TW201736821A - 粒子感測裝置、以及具有粒子感測裝置的電子設備 - Google Patents

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Abstract

一種粒子感測裝置，利用來自光源的光束，來感測懸浮微粒。粒子感測裝置包括：柱狀陣列以及感光元件。柱狀陣列位於光束的行進路徑的下游側。柱狀陣列具有多個柱狀物。相鄰的兩個柱狀物之間具有空隙。感光元件對向於柱狀陣列而設置、且位於光束的行進路徑的下游側；其中，光束的行進路徑平行於每一柱狀物的長度方向，且光束通過空隙而到達感光元件。上述的粒子感測裝置能夠良好地對於懸浮微粒進行感測，且能夠簡單地被整合到各種電子設備中。

Description

粒子感測裝置、以及具有粒子感測裝置的電子設備
本發明是有關於一種粒子感測裝置，且特別是有關於一種粒子感測裝置及具有該粒子感測裝置的電子設備，可感測空氣中的懸浮微粒(particulate matter, PM)。
近年來，隨著環保意識的提升，人們逐漸重視生活環境中的空氣品質。懸浮微粒2.5 (Particulate Matter 2.5，PM 2.5)是指大氣中直徑(aerodynamic diameter)小於等於2.5微米(micrometer)的細顆粒物，而懸浮微粒10 (Particulate Matter 10，PM 10)是指大氣中直徑小於等於10微米的細顆粒物(fine particles)。由於懸浮微粒的粒徑很小，所以，懸浮微粒可以在大氣中停留很久的時間且輸送很遠的距離。結果是，懸浮微粒會使得空氣品質和能見度產生嚴重的惡化。
另外，懸浮微粒會吸附大量的有毒及有害物質。由於懸浮微粒的粒徑非常小，所以，懸浮微粒容易經由人體的呼吸系統而進入到人體內。懸浮微粒10容易附著於人體的呼吸系統及器官，而懸浮微粒2.5則是可以直接穿透肺泡，繼而進入血管中且隨著血液循環全身，而引起過敏、氣喘、肺氣腫、肺癌、心血管疾病、肝癌、及血液疾病等；也就是說，懸浮微粒對於人體健康會造成嚴重的影響。
為了偵測大氣中的懸浮微粒，已知有如圖1所示的光學式粒子感測器。圖1為習知的光學式粒子感測器的示意圖。請參照圖1，此光學式粒子感測器100具有：內殼體110、外殼體120、濾網130、光源140以及光電二極體150。
通過空氣幫浦的運轉，使外部的空氣被抽吸到光學式粒子感測器100之內。如圖1所示，空氣160會在內殼體110與外殼體120之間的空間進行流動，並且帶動大粒徑的懸浮微粒PL 與小粒徑的懸浮微粒PM 的傳輸。繼而，藉由濾網130篩選出欲進行感測的小粒徑的懸浮微粒PM ，以進入內殼體110的內部進行檢測。
圖2是圖1的光源與光電二極體的局部放大示意圖。請同時參照圖1與圖2，光源140與光電二極體150是設置在內殼體110的內部，且光源140與光電二極體150為對向設置。
如圖2所示，小粒徑的懸浮微粒PM 的傳輸路徑會垂直通過光束142的行進路徑，而產生許多的散射光束142a。最後到達光電二極體150的光束142a’的光強度會因光散射效應而減弱，因此，光電二極體150的光電流會隨之降低，進而達成小粒徑的懸浮微粒PM 的感測作用。
隨著人們對於懸浮微粒的重視程度大幅度地提高，對於環境中的懸浮微粒進行感測的必要性也隨之提高。由於目前的懸浮微粒感測器仍有著攜帶不便、尺寸過大、難以進行整合的問題，所以，存在著：開發各種更便利的懸浮微粒感測器的強烈需求。
本發明提供一種粒子感測裝置，具有低的功率消耗(power consumption)，能夠良好地對於懸浮微粒進行感測，且能整合到各種電子設備中。
本發明還提供一種電子設備，具有上述的粒子感測裝置，而能夠容易地對於環境中的懸浮微粒進行感測。
本發明的粒子感測裝置，利用來自光源的光束，來感測懸浮微粒。粒子感測裝置包括：柱狀陣列以及感光元件。柱狀陣列位於光束的行進路徑的下游側。柱狀陣列具有多個柱狀物。相鄰的兩個柱狀物之間具有空隙。感光元件對向於柱狀陣列而設置、且位於光束的行進路徑的下游側；其中，光束的行進路徑平行於每一柱狀物的長度方向，且光束通過空隙而到達感光元件。
本發明的電子設備包括：裝置本體以及粒子感測裝置。裝置本體具有光源，該光源提供光束。粒子感測裝置電性結合於該裝置本體。粒子感測裝置利用來自光源的光束，來感測懸浮微粒。粒子感測裝置包括：柱狀陣列以及感光元件。柱狀陣列位於光束的行進路徑的下游側。柱狀陣列具有多個柱狀物。相鄰的兩個柱狀物之間具有空隙。感光元件對向於柱狀陣列而設置、且位於光束的行進路徑的下游側；其中，光束的行進路徑平行於每一柱狀物的長度方向，且光束通過空隙而到達感光元件。
在本發明的一實施例中，上述的柱狀物的材料包括：吸光材料。
在本發明的一實施例中，上述的吸光材料是選自於黑色無機材料、黑色有機材料、黑色金屬氧化物及其組合。
在本發明的一實施例中，上述的空隙的尺寸介於4微米到12微米。
在本發明的一實施例中，上述的粒子感測裝置可更包括：濾光器，位於光束的行進路徑的下游側，其中，柱狀陣列設置於濾光器與感光元件之間。
在本發明的一實施例中，上述的濾光器濾出光束中的400微米~500微米的波長範圍。
在本發明的一實施例中，上述的感光元件包括：光電二極體。
在本發明的一實施例中，上述的感光元件包括：光伏電池。
在本發明的一實施例中，上述的粒子感測裝置是被內嵌於電子設備的裝置本體中。
在本發明的一實施例中，上述的電子設備可更包括：電性連接元件。粒子感測裝置是經由電性連接元件，而外接於電子設備的裝置本體上。
基於上述，本發明的實施例的粒子感測裝置，能夠利用柱狀陣列來篩選具有待檢測尺寸的懸浮微粒，並能利用柱狀陣列吸收散射光束，進而提升感光元件的感測靈敏度。由於幾乎只有感光元件在消耗電力，所以，粒子感測裝置的功率消耗相當低。對應於感光元件的吸收波長的範圍，可以使用濾光器選定設定波長範圍的光束來進行偵測，使感光元件的感測靈敏度進一步提升。
另外，粒子感測裝置的尺寸可以做得非常小，使得粒子感測裝置能夠容易地整合到各樣的可攜式電子裝置中。如此，使用者能夠隨時對於環境中的懸浮微粒進行感測而得到懸浮微粒的濃度的數據，並可利用該數據進行後續相關的應用。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖3為本發明一實施例的粒子感測裝置的示意圖。請參照圖3，粒子感測裝置300利用來自光源200的光束210，來感測懸浮微粒。如圖3所示的光源200僅為示意用，光源200可以是任意的光源，如發光二極體背光模組、環境光源(陽光、環境中的燈光)等等，在此不予以限制。
請參照圖3，粒子感測裝置300可包括：柱狀陣列310以及感光元件320。柱狀陣列310位於光束210的行進路徑的下游側。柱狀陣列310具有多個柱狀物312。相鄰的兩個柱狀物312之間具有空隙G。感光元件320對向於柱狀陣列310而設置、且位於光束210的行進路徑的下游側；其中，光束210的行進路徑平行於每一柱狀物312的長度方向，且光束210通過空隙G而到達感光元件320。
請參照圖3，在本發明的一實施例中，柱狀物312的材料可以是吸光材料。上述的吸光材料可以是選自於黑色無機材料、黑色有機材料、黑色金屬氧化物及其組合。詳細而言，可根據光束210的波長，來選擇能夠適當地吸收該光束210的波長的材質，來作為柱狀物312的吸光材料。
再者，每一柱狀物312可具有設定的寬度W與長度L。藉由設定柱狀物312的長度L、寬度W、以及空隙G的尺寸d，例如在微米等級(micro-meter order)的尺寸，則可以使設定的粒徑範圍內的懸浮微粒進入空隙G中，使得柱狀陣列310能夠過濾掉空氣中的粒徑較大的懸浮微粒。在本發明的一實施例中，上述的空隙G的尺寸可以介於4微米到12微米。
請參照圖3，感光元件320可以是光電二極體、或是光伏電池。在一實施例中，光伏電池可以選用無機光伏電池或有機光伏電池。感光元件320可以將光訊號轉變為電訊號。感光元件320可偵測光束210經過柱狀陣列310之後的光量(光電流)變化，進而判斷空間中的懸浮微粒的濃度。
圖4為本發明又一實施例的粒子感測裝置的示意圖。在圖4中，與圖3相同的元件，標示以相同的標號，且相同的說明不予以重述。請參照圖4，在此實施例中，粒子感測裝置302可更包括：濾光器330，位於光束210的行進路徑的下游側，其中，柱狀陣列310設置於濾光器330與感光元件320之間。
請參照圖4，濾光器330可濾出光束210中的400微米~500微米的波長範圍的光束，換言之，光束210經過濾光器330之後，成為光束210a(波長範圍可為400微米~500微米)而入射到空隙G中，繼而到達感光元件320。濾光器330的功能是：能夠挑選對應於感光元件320的吸收頻譜的適當波長，同時，可藉由純化光源200以降低背景雜訊(background noise)。
圖5為本發明的一實施例的柱狀陣列的局部立體示意圖。請同時參照圖4~圖5，柱狀陣列310可支撐在感光元件320與濾光器330之間。由於柱狀物312是由強吸光材料組成，所以，當懸浮微粒進入到空隙G中而對於光束210a進行光散射作用時，柱狀物312能夠將散射光線進行充分的吸收，而避免散射光的二次反射。結果是，能減低散射光對於感光元件320的量測的干擾，而提升感測的靈敏度。
另外，柱狀陣列310可具有規律的空隙G(具有設定的尺寸d)，藉此，可用於挑選適當的懸浮微粒的粒徑大小來進行偵測；也就是說，能夠藉由柱狀陣列310的尺寸(長度L、寬度W)、空隙G的尺寸等的設定，而篩選出空氣中的對於人體有害的PM 2.5與PM 10並進行感測。
以下，將以圖4的粒子感測裝置302為例，配合圖6~圖10的相關內容，來說明本發明實施例的粒子感測裝置302的感測原理與機制。
圖6為使用圖4的粒子感測裝置進行懸浮微粒的感測的示意圖，繪示了懸浮微粒被柱狀陣列阻擋的狀態。圖7為圖6的粒子感測裝置的局部放大示意圖。請同時參照圖6與圖7，來自外界的大粒徑的懸浮微粒PL 會被柱狀陣列310所阻擋，而無法進入到空隙G中。當柱狀陣列310的空隙G內未填入懸浮微粒PL 時，光束210a能夠充分地入射到感光元件320中，被感光元件320所吸收而產生高電流。
圖8為使用圖4的粒子感測裝置進行懸浮微粒的感測的示意圖，繪示了懸浮微粒進入柱狀陣列的空隙的狀態。圖9為圖8的粒子感測裝置的局部放大示意圖。
請同時參照圖8與圖9，來自外界的小粒徑的懸浮微粒PM 會進入柱狀陣列310的空隙G中。小粒徑的懸浮微粒PM 會使光束210a進行光散射作用，而產生許多散射光束210a’，並且，散射光束210a’會朝向柱狀物312入射。由於柱狀物312是由吸光材料所構成，所以，散射光束312a’並不會產生二次反射，而不會干擾感光元件320的感測。此時，位於下方的感光元件320，將因入射光量的減少，而感測到減少的光電流。據此，可得到與小粒徑的懸浮微粒PM 相關的光電流的數值。
詳細而言，小粒徑的懸浮微粒PM 的光散射作用所造成的入射光量的損失，會正比於小粒徑的懸浮微粒PM 的濃度；因此，藉由量測出入射光量的損失的數值，再乘以換算的校正係數(單位是：「濃度/安培」)之後，就可以感測出小粒徑的懸浮微粒PM 的濃度，進一步詳細說明如下。
圖10為本發明的一實施例的粒子感測裝置的感光元件所感測的光電流的變化的曲線示意圖。如圖10所示，縱軸為感光元件所感測的光電流，橫軸為時間，曲線400A代表吸入乾淨空氣到粒子感測裝置中的狀態，曲線400B代表吸入懸浮微粒到粒子感測裝置中的狀態。
請參照圖10，在曲線400A的狀態下(乾淨空氣)，此時量測到的光電流為I0 。在曲線400B的狀態下(導入了懸浮微粒)，此時量測到的光電流為Iscattered 。由於減少的光電流的數量，會正比於懸浮微粒的濃度(density)，所以，可藉由以下的式(1)，來推算懸浮微粒的濃度。
Dparticle = c´ (I0 - Iscattered )……(1)        其中，Dparticle 是懸浮微粒的濃度        c是校正常數(濃度/安培)        I0 是在乾淨空氣的狀態時，所量測到的光電流(安培)        Iscattered 是在導入懸浮微粒的狀態時，所量測到的光電流(安培)
圖11為本發明一實施例的電子設備的示意圖。請參照圖11，電子設備500可包括：裝置本體510以及粒子感測裝置520；並且，粒子感測裝置520可以使用圖3的粒子感測裝置300、或圖4的粒子感測裝置302。關於粒子感測裝置520的詳細結構，在此不予以重述。
請同時參照圖3與圖11，裝置本體510具有光源200，該光源200提供光束210。粒子感測裝置520電性結合於該裝置本體510。可注意到，在圖11的實施例中，粒子感測裝置520是被內嵌於電子設備500的裝置本體510中。
電子設備500可以是任何可攜帶式電子裝置，如智慧型手機、平板電腦、筆記型電腦、虛擬實境顯示器、穿戴式電子裝置(如智慧手環、智慧眼鏡)等等。詳細而言，本發明實施例的粒子感測裝置520可容易整合到電子設備中，以使人們能夠容易地對於環境中的懸浮微粒進行感測，以得到懸浮微粒的濃度數據，並進行相關的應用。
例如，在穿戴式電子裝置的應用上，當使用者穿戴智慧手環到任何環境中進行活動時，智慧手環上所整合的本發明的實施例的粒子感測裝置520，可利用環境光線即時地(real time)對於該環境中的懸浮微粒的濃度進行感測，並回報感測結果給使用者。使用者在發現該環境的懸浮微粒濃度過高時，就可以馬上做出反應，如離開該環境、或戴上防護口罩等。
又如，在虛擬實境顯示器的應用上，當使用者穿戴虛擬實境顯示器處於一環境中時，虛擬實境顯示器上所整合的本發明的實施例的粒子感測裝置520，可以感測該環境中的懸浮微粒的濃度，並將該濃度的數據轉換為可見影像。使用者可以看見該環境中的懸浮微粒的虛擬樣貌(如，濃度高時，看見密集的懸浮微粒；濃度低時，則顯示清新的大自然環境等)。
請參照圖3與圖11，柱狀陣列310與感光元件320「位於光束210的行進路徑的下游側」，這是指：在電子設備500中，粒子感測裝置520不但可以直接位於電子設備500的光源200的正下方；另外，也可以透過適當的導光設計，使得電子設備500的背光模組的部分光束(餘光)傳輸到粒子感測裝置520，以進行懸浮微粒的感測，也就是說，可提升粒子感測裝置520的設計自由度。
圖12為本發明又一實施例的電子設備的示意圖。請參照圖12，電子設備502可更包括：電性連接元件530。粒子感測裝置520是經由電性連接元件530，而外接於電子設備502的裝置本體510上。電性連接元件530可以是通用串列匯流排(USB)的連接方式、或是其他適合的電性連接方式，在此不予以限制。
也就是說，如圖12所示的電子設備502，可以利用外接的方式來使用粒子感測裝置520；當不須使用粒子感測裝置520時，即可卸除該粒子感測裝置520。同樣地，粒子感測裝置520可利用環境光源進行懸浮微粒的感測，或者，也可利用導光設計以利用來自於裝置本體510的光源。藉由上述外接式的設計方式，可以大幅提升粒子感測裝置520與電子設備502之間的搭配使用的彈性度與自由度。
並且，如圖11與圖12所示的電子設備500、502中，當粒子感測裝置520的感光元件320，對於光束進行感測而產生光電流時，可利用感應線圈螺線管(Induction coil solenoid)或無線射頻識別(Radio Frequency Identification, RFID)以產生無線訊號，進而傳輸光電流的資料到裝置本體510。
本發明實施例的粒子感測裝置300、302、520能夠使用環境光源或來自電子設備的光源，幾乎僅需要供電到感光元件320，因此，具有相當低的功率消耗。並且，粒子感測裝置300、302、520能夠容易地被結合到任何可攜帶式電子裝置中，使用者可以藉由可攜帶式電子裝置(如智慧手機)而能隨時地檢測空氣中的懸浮微粒的濃度；所測得的數據亦能夠被應用在物聯網(Internet of Things, IoT)與大數據(Big data)的相關技術領域中，並藉由這些數據的解讀，可以對於大氣科學、環境科學、流行病學、環境保護、醫學等領域產生極大的貢獻。
綜上所述，本發明的粒子感測裝置以及電子設備至少具有以下的技術效果：利用柱狀陣列可篩選具有待檢測尺寸的懸浮微粒、並能利用柱狀陣列吸收散射光束，可提升感光元件的感測靈敏度。並且，粒子感測裝置的功率消耗相當低。進一步使用濾光器，可選定入射光束的波長範圍，而進一步提升感光元件的感測靈敏度。粒子感測裝置可設計成非常小的尺寸，而能夠容易地被整合到各樣的可攜式電子裝置中。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧光學式粒子感測器
110‧‧‧內殼體
120‧‧‧外殼體
130‧‧‧濾網
140‧‧‧光源
142、142a’‧‧‧光束
142a‧‧‧散射光束
150‧‧‧光電二極體
160‧‧‧空氣
200‧‧‧光源
210、210a‧‧‧光束
210a’‧‧‧散射光束
300、302‧‧‧粒子感測裝置
310‧‧‧柱狀陣列
312‧‧‧柱狀物
320‧‧‧感光元件
330‧‧‧濾光器
400A、400B‧‧‧曲線
500、502‧‧‧電子設備
510‧‧‧裝置本體
520‧‧‧粒子感測裝置
530‧‧‧電性連接元件
d‧‧‧空隙的尺寸
G‧‧‧空隙
I0 、Iscattered ‧‧‧光電流
L‧‧‧柱狀物的長度
PL ‧‧‧大粒徑的懸浮微粒
PM ‧‧‧小粒徑的懸浮微粒
W‧‧‧柱狀物的寬度
圖1為習知的光學式粒子感測器的示意圖。               圖2是圖1的光源與光電二極體的局部放大示意圖。               圖3為本發明一實施例的粒子感測裝置的示意圖。               圖4為本發明又一實施例的粒子感測裝置的示意圖。               圖5為本發明的一實施例的柱狀陣列的局部立體示意圖。               圖6為使用圖4的粒子感測裝置進行懸浮微粒的感測的示意圖，繪示了懸浮微粒被柱狀陣列阻擋的狀態。               圖7為圖6的粒子感測裝置的局部放大示意圖。               圖8為使用圖4的粒子感測裝置進行懸浮微粒的感測的示意圖，繪示了懸浮微粒進入柱狀陣列的空隙的狀態。               圖9為圖8的粒子感測裝置的局部放大示意圖。               圖10為本發明的一實施例的粒子感測裝置的感光元件所感測的光電流的變化的曲線示意圖。               圖11為本發明一實施例的電子設備的示意圖。               圖12為本發明又一實施例的電子設備的示意圖。
200‧‧‧光源
210‧‧‧光束
300‧‧‧粒子感測裝置
310‧‧‧柱狀陣列
312‧‧‧柱狀物
320‧‧‧感光元件
d‧‧‧空隙的尺寸
G‧‧‧空隙
L‧‧‧柱狀物的長度
W‧‧‧柱狀物的寬度

Claims (18)

  1. 一種粒子感測裝置，利用來自一光源的一光束，來感測一懸浮微粒，該粒子感測裝置包括：     一柱狀陣列，位於該光束的行進路徑的下游側，該柱狀陣列具有多個柱狀物，相鄰的兩個柱狀物之間具有一空隙；以及     一感光元件，對向於該柱狀陣列而設置、且位於該光束的行進路徑的下游側；     其中，該光束的行進路徑平行於每一該柱狀物的長度方向，且該光束通過該空隙而到達該感光元件。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的粒子感測裝置，其中，該柱狀物的材料包括：吸光材料。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的粒子感測裝置，其中，該吸光材料是選自於黑色無機材料、黑色有機材料、黑色金屬氧化物及其組合。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的粒子感測裝置，其中，該空隙的尺寸介於4微米到12微米。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的粒子感測裝置，更包括：一濾光器，位於該光束的行進路徑的下游側，其中，該柱狀陣列設置於該濾光器與該感光元件之間。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的粒子感測裝置，其中，該濾光器濾出該光束中的400微米~500微米的波長範圍。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的粒子感測裝置，其中，該該感光元件包括：光電二極體。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的粒子感測裝置，其中，該感光元件包括：光伏電池。
  9. 一種電子設備，包括：     一裝置本體，具有一光源，該光源提供一光束；以及     一粒子感測裝置，電性結合於該裝置本體，該粒子感測裝置利用來自該光源的該光束，來感測一懸浮微粒，該粒子感測裝置包括：         一柱狀陣列，位於該光束的行進路徑的下游側，該柱狀陣列具有多個柱狀物，相鄰的兩個柱狀物之間具有一空隙；以及         一感光元件，對向於該柱狀陣列而設置、且位於該光束的行進路徑的下游側；         其中，該光束的行進路徑平行於每一該柱狀物的長度方向，且該光束通過該空隙而到達該感光元件。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的電子設備，其中，該柱狀物的材料包括：吸光材料。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的電子設備，其中，該吸光材料是選自於黑色無機材料、黑色有機材料、黑色金屬氧化物及其組合。
  12. 如申請專利範圍第9項所述的電子設備，其中，該空隙的尺寸介於4微米到12微米。
  13. 如申請專利範圍第9項所述的電子設備，其中，該粒子感測裝置更包括：一濾光器，位於該光束的行進路徑的下游側，其中，該柱狀陣列設置於該濾光器與該感光元件之間。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的電子設備，其中，該濾光器濾出該光束中的400微米~500微米的波長範圍。
  15. 如申請專利範圍第9項所述的電子設備，其中，該感光元件包括：光電二極體。
  16. 如申請專利範圍第9項所述的電子設備，其中，該感光元件包括：光伏電池。
  17. 如申請專利範圍第9項所述的電子設備，其中，該粒子感測裝置是被內嵌於該電子設備的該裝置本體中。
  18. 如申請專利範圍第9項所述的電子設備，更包括：一電性連接元件，該粒子感測裝置是經由該電性連接元件，而外接於該電子設備的該裝置本體上。
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