TWI633921B - Micro aerosol sensing device with self-cleaning function - Google Patents

Abstract

本發明係揭露一種具自清潔功能之微型氣溶膠感測裝置，其係包括有一封裝基座，其相對應表面分別設有至少一衝擊通孔和至少一輸出口，一感測振盪器係安裝於封裝基座之容置空間內，使感測振盪器之一感測基板對應衝擊通孔，並在感測基板下方設有一內嵌式加熱元件。氣溶膠可以自衝擊通孔進入，再經過容置空間後，由輸出口離開，以形成流場通路；本發明在感測振盪器停止作動時會進行自清潔模式，此時內嵌式加熱元件會加熱使容置空間產生溫度梯度，藉由溫度梯度與氣溶膠之引流機制，使沉積於感測基板上的微粒離開表面並隨流場通路自輸出口流出，以達到自清潔之功效者。

Description

具自清潔功能之微型氣溶膠感測裝置

本發明係有關一種微型氣溶膠感測裝置，特別是關於一種具自清潔功能之微型氣溶膠感測裝置。

隨著科技工業的高度發展，伴隨而來的是嚴重的空氣污染威脅，而存在於空氣污染中的懸浮微粒會對呼吸系統和心血管系統造成傷害，而其中小於或等於2.5微米（μm）的粒子，就稱為PM 2.5，又稱細懸浮微粒。因PM 2.5細微到非常容易進入人體肺部，並直接進入血管中隨著血液循環至全身，因此對人體和生態造成嚴重的影響。為了因應此一PM 2.5對人體健康產生的潛在威脅，使得各種偵測空氣品質的氣體感測器應運而生。

一般常見的細懸浮微粒感測裝置50係如第1圖所示，一基座52上設有一氣流通道54，且氣流通道54具有一輸入口56和一輸出口58，一感測振盪器60安裝於基座52上且對應該氣流通道54，一衝擊板62係安裝於基座52上，且衝擊板62上設有複數個通孔64，這些通孔64係對應基座52內之氣流通道54的輸入口56，使氣溶膠可以依序自通孔64流到氣流通道54的輸入口56，再通過感測振盪器60後經氣流通道54至輸出口58排出。此細懸浮微粒感測裝置50主要係利用氣溶膠中的微粒子附著於感測振盪器60上並導致頻率飄移的特性，設計一個氣流通道54使氣溶膠自輸入口56進入基座52內，進而使微粒子累積於感測振盪器60上，使得頻率因為重量負荷效應而發生飄移，以藉此達到感測細懸浮微粒濃度之目的。

然而，當細懸浮微粒感測裝置持續偵測空氣中的細懸浮微粒濃度時，細懸浮微粒會不斷的累積在感測振盪器上，導致其因過多的質量負載而使阻抗升高，進而導致整個感測振盪器失效。

有鑑於此，本發明遂提出一種具自清潔功能之微型氣溶膠感測裝置，以解決習知細懸浮微粒感測裝置壽命過短的問題。

本發明之主要目的係在提供一種具自清潔功能之微型氣溶膠感測裝置，其係可在自清潔模式下，藉由引流機制和內嵌式加熱功能，在溫度與氣流的適當搭配下，使細懸浮微粒被動的離開感測振盪器表面，以達到自清潔之功效。

本發明之另一目的係在提供一種具自清潔功能之微型氣溶膠感測裝置，其係利用細懸浮微粒可自主離開感測振盪器表面，以延長感測震盪器的使用壽命。

為達到上述目的，本發明提出一種具自清潔功能之微型氣溶膠感測裝置，其係包括有一封裝基座，其內設有一容置空間，在封裝基座之二相對應表面分別設有至少一衝擊通孔和至少一輸出口且分別連通容置空間，使氣溶膠可以自衝擊通孔進入，再經過容置空間後，由輸出口離開，以形成流場通路；一感測振盪器係安裝於封裝基座上且位於容置空間內，此感測振盪器之一感測基板係對應衝擊通孔；以及一內嵌式加熱元件安裝於感測振盪器中，且位於感測基板下方。在感測模式下，感測振盪器為工作狀態，藉由氣溶膠中沈積在感測基板表面之數量來感測細懸浮微粒之濃度；在自清潔模式下，感測振盪器停止作動，內嵌式加熱元件會加熱使容置空間產生溫度梯度，藉由溫度梯度與氣溶膠之流場作用，得以使沉積於感測基板上的微粒離開表面並隨流場通路自輸出口流出。

其中，本發明之微型氣溶膠感測裝置更包括有一封裝殼體，安裝於封裝基座上並連通封裝基座，此封裝殼體上表面設有至少一輸入通孔對應並連通前述之衝擊通孔；以及至少一導流式衝擊板係位於封裝殼體內且對應輸入通孔，使氣溶膠可以自輸入通孔進入封裝殼體內，並衝擊此導流式衝擊板後導流至衝擊通孔。藉由此導流式衝擊板之設計可以有效阻擋氣溶膠中大於2.5微米的微粒沉積於該導流式板上，使含有2.5微米以下微粒的氣溶膠繼續流通進入衝擊通孔。

底下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容及其所達成的功效。

由於微型氣溶膠感測裝置係利用微粒附著於感測基板上並導致頻率產生飄移的特性來達到濃度感測之目的，然而，由於感測基板不能無限制地累積微粒，其會因過多的質量負載而使阻抗升高，導致整個感測振盪器失效，因此，本發明提出一種可以自清潔之結構設計，使微粒可以自主性離開感測基板表面，以延長感測振盪器之使用壽命。

請參閱第2圖及第3圖所示，一種具自清潔功能之微型氣溶膠感測裝置10主要包括有一封裝基座12，其內係具有一容置空間14，在封裝基座12之二相對應之上、下表面分別設有貫穿的至少一衝擊通孔16以及至少一輸出口18，在此係以複數個衝擊通孔16以及一個輸出口18為例，且這些衝擊通孔16與輸出口18係分別連通容置空間14，使衝擊通孔16、容置空間14及輸出口18共同形成一個完整的流場通路；一感測振盪器20安裝於封裝基座12上且位於容置空間14內，且感測振盪器20係利用至少一導電材料22電性連接至封裝基座12之內連線，感測振盪器20與封裝基板12間藉由導電材料22之作用會形成有一個空隙，使氣溶膠可順利通過並由輸出口18流出。此感測振盪器20更包括有一承載基座24，其上係設有至少一容置槽26；在承載基座24上且位於容置槽26內安裝有一感測基板28，此感測基板28係位於衝擊通孔16下方，且利用至少一導電材料30安裝於承載基座24上並與其內連線形成電性連接，亦即使這些衝擊通孔16恰好位於感測基板28的絕對上方；另有一驅動控制晶片（圖中未示）亦安裝於承載基座24上且電性連接承載基座24之內連線，以控制感測振盪器20之運作。以及一內嵌式加熱元件32係安裝於感測振盪器20中，使內嵌式加熱元件32內嵌於承載基座24中且位於感測基板28下方，內嵌式加熱元件32並露出部分表面對應感測基板28，當內嵌式加熱元件32加熱讓容置空間14產生溫度梯度時，藉由此溫度梯度與氣溶膠之流場作用，得以使沉積於感測基板28上的微粒離開表面並自輸出口18流出。

其中，上述之衝擊通孔16與感測基板28間之距離係維持至少一倍的衝擊通孔16的孔徑，以利於保持流場通路。

在說明完基本架構後，接續仍請參閱第2圖及第3圖所示，詳細說明本發明之作動。如圖所示，本發明之具自清潔功能之微型氣溶膠感測裝置10係具有二種工作模式，一種是細懸浮微粒的感測模式，另一種則是自清潔模式。在感測模式下，感測振盪器20處於工作狀態，此部分之技術特徵係屬於現有技術，故僅點到為止，含有細微懸浮微粒的氣溶膠係藉由引流機制，作為輸入口的衝擊通孔16與輸出口18間的容置空間14在感測振盪器20工作狀態下為負壓狀態，使氣溶膠流動方向從衝擊通孔16往輸出口18方向；在本發明設計之適當衝擊條件下，氣溶膠中的細懸浮微粒將能沈降在感測振盪器20之感測基板28表面，且粒徑2.5微米以下的細懸浮微粒佔感測基板28上所有微粒總數的比例大於50%，當細懸浮微粒藉此累積於感測基板28上，使得頻率因重量而產生飄移，當微粒數量愈多，則感測振盪器20的輸出頻率變化量愈大，以達成感測濃度之作用。另一方面，在自清潔模式下，感測振盪器20停止工作，此時透過導電材料22可從外部將一電壓提供給內嵌式加熱元件32，以加熱使容置空間14產生溫度梯度，同時啟動引流機制及內嵌式加熱功能，以藉由溫度梯度與氣溶膠之流場作用產生一個熱泳作用，使沉積於感測基板28上的微粒將被動地離開表面並隨著流場通道從輸出口18流出。

除了上述基本實施例之外，本發明亦有其他不同實施例之應用。請參閱第4圖及第5圖所示，在前述之封裝基座12上方更可增設有一封裝殼體34，此封裝殼體34安裝於封裝基座12上並連通封裝基座12之容置空間14，在封裝殼體34的上表面更設有至少一輸入通孔36，其係對應並連通衝擊通孔16；以及在封裝殼體34之內部空間設有至少一導流式衝擊板38，其係對應輸入通孔36，使氣溶膠可以自輸入通孔36進入封裝殼體34內，並衝擊導流式衝擊板38後導流進入衝擊通孔16，此時，導流式衝擊板38可阻擋氣溶膠中大於2.5微米的微粒沉積於導流式衝擊板38上，使含有2.5微米以下微粒的氣溶膠得以繼續流通進入衝擊通孔16中。當氣溶膠通過衝擊通孔16進入封裝基座12內之容置空間14後，後續之流動方向以及相關的感測模式與自清潔模式則與前述實施例相同，故於此不再贅述。本發明藉由導流式衝擊板38的作用，可以有效阻擋大於2.5微米的微粒，使後續沈積在感測基板28上的微粒能夠大部分為2.5微米以下的細懸浮微粒。

前述之二種實施例，皆為具有一個輸出口18的微型氣溶膠感測裝置10，如第6a圖所示。當然，本發明之輸出口18亦可以為複數個，如第6b圖所示，微型氣溶膠感測裝置10具有複數個輸出口18，且這些輸出口18係以對稱方式設置於封裝基座12下表面且連通容置空間，以利排出氣溶膠。

請參閱第7a圖及第7b圖所示，其係為本發明之微型氣溶膠感測裝置在感測模式下，不同視角之內部流場分布圖，由於微粒需藉由引流方能自外界進入微型氣溶膠感測裝置，故此圖之實例旨在模擬氣流自輸入通孔進入內部時的流場狀況。氣流的流量為3 L/min，重力的影響同時有納入考量。從本圖式中的流線可以看到空氣在進入輸入通孔後會撞擊到導流式衝擊板，並往衝擊板周圍繼續流向下方的容置空間，且在撞擊至感測基板後再往輸出口流出。

請參閱第8圖所示，其係為本發明之微型氣溶膠感測裝置在感測模式下之微粒的運動軌跡示意圖，由於在此實例中微粒的總投入數量為4500顆，若將每個微粒的軌跡線條描繪出來，反而會過於雜亂且會看不清楚微粒的分佈狀況，因此第8圖僅顯示粒子最後的停止位置。在此實例中，不同粒徑的微粒皆以隨機分佈的方式伴隨氣流自輸入通孔流入，輸入通孔的氣流流量設定為3 L/min，當微粒行經至導流式衝擊板時，受到慣性衝擊的因素，較大顆的粒子在撞擊到導流式衝擊板後會留在該處，而較小顆的粒子則會順著氣流繼續流入下方的容置空間，並沉降在感測基板上，進而達到粒子篩選的效果，且可使粒徑2.5 μm以下的細懸浮微粒佔感測基板上所有微粒總數的比例大於50%。從此圖中可以很清楚的看到較大顆的粒子確實會被阻擋在導流式衝擊板上，而感測基板上的粒子都是比較小顆的。

請參閱第9圖所示，其係為本發明之微型氣溶膠感測裝置在感測模式下，感測基板表面微粒的比例曲線圖。此實例所使用的條件與前述兩個實例相同，從本圖式可以清楚看到各個粒徑的微粒在感測基板上佔所有微粒總數的比例，當粒徑為2.5 μm時，會發現其所對應的比例數值將近60%，也就是說在本實例中，停留在感測基板上的所有微粒當中，會有將近60%的比例之微粒，其粒徑皆為2.5 μm以下，足以證明本發明於前述內容中所述之目的功效等內容確實可達成。

第10圖為本發明之微型氣溶膠感測裝置在自清潔模式下，微粒的運動軌跡圖。如圖所示，為了模擬微粒在熱泳作用下的自清潔效果，在模擬條件上將微粒的初始位置設定在感測基板上，當熱源開啟並產生溫度梯度後，搭配適當的引流機制可讓微粒具有足夠的速度被帶離感測基板表面並往輸出口移動，以達到自我清潔的功效。在本實例中，感測基板上的粒子數量為200顆、粒徑為1 μm、引流流量為0.1 L/min、輸出口數量為4個、施加在內嵌式加熱元件上的電壓為6 V、整體時間為2秒。由圖可知，微粒在自清潔模式下會遭受到以下四種作用力的影響：重力、風壓(引流機制所造成)、空氣阻力、熱泳力，這四種力綜合起來會對微粒產生一股合力，在此合力作用下，會使感測基板上的粒子具有速度，若在適當的參數條件搭配下，可以讓粒子自感測基板離開並流向各個輸出口。

第11圖為本發明之微型氣溶膠感測裝置在自清潔模式下，微粒速度的分布圖。如圖所示，在與前段內容相同之模擬條件下，如同前面所述，在適當的參數條件搭配下，施加在微粒上的各個作用力會形成一股合力，讓微粒產生速度，因此從第11圖可以看到，當溫度梯度逐漸形成時，微粒便會自初始狀態(速度為零)開始具有速度。由於熱源是來自於感測基板下方，故熱泳力的主要方向是由下至上，但因同時啟動了引流機制，氣流由輸入口流向感測基板，因此氣流對微粒的作用力是由上至下，此時微粒的熱泳力會受到抑制，所以微粒速度會經歷一段降低的過程。隨著時間的增加，裝置內部的流場會趨於穩定，同時因內嵌式加熱元件仍然在加熱，故溫度梯度會持續上升，因此微粒會逐漸擺脫氣流的抑制，所以微粒速度會再度提升，並會因在感測基板上位置的不同而具有大小不一的速度。當時間一直持續下去時，感測基板上的粒子速度會達到一個平衡，但在此狀況下微粒即會力開感測基板之表面，以達到自清潔之目的者。

因此，本發明提出之具自清潔功能之微型氣溶膠感測裝置，在平時的感測模式下，可以進行懸浮微粒的濃度感測；更可在自清潔模式下，藉由引流機制和內嵌式加熱元件的加熱功能，在溫度與氣流的適當搭配下，使細懸浮微粒得以離開感測振盪器之感測基板表面，以達到自清潔之功效。且因細懸浮微粒可自主離開感測基板表面，故可以有效延長感測震盪器的使用壽命。

以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟悉此項技術者能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。

10‧‧‧微型氣溶膠感測裝置
12‧‧‧封裝基座
14‧‧‧容置空間
16‧‧‧衝擊通孔
18‧‧‧輸出口
20‧‧‧感測振盪器
22‧‧‧導電材料
24‧‧‧承載基座
26‧‧‧容置槽
28‧‧‧感測基板
30‧‧‧導電材料
32‧‧‧內嵌式加熱元件
34‧‧‧封裝殼體
36‧‧‧輸入通孔
38‧‧‧導流式衝擊板
50‧‧‧細懸浮微粒感測裝置
52‧‧‧基座
54‧‧‧氣流通道
56‧‧‧
58‧‧‧輸出口
60‧‧‧感測振盪器
62‧‧‧衝擊板
64‧‧‧通孔

第1圖為習知之細懸浮微粒感測裝置的結構示意圖。 第2圖為本發明之微型氣溶膠感測裝置一實施例的立體示意圖。 第3圖為本發明之第2圖的剖面結構示意圖。 第4圖為本發明之微型氣溶膠感測裝置另一實施例的立體示意圖。 第5圖為本發明之第4圖的剖面結構示意圖。 第6a圖為本發明具有一個輸出口之微型氣溶膠感測裝置的底面示意圖。 第6b圖為本發明具有複數個輸出口之微型氣溶膠感測裝置的底面示意圖。 第7a、7b圖為本發明之微型氣溶膠感測裝置在感測模式下於不同視角之內部流場分布圖。 第8圖為本發明之微型氣溶膠感測裝置在感測模式下之微粒的運動軌跡示意圖。 第9圖為本發明之微型氣溶膠感測裝置在感測模式下，感測基板表面微粒的比例曲線圖。 第10圖為本發明之微型氣溶膠感測裝置在自清潔模式下，微粒的運動軌跡圖。 第11圖為本發明之微型氣溶膠感測裝置在自清潔模式下，微粒速度的分布圖。

Claims (11)

1. 一種具自清潔功能之微型氣溶膠感測裝置，包括： 一封裝基座，其內係具有一容置空間，在該封裝基座之二相對應表面分別設有至少一衝擊通孔以及至少一輸出口，且該至少一衝擊通孔與該至少一輸出口分別連通該容置空間，使氣溶膠自該至少一衝擊通孔進入該容置空間後，由該輸出口離開； 一感測振盪器，安裝於該封裝基座上且位於該容置空間內，該感測振盪器之一感測基板係對應該至少一衝擊通孔；以及 一內嵌式加熱元件，安裝於該感測振盪器中，且位於該感測基板下方，當該內嵌式加熱元件加熱使該容置空間產生溫度梯度時，藉由該溫度梯度與該氣溶膠之流場作用，使沉積於該感測基板上的微粒離開表面並自該輸出口流出。
2. 如請求項1所述之具自清潔功能之微型氣溶膠感測裝置，其中該至少一衝擊通孔與該感測基板間之距離係維持至少一倍的該衝擊通孔的孔徑。
3. 如請求項1所述之具自清潔功能之微型氣溶膠感測裝置，其中該至少一衝擊通孔為複數個時，該等衝擊通孔係位於該感測基板的絕對上方。
4. 如請求項1所述之具自清潔功能之微型氣溶膠感測裝置，其中該至少一輸出口為複數個時，該等輸出口係以對稱方式設置於該封裝基座下表面且連通該容置空間。
5. 如請求項1所述之具自清潔功能之微型氣溶膠感測裝置，其中該感測振盪器係利用至少一導電材料電性連接至該封裝基座之內連線。
6. 如請求項1所述之具自清潔功能之微型氣溶膠感測裝置，其中該感測振盪器更包括： 一承載基座，其上係設有至少一容置槽； 該感測基板，係安裝於該承載基板上且位於該容置槽內，使該感測基板位於該至少一衝擊通孔下方；以及 一驅動控制晶片，安裝於該承載基座上，且電性連接該承載基座之內連線。
7. 如請求項6所述之具自清潔功能之微型氣溶膠感測裝置，其中該內嵌式加熱元件係內嵌於該承載基座中並露出部分表面對應該感測基板。
8. 如請求項6所述之具自清潔功能之微型氣溶膠感測裝置，其中該驅動控制晶片係利用至少一導電材料電性連接該承載基座之內連線。
9. 如請求項6所述之具自清潔功能之微型氣溶膠感測裝置，其中該感測基板係利用至少一導電材料電性連接該承載基座之內連線。
10. 如請求項1所述之具自清潔功能之微型氣溶膠感測裝置，更包括： 一封裝殼體，安裝於該封裝基座上，並連通該封裝基座，該封裝殼體上表面更設有至少一輸入通孔對應並連通該至少一衝擊通孔；以及 至少一導流式衝擊板，位於該封裝殼體內且對應該至少一輸入通孔，使該氣溶膠可以自該至少一輸入通孔進入該封裝殼體內，並衝擊該導流式衝擊板後導流至該至少一衝擊通孔。
11. 如請求項10所述之具自清潔功能之微型氣溶膠感測裝置，其中該導流式衝擊板可阻擋該氣溶膠中大於2.5微米的微粒沉積於該導流式衝擊板上，使含有2.5微米以下微粒的該氣溶膠繼續流通至該至少一衝擊通孔。