TW201632861A - 氣體感測裝置、系統及相關方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一種氣體感測裝置，包含：外殼，其具有可操作來接收及容納至少一測試氣體的內部腔室；光子熱源，其係定位來將光子能量輸送到內部腔室中；以及壓力感測器，其功能性地耦接到內部腔室且可操作來檢測內部腔室中的壓力變化。

Description

氣體感測裝置、系統及相關方法
本發明大致關於一種氣體感測裝置、系統以及相關方法。
氣體的測試可為了許多不同的原因而被完成。一範例為透過呼吸分析的個人化健康監測。其他範例為汙染篩選及/或監測。又另一範例包括環境篩選及/或監測、工業製程監測等。雖然氣體感測器在這種監測活動中扮演著不可或缺的角色，但具有低能量消耗之成本效益的感測器還不是普遍可得到的。這對於外型小巧的氣體感測器而言尤其是真實的，外型小巧的氣體感測器可由一般大眾所穿戴，以提供個人的即時環境中之氣體監測。
102‧‧‧外殼
104‧‧‧內部腔室
106‧‧‧光子熱源
108‧‧‧光子能量
110‧‧‧壓力感測器
112a‧‧‧第一微泵
112b‧‧‧第二微泵
114‧‧‧輸送氣體樣本
116‧‧‧入口通道
118‧‧‧偏向隔膜
119‧‧‧偏向隔膜
120‧‧‧移除氣體樣本
122‧‧‧出口通道
124‧‧‧共用基板
126‧‧‧覆蓋層
128‧‧‧開口
130‧‧‧位移構造
202‧‧‧偏向構件
204‧‧‧光干涉計
302‧‧‧氣體感測裝置
304‧‧‧分析模組
306‧‧‧指示器
402‧‧‧將氣體環境的一部分導入到封閉的腔室中
404‧‧‧產生具有被調整到測試氣體的頻率特性之光子能量
406‧‧‧將光子能量輸送到封閉的腔室中，以選擇性地加熱測試氣體
408‧‧‧測量歸因於被加熱的測試氣體之封閉的腔室中的氣體壓力的變化
圖1為根據本發明實施例的氣體感測裝置之示意圖；圖2為根據本發明實施例的氣體感測裝置之示意圖；圖3為根據本發明實施例的氣體感測系統之示意圖； 以及 圖4為根據本發明實施例的用於檢測氣體環境中的氣體的方法的敘述。
【發明內容及實施方式】
雖然以下詳細說明包含用於說明的目的之許多細節，熟知本領域技術人士將理解的是，對於以下細節的許多變化和修改可被作成，且被視為是被包含於本文中。
據此，闡述以下實施例，而沒有對於所述的任何請求項之一般性的任何損失，且不會將限制強加在所述的任何請求項上。亦能理解的是，在此所使用的技術用語僅是為了說明具體實施例的目的，而並非意圖為限制性的。除非另有定義，在此所使用之所有的技術及科學用語具有如熟知本發明所屬領域之技術人士所通常理解之相同的意義。
如在此說明書及所附的請求項中所使用的，除非上下文另有明確說明，單數形式“一(a)”、“一(an)”及“該(the)”包括複數個指示對象。因此，例如，提及“一感測器”係包括複數個這種感測器。
在本揭露中，“包含(comprises)”、“包含(comprising)”、“含有(containing)”及“具有”等可以具有在美國專利法中賦予它們的含義和可表示“包括(includes)”、“包括(including)”等，且通常被解釋成開放式用語。用語“由...構成(consisting of)”或“由...構成(consists of)”為封閉式用語，且僅包括具體地結合此 用語被列出來的部件、結構、步驟等，且其亦依據美國專利法。“基本上由...構成(consisting essentially of)”或“基本上由...構成(consists essentially of)”具有一般在美國專利法中賦予它們的含義。尤其是，這種用語大致上是封閉式用語，且例外允許包含額外的物品、材料、部件、步驟或元件，其不會實質地影響與其一起被使用的物品(多個物品)的基本或新穎的特徵或功能。例如，若存在於“基本上由...構成”的用語的情況下，存在於組成當中但不會影響組成的本質或特徵之微量元素將為可允許的，即使沒有明確記載在這樣的技術用語之後的物品的列表中。當使用開放式用語，像是“包含(comprising)”或“包括(including)”時，應理解的是，如同明確地指出的，直接的支持也應被附予至“基本上由...構成”的用語，以及“由...構成”的用語，且反之亦然。
在說明書及請求項中的用語“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果有的話)被使用來在類似的元件之間作出區別，且不一定是用於描述特定順序或時間順序(chronological order)。應理解的是，以這種方式被使用的用語在適當的情況下為可互換的，使得在此所說明的實施例為，例如，能夠以除了所顯示的或其他在此所說明的那些順序以外的順序來操作。同樣地，若在此所說明的方法為包括一系列的步驟，如在本文中所呈現之這些步驟的順序不一定是這些步驟可能被執行的唯一順序，且所記載的特定步驟可能有機會被省略、及/或未在本文中被描 述之其他的特定步驟可能有機會被加入到方法中。
在說明書及請求項中的用語“左”、“右”、“前”、“後”、“頂”、“底”、“之上”、“之下”等(如果有的話)被使用來用於描述性目的，且不一定是用於描述永久的相對位置。應理解的是，以這種方式被使用的用語在適當的情況下為可互換的，使得在此所說明的實施例為，例如，能夠在除了所顯示的或其他在此所說明的那些方位以外的方位上來操作。如在本文中所使用的用語“耦接”被定義為直接地或間接地以電性或非電性的方式來連接。作為適合於語句在其中被使用的內容，在本文中被描述為被“鄰接於”彼此的物體或構造可為在靠近於彼此的附近的情況下、或在與彼此位在相同的一般區域或地區的情況下，處於彼此物理性接觸的狀態。在本文中的語句“在一實施例中”或“在一面向中”並不一定全部指的是相同的實施例或面向。
如在本文中所使用的，用語“分析物”係指尋求檢測的任何分子、化合物、物質、介質、材料等。在一些面向中，分析物為可由根據本發明的氣體感測器所檢測的。在其他面向中，藉由根據本發明的氣體感測器經由與其他物質的相互作用、藉由其上的力或條件的施加、或經由其他的處理(例如，藉由試劑)，分析物可被作成為或呈現為可檢測的。在一面向中，“分析物”可能指的是能夠藉由光子能量被加熱以從而增加封閉的腔室中的氣體壓力的任何分子、化合物、物質、介質、材料等。在其他面向中，“分析物”可能包括能夠存在於氣體環境中的任何分子、化 合物、物質、介質、材料等。非限制性的範例可包括氣體、空氣中的無機分子、空氣中的有機分子、揮發性有機化合物(volatile organic compounds，VOC)、空氣中的顆粒物質等等，包括其組合。在其他面向中，“分析物”可具體地為氣體分子。
如在本文中所使用的，“強化的”、“提升的”、“效能強化的”、“升級的”等(當與裝置或製程的說明一起被使用時)係指相較於先前已知的裝置或製程提供可測量的較佳形式或功能的裝置或製程的特性。此原則應用於裝置或製程中的個別部件的形式或功能、以及應用於作為整體之此種裝置或製程。
如在本文中所使用的，用語“實質地”係指動作、特性、性質、狀態、構造、物品、或結果之完全或接近完全的範圍或程度。例如，被“實質地”包圍的物體將意味著此物體不是被完全地包圍就是被接近完全地包圍。從絕對完全性的偏差之確切可允許的程度在某些情況下可能依據具體的內容而定。然而，一般來說，完全性的接近程度將為使其具有與如果得到絕對值及整體完全性之結果相同的整體結果。當被使用於負面涵義以指動作、特性、性質、狀態、構造、物品、或結果之完全或接近完全的缺乏時，“實質地”的使用係為同樣適用的。例如，“實質地不具有”微粒的組成將意味著完全缺乏微粒、或接近完全缺乏微粒(其效果將與其完全地缺乏微粒為相同的)。換言之，“實質地不具有”一要素或元件的組成可能仍為實際上含有 這樣的物品，只要其沒有可測量的影響。
如在本文中所使用的，由於所提供的是給定的數值可能為“稍微高於”或“稍微低於”端點，用語“約”被使用來將彈性提供給數值範圍的端點。然而，應理解的是，即使當用語“約”在本說明書中與特定數值一起被使用時，亦提供了對於在技術用語“約”以外所記載的確切數值的支持。
如在本文中所使用的，複數個物品、結構元件、複合元件、及/或材料為了方便起見可被呈現在共用列表中。然而，這些列表應被解釋為彷彿列表的每個構件被個別地識別為分開且獨特的構件。因此，此列表之個別的構件不應僅根據它們在共用群組中的出現而未有相反的指示，而被解釋為相同列表的任何其他構件的實際等同物。
濃度、量、及其他的數據資料可能以範圍格式在本文中被表達或表示。應理解的是，這種範圍格式僅被使用於方便與簡潔起見，且因此應被彈性地解釋，以包括不僅是明確地記載為範圍的極限的數值，且亦包括涵蓋在此範圍中的所有個別數值或子範圍，彷彿每個數值和子範圍亦被明確地記載。舉例說明，“約1到約5”的數值範圍應被解釋為包括不僅是約1到約5之明確地被記載的值，且亦包括在所指示的範圍中的個別數值及子範圍。因此，被包含在此數值範圍中的是，像是2、3及4之個別值，以及像是從1到3、從2到4以及從3到5等的子範圍，以及個別地1、2、3、4及5。
此相同的原則應用到僅記載一個數值作為最小值或最 大值的範圍。此外，無論被說明的範圍或特徵的廣度，這樣的解釋應該要適用。
參照整份本說明書的“範例”所指的是，與範例一起被說明的具體特徵、構造或特性被包含在至少一實施例當中。因此，在整份本說明書的不同地方出現的“在一範例中”的語句並不一定全部指的是相同的實施例。
範例實施例
以下提供了技術實施例的初步概述，且接著進一步詳細說明具體的技術實施例。此初步提要係旨在幫助讀者更快速地理解技術，而非旨在識別關鍵或必要的技術特徵，且亦非旨在限制所請求的標的之範疇。
發明的實施例提供了高靈敏度的氣體感測裝置、系統及相關方法。這種氣體感測裝置具有低能量消耗及小巧的外型，且因此為適合使用於，例如，穿戴及物聯網(Internet of Things，IOT)應用中等等。然而，要注意的是，雖然這些感測器的個人化使用被設想，任何的應用或使用被視為是在本發明的範疇中，包括工業應用、軍事應用、商業應用等等。
這種氣體感測器一般可包括用於容納氣體的腔室、檢測腔室中的壓力變化之壓力感測器、用於將氣體導入到腔室中的泵、以及光子熱源。在操作的範例中，腔室經由泵而被氣體樣本填滿，且光子熱源被輸送到腔室中。光子熱源被調整以選擇性地加熱被選擇來測試(亦即，測試的主 體或客體)的分析物(例如，氣體)分子。出現在樣本中的分析物分子因此被加熱，從而增加腔室中的氣體樣本的壓力。這種壓力上的增加由壓力感測器所檢測，其提供分析物的出現的定性指標(qualitative indication)，且選擇性地提供分析物的量。在一些實施例中，壓力變化的大小可為樣本中的分析物之濃度的指標，且如此一來，壓力感測器回應的大小可額外地提供此量化資訊。
圖1顯示氣體感測裝置之非常普通的範例，氣體感測裝置具有帶有內部腔室104的外殼102，其可操作來接收並容納要被測試的氣體樣本。光子熱源106被定位來將光子能量108輸送到內部腔室104中，且壓力感測器110功能性地耦接到內部腔室104。壓力感測器110操作來檢測內部腔室104中的壓力變化。光子能量108加熱且因此激發內部腔室104中的分析物分子。內部腔室104中的氣體壓力增加，且壓力感測器110檢測到壓力變化，壓力變化為感興趣的分析物之出現的指標。
外殼可由任何適合的材料所製成，適合的材料能夠以足夠的壓力來容納氣體樣本，以允許氣體壓力波動被檢測出來。在一些情況下，材料可為至少夠透明的，以允許足夠的光子能量的通過，去加熱分析物分子並表現出壓力感測器中的壓力變化。換言之，外殼的材料可對於光子能量為透明的。此外，另外設想到的是，外殼可能由不允許光子能量的通過的材料所製成。在這樣的情況下，窗或其它構造可被定位為越過外殼並允許光子能量從其穿越通過。 在其他範例中，光子熱源可被定位(或至少部分地被定位)在外殼的內部腔室中。如此一來，氣體感測裝置的設計可影響外殼及裝置的其他構造兩者的材料之選用。考慮到這一點，外殼材料可包括，但不侷限於，金屬、金屬合金、陶瓷、半導體、聚合物等，包括其組合。透明或半透明材料的具體非限制性範例可包括石英、銦錫氧化物(ITO)、類鑽碳(diamond-like carbon，DLC)、藍寶石等，包括其組合。在一些實施例中，材料可被選擇來與所期望或所選擇的光子能量一起運作，不然就是接納所期望或所選擇的光子能量，或反之亦然。
回到圖1，至少一泵或微泵112a、112b可功能性地耦接到外殼102的內部腔室104。在一面向中，第一微泵112a操作來輸送氣體樣本到內部腔室104中，如在114處所顯示的。第一微泵經由入口通道116抽取氣體樣本，且送入到內部腔室104中。偏向隔膜118(或入口閥)可功能性地耦接到入口通道116，以助於維持內部腔室104中的氣體壓力。回應於第一微泵112a的操作，偏向隔膜118允許經由入口通道116之氣體的單向流動。偏向隔膜118可包括能充分地防止氣體的離開之任何類型的閘門、閥或其他類似的構造。
第二微泵112b亦可功能性地耦接到外殼102的內部腔室104，且可操作來從內部腔室移除氣體樣本，如在120處所顯示的。第二微泵112b經由出口通道122將氣體樣本抽出內部腔室104。偏向隔膜119(或出口閥)可 功能性地耦接到出口通道122，以助於維持內部腔室104中的氣體壓力。回應於第二微泵112b的操作，偏向隔膜119允許經由出口通道122之氣體的單向流動。偏向隔膜119可包括任何類型的閘門、閥或其他類似的構造。偏向隔膜可藉由微泵的作動而被動地啟動，或者，偏向隔膜可在適當的時機主動地啟動。在一些情況下，偏向隔膜可隨著微泵的泵週期被定時以致動。此外，偏向隔膜(或閥)可同時地或獨立地被控制，以清除及/或用氣體樣本填滿內部腔室。致動機構的非限制性範例可包括靜電、電磁、壓電、熱電等，包括其適當的組合。
設想到微泵的許多設計及操作機制，且本發明的範疇不侷限在微泵的特定實施方式。圖1中之微泵112a、112b的敘述顯示位移構造130的簡單描述，其移動經由裝置將氣體樣本泵出。這種機構的移動可藉由數個來源來產生，非限制性的範例可包括靜電、電磁、壓電、熱電等，包括其適當的組合。
因此，圖1中所顯示的氣體感測裝置包括至少兩個微泵，一個微泵用於將氣體樣本輸送到內部腔室中，且另一個微泵用於將氣體樣本從內部腔室移除。在某些氣體感測裝置設計中，可採用單一個微泵來輸送氣體樣本以及從內部腔室移除氣體樣本。可用適合的方式充分地填充氣體及/或排出氣體之其他的機構或構造亦可被使用。在一例示性設計中，氣體樣本可藉由在相反方向上透過泵主動地將氣體往回抽取而從內部腔室被移除。在此情況下，內部腔 室中的氣體壓力可藉由泵機構本身來維持，或藉由偏向隔膜或其他的閘門、閥或類似構造來維持。在另一例示性單一微泵設計中，藉由啟動微泵來將額外的氣體輸送到內部腔室中因而迫使氣體樣本經由出口排出，可移除氣體樣本。額外的氣體可為要被分析的第二氣體樣本，或者，額外的氣體可為不打算被分析的一種或多種氣體。
氣體感測裝置的各種部件可被建構或形成在共用基板124上，其一範例被顯示於圖1。在此非限制性的範例中，第一微泵112a和第二微泵112b、入口通道116和出口通道122、以及壓力感測器110被整體地形成在共用基板124上。這種整體式配置可提供許多的好處，包括即使在非常小的外形尺寸中亦維持精確的對準。分離的覆蓋層126係顯示於圖1，以包圍入口通道和出口通道、壓力感測器、以及跨越共用基板之任何其他的部件。然而，在一些設計中，覆蓋層可為共用基板的延伸、或是基板材料的進一步堆積。無論覆蓋層的本質為何，開口128可被蝕刻、燒蝕、或另外形成於其中，以允許氣體樣本經由入口通道116流動進入內部腔室104中，以及經由出口通道122流出內部腔室。
此外，在一例示性的設計中，外殼102可被形成在共用基板124上作為裝置的整體製造物的部分。在其他設計中，外殼102可被獨立地形成並接著被接合於裝置。
依據裝置的預期用途、感測及/或監測活動的本質、設計者及/或使用者的偏好等，氣體感測裝置的整體尺 寸、形狀與設計特徵可廣泛地變化。氣體感測裝置可為允許在特定情況下的功能之任何尺寸。然而，裝置的各種部件之整體集成允許達成非常小的外形尺寸。例如，在一面向中，這種裝置可具有MEMs尺寸架構。
光子熱源106可包括可被輸送到內部腔室104中之任何類型的光子能量，光子能量能夠激發分析物的分子，且可調整來針對特定一種分析物或多種分析物提供增加的選擇性。非限制性的範例可包括雷射、雷射二極體、UV-LED等，包括其適當的組合。此外，雖然未調變的光子能量被設想，但對於檢測氣體樣本中的分析物，調變的光子能量可為特別有利的。調變所應用的光子能量可在內部腔室中建立壓力調變，其可容易地由壓力感測器檢測出來。用來比較之更準確的基線(baseline)與調變的氣體壓力一起出現，因此允許分析物濃度之更加準確的測定，以及對於分析物本身之更加準確的檢測。各種技術被設想，且足以調變光子能量以造成內部腔室中的氣體壓力之調變的任何技術被視為是在本發明的範疇中。非限制性的範例可包括振幅或強度調變、波長或頻率調變、工作週期調變等，包括其合適的組合。例如，振幅調變可包括調變光子能量的振幅波形(amplitude waveform)，以及光子能量在開與關週期中的物理閘控(physical gating)。因此，應理解的是，藉由功能性地耦接到光子熱源的能量調變器(energy modulator)、藉由在光子能量路徑中的物理性過濾器(physical filter)、或能夠產生此種調變的其它構 造、機構或技術，可在光子熱源產生光子能量調變。
如同已被說明的，光子能量可被調整以針對感興趣的給定分析物為可選擇的。換言之，可由於感興趣的分析物之分子而針對至少增加的吸收、或在其他情形中為最大的吸收，來選擇光子能量的波長或其他特性。由目標分子吸收的光子能量將轉換成內部腔室內的非輻射能量(non-radiative energy)/熱，因此以類似於光子能量的調變率之比率來改變其中的氣體壓力。一旦持有本揭露內容，熟知本領域計數人士將容易地理解到將光子能量的選擇性的調整到目標分析物的本質。
氣體感測裝置的另一例示性設計被顯示於圖2。具有與圖1相同的標註數字之圖2所顯示的構造被視為是與圖1中所提供的說明相同的或至少實質上相似的。在此例示性設計中的壓力感測器可包括偏向構件202。偏向構件202功能性地耦接到內部腔室104，使得內部腔室中的氣體壓力的變化造成偏向構件的移動。這種壓力感測器設計的一個優點為偏向構件之回應於氣體壓力中之歸因於調變的光子能量的周期性變化的快速移動的能力。在一些設計中，偏向構件202可為整體地形成在共用基板124上的構造。在其他的設計中，偏向構件可被形成為獨立於基板且接著被接合到基板的。偏向構件可為懸臂(例如，懸臂樑)、彈性隔膜、層或膜、或能夠回應於氣體壓力的變化而移動的任何其他構造。
光學干涉計204被耦接到裝置，在此案例中被耦接到 外殼102，以測量回應於氣體壓力變化之偏向構件202的移動。雖然所顯示的是被耦接到外殼102，但干涉計可被耦接在提供用於監視偏向構件202的路徑之裝置的任何位置或構造。例如，干涉計可相對於外殼被定位，且被整合到基板中、或被耦接在基板之下，提供了從干涉計到偏向構件之穿過基板所形成的通道。
干涉計的功能與設計為習知的，且可被運用來檢測偏向構件的移動之大量的實施為已知的。基本上，同調光(coherent light)被分成兩個光束，兩個光束沿著具有不同的路徑長度之個別的路徑行進，且接著被結合。兩個光束之間的路徑長度的差異建立相位差(phase difference)，相位差當被結合時造成干涉條紋(interference fringe)。因此，路徑長度中的任何更多的變化造成條紋圖形中的可檢測到的變化。
回到圖2，光學干涉計204包括同調光源，例如，雷射，其被導向到分光鏡中以建立兩個光束。一個光束被導向以撞擊偏向構件202和沿著同樣的路徑反射回來以與其他的光束重新結合，從而建立干涉條紋。偏向構件202之後續移動進一步地對條紋造成影響，這可被檢測到非常高程度的準確度。這種準確度可以百萬分之一(parts per million，ppm)到十億分之一(parts per billion，ppb)對於分析物樣本來測量。在一實施例中，偵側的水平(level of detection，LOD)可為低至10,000ppm或低於10,000ppm。在另一實施例中，LOD可為低至1,000ppm或低於 1,000ppm。在又另一實施例中，LOD可為低至100ppm或低於100ppm。在進一步的實施例中，LOD可為低至10,000ppb或低於10,000ppb。在另外的實施例中，LOD可為低至1,000ppb或低於1,000ppb。在又另一實施例中，LOD可為低至100ppb或低於100ppb。在進一步的實施例中，LOD可為從約10,000ppm到約10ppb。
如圖3所示，提供一種用於檢測氣體的系統。這種系統可包括如已被說明的氣體感測裝置302、以及功能性地耦接到氣體感測裝置302的干涉計的分析模組304。分析模組304操作以從由干涉計所產生的條紋(亦即，干涉計輸出)來判定或檢測特定氣體或分析物的存在。在一些設計中，分析模組304亦可操作以從干涉計的輸出來量化特定氣體或分析物，從而提供至少濃度資料。在其他的設計中，系統可包括量化模組，其操作以從干涉計的輸出來量化特定氣體或分析物，從而提供至少濃度資料。
系統可進一步包括功能性地耦接到分析模組304的指示器306，其操作來對使用者指示特定氣體或分析物的出現。指示器可為任何形式的指示器，包括但不侷限於聲音信號、視覺信號、電子信號等，且包括其組合。在一面向中，指示器306可為顯示螢幕。
更多的控制模組、記憶體模組及資料儲存(例如，非揮發性記憶體構造)、使用者I/O裝置、校正及狀態模組、電源模組等額外地被設想，以促進相關聯的系統的功能性。
如圖4中所顯示，提供了用於檢測氣體環境中的測試氣體或分析物的方法。這種方法可包括402將氣體環境的一部分導入到封閉的腔室中(亦即，取得氣體的樣本)；404產生具有被調整到測試氣體的頻率特性(frequency characteristic)之光子能量；406將光子能量輸送到封閉的腔室中，以選擇性地加熱測試氣體；以及408測量歸因於被加熱的測試氣體之封閉的腔室中的氣體壓力的變化。
此外，方法的一些實施可進一步包括在將光子能量輸送到封閉的腔室中之前，調變光子能量，使得測試氣體的選擇性加熱造成封閉的腔室中的壓力調變，且其中，測量氣體壓力的變化包括測量封閉的腔室中的壓力調變。在一些面向中，調變光子能量還包括振幅或波長調變。在一些實施例中，光子能量可被調整為具有特別被選擇來允許特定目標分析物的檢測之特性。在這種情況下，對應到具體目標分析物以提供其檢測之光子能量特性可為已知或預先選定的。在一些實施例中，所選擇的目標分析物可為單一分析物。在其他的實施例中，多目標分析物可被選擇來檢測。
在一些實施例中，對於複數個分析物可測試單一樣本。例如，氣體樣本可被導入到腔室中，且接著被調整來檢測第一分析物的光子能量可被導入到腔室中，且藉由壓力感測器來檢測任何的壓力變化。接下來，被調整來檢測第二分析物的光子能量可被導入到腔室中，且藉由壓力感測器來檢測任何的壓力變化。此過程可以經由要被測試的 任何數量的特定分析物而繼續進行。在測試的結束時，氣體樣本從腔室中被排出。在此時，新的樣本可被導入且更多的測試開始。另外，在一些實施例中，無論在單一樣本中被測試的分析物之數量，為了校正的目的，腔室可在樣本之間被沖洗及清潔。這可藉由，例如，在裝置中包括過濾器(未示)來完成，經由過濾器，被過濾的空氣可被抽出以清潔腔室並允許光子能量源及/或壓力感測器的重設或校正。此外，其他具體的實質上被純化的公知氣體，例如，氮氣，可被使用於清潔和校正目的。在一些面向中，裝置可被校正為包含已知或認可的量的氮氣、氧氣、水蒸氣、氬氣及二氧化碳的標準大氣壓力組成(standard atmospheric composition)。這些元素及其他通常被包含在位於地理位置(geographic location)之一般空氣樣本中其他元素的標準含量可由熟知本領域技術人士來判定。
在一些實施例中，氣體感測(亦即，檢測)裝置或系統可包括如在此所記載之，例如，如圖1或2所示之被組裝成陣列的複數個裝置。在一些實施例中，每一個別的裝置可被調整或配置來感測或檢測相同的分析物。在其他的實施例中，每一個別的裝置可被調整或配置來感測或檢測不同的分析物。在又進一步的實施例中，陣列中的多個裝置可被調整或配置來感測或檢測一種分析物，而陣列中的其他多個裝置可被調整或配置來感測或檢測一種不同的分析物。此種檢測不僅在本質上為定性的，且亦為定量的。在一些實施例中，使陣列中的複數個裝置被調整或配置來 感測或檢測單一目標分析物可提升分析物檢測的準確度或水平。
在一實施例中，陣列中的裝置可被安裝在共用基板上。在其他的實施例中，陣列中的裝置可被安裝在不同的基板上。將理解的是，任何裝置位置的配置之數量、陣列的形狀尺寸、以及裝置的數量可被使用，以達成特定預期的目的、或得到特定結果。在一實施例中，陣列中的裝置之數量可為超過兩個。在其他的實施例中，陣列中的裝置之數量可為從約兩個到約一萬個。在另外的實施例中，陣列中的裝置之數量可為從約兩個到約一千個。在又另外的實施例中，裝置之數量可為從約十個到約一百個。在進一步的實施例中，裝置之數量可為從約五個到約二十個。
範例
以下的範例涉及到更多的實施例。
在一範例中，提供了一種氣體感測裝置，且包括：外殼，其具有可操作來接收及容納至少一測試氣體的內部腔室；光子熱源，其係定位來將光子能量輸送到內部腔室中；以及壓力感測器，其功能性地耦接到內部腔室，且可操作來檢測內部腔室中的壓力變化。
在一範例中，氣體感測裝置還包括：偏向構件，其功能性地耦接到內部腔室，使得內部腔 室中的氣體壓力的變化造成偏向構件的移動；以及干涉計，其係定位來檢測偏向構件的移動作為內部腔室中的壓力變化的結果。
在一範例中，裝置還包括至少一泵，其功能性地耦接到外殼且可操作來將至少一測試氣體輸送到內部腔室中。
在一範例中，至少一泵還可操作來從內部腔室移除至少一測試氣體。
在一範例中，偏向構件及至少一泵被形成在共用基板上。
在一範例中，外殼、偏向構件及至少一泵被形成在共用基板上。
在一範例中，外殼及偏向構件被形成在共用基板上。
在一範例中，裝置具有MEMs尺寸架構。
在一範例中，偏向構件為懸臂構件。
在一範例中，偏向構件為彈性層。
在一範例中，光子熱源為可調的，以針對給定的測試氣體為可選擇的。
在一範例中，光子熱源為雷射源。
在一範例中，光子熱源為雷射二極體。
在一範例中，光子熱源為UV-LED。
在一範例中，裝置還包括光子能量調變器，其功能性地耦接到光子熱源且可操作來調變光子能量。
在一範例中，光子能量調變器可操作來振幅及/或波長調變光子能量。
在一範例中，外殼對於光子能量為透明的。
在一範例中，裝置還包括至少一閥，其功能性地耦接到外殼且可操作來提供進入到內部腔室的選擇氣體。
在一範例中，至少一閥藉由選自由靜電、電磁、熱電、壓電、或它們的組合所構成的群組的機構來致動。
在一範例中，裝置還包括：進氣閥，其功能性地耦接到外殼且可操作來將氣體輸送到內部腔室中；以及出口閥，其功能性地耦接到外殼且可操作來從內部腔室移除氣體。
在一範例中，提供了一種用於檢測氣體的系統，其包括：如在此所記載的氣體感測裝置；分析模組，其功能性地耦接到壓力感測器且可操作來從壓力感測器的輸出判定特定氣體的出現；以及指示器，其功能性地耦接到分析模組且可操作來對使用者指示特定氣體的出現。
在一範例中，分析模組可操作來從壓力感測器的輸出將特定氣體量化。
在一範例中，系統還包括量化模組，其可操作來從壓力感測器的輸出將特定氣體量化。
在一範例中，指示器產生聲音信號。
在一範例中，指示器產生視覺信號。
在一範例中，指示器產生電子信號。
在一範例中，指示器為顯示螢幕。
在一範例中，提供了一種用於檢測氣體環境中的測試氣體的方法，其包括：將氣體環境的一部分導入到封閉的腔室中；產生具有被調整到測試氣體的特性之光子能量；將光子能量輸送到封閉的腔室中，以選擇性地加熱測試氣體；以及測量歸因於被加熱的測試氣體之封閉的腔室中的氣體壓力的變化。
在一範例中，此方法還包括：在將光子能量輸送到封閉的腔室中之前，調變光子能量，使得測試氣體的選擇性加熱造成封閉的腔室中的壓力調變；以及其中，測量氣體壓力的變化包括測量封閉的腔室中的壓力調變。
在一範例中，調變光子能量還包括調變光子能量的振幅及/或波長。
在一範例中，此方法還包括從封閉的腔室移除氣體環境的部分。
在一範例中，光子能量為雷射輻射。
在一範例中，光子能量為紫外線輻射。
在一範例中，氣體壓力的變化造成封閉的腔室中的偏向構件的移動。
在一範例中，測量氣體壓力的變化還包括測量偏向構 件的移動。
在一範例中，測量偏向構件的移動還包括以干涉計測量偏向構件的移動。
在一範例中，提供了一種氣體感測陣列，其包括：如在此所記載的複數個裝置；分析模組，其功能性地耦接到每一個裝置且可操作來從裝置的輸出判定特定氣體的出現；以及指示器，其功能性地耦接到分析模組且可操作來對使用者指示特定氣體的出現。
在一範例中，複數個裝置被安裝在共用基板上。
在一範例中，複數個裝置被安裝在不同的基板上。
在一範例中，複數個裝置可為從約2個裝置到約100個裝置。
雖然前面的範例為在一個或多個特定應用中的具體實施例的例證，但對於熟知本領域技術人士為明白的是，在不偏離本文中所闡述的原理及概念的情況下，實施的形式、用法及細節中的許多修改可被作成。據此，除了以下所提出的請求項外，沒有預期任何限制。
102‧‧‧外殼
104‧‧‧內部腔室
106‧‧‧光子熱源
108‧‧‧光子能量
110‧‧‧壓力感測器
112a‧‧‧第一微泵
112b‧‧‧第二微泵
114‧‧‧輸送氣體樣本
116‧‧‧入口通道
118‧‧‧偏向隔膜
119‧‧‧偏向隔膜
120‧‧‧移除氣體樣本
122‧‧‧出口通道
124‧‧‧共用基板
126‧‧‧覆蓋層
128‧‧‧開口
130‧‧‧位移構造

Claims (23)

  1. 一種氣體感測裝置，包含：外殼，其具有可操作來接收及容納至少一測試氣體的內部腔室；光子熱源，其係定位來將光子能量輸送到該內部腔室中；以及壓力感測器，其功能性地耦接到該內部腔室，且可操作來檢測該內部腔室中的壓力變化。
  2. 如申請專利範圍第1項之氣體感測裝置，其中，該壓力感測器更包含：偏向構件，其功能性地耦接到該內部腔室，使得該內部腔室中的氣體壓力的變化造成該偏向構件的移動；以及干涉計，其係定位來檢測該偏向構件的移動作為該內部腔室中的壓力變化的結果。
  3. 如申請專利範圍第1項之氣體感測裝置，還包含至少一泵，其功能性地耦接到該外殼且可操作來將該至少一測試氣體輸送到該內部腔室中。
  4. 如申請專利範圍第1項之氣體感測裝置，其中，該外殼及該偏向構件被形成在共用基板上。
  5. 如申請專利範圍第1項之氣體感測裝置，其中，該氣體感測裝置具有MEMs尺寸架構。
  6. 如申請專利範圍第1項之氣體感測裝置，其中，該偏向構件為懸臂構件或彈性層。
  7. 如申請專利範圍第1項之氣體感測裝置，其中， 該光子熱源為可調的，以針對給定的測試氣體為可選擇的。
  8. 如申請專利範圍第1項之氣體感測裝置，其中，該光子熱源為雷射二極體或UV-LED。
  9. 如申請專利範圍第1項之氣體感測裝置，還包含光子能量調變器，其功能性地耦接到該光子熱源且可操作來調變該光子能量。
  10. 如申請專利範圍第1項之氣體感測裝置，其中，該外殼對於該光子能量為透明的。
  11. 如申請專利範圍第1項之氣體感測裝置，還包含至少一閥，其功能性地耦接到該外殼且可操作來提供進入到該內部腔室的選擇氣體。
  12. 如申請專利範圍第1項之氣體感測裝置，還包含：進氣閥，其功能性地耦接到該外殼且可操作來將氣體輸送到該內部腔室中；以及出口閥，其功能性地耦接到該外殼且可操作來從該內部腔室移除氣體。
  13. 一種用於檢測氣體的系統，包含：如申請專利範圍第1項之氣體感測裝置；分析模組，其功能性地耦接到該壓力感測器且可操作來從該壓力感測器的輸出判定特定氣體的出現；以及指示器，其功能性地耦接到該分析模組且可操作來對使用者指示該特定氣體的該出現。
  14. 如申請專利範圍第13項之用於檢測氣體的系統，其中，該分析模組可操作來從該壓力感測器的該輸出將該特定氣體量化。
  15. 如申請專利範圍第13項之用於檢測氣體的系統，還包含量化模組，其可操作來從該壓力感測器的該輸出將該特定氣體量化。
  16. 如申請專利範圍第13項之用於檢測氣體的系統，其中，該指示器產生聲音信號、視覺信號、或電子信號。
  17. 如申請專利範圍第13項之用於檢測氣體的系統，其中，該指示器為顯示螢幕。
  18. 一種用於檢測氣體環境中的測試氣體的方法，包含：將該氣體環境的一部分導入到封閉的腔室中；產生具有被調整到該測試氣體的特性之光子能量；將該光子能量輸送到該封閉的腔室中，以選擇性地加熱該測試氣體；以及測量歸因於被加熱的該測試氣體之該封閉的腔室中的氣體壓力的變化。
  19. 如申請專利範圍第18項之用於檢測氣體環境中的測試氣體的方法，還包含：在將該光子能量輸送到該封閉的腔室中之前，調變該光子能量，使得該測試氣體的選擇性加熱造成該封閉的腔室中的壓力調變；以及 其中，測量該氣體壓力的變化包括測量該封閉的腔室中的該壓力調變。
  20. 如申請專利範圍第18項之用於檢測氣體環境中的測試氣體的方法，還包含從該封閉的腔室移除該氣體環境的該部分。
  21. 如申請專利範圍第18項之用於檢測氣體環境中的測試氣體的方法，其中，該氣體壓力的變化造成該封閉的腔室中的偏向構件的移動。
  22. 如申請專利範圍第21項之用於檢測氣體環境中的測試氣體的方法，其中，測量該氣體壓力的變化還包括測量該偏向構件的該移動。
  23. 如申請專利範圍第22項之用於檢測氣體環境中的測試氣體的方法，其中，測量該偏向構件的該移動還包括以干涉計測量該偏向構件的該移動。
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