具体实施方式

如图1所示，颗粒物传感器模块20包括光源22(例如，垂直腔表面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser，VCSEL))，其能够操作以朝向反射表面28发射光，反射表面28将所发射的光沿着路径30重定向通过一个或多个光孔34A、34B，使得光路30通过颗粒-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30。因此，在图示的示例中，光路30在x方向，流体流动导管32在z方向。随着流体流过导管32，光束在颗粒-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朝向光检测器24(例如，光电二极管)散射，光检测器24能够操作以检测散射光。在一些实施方式中，如图1所示，可以提供光管或其他波导42来将散射光导向光检测器24，并减小从颗粒-光相互作用室40到检测器24的有效距离。不与特定物质相互作用的光继续进入光阱室36，以防止这种光被反射回检测器24。

检测器24可以被实现为例如光学光电传感器，其能够操作以测量单个颗粒的信号。在这种情况下，脉冲高度与颗粒尺寸成比例，脉冲计数率对应于检测到的颗粒数量。如果已知分析体积的量(例如，空气流速、测量时间)，则可以例如从检测到的颗粒的数量中导出浓度。可以基于假定的折射率和密度来计算质量。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可以集成到例如半导体芯片中，该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，处理电路可以驻留在单独的芯片中。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。

在一些实施方式中，第二光检测器44可以安装在基板上，并且可以用于监视从光源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。

图2和3示出了根据一些实施方式的颗粒物传感器模块20A的各个方面。在图示的示例中，模块包括壳体60，壳体60可以附接在基板26上方，基板26上安装有光源22和检测器24。壳体60具有下部分100和上部分102，它们例如通过粘合剂彼此附接。下部分100和上部分102中的每一个可以由例如塑料或树脂组成，并且可以例如通过注射成型来形成。第一部分和第二部分的内表面可以涂有例如黑色或其他低反射率材料，以减少光学串扰和不希望的反射。当附接在一起时，下部分和上部分组合起来限定了包括孔34A、34B以及流体流动导管32、颗粒-光相互作用室40和光阱室36的光束路径30。具体地，下部分100具有限定光阱室36的第一(下部)部分的腔36A，上部分102具有限定光阱室36的相应的第二(上部)部分的腔36B。限定光阱室的腔36A、36B的内表面应该能够吸收进入光阱室的大部分或全部光。下部分100还具有限定流体流动导管32的第一(下部)部分的半圆锥形凹口32A，上部分102具有限定流体流动导管32的第二(上部)部分的半圆锥形凹口32B。

如图2和3进一步所示，下部分100具有与光源光轴(图2和3中未示出)对准并且还与反射表面28对准的第一孔104。反射表面28设置在由壳体的上部分102中的腔29B和下部分100中的相应腔29A限定的光反射室中。因此，壳体60的下部分100和上部分102的组合也限定了光反射室。由光源发射的光通过孔104朝向反射表面28(其在图2和3的实施方式中位于上部分102)。反射表面28可以被实现为例如镜子或棱镜形结构上的反射涂层。反射表面28被定向成使光束重定向通过孔34A、34B并进入颗粒-光相互作用室40，在颗粒-光相互作用室40处光束与通过导管32的流体流相交，并可与流体中的颗粒物相互作用。下部分100还具有与光检测器24的光轴(图2和3中未示出)对准的第二孔106。被颗粒物散射的光可以通过孔106以被检测器24感测到。

流体流动导管32包括引导流体进入颗粒-光相互作用室40的流体入口部分110，以及引导流体离开颗粒-光相互作用室40的流体出口部分112。

如上所述，流体流动导管32的轴线(即，流体流动的方向)基本上垂直于(transverse to)从反射表面28到颗粒-光相互作用室40的光路30。优选地，入口部分110的端部(流体从其进入室40)直接耦合到室40，使得入口部分110的端部尽可能靠近光束的路径，而不干扰光束。将入口部分110的端部设置得非常靠近光路可以帮助实现流体在期望区域的良好聚焦。然而，入口部分110优选不应延伸到室40中或光束30的路径中。流体出口部分112也可以具有直接耦合到室40的端部。这里，出口部分112也优选不应延伸到室40中或光束30的路径中。

如图3所示，颗粒-光相互作用区域室40可以被实现为锥形结构，其具有一个或多个锥形内壁，这些锥形内壁在光阱室36的方向上稍微变宽。室40的锥形形状可以被设计成增加以下可能性：即使当光束在光阱室36的方向上行进时发散，光束也不会撞击到室40的侧壁上，包括流体流动导管32的流体入口部分110或流体出口部分112。在一些实施方式中，锥形形状可以允许从流体流动导管32的入口部分110到室40的更窄的间隔。在沿着光路30(例如，在反射表面28和室40之间)提供光束成形系统(例如，一个或多个光学透镜)以使得光会聚的情况下，室40的壁可以被设计成在相反方向上逐渐变细(即，在光阱室36的方向上稍微变窄)。

在一些实施方式中，颗粒-光相互作用区域室40的内壁也可以是锥形的，使得它们在朝向检测器24的向下方向上稍微变宽。锥形形状可以增加由于光-颗粒相互作用而散射的光中的更大百分比(或者甚至全部)的光到达检测器24的可能性。

通过形成壳体60的下部分100和上部分102，例如通过注射成型，流体流动导管32和颗粒-光相互作用室40可以形成单个整体单件，使得它们之间的距离不取决于机械对准公差。此外，在一些情况下，模块的总高度可以仅为几毫米(例如，2mm)的量级。其他维度可能适用于某些实施方式。这种紧凑的颗粒物传感器模块可以帮助将待测量的流体聚焦到其中发生与光的相互作用的小区域中，从而可以在合理的测量时间内分析所有或至少大部分泵送的流体(例如，气溶胶)。

图4示出了颗粒物传感器模块20B的另一示例，其在许多方面类似于上述模块20A。然而，在图4的模块20B中，反射表面28是组件200的一部分，该组件200搁置在壳体的下部分100的表面202上，而不是如图2和3中那样附接到壳体的上部分102或作为其一部分。在对准过程中通过利用孔104存在于下部分100中，图4的布置在一些情况下可以使对准反射表面28与光源22更容易。

图5示出了图4的横截面，流体流动导管32的流体入口部分112A在颗粒-光相互作用室40的方向上变窄(例如，呈圆锥形)。另一方面，流体流动导管32的流体出口部分110A在远离颗粒-光相互作用室40的方向上变宽(例如，呈圆锥形)。流体流动导管32的流体出口部分110A的存在可以是特别有利的，例如，当传感器20B与隔膜泵一起操作以平滑流体流动时。如图5进一步所示，除了使流体入口部分112A和/或流体出口部分110A的内壁逐渐变细之外，颗粒-光相互作用区域室40的内壁46也可以逐渐变细，使得它们在朝向检测器24的向下方向上稍微变宽。锥形形状允许散射到检测器的大部分或者甚至全部光到达检测器，正如壁之间具有大距离(例如，大于检测器尺寸)时的情况一样。

图4还示出，在一些情况下，下部分100可以具有凸出和凹进的对准特征206，该对准特征206与上部分102的相应凸出和凹进的对准特征208接合。相应的对准特征206、208可以在壳体60的两个部分100、102永久地彼此附接(例如，通过粘合剂)之前促进它们的对准。因此，对准特征206、208可以有助于确保壳体的部分100、102能够以最小的机械限定的未对准安装在一起。此外，光阱室36的内表面可以有利地涂覆有低反射率(例如黑色)材料。优选地，低反射率材料具有1％或更低的反射率。胶水或其他粘合剂209可以放置在例如第二部分102的最高表面上。因此，从光阱室36的内部看不到许多(或大部分)粘合剂，这可以提高光阱的质量和效率。虽然从光阱室内可以看到靠近光阱入口处的孔的粘合剂的少部分区域，但是在那里反射的光通常需要多次反射才能通过孔并到达检测器。

如下所述，可以提供不透光的布置来形成包含用于光束通过的孔34A、34B的隔板210、212。为了便于理解，图6A示出了隔板210的其中形成有孔34A的部分的视图(从反射表面28的方向看)。箭头214表示光束被反射表面28反射后的行进方向。图6B示出了在通过光轴、平行于光束并垂直于气溶胶流的平面中的图6A的横截面视图。包含孔34A的隔板210可以构成双壁，其一部分由来自壳体的下部分100的向上突起210A形成，其一部分由来自壳体的上部分102的向下突起210B形成。向下突起210B的下端220可以通过粘合剂222附接到邻近向上突起210A的凸缘(ledge)224。图6B中的线226表示孔34A顶部的相对位置。图6C示出了隔板210的各个表面的相对位置(从朝向壁210A、210B行进的光束的角度来看)。向上和向下突出的壁210A、210B中的开口的重叠部分限定了孔34A。在图6C中，虚线表示突起210A后面的表面。下部分100的附加表面230、232、234和上部分102的附加表面240、242被标记，以便于比较图6A、6B和6C。

通过使用从图6A到6C的布置，向上突起210A可以防止光束在壳体的下部分100和上部分102彼此附接的边界处撞击到粘合剂222上。因此，即使粘合剂222对光束是透明的，光束也只能通过隔板210中的孔34A。同样，即使在突起210B的端部220和凸缘224之间存在小的垂直间隙(例如，由于制造公差)，光束也将只能通过隔板210中的孔34A。可以为包含第二孔34B的隔板212提供类似的布置。结合图6A到6C描述的特征也可以被合并到图2和3的实施方式中。

如图7所示，为了制造前述模块20A或20B中的一个，例如使用注射成型技术分别制造壳体60的每个部分100、102(300)。光源22和光检测器24安装在印刷电路板(PCB)或其他基板(302)上，并且壳体的下部分100附接(例如，通过粘合剂)到PCB的安装有器件22、24的一侧(304)。在某些情况下，如图4所示，用于反射表面28的单独的组件200然后被对准并固定在光反射室29中(306)。接下来，壳体60的第二部分102附接(例如，通过粘合剂)到壳体的第一部分100(308)。如上所述，特征206、208(图4)可以有助于两个壳体部分100、102的对准。

在一些实施方式中，前述制造方法可以作为晶圆级工艺的一部分来执行。晶圆级工艺允许同时制造多个模块。在晶圆级工艺中，多个光源和光检测器被安装在基板(例如，印刷电路板PCB)晶圆上。在附接形成壳体的第一部分和第二部分的晶圆之后，堆叠件可以被单片化(例如，通过切割)成单独的个体模块，例如上述模块。

此处描述的颗粒物传感器模块可以结合到例如微流体颗粒物传感器系统中。在一些情况下，传感器系统可以包括控制光源22的微控制器、能够操作以驱动流体空气流通过传感器系统的泵、能够操作以控制泵的泵控制器以及处理来自光检测器24的信号的处理电路。

此处描述的颗粒物传感器和传感器系统的制造与高通量、低成本制造技术(例如注射成型和微电子加工和封装技术)兼容，从而能够快速、经济地制造这些传感器和传感器系统。

如图8所示，包括颗粒物传感器模块(例如，模块20A或20B)的颗粒物传感器系统450可以被结合到移动或手持计算设备452中，例如智能手机(如图所示)、平板电脑或可穿戴计算设备。颗粒物传感器系统450能够由用户操作(例如在移动计算设备452上运行的应用的控制下)，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的空气质量的基本上即时的反馈。

此处描述的颗粒物传感器系统也可以结合到其他设备中，如空气净化器或空调机组；或者用于其他应用，例如汽车应用或工业应用。

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。