TWI736309B - 氣體偵測裝置 - Google Patents
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Abstract
一種氣體偵測裝置，以半導體製程製出，包含：一基材、一微機電元件、一發光元件、微粒感測元件、氣體感測元件、驅動晶片元件以及一封裝層；其中，驅動晶片元件各別控制微機電元件、發光元件、微粒感測元件及氣體感測元件之驅動操作，促使微機電元件致動產生氣體之輸送，氣體得由基材之進氣孔導入氣體偵測裝置內，並通過發光元件所散射之光源形成氣體之光點，由微粒感測元件接收偵測出一氣體微粒之偵測數據資訊，以及氣體感測元件對通過之氣體作偵測出一氣體之偵測數據資訊，最後氣體再由封裝層排出。
Description
本案關於一種氣體偵測裝置，尤指一種以半導體製程製出微小化之氣體偵測裝置。
現代人對於生活周遭之氣體品質之要求愈來愈重視，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，甚至於氣體中含有之微粒，都會在環境中暴露影響人體健康，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，目前如何監測去避免、遠離有害環境，是當前急需重視之課題。
如何確認氣體品質之好壞，利用一種氣體感測器來監測周圍環境氣體是可行的，若又能即時提供監測資訊，警示處在環境中之人，能夠即時預防或逃離，避免遭受環境中之氣體暴露，造成人體健康影響及傷害，利用氣體感測器來監測周圍環境可說是非常好之應用，是本案所研發之主要課題。
本案之主要目之係提供一種氣體偵測裝置，以半導體製程製出微小化之結構，供以能夠於可攜式裝置及輕薄小型化裝置上之應用，提供可隨時隨地並即時監測空氣品質之功效。
本案之一廣義實施態樣為一種氣體偵測裝置，包含：一基材，包含有一微機電元件區、一微粒感測區、一氣體感測區及一驅動元件區，其中該微機電元件區以蝕刻製程製出至少一進氣孔；一微機電元件，以半導體製程所製出形成之元件，在該基材之該微機電元件區堆疊整合生成其上，並對應到該進氣孔，供以致動對一氣體之輸送；一發光元件，以半導體製程所製出形成之元件，在該基材之該微粒感測區堆疊整合生成其上，供以發射一光束；一微粒感測元件，以半導體製程所製出形成之元件，在該基材之該微粒感測區堆疊整合生成其上，並與該發光元件保持間隔設置，供以接收該發光元件發射之該光束所散射之光源照射通過該氣體所形成之光點，以形成一氣體微粒之偵測；一氣體感測元件，以半導體製程所製出形成之元件，在該基材之該氣體感測區堆疊整合生成其上，以對通過之該氣體作偵測；一驅動晶片元件，以半導體製程所製出形成之元件，在該基材之該驅動元件區堆疊整合生成其上，供與該微機電元件、該發光元件、該微粒感測元件及該氣體感測元件作電性連接，並包含一微處理器；以及一封裝層，封裝定位該基材之上，並使該微機電元件、該發光元件、該氣體感測元件上方形成一流道空間，且該封裝層以蝕刻製程製出至少一出氣孔及一透光孔；其中，該驅動晶片元件之該微處理器各別控制該微機電元件、該發光元件、該微粒感測元件及該氣體感測元件之驅動操作，促使該微機電元件致動產生該氣體之輸送，該氣體得由該基材之該進氣孔導入該流道空間內，並通過該發光元件所散射之光源形成該氣體之光點，由該微粒感測元件接收偵測出一氣體微粒之偵測數據資訊，以及該氣體感測元件對通過之該氣體作偵測出一氣體之偵測數據資訊，最後該氣體再由該封裝層之該出氣孔排出。
體現本案特徵與優點之一些典型實施例將在後段之說明中詳細敘述。應理解之是本案能夠在不同之態樣上具有各種之變化，其皆不脫離本案之範圍，且其中之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圖所示，本案提供一種以半導體製程製出之氣體偵測裝置，包含：一基材1、一微機電元件2、一發光元件3、一微粒感測元件4、一氣體感測元件5、一驅動晶片元件6以及一封裝層7。
上述之基材1為一矽基材，包含有一微機電元件區1a、一微粒感測區1b、一氣體感測區1c及一驅動元件區1d，其中該微機電元件區1a以蝕刻製程製出至少一進氣孔11。
又如第2A圖及第2B圖所示，上述之微機電元件2在該基材1之微機電元件區1a以半導體製程堆疊生成於上，並對應到基材1之進氣孔11，受驅動得以致動傳輸氣體，促使氣體由進氣孔11外導入。而微機電元件2包含一氧化層21、一振動層22以及一壓電組件23。
上述之氧化層21以沉積製程生成疊加於基材1之微機電元件區1a上，並以蝕刻製程製出複數個匯流通道211以及一匯流腔室212，匯流通道211連通於匯流腔室212及基材1之進氣孔11之間。沉積製程可為一物理氣相沉積製程(PVD)、一化學氣相沉積製程(CVD)或兩者之組合，但不以此為限。以下沉積製程說明就不再予以贅述。
上述之振動層22以沉積製程生成疊加於氧化層21上，包含一金屬層221、一第二氧化層222以及一矽晶片層223。其中金屬層221以沉積製程生成疊加於氧化層21上，並以蝕刻製程製出一穿孔221a、一振動部221b以及一固定部221c，蝕刻製程可為一濕式蝕刻製程、一乾式蝕刻製程或兩者之組合，但不以此為限。以下蝕刻製程說明就不再予以贅述。
上述之穿孔221a以蝕刻製程製出，形成於金屬層221之中心，振動部221b形成並位於穿孔221a之周邊區域，固定部221c形成並位於金屬層221之周緣區域。
上述之第二氧化層222以沉積製程生成疊加於金屬層221上，並以蝕刻製程製出形成一中空孔222a。
上述之矽晶片層223以沉積製程生成疊加於該第二氧化層222上，並以蝕刻製程製出形成一致動部223a、一外周部223b、複數個連接部223c以及複數個流體通道223d。其中致動部223a形成並位於中心部分，外周部223b形成環繞於致動部223a之外圍，而複數個連接部223c分別形成連接於致動部223a與外周部223b之間，而每個流體通道223d分別形成連接於致動部223a與外周部223b之間，以及分別形成並位於每個連接部223c之間，且促使矽晶片層223與第二氧化層222之中空孔222a定義出一壓縮腔室A。
上述之壓電組件23以沉積製程生成疊加於矽晶片層223之致動部223a上，包含一下電極層231、一壓電層232、一絕緣層233及一上電極層234。其中下電極層231以沉積製程生成疊加於矽晶片層223之致動部223a上，壓電層232以沉積製程生成疊加於下電極層231上，絕緣層233以沉積製程生成疊加於壓電層232之部分表面及下電極層231之部分表面，而上電極層234生成疊加於絕緣層233及壓電層232未設有絕緣層233之其餘表面，用以與壓電層232電性連接。
至於微機電元件2如何實施致動傳輸氣體操作，請參考第3A圖所示，當壓電組件23之下電極層231及上電極層234接收驅動訊號(未圖示)時，如此驅使壓電層232因逆壓電效應之影響開始產生形變，進而帶動矽晶片層223之致動部223a開始位移，當壓電組件23帶動致動部223a向上位移拉開與第二氧化層222之間距離，促使壓縮腔室A之容積將提升變大形成一負壓，讓基材1外部氣體可被吸入通過進氣孔11進入，再進入氧化層21之複數個匯流通道211以及匯流腔室212內。請繼續參閱第3B圖，當致動部223a受到壓電組件23之牽引向上位移時，金屬層221之振動部221b會因共振原理之影響向上位移，當振動部221b向上位移時，壓縮壓縮腔室A之空間並且推動壓縮腔室A內之氣體往矽晶片層223之流體通道223d移動。再請參閱第3C圖所示，壓電組件23帶動矽晶片層223之致動部223a向下位移時，矽晶片層223之振動部221b亦受致動部223a之帶動向下位移，讓氣體能夠通過流體通道223d向上傳輸，並同步壓縮匯流腔室212之氣體通過穿孔221a向壓縮腔室A移動，後續再將壓電組件23帶動致動部223a向上位移時，壓縮腔室A之容積會大幅提升，進而有較高之汲取力將氣體再吸入壓縮腔室A。再重複第3A圖至第3C圖之動作，透過壓電組件23持續帶動致動部223a上下位移，同時連動振動部221b上下位移，透過改變微機電元件2之壓縮腔室A內部壓力，使其不斷地汲取外部氣體，如此完成微機電元件2實施致動傳輸氣體之操作。
再請參閱第1圖及第4圖所示，上述之發光元件3以半導體製程所製出形成之元件，可以在基材1之微粒感測區1b堆疊整合生成其上，得以發射一光束L；而微粒感測元件4以半導體製程所製出形成之元件，可以在基材1之微粒感測區1c堆疊整合生成其上，並與發光元件3保持間隔設置，以接收發光元件3發射之光束L所散射之光源照射通過氣體所形成之光點，以形成氣體微粒之偵測，產生一偵測數據資訊，此微粒感測元件4所產生偵測數據資訊為一氣體微粒偵測數據資訊，於本實施例中，其中氣體微粒為PM10、PM2.5及PM1之其中之一；又氣體感測元件5以半導體製程所製出形成之元件，可以在基材1之氣體感測區1c堆疊整合生成其上，以對通過之氣體作偵測，產生一偵測數據資訊，此氣體感測元件5所產生偵測數據資訊為一氣體偵測數據資訊，於本實施例中，其中氣體為甲醛、氨氣、一氧化碳、二氧化碳、氧氣、臭氧之其中之一，或者氣體感測元件5所產生偵測數據資訊也可為一病毒之偵測數據資訊，但不以此為限；以及驅動晶片元件6以半導體製程所製出形成之元件，內部並包含有一微處理器(未圖示)、一電池(未圖示)及一通訊器(未圖示)，因此驅動晶片元件6可以在基材1之驅動元件區1d堆疊整合和生成其上，供與微機電元件2、發光元件3、微粒感測元件4及氣體感測元件5電性連接，驅動晶片元件6之微處理器以各別控制微機電元件2、發光元件3、微粒感測元件4及氣體感測元件5之驅動操作，並接收微粒感測元件4及氣體感測元件5所輸出之偵測數據資訊予以運算輸出，以及驅動晶片元件6之電池提供氣體偵測裝置之電源運作，驅動晶片元件6之通訊器接收微處理器所輸出之偵測數據資訊予以對外傳輸連結一外部裝置(未圖示)，驅動晶片元件6之通訊器以無線傳輸連接外部裝置，供以該外部裝置予以接收發出通知。
再請參閱第1圖及第4圖所示，上述之封裝層7封裝定位基材1之上。於本實施例中，封裝層7透過一乾膜C塗佈於基材1上，以結合定位並封蓋於微機電元件2、發光元件3、微粒感測元件4及氣體感測元件5上方，並使微機電元件2、發光元件3、微粒感測元件4及氣體感測元件5上方形成一流道空間8，且該封裝層7並以蝕刻製程製出形成至少一出氣孔71及一透光孔72。於本實施例中，出氣孔71為1個，但不以此為限。又封裝層7之透光孔72供發光元件3所發射之光束L照射通過，且封裝層7在透光孔72上方並封裝一遮罩73，供以遮擋發光元件3所發射之光束L，避免光束L直接反射影響到微粒感測元件4之偵測精度，而發光元件3之光束L由封裝層7所間接造成散射之光源使通過氣體形成氣體光點，由微粒感測元件4接收偵測出氣體微粒。
由上述說明可知，如第4圖所示，本案之氣體偵測裝置藉由驅動晶片元件6控制微機電元件2、發光元件3、微粒感測元件4及氣體感測元件5之驅動操作，而微機電元件2致動產生一氣體輸送，氣體由進氣孔11導入流道空間8內，再由封裝層7之出氣孔71排出，此時氣體通過發光元件3之光束L由封裝層7所間接造成散射之光源而形成氣體光點，由微粒感測元件4接收偵測出氣體微粒，提供給驅動晶片元件6之微處理器做運算輸出氣體微粒之粒徑及濃度偵測數據資訊，以及氣體感測元件5對通過氣體作偵測，偵測產生出氣體偵測數據資訊提供給驅動晶片元件6之微處理器做運算輸出，再由驅動晶片元件6之通訊器接收微處理器所輸出之偵測數據資訊予以對外傳輸連結一外部裝置，供以外部裝置予以接收發出通知。
綜上所述，本案所提供之氣體偵測裝置，以半導體製程製出微小化之結構，供以能夠於可攜式裝置及輕薄小型化裝置上之應用，提供可隨時隨地即時監測空氣品質之功效，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:基材
1a:微機電元件區
1b:微粒感測區
1c:氣體感測區
1d:驅動元件區
11:進氣孔
2:微機電元件
21:氧化層
211:匯流通道
212:匯流腔室
22:振動層
221:金屬層
221a:穿孔
221b:振動部
221c:固定部
222:第二氧化層
222a:中空孔
223:矽晶片層
223a:致動部
223b:外周部
223c:連接部
223d:流體通道
23:壓電組件
231:下電極層
232:壓電層
233:絕緣層
234:上電極層
3:發光元件
4:微粒感測元件
5:氣體感測元件
6:驅動晶片元件
7:封裝層
71:出氣孔
72:透光孔
73:遮罩
8:流道空間
A:壓縮腔室
C:乾膜
L:光束
第1圖為本案氣體偵測裝置之剖面示意圖。
第2A圖為本案氣體偵測裝置之微機電元件剖面示意圖。
第2B圖為本案氣體偵測裝置之微機電元件分解示意圖。
第3A圖至第3C圖為本案氣體偵測裝置之微機電元件作動示意圖。
第4圖為本案氣體偵測裝置之實施例示意圖。
1:基材
1a:微機電元件區
1b:微粒感測區
1c:氣體感測區
1d:驅動元件區
11:進氣孔
2:微機電元件
3:發光元件
4:微粒感測元件
5:氣體感測元件
6:驅動晶片元件
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71:出氣孔
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C:乾膜
Claims (8)
- 一種氣體偵測裝置，包含：一基材，包含有一微機電元件區、一微粒感測區、一氣體感測區及一驅動元件區，其中該微機電元件區以蝕刻製程製出至少一進氣孔；一微機電元件，以半導體製程所製出形成之元件，在該基材之該微機電元件區堆疊整合生成其上，並對應到該進氣孔，供以致動對一氣體之輸送；一發光元件，以半導體製程所製出形成之元件，在該基材之該微粒感測區堆疊整合生成其上，供以發射一光束；一微粒感測元件，以半導體製程所製出形成之元件，在該基材之該微粒感測區堆疊整合生成其上，並與該發光元件保持間隔設置，供以接收該發光元件發射之該光束所散射之光源照射通過該氣體所形成之光點，以形成一氣體微粒之偵測；一氣體感測元件，以半導體製程所製出形成之元件，在該基材之該氣體感測區堆疊整合生成其上，以對通過之該氣體作偵測；一驅動晶片元件，以半導體製程所製出形成之元件，在該基材之該驅動元件區堆疊整合生成其上，供與該微機電元件、該發光元件、該微粒感測元件及該氣體感測元件作電性連接，並包含一微處理器；以及一封裝層，封裝定位該基材之上，並使該微機電元件、該發光元件、該氣體感測元件上方形成一流道空間，且該封裝層以蝕刻製程製出至少一出氣孔及一透光孔；其中，該驅動晶片元件之該微處理器各別控制該微機電元件、該發光元件、該微粒感測元件及該氣體感測元件之驅動操作，促使該微 機電元件致動產生該氣體之輸送，該氣體得由該基材之該進氣孔導入該流道空間內，並通過該發光元件所散射之光源形成該氣體之光點，由該微粒感測元件接收偵測出一氣體微粒之偵測數據資訊，以及該氣體感測元件對通過之該氣體作偵測出一氣體之偵測數據資訊，最後該氣體再由該封裝層之該出氣孔排出。
- 如請求項1所述之氣體偵測裝置，其中該微機電元件，包含：一氧化層，以沉積製程生成疊加於該基材之該微機電元件區上，並以蝕刻製程製出複數個匯流通道以及一匯流腔室，該匯流通道連通於該匯流腔室及該基材之該進氣孔之間；一振動層，以沉積製程生成疊加於該氧化層上，包含：一金屬層，以沉積製程生成疊加於該氧化層上，並以蝕刻製程製出一穿孔、一振動部及一固定部，其中該穿孔形成位於該金屬層之中心，該振動部形成位於該穿孔之周邊區域，該固定部形成位於該金屬層之周緣區域；一第二氧化層，以沉積製程生成疊加於該金屬層上，並以蝕刻製程製出一中空孔；一矽晶片層，以沉積製程生成疊加於該第二氧化層上，並以蝕刻製程製出一致動部、一外周部、複數個連接部以及複數個流體通道，其中該致動部形成位於中心部分，該外周部形成環繞於該致動部之外圍，複數個該連接部分別形成連接於該致動部與該外周部之間，而每個該流體通道分別形成連接於該致動部與該外周部之間，以及分別形成位於每個該連接部之間，又該矽晶片層與該第二氧化層之該中空孔定義一壓縮腔室；以及一壓電組件，以沉積製程生成疊加於該矽晶片層之該致動部上，包含有一下電極層、一壓電層、一絕緣層及一上電極層，其中該壓電 層以沉積製程生成疊加於該下電極層，該絕緣層以沉積製程生成疊加於該壓電層之部分表面及該下電極層之部分表面，而該上電極層以沉積製程生成疊加於該絕緣層及該壓電層未設有該絕緣層之其餘表面，用以與該壓電層電性連接。
- 如請求項1所述之氣體偵測裝置，其中該驅動晶片元件包含一電池，提供裝置之電源運作。
- 如請求項1所述之氣體偵測裝置，其中該驅動晶片元件之該微處理器接收該微粒感測元件所偵測出之該氣體微粒之偵測數據資訊及該氣體感測元件所偵測出之該氣體之偵測數據資訊予以運算輸出，以及該驅動晶片元件包含一通訊器，該通訊器接收該微處理器所輸出該氣體微粒之偵測數據資訊及該氣體之偵測數據資訊予以對外傳輸連結一外部裝置，供以該外部裝置予以接收發出通知。
- 如請求項4所述之氣體偵測裝置，其中該通訊器以無線傳輸連結該外部裝置。
- 如請求項1所述之氣體偵測裝置，其中該氣體微粒為PM10、PM2.5及PM1之其中之一。
- 如請求項1所述之氣體偵測裝置，其中該封裝層之該透光孔供該發光元件所發射之該光束照射通過，且該封裝層在該透光孔上方封裝一遮罩，供以遮擋該發光元件所發射之該光束。
- 如請求項1所述之氣體偵測裝置，其中該封裝層透過一乾膜塗佈於該基材上，以結合定位並封蓋於該微機電元件、該發光元件、該氣體感測元件上方。
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