-
QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANWENDUNG(EN)
-
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen
US-Patentanmeldung Nr. 62/720,492 , eingereicht am 21. August 2018, der vorläufigen
US-Patentanmeldung Nr. 62/599,138 , eingereicht am 15. Dezember 2017, der vorläufigen
US-Patentanmeldung Nr. 62/599,156 , eingereicht am 15. Dezember 2017, und der vorläufigen
US-Patentanmeldung Nr. 62/599,168 , eingereicht am 15. Dezember 2017. Der gesamte Inhalt der vorgenannten Anmeldungen wird hier durch Bezugnahme aufgenommen.
-
BEREICH DER OFFENLEGUNG
-
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Feinstaubsensoren.
-
HINTERGRUND
-
Luftgetragener Feinstaub kann z. B. durch verschiedene Formen der Verbrennung, chemische Prozesse oder mechanischen Verschleiß entstehen. Die Größe der Partikel variiert in einem weiten Bereich, wobei sich einige Partikel in ruhender Luft schnell absetzen, während kleinere Partikel über längere Zeiträume in der Schwebe bleiben können. Die Exposition gegenüber Feinstaub kann für die menschliche Gesundheit schädlich sein. Außerdem wirken einige Partikel als Schleifmittel oder Verunreinigungen und können die Leistung von Geräten beeinträchtigen.
-
Einige Verfahren zur Messung des Vorhandenseins, der Menge und/oder der Größe von Feinstaub in der Luft beruhen auf optischen Verfahren, bei denen die Partikel mit einem optischen Signal beleuchtet werden und das von den Partikeln gestreute Licht erfasst wird.
-
ZUSAMMENFASSUNG
-
Die vorliegende Offenbarung beschreibt Feinstaub-Sensormodule, die auf der Grundlage der Erfassung von Licht arbeiten, das von den Partikeln gestreut wird. Kompakte Feinstaub-Sensormodule müssen oft in der Lage sein, die gesamte oder zumindest den größten Teil der gepumpten Flüssigkeit zu analysieren; andernfalls kann die verfügbare Partikelanzahl, die gezählt werden soll, und/oder die Partikelgröße, die klassifiziert werden soll, zu klein sein, um sie innerhalb einer angemessenen Messzeit zu bestimmen. Die in dieser Offenbarung beschriebenen Module können in einigen Implementierungen solche wünschenswerten Ergebnisse erzielen, indem sie die zu messende Flüssigkeit auf einen kleinen Bereich fokussieren, in dem die Wechselwirkung mit dem Licht stattfindet.
-
In einem Aspekt umfasst beispielsweise ein Feinstaub-Sensormodul eine Lichtquelle und einen Lichtdetektor, die auf einem Substrat montiert sind. Ein Gehäuse ist an dem Substrat befestigt und umfasst erste und zweite Abschnitte, die in einem Stapel über dem Substrat aneinander befestigt sind, so dass der erste Abschnitt zwischen dem Substrat und dem zweiten Abschnitt angeordnet ist. Der erste und der zweite Abschnitt bilden zusammen eine Lichtreflexionskammer, eine Flüssigkeitsleitung, eine Partikel-Licht-Wechselwirkungskammer und eine Lichtfallenkammer. Der erste Abschnitt hat eine erste Öffnung, durch die von der Lichtquelle emittiertes Licht zu einer reflektierenden Oberfläche innerhalb der Lichtreflexionskammer gelangen kann. Die reflektierende Oberfläche ist so konfiguriert, dass sie das Licht in Richtung der Partikel-Licht-Interaktionskammer reflektiert, wo das Licht mit Partikeln in einem Fluid, das in der Fluidstromleitung fließt, interagieren kann. Der erste Abschnitt hat eine zweite Öffnung, durch die Licht, das in der Partikel-Licht-Interaktionskammer als Ergebnis der Interaktion mit einem oder mehreren der Partikel gestreut wird, zur Erfassung durch den Detektor passieren kann. Die Fluidstromleitung umfasst einen Fluideinlassabschnitt, dessen Ende direkt mit der Partikel-Licht-Interaktionskammer verbunden ist.
-
Einige Implementierungen umfassen eines oder mehrere der folgenden Merkmale. Zum Beispiel hat die Partikel-Licht-Interaktionskammer in einigen Fällen einen Querschnitt, der sich entlang einer Achse parallel zu einem Lichtstrahlweg zwischen der reflektierenden Oberfläche und der Lichtfallenkammer erweitert. Die Innenwände der Partikel-Licht-Wechselwirkungskammer können z. B. verjüngt sein. In einigen Fällen erweitert sich der Querschnitt in Richtung der Lichtfallenkammer, während sich in anderen Fällen der Querschnitt in Richtung der reflektierenden Oberfläche erweitert. Ferner hat die Teilchen-Licht-Wechselwirkungskammer in einigen Ausführungsformen verjüngte Innenwände, die sich in Richtung des Detektors verbreitern.
-
In einigen Implementierungen ist das Ende des Fluideinlassabschnitts direkt mit einer der konischen Innenwände verbunden.
-
In einigen Fällen ist die reflektierende Oberfläche eine Oberfläche des zweiten Abschnitts des Gehäuses, während in anderen Fällen die reflektierende Oberfläche eine Oberfläche des ersten Abschnitts des Gehäuses ist. Die reflektierende Oberfläche kann z. B. eine Oberfläche eines Bauteils sein, das auf einer Oberfläche des ersten Abschnitts des Gehäuses angeordnet ist.
-
In einigen Implementierungen besteht jeder der ersten und zweiten Abschnitte des Gehäuses aus einem Spritzgussmaterial. Jeder der ersten und zweiten Abschnitte des Gehäuses kann z. B. aus einem Kunststoffmaterial bestehen.
-
Der erste und der zweite Abschnitt können in Kombination auch eine Trennwand zwischen der Lichtreflexionskammer und der Partikel-Licht-Interaktionskammer definieren, wobei die Trennwand eine Öffnung aufweist, durch die von der reflektierenden Oberfläche reflektiertes Licht passieren kann. In einigen Ausführungsformen umfasst die Trennwand eine erste Wand, die von dem ersten Abschnitt des Gehäuses in Richtung des zweiten Abschnitts des Gehäuses vorsteht, und eine zweite Wand, die von dem zweiten Abschnitt des Gehäuses in Richtung des ersten Abschnitts des Gehäuses vorsteht. Die zweite Wand kann durch Klebstoff an dem ersten Abschnitt des Gehäuses befestigt werden. Jede der ersten und zweiten Wände kann eine entsprechende Öffnung aufweisen, wobei sich überlappende Abschnitte der Öffnungen die Apertur definieren, durch die das von der reflektierenden Oberfläche reflektierte Licht hindurchtreten kann. In einigen Fällen ist die erste Wand näher an der Lichtreflexionskammer als die zweite Wand. Die erste Wand kann so angeordnet sein, dass sie das von der reflektierenden Oberfläche reflektierte Licht an den Stellen, an denen die zweite Wand am ersten Abschnitt des Gehäuses befestigt ist, am Durchgang durch den Klebstoff hindert.
-
In einigen Fällen haben die Innenflächen des ersten und zweiten Abschnitts des Gehäuses eine Beschichtung, die aus einem Material mit geringer Reflexion besteht. Das Modul kann auch einen Klebstoff enthalten, der den ersten und den zweiten Abschnitt des Gehäuses miteinander verbindet, wobei der größte Teil des Klebstoffs vom Inneren der Lichtfallenkammer aus nicht sichtbar ist.
-
In einigen Implementierungen enthält das Modul einen Wellenleiter, um das gestreute Licht zum Lichtdetektor zu leiten. Ebenso enthält das Modul in einigen Fällen einen zweiten Lichtdetektor, der auf dem Substrat montiert ist und zur Überwachung einer von der Lichtquelle emittierten Lichtleistung betrieben werden kann.
-
Die Offenbarung beschreibt auch ein mobiles Computergerät (z. B. ein Smartphone), das ein Feinstaub-Sensorsystem mit einem Feinstaub-Sensormodul, eine auf dem mobilen Computergerät ausführbare und zur Durchführung von Luftqualitätstests betreibbare Anwendung und einen zur Anzeige eines Testergebnisses der Anwendung betreibbaren Bildschirm umfasst.
-
Die Offenbarung beschreibt ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Feinstaubsensormoduls. Das Verfahren umfasst das Befestigen eines ersten Abschnitts eines Gehäuses an einem Substrat, auf dem eine Lichtquelle und ein Lichtdetektor angebracht sind, und das Befestigen eines zweiten Abschnitts des Gehäuses an dem ersten Abschnitt, so dass der erste Abschnitt zwischen dem Substrat und dem zweiten Abschnitt angeordnet ist. Der erste Abschnitt hat eine erste Öffnung, durch die von der Lichtquelle emittiertes Licht hindurchtreten kann. Der erste und der zweite Abschnitt definieren in Kombination eine Lichtreflexionskammer, eine Fluidströmungsleitung, eine Partikel-Licht-Interaktionskammer und eine Lichtfallenkammer.
-
Einige Implementierungen beinhalten einen oder mehrere der folgenden Vorteile. Indem beispielsweise der Fluideinlassabschnitt der Fluidstromleitung und die Partikel-Licht-Interaktionskammer als ein einziges Teil ausgebildet sind, muss der Abstand zwischen ihnen nicht von mechanischen Ausrichtungstoleranzen abhängen. Darüber hinaus kann der Abstand zwischen dem Fluideinlassabschnitt und dem Lichtpfad eher klein sein. Dadurch, dass der Fluideinlassabschnitt des Fluidstromkanals sehr nahe am Lichtweg liegt - was wünschenswert ist, um eine gute Fokussierung des Fluids im relevanten Bereich zu erreichen - könnte das stützende Kanalmaterial in einigen Fällen einen Teil des optischen Signals abschirmen. Dieser Effekt kann jedoch durch die verjüngte(n) Seitenwand(en) in der Partikel-Licht-Interaktionskammer (z. B. zum Detektor hin verjüngt) reduziert werden. Die verjüngte Form der Kammer (z. B. verjüngt entlang einer Achse von der reflektierenden Oberfläche zur Lichtfalle hin) kann so gestaltet werden, dass der Lichtstrahl, auch wenn er divergiert, nicht auf die Seitenwände der Partikel-Licht-Interaktionskammer auftrifft, einschließlich des Fluideinlassabschnitts der Fluidstromleitung.
-
Weitere Aspekte, Merkmale und Vorteile werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung, den beigefügten Zeichnungen und den Ansprüchen ersichtlich.
-
Figurenliste
-
- zeigt schematisch ein Feinstaub-Sensormodul.
- zeigt eine explodierte perspektivische Draufsicht auf ein erstes Beispiel eines Gehäuses für das Feinstaubsensormodul.
- zeigt eine explodierte perspektivische Ansicht von unten des ersten Beispiels des Gehäuses für das Feinstaubsensormodul.
- ist ein Querschnitt eines weiteren Beispiels eines Gehäuses für das Feinstaub-Sensormodul, mit Blick in Richtung eines Fluidauslassabschnitts einer Fluidstromleitung.
- ist ein Querschnitt durch das Gehäuse des Moduls von .
- zeigt eine Querschnittsansicht eines Teils einer Trennwand, die eine Öffnung für einen Lichtweg enthält.
- ist eine Querschnittsansicht von .
- veranschaulicht die relativen Positionen verschiedener Oberflächen in und .
- zeigt ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung der F einstaubsensormodule.
- zeigt ein Beispiel für ein mobiles oder tragbares Computersystem, das ein Feinstaubsensorsystem enthält.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
-
Wie in gezeigt, umfasst ein Partikelsensormodul 20 eine Lichtquelle 22 (z. B. einen oberflächenemittierenden Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL)), der Licht in Richtung einer reflektierenden Oberfläche 28 emittiert, die das emittierte Licht entlang eines Pfades 30 durch eine oder mehrere Lichtöffnungen 34A, 34B umleitet, so dass der Lichtpfad 30 durch eine Partikel-Licht-Interaktionskammer 40 verläuft. Ein Fluid (z. B. ein Aerosol) wird durch eine Fluidstromleitung 32 gepumpt, die im Wesentlichen senkrecht zum Lichtweg 30 verlaufen kann. Im gezeigten Beispiel befindet sich der Lichtweg 30 also in x-Richtung und die Fluidstromleitung 32 in z-Richtung. Wenn ein Fluid durch die Leitung 32 fließt, interagiert der Lichtstrahl in der Partikel-Licht-Interaktionskammer 40 mit den Partikeln im Fluid. Durch die Wechselwirkung wird ein Teil des Lichts in Richtung eines Lichtdetektors 24 (z. B. einer Fotodiode) gestreut, der das gestreute Licht erfassen kann. In einigen Ausführungsformen, wie in gezeigt, kann ein Lichtleiter oder ein anderer Wellenleiter 42 vorgesehen werden, um das gestreute Licht zum Lichtdetektor 24 zu leiten und den effektiven Abstand von der Partikel-Licht-Wechselwirkungskammer 40 zum Detektor 24 zu verringern. Licht, das nicht mit der jeweiligen Materie interagiert, läuft weiter in eine Lichtfangkammer 36, um zu verhindern, dass solches Licht zurück in Richtung des Detektors 24 reflektiert wird.
-
Der Detektor 24 kann z. B. als optischer Photosensor ausgeführt sein, der das Signal eines einzelnen Partikels messen kann. In solchen Fällen ist die Impulshöhe proportional zur Partikelgröße, und die Impulszählrate entspricht der Anzahl der detektierten Partikel. Die Konzentration kann z. B. aus der Anzahl der detektierten Partikel abgeleitet werden, wenn die Menge des analysierten Volumens bekannt ist (z. B. Luftdurchsatz, Messzeit). Die Masse kann auf der Grundlage eines angenommenen Brechungsindex und der Dichte berechnet werden. In anderen Implementierungen ist der Detektor 24 als Photometer oder Nephelometer ausgeführt. Der Detektor 24 kann z. B. in einen Halbleiterchip integriert sein, der auch eine Elektronik zum Auslesen, Verstärken und Verarbeiten der Signale enthalten kann. In einigen Fällen kann die Verarbeitungsschaltung in einem separaten Chip untergebracht sein. Die Lichtquelle 22 und der Detektor 24 können auf einem Substrat 26 (z. B. einer Leiterplatte) montiert und elektrisch damit verbunden sein.
-
In einigen Ausführungsformen kann ein zweiter Lichtdetektor 44 auf dem Substrat angebracht werden und zur Überwachung der von der Lichtquelle 22 emittierten Lichtleistung verwendet werden. Der zweite Detektor 44 kann z. B. neben der Lichtquelle oder unterhalb einer Öffnung in der Lichtfallenkammer 36 angebracht werden.
-
und veranschaulichen verschiedene Aspekte eines Feinstaub-Sensormoduls 20A gemäß einigen Ausführungsformen. Im dargestellten Beispiel umfasst das Modul ein Gehäuse 60, das über dem Substrat 26 angebracht werden kann, auf dem die Lichtquelle 22 und der Detektor 24 montiert sind. Das Gehäuse 60 hat einen unteren Abschnitt 100 und einen oberen Abschnitt 102, die z. B. durch einen Klebstoff aneinander befestigt sind. Jeder der unteren und oberen Abschnitte 100, 102 kann z.B. aus einem Kunststoff oder Harz bestehen und z.B. durch Spritzgießen geformt werden. Die Innenflächen des ersten und zweiten Abschnitts können z. B. mit einem schwarzen oder einem anderen Material mit geringem Reflexionsgrad beschichtet werden, um optisches Übersprechen und unerwünschte Reflexionen zu reduzieren. Wenn sie zusammengefügt sind, definieren der untere und der obere Abschnitt in Kombination den Lichtstrahlengang 30, einschließlich der Öffnungen 34A, 34B, sowie die Fluidstromleitung 32, die Partikel-Licht-Wechselwirkungskammer 40 und die Lichtfallenkammer 36. Insbesondere weist der untere Abschnitt 100 einen Hohlraum 36A auf, der einen ersten (unteren) Teil der Lichtfallenkammer 36 definiert, und der obere Abschnitt 102 weist einen Hohlraum 36B auf, der einen entsprechenden, zweiten (oberen) Teil der Lichtfallenkammer 36 definiert. Die Innenflächen der Hohlräume 36A, 36B, die die Lichtfallenkammer definieren, sollten in der Lage sein, das meiste oder das gesamte Licht, das in die Lichtfallenkammer eintritt, zu absorbieren. Der untere Abschnitt 100 hat auch halbkonische Einbuchtungen 32A, die einen ersten (unteren) Teil des Fluidströmungskanals 32 definieren, und der obere Abschnitt 102 hat halbkonische Einbuchtungen 32B, die einen zweiten (oberen) Teil des Fluidströmungskanals 32 definieren.
-
Wie in den und weiter gezeigt, hat der untere Abschnitt 100 eine erste Öffnung 104, die mit der optischen Achse der Lichtquelle (in den und nicht gezeigt) und auch mit der reflektierenden Oberfläche 28 ausgerichtet ist. Die reflektierende Fläche 28 ist in einer Lichtreflexionskammer angeordnet, die durch einen Hohlraum 29B im oberen Abschnitt 102 und einen entsprechenden Hohlraum 29A im unteren Abschnitt 100 des Gehäuses definiert ist. Somit definieren der untere und der obere Abschnitt 100, 102 des Gehäuses 60 in Kombination auch die Lichtreflexionskammer. Das von der Lichtquelle emittierte Licht tritt durch die Öffnung 104 in Richtung der reflektierenden Oberfläche 28, die sich in der Ausführung der und im oberen Abschnitt 102 befindet. Die reflektierende Fläche 28 kann z. B. als Spiegel oder als reflektierende Beschichtung auf einer prismenförmigen Struktur ausgeführt sein. Die reflektierende Oberfläche 28 ist so ausgerichtet, dass sie den Lichtstrahl durch die Öffnungen 34A, 34B und in die Partikel-Licht-Wechselwirkungskammer 40 umlenkt, wo der Lichtstrahl den Flüssigkeitsstrom durch die Leitung 32 schneidet und mit den Partikeln in der Flüssigkeit wechselwirken kann. Der untere Abschnitt 100 hat auch eine zweite Öffnung 106, die mit der optischen Achse des Lichtdetektors 24 ausgerichtet ist (in und nicht dargestellt). Das von den Partikeln gestreute Licht kann durch die Öffnung 106 hindurchtreten, um vom Detektor 24 erfasst zu werden.
-
Die Fluidstromleitung 32 umfasst einen Fluideinlassabschnitt 110, um das Fluid in die Partikel-Licht-Interaktionskammer 40 zu leiten, und einen Fluidauslassabschnitt 112, um das Fluid aus der Partikel-Licht-Interaktionskammer 40 wegzuleiten.
-
Wie oben erwähnt, verläuft die Achse der Fluidströmungsleitung 32 (d. h. die Richtung der Fluidströmung) im Wesentlichen quer zum Lichtweg 30 von der reflektierenden Oberfläche 28 zur Partikel-Licht-Interaktionskammer 40. Vorzugsweise ist das Ende des Einlassabschnitts 110, von dem aus das Fluid in die Kammer 40 eintritt, direkt mit der Kammer 40 gekoppelt, so dass das Ende des Einlassabschnitts 110 so nahe wie möglich am Weg des Lichtstrahls liegt, ohne den Lichtstrahl zu stören. Wenn das Ende des Einlassabschnitts 110 sehr nahe am Lichtweg liegt, kann eine gute Fokussierung des Fluids im gewünschten Bereich erreicht werden. Der Einlassabschnitt 110 sollte sich jedoch vorzugsweise nicht in die Kammer 40 oder in den Weg des Lichtstrahls 30 erstrecken. Der Fluidauslassabschnitt 112 kann ebenfalls ein Ende haben, das direkt mit der Kammer 40 verbunden ist. Auch hier sollte sich der Auslassabschnitt 112 vorzugsweise nicht in die Kammer 40 oder in den Strahlengang des Lichtstrahls 30 erstrecken.
-
Wie in gezeigt, kann die Kammer 40 des Partikel-Licht-Wechselwirkungsbereichs als eine sich verjüngende Struktur ausgeführt sein, die eine oder mehrere sich verjüngende Innenwände aufweist, die sich in Richtung der Lichtfangkammer 36 leicht verbreitern. Die sich verjüngende Form der Kammer 40 kann so gestaltet sein, dass sie die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass der Lichtstrahl, selbst wenn er bei seiner Bewegung in Richtung der Lichtfallenkammer 36 divergiert, nicht auf die Seitenwände der Kammer 40 auftrifft, einschließlich des Fluideinlassabschnitts 110 oder des Fluidauslassabschnitts 112 des Fluidstromkanals 32. Die konische Form kann in einigen Ausführungsformen einen engeren Abstand vom Einlassabschnitt 110 der Fluidstromleitung 32 zur Kammer 40 ermöglichen . Für den Fall, dass ein strahlformendes System (z. B. eine oder mehrere optische Linsen) entlang des Lichtweges 30 (z. B. zwischen der reflektierenden Oberfläche 28 und der Kammer 40) vorgesehen ist, so dass das Licht konvergiert, können die Wände der Kammer 40 so gestaltet werden, dass sie sich in umgekehrter Richtung verjüngen (d. h. in Richtung der Lichtfangkammer 36 leicht verengen).
-
In einigen Ausführungsformen können die Innenwände der Teilchen-Licht-Wechselwirkungsraum-Kammer 40 auch verjüngt sein, so dass sie sich nach unten zum Detektor 24 hin etwas verbreitern. Die sich verjüngende Form kann die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass ein größerer Prozentsatz (oder sogar alles) des Lichts, das als Ergebnis der Licht-Teilchen-Wechselwirkung gestreut wird, den Detektor 24 erreicht.
-
Durch das Formen des unteren und oberen Abschnitts 100, 102 des Gehäuses 60, z. B. durch Spritzgießen, können die Fluidstromleitung 32 und die Partikel-Licht-Interaktionskammer 40 ein einziges integrales, einheitliches Stück bilden, so dass der Abstand zwischen ihnen nicht von mechanischen Ausrichtungstoleranzen abhängt. Darüber hinaus kann die Gesamthöhe des Moduls in einigen Fällen in der Größenordnung von nur wenigen Millimetern (z. B. 2 mm) liegen. Für einige Implementierungen können auch andere Abmessungen angemessen sein. Solche kompakten Feinstaub-Sensormodule können dazu beitragen, das zu messende Fluid auf einen kleinen Bereich zu fokussieren, in dem die Wechselwirkung mit dem Licht stattfindet, so dass das gesamte oder zumindest der größte Teil des gepumpten Fluids (z. B. Aerosol) innerhalb einer angemessenen Messzeit analysiert werden kann.
-
zeigt ein weiteres Beispiel für ein Feinstaubsensormodul 20B, das in vielerlei Hinsicht dem oben beschriebenen Modul 20A ähnelt. Im Modul 20B von ist die reflektierende Oberfläche 28 jedoch Teil eines Bauteils 200, das auf einer Oberfläche 202 des unteren Abschnitts 100 des Gehäuses aufliegt, anstatt wie in und am oberen Abschnitt 102 des Gehäuses befestigt oder Teil davon zu sein. Die Anordnung von kann in einigen Fällen das Ausrichten der reflektierenden Oberfläche 28 mit der Lichtquelle 22 erleichtern, indem das Vorhandensein der Öffnung 104 im unteren Abschnitt 100 während des Ausrichtungsprozesses genutzt wird.
-
zeigt einen Querschnitt von , bei dem sich der Fluideinlassabschnitt 112A der Fluidstromleitung 32 in Richtung der Partikel-Licht-Wechselwirkungskammer 40 verengt (z. B. in einer konischen Form). Andererseits erweitert sich der Fluidauslassabschnitt 110A der Fluidstromleitung 32 (z. B. in einer konischen Form) in einer Richtung weg von der Partikel-Licht-Interaktionskammer 40. Das Vorhandensein des Fluidauslassabschnitts 110A der Fluidströmungsleitung 32 kann beispielsweise besonders vorteilhaft sein, wenn der Sensor 20B mit einer Membranpumpe zur Glättung der Fluidströmung betrieben wird. Wie in weiter gezeigt, können zusätzlich zur Verjüngung der Innenwände des Fluideinlassabschnitts 112A und/oder des Fluidauslassabschnitts 110A auch die Innenwände 46 der Kammer 40 des Partikel-Licht-Wechselwirkungsbereichs verjüngt sein, so dass sie sich in Richtung des Detektors 24 nach unten hin etwas verbreitern. Die verjüngte Form ermöglicht, dass ein großer Prozentsatz oder sogar das gesamte zum Detektor gestreute Licht den Detektor erreicht, genau wie es der Fall ist, wenn die Wände einen großen Abstand haben (z. B. größer als die Detektorgröße).
-
veranschaulicht auch, dass der untere Abschnitt 100 in einigen Fällen vorstehende und vertiefte Ausrichtungsmerkmale 206 aufweisen kann, die in entsprechende vorstehende und vertiefte Ausrichtungsmerkmale 208 des oberen Abschnitts 102 eingreifen. Die jeweiligen Ausrichtmerkmale 206, 208 können die Ausrichtung der beiden Abschnitte 100, 102 des Gehäuses 60 erleichtern, bevor sie dauerhaft aneinander befestigt werden (z. B. durch Klebstoff). Die Ausrichtmerkmale 206, 208 können somit dazu beitragen, dass die Abschnitte 100, 102 des Gehäuses mit einem nur minimalen mechanisch bedingten Versatz aneinander montiert werden können. Weiterhin können die Innenflächen der Lichtfangkammer 36 vorteilhaft mit einem reflexionsarmen (z.B. schwarzen) Material beschichtet sein. Vorzugsweise hat das schwach reflektierende Material einen Reflexionsgrad von 1% oder weniger. Der Kleber oder andere Klebstoff 209 kann beispielsweise auf der obersten Fläche des zweiten Abschnitts 102 angebracht werden. Daher wird ein Großteil (oder das meiste) des Klebstoffs von der Innenseite der Lichtfallenkammer 36 aus nicht sichtbar sein, was die Qualität und Wirksamkeit der Lichtfalle verbessern kann. Obwohl einige wenige Bereiche des Klebstoffs in der Nähe der Öffnung am Eingang der Lichtfalle vom Inneren der Lichtfallenkammer aus sichtbar sein können, benötigt das dort reflektierte Licht typischerweise mehrere Reflexionen, um durch die Öffnung zu gelangen und den Detektor zu erreichen.
-
Wie unten beschrieben, kann eine lichtdichte Anordnung zur Bildung von Trennwänden 210, 212 vorgesehen werden, die die Öffnungen 34A, 34B für den Durchgang des Lichtstrahls enthalten. Zum besseren Verständnis zeigt eine Ansicht (aus der Richtung der reflektierenden Oberfläche 28 gesehen) eines Teils der Trennwand 210, in der die Öffnung 34A ausgebildet ist. Der Pfeil 214 zeigt die Laufrichtung des Lichtstrahls an, nachdem er von der reflektierenden Oberfläche 28 reflektiert wurde. zeigt eine Querschnittsansicht von in einer Ebene durch die optische Achse, parallel zum Lichtstrahl und senkrecht zum Aerosolstrom. Die Trennwand 210, die die Öffnung 34A enthält, kann eine Doppelwand darstellen, von der ein Teil durch einen nach oben gerichteten Vorsprung 210A vom unteren Abschnitt 100 des Gehäuses und ein Teil durch einen nach unten gerichteten Vorsprung 210B vom oberen Abschnitt 102 des Gehäuses gebildet wird. Ein unteres Ende 220 des nach unten gerichteten Vorsprungs 210B kann durch Klebstoff 222 an einer Leiste 224 neben dem nach oben gerichteten Vorsprung 210A befestigt werden. Die Linie 226 in zeigt die relative Position der Oberseite der Öffnung 34A. zeigt die relativen Positionen verschiedener Oberflächen der Trennwand 210 (aus der Perspektive des Lichtstrahls gesehen, der sich in Richtung der Wände 210A, 210B bewegt). Überlappende Abschnitte von Öffnungen in den nach oben und nach unten ragenden Wänden 210A, 210B definieren die Apertur 34A. In stellen die gestrichelten Linien Flächen hinter dem Vorsprung 210A dar. Zusätzliche Flächen 230, 232, 234 des unteren Abschnitts 100 und zusätzliche Flächen 240, 242 des oberen Abschnitts 102 sind beschriftet, um den Vergleich der 6A, 6B und 6C zu erleichtern.
-
Durch die Anordnung der bis kann der nach oben gerichtete Vorsprung 210A verhindern, dass der Lichtstrahl auf den Klebstoff 222 an der Grenze auftrifft, an der der untere und obere Abschnitt 100, 102 des Gehäuses aneinander befestigt sind. Selbst wenn also der Klebstoff 222 für den Lichtstrahl durchlässig wäre, könnte der Lichtstrahl nur durch die Öffnung 34A in der Trennwand 210 hindurchtreten. Auch wenn zwischen dem Ende 220 des Vorsprungs 210B und der Leiste 224 ein kleiner vertikaler Spalt vorhanden wäre (z. B. aufgrund von Fertigungstoleranzen), würde der Lichtstrahl nur durch die Öffnung 34A in der Trennwand 210 hindurchtreten können. Eine ähnliche Anordnung kann für die Trennwand 212 vorgesehen werden, die die zweite Öffnung 34B enthält. Die in Verbindung mit den bis beschriebenen Merkmale können auch in die Implementierung der und integriert werden.
-
Wie in angedeutet, wird zur Herstellung eines der vorstehenden Module 20A oder 20B jeder Abschnitt 100, 102 des Gehäuses 60 separat hergestellt, z. B. unter Verwendung einer Spritzgusstechnik (300). Die Lichtquelle 22 und der Lichtdetektor 24 werden auf einer Leiterplatte (PCB) oder einem anderen Substrat montiert (302), und der untere Abschnitt 100 des Gehäuses wird (z. B. durch Klebstoff) an der Seite der Leiterplatte befestigt, auf der die Geräte 22, 24 montiert sind (304). In einigen Fällen, wie in gezeigt, wird dann ein separates Bauteil 200 für die Reflexionsfläche 28 in der Lichtreflexionskammer 29 ausgerichtet und befestigt (306). Als nächstes wird der zweite Abschnitt 102 des Gehäuses 60 an dem ersten Abschnitt 100 des Gehäuses befestigt (z. B. durch Kleben) (308). Wie bereits erwähnt, können die Merkmale 206, 208 ( ) die Ausrichtung der beiden Gehäuseabschnitte 100, 102 erleichtern.
-
In einigen Implementierungen kann das oben beschriebene Herstellungsverfahren als Teil eines Wafer-Level-Prozesses durchgeführt werden. Wafer-Level-Prozesse ermöglichen die gleichzeitige Herstellung mehrerer Module. Im Wafer-Level-Prozess werden mehrere Lichtquellen und Lichtdetektoren auf einem Substrat-Wafer (z. B. PCB) montiert. Nach dem Anbringen der Wafer, die den ersten und zweiten Abschnitt des Gehäuses bilden, kann der Stapel (z. B. durch Würfeln) in separate Einzelmodule, wie die oben beschriebenen, zerlegt werden.
-
Die hier beschriebenen Feinstaubsensormodule können z. B. in ein mikrofluidisches Feinstaubsensorsystem eingebaut werden. In einigen Fällen kann das Sensorsystem einen Mikrocontroller zur Steuerung der Lichtquelle 22, eine Pumpe zum Antrieb des Fluidluftstroms durch das Sensorsystem, einen Pumpencontroller zur Steuerung der Pumpe und eine Verarbeitungsschaltung zur Verarbeitung der Signale des Lichtdetektors 24 enthalten.
-
Herstellung der hier beschriebenen Feinstaubsensoren und Sensorsysteme ist kompatibel mit kostengünstigen Fertigungstechniken mit hohem Durchsatz, wie z. B. Spritzgießen und mikroelektronische Verarbeitungs- und Verpackungstechniken, was eine schnelle und wirtschaftliche Herstellung dieser Sensoren und Sensorsysteme ermöglicht.
-
Wie in dargestellt, kann ein Feinstaub-Sensorsystem 450 mit einem Feinstaub-Sensormodul (z. B. Modul 20A oder 20B) in ein mobiles oder tragbares Computergerät 452, wie z. B. ein Smartphone (wie dargestellt), ein Tablet oder ein tragbares Computergerät, eingebaut werden. Das Feinstaub-Sensorsystem 450 kann von einem Benutzer bedient werden, z. B. unter Steuerung einer Anwendung, die auf dem mobilen Computergerät 452 ausgeführt wird, um Luftqualitätstests durchzuführen. Ein Testergebnis kann auf einem Bildschirm 454 des mobilen Computergeräts 452 angezeigt werden, z. B. um dem Benutzer eine im Wesentlichen sofortige Rückmeldung über die Qualität der Luft in der Umgebung des Benutzers zu geben.
-
Die hier beschriebenen Feinstaub-Sensorsysteme können auch in andere Geräte, wie z. B. Luftreiniger oder Klimaanlagen, eingebaut oder für andere Anwendungen, wie z. B. im Automobilbereich oder in der Industrie, verwendet werden.
-
Verschiedene Modifikationen sind leicht ersichtlich und können an den vorstehenden Beispielen vorgenommen werden. Merkmale, die im Zusammenhang mit verschiedenen Ausführungsformen beschrieben werden, können in einigen Fällen in dieselbe Implementierung aufgenommen werden, und verschiedene Merkmale, die im Zusammenhang mit den vorstehenden Beispielen beschrieben werden, können in einigen Implementierungen weggelassen werden. Somit fallen andere Implementierungen in den Anwendungsbereich der Ansprüche.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 62720492 [0001]
- US 62599138 [0001]
- US 62599156 [0001]
- US 62599168 [0001]
