CN111721759A - 呈色气体感测芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明关于一种呈色气体感测芯片，包括化学反应层以及反应呈色层，化学反应层包括能够与待测气体反应而产生化学变化的反应区；反应呈色层则包括对应设置的呈色面及与反应区接触的反应面，反应呈色层还包括呈色指示剂以对应反应面的化学变化产生呈色反应，由此完成一种轻薄且整合性高的气体感测芯片，可直接贴附或放置在感测物上进行实时的感测。
Description
技术领域
本发明涉及一种感测芯片，尤其涉及一种轻薄且整合性高的呈色气体感测芯片。
背景技术
用来检测气体流量与种类的气体感测装置近年朝着轻薄的趋势发展中，装置尺寸已大幅缩小为1公分以下的芯片形式，并且与其他装置的整合性也大幅提升。然此类与其他装置整合的气体感测芯片结构复杂，内部通常包括多个传感器数组。虽然依照目前的半导体技术已可独立控制数组中每一个传感器的电流传输，并解决总线的问题，但仍有温度高、耗电量大等缺点有待克服。
另有一类气体感测装置结构较为简单，譬如中国台湾专利公告第I374265号公开一种气体传感器，主要包括平面式电感电容共振器及气体吸收材。其中的平面式电感电容共振器包括电感电极及电容电极，并使电容电极连接至电感电极，气体吸收材则与电容电极的至少一部分连接。经由上述结构，气体吸收材即可根据待测气体浓度的变化来改变平面式电感电容共振器的共振频率，进而得知待测气体的浓度变化。
然这类的气体感测装置仍然需要仰赖电力供应，因此可以应用的范围也相对地受到限制。
发明内容
本发明的目的在于解决现有通电式气体感测芯片在工作时温度高、耗电量大，且因为需要仰赖电力供给方能进行量测，导致应用领域大幅受到限制的缺点。
本发明的另一目的在于提供一种轻薄且整合性高的气体感测芯片。
为达上述目的，本发明提供一种呈色气体感测芯片，包括一化学反应层以及一反应呈色层。该化学反应层包括至少一能够与一待测气体反应而产生一变化的反应区，并使该化学反应层远离该反应呈色层的一侧作为一进气面；该反应呈色层包括对应设置的一呈色面以及一反应面，该反应面接触该化学反应层的该反应区；该反应呈色层还包括有一呈色指示剂以对应该反应面的一化学变化产生一呈色反应。
据此，本发明的呈色气体感测芯片透过设置在化学反应层上的反应区与待测气体发生反应，进而发生化学变化，上述的化学变化经过反应呈色层的呈色指示剂反应即可呈现出不同的颜色。用户可搭配既有的数据库、或者再经数据化对颜色进行判读。如此一来，本发明的呈色气体感测芯片可在不需耗费电力的情况下完成检测，并且因为结构简单轻薄，直接贴附或放置在感测物上即可进行实时感测。
附图说明
图1为本发明呈色气体感测芯片第一态样示意图。
图2为本发明呈色气体感测芯片第二态样示意图。
图3为本发明呈色气体感测芯片第三态样示意图。
图4为本发明呈色气体感测芯片第四态样示意图。
图5为本发明呈色气体感测芯片第五态样示意图。
图6为本发明呈色气体感测芯片第六态样示意图。
图7为本发明呈色气体感测芯片的呈色面示意图。
图8为本发明一实施例中，呈色气体感测芯片的制造方法示意图。
图9为本发明另一实施例中，呈色气体感测芯片的制造方法示意图。
具体实施方式
有关本发明的详细说明及技术内容，现就配合附图说明如下：
图1为本发明呈色气体感测芯片第一态样示意图，主要包括一化学反应层10、一和该化学反应层10彼此堆栈的反应呈色层20以及多个阻隔部30。
本实施例中，该化学反应层10被该些阻隔部30隔开为包括多个第一区域。为了方便说明，在图1所示实施例中，仅以图1标示的第一区域11a、11b做为举例说明。该第一区域11a、11b分别包括一远离该反应呈色层20的一侧的进气面12a、12b以及一反应区13a、13b，供一待测气体G由该进气面12a、12b进入该反应区13a、13b，该反应区13a、13b可与该待测气体G反应而产生一化学变化。该反应区13a、13b可各自包括不同种类的化学物质，以与不同目标气体产生反应，譬如某些反应区13a、13b可与烷烃反应、某些反应区13a、13b可与醇类反应、某些反应区13a、13b可与硫化物反应等。该些阻隔部30隔开相邻的该第一区域11a、11b，而让相邻的该第一区域11a、11b所发生的反应彼此不产生影响。其中，该化学变化可为一氧化还原反应、一酸碱反应、一酵素催化反应、一金属催化反应、一缩合反应(condensation reaction)、一水解反应(hydrolysis)、一加成反应(addition reaction)，一消去反应(elimination reaction)、一取代反应(substitution reaction)、或其组合，但不以此为限。于一非限制性的实施例来说，适用于本发明的氧化还原反应举例可为乙醇氧化为乙醛或乙酸，酵素催化反应举例可为葡萄糖氧化酶(glucose oxidase)，金属催化可为白金触媒。
如此一来，假设其中一个反应区13a、13b涂附有联氨(H2N-NH2)，当含有二氧化碳的该待测气体G与上述涂附有联氨的该反应区13a、13b反应时将产生H2NNHCOOH，利用氧化还原指示剂结晶紫(Crystal violet)呈色。且在本发明一态样中，该呈色气体感测芯片可进一步包括一设置在该进气面12a、12b上的保护层(未图示)，以避免气体直接地进入该反应区13a、13b所造成的干扰或损坏。
该反应呈色层20也被该些阻隔部30隔开为包括多个第二区域。为了方便说明，在图1所示实施例中，仅以图1标示的第二区域21a、21b做为举例说明。该第二区域21a、21b和该第一区域11a、11b相互对应堆栈，且该第二区域21a、21b分别包括一呈色面22a、22b以及一与该化学反应层10的该反应区13a、13b接触的反应面23a、23b。且该反应呈色层20包括有一呈色指示剂，因此，当该反应区13a、13b因为化学反应而产生该化学变化时，与该反应区13a、13b接触的该反应呈色层20将对应该化学变化而产生一呈色反应。
本实施例中，该阻隔部30是一隔墙，隔开相邻的该第一区域11a、11b以及该第二区域21a、21b，让该待测气体G进入该进气面12a而和该反应区13a发生的反应的不会影响相邻的该反应区13b，也让该反应区13a发生的反应仅影响该反应面23a和该呈色面22a，而不会影响该反应面23b和该呈色面22b。此外，本实施例中，该化学反应层10及该反应呈色层20为彼此独立的一双层结构，然于其他实施例中，该化学反应层10及该反应呈色层20可为一单层结构，即该化学反应层10及该反应呈色层20整合于一单一层之中。
该呈色指示剂的组成物是选自由一水合物、一沉淀物、一金属配位化合物及其组合所组成的群组。以该水合物举例来说，可为干燥氯化亚钴遇水气生成粉红色水合物；以该沉淀物举例来说，可为醋酸铅遇硫化氢生成黑色硫化铅沉淀；以该金属配位化合物举例来说，可为氧气与血红素中铁离子配位结合成鲜红色。适用于本发明的「呈色指示剂」并无特别限制，举例来说，该呈色指示剂更为一酸碱指示剂、一溶剂化显色、或其组合。补充说明的是，关于适用于本发明的该酸碱指示剂并无特别限制，于一非限制性的实施例来说，可为溴瑞香草酚蓝(Bromothymol Blue)、酚酞等呈色试剂。
续请参考图2，为本发明呈色气体感测芯片第二态样示意图。第二态样相较于上述的第一态样而言，还包括一设置在该呈色面22a、22b上的抗反射膜40。该抗反射膜40有助于用户从外部透过仪器或肉眼观察该呈色面22a、22b的颜色变化并避免干扰。
续请参考图3，又或者，于本发明第三态样中，为了降低外界环境对于内部反应的干扰，可进一步地设置一具有阻水性的透气膜50。图3是以第二态样的结构作为基础增加该透气膜50，然而在其他实施例中，亦可以上述第一态样的结构作为基础增加该透气膜50而没有限制。本实施例中，该透气膜50是设置在该化学反应层10的该进气面12a、12b上。
图4是以图3所示的第三态样的结构作为基础增加扩散膜60。在如图4所示的第四态样中，该透气膜50与该化学反应层10之间可再夹设一层或多层具有气体筛选功能的扩散膜60而达到筛选特定气体的效果。且在设置有多层扩散膜60的情况下，每一该扩散膜60所针对的气体可彼此不同。除此之外，为了调整气体在该些扩散膜60之中的扩散路径，达到改变大小分子的扩散速度以获得筛选大小分子的效果，本实施例可在每一该扩散膜60中加入石墨烯70。
此外，欲更有效率地吸附气体分子，本发明的呈色气体感测芯片更可在该扩散膜60之中包括一吸附分子(未图示)来达成上述目标。上述的吸附分子可为任何具有吸附功能的液体、胶体、孔洞、或者是纤维薄膜。于一具体的非限制性实例中，可使用甘油作为该吸附分子；或于一具体的非限制性实例中，使用孔洞作为该吸附分子时，是利用孔洞的特性筛析尺寸较大的气体分子。然而，在其他的实施态样中，如图5，可直接地在一对扩散膜60之间设置一含有吸附分子的吸附层80，亦可获得良好的吸附效果。
续请参考图6，图6为本发明呈色气体感测芯片第六态样示意图，该态样是以第一态样的结构为基础，在该化学反应层10的该进气面12a、12b上直接形成至少一具有气体筛选功能的扩散膜60，且在该扩散膜60之中亦可选择性地加入石墨烯70以调整气体在该些扩散膜60之中的扩散路径。本态样中各膜层的材质及功能与前文相同，在此不另外赘述。
续请参考图7，本实施例是将图1的呈色气体感测芯片固定于一载体90，该载体90为一贴纸，进而在该载体90上形成多个对应该第一区域11a、11b以及该第二区域21a、21b的比色区块24，本实施例中，该比色区块24至少包括多个第一比色区块241a、241b以及多个第二比色区块242a、242b，其中，该第一比色区块241a、241b和该第二比色区块242a、242b为不同的颜色，例如红色和黄色，而该第一比色区块241a、241b分别为不同色阶的红色，该第二比色区块242a、242b分别为不同色阶的黄色。图7所示的多个比色区块24仅为示意性的说明，并非用以限制本发明。进一步地，本实施例中，该载体90上还设置有一二维QR图码91以及一标签92。
图8和图9分别是本发明呈色气体感测芯片的制造方法示意图，其中图8为「由下而上(bottom up)」法、图9为「由上而下(top down)」法。
图8的方法，是先取用一试纸100作为基底(步骤1-1)，并在该试纸100的一侧进行预处理以分隔出多个不互相影响的区块101。随后，在该些区块101上依序滴定该反应呈色层20和该化学反应层10并烘干而形成一感测部102a(步骤1-2)，该感测部102a即包括上述的反应呈色层20以及化学反应层10。接着，再于相邻的该些区块101形成组成不同的该感测部102b、102c、102d。图8所示的呈色气体感测芯片的制造方法仅为示意性的说明，并非用以限制本发明。根据实施例的不同态样，可在该化学反应层10上同样用滴定-烘干的方法设置一层或多层具有气体筛选功能的扩散膜60及/或吸附层80。根据实施例的不同态样，还可以在最上方形成具有阻水性的透气膜50。根据实施例的不同态样，并可在该试纸100未进行预处理的一侧贴上抗反射膜40。
图9提供另一种制造方法，先提供4个试纸200a、200b、200c、200d(步骤2-1)，该试纸200a、200b、200c、200d分别具有多个不互相影响的区块201a、201b、201c、201d，之后，在该些区块201a、201b、201c、201d上分别形成组成不同的感测部202a、202b、202c、202d(步骤2-2)，该感测部202a、202b、202c、202d即包括上述的反应呈色层20以及化学反应层10。之后对该试纸200a、200b、200c、200d进行裁切，以分别取下该感测部202a、202b、202c、202d，并将该感测部202a、202b、202c、202d和一基板300结合(步骤2-3)，以将该感测部202a、202b、202c、202d设置于该基板300上(步骤2-4)。在步骤2-5中，重复步骤2-3及步骤2-4，最终得到一呈色气体感测芯片(步骤2-6)。根据实施例的不同态样，必要时还可在该化学反应层10上设置一层或多层具有气体筛选功能的扩散膜60及/或吸附层80。图9所示的呈色气体感测芯片的制造方法仅为示意性的说明，并非用以限制本发明。根据实施例的不同态样，例如还可再视需求于该堆栈体的进气面12a、12b贴上透气膜50、该呈色面22a、22b贴上抗反射膜40。
如此一来，当利用本发明呈色气体感测芯片来识别一待测肉品是否变质时，可同时将该待测肉品与本发明呈色气体感测芯片同时放置在一密闭的环境中一段时间，待该待测肉品发出的气味(譬如氨气)经由该化学反应层10的该进气面12a、12b进入并与该反应区13a、13b产生反应并产生一化学变化。随后，该反应呈色层20的该反应面23a、23b接触该化学反应层10的该反应区13a、13b，使得包含在该反应呈色层20中的呈色指示剂对应该化学变化而呈现一特定颜色，让使用者得以从该呈色面22a、22b以肉眼或机器判读：当与先前数据库中变质的肉品所呈现的颜色相同时，就代表该待测肉品已变质。又或者，使用者也可进一步地进行色彩校正并比对检量线，换算获得氨气浓度以进行判读。
Claims (15)
1.一种呈色气体感测芯片，其特征在于，包括一化学反应层以及一反应呈色层，其中：
该化学反应层包括至少一与一待测气体反应而产生一化学变化的反应区，并使该化学反应层远离该反应呈色层的一侧作为一进气面；
该反应呈色层包括对应设置的一呈色面以及一反应面，该反应面接触该化学反应层的该反应区；该反应呈色层还包括有一呈色指示剂以对应该反应面的该化学变化产生一呈色反应。
2.根据权利要求1所述的呈色气体感测芯片，其特征在于，还包括多个阻隔部，该化学反应层被该些阻隔部隔开而包括多个第一区域，该反应呈色层被该些阻隔部隔开而包括多个第二区域，且该第二区域和该第一区域相互对应堆栈。
3.根据权利要求1所述的呈色气体感测芯片，其特征在于，该呈色面上还设有一抗反射膜。
4.根据权利要求1所述的呈色气体感测芯片，其特征在于，该进气面上还设有一具有阻水性的透气膜。
5.根据权利要求4所述的呈色气体感测芯片，其特征在于，该透气膜与该化学反应层之间还夹设至少一具有气体筛选功能的扩散膜。
6.根据权利要求5所述的呈色气体感测芯片，其特征在于，该扩散膜还包括一吸附分子。
7.根据权利要求5所述的呈色气体感测芯片，其特征在于，该扩散膜还包括石墨烯。
8.根据权利要求5所述的呈色气体感测芯片，其特征在于，该透气膜与该化学反应层之间夹设一对扩散膜，并于该对扩散膜之间夹设一吸附层。
9.根据权利要求1所述的呈色气体感测芯片，其特征在于，该进气面上还形成有至少一具有气体筛选功能的扩散膜。
10.根据权利要求1所述的呈色气体感测芯片，其特征在于，该进气面上还设有至少一膜层，该膜层选自由一具有阻水性的透气膜、一吸附层、一具有气体筛选功能的扩散膜及其组合所组成的群组。
11.根据权利要求1所述的呈色气体感测芯片，其特征在于，该呈色面还设有一比色区块。
12.根据权利要求1所述的呈色气体感测芯片，其特征在于，该化学变化进一步为一氧化还原反应、一酸碱反应、一酵素催化反应、一金属催化反应、一缩合反应、一水解反应、一加成反应，一消去反应、一取代反应、或其组合。
13.根据权利要求1所述的呈色气体感测芯片，其特征在于，该呈色指示剂进一步为一酸碱指示剂、一溶剂化显色、或其组合。
14.根据权利要求1所述的呈色气体感测芯片，其特征在于，该呈色指示剂的组成物是选自由一水合物、一沉淀物、一金属配位化合物及其组合所组成的群组。
15.根据权利要求1所述的呈色气体感测芯片，其特征在于，该化学反应层以及该反应呈色层是形成一单层结构。
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