CN104089862A - 用于检测空气中颗粒的装置和方法以及包括该装置的可穿戴设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于检测空气中颗粒的装置和方法，以及包括该装置的可穿戴设备。该装置包括：由硅基材料制成的上部部分和下部部分；上部部分和下部部分之间形成的测量室包括侧表面，以及彼此平行的上表面和下表面，侧表面相对于上表面倾斜；至少一个发光元件，设置在所述测量室中且包括具有发射口的第一侧面，发射口用于沿着平行于所述上表面且朝着所述侧表面的方向发射光；至少一个感光元件，至少一个感光元件位于测量室中且邻近至少一个发光元件的与第一侧面相对的第二侧面而设置；至少一个发光元件所发射的光经所述颗粒散射到达至少一个感光元件；至少一个感光元件用于检测经颗粒散射到达至少一个感光元件的光信号，以获得颗粒检测结果。

Description

用于检测空气中颗粒的装置和方法以及包括该装置的可穿戴设备

技术领域

本发明涉及烟雾检测、预防医学、照明、可穿戴式电子等领域，尤其涉及用于检测空气中颗粒的方法和装置，以及包括该装置的可穿戴设备。

背景技术

现有的颗粒物质(PM)传感器大多是基于微机电系统(MEMS)的颗粒物质传感器，通常包括以下部件：微流体通道，用于根据颗粒尺寸来分离颗粒；微加工的薄膜体声波谐振器(FBAR)，FBAR对质量敏感，即在FBAR上的质量加载会导致其谐振频率变化，而且频率变化速率对应于采样空气体积中的颗粒浓度；以及CMOS驱动器，FBAR连接到该CMOS驱动器，作为皮尔斯振荡器。

一种颗粒物质传感器是使用FBAR的、三片堆叠的MEMS，其能够测量PM2.5的质量浓度，灵敏度可达到2μg/m³，但只能累积使用10分钟，因此不可能实现实时反馈；而且，使用三片堆叠的MEMS传感器和多个制造步骤增加了这种传感器的总成本；此外，为了记录测量结果，需要电脑控制的频谱分析仪，并使用特定的计算机程序进行跟踪，因此，这种传感器是不可能包含在可穿戴的设备中。

另一种基于MEMS技术的颗粒物质传感器使用了基于颗粒计数器的电晕放电原理，虽然这种设备体积小，但需要高电压(千伏量级)来进行测量，因此也不可能包含在可穿戴的设备。

还有一些颗粒物质传感器，使用现成的商用(COTS)尘埃传感器，虽然较廉价，但只能获得不精确的、粗略的读数，而在一些场合中，这种粗略的读数是不满足要求的。此外，这种传感器本身体积相对较大，且需要连接其他外部装置来配合使用，因此，也不可能包含在任何可穿戴部件中。

其他的颗粒物质传感器虽然是可携带的，但它们仍然较昂贵且尺寸较大，对于使用者来说是不经济的，而且导致随身携带时的不适。

上述现有的颗粒物质传感器由于其本身的结构及工作原理所限，在预防医学领域，以及以下领域中存在很多局限性，很难同时满足这些领域的要求：

1)城市检测：在已提出的城市检测方案中，为了建立市区的噪声污染地图，可以使用颗粒物质传感器来测绘危险区域，并标记污染严重的地区。为了提供更高的空间和时间分辨率，需要提供便携的、可移动的、结构简单的颗粒物质传感器。但相对于昂贵的固定设备来说，目前的简单的颗粒物质传感器所获得的准确度通常较低，因此，需要开发准确度高、可靠性强的颗粒物质传感器。另外，需要降低颗粒物质传感器的成本，从而允许发展中国家建立经济的用于空气质量监测的测量网。

2)个人生活日志：颗粒物质传感器可应用于存在潜在危险的环境中，如煤矿或木工车间。这些环境因素与健康高度相关，因此，要求颗粒物质传感器具有高灵敏度。

3)个人信息：对于不同个体来说，在环境中长期和短期暴露的情况可能存在很大差别，因此任何单一的标准或准则都不能完全地保护每个人。尤其对于高风险人群，必须确保他们不会过度暴露于高浓度的颗粒物物质，例如由于室内污染物和/或吸烟产生的烟雾导致室内的空气质量非常差的情况。而现有的低成本、便携式的颗粒物质传感器，例如售价为几美元的、廉价的紫外线测量仪或温度计之类的商品，只能给出粗略的读数，准确度很低。因此，需要开发低成本、精确度高的颗粒物质传感器。

由此，开发低成本、可穿戴的、高灵敏度的、准确度高、可靠性强的空气监测装置是非常必要的。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明，以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的用于检测空气中颗粒的装置和方法，以及包括该装置的可穿戴设备。

依据本发明的第一方面，提供了一种用于检测空气中颗粒的装置，包括：上部部分和下部部分，所述上部部分和所述下部部分由硅基材料制成；所述上部部分和所述下部部分之间形成有测量室，所述测量室包括上表面、下表面和侧表面，所述上表面和所述下表面彼此平行，所述侧表面相对于所述上表面倾斜；至少一个发光元件，设置在所述测量室中且包括具有发射口的第一侧面，所述发射口用于沿着平行于所述上表面且朝着所述侧表面的方向发射光；至少一个感光元件，所述至少一个感光元件位于所述测量室中且邻近所述至少一个发光元件的第二侧面而设置，所述第二侧面与所述第一侧面相对；所述至少一个发光元件所发射的光经所述颗粒散射到达所述至少一个感光元件；所述至少一个感光元件用于检测经所述颗粒散射到达所述至少一个感光元件的光信号，以获得颗粒检测结果。

可选地，在根据本发明的实施例的用于检测空气中颗粒的装置中，其中经所述颗粒散射到达所述至少一个感光元件的光信号包括经所述颗粒散射后到达所述至少一个感光元件的第一光信号，以及经所述颗粒散射并经所述侧表面、所述上表面和所述下表面中的至少一个表面反射到达所述至少一个感光元件的第二光信号。

可选地，在根据本发明的实施例的用于检测空气中颗粒的装置中，其中所述侧表面形成有铝层。

可选地，在根据本发明的实施例的用于检测空气中颗粒的装置中，其中所述上表面和所述下表面形成有氮化硅层；并且当所述至少一个发光元件所发射的光不经颗粒散射时，所述所发射的光经所述侧表面反射后，在所述上表面和所述下表面之间多次反射，并且所发射的光的一部分在到达所述至少一个感光元件之前被所述氮化硅层吸收。

可选地，在根据本发明的实施例的用于检测空气中颗粒的装置中，其中所述至少一个发光元件是激光二极管，所述至少一个感光元件是光敏二极管。

可选地，在根据本发明的实施例的用于检测空气中颗粒的装置中，其中所述至少一个发光元件所发射的光具有根据所述颗粒的尺寸和/或组成而预先设定的波长。

可选地，在根据本发明的实施例的用于检测空气中颗粒的装置中，其中所述至少一个发光元件设置在所述上部部分中，其中所述下部部分还包括凹入的感光腔，所述至少一个感光元件设置在所述感光腔内。

可选地，在根据本发明的实施例的用于检测空气中颗粒的装置中，其中所述装置还包括设置在所述上部部分中的出口、设置在所述下部部分中的入口，以及设置在所述上部部分和所述下部部分之间的流动通道，所述入口和所述出口通过所述流动通道与所述测量室连接。

可选地，在根据本发明的实施例的用于检测空气中颗粒的装置中，其中所述入口和所述出口的形状为圆形，所述流动通道沿着所述入口和所述出口的切线方向连接到所述入口和所述出口。

可选地，在根据本发明的实施例的用于检测空气中颗粒的装置中，所述至少一个感光元件用于检测经所述颗粒散射到达所述至少一个感光元件的光信号的光通量，以获得空气中的颗粒个数或颗粒的质量浓度，作为所述颗粒检测结果。

可选地，在根据本发明的实施例的用于检测空气中颗粒的装置中，其中所述至少一个感光元件还用于在所述测量室中的空气没有颗粒存在的情况下，检测经所述侧表面、所述上表面和所述下表面所反射的光信号，作为背景信号；并且所述至少一个感光元件还用于根据所述背景信号以及所检测到的经所述颗粒散射到达所述至少一个感光元件的光信号，获得空气中的颗粒个数或颗粒的质量浓度，作为所述颗粒检测结果。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于检测空气中颗粒的可穿戴设备，包括如前所述的用于检测空气中颗粒的装置。

根据本发明的第三方面，提供一种用于检测空气中颗粒的方法，包括：由至少一个发光元件经发射口沿着平行于测量室的上表面且朝着所述测量室的侧表面的方向发射光，以照射所述测量室，所述测量室形成在由硅基材料制成的上部部分和下部部分之间，所述测量室包括所述上表面、下表面和所述侧表面，所述上表面和所述下表面彼此平行，所述侧表面相对于所述上表面倾斜，所述至少一个发光元件设置在所述测量室中且包括具有所述发射口的第一侧面；使所述至少一个发光元件所发射的光经所述颗粒散射到达所述至少一个感光元件，所述至少一个感光元件位于所述测量室中且邻近所述至少一个发光元件的第二侧面而设置，所述第二侧面与所述第一侧面相对；所述至少一个感光元件检测经所述颗粒散射到达所述至少一个感光元件的光信号；以及根据检测到的经所述颗粒散射到达所述至少一个感光元件的光信号，获得颗粒检测结果。

可选地，在根据本发明的实施例的用于检测空气中颗粒的方法中，其中由至少一个发光元件发射光以照射测量室的步骤包括：根据所述颗粒的尺寸和/或组成，由至少一个发光元件发射具有预先设定波长的光，以照射所述测量室。

可选地，在根据本发明的实施例的用于检测空气中颗粒的方法中，其中使所述至少一个发光元件所发射的光经所述颗粒散射到达所述至少一个感光元件包括：使所述至少一个发光元件所发射的光经所述颗粒散射后到达所述至少一个感光元件，或者使所述至少一个发光元件所发射的光经所述颗粒散射并经所述侧表面、所述上表面和所述下表面中的至少一个表面反射到达所述至少一个感光元件；所述至少一个感光元件检测经所述颗粒散射到达所述至少一个感光元件的光信号包括：所述至少一个感光元件检测经所述颗粒散射后到达所述至少一个感光元件的第一光信号和经所述颗粒散射并经所述侧表面、所述上表面和所述下表面中的至少一个表面反射到达所述至少一个感光元件的第二光信号；并且根据检测到的经所述颗粒散射到达所述至少一个感光元件的光信号，获得颗粒检测结果包括：根据所述第一光信号和所述第二光信号，获得颗粒检测结果。

可选地，在根据本发明的实施例的用于检测空气中颗粒的方法中，根据检测到的经所述颗粒散射到达所述至少一个感光元件的光信号，获得颗粒检测结果包括：根据检测到的经所述颗粒散射到达所述至少一个感光元件的光信号的光通量，获得空气中的颗粒个数或颗粒的质量浓度，作为所述颗粒检测结果。

可选地，在根据本发明的实施例的用于检测空气中颗粒的方法中，其中所述方法还包括：在所述测量室中的空气没有颗粒存在的情况下，用所述至少一个感光元件检测由所述侧表面、所述上表面和所述下表面所反射的光，作为背景信号，并且根据检测到的经所述颗粒散射到达所述至少一个感光元件的光信号，获得颗粒检测结果包括：根据所述背景信号和检测到的经所述颗粒散射到达所述至少一个感光元件的光信号，获得颗粒检测结果。

本发明提供了上述用于检测空气中颗粒的装置和方法，以及包括该装置的可穿戴设备。根据本发明的实施例，用于检测空气中颗粒的装置和方法以及包括该装置的可穿戴设备具有如下优点：尺寸小，其物理尺寸范围为1微米至几毫米；功耗低，允许长时间工作，可实现实时记录和反馈；成本低，单个装置的成本与COTS灰尘传感器相似；易于修改或集成到系统；高度防震、抗冲击且耐辐射；针对颗粒物质的灵敏度高、可靠性强；以及可大批量生产。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是根据本发明的实施例的用于检测空气中颗粒的装置的结构示意图；

图2A是根据本发明的实施例的在测量室内空气中不存在颗粒的情况下，发光元件发射的光的轨迹的示意图；

图2B是根据本发明的实施例的在测量室内空气中存在颗粒的情况下，发光元件发射的光的轨迹的示意图；

图3是根据本发明的实施例的用于检测空气中颗粒的方法的流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。应当理解，本领域技术人员能够设想出尽管没有在本说明书中明确描述或者记载、但是实现了本发明并且包含在本发明精神、原理与范围内的各种结构。本说明书中引述的所有例子与条件性语言都是出于说明和教导的目的，以帮助读者理解发明人对现有技术作出贡献的原理与概念，并且应该被理解为不限于这些具体引述的例子与条件。此外，为了更清楚地说明，省略了对于已知装置、电路和方法的详细描述，以不混淆本发明的描述。应理解，除非特别说明，此处描述的各实施方式中的特征可以互相组合。

在本发明的实施例中，颗粒物质可以是大气中的固体或液体颗粒状物质，包括由天然污染源和人为污染源释放到大气中直接造成污染的颗粒物，例如燃烧烟尘，以及由大气中某些污染气体组分(如二氧化硫)之间或这些组分与大气中的正常组分(如氧气)之间通过化学反应转化生成的颗粒物质，例如，二氧化硫转化生成硫酸盐。颗粒物质可包括气体动力学直径小于10微米(PM10)或小于2.5微米(PM2.5)的颗粒。

图1示出了根据本发明的实施例的用于检测空气中颗粒的装置100的结构示意图。如图1所示，在本发明的实施例中，该装置100包括：上部部分140和下部部分150，所述上部部分140和所述下部部分150由硅基材料制成；所述上部部分140和所述下部部分150之间形成有测量室101，所述测量室包括上表面113、下表面111和侧表面110，所述上表面113和所述下表面111彼此平行，所述侧表面110相对于所述上表面113倾斜；至少一个发光元件120，设置在所述测量室101中且包括具有发射口的第一侧面121，所述发射口用于沿着平行于所述上表面113且朝着所述侧表面110的方向发射光；至少一个感光元件130，所述至少一个感光元件130位于所述测量室101中且邻近所述至少一个发光元件120的第二侧面122而设置，所述第二侧面122与所述第一侧面121相对；所述至少一个发光元件120所发射的光经所述颗粒散射到达所述至少一个感光元件130；所述至少一个感光元件130用于检测经所述颗粒散射到达所述至少一个感光元件130的光信号，以获得颗粒检测结果。

根据本发明的实施例的用于检测空气中颗粒的装置100，使从至少一个发光元件120所发射的光须经测量室101内空气中的颗粒散射，或经颗粒散射并经侧表面110、上表面113和下表面111中的至少一个表面反射，才能到达至少一个感光元件130，排除了直接从发光元件120所发射的、未经反射或散射的光对颗粒检测结果的干扰，使装置100更加灵敏、更加准确；此外，这种设计不需要额外的部件来阻挡或过滤直接从发光元件120所发射的光，使装置100的结构更加简单，可制造成更小的体积，便于集成、便于携带，而且也降低了成本，有利于大规模生产。此外，装置100的上部部分140和下部部分150由硅基材料制成，便于加工，可以制造成更小的体积，同时保证装置100的各部件的高度精密性。

可选地，上部部分140和下部部分150可通过机械连接装置连接，也可胶合在一起，可也以通过其他方式连接。装置110的这种设置结构简单，便于组装和维修。

在本发明的一个示例性实施例中，所述至少一个发光元件120设置在所述上部部分140中，其中所述下部部分150还包括凹入的感光腔131，所述至少一个感光元件130设置在所述感光腔131内。可选地，至少一个发光元件120和至少一个感光元件130可均设置在上部部分140中。可选地，至少一个发光元件120和至少一个感光元件130可均设置在下部部分150中。通过将至少一个感光元件130设置在凹入的感光腔131内，能够有效地控制感光元件130的检测区域范围，避免感光元件130检测到不经颗粒散射而直接到达感光元件130的光，从而提高了装置100的准确性和灵敏度。

在本发明的一个示例性实施例中，所述装置100还包括设置在所述上部部分140中的出口141、设置在所述下部部分150中的入口151，以及设置在所述上部部分140和所述下部部分150之间的流动通道152，所述出口141和所述入口151通过所述流动通道152与所述测量室101连接。可选地，出口141也可设置在下部部分150中，入口151也可设置在上部部分140中。可选地，出口141和入口151均可设置在上部部分140中。可选地，出口141和入口151均可设置在下部部分150中。

在本发明的一个示例性实施例中，所述出口141和所述入口151的形状为圆形，所述流动通道152沿着所述出口141和所述入口151的切线方向连接到所述出口141和所述入口151。这种设计有助于空气在出口141、流动通道152、测量室101和入口151之间流通，使装置100能够实时检测空气中的颗粒。可选地，所述出口和所述入口可以是矩形的，所述流动通道沿着所述入口和所述出口的侧边连接到所述入口和所述出口。

在本发明的一个示例性实施例中，所述至少一个发光元件120是激光二极管(laser diode)，所述至少一个感光元件130是光敏二极管。可选地，至少一个发光元件120可以是其他发光二极管(light emitting diode,LED)，例如有机发光二极管(organic light emitting diode,OLED)，也可以是其它可被集成或商业上可获得的任何发光元件。可选地，至少一个感光元件130可以是图像传感器、光敏电阻、或光敏三极管，也可以是其它可被集成或商业上可获得的任何感光元件。例如，对于移动电话、平板电脑、笔记本电脑、照相机和摄像机等配备摄像头的电子设备，感光元件就可以是摄像头，即CCD或CMOS图像传感器；而对于可穿戴设备等体积较小的电子设备，至少一个感光元件130可以是光敏二极管、光敏电阻、或光敏三极管。本领域技术人员应当理解，列出上述发光元件和感光元件的具体实例仅为了帮助读者理解本发明的原理，本发明的范围并不限于上述实例，而是可以涵盖任何发光元件和感光元件。

在本发明的一个示例性实施例中，所述至少一个发光元件120所发射的光具有根据所述颗粒的尺寸和/或组成而预先设定的波长。颗粒尺寸和/或组成不同，颗粒散射光的特征也不同。对于具有特定的尺寸和/或组成的颗粒，其对不同波长的光发生散射的灵敏度也不相同。因此，可根据颗粒的尺寸和/或组成，预先设定至少一个发光元件120所发射的光的波长，从而提高装置100的灵敏度。可选地，至少一个发光元件120所发射光的波长也可以根据其他参数来预先设定，例如侧表面110的反射系数、感光元件130的光学特性等等。可选地，也可以预先设定发光元件120所发射光的其他参数，例如幅度、相位、频率等。

在本发明的一个示例性实施例中，所述侧表面110形成有铝层。

在本发明的一个示例性实施例中，所述上表面和所述下表面形成有氮化硅层；并且当所述至少一个发光元件所发射的光不经颗粒散射时，所述所发射的光经所述侧表面反射后，在所述上表面和所述下表面之间多次反射，并且所发射的光的一部分在到达所述至少一个感光元件之前被所述氮化硅层吸收。

图2A示出了当测量室101内空气中不存在颗粒的情况下，发光元件120发射的光的轨迹的示意图。如图2A所示，当发光元件120发射光时，光从设置在第一侧面121上的发射口，沿着平行于上表面113且朝着侧表面110的方向发射。当测量室101内空气中不存在颗粒时，从发光元件120发射的光首先到达侧表面110并经侧表面110反射。可选地，侧表面110形成有铝层，能够提高光反射的效率，保证了测量室101有足够的光来发生颗粒散射，使感光元件130能够检测到足够量的散射光，从而提高装置100的准确性和灵敏度。可选地，也可以在测量室101中设置其他光学元件来反射发光元件所发射的光，例如平面镜、全反射棱镜等。所发射的光经所述侧表面110反射后，在所述上表面113和所述下表面111之间多次反射，并且在到达所述至少一个感光元件130之前，被上表面113和下表面111上形成的氮化硅层吸收，而无法到达感光元件130，进一步提高了装置100的准确性和灵敏度。

在本发明的一个示例性实施例中，经所述颗粒散射到达所述至少一个感光元件130的光信号包括经所述颗粒散射后到达所述至少一个感光元件130的第一光信号，以及经所述颗粒散射并经所述侧表面110、所述上表面113和所述下表面111中的至少一个表面反射到达所述至少一个感光元件130的第二光信号。

图2B示出了当测量室101内空气中存在颗粒的情况下，经所述颗粒散射到达所述至少一个感光元件130的光信号。如图2B所示，来自发光元件120的光可直接经颗粒散射而到达感光元件130，感光元件130检测经颗粒散射后到达感光元件130的第一信号。可选地，来自发光元件120的光可经一次或多次散射以及一次或多次反射而到达感光元件130；例如，来自发光元件120的光可经颗粒散射后再经侧表面110、上表面113和下表面111中的至少一个表面反射，或者，经侧表面110、上表面113和下表面111中的至少一个表面反射后再经颗粒散射而到达感光元件130。感光元件130检测经所述颗粒散射并经侧表面110、所述上表面113和所述下表面111中的至少一个表面反射到达感光元件130的第二信号。可选地，到达感光元件130的光包括经颗粒散射后到达感光元件130的第一光信号，以及经散射和反射到达感光元件130的第二光信号。

在本发明的一个示例性实施例中，至少一个感光元件130可用于检测经所述颗粒散射到达所述至少一个感光元件130的光信号的光通量，以获得空气中的颗粒个数或颗粒的质量浓度，作为所述颗粒检测结果。可选地，感光元件130也可用于检测经所述颗粒散射到达感光元件130的光信号的其他特性，例如幅度、强度等。

在本发明的一个示例性实施例中，装置100通过确定空气中的颗粒个数或颗粒的质量浓度，可以对空气质量进行评估。可选地，根据颗粒检测结果来确定空气中的颗粒个数，可以在很短的时间间隔(1秒)内测量。可选地，通过假设未知环境的颗粒负载的特性，可将所获得的颗粒个数转换为颗粒的质量浓度(微克/m³)。通过装置100的颗粒检测结果来确定空气中的颗粒个数或颗粒的质量浓度，成本低、容易使用，且可应用于多个领域，例如在流行病学研究中，可用来评估空气污染对颗粒物质可变性的影响。为了测试器件的灵敏度，采用直径为2.5微米的聚合物胶乳小球来进行测试。聚合物胶乳小球尺寸均匀，可以保证数据的合理性。当聚合物胶乳小球从出口141进入测量室101后，会对发光元件120发出的光进行散射，散射后的光将会被光感元件130检测到。乳胶小球的数量将直接导致光感元件130检测到光的光通量的变化。此外，聚合物胶乳小球的不同尺寸和不同材质，对感光元件最终检测到的光通量的变化都会有影响。可选地，可针对实际情况，例如，聚合物胶乳小球的尺寸和材质，对装置100所计算的数值进行校准，以提高其准确性。可选地，可根据已知的聚合物胶乳小球的数量和所测量到的经聚合物胶乳小球所散射的光信号的光通量，以及所测量到的经空气中颗粒所散射的光信号的光通量，获得空气中的颗粒个数或颗粒的质量浓度，作为所述颗粒检测结果。

在本发明的一个示例性实施例中，所述至少一个感光元件130还用于在所述测量室101中的空气没有颗粒存在的情况下，检测经所述侧表面110、所述上表面113和所述下表面111所反射的光信号，作为背景信号；并且所述至少一个感光元件130还用于根据所述背景信号以及所检测到的经所述颗粒散射到达所述至少一个感光元件的光信号，获得空气中的颗粒个数或颗粒的质量浓度，作为所述颗粒检测结果。可选地，也可参考测量室101的容积和空气流动速率，来确定空气中的颗粒个数或颗粒的质量浓度，从而评估所监测的空气质量。

在所述测量室101中的空气没有颗粒存在的情况下，如图2A所示，感光元件检测经侧表面110、上表面113和下表面111所反射的光信号，作为背景信号。可选地，该背景信号可以是经侧表面110、上表面113和下表面111所反射的光的光通量。

在测量室101中的空气存在颗粒的情况下，感光元件检测由测量室101内空气中的颗粒所散射的光，以生成颗粒检测结果。如图2B所示，当一个直径为2.5微米的颗粒进入测量室101时，发光元件所发射出的光被该PM2.5颗粒所散射，感光元件检测由该颗粒所散射的光，获得颗粒检测结果。可选地，该颗粒检测结果可以是该颗粒所散射的光的光通量。装置100可根据颗粒检测结果和背景信号，确定空气中的颗粒个数或颗粒的质量浓度。可选地，也可参考测量室101的容积和空气流动速率，来确定空气中的颗粒个数或颗粒的质量浓度，从而评估所监测的空气质量。

可选地，装置100还可包括用于促进所述测量室内空气流动的风扇或泵，以使空气从出口141经通道152进入测量室101，促进测量室101内的空气流动，并在测量结束后使空气经通道152流出测量室101。

可选地，装置100还包括外壳，用于容纳测量室101、发光元件和感光元件，以提供机械稳定性并防止外部光进入测量室101。

依据本发明的第二方面，提供了一种用于检测空气中颗粒的可穿戴设备，包括如前所述的根据本发明的用于检测空气中颗粒的装置100。可选地，可穿戴设备可以是常见的生活用品或装饰品，包括但不限于：戒指、耳环、项链、钮扣、皮带、鞋带、钥匙、钥匙扣、卡片、钱包、移动电话外壳和保护壳、杯子、箱包、笔等。依据本发明的这种可穿戴设备具有如下优点：尺寸小，其物理尺寸范围为1微米至几毫米；功耗低，允许长时间工作，可实现实时记录和反馈；成本低，单个装置的成本与COTS灰尘传感器相似；易于修改或集成到系统；高度防震、抗冲击且耐辐射；针对颗粒物质的灵敏度高、可靠性强；以及可大批量生产。

依据本发明的第三方面，提供了一种用于检测空气中颗粒的方法200。

如图3所示，方法200包括步骤201：由至少一个发光元件120经发射口沿着平行于测量室101的上表面113且朝着所述测量室的侧表面110的方向发射光，以照射所述测量室101，所述测量室101形成在由硅基材料制成的上部部分140和下部部分150之间，所述测量室101包括所述上表面113、下表面111和所述侧表面110，所述上表面113和所述下表面111彼此平行，所述侧表面110相对于所述上表面113倾斜，所述至少一个发光元件130设置在所述测量室101中且包括具有所述发射口的第一侧面121；步骤202：使所述至少一个发光元件120所发射的光经所述颗粒散射到达所述至少一个感光元件130，所述至少一个感光元件130位于所述测量室101中且邻近所述至少一个发光元件的第二侧面122而设置，所述第二侧面122与所述第一侧面121相对；步骤203：所述至少一个感光元件130检测经所述颗粒散射到达所述至少一个感光元件130的光信号；以及步骤204：根据检测到的经所述颗粒散射到达所述至少一个感光元件130的光信号，获得颗粒检测结果。

可选地，至少一个发光元件120、至少一个感光元件130、上部部分140、下部部分150以及测量室101的上表面113、下表面111、侧表面110等部件可具有如前所述的装置100中的结构或功能。为了简要目的，在此不再赘述。

根据本发明的实施例的用于检测空气中颗粒的方法200，使从至少一个发光元件120所发射的光须经测量室101内空气中的颗粒散射，或经颗粒散射并经侧表面110、上表面113和下表面111中的至少一个表面反射，才能到达至少一个感光元件130，排除了直接从发光元件120所发射的、未经反射或散射的光对颗粒检测结果的干扰，使方法200灵敏度更高、更加准确；此外，方法200不需要使用额外的步骤来阻挡或过滤直接从发光元件120所发射的光，使方法200的应用更加简单，降低了成本，有利于大规模使用。此外，方法200使用由硅基材料制成的上部部分140和下部部分150，其易于加工，可以制造成更小的体积，同时保证方法200中所使用的各部件的高度精密性。

在本发明的一个示例性实施例中，步骤201包括：根据所述颗粒的尺寸和/或组成，由至少一个发光元件120发射具有预先设定波长的光，以照射所述测量室101。颗粒尺寸和/或组成不同，颗粒散射光的特征也不同。对于具有特定的尺寸和/或组成的颗粒，其对不同波长的光发生散射的灵敏度也不相同。因此，可根据颗粒的尺寸和/或组成，使至少一个发光元件120发射具有预定波长的光，以照射测量室101，从而提高方法200的灵敏度。可选地，也可以根据其他参数来预先设定至少一个发光元件120所发射光的波长，例如侧表面110的反射系数、感光元件130的光学特性等等。可选地，也可以预先设定发光元件120所发射光的其他参数，例如幅度、相位、频率等。

在本发明的一个示例性实施例中，步骤204包括：根据检测到的经所述颗粒散射到达所述至少一个感光元件130的光信号的光通量，获得空气中的颗粒个数或颗粒的质量浓度，作为所述颗粒检测结果。可选地，也可根据检测到的经所述颗粒散射到达所述至少一个感光元件130的光信号的其他特性，例如幅度、强度等，获得空气中的颗粒个数或颗粒的质量浓度，作为所述颗粒检测结果。

通过确定空气中的颗粒个数或颗粒的质量浓度，可以对空气质量进行评估。可选地，根据颗粒检测结果来确定空气中的颗粒个数，可以在很短的时间间隔(1秒)内测量。可选地，通过假设未知环境的颗粒负载的特性，可将所获得的颗粒个数转换为颗粒的质量浓度(微克/m³)。通过方法200的颗粒检测结果来确定空气中的颗粒个数或颗粒的质量浓度，成本低、容易使用，且可应用于多个领域，例如在流行病学研究中，可用来评估空气污染对颗粒物质可变性的影响。为了测试器件的灵敏度，采用直径为2.5微米的聚合物胶乳小球来进行测试。聚合物胶乳小球尺寸均匀，可以保证数据的合理性。当聚合物胶乳小球从出口141进入测量室101后，会对发光元件120发出的光进行散射，散射后的光将会被光感元件130检测到。乳胶小球的数量将直接导致光感元件130检测到光的光通量的变化。此外，聚合物胶乳小球的不同尺寸和不同材质，对感光元件最终检测到的光通量的变化都会有影响。可选地，可针对实际情况，例如，聚合物胶乳小球的尺寸和材质，对方法200所计算的数值进行校准，以提高其准确性。可选地，可根据已知的聚合物胶乳小球的数量和所测量到的经聚合物胶乳小球所散射的光信号的光通量，以及所测量到的经空气中颗粒所散射的光信号的光通量，获得空气中的颗粒个数或颗粒的质量浓度，作为所述颗粒检测结果。

在本发明的一个示例性实施例中，所述方法200还包括：在所述测量室101中的空气没有颗粒存在的情况下，用所述至少一个感光元件130检测由所述侧表面110、所述上表面113和所述下表面111所反射的光，作为背景信号，并且步骤204包括：根据所述背景信号和检测到的经所述颗粒散射到达所述至少一个感光元件130的光信号，获得颗粒检测结果。

在所述测量室101中的空气没有颗粒存在的情况下，用感光元件130检测经所述侧表面110、所述上表面113和所述下表面111所反射的光信号，作为背景信号。可选地，该背景信号可以是经所述侧表面110、所述上表面113和所述下表面111所反射的光的光通量。根据所述背景信号和检测到的经所述颗粒散射到达所述至少一个感光元件130的光信号，获得颗粒检测结果。可选地，也可参考测量室101的容积和空气流动速率，来确定空气中的颗粒个数或颗粒的质量浓度，从而评估所监测的空气质量。

在本发明的一个示例性实施例中，步骤202包括：使所述至少一个发光元件120所发射的光经所述颗粒散射后到达所述至少一个感光元件130，或者使所述至少一个发光元件120所发射的光经所述颗粒散射并经侧表面110、上表面113和下表面111中的至少一个表面反射到达所述至少一个感光元件130；步骤203包括：至少一个感光元件130检测经颗粒散射后到达至少一个感光元件130的第一光信号和经所述颗粒散射并经所述侧表面110、所述上表面113和所述下表面111中的至少一个表面反射到达所述至少一个感光元件130的第二光信号；并且步骤204包括：根据所述第一光信号和所述第二光信号，获得颗粒检测结果。

如图2B所示，当测量室101内空气中存在颗粒的情况下，可使来自发光元件120的光直接经颗粒散射而到达感光元件130，感光元件130检测经颗粒散射后到达感光元件130的第一信号。可选地，可使来自发光元件120的光经一次或多次散射以及一次或多次反射而到达感光元件130；例如，可选地，可使来自发光元件120的光经颗粒散射后再经侧表面110、上表面113和下表面111中的至少一个表面反射，或者，经侧表面110、上表面113和下表面111中的至少一个表面反射后再经颗粒散射而到达感光元件130。感光元件130检测经颗粒散射并经侧表面110、上表面113和下表面111中的至少一个表面反射到达感光元件130的第二信号。可选地，感光元件130检测第一光信号和第二光信号。如图2B所示，当一个直径为2.5微米的颗粒进入测量室101时，发光元件所发射出的光被该PM2.5颗粒所散射，感光元件检测由该颗粒所散射的光，获得颗粒检测结果。可选地，该颗粒检测结果可以是该颗粒所散射的光的光通量。根据颗粒检测结果和背景信号，方法200可确定空气中的颗粒个数或颗粒的质量浓度。可选地，也可参考测量室101的容积和空气流动速率，来确定空气中的颗粒个数或颗粒的质量浓度，从而评估所监测的空气质量。

本发明的实施例提供了上述用于检测空气中颗粒的装置和方法以及包括其的可穿戴设备，具有如下优点：尺寸小，其物理尺寸范围为1微米至几毫米；功耗低，允许长时间工作，可实现实时记录和反馈；成本低，单个装置的成本与COTS灰尘传感器相似；易于修改或集成到系统；高度防震、抗冲击且耐辐射；针对颗粒物质的灵敏度高、可靠性强；以及可大批量生产。

在本说明书中，说明了大量的具体细节。然而，应当理解，本发明的实施方式可以在没有这些具体细节的情况下实施。在一些实施方式中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不使读者混淆对本说明书的原理的理解。

本领域技术人员可以理解，可以对各实施方式中的装置中的模块进行自适应性地改变，并且把它们设置在与该实施方式不同的一个或多个装置中。除了特征或处理相互排斥的情况之外，可以采用任何组合，对本说明书中公开的任何方法的所有步骤或者任何装置的所有模块进行组合。除非另外明确陈述，本说明书中公开的每个特征都可以由提供相同、等同或相似目的替代特征来代替。

应当注意，上述实施方式对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不偏离所附权利要求的范围的情况下，可设计出各种替代实施方式。在权利要求书中，特征的排序并不意味着特征的任何特定顺序，并且特别地，方法权利要求中各步骤的顺序并不意味着这些步骤必须按照该顺序来执行。相反地，这些步骤可以以任何适当的顺序执行。在权利要求书中，不应将位于括号内的任何参考标记理解成对权利要求的限制。术语“包括”或“包含”不排除存在未列在权利要求中的模块或步骤。位于模块或步骤之前的术语“一”或“一个”不排除存在多个这样的模块或步骤。术语“第一”、“第二”、以及“第三”等的使用不表示任何顺序，可将这些术语解释为名称。

Claims (17)

1.一种用于检测空气中颗粒的装置，包括：

上部部分和下部部分，所述上部部分和所述下部部分由硅基材料制成；所述上部部分和所述下部部分之间形成有测量室，所述测量室包括上表面、下表面和侧表面，所述上表面和所述下表面彼此平行，所述侧表面相对于所述上表面倾斜；

至少一个发光元件，设置在所述测量室中且包括具有发射口的第一侧面，所述发射口用于沿着平行于所述上表面且朝着所述侧表面的方向发射光；

至少一个感光元件，所述至少一个感光元件位于所述测量室中且邻近所述至少一个发光元件的第二侧面而设置，所述第二侧面与所述第一侧面相对；

所述至少一个发光元件所发射的光经所述颗粒散射到达所述至少一个感光元件；所述至少一个感光元件用于检测经所述颗粒散射到达所述至少一个感光元件的光信号，以获得颗粒检测结果。

2.如权利要求1所述的装置，其中经所述颗粒散射到达所述至少一个感光元件的光信号包括经所述颗粒散射后到达所述至少一个感光元件的第一光信号，以及经所述颗粒散射并经所述侧表面、所述上表面和所述下表面中的至少一个表面反射到达所述至少一个感光元件的第二光信号。

3.如权利要求1所述的装置，其中所述侧表面形成有铝层。

4.如权利要求1所述的装置，其中所述上表面和所述下表面形成有氮化硅层；并且当所述至少一个发光元件所发射的光不经颗粒散射时，所述所发射的光经所述侧表面反射后，在所述上表面和所述下表面之间多次反射，并且所发射的光的一部分在到达所述至少一个感光元件之前被所述氮化硅层吸收。

5.如权利要求1所述的装置，其中所述至少一个发光元件是激光二极管，所述至少一个感光元件是光敏二极管。

6.如权利要求1所述的装置，其中所述至少一个发光元件所发射的光具有根据所述颗粒的尺寸和/或组成而预先设定的波长。

7.如权利要求1所述的装置，其中所述至少一个发光元件设置在所述上部部分中，其中所述下部部分还包括凹入的感光腔，所述至少一个感光元件设置在所述感光腔内。

8.如权利要求1所述的装置，其中所述装置还包括设置在所述上部部分中的出口、设置在所述下部部分中的入口，以及设置在所述上部部分和所述下部部分之间的流动通道，所述入口和所述出口通过所述流动通道与所述测量室连接。

9.如权利要求8所述的装置，其中所述入口和所述出口的形状为圆形，所述流动通道沿着所述入口和所述出口的切线方向连接到所述入口和所述出口。

10.如权利要求1所述的装置，所述至少一个感光元件用于检测经所述颗粒散射到达所述至少一个感光元件的光信号的光通量，以获得空气中的颗粒个数或颗粒的质量浓度，作为所述颗粒检测结果。

11.如权利要求10所述的装置，其中所述至少一个感光元件还用于在所述测量室中的空气没有颗粒存在的情况下，检测经所述侧表面、所述上表面和所述下表面所反射的光信号，作为背景信号；并且所述至少一个感光元件还用于根据所述背景信号以及所检测到的经所述颗粒散射到达所述至少一个感光元件的光信号，获得空气中的颗粒个数或颗粒的质量浓度，作为所述颗粒检测结果。

12.一种用于检测空气中颗粒的可穿戴设备，包括如权利要求1-11任一项所述的用于检测空气中颗粒的装置。

13.一种用于检测空气中颗粒的方法，包括：

由至少一个发光元件经发射口沿着平行于测量室的上表面且朝着所述测量室的侧表面的方向发射光，以照射所述测量室，所述测量室形成在由硅基材料制成的上部部分和下部部分之间，所述测量室包括所述上表面、下表面和所述侧表面，所述上表面和所述下表面彼此平行，所述侧表面相对于所述上表面倾斜，所述至少一个发光元件设置在所述测量室中且包括具有所述发射口的第一侧面；

使所述至少一个发光元件所发射的光经所述颗粒散射到达所述至少一个感光元件，所述至少一个感光元件位于所述测量室中且邻近所述至少一个发光元件的第二侧面而设置，所述第二侧面与所述第一侧面相对；

所述至少一个感光元件检测经所述颗粒散射到达所述至少一个感光元件的光信号；以及

根据检测到的经所述颗粒散射到达所述至少一个感光元件的光信号，获得颗粒检测结果。

14.如权利要求13所述的方法，其中由至少一个发光元件发射光以照射测量室的步骤包括：

根据所述颗粒的尺寸和/或组成，由至少一个发光元件发射具有预先设定波长的光，以照射所述测量室。

15.如权利要求13所述的方法，其中使所述至少一个发光元件所发射的光经所述颗粒散射到达所述至少一个感光元件包括：使所述至少一个发光元件所发射的光经所述颗粒散射后到达所述至少一个感光元件，或者使所述至少一个发光元件所发射的光经所述颗粒散射并经所述侧表面、所述上表面和所述下表面中的至少一个表面反射到达所述至少一个感光元件；

所述至少一个感光元件检测经所述颗粒散射到达所述至少一个感光元件的光信号包括：所述至少一个感光元件检测经所述颗粒散射后到达所述至少一个感光元件的第一光信号和经所述颗粒散射并经所述侧表面、所述上表面和所述下表面中的至少一个表面反射到达所述至少一个感光元件的第二光信号；并且

根据检测到的经所述颗粒散射到达所述至少一个感光元件的光信号，获得颗粒检测结果包括：根据所述第一光信号和所述第二光信号，获得颗粒检测结果。

16.如权利要求13所述的方法，根据检测到的经所述颗粒散射到达所述至少一个感光元件的光信号，获得颗粒检测结果包括：根据检测到的经所述颗粒散射到达所述至少一个感光元件的光信号的光通量，获得空气中的颗粒个数或颗粒的质量浓度，作为所述颗粒检测结果。

17.如权利要求13所述的方法，其中所述方法还包括：

在所述测量室中的空气没有颗粒存在的情况下，用所述至少一个感光元件检测由所述侧表面、所述上表面和所述下表面所反射的光，作为背景信号，并且

根据检测到的经所述颗粒散射到达所述至少一个感光元件的光信号，获得颗粒检测结果包括：根据所述背景信号和检测到的经所述颗粒散射到达所述至少一个感光元件的光信号，获得颗粒检测结果。