TW201913083A - 光學式微粒子偵測器 - Google Patents
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Abstract
一種光學式微粒子偵測器，包括一光源、一氣體流道以及多個光學偵測器。光源用以產生一光束。氣體流道具有至少一彎曲段，彎曲段具有一入光口與多個出光口，其中來自光源的光束經由入光口進入氣體流道中。多個光學偵測器分別光耦接至這些出光口。
Description
本發明是有關於一種微粒子偵測器，且特別是有關於一種光學式微粒子偵測器。
近年來，細懸浮微粒(簡稱PM2.5)污染成為了世界上重大的環境汙染問題，長期暴露下會提高發生肺癌、中風、心臟疾病、慢性呼吸疾病、呼吸道感染與哮喘等疾病，因此對人體健康有顯著的影響。現有的PM2.5偵測器有測重式偵測器與光學式偵測器等。
然而，測重式偵測器的儀器體積都過於龐大或是較為昂貴。光學式偵測器的準確率不夠高，且無法與晶片直接做整合，並且需要依靠風扇提供進氣。
本發明提供一種微粒子偵測器，具有較小的體積及較高的量測準確率。
本發明的一實施例提出一種光學式微粒子偵測器，包括一光源、一氣體流道以及多個光學偵測器。光源用以產生一光束。氣體流道具有至少一彎曲段，彎曲段具有一入光口與多個出光口，其中來自光源的光束經由入光口進入氣體流道中。多個光學偵測器分別光耦接至這些出光口。
基於上述，在本發明的實施例的光學式微粒子偵測器中，由於氣體流道具有至少一彎曲段，因此光束打中微粒子後往側向散射的光也可以有效地被設置於側向的光學偵測器偵測。此外，氣體流道的彎曲段為彎曲設計，因此可擺置較多的光學偵測器，且彎曲設計也縮短了設置於側向的光學偵測器與微粒子之間的距離，使往側向散射的光束在到達側向的出光口前，較不易再打中其他微粒子而影響量測的準確率。如此一來，本發明的實施例的光學式微粒子偵測器可提高量測的準確率。
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1為本發明的一實施例之光學式微粒子偵測器的上視示意圖。為求清晰，圖1僅示意性地繪示光學式微粒子偵測器的部分構件。請參考圖1，本實施例的光學式微粒子偵測器100包括一光源110、一氣體流道120以及多個光學偵測器130。光源110用以產生一光束112。氣體流道120具有至少一彎曲段122，彎曲段122具有一入光口I與多個出光口O，光源110與入光口I之間具有一光通道111，其中來自光源110的光束112經由光通道111到達入光口I並進入氣體流道120中。多個光學偵測器130分別光耦接至這些出光口O。在本實施例中，光學式微粒子偵測器100更包括多個光通道140。這些光通道140分別光耦接於光學偵測器130與氣體流道120的出光口O之間，且這些光通道140呈放射狀延伸。當來自光源110的光束112經由入光口I進入氣體流道120後，若光束112打中微粒子MP，此時會發生米式散射（Mie scattering），使光束112’往不同方向散射。然後，往不同方向散射的光束112’分別經由多個出光口O進入對應的光通道140中，並且入射至光學偵測器130。在本實施例中，光源110可為雷射，也可為發光二極體（Light-emitting diode，LED）。光學偵測器130可為光電二極體（例如磷砷化鎵光電二極體（GaAsP photodiode）或矽P型-本質-N型光電二極體（Silicon P-intrinsic-N photodiode, Silicon PIN phtodiode））、光電晶體（phototransistor）或其他光檢測器（photo detector）。
在本實施例中，由於氣體流道120具有彎曲段122，且彎曲段122具有多個出光口O分別光耦接至多個光學偵測器130，因此光束112打中位於彎曲段122的微粒子MP後，除了往光束112行經方向散射的光束112’可被光學偵測器130偵測以外，往側向散射的光束112’也可以有效地被設置於側向的光學偵測器130偵測。再者，氣體流道120的彎曲段122為彎曲設計，因此可擺置較多的光學偵測器130，且彎曲設計也縮短了設置於側向的光學偵測器130與微粒子MP之間的距離，使往側向散射的光束112’在到達側向的出光口O前，較不易再打中其他微粒子而影響量測的準確率。如此一來，光學式微粒子偵測器100的量測準確率可有效地被提升。
在本實施例中，氣體流道120的彎曲段122更具有一第一側壁122a與一第二側壁122b。第一側壁122a與第二側壁122b相對，且入光口I位於第一側壁122a與第二側壁122b其中之一，出光口O位於第一側壁122a與第二側壁122b其中之一。圖1中所繪示的是入光口I位於第一側壁122a，而出光口O位於第二側壁122b。在其他實施例中（未繪示），也可以是入光口I位於第二側壁122b，出光口O位於第一側壁122a。又或者是，入光口I位於第一側壁122a或第二側壁122b，部分出光口O位於第一側壁122a，另一部分出光口O位於第二側壁122b，然本發明不以此為限。
圖2為本發明的一實施例之光學式微粒子偵測器的上視示意圖。請參照圖2，光學式微粒子偵測器200與圖1的光學式微粒子偵測器100大致上相同，其主要差異在於光學式微粒子偵測器200的光通道240較短，因此光學偵測器130較靠近出光口O的位置，使光束112’ 入射至光學偵測器130前所行經的距離較短，避免光束112’在行進過程中損失。
圖3為本發明的一實施例之光學式微粒子偵測器的上視示意圖。請參照圖3，光學式微粒子偵測器300與圖1的光學式微粒子偵測器100大致上相同，其主要差異在於光學式微粒子偵測器300的各個光通道140內含一光波導142。光波導142設置於光通道140內且沿著光通道140的延伸方向延伸。由於光通道140內含光波導142，可避免光束112’在行經光通道140的途中損失。在本實施例中，光波導142的材料例如是光阻（如SU-8光阻）或其他對光束112’而言為透光或透明的材料。
圖4為本發明的一實施例之光學式微粒子偵測器的上視示意圖。請參照圖4，光學式微粒子偵測器400與圖3的光學式微粒子偵測器300大致上相同，其主要差異在於光波導142在靠近氣體流道120的一側具有一入光面142a，且入光面142a位於光通道140內，並與其對應的出光口O保持距離。請同時參照圖3和圖4。在圖3所示的光學式微粒子偵測器300中，光波導142的入光面142a位於其對應的出光口O處，因此由任何角度入射的光束112’皆可入射至光波導142。在圖4所示的光學式微粒子偵測器400中，光波導142的入光面142a位於光通道140內，且與其對應的出光口O保持距離，因此只有接近平行於光通道140的延伸方向入射的光束112’可以入射至光波導142，而其他角度入射的光束112’則無法入射至光波導142。因此，可避免其他角度入射的光束干擾量測的準確率。
圖5為本發明的一實施例之光學式微粒子偵測器的上視示意圖。請參照圖5，光學式微粒子偵測器500與圖4的光學式微粒子偵測器400大致上相同，其主要差異在於光學式微粒子偵測器500的光波導142在靠近氣體流道120的一側具有一聚焦透鏡150，且聚焦透鏡150與光波導142為一體成型。
圖6為本發明的一實施例之光學式微粒子偵測器的上視示意圖。請參照圖6，光學式微粒子偵測器600與圖4的光學式微粒子偵測器400大致上相同，其主要差異在於光學式微粒子偵測器400的氣體流道120的彎曲段122呈轉180度的圓弧形（如圖4所示），而光學式微粒子偵測器600的氣體流道120的彎曲段622呈轉90度的圓弧形（如圖6所示）。在本實施例中，較佳地，出光口O在彎曲段622內的設置範圍不超過切面A與第二側壁122b的交會處，其中切面A是以入光口I為切點的切面。換言之，出光口O在彎曲段622內的設置範圍在切面A與第二側壁122b的交會處之間。
圖7為本發明的一實施例之光學式微粒子偵測器的上視示意圖。請參照圖7，光學式微粒子偵測器700的氣體流道120的彎曲段722為多個相接的彎曲段722a（圖7是以兩個彎曲段722a為例），且相鄰的彎曲段722a的彎曲方向彼此不同。在本實施例中，光學式微粒子偵測器700的部份光通道140可內含光波導142，而另一部份光通道140可不內含光波導142。在其他實施例中，或者所有光通道140都內含光波導142，或者所有光通道140都不內含光波導142。
圖8A為本發明的一實施例之光學式微粒子偵測器的上視示意圖。請參照圖8A，光學式微粒子偵測器800a與圖4的光學式微粒子偵測器400大致上相同，其主要差異在於光學式微粒子偵測器800a的光波導842呈彎曲狀，使光學偵測器130可鄰近基板10的邊緣設置，且光學式微粒子偵測器800a更包括一加熱線圈160，設置於氣體流道120中或旁。詳細而言，由於光波導可利用全反射原理來傳導光束，因此光波導不受限於直線型設計，且光束在光波導的傳導過程中不易造成光損失，因此光波導可延伸至較遠的位置。換言之，光波導842可呈彎曲狀，並且可依照晶片的大小來配置光學偵測器130的位置，使設計的彈性度增加。進一步而言，由於光學偵測器130可配置在基板10的邊緣，因此不需複雜的接線即可將光學偵測器130接合至外部線路，有利於晶片之整合。此外，在本實施例中，加熱線圈160設置在靠近氣體流道120的氣體出口120b處，用以加熱流經氣體流道120之氣體，使氣體受熱後往位置較高的氣體出口120b流出，來達到氣體對流之目的，以使氣體加速流入氣體入口120a。在其他實施例中，加熱線圈160也可以設置在靠近氣體流道120的氣體入口120a處，使氣體受熱後往位置較高的氣體出口120b流動，以使氣體加速流入氣體入口120a。相較於傳統使用風扇而言，加熱線圈160具有較小的體積以及較易於整合在基板上之優點。
圖8B為本發明的一實施例之光學式微粒子偵測器的上視示意圖。請參照圖8B，光學式微粒子偵測器800b與圖8A的光學式微粒子偵測器800a大致上相同，其主要差異在於光學式微粒子偵測器800b的加熱線圈160設置於對應於入光口I的氣體流道120處的下方附近且貼於氣體流道120的底面。舉例而言，可於氣體流道120的彎曲段122中靠近氣體入口120a的一側的下方設置一加熱線圈160a，且加熱線圈160a貼於氣體流道120的底面。或者，也可於氣體流道120的彎曲段122中靠近氣體出口120b的一側的下方設置一加熱線圈160b，且加熱線圈160b貼於氣體流道120的底面。
由於光波導可彎曲，因此亦可使用軟板來做為基板。此外，在本發明的實施例中，藉由晶片整合將可進一步縮小光學式微粒子偵測器的體積。
圖9為本發明的一實施例之光學式微粒子偵測器的立體圖。圖10為圖9中沿著剖面E的剖面圖。圖11為圖9中沿著L-L’線的剖面圖。請同時參照圖9、圖10以及圖11，光學式微粒子偵測器900與圖8的光學式微粒子偵測器800大致上相同，於此不再贅述。在本實施例中，光學式微粒子偵測器900可包括一披覆層170，其中氣體通道120以及光通道140形成於披覆層170之中。此外，光源110與氣體流道120之間的光通道111亦形成於披覆層170之中，其中光通道111也可內含光波導111a。在本實施例中，披覆層170的材料例如是聚甲基丙烯酸甲酯（Poly(methyl methacrylate)，PMMA）。如圖10所示，在垂直於光通道的延伸方向的剖面E上，光通道140以及光波導142包覆於披覆層170之中。在本實施例中，光學式微粒子偵測器900可包括一遮光蓋板20與一絕緣層190（繪示於圖11）。遮光蓋板20設置於光源110、氣體流道120、光通道140以及光學偵測器130之上。絕緣層190設置於氣體流道120以及光通道140之上，且位於遮光蓋板20之下。
圖12為圖9中沿著L-L’線的另一樣態的剖面圖，請同時參照圖11與圖12。如圖11所示，光學式微粒子偵測器900的光源110與光學偵測器130可以設置於基板10上。氣體流道120、光通道140與光波導142設置於基板10之上。如圖12所示，光學式微粒子偵測器900的光源110與光學偵測器130也可以設置於基板10中，也就是光源110與光學偵測器130可內埋於基板10。氣體流道120、光通道140與光波導142設置於基板10之上。
請再參照圖12，在本實施例中，光波導142在遠離氣體流道120的一側具有一傾斜側面142b來做為光反射面，使光波導142不需與光學偵測器130直接連接，即可藉由傾斜側面142b將光束112’ 反射至光學偵測器130。因此氣體流道120、光通道140與光波導142可設置於基板10之上，而不需埋設於基板10之中，其製作方式較為簡易。
圖13為圖9中沿著L-L’線的又一樣態的剖面圖。請參照圖13，遮光蓋板20與氣體流道120之間具有一空間S，氣體流道120的頂部是開放的，且與空間S相通。在本實施例中，加熱線圈的位置可如同圖8B的加熱線圈160的位置，是設置於對應於入光口I的氣體流道120處的下方附近且貼於氣體流道120的底面，使流經氣體流道120的氣體受熱後往空間S流動，亦可達到氣體對流的目的。
圖14為本發明的一實施例之光學式微粒子偵測器的結構示意圖。光學式微粒子偵測器1000包括一處理器1200，電性連接至光學偵測器130，其中處理器1200根據光學偵測器130偵測到氣體流道120中的多個微粒子MP所散射的光束112’，而計算出這些微粒子MP的濃度。在本實施例中，光學式微粒子偵測器1000也可以包括一放大器電路1100，電性連接於處理器1200與光學偵測器130之間，用以放大來自光學偵測器130的電訊號，並將放大後的電訊號傳送至處理器1200。
在一實施例中，處理器1200例如為中央處理單元（central processing unit, CPU)、微處理器（microprocessor）、數位訊號處理器（digital signal processor, DSP）、可程式化控制器、可程式化邏輯裝置（programmable logic device, PLD）或其他類似裝置或這些裝置的組合，本發明並不加以限制。此外，在一實施例中，處理器1200的各功能可被實作為多個程式碼。這些程式碼會被儲存在一個記憶體中，由處理器1200來執行這些程式碼。或者，在一實施例中，處理器1200的各功能可被實作為一或多個電路。本發明並不限制用軟體或硬體的方式來實作處理器1200的各功能。
綜上所述，本發明的實施例的光學式微粒子偵測器中，由於氣體流道具有至少一彎曲段，因此光束打中微粒子後往側向散射的光也可以有效地被設置於側向的光學偵測器偵測。再者，氣體流道的彎曲段為彎曲設計，因此可擺置較多的光學偵測器，且彎曲設計也縮短了設置於側向的光學偵測器與微粒子之間的距離，使往側向散射的光束在到達側向的出光口前，較不易再打中其他微粒子而影響量測的準確率。此外，光波導的入光面位於光通道內，且與其對應的出光口保持距離，因此只有接近平行於光通道的延伸方向入射的光束可以入射至光波導，可避免其他角度入射的光束干擾量測的準確率。如此一來，本發明的實施例的光學式微粒子偵測器可提高量測的準確率。
本發明的實施例的光學式微粒子偵測器中，由於光波導可利用全反射原理來傳導光束，因此光波導可呈彎曲狀，且光束在光波導的傳導過程中不易造成光損失，因此光波導可延伸至較遠的位置，使光學偵測器可鄰近基板的邊緣設置，因此不需複雜的接線即可將光學偵測器接合至外部線路，有利於晶片之整合。此外，配合加熱線圈設置於氣體流道中或旁，以取代風扇來使氣體對流。如此一來，本發明的實施例的光學式微粒子偵測器較易於整合在同一晶片上且可縮減體積大小。
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。
10‧‧‧基板
100、200、300、400、500、600、700、800a、800b、900、1000‧‧‧光學式微粒子偵測器
110‧‧‧光源
111、140、240‧‧‧光通道
112、112’‧‧‧光束
120‧‧‧氣體流道
120a‧‧‧氣體入口
120b‧‧‧氣體出口
122、722、722a‧‧‧彎曲段
122a‧‧‧第一側壁
122b‧‧‧第二側壁
130‧‧‧光學偵測器
111a、142、842‧‧‧光波導
142a‧‧‧入光面
142b‧‧‧傾斜側面
150‧‧‧聚焦透鏡
160、160a、160b‧‧‧加熱線圈
170‧‧‧披覆層
190‧‧‧絕緣層
20‧‧‧遮光蓋板
1100‧‧‧放大器電路
1200‧‧‧處理器
I‧‧‧入光口
O‧‧‧出光口
MP‧‧‧微粒子
A‧‧‧切面
E‧‧‧剖面
L-L’‧‧‧剖線
S‧‧‧空間
圖1為本發明的一實施例之光學式微粒子偵測器的上視示意圖。 圖2為本發明的一實施例之光學式微粒子偵測器的上視示意圖。 圖3為本發明的一實施例之光學式微粒子偵測器的上視示意圖。 圖4為本發明的一實施例之光學式微粒子偵測器的上視示意圖。 圖5為本發明的一實施例之光學式微粒子偵測器的上視示意圖。 圖6為本發明的一實施例之光學式微粒子偵測器的上視示意圖。 圖7為本發明的一實施例之光學式微粒子偵測器的上視示意圖。 圖8A為本發明的一實施例之光學式微粒子偵測器的上視示意圖。 圖8B為本發明的一實施例之光學式微粒子偵測器的上視示意圖。 圖9為本發明的一實施例之光學式微粒子偵測器的立體圖。 圖10為圖9中沿著剖面E的剖面圖。 圖11為圖9中沿著L-L’線的剖面圖。 圖12為圖9中沿著L-L’線的另一樣態的剖面圖。 圖13為圖9中沿著L-L’線的又一樣態的剖面圖。 圖14為本發明的一實施例之光學式微粒子偵測器的結構示意圖。
Claims (22)
- 一種光學式微粒子偵測器，包括： 一光源，用以產生一光束； 一氣體流道，具有至少一彎曲段，該彎曲段具有一入光口與多個出光口，其中來自該光源的該光束經由該入光口進入該氣體流道中；以及 多個光學偵測器，分別光耦接至該些出光口。
- 如申請專利範圍第1項所述的光學式微粒子偵測器，其中該氣體流道的該彎曲段更具有一第一側壁與一第二側壁，該第一側壁與該第二側壁相對，且該入光口位於該第一側壁與該第二側壁其中之一，該些出光口位於該第一側壁與該第二側壁其中之一。
- 如申請專利範圍第2項所述的光學式微粒子偵測器，其中該些出光口在該彎曲段內的設置範圍在以該入光口為切點的一切面與該第二側壁的交會處之間。
- 如申請專利範圍第1項所述的光學式微粒子偵測器，其中該氣體流道的該至少一彎曲段呈圓弧形。
- 如申請專利範圍第1項所述的光學式微粒子偵測器，其中該氣體流道的該至少一彎曲段為多個相接的彎曲段，且相鄰的彎曲段的彎曲方向彼此不同。
- 如申請專利範圍第1項所述的光學式微粒子偵測器，更包括多個光通道，該些光通道分別光耦接於該些光學偵測器與該氣體流道的該些出光口之間。
- 如申請專利範圍第6項所述的光學式微粒子偵測器，其中該些光通道呈放射狀延伸。
- 如申請專利範圍第6項所述的光學式微粒子偵測器，更包括一披覆層，其中該氣體通道以及該些光通道形成於該披覆層之中。
- 如申請專利範圍第6項所述的光學式微粒子偵測器，更包括一絕緣層，該絕緣層設置於該氣體流道以及該些光通道之上。
- 如申請專利範圍第6項所述的光學式微粒子偵測器，其中各該光通道內含一光波導，該光波導設置於該光通道內且沿著該光通道的延伸方向延伸。
- 如申請專利範圍第10項所述的光學式微粒子偵測器，其中該光波導呈彎曲狀。
- 如申請專利範圍第10項所述的光學式微粒子偵測器，其中該光波導在靠近該氣體流道的一側具有一入光面，且該入光面位於該光通道內，且與其對應的出光口保持距離。
- 如申請專利範圍第10項所述的光學式微粒子偵測器，其中該光波導在靠近該氣體流道的一側具有一聚焦透鏡，且該聚焦透鏡與該光波導為一體成型。
- 如申請專利範圍第10項所述的光學式微粒子偵測器，其中該光波導在遠離該氣體流道的一側具有一傾斜側面。
- 如申請專利範圍第1項所述的光學式微粒子偵測器，其中該光源為一雷射或一發光二極體。
- 如申請專利範圍第1項所述的光學式微粒子偵測器，更包括一加熱線圈，該加熱線圈設置於該氣體流道中或旁。
- 如申請專利範圍第1項所述的光學式微粒子偵測器，更包括一基板，其中該光源、該氣體流道以及該些光學偵測器皆設置於該基板上。
- 如申請專利範圍第17項所述的光學式微粒子偵測器，其中該些光學偵測器鄰近該基板的邊緣。
- 如申請專利範圍第1項所述的光學式微粒子偵測器，更包括一基板，其中該氣體流道設置於該基板上，且該光源與該些光學偵測器設置於該基板中。
- 如申請專利範圍第19項所述的光學式微粒子偵測器，其中該些光學偵測器鄰近該基板的邊緣。
- 如申請專利範圍第1項所述的光學式微粒子偵測器，更包括一遮光蓋板，該遮光蓋板設置於該光源、該氣體流道、該些光通道以及該些光學偵測器之上。
- 如申請專利範圍第21項所述的光學式微粒子偵測器，其中該遮光蓋板與該氣體流道之間具有一空間，該氣體流道的頂部是開放的，且與該空間相通。
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