将环境污染物引入电路的风险。
在一些实施方案中，当前公开的传感器320包括：具有被配置为接收感测元件10的开口的壳体410；可操作地连接到壳体410的电路100，其中电路100被配置为检测至少一对电极的电阻抗的至少一个特性；与电路100电连通的至少一个气体移动元件200；以及与电路100通信的读取器330，其中读取器330被配置为将有关壳体410外部的气体体积的信息与有关壳体410内部的气体体积的信息进行比较。在一些实施方案中，壳体410被配置为使得电路100和先前描述的气体传输结构400被包含在壳体410内，如图25所示。在一些实施方案中，气体传输结构400能够与壳体410机械分离。在一些实施方案中，感测元件10具有特定的3d形状，诸如矩形、立方体、圆柱体、不规则的3d形状等。壳体410可以包括用于接收感测元件10的开口，其中开口的形状与感测元件10的形状互补。例如，开口可以是矩形形状。这导致了，当感测元件10插入开口时，基本上没有通过该开口的流体连通，在该开口中传感元件插入到容纳在壳体410内的气体和壳体410外的气体之间。
在一些实施方案中，电路100附连到壳体410。例如，在一些情况下，电路100附连到壳体410的至少一个内壁。
在一些实施方案中，有利的是使感测元件10包括如图26所示的突片305，该突片可以用于辅助从传感器320移除感测元件10(对于移除和插入的示例，参间图27和图28)。在一些实施方案中，系统可以包括感测元件弹出器机构以辅助从壳体410移除感测元件10。
在一些实施方案中，一个或多个气体通道404可以设置在壳体410的表面上，如图28所示，使得气体可以在穿过进气通道401、402之前进入气体通道404。在一些实施方案中，壳体410可以由若干件组成，使得可以将件411移除以接近内部部件，如图29所示。
在一些实施方案中，传输控制结构407设置在排气通道405的附近，如图30所示，使得气体在排气通道405与周围介质之间移动时必须穿过传输控制结构407。通过控制分析物从周围介质到排气通道405中并且然后到传感器壳体中的回流，传输控制结构可以提供益处。在一些实施方案中，传输控制结构407是颗粒过滤器。颗粒过滤器可以提供防止颗粒通过排气通道405进入系统的益处。在一些实施方案中，传输控制结构407是气体过滤器。气体过滤器可以提供防止某些气体分子通过排气通道405进入系统的益处。在另一个实施方案中，气体控制结构407是阀，使得允许气体从排气通道405传递到周围介质，但被阻止沿另一个方向流动。
在一些实施方案中，当前公开的传感器320包括加热元件和相关电气部件以便任选地向壳体410中的一个或多个位置提供热量。例如，当感测元件插入到壳体410中时，加热元件可以被设置成紧邻由感测元件10占据的位置。例如，加热元件可以被配置为增加感测元件10的检测表面的温度以便增加在感测元件上冷凝的流体的蒸气压力。例如，加热元件可以促进冷凝水从电阻抗感测元件或光学感测元件的表面蒸发。
传感器320包括使得能够在无需物理连接到将装置扩展到超越特定尺寸(诸如20cm3)的元件的情况下进行传感器320的实际操作的元件，包括：电源电路，其中电力可以由传感器本身中的元件(诸如电池)提供，或由无线装置(诸如感应电源)提供；与电触点104电连通的电特性分析电路和微控制器，两者均与电源电路通信；与电源电路电连通的空气移动元件；以及数据传输结构。数据传输结构可以是无线通信电路，诸如射频、近场耦合、WiFi或蓝牙。在一些实施方案中，数据传输结构可以是数据存储器存储结构。在一些实施方案中，数据传输结构可以是视觉、听觉或触觉指示器，诸如发光二极管、听觉警报或振动警报。
在一些应用中使用传感器可以使得能够改善呼吸器内的气体和/或气溶胶颗粒的检测的精度、准确性、灵敏度和响应时间。在图31A至图31D中示出了与钠火焰光度计相比，当基本上安装在呼吸器的内部气体空间内时的此处所述类型的传感器的氯化钠气溶胶检测数据的示例。钠火焰光度计是用于通过使气溶胶样品流过氢火焰并测量光发射来测量含钠气溶胶的装置。在这些示例中，同时收集数据，其中传感器被完全放置在呼吸器的呼吸空间内，并且钠火焰光度计通过在呼吸器中建立的端口进行采样。在图33A至图33D中示出了与钠火焰光度计相比，当安装在呼吸器的外部表面上时的此处所述类型的传感器的氯化钠气溶胶检测数据的示例。在这些示例中，同时收集数据，其中传感器经由连接到呼吸器上的端口安装在呼吸器的外部表面上，并且钠火焰光度计通过在呼吸器中建立的端口进行采样。
在一些实施方案中，传感器320可与远程读取器330无线通信。传感器320可将关于感测元件的电特性的变化的数据无线传送至读取器330。在一些实施方案中，读取器330和传感器320之间的通信是经由电磁通信，诸如经由磁场、或近场通信、或蓝牙低功耗、或光学照明和检测、WiFi、Zigbee等进行的。在一些实施方案中，传感器320可以经由与读取器330的有线连接来进行通信，诸如与读取器330在相同电路上。
传感器320和读取器330就内部气体空间内的气体或气溶胶的一种或多种成分彼此通信。传感器320和读取器330就与内部气体空间内的气体相关的物理特性，诸如温度、压力、湿度等彼此通信。传感器320和读取器330可以就用于评估呼吸器的佩戴者所进行的锻炼的表现的参数(诸如呼吸力和/或身体运动)彼此通信。例如，传感器320可以包括力传感器(诸如加速度计)，当传感器安装在佩戴者所佩戴的呼吸器内或佩戴者所佩戴的呼吸器上时，这些力传感器提供与佩戴者头部的运动相关的信号。例如，传感器320可以包括提供与佩戴者呼吸力相关的信号的传感器，诸如温度传感器、湿度传感器、空气流量传感器、压力传感器等。例如，在本公开中有用的锻炼包括由美国职业安全与健康管理局在30CFR1910.134附录A中规定的锻炼。在图34中示出了来自这些锻炼的传感器信号的示例。
读取器330可包括电源、通信接口、控制电子器件和天线。读取器330可经由互联网340与远程装置350无线通信，如图15所示。读取器330可经由无线连接与互联网340通信。读取器330可经由直接有线通信与互联网340通信。远程装置350可包括存储器、数据存储、控制软件或至少一个处理器中的任一者来直接或经由互联网340接收和利用由读取器330提供的数据或信息。
呼吸器传感器系统300可用于检测气体介质中的流体可电离颗粒。该方法包括使气体介质与流体可电离颗粒物感测元件接触，以及使气体介质的组分在流体可电离颗粒物感测元件的至少一部分上冷凝；以及确定流体可电离颗粒物检测元件的一对电极之间在第一时间点的电特性；以及确定流体可电离颗粒物检测元件的一对电极之间在第二时间点的电特性；以及至少部分地通过将第一时间点的电特性的值与第二时间点的电特性的值进行比较来确定与气体介质中流体可电离颗粒的存在相关的值。
呼吸器传感器系统300可用于检测气体介质中的流体可电离颗粒。该方法包括使气体介质与流体可电离颗粒物感测元件接触，以及使气体介质的组分在流体可电离颗粒物感测元件的至少一部分上冷凝；以及确定在流体可电离颗粒物检测元件的一对电极之间在第一频率诸如1Hz下的电特性；以及确定在流体可电离颗粒物检测元件的一对电极之间在第二频率诸如100kHz下的电特性；以及至少部分地通过将第一频率下的电特性的值与第二频率下的电特性的值进行比较来确定与气体介质中流体可电离颗粒的存在相关的值。频率可包括DC。
呼吸器传感器系统300可包括附加计算系统或远程装置350，其中数据在呼吸器传感器系统300和附加计算系统或远程装置350之间传送。在一些实施方案中，附加计算系统是云计算架构。读取器330与附加计算系统或远程装置350之间的通信可经由有线连接或经由无线互联网网络进行。附加计算系统或远程装置350可记录由读取器330发送的数据。附加计算系统或远程装置350可处理由读取器330发送的数据，并将信息传送回读取器330。
呼吸器传感器系统300可用于检测气体介质中的流体可电离颗粒。该方法包括使气体介质与流体可电离颗粒物感测元件接触，以及使气体介质的组分在流体可电离颗粒物感测元件的至少一部分上冷凝；以及确定流体可电离颗粒物检测元件的第一对电极之间的电特性；以及确定流体可电离颗粒物检测元件的第二对电极之间的电特性；以及至少部分地通过将第一对电极的电特性的值与第二对电极的电特性的值进行比较来确定与气体介质中流体可电离颗粒的存在相关的值。
该方法可包括用作参考电极的第二对电极。参考电极可为分析物参考电极。参考电极可与气体介质的目标组分隔离。例如，气体介质的目标组分可为流体可电离颗粒，诸如盐。呼吸器传感器系统300可用于提供关于呼吸器贴合质量的实时反馈。呼吸器传感器系统300可用于提供贴合测试方法。贴合测试方法包括提供呼吸器310，然后提供传感器320，该传感器包括基本上可移除地定位在呼吸器的内部气体空间内的感测元件，然后提供被配置为与该传感器320无线通信的读取器330；以及当传感器320基本上定位在呼吸器的内部气体空间内时，将该呼吸器310定位在使用者的口部和鼻部上；以及基于来自传感器320的信息观察从读取器330传送的呼吸器贴合评估数据。
在一些实施方案中，如图16A所示的贴合测试方法包括以下步骤：提供由佩戴者2000佩戴的呼吸器1000；提供具有已知气溶胶输出参数5000的气溶胶发生器3000；提供围绕佩戴者头部2001进行物理支撑的外壳4000，其中气溶胶发生器3000输送具有已知气溶胶参数5000的气溶胶，该气溶胶参数至少部分包含在围绕佩戴者头部2001的外壳4000内并且外壳4000至少部分地包含围绕佩戴者头部2001的气溶胶5000；提供包括可操作地连接到呼吸器1000的感测元件的传感器6000，其中传感器6000被配置为监测呼吸器1000内的颗粒物浓度参数；提供被配置为与传感器6000通信的读取器，其中读取器被配置为基于颗粒物浓度参数与已知气溶胶输出参数5000的比较来提供呼吸器贴合参数。在一些实施方案中，在该方法中使用的外壳是任选的，如图16B所示。
在一些实施方案中，传感器6000基本上安装在呼吸器1000的外部表面上。在一些实施方案中，选择传感器6000的尺寸和传感器6000的重量，使得传感器6000不会干扰佩戴者使用呼吸器1000。在一些实施方案中，传感器6000的尺寸和传感器6000的重量被选择成使得传感器6000不改变呼吸器1000与佩戴者2000的贴合。
在一些实施方案中，读取器整体连接到传感器6000。在一些实施方案中，读取器使用电磁通信来与传感器6000进行通信，诸如经由磁场、或近场通信、或蓝牙低功耗、或光学照明和检测、WiFi、Zigbee等进行的。
在一些实施方案中，该方法是一种改善，因为该方法基于泄漏到呼吸器1000中的气体、气溶胶或颗粒的电子测量值提供呼吸器贴合测试或评估，同时仅需要一个测量位置(即在呼吸器内部)。对于每个呼吸器贴合测试或评估，这种类型的现有方法需要对呼吸器内部的气体、气溶胶或颗粒物，以及呼吸器外部的气体、气溶胶或颗粒物两者的测量。只需要一个测量位置减小了测试的成本和复杂性。仅通过对呼吸器1000内部的气体、气溶胶或颗粒物进行测量来进行贴合评估的能力使得能够使用相对便携式的贴合测试系统，包括具有已知输出的气溶胶发生器。这两个元件结合以创建一种系统，其中可以在贴合测试期间可靠地使围绕呼吸器的气溶胶浓度落在预定义范围内。因为该范围是预定义的，所以在测试过程中无需对其进行测量，并且可以通过仅测量在测试期间泄漏到呼吸器中的颗粒，以及将这些颗粒的测量值与呼吸器外部的已知预定义颗粒物浓度范围进行比较来进行贴合评估。
在另一个实施方案中，如图17所示的贴合测试方法包括以下步骤：提供由佩戴者2000佩戴的呼吸器1000；提供包括感测元件的传感器6000，其中传感器6000基本上附接在呼吸器1000的内部以使得呼吸器1000基本上支撑传感器6000的重量，并且其中传感器6000被配置为监测呼吸器8000内的颗粒物浓度参数；提供传感器6100，该传感器基本上安装在呼吸器1000的外部表面上并且被配置为监测呼吸器8100外部的颗粒物浓度参数；提供被配置为与传感器6000和6100通信的读取器，其中读取器被配置为基于呼吸器8000内的颗粒物浓度与呼吸器8100外部的颗粒物浓度参数的比较来提供呼吸器贴合参数。在一些实施方案中，还考虑图16A，该方法还利用了围绕佩戴者头部2001进行物理支撑的外壳4000，其中气溶胶发生器3000提供已知气溶胶参数5000，该气溶胶参数至少部分包含在围绕佩戴者头部2001的外壳4000内，并且外壳4000至少部分地包含围绕佩戴者头部2001的气溶胶5000。
此方法是一种改善，因为该方法使用传感器来监测呼吸器中泄漏的颗粒，该传感器直接安装到呼吸器。常规技术要求将长管附接到呼吸器，这提供到安装在与呼吸器分开的位置(例如，桌面或皮带安装架)处的传感器的流体路径。该要求是因为所使用的传感器太大且太重以致于不能直接安装到呼吸器而基本上不会影响呼吸器的贴合。可用于本公开的传感器是足够小的(例如小于20cm3的体积以及例如小于25克的重量)，使得传感器可以直接安装到呼吸器上而不会影响呼吸器的贴合性，或者以其它方式导致佩戴者不适。
呼吸器传感器系统300可以用于评估呼吸器310的贴合性。该方法包括：1)测试对象佩戴呼吸器，传感器320已经在呼吸器的内部气体空间内附接到该呼吸机或附接到呼吸器310的外表面。2)测试对象进入将盐颗粒注入其中的容纳体积。容纳体积可以是在测试对象头部上贴合的头罩，或者容纳体积也可以是对象进入的腔室，或者可包含测试对象和盐气溶胶气氛的任何结构。盐颗粒可以通过例如浓度为5重量％的包含盐(诸如氯化钠)的水溶液的喷雾雾化来产生。3)测试对象执行各种锻炼，诸如美国职业安全与健康管理局在30CFR 1910.134附录A接受的贴合测试方法中描述的那些。4)在整个测试过程中，传感器320可以连续地将有关感测元件和参考电极的电阻、电容或其它AC阻抗特性的数据传输到读取器330。5)读取器330或其它计算装置350内包含的软件评价数据以评估呼吸器在测试对象上的贴合。
在任何前述方法中，气溶胶输出参数由颗粒物浓度限定并且有时附加地由颗粒的平均大小(例如，在0.5到2.5微米之间的计数中值直径以及小于2.5的几何标准偏差)限定。在任何前述方法中，在一些实施方案中，颗粒物浓度参数是溶解在传感器表面上的流体中的颗粒的质量的测量值。在一些实施方案中，颗粒物浓度参数是使用例如光学传感器、电荷计数机构等的呼吸器内的颗粒计数的测量值。
在任何前述方法中，术语“围绕佩戴者头部进行支撑”包括，外壳由佩戴者的头部和/或肩膀支撑，例如由允许外壳可操作地连接到佩戴者的头部和/或肩膀的支撑件。在一些实施方案中，呼吸器贴合参数是呼吸器在佩戴者面部上的贴合程度的指示。在一些实施方案中，呼吸器贴合参数被限定为进入呼吸器的空气(作为已过滤空气)相对于未过滤空气的百分比体积。例如，在一些实施方案中，呼吸器贴合参数被限定为在一段时间内呼吸器外部的平均颗粒物浓度除以呼吸器内部的平均颗粒物浓度的比率。呼吸器贴合参数可以被限定为在不同时间段期间测量的多个呼吸器贴合参数的平均值，诸如算术平均值、几何平均值或谐波平均值。例如，可能期望呼吸器贴合参数大于40、或大于100或大于500。
在任何前述实施方案中，读取器330可以是传感器320和电路100的集成部分，使得以下功能中的任一个可以由传感器执行而无需与任何其它装置进行通信：数据处理、值的比较、数据存储、通信、警报、值的指示、呼吸器贴合评估的指示、以及本文所述的读取器的任何其它有用功能。
呼吸器传感器系统300可与计算机视觉工具或相机一起使用以确保呼吸器贴合性的一致质量。该方法包括：1)使呼吸器的佩戴者站在相机前，这时进行呼吸器贴合测试。使用配备有本文所述无线气溶胶传感器的所选呼吸器模型进行贴合测试。2)当工作人员调整呼吸器以贴合他/她的面部时，传感器实时测量气溶胶到呼吸器中的渗漏。3)一旦所测量的气溶胶渗漏降至低于确保适当贴合的可接受阈值，无线传感器就自动地向相机发出信号，以捕获处在工作人员面部上的正确贴合位置的呼吸器的图像。4)分析并保存所捕获的图像，以便将来每当工作人员佩戴呼吸器时用作参考，从而确保在工作人员面部上的一致的呼吸器贴合位置。可在测试期间的任何时间点诸如在测试开始之前捕获图像，随后将该图像联系到由无线气溶胶传感器系统确定的贴合值。
术语“贴合位置”描述呼吸器在使用者面部上的构型、位置和取向。贴合位置包括鼻夹的位置、鼻夹的形状、带的位置、在面部上的取向。成像传感器可包括传统RGB传感器并且还可包括NIR相机、深度传感器等。
工作人员可将“贴合位置”图像与呼吸器在工作人员面部上的当前位置进行比较。可对呼吸器贴合进行调节，直到“贴合位置”匹配或基本上匹配呼吸器在工作人员面部上的当前放置。
虽然通过以下实施例进一步说明了本公开的目的和优点，但在这些实施例中列举的具体材料及其量以及其它的条件和细节不应当理解为是对本公开的不当限制。
实施例
除非另外指明，否则这些实施例中的所有份数、百分比、比率等均按重量计。除非不同地指明，否则所用溶剂和其它试剂均得自密苏里州圣路易斯的西格玛-奥德里奇公司(Sigma-Aldrich Corp.,St.Louis,Missouri)。
氯化钠气溶胶传感器
传感器元件根据图5A和图5B中所述的方法来构造，并且针对呼吸器贴合测试应用进行评估。
介质的电阻抗是介质中的流动电荷载体的数量、载体的单位电荷，以及它们对由库仑力引起的运动的阻碍的函数。因此，液体溶剂与溶解的离子溶质的电阻抗通常为溶质的浓度的函数。感测元件(诸如上述的感测元件)可用于通过使电极与介质接触并监测对所施加电场的抵抗来探测介质的电阻抗。在诸如水的流体介质中，电场通常为可提供电阻阻抗信息和反应阻抗信息两者的规定频率下的交变场。
例如，图11示出了当浸入不同浓度的水/氯化钠溶液中时，诸如上文所述的感测元件的作为频率函数的电阻抗，具体地示出了阻抗大小、相移、电阻和电抗。图11的上面一排是示出传感器对水中不同浓度NaCl的响应的曲线图，其示出了当涂覆有所示溶液的液体层时，由传感器测量的作为频率的函数的电阻(实线)和电抗(虚线)。R＝电阻，X＝电抗。图11的下面一排是示出传感器对水中不同浓度NaCl的响应的曲线图，其示出了当涂覆有所示溶液的液体层时，由传感器测量的作为频率的函数的对应阻抗大小(实线)和相移(虚线)。Z＝阻抗大小，θ＝相移。
阻抗数据由得自美国安捷伦(Agilent，USA)的精密阻抗分析仪4294A记录。随着电导率的增加以及所有曲线的总体轮廓的偏移，可看出介质的阻抗大小和电阻(以log比例绘制)的显著降低。如下所述，虽然该实施例是液体介质而非气溶胶的情况，但测量的基础机理形成了如何使用本专利申请中所述的传感器来测量溶液可电离气溶胶的基础。
本文所述的组合物至此可被配置为改变流体可电离气溶胶感测元件的性能。示出原理的示例性数据在图12A至图12C中示出。图12A至图12C是示出施加到盐气溶胶传感器的不同表面改性和涂覆体系的等温吸水性和NaCl气溶胶响应的比较的曲线图。
用于生成图12A至图12C中数据的实验设置如下：将在表面上具有交叉导电电极对的流体可电离感测元件连接到电阻抗谱分析仪。在t＝0时，开始记录传感器的阻抗谱。在t＝60s时，将传感器置于测试室中，该测试室使空气以15升/分钟流动，具有大约95％的相对湿度。感测元件与该流的一部分流体接触。在每个曲线图中的指示时间(“NaCl气溶胶开”)，将包含大约10μg/L NaCl气溶胶(具有2微米的质量平均粒径)的气溶胶引入流动流中。使用雾化器来雾化大约5重量％NaCl的NaCl/水溶液，生成气溶胶流。然后在指定的时间移除气溶胶流(“NaCl气溶胶关”)。
在实验持续期间，感测元件与空气流大约达到热平衡，并且气流的温度恒定。图12A示出了不具有改变表面能的表面改性的示例性感测元件的响应，图12B示出了具有等离子+两性离子型硅烷表面改性的感测元件(图5A所述)的响应，并且图12C示出了具有等离子+两性离子型硅烷表面改性以及附加葡萄糖层的感测元件(如图5B所述)的响应。
图12A示出了不具有表面改性或涂覆层的感测元件在实验期间的任何时间点都未显示电阻抗的显著变化。
未经改性的感测元件不具有在表面上形成液体层的强亲和力，因此缺乏NaCl气溶胶颗粒可在感测元件上电离的强机制。
图12B示出了仅具有等离子+两性离子型硅烷处理的感测元件导致阻抗响应于潮湿空气的较小降低，以及在NaCl气溶胶暴露的整个持续时间中额外的降低。一旦移除气溶胶流，阻抗的较小增加很可能是由于NaCl气溶胶流引入的湿度的较小变化。
该仅具有等离子+两性离子型硅烷处理的感测元件使得电极上具有亲水性表面，这促进一定量的流体冷凝，然而在热平衡时，表面上流体形成的驱动力低于具有附加吸湿材料层的感测元件的驱动力(图12C)。
图12C示出具有等离子+两性离子型硅烷表面处理的感测元件，并且葡萄糖层还示出对潮湿空气流，然后对NaCl气溶胶流的更显著的响应。这是由于通过添加葡萄糖(吸湿材料)层而引入的感测元件的吸湿特性改变。
图13A至图13D示出了吸湿材料层的涂覆量的变化如何影响感测元件响应的示例，其示出了随着吸湿层涂覆量变化，类似于图12C的实验的结果。图13A至图13D是示出对于两性离子硅氧烷表面，之后不同涂覆量的葡萄糖施加到盐气溶胶传感器，等温吸水性和NaCl气溶胶响应的比较的曲线图。
图14A至图14C是示出具有和不具有过滤元件的传感器的等温吸水性和NaCl气溶胶响应的比较的曲线图。图14A至图14C中的数据示出如何使用颗粒过滤器来产生参考电极对的示例，如图7和图8所述。
所有测试均在感测元件置于湿度受控的NaCl气溶胶系统的流动流中的情况下进行。使用喷雾器雾化水中5重量％NaCl的溶液，生成气溶胶。所有测试的湿度在95％RH和100％RH之间。所有测试中的感测元件为交叉阵列，具有5密耳线/空间宽度的叉指，面积为～0.5cm2。曲线图示出五个不同频率下随时间变化的阻抗大小(实线)和相移(虚线)。阻抗数据由得自美国安捷伦(Agilent，USA)的精密阻抗分析仪4294A记录。
例如，图14A示出了感测元件的响应，该感测元件基本上类似于本专利申请中所述的那些，不具有颗粒过滤器，其被插入包含雾化氯化钠微粒和纳米粒子的气流中。
图14B示出了类似的实验，其中雾化溶液不包含氯化钠，使得雾化溶液仅产生不含氯化钠颗粒的水蒸气。
图14C示出了与图14A中相同的实验的结果，不同的是感测元件被配置为具有如前所述的颗粒过滤器。图14B和图14C示出的响应的相似度展示出颗粒过滤器允许流体组分诸如水蒸气充分接触参考电极对，但防止颗粒物接触参考电极对。
因此，公开了用于具有感测系统的呼吸器的贴合测试方法的实施方案。
本文中所引用的所有参考文献及出版物全文以引用方式明确地并入本公开中，它们可能与本公开直接冲突的内容除外。虽然本文已经例示并描述了具体实施方案，但本领域的普通技术人员将会知道，在不脱离本公开范围的情况下，可用多种另选的和/或等同形式的具体实施来代替所示出和所描述的具体实施方案。本申请旨在涵盖本文所讨论的具体实施方案的任何改型或变型。因此，本公开旨在仅受权利要求及其等同形式的限制。所公开的实施方案仅为举例说明目的，而非出于限制的目的。
Claims (19)
1.一种贴合测试方法，包括：
提供由佩戴者佩戴的呼吸器；
提供具有已知气溶胶输出参数的气溶胶发生器；
提供围绕所述佩戴者头部进行物理支撑的外壳，其中所述气溶胶发生器输送具有所述已知气溶胶输出参数的气溶胶，所述气溶胶至少部分地包含在围绕佩戴者头部的所述外壳内；
提供与感测元件电通信的传感器，其中所述传感器可操作地连接到所述呼吸器，并且其中所述传感器被配置为监测所述呼吸器内的颗粒物浓度参数；以及
提供被配置为与所述传感器通信的读取器，其中所述读取器被配置为基于所述颗粒物浓度参数与所述已知气溶胶输出参数的比较来提供呼吸器贴合参数，
其中，当所述感测元件可移除地定位在所述呼吸器的内部气体空间时，所述呼吸器定位在佩戴者的口部和鼻部上，所述感测元件使所述佩戴者呼吸的水蒸气在所述感测元件的表面的预定区域中冷凝形成液体层，所述感测元件感测溶解到所述液体层中的流体可溶性颗粒物，所述感测元件被配置为当所述液体层设置在所述感测元件的表面的至少一部分上的至少两个电极之间的间隙中时感测所述流体可溶性颗粒物，其中流体可电离颗粒在所述液体层中能够至少部分地溶解并且能够至少部分地电离，从而导致所述感测元件的至少两个电极之间的电特性的变化。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述传感器安装在所述呼吸器的外部表面上。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述传感器的尺寸和所述传感器的重量被选择成使得所述传感器不干扰佩戴者对所述呼吸器的使用。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述传感器的尺寸和所述传感器的重量被选择成使得所述传感器不干扰佩戴者对所述呼吸器的使用。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述传感器的尺寸和所述传感器的重量被选择成使得所述传感器不改变所述呼吸器与佩戴者的贴合。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述传感器被配置为感测所述感测元件的电特性的变化。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述传感器被配置为检测未过滤空气渗漏到内部气体空间中。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述感测元件与所述传感器可移除地通信。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述传感器和所述读取器就内部气体空间内的气体或气溶胶的一种或多种成分进行通信。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述传感器和所述读取器就与内部气体空间内的气体相关的物理特性进行通信。
11.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述传感器和所述读取器就用于评估所述呼吸器的佩戴者所进行的锻炼的表现的参数进行通信。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述液体层的至少一个组分由人的呼吸提供。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述流体可电离颗粒与所述感测元件的相互作用至少部分地受人的呼吸影响。
14.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述感测元件被配置为能够与所述传感器机械分离。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述感测元件为流体可电离颗粒物检测元件，所述流体可电离颗粒物检测元件被配置为使得冷凝蒸气不在所述元件的所述表面上均匀地冷凝。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述流体可电离颗粒物检测元件被进一步配置为使得与至少一个电极接触的冷凝蒸气不与至少一个其它电极形成连续凝相。
17.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述读取器被配置为与所述传感器无线通信。
18.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述读取器与所述传感器在相同电路上。
19.一种呼吸贴合测试系统，被构造为执行前述权利要求中任一项所述的方法。
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