TWI641777B - 致動傳感模組 - Google Patents

Abstract

一種致動傳感模組，包含基板、至少一個傳感器以及至少一個致動裝 置，傳感器安裝於基板上；致動裝置安裝於基板上，並與基板之間設置至少一通道，且通道位於傳感器之一側，致動裝置受驅動而致動壓縮傳輸一流體由通道流出，並通過傳感器，以令傳感器量測所接收之流體。

Description

致動傳感模組

本案關於一種致動傳感模組，尤指一種可應用於電子裝置中，以監測環境之致動傳感模組。

目前人類在生活上對環境的監測要求愈來愈重視，例如一氧化碳、二氧化碳、揮發性有機物(Volatile Organic Compound，VOC)、PM2.5等等環境的監測，環境中這些氣體暴露會對人體造成不良的健康影響，嚴重的甚至危害到生命。因此環境監測紛紛引起各國重視，要如何去實施環境監測是目前急需要去重視的課題。

可攜式之電子裝置在現代生活中被廣泛使用及應用，也是不可缺的電子裝置，因此利用此可攜式之電子裝置來監測周圍環境氣體是可行的，若又能即時提供監測資訊，警示處在環境中的人，能夠即時預防或逃離，避免遭受環境中的氣體暴露造成人體健康影響及傷害，所以利用可攜式之電子裝置來監測周圍環境是非常好的應用。

然，在電子裝置中提供額外傳感器來監測環境，雖能向電子裝置之使用者提供關於該使用者之環境的較多資訊，但對於監測敏度、精準之最佳效能就需要去考量，例如，傳感器單靠環境中流體自然流通之引流，不僅無法獲取穩定、一致性之流體流通量以進行穩定監測，且環境中流體自然流通之引流要到達接觸傳感器之監測反應作用時間較長，因此會影響到即時監測之成效。

有鑑於此，要如何能夠提供解決傳感器之監測準度及如何增進傳感器之監測反應速度等問題，實為目前迫切需要解決之問題。

本案之主要目的在於提供一種致動傳感模組，由至少一個傳感器結合至少一個致動裝置所整合的模組設置，致動裝置能加快流體產生流通，並提供穩定、一致性之流量，讓傳感器能獲取該穩定、一致性之流體流通量以直接監測，且有效縮短傳感器之監測反應作用時間，達成精準之監測。

為達上述目的，本案之一較廣義實施態樣為提供一種致動傳感模組，包含：一基板；至少一個傳感器，安裝於該基板上；以及至少一個致動裝置，安裝於該基板上，並與該基板之間設置至少一通道，且該通道位於該傳感器一側，該致動裝置受驅動而致動壓縮一流體，由該通道流出，並通過該傳感器，以令該傳感器量測所接收之該流體。

1‧‧‧致動傳感模組

11‧‧‧基板

12‧‧‧傳感器

13‧‧‧致動裝置、流體致動器

130‧‧‧第一腔室

131‧‧‧導流板

131a‧‧‧導流孔

131b‧‧‧匯流排孔

131c‧‧‧中心凹部

132‧‧‧共振片

132a‧‧‧可動部

132b‧‧‧固定部

132c‧‧‧中空孔洞

133‧‧‧壓電致動器

1331‧‧‧懸浮板

1331a‧‧‧凸部

1331b‧‧‧第二表面

1331c‧‧‧第一表面

1332‧‧‧外框

1332a‧‧‧第二表面

1332b‧‧‧第一表面

1332c‧‧‧導電接腳

1333‧‧‧支架

1333a‧‧‧第二表面

1333b‧‧‧第一表面

1334‧‧‧壓電片

1335‧‧‧空隙

134a、134b‧‧‧絕緣片

135‧‧‧導電片

135a‧‧‧導電接腳

h‧‧‧間隙

14‧‧‧通道

第1A圖所示為本案致動傳感器模組之相關構件外觀示意圖。

第1B圖所示為本案致動傳感器模組之相關構件剖面示意圖。

第2圖所示為本案致動傳感器模組之致動裝置採用流體致動器之作動示意圖。

第3A及3B圖所示分別為本案致動傳感器模組之致動裝置採用流體致動器於不同視角之分解結構示意圖。

第4圖所示為第3A及3B圖所示之壓電致動器之剖面結構示意圖。

第5圖所示為本案致動傳感器模組之流體致動器之剖面結構示意圖。

第6A至6E圖所示為本案致動傳感器模組之致動裝置採用流體致動器作動之流程結構圖。

體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖示在本質上當作說明之用，而非用以限制本案。

請參閱第1A圖、第1B圖所示，本案致動傳感模組1係應用於一電子裝置中，用以監測環境之相關參數，但不以此為限；致動傳感模組1主要包括一基板11、至少一個傳感器12及至少一個致動裝置13。傳感器12結合致動裝置13整合成模組設置，致動裝置13設置於傳感器12一側，並設有至少一個通道14，該致動裝置13受驅動而致動產生流體由該通道14流出，並通過傳感器12處，以令傳感器12上量測所接收之該流體。

致動裝置13為能將控制訊號轉換成具有推動被控系統之動力裝置，致動裝置13可以包含一電動致動器、一磁力致動器、一熱動致動器、一壓電致動器及一流體致動器。例如：交直流馬達、步進馬達等電動致動器，磁性線圈馬達等磁力致動器，熱泵等熱動致動器，壓電泵等壓電驅動器，氣體泵、液體泵等流體致動器，均不以此為限。

本案之傳感器12可包括像是如以下各者之傳感器：溫度傳感器、揮發性有機化合物傳感器(例如，量測甲醛、氨氣之傳感器)、微粒傳感器(例如，PM2.5之微粒傳感器)、一氧化碳傳感器、二氧化碳傳感器、氧氣傳感器、臭氧傳感器、其他氣體傳感器、濕度傳感器、水分傳感器、量測水或其他液體中或空氣中之化合物及/或生物學物質之傳感器(例 如，水質傳感器)、其他液體傳感器，或用於量測環境之光傳感器，亦可為該等傳感器之任意組合而成之群組，均不以此為限。

又請參閱第1A圖、第1B圖所示，本案實施例中，致動傳感模組1之致動裝置13係採用一流體致動器做說明，以下說明以流體致動器13代表本案之致動裝置。本案致動傳感模組1之基板11即為整合傳感器12與流體致動器13之平台，如第1A圖所示，基板11可為一印刷電路板(PCB)，傳感器12與流體致動器13可採以陣列安裝於上。本案之流體致動器13則可為一壓電致動泵浦之驅動結構，或者一微機電系統(MEMS)泵浦之驅動結構，均不以此為限。

本實施例中，以下就以壓電致動泵浦作流體致動器13之作動說明：請參閱第3A圖及第3B圖所示，流體致動器13包括進氣板131、共振片132、壓電致動器133、絕緣片134a、134b及導電片135等結構，其中壓電致動器133對應於共振片132而設置，並使進氣板131、共振片132、壓電致動器133、絕緣片134a、導電片135及另一絕緣片134b等依序堆疊設置，其組裝完成之剖面圖係如第5圖所示。

於本實施例中，進氣板131具有至少一進氣孔131a，其中進氣孔131a之數量以4個為較佳，但不以此為限。進氣孔131a係貫穿進氣板131，用以供流體自裝置外順應外界壓力之作用而自該至少一進氣孔131a流入流體致動器13之中。進氣板131上具有至少一匯流排孔131b，用以與進氣板131另一表面之該至少一進氣孔131a對應設置。於匯流排孔131b的中心交流處係具有中心凹部131c，且中心凹部131c係與匯流排孔131b相連通，藉此可將自該至少一進氣孔131a進入匯流排孔131b之流體引導並匯流集中至中心凹部131c，以實現流體傳遞。於本實施例中，進氣板131具有一體成型的進氣孔131a、匯流排孔131b及中心凹部131c， 且於中心凹部131c處即對應形成一匯流流體的匯流腔室，以供流體暫存。於一些實施例中，進氣板131之材質可為例如但不限於不鏽鋼材質所構成。於另一些實施例中，由該中心凹部131c處所構成之匯流腔室之深度與匯流排孔131b之深度相同，但不以此為限。共振片132係由一可撓性材質所構成，但不以此為限，且於共振片132上具有一中空孔洞132c，係對應於進氣板131之中心凹部131c而設置，以使流體流通。於另一些實施例中，共振片132係可由一銅材質所構成，但不以此為限。

壓電致動器133係由一懸浮板1331、一外框1332、至少一支架1333以及一壓電片1334所共同組裝而成，其中，該壓電片1334貼附於懸浮板1331之第一表面1331c，用以施加電壓產生形變以驅動該懸浮板1331彎曲振動，以及該至少一支架1333係連接於懸浮板1331以及外框1332之間，於本實施例中，該支架1333係連接設置於懸浮板1331與外框1332之間，其兩端點係分別連接於外框1332、懸浮板1331，以提供彈性支撐，且於支架1333、懸浮板1331及外框1332之間更具有至少一空隙1335，該至少一空隙1335係與通道14相連通，用以供流體流通。應強調的是，懸浮板1331、外框1332以及支架1333之型態及數量不以前述實施例為限，且可依實際應用需求變化。另外，外框1332係環繞設置於懸浮板1331之外側，且具有一向外凸設之導電接腳1332c，用以供電連接之用，但不以此為限。

懸浮板1331係為一階梯面之結構(如第4圖所示)，意即於懸浮板1331之第二表面1331b更具有一凸部1331a，該凸部1331a可為但不限為一圓形凸起結構。懸浮板1331之凸部1331a係與外框1332之第二表面1332a共平面，且懸浮板1331之第二表面1331b及支架1333之第二表面1333a亦為共平面，且該懸浮板1331之凸部1331a及外框1332之第二表面1332a 與懸浮板1331之第二表面1331b及支架1333之第二表面1333a之間係具有一特定深度。懸浮板1331之第一表面1331c，其與外框1332之第一表面1232b及支架1333之第一表面1233b為平整之共平面結構，而壓電片1334則貼附於此平整之懸浮板1331之第一表面1331c處。於另一些實施例中，懸浮板1331之型態亦可為一雙面平整之板狀正方形結構，並不以此為限，可依照實際施作情形而任施變化。於一些實施例中，懸浮板1331、支架1333以及外框1332係可為一體成型之結構，且可由一金屬板所構成，例如但不限於不鏽鋼材質所構成。又於另一些實施例中，壓電片1334之邊長係小於該懸浮板1331之邊長。再於另一些實施例中，壓電片1334之邊長係等於懸浮板1331之邊長，且同樣設計為與懸浮板1331相對應之正方形板狀結構，但並不以此為限。

於本實施例中，如第3A圖所示，流體致動器13之絕緣片134a、導電片135及另一絕緣片134b係依序對應設置於壓電致動器133之下，且其形態大致上對應於壓電致動器133之外框1332之形態。於一些實施例中，絕緣片134a、124b係由絕緣材質所構成，例如但不限於塑膠，俾提供絕緣功能。於另一些實施例中，導電片135可由導電材質所構成，例如但不限於金屬材質，以提供電導通功能。於本實施例中，導電片135上亦可設置一導電接腳135a，以實現電導通功能。

於本實施例中，如第5圖所示，流體致動器13係依序由進氣板131、共振片132、壓電致動器133、絕緣片134a、導電片135及另一絕緣片134b等堆疊而成，且於共振片132與壓電致動器133之間係具有一間隙h，於本實施例中，係於共振片132及壓電致動器133之外框1332周緣之間的間隙h中填入一填充材質，例如但不限於導電膠，以使共振片132與壓電致動器133之懸浮板1331之凸部1331a之間可維持該間隙h之深度，進 而可導引流體更迅速地流動，且因懸浮板1331之凸部1331a與共振片132保持適當距離使彼此接觸干涉減少，促使噪音產生可被降低。於另一些實施例中，亦可藉由加高壓電致動器133之外框1332之高度，以使其與共振片132組裝時增加一間隙，但不以此為限。

請參閱第3A圖及第3B圖、第5圖所示，於本實施例中，當進氣板131、共振片132與壓電致動器133依序對應組裝後，於共振片132具有一可動部132a及一固定部132b，可動部132a處可與其上的進氣板131共同形成一匯流流體的腔室，且在共振片132與壓電致動器133之間更形成一第一腔室130，用以暫存流體，且第一腔室130係透過共振片132之中空孔洞132c而與進氣板131之中心凹部131c處的腔室相連通，且第一腔室130之兩側則由壓電致動器133之支架1333之間的空隙1335而與通道14相連通。

請參閱第3A圖、第3B圖、第5圖、第6A圖至第6E圖，本案之流體致動器13之作動流程簡述如下。當流體致動器13進行作動時，壓電致動器133受電壓致動而以支架1333為支點，進行垂直方向之往復式振動。如第6A圖所示，當壓電致動器133受電壓致動而向下振動時，由於共振片132係為輕、薄之片狀結構，是以當壓電致動器133振動時，共振片132亦會隨之共振而進行垂直之往復式振動，即為共振片132對應中心凹部131c的部分亦會隨之彎曲振動形變，即該對應中心凹部131c的部分係為共振片132之可動部132a，是以當壓電致動器133向下彎曲振動時，此時共振片132對應中心凹部131c的可動部132a會因流體的帶入及推壓以及壓電致動器133振動之帶動，而隨著壓電致動器133向下彎曲振動形變，則流體由進氣板131上的至少一進氣孔131a進入，並透過至少一匯流排孔131b以匯集到中央的中心凹部131c處，再經由共振片132上 與中心凹部131c對應設置的中空孔洞132c向下流入至第一腔室130中。其後，由於受壓電致動器133振動之帶動，共振片132亦會隨之共振而進行垂直之往復式振動，如第6B圖所示，此時共振片132之可動部132a亦隨之向下振動，並貼附抵觸於壓電致動器133之懸浮板1331之凸部1331a上，使懸浮板1331之凸部1331a以外的區域與共振片132兩側之固定部132b之間的匯流腔室的間距不會變小，並藉由此共振片132之形變，以壓縮第一腔室130之體積，並關閉第一腔室130中間流通空間，促使其內的流體推擠向兩側流動，進而經過壓電致動器133之支架1333之間的空隙1335而向下穿越流動。之後，如第6C圖所示，共振片132之可動部132a向上彎曲振動形變，而回復至初始位置，且壓電致動器133受電壓驅動以向上振動，如此同樣擠壓第一腔室130之體積，惟此時由於壓電致動器133係向上抬升，因而使得第一腔室130內的流體會朝兩側流動，而流體持續地自進氣板131上的至少一進氣孔131a進入，再流入中心凹部131c所形成之腔室中。之後，如第6D圖所示，該共振片132受壓電致動器133向上抬升的振動而共振向上，此時共振片132之可動部132a亦隨之向上振動，進而減緩流體持續地自進氣板131上的至少一進氣孔131a進入，再流入中心凹部131c所形成之腔室中。最後，如第6E圖所示，共振片132之可動部132a亦回復至初始位置，由此實施態樣可知，當共振片132進行垂直之往復式振動時，係可由其與壓電致動器133之間的間隙h以增加其垂直位移的最大距離，換句話說，於該兩結構之間設置間隙h可使共振片132於共振時可產生更大幅度的上下位移。是以，在經此流體致動器13之流道設計中產生壓力梯度，使流體高速流動，並透過流道進出方向之阻抗差異，將流體由吸入端傳輸至排出端，以完成流體輸送作業，即使在排出端有壓力之狀態下，仍 有能力持續將流體推入通道14，並可達到靜音之效果，如此重覆第6A至6E圖之流體致動器13作動，即可使流體致動器13產生一由外向內的流體傳輸。

承上所述，為了解流體致動器13之作動，而進氣板131、共振片132、壓電致動器133、絕緣片134a、導電片135及另一絕緣片134b等依序堆疊設置，又如第2圖所示流體致動器13組裝於基板11上，並與基板11之間設置一通道14，且通道14位於傳感器12一側，流體致動器13受驅動而致動壓縮流體，由通道14流出產生流動，如第2圖所示箭頭所指方向流動，並通過傳感器12，使傳感器12可量測所接收之流體，如此透過流體致動器13導引流體之流動，並提供穩定、一致性之流量直接導送至傳感器12處，讓傳感器12能獲取穩定、一致性之流體流通量以直接監測，藉此可有效縮短傳感器12之監測反應作用時間，達成精準之監測，極具產業利用價值。

綜上所述，本案致動傳感模組由至少一個傳感器結合至少一個致動裝置所整合的模組設置，致動裝置能加快流體之流動速度，並促使其流通，以提供穩定、一致性之流量，讓傳感器能獲取該穩定、一致性之流體流通量以直接監測，且有效縮短傳感器之監測反應作用時間，達成精準之監測。是以，本案之具有致動傳感模組之電子裝置極具產業之價值，爰依法提出申請。

本案得由熟習此技術之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。

Claims (18)

1. 一種致動傳感模組，包含：一基板；至少一個傳感器，安裝於該基板上；以及至少一個致動裝置，安裝於該基板上，並與該基板之間設置至少一通道，且該通道位於該傳感器一側，該致動裝置受驅動而致動壓縮一流體，由該通道流出，並通過該傳感器，以令該傳感器量測所接收之該流體。
2. 如申請專利範圍第1項所述之致動傳感模組，其中該流體為氣體。
3. 如申請專利範圍第1項所述之致動傳感模組，其中該流體為液體。
4. 如申請專利範圍第1項所述之致動傳感模組，其中該基板為一印刷電路，該傳感器與該致動裝置係以陣列安裝於其上。
5. 如申請專利範圍第1項之致動傳感模組，其中該傳感器包含一氧氣傳感器、一一氧化碳傳感器及一二氧化碳傳感器之至少其中之一任意組合而成之群組。
6. 如申請專利範圍第1項所述之致動傳感模組，其中該傳感器包含一液體傳感器。
7. 如申請專利範圍第1項之致動傳感模組，其中該傳感器包含一溫度傳感器、一液體傳感器、及一濕度傳感器至少其中之一任意組合而成之群組。
8. 如申請專利範圍第1項之致動傳感模組，其中該傳感器包含一臭氧傳感器。
9. 如申請專利範圍第1項之致動傳感模組，其中該傳感器包含一微粒傳感器。
10. 如申請專利範圍第1項之致動傳感模組，其中該傳感器包含一揮發性有機物傳感器。
11. 如申請專利範圍第1項之致動傳感模組，其中該傳感器包含一光傳感器。
12. 如申請專利範圍第1項所述之致動傳感模組，其中該致動裝置為一流體致動器。
13. 如申請專利範圍第12項之致動傳感模組，其中該流體致動器為一微機電系統泵浦。
14. 如申請專利範圍第12項之致動傳感模組，其中該流體致動器為一壓電致動泵浦。
15. 如申請專利範圍第14項之致動傳感模組，其中該流體致動器包括：一進氣板，具有至少一進氣孔、至少一匯流排孔及構成一匯流腔室之一中心凹部，其中該至少一進氣孔供導入流體，該匯流排孔對應該進氣孔，且引導該進氣孔之流體匯流至該中心凹部所構成之該匯流腔室；一共振片，具有一中空孔對應於該匯流腔室，且該中空孔之周圍為一可動部；以及一壓電致動器，與該共振片相對應設置；其中，該共振片與該壓電致動器之間具有一間隙形成一第一腔室，以使該壓電致動器受驅動時，使流體由該進氣板之該至少一進氣孔導入，經該至少一匯流排孔匯集至該中心凹部，再流經該共振片之該中空孔，以進入該第一腔室內，由該壓電致動器與該共振片之可動部產生共振傳輸流體。
16. 如申請專利範圍第15項所述之致動傳感模組，其中該壓電致動器包含： 一懸浮板，具有一第一表面及一第二表面，且可彎曲振動；一外框，環繞設置於該懸浮板之外側；至少一支架，連接於該懸浮板與該外框之間，以提供彈性支撐；以及一壓電片，具有一邊長，該邊長係小於或等於該懸浮板之一邊長，且該壓電片係貼附於該懸浮板之一第一表面上，用以施加電壓以驅動該懸浮板彎曲振動。
17. 如申請專利範圍第16項所述之致動傳感模組，其中該懸浮板為一正方形懸浮板，並具有一凸部。
18. 如申請專利範圍第15項所述之致動傳感模組，其中該流體致動器包括：一導電片、一第一絕緣片以及一第二絕緣片，其中該進氣板、該共振片、該壓電致動器、該第一絕緣片、該導電片及該第二絕緣片係依序堆疊設置。