粒子感测装置、以及具有粒子感测装置的电子设备的制作方法

本发明涉及一种粒子感测装置，尤其涉及一种粒子感测装置、以及具有粒子感测装置的电子设备，可感测空气中的悬浮微粒(particulatematter,pm)。

背景技术：

近年来，随着环保意识的提升，人们逐渐重视生活环境中的空气品质。悬浮微粒2.5(particulatematter2.5，pm2.5)是指大气中直径(aerodynamicdiameter)小于等于2.5微米(micrometer)的细颗粒物，而悬浮微粒10(particulatematter10，pm10)是指大气中直径小于等于10微米的细颗粒物(fineparticles)。由于悬浮微粒的粒径很小，所以，悬浮微粒可以在大气中停留很久的时间且输送很远的距离。结果是，悬浮微粒会使得空气品质和能见度产生严重的恶化。

另外，悬浮微粒会吸附大量的有毒及有害物质。由于悬浮微粒的粒径非常小，所以，悬浮微粒容易经由人体的呼吸系统而进入到人体内。悬浮微粒10容易附着于人体的呼吸系统及器官，而悬浮微粒2.5则是可以直接穿透肺泡，继而进入血管中且随着血液循环全身，而引起过敏、气喘、肺气肿、肺癌、心血管疾病、肝癌、及血液疾病等；也就是说，悬浮微粒对于人体健康会造成严重的影响。

为了检测大气中的悬浮微粒，已知有如图1所示的光学式粒子感测器。图1为已知的光学式粒子感测器的示意图。请参照图1，此光学式粒子感测器100具有：内壳体110、外壳体120、滤网130、光源140以及光电二极管150。

通过空气泵的运转，使外部的空气被抽吸到光学式粒子感测器100之内。如图1所示，空气160会在内壳体110与外壳体120之间的空间进行流动，并且带动大粒径的悬浮微粒pl与小粒径的悬浮微粒pm的传输。继而，藉由滤网130筛选出欲进行感测的小粒径的悬浮微粒pm，以进入内壳体110的内 部进行检测。

图2是图1的光源与光电二极管的局部放大示意图。请同时参照图1与图2，光源140与光电二极管150是设置在内壳体110的内部，且光源140与光电二极管150为对向设置。

如图2所示，小粒径的悬浮微粒pm的传输路径会垂直通过光束142的行进路径，而产生许多的散射光束142a。最后到达光电二极管150的光束142a’的光强度会因光散射效应而减弱，因此，光电二极管150的光电流会随之降低，进而达成小粒径的悬浮微粒pm的感测作用。

随着人们对于悬浮微粒的重视程度大幅度地提高，对于环境中的悬浮微粒进行感测的必要性也随之提高。由于目前的悬浮微粒感测器仍有着携带不便、尺寸过大、难以进行整合的问题，所以，存在着：开发各种更便利的悬浮微粒感测器的强烈需求。

技术实现要素：

本发明提供一种粒子感测装置，具有低的功率消耗(powerconsumption)，能够良好地对于悬浮微粒进行感测，且能整合到各种电子设备中。

本发明还提供一种电子设备，具有上述的粒子感测装置，而能够容易地对于环境中的悬浮微粒进行感测。

本发明的粒子感测装置，利用来自光源的光束，来感测悬浮微粒。粒子感测装置包括：柱状阵列以及感光元件。柱状阵列位于光束的行进路径的下游侧。柱状阵列具有多个柱状物。相邻的两个柱状物之间具有空隙。感光元件对向于柱状阵列而设置、且位于光束的行进路径的下游侧；其中，光束的行进路径平行于每一柱状物的长度方向，且光束通过空隙而到达感光元件。

本发明的电子设备包括：装置本体以及粒子感测装置。装置本体具有光源，所述光源提供光束。粒子感测装置电性结合于所述装置本体。粒子感测装置利用来自光源的光束，来感测悬浮微粒。粒子感测装置包括：柱状阵列以及感光元件。柱状阵列位于光束的行进路径的下游侧。柱状阵列具有多个柱状物。相邻的两个柱状物之间具有空隙。感光元件对向于柱状阵列而设置、且位于光束的行进路径的下游侧；其中，光束的行进路径平行于每一柱状物的长度方向，且光束通过空隙而到达感光元件。

在本发明的一实施例中，上述的柱状物的材料包括：吸光材料。

在本发明的一实施例中，上述的吸光材料是选自于黑色无机材料、黑色有机材料、黑色金属氧化物及其组合。

在本发明的一实施例中，上述的空隙的尺寸介于4微米到12微米。

在本发明的一实施例中，上述的粒子感测装置可更包括：滤光器，位于光束的行进路径的下游侧，其中，柱状阵列设置于滤光器与感光元件之间。

在本发明的一实施例中，上述的滤光器滤出光束中的400微米～500微米的波长范围。

在本发明的一实施例中，上述的感光元件包括：光电二极管。

在本发明的一实施例中，上述的感光元件包括：光伏电池。

在本发明的一实施例中，上述的粒子感测装置是被内嵌于电子设备的装置本体中。

在本发明的一实施例中，上述的电子设备可更包括：电性连接元件。粒子感测装置是经由电性连接元件，而外接于电子设备的装置本体上。

基于上述，本发明的实施例的粒子感测装置，能够利用柱状阵列来筛选具有待检测尺寸的悬浮微粒，并能利用柱状阵列吸收散射光束，进而提升感光元件的感测灵敏度。由于几乎只有感光元件在消耗电力，所以，粒子感测装置的功率消耗相当低。对应于感光元件的吸收波长的范围，可以使用滤光器选定设定波长范围的光束来进行检测，使感光元件的感测灵敏度进一步提升。

另外，粒子感测装置的尺寸可以做得非常小，使得粒子感测装置能够容易地整合到各样的可携式电子装置中。如此，使用者能够随时对于环境中的悬浮微粒进行感测而得到悬浮微粒的浓度的数据，并可利用所述数据进行后续相关的应用。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1为已知的光学式粒子感测器的示意图；

图2是图1的光源与光电二极管的局部放大示意图；

图3为本发明一实施例的粒子感测装置的示意图；

图4为本发明又一实施例的粒子感测装置的示意图；

图5为本发明的一实施例的柱状阵列的局部立体示意图；

图6为使用图4的粒子感测装置进行悬浮微粒的感测的示意图，显示了悬浮微粒被柱状阵列阻挡的状态；

图7为图6的粒子感测装置的局部放大示意图；

图8为使用图4的粒子感测装置进行悬浮微粒的感测的示意图，显示了悬浮微粒进入柱状阵列的空隙的状态；

图9为图8的粒子感测装置的局部放大示意图；

图10为本发明的一实施例的粒子感测装置的感光元件所感测的光电流的变化的曲线示意图；

图11为本发明一实施例的电子设备的示意图；

图12为本发明又一实施例的电子设备的示意图。

附图标记：

100：光学式粒子感测器

110：内壳体

120：外壳体

130：滤网

140：光源

142、142a’：光束

142a：散射光束

150：光电二极管

160：空气

200：光源

210、210a：光束

210a’：散射光束

300、302：粒子感测装置

310：柱状阵列

312：柱状物

320：感光元件

330：滤光器

400a、400b：曲线

500、502：电子设备

510：装置本体

520：粒子感测装置

530：电性连接元件

d：空隙的尺寸

g：空隙

i0、iscattered：光电流

l：柱状物的长度

pl：大粒径的悬浮微粒

pm：小粒径的悬浮微粒

w：柱状物的宽度

具体实施方式

图3为本发明一实施例的粒子感测装置的示意图。请参照图3，粒子感测装置300利用来自光源200的光束210，来感测悬浮微粒。如图3所示的光源200仅为示意用，光源200可以是任意的光源，如发光二极管背光模组、环境光源(阳光、环境中的灯光)等等，在此不予以限制。

请参照图3，粒子感测装置300可包括：柱状阵列310以及感光元件320。柱状阵列310位于光束210的行进路径的下游侧。柱状阵列310具有多个柱状物312。相邻的两个柱状物312之间具有空隙g。感光元件320对向于柱状阵列310而设置、且位于光束210的行进路径的下游侧；其中，光束210的行进路径平行于每一柱状物312的长度方向，且光束210通过空隙g而到达感光元件320。

请参照图3，在本发明的一实施例中，柱状物312的材料可以是吸光材料。上述的吸光材料可以是选自于黑色无机材料、黑色有机材料、黑色金属氧化物及其组合。详细而言，可根据光束210的波长，来选择能够适当地吸收所述光束210的波长的材质，来作为柱状物312的吸光材料。

再者，每一柱状物312可具有设定的宽度w与长度l。藉由设定柱状物 312的长度l、宽度w、以及空隙g的尺寸d，例如在微米等级(micro-meterorder)的尺寸，则可以使设定的粒径范围内的悬浮微粒进入空隙g中，使得柱状阵列310能够过滤掉空气中的粒径较大的悬浮微粒。在本发明的一实施例中，上述的空隙g的尺寸可以介于4微米到12微米。

请参照图3，感光元件320可以是光电二极管、或是光伏电池。在一实施例中，光伏电池可以选用无机光伏电池或有机光伏电池。感光元件320可以将光信号转变为电信号。感光元件320可检测光束210经过柱状阵列310之后的光量(光电流)变化，进而判断空间中的悬浮微粒的浓度。

图4为本发明又一实施例的粒子感测装置的示意图。在图4中，与图3相同的元件，标示以相同的标号，且相同的说明不予以重述。请参照图4，在此实施例中，粒子感测装置302可更包括：滤光器330，位于光束210的行进路径的下游侧，其中，柱状阵列310设置于滤光器330与感光元件320之间。

请参照图4，滤光器330可滤出光束210中的400微米～500微米的波长范围的光束，换言之，光束210经过滤光器330之后，成为光束210a(波长范围可为400微米～500微米)而入射到空隙g中，继而到达感光元件320。滤光器330的功能是：能够挑选对应于感光元件320的吸收频谱的适当波长，同时，可藉由纯化光源200以降低背景噪声(backgroundnoise)。

图5为本发明的一实施例的柱状阵列的局部立体示意图。请同时参照图4～图5，柱状阵列310可支撑在感光元件320与滤光器330之间。由于柱状物312是由强吸光材料组成，所以，当悬浮微粒进入到空隙g中而对于光束210a进行光散射作用时，柱状物312能够将散射光线进行充分的吸收，而避免散射光的二次反射。结果是，能减低散射光对于感光元件320的量测的干扰，而提升感测的灵敏度。

另外，柱状阵列310可具有规律的空隙g(具有设定的尺寸d)，藉此，可用于挑选适当的悬浮微粒的粒径大小来进行检测；也就是说，能够藉由柱状阵列310的尺寸(长度l、宽度w)、空隙g的尺寸等的设定，而筛选出空气中的对于人体有害的pm2.5与pm10并进行感测。

以下，将以图4的粒子感测装置302为例，配合图6～图10的相关内容，来说明本发明实施例的粒子感测装置302的感测原理与机制。

图6为使用图4的粒子感测装置进行悬浮微粒的感测的示意图，显示了悬浮微粒被柱状阵列阻挡的状态。图7为图6的粒子感测装置的局部放大示意图。请同时参照图6与图7，来自外界的大粒径的悬浮微粒pl会被柱状阵列310所阻挡，而无法进入到空隙g中。当柱状阵列310的空隙g内未填入悬浮微粒pl时，光束210a能够充分地入射到感光元件320中，被感光元件320所吸收而产生高电流。

图8为使用图4的粒子感测装置进行悬浮微粒的感测的示意图，显示了悬浮微粒进入柱状阵列的空隙的状态。图9为图8的粒子感测装置的局部放大示意图。

请同时参照图8与图9，来自外界的小粒径的悬浮微粒pm会进入柱状阵列310的空隙g中。小粒径的悬浮微粒pm会使光束210a进行光散射作用，而产生许多散射光束210a’，并且，散射光束210a’会朝向柱状物312入射。由于柱状物312是由吸光材料所构成，所以，散射光束312a’并不会产生二次反射，而不会干扰感光元件320的感测。此时，位于下方的感光元件320，将因入射光量的减少，而感测到减少的光电流。据此，可得到与小粒径的悬浮微粒pm相关的光电流的数值。

详细而言，小粒径的悬浮微粒pm的光散射作用所造成的入射光量的损失，会正比于小粒径的悬浮微粒pm的浓度；因此，藉由量测出入射光量的损失的数值，再乘以换算的校正系数(单位是：“浓度/安培”)之后，就可以感测出小粒径的悬浮微粒pm的浓度，进一步详细说明如下。

图10为本发明的一实施例的粒子感测装置的感光元件所感测的光电流的变化的曲线示意图。如图10所示，纵轴为感光元件所感测的光电流，横轴为时间，曲线400a代表吸入干净空气到粒子感测装置中的状态，曲线400b代表吸入悬浮微粒到粒子感测装置中的状态。

请参照图10，在曲线400a的状态下(干净空气)，此时量测到的光电流为i0。在曲线400b的状态下(导入了悬浮微粒)，此时量测到的光电流为iscattered。由于减少的光电流的数量，会正比于悬浮微粒的浓度(density)，所以，可藉由以下的式(1)，来推算悬浮微粒的浓度。

dparticle＝c×(i0-iscattered)……(1)

其中，dparticle是悬浮微粒的浓度

c是校正常数(浓度/安培)

i0是在干净空气的状态时，所量测到的光电流(安培)

iscattered是在导入悬浮微粒的状态时，所量测到的光电流(安培)

图11为本发明一实施例的电子设备的示意图。请参照图11，电子设备500可包括：装置本体510以及粒子感测装置520；并且，粒子感测装置520可以使用图3的粒子感测装置300、或图4的粒子感测装置302。关于粒子感测装置520的详细结构，在此不予以重述。

请同时参照图3与图11，装置本体510具有光源200，所述光源200提供光束210。粒子感测装置520电性结合于所述装置本体510。可注意到，在图11的实施例中，粒子感测装置520是被内嵌于电子设备500的装置本体510中。

电子设备500可以是任何可携带式电子装置，如智能手机、平板电脑、笔记型电脑、虚拟实境显示器、穿戴式电子装置(如智能手环、智能眼镜)等等。详细而言，本发明实施例的粒子感测装置520可容易整合到电子设备中，以使人们能够容易地对于环境中的悬浮微粒进行感测，以得到悬浮微粒的浓度数据，并进行相关的应用。

例如，在穿戴式电子装置的应用上，当使用者穿戴智慧手环到任何环境中进行活动时，智能手环上所整合的本发明的实施例的粒子感测装置520，可利用环境光线即时地(realtime)对于所述环境中的悬浮微粒的浓度进行感测，并回报感测结果给使用者。使用者在发现所述环境的悬浮微粒浓度过高时，就可以马上做出反应，如离开所述环境、或戴上防护口罩等。

又如，在虚拟实境显示器的应用上，当使用者穿戴虚拟实境显示器处于一环境中时，虚拟实境显示器上所整合的本发明的实施例的粒子感测装置520，可以感测所述环境中的悬浮微粒的浓度，并将所述浓度的数据转换为可见影像。使用者可以看见所述环境中的悬浮微粒的虚拟样貌(如，浓度高时，看见密集的悬浮微粒；浓度低时，则显示清新的大自然环境等)。

请参照图3与图11，柱状阵列310与感光元件320“位于光束210的行进路径的下游侧”，这是指：在电子设备500中，粒子感测装置520不但可以直接 位于电子设备500的光源200的正下方；另外，也可以通过适当的导光设计，使得电子设备500的背光模组的部分光束(余光)传输到粒子感测装置520，以进行悬浮微粒的感测，也就是说，可提升粒子感测装置520的设计自由度。

图12为本发明又一实施例的电子设备的示意图。请参照图12，电子设备502可更包括：电性连接元件530。粒子感测装置520是经由电性连接元件530，而外接于电子设备502的装置本体510上。电性连接元件530可以是通用串列汇流排(usb)的连接方式、或是其他适合的电性连接方式，在此不予以限制。

也就是说，如图12所示的电子设备502，可以利用外接的方式来使用粒子感测装置520；当不须使用粒子感测装置520时，即可卸除所述粒子感测装置520。同样地，粒子感测装置520可利用环境光源进行悬浮微粒的感测，或者，也可利用导光设计以利用来自于装置本体510的光源。藉由上述外接式的设计方式，可以大幅提升粒子感测装置520与电子设备502之间的搭配使用的弹性度与自由度。

并且，如图11与图12所示的电子设备500、电子设备502中，当粒子感测装置520的感光元件320，对于光束进行感测而产生光电流时，可利用感应线圈螺线管(inductioncoilsolenoid)或无线射频识别(radiofrequencyidentification,rfid)以产生无线信号，进而传输光电流的数据到装置本体510。

本发明实施例的粒子感测装置300、粒子感测装置302、粒子感测装置520能够使用环境光源或来自电子设备的光源，几乎仅需要供电到感光元件320，因此，具有相当低的功率消耗。并且，粒子感测装置300、粒子感测装置302、粒子感测装置520能够容易地被结合到任何可携带式电子装置中，使用者可以藉由可携带式电子装置(如智能手机)而能随时地检测空气中的悬浮微粒的浓度；所测得的数据亦能够被应用在物联网(internetofthings,iot)与大数据(bigdata)的相关技术领域中，并藉由这些数据的解读，可以对于大气科学、环境科学、流行病学、环境保护、医学等领域产生极大的贡献。

综上所述，本发明的粒子感测装置以及电子设备至少具有以下的技术效果：利用柱状阵列可筛选具有待检测尺寸的悬浮微粒、并能利用柱状阵列吸收散射光束，可提升感光元件的感测灵敏度。并且，粒子感测装置的功率消 耗相当低。进一步使用滤光器，可选定入射光束的波长范围，而进一步提升感光元件的感测灵敏度。粒子感测装置可设计成非常小的尺寸，而能够容易地被整合到各样的可携式电子装置中。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。