CN101514958A

CN101514958A - 流体测量装置

Info

Publication number: CN101514958A
Application number: CNA2008100079450A
Authority: CN
Inventors: 周忠诚; 王威
Original assignee: Qisda Corp
Current assignee: Raydium Semiconductor Corp
Priority date: 2008-02-19
Filing date: 2008-02-19
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2028-02-19
Also published as: CN101514958B

Abstract

本发明涉及一种流体测量装置，包含收集器、感测电路以及与该感测电路电性连接的电致变色元件。当流经该收集器内、该感测电路中的流体的浓度变化时，则该电致变色元件的颜色随之变化。进一步地，该电致变色元件包含电致变色材料，该感测电路包含第一电极以及第二电极，其中该第一电极与该第二电极设置于该收集器内，该电致变色材料设置于该第一电极上。当流经该第一电极与该第二电极之间的电解质溶液的浓度变化时，则该电致变色材料的颜色随之变化。

Description

流体测量装置

技术领域

本发明涉及一种流体测量装置。并且特别地，本发明涉及一种利用电致变色材料的流体测量装置。

背景技术

在测量流体浓度的领域中，典型的应用之一便是微粒计数，其常见的方法之一是利用直接检测流通包含微粒的流体的电流大小，以计算该流体中所含微粒数量。另一种常见的方法是，利用其它化学物质与该流体中的微粒发生反应，再经光线照射后产生荧光反应，最后再通过影像采集、图像判读等，以求得该流体中所含微粒数量。前者的方法，微粒数量还须计算流通电流，使用者无法直接判读电流大小以估算该流体所含的微粒数量。后者的方法，微粒已经发生化学反应，属于一种半破坏性的计数方法，并非适用所有情况。并且，其判读过程冗长，且需要额外仪器设备，不利于需迅速判读的场合。

因此，有需要提供一种新的流体测量装置，提供使用者直接、迅速的判读以解决上述问题。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种利用电致变色材料的流体测量装置。

本发明的流体测量装置，包含收集器、第一感测电路以及第一电致变色元件。该收集器包含第一空腔、入口以及出口，该第一空腔包含第一内壁以及第二内壁。流体通过该入口流入该第一空腔，并且通过该出口流出该第一空腔。该第一感测电路包含设置于该第一内壁上的第一电极以及设置于该第二内壁上的第二电极。该第一电致变色元件与该第一感测电路电性连接，例如以串联或并联的方式连接，甚至是直接与该第一电极以及该第二电极以并联电性连接。该第一电致变色元件可直接贴附于该收集器对应该第一空腔的表面上。当该第一感测电路被致能时，若流经该第一电极与该第二电极之间的该流体的浓度变化，则该第一电致变色元件的颜色随之变化。使用者可直接通过观察该第一电致变色元件的颜变色化而判读该流体的浓度，若该流体包含微粒，则可判读其微粒含量。

本发明的该流体测量装置可进一步包含第二感测电路，其包含设置于该第一内壁上的第三电极以及设置于该第二内壁上的第四电极。在该第一空腔中，在该第一电极与该第二电极间限定第一检测空间，在该第三电极与该第四电极间限定第二检测空间。在这种情况下，该流体测量装置还包含与该第二感测电路电性连接的第二电致变色元件。该第二电致变色元件设置于该收集器对应该第二检测空间的表面上；而该第一电致变色元件则可设置于该收集器对应该第一检测空间的表面上。由此，使用者可轻易判读在不同的检测空间中微粒数量，不仅适用于检测流动中微粒的数量，也适用于检测累积的微粒数量。

例如，当该第一空腔设计成累积微粒的空间时，则使用者可轻易通过对应各检测空间的电致变色元件的颜变色化判读该第一空腔中所累积的微粒变化。微粒的累积可通过控制该入口的孔径与该出口的孔径来达到。粒径在该入口的孔径与该出口的孔径之间的微粒将累积于该第一空腔中。当然，该入口的孔径大于该出口的孔径。该出口所具有的筛选功能也可通过过滤元件来完成，例如滤网，而滤网的网孔大小则取代前述该出口的孔径大小。同理，该入口所具有的筛选功能也可以由过滤元件来完成，以累积特定尺寸范围内的微粒。若以晶元等级工艺制造本发明的流体测量装置，则该过滤元件可直接整合于该工艺一并形成，无需以附加的零件形成。并且，该过滤元件的孔径可轻易制成纳米等级。

另外，该第一电致变色元件具有第一着色状态颜色，该第二电致变色元件具有第二着色状态颜色。通过使用该第一着色状态颜色不同于该第二着色状态颜色，使用者可轻易地区别及计数不同检测空间的微粒数量。

本发明的该流体测量装置可进一步包含第三感测电路、第三电致变色元件以及第二空腔。该第二空腔也包含入口、出口、第三内壁以及第四内壁。该流体也流通该第二空腔。该第三感测电路包含设置于该第三内壁上的第五电极以及设置于该第四内壁上的第六电极。该第三电致变色元件设置于该收集器对应该第二空腔的表面上，并与该第三感测电路电性连接。同样地，当该第三感测电路被致能时，若流经该第五电极与该第六电极之间的该流体的浓度变化，则该第三电致变色元件的颜色也随之变化。

该第二空腔可在结构上与该第一空腔并联，以各自检测微粒。该第二空腔也可在结构上与该第一空腔串联，也就是该第二空腔的出口连接至该第一空腔的入口。当该第一空腔与该第二空腔均设计成计数累积微粒时，该第一空腔与该第二空腔可各自累积不同尺寸范围的微粒。当连续尺寸范围累积时，该第一空腔的入口的孔径大致等于该第二空腔的出口的孔径。前述适用于该第一空腔的出口、入口的孔径的相关描述，也同样地适用于该第二空腔，在此不再赘述。

本发明的另一流体测量装置，包含收集器、第一电极、第二电极以及电致变色元件。该收集器包含空腔、入口以及出口。该空腔包含第一内壁以及第二内壁。该第一电极设置于该第一内壁上。该第二电极设置于该第二内壁上。该电致变色元件包含电致变色材料，设置于该第一电极上。电解质溶液经过该入口流入该空腔，并且经过该出口流出该空腔。当该第一电极与该第二电极间有电压差时，若流经该第一电极与该第二电极之间的该电解质溶液的浓度变化，则该电致变色材料的颜色随之变化。

在一个具体实施例中，该电解质溶液包含离子，用以与该电致变色材料发生电化学反应。当该第一电极与该第二电极之间有电压差时，驱使该离子与该电致变色材料反应，以使该电致变色材料的颜色改变。在另一具体实施例中，前述离子主要由离子储存层提供。该离子储存层设置于该第二电极上。当该第一电极与该第二电极之间有电压差时，驱使该离子越过该电解质溶液与该电致变色材料反应，以使该电致变色材料的颜色改变。

由于该电致变色材料设置于该空腔内，且被该第一电极遮蔽，该电致变色材料的颜色改变不易被观察，故可以使用透明电极或使该第一电极部分镂空，以使得该电致变色材料的颜色改变仍可以被观察到。当然，该收集器可以透明材料制成，或是对应地部分镂空，以使得该电致变色材料的颜色改变能被观察到。

在之前的流体测量装置的描述中，有关该第一空腔、该第二空腔的描述在此处也适用。例如此处的该空腔也可以通过控制该空腔的出口、入口的孔径以累积特定尺寸范围的微粒，或是进一步包含另一个空腔与该空腔串联等。不在此赘述。

补充说明的是，无论是本发明的哪一个流体测量装置均需电源电路，用以提供该第一电极与该第二电极或是该感测电路与该电致变色元件电源。该电源电路的电源可为外接式电源，也可为内置的电源，例如电池等。若为内置电源，则本发明的流体测量装置便于携带，可真正达到迅速地、大量地微粒计数功能。

综上所述，本发明的流体测量装置利用电致变色材料随收集器内的流体浓度改变而影响其电化学反应，进而改变其颜色，使用者即据之以估算该流体中微粒数量。由于使用者直接面对的是人眼易于分辨的颜色，而不是电流数值，更无需后续的荧光、图像分析，所以本发明的流体测量装置具有传统微粒计数装置所没有的迅速性。并且，电致变色材料的颜色改变程度与流体浓度相关，也就是电致变色材料的颜色本身就有深浅之分，有助于使用者估算该流体的浓度或其含有的微粒数量。另外，通过设置多个检测空间，配合其对应的电致变色元件并列设置在一起，本发明的流体测量装置也可提供柱状刻度的颜色显示效果，更利于估算收集器中累积的微粒数量。

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及附图得到进一步的了解。

附图说明

图1示出了根据本发明的一个优选具体实施例的流体测量装置的示意图。

图2示出了流体测量装置沿图1中方向X的剖面图。

图3A示出了电致变色元件与感测电路并联连接的示意图。

图3B示出了电致变色元件与感测电路串联连接的示意图。

图4示出了根据本发明的另一优选具体实施例的具有过滤元件的流体测量装置的剖面图。

图5示出了根据本发明的另一优选具体实施例具有多组电极的流体测量装置的剖面图。

图6示出了根据本发明的另一优选具体实施例的具有两个并列空腔的流体测量装置的示意图。

图7示出了根据本发明的另一优选具体实施例的具有两个串行空腔的流体测量装置的剖面图。

图8示出了根据本发明的另一优选具体实施例的流体测量装置的剖面图。

具体实施方式

请参阅图1及图2。图1示出了根据本发明的一个优选具体实施例的流体测量装置1的示意图。图2示出了流体测量装置1沿图1中方向X的剖面图。本发明的流体测量装置1包含收集器12、感测电路14以及电致变色元件16。收集器12包含空腔122、入口124以及出口126。空腔122包含第一内壁1222以及第二内壁1224。感测电路14包含设置于第一内壁1222上的第一电极142以及设置于第二内壁1224上的第二电极144。电致变色元件16与感测电路14电性连接。电致变色元件16设置在收集器12对应空腔122的表面上，但本发明不限于此。电致变色元件16也可设置于其它便于使用者观察的地方。图2中空心箭头表示含微粒流体的流动路径。当该感测电路14被致能时，若流经第一电极142与第二电极144之间的该流体的浓度变化，则电致变色元件16的颜色随之变化。补充说明的是，本发明的流体测量装置1的第一内壁1222与第二内壁1224不必要相对。

请参阅图3A及3B。图3A示出了电致变色元件16与感测电路14并联连接的示意图。图3B示出了电致变色元件16与感测电路14串联连接的示意图。图中线路仅表示其逻辑上的连接关系，不是指实体上的连接关系。如图中所示，本发明的流体测量装置1还包含电源电路18，用以提供电力给电极142、144及电致变色元件16。电源电路18的电力来源可以源自内置的电池，或是外部的电源供应。当使用内置的电池时，本发明的流体测量装置1则具有机动性，有助于大量、迅速的检测。另外，图中所示的为逻辑上连接关系，因此，在电源电路18与第一电极142、第二电极144及电致变色元件16间可有其它电子元件在连接电路上，可用以微调、设定电致变色元件16与感测电路14(尤其是第一电极142、第二电极144)间的电性关系。例如，设计第一电极142与第二电极144间的电压差较大以获得较好的敏感度，但在与第一电极142及第二电极144并联的电致变色元件16可能无法承受或无需这样的电压差，此时可在电致变色元件16一端加一电阻以减少电致变色元件16所承受的电压差；反之亦然。此外，感测电路14也可包含其它电路计设以控制第一电极142与第二电极144间的电气特性。

请参阅图4。图4示出了根据本发明的另一优选具体实施例的流体测量装置3的剖面图。与图2中的流体测量装置1不同的是，此流体测量装置3在入口124以及出口126各设置一个过滤元件1242、1262，例如滤网。过滤元件1242具有第一孔径，过滤元件1262具有第二孔径，第一孔径大于第二孔径，由此，空腔122可累积粒径介于第二孔径与第一孔径之间的微粒。如果流体测量装置3仅设有入口124的过滤元件1242，则流体测量装置3可检测的微粒其粒径小于第一孔径。同样地，若流体测量装置3仅设有出口126的过滤元件1262，则流体测量装置3的空腔122将累积粒径大于第二孔径的微粒。

另外，如果收集器12以晶元等级工艺制造，则过滤元件1242、1262可直接整合于该工艺同时形成。例如，在基材上先蚀刻出半个空腔，再分别地在对应的入口处及出口处蚀刻出至少一个凹槽。在另一个基材上也实施前述同样的工艺。最后将这两个基材对接，前述两个半个空腔即形成本发明的空腔122，前述凹槽则分别形成空腔122的入口124及出口126。凹槽对接后的孔径即为入口124及出口126的孔径。由上述工艺可知，入口124的整个截面不必要大于出口的整个截面，但是入口124凹槽形成的孔径则大于出口126凹槽形成的孔径，这也适用于前述使用过滤元件1242、1262的情况。由此，这样的凹槽同样达到过滤元件1242、1262的作用。

此外，在前述工艺中，电极142、144及电致变色元件16也可以同时形成，例如以镀着、沉积或涂布。另外初步的电性连接也可通过同一工艺同时完成。由于该工艺可轻易达到纳米等级的制造，因此不仅前述孔径能轻易达到纳米等级，空腔122也能形成纳米等级的空腔，使得本发明的流体测量装置也可以制成芯片，大幅增加其可适用情形。补充说明的是，若空腔122本身的截面就具有前述凹槽形成的孔径的筛选功能，则前述入口124处的凹槽也可以省略。只有需考虑大量微粒计数的功能时，空腔122才需要以狭长空间来补足此考虑。

在本发明的流体测量装置1中，由于空腔122内的微粒数量不同，造成在空腔122内(第一电极142与第二电极144间的空间内)流体浓度不同，流体的导电度也不同。因而在第一电极142与第二电极144间产生的电性关系将反应至与其电性连接的电致变色元件16，使得电致变色元件16因其所受的端电压而使其内部的电致变色材料发生化学反应，进而发生变色效应。原则上，电致变色元件16仅有一种着色状态颜色，但因电致变色材料发生的化学反应的量(例如通过的电流量)将影响着色状态颜色深浅，也就是，使用者可通过电致变色元件16生的颜变色化程度估算微粒含量。为便于使用者迅速比对颜变色化程度与微粒含量的关系，可在收集器12上、电致变色元件16旁贴上色卡表，使得使用者可对应该色卡表迅速估算出微粒含量。

请参阅图5。图5示出了根据本发明的另一优选具体实施例的流体测量装置4的剖面图。与图4中的流体测量装置3不同的是，此流体测量装置4设置多个电极142a-d、144a-d及多个电致变色元件16a-d。每个电致变色元件16a-d对应一组电极142a-d、144a-d。在每组电极142a-d、144a-d间限定检测空间，原则上每组电极142a-d、144a-d主要受其对应的检测空间影响。每个电致变色元件16a-d原则上设置于收集器12对应其对应的检测空间的表面上，可提供使用者柱状刻度的显示。这样的电致变色元件16a-d不必要是共平面设置，并且这样的电致变色元件16a-d所设置的表面也不限于结构上不是同一表面。如图5所示，流体测量装置4包含过滤元件1242、1262，因此空腔122具有累积特定粒径范围微粒的功能。通过空腔122内微粒累积的程度反应在对应这样的检测空间的电致变色元件16a-d上，使用者通过电致变色元件16a-d所形成的柱状刻度显示，可迅速地判读微粒数量。另外，每一个电致变色元件16a-d不必相同，例如每一个电致变色元件16a-d各自有着色状态颜色，每一着色状态颜色也不相同，由此电致变色元件16a-d所形成的柱状刻度显示更有助于使用者判读微粒数量。

请参阅图6。图6示出了根据本发明的另一优选具体实施例的流体测量装置5的示意图。图6是沿图1中方向X示出流体测量装置5的示意图。流体测量装置5具有两个并列的空腔122、122′。在对应这些空腔122、122′的收集器12的表面上设置两个电致变色元件16、16′。在这些空腔122、122′的内壁上则设置两组电极142、144、142′、144′。前述元件间的关系与前述实施例相似，在此不再赘述。在流体测量装置5中，此两个空腔122、122′将各自计数。在使用多个并列的空腔的情况下，可加速微粒计数。

请参阅图7。图7示出了根据本发明的另一优选具体实施例的流体测量装置6的剖面图。图7的剖面方向与图2相同。与图6中的流体测量装置5不同的是，此流体测量装置6的两个空腔122、122′是串行设置，也就是空腔122′的出口126′连接至空腔122的入口124，但仍维持各出口126、126′及入口124、124′均设置有过滤元件1242、1242′、1262、1262′。同理，在图4中有关流体测量装置3的过滤元件1242、1262的讨论，过滤元件1242′的孔径大于过滤元件1262′的孔径。原则上，空腔122′的出口126′的过滤元件1262′的孔径大致等于空腔122的入口124的过滤元件1242的孔径，使得空腔122、122′可累积连续粒径范围的微粒。这时，过滤元件1262′可与过滤元件1242合并成一个过滤元件即可。在某种需求下，例如需要累积非连续粒径范围的微粒，空腔122′的出口126′的过滤元件1262′的孔径将大于空腔122的入口124的过滤元件1242的孔径，其中过滤元件1262′的孔径与过滤元件1242的孔径所形成的范围，就是前述非连续范围中不需要的部分。这时，在空腔122与空腔122′之间的连接管道，也就是过滤元件1262′与过滤元件1242之间会累积前述不需要的粒径范围的微粒。补充说明的是，流体测量装置6的空腔122、122′不必要均设有过滤元件1242、1242′、1262、1262′，应根据需求而在空腔122、122′的入口124、124′及出口126、126′选择性地设置。

请参阅图8。图8示出了根据本发明的另一优选具体实施例的流体测量装置7的剖面图。图8的剖面方向与图2相同。本发明的流体测量装置7包含收集器72、第一电极74、第二电极76、电致变色材料78以及离子储存层80。收集器72包含空腔722、入口724、出口726。空腔722包含第一内壁7222及第二内壁7224。第一电极74设置于第一内壁7222上。第二电极76设置于第二内壁7224上。电致变色材料78设置于第一电极74上。离子储存层80设置于第二电极76上。含微粒的电解质溶液由入口724流入空腔722中，再由出口726流出。图8中以空心箭头表示该电解质溶液的流动。电源电路82电性连接至第一电极74以及第二电极76，并提供电源。当第一电极74与第二电极76间有电压差，并且有电流流通时，储存于离子储存层80的离子将穿越电解质溶液并进入电致变色材料78，并与其发生化学反应，使以电致变色材料78的颜变色化。如果该电解质溶液中已含有足够的可与电致变色材料78发生化学反应的离子，则离子储存层80可省去。由于第一电极74与第二电极76间可流过的电流大小受流经第一电极74与第二电极76间的该电解质溶液浓度影响，因此，当第一电极74与第二电极76间有电压差时，如果流经第一电极74与第二电极76之间的该电解质溶液的浓度变化，则电致变色材料78的颜色随之变化。

为了可轻易地从流体测量装置7外观察到电致变色材料78的颜变色化，收集器72及第一电极74可以透明材料制造，或是在收集器72及第一电极74形成部分镂空，但需考虑镂空后流体测量装置7结构强度的问题。此外，在前述各具体实施例有关同名的元件说明、其它选择性元件(如过滤元件)、制造方式、具有多个空腔以及在同一空腔设置多组电极等，在本优选具体实施例的流体测量装置7也适用，不再赘述。

补充说明的是，电致变色材料主要分为还原着色或氧化着色两大类。还原着色的有WO₃(蓝)、TiO₂(灰绿)、MoO₃(蓝)；氧化着色的有Ir(OH)_x(黑)、Ni(OH)_x(深蓝)、普鲁士蓝(PrussianBlue)(蓝)。还有还原-氧化着色的，如聚苯胺(polyaniline)高分子材料，其因具有两种以上不同的氧化还原状态，因此具有多重电致变色性质，其变色范围为透明黄-绿色-深蓝色-黑色。还有其它类似的还原氧化着色材料，如V₂O₅、CoO_x、Rh₂O₃...等等。因此，上述电致变色材料均可适用于本发明，但本发明不限于此。另外，因为电致变色材料可能仅属于还原或氧化的，所以电致变色元件16、16′的两电极极性应对应地连接，电致变色材料78也应基于上述考虑对应地设置在第一电极74或第二电极76上。

综上所述，本发明的流体测量装置利用收集器内电极间的流体浓度改变而发生的电性变化直接影响电致变色材料的颜色随之改变，进而估算该流体中微粒含量。此处估算不限于微粒总数，也可指单位体积所含数量。由于使用者直接面对的是人眼易于分辨的颜色，而不是电流数值，并且不需后续的荧光、图像分析，因此使用者可通过本发明的流体测量装置迅速判读。由于电致变色材料的颜色改变程度与流体浓度相关，也就是电致变色材料的颜色本身就有深浅之分，有助于使用者估算该流体中微粒数量的精确度。在收集器旁贴上深浅有别的色卡及其对应的计量，使用者的判读精确度可再大幅提升。此外，具有串联的空腔的流体测量装置可在同一时间区间内对不同粒径范围的微粒进行计数，而具有并联的空腔的流体测量装置则可在同一时间区间加大计数能量。另外，通过设置多个检测空间，配合其对应的电致变色元件并列设置在一起，本发明的流体测量装置也可以提供柱状刻度的颜色显示效果，更利于估算收集器中累积的微粒数量。并列的电致变色元件使用不同的着色状态颜色的电致变色材料更有助于使用者辨别刻度。

通过以上优选具体实施例的详述，希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所披露的优选具体实施例来对本发明的范围加以限制。相反地，其目的是希望能将各种改变及等同的安排涵盖于本发明权利要求的范围内。因此，本发明权利要求的范围应该根据上述的说明作最宽泛的解释，以致使其涵盖所有可能的改变以及等同的安排。

主要组件符号说明

1、3、4、5、6、7：流体测量装置

12、72：收集器 14：感测电路

16、16a-d、16′：电致变色元件

18：电源电路 78：电致变色材料

80：离子储存层 82：电源电路

122、122′、722：空腔 124、124′、724：入口

126、126′、726：出口 142、142′、74：第一电极

144、144′、76：第二电极 142a-d、144a-d：电极

1222、7222：第一内壁 1224、7224：第二内壁

1242、1242′、1262、1262′：过滤元件

X：方向。

Claims

1.一种流体测量装置，包含：

收集器，包含第一空腔、第一入口以及第一出口，所述第一空腔包含第一内壁以及第二内壁；

第一感测电路，包含设置于所述第一内壁上的第一电极以及设置于所述第二内壁上的第二电极；以及

第一电致变色元件，与所述第一感测电路电性连接；

其中，当所述第一感测电路被致能时，若流经所述第一电极与所述第二电极之间的流体浓度变化，则所述第一电致变色元件的颜色变化。

2.根据权利要求1所述的流体测量装置，其中所述第一电致变色元件与所述第一感测电路以串联或并联电性连接。

3.根据权利要求1所述的流体测量装置，其中所述第一电致变色元件与所述第一电极以及所述第二电极以并联电性连接。

4.根据权利要求1所述的流体测量装置，其中所述第一电致变色元件设置于所述收集器的表面上，所述表面对应所述第一空腔。

5.根据权利要求1所述的流体测量装置，进一步包含第二感测电路以及与所述第二感测电路电性连接的第二电致变色元件，其中所述第二感测电路包含设置于所述第一内壁上的第三电极以及设置于所述第二内壁上的第四电极。

6.根据权利要求5所述的流体测量装置，其中在所述第一空腔中、所述第一电极与所述第二电极间限定第一检测空间，在所述第一空腔中、所述第三电极与所述第四电极间限定第二检测空间，所述第一电致变色元件对应所述第一检测空间设置于所述收集器上，所述第二电致变色元件对应所述第二检测空间设置于所述收集器上。

7.根据权利要求5所述的流体测量装置，其中所述第一电致变色元件具有第一着色状态颜色，所述第二电致变色元件具有第二着色状态颜色，所述第一着色状态颜色不同于所述第二着色状态颜色。

8.根据权利要求1所述的流体测量装置，其中所述第一入口具有第一孔径，所述第一出口具有第二孔径，所述第一孔径大于所述第二孔径。

9.根据权利要求8所述的流体测量装置，其中所述第一孔径以及第二孔径均为纳米等级。

10.根据权利要求8所述的流体测量装置，其中所述第一入口包含过滤元件，具有所述第一孔径。