颗粒物传感器的制作方法

1.本公开涉及颗粒物传感器。


背景技术：

2.例如，空气传播的颗粒物可以通过不同形式的燃烧、化学过程或机械磨损产生。颗粒的大小在很大范围内变化，一些颗粒在静止的空气中快速沉降，而较小的颗粒可能会保持悬浮更长时间。接触颗粒物会对人体健康有害。此外，一些颗粒充当磨料或污染物，并且会干扰装置的性能。
3.一些用于测量空气中颗粒物的存在、数量和/或大小的技术依赖于光学技术，其中用光学信号照射颗粒，并且检测由颗粒散射的光。


技术实现要素：

4.本公开描述了基于感测由颗粒物散射的光来操作的颗粒物传感器模块。在例如智能手机和其他便携式计算设备的应用中，空间非常宝贵。在某些情况下，为了帮助实现紧凑的颗粒物传感器模块，一个或多个超透镜(metalens)被集成到颗粒物传感器中。
5.在一个方面，例如，本公开描述了一种装置，该装置包括粒子-光相互作用室、光检测器和可操作来产生光的光源，其中光沿着与粒子-光相互作用室相交的第一路径行进；与粒子-光相互作用室相交的流体流动导管。该装置还包括光阱。该装置可操作以使得进入粒子-光相互作用室的光中的至少一些通过沿着朝向光检测器的第二路径与粒子相互作用而被散射，并且其中沿着第一路径行进并且穿过粒子-光相互作用室而不与粒子-光相互作用室中的粒子相互作用的光中的至少一些沿着第三路径行进到光阱。该装置包括超透镜，该超透镜被设置成使得沿着第一路径行进的光穿过超透镜。
6.一些实施方式包括一个或多个以下特征。该装置可以包括反射表面，该反射表面可操作来将光源产生的光朝向粒子-光相互作用室重定向，其中超透镜沿着光源和反射表面之间的第一路径设置。在一些实例中，该装置还包括沿着光源和反射表面之间的第一路径设置的孔。
7.在一些情况下，该装置包括反射表面，该反射表面可操作以将光源产生的光朝向粒子-光相互作用室重定向，其中超透镜沿着反射表面和粒子-光相互作用室之间的第一路径设置。在一些实例下，该装置还包括沿着超透镜和粒子-光相互作用室之间的第一路径设置的孔。
8.在另一方面，本公开描述了一种装置，该装置包括粒子-光相互作用室、光检测器和可操作来产生光的光源，其中光沿着与粒子-光相互作用室相交的第一路径行进；流体流动导管与粒子-光相互作用室相交。该装置还包括光阱。该装置可操作以使得进入粒子-光相互作用室的光中的至少一些通过沿着朝向光检测器的第二路径与粒子相互作用而被散射，并且其中沿着第一路径行进并且穿过粒子-光相互作用室而不与粒子-光相互作用室中的粒子相互作用的光中的至少一些沿着第三路径行进到光阱。该装置还包括超透镜，该超
透镜被设置成使得沿着第三路径行进的光穿过超透镜。
9.一些实施方式包括以下特征中的一个或多个，例如，在一些实施方式中，该装置还包括设置在超透镜和光阱的入口之间的孔。该孔可以具有例如10-100μm范围内的宽度。
10.在一些实例中，该装置包括沿着粒子-光相互作用室和光阱的入口之间的第三路径设置的第一孔和第二孔，其中超透镜设置在第一孔和第二孔之间。在一些情况下，第一孔比第二孔更靠近粒子-光相互作用室，并且超透镜比第二孔更靠近第一孔。
11.在一些实施方式中，超透镜与光源集成在一起。
12.在一些实施方式中，超透镜通过半导体处理技术在光源的顶部直接形成。
13.在一些实施方式中，光源包括单个vcsel。在一些实施方式中，超透镜包括微柱。一些实施方式包括不止一个超透镜。
14.本公开还描述了一种移动计算设备(例如，智能手机)，其包括颗粒物传感器系统，该颗粒物传感器系统包括颗粒物传感器模块、可在移动计算设备上执行并可操作来进行空气质量测试的应用、以及可操作来显示应用的测试结果的显示屏。
15.根据以下详细描述、附图和权利要求，其他方面、特征和优点将变得显而易见。
附图说明
16.图1示出了显示颗粒物传感器模块的第一示例的示意图。
17.图2示出了显示颗粒物传感器模块的第二示例的示意图。
18.图3示出了显示颗粒物传感器模块的第三示例的示意图。
19.图4示出了显示颗粒物传感器模块的第四示例的示意图。
20.图5示出了其中可以集成传感器模块的主机设备的示例。
具体实施方式
21.如图1所示，颗粒物传感器模块20a包括光源22(例如，一个或多个垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser，vcsel)；发光二极管(light emitting diode，led)；或激光二极管)可操作以向反射表面28(例如，镜子)发射光，反射表面28将发射光沿着第一路径30重定向通过一个或多个光孔34a、34b，使得光路径30穿过粒子-光相互作用室40。流体(例如，气溶胶)被泵送通过流体流动导管32，流体流动导管32可以基本上垂直于光路径30。因此，在图示的示例中，光路径30在x方向，流体流动导管32在z方向。当流体流过导管32时，光束在粒子-光相互作用室40中与流体中的颗粒物相互作用。该相互作用将一些光沿着第二路径向可操作来检测散射光的光检测器24(例如，光电二极管)散射。在一些实施方式中，可以提供光管或其他波导42，以将散射光引导至光检测器24，并减小从粒子-光相互作用室40到检测器24的有效距离。不与颗粒物相互作用的光继续沿着第三路径31行进到光阱室36中，以防止这种光被反射回检测器24。
22.检测器24可以被实现为例如光学光电传感器，其可操作来测量单个粒子的信号。在这种情况下，脉冲高度与颗粒尺寸成比例，并且脉冲计数率对应于检测到的颗粒数量。如果所分析的体积的量是已知的(例如，空气流速、测量时间)，则浓度可以例如从检测到的颗粒的数量中导出。质量可以基于假定的折射率和密度来计算。在其他实施方式中，检测器24被实施为光度计或浊度计。检测器24可以被集成到例如半导体芯片中，该半导体芯片也可
以包括用于读取、放大和处理信号的电子器件。在某些情况下，处理电路可以位于单独的芯片中。光源22和检测器24可以安装在基板26(例如印刷电路板)上并与之电连接。
23.在一些实施方式中，第二光检测器44可以安装在基板上，并且可以用于监测从光源22发射的光功率。第二检测器44可以放置在例如光源旁边或光阱室36中的孔下方。
24.在例如智能手机和其他便携式计算设备(如笔记本电脑、平板电脑、可穿戴装置、个人数字助理(personal digital assistant，pda))等应用中，空间非常宝贵。为了帮助实现紧凑的颗粒物传感器模块，可以将一个或多个透镜集成到颗粒物传感器中。具体地，一个或多个超透镜可以集成到颗粒物传感器模块中。超透镜可以由微柱构成，微柱可以被刻蚀到例如沉积在玻璃基板上的非晶硅层中。在一些情况下，非晶硅层的厚度约为500nm，玻璃基板的厚度约为100至400um。因此，超透镜的总厚度仍然足够薄，可以集成在非常小的传感器中。在以下段落中描述了包括超透镜的实施方式的特定示例。
25.在一些实施方式中，超透镜设置在光源22和粒子-光相互作用室40之间的光束路径中，以帮助使光束准直(即，减小发散角)。超透镜的设计角度优选应该导致光仍然基本上覆盖粒子-光相互作用室40的整个体积。因此，超透镜的设计角度取决于超透镜放置的位置。例如，通常，将超透镜放置得更靠近光源22可能需要更大的角度来覆盖给定的相同体积的粒子-光相互作用室40。如图1的示例所示，超透镜100沿着光源22和反射表面28之间的光路径30设置(例如，就在孔34c之后)。另一方面，在图2的颗粒物传感器模块20b中，超透镜102沿着反射表面28和粒子-光相互作用室40之间的光路径30设置，例如，在孔34a的入口处。在一些情况下，将超透镜放置在如图1所示的位置可能是有利的，因为与必须将超透镜放置在如图2所示的垂直定向的孔34a上相比，可以从顶部更容易地处理放置和对准。
26.图1和2的实施方式在一些实施中可以提供各种优点。例如，由于使用超透镜进行光束整形，能量损失很少或没有。因此，传感器20a或20b可以使用更大百分比的发射光用于粒子检测(例如，在一些情况下，80-90％)，而不是仅使用相对小百分比的发射光用于粒子检测(例如，仅10-20％)。能量效率的提高对于智能手机和其他应用来说非常重要。因此，在一些情况下，可以使用单个vcsel作为光源22，而不是使用多个vcsel作为光源22。这减小了芯片尺寸和设计，并允许更好的热管理。此外，结合超透镜100或102可以帮助减少传感器中的杂散光量。此外，超透镜100或102可用于整形光强分布，使其在整个相互作用体积上更均匀。
27.在一些实施方式中，超透镜可以与光源22集成。在一些实施方式中，超透镜可以直接设置在光源22的顶部。例如，光源22可以使用半导体处理技术来产生，并且超透镜可以在半导体处理期间在光源22的顶部直接形成。在一些实施方式中，超透镜可以作为光源顶部的材料层产生，然后这些层可以被处理以形成超透镜。例如，光源22可以是作为vcsel堆叠通过半导体处理产生的vcsel，并且材料层可以被添加到vcsel堆叠，然后被处理以形成超透镜。在一些实施方式中，与光源22集成的超透镜可以提供各种优点。例如，与光源22集成的超透镜可以降低生产传感器模块的总成本。此外，将超透镜与光源22集成可以提高光源22和超透镜之间的对准精度，例如因为在传感器模块的组装期间不需要对准超透镜。与光源22集成的超透镜也可以通过进一步增加用于粒子检测的光量来进一步提高传感器模块的能量效率。此外，与光源22集成的超透镜可以进一步减小传感器模块的整体尺寸，这对于智能手机和其他应用是重要的。与光源22集成的超透镜也可以降低由粒子散射的光量对粒
子和检测器24之间距离的依赖性，从而进一步整形光强分布，使其在整个相互作用体积上更均匀，并且因此最小化粒子直径检测误差。
28.在许多应用中，进入粒子-光相互作用室40的光中的大部分穿过光阱36，因为被室40中的粒子散射的光量极小。因此，光阱36的效率是重要的，并且优选地应该防止尽可能多的光被反射回检测器24。图3和图4示出了可以帮助解决这个问题的设计。
29.如图3所示，例如，颗粒物传感器模块20c包括设置在粒子-光相互作用室40的出口和光阱36的入口之间的光路径31中的超透镜104。超透镜104有助于将穿过室40的光聚焦通过紧接超透镜104之后设置在光路径31中的小孔34d。超透镜104和小孔34d的组合可以帮助减少反射回光检测器24上的光量。在一些情况下，孔34d采取宽度在10-100μm范围内的狭缝的形式。
30.如图4所示，颗粒物传感器模块20d包括沿着粒子-光相互作用室40的出口和光阱36的入口之间的光路径31设置的第一孔34e和第二孔34f。更靠近室40的第一孔34a大于第二孔34f。超透镜106设置在第一孔34e的正后方。超透镜106有助于将穿过室40的光聚焦通过小孔34f。在一些情况下，孔34f采取宽度在10-100μm范围内的狭缝的形式。这种配置也有助于减少反射回光检测器24上的光量。
31.一些实施方式可以包括在沿着光路径的不止一个位置处的相应超透镜。例如，第一超透镜可以如图1或图2所示设置，第二超透镜可以如图3或图4所示设置。
32.如图5所示，包括颗粒物传感器模块(例如模块20a、20b、20c或20d)的颗粒物传感器系统450可以结合到例如智能手机(如图所示)、平板电脑或可穿戴计算设备的移动或手持计算设备452中。例如在移动计算设备452上执行的应用的控制下，颗粒物传感器系统450可由用户操作以进行空气质量测试。测试结果可以显示在移动计算设备452的显示屏454上以例如向用户提供关于用户环境中空气质量的基本即时的反馈。
33.这里描述的颗粒物传感器系统也可以结合到其他设备中，例如空气净化器或空调单元；或者用于其他应用，例如汽车应用或工业应用。
34.各种修改将是显而易见的，并且可以对前述示例进行修改。在一些情况下，结合不同实施例描述的特征可以被结合到相同的实施方式中，并且结合前述示例描述的各种特征可以从一些实施方式中省略。因此，其他实施方式也在权利要求的范围内。