TWI678525B - 微粒偵測模組 - Google Patents

Abstract

一種微粒偵測模組，包含：基座，內部具有偵測通道及光束通道；偵測部件，設置於基座內，並包含雷射光器及微粒傳感器，雷射光器發射光束投射於光束通道中，微粒傳感器對應設置到偵測通道與光束通道正交位置；微型泵，由噴氣孔片、腔體框架、致動體、絕緣框架及導電框架依序堆疊組成，承載於基座中，並封蓋導氣凹槽；其中微型泵受驅動吸附引導基座外部之氣體快速導入偵測通道中，氣體通過偵測通道與光束通道正交位置，受雷射光器照射而投射光點至微粒傳感器，微粒傳感器偵測氣體中所含懸浮微粒大小及濃度。

Description

微粒偵測模組

本案關於一種微粒偵測模組，尤指一種可組配於薄型可攜式裝置進行氣體監測的微粒偵測模組。

懸浮微粒是指於氣體中含有的固體顆粒或液滴，由於其粒徑非常細微，容易通過鼻腔內的鼻毛進入人體的肺部，因而引起肺部的發炎、氣喘或心血管的病變，若是其他汙染物依附於懸浮微粒上，更會加重對於呼吸系統的危害。近年來，氣體汙染問題漸趨嚴重，尤其是細懸浮微粒(例如：PM2.5或PM10)之濃度數據常常過高，氣體懸浮微粒濃度之監測漸受重視，但由於氣體會隨風向、風量不定量的流動，而目前檢測懸浮微粒的氣體品質監測站大都為定點，所以根本無法確認當下周遭的懸浮微粒濃度，因此需要一個微型方便攜帶的氣體偵測裝置來供使用者可無時無刻、隨時隨地的檢測周遭的懸浮微粒濃度。

有鑑於此，要如何能夠隨時隨地監測懸浮微粒的濃度，實為目前迫切需要解決之問題。

本案之主要目的係提供一種微粒偵測模組，利用薄型基座之偵測通道及光束通道，配置定位偵測部件之雷射光器及微粒傳感器在其中，以偵測通過偵測通道與光束通道正交位置之氣體中所含懸浮微粒大小及濃度，並利用微型泵將基座外氣體快速汲取進入偵測通道去偵測氣體 中懸浮微粒的濃度，使應用組裝於可攜式電子裝置及穿戴配件上，以形成移動式微粒偵測模組，供使用者可無時無刻、隨時隨地的監測周遭的懸浮微粒濃度。

本案之一廣義實施態樣為一種微粒偵測模組，包含：一基座，內部具有一偵測部件承載區、一微型泵承載區、一偵測通道及一光束通道，該微型泵承載區具有一導氣凹槽，該微型泵承載區與該偵測通道連通，該偵測部件承載區與該光束通道連通，且該偵測通道與該光束通道為正交設置；一偵測部件，包含一雷射光器及一微粒傳感器，該雷射光器設置於該基座之該偵測部件承載區定位，並能發射光束投射於該光束通道中，該微粒傳感器對應設置到該偵測通道與該光束通道正交位置；一微型泵，由一噴氣孔片、一腔体框架、一致動體、一絕緣框架及導電框架依序堆疊組成，承載於該基座之該微型泵承載區中，並封蓋該導氣凹槽；其中該微型泵受驅動吸附引導該基座外部之氣體快速導入該偵測通道中，該氣體通過該偵測通道與該光束通道正交位置，受該雷射光器照射而投射光點至該微粒傳感器，該微粒傳感器偵測氣體中所含懸浮微粒大小及濃度。

1‧‧‧基座

1a‧‧‧第一表面

1b‧‧‧第二表面

11‧‧‧偵測部件承載區

12‧‧‧微型泵承載區

121‧‧‧導氣凹槽

13‧‧‧偵測通道

14‧‧‧光束通道

15‧‧‧進氣入口

16‧‧‧排氣出口

2‧‧‧偵測部件

21‧‧‧偵測驅動電路板

22‧‧‧微粒傳感器

23‧‧‧雷射光器

231‧‧‧光定位部件

232‧‧‧雷射發射元件

24‧‧‧微處理器

3‧‧‧微型泵

31‧‧‧噴氣孔片

31a‧‧‧連接件

31b‧‧‧懸浮片

31c‧‧‧中心孔洞

32‧‧‧腔體框架

33‧‧‧致動體

33a‧‧‧壓電載板

33b‧‧‧調整共振板

33c‧‧‧壓電板

34‧‧‧絕緣框架

35‧‧‧導電框架

36‧‧‧共振腔室

37‧‧‧氣流腔室

4‧‧‧絕緣板件

5‧‧‧基座外蓋板件

51‧‧‧進氣入口

52‧‧‧排氣出口

H‧‧‧高度

L‧‧‧長度

W‧‧‧寬度

第1圖所示為本案微粒偵測模組之外觀示意圖。

第2圖所示為本案微粒偵測模組之相關構件之分解示意圖。

第3圖所示為本案微粒偵測模組之基座示意圖。

第4圖所示為本案微粒偵測模組之偵測實施示意圖。

第5圖所示為本案微粒偵測模組之微型泵相關構件之分解示意圖。

第6A圖所示為本案微粒偵測模組之微型泵之剖面示意圖。

第6B圖至第6C圖所示為第6A圖中本案微粒偵測模組之微型泵作動示意圖。

第7圖所示為本案微粒偵測模組之基座外蓋板件之外觀示觀圖。

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1圖至第4圖所示，本案提供一種微粒偵測模組，包含一基座1、一偵測部件2及一微型泵3。本案所提供微粒偵測模組為了能組裝應用於可攜式電子裝置及穿戴配件上，其中基座1具有一長度L、一寬度W及一高度H之外觀尺寸，為了與偵測部件2及微型泵3組配，依目前最佳化配置且符合薄型微小化之設計，將基座1之長度L配置為10~60mm，長度L為34~36mm為最佳，寬度W配置為10~50mm，寬度W為29~31mm為最佳，以及高度H配置為1~7mm，高度H為4.5~5.5mm為最佳，讓整個微粒偵測模組具備攜帶便利性之實施設計。

請參閱第1圖至第4圖所示，上述之基座1具有一第一表面1a及一第二表面1b，第一表面1a及第二表面1b為相對設置之兩個表面，內部具有一偵測部件承載區11、一微型泵承載區12、一偵測通道13及一光束通道14，其中微型泵承載區12設置於第一表面1a，並具有一導氣凹槽121，而偵測部件承載區11、偵測通道13及光束通道14分別貫通第一表面1a及第二表面1b，且微型泵承載區12與偵測通道13連通，偵測部件承載區11與光束通道14連通，且偵測通道13與光束通道14為正交設置，又基座1側邊上具有一進氣入口15及一排氣出口16，進氣入口15與偵測通道13連通，排氣出 口16與導氣凹槽121連通。

請參閱如第2圖所示，上述偵測部件2包含有一偵測驅動電路板21、一微粒傳感器22、一雷射光器23及一微處理器24。其中微粒傳感器22、雷射光器23及微處理器24封裝於偵測驅動電路板21上，而偵測驅動電路板21封蓋於基座1之第二表面1b上，並使雷射光器23對應設置於偵測部件承載區11中，並能發射光束投射於光束通道14中，以及微粒傳感器22對應設置到偵測通道13與光束通道14正交位置，如此微處理器24控制雷射光器23及微粒傳感器22之驅動，使雷射光器23發射光束照射於光束通道14中通過偵測通道13與光束通道14正交位置之氣體，並使氣體產生投射光點投射於微粒傳感器22，微粒傳感器22偵測氣體中所含懸浮微粒大小及濃度，並輸出偵測訊號，而微處理器24接收微粒傳感器22所輸出偵測訊號進行分析，以輸出偵測數據。上述之雷射光器23包含一光定位部件231及一雷射發射元件232，光定位部件231設置定位於偵測驅動電路板21上，而雷射發射元件232嵌入設置於光定位部件231中，並電性連接偵測驅動電路板21，以受微處理器24控制驅動，並發射光束照射於光束通道14中。其中微粒傳感器22為PM2.5傳感器或PM10傳感器。

請參閱第2圖所示，微粒偵測模組進一步包括一絕緣板件4，封蓋於基座1之第一表面1a上，使基座1外部之氣體如第4圖所示由進氣入口15導入偵測通道13中，再通過微型泵承載區12之導氣凹槽121，再由排氣出口16於基座1外，以形成一導氣路徑。又如第2圖及第7圖所示，微粒偵測模組進一步包含一基座外蓋板件5，承置於絕緣板件4上封閉基座1的第一表面1a，以形成電子干擾防護作用，而基座外蓋板件5對應到基座1之進氣入口15位置也具有一進氣入口51予以對應連通，基座外蓋板件5對應到基座1之排氣出口16位置也具有一排氣出口52予以對應連通。

請參閱如第2圖、第4圖、第5圖及第6A圖所示，上述之微型泵3承載於基座1之微型泵承載區12中，並封蓋導氣凹槽121。上述之微型泵3包含有依序堆疊之噴氣孔片31、腔體框架32、致動體33、絕緣框架34及導電框架35；噴氣孔片31包含了複數個連接件31a、一懸浮片31b及一中心孔洞31c，懸浮片31b可彎曲振動，複數個連接件31a鄰接於懸浮片31b的周緣，本實施例中，連接件31a其數量為4個，分別鄰接於懸浮片31b的4個角落，但不此以為限，而中心孔洞31c形成於懸浮片31b的中心位置；腔體框架32承載疊置於懸浮片31b上，致動體33承載疊置於腔體框架32上，並包含了一壓電載板33a、一調整共振板33b及一壓電板33c，其中，壓電載板33a承載疊置於腔體框架32上，調整共振板33b承載疊置於壓電載板33a上，壓電板33c承載疊置於調整共振板33b上，供施加電壓後發生形變以帶動壓電載板33a及調整共振板33b進行往復式彎曲振動；絕緣框架34則是承載疊置於致動體33之壓電載板33a上，導電框架35承載疊置於絕緣框架34上，其中，致動體33、腔體框架32及該懸浮片31b之間形成一共振腔室36，其中，調整共振板33b的厚度大於壓電載板33a的厚度。

請參閱第6A圖至第6C圖，微型泵3透過連接件31a設置於微型泵承載區12上，噴氣孔片31與導氣凹槽121的底面間隔設置，並於兩者之間形成氣流腔室37；請再參閱第6B圖，當施加電壓於致動體33之壓電板33c時，壓電板33c因壓電效應開始產生形變並同部帶動調整共振板33b與壓電載板33a，此時，噴氣孔片31會因亥姆霍茲共振(Helmholtz resonance)原理一起被帶動，使得致動體33向上移動，由於致動體33向上位移，使得噴氣孔片31與導氣凹槽121的底面之間的氣流腔室37的容積增加，其內部氣壓形成負壓，於微型泵3外的氣體將因為壓力梯度由噴氣孔片31的連接件31a與導氣凹槽121的側壁之間的空隙進入氣流腔室37並進行集壓；最後 請參閱第6C圖，氣體不斷地進入氣流腔室37內，使氣流腔室37內的氣壓形成正壓，此時，致動體33受電壓驅動向下移動，將壓縮氣流腔室37的容積，並且推擠氣流腔室37內氣體，使氣體由排氣出口16排出於基座1外，透過不斷地重複上述第6B圖至第6C圖所示之微型泵3提供氣體傳輸作動步驟，使微型泵3能夠連續將氣體由噴氣孔片31的連接件31a與導氣凹槽121的側壁之間的空隙進入氣流腔室37構成流道產生壓力梯度，使氣體高速流動，達到微型泵3傳輸氣體輸出的作動操作。

上述微型泵3也可透過微機電製程的方式所製出的微機電系統氣體泵浦，其中噴氣孔片31、腔體框架32、致動體33、絕緣框架34及導電框架35皆可透過面型微加工技術製成，以縮小微型泵3的體積。

由上述說明可知，本案所提供一種微粒偵測模組在具體實施中，當微型泵3受驅動吸附引導基座1外部之氣體快速導入偵測通道13中，氣體通過偵測通道13與光束通道14正交位置，受雷射光器23照射而投射光點至微粒傳感器22，微粒傳感器22偵測氣體中所含懸浮微粒大小及濃度。如此本案所提供微粒偵測模組可應用組裝於可攜式電子裝置上，以形成移動式微粒偵測模組。其中可攜式電子裝置為一手機、一平板電腦、一穿戴式裝置及一筆記型電腦之其中之一。或者本案所提供微粒偵測模組可應用組裝於穿戴配件上，以形成移動式微粒偵測模組。其中該穿戴配件為一吊飾、一鈕扣、一眼鏡及一手錶之其中之一。

綜上所述，本案所提供之微粒偵測模組，利用薄型基座之偵測通道及光束通道及配置定位偵測部件之雷射光器及微粒傳感器在其中，以偵測通過偵測通道與光束通道正交位置之氣體中所含懸浮微粒大小及濃度，並利用微型泵將基座外氣體快速汲取進入偵測通道去偵測氣體中懸浮微粒的濃度，而本裝置非常適合應用組裝於可攜式電子裝置及穿戴配件上， 以形成移動式微粒偵測模組，供使用者可無時無刻、隨時隨地地監測周遭的懸浮微粒濃度，極具產業利用性及進步性。

Claims (14)

1. 一種微粒偵測模組，包含：一基座，內部具有一偵測部件承載區、一微型泵承載區、一偵測通道及一光束通道，該微型泵承載區具有一導氣凹槽，該微型泵承載區與該偵測通道連通，該偵測部件承載區與該光束通道連通，且該偵測通道與該光束通道正交設置；一偵測部件，包含一雷射光器及一微粒傳感器，該雷射光器設置於該基座之該偵測部件承載區定位，並能發射光束投射於該光束通道中，該微粒傳感器對應設置到該偵測通道與該光束通道正交位置；以及一微型泵，由一噴氣孔片、一腔體框架、一致動體、一絕緣框架及一導電框架依序堆疊組成，承載於該基座之該微型泵承載區中，並封蓋該導氣凹槽；其中，該微型泵受驅動吸附引導該基座外部之一氣體快速由該進氣入口導入該偵測通道中，該氣體通過該偵測通道與該光束通道正交位置後，受該雷射光器照射而投射光點至該微粒傳感器，該微粒傳感器偵測該氣體中所含懸浮微粒大小及濃度，再進入該導氣凹槽中而由該排氣出口排出於該基座外。
2. 如申請專利範圍第1項所述之微粒偵測模組，其中該微粒傳感器為PM2.5傳感器。
3. 如申請專利範圍第1項所述之微粒偵測模組，其中該基座具有一第一表面及一第二表面，該微型泵承載區設置於該第一表面，該偵測部件承載區、該偵測通道及該光束通道分別貫通該第一表面及該第二表面，以及該基座側邊上具有一進氣入口及一排氣出口，該進氣入口與該偵測通道連通，該排氣出口與該導氣凹槽連通。
4. 如申請專利範圍第3項所述之微粒偵測模組，其中該偵測部件包含有一偵測驅動電路板及一微處理器，該雷射光器及該微粒傳感器封裝於該偵測驅動電路板上，且該偵測驅動電路板封蓋於該基座之該第二表面上，並使該雷射光器對應設置於該偵測部件承載區中，以及該微粒傳感器對應設置到該偵測通道與該光束通道正交位置，而該微處理器封裝於該偵測驅動電路板上，以控制該雷射光器及該微粒傳感器之驅動，使該雷射光器發射光束照射於該光束通道中通過該偵測通道與該光束通道正交位置之該氣體，並使該氣體產生投射光點投射於該微粒傳感器，該微粒傳感器該偵測該氣體中所含懸浮微粒大小及濃度，並輸出偵測訊號，而該微處理器接收該微粒傳感器所輸出偵測訊號進行分析，以輸出偵測數據。
5. 如申請專利範圍第4項所述之微粒偵測模組，進一步包括一絕緣板件，封蓋於該基座之該第一表面上，使該基座外部之該氣體由該進氣入口導入該偵測通道中，再通過該微型泵承載區之該導氣凹槽，再由該排氣出口排出於該基座外，以形成一導氣路徑。
6. 如申請專利範圍第5項所述之微粒偵測模組，進一步包含一基座外蓋板件，承置於該絕緣板件上封閉該基座的該第一表面，以形成電子干擾防護作用，該基座外蓋板件對應到該基座之該進氣入口位置也具有一進氣入口予以對應連通，該基座外蓋板件對應到該基座之該排氣出口位置也具有一排氣出口予以對應連通。
7. 如申請專利範圍第4項所述之微粒偵測模組，其中該雷射光器包含一光定位部件及一雷射發射元件，該光定位部件設置定位於該偵測驅動電路板上，而該雷射發射元件嵌入設置於該光定位部件中，並電性連接該偵測驅動電路板，以受該微處理器控制驅動，並發射光束照射於該光束通道中。
8. 如申請專利範圍第1項所述之微粒偵測模組，其中：該噴氣孔片包含複數個連接件、一懸浮片及一中心孔洞，該懸浮片可彎曲振動，該複數個連接件鄰接於該懸浮片周緣並提供彈性支撐該懸浮片，而該中心孔洞形成於該懸浮片的中心位置，該噴氣孔片透過複數個連接件固定設置於該微型泵承載區之該導氣凹槽上方，該噴氣孔片與該導氣凹槽之間形成一氣流腔室，且該複數個連接件及該懸浮片之間形成至少一空隙；該腔體框架，承載疊置於該懸浮片上；該致動體，承載疊置於該腔體框架上，以接受電壓而產生往復式地彎曲振動；以及該絕緣框架，承載疊置於該致動體上，該導電框架，承載疊設置於該絕緣框架上；其中，該致動體、該腔體框架及該懸浮片之間形成一共振腔室，透過驅動該致動體以帶動該噴氣孔片產生共振，使該噴氣孔片之該懸浮片產生往復式地振動位移，以使該氣體通過該至少一空隙進入該氣流腔室，實現該氣體之傳輸流動。
9. 如申請專利範圍第8項所述之微粒偵測模組，其中該致動體包含：一壓電載板，承載疊置於該腔體框架上；一調整共振板，承載疊置於該壓電載板上；以及一壓電板，承載疊置於該調整共振板上，以接受電壓而驅動該壓電載板及該調整共振板產生往復式地彎曲振動。
10. 如申請專利範圍第1項所述之微粒偵測模組，其中該微型泵為一微機電系統之微型泵。
11. 如申請專利範圍第1項所述之微粒偵測模組，其中該微粒偵測模組應用組裝於一可攜式電子裝置上，以形成移動式微粒偵測模組。
12. 如申請專利範圍第11項所述之微粒偵測模組，其中該可攜式電子裝置為一手機、一平板電腦、一穿戴式裝置及一筆記型電腦之其中之一。
13. 如申請專利範圍第1項所述之微粒偵測模組，其中該微粒偵測模組應用組裝於一穿戴配件上，以形成移動式微粒偵測模組。
14. 如申請專利範圍第13項所述之微粒偵測模組，其中該穿戴配件為一吊飾、一鈕扣、一眼鏡及一手錶之其中之一。