TWI593952B - Portable thermochromic device that detects the quality of air pH - Google Patents

Description

可偵測空氣酸鹼度品質的可攜式熱致變色裝置

本發明係關於一種空氣偵測裝置的技術領域，特別是用以偵測空氣酸鹼度品質的可攜式熱致變色裝置。

由於全球各地工廠林立，其排放的廢氣所形成的酸性氣體不但會造成空氣污染，使生活品質受到嚴重的影響，更甚者，酸性氣體會隨著雨、雪、霧或雹等降水形態落到地表，對土地及人體造成極大的危害。

目前對氣體的檢測大多是針對特定氣體，例如針對氫氣、一氧化碳或二氧化碳等等。偵測氣體的裝置包含電化學式裝置、固態電解式裝置、半導體式裝置等。其中電化學式裝置是將待測氣體溶解於電化學槽的液態電解質中，藉由氧化還原反應及電壓或電流的變化，達到偵測氣體存在及含量的目的。固態電解式裝置是以固體離子導體作為電解質，並利用兩個電極處的氣體濃度不同所產生的電位差來判定氣體的存在及含量。

台灣專利第I302197號專利揭露一種酸鹼度對照之感測器，係一延伸式閘極場效電晶體結構，包括位於一半導體基底上的一金氧半場效電晶體；一感測元件，包括一固態導電離子感測薄膜位於一基板上，以及一聚吡咯薄膜固定於該固態導電離子感測薄膜上；以及一導線連接該金氧半場效電晶體與該感測元件。測量一溶液之酸鹼值時，係將溶液置於一光隔絕容器中，將感測器、參考電極及熱耦合器浸入溶液中，且在熱耦合 器測得溶液溫度變化時，由溫度控制中樞控制加熱器調節該溶液之溫度，感測器與參考電極之感測值可傳送至半導體特性的量測儀，由此讀出感測元件之電流-電壓(I-V)值以得到溶液之酸鹼值。

台灣專利第I303310號揭露一種氣體感測裝置包含具有多孔性反應膜之反應元件、提供光線的光源產生元件、接收由該反應元件所傳出的光線之檢測元件，以及二個分別將該反應元件與該光源產生元件及該檢測元件連接之導光元件。其中該多孔性反應膜含有氣致色變材料及催化劑，該二導光元件將該光源產生元件所產生之光線傳導至該反應元件，以及將該反應元件所傳出的光線傳導至該檢測元件。

台灣專利第I490473號揭露具三維光子晶體結構的氣體感測器，該感測器包含一感測組件、一光產生組件及一光源檢測組件。該感測組件含有具三維光子晶體結構的氣致色變材料及一催化劑。該光產生組件係照射一入射光至該感測組件，使該感測組件形成一反射光。該光源檢測組件係檢測分析該感測組件形成的反射光。

由上所述台灣專利第I303310號及第I490473號皆利用光線的反射率，搭配以氣致變色材料與催化劑所組成的多孔性反應膜，或是以氣致變色材料與催化劑所組成之感測組件，達到常溫或高溫環境下偵測環境中之還原性氣體濃度變化的效果。

本發明的目的在於提供一種可偵測空氣酸鹼度品質的可攜式熱致變色裝置，其具有能夠直接且快速偵測及顯示空氣酸鹼值的功效。

為達上述目的及功效，本發明所揭露的熱致變色裝置係包含 一熱致變色模組，其可因受熱而改變顏色及改變光線的穿透度；一透光度量測及計時處理模組對應該熱致變色模組，且用以偵測光線穿透該熱致變色模組產生最大透光度所需的時間；一溫度感測器電性連接該透光度量測及計時處理模組，且提供該熱致變色模組產生最大透光度時的溫度；一酸鹼值表配置在透光度量測及計時處理模組內，該酸鹼值表內的酸鹼值係對應該熱致變色模組產生最大透光度時所需的時間及溫度。

換言之，本發明乃利用熱致變色模組因受熱而達到最大透光度時的變色溫度與變色時間之檢測及匹配，可以快速及簡便地獲知空氣的酸鹼值。

10‧‧‧熱致變色模組

12‧‧‧熱致變色單元

14‧‧‧透明基板

16‧‧‧熱致變色薄膜

18‧‧‧熱電偶

20‧‧‧電池

22‧‧‧光源

30‧‧‧透光度量測及計時處理模組

32‧‧‧光敏電阻

34‧‧‧微處理機

40‧‧‧溫度感測器

50‧‧‧酸鹼值表

60‧‧‧機台

62‧‧‧頂板

64‧‧‧機座

66‧‧‧氣體偵測空間

68‧‧‧顯示器

70‧‧‧保護薄膜

第1圖係本發明第一實施例的結構示意圖。

第2圖係本發明酸鹼值表對應完全變色溫度及完全變色時間的數據曲線圖。

第3圖係本發明第二實施例的外觀圖。

第4圖係本發明第二實施例的結構示意圖。

請參閱第1圖所示，本發明包含一熱致變色模組10、一透光度量測及計時處理模組30及一溫度感測器40。其中該熱致變色模組10包含一熱致變色單元12結合一熱電偶18。該熱電偶18接觸該熱致變色單元12，且該熱電偶18可受電力驅動，進而提供熱能給該熱致變色單元12。舉例而言，該熱致變色單元12係一透明基板14的一側配置一熱致變色薄膜16，該 熱電偶18與一電池20形成電性連接，且該熱電偶18接觸該透明基板14。如此，該熱電偶18所提供的熱能可使該熱致變色薄膜16改變顏色，進而改變該熱致變色單元12對一光源22的光線穿透度。

該透光度量測及計時處理模組30包含一光敏電阻32及一微處理機34。該光敏電阻32係電性連接該微處理機34。該光敏電阻32係配置在該熱致變色模組10的該熱致變色單元12的一側且與該透明基板14相鄰。

該溫度感測器40係電性連接該透光度量測及計時處理模組30。進一步，該溫度感測器40係用以偵測該熱致變色模組10產生變色時的溫度變化，因此該溫度感測器40可配置在該熱致變色模組10的該熱致變色單元12的一側且相鄰該透明基板14。

由以上各組件間的組合形式及各組件的功能，該光源22所發出的光線係可通過該熱致變色單元12的熱致變色薄膜16及該透明基板14，且穿過該熱致變色單元12的光線可到達該光敏電阻32，進而改變該光敏電阻32的電阻值。特別是，該熱電偶18所產生的熱能使該熱致變色單元12的該熱致變色薄膜16進行變色，例如該熱致變色薄膜16顏色變淡，透明度就會提高，可據此提高照射於該光敏電阻32的亮度，使該光敏電阻32的電阻值降低。換言之，該微處理機34可以即時獲知該熱致變色單元12的變色溫度，以及在該變色溫度下的該光敏電阻32的電阻值。

進一步定義該熱致變色薄膜16的透光度。該透光度為光敏電阻32所偵測的照度對該光源22照度的比值。也就是，透光度=光敏電阻所轉換的照度/光源照度。其中，該光敏電阻32的照度可以由電阻變化而轉換推算獲知；該光源22可選擇已知照度。

該熱致變色薄膜16因受該熱電偶18加熱而產生顏色變化，且使光線到達該光敏電阻32的單位面積光通量達最大時(光敏電阻的電阻達最小)，可以認定該熱致變色薄膜16達完全變色；該溫度感測器40偵測到該熱致變色單元12完全變色的溫度為完全變色溫度；由開始加溫變色到完全變色所經過的時間為完全變色時間。是以，最大透光度=光敏電阻所轉換的最大照度/光源照度。此外，該完全變色溫度及完全變色時間會被記錄於該透光度量測及計時處理模組30的該微處理機34內。

利用已知酸鹼值的空氣樣本搭配本發明的設計，記錄在不同空氣樣本下，該熱致變色模組10產生最大透光度時的完全變色溫度及完全變色時間，並統計成一個酸鹼值表50。換言之，該酸鹼值表50係配置在該透光度量測及計時處理模組30的該微處理機34內，且該酸鹼值表50內的酸鹼數值係對應該熱致變色模組10產生最大透光度的所需時間及溫度。該酸鹼值表50的內容如下：

請參閱第2圖，將上述酸鹼值表50的數值以曲線圖表示，可知完全變色溫度(a曲線)與完全變色時間(b曲線)的形式及曲度變化相當，故可推知每一個空氣酸鹼值可對應到一個特定的完全變色溫度及完全變色時間。換言之，利用完全變色溫度及完全變色時間作為檢測參數，便可以獲知環境空氣的酸鹼值。

本實施例所顯示的酸鹼值為pH 2.5至pH 11.5，若環境空氣的酸鹼值落在該酸鹼值表50的二個極限值或鄰近極限值，則環境空氣品質已屬惡劣品質。然而，空氣酸鹼值有可能更低於pH 2.5或更高於pH 11.5，依本實施例所揭示的內容進一步推論，該熱致變色單元12的完全變色時間將更長於83秒，或將更短於52秒。換言之，本發明可藉該熱致變色單元12的完全變色時間，進一步地判斷所檢測的環境空氣品質是否落在已知或預定的酸鹼值範圍之外。若所檢測的環境空氣品質落在已知或預定的酸鹼值範圍之外，顯然該環境空氣品質屬極度惡劣的狀態，本發明可以藉由警示方式來提醒使用者應儘速離開。上述的警示方式可選用聲響或震動方式。

上述實施例揭示利用該熱致變色模組10產生最大透光度時的完全變色溫度及完全變色時間，搭配預定的酸鹼值表50，可以獲知環境空氣的酸鹼度品質，並且在環境空氣的酸鹼度品質極度惡劣時產生警示。其次，上述的完全變色時間是依所使用的熱致變色單元12的大小所測定。本實施例所使用的該熱致變色薄膜16的尺寸為5cm×5cm×0.02mm(長×寬×厚 度)，然而不同尺寸規格的該熱致變色薄膜16所對應的完全變色時間及完全變色溫度也會不同，但不影響對應的環境空氣品質，因此上述實施例所揭示完全變色時間及完全變色溫度僅為說明並非用以限制本案的權利範圍。其次，本實施例所採用的該熱致變色薄膜16的尺寸僅5cm×5cm×0.02mm(長×寬×厚度)，且該熱致變色薄膜16所搭配的其他構件相對可被設計成較小體積的形式，故上述實施例所揭示的結構可進一步地形成一小體積的可攜式裝置。

本發明所使用的熱致變色薄膜16包含有機熱致變色粉末。該有機熱致變色粉末的主要成份有隱形染料、色形成劑及脂肪酸。當加熱升溫時，脂肪酸會因為受熱而造成其碳鏈長度變長；且當溫升到達開始熱致變色的溫度時，脂肪酸會因為碳鏈長度夠長，造成色形成劑無法對隱形染料進行顏色的合成作用，而導致此時熱致變色粉末的顏色乃接近隱形的白色。而當由高溫降溫時，脂肪酸會因為溫度下降而造成其碳鏈長度變短；且當溫度降到熱致變色的溫度以下時，脂肪酸會因為其碳鏈長度夠短，而可以讓色形成劑對隱形染料進行顏色的合成作用，進而形成各種熱致變色粉末的染料顏色，例如黑、藍、綠、紅等顏色。

又依該熱致變色薄膜16的顏色，該熱致變色薄膜16的隱形染料的成分可以是C₃₃H₃₂N₂O₃(熒烷類化合物)、C₃₀H₂₅NO₃(螺吡喃類化合物)、C₂₂H₁₆O₅(熒烷類化合物)、C₂₉H₃₀N₂O₂(苯酞類化合物)、C₃₄H₄₁N₃O₃(螺環吡喃類化合物)。色形成劑的成分可以C₁₅H₁₆O₂(二酚基丙烷)。脂肪酸可以是C₁₉H₃₈O₂(硬脂酸甲酯)。

請參閱第3圖，圖中揭示一可攜式裝置用以檢測環境空氣品 質。該可攜式裝置係包含一機台60有一頂板62及一機座64。一氣體偵測空間66係形成在該頂板62與該機座64間。一光源22，例如LED光源可提供固定照度，配置在該頂板62，且該光源22的光線穿過該氣體偵測空間66射向該對應機座64。

請參閱第4圖，該熱致變色模組10配置在該機座64內且接受該光源22的照射。如同前一實施例所揭露的內容，該熱致變色模組10包含一熱致變色單元12結合一熱電偶18。其中該熱致變色單元12係一透明基板14的一側配置一熱致變色薄膜16，該熱電偶18接觸該透明基板14使得該熱致變色薄膜16可因受熱而改變顏色及改變該光線的穿透照度。

該透光度量測及計時處理模組30係對應該熱致變色模組10。該透光度量測及計時處理模組30用以偵測該光源22的光線穿透該熱致變色模組10產生最大透光度的所需時間。該溫度感測器40係電性連接該透光度量測及計時處理模組30且提供該熱致變色模組10產生最大透光度時的溫度。該酸鹼值表50係配置在透光度量測及計時處理模組30內，該酸鹼值表50內的酸鹼數值係對應於該熱致變色模組10產生最大透光度時所需的時間及溫度。

根據前一實施例所揭示的內容，本實施例該透光度量測及計時處理模組30係一光敏電阻32電性連接一微處理機34，該光敏電阻32係配置在該熱致變色模組10之一側接受穿透該熱致變色模組10的該光線。該微處理機34利用該光敏電阻32所產生的電阻值運算及轉換成該熱致變色模組10的該透光度，且在該熱致變色模組10產生最大透光度時記錄及輸出所經過的時間。

該熱致變色模組10的透光度為該光源22的光線穿透過該熱致變色模組10的照度與該光源22的照度比值。當該熱致變色模組10因受熱而改變顏色，且穿透過該熱致變色模組10的照度達最大時，該熱致變色模組10乃形成最大透光度的狀態。

請再參閱第3、4圖，一顯示器68係配置在該機台60且電性連接該透光度量測及計時處理模組30。該顯示器68用以顯示該熱致變色模組10產生最大透光度時的時間、溫度，以及依據該時間與溫度所對應該酸鹼值表50中的酸鹼度數值。

為了防止在尚未進行環境空氣酸鹼品質檢測前該熱致變色模組10有可能會受到污染或附著不當的空氣粒子，該熱致變色模組10表面可以貼覆一可撕離的保護薄膜70。

進行空氣酸鹼品質檢測的方式係撕離該保護薄膜70及啟動電源20。如此該光源22可搭配該電源20而發射光線，該熱電偶18也搭配該電源20而開始對該熱致變色單元12提供熱能。值得注意的是，該光源22的照度為固定且已知的數值，同時可以被預設於該透光度量測及計時處理模組30的該微處理機34內。

該光源22持續對該熱致變色單元12照射的過程中，該熱致變色單元12也因受熱而變色，進而使得該光敏電阻32的電阻值逐漸變小至最小值。在過程中該微處理機34將該光敏電阻32的電阻值持續轉換為照度。進一步，該微處理機34依透光度=光敏電阻所轉換的照度/光源照度的比例式，進行運算以獲得發生最大透光度，並且記錄當發生最大透光度所經過的完全變色時間，及完全變色溫度。隨後再取該完全變色時間及該完全變 色溫度的數值對照酸鹼值表50，即可獲知當下環境空氣酸鹼度品質。

以上乃本發明之較佳實施例以及設計圖式，惟較佳實施例以及設計圖式僅是舉例說明，並非用於限制本發明技藝之權利範圍，凡以均等之技藝手段、或為下述「申請專利範圍」內容所涵蓋之權利範圍而實施者，均不脫離本發明之範疇而為申請人之權利範圍。

10‧‧‧熱致變色模組

12‧‧‧熱致變色單元

14‧‧‧透明基板

16‧‧‧熱致變色薄膜

18‧‧‧熱電偶

20‧‧‧電池

22‧‧‧光源

30‧‧‧透光度量測及計時處理模組

32‧‧‧光敏電阻

34‧‧‧微處理機

40‧‧‧溫度感測器

50‧‧‧酸鹼值表

Claims (9)

1. 一種可偵測空氣酸鹼度品質的可攜式熱致變色裝置，其包含：一光源，係用以提供已知的照度；一熱致變色模組，係包含一熱致變色單元結合一熱電偶，其中該熱電偶接觸該熱致變色單元，使得該熱致變色單元可因受熱而改變顏色及改變該光源所提供之光線的穿透度；一透光度量測及計時處理模組，係連接該熱致變色模組，且用以偵測及計算該光線穿透該熱致變色模組使該熱致變色單元產生最大透光度的所需時間；一溫度感測器，係電性連接該透光度量測及計時處理模組，且提供該熱致變色模組產生最大透光度時的溫度；一酸鹼值表，係配置在透光度量測及計時處理模組內，該酸鹼值表內的酸鹼數值係對應該熱致變色模組產生最大透光度的所需時間及溫度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之可偵測空氣酸鹼度品質的可攜式熱致變色裝置，其中該熱致變色單元係一透明基板的一側配置一熱致變色薄膜，該熱電偶接觸該透明基板使得該熱致變色薄膜可因受熱而改變顏色。
3. 如申請專利範圍第1項所述之可偵測空氣酸鹼度品質的可攜式熱致變色裝置，其中該透光度量測及計時處理模組係一光敏電阻電性連接一微處理機，該光敏電阻係配置在該熱致變色模組之一側接受穿透該熱致變色模組的該光線，該微處理機利用該光敏電阻所產生的電阻值運算及轉換成該熱致變色模組的該透光度，在該熱致變色模組產生最大透光度時記錄及輸出所經過的時間。
4. 如申請專利範圍第1項所述之可偵測空氣酸鹼度品質的可攜式熱致變色裝置，其中該熱致變色模組的最大透光度為該光源的光線穿透過該熱致變色模組的最大照度與該光源照度的比值。
5. 一種可偵測空氣酸鹼度品質的可攜式熱致變色裝置，其包含：一機台，其具有一頂板及一機座，該頂板與該機座間具有一氣體偵測空間；一光源，係配置在該頂板提供已知的照度，該光源的光線穿過該氣體偵測空間射向該對應之該機座；一熱致變色模組，係配置在該機座且接受該光源的照射，該熱致變色模組包含一熱致變色單元結合一熱電偶，其中該熱致變色單元係一透明基板的一側配置一熱致變色薄膜，該熱電偶接觸該透明基板使得該熱致變色薄膜可受熱而改變顏色及改變該光線的穿透照度；一透光度量測及計時處理模組，係對應該熱致變色模組，且用以偵測該光線穿透該熱致變色模組產生最大透光度的所需時間；一溫度感測器，係電性連接該透光度量測及計時處理模組，且提供該熱致變色模組產生最大透光度時的溫度；一酸鹼值表，係配置在該透光度量測及計時處理模組內，該酸鹼值表內的酸鹼數值係對應該熱致變色模組產生最大透光度的所需時間及溫度。
6. 如申請專利範圍第5項所述之可偵測空氣酸鹼度品質的可攜式熱致變色裝置，其中該透光度量測及計時處理模組係一光敏電阻電性連接一微處理機，該光敏電阻係配置在該熱致變色模組之一側接受穿透該熱致變色模組的該光線，該微處理機利用該光敏電阻所產生的電阻值運算及轉換 成該熱致變色模組的該透光度，在該熱致變色模組產生最大透光度時記錄及輸出所經過的時間。
7. 如申請專利範圍第5或6項所述之可偵測空氣酸鹼度品質的可攜式熱致變色裝置，更包含一顯示器電性連接該透光度量測及計時處理模組，該顯示器用以顯示該熱致變色模組產生最大透光度時的時間、溫度，以及依據該時間與溫度所對應該酸鹼值表中的酸鹼數值。
8. 如申請專利範圍第5項所述之可偵測空氣酸鹼度品質的可攜式熱致變色裝置，其中該熱致變色模組的透光度為該光源的光線穿透過該熱致變色模組的照度與該光源照度的比值；當該熱致變色模組因受熱而改變顏色，且穿透過該熱致變色模組的照度為最大時，該熱致變色模組乃形成最大透光度的狀態。
9. 如申請專利範圍第5項所述之可偵測空氣酸鹼度品質的可攜式熱致變色裝置，更包含一保護薄膜，該保護薄膜係貼覆在該熱致變色模組表面，且該保護薄膜可自該熱致變色模組表面撕離。