CN210665657U - 致动传感模块 - Google Patents

Abstract

本案提供一种致动传感模块，由致动装置、第一基板、阀片层、第二基板依序堆叠构成。第一基板包含进气通道、排气通道、进气口及排气口，第二基板开设一贯穿槽。阀片层设置于第一基板及第二基板之间，使其进气阀及排气阀分别封闭隔绝进气通道及排气通道。致动装置封闭设置于第二基板的贯穿槽，以在阀片层及贯穿槽之间形成一压缩腔室。进气口、进气通道、压缩腔室、排气通道及排气口相互连通形成一气流回路，且传感器设置于气流回路中。透过致动装置驱动外界的一气体于气流回路中循环流通，可供传感器对循环的该气体进行监测。

Description

致动传感模块

【技术领域】

本案是关于一种致动传感模块，尤指一种透过气体循环的方式感测气体的致动传感模块。

【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，环境气体监测纷纷引起各国重视，并渐渐成为生活中不可忽略的课题。

然而，现有的技术中，环境气体检测仪器体积过大，例如：空气滤净机，且不便于使用者随身携带，因此，使用者欲即使取得周遭环境的气体信息仍具有一定的难度，且使用者仍很有可能因此暴露在具有危害人体的气体的环境之中。是以，如何随时随地取得周遭环境的气体信息实为当前极需解决的问题。

除此之外，已知的环境气体检测仪器中并没有防水、防尘的功能，若于气体流通的过程中有水气或液体流入仪器之中，易使输出的气体含水气，进而导致用以感测气体的电子元件遭致受潮、生锈，甚至是损坏的风险。此外，已知的环境气体检测仪器亦没有防尘功能，若于气体流通的过程中有粉尘进入环境气体检测仪器之中，亦有可能导致元件受损、气体传输效率下降等等的问题。是以，如何使环境气体检测仪器达到防水、防尘的目的同样为当前极需解决的课题。

因此，如何发展一种可改善上述已知技术缺失，可使环境气体检测的仪器或设备达到体积小、微型化且静音的目的，并兼具防水及防尘的功能，实为目前迫切需要解决的问题。

【实用新型内容】

本案的主要目的在于提供一种致动传感模块，借由压电膜高频作动产生的气体波动，于设计后的流道中产生压力梯度，而使气体高速流动，且透过流道进出方向的阻抗差异，将气体由吸入端传输至排出端，俾解决已知技术的采用气体传输装置的仪器或设备所具备的体积大、难以薄型化、无法达成可携式的目的，以及噪音大等缺失。

本案的另一主要目的在于提供一种同时兼具防水、防尘功能的致动传感模块，借由防护膜的设置以过滤水气及粉尘，俾解决已知的气体传输装置于气体输送的过程中，有水气或粉尘进入气体传输装置，进而导致元件受损、气体传输效率下降等等的问题。

为达上述目的，本案的一较广义实施样态为提供一种致动传感模块，包含：第一基板，包含进气通道、排气通道、进气口与排气口，进气通道与排气通道分别透过进气口与排气口连通至第一基板之外部；第二基板，开设贯穿槽；阀片层，包含进气阀与排气阀，阀片层设置于第一基板及第二基板之间，且进气阀及排气阀分别封闭隔绝进气通道及排气通道；致动装置，设置于第二基板并封闭贯穿槽，以在阀片层与第二基板的贯穿槽之间形成压缩腔室，其中进气口、进气通道、压缩腔室、排气通道及排气口相互连通而形成气流回路；以及传感器，设置于气流回路中的任一位置；透过驱动致动装置，使阀片层的进气阀向上振动开启，以将外界的一气体经由进气口导入进气通道内，并使气体流经阀片层进入压缩腔室，再透过致动装置压缩压缩腔室，使阀片层的排气阀向下振动开启，使气体由压缩腔室流经阀片层进入排气通道，并由排气口排出，以供设置于气流回路中的传感器对循环流通的气体进行监测。

【附图说明】

图1A为本案的一较佳实施例的致动传感模块的结构示意图。

图1B为本案的一较佳实施例的致动传感模块的进气作动结构示意图。

图1C为本案的一较佳实施例的致动传感模块的排气作动结构示意图。

图2A为本案的另一较佳实施例的致动传感模块的结构示意图。

图2B为本案的另一较佳实施例的致动传感模块的进气作动结构示意图。

图2C为本案的另一较佳实施例的致动传感模块的排气作动结构示意图。

【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是当作说明之用，而非架构于限制本案。

本案的致动传感模块可用于感测周遭环境的空气品质，并同时兼具防水、防尘及静音的效果，可应用于手机、平板电脑、穿戴式装置或任何建构以包含微处理器、RAM等零件的类似行动式电子设备。请参阅图1A，其为本案的一较佳实施例的致动传感模块的结构示意图。如图所示，致动传感模块1包含第一基板10、第二基板11、致动装置12、阀片层13及传感器14。其中，第一基板10穿设一进气通道101及一排气通道102，且进气通道101及排气通道102分别在第一基板10的一外表面上形成一进气口1011及一排气口1021。第二基板11开设一贯穿槽110，在本实施例中，贯穿槽110由一凹槽1101以及穿设该凹槽1101的第二进气通道1102与第二排气通道1103所构成。当第一基板10与第二基板11叠合组装之后，第二基板11的第二进气通道1102与第二排气通道1103，可分别对应连通第一基板10的进气通道101与排气通道102。

在本案的较佳实施例中，第一基板10与第二基板11皆可为但不限于特殊应用芯片(ASIC)或系统单芯片(SOC)，第一基板10透过半导体制程成型出其进气通道101及排气通道102，且第二基板11亦透过半导体制程成型出其贯穿槽110的结构。第一基板10与第二基板11是以封装方式结合。

在本案的较佳实施例中，第一基板10更透过半导体制程制出一第一控制电路151，且第二基板11亦透过半导体制程制出一第二控制电路152。第一控制电路151与第二控制电路152为集成电路，其中，第一控制电路 151电性连接传感器14，以接收传感器14所产生的感测数据并加以运算处理。第二控制电路152电性连接致动装置12，以提供致动装置12驱动电源。在本案的另一些实施例中，仅第一基板10与第二基板11中的一者透过半导体制程制出一控制电路，并借由该单一控制电路，提供致动装置 12驱动电源与计算处理自传感器14所接收的感测数据。

请继续参阅图1A，致动装置122是用以驱动气体，其封闭设置于第二基板11的贯穿槽110，借以在贯穿槽110与阀片层13之间定义形成一压缩腔室A。在本案的较佳实施例中，致动装置12为一微机电系统气体泵 (Microelectromechanical Systems,MEMS)，透过干、湿蚀刻的方式进行材料表面的微加工，以制成一体成型的微型气体泵，其主要包含致动膜121 及压电膜122，其中致动膜121是为透过面型微加工技术(Surface micromachining)所制成的平面结构，且致动膜121由一金属材料薄膜或一多晶硅薄膜所构成，但不以此为限，可依据实际情形任施变化。压电膜 122可为但不限于以溶胶凝胶法(Sol-gel method)制成的一金属氧化物薄膜，并贴附于致动膜121的表面上。当压电膜122驱动致动膜121向上振动时，使压缩腔室A产生压力梯度，则使气体由进气通道101透过第二进气通道1102流入压缩腔室A中(即如图1B所示)；反之，当压电膜122 驱动致动膜121向下振动时，压缩腔室A受到压缩，则使气体由压缩腔室A透过第二排气通道1103流出至排气通道102中(即如图1C所示)。借由压电膜122沿垂直方向上下进行往复式振动，可驱动气体高速流动，并透过流道进出方向的阻抗差异，将气体由吸入端传输至排出端，且在排出端的气压大于大气压力的状态下，仍有能力持续推出气体，并可在静音的状态下作动。

请继续参阅图1A，阀片层13设置于第一基板10与第二基板11之间，包含一进气阀131与一排气阀132，其皆为可启闭式阀门开关结构。在阀门封闭的状态下，进气阀131封闭第一基板10的进气通道101，以隔绝进气通道101与第二进气通道1102；而排气阀132则封闭第一基板10的排气通道102，以隔绝排气通道102与第二排气通道1103。而在阀门开启的状态下，第二进气通道1102会接通第一基板10的进气通道101，而第二排气通道1103会接通第一基板10的排气通道102；如此可使进气口1011、进气通道101、压缩腔室A、排气通道102及排气口1021相互连通而形成一气流回路。

在本实施例中，如图1A所示，阀片层13为一具弹性的薄膜结构，且借由开设多个空隙133a与133b，分别定义形成进气阀131及排气阀132，使进气阀131及排气阀132成为可受气压驱动而变形开启的弹性膜状，并利用其周缘的空隙133a与133b供气体流通。更甚者，第一基板10于对应进气阀131的处更具有一凸部结构103，以产生一预力顶触进气阀131；同理，第二基板11于对应排气阀132之处，亦具有一凸部结构111，以产生一预力顶触排气阀132。借由凸部结构103及111的设置，可防止气流回路中的气体透过进气阀131或排气阀132逆流。

请继续参阅图1A，传感器14可设置于上述气流回路中的任一位置以感测气流。在本案的较佳实施例中，传感器14透过半导体制程设置于第一基板10或第二基板11并接触或邻近于气流回路。在本实施例中，传感器 14设置于第二基板11的排气通道102中，且对应排气口1021设置。本实施例的传感器14与第一控制电路151电性连接以获取驱动电源，并检测气流回路的气体中至少一特定标的物的浓度。传感器14可包含氧气传感器、一氧化碳传感器、二氧化碳传感器、温度传感器、臭氧传感器及挥发性有机物传感器的至少其中之一或其组合，但均不以此为限，可依据实际情形任施变化。

请参阅图1A、图1B及图1C。图1B为本案的一较佳实施例中，致动传感模块的进气作动结构示意图；图1C为本案的一较佳实施例中，致动传感模块的排气作动结构示意图。本实施例的致动传感模块1未致能的状态为如图1A所示。当致动传感模块1受驱动时，第二控制电路152提供驱动电源至致动装置12，使致动装置12致能而沿垂直方向进行往复振动。当致动装置12向上振动时，如图1B所示，压缩腔室A体积变大、压力变小，进而产生压力梯度，使阀片层13的进气阀131受大气压力驱动而向上振动开启，此时，阀片层13的排气阀132则保持关闭且顶触凸部结构111。如此一来，可将外部的一气体经由进气口1011导入进气通道101 内，并流经阀片层13的多个空隙133a进入压缩腔室A。反之，当致动装置12向下振动时，如图1C所示，压缩腔室A因体积变小、压力变大，进而产生压力梯度，使阀片层13的排气阀132向下振动开启，同时，阀片层13的进气阀131则向下振动，并顶触凸部结构103而关闭。如此一来，压缩腔室A中的气体会流经阀片层13的多个空隙133b而进入排气通道102，并透过排气口1021排出至致动传感模块1之外。

借由将阀片层13的进气阀131及排气阀132设置为具有相反的开启方向，可使该气体沿单一流动方向在该气流回路中流通，不会产生逆流现象，借此提供一循环气流持续流经传感器14，使传感器14得以监测周遭环境空气中至少一特定标的物的浓度，俾取得即时环境空气监测的相关信息。更甚者，透过致动装置12促使气体循环的速度加快，可使传感器14检测到最即时的环境气体信息，且每当检测到周遭环境含有有毒气体或危险气体时，便可提示使用者即立即采取防护措施，以避免气体中毒、气体爆炸等情形发生。

请继续参阅图1A，于本案的较佳实施例中，致动传感模块1更包含一第一防护膜161与一第二防护膜162。其中，第一防护膜161封闭设置于第一基板10的进气口1011，而第二防护膜162则封闭设置于第一基板10 的排气口1021。第一防护膜161与第二防护膜162皆为防水、防尘且可供气体穿透的膜状结构。透过其设置，可避免水气、粉尘由进气口1011 或排气口1021进入该气流回路中，使致动传感模块1内部保持干燥、无尘的状态，进而达到避免气流回路内部所设置的元件因水气而导致生锈、受损或因粉尘堆积而导致元件损坏等功效。同时，第一防护膜161及第二防护膜162的防护等级，均可为但不限为国际防护等级认证(International Protection Marking,IEC 60529)IP64的等级，即防尘等级为6(完全防尘，粉尘无法进入)；防水等级为4(防泼溅，水从任何角度泼溅到设备上均无负面效果)。于另一些实施例中，第一防护膜120及第二防护膜13的防护等级亦可为国际防护等级认证IP68的等级，即防尘等级为6；防水等级为8(持续浸入水中无负面效果)。另外，第一防护膜120及第二防护膜13 的防护等级，亦可为国际防护等级认证IP65、IP66或IP67的等级，但均不以此为限。

请参阅图2A，其为本案的另一较佳实施例的结构示意图。如图2A所示，本实施例的致动传感模块2包含第一基板20、第二基板21、致动装置22、阀片层23以及传感器24。其中，第一基板20穿设一进气通道201及一排气通道202，且进气通道201及排气通道202分别在第一基板20的一外表面上，形成一进气口2011及一排气口2021。第二基板21开设一贯穿槽210，当第一基板20与第二基板21叠合组装之后，第一基板20的进气通道201及排气通道202可连通第二基板21的贯穿槽210。

请参阅图2A，于本实施例中，第一基板20更透过半导体制程制出一第一控制电路251，且第二基板21亦透过半导体制程制出一第二控制电路252。第一控制电路251电性连接传感器24，以接收传感器24所产生的感测数据并加以运算处理；而第二控制电路252则电性连接致动装置22，以提供致动装置22驱动电源。致动装置22设置于第二基板21上并封闭贯穿槽210，借以在贯穿槽210与阀片层23之间定义形成一压缩腔室A’。

请继续参阅图2A，阀片层23设置于第一基板20与第二基板21之间，包含一进气阀231与一排气阀232，其皆为可启闭式阀门开关结构。在阀门封闭的状态下，进气阀231封闭第一基板20的进气通道201，以隔绝进气通道201与贯穿槽210；而排气阀232则封闭第一基板20的排气通道 202，以隔绝排气通道202与贯穿槽210。而在阀门开启的状态下，贯穿槽210可接通第一基板10的进气通道101及排气通道102，以使进气口2011、进气通道201、压缩腔室A’、排气通道202及排气口2021相互连通，形成一气流回路。

于本实施例中，于第一基板20对应进气阀231的处，更开设一环形凹槽以形成一凸部结构203，借此产生一预力顶触进气阀231的阀门。同理，阀片层23的本体于对应排气阀232之处，更开设一环形凹槽以形成一凸部结构2321，以产生一预力顶触排气阀232的阀门。借由凸部结构203 及2321的设置，可紧闭进气阀231与排气阀232的阀门，进而防止气流回路中的气体透过进气阀231或排气阀232的阀口逆流。

本实施例的致动器22可为与前一实施例相同结构与作动方式的压电致动器。本实施例的传感器24设置于第二基板21的进气通道201之中，且对应进气口2011设置。传感器24更与第一控制电路251电性连接，以获取驱动电源。

请同时参阅图2A、图2B及图2C。图2B为本案的另一较佳实施例的致动传感模块的进气作动结构示意图；图2C为本案的另一较佳实施例的致动传感模块的排气作动结构示意图。本实施例的致动传感模块2未致能的状态为如图2A所示。当致动传感模块2受驱动时，第二控制电路252提供驱动电源至致动装置22，使致动装置22致能而沿垂直方向进行往复振动。当致动装置22向上振动时，如图2B所示，压缩腔室A’体积变大、压力变小，进而产生压力梯度，使阀片层23的进气阀231的阀门，受大气压力驱动而向上振动开启阀口。此时，阀片层23的排气阀232则保持关闭，且受凸部结构203的顶触。如此一来，可将外部的一气体经由进气口2011导入进气通道201内，并流进气阀231的阀口进入压缩腔室A’。而当致动装置22向下振动时，如图1C所示，压缩腔室A’因体积变小、压力变大，进而产生压力梯度，使阀片层23的排气阀232的阀门向下振动而开启阀口；同时，阀片层23的进气阀231会受压而向下紧贴凸部结构203而关闭其阀口。如此一来，压缩腔室A’中的气体会流经阀片层23 的排气阀232的敞开的阀口，进入排气通道202，并透过排气口2021排出至致动传感模块2之外。

请继续参阅图2A至图2C，本实施例的致动传感模块2更包含一第一防护膜261及一第二防护膜262，第一防护膜261封闭设置第一基板20的进气口201，而第二防护膜262则封闭设置于排气口202，但不以此为限。第一防护膜261及第二防护膜262皆为防水、防尘且可供气体穿透的膜状结构，透过其设置，可避免水气、粉尘由进气口201或排气口202进入该气流回路中，使致动传感模块2内部保持干燥、无尘的状态，进而达到避免气流回路内部所设置的元件因水气而导致生锈、受损或因粉尘堆积而导致元件损坏等功效。第一防护膜261及第二防护膜262的防护等级，较佳者，可为国际防护等级认证IP64、IP65、IP66、IP67或IP68的等级，但不以此为限。

综上所述，本案所提供的致动传感模块，透过压电膜致能致动膜的进行作动，使压缩腔室产生压力梯度，进而使气体高速流动而传递，俾实现气体的循环，并达到气体迅速传输、静音的功效。本案透过传感器进行气体监测循环气体，以随时取得周遭环境的气体信息。此外，透过第一防护膜及第二防护膜的设置，可避免致动传感模块内部元件因水气或粉尘堆积而导致受损、生锈，进而提升气体传输效率，以及提升装置运作效能。因此，本案的气体循环控制装置极具产业利用价值，爰依法提出申请。

本案得由熟知此技术的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。

【符号说明】

1、2：致动传感模块

10、20：第一基板

101、201：进气通道

1011、2011：进气口

102、202：排气通道

1021、2021：排气口

103、203：凸部结构

11、21：第二基板

110、210：贯穿槽

1102：第二进气通道

1103：第二排气通道

111：凸部结构

12、22：致动装置

121、221：致动膜

122、222：压电膜

13、23：阀片层

131、231：进气阀

132、232：排气阀

2321：凸部结构

133a、133b：空隙

14、24：传感器

151、251：第一控制电路

152、252：第二控制电路

161、261：第一防护膜

162、262：第二防护膜

A、A’：压缩腔室。

Claims (19)

1.一种致动传感模块，其特征在于，包含：

一第一基板，包含一进气通道、一排气通道、一进气口与一排气口，该进气通道与该排气通道分别透过该进气口与该排气口连通至该第一基板之外部；

一第二基板，开设一贯穿槽；

一阀片层，包含一进气阀与一排气阀，该阀片层设置于该第一基板及该第二基板之间，且该进气阀及该排气阀分别封闭隔绝该进气通道及该排气通道；

一致动装置，设置于该第二基板并封闭该贯穿槽，以在该阀片层与该第二基板的该贯穿槽之间形成一压缩腔室，其中该进气口、该进气通道、该压缩腔室、该排气通道及该排气口相互连通而形成一气流回路；以及

一传感器，设置于该气流回路中的任一位置；

透过驱动该致动装置，使该阀片层的该进气阀向上振动开启，以将外界的一气体经由该进气口导入该进气通道内，并使该气体流经该阀片层进入该压缩腔室，再透过该致动装置压缩该压缩腔室，使该阀片层的该排气阀向下振动开启，使该气体由该压缩腔室流经该阀片层进入该排气通道，并由该排气口排出，以供设置于该气流回路中的该传感器对循环流通的该气体进行监测。

2.如权利要求1所述的致动传感模块，其特征在于，该传感器对应该进气口设置于该进气通道中。

3.如权利要求1所述的致动传感模块，其特征在于，该传感器对应该排气口设置于该排气通道中。

4.如权利要求1所述的致动传感模块，其特征在于，该传感器透过半导体制程设置于该第一基板与该第二基板中的一者。

5.如权利要求1所述的致动传感模块，其特征在于，该第一基板透过半导体制程成型出该进气通道与该排气通道，且该第二基板透过半导体制程成型出该贯穿槽。

6.如权利要求1所述的致动传感模块，其特征在于，该第一基板透过半导体制程制出一第一控制电路，该第二基板透过半导体制程制出一第二控制电路，该第一控制电路电性连接该传感器以接收该传感器所产生的感测数据并加以运算处理，而该第二控制电路则电性连接该致动装置以提供该致动装置驱动电源。

7.如权利要求1所述的致动传感模块，其特征在于，该进气阀及该排气阀分别为一可启闭式阀门开关结构。

8.如权利要求1所述的致动传感模块，其特征在于，该阀片层为一弹性膜状阀。

9.如权利要求8所述的致动传感模块，其特征在于，该阀片层更包含多个空隙，该多个空隙设置于该进气阀及该排气阀的周缘，以供该气体流通。

10.如权利要求9所述的致动传感模块，其特征在于，该第一基板对应该进气阀处以及该第二基板对应该排气阀处，更分别具有一凸部结构，以产生一预力顶触该进气阀与该排气阀，借以防止该气体逆流。

11.如权利要求8所述的致动传感模块，其特征在于，该排气阀与该进气阀中的一者，更具有一凸部结构，以产生一预力顶触该排气阀与该进气阀中的一者的一阀门，借以防止该气体逆流。

12.如权利要求1所述的致动传感模块，其特征在于，该传感器包含一氧气传感器、一一氧化碳传感器、一二氧化碳传感器、一温度传感器、一臭氧传感器及一挥发性有机物传感器的至少其中之一或其组合。

13.如权利要求1所述的致动传感模块，其特征在于，该致动装置为一微机电系统气体泵，且为一体成型结构，其包含：

一致动膜，为面型微加工技术制成的平面结构，且为一金属材料薄膜或一多晶硅薄膜所构成；以及

一压电膜，为一以溶胶凝胶法制成的金属氧化物薄膜，并贴附于该致动膜的一表面；

当该压电膜驱动该致动膜向上振动时，该压缩腔室产生压力梯度以使该气体由该进气通道流入；当该压电膜驱动该致动膜向下振动时，该压缩腔室受到压缩以使该气体流出至该排气通道中。

14.如权利要求1所述的致动传感模块，其特征在于，该致动传感模块更包含一第一防护膜及一第二防护膜，该第一防护膜封闭设置于该进气口，该第二防护膜封闭设置于该排气口，且该第一防护膜及该第二防护膜均为防水、防尘且可供气体穿透的膜状结构。

15.如权利要求14所述的致动传感模块，其特征在于，该第一防护膜及该第二防护膜的防护等级为国际防护等级认证IP64的等级。

16.如权利要求14所述的致动传感模块，其特征在于，该第一防护膜及该第二防护膜的防护等级为国际防护等级认证IP65的等级。

17.如权利要求14所述的致动传感模块，其特征在于，该第一防护膜及该第二防护膜的防护等级为国际防护等级认证IP66的等级。

18.如权利要求14所述的致动传感模块，其特征在于，该第一防护膜及该第二防护膜的防护等级为国际防护等级认证IP67的等级。

19.如权利要求14所述的致动传感模块，其特征在于，该第一防护膜及该第二防护膜的防护等级为国际防护等级认证IP68的等级。

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