TWI550267B - 感測吹管的製作方法 - Google Patents

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陳冠文
王緯翰
吳忠軒
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國立清華大學
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Description

感測吹管的製作方法
本發明是有關於一種感測吹管及其製作方法、及呼氣檢測系統及其使用方法,特別是指一種用於檢測一待測氣體之感測吹管及其製作方法、及呼氣檢測系統及其使用方法。
目前呼氣檢測系統主要有二種方式收集一氣體並檢測該氣體,分別為EBC(Exhaled breath condensate)及GEB(Gaseous exhaled breath)。
EBC檢測方式主要是先使用一搜集瓶採集一受測者所吐出的一待測氣體持續地通過一冷凝器,該待測氣體經該冷凝器冷凝後,再進入一氣體分析儀器中,以分析該待測氣體的成份。
EBC檢測方式的優點為該呼氣檢測系統攜帶方便,缺點是需花費較多的時間冷凝該氣體。
GEB檢測方式主要是一受測者先在一氣體收集瓶中吐氣以收集一待測氣體,接著,將該氣體收集瓶中的待測氣體導入一氣相沈積質譜分析儀(GC-MS)中,以分析氣體成份。
GEB檢測方式的優點為高解析度及高靈敏度,缺點在於:難以有效率地即時得知檢測結果、氣相沈積質譜分析儀的造價高昂且體積過於龐大、必須事先搜集大量受測者所吹出的待測氣體,及該氣相沈積質譜分析儀須為專業的分析師進行分析而不適合量產等缺點。
有鑑於上述之目前二種呼氣檢測系統都還有缺點待改善,所屬技術領域的研究人員也在發展更適合的呼氣檢測系統。
因此,本發明之目的,即在提供一種適用於呼吸感測系統的感測吹管。
又,本發明之另一目的,即在提供一種感測吹管的製作方法。
另,本發明之另一目的,即在提供一種呼吸感測系統。
另,本發明之另一目的,即在提供一種呼吸感測系統的使用方法。
於是,本發明的感測吹管,供一使用者吹一待測氣體,包含一感測段、一圖案化電路層,及一條狀的奈米線。
該感測段以絕緣及具有可撓性的材料所製成,並包括供該待測氣體流通的一氣體流道。
該圖案化電路層設置於該感測段並位於該氣體流道上,包括一對電極對,該電極對具有二個間隔相對的 電極,每一電極具有一成預定夾角且朝向另一電極的尖端部。
該奈米線連接該電極對之二個電極的尖端部,使得該電極對的該二個電極藉由該奈米線而電連接。
當該待測氣體流通該感測段的該氣體流道時,該奈米線接觸該待測氣體。
又,本發明感測吹管的製作方法,包含:(a)於一基板上設置一組電極組,該電極組具有二個電極部,每一電極部具有一朝向另一電極部的圓弧區;(b)於一溶劑中分散一奈米材料,以形成一混合液,該奈米材料包括多數成條狀的奈米線,及多數成團的奈米線團;利用介電泳法並配合該電極組,使得該混合液中的該等奈米線團吸附於該電極組,以移除該等奈米線團,而得到一介電泳液;於一由絕緣及可撓性材料所構成的基板上沈積一圖案化電路層,該圖案化電路層具有至少一對電極對,該電極對具有二個電極,每一電極具有一朝向另一電極之具有預定角度的尖端部:利用介電泳法並配合該圖案化電極層之該電極對,使得該介電泳液的該等奈米線的其中之一者的兩端分別連接每一該等電極之該尖端部;移除該介電泳液;及捲曲該絕緣基板,以界定一供外界的一待測氣體通過時接觸該奈米線的一氣體流道。
又,本發明呼氣檢測系統,接受一待測氣體,並轉換為一電訊號,其包含一載台、一感測吹管、一電路裝置,及一人機界面裝置。
該感測吹管設置於該載台上,包括,一感測段、一圖案化電路層,及一條狀的奈米線。該感測段以絕緣及具有可撓性的材料所製成,並包括一供該待測氣體流通的一氣體流道。該圖案化電路層設置於該感測段並位於該氣體流道上,包括一對電極對,該電極對具有二個間隔相對的電極,每一電極具有一成預定角度且朝向另一電極的尖端部,及一相反於該尖端部的對外端部。該奈米線連接該電極對之二電極的尖端部,使得該電極對的該等電極藉由該奈米線而電連接,並供該待測氣體通過。
該電路裝置設置於該載台上,並與該電極對之該二電極的對外端部電連接,用以得到一經該奈米線的一阻抗值轉換所產生的該電訊號。
該人機界面裝置設置於該載台上,並耦接該電路裝置,用以顯示該電訊號。
當該待測氣體流通該感測段的該氣體流道時,該奈米線接觸該待測氣體,該電路裝置得到該電訊號,並顯示於該人機界面裝置。
再者,本發明呼氣檢測系統的使用方法,用以檢測一待測氣體的一阻抗變化,以得到一電訊號,該呼氣檢測系統的使用方法包含:(a)將該待測氣體通入設置於一載台上的一感測吹管的一氣體流道,使該感測氣體接觸一連接該感測吹管之一電極對之二電極的尖端部的奈米線;(b)利用設置於該載台上的一電路裝置量測該奈米線的一阻抗變化值,並轉換成為一電訊號;及(c)利用設置於 該載台上的一人機界面裝置顯示該電訊號。
10‧‧‧感測吹管
11‧‧‧感測段
111‧‧‧氣體流道
12‧‧‧圖案化電路層
121‧‧‧電極對
122‧‧‧電極
123‧‧‧尖端部
124‧‧‧對外端部
θ‧‧‧預定夾角
13‧‧‧奈米線
14‧‧‧穩流段
X‧‧‧方向
31‧‧‧步驟
32‧‧‧步驟
33‧‧‧步驟
34‧‧‧步驟
35‧‧‧步驟
36‧‧‧步驟
37‧‧‧步驟
4‧‧‧電極組
41‧‧‧電極部
411‧‧‧圓弧區
5‧‧‧奈米線團
61‧‧‧載台
62‧‧‧電路裝置
63‧‧‧人機界面裝置
71‧‧‧步驟
72‧‧‧步驟
73‧‧‧步驟
本發明之其他的特徵及功效,將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現,其中:圖1是一示意圖,說明本發明感測吹管的一實施例;圖2是一局部示意圖,說明本發明感測吹管的該實施例;圖2是一立體示意圖,說明本發明感測吹管的該實施例;圖3是一流程圖,說明本發明感測吹管的製作方法;圖4是一示意圖,說明本發明感測吹管的製作方法的一實施例;圖5是一示意圖,說明本發明感測吹管的製作方法的該實施例一步驟31的一組電極組;圖6是一示意圖,說明本發明感測吹管還具有一穩流段的態樣;圖7是一立體示意圖,說明本發明具有感測吹管的呼氣檢測系統的一實施例;圖8是一局部示意圖,說明本發明具有感測吹管的呼氣檢測系統的該實施例;圖9是一流程圖,說明本發明具有感測吹管的呼氣檢測系統的該實施例的使用方法;圖10是二氧化鈦奈米線於照射不同強度UV光的阻抗值變化圖; 圖11是一不同種類的待測氣體之濃度對阻抗變化圖;圖12是一顯微鏡放大圖,說明未經本發明感測吹管之製作方法的步驟33過濾的二氧化鈦介電泳溶液;圖13是一顯微鏡放大圖,說明經本發明感測吹管之製作方法的步驟33過濾的二氧化鈦介電泳溶液;圖14是一顯微鏡放大圖,說明未經本發明感測吹管之製作方法的步驟33過濾的奈米材料連接一電極對的二電極的尖端部;圖15是一顯微鏡放大圖,說明經本發明感測吹管之製作方法的步驟33過濾的奈米材料連接一電極對的二電極的尖端部;圖16是一介電泳液的流速對連接於該二方形電極部間的奈米材料數目圖;圖17是以一銀奈米線作為本發明呼氣檢測系統之奈米線的溫度對阻抗圖;及圖18是以該銀奈米線作為本發明呼氣檢測系統之奈米線的一待測氣體流速對阻抗圖。
在本發明被詳細描述之前,應當注意在以下的說明內容中,類似的元件是以相同的編號來表示。
參閱圖1、圖2及圖3,本發明感測吹管的較佳實施例供一使用者吹一待測氣體,並包含一感測段11、一圖案化電路層12,及一條狀的奈米線13。
該感測段11以絕緣及具有可撓性的材料所製成 ,並包括供該待測氣體流通的一氣體流道111。在該較佳實施例中,該感測段11是絕緣的高分子可撓性材料。
該圖案化電路層12設置於該感測段11上,並包括一對電極對121。該電極對121具有二個間隔相對的電極122。每一電極122具有成一預定夾角θ且朝向另一電極122的一尖端部123。較佳地,該圖案化電路層12的每一該等電極122的尖端部123具有一成90°的預定夾角θ。該圖案化電路層12以鈦及金所構成;更詳細地,該圖案化電路層12是於該感測段11上依序疊置鈦及金,以令金可透過鈦而穩定地連接該感測段11。在該實施例中,該二電極122的尖端部123間的間距為20μm。
該奈米線13連接該電極對121之二電極122的尖端部123,使得該電極對121的該等電極122藉由該奈米線13而電連接。該奈米線13為二氧化鈦奈米線或銀奈米線。
當該待測氣體自一方向x流通該感測段11的該氣體流道111時,該奈米線13接觸該待測氣體。
以下說明本發明感測吹管之製作方法的實施例。
參閱圖4、圖5,首先,進行一步驟31,於一基板上設置至少一組電極組4,該電極組4具有二個電極部41,每一電極部41具有一朝向另一電極部41的圓弧區411。在該實施例中,是有二組以上的電極組4,並繪示出二組電極組4以表示之。
接著,進行一步驟32,於一溶劑中分散一奈米材料,以形成一混合液,該奈米材料包括多數成條狀的奈米線,及多數成團的奈米線團。
繼續,進行一步驟33,利用介電泳法並配合該電極組4,使得該混合液中的該等奈米線團吸附於每一該等電極組4,以移除該混合液中的該等奈米線團5,留下該等奈米線,而得到一介電泳液。更詳細地說,該等奈米線團透過連接於每一該等電極組4的電極部41的圓弧區411而被自該混合液中過濾出來。
參閱圖2、圖3及圖4,繼續,進行一步驟34,於一由絕緣及具有可撓性的材料所構成的基板上沈積一圖案化電路層12,該圖案化電路層12具有至少一對電極對121,該電極對具有二個電極122,每一電極122具有一朝向另一電極122之具有預定夾角θ的一尖端部123。
繼續,進行一步驟35,利用介電泳法並配合該圖案化電極層12之該電極對121,使得該介電泳液的該等奈米線13的其中之一者的兩端分別連接每一該等電極122之該尖端部123。
接著,進行一步驟36,移除該介電泳液。
最後,進行一步驟37,捲曲該基板,以界定一供外界的一待測氣體自一方向x通過時接觸該奈米線13的一氣體流道111,即可完成具有該感測段11之感測吹管的製備。
在該步驟32中,該奈米材料以二氧化鈦或銀所 構成。當該奈米材料為二氧化鈦時,該溶劑可為乙醇。
在該步驟33中,該介電泳液具有於一不小於1μL/min且不大於20μL/min的流速。
在該步驟34中,該圖案化電路層12的每一該等電極的尖端部具有一成90°的預定夾角θ。
此外,要說明的是,因為人體呼氣是一個連續且動態的流速曲線,且呼氣曲線與流速大小因人而異。根據美國胸科學會/歐洲呼吸病學會(ATS/ERS)所制定的肺功能測定判讀標準,健康人體呼(吸)氣之正常的呼氣流速範圍約為0~8L/s左右、呼氣容積約為4~5L左右。而人體呼氣的動態流速則是呼氣感測吹管設計的關鍵,因為此動態流速會影響吹管內氣流的流場分布情況。而圓管管流的流動型態一般可用雷諾數加以確定。雷諾數較小時,流體流動穩定,為層流;反之,若雷諾數較大時,流體流動較不穩定,易形成紊亂、不規則的紊流流場。
一般而言,管流流速在1L/s以上時雷諾數皆已大於4000,顯示,在人體連續呼氣的動態曲線範圍內,除了低流速(約1L/s內)的部分有機會成為穩定的層流之外,其餘高流速的範圍皆是不穩定的紊流流場,而不穩定的紊流容易會降低感測器的感測靈敏度,因此,為了讓在感測吹管內的感測氣體不論是氣體濃度、流速、溫度或濕度的量測過程中,都希望是處於較穩定的流場環境,才不會有能量的增加或散失等情況造成氣體感測結果的誤差。因此,為了讓進到該感測段11的氣流穩定,本發明該感 測吹管也可以如圖6所示,具有一感測段11,及一穩流段14。
其中,該圖案化電路層12與該奈米線13為設置在該感測段11並位於該氣體流道111上,該穩流段11與該感測段14的該氣體流道111連通並朝向遠離該圖案化電路層12延伸。利用該穩流段14的設置,可讓該待測氣體先經由穩流段14形成一穩定的層流後再進入該感測段11,以減少感測誤差。
當該感測吹管為具有該穩流段14時,可以是在該步驟34,即選擇一具有與該感測段11及該穩流段14的預定長度相當的基板100,因此,在完成該步驟37,將該基板100捲曲後,即可得到同時具有該感測段11及穩流段14的感測吹管。或是,也可將該穩流段14獨立製作,如此,可在完成具有該感測段11的該感測吹管的製備後,再將該穩流段14與該感測段11連接即可。
一般而言,圓管管流的入口長度取決於管流流動的型態是層流還是紊流。因此,以人體呼氣流速1~8L/s的情況,並將表1,於不同流速下的雷諾數的數值結果代入式(I)計算,即可得到在不同的人體呼氣流速1~8L/s情況下,欲令進入該感測段11的待測氣體形成穩定的層流時,該穩流段14所需的最小長度,其結果如表3所示;其中,用於表1雷諾數計算之流體為空氣,其各項假設參數如表2所示。
由表2結果可得到對應不同流體流速的條件下,該穩流段14的最佳長度。此外,要再說明的是,該穩流段14的管徑也會影響吹氣時的氣流穩定性,因此,考量到人嘴使用的合適大小,該穩流段14的管徑介於1.5~3.0公分。
以下將說明將本發明感測吹管應用於一呼氣檢測系統的實施例。
參閱圖7、圖8,圖7是該呼氣檢測系統的立體示意圖,圖8是該呼氣檢測系統之一載台的內部示意圖。該呼氣檢測系統的實施例在接受一待測氣體時,轉換為 一電訊號,包含:一載台61、該感測吹管10、一電路裝置62,及一人機界面裝置63。
配合參閱圖3、圖6,該感測吹管10設置於該載台61上,更詳細地說,該感測吹管10包括該感測段11、該圖案化絕緣層12、該條狀的奈米線13,及該穩流段14。該圖案化絕緣層12的每一電極122具有成該預定夾角θ且朝向另一電極122的該尖端部123,及一相反於該尖端部123的對外端部124,且於本實施例中,該穩流段14的口徑為1.9cm,且長度為25cm。
該電路裝置62設置於該載台61上,並與該電極對121之該二電極122的對外端部124電連接,用以得到一經該奈米線13的一阻抗變化值轉換所產生的該電訊號。更詳細地說,該電路裝置62包括一嵌入式平台(圖未示出)、一穩壓電路(圖未示出)、一UV LED控制電路(圖未示出)、一電橋感測電路(圖未示出)、一電池電力充放電保護電路(圖未示出),及一類比數位轉換器(圖未示出)。
在該呼氣檢測系統的實施例中,該電路裝置62是以長高技公司所開發6410L作為該嵌入式平台,以ARM11為核心晶片,並以Linux為核心,作業系統為Android 2.1。該穩壓電路透過LM317穩壓IC晶片分配對源所提供之5V的電壓。該電橋感測電路透過惠斯同電橋原理放大主要以阻抗變化值所產生的電訊號,再由該數比數位轉換器將轉換後之數位電訊號傳送至6410L運算與分析 後得到流速、溫度、濕度等感測電訊號。
該人機界面裝置63設置於該載台61上,並耦接該電路裝置62,用以顯示該電訊號。更詳細地說,該人機界面裝置63除了顯示該電訊號外,還可包括控制UV LED開啟/關閉的按鈕。
當該待測氣體流通該感測段11的該氣體流道111時,該奈米線13接觸該待測氣體,該電路裝置62得到該電訊號,並顯示於該人機界面裝置63。
該圖案化電路層12的電極122的尖端部123的該預定夾角成90°。
該奈米線13為二氧化鈦奈米線或銀奈米線,其中。
該圖案化電路層12以鈦及金所構成。
參閱圖9,以下為上述本發明呼氣檢測系統的實施例的使用方法,用以測試該待測氣體的一阻抗變化,以得到該電訊號。
配合參閱圖3,及圖6~圖8,進行一步驟71,將該待測氣體通入設置於一載台61上的該感測吹管10,令該待測氣體自該穩流段14進入該感測段11的該氣體流道111,使該感測氣體接觸連接該感測吹管10之該電極對121之二電極122的尖端部123的該奈米線13。
接著,進行一步驟72,利用設置於該載台61上的該電路裝置62量測該奈米線13的阻抗變化值,並轉換成為一電訊號。
接著,進行一步驟73,利用設置於該載台61上的該人機界面裝置63顯示該電訊號。
在該步驟71中,該奈米線13以二氧化鈦或銀所構成。
其中,在該步驟71中,還包括一次步驟,於該待測氣體通入該氣體流道111前,先利用UV-LED照射該奈米線13,且該奈米線13為二氧化鈦奈米線。當本發明該奈米線13為二氧化鈦奈米線時,可利用二氧化鈦奈米線對紫外光的特殊催化性質。二氧化鈦所誘導的光催反應主要是來自其價電帶和傳導帶之間的電子轉移,當二氧化鈦奈米線受到紫外光照射,如果光子的能量等於或大於二氧化鈦的能隙,則光子可被吸收並將價電帶的電子提升到傳導帶上,而降低該二氧化鈦奈米線整體的阻抗值。
參閱圖10,圖10為在1V的量測電壓條件下,對該二氧化鈦奈米線照射不同的紫外光強度時,所量測得到的阻抗值。由圖10可知,利用調整紫外光的強度,可以使得該感測晶片的阻抗值變化量增加;此外,利用紫外光做為控制閘極,不僅可提升訊號反應,還可當做切換開關以控制有機揮發氣體的感測。
在該步驟71中,該感測吹管10之該電極對121的每一該二電極122的尖端部123具有一預定夾角θ,且朝向另一電極122的尖端部123。
在該步驟71中,該等尖端部123的該預定夾角θ成90°。
本發明的功效主要在於,利用該奈米線13可對阻抗變化值靈敏地變化,進而可透過該阻抗變化值經轉換所產生的電訊號得知該待測氣體是正常或是異常,例如,超過一預定之阻抗變化百分比而為異常,繼而不須再經過精密儀器,例如質譜分析儀的分析,或冷凝待測氣體後才能分析該待測氣體的成分變化;再者,由於先使用具有成圓弧狀之圓弧區411的電極組4過濾出成團狀而尺寸較大的奈米線團5,使得條狀奈米線13可連接於該等電極122的尖端部123。
以下以實際的量測數據說明本發明感測吹管、感測吹管的製作方法,及具有感測吹管的呼氣檢測系統的功效。
參閱圖11,利用本發明呼氣檢測系統之感測吹管量測不同種類之待測氣體的電訊號,該電訊號以阻抗變化百分比表示。其中,該感測吹管的奈米線13為二氧化鈦奈米線,且在量測前該二氧化鈦奈米線有先照射UV光(6mW/cm2)產生光催化反應後,再通入待測氣體進行感測。該待測氣體分別為二-丙基-1-戊醇(2-pp)、丙酮、乙醇,及甲醇。從圖11可以得知,當該待測氣體的濃度較高時,所量測得到之該奈米線的阻抗變化百分比也愈高,表示本發明呼氣檢測系統的感測吹管中的奈米線可藉由阻抗變化值,從而得到該待測氣體濃度。
參閱圖12、圖13,圖12是未經過該電極組過濾的介電泳液,圖13是經過該電極組過濾的介電泳液,該介 電泳液中的奈米材料是二氧化鈦。比較圖12、圖13可以得知,利用介電泳法並配合該電極組,使得該介電泳液中的該等奈米線團吸附於該電極組,確實可以過濾出該等奈米線團,留下該等條狀的奈米線。
參閱圖14、圖15,圖14是未經該步驟33(參閱圖4)的介電泳液,也就是未經該步驟33的介電泳液,並再經該步驟34~35(參閱圖4),利用介電泳法並配合該圖案化電極層之該電極對而連接於該二電極之尖端部的奈米材料,圖14是經該步驟33(參閱圖4)的介電泳液,也就是經過濾之介電泳液,並再經該步驟34~35(參閱圖4),利用介電泳法並配合該圖案化電極層之該電極對而連接於該二電極之尖端部的奈米線;該介電泳液中的奈米材料是二氧化鈦。比較圖14、圖15可以得知,未經過濾的奈米材料是互相重疊且成團狀地連接該等尖端部,經過濾的介電泳液才可利用單根條狀的奈米線連接該等尖端部。
參閱圖16,將具有多數奈米線團及多數奈米線的二氧化鈦奈米材料分散於一乙醇溶劑中,並測試在電壓為10V,頻率為100kHz之條件下,利用介電泳法作用於該介電泳液時,連接於一對間隔設置的方形電極間的奈米材料數量。由圖16可以得知,連接於該二方形電極間的奈米材料數量隨流速的增加而減少。再者,當流速大於20μL/min時,由於介電泳所造成的作用力易低於流速所造成的作用力,使得奈米材料易被沖走,較不易連接於二方形電極間。
參閱圖17,當該本發明呼氣感測系統作為氣體温度感測器時,該感測吹管的奈米線是銀奈米線。單根銀奈米線在室溫的阻值為40Ω。從圖17可以得知,當環境溫度愈高時,銀奈米線的阻值也愈高,表示該呼氣感測系統的感測吹管的奈米線確實透過阻值變化得知該待測氣體的溫度變化。
參閱圖18,當該本發明呼氣感測系統作為氣體流速感測器時,該感測吹管的奈米線是銀奈米線首先,先利用該電路裝置施加電流而加熱該奈米線,使該該奈米線的溫度值維持在高於室溫。當氣體經過該奈米線時,會帶走該奈米線的熱量,使該奈米線的降溫而造成阻值變化。從圖18可以得知,當氣體流速愈高時,該奈米線的降溫程度愈明顯,使得阻值變化愈大,表示該呼氣感測系統的感測吹管的奈米線確實透過阻值變化得知該待測氣體的流速變化。
綜上所述,本發明具有奈米線的感測吹管,適用於呼氣感測系統,並利用介電泳法配合具有圓弧區的電極組過濾出奈米線團,可有效地量測該待測氣體的阻抗變化,繼而得到經轉換後產生的電訊號,解決習知技術中分析氣體設備價格高昂且複雜的缺點,故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者,僅為本發明之較佳實施例而已,當不能以此限定本發明實施之範圍,即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修 飾,皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
10‧‧‧感測吹管
11‧‧‧感測段
12‧‧‧圖案化電路層
123‧‧‧尖端部
124‧‧‧對外端部

Claims (2)

  1. 一種感測吹管的製作方法,包含:(a)於一基板上設置一組電極組,該電極組具有二個電極部,每一電極部具有一朝向另一電極部的圓弧區;(b)於一溶劑中分散一奈米材料,形成一混合液,該奈米材料包括多數以二氧化鈦或銀所構成,成條狀的奈米線,及多數成團的奈米線團;(c)利用介電泳法且令介電泳液具有一不小於1μL/min且不大於20μL/min的流速,並配合該電極組,使得該混合液中的該等奈米線團吸附於該電極組,以移除該混合液中的該等奈米線團,得到一介電泳液;(d)於一由可撓性材料所構成的感測段上沈積一圖案化電路層,該圖案化電路層具有至少一對電極對,該電極對具有二個電極,每一電極具有一朝向另一電極之具有預定角度的尖端部;(e)利用介電泳法並配合該圖案化電極層之該電極對,使得該介電泳液的該等奈米線的其中之一者的兩端分別連接每一該等電極之該尖端部;(f)移除該介電泳液;及(g)捲曲該感測段,以界定一供外界的一待測氣體通過時接觸該奈米線的一氣體流道。
  2. 如請求項1所述的感測吹管的製作方法,其中,該步驟 (d)之該圖案化電路層的每一該等電極的尖端部的預定夾角成90°。
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