CN111712701A - 基于过滤器的集成颗粒物传感器 - Google Patents

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Abstract

一种用于感测流体中的颗粒物的装置；以及电连接至基板的集成电路，该集成电路包括光电检测器。该装置包括：过滤器组件，其包括与光电检测器对准的颗粒过滤器；以及用于颗粒过滤器的过滤器壳体，该过滤器壳体限定用于流体通过颗粒过滤器的流动路径。该装置包括光源，该光源电连接至基板并且被定位以照射颗粒过滤器。

Description

基于过滤器的集成颗粒物传感器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年12月15日提交的美国专利申请序列号62/599,138的优先权，其全部内容通过引用并入本申请。
该申请通过引用并入以下专利申请的全部内容：于2017年12月15日提交的美国专利申请序列号62/599,156；于2017年12月15日提交的美国专利申请序列号62/599,168；以及于2018年8月21日提交的美国专利申请序列号62/720,492。
背景技术
有多种类型的颗粒物传感器，包括基于光散射的传感器，基于滤器的光吸收的传感器，基于扩散电荷的传感器，基于重量过滤器分析的传感器，β(beta)衰减传感器，锥形元素振荡微天平传感器以及光声传感器。
发明内容
在一方面，一种用于感测流体中的颗粒物的装置包括基板；以及电连接至基板的集成电路，该集成电路包括光电检测器。该装置包括过滤器组件，其包括与光电检测器对准的颗粒过滤器，以及用于颗粒过滤器的过滤器壳体，该过滤器壳体限定用于流体通过颗粒过滤器的流动路径。该装置包括光源，其电连接至基板并被定位以照射颗粒过滤器。
实施例可以包括以下特征中的一个或多个。
过滤器组件被固定至集成电路。
过滤器组件被固定至基板。
基板包括印刷电路板。
光源设置在基板上。装置包括设置在基板上的多个光源，设置在过滤器组件的第一侧的第一光源以及设置在过滤器组件的第二侧的第二光源。装置包括多个光源，其设置在基板上；以及多个光电检测器，其设置在基板上。多个光源中的每一个被定位成用基本相似强度的光照射每个光电检测器。
装置包括设置在基板上的多个光电检测器，设置在过滤器组件的第一侧的第一光电检测器以及设置在过滤器组件的第二侧的第二光电检测器。
装置包括固定至基板的传感器壳体。该传感器壳体和基板限定内部空间，集成电路，过滤器组件和光源设置在该内部空间中。传感器壳体的内表面对光源发射的光的反射率至少为30％。装置包括设置在传感器壳体的内表面上的反射材料层。光源被定位成照射传感器壳体，使得从传感器壳体反射的光照射颗粒过滤器。光源设置在传感器壳体的内壁上。传感器壳体的横截面具有弯曲的轮廓。
集成电路包括第二光电检测器。过滤器组件包括与第二光电检测器对准的参考颗粒过滤器。过滤器壳体不限定用于流体通过参考颗粒过滤器的流动路径。
集成电路通过硅通孔，背侧重新分布层和焊球电连接至基板。该装置包括设置在集成电路和基板之间的底部填充材料。装置包括设置在集成电路的一个或多个边缘的倒角。
光源包括广谱光源。光电检测器包括被配置为检测从广谱光源发射的第一波长的第一区域和被配置为检测从广谱光源发射的第二波长的第二区域。
光源是被配置为发射第一波长的光的第一光源。装置包括被配置为发射第二波长的光的第二光源。光电检测器被配置为检测第一波长和第二波长。
在一方面，一种用于检测流体中颗粒物的方法包括：使包含微粒物的流体流过由过滤器壳体限定的流动路径，包括使流体流过设置在过滤器壳体上的颗粒过滤器。方法包括使用来自电连接至基板的光源的光照射颗粒过滤器。通过形成在电连接至基板的集成电路中的光电检测器来检测颗粒过滤器的光学特性，该光电检测器与颗粒过滤器对准。
实施例可以包括以下特征中的一个或多个。
检测颗粒过滤器的光学特性包括检测颗粒过滤器的吸收。
检测颗粒过滤器的光学特性包括检测光学特性的变化率。
使用光照射颗粒过滤器包括将来自光源的光反射离开传感器壳体的内壁，该传感器壳体和基板限定内部空间，集成电路、过滤器壳体和光源被设置在该内部空间中。
方法包括当检测到颗粒过滤器的光学特性的阈值变化时停止流体的流动。
在一方面，一种用于制造用于感测流体中的颗粒物的装置的方法包括将包括光电检测器的集成电路电连接至印刷电路板基板。方法包括将过滤器壳体设置在印刷电路板基板上，使得设置在过滤器壳体上的颗粒过滤器与集成电路的光电检测器对准，该过滤器壳体限定用于流体通过颗粒过滤器的流动路径。方法包括将光源电连接至印刷电路板基板，使得光源被定位以照射颗粒过滤器。
实施例可以包括以下特征中的一个或多个。
方法包括将底部填充材料设置在集成电路和印刷电路板基板之间。
方法包括将光源设置在印刷电路板基板上。
方法包括将颗粒过滤器黏接到过滤器壳体。
将过滤器壳体设置在印刷电路板基板上包括将过滤器壳体固定至包括光电检测器的集成电路上。将过滤器壳体固定至集成电路包括将过滤器壳体黏接到集成电路。
将过滤器壳体设置在印刷电路板基板上包括将过滤器壳体黏接到印刷电路板基板上。
方法包括通过模制工艺形成过滤器壳体。形成过滤器壳体包括在过滤器壳体中形成多个腔。
方法包括将传感器壳体固定至印刷电路板基板，使得该传感器壳体和印刷电路板基板限定内部空间，集成电路、过滤器壳体和光源被设置在该内部空间中。方法包括通过模制工艺形成传感器壳体。方法包括将光源设置在传感器壳体的内壁上。集成电路包括第二光电检测器。方法包括将过滤器壳体固定至集成电路，使得设置在过滤器壳体上的参考颗粒过滤器与第二光电检测器对准。
方法包括将模制的覆盖件固定至过滤器壳体上。
将过滤器壳体固定至集成电路包括将包括多个过滤器壳体的壳体件固定至包括多个集成电路的晶片上，使得一个或多个过滤器壳体中的每个与相应的集成电路对准。方法包括将晶片分割成多个块，每块包括具有固定的过滤器壳体的集成电路。将集成电路电连接至印刷电路板基板包括将多个均包括集成电路的多个块电连接至印刷电路板基板。方法包括将印刷电路板基板分割成多个块。
在一方面，一种用于感测流体中的颗粒物的感测***包括入口微流体通道。感测***包括颗粒感测装置，其包括基板；电连接至基板的集成电路，该集成电路包括光电检测器；过滤器组件，其包括与光电检测器对准的颗粒过滤器，以及用于颗粒过滤器的过滤器壳体，过滤器壳体限定用于流体通过颗粒过滤器的感测微流体通道，该感测微流体通道流体地连接至入口微流体通道；以及光源，其电连接至基板，并定位以照射颗粒过滤器。感测***包括流体地连接到感测微流体通道的出口；以及流体循环组件，其被配置为引起流体从入口微流体通道通过感测微流体通道并流出出口。
实施例可以包括以下特征中的一个或多个。
流体循环组件包括泵，风扇，加热器和超声喷嘴中的一个或多个。
这里描述的颗粒物传感器可以具有以下一项或多项优点。颗粒物传感器是紧凑的，并且可以集成到紧凑的颗粒物感测***中，以与基于移动设备的空气质量感测一起使用。通过使用半导体制造和封装技术，可以以每个传感器单元低成本制造颗粒物传感器和感测***。
附图说明
图1是颗粒物传感器的示图。
图2A是颗粒物传感器的俯视图。
图2B-2D是图2A的颗粒物传感器的横截面。
图3A和3B是颗粒物传感器的示图。
图4是颗粒物传感器的示图。
图5是颗粒物传感器的示图。
图6-8是流程图。
图9A和9B是颗粒物传感器的分解图。
图10和11是颗粒物传感器***的示图。
图12A和12B是颗粒物传感器***的示图。
图13是移动计算设备的示图。
具体实施方式
我们在这里描述了集成的颗粒物传感器，该传感器通过测量过滤器的光学特性来检测流体中存在的颗粒物。流过过滤器的流体导致颗粒物从流体积聚到过滤器上，从而改变光学特性，例如过滤器对光的吸收。过滤器由诸如发光二极管的光源照射，并且透射过过滤器的光由固定至过滤器上的集成电路光电二极管测量。此处描述的颗粒物传感器可以被集成到紧凑的颗粒物感测***中，该***可以用于例如进行基于移动设备的空气质量感测。
参照图1，示例性颗粒物传感器100包括基板102，例如印刷电路板。诸如基于硅的集成电路(例如，互补金属氧化物半导体(CMOS)集成电路)之类的集成电路104电连接至基板102。在一些示例中，集成电路104可以通过硅通孔(TSV)，背侧重新分布层和焊球连接至基板102。在一些示例中，集成电路104可以通过引线接合连接到基板。也可以使用其他类型的连接。集成电路104包括光电检测器108，例如光电二极管，固定光电二极管，pin光电二极管，雪崩光电二极管，单光子雪崩光电二极管或另一类型的光电二极管。在一些示例中，例如，为了减少串扰，光电检测器108可以是对集成电路104的半导体本体内产生的载流子(例如，p型集成电路本体的n阱中的p+)具有低灵敏度的光电检测器，例如基板隔离的光电二极管。
过滤器组件112通过诸如粘合剂或焊接的连接层114固定至集成电路104。过滤器组件112包括过滤器壳体116，该过滤器壳体116保持颗粒过滤器118，例如疏水性纤维过滤器，孔膜过滤器或另一种类型的过滤器。例如，颗粒过滤器118可以通过粘合剂层120固定至过滤器壳体116上。颗粒过滤器118可以具有尺寸确定为使得目标尺寸的颗粒物不能通过颗粒过滤器118的开口。例如，颗粒过滤器可以具有直径小于约100nm的开口。过滤器壳体116可以由模制材料形成，例如模制塑料。过滤器壳体116将颗粒过滤器118保持与光电检测器108对准，使得在颗粒过滤器118和集成电路104之间限定腔122。腔122通过过滤器壳体116流体地连接到侧向的流动通道，使得腔122和流动通道一起形成用于使流体流过颗粒过滤器118的流动路径，这将进一步涉及图2A-2D进行讨论。
诸如发光二极管(LED)，垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，激光二极管或另一种类型的光源之类的光源124，例如通过焊球，引线接合或其他类型的连接电连接至基板102。光源124被定位，使得从光源124发射的光照射颗粒过滤器118。在颗粒过滤器100中，光源124设置在基板102上并且例如通过焊球，引线接合或其他类型的连接电连接至基板102。在一些示例中，光源124可被安装在连接到基板102的模制互连设备上。
传感器壳体126例如通过粘合剂128固定至基板102。传感器壳体126可以由模制材料形成，例如模制塑料。传感器壳体126和基板102限定内部空间130，集成电路104，过滤器组件112和光源124被设置在该内部空间130中。
可以选择传感器壳体126的材料或颜色，或两者，以使得从光源124发射并入射到传感器壳体126的内表面132上的光(如箭头135所示)被内表面132反射到颗粒过滤器118上(如箭头137所示)。例如，传感器壳体126的内表面132可以反射由光源124发射的光，例如，对由光源124发射的光的波长具有至少30％的反射率。在一些示例中，传感器壳体126的内表面132可以涂覆有反射材料，例如铝膜。在一些示例中，传感器壳体126可以被成形为使得从光源124入射的大量光被反射到颗粒过滤器118上。例如，传感器壳体126的壁133可以相对于基板102形成角度和/或弯曲以使得光反射到颗粒过滤器118上。
在一些示例中，过滤器壳体116的外表面的材料或颜色或两者都可以反射从光源124发射的光。在一些示例中，过滤器壳体116的外表面可以涂覆有反射材料，例如铝膜。在一些示例中，过滤器壳体116的内表面的材料或颜色或者两者，也可以是反射性的，例如，涂覆有诸如铝膜的反射性材料。
在操作中，从光源124发射的光入射在颗粒过滤器118上(例如，经由来自传感器壳体126的内表面132的反射)。光电检测器108测量透射通过颗粒过滤器118的光的量(如箭头139所示)。当装载有颗粒的流体流过颗粒过滤器118时，颗粒物积聚在过滤器118上或之中。颗粒过滤器118上或内部的颗粒物导致入射到颗粒过滤器118上的光被吸收，散射或两者兼有，从而减少了透射通过颗粒过滤器118的光的量。透射通过颗粒过滤器118的光的强度的变化指示流体中颗粒物的量。
在一些示例中，集成电路104和基板102之间的体积填充有底部填充材料134，例如，以减少或防止流体在集成电路104和基板102之间流动。在一些示例中，可以在集成电路104的侧边缘处形成倒角136，以减少光源124和光传感器108之间的串扰。
在图1的示例性颗粒物传感器100中，第二光电检测器140形成在集成电路104中。过滤器壳体116保持参考颗粒过滤器142与第二光电检测器140对准。在参考颗粒过滤器142和集成电路104之间限定腔144。然而，腔144不通过过滤器壳体116连接至流动通道，因此不存在用于流体流过参考颗粒过滤器142的流动路径。在图1的示例中，参考颗粒过滤器142是同一块作为颗粒过滤器118的材料。在一些示例中，颗粒过滤器118和参考颗粒过滤器142由不同的材料块形成。在一些示例中，不存在参考颗粒过滤器。在颗粒物传感器100中，第二光电检测器140与光电检测器108形成在同一集成电路104中。在一些示例中，第二光电检测器140可以形成在与光电检测器108的集成电路104不同的集成电路上。
参考颗粒过滤器142允许校正由于光源124的强度的变化而引起的测量误差。当装载有颗粒的流体流过颗粒过滤器118时，颗粒物积聚在颗粒过滤器118内或上。例如，对于多孔膜过滤器，颗粒物会积聚在过滤器的表面上；对于纤维过滤器，颗粒物会积聚在过滤器的表面和过滤器的大部分中。然而，没有流体流过参考颗粒过滤器142，因此在参考颗粒过滤器142上几乎没有颗粒物积聚。在光源强度没有变化的***中，透射通过参考颗粒过滤器142并由光电检测器140检测到的光的量将随时间基本恒定。由光电检测器140检测到的光的量的变化可以指示光源强度的变化，并且可以用于调节由光电检测器108检测到的信号。
在一些示例中，颗粒物传感器可以包括多个光源，例如两个，三个，四个或四个以上的光源。例如，两个光源可以例如沿着两个光传感器108、140之间的侧向对称线或者垂直于侧向对称线对准地定位在过滤器组件112的相对侧上。四个光源可以位于过滤器组件的每一侧。在一些示例中，多个光源可以定位在过滤器组件的一个或多个侧面的每一侧面上，例如以向光电检测器108、140提供更大的信号。多个光源可以各自发射具有基本上相同的光谱分布，以增强颗粒物传感器100中可用的总光功率。
在一些示例中，可以使用多个波长来识别不同类型的颗粒物(称为源分配)。在一些示例中，多个光源中的每个光源可以发射不同波长的光，例如，相对于光电检测器108、140对称地安装的光源，并且光电检测器108、140可以被配置为检测由多个光源发射的一些或全部波长。在一些示例中，可以使用诸如白光LED的一个或多个广谱光源来提供多个波长。对于多波长感测，可以将光电检测器108、140划分为多个区域，每个区域都覆盖有波长过滤器以能够检测特定波长。例如，光电检测器108、140可各自被划分为对红外光(例如880nm波长的光)敏感的第一区域和对蓝光(例如470nm的光)敏感的第二区域。
图2A示出了具有位于过滤器组件112的相对侧上的两个光源124a，124b的颗粒物传感器200的俯视图。图2B，2C和2D示出了沿线A-A'，B-B'和C-C'的颗粒物传感器200的横截面。这些横截面描绘了流体流过颗粒过滤器118的流动路径的存在和没有流动路径使得流体不流过参考颗粒过滤器142。
参照图2B，沿线A-A'的横截面示出了颗粒过滤器118与集成电路104之间的腔122以及参考颗粒过滤器142与集成电路104之间的腔144。参照图2C，沿线B-B'的横截面示出了与腔122流体连接的侧向流动通道202的横截面。对于参考颗粒过滤器不存在这种流通道，并且腔144没有流体连接到任何流动通道。参照图2D，沿线C-C'的横截面示出了流动通道202延伸穿过过滤器壳体116。
腔122和侧向流动通道202一起限定使流体能够流过颗粒过滤器118的流动路径。当流体流过颗粒过滤器118时，来自流体的颗粒物积聚在颗粒过滤器118上。没有连接到腔144的流动通道意味着没有使流体流过参考颗粒过滤器142的流动路径，这使颗粒沉积到参考颗粒过滤器142上的可能性最小。
参照图3A和3B，示例性颗粒物传感器300包括传感器壳体326，其具有弯曲的横截面轮廓，例如球形，椭圆形或抛物面镜形状。传感器壳体326的弯曲形状有助于将来自光源124的光朝向颗粒过滤器118反射，例如，传感器壳体326用作积分球。形成在传感器壳体326中的流体入口328提供了用于使流体整体进入颗粒物传感器300中的流动路径。
参照图4，示例性颗粒物传感器400包括传感器壳体426，该传感器壳体426具有基本垂直于基板102定向的壁422。光源424例如通过粘合剂430被集成到或固定在壁422上。为了实现这一点，传感器壳体426包括互连特征(未示出)，例如，通过导电粘合剂428连接到基板102。在没有互连特征的传感器壳体的区域中，使用非导电粘合剂。在这种配置中，从光源424发射的光(如箭头435所示)直接入射到颗粒过滤器118和参考颗粒过滤器142上，相对于反射光的配置，这种配置可以增加入射在过滤器上的光的量。
参照图5，示例性颗粒物传感器500包括多个光源524a，524b。多个光电检测器542a，542b设置在过滤器组件112外部的基板102上，并且电连接至基板102。例如，光电检测器542a，542b可以设置在过滤器组件112的相对侧。外部光电检测器542a，542b可用于例如通过交替照射过滤器组件112的侧面来测量来自过滤器118、142的光的反射。在图5的示例中，示出了颗粒物传感器500具有与图1的颗粒物传感器100大体上相似的结构；外部光电检测器也可以用于其他传感器配置中，例如图3和4所示。具有多个外部光电检测器的图5的配置也可以在不使用参考颗粒过滤器的情况下使用(例如，在没有过滤器142和相关光电检测器140的情况下)。
参照图6，在用于检测流体中的颗粒物的示例过程中，流体沿着流动路径流动通过过滤器壳体，包括通过固定至过滤器壳体上的颗粒过滤器(600)。过滤器壳体被固定至集成电路，该集成电路电连接至诸如印刷电路板的基板。随着流体流过颗粒过滤器，流体中的颗粒物积聚在颗粒过滤器(602)。使用来自电连接至基板的光源的光照射颗粒过滤器(604)。例如，从光源发射的光可以入射在传感器壳体的内表面上并且从传感器壳体的内表面反射到颗粒过滤器上。
颗粒过滤器的光学特性由形成在集成电路中并与颗粒过滤器对准的光电检测器检测(606)。光学特性可以包括透射通过颗粒过滤器的光的量或颗粒过滤器吸收的量。光学特性可包括光学特性的变化率，例如透射通过颗粒过滤器的光量的变化率或颗粒过滤器的吸收率的变化率。所检测的光学特性可以用于表征流体的质量(608)，例如空气质量，例如流体中的颗粒物的量(例如，流体中的黑碳的量)。
颗粒物传感器可以形成微流体传感器***的一部分，如下所述。随着时间的流逝，过滤器会充满颗粒物，从而几乎没有或完全没有光透射通过过滤器。为了增加颗粒物传感器的使用寿命，可以分阶段操作传感器***。当在光学特性的测量中达到阈值时，可以停止会话中传感器***的操作，例如会话开始时的阈值噪声水平，过滤器吸收率的阈值变化或百分比变化。如果流体质量差(流体中有许多颗粒)，则测量时间将很短。如果流体相对干净(流体中的颗粒很少)，则测量时间将更长。通过这种方法，颗粒物传感器能够执行的测量会话次数可以相对独立于流体中的颗粒浓度。
参照图7，在用于制造颗粒物传感器的示例过程中，例如通过模制过程(例如，注射模制)形成过滤器壳体(700)。过滤器壳体可以被模制以包括腔和连接到该腔并提供从过滤器壳体的出口的流动通道。在使用参考颗粒过滤器的情况下，过滤器壳体可模制成包括第二腔，该第二腔不与流动通道连接。在一些示例中，过滤器壳体可以由对要在颗粒物传感器中使用的波长的光反射(例如，大于30％反射)的材料模制而成。在一些示例中，过滤器壳体被制成使得壳体的外表面，壳体的内表面或两者均具有反射性的颜色，例如白色。在一些示例中，模制的过滤器壳体(例如，外表面，内表面或两者)涂覆有反射层，例如铝层。
过滤器壳体例如通过粘合剂(702)被固定至包括光电检测器的集成电路，使得过滤器壳体中形成的腔与光电检测器对准。在要使用参考颗粒过滤器的情况下，在过滤器壳体中形成两个腔，并且每个腔与相应的一个光电检测器对准。
颗粒过滤器与形成在过滤器壳体中的一个或多个腔对准，被设置并固定至过滤器壳体上(704)。在一些示例中，在将颗粒过滤器固定至过滤器壳体之前，过滤器壳体被固定至集成电路；在一些示例中，在将过滤器壳体固定至集成电路之前，颗粒过滤器被固定至过滤器壳体。
具有所附接的过滤器壳体的集成电路电连接至印刷电路板(PCB)基板(706)。在要使用参考颗粒过滤器的情况下，集成电路可以包括第二光电检测器。在一些示例中，每个包括光电检测器的两个集成电路可以电连接至PCB。在一些示例中，一个或多个集成电路可以通过TSV，背侧重新分布层和焊球连接到基板。在一些示例中，集成电路可以通过引线接合连接到基板。
一个或多个光源，例如LED或VCSEL，被定位在PCB上并电连接至PCB(708)。例如，一个或多个光源设置在PCB上，并通过TSV，背侧重新分布层和焊球或通过引线接合电连接至PCB。在一些示例中，在连接集成电路之前，可以将光源电连接至PCB基板。
底部填充材料设置在集成电路与PCB之间，并且可以在集成电路的侧向边缘处形成倒角(710)。
传感器壳体例如通过模制工艺例如注射模制形成(712)。传感器壳体可以被模制成使得传感器壳体的壁成一定角度，使得在组装时，成角度的壁可以帮助将来自光源的光反射到颗粒过滤器上。传感器壳体可以被模制成部分球形。
传感器壳体例如通过粘合剂被固定至PCB(714)，使得集成电路，过滤器壳体和光源被设置在由传感器壳体和PCB限定的内部空间内。
在一个或多个光源设置在传感器壳体上的情况下，光源可以例如通过粘合剂固定至传感器壳体，并且传感器壳体的电连接特征可以电连接至PCB。
此处描述的颗粒物传感器可以并行制造，例如，以进行有效且低成本的制造。例如，可以在单个PCB基板上并行地制造多个多个颗粒物传感器，例如数百个传感器，然后可以将其上形成有多个传感器的印刷电路板基板分割成单个模具。
参照图8，在用于并行制造多个颗粒物传感器的示例过程中，处理包括多个集成电路的晶片，每个集成电路包括光电检测器(800)。该处理可以包括形成TSV和背侧重新分布层。
例如通过注射模制形成包括多个过滤器壳体的壳体件(802)，并将其附接到晶片(804)。壳体件的尺寸可以与晶片相似，并且壳体件可以被附接使得每个过滤器壳体与晶片的对应集成电路对准。将过滤器附接到模制件中的过滤器壳体(806)。包括壳体件的晶片被分割成单独的集成电路(808)，每个集成电路具有附接的过滤器壳体。
多个光源附接到PCB基板(810)。具有所附接的过滤器壳体的集成电路被附接到PCB基板(812)。底部填充材料设置在每个集成电路和PCB基板之间，并且在每个集成电路的侧向边缘处形成倒角(814)。
包括多个传感器壳体的传感器壳体件例如通过注射模制形成(816)，并附接到PCB基板(818)。将PCB基板分割成多个单独的颗粒物传感器(820)。
图9A和9B是示例性颗粒物传感器900的分解图。在该示例中，均包括光电检测器的两个集成电路904a，904b被设置在PCB基板902上并电连接至PCB基板902。四个光源926a-726d(统称为光源926)也被设置在PCB基板902上并电连接至PCB基板902。例如，两个光源926a，926c可以发射第一波长的光(例如900nm)，另外两个光源可以发射第二波长926b，926d(例如500nm)的光，从而能够进行光源分配。定位光源926，使得每个光源可以在两个光电检测器上产生相似的光强度。
底部模制件950例如通过粘合剂被设置并固定至PCB基板902上。底部模制层950被模制以限定腔922、944和两个内部区域954a，954b。在底部模制层950中还限定了连接到腔922的侧向流动通道952。底部模制层950设置在PCB基板902上，使得腔922、944与集成电路904a，904b中的光电检测器对准。过滤器918被设置在底部模制层950上并固至其上以覆盖两个腔922、944的顶部开口，从而形成颗粒过滤器和参考颗粒过滤器。底部模制层950的壁956在光源924和具有光电检测器的集成电路904之间的存在可以帮助减少光源和光电检测器之间的串扰。
顶部模制件960被设置并固定至底部模制件950的顶表面上。顶部模制件960限定内部区域962。由底部模制件950限定的内部区域954a，954b和由顶部模制件960限定的内部区域962一起形成内部空间，来自光源924的光可以在其中传播。在顶部模制件中限定流体入口964，以允许流体进入颗粒物传感器900。
用于组装颗粒物传感器900的粘合剂可以仅在两个平面中施加：将底部模制件950连接到PCB基板902的平面，将顶部模制件960连接到底部模制件950的平面。粘合剂也可以用来将过滤器918固定至底部模制层950。
此处描述的颗粒物传感器可以合并到微流体颗粒物传感器***中。过滤器与包括光电检测器的集成电路的集成，以及光源和集成电路在同一PCB基板上的放置，使颗粒物传感器变得紧凑。例如，结合了本文描述的颗粒物传感器的颗粒物传感器***可以具有小于约3mm的高度，例如小于约2mm；并且占地面积小于约10×10mm 2。
参照图10，将诸如上述的颗粒物传感器20结合到颗粒物传感器***250中。限定从入口254通过颗粒物传感器***250，通过颗粒物传感器20，并通过出口256流出的微流体流动路径。包括颗粒物传感器20的整个颗粒物传感器***250构建在同一PCB基板252上。
包括过滤器组件262的示例性颗粒物传感器20与图1的颗粒物传感器100类似地构造。颗粒物传感器的其他配置也与颗粒物传感器***250兼容，例如在图2-4中所示的配置。颗粒物传感器20的光源274由设置在PCB基板252上并电连接至PCB基板252的微控制器258控制。
覆盖层270设置在PCB基板252上方，使得覆盖层270和PCB基板252之间的内部空间限定通过传感器***250的流动路径。例如，覆盖层270可以是模制件，例如，塑料模制件。在颗粒物传感器***250的示例中，覆盖层270既用于限定流动路径，又用作颗粒物传感器20的传感器壳体(例如，图1的传感器壳体126)。例如，覆盖层270可具有对由颗粒物传感器20的光源274发射的光反射的内表面。
流体循环设备260设置在PCB基板252上，并驱动流体流过传感器***250。流体循环设备可以是例如泵，风扇，加热器，超声喷嘴或其他能够引起流体流动通过传感器***250的设备。在图9的示例中，流体循环设备260是压电膜泵。流体循环设备260由控制器264控制，该控制器264耦合至一个或多个电容器和电感器266，所有电容器和电感器266均设置在PCB基板252上并电连接至PCB基板252。
颗粒物传感器***250可以包括位于微流体流动路径的入口254处的加热器268。加热器268，例如电阻加热器，可以加热流入传感器***250的流体，例如，以减少流过***的空气中的湿气凝结。在一些示例中，加热器268可以用作流量传感器以检测传感器***250中的流体的质量流速。例如，可以基于流过加热器268的流体的温度变化来确定流体的质量流速。
颗粒物传感器***250可以包括尺寸分离特征272，例如撞击器，用于防止阈值尺寸以上的颗粒流过其余的微流体流动路径。例如，对于空气质量测量而言，阈值尺寸以上的颗粒可能不会引起关注，但是如果允许其流过其余的微流体流动路径，则会导致颗粒物传感器20的过滤器的光学特性发生重大变化。分离出这些较大的颗粒可以在所需的尺寸范围内更精确地测量颗粒物。
在一些颗粒物传感器***中，在流体循环设备260的腔室280的入口上游，例如在区域282中，存在过滤器。这种过滤器可以防止颗粒物不利地影响流体循环设备260的操作。在结合了基于过滤器的颗粒物传感器的颗粒物传感器***中，例如图10的颗粒物传感器***250，区域282中不存在过滤器，例如，因为基于过滤器的颗粒物传感器20的过滤器用于防止颗粒物通过传感器***中的微流体流动路径向下游推进。
参照图11，诸如上述的颗粒物传感器30被结合到颗粒物传感器***350中。在颗粒物传感器***350中，设置在PCB基板252上方的覆盖层370限定了通过传感器***350的流动路径。覆盖层370与传感器壳体376不同，传感器壳体376限定了用于颗粒物传感器30的内部空间380。在这种配置中，传感器壳体376的内表面可以反射由颗粒物传感器30的光源374发射的光。然而，来自光源374的光没有到达覆盖层370的内表面。
示例性颗粒物传感器30的结构类似于图4的颗粒物传感器400。颗粒物传感器的其他配置也与颗粒物传感器***350兼容，例如图1-3和图5所示的配置。
参照图12A和12B，将包括光电检测器42，光源44和过滤器46的诸如上述的颗粒物传感器40结合颗粒物传感器***450中。传感器***450包括PCB基板452，在其上设置有传感器***的组件454，例如控制器，电容器和电感器。形成基部456，例如模制组件，以限定传感器***450的各个组件的部分。例如，基部456可以限定颗粒物传感器40的过滤器组件。基部456还可以限定进入流体循环设备460的入口462和来自流体循环设备的出口464。覆盖层470设置在基部456上并且例如通过形状封闭件连接至基部456。基部456，覆盖层470或两者限定通过传感器***450的流动路径的微流体通道。在一些示例中，传感器***450的组件，例如尺寸分离特征458，可以由基部456，覆盖层470或两者的结构限定。例如，在图12A的示例中，尺寸分离特征458形成在基部456和PCB基板452之间并且由基部456的形状限定。
在颗粒物传感器***450的配置中，流体首先通过传感器***450的腔室，其中设置有光电检测器42，这意味着流体中的颗粒物将不通过参考过滤器并且也将不通过光源44上方。这种配置可以帮助防止参考过滤器的污染以及可能由于光源44的颗粒物污染而产生的不利影响。
本文所述的颗粒物传感器和传感器***的制造与诸如注射模制和微电子加工和封装技术之类的高通量，低成本制造技术兼容，从而能够快速且经济地制造这些传感器和传感器***。
颗粒物传感器***的附加描述可以在PCT申请号[[代理案卷号45768-0011WO1/120-17]]中找到，其内容通过引用整体并入本文。
参照图13，可以将诸如上述那些的颗粒物传感器***50结合到诸如移动电话(如图所示)，平板电脑或可穿戴计算设备之类的移动计算设备52中。颗粒物传感器***50可由用户操作，例如，在移动计算设备52上执行的应用的控制下，以进行空气质量测试。测试结果可以显示在移动计算设备52的显示屏54上，例如，向用户提供有关用户环境中空气质量的基本的即时反馈。
此处描述的颗粒物传感器***也可以结合到其他设备中，例如空气净化器或空调单元。或用于其他应用，例如汽车应用或工业应用。
已经描述了多个实施例。然而，将理解，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下进行各种修改。例如，上述某些步骤可能与顺序无关，因此可以按照与上述顺序不同的顺序执行。
其他实施方式也在所附权利要求的范围内。

Claims (46)

1.一种用于感测流体中的颗粒物的装置，所述装置包括：
基板；
电连接至所述基板的集成电路，所述集成电路包括光电检测器；
过滤器组件，包括：
与所述光电检测器对准的颗粒过滤器，以及
用于所述颗粒过滤器的过滤器壳体，所述过滤器壳体限定用于流体通过所述颗粒过滤器的流动路径；以及
光源，其电连接至所述基板并被定位以照射所述颗粒过滤器。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述过滤器组件被固定至所述集成电路。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述过滤器组件被固定至所述基板。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述基板包括印刷电路板。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述光源设置在所述基板上。
6.根据权利要求5所述的装置，包括设置在所述基板上的多个光源，设置在所述过滤器组件的第一侧的第一光源以及设置在所述过滤器组件的第二侧的第二光源。
7.根据权利要求5或6所述的装置，包括：
多个光源，其设置在所述基板上；以及
多个光电检测器，其设置在所述基板上，
其中所述多个光源中的每一个被定位成用基本相似强度的光照射每个光电检测器。
8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，包括设置在所述基板上的多个光电检测器，设置在所述过滤器组件的第一侧的第一光电检测器以及设置在所述过滤器组件的第二侧的第二光电检测器。
9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，包括固定至所述基板的传感器壳体，所述传感器壳体和所述基板限定内部空间，所述集成电路、所述过滤器组件和所述光源设置在所述内部空间中。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述传感器壳体的内表面对所述光源发射的光的反射率至少为30％。
11.根据权利要求9或10所述的装置，包括设置在所述传感器壳体的内表面上的反射材料层。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的装置，其中所述光源被定位成照射所述传感器壳体，使得从所述传感器壳体反射的光照射所述颗粒过滤器。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的装置，其中所述光源设置在所述传感器壳体的内壁上。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的装置，其中所述传感器壳体的横截面具有弯曲的轮廓。
15.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述集成电路包括第二光电检测器，并且其中所述过滤器组件包括与所述第二光电检测器对准的参考颗粒过滤器。
16.根据权利要求15所述的装置，其中所述过滤器壳体不限定用于流体通过所述参考颗粒过滤器的流动路径。
17.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述集成电路通过硅通孔，背侧重新分布层和焊球电连接至所述基板。
18.根据权利要求17所述的装置，包括设置在所述集成电路和所述基板之间的底部填充材料。
19.根据权利要求18所述的装置，包括设置在所述集成电路的一个或多个边缘的倒角。
20.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述光源包括广谱光源，并且其中所述光电检测器包括被配置为检测从所述广谱光源发射的第一波长的第一区域和被配置为检测从所述广谱光源发射的第二波长的第二区域。
21.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述光源是被配置为发射第一波长的光的第一光源，并且包括被配置为发射第二波长的光的第二光源；以及
其中所述光电检测器被配置为检测所述第一波长和所述第二波长。
22.一种用于检测流体中颗粒物的方法，所述方法包括：
使包含微粒物的流体流过由过滤器壳体限定的流动路径，包括使所述流体流过设置在所述过滤器壳体上的颗粒过滤器；
使用来自电连接至基板的光源的光照射所述颗粒过滤器；以及
通过形成在电连接至所述基板的集成电路中的光电检测器来检测所述颗粒过滤器的光学特性，所述光电检测器与所述颗粒过滤器对准。
23.根据权利要求22所述的方法，其中检测所述颗粒过滤器的光学特性包括检测所述颗粒过滤器的吸收。
24.根据权利要求22或23所述的方法，其中检测所述颗粒过滤器的光学特性包括检测所述光学特性的变化率。
25.根据权利要求22至24中任一项所述的方法，其中使用光照射所述颗粒过滤器包括将来自光源的光反射离开传感器壳体的内壁，所述传感器壳体和所述基板限定内部空间，所述集成电路、所述过滤器壳体和所述光源被设置在所述内部空间中。
26.根据权利要求22至25中任一项所述的方法，包括当检测到所述颗粒过滤器的光学特性的阈值变化时停止所述流体的流动。
27.一种用于制造用于感测流体中的颗粒物的装置的方法，所述方法包括：
将包括光电检测器的集成电路电连接至印刷电路板基板；
将过滤器壳体设置在所述印刷电路板基板上，使得设置在所述过滤器壳体上的颗粒过滤器与所述集成电路的光电检测器对准，所述过滤器壳体限定用于流体通过所述颗粒过滤器的流动路径；以及
将光源电连接至所述印刷电路板基板，使得所述光源被定位以照射所述颗粒过滤器。
28.根据权利要求27所述的方法，包括将底部填充材料设置在所述集成电路和所述印刷电路板基板之间。
29.根据权利要求27或28所述的方法，包括将所述光源设置在所述印刷电路板基板上。
30.根据权利要求27至29中任一项所述的方法，包括将所述颗粒过滤器黏接到所述过滤器壳体。
31.根据权利要求27至30中任一项所述的方法，其中将所述过滤器壳体设置在所述印刷电路板基板上包括：将所述过滤器壳体固定至包括所述光电检测器的集成电路上。
32.根据权利要求31所述的方法，其中将所述过滤器壳体固定至所述集成电路包括将所述过滤器壳体黏接到所述集成电路。
33.根据权利要求27至32中任一项所述的方法，其中将所述过滤器壳体设置在所述印刷电路板基板上包括将所述过滤器壳体黏接到所述印刷电路板基板上。
34.根据权利要求27至33中任一项所述的方法，包括通过模制工艺形成所述过滤器壳体。
35.根据权利要求34所述的方法，其中形成所述过滤器壳体包括在所述过滤器壳体中形成多个腔。
36.根据权利要求27至35中任一项所述的方法，包括将传感器壳体固定至所述印刷电路板基板，使得所述传感器壳体和所述印刷电路板基板限定内部空间，所述集成电路、所述过滤器壳体和所述光源被设置在所述内部空间中。
37.根据权利要求36所述的方法，包括通过模制工艺形成所述传感器壳体。
38.根据权利要求36或37所述的方法，包括将所述光源设置在所述传感器壳体的内壁上。
39.根据权利要求36至38中任一项所述的方法，其中所述集成电路包括第二光电检测器，以及
其中所述方法包括将所述过滤器壳体固定至所述集成电路，使得设置在所述过滤器壳体上的参考颗粒过滤器与所述第二光电检测器对准。
40.根据权利要求27至39中任一项所述的方法，包括将模制的覆盖件固定至所述过滤器壳体上。
41.根据权利要求27至40中任一项所述的方法，其中将过滤器壳体固定至集成电路包括将包括：多个过滤器壳体的壳体件固定至包括多个集成电路的晶片上，使得一个或多个所述过滤器壳体中的每个与相应的集成电路对准。
42.根据权利要求41所述的方法，包括将所述晶片分割成多个块，每块包括具有固定的过滤器壳体的集成电路。
43.根据权利要求42所述的方法，其中将所述集成电路电连接至印刷电路板基板包括：将多个均包括集成电路的多个块电连接至所述印刷电路板基板。
44.根据权利要求43所述的方法，包括将所述印刷电路板基板分割成多个块。
45.一种用于感测流体中的颗粒物的感测***，所述感测***包括：
入口微流体通道；
颗粒感测装置，包括：
基板；
电连接至所述基板的集成电路，所述集成电路包括光电检测器；
过滤器组件，包括：
与所述光电检测器对准的颗粒过滤器，以及
用于所述颗粒过滤器的过滤器壳体，所述过滤器壳体限定用于流体通过所述颗粒过滤器的感测微流体通道，所述感测微流体通道流体地连接至所述入口微流体通道；以及
光源，电连接至所述基板，并定位以照射所述颗粒过滤器；
流体地连接到所述感测微流体通道的出口；以及
流体循环组件，其被配置为引起流体从所述入口微流体通道通过所述感测微流体通道并流出所述出口。
46.根据权利要求45所述感测***，其中所述流体循环组件包括泵，风扇，加热器和超声喷嘴中的一个或多个。
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