CN109238326B - 致动传感模块 - Google Patents

Abstract

一种致动传感模块，包含：一芯片；一传感器，沉积于该芯片上；以及一致动装置，封装于该芯片上，并设有一通道，且该通道位于该传感器一侧，该致动装置受驱动而致动压缩改变容积产生流体汲取作动，由该通道流出产生对流，以通过该传感器上量测所接收之流体。

Description

致动传感模块

技术领域

本案关于一种致动传感模块，尤指一种可应用于电子装置中，以监测环境之致动传感模块。

背景技术

目前人类在生活上对环境的监测要求愈来愈重视，例如一氧化碳、二氧化碳、挥发性有机物(Volatile Organic Compound，VOC)、PM2.5等等环境的监测，环境中这些气体暴露会对人体造成不良的健康影响，严重的甚至危害到生命。因此环境监测纷纷引起各国重视，要如何去实施环境监测是目前急需要去重视的课题。

可携式之电子装置在现代生活中被广泛使用及应用，也是不可缺的电子装置，因此利用此可携式之电子装置来监测周围环境气体是可行的，若又能实时提供监测信息，警示处在环境中的人，能够实时预防或逃离，避免遭受环境中的气体暴露造成人体健康影响及伤害，所以利用可携式之电子装置来监测周围环境是非常好的应用。

然，在电子装置中提供额外传感器来监测环境，虽能向电子装置之用户提供关于该使用者之环境的较多信息，但对于监测敏度、精准之最佳效能就需要去考虑，例如，传感器单靠环境中流体自然流通之引流，不仅无法获取稳定、一致性之流体流通量以进行稳定监测，且环境中流体自然流通之引流要到达接触传感器之监测反应作用时间较长，因此会影响到实时监测之成效。

有鉴于此，要如何能够提供解决传感器之监测准度及如何增进传感器之监测反应速度等问题，实为目前迫切需要解决之问题。

发明内容

本案之主要目的在于提供一种致动传感模块，由一传感器结合一流体致动器整合于一芯片上的模块设置，流体致动器能加快流体产生对流，并提供稳定、一致性之流量，让传感器能获取该稳定、一致性之流体流通量以直接监测，且有效缩短传感器之监测反应作用时间，达成精准之监测。

为达上述目的，本案之较广义实施态样为提供一种致动传感模块，包含：一芯片；一传感器，封装于该芯片上；以及一流体致动器，封装于该芯片上，并设有一通道，且该通道位于该传感器一侧，该流体致动器受驱动而致动压缩改变容积产生流体汲取作动，由该通道流出产生对流，以通过该传感器上量测所接收之流体。

附图说明

图1A所示为本案致动传感器模块之相关构件剖面示意图。

图1B所示为本案致动传感器模块之致动装置采以流体致动器之作动示意图。

图2A所示为本案致动传感器模块之相关构件封装于于芯片上整合成特殊应用芯片(ASIC)型态之说明示意图。

图2B所示为本案致动传感器模块之相关构件封装于芯片上整合成系统单芯片(SOC)型态之说明示意图。

第3A及3B图所示分别为本案致动传感器模块之致动装置采以流体致动器于不同视角之分解结构示意图。

图4所示为图3A及图3B所示之压电致动器之剖面结构示意图。

图5所示为本案致动传感器模块之流体致动器之剖面结构示意图。

图6A至图6E所示为本案致动传感器模块之致动装置采以流体致动器作动之流程结构图。

附图标记说明

1：致动传感模块

11：芯片

12：传感器

13：致动装置、流体致动器

130：第一腔室

131：导流板

131a：导流孔

131b：总线孔

131c：中心凹部

132：共振片

132a：可动部

132b：固定部

132c：中空孔洞

133：压电致动器

1331：悬浮板

1331a：凸部

1331b：第二表面

1331c：第一表面

1332：外框

1332a：第二表面

1332b：第一表面

1332c：导电接脚

1333：支架

1333a：第二表面

1333b：第一表面

1334：压电片

1335：空隙

134a、134b：绝缘片

135：导电片

135a：导电接脚

h：间隙

14：感测通道

15：通道

具体实施方式

体现本案特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本案能够在不同的态样上具有各种的变化，其皆不脱离本案的范围，且其中的说明及图示在本质上当作说明之用，而非用以限制本案。

请参阅图1A、图1B所示，本案致动传感模块1系应用于一电子装置中，用以监测环境之相关参数，但不以此为限；致动传感模块1主要包括一芯片11、至少一个传感器12及至少一个致动装置13。传感器12结合致动装置13整合成模块设置，致动装置13设置于传感器12一侧，并设有至少一个通道14，该致动装置13受驱动而致动产生流体由该通道14流出，并通过传感器12处，以令传感器12上量测所接收之材料该流体。

致动装置13为能将控制讯号转换成具有推动被控系统之动力装置，致动装置13可以包含一电动致动器、一磁力致动器、一热动致动器、一压电致动器及一流体致动器。例如，交直流马达、步进马达等电动致动器，磁性线圈马达等磁力致动器，热泵等热动致动器，压电泵等压电驱动器，气体泵、液体泵等流体致动器，均不以此为限。

本案之传感器12可包括像是如以下各者之传感器：温度传感器、挥发性有机化合物传感器(例如，量测甲醛、氨气之传感器)、微粒传感器(例如，PM2.5之微粒传感器)、一氧化碳传感器、二氧化碳传感器、氧气传感器、臭氧传感器、其他气体传感器、湿度传感器、水分传感器、量测水或其他液体中或空气中之化合物及/或生物学物质之传感器(例如，水质传感器)、其他液体传感器，或用于量测环境之光传感器，亦可为该等传感器之任意组合而成之群组，均不以此为限。

于一些实施例中，芯片11系可为一种特殊应用芯片(ASIC)之型态(如图2A所示)，或者芯片11可为一系统单芯片(SOC)之型态(如图2B所示)，又于芯片11上可蚀刻出一感测通道14，并使传感器12沉积于感测通道14上，且使流体致动器13封装整合于芯片11上，并设有一通道15，且通道15位于传感器12之一侧，并与感测通道14相连通。

又请参阅图1A、图1B所示，本案实施例中，致动传感模块1之致动装置13系采用一流体致动器做说明，以下说明以流体致动器13代表本案之致动装置。本案之流体致动器13可为一压电致动泵之驱动结构，或者一微机电系统(MEMS)泵之驱动结构，均不以此为限。

本实施例中，以下就以压电致动泵作流体致动器13之作动说明:

请参阅图3A及图3B所示，流体致动器13包括进气板131、共振片132、压电致动器133、绝缘片134a、134b及导电片135等结构，其中压电致动器133对应于共振片132而设置，并使进气板131、共振片132、压电致动器133、绝缘片134a、导电片135及另一绝缘片134b等依序堆栈设置，其组装完成之剖面图系如图5所示。

于本实施例中，进气板131具有至少一进气孔131a，其中进气孔131a之数量以4个为较佳，但不以此为限。进气孔131a系贯穿进气板131，用以供流体自装置外顺应外界压力之作用而自该至少一进气孔131a流入流体致动器13之中。进气板131上具有至少一总线孔131b，用以与进气板131另一表面之该至少一进气孔131a对应设置。于总线孔131b的中心交流处系具有中心凹部131c，且中心凹部131c系与总线孔131b相连通，藉此可将自该至少一进气孔131a进入总线孔131b之流体引导并汇流集中至中心凹部131c，以实现流体传递。于本实施例中，进气板131具有一体成型的进气孔131a、总线孔131b及中心凹部131c，且于中心凹部131c处即对应形成一汇流流体的汇流腔室，以供流体暂存。于一些实施例中，进气板131之材质可为例如但不限于不锈钢材质所构成。于另一些实施例中，由该中心凹部131c处所构成之汇流腔室之深度与总线孔131b之深度相同，但不以此为限。共振片132系由一可挠性材质所构成，但不以此为限，且于共振片132上具有一中空孔洞132c，系对应于进气板131之中心凹部131c而设置，以使流体流通。于另一些实施例中，共振片132系可由一铜材质所构成，但不以此为限。

压电致动器133系由一悬浮板1331、一外框1332、至少一支架1333以及一压电片1334所共同组装而成，其中，该压电片1334贴附于悬浮板1331之第一表面1331c，用以施加电压产生形变以驱动该悬浮板1331弯曲振动，以及该至少一支架1333系连接于悬浮板1331以及外框1332之间，于本实施例中，该支架1333系连接设置于悬浮板1331与外框1332之间，其两端点系分别连接于外框1332、悬浮板1331，以提供弹性支撑，且于支架1333、悬浮板1331及外框1332之间更具有至少一空隙1335，该至少一空隙1335系与通道15相连通，用以供流体流通。应强调的是，悬浮板1331、外框1332以及支架1333之型态及数量不以前述实施例为限，且可依实际应用需求变化。另外，外框1332系环绕设置于悬浮板1331之外侧，且具有一向外凸设之导电接脚1332c，用以供电连接之用，但不以此为限。

悬浮板1331系为一阶梯面之结构(如图4所示)，意即于悬浮板1331之第二表面1331b更具有一凸部1331a，该凸部1331a可为但不限为一圆形凸起结构。悬浮板1331之凸部1331a系与外框1332之第二表面1332a共平面，且悬浮板1331之第二表面1331b及支架1333之第二表面1333a亦为共平面，且该悬浮板1331之凸部1331a及外框1332之第二表面1332a与悬浮板1331之第二表面1331b及支架1333之第二表面1333a之间系具有一特定深度。悬浮板1331之第一表面1331c，其与外框1332之第一表面1232b及支架1333之第一表面1233b为平整之共平面结构，而压电片1334则贴附于此平整之悬浮板1331之第一表面1331c处。于另一些实施例中，悬浮板1331之型态亦可为一双面平整之板状正方形结构，并不以此为限，可依照实际施作情形而任施变化。于一些实施例中，悬浮板1331、支架1333以及外框1332系可为一体成型之结构，且可由一金属板所构成，例如但不限于不锈钢材质所构成。又于另一些实施例中，压电片1334之边长系小于该悬浮板1331之边长。再于另一些实施例中，压电片1334之边长系等于悬浮板1331之边长，且同样设计为与悬浮板1331相对应之正方形板状结构，但并不以此为限。

于本实施例中，如图3A所示，流体致动器13之绝缘片134a、导电片135及另一绝缘片134b系依序对应设置于压电致动器133之下，且其形态大致上对应于压电致动器133之外框1332之形态。于一些实施例中，绝缘片134a、124b系由绝缘材质所构成，例如但不限于塑料，俾提供绝缘功能。于另一些实施例中，导电片135可由导电材质所构成，例如但不限于金属材质，以提供电导通功能。于本实施例中，导电片135上亦可设置一导电接脚135a，以实现电导通功能。

于本实施例中，如图5所示，流体致动器13系依序由进气板131、共振片132、压电致动器133、绝缘片134a、导电片135及另一绝缘片134b等堆栈而成，且于共振片132与压电致动器133之间系具有一间隙h，于本实施例中，系于共振片132及压电致动器133之外框1332周缘之间的间隙h中填入一填充材质，例如但不限于导电胶，以使共振片132与压电致动器133之悬浮板1331之凸部1331a之间可维持该间隙h之深度，进而可导引流体更迅速地流动，且因悬浮板1331之凸部1331a与共振片132保持适当距离使彼此接触干涉减少，促使噪音产生可被降低。于另一些实施例中，亦可藉由加高压电致动器133之外框1332之高度，以使其与共振片132组装时增加一间隙，但不以此为限。

请参阅图3A及图3B、图5所示，于本实施例中，当进气板131、共振片132与压电致动器133依序对应组装后，于共振片132具有一可动部132a及一固定部132b，可动部132a处可与其上的进气板131共同形成一汇流流体的腔室，且在共振片132与压电致动器133之间更形成一第一腔室130，用以暂存流体，且第一腔室130系透过共振片132之中空孔洞132c而与进气板131之中心凹部131c处的腔室相连通，且第一腔室130之两侧则由压电致动器133之支架1333之间的空隙1335而与通道15相连通。

请参阅图3A、图3B、图5、图6A至图6E，本案之流体致动器13之作动流程简述如下。当流体致动器13进行作动时，压电致动器133受电压致动而以支架1333为支点，进行垂直方向之往复式振动。如图6A所示，当压电致动器133受电压致动而向下振动时，由于共振片132系为轻、薄之片状结构，是以当压电致动器133振动时，共振片132亦会随之共振而进行垂直之往复式振动，即为共振片132对应中心凹部131c的部分亦会随之弯曲振动形变，即该对应中心凹部131c的部分系为共振片132之可动部132a，是以当压电致动器133向下弯曲振动时，此时共振片132对应中心凹部131c的可动部132a会因流体的带入及推压以及压电致动器133振动之带动，而随着压电致动器133向下弯曲振动形变，则流体由进气板131上的至少一进气孔131a进入，并透过至少一总线孔131b以汇集到中央的中心凹部131c处，再经由共振片132上与中心凹部131c对应设置的中空孔洞132c向下流入至第一腔室130中。其后，由于受压电致动器133振动之带动，共振片132亦会随之共振而进行垂直之往复式振动，如图6B所示，此时共振片132之可动部132a亦随之向下振动，并贴附抵触于压电致动器133之悬浮板1331之凸部1331a上，使悬浮板1331之凸部1331a以外的区域与共振片132两侧之固定部132b之间的汇流腔室的间距不会变小，并藉由此共振片132之形变，以压缩第一腔室130之体积，并关闭第一腔室130中间流通空间，促使其内的流体推挤向两侧流动，进而经过压电致动器133之支架1333之间的空隙1335而向下穿越流动。之后，如图6C所示，共振片132之可动部132a向上弯曲振动形变，而回复至初始位置，且压电致动器133受电压驱动以向上振动，如此同样挤压第一腔室130之体积，惟此时由于压电致动器133系向上抬升，因而使得第一腔室130内的流体会朝两侧流动，而流体持续地自进气板131上的至少一进气孔131a进入，再流入中心凹部131c所形成之腔室中。之后，如图6D所示，该共振片132受压电致动器133向上抬升的振动而共振向上，此时共振片132之可动部132a亦随之向上振动，进而减缓流体持续地自进气板131上的至少一进气孔131a进入，再流入中心凹部131c所形成之腔室中。最后，如图6E所示，共振片132之可动部132a亦回复至初始位置，由此实施态样可知，当共振片132进行垂直之往复式振动时，系可由其与压电致动器133之间的间隙h以增加其垂直位移的最大距离，换句话说，于该两结构之间设置间隙h可使共振片132于共振时可产生更大幅度的上下位移。是以，在经此流体致动器13之流道设计中产生压力梯度，使流体高速流动，并透过流道进出方向之阻抗差异，将流体由吸入端传输至排出端，以完成流体输送作业，即使在排出端有压力之状态下，仍有能力持续将流体推入通道15，并可达到静音之效果，如此重复图6A至图6E之流体致动器13作动，即可使流体致动器13产生一由外向内的流体传输。

承上所述，为了解流体致动器13之作动，而进气板131、共振片132、压电致动器133、绝缘片134a、导电片135及另一绝缘片134b等依序堆栈设置，又如图1A、图1B所示流体致动器13封装于芯片11上，流体致动器13受驱动而致动压缩改变其内外之流体压力，以使流体汲取作动，由通道15流出产生对流，如图1B所示箭头所指方向流动，并通过传感器12，使传感器12可量测所接收之流体，如此透过流体致动器13导引流体之流动，并提供稳定、一致性之流量量以直接导送至传感器12处，让传感器12能获取稳定、一致性之流体流通量以直接监测，藉此可有效缩短传感器12之监测反应作用时间，达成精准之监测，极具产业利用价值。

综上所述，本案致动传感模块由一传感器结合一流体致动器整合于一芯片上的模块设置，流体致动器能加快流体之流动速度，并促使其流通，以提供稳定、一致性之流量，让传感器能获取该稳定、一致性之流体流通量以直接监测，且有效缩短传感器之监测反应作用时间，达成精准之监测。是以，本案之具有致动传感模块之电子装置极具产业之价值，爰依法提出申请。

本案得由熟习此技术之人士任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱如附申请专利范围所欲保护者。

Claims (20)

1.一种致动传感模块，包含：

一芯片；

至少一个传感器，沉积于该芯片上；以及

至少一个致动装置，封装于该芯片上，并设有一通道，且该通道位于该传感器一侧，该致动装置受驱动而致动压缩一流体，使该流体流入该致动装置中，经压缩后由该通道流出，使通道内的流体产生压力梯度，该流体垂直于该传感器的一侧面流动，并从该侧面通过该传感器，以令该传感器量测所接收之该流体。

2.如权利要求1所述的致动传感模块，其中该流体为气体。

3.如权利要求1所述的致动传感模块，其中该流体为液体。

4.如权利要求1所述的致动传感模块，其中该芯片系为一特殊应用芯片，该传感器与该致动装置系封装整合于上。

5.如权利要求1所述的致动传感模块，其中该芯片系为一系统单芯片，该传感器与该致动装置封装整合于上。

6.如权利要求1所述的致动传感模块，其中该芯片上更蚀刻一感测通道，该传感器系沉积于该感测通道，并与该致动装置之该通道相连通。

7.如权利要求1所述的致动传感模块，其中该传感器包含一氧气传感器、一一氧化碳传感器及一二氧化碳传感器之至少其中之一任意组合而成之群组。

8.如权利要求1所述的致动传感模块，其中该传感器包含一液体传感器。

9.如权利要求1所述的致动传感模块，其中该传感器包含一温度传感器、一液体传感器、及一湿度传感器至少其中之一任意组合而成之群组。

10.如权利要求1所述的致动传感模块，其中该传感器包含一臭氧传感器。

11.如权利要求1所述的致动传感模块，其中该传感器包含一微粒传感器。

12.如权利要求1所述的致动传感模块，其中该传感器包含一挥发性有机物传感器。

13.如权利要求1所述的致动传感模块，其中该传感器包含一光传感器。

14.如权利要求1所述的致动传感模块，其中该致动装置为一流体致动器。

15.权利要求14所述的致动传感模块，其中该流体致动器为一微机电系统泵。

16.权利要求14所述的致动传感模块，其中该流体致动器为一压电致动泵。

17.权利要求16所述的致动传感模块，其中该流体致动器包括：

一进气板，具有至少一进气孔、至少一总线孔及构成一汇流腔室之一中心凹部，其中该至少一进气孔供导入流体，该总线孔对应该进气孔，且引导该进气孔之流体汇流至该中心凹部所构成之该汇流腔室；

一共振片，具有一中空孔对应于该汇流腔室，且该中空孔之周围为一可动部；以及

一压电致动器，与该共振片相对应设置；

其中，该共振片与该压电致动器之间具有一间隙形成一第一腔室，以使该压电致动器受驱动时，使流体由该进气板之该至少一进气孔导入，经该至少一总线孔汇集至该中心凹部，再流经该共振片之该中空孔，以进入该第一腔室内，由该压电致动器与该共振片之可动部产生共振传输流体。

18.如权利要求17所述的致动传感模块，其中该压电致动器包含：

一悬浮板，具有一第一表面及一第二表面，且可弯曲振动；

一外框，环绕设置于该悬浮板之外侧；

至少一支架，连接于该悬浮板与该外框之间，以提供弹性支撑；以及

一压电片，具有一边长，该边长系小于或等于该悬浮板之一边长，且该压电片系贴附于该悬浮板之一第一表面上，用以施加电压以驱动该悬浮板弯曲振动。

19.如权利要求18所述的致动传感模块，其中该悬浮板为一正方形悬浮板，并具有一凸部。

20.如权利要求17所述的致动传感模块，其中该流体致动器包括：一导电片、一第一绝缘片以及一第二绝缘片，其中该进气板、该共振片、该压电致动器、该第一绝缘片、该导电片及该第二绝缘片系依序堆栈设置。

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