TWI600900B - 氣體感測裝置 - Google Patents

Description

氣體感測裝置

本發明是有關於一種感測裝置，且特別是有關於一種氣體感測裝置。

隨著科技的發展，半導體的應用已經越來越普遍於人類的生活中，化工產業的興起以及內燃機（即馬達）的大量使用，造成日益嚴重的環境污染，其中空氣污染的迫害對人類日常生活影響最為直接。因此，在空氣汙染源逐漸增加的現在，透過氣體感測器隨時隨地偵測環境的異常狀態已是一種趨勢。而在眾多的應用中，藉由半導體對於所接觸的氣體有極高的靈敏度，利用半導體所製作的氣體感測裝置也越來越受到重視。具體來說，一氣體感測用半導體在接觸到特定氣體後，其本身的電性特徵會隨之改變，因此藉由偵測上述半導體的電性特徵，使用者就可以觀察上述半導體所處的環境中是否有上述的特定氣體。

然而，目前的氣體感測裝置並不是一般人隨身必備的物品（例如皮夾、手機等），加上其體積較大且整體厚度較厚，不利於隨身攜帶，因而更增加了攜帶上的負擔，而且也容易發生忘記攜帶的情形。因此，如何提高氣體感測裝置的攜帶便利性以及提升感測結果判讀的簡易性已成為業界一個重要的課題。

本發明提供一種氣體感測裝置，其可緊密貼合於使用者的衣物或皮膚，以利於攜帶，且易於判讀氣體感測的結果。

本發明的氣體感測裝置適於貼附於一體表，並包括一基板、一半導體層、一發光元件、一第一電極及一第二電極。基板由多個疊構層彼此堆疊而成，且基板的材料包括奈米纖維素，基板是以3D列印技術形成，以使基板的一接觸表面與體表緊密貼合。半導體層以3D列印技術形成於基板上。發光元件設置於基板上。第一電極耦接半導體層及發光元件。第二電極耦接半導體層及一接地電極。第二電極與第一電極共同設置於半導體層上，且第二電極與第一電極之間維持一間距。半導體層的一電阻值會依據一特定氣體的一濃度而改變。

在本發明的一實施例中，上述的基板的一最大厚度介於10微米（μm）至100微米之間

在本發明的一實施例中，上述的接觸表面為一平面，以與體表的一平面輪廓相符合。

在本發明的一實施例中，上述的接觸表面為一曲面，且與體表的一曲面輪廓相符合。

在本發明的一實施例中，上述的氣體感測裝置更包括一黏著層，設置於接觸表面，以將基板貼附於體表。

在本發明的一實施例中，上述的半導體層為一金屬氧化層。

在本發明的一實施例中，上述的半導體層的材料包括石墨烯（graphene）、錫、鋅、銦、鎢、鎂、鐵或鈦之氧化物。

在本發明的一實施例中，上述的半導體層的電阻值與特定氣體的濃度成反比。

在本發明的一實施例中，上述的發光元件包括一發光二極體。

在本發明的一實施例中，上述的第一電極、第二電極以及發光元件是以3D列印技術形成。

基於上述，本發明利用3D列印技術來形成氣體感測裝置中的基板及半導體層，因而能提升氣體感測裝置的基板與半導體層之間的結合力。並且，基板與使用者接觸的接觸表面可依據使用者體表的弧度設計並據此列印形成，因此，本發明的基板的接觸表面可與使用者的體表緊密貼合。再者，以3D列印技術形成的基板的厚度也可有效降低。因此，以3D列印技術形成的基板可有效增進氣體感測裝置的服貼性以及使用者的使用舒適性。

除此之外，基板的材料可包括奈米纖維素，其結構強度高又輕巧，且韌性與強度兼具。因此，使用奈米纖維素所列印出的基板不但結構強度高且重量較輕，因而有利於貼附於使用者的體表而不易掉落或造成使用者的不適。並且，本發明利用半導體層的電阻值會依據特定氣體的濃度而改變的特性，使半導體層可在特定氣體的濃度高於預定值時導通第一電極與第二電極，進而導通發光元件使其發光，因而讓使用者易於判讀氣體感測的結果。

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是依照本發明的一實施例的一種氣體感測裝置的剖面示意圖。圖2是依照本發明的一實施例的一種氣體感測裝置的使用情境示意圖。圖3是依照本發明的一實施例的一種氣體感測裝置的方塊示意圖。請同時參照圖1至圖3，在本實施例中，氣體感測裝置100可如圖2所示之貼附於使用者的一體表，此處的體表可為使用者的衣物或是皮膚表面，其可為平面，亦可為規則或不規則的曲面，本實施例並不以此為限。本實施例的氣體感測裝置100可如圖1所示之包括一基板110、一半導體層120、一發光元件130、一第一電極140及一第二電極150。在本實施例中，基板110是以3D列印技術形成，具體而言，本實施例可利用一3D列印裝置依據基板110的數位立體模型而列印出氣體感測裝置100的基板110。

舉例來說，上述的數位立體模型可為一數位立體圖像檔案，其可透過例如電腦輔助設計（computer-aided design, CAD）或動畫建模軟體等建構而成，並將此數位立體模型橫切為多個橫截面以供3D列印裝置讀取，以依據此數位立體模型的橫截面將建構材料逐層成形於3D列印裝置的列印平台上，而形成多個疊構層。上述的疊構層彼此堆疊而形成基板110。也就是說，以3D列印技術而形成的基板110可由多個疊構層彼此堆疊而成。

更進一步而言，在本實施例中，整個氣體感測裝置100（包括基板110、半導體層120、發光元件130、第一電極140及第二電極150等元件）皆可利用3D列印技術而形成，以增進氣體感測裝置100的各元件間的結合力。本實施例的3D列印技術可包括光硬化（Stereolithography）、熔絲製造式（Fused Filament Fabrication, FFF）、熔化壓模式（Melted and Extrusion Modeling）、電子束熔化成形（Electron Beam Modeling）或其他適合的3D列印技術，本發明並不以此為限。

在本實施例中，由於氣體感測裝置100中的至少基板110是利用3D列印技術而形成，因此，基板110與使用者接觸的接觸表面S1可依據使用者體表的弧度設計並據此列印形成。具體來說，若使用者的體表S2為平面，則基板110的接觸表面S1可據此設計並列印成與使用者的體表S2的平面輪廓相符合的平面，同樣地，若使用者的體表S2為曲面，則基板110的接觸表面S1可據此設計並列印成與使用者的體表S2的曲面輪廓相符合的曲面。因此，本實施例的基板110的接觸表面S1可與使用者的體表S2緊密貼合。並且，3D列印裝置可依實際產品需求而列印出厚度極薄的基板110，也就是說，以3D列印技術而形成的基板110的厚度可有效降低。在本實施例中，基板的最大厚度約介於10微米（μm）至100微米之間。因此，以3D列印技術而形成的基板110可有效增進氣體感測裝置100的服貼性以及使用者的使用舒適性。

此外，在本實施例中，基板110的材料可包括奈米纖維素（cellulose nanofibril, CNF），其是一種通過分解植物纖維而製成的直徑僅為3奈米至4奈米的纖維材料。奈米纖維素的結構強度高又輕巧，且韌性與強度兼具。一般而言，奈米纖維素的重量只有鐵的5分之1，強度則可高達鐵的5倍以上。因此，使用奈米纖維素所列印出的基板110，其不但結構強度高且重量較輕，因而有利於貼附於使用者的體表S2上而不易掉落或造成使用者的不適。在本實施例中，氣體感測裝置100更可包括一黏著層160，其設置於基板110的接觸表面S1，以將基板110貼附於體表S2。

在本實施例中，半導體層120也是以3D列印技術形成於基板110上，以增進半導體層120與基板110之間的結合力。發光元件130設置於基板110上。第一電極140與第二電極150共同設置於半導體層120上，其中，第一電極140耦接半導體層120及發光元件130。第二電極150耦接半導體層120及一接地電極GND，且第一電極140與第二電極150之間如圖1所示之維持一間距。如此配置，第一電極140與第二電極150之間須透過半導體層120來形成電性導通，而半導體層120的電阻值會依據一特定氣體的濃度而改變。

更具體而言，半導體層120的電阻值會與此特定氣體的濃度成反比。也就是說，此特定氣體的濃度越高，則半導體層120的電阻值越低，因而使半導體層120的導電率越高。如此，當特定氣體的濃度高於一預定值時，半導體層120可導通第一電極140與第二電極150，進而導通發光元件130使其發光，因而可對使用者發出此特定氣體濃度過高的警訊。

在本實施例中，半導體層120可為一金屬氧化層，其是利用金屬氧化物的導電率會因特定氣體吸附而發生顯著改變來進行氣體的感測。舉例來說，當氧分子如圖1所示之箭頭方向接觸並吸附在半導體層120的表面時，由於半導體層120的表面之傳導電子轉移到氧分子，因而使氧分子以陰離子（O2-）的化學吸附型態存在於半導體層120的表面上，因而在半導體層120的表面區域形成載子空乏層（depletion layer），進而使半導體層120的電阻值增加，導電率降低。然而，當環境中的特定氣體（例如液化氣、天然氣、有機溶劑蒸氣、一氧化碳或氫氣等還原性氣體）的濃度增加，此特定氣體如圖1所示之箭頭方向吸附在半導體層120之表面的氧分子發生反應而使原來吸附的氧分子脫離，而由此特定氣體以正離子狀態吸附在半導體層120的表面。如此，氧分子脫離後放出電子，特定氣體以正離子狀態吸附也會放出電子，因而導致半導體層120的電子密度增加，電阻值下降，進而使導電率上升而可導通第一電極140與第二電極150。

如此配置，本實施例可藉由調整半導體層120的材料來控制氣體感測裝置100可用以感測的特定氣體。下表1僅用以舉例說明半導體層120的材料與此材料可用以感測的特定氣體的對應關係。在本實施例中，半導體層120的材料包括石墨烯（graphene）、錫、鋅、銦、鎢、鎂、鐵或鈦之氧化物，當然，本實施例僅用以舉例說明，本發明並不以此為限。 表1 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 半導體層的材料 </td><td> 特定氣體 </td></tr><tr><td> Graphene oxide </td><td> NO₂, NH₃, H₂, CO, H₂O </td></tr><tr><td> ZnO </td><td> NO₂, NH₃, H₂, CH₄, CO, H₂S, O₂, NO, H₂O, ethanol </td></tr><tr><td> SnO₂</td><td> H₂, CH₄, CO, SO₂, O₂, H₂O, ethanol, C₂H₂</td></tr><tr><td> InO_x</td><td> NO₂, CH₄, CO, ethanol, C₂H₄</td></tr><tr><td> WO₃</td><td> NO₂, NH₃, H₂, CH₄, CO, SO₂, H₂S, O₂, NO, NO, Benzene, ethanol, O₃, Cl₂</td></tr><tr><td> MgO </td><td> NO₂, SO₂, O₂</td></tr><tr><td> TiO₂</td><td> NO₂, NH₃, CO, H₂O, SO₂, O₂</td></tr><tr><td> Fe₂O₃</td><td> ethanol, methanol, acetone </td></tr></TBODY></TABLE>

請同時參照圖1及圖3，在本實施例中，發光元件130可為發光二極體，其包括一上電極134、一下電極132以及一發光單元136，下電極132如圖1所示之耦接第一電極140，而上電極134則耦接電源170，以接收由電源170提供的電源電壓Vdd。在本實施例中，半導體層120、第一電極140及第二電極150可視為如圖3所示之氣體感測模組125，而氣體感測模組125與發光元件130皆與電源170耦接。如此，當特定氣體的濃度提高而導致半導體層120的電阻值因特定氣體的濃度變化而改變時，電源170便可依據偵測模組所產生的訊號而導通發光元件130，以對使用者發出特定氣體濃度過高的警訊。

此外，在其他實施例中，氣體感測模組125亦可另外耦接至一偵測模組，其用以偵測半導體層120的電阻變化，並據此產生一訊號，電源170耦接此偵測模組，以依據此訊號提供電源電壓Vdd至發光元件130。如此，當偵測半導體層120的電阻值因特定氣體的濃度變化而改變時，電源170便可依據偵測模組所產生的訊號而導通發光元件130，以對使用者發出特定氣體濃度過高的警訊。

綜上所述，本發明的氣體感測裝置中的至少基板及半導體層是以3D列印技術形成，因而能提升氣體感測裝置的基板與半導體層之間的結合力。並且，基板與使用者接觸的接觸表面可依據使用者體表的弧度設計並據此列印形成，因此，本發明的基板的接觸表面可與使用者的體表緊密貼合。再者，以3D列印技術而形成的基板的厚度也可有效降低。因此，以3D列印技術而形成的基板可有效增進氣體感測裝置的服貼性以及使用者的使用舒適性。

此外，基板的材料可包括奈米纖維素，其結構強度高又輕巧，且韌性與強度兼具。因此，使用奈米纖維素所列印出的基板不但結構強度高且重量較輕，因而有利於貼附於使用者的體表而不易掉落或造成使用者的不適。並且，本發明利用半導體層的電阻值會依據特定氣體的濃度而改變的特性，使半導體層可在特定氣體的濃度高於預定值時導通第一電極與第二電極，進而導通發光元件使其發光，因而讓使用者易於判讀氣體感測的結果。因此，本發明確實可提升氣體感測裝置在攜帶及使用上的便利性。

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‧‧‧氣體感測裝置
110‧‧‧基板
120‧‧‧半導體層
125‧‧‧氣體感測模組
130‧‧‧發光元件
132‧‧‧下電極
134‧‧‧上電極
136‧‧‧發光單元
140‧‧‧第一電極
150‧‧‧第二電極
160‧‧‧黏著層
170‧‧‧電源
GND‧‧‧接地電極
S1‧‧‧接觸表面
S2‧‧‧體表
Vdd‧‧‧電源電壓

圖1是依照本發明的一實施例的一種氣體感測裝置的剖面示意圖。 圖2是依照本發明的一實施例的一種氣體感測裝置的使用情境示意圖。 圖3是依照本發明的一實施例的一種氣體感測裝置的方塊示意圖。

100‧‧‧氣體感測裝置

110‧‧‧基板

120‧‧‧半導體層

130‧‧‧發光元件

132‧‧‧下電極

134‧‧‧上電極

136‧‧‧發光單元

140‧‧‧第一電極

150‧‧‧第二電極

160‧‧‧黏著層

GND‧‧‧接地電極

S1‧‧‧接觸表面

S2‧‧‧體表

Vdd‧‧‧電源電壓

Claims (10)

1. 一種氣體感測裝置，適於貼附於一體表，該氣體感測裝置包括： 一基板，由多個疊構層彼此堆疊而成，且該基板的材料包括奈米纖維素，該基板是以3D列印技術形成，以使該基板的一接觸表面與該體表緊密貼合； 一半導體層，以3D列印技術形成於該基板上； 一發光元件，設置於該基板上； 一第一電極，耦接該半導體層及該發光元件；以及 一第二電極，耦接該半導體層及一接地電極，該第二電極與該第一電極共同設置於半導體層上，且該第二電極與該第一電極之間維持一間距，其中該半導體層的一電阻值依據一特定氣體的一濃度而改變。
2. 如申請專利範圍第1項所述的氣體感測裝置，其中該基板的一最大厚度介於10微米（μm）至100微米之間
3. 如申請專利範圍第1項所述的氣體感測裝置，其中該接觸表面為一平面，以與該體表的一平面輪廓相符合。
4. 如申請專利範圍第1項所述的氣體感測裝置，其中該接觸表面為一曲面，且與該體表的一曲面輪廓相符合。
5. 如申請專利範圍第1項所述的氣體感測裝置，更包括一黏著層，設置於該接觸表面，以將該基板貼附於該體表。
6. 如申請專利範圍第1項所述的氣體感測裝置，其中該半導體層為一金屬氧化層。
7. 如申請專利範圍第1項所述的氣體感測裝置，其中該半導體層的材料包括石墨烯（graphene）、錫、鋅、銦、鎢、鎂、鐵或鈦之氧化物。
8. 如申請專利範圍第1項所述的氣體感測裝置，其中該半導體層的該電阻值與該特定氣體的該濃度成反比。
9. 如申請專利範圍第1項所述的氣體感測裝置，其中該發光元件包括一發光二極體。
10. 如申請專利範圍第1項所述的氣體感測裝置，其中該第一電極、該第二電極以及該發光元件是以3D列印技術形成。