TW201502508A - 用於周遭空氣監測和主動控制及回應的即時現場氣體分析網絡 - Google Patents

用於周遭空氣監測和主動控制及回應的即時現場氣體分析網絡 Download PDF

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Abstract

本文揭示包含複數個位於相關區域內之多氣體分析器件之裝置的實施例，每一多氣體分析器件能夠檢測一或多種氣體之存在、濃度或二者。資料及控制中心以通信方式耦合至該複數個多氣體分析器件中之每一者，該資料及控制系統包括在執行時允許該資料及控制中心監測來自該複數個多氣體分析器件之讀數之邏輯，且若任何讀數指示存在一或多種污染物，則基於來自該複數個多氣體分析器件之該等讀數鑑別該等污染物之來源。

Description

用於周遭空氣監測和主動控制及回應的即時現場氣體分析網絡 相關申請案之交叉參考
本發明申請案主張35 U.S.C.§ 119(e)下於2013年2月28日提出申請且仍待決之美國臨時申請案第61/770,978號之優先權。優先權臨時申請案之內容以全文引用方式併入本文中。
本發明概言之係關於氣體分析網絡且具體而言(但不排他地)用於周遭空氣監測及主動控制及回應的即時現場氣體分析網絡。
圖1A-1B圖解說明即時氣體分析之裝置及方法的實施例。圖1A顯示使用多重氣相層析/質譜(GC/MS)系統之方法。習用GC/MS系統不可現場安裝用於直接氣體分析，此意指使用特別氣體取樣管以在所關注區(例如區1-4)處提供空氣入口。每一氣體取樣管將自其各別區取樣之氣體攜帶至保留於中心實驗室中之相應GC/MS系統。儘管GC/MS系統可提供優異檢測敏感性及對多氣體分析之專一性，但該設置維持起來可相當昂貴。
圖1B圖解說明可用於降低成本之替代方法。在特定區(例如區1-4)中使用簡單可攜式單一氣體檢測器進行直接氣體檢測。隨後採集所檢測氣體濃縮物並儲存於資料中心處。在一些實施例中，單一氣體檢 測器不能單獨檢測多種氣體，且亦可能一直遭受場中其他氣體之交叉干擾影響。該等及其他特性使得所闡釋配置不適於獲得主動周遭空氣監測及控制之可靠氣體濃度資訊。
130‧‧‧導電跡線
200‧‧‧環境監測及控制系統
202‧‧‧封閉設施
204‧‧‧第一地板
206‧‧‧第二地板
208‧‧‧通風孔
210‧‧‧製程設施
212‧‧‧製程設施
252‧‧‧取樣管
254‧‧‧吸收劑捕集器
300‧‧‧室外監測及控制系統
302‧‧‧所關注區
350‧‧‧環境監測及控制系統
352‧‧‧取樣管
354‧‧‧吸收劑捕集器
500‧‧‧小型多氣體分析器件
501‧‧‧流體處置總成
502‧‧‧基板
504‧‧‧過濾器與閥總成
506‧‧‧預濃縮器
508‧‧‧氣相層析儀
510‧‧‧檢測器陣列
512‧‧‧幫浦
513‧‧‧罩或蓋
514‧‧‧進口
516‧‧‧流體連接
518‧‧‧流體連接
520‧‧‧流體連接
522‧‧‧流體連接
524‧‧‧出口
526‧‧‧控制器
528‧‧‧讀出與分析電路
600‧‧‧多氣體分析系統或檢測器
604‧‧‧無線收發器電路
606‧‧‧天線
608‧‧‧電腦
650‧‧‧多氣體分析器件
654‧‧‧硬體資料介面
700‧‧‧多氣體分析器件
702‧‧‧文本顯示器
800‧‧‧多氣體分析器件
A1‧‧‧風速計
A2‧‧‧風速計
A3‧‧‧風速計
A4‧‧‧風速計
A5‧‧‧風速計
A6‧‧‧風速計
F1‧‧‧過濾器
F2‧‧‧過濾器
F3‧‧‧過濾器
F4‧‧‧過濾器
F5‧‧‧過濾器
F6‧‧‧過濾器
參照以下圖描述本發明之非限制性及非窮舉性實施例，其中除非另有說明，否則貫穿各個視圖，相同參考編號指代相同部件。
圖1A-1B係氣體監測系統之實施例之示意圖。
圖2A-2C係室內氣體監測及控制系統之實施例之示意圖。
圖3A-3B係室外氣體監測及控制系統之實施例之示意圖。
圖4係設定及操作室內或室外氣體監測及控制系統之製程之實施例的流程圖。
圖5A-5B係可用於圖2-3之室內及室外氣體監測及控制系統中之多氣體分析系統之實施例的側視圖及平面圖示意圖。
圖6A-6B係可用於圖2-3之室內及室外氣體監測及控制系統中之多氣體分析系統之其他實施例的平面圖示意圖。
圖7-8係可用於圖2-3之室內及室外氣體監測及控制系統中之多氣體分析系統之其他實施例的圖示意圖。
描述用於周遭空氣監測及主動控制及回應之即時現場氣體分析網絡的裝置、系統及方法之實施例。描述特定細節以提供對實施例之透徹理解，但彼等熟習此項技術者將認識到，可在無所述特定細節中的一或多者之情況下或利用其他方法、組件、材料等實踐本發明。在一些情況下，未詳細展示或描述眾所周知之結構、材料或操作，但其仍涵蓋於本發明之範疇內。
貫穿本說明書提及「一個實施例」或「實施例」意指所描述特徵、結構或特性可包括於至少一個所述實施例中，以使出現之「在一 個實施例中」或「在實施例中」並不必均指相同實施例。此外，特定特徵、結構或特性可以任一適合方式組合於一個或多個實施例中。
下文揭示藉由組合使用現場多氣體分析器件之網絡與可選風速計即時監測及控制周遭空氣品質的實施例。該等實施例可適於各種室內或室外環境設置。在半導體設施中，例如，該等實施例可用於確保淨室空氣不含空氣性分子污染(AMC)，隨著半導體處理技術達到低於40nm節點，此變得至關重要，此乃因AMC會影響器件產率。在鋼製造設施中，該等實施例可用於監測焦爐氣體副產物洩漏及製程最佳化。在石油化學設施中，該等實施例可用於鑑別洩漏氣體並定位洩漏之來源，其可提供即刻警報及緊急回應行動。
圖2A圖解說明用於室內應用(例如半導體製作設施、公共建築物等)之環境監測及控制系統200的實施例。多氣體分析器件及風速計之系統位於各個室內位置以形成即時氣體分析網絡以監測氣體濃度及空氣流速或風速及其方向。氣體分析器件及風速計(若存在)連接至控制器/服務器/資訊中心用於即時資料通信及控制。
在系統200中，一或多個多氣體分析器件(亦稱作多氣體檢測器或MGD)安裝於封閉設施202(例如建築物)內之位置處，以檢測所關注用於建築物之特定應用之氣體。儘管本文中描述為建築物，但在其他實施例中，設施202可為建築物之亞組(例如建築物內之室或封閉空間)，且在又一些實施例中，可包括多個建築物。建築物202可具有多個地板(例如第一地板204及第二地板206)，且每一地板可具有一些種類之製程設備或製程設施：在所闡釋實施例中，第一地板204具有製程設施210且第二地板206具有製程設施212。在其他實施例中，當然，可存在比所展示多或少之地板，每一地板無需包括製程設施，每一地板可具有比所展示多或少之製程設施，且製程設施之定位可與所展示不同。
在所闡釋實施例中，MGD位於建築物之不同地板上，其中MGD 1-3位於第一地板204上且MGD 4-5位於第二地板206上。在MGD定位之每一地板上，MGD可垂直位於自地板至天花板之任何位置，且給定地板上之所有MGD皆可具有(但無需具有)相同垂直定位。MGD(例如MGD6)可位於建築物202之外部上，例如在通風孔208附近。若內部中之MGD(MGD1-MGD5)檢測設施內部之污染，則外部MGD6可有助於評定任何污染物係逸出或進入設施。
多氣體檢測器MGD1-MGD6能夠檢測有機或非有機氣體化合物、以及用於現場監測之所關注氣體之組合(有機或非有機氣體化合物)。在一個實施例中，MGD中之一或多者可為利用微-預濃縮器(微-PC)、微-氣相層析(微-GC)及用於多氣體檢測之檢測器陣列之組合之小型化氣體分析系統如下文結合圖5A-8所述。
建築物202中可視情況安裝一或多個風速計以獲得關於建築物內之空氣流速、速度及方向以及空氣之其他特性(例如溫度、濕度及壓力)之資訊。在所闡釋實施例中，每一MGD與風速計配對且MGD與風速計之間存在一對一對應(亦即，每一MGD具有相應風速計)。舉例而言，MGD1與風速計A1配對，MGD2與風速計A2配對，等等。但在系統200之其他實施例中，多氣體檢測器與風速計之間之對應可為多對一，而非一對一。多對一對應可存在兩種方式：在一些實施例中，每一多氣體檢測器可與複數個風速計配對，但在其他實施例中，每一風速計可與複數個多氣體檢測器配對。
在所闡釋實施例中，每一MGD具有附近風速計，以使每一風速計量測緊靠其相應MGD附近之空氣速度、方向等。但在其他實施例中，此無需為以下情形：風速計(若存在)可遠離MGD定位，以使其在除緊靠MGD附近外之建築物中之位置處量測速度、方向等。
多氣體檢測器MGD1-MGD6及風速計A1-A6(若存在)經由有線或 無線通信以通信方式耦合至資料/控制中心。所有MGD及風速計(若存在)無需以相同方式以通信方式耦合至資料/控制中心；一些可藉由線以通信方式耦合，其他無線耦合。藉由將MGD及風速計以通信方式耦合至資料中心，儀器可提供具有即時資料及更新之資料及控制中心。
資料及控制中心中之一或多個服務器採集並分析MGD及風速計之讀數以測定設施內之不同位置處之即時現場氣體濃度。資料及控制中心可提供資訊分析、資料儲存及相應終端系統回饋及控制。控制中心分析MGD之氣體濃度資料以及空氣流速、風速等及周圍障礙物(或形貌)並衍生整個所關注區域之即時氣體濃度分佈地圖。資料中心可測定存在污染物之異常增加或氣體洩漏且可觸發即刻警報且進一步鑑別(例如)可能引起空氣品質變化之特定機器或管之位置。
除以通信方式耦合至MGD及風速計(若存在)外，資料及控制中心亦可藉由有線或無線連接以通信方式耦合至建築物202內之製程設施210及212或製程設施內之特定組件。另外，資料及控制中心可以通信方式耦合至建築物之通風系統，且耦合至緊急回應組。
若以通信方式耦合至建築物202內之製程設施210及212或製程設施內之元件，則資料及控制系統可測定發生氣體洩漏之製程設施或機器且關閉系統以減少或停止洩漏。舉例而言，控制中心可連接且可將經測定不合格之設施或系統遠程調節回其最佳情況以產生最佳製程產率。若連接至通風系統，則資料及控制中心可控制通風系統或通風系統內之特定元件(例如幫浦、排風扇、個別通風孔、管封閉等)以立刻降低污染物濃度並防止任何由於污染物氣體增加可發生之災變事件或後果。
若連接至緊急回應系統，則在檢測污染物後，資料及控制中心可提供即刻警報及相應行動。資料及控制中心隨後可通知回應組且將 其引導至污染來源之位點。回應組可派遣人員至異常氣體爆發之位點以進一步測試並確認，隨後可將該測試及確認返回至控制中心用於閉合環路資料分析驗證及改良。
圖2B圖解說明室內應用之環境監測及控制系統225的另一實施例。系統225在大多數方面與系統200之特徵及功能類似。系統225與200之間之主要差異在於在系統225中，每一MGD位於不同空氣過濾器之輸出處或其附近，該等過濾器用於過濾自外部建築物進入之空氣或離開建築物之輸出空氣。在一個實施例中，過濾器係建築物202之空氣品質/通風系統的部件，但在其他實施例中，過濾器可為另一系統之部件，不管是否與建築物有關。在系統225中，每一過濾器位於MGD上方，但在其他實施例中，過濾器無需位於上方，而是可位於MGD下方或側方。MGD(例如MGD6)可位於建築物202之外部上，例如穿過通風孔208在靠近離開建築物的地方。過濾器F6可位於通風孔208上方以過濾離開建築物202之空氣，且MGD6可幫助評定是否有任何污染物逸出設施且因此過濾器F6是否需要更換。MGD(例如MGD5)可位於建築物202內部，例如穿過通風控制之空氣入口在進入建築物附近。過濾器F5可經定位以過濾進入建築物202之外部空氣之污染物，且MGD5可有助於評定任何污染物是否進入設施且因此過濾器F5是否需要更換。
在所闡釋實施例中，每一MGD耦合至相應空氣過濾器，此意指MGD與過濾器之間存在一對一對應：MGD1耦合至過濾器F1，MGD2耦合至過濾器F2，等等。但在其他實施例中，對應可為多對一而非一對一：每個過濾器可存在一個以上MGD，或每個MGD存在一個以上過濾器。如在系統200中，在系統225中，MGD可視情況與風速計配對，如所示一對一對應或MGD與風速計或風速計與MGD多對一對應。
在系統225中，每一MGD可監測穿過相應過濾器之空氣之輸出品質。在污染物(例如，揮發性有機化合物或VOC)之濃度超出任一MGD上之臨限值時，至少一者能夠測定不再令人滿意地過濾且需要更換之特定過濾器。此方法將大大降低不需要之過濾器更換且因此最小化更換成本。
圖2C圖解說明室內應用之環境監測及控制系統250的另一實施例。系統250在大多數方面與系統200之特徵及功能類似。系統250與200之間之主要差異在於在系統250中，每一MGD包括多個延伸至MGD之個別區之不同位置之取樣管。例如，MGD 4包括複數個取樣管252，其一端耦合至MGD4且其另一端、即穿過其汲取空氣之取樣端延伸遠離MGD4。在系統250之所闡釋實施例中，每一MGD耦合至6個取樣管，但在其他實施例中，每一MGD可耦合至更多或更少取樣管，且每一MGD無需具有相同數目之取樣管。
每一取樣管252亦可包括VOC或氣體取樣器，例如吸收劑捕集器254，其藉由使空氣流動穿過取樣管採集氣體試樣。此方法允許於具有較高空間覆蓋密度之更特定位置處對空氣取樣。試樣採集及分析可為多種方式。在MGD4中，每一取樣管252包括吸收劑捕集器，但在其他實施例中，並非所有皆可包括吸收劑捕集器，或管根本不可包括吸收劑捕集器。此外，每一MGD無需包括吸收劑捕集器，且若MGD包括吸收劑捕集器，則無需包括與其他MGD相同數目之吸收劑捕集器。
對於無吸收劑捕集器254之實施例而言，可藉由自所有管同時採集空氣進行空氣取樣且藉由MGD對其進行分析，該MGD將提供由一個MGD覆蓋之區域之整體污染物濃度。在另一方式中，對於每一取樣管，空氣取樣及分析可串聯進行(例如，對1號管取樣且分析以測定1號取樣管位置處之污染物濃度，且對其他取樣管進行重複)，此將提 供每一特定位置處之更詳細污染物濃度。對於具有吸收劑捕集器254之實施例而言，空氣取樣可與藉由每一吸收劑捕集器單獨收集污染物同時進行。隨後可使每一吸收劑捕集器中之污染物解吸至用於分析之MGD依序用於單獨分析。
圖3A圖解說明室外監測及控制系統300之實施例，該系統可用於諸如石油化學工廠及鋼焦爐等應用。系統300在大多數方面與系統200之特徵及功能類似：多氣體分析器件及風速計位於不同位置處以形成即時氣體分析網絡以監測氣體濃度及空氣流速或風速及其方向。氣體分析器件及/或風速計連接至控制器/服務器/資訊中心用於即時資料通信及控制。
在系統300中，一或多個多氣體分析器件(亦稱作多氣體檢測器或MGD)安裝於圍繞室外設施(例如石油化學工廠)之所關注區302內之位置處。製程設施1-5位於所關注區302內。在其他實施例中，當然，可存在比所展示多或少之製程設施，且製程設施之定位與所展示可不同。
在所闡釋實施例中，MGD位於相關區域或所關注區302內之製程設施附近，MGD 1-5在製程設施1-5附近。只要其定位，MGD可垂直位於自地板至製程設施上方之一定高度之任何位置，且給定區302中之之所有MGD皆可具有(但無需具有)相同垂直定位。MGD(例如MGD6)可位於所關注區302外部。若所關注區302內部之MGD(MGD1-MGD5)檢測所關注區內部之污染，則外部MGD6可有助於評定任何污染物自所關注區移出。系統300中所用之MGD可具有與系統200中所用之MGD相同之特性及能力。
相關區域302中可視情況安裝一或多個風速計以獲得關於區域內之空氣流速、速度及方向以及空氣之其他特性(例如溫度、濕度及壓力)之資訊。在所闡釋實施例中，每一MGD與風速計配對且MGD與風 速計之間存在一對一對應(亦即，每一MGD具有相應風速計)。舉例而言，MGD1與風速計A1配對，MGD2與風速計A2配對，等等。但在系統200之其他實施例中，多氣體檢測器與風速計之間之對應可為多對一，而非一對一。多對一對應可存在兩種方式：在一些實施例中，每一MGD可與複數個風速計配對，但在其他實施例中，每一風速計可與複數個MGD配對。
在所闡釋實施例中，每一MGD具有附近風速計，以使每一風速計量測緊靠其相應MGD附近之空氣速度、方向等。但在其他實施例中，此無需為以下情形：風速計(若存在)可遠離MGD定位，以使其在除緊靠MGD附近外之位置處量測速度、方向等。
多氣體檢測器MGD1-MGD6及風速計A1-A6(若存在)經由有線或無線通信以通信方式耦合至資料/控制中心。所有MGD及風速計(若存在)無需以相同方式以通信方式耦合至資料/控制中心；一些可藉由線以通信方式耦合，其他無線耦合。藉由將MGD及風速計以通信方式耦合至資料中心，儀器可提供具有即時資料及更新之資料及控制中心。
如在系統200中，資料及控制中心中之一或多個服務器採集並分析MGD及風速計之讀數以測定所關注區內之不同位置處之即時現場氣體濃度且提供資訊分析、資料儲存及相應終端系統回饋及控制。控制中心分析網絡中之分佈器件之氣體濃度資料以及空氣流速或風速及周圍障礙物(或形貌)並衍生整個所關注區域之即時氣體濃度分佈地圖。資料中心可測定存在污染物之異常增加或氣體洩漏且可觸發即刻警報且進一步鑑別(例如)可能引起空氣品質變化之機器或管之位置。控制中心可測定周遭空氣品質且亦鑑別氣體洩漏之位置及其是否在所關心區域內，此又防止假警報。
除以通信方式耦合至MGD及風速計(若存在)外，資料及控制中心 亦可藉由有線或無線連接以通信方式耦合至區域302內之製程設施1-5，且可另外以通信方式耦合至緊急回應組。如在系統200中，在系統300中，控制中心亦可以通信方式耦合至建築物202內之製程設施210及212或製程設施內之元件(自其發生氣體洩漏)且關閉系統以減少或停止洩漏。舉例而言，控制中心可連接且可將經測定不合格之設施或系統(遠程)調節回其最佳情況以產生最佳製程產率。
控制中心可與緊急回應系統連接且提供即刻警報及相應行動。資料及控制中心隨後可通知回應組且將其引導至污染來源之位點。相應行動組可派遣人員至異常氣體爆發之位點以進一步測試並確認，隨後可將該測試及確認返回至控制中心用於閉合環路資料分析驗證及改良。
利用製造工廠之不同位置或所關注位置處之即時現場氣體濃度，資料中心可基於風資訊及建築物/障礙物或周圍形貌連續測定同步氣體分佈且測定是否存在特定氣體之任何異常增加或危險氣體洩漏。對於特定氣體之異常增加(其可對應於製造效率降低，如藉由資料中心所鑒定)，控制中心可直接控制特定設施操作以確保系統回復最佳情況。對於特定氣體之異常增加(其可對應於危險氣體洩漏)，控制中心可基於氣體濃度分佈資料地圖鑑別氣體洩漏之位置或來源且隨後提供必需警報且將回應組引導至問題位點。
圖3B圖解說明室外應用之環境監測及控制系統350的另一實施例。系統350在大多數方面與系統300之特徵及功能類似。系統350與300之間之主要差異在於在系統350中，每一MGD包括多個取樣管，其可延伸至與MGD相關聯之製程設施中或其附近。例如，MGD2包括複數個取樣管352，其一端耦合至MGD2且其另一端、即穿過其汲取空氣之取樣端延伸至製程設施2中或其附近。在系統350之所闡釋實施例中，MGD2耦合至3個取樣管，但每一MGD可耦合至更多或更少取 樣管，且系統350中之每一MGD無需具有相同數目之取樣管。
每一取樣管352亦可包括VOC取樣器，例如吸收劑捕集器354，藉由取樣管採集之空氣可穿過其流動。此方法允許於具有較高空間覆蓋密度之更特定位置處對空氣取樣。試樣採集及分析可為多種方式。在MGD4中，每一取樣管352包括吸收劑捕集器，但在其他實施例中，並非所有皆可包括吸收劑捕集器，或管根本不可包括吸收劑捕集器。此外，每一MGD無需包括吸收劑捕集器，且若MGD包括吸收劑捕集器，則無需包括與其他MGD相同數目之吸收劑捕集器。
對於無吸收劑捕集器354之實施例而言，可藉由自所有管同時採集空氣進行空氣取樣且利用MGD對其進行分析；此將提供由一個MGD覆蓋之區域之整體污染物濃度。在另一方式中，對於每一取樣管，空氣取樣及分析可串聯進行(例如，對1號管取樣且分析以測定1號取樣管位置處之污染物濃度，且對其他取樣管進行重複)，此將提供每一特定位置處之更詳細污染物濃度。對於具有吸收劑捕集器354之實施例而言，空氣取樣可與藉由每一吸收劑捕集器單獨收集污染物同時進行。隨後可使每一吸收劑捕集器中之污染物解吸至MGD用於單獨分析之依序分析。
圖4圖解說明用於設定並操作氣體分析系統(例如系統200及300)之製程400之實施例。該設置可適於靶向周遭空氣監測及控制以達成最佳製造效率及產率輸出以及過量廢副產物耗盡或毒性氣體洩漏警報之以下工業(但不限於彼等工業)：半導體製造工廠、顯示器製造、PCB工廠、鋼焦爐工廠及石油化學工廠。
該製程始於方塊402處開始。於方塊404處，鑑別所關注區，不管室內或室外。於方塊406處，該製程實施可能氣體污染物或所關注氣體上之所關注區域之空間及地理分佈資訊以及所關注區內之障礙及其他目標上之形貌資訊的分析。
於方塊408處，基於於方塊406處實施之分析，該製程對最佳多氣體檢測器檢測規範、器件之數目及氣體感測網絡之放置位置及構築作出決定。於方塊410(其係可選的，如由虛線輪廓指示)處，該製程使用於方塊406處實施之分析以決定相關區域內之風速計之數目及放置。
監測系統之操作於方塊412處開始，於控制中心處自動即時監測資料採集及儲存。於方塊414處，實施關於來自每一器件之氣體監測資料之可靠性之自動資料分析以確保無由於器件或資料通信故障之假資料。於方塊416處，該製程基於氣體資料(與空氣流速、風速、方向等及區域形貌(若使用風速計)組合)之分析搜索異常氣體濃度量之來源位置。於方塊418處，該製程測定來源位置是否具有超過臨限值之氣體濃度，且於方塊420處，使用自所有MGD及風速計(若存在)可得之資料以鑒定污染來源。於方塊422處，該製程採取行動，例如控制室內應用之通風系統及/或製程設施、控制室外應用之製程設施，且為相應方提供必需警報用於室內或室外應用中之必需行動。對於存在氣體洩漏系統之多個可能來源及在同一位置無個別氣體器件用以區分氣體洩漏現場的情況，可派遣人員利用可攜式氣體檢測器對每一系統實施現場測試以確認實際有問題的系統。
圖5A-B示意性圖解說明可在上述環境檢測及控制系統中實施之多氣體檢測及分析器件之實施例。所闡釋多氣體分析器件(稱作MiTAP)之商業實施例係由TricornTech Taiwan & Tri-cornTech公司，San Jose,California研發。MiTAP可為資料分析提供更常見氣體濃度分佈，此又給予控制中心於相應場位點處之周遭空氣情況之更快更新。因此，對於一致有力製造產率，可達成空氣品質之更精確主動控制，此在製造製程(例如半導體生產)中極端重要。同時，對於毒性氣體洩漏監測，倘若氣體洩漏，MiTAP可提供更快更新/警報，此可對 於防止於製造位點處威脅生命之系統失效至關重要。
如下文進一步描述，MiTAP利用微-預濃縮(微-PC)、微-氣相層析(微-GC)及檢測器陣列(DA)技術用於直接空氣取樣及氣體分析，如(例如)美國專利公開案第2009/0308136號、第2011/0005300號、第2011/0023581號、第2011/0259081號及第2012/0090378號中所述，該等案件之全文皆以引用方式併入本文中。可攜式且獨立之器件無需昂貴實驗室氣體供應及管道輸送設置，但與習用GC/MS系統不同，其可現場安裝且能夠以類似於實驗室中之GC/MS系統之性能實施直接氣體取樣用於多氣體分析。器件具有在每一15-min測試中分離並檢測50種以上揮發性有機化合物(VOC)(但不限於VOC)之能力，與用於氣體分析之習用GC/MS系統方法相比，其可提供用於更快主動控制及回應之遠更多即時資料點。
圖5A-5B一起圖解說明小型多氣體分析器件500之實施例。MGD 500包括基板502，其上安裝流體處置總成501、耦合至流體處置總成501內之個別元件之控制器526及耦合至檢測器陣列510及控制器526之讀取與分析電路528。圖中所示之實施例圖解說明基板502上之該等元件之一個可能配置，但在其他實施例中，該等元件當然可不同地配置於該基板上。
基板502可為任何種類之基板，其為器件500之元件提供所需實體支撐及通信連接，例如具有導電跡線之單層或多層印刷電路板(PCB)或由矽或一些其他半導體製得之晶片或晶圓。在另外其他實施例中，基板502亦可係其中可形成光學波導以支援器件500之組件之間的光學通信之晶片或晶圓。
流體處置總成501包括過濾器與閥總成504、預濃縮器506、氣相層析儀508、檢測器陣列510及幫浦512。元件504-512係流體串聯耦合：過濾器與閥總成504藉由流體連接516而流體耦合至預濃縮器 506，預濃縮器506藉由流體連接518而流體耦合至氣相層析儀508，氣相層析儀508藉由流體連接520而流體耦合至檢測器陣列510，且檢測器陣列510藉由流體連接522而耦合至幫浦512。在器件500之一個實施例中，元件504-512可係微機電(MEMS)元件或基於MEMS之元件，意指每一器件之一些部件可係MEMS而其他部件非係MEMS。在器件500之其他實施例中，元件504-512中的一些或所有元件無需為MEMS或基於MEMS，而可替代地為某一非MEMS晶片級器件。
如圖中之箭頭所指示，元件504-512之間的流體連接允許流體(例如，一或多種氣體)穿過進口514進入過濾器與閥總成504、流動穿過元件504-512且最後穿過出口524離開幫浦512。流體處置總成501亦包括保護個別元件504-512之罩或蓋513。在所闡釋實施例中，形成於罩513中之通道提供該等元件之間的流體連接，但在其他實施例中，元件之間的流體連接可藉由其他手段(諸如，鋪設管道)來提供。在又一些實施例中，可省略罩513。
控制器526以通信方式耦合至流體處置總成501內之個別元件以使得其可發送控制信號及/或自該等個別元件接收回饋信號。在一個實施例中，控制器526可係經設計而專門用於該工作之專用積體電路(ASIC)(例如，CMOS控制器)，其包括處理、揮發性及/或非揮發性儲存器件、記憶體及通信電路以及用以控制各種電路且與流體處置總成501之該等元件外部通信之相關聯之邏輯。然而，在其他實施例中，控制器526可替代地係其中在軟體中實施該等控制功能之通用微處理器。在所闡釋實施例中，控制器526藉由基板502之表面上或其內部中之導電跡線130電耦合至流體處置總成501內之該等個別元件，但在其他實施例中，控制器526可藉由其他手段(諸如，光學)耦合至該等元件。
讀出與分析電路528耦合至檢測器陣列510之輸出以使得其可自 檢測器陣列510內之個別感測器接收資料信號且處理並分析此等資料信號。在一個實施例中，讀出與分析電路528可係經指定而專門用於該工作之專用積體電路(ASIC)(例如，CMOS控制器)，其包括處理、揮發性及/或非揮發性儲存器件、記憶體及通信電路以及用以控制各種電路且與外部通信之相關聯之邏輯。然而，在其他實施例中，讀出與分析電路528可替代地係其中在軟體中實施該等控制功能之通用微處理器。在某些實施例中，讀出與分析電路528亦可包括信號調節及處理元件(例如，放大器、過濾器、類比至數位轉換器等)以用於由讀出與分析電路528預處理自檢測器陣列510接收之資料信號及對自所接收資料產生或得出之資料進行後處理兩者。
在器件500之操作中，首先對系統通電且將任一所需邏輯(亦即，軟體指令)載入至控制器526及讀出與分析電路528中且將其初始化。在初始化之後，打開過濾器與閥單元504中之閥且設定幫浦512以允許流動穿過該流體處置總成。然後，流體穿過進口514以某一流動速率及/或在某一時間量內輸入至流體處置總成501；所需之時間量通常將由預濃縮器506產生其存在及/或濃度正被測定之特定化學品之足夠濃度所需之時間來測定。當流體經由入口514輸入至系統時，其由過濾器與閥總成504過濾且藉助流體處置總成501內的元件504-512之間的流體連接而流過該等元件。在流過元件504-512之後，流體經由排放口524離開流體處置總成。
在已穿過進口514輸入所需量之流體之後，關閉過濾器與閥總成504中之閥以防止進一步輸入流體。在關閉閥之後，預濃縮器506中之加熱器啟動以加熱預濃縮器。該熱釋放由該預濃縮器吸收且濃縮之化學品。當自預濃縮器506釋放化學品時，啟動幫浦512以穿過氣相層析儀508及檢測器陣列510汲取所釋放之化學品且穿過排放口524該等化學品。幫浦512之啟動亦防止穿過流體處置總成501之回流。
當藉由幫浦512穿過氣相層析儀508汲取自預濃縮器506釋放之化學品時，該層析儀在時域上將不同化學品彼此分離-亦即，在不同時間自氣相層析儀輸出不同化學品。當不同化學品在時間上分離地離開氣相層析儀508時，每一化學品皆進入檢測陣列510，其中該檢測陣列中之感測器檢測每一化學品之存在及/或濃度。氣相層析儀508中實施之時域分離實質上增強檢測陣列510之精確性及靈敏性，此乃因其防止眾多化學品同時進入該檢測陣列且因此防止該陣列內之該等感測器中之交叉污染及潛在干擾。
當檢測陣列510內之個別感測器與進入之經時域分離之化學品相互作用時，檢測陣列感測相互作用且將信號輸出至讀出與分析電路528，讀出與分析電路528然後可使用該信號來測定化學品之存在及/或濃度。當讀出與分析電路528已測定所關心之所有化學品之存在及/或濃度時，其可使用各種分析技術(諸如，相關性及型樣匹配)自存在之化學品及其之濃度之特定組合得出某一意義。
圖6A圖解說明多氣體分析系統或檢測器600之實施例。MGD 600在大多數方面類似於器件500。器件600與器件500之間之主要差異係在器件600中存在安裝於基板602上之無線收發器電路604及天線606。無線收發器電路604既可傳輸(Tx)資料亦可接收(Rx)資料並耦合至讀取與分析電路528及天線606。在MGD 600之一個實施例中，收發器604可用於將資料自讀取與分析電路528無線傳輸至電腦608，該電腦可位於系統200或300之資料及控制中心中且可實施資料中心之前述功能。
圖6B圖解說明多氣體分析器件650之替代實施例。MGD 650在大多數方面類似於MGD 600。MGD 650與600之間之主要差異係無線收發器電路604及天線606用耦合至讀取與分析電路528之硬體資料介面654進行替換。在一個實施例中，硬體資料介面654可係網路介面卡， 但在其他實施例中，硬體資料介面可係乙太網路卡、簡單電纜插頭等。外部器件可經由諸如電纜等傳統手段連接至裝置650。儘管其具有不同通信介面，但MGD 650及600具有相同功能。至於系統500，在系統600中，基於MEMS之氣體分析器件602可傳輸資料至電腦608之一者或二者並自其接收資料，該電腦可位於系統200或300之資料及控制中心且可實施資料中心之前述功能。
圖7圖解說明多氣體分析器件700之替代實施例。MGD 700在大多數方面類似於器件500。MGD 700與器件500之間之主要差異係MGD 700包括板上顯示器702，其用於向用戶傳送藉由讀取與分析電路528實施之分析結果。所闡釋實施例使用板上文本顯示器702，例如可向用戶傳送文本資訊之LED或LCD螢幕。在另一實施例中，可使用更簡單之顯示器，例如具有三個燈者，該等燈端視哪個燈接通而指示陽性、陰性或不判定之結果。舉例而言，若回應污染物之檢測，則必須派遣檢查組進行研究，器件可為檢查者提供資訊。
圖8圖解說明多氣體分析器件800之替代實施例。MGD 800在大多數方面類似於MGD 500。器件800與器件500之間的主要差異係在器件800中流體處置總成501之一或多個元件係可替換的。在所闡釋實施例中，使該等元件可藉由使用以下插座將其等安裝至基板502上來替換：過濾器與閥總成504藉由插座804安裝至基板502、預濃縮器藉由插座804安裝至基板502、氣相層析儀508藉由插座808安裝至基板502、檢測器陣列510藉由插座810安裝至基板502且幫浦512藉由插座812安裝至基板502。在一個實施例中，插座804-812係准許由用戶容易地替換之插座(例如，零插力(ZIF)插座)，但在其他實施例中，可使用其他類型之插座。儘管所闡釋實施例展示流體處置總成501之所有組件係可替換的，但在其他實施例中，可僅使該等組件中之一些組件(例如，幫浦512及檢測器陣列510)係可替換的。具有可替換流體處置 元件之益處在於MGD若受到破壞則可容易修復或可容易經轉化以檢測不同氣體或氣體之組合而無需替換整個MGD。
包括發明摘要中所描述內容之對本發明所闡釋實施例的以上說明並非打算為窮盡性或將本發明限於所揭示的精確形式。儘管出於圖解說明之目的闡述本發明之特定實施例及實例，但如彼等熟習相關技術者將認識到，可在申請專利範圍之範疇內做出各種等效修改。可根據上文詳細說明作出此等修改。
以下申請專利範圍中使用之術語不應理解為將本發明限制於說明書及申請專利範圍中所揭示之具體實施例。而是，本發明之範疇將完全由以下申請專利範圍來測定，該等申請專利範圍將根據申請專利範圍解釋所創建的原則來加以理解。
200‧‧‧環境監測及控制系統
202‧‧‧封閉設施
204‧‧‧第一地板
206‧‧‧第二地板
208‧‧‧通風孔
210‧‧‧製程設施
212‧‧‧製程設施
A1‧‧‧風速計
A2‧‧‧風速計
A3‧‧‧風速計
A4‧‧‧風速計
A5‧‧‧風速計
A6‧‧‧風速計

Claims (36)

  1. 一種裝置，其包含：複數個位於相關區域內之多氣體分析器件，每一多氣體分析器件皆能夠檢測一或多種氣體之存在、濃度或二者；及資料及控制中心，其以通信方式耦合至該複數個多氣體分析器件中之每一者，該資料及控制系統包括在執行時允許該資料及控制中心進行如下之邏輯：監測該複數個多氣體分析器件之讀數，且若任何讀數指示存在一或多種污染物，則基於來自該複數個多氣體分析器件之該等讀數鑑別該等污染物之來源。
  2. 如請求項1之裝置，其進一步包含至少一個位於該相關區域中且以通信方式耦合至該資料及/或控制中心之風速計。
  3. 如請求項2之裝置，其中每一風速計與相應多氣體分析器件配對。
  4. 如請求項2之裝置，其中每一風速計與複數個多氣體分析器件配對。
  5. 如請求項2之裝置，其中複數個風速計與每一多氣體分析器件配對。
  6. 如請求項2之裝置，其中該至少一個風速計可至少量測空氣速度及方向。
  7. 如請求項6之裝置，其中該風速計可進一步量測空氣溫度、空氣壓力及濕度。
  8. 如請求項1之裝置，其中該資料及控制系統包括關於該相關區域內之拓撲之資料。
  9. 如請求項1之裝置，其中該相關區域係室內。
  10. 如請求項9之裝置，其中該資料及控制系統以通信方式耦合至該相關區域之通風系統且可控制該通風系統之操作。
  11. 如請求項9之裝置，其中至少一個多氣體檢測器以流體方式耦合至過濾器，以使該多氣體檢測器可對流動穿過該過濾器之空氣進行取樣。
  12. 如請求項9之裝置，其中至少一個多氣體檢測器以流體方式耦合至一或多個取樣管，該等取樣管自該多氣體檢測器延伸至該多氣體檢測器附近。
  13. 如請求項12之裝置，其中每一取樣管皆包括吸收劑捕集器。
  14. 如請求項1之裝置，其中該相關區域係室外。
  15. 如請求項14之裝置，其中該複數個氣體分析器件中之每一者皆位於該相關區域內之製程設施附近。
  16. 如請求項15之裝置，其中該資料及控制系統以通信方式耦合至每一製程設施且可控制該製程設施之操作。
  17. 如請求項15之裝置，其中至少一個多氣體檢測器以流體方式耦合至一或多個取樣管，該等取樣管自該多氣體檢測器延伸至該相關聯製程設施中或附近之位置。
  18. 如請求項1之裝置，其中該複數個多氣體分析器件中之至少一者包含：基板；氣相層析儀，其具有流體入口及流體出口且安裝至該基板；檢測器陣列，其具有流體入口及流體出口且安裝至該基板，其中該檢測器陣列之該流體入口以流體方式耦合至該氣相層析儀之該流體出口；控制電路，其耦合至該氣相層析儀及該檢測器陣列，其中該控制電路可與該氣相層析儀及該檢測器陣列通信；及 讀出電路，其耦合至該檢測器陣列及該控制電路，其中該讀出電路可與該控制電路及該檢測器陣列通信。
  19. 一種方法，其包含：將複數個多氣體分析器件定位於相關區域內，每一多氣體分析器件皆能夠檢測一或多種氣體之存在、濃度或二者；將資料及控制中心以通信方式耦合至該複數個多氣體分析器件中之每一者；監測該複數個多氣體分析器件之輸出；及若該複數個氣體分析器件中之任一者檢測到指定氣體之存在及/或異常濃度，則基於該複數個多氣體分析器件之該等輸出鑑別該等指定氣體之來源。
  20. 如請求項19之方法，其進一步包含將至少一個風速計定位於該相關區域中並將該至少一個風速計以通信方式耦合至該資料及控制中心。
  21. 如請求項20之方法，其中每一風速計與相應多氣體分析器件配對。
  22. 如請求項20之方法，其中每一風速計與複數個多氣體分析器件配對。
  23. 如請求項20之方法，其中複數個風速計與每一多氣體分析器件配對。
  24. 如請求項20之方法，其中該至少一個風速計可至少量測空氣速度及方向。
  25. 如請求項24之方法，其中該風速計可進一步量測空氣溫度、空氣壓力及濕度。
  26. 如請求項19之方法，其進一步包含儲存該資料及控制中心中之該相關區域之拓撲資料。
  27. 如請求項19之方法，其中該相關區域係室內。
  28. 如請求項19之方法，其進一步包含將該資料及控制系統以通信方式耦合至該相關區域之通風系統，以使該資料及控制系統可控制該通風系統之操作。
  29. 如請求項27之方法，其中至少一個多氣體檢測器以流體方式耦合至過濾器，以使該多氣體檢測器可對流動穿過該過濾器之空氣進行取樣。
  30. 如請求項27之方法，其中至少一個多氣體檢測器以流體方式耦合至一或多個取樣管，該等取樣管自該多氣體檢測器延伸至該多氣體檢測器附近。
  31. 如請求項30之方法，其中每一取樣管皆包括吸收劑捕集器。
  32. 如請求項19之方法，其中該相關區域係室外。
  33. 如請求項19之方法，其中該複數個氣體分析器件中之每一者皆位於該相關區域內之製程設施附近。
  34. 如請求項33之方法，其中該資料及控制系統以通信方式耦合至每一製程設施且可控制該製程設施之操作。
  35. 如請求項33之方法，其中至少一個多氣體檢測器以流體方式耦合至一或多個取樣管，該等取樣管自該多氣體檢測器延伸至該相關聯製程設施中或附近之位置。
  36. 如請求項19之方法，其中該複數個多氣體分析器件中之至少一者包含：基板；氣相層析儀，其具有流體入口及流體出口且安裝至該基板；檢測器陣列，其具有流體入口及流體出口且安裝至該基板，其中該檢測器陣列之該流體入口以流體方式耦合至該氣相層析儀之該流體出口； 控制電路，其耦合至該氣相層析儀及該檢測器陣列，其中該控制電路可與該氣相層析儀及該檢測器陣列通信；及讀出電路，其耦合至該檢測器陣列及該控制電路，其中該讀出電路可與該控制電路及該檢測器陣列通信。
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