TWI831905B - 外接式氣體偵測裝置 - Google Patents

Abstract

外接式氣體偵測裝置，包含：一殼體；一氣體偵測模組，設置於該殼體內，偵測由該殼體外導入之氣體以獲得一氣體資訊；以及一外接連接器，連接設置於該殼體上，提供外部電源之連接而啟動該氣體偵測模組之運作，並提供該氣體資訊而達成該氣體資訊之對外傳輸。

Description

外接式氣體偵測裝置

本案關於一種外接式氣體偵測裝置，尤指一種極薄型的外接式氣體偵測裝置。

懸浮微粒是指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)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、風量不穩定的流動，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。

又，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，甚至於氣體中含有的微粒，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，如何偵測氣體品質去避免、遠離氣體品質不佳之區域，是當前重視的課題。

如何確認氣體品質的好壞，利用一種氣體感測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，使其能夠即時預防或逃離，避免遭受環境中的氣體危害而造成人體健康影響及傷害，利用氣體感測器來偵測周圍環境可說是非常好的應用。

可攜式裝置為現代人外出皆會攜帶的行動裝置，因此將氣體偵測模組嵌設於可攜式裝置上來實施偵測周圍環境的氣體，十分受到重視，特別是目前的可攜式裝置的發展趨勢為輕、薄，如何將氣體偵測模組薄型化且組設於可攜式裝置的應用，是本案所研發的重要課題。因此需要一個微型且方便攜帶的外接式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及氣體品質。

本案之主要目的係提供一種外接式氣體偵測裝置，藉由氣體偵測模組嵌設於外接式氣體偵測裝置內，可隨時偵測使用者周圍環境空氣品質，即時將空氣品質資訊傳遞至外部傳輸裝置上，獲得氣體偵測之資訊及一通報警示。

本案之一廣義實施態樣為一種外接式氣體偵測裝置，包含：一殼體；一氣體偵測模組，設置於該殼體內，偵測由該殼體外導入之氣體以獲得一氣體資訊；以及一外接連接器，連接設置於該殼體上，提供外部電源之連接而啟動該氣體偵測模組之運作，並提供該氣體資訊而達成該氣體資訊之對外傳輸。

體現本案特徵與優點的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1A圖至第1E圖、第2A圖至第2C圖以及第12圖所示，本案提供一種外接式氣體偵測裝置100包含一殼體10、一氣體偵測模組20及一外接連接器30，其中殼體10設有一進氣通道10a及一出氣通道10b，而氣體偵測模組20設置於殼體10內，將殼體10外氣體透過進氣通道10a導入以獲得一氣體資訊，再透過出氣通道10b將檢測後氣體導出殼體10外部，以及外接連接器30連接設置於殼體10上，提供外部電源之連接而啟動氣體偵測模組20之運作，以及提供氣體資訊而獲得氣體資訊之對外傳輸。外接連接器30可為一USB連接埠、一mini USB連接埠、一Micro USB連接埠、一USB Type C連接埠、一交流電適配器(AC adapter)、一直流(DC)電源轉接頭、一電源接頭、一端子接頭之其中之一或其組合。本實施例中，如第1A圖所示，外接連接器30可為一交流電適配器(AC adapter)30a與一USB連接埠30b之母座形式組合，交流電適配器30a能夠插置於一外部插座(未圖示)上並與其電連接，以提供外部電源之連接而啟動氣體偵測模組20之運作，而氣體偵測模組20偵測氣體並提供氣體資訊，再透過USB連接埠30b連接外部連接裝置50(如行動裝置)，提供氣體資訊而達成氣體資訊之對外傳輸。

又，如第1B圖及第12圖所示，外接式氣體偵測裝置100進一步包含一控制電路單元40，控制電路單元40上並設有一微處理器40a、一通信器40b及一電源模組40c，與其作電性連接。為使外接式氣體偵測裝置100符合輕薄微小化、可簡易攜帶之趨勢，本案在設計上讓氣體偵測模組20整體結構厚度降低，再組裝結合控制電路單元40以形成一氣體偵測傳輸模組100A，此氣體偵測傳輸模組100A的長度L1介於35mm~55mm之間，寬度W1介於10mm~35mm之間，厚度H1介於1mm~7.5mm之間，有利於組構如第1B圖所示之小型化氣體偵測傳輸模組100A。藉此如第1C圖所示，氣體偵測傳輸模組100A再組配外接連接器30構成電性連接，再透過殼體10包覆並加以保護，而外接連接器30外露去作電性連接(如第1D圖所示)，且殼體10設有進氣通道10a及出氣通道10b；因此如第12圖所示，電源模組40c能透過一供電裝置70以無線傳輸接收儲存一電能，使微處理器40a能夠控制氣體偵測模組20之驅動訊號而啟動氣體偵測模組20之運作，而氣體偵測模組20設置於殼體10內，將殼體10外氣體透過進氣通道10a導入以獲得一氣體資訊，再透過出氣通道10b將檢測後氣體導出殼體10外部，微處理器40a並將氣體偵測模組20之氣體資訊轉換成一偵測數據儲存，而通信器40b用以接收微處理器40a所輸出偵測數據，並能將偵測數據對外透過通信傳輸至一外部傳輸裝置60予以儲存，促使外部傳輸裝置60產生一氣體偵測之資訊及一通報警示；或者，外接連接器30連接外部連接裝置50(如行動裝置)，提供外部電源之連接而啟動該氣體偵測模組20之運作，氣體偵測模組20偵測殼體10外氣體獲得一氣體資訊，微處理器40a並將氣體偵測模組20之氣體資訊轉換成一偵測數據儲存，而外接連接器30透過與外部連接裝置50連接，而將提供氣體資訊給外部連接裝置50予以處理應用，促使外部連接裝置50得以透過通信傳輸對外傳輸至一外部傳輸裝置60予以儲存，促使外部傳輸裝置60產生一氣體偵測之資訊及一通報警示。

上述之外部傳輸裝置60可為一雲端系統、一可攜式裝置、一電腦系統等；上述之通信傳輸可以是透過有線之通信傳輸，例如：USB連接通信傳輸，或者是透過無線之通信傳輸，例如：Wi-Fi通信傳輸、藍芽通信傳輸、無線射頻辨識通信傳輸、一近場通訊傳輸等。上述構成外接式氣體偵測裝置100的長度L介於45mm~70mm之間，寬度W介於25mm~42mm之間，厚度H介於7mm~13mm之間，有利於組構如第1A圖至第1E圖所示符合輕薄微小化、可簡易攜帶之設計。

如第2A圖至第2C圖所示，上述氣體偵測模組20包含一基座1、一壓電致動器2、一驅動電路板3、一雷射組件4、一微粒傳感器5及一外蓋6；其中，驅動電路板3封蓋貼合於基座1的第二表面12，雷射組件4設置於驅動電路板3上，並與驅動電路板3電性連接，微粒傳感器5亦設置於驅動電路板3上，並與驅動電路板3電性連接，而外蓋6為罩蓋基座1，且貼附封蓋於基座1的第一表面11上，又外蓋6具有一側板61，側板61具有一進氣框口61a及出氣框口61b。當氣體偵測模組20設置於殼體10內時，進氣框口61a對應到殼體10之進氣通道10a，出氣框口61b對應到殼體10之出氣通道10b。

又如第3A圖及第3B圖所示，基座1具有一第一表面11、一第二表面12、一雷射設置區13、一進氣溝槽14、一導氣組件承載區15及一出氣溝槽16，第一表面11及第二表面12為相對設置之兩個表面，雷射設置區13自第一表面11朝向第二表面12挖空形成，進氣溝槽14自第二表面12凹陷形成，且鄰近雷射設置區13，進氣溝槽14設有一進氣口14a，連通於基座1的外部，並與外蓋6的進氣框口61a對應，以及兩側壁貫穿一透光窗口14b，與雷射設置區13連通；因此，基座1的第一表面11被外蓋6貼附封蓋，第二表面12被驅動電路板3貼附封蓋，致使進氣溝槽14與驅動電路板3共同定義出一進氣路徑。

上述之導氣組件承載區15由第二表面12凹陷形成，並連通進氣溝槽14，且於底面貫通一通氣孔15a。上述之出氣溝槽16設有一出氣口16a，出氣口16a與外蓋6的出氣框口61b對應設置，出氣溝槽16包含由第一表面11對應於導氣組件承載區15的垂直投影區域凹陷形成的一第一區間16b，以及於非導氣組件承載區15的垂直投影區域所延伸的區域，且由第一表面11至第二表面12挖空形成的第二區間16c，其中第一區間16b與第二區間16c相連以形成段差，且出氣溝槽16的第一區間16b與導氣組件承載區15的通氣孔15a相通，出氣溝槽16的第二區間16c與出氣口16a連通；因此，當基座1的第一表面11被外蓋6貼附封蓋，第二表面12被驅動電路板3貼附封蓋時，致使出氣溝槽16、外蓋6與驅動電路板3共同定義出一出氣路徑。

第4圖所示為基座容置雷射組件及微粒傳感器示意圖，雷射組件4及微粒傳感器5皆設置於驅動電路板3上且於基座1內，為了明確說明雷射組件4及微粒傳感器5於基座1中之位置，故特意於第4圖中省略驅動電路板3，用以明確說明；在參閱第4圖及第2C圖，雷射組件4將容設於基座1的雷射設置區13內，微粒傳感器5容設於基座1的進氣溝槽14內，並與雷射組件4對齊，此外，雷射組件4對應到透光窗口14b，供雷射組件4所發射的雷射光穿過，使雷射光照射至進氣溝槽14內，而雷射組件4所發出射出之光束路徑為穿過透光窗口14b且與進氣溝槽14形成正交方向。

上述之雷射組件4所發射之投射光束通過透光窗口14b進入進氣溝槽14內，照射進氣溝槽14內的氣體中所含懸浮微粒，光束接觸到懸浮微粒時，會散射並產生投射光點，微粒傳感器5接收散射所產生的投射光點進行計算，來獲取氣體中所含懸浮微粒之粒徑及濃度的相關資訊。其中微粒傳感器5為PM2.5傳感器。

又如第5A圖及第5B圖所示，上述之壓電致動器2容設於基座1的導氣組件承載區15，導氣組件承載區15呈一正方形，其四個角分別設有一定位凸塊15b，壓電致動器2通過四個定位凸塊15b設置於導氣組件承載區15內，此外，導氣組件承載區15與進氣溝槽14相通，當壓電致動器2作動時，壓電致動器2汲取進氣溝槽14內的氣體，使氣體進入壓電致動器2，並將氣體通過導氣組件承載區15的通氣孔15a，導入至出氣溝槽16。

以及參閱第6A圖及第6B圖所示，上述之壓電致動器2包含：一噴氣孔片21、一腔體框架22、一致動體23、一絕緣框架24及一導電框架25。

上述之噴氣孔片21為具有可撓性之材料製作，具有一懸浮片210、一中空孔洞211。懸浮片210為可彎曲振動之片狀結構，其形狀與尺寸大致對應導氣組件承載區15的內緣，但不以此為限，懸浮片210之形狀亦可為方形、圓形、橢圓形、三角形及多角形其中之一。中空孔洞211係貫穿於懸浮片210之中心處，以供氣體流通。

上述之腔體框架22疊設於噴氣孔片21，且其外型與噴氣孔片21對應，致動體23疊設於腔體框架22上，並與腔體框架22、懸浮片210之間定義一共振腔室26，絕緣框架24疊設於致動體23，其外觀與腔體框架22近似，導電框架25疊設於絕緣框架24，其外觀與絕緣框架24近似，且導電框架25具有一導電接腳251及一導電電極252，導電接腳251自導電框架25的外緣向外延伸，導電電極252自導電框架25內緣向內延伸。此外，致動體23更包含一壓電載板231、一調整共振板232及一壓電板233，壓電載板231承載疊置於腔體框架22上，調整共振板232承載疊置於壓電載板231上，壓電板233承載疊置於調整共振板232上，而調整共振板232及壓電板233容設於絕緣框架24內，並由導電框架25的導電電極252電連接壓電板233，其中，壓電載板231、調整共振板232皆為可導電的材料所製成，壓電載板231具有一壓電接腳2311，壓電接腳2311與導電接腳251連接驅動電路板3上的驅動電路(未圖示)，以接收驅動訊號(驅動頻率及驅動電壓)，驅動訊號得以由壓電接腳2311、壓電載板231、調整共振板232、壓電板233、導電電極252、導電框架25、導電接腳251形成一迴路，並由絕緣框架24將導電框架25與致動體23之間阻隔，避免短路發生，使驅動訊號得以傳遞至壓電板233，壓電板233接受驅動訊號(驅動頻率及驅動電壓)後，因壓電效應產生形變，來進一步驅動壓電載板231及調整共振板232產生往復式地彎曲振動。

承上所述，調整共振板232位於壓電板233與壓電載板231之間，作為兩者之間的緩衝物，可調整壓電載板231的振動頻率。基本上，調整共振板232的厚度大於壓電載板231的厚度，且調整共振板232的厚度可變動，藉此調整致動體23的振動頻率。

請同時參閱第6A圖、第6B圖及第7A圖所示，噴氣孔片21、腔體框架22、致動體23、絕緣框架24及導電框架25依序對應堆疊並設置定位於導氣組件承載區15內，促使壓電致動器2承置定位於導氣組件承載區15內，並以底部固設於定位凸塊15b上支撐定位，因此壓電致動器2在懸浮片210及導氣組件承載區15的內緣之間定義出空隙212。空隙212環繞於壓電致動器2之外圍，以供氣體流通。

請再參閱第7A圖所示，上述之噴氣孔片21與導氣組件承載區15之底面間形成一氣流腔室27。氣流腔室27透過噴氣孔片21之中空孔洞211，連通致動體23、腔體框架22及懸浮片210之間的共振腔室26。透過控制共振腔室26中氣體之振動頻率，使其與懸浮片210之振動頻率趨近於相同，可使共振腔室26與懸浮片210產生亥姆霍茲共振效應（Helmholtz resonance），俾使氣體傳輸效率提高。

又第7B圖及第7C圖為第7A圖之壓電致動器作動示意圖，請先參閱第7B圖所示，當壓電板233向遠離導氣組件承載區15之底面的方向移動時，帶動噴氣孔片21之懸浮片210以遠離導氣組件承載區15之底面方向移動，使氣流腔室27之容積急遽擴張，其內部壓力下降形成負壓，吸引壓電致動器2外部的氣體由空隙212流入，並經由中空孔洞211進入共振腔室26，使共振腔室26內的氣壓增加而產生一壓力梯度。再如第7C圖所示，當壓電板233帶動噴氣孔片21之懸浮片210朝向導氣組件承載區15之底面移動時，共振腔室26中的氣體經中空孔洞211快速流出，擠壓氣流腔室27內的氣體，並使匯聚後之氣體以接近白努利定律之理想氣體狀態快速且大量地噴出並導入導氣組件承載區15的通氣孔15a中。是以，透過重複第7B圖及第7C圖的動作，得以使壓電板233往復式地振動，且依據慣性原理，排氣後的共振腔室26內部氣壓低於平衡氣壓，會導引氣體再次進入共振腔室26中，如此控制共振腔室26中氣體之振動頻率與壓電板233之振動頻率趨近於相同，以產生亥姆霍茲共振效應，俾實現氣體高速且大量的傳輸。

又如第8A圖至第8C圖所示為氣體偵測模組20的氣體路徑示意圖，首先參閱第8A圖所示，氣體皆由外蓋6的進氣框口61a進入，通過進氣口14a進入至基座1的進氣溝槽14，並流至微粒傳感器5的位置，再如第8B圖所示，壓電致動器2持續驅動會吸取進氣路徑之氣體，以利外部氣體快速導入且穩定流通，並通過微粒傳感器5上方，此時雷射組件4發射投射光束通過透光窗口14b進入進氣溝槽14內，照射進氣溝槽14通過微粒傳感器5上方的氣體中所含懸浮微粒，光束接觸到懸浮微粒時，會散射並產生投射光點，微粒傳感器5接收散射所產生的投射光點進行計算，來獲取氣體中所含懸浮微粒之粒徑及濃度的相關資訊，而微粒傳感器5上方的氣體也持續受壓電致動器2驅動傳輸而導入導氣組件承載區15的通氣孔15a中，進入出氣溝槽16的第一區間16b，最後如第8C圖所示，氣體進入出氣溝槽16的第一區間16b後，由於壓電致動器2會不斷輸送氣體進入第一區間16b，於第一區間16b的氣體將會被推引至第二區間16c，最後通過出氣口16a及出氣框口61b向外排出。

再參閱第9圖所示，基座1更包含一光陷阱區17，光陷阱區17自第一表面11至第二表面12挖空形成，並對應至雷射設置區13，且光陷阱區17經過透光窗口14b而使雷射組件4所發射之光束能投射到其中，光陷阱區17設有一斜錐面之光陷阱結構17a，光陷阱結構17a對應到雷射組件4所發射之光束的路徑；此外，光陷阱結構17a使雷射組件4所發射之投射光束在斜錐面結構反射至光陷阱區17內，避免光束反射至微粒傳感器5的位置，且光陷阱結構17a所接收之投射光束之位置與透光窗口14b之間保持有一光陷阱距離D，此光陷阱距離D需大於3mm以上，當光陷阱距離D小於3mm時會導致投射在光陷阱結構17a上投射光束反射後因過多雜散光直接反射回微粒傳感器5的位置，造成偵測精度的失真。

請繼續參閱第9圖及第2C圖所示，本案之氣體偵測模組20，不僅可針對氣體中微粒進行偵測，更可進一步針對導入氣體之特性做偵測，例如氣體為甲醛、氨氣、一氧化碳、二氧化碳、氧氣、臭氧等。因此本案之氣體偵測模組20更包含第一揮發性有機物傳感器7a，定位設置於驅動電路板3上並與其電性連接，容設於出氣溝槽16中，對出氣路徑所導出之氣體做偵測，用以偵測出氣路徑的氣體中所含有之揮發性有機物的濃度或特性。或者本案之氣體偵測模組20更包含一第二揮發性有機物傳感器7b，定位設置於驅動電路板3上並與其電性連接，而第二揮發性有機物傳感器7b容設於光陷阱區17，對於通過進氣溝槽14的進氣路徑且經過透光窗口14b而導入光陷阱區17內的氣體中所含有揮發性有機物的濃度或特性。

由上述說明可知，本案的氣體偵測模組20經過基座1上雷射設置區13、進氣溝槽14、導氣組件承載區15及出氣溝槽16適當配置的結構設計，且搭配外蓋6及驅動電路板3之封蓋密封設計，致使基座1之第一表面11上罩蓋外蓋6，第二表面12上封蓋驅動電路板3，以使進氣溝槽14與驅動電路板3共同定義出一進氣路徑，出氣溝槽16、外蓋6與驅動電路板3共同定義出一出氣路徑，形成一單層導氣通道路徑。

此外，本案的壓電致動器2的另一實施例可為一微機電泵浦2a，請參閱第10A圖及第10B圖所示，微機電泵浦2a包含一第一基板21a、一第一氧化層22a、一第二基板23a以及一壓電組件24a。

上述之第一基板21a為一矽晶片(Si wafer)，其厚度介於150至400微米(μm)之間，第一基板21a具有複數個流入孔211a、一第一表面212a、一第二表面213a，於本實施例中，該些流入孔211a的數量為4個，但不以此為限，且每個流入孔211a皆由第二表面213a貫穿至第一表面212a，而流入孔211a為了提升流入效果，流入孔211a自第二表面213a至第一表面212a呈現漸縮的錐形。

上述之第一氧化層22a為一二氧化矽(SiO₂ )薄膜，其厚度介於10至20微米(μm)之間，第一氧化層22a疊設於第一基板21a的第一表面212a上，第一氧化層22a具有複數個匯流通道221a以及一匯流腔室222a，匯流通道221a與第一基板21a的流入孔211a其數量及位置相互對應。於本實施例中，匯流通道221a的數量同樣為4個，4個匯流通道221a的一端分別連通至第一基板21a的4個流入孔211a，而4個匯流通道221a的另一端則連通於匯流腔室222a，讓氣體分別由流入孔211a進入之後，通過其對應相連之匯流通道221a後匯聚至匯流腔室222a內。

上述之第二基板23a為一絕緣層上覆矽之矽晶片(SOI wafer)，包含：一矽晶片層231a、一第二氧化層232a以及一矽材層233a；矽晶片層231a的厚度介於10至20微米(μm)之間，具有一致動部2311a、一外周部2312a、複數個連接部2313a以及複數個流體通道2314a，致動部2311a呈圓形；外周部2312a呈中空環狀，環繞於致動部2311a的外圍；該些連接部2313a分別位於致動部2311a與外周部2312a之間，並且連接兩者，提供彈性支撐的功能。該些流體通道2314a環繞形成於致動部2311a的外圍，且分別位於該些連接部2313a之間。

上述之第二氧化層232a為一氧化矽層其厚度介於0.5至2微米(μm)之間，形成於矽晶片層231a上，呈中空環狀，並與矽晶片層231a定義一振動腔室2321a。矽材層233a呈圓形，疊設於第二氧化層232a且結合至第一氧化層22a，矽材層233a為二氧化矽(SiO₂ )薄膜，厚度介於2至5微米(μm)之間，具有一穿孔2331a、一振動部2332a、一固定部2333a、一第三表面2334a及一第四表面2335a。穿孔2331a形成於矽材層233a的中心，振動部2332a位於穿孔2331a的周邊區域，且垂直對應於振動腔室2321a，固定部2333a則為矽材層233a的周緣區域，由固定部2333a固定於第二氧化層232a，第三表面2334a與第二氧化層232a接合，第四表面2335a與第一氧化層22a接合；壓電組件24a疊設於矽晶片層231a的致動部2311a。

上述之壓電組件24a包含一下電極層241a、壓電層242a、絕緣層243a及上電極層244a，下電極層241a疊置於矽晶片層231a的致動部2311a，而壓電層242a疊置於下電極層241a，兩者透過其接觸的區域做電性連接，此外，壓電層242a的寬度小於下電極層241a的寬度，使得壓電層242a無法完全遮蔽住下電極層241a，再於壓電層242a的部分區域以及下電極層241a未被壓電層242a所遮蔽的區域上疊置絕緣層243a，最後再於絕緣層243a以及壓電層242a未被絕緣層243a遮蔽的其餘表面上疊置上電極層244a，讓上電極層244a得以與壓電層242a接觸來電性連接，同時利用絕緣層243a阻隔於上電極層244a及下電極層241a之間，避免兩者直接接觸造成短路。

請參閱第11A至第11C圖所示為微機電泵浦2a其作動示意圖。請先參閱第11A圖所示，壓電組件24a的下電極層241a及上電極層244a接收驅動電路板3所傳遞之驅動電壓及驅動訊號(未圖示)後將其傳導至壓電層242a，壓電層242a接受驅動電壓及驅動訊號後，因逆壓電效應的影響開始產生形變，會帶動矽晶片層231a的致動部2311a開始位移，當壓電組件24a帶動致動部2311a向上位移並拉開與第二氧化層232a之間的距離時，此時，第二氧化層232a的振動腔室2321a的容積將提升，讓振動腔室2321a內形成負壓，並將第一氧化層22a的匯流腔室222a內的氣體通過穿孔2331a吸入其中。請繼續參閱第11B圖所示，當致動部2311a受到壓電組件24a的牽引向上位移時，矽材層233a的振動部2332a會因共振原理的影響向上位移，當振動部2332a向上位移時，會壓縮振動腔室2321a的空間並且推動振動腔室2321a內的氣體往矽晶片層231a的流體通道2314a移動，讓氣體能夠通過流體通道2314a向上排出，在振動部2332a向上位移來壓縮振動腔室2321a的同時，匯流腔室222a的容積因振動部2332a位移而提升，其內部形成負壓，將吸取微機電泵浦2a外的氣體由流入孔211a進入其中，最後如第11C圖所示，壓電組件24a帶動矽晶片層231a的致動部2311a向下位移時，將振動腔室2321a的氣體往流體通道2314a推動，並將氣體排出，而矽材層233a的振動部2332a亦受致動部2311a的帶動向下位移，同步壓縮匯流腔室222a的氣體通過穿孔2331a向振動腔室2321a移動，後續再將壓電組件24a帶動致動部2311a向上位移時，其振動腔室2321a的容積會大幅提升，進而有較高的吸取力將氣體吸入振動腔室2321a，再重複以上的動作，以至於透過壓電組件24a持續帶動致動部2311a上下位移來使振動部2332a連動並上下位移，透過改變微機電泵浦2a的內部壓力，使其不斷地吸取及排出氣體，藉此以完成微機電泵浦2a的動作。

綜上所述，本案所提供之外接式氣體偵測裝置，藉由氣體偵測模組嵌設於外接式氣體偵測裝置內，可隨時偵測使用者周圍環境空氣品質，並能即時將空氣品質資訊傳遞至外部傳輸裝置上，獲得氣體偵測之資訊及一通報警示，極具產業利用性及進步性。

100:外接式氣體偵測裝置 100A:氣體偵測傳輸模組 10:殼體 10a:進氣通道 10b:出氣通道 20:氣體偵測模組 30:外接連接器 30a:交流電適配器 30b:USB連接埠 40:控制電路單元 40a:微處理器 40b:通信器 40c:電源模組 50:外部連接裝置 60:外部傳輸裝置 70:供電裝置 1:基座 11:第一表面 12:第二表面 13:雷射設置區 14:進氣溝槽 14a:進氣口 14b:透光窗口 15:導氣組件承載區 15a:通氣孔 15b:定位凸塊 16:出氣溝槽 16a:出氣口 16b:第一區間 16c:第二區間 17:光陷阱區 17a:光陷阱結構 2:壓電致動器 21:噴氣孔片 210:懸浮片 211:中空孔洞 212:空隙 22:腔體框架 23:致動體 231:壓電載板 2311:壓電接腳 232:調整共振板 233:壓電板 24:絕緣框架 25:導電框架 251:導電接腳 252:導電電極 26:共振腔室 27:氣流腔室 2a:微機電泵浦 21a:第一基板 211a:流入孔 212a:第一表面 213a:第二表面 22a:第一氧化層 221a:匯流通道 222a:匯流腔室 23a:第二基板 231a:矽晶片層 2311a:致動部 2312a:外周部 2313a:連接部 2314a:流體通道 232a:第二氧化層 2321a:振動腔室 233a:矽材層 2331a:穿孔 2332a:振動部 2333a:固定部 2334a:第三表面 2335a:第四表面 24a:壓電組件 241a:下電極層 242a:壓電層 243a:絕緣層 244a:上電極層 3:驅動電路板 4:雷射組件 5:微粒傳感器 6:外蓋 61:側板 61a:進氣框口 61b:出氣框口 7a:第一揮發性有機物傳感器 7b:第二揮發性有機物傳感器 D:光陷阱距離 H、H1:厚度 L、L1:長度 W、W1:寬度

第1A圖為本案外接式氣體偵測裝置一實施例之外觀示意圖。 第1B圖為本案外接式氣體偵測裝置另一實施例之氣體偵測傳輸模組外觀示意圖。 第1C圖為本案外接式氣體偵測裝置另一實施例之氣體偵測傳輸模組與外接連接器組配關係之外觀示意圖。 第1D圖為本案外接式氣體偵測裝置另一實施例之氣體偵測傳輸模組、外接連接器及殼體組配關係之外觀示意圖。 第1E圖為本案外接式氣體偵測裝置另一實施例之外觀示意圖。 第2A圖為本案氣體偵測模組之外觀立體示意圖。 第2B圖為本案氣體偵測模組另一角度之外觀立體示意圖。 第2C圖所示為本案氣體偵測模組之分解立體示意圖。 第3A圖所示為本案氣體偵測模組之基座立體示意圖。 第3B圖所示為本案氣體偵測模組之基座另一角度立體示意圖。 第4圖所示為本案氣體偵測模組之基座容置雷射組件及微粒傳感器時之立體示意圖。 第5A圖所示為本案氣體偵測模組之壓電致動器結合基座時之分解立體示意圖。 第5B圖所示為本案氣體偵測模組之壓電致動器結合基座時之立體示意圖。 第6A圖所示為本案氣體偵測模組之壓電致動器分解立體示意圖。 第6B圖所示為本案氣體偵測模組之壓電致動器另一角度分解立體示意圖。 第7A圖所示為本案氣體偵測模組之壓電致動器結合於導氣組件承載區時之剖面示意圖。 第7B圖及第7C圖為第7A圖之壓電致動器作動示意圖。 第8A圖至第8C圖為氣體偵測模組之氣體路徑示意圖。 第9圖所示為本案氣體偵測模組之雷射組件發射光束路徑示意圖。 第10A圖所示為本案氣體偵測模組之微機電泵浦剖面示意圖。 第10B圖所示為本案氣體偵測模組之微機電泵浦分解示意圖。 第11A圖至第11C圖所示為本案氣體偵測模組之微機電泵浦作動示意圖。 第12圖為本案外接式氣體偵測裝置之控制電路單元與相關構件配置關係方塊示意圖。

100:外接式氣體偵測裝置

10:殼體

10a:進氣通道

10b:出氣通道

20:氣體偵測模組

30:外接連接器

30a:交流電適配器

30b:USB連接埠

Claims (21)

1. 一種外接式氣體偵測裝置，包含：一殼體；一氣體偵測模組，包含一基座、一壓電致動器、一驅動電路板、一雷射組件、一微粒傳感器及一外蓋，該氣體偵測模組設置於該殼體內，偵測由該殼體外導入之氣體以獲得一氣體資訊，其中該基座包含一第一表面、相對於該第一表面之一第二表面、一雷射設置區、一進氣溝槽、一導氣組件承載區及一出氣溝槽，該進氣溝槽鄰近於該雷射設置區，且包含一透光窗口，與該雷射設置區連通，其中該微粒傳感器容設該進氣溝槽，該雷射組件對應容設該雷射設置區，且所發射出之一光束路徑穿過該透光窗口，使該微粒傳感器對通過該進氣溝槽且受該雷射組件所投射光束照射之微粒做偵測，該導氣組件承載區自該第二表面凹陷形成並連通該進氣溝槽，且於底面貫通一通氣孔，該出氣溝槽自該第一表面對應到該導氣組件承載區底面處凹陷，並於該第一表面未對應到該導氣組件承載區之區域自該第一表面朝向該第二表面挖空而形成，與該通氣孔連通，並設有一出氣口，連通該基座外部；以及一外接連接器，連接設置於該殼體上，提供外部電源之連接而啟動該氣體偵測模組之運作，並提供該氣體資訊而達成該氣體資訊之對外傳輸。
2. 如請求項1所述之外接式氣體偵測裝置，其中該外接連接器為一USB連接埠、一miniUSB連接埠、一Micro USB連接埠、一USB Type C連接埠、一交流電適配器、一直流電源轉接頭、一電源接頭、一端子接頭之其中之一或其組合。
3. 如請求項1所述之外接式氣體偵測裝置，其中：該基座，具有： 該雷射設置區，自該第一表面朝向該第二表面挖空形成；該進氣溝槽，自該第二表面凹陷形成，該進氣溝槽設有一進氣口，連通該基座外部，以及兩側壁貫穿形成該透光窗口；以及該導氣組件承載區之四個角分別具有一定位凸塊；該壓電致動器，容設於該導氣組件承載區；該驅動電路板，封蓋貼合該基座之該第二表面上；該雷射組件，定位設置於該驅動電路板上與其電性連接，且所發射出之該光束路徑與該進氣溝槽形成正交方向；該微粒傳感器，定位設置於該驅動電路板上與其電性連接，與該雷射組件所投射之該光束路徑之正交方向位置處；以及該外蓋，罩蓋於該基座之該第一表面上，且具有一側板，該側板對應到該基座之該進氣口及該出氣口之位置分別設有一進氣框口及一出氣框口；其中，該基座之該第一表面上罩蓋該外蓋，該第二表面上封蓋該驅動電路板，以使該進氣溝槽與該驅動電路板共同定義出一進氣路徑，該出氣溝槽、該外蓋與該驅動電路板共同定義出一出氣路徑，藉以使該壓電致動器加速導引外部之氣體由該進氣框口進入該進氣路徑，並通過該微粒傳感器上，以偵測出氣體中之微粒濃度，且氣體透過該壓電致動器導送，更由該通氣孔排入該出氣路徑，最後由該出氣框口排出。
4. 如請求項3所述之外接式氣體偵測裝置，其中該基座更包含一光陷阱區，自該第一表面朝該第二表面挖空形成且對應於該雷射設置區，該光陷阱區設有具斜錐面之一光陷阱結構，設置對應到該光束路徑。
5. 如請求項4所述之外接式氣體偵測裝置，其中該光陷阱結構所接收之投射光源之位置與該透光窗口保持有一光陷阱距離。
6. 如請求項5所述之外接式氣體偵測裝置，其中該光陷阱距離大於3mm。
7. 如請求項3所述之外接式氣體偵測裝置，其中該微粒傳感器為PM2.5傳感器。
8. 如請求項3所述之外接式氣體偵測裝置，其中該壓電致動器包含：一噴氣孔片，包含一懸浮片及一中空孔洞，該懸浮片可彎曲振動，而該中空孔洞形成於該懸浮片的中心位置；一腔體框架，承載疊置於該懸浮片上；一致動體，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；一絕緣框架，承載疊置於該致動體上；以及一導電框架，承載疊置於該絕緣框架上；其中，該噴氣孔片固設於該導氣組件承載區內之該定位凸塊支撐定位，促使該噴氣孔片與該導氣組件承載區之內緣間定義出空隙環繞，供氣體流通，且該噴氣孔片與該導氣組件承載區底部間形成一氣流腔室，而該致動體、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，以吸引氣體通過該空隙進入該氣流腔室再排出，實現氣體之傳輸流動。
9. 如請求項8所述之外接式氣體偵測裝置，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. 如請求項3所述之外接式氣體偵測裝置，進一步包含一第一揮發性有機物傳感器，定位設置於該驅動電路板上並與其電性連接，容設於該出氣溝槽中，對該出氣路徑所導出之氣體做偵測。
11. 如請求項4所述之外接式氣體偵測裝置，進一步包含一第二揮發性有機物傳感器，定位設置於該驅動電路板上並與其電性連接，容設於該光陷阱區，對通過該進氣溝槽之該進氣路徑且經過該透光窗口而導入於該光陷阱區之氣體做偵測。
12. 如請求項11或11所述之外接式氣體偵測裝置，其中該氣體為甲醛、氨氣、一氧化碳、二氧化碳、氧氣、臭氧之其中之一。
13. 如請求項3所述之外接式氣體偵測裝置，其中該壓電致動器為一微機電泵浦，包含：一第一基板，具有複數個流入孔，該些流入孔呈錐形；一第一氧化層，疊設該第一基板，該第一氧化層具有複數個匯流通道以及一匯流腔室，該些匯流通道連通於該匯流腔室及該些流入孔之間；一第二基板，結合至該第一基板，包含：一矽晶片層，具有：一致動部，呈圓形；一外周部，呈中空環狀，環繞於該致動部的外圍；複數個連接部，分別連接於該致動部與該外周部之間；以及複數個流體通道，環繞於該致動部的外圍，且分別位於該些連接部之間；一第二氧化層，形成於該矽晶片層上，呈中空環狀，並與該矽晶片層定義一振動腔室；以及 一矽材層，呈圓形，位於該第二氧化層且結合至該第一氧化層，具有：一穿孔，形成於該矽材層的中心；一振動部，位於該穿孔的周邊區域；以及一固定部，位於該矽材層的周緣區域；以及一壓電組件，呈圓形，疊設於該矽晶片層的該致動部。
14. 如請求項13所述之外接式氣體偵測裝置，其中該壓電組件包含：一下電極層；一壓電層，疊置於該下電極層；一絕緣層，鋪設於該壓電層之部分表面及該下電極層之部分表面；以及一上電極層，疊置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。
15. 如請求項1所述之外接式氣體偵測裝置，進一步包含一控制電路單元，該控制電路單元上設有一微處理器及一通信器與其作電性連接，其中該微處理器能夠控制該氣體偵測模組之驅動訊號而偵測啟動運作，並將該氣體偵測模組之該氣體資訊轉換成一偵測數據儲存，而該通信器接收該微處理器所輸出之該偵測數據，並能將該偵測數據對外透過通信傳輸至一外部傳輸裝置予以儲存，促使該外部傳輸裝置產生一氣體偵測之資訊及一通報警示。
16. 如請求項15所述之外接式氣體偵測裝置，其中該外部傳輸裝置為一雲端系統、一可攜式裝置及一電腦系統之其中之一。
17. 如請求項15所述之外接式氣體偵測裝置，其中該氣體偵測模組與該 控制電路單元相互組裝電性連接形成一氣體偵測傳輸模組，該氣體偵測傳輸模組的長度介於35mm~55mm之間，寬度介於10mm~35mm之間，厚度介於1mm~7.5mm之間。
18. 如請求項17所述之外接式氣體偵測裝置，其中該氣體偵測傳輸模組容設於該殼體中，受該殼體包覆並加以保護，而該外接連接器外露去作電性連接，構成該外接式氣體偵測裝置，且該外接式氣體偵測裝置之長度介於45mm~70mm之間，寬度介於25mm~42mm之間，厚度介於7mm~13mm。
19. 如請求項1所述之外接式氣體偵測裝置，其中該外接連接器能夠提供電能傳輸給一外部連接裝置，並且將一微處理器所輸出之一偵測數據傳輸給該外部連接裝置予以處理應用，且該外部連接裝置能對外透過通信傳輸而使該偵測數據傳輸至一外部傳輸裝置予以儲存，促使該外部傳輸裝置產生一氣體偵測之資訊及一通報警示。
20. 如請求項19所述之外接式氣體偵測裝置，其中該外部連接裝置為一行動裝置。
21. 如請求項15或19所述之外接式氣體偵測裝置，其中該控制電路單元進一步包含一電源模組，該電源模組能透過一供電裝置以無線傳輸接收儲存一電能，供以啟動該氣體偵測模組之運作。