CN111316084A

CN111316084A - 粒子或花粉传感器以及感测方法

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Publication number: CN111316084A
Application number: CN201880069290.1A
Authority: CN
Inventors: 张鹏; 陈爽; 张秋实
Original assignee: Koninklijke Philips NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2017-10-09
Filing date: 2018-10-08
Publication date: 2020-06-19
Anticipated expiration: 2038-10-08
Also published as: CN111316084B; WO2019072722A1; EP3695202B1; US20200232899A1; EP3695202A1; US11327001B2

Abstract

一种粒子或花粉传感器包括相对湿度传感器阵列。相对湿度的变化代表与所述传感器中的一个或多个传感器接触的粒子或花粉。与所述传感器中的一个或多个传感器接触的粒子或花粉的大小和/或形状也可选地基于传感器的数目和/或配置来确定。根据这些信息，粒子或花粉类型被确定。

Description

粒子或花粉传感器以及感测方法

技术领域

本发明涉及一种用于感测和标识粒子或花粉的方法和装置。

背景技术

众所周知，需要监测污染水平，诸如包括花粉的粒状污染物。已知各种感测设备，这些感测设备例如提供低于一定大小、超过一定大小或在大小范围内粒子的粒子浓度水平。光学粒子感测方法例如被熟知为基于光散射。

花粉是可能对人体健康产生严重影响的重要过敏原。另外，它们是哮喘的诱因。为了防止人类暴露于花粉或使这种暴露最小化，重要的是人类可能暴露其中的花粉进行检测。获得的信息可以被用来促进其他动作，例如真空清洁敏感的人居住的地方或清洁这种地方中的表面。这可以自动执行或者可以向用户提供警报，以手动地执行清洁动作。

区分不同类型的粒子(诸如花粉粒子)的一种方式是确定粒子大小或粒子大小分布。然而，一些花粉类型可能具有与其他粒子相似的大小和大小分布。此外，用于准确地确定大小分布信息的传感器是昂贵的，而且通常只用于专业应用。

同样基于光学检测器，一些已知的花粉传感器还被配置为检测来自花粉的散射光的极化特征。这种传感器可以例如通过比较散射光的数目和极化度，来区分不同类型的花粉和其他灰尘。

然而，这些已知的光学传感器通常不考虑引入错误的一些因素。例如，来自花粉的光信号受花粉的表面特性(诸如花粉表面吸收的水分)的影响。由于吸湿性，花粉的大小也随湿度的变化而变化。

仍然需要一种方式来准确地检测花粉或其他粒子类型，但是需要一种低成本的感测解决方案。

US2002192653A1公开了一种用于使包含在流体中的化学或生物样本成像的传感器。系统使用基于阻抗的技术来检测化学或生物粒子。

F D POPE：2010年10月21日(2010-10-21)的Environmental Research Letters的第4期第5卷的“Pollen grains are efficient cloud condensation nuclei”公开了：花粉在欠饱和状态下表现出对水分的大量吸收。

US2011101997A1公开了使用电容传感器来监测粒子的含水量。

发明内容

本发明由权利要求定义。

根据按照本发明的方面的示例，提供了一种粒子或花粉传感器，包括：

相对湿度传感器阵列；以及

处理器，用于处理来自湿度传感器阵列的信号，

其中处理器适于：

检测相对湿度的变化，该相对湿度的变化代表与相对湿度传感器阵列的传感器中的一个或多个传感器接触的粒子或花粉，从而确定与粒子或花粉的存在相关联的相对湿度的变化；以及

基于相对湿度的变化，标识粒子或花粉的类型。

本发明提供了一种粒子或花粉传感器，其中不同的粒子类型(诸如花粉)是基于它们在吸湿性方面的差异来检测的，这也取决于表面结构和干质量。本发明是基于：通过利用相对湿度传感器，来区分花粉或其他粒子的吸湿性或含水量，这能够形成成本低且体积小的花粉传感器。为了检测花粉，传感器可以用于基于吸水的一般性质标识任何花粉的存在，或者另外，它还可以用于区分花粉类型，例如通过执行大小分析。

也可以单独使用相对湿度测量，以基于不同花粉类型的不同吸水性来区分花粉类型。因此，对于已知的环境相对湿度水平，可以使用不同花粉类型在已知的相对湿度水平下的不同反应，来标识花粉类型。这需要测量周围环境相对湿度水平并且将系统校准到不同的周围环境相对湿度水平。

处理器还可以适于：

基于传感器的数目和/或配置确定与一个或多个传感器接触的粒子或花粉的大小和/或形状；以及

另外基于大小和/或形状，标识粒子或花粉类型。

如果单独的传感器元件可能形成有小于单独的粒子或花粉粒的尺寸，则相同的传感器阵列可以按照这种方式被用来检测粒子大小信息。这是可能的，例如使用MEMS传感器阵列。

单独的粒子被优选地检测到，并且这意味着可以获得准确的粒子大小分布信息。这使得不同的花粉类型能够被确定。

传感器优选地包括风扇，用于将空气吸到相对湿度传感器阵列。这不仅被用来提供空气以进行感测，而且被用来去除之前收集到的粒子或花粉，以提供重设功能。

传感器优选地还包括振动器，用于使粒子或花粉从相对湿度传感器脱落。振动和气流的组合效果提供了一种有效的清洁机制。

振动器例如包括被附接到相对湿度传感器阵列的压电振动器。它可以例如被耦合到传感器阵列的基板。相对湿度传感器阵列例如包括聚合物元件阵列和读出导体阵列、以及用于监测与每个聚合物元件相关联的阻抗值的检测电路。阻抗随从粒子或花粉转移过来的水分的吸收而变化，并且这使得测量粒子或花粉的水分吸收成为可能。

每个相对湿度传感器例如具有小于10μm²的面积。这使得单个粒子或花粉粒能够覆盖或接触多个湿度传感器。

相对湿度传感器阵列可以形成在柔性基板上。这有助于从传感器例如通过振动而去除粒子或花粉。

传感器还可以包括数据库，该数据库存储有相对湿度信息和/或粒子和形状信息与粒子或花粉类型之间的关系。这使得从相对湿度信息以及大小和形状信息到粒子或花粉类型的转换成为可能。这种数据库可能是粒子或花粉传感器的部分，但是它也可能是用于解释收集到的数据的外部信息源。

处理器还可以适于考虑位置信息和/或年度时间信息，以标识花粉类型。在某个位置并且在某个时间点，一些花粉类型比其他花粉类更可能出现。可以考虑这种统计信息，以得出关于花粉类型的结论。

本发明还提供了一种粒子或花粉感测方法，包括：

检测相对湿度的变化，该相对湿度的变化代表与相对湿度传感器阵列的一个或多个传感器接触的粒子或花粉，从而确定与粒子或花粉的存在相关联的相对湿度的变化；以及

基于相对湿度的变化，标识粒子或花粉。

方法还可以包括基于传感器的数目和/或配置检测与一个或多个传感器接触的粒子或花粉的大小和/或形状，并且这种信息也可以用于标识粒子或花粉类型。

方法还可以包括将空气吸到相对湿度传感器阵列，并且可选地通过振动使粒子或花粉从相对湿度传感器阵列脱落。

相对湿度可以通过监测与每个传感器都相关联的阻抗值来检测。

也可以考虑位置信息和/或年度时间信息，以标识粒子或花粉类型。

本发明可以至少部分地实施在计算机软件中。

附图说明

现在将参照附图详细地描述本发明的示例，在附图中：

图1示出了不同花粉类型的花粉上的测量的水分吸收；

图2示出了相对湿度(RH)传感器阵列；

图3示出了图2的传感器阵列的横截面；

图4示出了四种不同的传感器元件随时间的反应，并且示出了响应于不同的花粉类型到来随时间变化的相对湿度读数；

图5示出了三种不同的传感器元件随时间的反应，并且示出了响应于不同的花粉类型到来随时间变化的相对湿度读数；

图6示出了传感器阵列，其中各个传感器都被编号以说明大小和形状检测；以及

图7示出了粒子或花粉感测方法。

具体实施方式

本发明提供了一种粒子或花粉传感器，该传感器包括相对湿度传感器阵列。相对湿度的变化代表与一个或多个传感器接触的粒子或花粉。因此，在相对湿度测量中检测相对湿度的变化，其中相对湿度的变化代表粒子或花粉。与传感器中的一个或多个传感器接触的粒子或花粉的大小和/或形状也可选地基于传感器的数目和/或配置来确定。根据这些信息，确定粒子或花粉，并且也可选地确定粒子类型或花粉类型。

本发明是基于这样一种认识，即，可以基于不同的吸水特性来检测花粉和一些其他粒子类型。

本发明将参照花粉传感器进行描述。然而，如从下面的描述可以清楚地看出，大小确定方面可以被用来标识其他粒子类型。此外，一些其他粒子类型也表现出不同的吸水特性，并且因此也可以被区分。

一般来说，生物粒子(诸如花粉)相对较大，具有在10μm到100μm的范围内的最大线性尺寸(例如直径)。当(在生物粒子已经从中被采样了的大气中的)相对湿度较高时，通过与粒子接触来获得较高的相对湿度传感器读数，并且当相对湿度较低时，通过与粒子接触来获得较低的相对湿度传感器读数。另外，生物粒子的大小往往也会随周围环境相对湿度的增加而增加，从而增加了其含水量。

诸如盐的无机粒子具有较小的大小，例如在2.5μm到10μm的范围内。它们在相对湿度较高时可能会溶解，并且在相对湿度较低时表现出风化。

诸如焦油的有机粒子也可能具有较小的大小，例如在2.5μm到10μm的范围内。然而，有机粒子的大小以及湿度传感器与粒子接触后的相对湿度读数并不取决于当前的周围环境相对湿度水平。

效果的这些组合可能使诸如花粉、无机粒子和有机粒子的生物粒子能够在一定程度上基于吸湿性和粒子大小而被区分。

已经表明，花粉的吸水取决于相对湿度，并且花粉不仅能够在表面从潮湿的环境吸收足够数量的水分，而且能够通过毛细作用将水分带进内部。花粉吸收的水分的数量受表面结构以及花粉的干质量的影响。

图1示出了如Environ.Res.Letter.5(2010)044015中报告的到花粉上的测量的水分吸收。线10和12用左y轴表示两种花粉类型的水量(以ng为单位)(向日葵PK+是线10，并且向日葵PK－是线12)。线14用右y轴表示PK+向日葵花粉的百分比水分吸收。

x轴表示以％为单位的相对湿度。

图2示出了相对湿度(RH)传感器阵列20，包括数百甚至数千个RH传感器的阵列。传感器阵列20包括设置在行22和列24中的读出电极的网格，其中一个传感器26与行和列的每个交叉点都相关联。

通过可以利用MEMS技术，可以大规模地生产阵列。每个单独的RH传感器26例如都有较小的大小(诸如2μm×2μm)。当粒子落在传感器阵列上时，可以基于RH信号的变化来标识不同的花粉类型。

在一个示例中，RH传感器利用诸如聚酰亚胺的聚合物，在从空气中吸收水分时，聚合物的介电常数和阻抗发生变化。与每个传感器都相关联的两个电极(即，一行和一列)与聚合物条带的两端接触，两个电极被用于测量聚合物的阻抗(诸如电容或电阻)的变化。

在另一个示例中，传感器设计可以利用对金属氧化物感测膜的电阻的感测。聚合物中的氢原子与金属氧化物膜的表面上的化学吸附和/或晶格氧起反应，从而减小电阻。

读出因此涉及对传感器阵列的阻抗值进行测量。这可以逐行或逐列执行，例如通过将信号传递给行导体，并且同时测量每个列导体上的反应。

一个示例是向传感器施加电压，并且可以例如使用惠斯登电桥电路(或者事实上是任何其他合适的电路设计)来测量阻抗。对于传感器阵列而言，可以采用扫描的读数，例如首先驱动行1，并且读出列，然后驱动行2，并且读出列，等等。

当花粉接触RH传感器表面时，根据花粉和聚合物在吸湿性或表面能量方面的差异，花粉与聚合物之间会存在水输送。当RH传感器被花粉浸湿或被花粉干燥时，RH传感器的信号发生变化。如果花粉具有更强的吸湿性，则它从RH传感器表面(聚合物)吸收水分，从而减小传感器的RH读数。备选地，如果花粉具有较高的含水量水平(例如花粉已经在高RH环境中贮藏了一段时间)，当花粉接触RH传感器表面时，传感器从花粉吸收水分，并且传感器的RH读数增加。

通过计算有多少RH传感器已经改变了输出信号，传感器阵列也可以用于获得关于粒子的数目甚至大小和形状的信息。图2示出了两种不同的粒子类型，例如花粉粒28和灰尘粒子30。

图3的顶部示出了传感器的横截面。传感器26形成在软衬底32的顶部，并且压电陶瓷元件34被附接到衬底32的背面。在检测之后，压电陶瓷元件通电，以使软衬底振动，并且使粒子从衬底脱落。另外，提供风扇36，并且该风扇被打开，以去除脱落的粒子并且恢复传感器。风扇用于将空气样本传递给传感器，并且也在检测之后去除粒子。

图3还示出了用于处理RH传感器信号的控制器38。因此，它实施用于监测传感器信号，例如用于测量与每个聚合物或金属氧化物(或其他)感测元件都相关联的阻抗值的检测电路。控制器包括数据库39或有权访问该数据库，该数据库用于解释传感器信号，以标识花粉或另一种类型的粒子的存在，甚至可选地标识花粉类型的存在。控制器38具有输入35，该输入用于接收外部信息，诸如季节或天气信息，并且这种信息可以被用来帮助确定已经检测到的花粉类型。

花粉通常是球形或椭圆形的，因此可以认为与传感器阵列只有一个接触点。然而，如图3的底部所示，接触点形成区域。当花粉28接触传感器表面时，由于毛细作用，水分会在较大的毛细力的作用下填满花粉与表面之间的狭窄间隙。因此，水分也往往在该区域中形成有效的接触面积，其大小与花粉相当。

此外，如果感测表面有一定弹性，则接触面积较大。

形状感测使一般规则的花粉能够与其他不规则的粒子类型区分开来。

图4示出了四种不同的传感器元件随时间的反应，并且示出了随时间变化的相对湿度读数。

线40是针对参考传感器元件。

线42是针对在时间T1与榆树花粉粒接触的传感器元件。

线44是针对在时间T2与松树花粉粒接触的传感器元件。

线46是针对在时间T3与桑树花粉粒接触的传感器元件。

在每一种情况下，相对湿度的下降都是可以观察到的，并且具体地，针对线42、44、46，相对湿度变化分别是1.139％、0.890％和2.064％。

图5示出了三种不同的传感器元件随时间的反应，并且示出了随时间变化的相对湿度读数。

线50是针对参考传感器元件。

线52是针对在时间T1与松树花粉粒接触的传感器元件。

线54是针对在时间T2与豚草花粉粒接触的传感器元件。

在每一种情况下，相对湿度的上升都是可以观察到的，因为花粉来自比图4中的相对湿度环境更高的相对湿度环境。

传感器可以包括对周围环境相对湿度的测量，并且更确切地说，(通过防止粒子到达传感器的那一部分)传感器阵列的一部分可以被保留用于这种测量。然后，可以通过考虑一般周围环境相对湿度水平，来解释相对湿度测量，以便可以基于不同的花粉类型在这个特定的周围环境相对湿度水平下的反应来标识不同的花粉类型。这需要将系统校准到不同的周围环境相对湿度水平，因此可以解释收集到的数据。

图6示出了具有被编码为xy的单独传感器的传感器阵列，其中x是1至6的行数，并且y是1至6的列数。

如果粒子位于覆盖传感器元件24、25、34、35的区域上，则系统然后记录和分析来自这组传感器的信号。

可以得出三种类型的信息。

1)关于传感器组的最大和/或平均RH变化

2)基于具有变化的RH值的传感器的数目的花粉大小信息

3)基于传感器集合的花粉形状信息，诸如图6所示的正方形形状。

花粉通常具有在范围10μm到100μm的范围内的直径(或其他线性尺寸)。因此，多达20个2μm×2μm的传感器可以被单个花粉粒甚至最小类型的花粉粒所覆盖。优选地，每个传感器都具有20μm²或更小(例如20μm²或更小)的面积，以便检测单独的花粉粒。传感器元件间距越小，就越有能力提供形状和消息确定，并且确保可以确定单独的花粉粒的传感器信号。

图7示出了粒子或花粉感测方法。

在步骤70中，粒子或花粉与传感器接触。

在步骤72中，检测相对湿度的变化，该相对湿度的变化代表与一个或多个传感器接触的粒子或花粉。

在步骤74中，基于相对湿度，并且可选地也确定大小和/或形状，来确定粒子或花粉类型。

方法还可以包括：在步骤76中，基于传感器的数目和/或配置确定与一个或多个传感器接触的粒子或花粉的大小和/或形状。这种信息在步骤74中也被用来标识粒子或花粉类型。

方法还可以包括：在步骤78中，考虑位置信息和/或年度时间信息，以标识粒子或花粉类型。这种信息在步骤74中也被用来标识粒子或花粉类型。

位置信息和年度时间信息可以被用来访问数据库，该数据库存储对可能出现的花粉类型的标识，例如它们有可能在那个位置和一年中的那个时间出现。以这种方式，即使花粉具有相似的相对湿度轮廓，传感器也可能能够提供最可能的花粉类型被检测的确定。

在步骤80中，方法包括通过振动和风扇的动作使粒子或花粉从相对湿度传感器阵列脱落。

从记录的RH值到花粉标识的转换使用一种算法，这种算法可以被本地存储在传感器中，或被至少部分地存储和远程访问。

如上所述，粒子与传感器接触时观察到的相对湿度变化取决于当前条件。然而，一般来说，当观察到相对湿度的变化时，有机粒子可能是原因，这是因为，其他粒子类型不会导致相对湿度传感器输出发生变化。除了考虑粒子大小和形状之外，检测准确性可以提高，并且也可以区分不同的花粉类型。季节和天气信息以及任何其他本地信息也可以被用来提供关于已经检测到的花粉类型的更智能的结论。

因此，能够看出，通常可以使用相对湿度测量来标识花粉或生物粒子类型，并且可以使用诸如大小、形状和天气、位置或季节信息的其他信息，来实现对具体花粉类型的确定。然而，利用合适的校准，相对湿度测量本身可以允许或部分地允许区分上述不同的花粉类型。

湿度感测材料的合成是众所周知的，并且它们可以作为具有纳米级尺寸的涂层形成。MEMS技术也能够制造小型感测单元。例如，微机械纳米针可以形成为与2μm×2μm一样小。为了检测甚至更小的区域，单量子点(大小为100nm)也被用于感测的目的。

传感器阵列可以是具有正交的行和列的规则正方形(或矩形)阵列，但是其他拓扑也是可能的，诸如三角形(六角形)拓扑。

如上所述，实施例使用控制器38。控制器可以利用软件和/或硬件以各种方式实施，以执行所需的各种功能。处理器是控制器的一个示例，该控制器采用可以使用软件(例如，微代码)进行编程以执行所需功能的一个或者多个微处理器。然而，控制器可以在采用或不采用处理器的情况下被实施，并且还可以被实施为用于执行一些功能的专用硬件以及用于执行其他功能的处理器(例如，一个或多个经编程的微处理器以及相关联的电路系统)的组合。

能够在本公开的各个实施例中采用的控制器组件的示例包括但不限于常规微处理器、专用集成电路(ASIC)和现场可编程门阵列(FPGA)。

在各种实施方式中，处理器或控制器可以与一个或多个存储介质相关联，诸如易失性和非易失性计算机存储器，诸如RAM、PROM、EPROM和EEPROM。存储介质可以用一个或多个程序来编码，该一个或多个程序在一个或多个处理器和/或控制器上执行时执行所需功能。各种存储介质可以固定在处理器或控制器内或者可以是可运输的，使得存储在其上的一个或多个程序能够被加载到处理器或控制器中。

通过对附图、公开内容以及所附权利要求的研究，本领域技术人员在实施所要求保护的发明的同时可理解和实现所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他要素或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除复数形式。在相互不同的从属权利要求中记载特定措施这个事实并不说明这些措施的组合不能够被有利地使用。权利要求书中的任何附图标记都不应被视为限制了范围。

Claims

1.一种粒子或花粉传感器，包括：

相对湿度传感器阵列(20)；以及

处理器(38)，用于处理来自所述湿度传感器阵列(20)的信号，

其中所述处理器(385)适于：

检测相对湿度的变化，所述相对湿度的变化代表与所述相对湿度传感器阵列(20)的一个或多个传感器(26)接触的粒子或花粉，从而确定与所述粒子或所述花粉的存在相关联的相对湿度的变化；以及

基于所述相对湿度的变化，标识粒子或花粉的类型。

2.根据权利要求1所述的粒子或花粉传感器，其中所述处理器(38)还适于：

基于传感器(26)的数目和/或配置，确定与所述传感器(26)中的一个或多个传感器接触的粒子或花粉的大小和/或形状；以及

另外基于所述大小和/或形状，标识粒子或花粉类型。

3.根据权利要求1或2所述的粒子或花粉传感器，还包括风扇(36)，用于将空气吸到所述相对湿度传感器阵列。

4.根据前述权利要求中任一项所述的粒子或花粉传感器，还包括振动器(34)，用于使粒子或花粉从所述相对湿度传感器阵列(20)脱落。

5.根据权利要求4所述的粒子或花粉传感器，其中所述振动器(34)包括被附接到所述相对湿度传感器阵列(20)的压电振动器。

6.根据前述权利要求中任一项所述的粒子或花粉传感器，其中所述相对湿度传感器阵列(20)包括聚合物元件阵列和读出导体阵列(22、24)、以及用于监测与每个聚合物元件相关联的阻抗值的检测电路(38)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的粒子或花粉传感器，其中每个相对湿度传感器(26)具有小于10μm²的面积。

8.根据前述权利要求中任一项所述的粒子或花粉传感器，还包括存储有相对湿度信息与粒子或花粉类型之间的关系的数据库(39)。

9.根据前述权利要求中任一项所述的粒子或花粉传感器，其中所述处理器(38)还适于考虑位置信息和/或年度时间信息，以标识所述粒子或花粉类型。

10.一种粒子或花粉感测方法，包括：

(72)检测相对湿度的变化，所述相对湿度的变化代表与相对湿度传感器阵列(20)的一个或多个传感器(26)接触的粒子或花粉，从而确定与所述粒子或所述花粉的存在相关联的相对湿度的变化；以及

(74)基于所述相对湿度的变化，标识粒子或花粉。

11.根据权利要求10所述的粒子或花粉感测方法，还包括：

(76)基于传感器(26)的数目和/或配置，确定与所述传感器(26)中的一个或多个传感器接触的粒子或花粉的大小和/或形状；以及

另外基于所述大小和/或形状，标识粒子或花粉类型。

12.根据权利要求10或11所述的方法，还包括：(80)通过振动使粒子或花粉从所述相对湿度传感器阵列(20)脱落。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，包括：通过监测与每个传感器(26)相关联的阻抗值来检测相对湿度。

14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，包括：(78)考虑位置信息和/或年度时间信息，以标识所述粒子或花粉类型。

15.一种计算机程序，包括计算机程序代码装置，当所述计算机程序在计算机上运行时，所述计算机程序代码装置适于执行根据权利要求10至14中任一项所述的方法。