TWI641812B - Micro aerosol sensing element - Google Patents

Abstract

本發明係揭露一種微型氣溶膠感測元件，包含一封裝殼體、至少一加熱器與一感測振盪器。封裝殼體之外側具有至少一輸入口與至少一輸出口，封裝殼體之內部具有至少一容置空間與至少一彎曲流道。輸入口依序連通彎曲流道、容置空間與輸出口，加熱器位於彎曲流道中。感測振盪器設於容置空間中，並產生一感測頻率。氣溶膠之微粒透過輸入口進入彎曲流道中，以配合加熱器之溫度移動至感測振盪器之表面，感測振盪器依據微粒之質量，改變感測頻率，以判斷微粒在氣溶膠中之濃度。本發明於具有小體積之封裝殼體中建立彎曲流道，以精準量測微粒之濃度。

Description

微型氣溶膠感測元件

本發明係關於一種封裝感測元件，且特別關於一種微型氣溶膠感測元件。

微粒物質(particulate matter,PM)暴露與健康影響已經是上個十年環境研究日議之項目。此粒狀物質例如為PM2.5，PM2.5是指環境空氣中直徑小於或等於2.5微米的顆粒物。它能較長時間懸浮於空氣中，其在空氣中含量濃度越高，就代表空氣污染越嚴重。與直徑較大的大氣顆粒物相比，PM2.5之粒徑小，面積大，活性強且易吸附，例如為重金屬、微生物等有毒或有害物質，且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠，因而對人體健康和大氣環境品質的影響更大。

從環境流行病學研究中指出風險因素量測與健康結果資料的平衡狀況，從環境資料來分析平衡關係的能力，係取決於資料的數量、正確性、具體性與精準性。雖然健康監測與資料蒐集方法經過資料庫系統提升後，已經不斷地進步，但粒狀物質暴露之檢測技術仍不適當。首先，進行微粒物質暴露監測是非常昂貴的，在對人口居民進行監測時，全部的成本若減少1~2個等級是可以負擔的。以目前來說，係以大量投資成本購買數以百計的取樣器，以進行單一研究是不切實際的。此外，粒狀物質暴露估計技術係被尺寸、重量、噪音與功率所限制，此技術係應用在區域取樣器上，其中區域取樣器即指位於常被佔據之空間中的固定式監測器。區域取樣器之體積大，且其幫浦又大又重，且聲音也大。這些不便會影響人們的行為，並產生不具代表性之暴露感測值。對 於大部分敏感的人們，例如小孩、老人及有呼吸病痛者，常需忍受這些取樣器造成的困擾。

因此，本發明係在針對上述的困擾，提出一種微型氣溶膠感測元件，以解決習知所產生的問題。

本發明的主要目的，在於提供一種微型氣溶膠感測元件，其係於具有小體積及低成本之封裝殼體中建立彎曲流道，並配合加熱器所產生之溫度梯度，導引微粒至振盪感測器之表面，以精準量測微粒之濃度。

為達上述目的，本發明提供一種微型氣溶膠感測元件，其係包含一封裝殼體、至少一加熱器與一感測振盪器，其中加熱器例如為電阻。封裝殼體之外側具有至少一輸入口與至少一輸出口，封裝殼體之內部具有至少一容置空間與至少一彎曲流道，彎曲流道之二端分別連通輸入口與容置空間，輸出口連通容置空間。加熱器設於封裝殼體內，並位於彎曲流道中。感測振盪器設於容置空間中，並對應輸出口與加熱器，感測振盪器產生一感測頻率。輸出口之高度相對低於或高於感測振盪器之高度。氣溶膠(Aerosol)透過輸入口、彎曲流道、容置空間與輸出口進行流通。加熱器對自身和感測振盪器之間產生一溫度梯度，且氣溶膠之微粒透過輸入口進入彎曲流道中，以依據溫度梯度加速移動微粒至感測振盪器並沈積微粒於感測振盪器之表面，感測振盪器依據微粒之質量，改變感測頻率，以判斷微粒在氣溶膠中之濃度。

封裝殼體更包含一封裝基座、一氣溶膠流通板、一氣溶膠收集板與一氣溶膠取樣板，其中氣溶膠流通板例如為陶瓷板，氣溶膠收集板例如為玻璃板，封裝基座例如為陶瓷基座。封裝基座之內部具有至少一容置槽，以作為容置空間，封裝基座之外側具有輸出口。氣溶膠流通板透過第一導電膠設於封裝基座上。氣溶膠流通板具有貫穿自身之一流通開口，以連通容置槽，並位於 容置槽上方。氣溶膠流通板之頂部設有一凹槽，以連通流通開口，凹槽與流通開口係形成彎曲流道。氣溶膠收集板設於氣溶膠流通板上，並具有貫穿自身之一收集開口，以連通凹槽。加熱器設於氣溶膠收集板之底部，並位於流通開口之上方，以導引微粒從彎曲流道移動至感測振盪器上。氣溶膠取樣板具有貫穿自身之複數取樣孔，以連通收集開口，取樣孔與收集開口形成輸入口。

在一實施例中，凹槽為方形凹槽。

在一實施例中，氣溶膠流通板之頂部更設有至少一彎曲溝槽，其係位於凹槽與流通開口之間，以連通凹槽與流通開口，並與凹槽與流通開口係形成彎曲流道。

氣溶膠流通板中更設有一第一導電栓(plug)與一第二導電栓，氣溶膠收集板之底部更設有電性連接加熱器之一第一導電凸塊與一第二導電凸塊。第一導電凸塊與第二導電凸塊透過第二導電膠分別設於第一導電栓與第二導電栓上，以分別電性連接第一導電栓與第二導電栓。此第二導電膠例如為異方性導電膠(Anisotropic Conductive Film，ACF)。

感測振盪器更包含一感測諧振器(resonator)與一驅動積體電路(IC)晶片，其係位於容置空間中，其中感測諧振器例如為共振基板。感測諧振器電性連接驅動積體電路晶片上，且感測諧振器之位置對應輸出口與加熱器，驅動積體電路晶片驅動感測諧振器產生感測頻率。在微粒移動至感測諧振器上時，驅動積體電路晶片驅動感測諧振器依據微粒之質量，改變感測頻率。感測諧振器設於驅動積體電路晶片上，或感測諧振器與驅動積體電路晶片水平相隔。

微粒之直徑小於或等於2.5微米且大於0微米。此外，輸入口、彎曲流道與容置空間形成一L型或S型之通道。

茲為使 貴審查委員對本發明的結構特徵及所達成的功效更有進 一步的瞭解與認識，謹佐以較佳的實施例圖及配合詳細的說明，說明如後：

10‧‧‧封裝殼體

12‧‧‧加熱器

14‧‧‧感測振盪器

16‧‧‧輸入口

18‧‧‧輸出口

20‧‧‧容置空間

22‧‧‧彎曲流道

24‧‧‧封裝基座

26‧‧‧氣溶膠流通板

28‧‧‧氣溶膠收集板

30‧‧‧氣溶膠取樣板

32‧‧‧第一導電膠

34‧‧‧流通開口

36‧‧‧凹槽

38‧‧‧收集開口

40‧‧‧取樣孔

42‧‧‧第一導電栓

44‧‧‧第二導電栓

46‧‧‧第一導電凸塊

48‧‧‧第二導電凸塊

50‧‧‧第二導電膠

52‧‧‧感測諧振器

54‧‧‧驅動積體電路晶片

56‧‧‧彎曲溝槽

58‧‧‧抽氣幫浦

60‧‧‧處理器

62‧‧‧參考振盪器

64‧‧‧藍芽模組

66‧‧‧印刷電路板

68‧‧‧無線穿戴式裝置

第1圖為本發明之微型氣溶膠感測元件之第一實施例的結構立體圖。

第2圖為本發明之微型氣溶膠感測元件之第一實施例的結構分解圖。

第3圖為本發明之微型氣溶膠感測元件之沿第1圖之A-A’線的結構剖視圖。

第4圖為本發明之微型氣溶膠感測元件之第二實施例的結構立體圖。

第5圖為本發明之微型氣溶膠感測元件之第二實施例的結構分解圖。

第6圖為本發明之微型氣溶膠感測元件之沿第4圖之B-B’線的結構剖視圖。

第7圖為本發明之微型氣溶膠感測元件之第三實施例的結構立體圖。

第8圖為本發明之微型氣溶膠感測元件之第三實施例的結構分解圖。

第9圖為本發明之微型氣溶膠感測元件之沿第7圖之C-C’線的結構剖視圖。

第10圖為本發明之微型氣溶膠感測元件之第四實施例的結構立體圖。

第11圖為本發明之微型氣溶膠感測元件之第四實施例的結構分解圖。

第12圖為本發明之微型氣溶膠感測元件之沿第10圖之D-D’線的結構剖視圖。

第13圖為本發明之設於可攜式模組中之微型氣溶膠感測元件與無線穿戴式裝置之結構示意圖。

本發明之實施例將藉由下文配合相關圖式進一步加以解說。盡可能的，於圖式與說明書中，相同標號係代表相同或相似構件。於圖式中，基於簡化與方便標示，形狀與厚度可能經過誇大表示。可以理解的是，未特別顯示於圖式中或描述於說明書中之元件，為所屬技術領域中具有通常技術者所知之形態。本領域之通常技術者可依據本發明之內容而進行多種之改變與修改。

以下請參閱第1圖、第2圖與第3圖。本發明之微型氣溶膠感測元 件之第一實施例包含一封裝殼體10、至少一加熱器12與一感測振盪器14，其中加熱器12之數量以一為例，且加熱器12係以電阻為例。封裝殼體10之外側具有至少一輸入口16與至少一輸出口18，在此實施例中，輸入口16與輸出口18之數量分別以一為例。封裝殼體10之內部具有至少一容置空間20與至少一彎曲流道22，其中容置空間20與彎曲流道22之數量分別以一為例。彎曲流道22之二端分別連通輸入口16與容置空間20，輸出口18連通容置空間20。輸入口16、彎曲流道22與容置空間20形成一L型或S型之通道，在此以輸入口16、彎曲流道22與容置空間20形成S型之通道為例。加熱器12設於封裝殼體10內，並位於彎曲流道22中。感測振盪器14設於容置空間20中，並對應輸出口18與加熱器12，感測振盪器14產生一感測頻率。輸出口18之高度相對低於或高於感測振盪器14之高度。氣溶膠(Aerosol)透過輸入口16、彎曲流道22、容置空間20與輸出口18進行流通。加熱器12對自身和感測振盪器14之間產生一溫度梯度，且氣溶膠之微粒(particulate matter,PM)透過輸入口16進入彎曲流道22中，以依據溫度梯度加速移動微粒至感測振盪器14並沈積微粒於感測振盪器14之表面，感測振盪器14依據微粒之質量，改變感測頻率，以判斷微粒在氣溶膠中之濃度。

封裝殼體10更包含一封裝基座24、一氣溶膠流通板26、一氣溶膠收集板28與一氣溶膠取樣板30，其中氣溶膠流通板26例如為陶瓷板，氣溶膠收集板28例如為玻璃板，封裝基座24例如為陶瓷基座。封裝基座24之內部具有至少一容置槽，以作為容置空間20，封裝基座24之外側具有輸出口18。氣溶膠流通板26透過第一導電膠32設於封裝基座24上。氣溶膠流通板26具有貫穿自身之一流通開口34，以連通容置槽，並位於容置槽上方。氣溶膠流通板26之頂部設有一凹槽36，以連通流通開口34，凹槽36與流通開口34係形成彎曲流道22，凹槽36例如為方形凹槽。氣溶膠收集板28設於氣溶膠流通板26上，並具有貫穿自身之一收集開口38，以連通凹槽36。加熱器12設於氣溶膠收集板28之底部，並 位於流通開口34之上方，以導引微粒從彎曲流道22移動至感測振盪器14上。氣溶膠取樣板30具有貫穿自身之複數取樣孔40，以連通收集開口38，取樣孔40與收集開口38形成輸入口16。在第一實施例中，微粒之直徑小於或等於2.5微米且大於0微米。由於封裝殼體10中設有彎曲流道22，故封裝殼體10相對於傳統之微粒感測器具有更小體積與更低成本。

氣溶膠流通板26中更設有一第一導電栓(plug)42與一第二導電栓44，氣溶膠收集板28之底部更設有電性連接加熱器12之一第一導電凸塊46與一第二導電凸塊48。第一導電凸塊46與第二導電凸塊48透過第二導電膠50分別設於第一導電栓42與第二導電栓44上，以分別電性連接第一導電栓42與第二導電栓44。此第二導電膠50例如為異方性導電膠(Anisotropic Conductive Film，ACF)。由於介於第一導電栓42與第一導電凸塊46之間的異方性導電膠與介於第二導電栓44與第二導電凸塊48之間的異方性導電膠較容易受到擠壓，故具有較佳之導電性，而其餘位置之異方性導電膠則不具導電性。封裝基座24中亦可設置二導電栓，以分別電性連接第一導電栓42與第二導電栓44，使加熱器12電性連接外部之電源供應器。

感測振盪器14更包含一感測諧振器(resonator)52與一驅動積體電路(IC)晶片54，其係位於容置空間20中，其中感測諧振器52例如為共振基板。感測諧振器52電性連接驅動積體電路晶片54上，且感測諧振器52之位置對應輸出口18與加熱器12，感測諧振器52與驅動積體電路晶片54水平相隔。輸出口18之高度相對低於或高於感測諧振器52之高度，在此以輸出口18之高度相對高於感測諧振器52之高度為例，加熱器12對自身和感測諧振器52之間產生溫度梯度。驅動積體電路晶片54驅動感測諧振器52產生感測頻率。在微粒移動至感測諧振器52上並沈積微粒於感測諧振器52之表面時，驅動積體電路晶片54驅動感測諧振器52依據微粒之質量，改變感測頻率。

以下介紹本發明之第一實施例之運作過程。首先，驅動積體電路晶片54驅動感測諧振器52產生感測頻率，且加熱器12對自身和感測諧振器52之間產生溫度梯度，以造成熱泳效應(Thermophoresis)。接著，由於氣溶膠會依序流經取樣孔40、收集開口38、凹槽36、流通開口34、容置空間20與輸出口18，使氣溶膠之流動路徑夠長，以形成完全發展流(full developed flow)，此完全發展流之速率分布(velocity profile)與微粒分布(particulate matter profile)皆為穩定。當氣溶膠之微粒在加熱器12之下方時，係依據加熱器12產生之溫度梯度加速移動微粒至感測諧振器52並沈積微粒於感測諧振器52之表面，使驅動積體電路晶片54驅動感測諧振器52依據微粒之質量，改變感測頻率，以精準測量微粒在氣溶膠中之濃度。

以下介紹本發明之微型氣溶膠感測元件之第二實施例，請參閱第4圖、第5圖與第6圖。此第二實施例與第一實施例差別在於感測諧振器52與驅動積體電路晶片54之位置。在第二實施例中，感測諧振器52設於驅動積體電路晶片54上。第二實施例之運作過程與第一實施例相同，於此不再贅述。

以下介紹本發明之微型氣溶膠感測元件之第三實施例，請參閱第7圖、第8圖與第9圖。此第三實施例與第一實施例差別在於彎曲流道22。在第三實施例中，氣溶膠流通板26之頂部更設有至少一彎曲溝槽56，其係位於凹槽36與流通開口34之間，以連通凹槽36與流通開口34，並與凹槽36與流通開口34係形成彎曲流道22。

以下介紹本發明之第三實施例之運作過程。首先，驅動積體電路晶片54驅動感測諧振器52產生感測頻率，且加熱器12對自身和感測諧振器52之間產生溫度梯度，以造成熱泳效應。接著，由於氣溶膠會依序流經取樣孔40、收集開口38、凹槽36、彎曲溝槽56、流通開口34、容置空間20與輸出口18，使氣溶膠之流動路徑夠長，以形成完全發展流，此完全發展流之速率分布與微粒 分布皆為穩定。當氣溶膠之微粒在加熱器12之下方時，係依據加熱器12產生之溫度梯度加速移動微粒至感測諧振器52並沈積微粒於感測諧振器52之表面，使驅動積體電路晶片54驅動感測諧振器52依據微粒之質量，改變感測頻率，以精準測量微粒在氣溶膠中之濃度。

以下介紹本發明之微型氣溶膠感測元件之第四實施例，請參閱第10圖、第11圖與第12圖。此第四實施例與第三實施例差別在於感測諧振器52與驅動積體電路晶片54之位置。在第四實施例中，感測諧振器52設於驅動積體電路晶片54上。第四實施例之運作過程與第三實施例相同，於此不再贅述。

請參閱第1圖、第2圖與第13圖，本發明之微型氣溶膠感測元件可協同一抽氣幫浦58、一處理器60、一參考振盪器(reference oscillator)62與一藍芽模組64製作於一印刷電路板66上，以第一實施例為例，封裝殼體10、抽氣幫浦58、處理器60、參考振盪器62與藍芽模組64皆製作於印刷電路板66上，以形成一可攜式模組，其中處理器60電性連接封裝殼體10中的驅動積體電路晶片54、抽氣幫浦58、參考振盪器62與藍芽模組64，抽氣幫浦58連接封裝殼體10之輸出口18，處理器60控制抽氣幫浦58使封裝殼體10中的氣溶膠往輸出口18流動。處理器60利用驅動積體電路晶片54驅動感測諧振器52產生感測頻率，並接收被改變之感測頻率與參考振盪器62所產生之一參考頻率。且處理器60依據被改變之感測頻率與參考頻率，計算出微粒在氣溶膠中之濃度之數值，並將此數值透過藍芽模組64傳輸給一無線穿戴式裝置(wireless wearable device)68以進行顯示，此無線穿戴式裝置68例如為智慧型手機。

綜上所述，本發明於具有小體積及低成本之封裝殼體中建立彎曲流道，並配合加熱器所產生之溫度梯度，導引氣溶膠中的微粒至振盪感測器之表面，以精準量測微粒在氣溶膠中之濃度。

以上所述者，僅為本發明一較佳實施例而已，並非用來限定本發 明實施之範圍，故舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

Claims (17)

1. 一種微型氣溶膠感測元件，其係包含：一封裝殼體，其外側具有至少一輸入口與至少一輸出口，該封裝殼體之內部具有至少一容置空間與至少一彎曲流道，該彎曲流道之二端分別連通該輸入口與該容置空間，該輸出口連通該容置空間；至少一加熱器，設於該封裝殼體內，並位於該彎曲流道中；以及一感測振盪器，設於該容置空間中，並對應該輸出口與該加熱器，該感測振盪器電性連接一處理器，該處理器電性連接一參考振盪器，並接收該參考振盪器所產生之一參考頻率，該處理器驅動該感測振盪器產生一感測頻率，氣溶膠(Aerosol)透過該輸入口、該彎曲流道、該容置空間與該輸出口進行流通，該加熱器對自身和該感測振盪器之間產生一溫度梯度，且該氣溶膠之微粒透過該輸入口進入該彎曲流道中，以依據該溫度梯度加速移動該微粒至該感測振盪器並沈積該微粒於該感測振盪器之表面，該感測振盪器依據該微粒之質量，改變該感測頻率，該處理器接收被改變之該感測頻率，以依據該被改變之該感測頻率與該參考頻率判斷該微粒在該氣溶膠中之濃度。
2. 如請求項1所述之微型氣溶膠感測元件，其中該封裝殼體更包含：一封裝基座，其內部具有至少一容置槽，以作為該容置空間，該封裝基座之外側具有該輸出口；一氣溶膠流通板，設於該封裝基座上，該氣溶膠流通板具有貫穿自身之一流通開口，以連通該容置槽，並位於該容置槽上方，該氣溶膠流通板之頂部設有一凹槽，以連通該流通開口，該凹槽與該流通開口係形成該彎曲流道； 一氣溶膠收集板，設於該氣溶膠流通板上，並具有貫穿自身之一收集開口，以連通該凹槽，該加熱器設於該氣溶膠收集板之底部，並位於該流通開口之上方，以導引該微粒從該彎曲流道移動至該感測振盪器上；以及一氣溶膠取樣板，具有貫穿自身之複數取樣孔，以連通該收集開口，該些取樣孔與該收集開口形成該輸入口。
3. 如請求項2所述之微型氣溶膠感測元件，其中該凹槽為方形凹槽。
4. 如請求項2所述之微型氣溶膠感測元件，其中該氣溶膠流通板之該頂部更設有至少一彎曲溝槽，其係位於該凹槽與該流通開口之間，以連通該凹槽與該流通開口，並與該凹槽與該流通開口係形成該彎曲流道。
5. 如請求項2所述之微型氣溶膠感測元件，其中該氣溶膠流通板透過第一導電膠設於該封裝基座上。
6. 如請求項2所述之微型氣溶膠感測元件，其中該氣溶膠流通板中更設有一第一導電栓(plug)與一第二導電栓，該氣溶膠收集板之該底部更設有電性連接該加熱器之一第一導電凸塊與一第二導電凸塊，該第一導電凸塊與該第二導電凸塊透過第二導電膠分別設於該第一導電栓與該第二導電栓上，以分別電性連接該第一導電栓與該第二導電栓。
7. 如請求項6所述之微型氣溶膠感測元件，其中該第二導電膠為異方性導電膠(Anisotropic Conductive Film，ACF)。
8. 如請求項2所述之微型氣溶膠感測元件，其中該氣溶膠流通板為陶瓷板。
9. 如請求項2所述之微型氣溶膠感測元件，其中該氣溶膠收集板為玻璃 板。
10. 如請求項2所述之微型氣溶膠感測元件，其中該封裝基座為陶瓷基座。
11. 如請求項1所述之微型氣溶膠感測元件，其中該輸出口之高度相對低於或高於該感測振盪器之高度。
12. 如請求項1所述之微型氣溶膠感測元件，其中該感測振盪器更包含一感測諧振器(resonator)與一驅動積體電路(IC)晶片，其係位於該容置空間中，該感測諧振器電性連接該驅動積體電路晶片，該驅動積體電路晶片電性連接該處理器，且該感測諧振器之位置對應該輸出口與該加熱器，該處理器利用該驅動積體電路晶片驅動該感測諧振器產生該感測頻率，在該微粒移動至該感測諧振器上時，該驅動積體電路晶片驅動該感測諧振器依據該微粒之該質量，改變該感測頻率。
13. 如請求項12所述之微型氣溶膠感測元件，其中該感測諧振器設於該驅動積體電路晶片上，或該感測諧振器與該驅動積體電路晶片水平相隔。
14. 如請求項12所述之微型氣溶膠感測元件，其中該感測諧振器為共振基板。
15. 如請求項1所述之微型氣溶膠感測元件，其中該加熱器為電阻。
16. 如請求項1所述之微型氣溶膠感測元件，其中該微粒之直徑小於或等於2.5微米且大於0微米。
17. 如請求項1所述之微型氣溶膠感測元件，其中該輸入口位於該彎曲流道之上方，且該容置空間位於該彎曲流道之下方。