JP2017517729A - エアロゾル質量センサ及びセンサ方法 - Google Patents

Abstract

エアロゾル内の粒子質量を測定するための質量センサが、粒子の質量を決定するために共振周波数検出を用いる。加熱素子が、共振センサ素子を加熱するために使用され、加熱の間にモニタされる堆積した粒子の質量における変化により、センシングサイクルの間に制御される。これは、低コストな装置が、粒子濃度を検出できるとともに、粒子の化学的及び／又は物理的性質についての情報を供給できることを可能にする。

Description

本発明は、エアロゾル内の粒子質量の測定、及び、存在する粒子のタイプの識別に関する。

空中の粒子汚染、特に、２．５μｍの直径範囲より小さいサイズの粒子状物質（いわゆる「ＰＭ２．５」）が、工業化の速度が規制上の要件を伸長している中国などの国で大きな関心を集めている。

増加している消費者の権限の結果として、居住空間の空気品質についての情報に対する要求が増している。特に、中国では、この１０年で、過度のＰＭ２．５汚染が一般的な問題になっている。また、この問題は、様々な中国の都市における継続的な測定によって検証されている。データは、公的に利用可能であり、携帯電話アプリケーション又はウェブを通じて同時にモニタされることができる。

このデータの利用可能性、並びに、継続的な国内的及び国際的メディアの関心が、この問題についての強い消費者の関心を引き起こしている。

公的な屋外空気品質基準は、単位体積当たりの質量濃度（例えば、μｇ／ｍ^３）として、粒子状物質濃度を規定している。中国本土における平均的なＰＭ２．５汚染濃度は、衛星データに基づいて計算されており、国の大半で、世界保健機関（ＷＨＯ）の限度である１０μｇ／ｍ^３を超えており、いくつかの地域では、１００μｇ／ｍ^３のＰＭ２．５濃度さえ超えていることが分かっている。

標準化された基準測定方法は、水晶振動子マイクロバランス、テーパ状共鳴装置、衝突体、又は、計量フィルタ及び篩などを用いた、空気サンプル体積当たりの堆積又は収集された粒子の質量測定に基づいている。

しかしながら、これらのシステムは、測定（フィルタ及び篩による計量など）の手動部分を扱うために、及び／又は、累積した質量の清掃のための周期的なメンテナンスや、様々なシステムコンポーネント及び校正の維持のために、専門的な動作ガイドラインを必要とする。

このような質量測定は、粒子自体の化学的性質及び生理化学的性質についての如何なる情報も供給しない。

屋内及び屋外の周囲エアロゾルは、それらの起源に依存して異なる化学的及び物理的特性を有する様々な種類で構成される。様々なタイプは、揮発性／半揮発性の種類（例えば、硝酸及び硫酸）、炭化水素（多環芳香族炭化水素）、様々な炭素種（例えば、すす、煙）及び無機物、バイオエアロゾル（微生物、ウイルス、ペットのふけ、ダニの排出物、及び、菌類の胞子）を含む。

エアロゾルの物理的及び化学的特性の分析は、それらの健康効果にリンク付け可能な追加的な情報を供給する。また、これらの物理的及び化学的特性は、エアロゾルの起源を識別するためにも使用されることができ、この情報は、粒子サイズ分布、形状、密度などについての、より良好な推定を可能にする。

粒子状物質の化学的分析のための方法が存在する。例えば、熱重量分析が、未知の起源のエアロゾルの特徴付けにも適用され得る、よく知られている分析的手法である。当該方法は、加熱状態（例えば、制御された加熱レート）の制御下で未知のサンプルの重量の変化を測定することを含む。結果として、混合物質において揮発性及び反応性種別のタイプ及び比を識別することが可能である。

エアロゾルの熱重量分析は、有用な情報のセットを供給するが、一般的に、専用の機器により確立された研究所設定において実行される。

従って、消費者アプリケーションに適した低コストの分析装置を可能にするために小型システムのニーズがある。

エアロゾル汚染モニタリングのための共振ベースの質量センシングが提案されている。例えば、個人被爆モニタリングのためのピコグラムレベルの質量分解能を有する微小シリコンカンチレバー装置の使用が提案されている。フィルタが、大きな粒子を除去するために使用され、静電気サンプラーが、カンチレバー上の堆積したナノ粒子のために供給され得る。例えば、国際公開第２０１３／０６４１５７号は、空気フローストリームにおけるエアロゾルナノ粒子を測定するために設計されたＭＥＭＳベースの共振粒子測定装置を開示している。

しかしながら、この手法は、如何なる化学的分析も供給しない。

粒子濃度と収集された粒子の幾つかの化学的及び物理的情報との（質量センシングに基づく）決定を可能にする低コストの装置を供給することが望ましい。既知の熱重量分析ツールは、研究所の設備用に設計されており、消費者設定での使用には適していない。

本発明は、請求項に規定されている。
あって、
センサ素子と、
前記センサ素子を加熱するための加熱素子と、
前記センサ素子を共振させ、前記センサ素子の共振周波数を検出するためのトランスデューサ素子であって、前記共振周波数は、前記センサ素子上に堆積される粒子の質量に依存する前記トランスデューサ素子と、
前記加熱素子を動作させ、前記共振周波数において検出される変化に基づいて、加熱の間、前記質量における変化をモニタするためのコントローラと、を有する質量センサが提供される。

エアロゾルは、同伴粒子を有する空気又は他の気体であってもよい。

このセンサ構成は、粒子上材料がセンサ素子上に堆積した後（例えば、センシングサイクルの第１のフェーズの間）、加熱が実行されるように制御される。センサ上に堆積した粒子状材料の質量は、例えば、温度依存性の蒸発により、加熱の間に変化する。温度により変化する共振周波数に基づいて検出される、質量が温度により変化（特に減少）する態様は、堆積粒子の性質についての情報を取得するために用いられることができる。

コントローラは、
加熱無しの初期サンプリング動作を実施し、
後続の温度制御を実行する、ように構成される。

このようにして、センサは、最初は、サンプルを引きつけるように制御され、次いで、温度に対するサンプルの関数を決定するために温度制御が用いられる。

好ましくは、異なるタイプの粒子材料のための質量−温度関数に関する情報を有するルックアップテーブルが供給される。

このようにして、質量と温度との関数の比較が、粒子状材料のタイプを取得できるよう、（計算又は校正情報に基づいていてもよい）以前格納された結果と実行され得る。

センサ素子は、例えば、ピコグラムからミリグラムまでの十分な質量解像度を供給可能な任意の共振ベースセンサを有していてもよい。センサ素子は、例えば、ＭＥＭＳセンサを有していてもよい。これは、低コスト及び小型のセンサ製造を可能にする。

ＭＥＭＳセンサ素子は、例えば、クランプ−クランプ共振ビーム又はクランプ−フリー共振ビームとして校正されてもよい。

加熱素子は、共振器本体の表面上に形成された、又は、前記共振器本体に埋め込まれた、加熱トラックを有していてもよい。これは、センサの構造へ加熱素子を埋め込むことを可能にする。共振器本体は、低パワーのヒータで済むように低熱量を持つことができる。

あるいは、赤外線ランプなどの外部ヒータ素子を用いて、又は、共振器センサの近傍において抵抗性ヒータを用いて、熱が付与され得る。全ての場合において、加熱素子は、好ましくは、試験期間を通じて制御可能な加熱レート（即ち、時間に対する温度傾斜）を供給する。

好ましくは、センサ素子に向かってモニタされるエアロゾルを運ぶため、センシングサイクルの少なくとも第１の部分の間に動作するサンプル吸入装置が供給される。次いで、センサが、センサ動作の間のみに粒子状エアロゾルに晒される。これにより、寿命が延命される。

サンプル旧装置は、ファン又はポンプであってもよい。あるいは、静電気引力構成が供給されてもよい。または、引力ベースの粒子堆積、又は、熱泳動堆積、又は、自然対流の使用であってもよい。

粒子フィルタ構成が、エアロゾル汚染が分析される粒子サイズの範囲を規定するために使用され得る。

これは、関心対象の粒子サイズの範囲のみに関して、粒子の挙動がモニタされ得ることを意味する。フィルタは、インパクタの使用など、機械的フィルタ又は空気力学的分離に基づいていてもよい。

センサは、温度が増加するにつれてセンサから発せられる気体又は蒸気の性質を検出するために、センサ素子の近傍において気体センサ素子を更に有していてもよい。また、気体センサは、反応性ガスの濃度変化を検出するために用いられてもよい。例えば、酸素濃度における減少は、酸化反応による消費を示す。様々な化学反応が温度の発展において生じ得る。

また、本発明の一実施形態は、エアロゾル内の粒子質量を測定する方法であって、
センサ素子を共鳴させるステップと、
前記センサ素子の共振周波数を検出するステップであって、前記共振周波数は、前記センサ素子上に堆積される粒子の質量に依存する前記検出するステップと、
前記センサ素子を加熱するステップと、
前記共振周波数において検出される変化に基づいて前記加熱の間の質量における変化をモニタするステップと、を有する、方法を提供する。

この方法は、センサ素子の加熱の間の質量における変化をモニタする。質量−温度関数の特性は、堆積粒子の性質に関する情報の取得を可能にする。

初期サンプリング動作が、加熱なしに実行され得る。そして、後続の温度制御が実行され得る。

このようにして、センサは、まず、サンプルを引きつけるように制御され、次いで、温度についての関数を決定するために温度制御が用いられる。

また、本発明は、本発明の質量センサを有する空気処理装置を提供する。

本発明の例が、添付の図面を参照して、詳細に説明される。
図１は、共振センサの質量が共振周波数に影響を与えるばね質量系により説明される、共振ベースの質量検出の基本的な態様を示している。 図２は、熱重量分析の基本を示している。 図３は、本発明のセンサの一実施形態を示している。 図４は、本発明の方法の一実施形態を示している。 図５は、本発明のシステム及び方法に用いられる組み込みヒータを具備する共振素子の一実施形態を示している。

本発明は、エアロゾル内の粒子質量を測定するための質量センサを提供する。当該質量センサでは、共振周波数検出が粒子の質量を決定するために用いられる。加熱素子が、共振センサ素子を加熱するために用いられ、加熱の間にモニタされる堆積粒子の質量における変化によりセンシングサイクルの間で制御される。これは、低コスト装置による、粒子濃度の検出を可能にするとともに、粒子の化学的及び／又は物理的性質についての情報を供給可能にする。

共振装置を用いた直接的な質量測定が知られている。当該測定は、図１に示されるように、共振周波数（ｆ_０）と共振器の質量との間の関係に基づくよく知られている原理に基づいている。

図１では、質量ｍ及びばね定数ｋを有する共振器１０が、概略的に示されている。グラフは、周波数（ｘ軸）の関数として、共振振動の振幅（ｙ軸）を示している。プロット１２は、基準共振器に関するものである。追加的な質量１４が加えられた（Δｍ）場合、振動曲線は、周波数シフトΔｆを有するプロット１６へと、周波数において下方向にシフトする。

共振振動を支配する等式は、以下のとおりである。

式１は、基本共振周波数と共振器特性との間の関係を示している。式２は、質量における変化によって引き起こされる周波数変化を示しており、式３は、検出可能な最小質量（Δｍ_ｍｉｎ）を示している。最小値は、共振器の機械的品質係数Ｑに依存する。

当該技術分野において、エアロゾル汚染モニタリングのための共振器ベースの質量センシングの幾つかの例がある。例えば、個人被爆モニタリングのためのピコグラムレベルの質量解像度を有する微小シリコンカンチレバー装置の使用が提案されている。フィルタが、大きい粒子を除去するために使用されてもよく、カンチレバー上に堆積するナノ粒子のために静電気引力サンプラーが供給されてもよい。

例えば、国際公開第２０１３／０６４１５７号は、空気フローストリームにおけるエアロゾルナノ粒子を測定するために設計されたＭＥＭＳベースの共振粒子測定装置を開示している。

共振周波数が堆積質量の増加とともに減少するのと同様に、共振周波数は、例えば、蒸発により、共振器の上の質量が減少した場合、増加する。

熱重量分析情報の基本が、仮想エアロゾル堆積に関して、図２に示されている。当該グラフは、温度に対する質量変化を示している。質量における変化は、質量センサにより経時的に測定され得る。また、時間に対する既知の温度プロファイルがある場合、図２の曲線が、取得され得る。

重量変化プロファイル（この場合は重量損失）の様々な段階が、特定のタイプのエアロゾルの存在と関連付けられ得る特定のイベントに対応している。

例えば、温度範囲Ｔ１の間の質量における降下は、水分損失に対応していてもよい。温度範囲Ｔ２の間の質量における降下は、第１の半揮発性化合物の蒸発に対応していてもよい。温度範囲Ｔ３の間の質量における降下は、第２の半揮発性化合物の蒸発に対応していてもよい。温度範囲Ｔ４の間の質量における降下は、残りの有機エアロゾルの燃焼及び気体化に対応していてもよい。明らかに、個体状態における酸化などの幾つかの反応は、測定される質量における増加につながり、この場合、熱重量プロファイルは、当該反応に対応する温度範囲において上方へのシフトを示す。

エアロゾル混合物における様々な化合物の濃度（重量パーセント）が、エアロゾル沈着物の本来の質量（ｍ_０）から対応する質量値（ｍ_１、ｍ_２など）を差し引くことによって、計算されることができる。

様々な起源のエアロゾルの熱特性が、当該技術分野において、調査されている。Perrino, Cinzia等の記事「雰囲気中粒子状物質における無機及び有機化合物の熱的安定性」（Atmospheric Environment５４（２０１２年））の３６頁乃至４３頁は、雰囲気中粒子状物質の熱的挙動の調査を開示している。それは、質量損失を検出するために熱重量分析が用いられることを開示している。

また、Wittmaack, Klaus及びLothar Keckの記事「サンプリングアーティファクトのより詳細な評価のための様々な材料の複数のフィルタ上のエアロゾル物質の熱脱着」（Atmospheric Environment３８．３１（２００４年））の５２０５頁乃至５２１５頁は、段階的熱脱着の後のサンプルの重量質量分析を開示している。

従って、様々なエアロゾルの熱的な劣化／蒸発の温度範囲が知られている。

本発明は、例えば、組み込まれた、又は、オンラインのルックアップテーブルの形式で、これらの情報源を利用してもよい。また、例えば、質量センサによって検出される材料のサンプルを用いて、実験によって関連情報を取得することも可能である。

好ましいソリューションでは、提案されるセンサのデータ分析部のため、ソフトウェアアップグレードによって、又は、オンラインデータベースを用いることによって、ルックアップテーブルを更新することが可能である。

本発明は、共振周波数において検出される変化に基づいて共振センサ素子上の堆積粒子の質量における変化が加熱の間にモニタされ得るように、共振センサ素子を加熱するための加熱素子の使用に基づいている。

上記センサの詳細な設計は、アプリケーション状況に依存する。

一般的に、図３に示されるように、センサシステムは、粒子事前クラス分けユニット３０と、吸入サンプリング装置（例えば、フィルタスタック）と、ＭＥＭＳ共振器３２と、センサ及び他のシステムコンポーネントを駆動及び読み出すための電子回路３４と、データ処理及び格納のためのコントローラ３６と、を有する。センサユニットに対する空気フローが、ファン及び／又は熱対流を用いることによって操作され得る。

ＭＥＭＳ共振器３２は、加熱サイクルを実行するためにコントローラ３６によって制御される加熱素子３８を含む。

サンプル吸入及び調整ユニット３０が、目標の粒子範囲を考慮して設計される。より大きな粒子を除去するために、特定の粒子状物質範囲（例えば、ＰＭ１、ＰＭ２．５、ＰＭ１０）が、例えば、メッシュ／フィルタの組み合わせ、又は、慣性分離などの、適切な粒子サイズ事前フィルタリングを用いることによってターゲットにされ得る。常にサービス寿命を越えて十分なサンプル空気体積を供給することが、かかるシステムを設計するための重要なパラメータである。線維フィルタ、メッシュ、慣性／空気力学分離ユニットなどの粒子フィルタが、粒子サイズ範囲選択のために使用され得る。

粒子の堆積が、接地された、又は、反対にバイアスされた共振器上への荷電粒子の静電気又は電気泳動沈降により制御され得る。代わりに、共振器とカウンタ表面との間に温度差を作ることを有する熱泳動沈降が、使用されてもよい。または、堆積は、ランダムな粒子移動に基づいていてもよい。

この重要なパラメータと適合可能であるシステムを設計するために、サンプリングされた空気体積を運ぶためのファン、ポンプ、又は、対流ユニットが使用されてもよい。

上記選択は、最小検出可能質量、「清浄な空気」（ベースラインレベル）における平均粒子濃度、サンプリングサブシステムにおける粒子フィルタを通過する粒子の比、及び、結局は、最小粒子濃度検出に関するユーザ要件に依存する。

ＭＥＭＳ共振器が、共振センサ素子３２として使用されてもよい。当該共振器は、要求される検出限度を供給すべく所望の共振周波数を達成するために適切な寸法で設計及び製造され得る。

可能な共振器構造の例は、ダブルクランプ又は薄膜タイプの共振器の他、（一旦がクランプされ、他端がフリーである）カンチレバー構造である。

カンチレバー設計は、特に、静電気引力による粒子収集の場合、カンチレバー先端において十分な電場密度を供給するために興味深い。カンチレバー構造は、単純な四角形状であってもよいし、（より大きなクランプ領域のために）三角形状であってもよいし、又は、クランプされる端部における低い領域を維持しつつ表面積を増加させるためにハンマーヘッドのような形状であってもよい。

これらのパラメータは、全て、システムの共振器の挙動に影響を及ぼすため、基本的な共振器設計原理が用いられ得る。

共振周波数を駆動及び読み出すための回路３４も共振器のＱ値、トランスデューサの選択（例えば、圧電性、熱的、ピエゾ抵抗、光学的、容量性など）に依存する。最小検出可能質量のための要件に依存して、Ｑ補償メカニズムが、システムの質量解像度を増加させるために実装され得る。電子領域における共振周波数の検出は、作動法に適するように選択される。かかる共振器のための回路設計の基本は、当該技術分野において既知である。

例えば、圧電作動及びセンシングの場合では、共振器の電気インピーダンスを組み込む発振回路が用いられる。静電性／容量性作動及びセンシングの場合は、電圧制御される発振回路が用いられる。

また、データ処理及び操作のためのコントローラ３６が、データサンプリングレート、計算のための処理負荷、データ処理アルゴリズムの実装などのアプリケーション要件に依存して、選択及び設計され得る。コントローラは、加熱素子３８の制御を供給するだけでなく、電子回路３４とのインタフェースを持つ。

センサは、温度が増加するにつれてセンサから発せられる気体又は蒸気の性質を検出するために、センサ素子３２の近傍において気体センサ素子３９を更に有していてもよい。また、気体センサは、反応性ガスの濃度変化を検出するために用いられ得る。例えば、酸素濃度における減少は、酸化反応による消費を示す。様々な化学反応が温度の発展において生じ得る。気体センサは、供給する。

図４は、センサを用いる方法を示している。

ステップ４０において、初期共振周波数（ｆ_０）が（即ち、時間ｔ_０において）測定される。

（例えば、ファンにより既知の空気フローレートで）空気吸入を開始することなどによって、サイクルが、ステップ４２において開始する。

空気の固定の体積がサンプリングされた後、共振周波数が、ステップ４４において測定され、質量ｍ_０における変化が取得される。

ステップ４６において、ヒータが活性化される。加熱の間、共振周波数は、ステップ４８において、加熱サイクルが完了するまでモニタされる。共振周波数のモニタリングは、共振周波数における変化Δｆを追跡するために用いられる。

時間に対する記録された周波数プロファイルが、時間に対する質量プロファイルを導出するために処理される。これは、質量対温度プロファイルに変換され、質量対温度応答から、化学的及び／又は物理的情報が導出され得る。この処理は、ステップ５０において、全て発生する。時間に対する温度の関数が、供給される加熱パワーに対する共振素子の既知の応答に基づいて取得される、又は、時間対温度プロファイルの準備を補助するための温度センシング及びフィードバックがあってもよい。この温度対時間プロファイルは、質量対時間プロファイルを質量対温度プロファイルにを変換するために用いられる。

処理ステップ５０は、（図２の）熱重量プロファイルからのデータを、様々な屋内エアロゾル生成イベントから生じた化合物に関する情報を含むルックアップテーブルと比較することを有していてもよい。この情報は、エアロゾル生成イベントの識別のため、及び、当該特定タイプのイベントに関して期待される粒子サイズ分布の識別のため、使用される。

また、この情報は、例えば、空気フィルタリング処理を最適化するために使用され得る。例えば、高い水分含有量を有するエアロゾルを生成するイベントは、典型的には、調理活動及び／又はバイオエアロゾルに関するものであり、これは、揮発性化合物の比についての追加的な情報によって区別され得る。

質量センサは、特定のサイズ範囲の粒子の濃度を示す出力を供給するとともに、粒子の性質についての情報を付与する。この情報は、空気処理装置を制御するために用いられてもよい。例えば、高レベルの汚染を示す高記録質量は、（例えば、空気清浄機のための高いファン速度設定を選択することによって）動作の高容量モードを生じさせ得る。また、低記録質量は、動作のより低容量なモードを生じさせ得る。このようにして、エネルギー節約が実行され、空気清浄機の寿命が延命され得る。

様々な空気処理装置が、特定の汚染の検出タイプに依存して活性化されてもよい。結果、空気処理プロセスが、存在する汚染のタイプに合わせたものとなろう。

屋外からの空気吸入により空間の空気特性を制御する空気処理装置の場合、センサ読み取りは、例えば、屋外空気の汚染がシステム要件を超えているかどうかに依存して、及び、検出される汚染のタイプに依存して、屋外からの空気吸入を一定にするために用いられ得る。

センサ読み取り（又は、粒子の濃度及びタイプ）は、例えば、ディスプレイスクリーンを用いて、出力としてユーザに供給されてもよい。ユーザは、当該情報を然るべく処理及び応答することができ、センサは、スタンドアロン型センサ装置であってもよい。あるいは、センサ読み取りは、汚染の検出レベルに応じて自動的に応答する、より大きなシステム内の内部制御パラメータとして機能してもよい。このより大きなシステムは、空気清浄機であってもよいし、又は、他の空気品質制御システムであってもよい。

或る例では、ヒータ３８は、制御される態様において温度を操作するために、共振器表面上に形成される。微小共振器の概要が図５に示されている。既知の抵抗を有する金属（又は、他の伝導体）のワイヤが、共振器表面上にヒータ３８を構成するために用いられ得る。図５に示される共振器は、基板に固定された固定端５２と自由端５４とを具備するカンチレバー設計を持つ。

上記金属は、所望の温度範囲に従って選択され得る。例えば、燃焼プロセス（例えば、エアロゾルの有機的な内容物を検出するための通常の空気環境における有機物の燃焼）をモニタするのに適した高温に関し、材料は、７００℃乃至８００℃の範囲における温度に適するように選択されるべきである。例えば、ＭＥＭＳ製造プロセスにおいて用いられる典型的な材料である、シリコンマイクロ共振器とＴｉＮヒータとの組み合わせが、この目的に適している。

また、マイクロ共振器システムの使用は、低パワー動作も可能にする。システムの熱質量は、バルクシステムと比して極めて小さく、加熱のために大きなパワー消費は必要でないためである。低い熱質量及び一体化されたヒータは、ヒータワイヤ抵抗と温度との間の既知の線形関係（即ち、抵抗の負の温度係数）を用いることによって、共振器温度の厳密な制御を可能にする。従って、抵抗測定は、別個の温度センサを要する代わりに、加熱素子自体を用いて、温度フィードバックを供給するためのメカニズムを供給する。

断熱が、共振器のＭＥＭＳ製造プロセスの一部として（例えば、共振器リリースステップの間に）、バルク微細加工技術（例えば、深層反応性イオンエッチング（deep reactive ion etching））により実装され得る開口を付与することによって、共振器とアンカー／基板との間に供給されてもよい。断熱を供給する開口は、好ましくは、共振器が形成されるウェーハの背面エッチングによってもたらされ得る。シリコン（又は、他の半導体）ウェーハの場合、１つの好ましい方法は、絶縁体上シリコンタイプのウェーハを用いることであり、当該絶縁体層の断熱特性は、基板材料のバルクに対する過度な熱エネルギーのロスを防止するために用いられ得る。

上記の例は、センサの一体的な部分を形成するヒータ素子を利用する。しかしながら、熱は、例えば、赤外線ランプなどの外部ヒータ素子、又は、共振器センサの近傍における抵抗性ヒータを用いて付与されてもよい。加熱素子の組み合わせが使用されてもよい。

上述の例は、ＰＭ２．５の検出に基づいているが、本発明は、ＰＭ１０粒子、ＰＭ１粒子、又は、他のカテゴリの超微細粒子に適用可能である。

上記の例は、ＭＥＭＳ共振器に基づいている。しかしながら、当該手法は、例えば、（容量性微小機械超音波トランスデューサと同様の）薄膜装置又は水晶振動子マイクロバランス（ＱＣＭ：quartz crystal microbalance）などの他の微小共振器に基づいていてもよい。共振器は、バルク超音波（ＢＡＷ：bulk acoustic wave）共振器であってもよいし、又は、表面音響波（ＳＡＷ：surface acoustic wave）共振器であってもよい。

本発明は、空気清浄機、スタンドアロン型粒子センサユニット、個人被爆モニタリング装置、車内粒子測定センサ、（スタンドアロン型センサユニット、又は、例えば、街管理のための街頭用センサとしての）屋外使用のための粒子センサ、排気ユニット、建物環境管理システムの様々な部分、及び、一般的には、様々なタイプの質量センサに適用可能である。また、呼吸サポート及び薬剤輸送アプリケーションにおける医療用アプリケーションがある。

上記システムは、コントローラを利用する。コントローラのために採用され得るコンポーネントは、従来のマイクロフォン、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣｓ）、及び、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ：Field-Programmable Gate Array）を含むが、これらに限定されない。

様々な実施形態において、プロセッサ又はコントローラは、ＲＡＭ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、及び、ＥＥＰＲＯＭなどの揮発性及び不揮発性のコンピュータメモリなどの、１又は複数のストレージ媒体と関連付けられていてもよい。ストレージ媒体は、１又は複数のプロセッサ及び／又はコントローラ上で実行された場合に、必要な機能を実行する１又は複数のプログラムで符号化されていてもよい。様々なストレージ媒体は、プロセッサ又はコントローラの内部に固定されていてもよく、又は、記録された１又は複数のプログラムが、ここで議論される本発明の様々な態様を実施できるように、プロセッサ又はコントローラの中に読み込まれることができるように、移送可能であってもよい。

本発明を実施する際、図面、開示、及び、添付の請求項の研究から、開示の実施形態に対する他の変形が、当該技術分野における当業者によって、理解及び実施され得る。請求項中、「有する」なる用語は、他の要素又はステップを除外せず、単数形は、複数であることを除外しない。特定の手段が相互に異なる従属項において言及されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが好適に用いられないということを示すものではない。請求項中の任意の参照符号は、本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (15)

1. エアロゾル内の粒子質量を測定するための質量センサであって、
   センサ素子と、
   前記センサ素子を加熱するための加熱素子と、
   前記センサ素子を共振させ、前記センサ素子の共振周波数を検出するためのトランスデューサ素子であって、前記共振周波数は、前記センサ素子上に堆積される粒子の質量に依存する前記トランスデューサ素子と、
   前記加熱素子を動作させ、前記共振周波数において検出される変化に基づいて、加熱の間、前記質量における変化をモニタするためのコントローラと、
   を有する、質量センサ。
2. 前記コントローラが、
   加熱無しの初期サンプリング動作を実施し、
   後続の温度制御を実行する、
   ように構成される、請求項１記載の質量センサ。
3. 異なるタイプの粒子材料のための質量−温度関数に関する情報を有するルックアップテーブルを更に有する、請求項２記載の質量センサ。
4. 前記センサ素子が、共振器本体を持つＭＥＭＳセンサを有する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の質量センサ。
5. 前記加熱素子が、前記共振器本体の表面上に形成された、又は、前記共振器本体に埋め込まれた、加熱トラックを有する、請求項４記載の質量センサ。
6. モニタされる前記エアロゾルを前記センサ素子の方に運ぶためにセンシングサイクルの少なくとも第１の部分の間に動作するサンプル吸入装置を更に有する、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の質量センサ。
7. 粒子質量が測定される粒子サイズの範囲を選択するための粒子フィルタ構成を更に有する、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の質量センサ。
8. 前記センサ素子の近傍において気体センサ素子を更に有する、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の質量センサ。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の質量センサを有する、空気処理装置。
10. エアロゾル内の粒子質量を測定する方法であって、
    センサ素子を共鳴させるステップと、
    前記センサ素子の共振周波数を検出するステップであって、前記共振周波数は、前記センサ素子上に堆積される粒子の質量に依存する前記検出するステップと、
    前記センサ素子を加熱するステップと、
    前記共振周波数において検出される変化に基づいて前記加熱の間の質量における変化をモニタするステップと、
    を有する、方法。
11. 加熱なしに初期サンプリング動作を実施するステップと、
    後続の温度制御を実行するステップと、
    を有する、請求項１０記載の方法。
12. 加熱の間にモニタされた質量における変化から粒子情報を取得するために異なるタイプの粒子材料のための質量−温度関数に関する情報を有するルックアップテーブルを使用するステップを更に有する、請求項１０又は１１に記載の方法。
13. 前記加熱素子が、共振器本体の表面上に形成された加熱トラックを有する、請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の方法。
14. センシングサイクルの少なくとも第１の部分の間に前記センサ素子に向かってモニタされる前記エアロゾルを運ぶステップを更に有する、請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載の方法。
15. エアロゾル汚染がモニタされる粒子サイズの範囲を規定するための粒子フィルタリングを実行するステップを更に有する、請求項１０乃至１４のいずれか１項に記載の方法。

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