TWI816435B - 粒子計數器的製造方法 - Google Patents
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Abstract
提供了一種粒子計數器及其製造方法。該粒子計數器包括一儲存器，其被配置為儲存一工作液體，一調節器，飽和蒸氣係在其中形成，且粒子係通過其一端引入，一冷凝器，過飽和蒸氣係在其中形成，且其係被配置為將由穿過該過飽和蒸氣的粒子形成的多個液滴排放到一端，複數個親水芯，其係形成在該儲存器、該冷凝器和該調節器的壁上，且被配置為攜帶儲存在該儲存器中的工作液體，以及一計數器，其係被配置為對該等液滴進行計數。
Description
本發明係關於粒子計數器及其製造方法。
空氣中漂浮著具有數奈米到數十微米的各種尺寸的粒子，且其危害正引起人們的注意。研究結果已經宣布，根據流行病學調查，吸入此類粒子可能會導致肺炎、心血管疾病、甚至癌症。這些粒子很小，因此可以深入人肺，並容易移動到其他器官。因此，據報導，此等粒子比大尺寸的粒子更有害。為了在奈米粒子漂浮在空氣中並不斷變化濃度的各種環境中準確地監測奈米粒子，正在建設一個監測網絡。
根據相關技術的粒子計數器向對象發射光來對粒子進行計數，以及透過檢測散射光來對粒子進行計數。
根據現有技術的便攜式奈米粒子感測器係基於粒子帶電的原理。奈米粒子與離子碰撞並帶電，並且感測此時產生的電流。然而，因為由於帶電的奈米粒子的尺寸小而攜帶少量電荷，這種系統通常具有低靈敏度和準確性，並且電荷狀態很大程度上取決於包括介電常數的材料特性。此外，在離子產生過程中不可避免地產生有害的氧化劑，例如臭氧。
高精度的工業粒子計數器使用丁醇或異丙醇作為工作液體。然而，這些是醇類且為有害的液體，在吸入或與人體接觸時可能會損壞肺和/或角膜。此外，此等液體極易燃燒，因此很危險。此外，具有高精度的工業奈米粒子計數器笨重、體積大並且價格高。
根據現有技術的粒子計數器向對象物發射光以便對粒子進行計數，並且透過檢測散射光來對粒子進行計數。為此，粒子計數器包括複雜且價格昂貴的光學系統，例如用於發射光的光源、用於聚焦所發射的光的精密透鏡以及用於檢測散射光的光接收元件。上述光學系統價格昂貴，因此大大增加了粒子計數器的製造成本。
本發明旨在製造一種重量輕、體積小並且製造成本低的粒子計數器。
本發明旨在提供一種粒子計數器，該粒子計數器重量輕且體積小並且可以低成本製造。
根據本發明的一個態樣，提供了一種粒子計數器，該粒子計數器包括：一儲存器，其被配置為儲存一工作液體，一調節器，飽和蒸氣係在其中形成，且粒子係通過其一端引入，一冷凝器，過飽和蒸氣係在其中形成，且其係被配置為將由穿過該過飽和蒸氣的粒子形成的多個液滴排放到一端，複數個親水芯，其係形成在該儲存器、該冷凝器和該調節器的壁上，且被配置為攜帶儲存在該儲存器中的工作液體，以及一計數器，其係被配置為對該等液滴進行計數。
根據本發明的另一態樣，提供了一種製造粒子計數器的方法，該方法包括：在一第一板上形成一電極；在其上已形成該電極的該第一板上形成一絕緣層；在該絕緣層上形成多個柱；至少在該等柱上形成一親水材料層；以及在其中已在該等柱上形成該親水性材料層的該第一板上形成多個間隔物，並將該第一板與其中已在多個柱上形成一親水性材料層的一第二板組合，以在該第一板和該第二板之間形成通道。
根據本發明的另一態樣，提供了一種粒子計數器，包括：一儲存器，其被配置為儲存一工作液體；一調節器，其被配置為調節包括多個粒子的空氣，以具有期望的溫度和期望的相對濕度；一冷凝器，過飽和蒸氣係在其中形成，且該等粒子通過該過飽和蒸氣以形成多個液滴；複數個親水芯，其係形成在該儲存器、冷凝器和調節器的壁上，且被配置成攜帶儲存在該儲存器中的該工作液體；以及一計數器，其係被配置為對該等液滴進行計數。
根據本發明的另一態樣，提供了一種粒子計數器，包括：一第一電極和一第二電極，其彼此電性間隔；一交流(AC)電源，其被配置為向該第一電極和該第二電極提供交流電；一通道，多個目標粒子係在其中流動；以及一檢測器，其被配置為檢測當該等目標粒子沿著該通道流動時在該第一電極和該第二電極之間產生的多個電特性變化。該檢測器根據該等電特性變化對該等目標粒子進行計數。
根據本發明的另一態樣，提供了一種粒子計數器，包括：一通道，多個目標粒子係在其中流動；一線圈，其係沿該通道形成且被配置為在該通道中形成磁場；一AC電源，其被配置為提供驅動功率至該線圈，一檢測器，其被配置為檢測由該等目標粒子由於磁場所引起的多個電特性變化。該檢測器根據該等電特性變化對該等目標粒子進行計數。
在下文中，將參照附圖描述根據本發明示例性實施例的粒子計數器。圖1示出了根據本發明示例性實施例的冷凝粒子計數器的概觀。參照圖1，根據本發明示例性實施例的冷凝粒子計數器1包括儲存器100、調節器200、冷凝器300、複數個親水芯400和用於計數液滴的計數器500。根據示例性實施例，粒子計數器1可以進一步包括熱障600和控制器700。
根據示例性實施例，包括液滴的氣體(參見圖4)和/或包括粒子NP的氣體(參見圖4)可以移動通過在調節器200和冷凝器300中形成的通道C(參見圖12)。通道C可具有多邊形橫截面，例如四邊形或圓形橫截面。例如，粒子可以是直徑為數奈米到數十奈米的奈米粒子(NP)。
在儲存器100中，儲存有工作液體110。例如，工作液體110可以是水或去離子水、蒸餾水、純化水和自來水中的任何一種。
在儲存器100中，可以設置用於檢測儲存在其中的工作液體110的液位的液位感測器130。在圖1所示的示例性實施例中，液位感測器130是電容性液位感測器，其在兩個電極131和132之間形成的電容(參見圖2)根據工作液體110的液位而變化。在圖中未示出的示例性實施例中，液位感測器130是電阻式液位感測器，其在電極之間形成的電阻根據工作液體110的液位而變化。
根據液位感測器130檢測到的液位，通過工作液體入口120供應工作液體110。例如，工作液體入口120可以連接至泵(未示出)。控制器700可通過液位感測器130檢測工作液體110的液位，並透過根據檢測到的液位操作泵(未示出)來通過工作液體入口120供應工作液體110。
複數個親水芯400設置在容器100、調節器200和冷凝器300中。根據示例性實施例，芯400可以是由親水材料形成的結構。根據另一示例性實施例，芯400可包括柱P(參見圖12)和塗覆柱P的親水性材料H(參見圖12)。作為示例，柱P可以是具有高導熱率的材料，即銅、鈦和銀中的任何一種。作為另一示例，柱P可以是圖案化的光阻(photoresist, PR)。親水材料H是塗覆柱P的材料並且具有親水性。作為示例，塗覆柱P的親水材料H可以是奈米線形式的氧化銅。作為另一個例子，親水材料H可以是聚丙烯酸和丙烯醯胺中的任何一種的單體。
由於毛細作用，儲存在容器100中的工作液體110透過芯400沿著實線箭頭指示的流體路徑移動至冷凝器300和調節器200。提供給調節器200和冷凝器300的工作液體110被形成在壁上的芯400蒸發。
圖2示出了液位感測器、加熱器、設置在調節器的外表面上的溫度感測器以及設置在冷凝器的外表面上的溫度感測器的概況。參照圖1和圖2，包括NP的氣體(參見圖4) (例如：空氣)通過氣體入口210被引入到調節器200中。調節器200調節通過氣體入口210引入的氣體的溫度和濕度狀態。根據示例性實施例，可以在調節器200上設置冷卻器250(參見圖4)和溫度感測器260。冷卻器250(參見圖4)將調節器200保持在預期溫度以維持調節器200中的通道C的溫度，且溫度感測器260檢測調節器200的溫度。
根據示例性實施例，溫度感測器260可以是導線261和262，其設置在調節器200的外壁上並且具有根據溫度而變化的電阻。控制器700可以透過測量包括在溫度感測器260中的導線261和262的電阻來檢測調節器200的溫度。
包含多個NP的氣體在通過調節器200時被調節到預期的溫度和相對濕度。例如，將包含多個NP的氣體調節到大於0 ℃和小於或等於20 ℃的任何溫度，並且通過調節器200時的相對濕度為80%至100%。
通過調節器200將保持在預期溫度和相對濕度的氣體引入冷凝器300。根據示例性實施例，加熱器350可以設置在冷凝器300的外壁上，且加熱器350透過將冷凝器300保持在20 ℃至60 ℃的溫度來控制冷凝器300中的通道C的溫度和相對濕度。根據示例性實施例，加熱器350可包括導線351和352，導線351和352根據控制器700提供的電流散發熱量。
根據示例性實施例，用於檢測冷凝器300的溫度的溫度感測器360可以額外設置在冷凝器300中。溫度感測器360可以是導線361和362，其設置在調節器200的外壁上，且具有隨溫度變化的電阻。控制器700可以透過測量導線361和362的電阻來檢測冷凝器300的溫度。
過飽和空氣在冷凝器300中形成，且引入冷凝器300中的氣體中包括的多個NP作為冷凝芯以形成工作液體110的液滴。在通過冷凝器300時，工作液體110的液滴直徑增加並且排放到噴嘴310。
根據示例性實施例，可以在粒子計數器的冷凝器300和調節器200之間形成熱障600。熱障600防止調節器200和冷凝器300之間的熱交換。根據示例性實施例，可以透過安裝比調節器200的每單位面積的芯400的數量和冷凝器300的每單位面積的芯400的數量更少的芯400來形成熱障600。然而，可以在熱障600中設置由於毛細作用而足以將工作液體110從冷凝器300運送到調節器200的足夠數量的芯400。
根據示例性實施例，液位感測器130的兩條導線131和132連接到控制器700。控制器700可以透過測量兩條導線131的電容或電阻來檢測工作液體110的液位。
加熱器350的導線351和352連接到控制器700，因此可以將由控制器700提供的驅動功率提供給加熱器350。設置在冷凝器300的外部的溫度感測器360的導線361和362連接到控制器700。控制器700可以透過測量導線361和362的電阻來檢測冷凝器300的外部溫度。設置在調節器200的外部的溫度感測器260的導線261和262連接到控制器700。控制器700可以透過測量導線261和262的電阻來檢測調節器200的外部溫度。儘管在圖中未示出，但是控制器700可以透過向冷卻器250提供驅動功率來控制冷卻器的運作。。
控制器700通過冷凝器300外部的溫度感測器360和調節器200外部的溫度感測器260檢測冷凝器300的外部溫度和調節器200的外部溫度。根據檢測到的溫度，控制器700透過運作加熱器350或控制加熱器350不運作來將冷凝器300控制到期望溫度，並透過運作冷卻器250或控制冷卻器250不運作來將調節器200控制到期望溫度。
圖3示出了根據本發明示例性實施例的光學計數器。參照圖1和圖3，計數器500包括用於向液滴提供光的光源510、用於檢測由液滴散射的光並且將散射的光作為電信號輸出的光接收元件540，以及用於從由光接收元件540輸出的電信號中對液滴進行計數的計數部分550。例如，光源510發出的光可以是雷射光，其可以是可見光雷射，例如紅色雷射和綠色雷射或紫外雷射等。光接收元件540可以是檢測散射光並且將散射光作為電信號輸出的光電二極體。計數部分550可以包括峰值檢測器，該峰值檢測器接收由光接收元件540以尖峰形式提供的檢測信號，並且透過檢測峰值來計數液滴。
根據示例性實施例，計數器500包括用於將由光源510提供的光聚焦在液滴上的透鏡520，以及用於吸收或散射光以防止由光源510提供的光無目的地散射並被提供給光接收元件540的光阱522。根據示例性實施例，計數器500可以包括反射器530，該反射器530用於將由液滴散射的光提供給光接收元件540。
下面將描述具有上述構造的粒子計數器。圖4示意性地示出了粒子計數器的操作。圖5A示出了調節器200和冷凝器300中的溫度分佈，圖5B示出了調節器200中的相對濕度分佈，以及圖5C示出了冷凝器300中的相對濕度分佈。圖6示出了冷凝器300中的克爾文直徑分佈。
參照圖4、圖5A和圖5B，外部氣體係被引入到調節器200的氣體入口210中(參見圖1)，且調節器200的內部溫度保持在約23 ℃。然而，當引入的氣體通過調節器200中的通道C時，由於冷卻器250的冷卻作用，調節器200的內部溫度保持在5 ℃至14 ℃，且冷凝器300與調節器200之間的邊界保持在5 ℃。同時，工作液體110(參見圖1)由於芯400的毛細作用而移動至調節器200並蒸發，且調節器200與冷凝器300之間的邊界相對於內部溫度的相對濕度保持在100%。
如圖5C所示，在與調節器200的邊界處，冷凝器300的內部的相對濕度保持在100%。由於冷凝器300的溫度高於調節器200的溫度，因此冷凝器300中的絕對濕度高於調節器200中的絕對濕度。
當空氣沿著冷凝器300中的通道C移動時，工作液體110(參見圖1)的蒸汽擴散率大於熱擴散率。因此，工作液體蒸氣從與冷凝器300的噴嘴310側的端部相鄰的區域朝向冷凝器300的中心的擴散比傳熱快。在達到熱平衡之前，冷凝器300中的通道C的蒸氣壓達到平衡。由於這個原因，如圖5C所示，冷凝器300的中心被工作液體110(參見圖1)的蒸氣過飽和。
圖6示出了冷凝器300中的克爾文直徑分佈。克爾文直徑表示液滴相對於給定的相對濕度可以具有的粒子的最小直徑。如圖6所示，當將具有至少6.3 nm的直徑的多個NP被引入冷凝器300中時，多個NP在理論上用來作為工作液體110(參見圖1)的蒸氣的冷凝核，使得由於工作液體110的蒸汽過飽和(參見圖1)在冷凝器300中的通道C中形成多個液滴。
在通過冷凝器300中的通道C時，形成的液滴直徑增大並通過噴嘴310排放到計數器500。計數器500對排放的液滴進行計數以確定並輸出空氣中的粒子濃度。
在下文中，將參照附圖描述根據本發明示例性實施例的製造粒子計數器的方法。圖7至圖12是示意性示出製造粒子計數器的程序的程序截面圖。
參照圖7，電極圖案E形成在板上。如上所述，電極圖案E可以是將溫度感測器、加熱器和冷卻器連接至控制器的電極。形成具有良好導電性的金屬層，然後通過光刻對其進行圖案化，藉此電極圖案E可被形成。例如，該板可以是玻璃、合成樹脂(例如：聚碳酸酯)，以及印刷電路板(printed circuit board, PCB)中的任何一種。電極圖案E可以由金和鈦中的任何一種形成。
參照圖8，絕緣層I形成在其上已經形成有電極圖案E的板上。根據示例性實施例，可以透過形成氧化矽層、氮化矽層和絕緣聚合物層中的任何一個來執行形成絕緣層I的操作。根據示例性實施例，可以透過例如化學氣相沉積(chemical vapor deposition, CVD) (如：電漿增強化學氣相沉積(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD))，以及物理氣相沉積(PVD) (如：濺射及蒸發)中的任何一種來形成氧化矽層或氮化矽層。絕緣聚合物層可以透過旋塗等形成。
參照圖9，在絕緣層I上形成多個柱P。根據示例性實施例，可以對柱P進行圖案化和固化PR。形成PR層，並且在PR層上執行光刻以留下期望的圖案，藉此柱P可被形成。
根據另一示例性實施例，柱P可以是具有高導熱率的材料，例如：如上所述的銅、鈦和銀。例如，可以通過電鍍來執行形成柱P的程序。在絕緣層I上形成作為導電金屬層的種子層，並且在種子層上形成將在其中形成柱P的模具圖案暴露部分。例如，可以通過光刻程序對模具圖案進行PR圖案化。隨後，執行電鍍以生長柱P。可以通過控制執行電鍍的時間段來控制柱P的高度。
參照圖10，親水材料層H係被形成。根據示例性實施例，可以透過在已形成柱P的所得產物上形成親水材料來執行形成親水材料層H的程序。根據示例性實施例，可以通過將聚丙烯酸和丙烯醯胺中的任何一種的單體施加到柱P上來執行形成親水材料層H的程序。
根據另一示例性實施例，可以透過將金屬柱P和種子層(未示出) 氧化來執行形成親水材料層H的程序。例如，當柱P和種子層(未示出)由銅形成時，可以透過將銅氧化來形成被氧化的銅的親水材料層H。可以透過將形成的柱P的所得產物浸入鹼性溶液(3.75% NaClO
2、5% NaOH和10% Na
3PO
4·12H
2O)中進行將銅氧化的程序，結果，氧化的銅奈米線層係被形成。
參照圖11，間隔物S係被形成。在隨後的程序中，板由間隔物S間隔開以形成通道C(參見圖12)。作為示例，可以透過注射成型或鑄造形成間隔物S，並將其添加到已形成親水性材料層H的所得產物中。作為另一示例，可以在透過噴墨印刷、三維(3D)列印等形成的親水性材料層H的所得產物上形成間隔物S。
參考圖12，已形成間隔物S的所得產物和已形成親水性材料層H的所得產物彼此附著。在兩個板上形成的結構由間隔物S隔開以形成通道C。包含多個NP的空氣(參見圖4)和/或包含液滴的空氣(參見圖3)可以通過通道C在調節器200 (參見圖1)和冷凝器300中流動。
根據示例性實施例，可以形成穿過板的通孔，使得電極E可以電連接到加熱器350(參見圖4)、冷卻器250(參見圖4)和溫度感測器360(參見圖4)。
電粒子計數器
下面將參照附圖描述根據本發明示例性實施例的電計數器。圖13和圖14是示意性示出根據本發明示例性實施例的電計數器500的截面圖。參照圖13和圖14，根據本發明示例性實施例的電計數器500包括第一電極5110和第二電極5120，用於向第一電極5110和第二電極5120提供AC電力的交流(alternating current, AC)的電源5200，目標粒子P在其中流動的通道5400，以及用於檢測當目標粒子P沿通道5400流動時在第一電極5110和第二電極5120之間產生的多個電特性變化的檢測器5300。檢測器5300藉由該等電特性變化計數目標粒子P。根據圖中未示出的示例性實施例，電計數器500可以進一步包括覆蓋第一電極5110和第二電極5120的絕緣層。
根據示例性實施例，目標粒子P可以是從冷凝器300排出的液滴。根據另一示例性實施例，目標粒子P可以是空氣傳播的多個NP。
在通道5400中，引入的目標粒子P可以流動。根據示例性實施例，通道5400可具有多邊形橫截面，例如：四邊形或圓形橫截面，且目標粒子P可通過一端引入通道5400中並通過另一端從通道5400排出。當將根據示例性實施例的電粒子計數器500用於粒子計數器1(參見圖1)時，電粒子計數器500的通道5400可以被連接至粒子計數器1的通道C(參見圖12)。
第一電極5110和第二電極5120可以形成在基材sub上。基材sub可以由玻璃或合成樹脂(如：聚碳酸酯)形成。第一電極5110和第二電極5120可以由具有良好導電性的金屬形成。例如，金屬可以是金和鈦中的任何一種。第一電極5110和第二電極5120可以沉積在基材sub上，且隨後被圖案化以具有期望的形狀和期望的面積。
如圖13和圖14所示，可以在第一電極5110和第二電極5120之間形成電容C。形成在第一電極5110和第二電極5120之間的電容C的值與第一電極5110和第二電極5120的面積以及通道5400中的材料的介電常數成比例，且與第一電極5110和第二電極5120之間的距離成反比。
AC電源5200向第一電極5110和第二電極5120提供AC電流和/或電壓。當目標粒子P沿著通道5400流動時，檢測器5300檢測在第一電極5110和第二電極5120之間進行的電特性變化。根據一個示例性實施例，如圖13所示，AC電源5200將AC電流提供給第一電極5110和第二電極5120，且檢測器5300連接到第一電極5110和第二電極5120以檢測在第一電極5110和第二電極5120之間形成的電壓，且當目標粒子P沿著通道5400移動時，檢測由電容C的改變所引起的電壓變化。
根據另一個示例性實施例，AC電源5200向第一電極5110和第二電極5120提供AC電壓，且檢測器5300與AC電源5200串聯連接以檢測流過第一電極5110和第二電極5120的電流。當目標粒子P沿著通道5400移動時，檢測器5300檢測由電容C的改變所引起的電流變化。
下面將描述具有上述構造的粒子計數器500的操作。
參照圖13和圖14，當目標粒子P流過通道5400中的第一電極5110和第二電極5120時，由第一電極5110和第二電極5120組成的電容器的電容C改變。換句話說，由於目標粒子P與作為電容器的兩個電極5110和5120之間的電介質的空氣混合，使第一電極5110和第二電極5120之間的介電常數改變。介電常數的變化可以由下列的方程式1表示。
[方程式1]
(C
m：測得的電容，ε
d：粒子介電常數，ε
a：空氣介電常數，N：粒子數，V
d：粒子體積，V
m：測得的體積，d：第一電極和第二電極之間的距離，A：第一電極和第二電極的面積)
根據示例性實施例，AC電源5200將AC電流提供給構成電容器的第一電極5110和第二電極5120。當目標粒子P沿著通道5400流動時，第一電極5110和第二電極5120之間的介電材料的介電常數改變。第一電極5110和第二電極5120之間的電容C透過介電常數的變化而變化，且第一電極5110和第二電極5120之間形成的電壓由於電容的變化而變化。電壓變化可以由下列的方程式2表示。
[方程式2]
(電容器的初始電壓為0，ΔC：由流動的目標粒子引起的電容差，以及ΔV：由流動的目標粒子引起的測得的電壓差)
因此，檢測器5300可以透過檢測目標粒子P在通道5400中流動的情況和目標粒子P不流入通道5400的情況之間的電壓差來檢測空氣中目標粒子P的數量和濃度。
根據另一示例性實施例，AC電源5200將AC電壓提供給構成電容器的第一電極5110和第二電極5120。當目標粒子P流過通道5400時，電容C改變，且第一電極5110和第二電極5120之間的電流相應地改變。電流變化可以由下列的方程式3表示。
[方程式3]
(V：由交流電源提供的電壓，ΔC：由流動的目標粒子引起的電容差，以及Δi：由流動的目標粒子引起的測得的電流差)
因此，檢測器5300可以透過檢測目標粒子P在通道5400中流動的情況與目標粒子P不在通道5400中流動的情況之間的電流差來檢測空氣中目標粒子P的數量和濃度。
圖15A示出了根據本發明另一示例性實施例的電粒子計數器500，且圖15B示出了其上已形成第一電極5110和第二電極5120的基材sub的概觀。參照圖15A和圖15B，目標粒子P在其中流動的通道5400可以包括：導入目標粒子P的入口I；和排出目標粒子P的出口O；以及第一電極5110和第二電極5120，其可設置在入口I和出口O之間。
第一電極5110和第二電極5120可以相互交叉而不彼此電接觸。第一電極5110和第二電極5120可以設置在基材sub上。根據未在附圖中示出的示例性實施例，可以在第一電極5110和第二電極5120的表面上形成使第一電極5110和第二電極5120絕緣的絕緣層。
根據上述示例性實施例，AC電源5200向第一電極5110和第二電極5120提供AC電壓，且當目標粒子P沿著通道5400移動時，檢測器5300檢測由電容C的改變所引起的電流變化。根據另一示例性實施例，AC電源5200向第一電極5110和第二電極5120提供交流電，且當目標粒子P沿著通道5400移動時，檢測器5300檢測由電容C的改變所引起的電壓變化。
通過入口I提供的目標粒子P可與第一電極5110和/或第二電極5120碰撞。當粒子與第一電極5110和/或第二電極5120碰撞時，第一電極5110和第二電極5120之間的電阻可能會更改。因此，電源5200可以向第一電極5110和第二電極5120提供電壓和電流中的任何一個，且檢測器5300可以檢測由目標粒子P與第一電極5110和/或第二電極5120碰撞而引起的電阻變化所引起的電流和電壓變化。
圖16是示意性地示出根據本發明的示例性實施方式的電粒子計數器500的圖。參照圖16，根據示例性實施例的電粒子計數器500包括：目標粒子P在其中流動的通道5400；以及沿著通道5400形成並在通道5400中形成磁場B1的線圈5600。電源5200提供驅動功率至線圈5600，且檢測器5300檢測由磁場B1所導致的透過目標粒子P所引起的電特性變化。檢測器5300根據電特性變化對目標粒子P進行計數。電感L可以由線圈5600形成。
如圖16所示，AC電源5200可以提供AC電壓，從而可以沿著線圈5600形成磁場，並且檢測器5300與AC電源5200串聯連接，並且檢測由目標粒子P引起的電流變化，目標粒子P流過其中已形成磁場的通道5400。檢測器5300根據電流變化對目標粒子P進行計數。
根據未在附圖中示出的示例性實施例，AC電源5200可以提供AC電流，藉此可以沿著線圈5600形成磁場，且檢測器5300與AC電源5200並聯連接並且檢測透過目標粒子P流過其中已形成磁場的通道5400所引起的電壓變化。檢測器5300根據電壓變化對目標粒子P進行計數。
圖17A至圖17B是示出根據本發明示例性實施方式的粒子計數器的圖。目標粒子P可以在其中流動的通道5400係被形成。如圖所示，通道5400可以是具有圓形橫截面的管狀。根據另一個示例性實施例，通道5400可具有多邊形橫截面，如：四邊形。AC電源5200(參見圖13和圖14)透過向線圈5600提供電流i來形成磁場B1。
當磁導率小於真空磁導率(φ＝ 1)的目標粒子P被引入通道5400中時，如圖17C所示，由於磁場B1，在目標粒子P上形成了渦流，且磁場B2透過與磁場B1相反的方向上的渦流而形成。因此，線圈5600中的磁通密度和電感減小。
然而，當將具有充分大於真空導磁率的導磁率的目標粒子P引入通道5400中時，由高導磁率引起的磁通密度的增加比渦流對目標粒子P的影響更大，以及如圖17B所示，透過提供給線圈5600的電流形成的磁場B1的強度增加。利用此特性，可以對引入通道的粒子進行計數。
根據示例性實施例，AC電源5200向構成電感器的線圈5600提供AC電流。當目標粒子P流過通道5400時，電感如上所述地改變。透過電感變化所引起的檢測器5300的兩個電極之間的電壓變化可以由下列的方程式4表示。
[方程式4]
(i：由交流電源所提供的電流，ΔL：由流動的目標粒子所引起的電感差，以及ΔV：由流動的目標粒子所引起的測得的電壓差)
因此，檢測器5300可以透過檢測目標粒子P在通道5400中流動的情況與目標粒子P不在通道5400中流動的情況之間的電壓差來檢測空氣中目標粒子P的數量和濃度。
根據另一示例性實施例，AC電源5200向構成電感器的線圈600提供AC電壓。當目標粒子P流過通道5400時，電感改變，且流過線圈600的電流相應地改變。電流變化可以由下面的方程式5表示。
[方程式5]
(電感器的初始電流為0，V：由交流電源所提供的電壓，以及ΔL：由目標粒子流動所引起的電感差)
因此，檢測器5300可以透過檢測目標粒子P在通道5400中流動的情況與目標粒子P不在通道5400中流動的情況之間的電流差來檢測空氣中目標粒子P的數量和濃度。
評價
所實施的粒子計數器使用蒸餾水作為工作液體110，且調節器200和冷凝器300被形成為具有相同的矩形橫截面(寬度為8 mm，高度為3 mm)，且長度分別為30 mm和20 mm。如圖18所示，在調節器200和冷凝器300中的親水芯被形成為具有40 μm的直徑，且相鄰的芯間隔80 μm。芯是透過以親水性氧化銅奈米線塗覆銅柱所形成。
圖19是示出根據本發明示例性實施例的透過檢測電容變化獲得的粒子計數結果的圖。在該示例性實施例中，將具有數微米大小的粒子引入通道中並計數。如圖所示，根據本示例性實施例的粒子計數器以高訊噪比(signal-to-noise ratio, SNR)對每個粒子進行計數。
圖20是示出根據本發明示例性實施例的通過檢測電感變化而獲得的粒子計數結果的圖。在該示例性實施例中，將尺寸為10 μm的粒子引入通道中並計數。如圖所示，根據該示例性實施例的粒子計數器一個接著一個地對引入的粒子進行了計數。
圖21是示出引入的多個NP的尺寸與在冷凝器300中形成的液滴的平均直徑之間的關係的圖。參照圖21中，當引入具有至少4 nm的尺寸的NP時，液滴生長至1 μm的直徑，並且當引入的粒子的尺寸增大至20 nm時，生長的液滴的直徑增大至2 μm。當引入粒子的尺寸為20 nm或更大時，液滴在2 μm的直徑飽和。
圖22是示出當粒子是氯化鈉(sodium chloride, NaCl)或銀(silver, Ag)時引入的多個NP的尺寸與計數概率之間的關係的圖。參照圖22，當引入直徑為16 nm的銀粒子時，粒子計數器將對粒子計數的概率約為50%，且當引入直徑為42 nm的銀粒子時，概率約為100%。此外，當引入直徑為9.6 nm的氯化鈉粒子時，粒子計數器將對粒子計數的概率大約為50%，且當引入直徑為22 nm的氯化鈉粒子時，該概率近似為大約100%。
圖23是根據本發明示例性實施例的粒子計數器的圖片。3800型手持式冷凝粒子計數器(Condensation Particle Counter, CPC)是現有的商用便攜式冷凝粒子計數器，尺寸為120 mm*280 mm*130 mm，體積為4,368,000 mm
3，重量為1,500 g。另一方面，根據本發明的示例性實施例的圖23所示的粒子計數器的尺寸為70 mm*90 mm*130mm，體積為819,000 mm
3，重量僅為420 g。換句話說，根據本發明的示例性實施例的粒子計數器的體積僅為現有便攜式粒子計數器的體積的18%，並且重量僅為現有便攜式粒子計數器的重量的28%。
與現有的冷凝粒子計數器相比，根據本發明實施例的粒子計數器體積小、重量輕、由於使用水而對人體無害且經濟。
儘管已經參考附圖中所示的示例性實施例描述了本發明以幫助理解本發明，但是這些實施例僅用於舉例說明本發明，並且本發明所屬技術領域中具有通常知識者應當理解，可以從實施例中做出各種修改和均等形式。因此，本發明的技術範圍由所附申請專利範圍限定。
1:粒子計數器
100:儲存器
110:工作液體
120:工作液體入口
130:液位感測器
131:電極
132:電極
200:調節器
210:氣體入口
250:冷卻器
260:溫度感測器
261:導線
262:導線
300:冷凝器
310:噴嘴
350:加熱器
351:導線
352:導線
360:溫度感測器
361:導線
362:導線
400:親水芯
500:計數器
510:光源
520:透鏡
522:光阱
530:反射器
540:光接收元件
550:計數部分
600:熱障
700:控制器
5110:第一電極
5120:第二電極
5200:電源
5300:檢測器
5400:通道
5600:線圈
B1:磁場
B2:磁場
C:通道/電容
E:電極圖案/電極
H:親水性材料
I:入口/絕緣層
i:電流
NP:粒子
O:出口
P:柱/目標粒子
S:間隔物
sub:基材
通過參考附圖詳細描述本發明的示例性實施例，本發明的上述和其他目的、特徵和優點對於本發明所屬技術領域中具有通常知識者將變得更加明顯，其中：
［圖1］示出了根據本發明示例性實施例的冷凝粒子計數器的概圖；
［圖2］是電極結構的概圖；
［圖3］示出了根據本發明示例性實施例的光學計數器；
［圖4］示意性地示出了粒子計數器的操作；
［圖5A］示出了調節器和冷凝器中的溫度分佈；
［圖5B］示出了調節器中的相對濕度分佈；
［圖5C］示出了冷凝器中的相對濕度分佈；
［圖6］示出了冷凝器中的克爾文直徑分佈；
［圖7至圖12］是示意性示出製造粒子計數器的程序的程序截面圖；
［圖13和圖14］是示意性示出根據本發明示例性實施例的電計數器的截面圖；
［圖15A］示出了根據本發明另一示例性實施例的電粒子計數器；
［圖15B］示出了其上已經形成有第一電極和第二電極的基材的概圖；
［圖16］是示意性地示出根據本發明示例性實施方式的電粒子計數器的圖；
［圖17A至圖17B］是示出根據本發明示例性實施例的粒子計數器的圖；
［圖17C］是示出對目標粒子P提供磁場B1時產生的渦電流(eddy current)及由此形成的磁場B2的圖；
［圖18］是根據本發明示例性實施方式的親水芯的顯微照片；
［圖19］是示出根據本發明示例性實施例的透過檢測電容變化獲得的粒子計數結果的圖；
［圖20］是示出根據本發明示例性實施例的透過檢測電感變化而獲得的粒子計數結果的圖；
［圖21］是表示導入粒子的大小與在冷凝器中形成的液滴的平均直徑之間的關係的圖；
［圖22］是表示粒子為氯化鈉或銀時的導入粒子的大小與計數概率的關係的圖；以及
［圖23］是根據本發明示例性實施例的粒子計數器的圖片。
1:粒子計數器
100:儲存器
110:工作液體
120:工作液體入口
130:液位感測器
131:電極
132:電極
200:調節器
210:氣體入口
300:冷凝器
310:噴嘴
400:親水芯
500:計數器
600:熱障
700:控制器
E:電極圖案/電極
Claims (6)
- 一種製造粒子計數器的方法，該方法包括： 在一第一板上形成一電極； 在其上已形成該電極的該第一板上形成一絕緣層； 在該絕緣層上形成多個柱； 至少在該等柱上形成一親水材料層；以及 在其中已在該等柱上形成該親水性材料層的該第一板上形成多個間隔物，並將該第一板與其中已在多個柱上形成一親水性材料層的一第二板組合，以在該第一板和該第二板之間形成通道。
- 如請求項1所述的方法，其中在該絕緣層上形成該等柱包括透過圖案化光阻來形成該等柱。
- 如請求項1所述的方法，其中，在該絕緣層上形成該等柱包括： 在該絕緣層上形成一種子層； 形成一模具圖案暴露部分，其中多個柱將在該種子層上形成；以及 透過電鍍產生多個柱。
- 如請求項1所述的方法，其中該親水材料層的形成包括形成親水聚合物的一單體。
- 如請求項1所述的方法，其中，該親水材料層的形成包括透過氧化該等柱來形成一氧化物。
- 如請求項5所述的方法，其中，該等柱係為銅，並且 該親水材料層係為一氧化銅。
Applications Claiming Priority (6)
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|---|---|---|---|
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| KR10-2019-0175763 | 2019-12-26 | ||
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| KR10-2020-0010566 | 2020-01-29 | ||
| KR1020200010566A KR102389396B1 (ko) | 2020-01-29 | 2020-01-29 | 전기식 계수기 및 전기식 계수기를 이용하는 입자 계수기 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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