TWI664410B - 可攜式氣體偵測裝置 - Google Patents
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Abstract
一種可攜式氣體偵測裝置，包含:至少一偵測腔室，具有至少一進氣口及至少一出氣口；至少一氣體傳感器，設置於該偵測腔室內，以對該偵測腔室內氣體進行偵測；以及至少一致動器，設置於該偵測腔室內，該壓電致動件被施加一致動信號而產生共振作用，致使該偵測腔外部氣體導入進行採樣，且該致動器以瞬間採樣脈衝驅動而控制微量氣體流入該偵測腔室內形成一穩定氣流環境，致使該氣體傳感器在穩定氣流環境中對通過其表面之氣體分子溶於或鍵結在反應材料上反應，以構成即時響應而確保偵測靈敏度。
Description
本案關於一種可攜式氣體偵測裝置，尤指一種採取瞬間採樣脈衝進行氣體偵測之可攜式氣體偵測裝置。
現代人對於生活周遭的氣體品質的要求愈來愈重視，例如一氧化碳、二氧化碳、揮發性有機物(Volatile Organic Compound，VOC)、PM2.5、一氧化氮、一氧化硫等等氣體，環境中這些氣體暴露會影響人體健康，嚴重的甚至危害到生命。因此環境氣體品質好壞紛紛引起各國重視，為目前急需要去重視的課題。
如何確認氣體品質的好壞，利用一種氣體傳感器來偵測周圍環境氣體是可行的，若又能即時提供偵測資訊，警示處在環境中的人，即時預防或逃離，避免遭受環境中所暴露有害氣體造成人體健康影響及傷害，利用氣體傳感器來偵測周圍環境氣體品質可說是非常好的應用。
目前氣體傳感器針對氣體之偵測是依據氣體導送到其表面之反應材料做反應偵測，又如第1圖所示，氣體傳感器2通常會置設於一個獨立隔離之偵測腔室1中來進行偵測，以免氣體受到其他外來因素之干擾，而偵測腔室1設有一進氣口1a及一出氣口1b，如此外部氣體可慢慢自然對流由進氣口1a進入而擴散至氣體傳感器2表面進行反應偵測，再由出氣口1b排出完成氣體偵測。然，上述氣體被氣體傳感器2偵測以自然對流方式導入偵測腔室1內之方式，其氣體導流移動的時間過長，間接影響到氣體傳感器2之偵測效率，無法達到即時偵測的目的。
為了克服上述氣體移動達到即時偵測之問題，乃將偵測腔室1組配一風扇，習知的風扇為傳統馬達轉軸式之驅動方式，雖可加快氣體導送至偵測腔室1內之方式，但氣體傳感器2之偵測靈敏度會隨著氣體流速增加或混亂氣流受到影響而失真，此乃氣體傳感器2無法即時抓取氣體分子溶於或鍵結於表面的反應材料，且抓取氣體分子之反應材料也需要一些反應時間，因此氣體流過於氣體傳感器2之表面必須要求一穩定氣流的需求，故採取風扇增加氣體流速之方式，因造成流速較高或混亂流速之因素而受到限制不適用；又，採取風扇增加氣體流速方式，風扇啟動時需要一段加速度來驅動風扇，使風扇到達一定轉速而產生較高流速，而風扇停止時也需要一段減速度來停止風扇不轉動，如此風扇啟動或停止時均需要一段加速或減速度之慣性驅動方式，如此風扇要達到即時轉動/停止是需要一段時間的，因此採取風扇增加氣體流速之方式，對於即時偵測是不適用的，故如何使氣體移動達到即時偵測問題是目前急需要克服之課題。
氣體傳感器2針對氣體之偵測達到準確靈敏度及即時響應偵測，是本案發明所需克服之重要課題，且為了使氣體傳感器與偵測腔室的偵測實施達成微型化，以方便可攜達成可隨身隨時隨地偵測的應用，也是本案發明所需研發之重要課題，若採用上述風扇增加氣體流速之方式，風扇之體積也難達到微小化，故本案提供一種可攜式氣體偵測裝置具有即時偵測採樣之特點，是本案發明研發之重要課題。
本案之主要目的係提供一種可攜式氣體偵測裝置，包含至少一偵測腔室、至少一氣體傳感器及至少一致動器，利用致動器之致動可驅動引流，提升偵測效率，且配合致動器以脈衝驅動啟動偵測腔室內瞬間採樣，並能控制微量氣體流入該偵測腔室內形成一穩定氣流環境，致使氣體傳感器在穩定氣流環境中對通過其表面之氣體分子溶於或鍵結在反應材料上反應，達成氣體傳感器具備準確靈敏度及即時響應之偵測，又致動器透過偵測腔室內隔板之隔開設置，使氣體傳感器與致動器相互隔開避免彼此干擾，且致動器之結構設置具備微型化，適用組設於裝置內使整個裝置達成微型化，以方便可攜達成隨身隨時隨地之偵測應用。
本案之一廣義實施態樣為一種可攜式氣體偵測裝置，包含:至少一偵測腔室，具有至少一進氣口及至少一出氣口；至少一氣體傳感器，設置於該偵測腔室內，以對該偵測腔室內氣體進行偵測；以及至少一致動器，設置於該偵測腔室內，該至少一致動器包含有一壓電致動件，該壓電致動件被施加一致動信號而產生共振作用，致使該偵測腔外部氣體導入進行採樣，且該致動器以瞬間採樣脈衝驅動而控制微量氣體流入該偵測腔室內形成一穩定氣流環境，致使該氣體傳感器在穩定氣流環境中對通過其表面之氣體分子溶於或鍵結在反應材料上反應以構成即時響應而確保偵測靈敏度。
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2圖及第3圖所示，本案提供一種可攜式氣體偵測裝置包含至少一偵測腔室1、至少一氣體傳感器2及至少一致動器3，而如第3圖之實施例中僅以一個偵測腔室1、一個氣體傳感器2及一個致動器3來進行說明，但不以此為限。於本實施例中，偵測腔室1設置於裝置內形成一獨立隔離腔室，偵測腔室1內部由一隔板13區隔出一第一隔室11及一第二隔室12，以及設有至少一進氣口14及至少一出氣口15，但不以此為限。進氣口14連通第一隔室11，出氣口15連通第二隔室12，且隔板13具有一連通口131，以連通第一隔室11及第二隔室12，使得偵測腔室1的內部由進氣口14、第一隔室11、連通口131、第二隔室12、出氣口15構成一單向導送氣體之氣體通道(如第3圖箭頭所指方向之路徑)。氣體傳感器2設置於第一隔室11中，因此偵測腔室1外氣體能透過進氣口14而進入流通於氣體傳感器2之表面進行偵測。上述之氣體傳感器2可為一氧氣傳感器、一一氧化碳傳感器、一二氧化碳傳感器、一溫度傳感器、一臭氧傳感器及一揮發性有機物傳感器之至少其中之一或其組合。
上述致動器3封閉設置於第二隔室12與隔板13之間，當然，第二隔室12與隔板13之間也可設置多個致動器3來進行氣體導送，而如第3圖之實施例中僅說明一個致動器3來進行氣體導送，但不以此為限。於本實施例中，致動器3固設於第二隔室12與隔板13之間，以封閉第二隔室12，透過致動器3的致動導送氣體之運作，得以使第一隔室11內形成負壓，讓氣體由進氣口14導入氣體至第一隔室11中，通過氣體傳感器2之表面偵測，再透過連通口131進入第二隔室12中，再透過致動器3的致動導送氣體推送至第二隔室12內，最後由出氣口15排出，構成單一方向氣體導送。而氣體傳感器2設置於第一隔室11中，並且透過隔板13而與致動器3保持相互隔離，因此致動器3致動運作時，因其振動會產生熱源，隔板13就能抑制這些熱源去影響氣體傳感器2之偵測靈敏度。又，偵測腔室1設置於裝置內形成一獨立隔離腔室，不僅能隔絕其他干擾因素(例如裝置內所產生一些氣體汙染、熱源等干擾物質等等)對於氣體傳感器2所造成的影響，再透過致動器3之設置，以提供氣體導入導出，加快氣體導送到氣體傳感器2之表面進行監測，提升氣體傳感器偵測效率，並能達到可攜式氣體偵測裝置外氣體進行監測，使偵測腔室1內所需監測氣體特性等同於裝置外的氣體特性，隔絕其他干擾因素。
了解上述可攜式氣體偵測裝置之特點說明，以下就致動器3之結構及作動方式作一說明：
請參閱第4A圖至第5D圖，致動器3為一氣體泵浦，包含有依序堆疊的一進氣板31、一共振片32、一壓電致動件33、一絕緣片34、一導電片35；進氣板31具有至少一進氣孔31a、至少一匯流排孔31b及一匯流腔室31c，上述之進氣孔31a與匯流排孔31b其數量相同，於本實施例中，進氣孔31a與匯流排孔31b以數量4個作舉例說明，並不以此為限；4個進氣孔31a分別貫通4個匯流排孔31b，且4個匯流排孔31b匯流到匯流腔室31c。
上述之共振片32，可透過貼合方式組接於進氣板31上，且共振片32上具有一中空孔32a、一可動部32b及一固定部32c，中空孔32a位於共振片32的中心處，並與進氣板31的匯流腔室31c對應，而設置於中空孔32a的周圍且與匯流腔室31c相對的區域為可動部32b，而設置於共振片32的外周緣部分而貼固於進氣板31上則為固定部32c。
上述之壓電致動件33，包含有一懸浮板33a、一外框33b、至少一支架33c、一壓電元件33d、至少一間隙33e及一凸部33f；其中，懸浮板33a為一正方型懸浮板，具有第一表面331a及相對第一表面331a的一第二表面332a，外框33b環繞設置於懸浮板33a的周緣，且外框33b具有一組配表面331b及一下表面332b，並透過至少一支架33c連接於懸浮板33a與外框33b之間，以提供彈性支撐懸浮板33a的支撐力，其中，間隙33e為懸浮板33a、外框33b與支架33c之間的空隙，用以供氣體通過。
此外，懸浮板33a的第一表面331a具有凸部33f，凸部33f於本實施例中係將凸部33f的周緣且鄰接於支架33c的連接處透過蝕刻製程，使其下凹，來使懸浮板33a的凸部33f高於第一表面331a來形成階梯狀結構。
又如第5A圖所示，本實施例之懸浮板33a採以沖壓成形使其向下凹陷，其下陷距離可由至少一支架33c成形於懸浮板33a與外框33b之間所調整，使在懸浮板33a上的凸部33f的表面與外框33b的組配表面331b兩者形成非共平面，亦即凸部33f的表面將低於外框33b的組配表面331b，且懸浮板33a的第二表面332a低於外框33b的下表面332b，又壓電元件33d貼附於懸浮板33a的第二表面332a，與凸部33f相對設置，壓電元件33d被施加驅動電壓後由於壓電效應而產生形變，進而帶動懸浮板33a彎曲振動；利用於外框33b的組配表面331b上塗佈少量黏合劑，以熱壓方式使壓電致動件33貼合於共振片32的固定部32c，進而使得壓電致動件33得以與共振片32組配結合。
此外，絕緣片34及導電片35皆為框型的薄型片體，依序堆疊於壓電致動件33下。於本實施例中，絕緣片34貼附於壓電致動件33之外框33b的下表面332b。
請繼續參閱第5A圖，致動器3的進氣板31、共振片32、壓電致動件33、絕緣片34、導電片35依序堆疊結合後，其中懸浮板33a之第一表面331a與共振片32之間形成一腔室間距g，腔室間距g將會影響致動器3的傳輸效果，故維持一固定的腔室間距g對於致動器3提供穩定的傳輸效率是十分重要。本案之致動器3係對懸浮板33a使用沖壓方式，使其向下凹陷，讓懸浮板33a的第一表面331a與外框33b的組配表面331b兩者為非共平面，亦即懸浮板33a的第一表面331a將低於外框33b的組配表面331b，且懸浮板33a的第二表面332a低於外框33b的下表面332b，使得壓電致動件33之懸浮板33a凹陷形成一空間得與共振片32構成一可調整間距之腔室空間36，直接透過將上述壓電致動件33之懸浮板33a採以成形凹陷構成一腔室空間36的結構改良，如此一來，所需的腔室空間36得以透過調整壓電致動件33之懸浮板33a成形凹陷距離來完成，有效地簡化了調整腔室空間的結構設計，同時也達成簡化製程，縮短製程時間等優點。
請閱第5B圖至第5D圖所示為致動器3的作動示意圖，請先參閱第5B圖，壓電致動件33的壓電元件33d被施加驅動電壓後產生形變帶動懸浮板33a向下位移，此時腔室空間36的容積提升，於腔室空間36內形成了負壓，便汲取匯流腔室31c內的氣體進入腔室空間36內，同時共振片32受到共振原理的影響被同步向下位移，連帶增加了匯流腔室31c的容積，且因匯流腔室31c內的氣體進入腔室空間36的關係，造成匯流腔室31c內同樣為負壓狀態，進而通過匯流排孔31b、進氣孔31a來吸取氣體進入匯流腔室31c內；請再參閱第5C圖，壓電元件33d帶動懸浮板33a向上位移，壓縮腔室空間36，迫使腔室空間36內的氣體通過間隙33e向下傳輸，來達到傳輸氣體的效果，同時間，共振片32同樣被懸浮板33a因共振而向上位移，同步推擠匯流腔室31c內的氣體往腔室空間36移動；最後請參閱第5D圖，當懸浮板33a被向下帶動時，共振片32也同時被帶動而向下位移，此時的共振片32將使壓縮腔室空間36內的氣體向間隙33e移動，並且提升匯流腔室31c內的容積，讓氣體能夠持續地通過進氣孔31a、匯流排孔31b來匯聚於匯流腔室31c內，透過不斷地重複上述步驟，使致動器3能夠連續將氣體自進氣孔31a進入，再由間隙33e向下傳輸，達成傳輸氣體至氣體傳感器2的功效，以提供氣體給氣體傳感器2偵測，提升偵測效率。
請繼續參閱第5A圖，致動器3其另一實施方式可透過微機電的方式，讓致動器3成為一微機電系統氣體泵浦，其中，進氣板31、共振片32、壓電致動件33、絕緣片34、導電片35皆可透過面型微加工技術製成，以縮小致動器3的體積。
由上述說明可知，本案利用致動器及氣體傳感器搭配設置於一偵測腔室內進行氣體偵測之結構設計，致動器及氣體傳感器具備微型化設置，以構成一可攜式氣體偵測裝置，例如，致動器及氣體傳感器搭配偵測腔室組配於一手機行動裝置內(如第3圖所示)，即可構成一可攜式氣體偵測裝置，適合使用者可攜達成隨身隨時隨地對環境中氣體進行偵測，又可攜式氣體偵測裝置針對氣體偵測要具備準確靈敏度及即時響應偵測之構成要件，因此本案採用致動器3之致動可驅動引流，提升偵測效率，且配合致動器以脈衝驅動啟動瞬間採樣，控制微量氣體流入該偵測腔室內形成一穩定氣流，達成氣體偵測具備準確靈敏度及即時響應之偵測，亦即本案致動器3只需要壓電致動件33被施加一致動訊號即可瞬間啟動，未被施加一致動訊號時即可瞬間停止，完全取代傳統風扇啟動或停止時均需要一段加速或減速度之慣性驅動方式，而致動器3之壓電致動件33被施加一致動訊號即時啟動而產生一共振作用，如此共振作用致使偵測腔室1外部氣體導入進行採樣，而偵測腔室1一般採樣可為一種連續性採樣或間歇採樣，而本案實施例之採樣採取間歇採樣，且採取一種瞬間採樣的間歇採樣方式。因此致動器3實施驅動如第6圖所示之一種瞬間採樣之脈衝驅動方式，致動器3可以在非常短時間瞬間採樣之脈衝控制啟動或停止，此瞬間採樣脈衝之啟動時間(T
on)與停止時間(T
off)比值為0.001~0.5，且瞬間採樣脈衝之啟動時間(T
on)與停止時間(T
off)比值較佳值為0.01~0.2，即能即時驅動偵測腔室1內採樣，並讓偵測腔室1外部氣體被吸入由進氣口14導入形成一穩定氣流環境，致使氣體傳感器2在穩定氣流環境中對通過其表面之氣體分子溶於或鍵結在反應材料上反應以構成即時響應而確保偵測靈敏度，有效避免混亂或較高的流速而影響氣體傳感器2的靈敏度之失真問題。
綜上所述，本案提供一種可攜式氣體偵測裝置，搭致動器3之致動可驅動引流，提升偵測效率，配合致動器以脈衝驅動啟動瞬間採樣，控制微量氣體流入該偵測腔室內形成一穩定氣流，達成氣體傳感器具備準確靈敏度及即時響應之偵測，且具備微型化方便可攜式之隨身隨時隨地偵測的應用，以及致動器透過偵測腔室內隔板之隔開設置，使氣體傳感器與致動器相互隔開避免彼此干擾，且致動器之結構設置具備微型化，適用組設於裝置內使整個裝置達成微型化，以方便可攜達成隨身隨時隨地之偵測應用，達到可隨身、隨時、隨地偵測的目的，極具產業利用性。
本案得由熟知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。
1‧‧‧偵測腔室
1a‧‧‧進氣口
1b‧‧‧出氣口
11‧‧‧第一隔室
12‧‧‧第二隔室
13‧‧‧隔板
131‧‧‧連通口
14‧‧‧進氣口
15‧‧‧出氣口
2‧‧‧氣體傳感器
3‧‧‧致動器
31‧‧‧進氣板
31a‧‧‧進氣孔
31b‧‧‧匯流排孔
31c‧‧‧匯流腔室
32‧‧‧共振片
32a‧‧‧中空孔
32b‧‧‧可動部
32c‧‧‧固定部
33‧‧‧壓電致動件
33a‧‧‧懸浮板
331a‧‧‧第一表面
332a‧‧‧第二表面
33b‧‧‧外框
331b‧‧‧組配表面
332b‧‧‧下表面
33c‧‧‧支架
33d‧‧‧壓電元件
33e‧‧‧間隙
33f‧‧‧凸部
34‧‧‧絕緣片
35‧‧‧導電片
36‧‧‧腔室空間
g‧‧‧腔室間距
第1圖為習知氣體偵測裝置之偵測腔室剖面示意圖。 第2圖為本案可攜式氣體偵測裝置之外觀示意圖。 第3圖為本案可攜式氣體偵測裝置之偵測腔室剖面示意圖。 第4A圖為本案可攜式氣體偵測裝置之致動器分解示意圖。 第4B圖為本案可攜式氣體偵測裝置之致動器另一角度分解示意圖。 第5A圖為本案可攜式氣體偵測裝置之致動器剖面示意圖。 第5B圖至第5D圖為本案可攜式氣體偵測裝置之致動器作動示意圖。 第6圖為本案可攜式氣體偵測裝置之致動器採用瞬間採樣脈衝之驅動方式示意圖。
Claims (11)
- 一種可攜式氣體偵測裝置，包含：至少一偵測腔室，具有至少一進氣口及至少一出氣口；至少一氣體傳感器，設置於該至少一偵測腔室內，以對該至少一偵測腔室內氣體進行偵測；以及至少一致動器，設置於該至少一偵測腔室內，該至少一致動器包含有一壓電致動件，該壓電致動件被施加一致動信號而產生共振作用，致使該至少一偵測腔室外部氣體導入進行採樣，且該至少一致動器以一瞬間採樣脈衝驅動而控制微量氣體流入該至少一偵測腔室內形成一穩定氣流環境，致使該至少一氣體傳感器在該穩定氣流環境中對通過其表面之氣體分子溶於或鍵結在反應材料上反應，以構成即時響應而確保偵測靈敏度。
- 如申請專利範圍第1項所述之可攜式氣體偵測裝置，其中該瞬間採樣脈衝之啟動時間(Ton)與停止時間(Toff)比值為0.001~0.5。
- 如申請專利範圍第1項所述之可攜式氣體偵測裝置，其中該瞬間採樣脈衝之啟動時間(Ton)與停止時間(Toff)比值為0.01~0.2。
- 如申請專利範圍第1項所述之可攜式氣體偵測裝置，其中該至少一偵測腔室內部由一隔板區隔出一第一隔室及一第二隔室，該進氣口連通該第一隔室，該出氣口連通該第二隔室，且該隔板具有一連通口，以連通該第一隔室及該第二隔室，而該至少一氣體傳感器組設於該第一隔室內。
- 如申請專利範圍第4項所述之可攜式氣體偵測裝置，其中該至少一致動器固設於該第二隔室與該隔板之間，與該至少一氣體傳感器隔開。
- 如申請專利範圍第1項所述之可攜式氣體偵測裝置，其中該至少一氣體傳感器包含一氧氣感測器、一一氧化碳感測器及一二氧化碳感測器之至少其中之一或其組合。
- 如申請專利範圍第1項所述之可攜式氣體偵測裝置，其中該至少一氣體傳感器包含一揮發性有機物傳感器。
- 如申請專利範圍第1項所述之可攜式氣體偵測裝置，其中該至少一致動器為一微機電系統氣體泵浦。
- 如申請專利範圍第1項所述之可攜式氣體偵測裝置，其中該至少一致動器為一氣體泵浦，其包含：一進氣板，具有至少一進氣孔、至少一匯流排孔及一匯流腔室，其中該至少一進氣孔供導入氣流，該至少一匯流排孔對應該至少一進氣孔，且引導該至少一進氣孔之氣流匯流至該匯流腔室；一共振片，具有一中空孔對應該匯流腔室，且該中空孔之周圍為一可動部；其中該壓電致動件，與該共振片相對應設置，而該共振片與該壓電致動件之間具有一腔室空間，以使該壓電致動件受驅動時，使氣流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匯流腔室，再流經該共振片之該中空孔，由該壓電致動件與該共振片之該可動部產生共振傳輸氣流。
- 如申請專利範圍第9項所述之可攜式氣體偵測裝置，其中該壓電致動件包含：一懸浮板，具有一第一表面及一第二表面，該第一表面具有一凸部；一外框，環繞設置於該懸浮板之外側，並具有一組配表面；至少一支架，連接於該懸浮板與該外框之間，以提供彈性支撐該懸浮板；以及一壓電元件，貼附於該懸浮板之該第二表面上，用以施加電壓以驅動該懸浮板彎曲振動；其中，該至少一支架成形於該懸浮板與該外框之間，並使該懸浮板之該第一表面與該外框之該組配表面形成為非共平面結構，且使該懸浮板之該第一表面與該共振板保持一腔室空間。
- 如申請專利範圍第9項所述之可攜式氣體偵測裝置，其中該氣體泵浦包括一導電片以及一絕緣片，該進氣板、該共振片、該壓電致動件、該導電片及該絕緣片依序堆疊設置。
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