CN111830126A - 航空器空气污染物收集器装置及使用方法 - Google Patents

航空器空气污染物收集器装置及使用方法 Download PDF

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Abstract

公开了一种用在航空器空气污染物分析仪中的空气污染物收集器装置及其使用方法。

Description

航空器空气污染物收集器装置及使用方法
背景技术
在飞行期间和/或地面操作期间，诸如涡轮发动机油和液压流体的污染物 可能存在于航空器的机舱/驾驶舱中的空气或其他气体中。某些污染物可能以 气溶胶形式、颗粒形式和/或气态形式存在，并且污染物的数量可能甚至在数 量级上显著变化，从而导致传感器结垢和/或传感器响应延迟。当存在多种污 染物时，它们的数量可能不同，从而某些污染物(以高于或低于其他污染物 的浓度存在)检测的到，而其他污染物检测不到。通常需要检测和识别污染 物的成分或类型，以保护健康和/或设备、检测故障并帮助识别污染物的来源 或原因。无法检测和识别污染物可能导致需要航班改航、航班取消或紧急降 落，以确保乘客和机组人员的安全，这至少是不便的并增加了成本。
需要改进的检测方法、检测***和检测***部件。提供本发明以至少减 轻现有技术的一些缺点。根据如下面所阐述的描述，本发明的这些优点和其 他优点将显而易见。
发明内容
本发明的实施方案提供了用在航空器空气污染物分析仪中的空气污染物 收集器装置，其包括(A)空气污染物收集器，所述空气污染物收集器包括(a) 包括微孔流通通道和化学选择性涂层的多孔构件，所述多孔构件具有顶表面 和底表面，其中所述多孔构件保持功能并在受控的时间段内被加热的同时解 吸所捕获的空气污染物；(b)薄膜电阻加热器，所述薄膜电阻加热器能够加 热到使所捕获的空气污染物蒸发的温度，其中所述加热器与所述多孔构件的 所述顶表面接触；以及(B)空气污染物收集器基座，所述空气污染物收集器 基座包括(c)第一基底，其中所述多孔构件和所述薄膜电阻加热器与所述第 一基底相关联，所述多孔构件和所述加热器与所述基座热绝缘。
在另一个实施方案中，提供了用于捕获和解吸所捕获的空气污染物的方 法，所述方法包括使空气穿过所述空气污染物收集器装置的实施方案、通过 所述多孔构件捕获空气污染物、以及将所述多孔构件加热到足以使所述所捕 获的空气污染物蒸发并解吸所述所捕获的空气污染物的温度。
附图说明
图1是空气污染物收集器装置的实施方案的图解顶视图，示出多孔构件、 加热器、化学选择性涂层、基座和系链，其中系链将多孔构件连接到基座。
图2A是图1中所示的空气污染物收集器装置的实施方案的一部分的图解 放大图，示出基座中的通道，所述通道提供用于将多孔构件连接到基座的系 链，还示出与多孔构件的顶表面相关联的薄膜电阻加热器(围绕多孔构件的 流通通道)，并且在系链上，还示出电气迹线和化学选择性涂层，其中仅示 出涂层和加热器的一部分，从而也可以示出其他部件。图2B示出多孔构件的 底表面的放大图，还示出将多孔构件连接到基座的系链的底表面。
图3是具有涂层的空气污染物收集器装置的实施方案的图解剖视图，还 示出电气迹线和绝缘体层，其中迹线在加热器和绝缘层的顶部上，并且绝缘 层形成多孔构件的顶表面。
图4是包括根据本发明的航空器空气污染物收集器装置的实施方案的说 明性航空器空气污染物分析仪的图解示意图，航空器空气污染物收集器装置 包括具有微孔流通通道和化学选择性涂层的微孔介质和加热器，其中加热器 与微孔介质接触；航空器空气污染物分析仪的所示实施方案还包括重力传感 器；以及泵，还示出通过航空器空气污染物分析仪的样本流，其中重力传感 器定位在多孔构件的上游，其中样本流被布置成避免流向传感器表面。
图5是示出说明性重力传感器(具有第一电极和第二电极)的图解示意 图，所述传感器还包括作为根据本发明的实施方案的航空器空气污染物分析 仪的一部分的平衡电容器(具有第一平衡电容器电极和第二平衡电容器电 极)。
图6示出使用包括根据本发明的航空器空气污染物收集器装置的实施方 案的航空器空气污染物分析仪来确定用于防冻液的响应谱。
图7示出从存在防冻液的情况下的响应谱中减去不存在污染物(防冻液) 的情况下的响应谱而得到的“热减响应”。
图8示出根据热减响应计算出的四个特征：a)最大频移(MFS)；b)峰 前和(SB)；c)峰后和(SA)；以及d)段#5(S5)。
图9和图10示出使用具有不同化学选择性涂层的两个航空器空气污染物 收集器的特征MFS来区分污染物。
具体实施方式
本发明的实施方案提供了用在航空器空气污染物分析仪中的空气污染物 收集器装置，空气污染物收集器装置包括：(A)空气污染物收集器，所述空 气污染物收集器包括(a)包括微孔流通通道和化学选择性涂层的多孔构件， 所述多孔构件具有顶表面和底表面，其中，所述多孔构件保持功能并在受控 的时间段内被加热的同时解吸所捕获的空气污染物；(b)薄膜电阻加热器， 所述薄膜电阻加热器能够加热到使所捕获的空气污染物蒸发的温度，其中所 述加热器与所述多孔构件的顶表面接触；以及(B)空气污染物收集器基座，所述空气污染物收集器基座包括(c)第一基底，其中所述多孔构件和所述薄 膜电阻加热器与所述第一基底相关联，所述多孔构件和所述加热器与所述基 座热绝缘。
在优选的实施方案中，多孔构件包括微孔膜和直接沉积在微孔膜的顶表 面上的所述薄膜电阻加热器。
在装置的实施方案中，第一基底具有通道，所述通道提供将多孔构件连 接到第一基底的一个系链，通常为多个系链。
在另一个实施方案中，提供了用于捕获和解吸所捕获的空气污染物的方 法，所述方法包括使空气穿过所述空气污染物收集器装置的实施例、通过所 述多孔构件捕获空气污染物、以及将所述多孔构件加热到足以使所述所捕获 的空气污染物蒸发并解吸所述所捕获的空气污染物的温度。
根据所述方法的实施方案，空气污染物包括气溶胶和/或微粒和/或(一 种或多种)蒸汽。
有利地，加热在多孔构件的表面上是均匀的，没有局部的热点或过热。
在另一个优点中，空气污染物收集器装置不是“一次性使用”的，例如， 它耐结垢，并且可以在航空器空气污染物分析仪中重复使用以测量(一个或 多个)污染物浓度并确定(一种或多种)污染物类型。
在另一个优点中，具体是当利用两个或更多个航空器空气污染物收集器 装置时，可以更精确地分类具有相似特性(例如，蒸汽压和/或密度)的不同 流体。
在典型的实施方案中，装置可以位于ECS(环境控制***)通风口或管道 中，因为在大容量机舱中的污染物浓度增加到从ECS通风口出来的水平之前 将存在延迟。然而，各种位置都适合于装置，诸如在驾驶舱、机舱、头顶行 李舱、储物舱、厨房区、航空电子设备舱、辅助动力单元等中。可替代地， 装置可以安装在一个位置中，并且将来自另一个位置的空气经由各种空气传 输装置(包括例如，管路、管子和/或管道)引导到分析仪。
可替代地或附加地，装置可以位于例如排气管线处或附近，其中来自发 动机的压缩空气传输到ECS。装置位于排气管线处或附近的一个好处是：从每 个发动机对排气进行采样，这告知并可以识别出故障的发动机，从而允许机 组人员停止将受污染的排气从故障发动机供应到ECS。相比之下，位于机舱中 的装置无论是从机舱或ECS通风口或ECS管道进行采样，都将会告知存在污 染源，但不会告知哪个发动机或APU(辅助动力单元)是污染源。
通常，包括空气污染物收集器装置的航空器空气分析仪的实施方案包括： (a)至少一个航空器空气污染物收集器装置，所述航空器空气污染物收集器 装置包括(i)具有化学选择性涂层的多孔构件；以及(ii)薄膜电阻加热器； (b)空气污染物收集器基座，所述空气污染物收集器基座包括具有顶表面和 底表面的第一基底；其中所述至少一个污染物收集器与所述第一基底相关联， 所述多孔构件和所述薄膜电阻加热器与所述第一基底热绝缘；所述航空器空 气污染物分析仪还包括(c)重力传感器，所述重力传感器被布置成当将空气 污染物质量添加到所述重力传感器或从所述重力传感器中去除时产生成比例 的共振频率响应；(d)具有顶表面和底表面的第二基底；其中所述重力传感 器与所述第二基底的顶表面相关联，所述重力传感器与所述污染物收集器分 离恒定距离，所述重力传感器被布置成当所述多孔构件被加热时接收从所述 多孔构件解吸的空气污染物；(e)包括顶表面和底表面的支撑件，所述支撑 件包括穿过所述支撑件的所述顶表面和所述底表面的至少一个航空器进气 口，其中所述第二基底的所述底表面与所述支撑件的所述顶表面相关联；(f) 共振频率测量装置，所述共振频率测量装置被布置成当将所述空气污染物添 加到所述重力传感器或从所述重力传感器中去除时测量由所述重力传感器产 生的所述成比例的共振频率响应；(g)带有空气污染物识别程序和校准数据 的计算机可读介质；(h)被配置成执行所述空气污染物识别程序的处理器， 所述污染物识别程序包括被配置成按照类型对空气污染物进行分类的模块， 以及被编程为使用所述校准数据与由所述重力传感器产生的所述成比例的共 振频率响应的幅度进行比较以计算空气污染物浓度的模块；以及(i)泵，所 述泵被布置成在所述多孔构件被加热之前和之后产生通过至少一个航空器进 气口并通过所述至少一个空气污染物收集器装置的航空器空气流。
航空器空气污染物分析仪包括测量电路，所述测量电路用于以足够的速 率测量频率以精确地确定重力传感器的响应，通常每个重力传感器每秒约10 至约100次测量。测量与其他分析仪功能(具体是加热微孔介质的功能)同 步。测量通常在足以确定最大频率变化和重力传感器响应的恢复速率的持续 时间(通常，例如，约1秒至约4秒长的持续时间)上进行。
足够量的样本在规定的时间段(例如，约10至约60秒)中以规定的速 率(例如，每分钟约500至约2000标准立方厘米(sccm))流动通过分析仪， 以在整个测量噪声水平上充分获得响应幅度，以确定传感器频率相对于时间 的曲线的形状，通常信噪比约为4：1或更高。
不同污染物的转移、吸附和解吸的动力学导致针对不同污染物的不同响 应形状。说明性地，如果为了便于参考，将4种不同的化合物(例如，硝基 甲烷三丙酮三过氧化物(nitromethane triacetone triperoxide)、乙二醇 二硝酸酯(ethylene glcoldinitrate)和2,3二甲基2,3二硝基丁烷(2,3 dimethyl 2,3dinitrobutane))叠加在单张图上，则化合物的传感器频率相 对于时间响应的形状将表明，较高蒸汽压(较轻)的化合物比较低蒸汽压(较 重)的化合物从膜更快地释放，例如，在三丙酮三过氧化物、乙二醇二硝酸 酯和2,3二甲基2,3二硝基丁烷之前释放硝基甲烷。
在加热多孔构件之前，应当停止由泵产生的沿着样本流动路径通过多孔 构件(例如，微孔介质，更优选地，微孔膜)的流动，以使得其为零或接近 零(例如，约5sccm或较小)，例如，通常应当在加热之前停止流动至少0.2 秒。
优选地，在重复测量频率的同时，通过施加电压阶跃来加热多孔构件， 从而在约0.1秒内将其加热到至少约400℃的温度。通常，将多孔构件加热到 至少约200℃、更典型地至少约400℃、在一些实施方案中加热到约550℃， 持续至少约1秒、优选地至少约2秒(例如，高达约10秒或更长)，以蒸发 (解吸)(一种或多种)污染物，以使得下一次测量可以从“重新开始”开始。 为了将重力传感器的漂移归零(“自校零”)，传感器的响应以刚好加热多孔构 件之前传感器具有的频率作为基准。
当不加热多孔构件时，优选地将分析仪维持在固定温度，例如在约30℃ 至约70℃范围内的固定温度。
可以使用模式识别算法按照类型对(一种或多种)污染物进行分类，以 通过其受污染物的材料特性影响的独特响应(传感器的频率相对于时间的曲 线形状)来识别每种污染物，所述材料特性诸如但不限于以下中的任一项或 多项：蒸汽压、热容量、冷凝热、蒸发热、吸收和解吸动力学以及扩散速率。 可以使用多种算法根据污染物特定响应形状对(一种或多种)污染物进行分 类。合适的算法包括例如神经网络、主成分分析、基于支持向量机的分类、 线性判别分析和决策树分析。
可以通过将(一个或多个)响应的幅度与预先确定的校准文件(例如， 给出作为(一个或多个)响应幅度函数的(一个或多个)污染物浓度值的曲 线或查找表)进行比较，来计算(一种或多种)污染物的浓度。
重力传感器(其可以包括单个传感器或传感器阵列)产生对添加到传感 器或从传感器中去除的质量的精确且成比例的频率响应。优选地，在宽的动 态范围内提供响应，以使得响应不会被少量的转移污染物(分析物)过度阻 尼。重力传感器作为放大振荡器电路的一部分运行，以使其维持共振。
现在将在下面更详细地描述本发明的部件中的每一个，其中相似的部件 具有相似的附图标记。
在图1、图2A、图2B和图3所示的说明性实施方案中，航空器空气污染 物收集器装置700包括基座10，所述基座10包括第一基底1011，所述第一 基底1011包括具有第一基底顶层101A和第一基底底层101B(图3)的第一 基底主层101，以及第一基底上的多孔构件100(例如，微孔膜100A)，所述 多孔构件具有顶表面111和底表面112(图2B和图3)，所述多孔构件包括微 孔流通通道115(穿过多孔构件的顶表面和底表面)和化学选择性涂层150(如 图1、图2A和图3所示)，其中多孔构件保持功能并在受控的时间段内被加热 的同时解吸所捕获的空气污染物，以及能够加热到使所捕获的空气污染物蒸 发的温度的薄膜电阻加热器175，其中加热器与多孔构件的顶表面接触(在顶 表面中和/或上)；其中层101A和101B、多孔构件100、加热器175、导线迹 线(在下面讨论)和任选的包装层(也在下面讨论)通过例如加法工艺与第 一基底主层101相关联(例如，安装到第一基底主层101或在第一基底主层101上制造)，并且通道115和系链190(下面讨论)以及多孔构件100下方 的空腔(图3所示)通过例如减法工艺制造。
虽然图1、图2A、图2B和图3示出包括具有第一基底顶层101A和第一 基底底层101B的第一基底主层101的第一基底101'，但是本领域技术人员应 认识到，用于形成多孔构件100的其他工艺可以不需要层101A和/或101B。
如图1、图2A和图3所示，航空器空气污染物收集器装置700的实施方 案通常包括一个或多个电气迹线作为电子设备的一部分(如下面更详细地讨 论)。例如，图1、图2A和图3示出可以与接合线(wirebonds)(未示出)连 通的电气迹线620，所述接合线与加热器175连通。任选地，也如图1、图2A 和图3所示，航空器空气污染物收集器装置700的实施方案可以包括覆盖导 线迹线的至少一部分的包装层699，从而例如提供低电阻、并且允许接合线形 成可靠的电接触并将加热器电流从接合线更有效地移动到加热器。在一些实 施方案中，包装层由金制成，并且电气迹线由诸如铂的高温金属制成，所述 高温金属在较高温度下保持电稳定和机械稳定。
通常，化学选择性涂层150覆盖构件的所有表面(例如，顶部、底部、 流通通道；图2A中未示出的通道/孔中的涂层)以及加热器和电气迹线的顶 部，而不覆盖包装层699。
优选地，多孔构件和加热器与基座10和第一基底1011热绝缘，例如， 多孔构件与101、101A和101B热绝缘(例如，通过将多孔构件连接到基底的 系链190，例如，如图1、图2A和图3所示)，以减少在多孔构件的边缘处的 传热损失，还允许以低功率快速均匀地加热。在实施方案中，通道195被蚀 刻穿过第一基底，并且限定系链(tether)(例如，系链是通道被蚀刻穿过之 后第一基底的剩余部分)。与流通通道115(通常具有约50微米或更小的直径) 相反，通道195通常是细长的，并且限定系链。
在图2A和图3所示的实施方案中，薄膜电阻加热器175布置在多孔构件 的顶表面111中或顶表面上(围绕多孔构件的流通通道115)，并且在系链上。
在一些实施方案中，例如如图3中图解所示，多孔构件的顶表面111包 括位于加热器下方的绝缘层120(例如SiO2)(以及载有电流的任何其他结构， 例如电气迹线)，以防止电流通过多孔构件短路。
图4示出航空器空气污染物分析仪200的实施方案，其包括提供样本流 动路径1000的至少一个航空器空气污染物收集器装置700(也参见图1-3)， 收集器装置包括具有第一基底1011和微孔介质100的基座10，以及薄膜电阻 加热器175。在该示出的实施方案中，航空器空气污染物收集器装置700与第 一支撑件311(通常是印刷电路板)相关联(例如，安装在第一支撑件311上)， 所述第一支撑件具有顶表面311A和底表面311B。由泵433产生沿着流动路径 的流动。
分析仪200包括：重力传感器3，所述重力传感器沿着第一流动路径布置 在收集器装置附近，以在将空气污染物质量添加到重力传感器或从重力传感 器中移除时产生成比例的共振频率响应，以量化空气污染物的量并根据类型 对空气污染物进行分类；以及第二基底201，所述第二基底具有顶表面201A 和底表面201B；其中重力传感器3与第二基底的顶表面相关联(例如，通过 减法和加法工艺安装在所述顶表面上或在所述顶表面内制造)，重力传感器与 污染物收集器装置分离恒定距离，重力传感器布置成当微孔介质被加热时接收从微孔介质解吸的空气污染物。
图4中所示的分析仪的实施方案还包括第二支撑件312，所述第二支撑件 包括顶表面312A和底表面312B，所述第二支撑件包括穿过支撑件的顶表面和 底表面的至少一个航空器进气口500(图4示出进气口500A和500B)，其中 第二基底的底表面与第二支撑件的顶表面相关联(例如，安装在所述顶表面 上)。通常，第二支撑件包括印刷电路板。任选地，分析仪的实施方案可以包 括具有(一个或多个)进气口的进气歧管。
重力传感器与多孔构件之间的间隔应保持恒定，通常为约0.1mm至约2 mm，优选地约0.2mm至约0.4mm的距离。例如，图4示出用于维持传感器 与多孔构件之间间距的在第一支撑件311与第二支撑件312之间的间隔件 315。优选地，间隔件的长度使得收集器装置与重力传感器的面对表面之间的 间隔为约0.2mm至约0.4mm。
图4中所示的实施方案还包括电子设备600，所述电子设备600包括：电 源或与电源的连接件；功率调节器；测量电路610，所述测量电路610包括具 有振荡器和现场可编程门阵列(FPGA)的共振频率测量装置610A，被布置成 测量由共振器阵列产生的成比例的共振频率响应以允许对(一种或多种)空 气污染物类型进行分类；带有空气污染物识别程序的计算机可读介质；处理 器，所述处理器被配置成执行空气污染物识别程序，所述污染物识别程序包 括一个模块，所述模块被配置成测量振荡速率、并利用校准表进行编程以对(一种或多种)空气污染物类型进行分类，并且通过用于与由(一个或多个) 共振器阵列产生的成比例的共振频率响应的幅度进行比较以计算(一个或多 个)空气污染物浓度并确定(一种或多种)空气污染物类型。如果需要，将 由处理器执行的空气污染物识别程序存储在非暂时性计算机可读介质上，并 且处理器显示(输出)所确定的(一种或多种)空气污染物类型的值。例如， 可以使用与处理器可操作地布置的显示装置(诸如手持装置)通过GUI来显 示(一个或多个)值。可替代地或附加地，例如，可以通过发光的指示器显 示或可听地传达(一个或多个)值。
电子设备可以具有本领域已知的多种布置。在所示的实施方案中，电子 设备在需要时经由电缆601、连接器605、制造到第一支撑件311中的电气迹 线620(因此迹线不可见)、接合线625、和制造到收集器10上的迹线630(因 此迹线不可见)为加热器175供电，并且在需要时经由电缆691为泵433供 电(下面讨论)。如下面关于图4所讨论的，相对于重力传感器的电子设备还 可以包括例如电气迹线640、接合线645、制造到第二支撑件312中的电气迹 线650(因此不可见)、660、670(如图5所示)、连接器655以及电缆651。
在包括额外收集器和重力传感器的那些实施方案中，每个重力传感器通 常将具有其自身的振荡器电路、电气迹线和接合线。它们可以具有单独的电 缆和连接器，或者信号可能被路由到多线电缆和连接器中。一个现场可编程 门阵列(FPGA)通常能够计算多个重力传感器的共振频率。所有收集器可以 由同一电子电源电路并联接线并加热，或者可替代地可以由单独的电路供电 并独立加热到例如不同的温度或持续时间。
如果需要的话，可以使用例如锁相环或数字信号处理器(DSP)芯片来执 行频率扫描以从扫描谱中识别共振频率，从而测量共振频率。
可替代地，如果需要的话，可以布置包括激光器和光电检测器的共振频 率测量装置，以测量由重力传感器产生的成比例的共振频率响应。
航空器空气污染物分析仪的所示实施方案还包括泵433，所述泵被布置成 在多孔构件被加热之前和之后沿着样本流动路径1000产生通过航空器进气口 并通过空气污染物收集器的航空器空气样本流。
根据航空器空气污染物分析仪的实施方案，各种泵适用。如图4所示， 泵433优选地定位在多孔构件和重力传感器的下游，其中任选的气密盖434 (和/或任选的进气歧管(未示出))、第二支撑件312、第一支撑件311和间 隔件315隔离样本以避免其污染或稀释，并确保由泵产生的流全部流动通过 100，并且泵定位在重力传感器和多孔构件之后，以确保泵不会污染样本，并 且重力传感器定位在多孔构件的上游，其中样本流被布置成避免流向传感器 表面，从而最小化污染物和不期望的物质(诸如灰尘、气溶胶和/或微粒)传 递到传感器的表面上。
在包括两个或更多个航空器空气污染物收集器装置和对应的重力传感器 (提供收集器-传感器组)的那些实施方案中，每个收集器-传感器组被维持 在与(一个或多个)其他组相同的环境条件(例如，温度、压力、相对湿度) 下，原因在于这通过减少在不同时间或不同条件下测量每个组而引起的响应 模式中的“噪声”提供了更好的检测性能。优选地，所有收集器-传感器组被 紧密地布置。
每个收集器-传感器组应当具有与(一个或多个)其他组相似的灵敏度， 以使得每个组都提供高于噪声水平的响应以提供良好的精度。
各种重力传感器适用于本发明的实施方案，包括例如选自薄膜共振器 (TFR)、表面声波(SAW)共振器、厚度剪切模式(TSM)共振器(石英晶体 微天平(QCM)共振器)、声板模式(APM)共振器、弯曲板波(FPW)共振器、 体声波(BAW)共振器、压电双压电晶片共振器阵列传感器和音叉传感器的重 力传感器。
在实施方案中，传感器可以涂覆有官能化的SiO2纳米颗粒(例如，用三 乙氧基硅烷(tri ethyoxysilanes)官能化)。用于生产官能化的SiO2纳米颗 粒的合适的三乙氧基硅烷包括例如3-[2-(3-三乙氧基甲硅烷基丙氧基)乙氧 基]磺砜(3[2(3Triethoxysilylpropoxy)ethoxy]sulfonlane)95％；苯乙 基三甲氧基硅烷，硬脂酸正丁酯-95(Phenethyltrimethoxysilane,tech 95)； 3-甲氧基丙基三甲氧基硅烷(3Methyoxypropyltrimethoxysilane)；N-(乙 酰乙二醇)-3-氨基丙基三甲氧基硅烷(N(Acetylglycl)3 Aminopropyltrimethoxysilane)，在甲醇中为5％；以及十二碳氟 癸-9-烯-1-三甲氧基硅烷(Dodecafluorodec 9Ene 1Yltrimethoxysilane)，95％。在一些实施方案中，官能化的SiO2纳米颗粒形成可以沉积在传感器表 面上的自组装单层。
在一个实施方案中，重力传感器包括压电双压电晶片共振器阵列，所述 压电双压电晶片共振器阵列包括两个有源层，所述层在共振下弯曲，所述共 振器阵列在添加或去除空气污染物质量时产生共振频率的成比例的变化。在 美国专利6,953,977中公开了这种重力传感器的一个示例。
在图5中所示的实施方案中，重力传感器3包括第一电极3A和第二电极 3B(共同形成共振器)，以使得传感器的运动经由传感器表面上的第一电极被 转换成电信号，并且该电信号可以被放大并返回到传感器表面上的第二电极， 以共振驱动传感器。重力传感器还可以包括任选的平衡电容器5，所述平衡电 容器5具有被包括在共振器附近的第一平衡电容器电极5A和第二平衡电容器 电极(测量电极)5B，以减小来自电信号的寄生电容和电阻的影响，其中平 衡电容器具有与重力传感器相似或相同的材料构造和尺寸，但是不能运动(例 如，其中在基底上不存在允许平衡电容器移动的空间)。可以通过专用电气迹 线利用例如180°相移信号将平衡电容器驱动到第一平衡电容器电极。从第二 平衡电容器电极(测量电极)转换的信号在路由到电子设备(例如对振荡速 率进行计数的现场可编程门阵列(FPGA)和固件)时与由传感器的第一电极 转换的信号组合。
如本领域所公知的，各种类型的电子设备适合于测量各种重力传感器的 成比例的频率响应。
各种材料适用于根据本发明的实施方案使用的多孔构件100，诸如微孔介 质(例如，微孔膜)。除微孔膜外，合适的微孔介质还包括纤维材料、陶瓷、 印刷结构以及微加工结构。多孔构件可以得到支撑或不得到支撑。通常，在 其中微孔介质是微孔膜的实施方案中，膜的厚度在至少约20微米至约500微 米的范围内，更典型地，在约50微米至约200微米的范围内，但是膜的厚度 对于某些应用而言可以更小或更大。
多孔构件100(例如微孔介质，诸如微孔膜)是多孔的或穿孔的，提供合 适的规则和/或不规则的流通通道和/或孔，大小和/或直径例如为约5微米至 约50微米、通常10微米至约30微米，但是孔或穿孔对于某些应用而言可以 更小或更大。膜包括与膜的顶表面和底表面以及流动通道和/或孔内部相关联 (例如固定和/或共价键合到其上)的疏水性沸石涂层，和/或在膜主体中的 疏水性沸石颗粒。
多种化学选择性涂层适用于本发明的实施方案中，例如多孔二氧化硅、 活性炭、金属有机骨架(MOF)、沸石咪唑酯骨架(ZIF)、二氧化钛(TiO2)颗 粒、和沸石(包括疏水性沸石和亲水性沸石)。合适的沸石涂层包括但不限于 Z100(疏水性沸石)；Z110(疏水性沸石)；Z300(疏水性较小的沸石)；以及 Z810(亲水性沸石)(Zeochem LLC,Louisville,KY)。
合适的加热器175(优选地是薄膜电阻加热器)在本领域中是已知的。说 明性的加热器包括例如铂(Pt)和钽铂(TaPt)高温兼容薄膜电阻加热器， 其允许将微孔介质欧姆加热到例如约550℃而不会降解。优选地，例如通过沉 积、光刻和溶解工艺的组合将加热器在基底上制造到位。
多种材料适合用作第一支撑件和第二支撑件、基座和基底，并且合适的 材料在本领域中是已知的并可以使用微电子制造工艺容易地制造。例如，它 们可以由诸如硅的材料制造。通常，材料是可微加工的，因为如果需要的话 材料期望允许微加工以包括需要时提供电能的电气结构(诸如迹线、电极和 互连器)、和/或包括机械结构(诸如悬置板、系链和膜)以及流体结构(诸 如流动通道)。
以下实施例进一步说明本发明，但是，当然，不应解释为以任何方式限 制其范围。
实施例1
该实施例表明，在系链的多孔构件上加热通常是均匀的。
如图1、图2A和图3中大体上所示，提供了空气污染物收集器装置，其 中已经通过蚀刻产生通道。
多孔构件是微孔硅膜，所述微孔硅膜具有被蚀刻通过膜的约25微米直径 的流通通道，所述膜在上游、下游和流通通道表面上还具有疏水性沸石粉末 涂料(Z300；ZeochemLLC,Louisville,KY)。
加热器是被制造到基底中并直接沉积在膜上的钽铂(TaPt)高温兼容薄 膜电阻加热器。
加热器由14伏特供电，产生可见光，从而表明在膜的表面上加热是均匀 的，并且系链处不存在局部热点或过热。
实施例2
在该实施例中，如图4中大体上所示，布置了航空器污染物分析仪，其 中一对重力传感器测量来自收集器的解吸，所述收集器包括涂覆有疏水性沸 石涂层的膜(Z300；Zeochem LLC,Louisville,KY)。
首先在不存在污染物的情况下(例如，在校准过程中使用干净的实验室 空气，或者通过灭菌过滤器的空气，或者首先不使空气通过收集器)确定频 移相对于时间的关系。例如，共振频率每0.01秒测量4秒。当将热功率施加 到收集器时，共振频率从0.5s开始降低。传递到共振器的热量降低其共振 频率。这也称为“热响应”，并且说明在不存在污染物的情况下的响应谱。也 在存在污染物(防冻液)的情况下确定响应谱，并且两个响应谱如图6所示。
将第一响应谱(无污染物)从第二响应谱(具有污染物)中减去，显示 仅由污染物的存在引起的频移，说明“热减响应”，如图7所示。
可以从“热减响应”中计算出各种特征。此类特征的四个示例是：
a)最大频移(MFS)：在响应期间看到的最大频移。
b)峰前和(SB)：MFS之前曲线下方的面积。
c)峰后和(SA)：MFS之后曲线下方的面积。
d)段#5(S5)：MFS之后第37至第46次频率测量的平均值。
这四个特征在图8中示出。
实施例3
该实施例表明，通过模式识别算法可以如何使用如实施例2中所述的特 征MFS来识别污染物。
使用如实施例1中所述的具有重力传感器的航空器空气污染物分析仪， 当分析仪依次受到涡轮发动机机油(AEROSHELL 560；Shell)、液压流体(Exxon HYJET；Exxon)和防冻液的挑战时，确定频移相对于时间的关系。
结果在图9中示出，其中对于机油和液压流体，响应(平均MFS)相似， 并且对于防冻液，响应(平均值MFS)不同。
如图10所示，特征MFS的使用显示防冻液可以与液压流体和涡轮发动机 机油区分开：对于液压流体和涡轮发动机机油，靠近多孔二氧化硅涂层收集 器的重力传感器的MFS特征与靠近Z300涂层收集器的重力传感器的MFS特征 的比率在0与约2之间，而对于防冻液，比率在约12与约23之间。
本文所引用的所有参考文献(包括出版物、专利申请和专利)据此以引 用方式并入，其程度等同于每个参考文献单独地且具体地被表示为以引用方 式并入本文并且以其全文在本文得以陈述。
在描述本发明(特别是在以下权利要求的上下文中)的上下文中使用术 语“一个”和“一种”、以及“所述”和“至少一个”以及类似的指示物应被 解释为涵盖单数和复数，除非本文另外指明或上下文明显矛盾。使用术语“至 少一个”之后是一个或多个项目的列表(例如，“A和B中的至少一个”)应理 解为是指从所列项目(A或B)中选择的一个项目或者所列项目(A和B)中 两个或多个的任意组合，除非本文另外指明或上下文明显矛盾。除非另有说明，否则术语“包括”、“具有”、“包含”和“含有”均被解释为开放式术语 (即意味着“包括但不限于”)。除非本文另有指示，否则本文对值范围的叙 述仅仅旨在用作分别提及落入所述范围内的每个独立值的速记方法，并且每 个独立值并入到说明书中，如同在本文中分别叙述一样。可按任何适合的顺 序执行本文中所描述的所有方法，除非本文另外指示或明显与上下文矛盾。 除非另有说明，否则本文所提供的任何和所有示例或示例性语言(例如“诸如”)的使用仅旨在更好地说明本发明，并且不对本发明的范围构成限制。说 明书中的任何语言都不应解读为指示任何未要求保护的要素是实施本发明所 必需的。
本文中描述了本发明的优选实施方案，其包含为发明者所知用来执行本 发明的最佳模式。在阅读前面的描述之后，这些优选实施方案的变型对于本 领域普通技术人员来说可能变得显而易见。本发明人期望本领域技术人员在 适当情况下使用这种变型，并且本发明人希望本发明以不同于本文具体描述 的方式来实施。因此，本发明包括根据适用法律允许的所附权利要求中所述 的主题的所有修改和等效物。此外，除非本文另有指示或与上下文明显矛盾， 否则在其所有可行变型中的上述元素的任何组合都涵盖于本发明内。

Claims (6)

1.一种用在航空器空气污染物分析仪中的空气污染物收集器装置，所述空气污染物收集器装置包括：
(A)空气污染物收集器，所述空气污染物收集器包括：
(a)包括微孔流通通道和化学选择性涂层的多孔构件，所述多孔构件具有顶表面和底表面，其中，所述多孔构件保持功能并在受控的时间段内被加热的同时解吸所捕获的空气污染物；
(b)薄膜电阻加热器，所述薄膜电阻加热器能够加热到使所捕获的空气污染物蒸发的温度，其中，所述薄膜电阻加热器与所述多孔构件的顶表面接触；以及
(B)空气污染物收集器基座，所述空气污染物收集器基座包括：
(c)第一基底，其中，所述多孔构件和所述薄膜电阻加热器与所述第一基底相关联，所述多孔构件和所述薄膜电阻加热器与所述空气污染物收集器基座热绝缘。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一基底具有通道，所述第一基底的通道提供将所述多孔构件连接到所述第一基底的一个或多个系链。
3.一种用于捕获和解吸所捕获的空气污染物的方法，所述方法包括：
(A)使航空器空气穿过空气污染物收集器，所述空气污染物收集器包括：
(a)包括微孔流通通道和化学选择性涂层的多孔构件，所述多孔构件具有顶表面和底表面，其中，所述多孔构件保持功能并在受控的时间段内被加热的同时解吸所捕获的空气污染物；和
(b)薄膜电阻加热器，所述薄膜电阻加热器能够加热到使所捕获的空气污染物蒸发的温度，其中，所述薄膜电阻加热器与所述多孔构件的顶表面接触；以及
空气污染物收集器基座，所述空气污染物收集器基座包括：
(c)第一基底，其中，所述多孔构件和所述薄膜电阻加热器与所述第一基底相关联，所述多孔构件和所述薄膜电阻加热器与所述空气污染物收集器基座热绝缘；
(B)通过所述多孔构件捕获空气污染物；以及
(C)将所述多孔构件加热到足以使所捕获的空气污染物蒸发并解吸所捕获的空气污染物的温度。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述空气污染物包括气溶胶。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其中，所述空气污染物包括微粒。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的方法，其中，所述空气污染物包括气体。
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