CN108318541B - 气体感测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种气体感测装置，其适于贴附于体表并包括基板、半导体层、发光组件、第一电极及第二电极。基板由多个叠构层彼此层叠而成，且基板的材料包括纳米纤维素，基板是以三维打印技术形成，以使基板的接触表面与体表紧密贴合。半导体层以三维打印技术形成于基板上。发光组件设置于基板上。第一电极耦接半导体层及发光组件。第二电极耦接半导体层及接地电极。第二电极与第一电极共同设置于半导体层上，且第二电极与第一电极之间维持间距。半导体层的电阻值会依据特定气体的浓度而改变。本发明的气体感测装置可紧密贴合于使用者的衣物或皮肤，以便于被携带，且易于判读气体感测的结果。
Description
技术领域
本发明涉及一种感测装置，且特别涉及一种气体感测装置。
背景技术
随着科技的发展，半导体已经越来越普遍应用于人类的生活中，化工产业的兴起以及内燃机(即马达)的大量使用，造成日益严重的环境污染，其中空气污染对人类日常生活影响最为直接。因此，在现在空气污染源逐渐增加的情况下，通过气体传感器随时随地检测环境的异常状态已成为一种趋势。而在众多的应用中，通过半导体对所接触的气体有极高的灵敏度，利用半导体所制作的气体感测装置也越来越受到重视。具体来说，气体感测用半导体在接触到特定气体后，其本身的电性特征会随之改变，因此通过检测上述半导体的电性特征，用户就可以观察到上述半导体所处的环境中是否含有上述特定气体。
然而，目前的气体感测装置并不是一般人随身必备的物品(例如皮夹、手机等)，加上其体积较大且整体厚度较厚，不利于随身携带，因而更增加了被携带上的负担，而且也容易发生被忘记携带的情况。因此，如何提高气体感测装置的携带便利性以及提升感测结果判读的简易性已成为业界一个重要的课题。
发明内容
本发明提供一种气体感测装置，其可紧密贴合于使用者的衣物或皮肤，以便于被携带，且易于判读气体感测的结果。
本发明的气体感测装置适于贴附于体表，并包括基板、半导体层、发光组件、第一电极及第二电极。基板由多个叠构层彼此层叠而成，且基板的材料包括纳米纤维素，基板是以三维打印技术形成，以使基板的接触表面与体表紧密贴合。半导体层以三维打印技术形成于基板上。发光组件设置于基板上。第一电极耦接半导体层及发光组件。第二电极耦接半导体层及接地电极。第二电极与第一电极共同设置于半导体层上，且第二电极与第一电极之间保持间距。半导体层的电阻值会依据特定气体的浓度而改变。
在本发明的一实施例中，上述的基板的最大厚度介于10微米(μm)至 100微米之间。
在本发明的一实施例中，上述的接触表面为平面，以与体表的平面轮廓相符合。
在本发明的一实施例中，上述的接触表面为曲面，且与体表的曲面轮廓相符合。
在本发明的一实施例中，上述的气体感测装置还包括黏着层，设置于接触表面，以将基板贴附于体表。
在本发明的一实施例中，上述的半导体层为金属氧化层。
在本发明的一实施例中，上述的半导体层的材料包括石墨烯(graphene)、锡、锌、铟、钨、镁、铁或钛之氧化物。
在本发明的一实施例中，上述的半导体层的电阻值与特定气体的浓度成反比。
在本发明的一实施例中，上述的发光组件包括发光二极管。
在本发明的一实施例中，上述的第一电极、第二电极以及发光组件是以三维打印技术形成。
基于上述，本发明利用三维打印技术来形成气体感测装置中的基板及半导体层，因而能提升气体感测装置的基板与半导体层之间的结合力。并且，基板与使用者接触的接触表面可依据使用者体表的弧度设计并据此打印形成，因此，本发明的基板的接触表面可与使用者的体表紧密贴合。再者，以三维打印技术形成的基板的厚度也可有效降低。因此，以三维打印技术形成的基板可有效增进气体感测装置的贴合性以及使用者的使用舒适性。
除此之外，基板的材料可包括纳米纤维素，其结构强度高又轻巧，且韧性与强度兼具。因此，使用纳米纤维素所打印出的基板不但结构强度高且重量较轻，因而有利于贴附于使用者的体表而不易掉落或造成使用者的不适。并且，本发明利用半导体层的电阻值会依据特定气体的浓度而改变的特性，使半导体层可在特定气体的浓度高于预定值时导通第一电极和第二电极，进而导通发光组件使其发光，因而让使用者易于判读气体感测的结果。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1是依照本发明的实施例的一种气体感测装置的剖面示意图；
图2是依照本发明的实施例的一种气体感测装置的使用场景示意图；
图3是依照本发明的实施例的一种气体感测装置的示意框图。
附图标记说明：
100：气体感测装置
110：基板
120：半导体层
130：发光组件
132：下电极
134：上电极
136：发光单元
140：第一电极
150：第二电极
160：黏着层
GND：接地电极
S1：接触表面
S2：体表
Vdd：电源电压
具体实施方式
图1是依照本发明的一实施例的一种气体感测装置的剖面示意图。图2 是依照本发明的实施例的一种气体感测装置的使用场景示意图。图3是依照本发明的实施例的一种气体感测装置的示意框图。请同时参照图1至图3，在本实施例中，气体感测装置100可如图2所示之贴附于使用者的体表，此处的体表可为使用者的衣物或是皮肤表面，其可为平面，亦可为规则或不规则的曲面，本实施例并不以此为限。本实施例的气体感测装置100可如图1所示之包括基板110、半导体层120、发光组件130、第一电极140及第二电极150。在本实施例中，基板110是以三维(three-dimensional,3D)打印技术形成，具体而言，本实施例可利用三维打印装置依据基板110的数字立体模型而打印出气体感测装置100的基板110。
举例来说，上述的数字立体模型可为数字立体图像档案，其可透过例如计算机辅助设计(computer-aided design,CAD)或动画建模软件等建构而成，并将此数字立体模型横切为多个横截面以供三维打印装置读取，以依据此数字立体模型的横截面将建构材料逐层成形于三维打印装置的打印平台上，而形成多个叠构层。上述的叠构层彼此层叠而形成基板110。也就是说，以三维打印技术而形成的基板110可由多个叠构层彼此层叠而成。
更进一步而言，在本实施例中，整个气体感测装置100(包括基板110、半导体层120、发光组件130、第一电极140及第二电极150等组件)皆可利用三维打印技术而形成，以增进气体感测装置100的各组件间的结合力。本实施例的三维打印技术可包括光硬化(Stereolithography)、熔丝制造式(Fused Filament Fabrication,FFF)、熔化压模式(Melted and Extrusion Modeling)、电子束熔化成形(Electron Beam Modeling)或其他合适的三维打印技术，本发明并不以此为限。
在本实施例中，由于气体感测装置100中的至少基板110是利用三维打印技术而形成，因此，基板110与使用者接触的接触表面S1可依据使用者体表的弧度设计并据此打印形成。具体来说，若使用者的体表S2为平面，则基板110的接触表面S1可据此设计并打印成与使用者的体表S2的平面轮廓相符合的平面，同样地，若使用者的体表S2为曲面，则基板110的接触表面 S1可据此设计并打印成与使用者的体表S2的曲面轮廓相符合的曲面。因此，本实施例的基板110的接触表面S1可与使用者的体表S2紧密贴合。并且，三维打印装置可依实际产品需求而打印出厚度极薄的基板110，也就是说，以三维打印技术而形成的基板110的厚度可有效降低。在本实施例中，基板的最大厚度约介于10微米(μm)至100微米之间。因此，以三维打印技术而形成的基板110可有效增进气体感测装置100的贴合性以及使用者的使用舒适性。
此外，在本实施例中，基板110的材料可包括纳米纤维素(cellulose nanofibril,CNF)，其是一种通过分解植物纤维而制成的直径仅为3纳米至4 纳米的纤维材料。纳米纤维素的结构强度高又轻巧，且韧性与强度兼具。一般而言，纳米纤维素的重量只有铁的5分之1，强度则可高达铁的5倍以上。因此，使用纳米纤维素所打印出的基板110，其不但结构强度高且重量较轻，因而有利于贴附于使用者的体表S2上而不易掉落或造成使用者的不适。在本实施例中，气体感测装置100还可包括黏着层160，其设置于基板110的接触表面S1，以将基板110贴附于体表S2。
在本实施例中，半导体层120也是以三维打印技术形成于基板110上，以增进半导体层120与基板110之间的结合力。发光组件130设置于基板110 上。第一电极140与第二电极150共同设置于半导体层120上，其中，第一电极140耦接半导体层120及发光组件130。第二电极150耦接半导体层120 及接地电极GND，且第一电极140与第二电极150之间如图1所示之保持间距。如此配置，第一电极140与第二电极150之间须透过半导体层120来形成电性导通，而半导体层120的电阻值会依据特定气体的浓度而改变。
进一步地，具体而言，半导体层120的电阻值会与此特定气体的浓度成反比。也就是说，此特定气体的浓度越高，则半导体层120的电阻值越低，因而使半导体层120的导电率越高。如此，当特定气体的浓度高于预定值时，半导体层120可导通第一电极140和第二电极150，进而导通发光组件130 使其发光，因而可对使用者发出此特定气体浓度过高的警告。
在本实施例中，半导体层120可为金属氧化层，其是利用金属氧化物的导电率会因特定气体吸附而发生显著改变来进行气体的感测。举例来说，当氧分子如图1所示之箭头方向接触并吸附在半导体层120的表面时，由于半导体层120的表面之传导电子转移到氧分子，因而使氧分子以阴离子(O2-) 的化学吸附型态存在于半导体层120的表面上，因而在半导体层120的表面区域形成载子耗尽层(depletion layer)，进而使半导体层120的电阻值增加，导电率降低。然而，当环境中的特定气体(例如液化气、天然气、有机溶剂蒸气、一氧化碳或氢气等还原性气体)的浓度增加，此特定气体如图1所示之箭头方向吸附在半导体层120之表面的氧分子发生反应而使原来吸附的氧分子脱离，而由此特定气体以正离子状态吸附在半导体层120的表面。如此，氧分子脱离后放出电子，特定气体以正离子状态吸附也会放出电子，因而导致半导体层120的电子密度增加，电阻值下降，进而使导电率上升而可导通第一电极140与第二电极150。
如此配置，本实施例可通过调整半导体层120的材料来控制气体感测装置100可用以感测的特定气体。下表1仅用以举例说明半导体层120的材料与此材料可用以感测的特定气体的对应关系。在本实施例中，半导体层120 的材料包括石墨烯(graphene)、锡、锌、铟、钨、镁、铁或钛的氧化物，当然，本实施例仅用以举例说明，本发明并不以此为限。
表1
请同时参照图1和图3，在本实施例中，发光组件130可为发光二极管，其包括上电极134、下电极132以及发光单元136，下电极132如图1所示之耦接第一电极140，而上电极134则耦接电源170，以接收由电源170提供的电源电压Vdd。在本实施例中，半导体层120、第一电极140及第二电极150 可视为如图3所示的气体感测模块125，而气体感测模块125与发光组件130 皆与电源170耦接。如此，当特定气体的浓度提高而导致半导体层120的电阻值因特定气体的浓度变化而改变时，电源170便可依据检测模块所产生的信号而导通发光组件130，以对用户发出特定气体浓度过高的警告。
此外，在其他实施例中，气体感测模块125亦可另外耦接至检测模块，其用以检测半导体层120的电阻变化，并据此产生信号，电源170耦接此检测模块，以依据此信号提供电源电压Vdd至发光组件130。如此，当检测半导体层120的电阻值因特定气体的浓度变化而改变时，电源170便可依据检测模块所产生的信号而导通发光组件130，以对用户发出特定气体浓度过高的警告。
综上所述，本发明的气体感测装置中的至少基板及半导体层是以三维打印技术形成，因而能提升气体感测装置的基板与半导体层之间的结合力。并且，基板与使用者接触的接触表面可依据使用者体表的弧度设计并据此打印形成，因此，本发明的基板的接触表面可与使用者的体表紧密贴合。再者，以三维打印技术而形成的基板的厚度也可有效降低。因此，以三维打印技术而形成的基板可有效增进气体感测装置的贴合性以及使用者的使用舒适性。
此外，基板的材料可包括纳米纤维素，其结构强度高又轻巧，且韧性与强度兼具。因此，使用纳米纤维素所打印出的基板不但结构强度高且重量较轻，因而有利于贴附于使用者的体表而不易掉落或造成使用者的不适。并且，本发明利用半导体层的电阻值会依据特定气体的浓度而改变的特性，使半导体层可在特定气体的浓度高于预定值时导通第一电极和第二电极，进而导通发光组件使其发光，因而让使用者易于判读气体感测的结果。因此，本发明确实可提升气体感测装置在携带及使用上的便利性。
虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定的为准。
Claims (9)
1.一种气体感测装置，其特征在于，适于贴附于体表，所述气体感测装置包括：
基板，由多个叠构层彼此层叠而成，且所述基板的材料包括纳米纤维素，所述基板是以三维打印技术形成，以使所述基板的接触表面与所述体表紧密贴合；
半导体层，以三维打印技术形成于所述基板上；
发光二极管，设置于所述基板上，且所述发光二极管包括上电极、下电极以及发光单元，其中所述上电极耦接电源，所述发光单元位于所述上电极与所述下电极之间；
第一电极，耦接所述半导体层及所述发光二极管，且所述第一电极接触所述发光二极管的所述下电极；以及
第二电极，耦接所述半导体层及接地电极，所述第二电极与所述第一电极共同设置于半导体层上，且所述第二电极与所述第一电极之间保持间距，其中所述半导体层的电阻值依据特定气体的浓度而改变。
2.根据权利要求1所述的气体感测装置，所述基板的最大厚度介于10微米至100微米之间。
3.根据权利要求1所述的气体感测装置，所述接触表面为平面，以与所述体表的平面轮廓相符合。
4.根据权利要求1所述的气体感测装置，所述接触表面为曲面，且与所述体表的曲面轮廓相符合。
5.根据权利要求1所述的气体感测装置，还包括黏着层，设置于所述接触表面，以将所述基板贴附于所述体表。
6.根据权利要求1所述的气体感测装置，所述半导体层为金属氧化层。
7.根据权利要求1所述的气体感测装置，所述半导体层的材料包括石墨烯、锡、锌、铟、钨、镁、铁或钛的氧化物。
8.根据权利要求1所述的气体感测装置，所述半导体层的所述电阻值与所述特定气体的所述浓度成反比。
9.根据权利要求1所述的气体感测装置，所述第一电极、所述第二电极以及所述发光二极管是以三维打印技术形成。
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