(57)【要約】      （修正有）【課題】粒子状物質分析用のシステム及び方法を提供する。【解決手段】装置は、発振バランスの表面上１１６において微粒子を収集し、且つ、微粒子を有するバランスの固有共振周波数を微粒子を有していないバランスと比較する。これに加えて、収集された微粒子は、微粒子によって吸収される光によって照明される。この結果、バランスが加熱し、これにより、固有共振周波数が影響を受ける。固有共振周波数の比較により、収集された微粒子の光学プロパティが明らかとなり、これを使用することにより、微粒子を分類することができる。【選択図】図１
2019002912.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
収集された微粒子のサンプルのプロパティを計測するシステムにおいて、
前記サンプルを受け付けるように構成された第１表面を含む第１共振器であって、前記第１共振器の第１固有共振周波数に比例した第１出力を有する第１電子発振器回路を含む第１共振器と、
前記サンプルを受け付けないように構成された第２表面を含む第２共振器であって、前記第２共振器の第２固有共振周波数に比例した第２出力を有する第２電子発振器回路を含む第２共振器と、
光学被覆を有し、且つ、前記サンプルを受け付けないように構成された第３表面を含む第３共振器であって、前記第１共振器の第３固有共振周波数に比例した第３出力を有する第３電子発振器回路を含む第３共振器と、
前記第１表面、前記第２表面、及び前記第３表面を照明するように構成された電磁放射供給源と、
前記電磁放射供給源による前記第１表面、前記第２表面、及び前記第３表面の前記照明を制御し、
前記第１出力、前記第２出力、及び前記第３出力を受け付け、且つ、
前記第１表面上において受け付けられた前記サンプルのプロパティを判定する、
ようにプログラムされたプロセッサと、
を有することを特徴とするシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記電磁放射供給源は、
前記第１表面を照明するための第１電磁放射供給源と、
前記第２表面を照明するための第２電磁放射供給源と、
前記第３表面を照明するための第３電磁放射供給源と、
を含むことを特徴とするシステム。
【請求項３】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記電磁放射供給源は、前記第１表面、前記第２表面、及び前記第３表面を同時に照明することを特徴とするシステム。
【請求項４】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記プロセッサは、前記第１出力と前記第２出力の間の第１差、前記第１出力と前記第２出力の間の第２差、及び前記第２出力と前記第３出力の間の第３差を演算するように、且つ、前記第１差、前記第２差、及び前記第３差から前記第１表面上において受け付けられた前記サンプルの前記プロパティを判定するように、プログラムされていることを特徴とするシステム。
【請求項５】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記プロセッサは、波長の時間的シーケンス内において前記電磁放射の前記波長を制御するように、且つ、前記波長の時間的シーケンスのそれぞれの波長において前記第１表面上において受け付けられた前記サンプルのプロパティを判定するように、プログラムされていることを特徴とするシステム。
【請求項６】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記プロセッサは、前記第１表面上において受け付けられた前記サンプルを分類するようにプログラムされていることを特徴とするシステム。
【請求項７】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記第１共振器は、前記第１表面が前記サンプルを受け付けるレートを増大させるべく、熱泳動要素を含むことを特徴とするシステム。
【請求項８】
収集された微粒子のサンプルのプロパティを計測するシステムにおいて、
２つ以上の共振器であって、表面と、前記共振器の固有共振周波数に比例した出力を有する電子発振器回路と、前記表面を照明するように構成された関連する電磁放射供給源と、をそれぞれが含む共振器であって、
前記２つ以上の共振器のうちの第１共振器は、前記サンプルを受け付けるように構成された第１表面を有する第１共振器を含み、且つ、
前記２つ以上の共振器のうちの第２共振器は、前記サンプルを受け付けないように構成された第２表面を有する第２共振器を含む、共振器と
前記電磁放射供給源による前記第１表面及び前記第２表面の前記照明を制御し、
前記第１共振器の前記電子回路からの前記出力及び前記第２共振器の前記電子回路からの前記出力を受け付け、且つ、
前記第１表面上において受け付けられた前記サンプルのプロパティを判定する、
ようにプログラムされたプロセッサと、
を有することを特徴とするシステム。
【請求項９】
請求項８に記載のシステムにおいて、
前記第２共振器の前記表面は、光学被覆を含むことを特徴とするシステム。
【請求項１０】
請求項８に記載のシステムにおいて、
前記電磁放射供給源は、
前記第１表面を照明するための第１電磁放射供給源と、
前記第２表面を照明するための第２電磁放射供給源と、
を含むことを特徴とするシステム。
【請求項１１】
請求項８に記載のシステムにおいて、
前記電磁放射供給源は、前記第１共振器の前記表面及び前記第２共振器の前記表面を同時に照明することを特徴とするシステム。
【請求項１２】
請求項８に記載のシステムにおいて、
前記プロセッサは、前記第１出力と前記第２出力の間の差を演算するように、且つ、前記差から前記第１表面上において受け付けられた前記サンプルの前記プロパティを判定するように、プログラムされていることを特徴とするシステム。
【請求項１３】
請求項８に記載のシステムにおいて、
前記プロセッサは、波長の時間的シーケンスにおいて前記電磁放射の前記波長を制御するように、且つ、前記波長の時間的シーケンスのそれぞれの波長において前記第１表面上において受け付けられた前記サンプルのプロパティを判定するように、プログラムされていることを特徴とするシステム。
【請求項１４】
請求項８に記載のシステムにおいて、
前記プロセッサは、前記第１表面上において受け付けられた前記サンプルを分類するようにプログラムされていることを特徴とするシステム。
【請求項１５】
請求項８に記載のシステムにおいて、
前記第１共振器は、前記第１表面が前記サンプルを受け付けるレートを増大させるべく、熱泳動要素を含むことを特徴とするシステム。
【請求項１６】
コンピュータと、１つ又は複数の共振器と、前記共振器の固有共振周波数に比例した出力を有する１つ又は複数の電子発振器回路と、を含む装置により、収集された微粒子のサンプルのプロパティを計測する方法において、
電子発振器回路によって第１共振器の第１固有共振周波数を計測するステップであって、前記第１共振器は、収集された微粒子を有する表面を含み、前記計測ステップは、前記表面が、前記収集された微粒子によって少なくとも部分的に吸収される第１波長の電磁放射によって照明されている間に実行される、ステップと、
電子発振器回路によって第２共振器の第２固有共振周波数を計測するステップであって、前記第２共振器は、収集された微粒子を有しており、前記計測ステップは、前記表面が、前記第１波長の電磁放射によって照明されている間に実行される、ステップと、
電子発振器回路によって第３共振器の第３固有共振周波数を計測するステップであって、前記第３共振器は、前記表面上において光学被覆を有し、且つ、収集された微粒子を含んでおらず、且つ、前記計測ステップは、前記表面が、前記第１波長において電子放射によって照明されている間に実行される、ステップと、
前記コンピュータのプログラミングに従って、前記第１表面上において受け付けられた前記サンプルのプロパティを判定するステップと、
を有することを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の方法において、
前記第１固有共振周波数、前記第２固有共振周波数、前記第３固有共振周波数を計測する前記ステップは、同一の共振器上において実行されることを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１６に記載の方法において、
前記計測ステップは、電磁放射の２つ以上の異なる波長において実行され、且つ、前記判定ステップは、波長依存性のプロパティを判定することを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１６に記載の方法において、
前記プロセッサは、前記第１固有共振周波数と前記第２固有共振周波数の間の第１差、前記第１固有共振周波数と前記第２固有共振周波数の間の第２差、及び前記第２固有共振周波数と前記第３固有共振周波数の間の第３差を演算するように、且つ、前記第１差、前記第２差、及び前記第３差から前記第１表面上において受け付けられた前記サンプルの前記プロパティを判定するように、プログラムされていることを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１６に記載の方法において、
前記プロセッサは、波長の時間的シーケンス内において前記第１波長を変更するように、且つ、前記波長の時間的シーケンスのそれぞれの波長において前記第１表面上において受け付けられた前記サンプルのプロパティを判定するように、プログラムされていることを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項１６に記載の方法において、
前記プロセッサは、前記第１表面上において受け付けられた前記サンプルを分類するようにプログラムされていることを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項１６に記載の方法において、
前記第１共振器は、前記第１表面が前記サンプルを受け付けるレートを増大させるべく、熱泳動要素を含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１７年５月１２日付けで出願された米国仮特許出願第６２／５０５，７７３号明細書の利益を主張するものであり、この特許文献の内容は、引用により、そのすべてが本明細書に包含される。
【０００２】
本発明は、浮遊する空気中の微粒子の識別用の装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
特定のタイプのバランス（ｂａｌａｎｃｅ）は、その上部において収集又は配置された物質の質量を判定するべく、音波共振器を利用している。このような装置においては、共振器は、重量計測対象の物質の質量を収集するためのセンサエリアを有する片持ち支持された要素である。このような共振器は、合計重量―即ち、片持ち支持された要素に、収集されたサンプルの重量を加えたもの―に部分的に依存する周波数（「固有共振周波数」）において発振する。共振器が電子発振器回路に接続された状態において、固有共振周波数を判定することができる。通常、固有共振周波数は、共振器の温度に依存しており、且つ、従って、通常は、計測に対する温度の影響を極小化するべく、温度が制御されている。
【０００４】
（特許文献１）（「２９２特許」）には、音波共振器を利用して質量を計測する１つの装置について記述されており、この特許文献の内容は、引用により、本明細書に包含される。「２９２特許」の装置においては、共振器は、水晶振動子マイクロバランス（ＱＣＭ：Ｑｕａｒｔｚ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅ）であるか、或いは、その他の質量感知及び温度補償型の音波共振器である。共振器は、その固有周波数において発振器の発振を駆動する電子発振器回路に接続される。空気中の微粒子は、共振器近傍の加熱されたワイヤによって誘発される熱泳動を使用することにより、共振器上の収集表面に又は共振器上の電極に駆動される。
【０００５】
微粒子が水晶体上に堆積するのに伴って、機械的負荷により、ＱＣＭの固有共振周波数が低減される。この結果、サンプル収集水晶体の周波数を基準水晶体のものと比較することにより、差分又は「ビート」周波数信号が生成される。この２つの水晶体の固有共振周波数の差の変化を使用することにより、周囲の空気中の微粒子の質量濃度に関係する質量収集のレートを判定する。或いは、この代わりに、固有共振周波数は、その他の手段によって判定することもできる。周波数の変化レートは、空気中の微粒子の質量濃度の計測値を表す電子的手段により、容易に判定することができる。これらの共振器及び共振器回路については、当技術分野において既知である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７，１６８，２９２号明細書
【発明の概要】
【０００７】
「２９２特許」に記述されているものなどの装置は、収集された質量の合計値を判定する能力を有するが、これらは、収集された微粒子のタイプを判定する能力を有してはいない。微粒子のプロパティを判定しうる廉価な装置に対するニーズが存在している。
【０００８】
本発明の実施形態は、微粒子によって吸収される波長を含む光により、共振器上において収集された微粒子を照明する質量検出システムを提供する。収集された微粒子の一部分が光を吸収する場合には、これらは、エネルギーを吸収することになり、且つ、その温度が増大することになる。このエネルギーは、共振器に伝達されることになり、且つ、その結果、共振器の温度が上昇することになる。共振器の温度の変化は、その機械的弾性プロパティを変更することになり、且つ、その結果、共振器の発振周波数の変化をもたらすことになる。これらの共振器要素の固有発振周波数は、温度の影響を非常に受けやすいことが、周知であり、且つ、「２９２特許」にも記述されている。従って、照明による発振周波数の変化を計測することにより、微粒子の物理的特性に関する詳細な情報を取得することが可能であり、且つ、いくつかの状況においては、微粒子の量及びタイプを判定することができる。
【０００９】
特定の実施形態は、収集された質量の判定に加えて、収集された微粒子のサンプルのプロパティをも計測するシステムを提供している。システムは、収集された微粒子のサンプルの質量を計測する装置であって、発振する能力を有する要素の表面である、サンプルを収集するための表面及び収集要素の発振の周波数を判定する電子回路を含む装置と、表面上において電磁放射を導くように構成された電磁放射供給源と、導かれた電磁放射の波長を制御するように、且つ、発振の周波数の対応する変化を計測するように、プログラムされたプロセッサと、を含む。
【００１０】
特定の実施形態は、収集された微粒子のサンプルのプロパティを計測するシステムを提供している。システムは、サンプルを受け付けるように構成された第１表面及び第１共振器の第１固有共振周波数に比例した第１出力を有する第１電子発振器回路を含む第１共振器と、サンプルを受け付けないように構成された第２表面及び第２共振器の第２固有共振周波数に比例した第２出力を有する第２電子発振器回路を含む第２共振器と、光学被覆を有し、且つ、サンプルを受け付けないように構成された、第３表面及び第１共振器の第３固有共振周波数に比例した第３出力を有する第３電子発振器回路を含む第３共振器と、第１表面、第２表面、及び第３表面を照明するように構成された電磁放射供給源と、を含む。又、システムは、電磁放射供給源による第１表面、第２表面、及び第３表面の照明を制御するように、第１出力、第２出力、及び第３出力を受け付けるように、且つ、第１表面上において受け付けられたサンプルのプロパティを判定するように、プログラムされたプロセッサをも含む。
【００１１】
特定のその他の実施形態は、収集された微粒子のサンプルのプロパティを計測するシステムを提供している。システムは、表面と、共振器の固有共振周波数に比例した出力を有する電子発振器回路と、表面を照明するように構成された関連する電磁放射の供給源と、をそれぞれが含む２つ以上の共振器を含み、この場合に、２つ以上の共振器のうちの第１共振器は、サンプルを受け付けるように構成された第１表面を有する第１共振器を含み、且つ、この場合に、２つ以上の共振器のうちの第２共振器は、サンプルを受け付けないように構成された第２表面を有する第２共振器を含む。又、システムは、電磁放射の供給源による第１表面及び第２表面の照明を制御するように、第１共振器の電子回路からの出力及び第２共振器の電子回路からの出力を受け付けるように、且つ、第１表面上において受け付けられたサンプルのプロパティを判定するように、プログラムされたプロセッサをも含む。
【００１２】
更に別の実施形態は、コンピュータと、１つ又は複数の共振器と、共振器の固有共振周波数に比例した出力を有する１つ又は複数の電子発振器回路と、を含む装置により、収集された微粒子のサンプルのプロパティを計測する方法を提供している。方法は、電子発振器回路によって第１共振器の第１固有共振周波数を計測するステップであって、第１共振器は、収集された微粒子を有する表面を含み、計測ステップは、表面が、収集された微粒子によって少なくとも部分的に吸収される第１波長の電磁放射によって照明されている間に実行される、ステップと、電子発振器回路によって第２共振器の第２固有共振周波数を計測するステップであって、第２共振器は、収集された微粒子を有しておらず、計測ステップは、表面が、第１波長の電磁放射によって照明されている間に実行される、ステップと、電子発振器回路によって第３共振器の第３自然共振器周波数を計測するステップであって、第３共振器は、表面上において光学被覆を有し、且つ、収集された微粒子を含んでおらず、且つ、計測ステップは、表面が、第１波長の電磁放射によって照明されている間に実行される、ステップと、コンピュータのプログラミング及びこれらの出力の比較に従って、第１表面上において受け付けられたサンプルのプロパティを判定するステップと、を含む。
【００１３】
これらの特徴は、以下の詳細な説明から当業者に明らかとなる様々な補助的手段及び特徴と共に、本発明の微粒子を計測するシステム及び方法によって実現され、その好適な実施形態が、一例としてのみ、以下の添付図面を参照して示されている。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、質量検出システムの第１及び第２実施形態の斜視図である。
【図２】図２は、図１の平面図２−２である。
【図３】図３は、図１の底面図３−３である。
【図４】図４は、図２の側面図４−４である。
【図５】図５は、図２の端面図５−５である。
【図６】図６は、質量検出システムの第３実施形態の平面図である。
【図７】図７は、図６の正面図７−７である。
【図８】図８は、図６の側面断面図８−８である。
【００１５】
図においては、図示されている特定のコンポーネント、側面、又は特徴を示すべく、参照符号が使用されている。参照符号は、複数の図において共通しており、これにより、それらの図に示されている同一のコンポーネント、側面、又は特徴を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本明細書において記述されているように、実施形態は、微粒子を収集し、且つ、微粒子の物理的特性に関する詳細情報を取得し、且つ、いくつかの状況においては、微粒子を分類し且つ１つのタイプを別のタイプから弁別する、質量検出システムを含む。本明細書において更に記述されているように、質量検出システムは、相対的に大きな又は小さな程度に吸収されうる異なる波長の光により、共振器上において収集された微粒子を照明することによって動作している。結果的に得られる基礎をなす共振器の温度上昇は、波長依存性を有すると共に収集された微粒子を特徴付けるべく使用されうる応答を生成する。
【００１７】
質量検出システム１００の第１実施形態のいくつかの図が示されており、図１は、質量検出システムの斜視図であり、図２は、図１の平面図２−２であり、図３は、図１の底面図３−３であり、図４は、図２の側面図４−４であり、且つ、図５は、図２の端面図５−５である。
【００１８】
質量検出システム１００は、バランス１１０と、プログラム可能なコンピュータ１２０と、を含む。バランス１１０は、本体１１１と、共振器１１７と、基部１１８と、電極１１９と、電子発振器回路１３０と、を含む。
【００１９】
共振器１１７は、本明細書においては限定を伴うことなしに上部表面と呼称されている、表面１１６を有し、この一部又はすべては、微粒子を収集するべく使用することができる。一代替実施形態においては、表面１１６の一部又はすべてには、後述するように、被覆が提供されている。バランス１１０の任意選択のコンポーネントには、限定を伴うことなしに、光源３０１を有する光源支持部１１３と、その目的が、粒子を雰囲気から表面上に沈殿させることである熱泳動要素１１５用のヒーター支持部１１４と、を含む。
【００２０】
後述するように、電子発振器回路１３０は、共振器１１７の固有発振周波数を決定し、且つ、コンピュータ１２０は、すべての熱泳動要素１１５及び光源１１３を制御し、且つ、共振器からデータを取得し、且つ、そのデータから、且つ、或いは、その代わりに、光源３０１の動作に関する情報を使用することにより、収集された微粒子のプロパティを判定している。
【００２１】
共振器１１７は、特定の実施形態においては、ケイ素材料からなる曲がりやすい矩形のバーであり、その長さは、その幅を上回っており、且つ、その厚さは、長さ及び幅の寸法のいずれよりも格段に小さい。図２に示されているように、共振器１１７は、端部２０１において基材材料に装着されている一方で、他方の端部２０３は、自由浮遊状態にある。共振器１１７は、好適な実施形態において、通常はギガヘルツのレベルでありうる、機械的発振の固有共振周波数を有する。この発振は、電子発振器回路１３０から、端部２０３の近傍に位置する電極１１９に、発振電圧を印加することにより、誘発することができる。この電極に印加される電圧の周波数が共振器１１７の共振周波数を有する際には、発振が極大化する。電極１１９と端部２０３の組合せは、共振周波数において発振を維持するべく、電子発振器回路１３０に内蔵されるコンデンサを生成している。又、特定の実施形態においては、端部２０３は、電子発振器回路１３０の一部分として、電極をも含む。
【００２２】
一実施形態においては、共振器１１７は、粒子状物質堆積表面としても利用される、水晶振動子マイクロバランス（ＱＣＭ）質量センサである。粒子状物質は、共振器１１７の表面１１６上において収集されるが、この表面は、本明細書においては、「収集器要素」とも呼称される。共振器は、電子発振器回路に接続されている。微粒子の質量が水晶体上に堆積するのに伴って、機械的負荷により、水晶体の固有共振周波数が低減される。この周波数が、後述するように検出され、且つ、収集された粒子状物質の品質を判定するべく使用される。周波数の変化レートは、当技術分野において既知の共振器及び共振器回路を使用することにより、電子手段によって容易に判定することができる。共振器の「表面」という用語は、共振器の電極でありうることを理解されたい。
【００２３】
本発明は、石英に加えて、その他の材料が圧電材料として使用されうるものと想定している。水晶振動子マイクロバランス表面の代わりに、表面材料は、ロッシェル塩、トルマリン、酒石酸エチレンジアミン（ＥＤＴ）、酒石酸ジカリウム（ＤＫＴ）、無水リン酸アンモニウム（ＡＴＰ）などの合成水晶体、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などの強誘電性ポリマー、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＴｉＯ３）などの多結晶セラミック、並びに、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、及びタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）などのその他の結晶質構造であってもよい。
【００２４】
特定の実施形態においては、空気中の微粒子は、機械的固着、熱泳動、及びその他の方法を含む様々なメカニズムにより、表面１１６上において安着するように誘発することができる。これらの方法は、微粒子を空気ストリームから発振バー上に沈殿させ、そこで、これらの質量が検出される。本明細書においては、本発明者らは、限定を伴うことなしに、微粒子を沈殿させるべく、収集要素近傍の加熱された要素による熱泳動の使用を例示している。
【００２５】
特定の実施形態においては、熱泳動要素１１５を使用することにより、熱泳動を介して表面１１６上において堆積する微粒子の量を増大させている。又、熱泳動要素１１５は、本明細書においては、「収集ワイヤ」、「収集器ワイヤ」、「加熱ワイヤ」、「ワイヤ」、又は「熱泳動収集装置」とも呼称される。熱泳動要素は、共振器表面の近傍に位置することのみを必要としており、且つ、「近傍に」は、装置の動作の際に、すべての存在する粒子状物質の少なくとも一部分が共振器表面上に堆積することを意味するものと本発明が想定していることを理解されたい。本発明は、熱泳動要素又はその他の熱泳動加熱表面が、表面の上方、隣、又は下方に位置しうるものと想定している。この要素は、表面に対して、平行に、或いは、別の非直交角度において、配設することができる。
【００２６】
本発明の一実施形態においては、好ましくは、ワイヤ、一連のワイヤ、又はその他の熱泳動加熱表面である、加熱された熱泳動要素１１５と表面１１６の間に温度勾配が生成されている。例えば、熱泳動要素１１５は、矩形形状を有しうる、リボンなどの、金属ストリップを含むことができる。又、本発明は、熱泳動要素として、導電性被覆を有する光透過性金属フィルム又は基材も使用されるものと想定している。フィルムは、０．１ミクロン以上の任意の厚さを有することができる。被覆は、望ましい任意の厚さであってもよい。例えば、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ：Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）被覆が、ガラス基材などの、基材上に存在していてもよい。この光透過性金属フィルムは、リソグラフィなどの当技術分野において既知の技法により、パターン化されてもよい。一実施形態においては、熱泳動要素は、共振器を有する要素内において、同軸状に、但し、熱泳動要素と共振器表面の間に適切な間隔を伴って、収容されてもよい。本発明の一実施形態においては、０．５ｍｍの距離において水晶振動子表面に対して平行に延在する、直径が２５μｍであり、且つ、長さが１５ｍｍである、ニッケル合金ワイヤが、熱泳動要素として使用されている。この構成は、空気ストリームのポンピングに対するニーズを伴うことなしに、取り囲んでいる周囲の雰囲気から微粒子を直接的に沈殿させることになる。
【００２７】
熱泳動微粒子収集の効率は、熱泳動要素と収集表面の間の温度勾配の増大に伴って増大する。温度勾配は、装置構造に損傷を与えることなしに、或いは、微粒子サンプルを不適切に変更することなしに、可能な限り大きいことが好ましい。直径が１０μｍである熱電対によって実施された計測は、加熱ワイヤと水晶体表面の間の温度差がわずかに５℃であったことを示している。好ましくは、温度勾配は、５℃超である。本発明の一実施形態においては、好ましくは、フィンを有するアルミニウムブロックである、ヒートシンクに共振器を装着することにより、共振器の温度を減少させることが想定されている。但し、金属ブロックをいくつかの共振器タイプとの接触状態において配置すれば、その振動が減衰することになり、且つ、堆積した質量に対するその感度が大幅に減少することになろう。又、熱は、放射及び対流を介して伝達することもできるが、金属の間の伝導ほどには、効果的ではない。共振するその自由を妨げることなしに、高熱伝導性表面に堅固に取り付けられうる、但し、改善された熱伝達を許容する、共振器の選択が可能である。温度勾配は、音波共振器表面又は水晶振動子マイクロバランス表面の表面を冷却することにより、或いは、熱泳動要素を加熱することにより、増大させることができる。この加熱及び／又は冷却を実現する手段については、当技術分野において既知である。
【００２８】
特定の実施形態においては、光源３０１は、表面１１６上において微粒子を照明する、既知の波長の、電磁放射、又は光、を生成している。特定のタイプの微粒子は、光を吸収することができる一方で、雰囲気の霞中において生成されるその他の一般的なタイプの空気中の微粒子（埃、海の波しぶきの塩分、無機化合物（硫酸塩や硝酸塩など）など）は、光を吸収しない。相対的に重要なことは、光の異なる波長において試験を実行することにより、光を吸収しない微粒子の更なる弁別が提供されるという事実である。上述の種類の微粒子の吸収スペクトルは、様々であり、且つ、小型光源から入手可能である照明の波長のスペクトル範囲を表す（例えば）３７０ｎｍ（紫外）〜９５０ｎｍ（赤外）のスペクトルに跨って、形態が大幅に異なっている。
【００２９】
当技術分野において既知のように、共振器１１７の共振周波数は、共振器の温度に伴って変化することになる。後述するように、光源３０１に対する共振器１１７の応答は、微粒子の光吸収特性に依存することになる。後述するように、共振器１１７の応答は、微粒子によって吸収される光の光源３０１によって影響されることになり、且つ、従って、質量検出システム１００は、微粒子のサンプルに対して複数回の計測を実行する能力を有しており、且つ、複数回の計測を使用することにより、収集されたサンプルの詳細を推定する。
【００３０】
熱泳動要素１１５、共振器１１７、電極１１９、及び電子発振器回路１３０の更なる詳細については、「２９２特許」において見出すことができる。
【００３１】
特定の実施形態は、バランスを動作させることによって特定のタイプの空気中の微粒子の識別を有利に提供しうる装置及び方法を提供している。微粒子を分類し且つ１つのタイプを別のタイプから弁別する能力は、データの価値を大幅に増大させることになる。本発明の装置によって識別されうる空気中の微粒子の例は、限定を伴うことなしに、以下の例示用の例を含む。
・高圧油圧システムにおいてピンホール漏洩によって生成される油滴の霧：これらのイベントの迅速な検出は、潜水艦や封止状態の軍事車両（戦車を含む）などのような封入された環境の管理者にとって有益である。
・上述の封入された環境においてバイオマスの燃焼によって生成される微粒子：具体的には、潜水艦において蔓延している（但し、禁止されている）タバコ喫煙の問題。
・封入された空間の居住者を関連する有毒成分から保護しなければならない環境においてバイオマスの燃焼によって生成される微粒子：例には、学校、病院、医療施設などへの森林火災の煙の侵入が含まれる。
・屋内及び屋外の両方において、且つ、封入された空間の環境において、化石燃料の燃焼によって生成される微粒子：例には、ディーゼル粒子状物質（ＤＰＭ：Ｄｉｅｓｅｌ  Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｍａｔｔｅｒ）、リストに記載された空気有毒物の検出が含まれる。
【００３２】
従って、例えば、以下のリストは、光学的プロパティによる分類のための基礎を形成しうる、異なるタイプの微粒子の間のいくつかの光学的相違点を提供している。例示を目的として、但し、排除又は限定を伴うことなしに、以下の一般的な種類の浮遊する微粒子は、上述のデータ出力によって登録されることになる以下のプロパティを有する。
・ディーゼル排気ガスの粒子状物質
○低質量
○すべての波長において等しく強力な光吸収
・木材の燃焼からの煙
○中程度の質量
○長い波長における小さな（但し、計測可能な）光吸収
○相対的に短い波長における滑らかに増大する光吸収
・無機物の埃
○大きな質量
○長い波長における小さな光吸収
○短い波長における非常に小さな光吸収
・タバコの煙
○中程度の質量
○中間及び長い波長におけるゼロの光吸収
○最も短い波長（青色、近ＵＶ）における非常に強力な光吸収
・油圧油の霧
○中程度の質量
○（恐らくは）組成に応じた長い波長における小さな光吸収
○中間波長における相対的に大きな光吸収
○短い波長における強力な光吸収
・海水のしぶきの霞
○大きな質量
○すべての波長におけるゼロの光吸収
・二次有機炭素煙霧質
○中程度の質量
○すべての波長におけるゼロの光吸収
・無機煙霧質（硫酸塩や硝酸塩など）
○中程度の質量
○すべての波長におけるゼロの光吸収
【００３３】
更に詳しくは、光源１１３を含む質量検出システム１００は、光吸収微粒子が存在している場合には、照明の異なる波長における微粒子による光の吸収を利用することにより、質量検出器の検知要素の微細な且つ局所的な加熱を生成している。この加熱は、その波長における光吸収を有する材料の量に比例した状態で、検出器の応答を変更することになる。電力を１つの波長の１つの光源から別の波長の別の光源にスイッチングすることにより、照明の波長のシーケンスを使用し、短い期間において検出器上において収集された微粒子を調査することができる。異なる波長における応答の比較は、収集された材料の吸収スペクトルをもたらすことになる。この吸収スペクトル―又は、任意の吸収の欠如―は、収集された微粒子の特性に関する更なる情報を提供することになる。可能な微粒子材料の既知の吸収スペクトルとの間における計測された吸収スペクトルの比較は、計測された吸収スペクトルに基づいて材料のタイプを判定するための基礎を形成することができる。
【００３４】
（雰囲気の靄中において頻繁に見出される）硝酸−硫酸アンモニウム化合物などの光散乱性（反射性）微粒子が表面１１６上に堆積した場合には、共振器１１７の固有発振周波数は、質量の変化に起因して、低減されることになる。但し、表面１１６が照明された際に、微粒子は、入射光を吸収することにならず、且つ、従って、共振器の温度は、変化しない。その一方で、ディーゼル排気粒子状物質（ＤＰＭ）などの光吸収性微粒子が、表面１１６上に堆積した場合には、質量の変化に起因して、共振器１１７の固有発振周波数が低減されることになる。表面１１６が照明された際には、表面が入射光の一部分を吸収し、これにより、共振器１１７の温度が増大することになる。
【００３５】
吸収された光エネルギーの熱への変換に基づいた光吸収性の浮遊する煙霧質微粒子の検出の原理は、浮遊する煙霧質微粒子の検出のための「光−音響法」において十分に発展している。上記方法においては、空気ストリーム中において浮遊する微粒子による光の吸収は、微粒子を取り囲んでいる空気の局所的な加熱をもたらす。照明の強度（通常は、オン−オフサイクル）が変調されている場合には、音響信号として検出しうる圧力波が生成される。
【００３６】
特定の実施形態においては、エネルギーの吸収は、検出器の共振器バーの表面に付着した微粒子の局所的な加熱をもたらす。このエネルギーの一部分は、バーの材料に伝導され、これにより、バーの温度の増大をもたらすことになる。そして、この温度の増大により、バーが製造されている材料の弾性が変化し、これにより、共振周波数の変化がもたらされることになる。微細製造された機械的共振器の発振周波数は、温度の影響を強力に受けることが周知である。この共振周波数の変化は、駆動電極に接続された発振器回路によって検出することができる。
【００３７】
表面１１６の照明が、例えば、光源の電力をオン−オフスイッチングすることによってオン−オフパターンを反復することにより、変調されている場合には、共振周波数の変化は、｛照明−加熱−共振器弾性の変化｝のパターンを踏襲することになる。システムの機械的な寸法が極めて小さいことから、共振周波数の変化は、照明及び加熱を迅速に踏襲することになる。従って、表面１１６の照明は、適切なレートにおいて変調（スイッチオン及びオフ）されてもよく、且つ、共振周波数の変化をこのレートにおいて同期状態において検出することができる。実施されうる計測の例については、質量検出システム５００及び質量検出システム６００に関する以下の説明において提示されている。
【００３８】
第２実施形態においては、図１に示されているように、質量検出システム５００は、２つのその他の類似のシステムと共に利用されており、これらは、わずかに異なる方式によって動作すると共に、質量検出システムの性能を改善する検出器の光学応答の未知の側面を除去することにより、組合せにおいて、光学吸収分析の感度を大幅に改善している。
【００３９】
質量検出システム５００は、１）コンピュータ１２０と、２）表面１１６を有する共振器１１７、光源３０１を有する光源支持部１１３、熱泳動要素１１５用のヒーター支持部１１４、及びコンピュータとの通信状態にある発振器回路１３０を含むものとして上述されているバランス１１０と、３）表面２１６を有する共振器２１７及びコンピュータとの通信状態にある電子発振器回路２３０を含むシステムベースライン基準検出器２１０と、４）表面３１６を有する共振器３１７含み、且つ、コンピュータとの通信状態にある電子発振器回路３３０を含む、システム強度基準検出器３１０と、を含む。これに加えて、バランス１１０、システムベースライン基準検出器２１０、及びシステム強度基準検出器３１０は、それぞれの発振器回路の一部分として、電極１１９などの電極を含む。
【００４０】
システムベースライン基準検出器２１０は、なんらの微粒子をも収集しないように構成されている。従って、システムベースライン基準検出器２１０は、熱泳動要素１１５を含んではおらず、或いは、熱泳動要素１１５に電力を提供していない。従って、質量検出システムバランス１１０及びシステムベースライン基準検出器２１０の発振周波数を比較することにより、表面２１６による光の吸収を解明又は補正することができる。システムベースライン基準検出器２１０の検出器の固有の材料が、光による照明に対する応答を有している場合には、システムベースライン基準検出器２１０は、質量検出システム１００のものと同一の方式により、その応答を変更することになる。これら２つの応答の間の差は、システムのすべての可能な固有の応答を除去することになり、且つ、収集された微粒子に起因した効果のみを表すことになる。
【００４１】
システム強度基準検出器３１０は、なんらの微粒子をも収集しないように構成されており、且つ、質量検出システム１００による浮遊する微粒子の収集のエリアと同一の場所において表面３１６上に堆積された光吸収材料（金属酸化物など）の非常に薄い層をも有する。従って、システム強度基準検出器３１０は、熱泳動要素１１５を含んでおらず、或いは、熱泳動要素１１５に電力を提供していない。システム強度基準検出器３１０は、すべての波長の光を吸収することになり、且つ、照明の強度に比例した応答を生成することになる。この結果、いくつかの供給源のそれぞれによって生成される照明の強度の変化について制御することができる。
【００４２】
上述の検出要素のアレイによって生成される信号から導出されうる複数のデータ出力が存在している。以下の計算は、コンピュータ１２０内のプログラミングに従って、電子発振器回路１３０、２３０、及び３３０の出力及び光源３０１の制御された周波数から実行される。
【００４３】
基本的な「質量」出力［Ｍ］は、質量検出システム１００によって収集された浮遊する微粒子の合計質量を表している。
【００４４】
第１「光吸収」出力［ＯＡ１（Ｌ）］は、光による照明に対する検出システム自体のすべての応答と共に、質量検出システム１００上において収集された微粒子の堆積の光吸収を表している。即ち、ＯＡ１（Ｌ）は、電子発振器回路１３０によって判定される共振器１１７の固有共振周波数であり、この場合に、添え字（Ｌ）は、この計測が、光波長（Ｌ）の供給源による照明下において得られることを示しており、この照明は、異なる波長（Ｌ）において光を放出する複数の光源を通じてシーケンシングされてもよい。
【００４５】
システムベースライン基準検出器２１０出力［ＯＡ２（Ｌ）］は、電子発振器回路２３０によって決定される共振器２１７の固有共振周波数であり、且つ、光による照明に対する検出システム自体の応答を表している。この出力［ＯＡ２］と収集検出器の出力［ＯＡ１］の間の差は、システム応答自体を除去した後の、収集された微粒子に帰されうる応答の値である。上述と同様に、添え字（Ｌ）は、この計測が、光波長（Ｌ）の供給源による照明下において得られることを示しており、この照明は、異なる波長（Ｌ）において光を放出する複数の光源を通じてシーケンシングされてもよい。
【００４６】
システム強度基準検出器３１０の出力［ＯＡ３（Ｌ）］は、電子発振器回路３３０によって決定される共振器３１７の固有共振周波数であり、且つ、照明の強度の尺度を表しており、これは、必ずしも常に一定ではない場合がある。上述と同様に、添え字（Ｌ）は，この計測が、光波長（Ｌ）の供給源による照明下において得られることを示しており、この照明は、異なる波長（Ｌ）において光を放出する複数の光源を通じてシーケンシングされてもよい。
【００４７】
光吸収の計測
差｛ＯＡ２（Ｌ）−ＯＡ１（Ｌ）｝は、質量検出システム１００によって収集された微粒子による波長（Ｌ）の光の吸収に起因した信号を表している。微粒子が収集器要素上に存在していない場合には、或いは、存在する微粒子がゼロの光吸収を有していた場合には、照明に対するその応答は、「ベースライン基準」のものと同一となり、且つ、この差は、ゼロとなろう。
【００４８】
差｛ＯＡ３（Ｌ）−ＯＡ２（Ｌ）｝は、要素自体の固有の応答との関係における、システム強度基準検出器３１０による波長（Ｌ）の光の吸収に起因した信号を表しており、この場合に、光は、材料の固定された堆積によって吸収されている。供給源（Ｌ）の強度が正確に安定していない場合には、この信号は、強度の変化について補正するための正規化を提供する。
【００４９】
値｛ＯＡ２（Ｌ）−ＯＡ１（Ｌ）｝／｛ＯＡ３（Ｌ）−ＯＡ２（Ｌ）｝＝Ａ（Ｌ）は、照明に対するシステム自体の固有の応答についての補正後の、且つ、照明の強度の可能な変動に対して正規化済みの、質量検出システム１００の収集要素上における微粒子の堆積に帰すことができる波長（Ｌ）における光の吸収の尺度である。これは、単位質量当たりのその吸収の強度と組み合わせられた、収集要素上の微粒子の量に比例した、収集要素上の微粒子の蓄積による光学吸収の基本的属性を判定する。
【００５０】
光吸収の複数の成分
以上において定義された値Ａ（Ｌ）は、質量検出システム１００の検出器要素上における微粒子の集合体による光吸収の尺度である。複数のタイプの微粒子が収集される場合には、且つ、異なる微粒子が、異なる波長において光吸収の異なる特性を有する場合には、まず最初に（光学吸収が飽和状態となる前に）、正味の合計計測光吸収Ａ（Ｌ）は、光吸収Ａ（Ｌ，１）＋Ａ（Ｌ，２）＋Ａ（Ｌ，３）．．．の合計となり、これは、ΣＡ（Ｌ，ｉ）と表され、ここで、添え字（ｉ）は、微粒子の異なる種（ｉ）を表しており、これらの種は、異なる量において存在していてもよく、且つ、異なる波長Ｌにおいて異なる光吸収を有していてもよい。
【００５１】
光吸収の複数の成分の組合せ
波長Ｌにおける微粒子の種（ｉ）の質量Ｍ（ｉ）に起因した光吸収は、質量に波長固有吸収係数σ（ｉ，Ｌ）を乗算したものに比例している。吸収係数σは、光学計測を対応する物理的又は化学的計測と比較することにより、先験的に判定される。多くの実際のケースにおいては、異なる種（ｉ）は、高度に吸収する材料の小さな質量が、相対的に弱く吸収する材料の相対的に大きな質量よりも、大きな吸収信号を提供しうるように、広範に変化する吸収係数σ（ｉ，Ｌ）を有することができる。但し、一般には、明らかに別個の種類の材料は、波長Ｌに対するその光吸収の非常に異なる依存性を有することが見出される。従って、組合せによって生成される吸収の波長依存性を判定することにより、材料の組合せの成分を分離することができる。
【００５２】
単一の種のケースにおける蓄積レートの計測
以上において定義された計測値Ａ（Ｌ）は、特定の時点において計測されている。但し、動的な動作においては、検出器要素は、微粒子を継続的に蓄積し続けている。従って、Ａ（Ｌ）は、一般に、蓄積が増大するのに伴って、時間ｔに伴って増大し、Ａ（Ｌ，ｔ）と表記される。
【００５３】
１つの時点から次の時点への信号の変化は、検出器上において蓄積された光吸収の量の変化に比例することになる。検出器が、有効な堆積に起因して、その微粒子の蓄積を増大させている場合には、（一般に）Ａ（Ｌ，ｔ）は、時間に伴って増大することになる。時間インターバルＪにおける増大は、｛Ａ（Ｌ，［ｔ＋ｊ］）−Ａ（Ｌ，ｔ）｝である。微粒子の堆積のレートが、サンプリングされた空気ストリーム中の上記微粒子の濃度に比例している場合には、且つ、比例する堆積レートが非選択的である場合には、即ち、サンプリングされている空気ストリーム中のすべての微粒子が、同一の収集確率を有している場合には、それぞれの波長Ｌにおける光吸収信号Ａの増大レートは、サンプリングされている空気ストリーム中の微粒子の濃度に比例することになる。濃度は、Ｃ（Ｌ，ｔ）＝ｆ＊ｄ／ｄｔ｛Ａ（Ｌ，ｔ）｝と表記され、ここで、係数ｆは、サンプリング、収集係数、光吸収係数σ、材料の質量、及びその他の係数の比例性を表しており、且つ、特定の波長Ｌにおいて明示的に計測される。
【００５４】
波長の関数としての蓄積レートの解釈
導出された値の上述の定義を拡張して、収集器上において堆積を照明するべく使用されている光の波長の範囲をカバーすることにより、実際の浮遊する煙霧質が、異なる光の波長において異なる光吸収係数を有する異なるタイプの微粒子の混合物から構成されている状況を表すことができる。光波長Ｌにおける種（ｉ）の光吸収係数σ（ｉ，Ｌ）の間の識別可能な差に応じて、種の混合物の成分を分離することが可能でありうる。
【００５５】
光吸収と質量計測の組合せ
質量検出システム１００の検出器要素は、基本的に、その上部に蓄積された質量の値に対して応答する。異なる波長における光吸収に起因したその応答の変化は、更なる次元を計測に追加する。但し、これらの光吸収に起因した変化を微粒子質量の基本的計測と組み合わせることにより、更なる情報をもたらすことができる。｛質量の蓄積レート｝当たりの｛波長Ｌ｝における｛光吸収の増大レート｝は、収集された微粒子の特性のインジケータでありうる。
【００５６】
システムによって算出されるデータの次元
説明対象のシステムは、複数の同時計測を提供することができる。これらの計測を逆畳み込み又はエキスパートアルゴリズムによって組み合わせることにより、サンプリングされた空気ストリーム中の微粒子の種の存在の尺度又は推定を提供することができる。光吸収の分析によって更なる次元が検知システムのリアルタイムデータ出力に対して提供されることが本発明の主要な新機軸である。データ出力は、収集された微粒子の合計質量及び／又は複数の波長Ｌにおける収集された微粒子の光吸収を含む。
【００５７】
代替実施形態
図６の平面図、図７の正面図７−７、及び図８の側面断面図８−８には、第３実施形態の質量検出システム６００が示されている。
【００５８】
質量検出システム６００は、バランス６１０を含み、これは、それぞれ、質量検出システム１１０’、システムベースライン基準検出器２１０’、及びシステム強度基準検出器３１０’、並びに、電子発振器回路１３０、２３０、及び３３０を含む。バランス１１０’及び検出器２１０’及び３１０’は、これらが光源支持部１１３又は光源３０１を含んでいない点を除いて、バランス１１０及び検出器２１０及び３１０に類似している。この代わり、質量検出システム６００は、照明組立体６２０を含み、これは、バランス１１０’及び検出器２１０’及び３１０’の共振器１１７を同時に照明するべく、使用されている。その個々の共振器上において、質量検出システムバランス１１０’は、表面１１６を有し、システムベースライン基準検出器２１０’は、表面２１６を有し、且つ、システム強度基準検出器３１０’は、表面３１６を有する。又、バランス１１０’及び検出器２１０’及び３１０’は、図６〜図８においては可視状態にはない、電極１１９などの、電極をも含む。
【００５９】
又、質量検出システム６００は、電子発振器回路１３０、２３０、及び３３０から出力を受け取り、且つ、熱泳動要素１１５及び照明組立体６１０を制御する、コンピュータ１２０をも含む。質量検出システム６００の動作は、一般に、明示的に記述されていることを除いて、質量検出システム５００のものに類似している。
【００６０】
照明組立体６２０は、コンピュータ１２０によって制御された状態において、異なる波長の光を生成する、いくつかの表面実装されたＬＥＤ放出チップダイ要素、或いは、ＬＥＤエミッタ６２１を含む。ダイ要素６１０は、適切な電気的接続により、ベースプレーン６２３に装着されている。その波長における照明が空間的に相対的に均一なものとなるように、Ｌ個の波長のそれぞれごとに、混在した複数のエミッタを有することが望ましい。
【００６１】
照明組立体６２０は、ＬＥＤエミッタ６２１の上方において、且つ、バランス６１０に隣接した状態において、設置された反射光ガイドエンクロージャ６２５を有する。反射光ガイドエンクロージャ６２５の光ガイドは、透明な材料から製造されており、且つ、内側表面上において、高度に反射性の材料により、外部被覆されている。この結果、ＬＥＤエミッタ６２１から放出された光は、複数反射及び均一化エンクロージャ内において閉じ込められる。このエンクロージャは、反射性被覆内において３つのウィンドウ７０１、７０３、及び７０５を有するように形成されており、このそれぞれは、それぞれ、バランス１１０及び検出器２１０及び３１０の端部２０３と緊密にアライメントされている。光ガイドエンクロージャ６２５の上部表面６２７は、光ガイドエンクロージャ内において閉じ込められている光強度が、それぞれ、ウィンドウ７０１、７０３、及び７０５を通じて表面１１６、２１６、及び３１６上に導かれるように、適切な角度において形成されている。
【００６２】
電力がＬＥＤエミッタ６２１のそれぞれの組に印加された際に、これらの光出力は、反射光ガイドエンクロージャ６２５内において閉じ込められ、且つ、均一化される。この光エネルギーは、３つのウィンドウ７０１、７０３、及び７０５を通じて逃避し、表面１１６、２１６、及び３１６を照明することができる。ＬＥＤエミッタ６２１は、発振器上へのその光強度の変調の任意の効果が、照明パワーとの同期状態において周波数変化として検出されうるように、コンピュータ１２０により、迅速に、ターンオン及びオフすることができる。
【００６３】
ＬＥＤエミッタ６２１のチップダイセットは、望ましい様々な波長について別個の製造プロセスにおいて予め形成されてもよく、且つ、従来の半導体製造方法を使用することにより、発振器本体ブロックの表面に装着されてもよい。このＬＥＤエミッタ６２１のグループ化の物理的なサイズは、（原則的に）照明組立体６２０の全体寸法を上回っていてもよく、このケースにおいては、反射光ガイドエンクロージャ６２５は、放出された光を収集すると共にこれをウィンドウ７０１、７０３、及び７０５に導くべく、テーパー化した形状を有することになる。反射光ガイドエンクロージャ６２５は、予め製造されてもよく、且つ、別個に設置されてもよい。
【００６４】
特定の実施形態においては、バーを貫通するすべての光が反射して表面１１６、２１６、及び３１６に戻ってくるように、表面１１６、２１６、及び３１６の反対側の表面が光反射材料の薄いフィルムによって被覆されている。照明は、ＬＥＤエミッタ６２１のアレイによって提供されてもよく、その光放出は、例えば、表面１１６、２１６、及び３１６を照明するべく、レンズ、ミラー、又はその他の手段によって導かれてもよい。
【００６５】
光照明の複数の波長を基本的な計測に結合する方法
機械的な共振器の組の照明は、光の異なる波長をそれぞれが放出する、且つ、その光が、レンズ又はミラーの適切なアレイにより、短い距離から質量検出システム６００の機械的な共振器上に導かれる、ＬＥＤエミッタ６２１のアレイによって提供されてもよい。これらの要素は、図８に示されているように、共振器自体の製造に使用されているものに類似した技法により、微細製造されてもよく、且つ、従って、装置の製造に内蔵されてもよい。アレイ内のＬＥＤエミッタ６２１は、別個の電力制御回路に接続されることになる。電力を１つ又は別のＬＥＤに印加することにより、異なる波長の光を生成することができると共に機械的な共振器の組の上部に導くことができる。
【００６６】
「ベースライン基準」及び「光強度基準」計測を生成する方法
又、光をＬＥＤ光源のアレイから機械的発振器まで導くレンズ又はミラーのシステムにより、その光の一部分をシステムベースライン基準検出器２１０’及びシステム強度基準検出器３１０’の２つの基準発振器要素上に導くこともできる。これら２つの基準要素は、互いに隣接していてもよいが、微粒子収集器要素とは別個であってもよい。この結果、微粒子収集器要素が、分析対象のサンプル空気ストリームからの微粒子の沈殿の影響を受けることができる一方で、基準要素を、この沈殿から離隔した状態とすることができる、或いは、これから遮蔽することができる。
【００６７】
照明の変調との同期状態における小さな周波数変化の検出
例えば、ＬＥＤエミッタ６２１に対するパワーをスイッチオン及びオフすることによってオン−オフパターンを反復することにより、照明が変調されている場合には、共振周波数の変化は、｛照明−加熱−共振器弾性の変化｝のパターンを踏襲することになる。システムの機械的寸法が極めて小さいことから、共振器周波数の変化は、照明及び加熱を迅速に踏襲することになる。従って、ＬＥＤ照明は、適切なレートにおいて変調（スイッチオン及びオフ）されてもよく、且つ、共振器周波数の変化をこのレートにおいて同期状態において検出することができる。
【００６８】
共振器要素は、光照明に対する電力の変調（オン−オフスイッチング）との同期状態において、発振周波数の変化の形態において、信号を生成することになる。光変調との同期状態においてこれらの信号を検出することにより、（空気の温度や相対湿度などのような）その他の環境パラメータの影響が極小化されることになり、その理由は、これらの影響が、ＬＥＤ照明との同期状態において変調されないからである。変調及び同期検出の技法は、大きなバックグラウンドの存在下において小さな信号を計測するべく、広く使用されている。
【００６９】
このシステムの特に有利な属性は、データ出力が、収集された微粒子又はその他の光吸収の存在又は不存在を除いて、緊密に同一である、「検知」要素（質量検出システムバランス１１０’）と「基準」要素（システムベースライン基準検出器２１０及びシステム強度基準検出器３１０’）の間の差であるという点にある。単一の要素の固有の応答は、空気圧、周辺温度、相対湿度などのような、全体的な環境パラメータの影響を受けうる。この結果、上述の環境パラメータの全体的な変化に起因した共振周波数の恐らくは相対的に大きな変化との関係において、微粒子の小さな蓄積の存在又はその光学吸収に起因した小さな共振周波数の変化の弁別が困難となりうる。但し、システムが「検知」要素と「基準」要素の間の差を判定する場合には、その大きさが、環境条件の変化に起因した応答のシフトよりも格段に小さくなりうる、相対的な変化を検出することができる。発振要素の共振周波数がギガヘルツのレベルである場合には、関連する電子回路自体が、１０億分の１のレベルにおける周波数安定性を有していない限り、大きな精度により、これを計測することが困難である。このような程度の安定性は、高度に洗練された（且つ、その結果、嵩張り、高価であり、且つ、電力を消費する）外部電子システムを必要としている。その一方で、上述のシステムは、２つのほとんど類似した要素の間の周波数の差（「ビート周波数」）を判定している。これらの要素が、１００万分の１だけ、共振周波数において異なっている場合には、これは、キロヘルツのレベルの周波数差（「ビート」）によって表されることになる。これは、一般的な消費者電子回路システムによって容易に計測される。一般的な消費者電子回路システムを使用して上述の発振器のギガヘルツ共振周波数の１００万分の１の変化の正確な計測を提供することは、可能ではないであろうが、これらのシステムは、このような２つの要素の共振周波数の差から生成された１キロヘルツの「ビート周波数」信号を容易に計測することができる。この結果、第１には、微粒子の蓄積によって、且つ、第２には、上記微粒子による光の吸収によって、且つ、第３には、蓄積された微粒子の堆積の増大レートに起因した上記吸収の変化レートによって、誘発された小さな変化を分解する能力が大幅に改善される。
【００７０】
計測動作シーケンスの例
一例として、限定を伴うことなしに、以下の動作のシーケンスは、質量検出システム６００を使用した空気中の微粒子の検出及び分類を許容することになろう。これらの動作は、後述のステップを実行するようにコンピュータ１２０内においてプログラムされた、適切にプログラムされたプロセッサによって実行される。
【００７１】
「時間の単位」は、任意であり、且つ、これは、シーケンシングの視覚化のためにのみ使用されている。「計測サイクル」は、同一のステップの反復の間の反復周期である。
【００７２】
ステップ１：熱泳動加熱要素１１５がターンオフされ、すべてのＬＥＤエミッタ６２１がターンオフされる。３つのペアをなす「ビート周波数」が、３つの発振器の組合せの間の共振周波数の差として計測される。
【００７３】
ステップ２：熱泳動加熱要素１１５が、表面１１６上への微粒子の沈殿を開始するべく、スイッチオンされる。
【００７４】
ステップ３：３つのペアをなす「ビート周波数」が、３つの発振器の組合せの間の共振周波数の差として計測される。これらの周波数は、熱泳動ヒーターからの熱の伝達に起因して変化しうる。
【００７５】
ステップ４：熱泳動加熱要素１１５がスイッチオフされる。３つのペアをなす「ビート周波数」が、３つの発振器の組合せの間の共振周波数の差として計測される。（熱泳動要素から発振器への任意の熱伝達のケースにおいて）質量検出システム６００が、正確な且つ既知の期間にわたって、周辺空気の温度まで冷却されることを許容する。システムが冷却するのに伴って、システムベースライン基準検出器２１０’とシステム強度基準検出器３１０’の間の「ビート周波数」は、ステップ１において計測されたものに近接した値に戻ることになる。
【００７６】
ステップ５：選択された数のＬＥＤエミッタ６２１が、波長Ｌ１において光を生成するべく、ターンオンされる。３つのペアをなす「ビート周波数」が、３つの発振器の組合せの間の共振周波数の差として計測される。次いで、すべてのＬＥＤエミッタ６２１がターンオフされ、且つ、３つのペアをなす「ビート周波数」が、３つの発振器の組合せの間の共振周波数の差として計測される。このステップは、波長Ｌ１における選択された数のＬＥＤエミッタ６２１によって提供される照明に帰すことができるビート周波数のシフトを判定するべく、正確な且つ既知の期間にわたって反復される。
【００７７】
ステップ６：ステップ５が、微粒子による波長依存性の吸収を判定するべく、Ｌ（２）からＬ（Ｎ）まで、複数のＬＥＤエミッタ６２１の異なるものについて、反復される。
【００７８】
ステップ７：すべてのＬＥＤエミッタ６２１がターンオフされる。
【００７９】
ステップ８：ステップ１に戻る。ステップ５及び６のそれぞれの動作の間の時間インターバルが、１つの計測サイクルから次のものにかけて一定となるように、正確な且つ既知の期間にわたって、すべての動作を反復する。
【００８０】
記述されている方法のステップは、一実施形態においては、ストレージ内において保存されている命令（コードセグメント）を実行する処理（即ち、コンピュータ）システムの適切な１つの（又は、複数の）プロセッサによって実行されることを理解されたい。又、本発明は、任意の特定の実装又はプログラミング技法に限定されるものではなく、且つ、本発明は、本明細書において記述されている機能を実装する任意の適切な技法を使用することにより、実装されうることを理解されたい。本発明は、任意の特定のプログラミング言語又はオペレーティングシステムに限定されるものではない。
【００８１】
本明細書における「一実施形態（ｏｎｅ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」又は「実施形態（ａｎ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」に対する参照は、その実施形態との関連において記述されている特定の特徴、構造、又は特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態において含まれていることを意味している。従って、本明細書の全体を通じた様々な場所における「一実施形態において」又は「実施形態において」というフレーズの出現は、必ずしも、そのすべてが、同一の実施形態を参照しているものではない。更には、特定の特徴、構造、又は特性は、本開示から当業者には明らかとなるように、１つ又は複数の実施形態において、任意の適切な方式により、組み合わせることもできる。
【００８２】
同様に、本発明の例示用の実施形態の上述の説明においては、本発明の様々な特徴が、しばしば、開示を合理化すると共に様々な発明的側面のうちの１つ又は複数の理解を支援することを目的として、単一の実施形態、図、又はその説明において、１つにグループ化されていることを理解されたい。但し、この開示の方法は、特許請求されている発明がそれぞれの請求項において明示的に記述されているものよりも多くの特徴を必要としているという意図を反映したものであると解釈してはならない。むしろ、添付の請求項が反映しているように、発明の態様は、単一の上述の開示されている実施形態のすべての特徴よりも少ないものにおいて存在している。従って、本明細書に添付されている請求項は、それぞれの請求項が本発明の別個の一実施形態として独自に成立する状態において、この「発明を実施するための形態」に明示的に内蔵される。
【００８３】
従って、本発明の好適な実施形態であると考えられるものについて説明したが、当業者は、本発明の趣旨を逸脱することなしに、その他の且つ更なる変更がこれらに対して実施されうると共に、すべてのこのような変更及び変形が本発明の範囲に含まれることを主張するべく意図されていることを認識するであろう。例えば、任意の以上において付与されている式は、使用されうる手順を表すものに過ぎない。機能がブロックダイアグラムに追加又は削除されてもよく、且つ、動作が機能ブロックの間において相互交換されてもよい。ステップが、本発明の範囲内において、記述されている方法に追加又は削除されてもよい。
【符号の説明】
【００８４】
１００  システム
１２０  コンピュータ
１１７  共振器
１３０  電子発振器回路
１１６  表面
３０１  光源
１１５  熱泳動要素
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【外国語明細書】
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