气体监测装置的制作方法

本案关于一种气体监测装置，尤指一种搭配过滤器使用的气体监测装置。

背景技术：

近年来，我国与邻近区域的空气污染问题渐趋严重，导致日常生活的环境中有许多对人体有害的气体，若是无法即时监测将会对人体的健康造成影响。

因此，目前有使用者于鼻腔内塞入一具有滤网的过滤器，使得气体进入鼻腔前，会先借由过滤器的滤网将气体过滤后，再吸入人体内；然而，使用者虽可利用过滤器的滤网过滤进入人体内的气体，但无法确认过滤器的滤网何时需要更换，且由于过滤器上设有滤网，使用者呼吸的力道会因滤网而减弱，减少吸入气体的量，两者皆为当前急需克服的问题。

技术实现要素：

本案的主要目的是提供一种气体监测装置，用以监测气体通过进气滤网后的空气品质，提供使用者即时且准确的气体信息，此外，使用者于鼻腔内塞入一具有吸气滤网的过滤器，由于过滤器的吸气滤网与进气滤网具有相同材质，因此，借由判断进气滤网更换时机即可以得知吸气滤网的过滤效果以及可以判断更换吸气滤网的时机，借以提升过滤器安全使用的可靠性。

本案的一广义实施态样为一种气体监测装置，包含一本体、至少一气体传感器、至少一致动器以及至少一微粒监测模块。本体具有一监测腔室，监测腔室具有至少一进气口、至少一过滤通口及至少一出气口。进气口设置一阀，用以控制外部气体导入监测腔室内。过滤通口设置一进气滤网。气体传感器设置于监测腔室内。致动器设置于监测腔室内，用以控制气体导入。微粒监测模块设置于监测腔室内，并包含一微粒传感器。先开启阀，并同时启动致动器，致使外部气体由进气口导入监测腔室，透过气体传感器监测气体，以及透过微粒监测模块的微粒传感器监测气体中所含悬浮微粒的粒径及浓度。再关闭阀，使外部气体由过滤通口导入监测腔室内，并透过进气滤网过滤外部气体，透过气体传感器及微粒传感器对过滤后的外部气体进行监测，借以计算出监测腔室内过滤气体的含量及所含悬浮微粒的粒径及浓度，判断进气滤网更换的时机。

附图说明

图1为本案过滤器的结构示意图。

图2为本案气体监测装置的第一实施例的剖面示意图。

图3为本案第一实施例的致动器的立体分解示意图。

图4A为本案第一实施例的致动器的剖面示意图。

图4B至图4C为本案第一实施例的致动器的作动示意图。

图5A为本案气体监测装置的阀的剖面示意图。

图5B为本案气体监测装置的阀的作动示意图。

图6为本案气体监测装置的第二实施例的剖面示意图。

图7A为本案第二实施例的致动器自俯视角度所视得的立体分解示意图。

图7B为本案第二实施例的致动器自仰视角度所视得的立体分解示意图。

图8A为本案第二实施例的致动器的剖面示意图。

图8B为本案其他实施例的致动器的剖面示意图。

图8C至图8E为本案第二实施例的致动器的作动示意图。

附图标记说明

A：过滤器

A1：塞环

A2：吸气滤网

1：本体

11：监测腔室

12：进气口

13：过滤通口

14：出气口

15：阀

151：保持件

152：密封件

153：位移件

151a、152a、153a：通孔

16：进气滤网

2：气体传感器

3、3'：致动器

31：喷气孔片

31'：进气板

31a：连接件

31a'：进气孔

31b：悬浮片

31b'：汇流排槽

31c：中空孔洞

31c'：汇流腔室

32：腔体框架

32'：共振片

32a'：中空孔

32b'：可动部

32c'：固定部

33：致动体

33'：压电致动器

33a：压电载板

33a'：悬浮板

33b：调整共振板

33b'：外框

33c：压电板

33c'：支架

33d'：压电元件

33e'：间隙

33f'：凸部

34：绝缘框架

34'：第一绝缘片

35：导电框架

35'：导电片

351'：导电接脚

352'：电极

36：共振腔室

36'：第二绝缘片

37：气流腔室

37'：腔室空间

4：微粒监测模块

41：承载隔板

411：连通口

412：连接器

42：微粒监测基座

421：承置槽

422：监测通道

423：光束通道

424：容置室

43：激光发射器

44：微粒传感器

具体实施方式

体现本案特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本案能够在不同的态样上具有各种的变化，其皆不脱离本案的范围，且其中的说明及图示在本质上当作说明之用，而非用以限制本案。

本案提供一种气体监测装置，请同时参阅图1及图2。过滤器A为一供使用者配置于鼻腔内且具有吸气滤网A2的过滤装置。过滤器A包含了二塞环A1，二塞环A1上分别具有一吸气滤网A2。于本案第一实施例中，气体监测装置用以与过滤器A组合使用。气体监测装置包含了一本体1、至少一气体传感器2、至少一致动器3 以及至少一微粒监测模块4。本体1具有一监测腔室11、至少一进气口12、至少一过滤通口13以及至少一出气口14。其中，为避免赘述，在后续叙述中，至少一气体传感器2、至少一致动器3、至少一微粒监测模块4、至少一进气口12以及至少一出气口14的数量是使用一个作举例说明，但不以此为限。气体传感器2、致动器3、微粒监测模块4、进气口12、出气口14同样也可以为多个的组合。

请继续参阅图2，于本案第一实施例中，本体1的进气口12设有一阀 15，用以控制外部气体导入监测腔室11内。过滤通口13则设置有一进气滤网16，过滤通口13内的进气滤网16与过滤器A的吸气滤网A2具有相同材质。吸气滤网A2以及进气滤网16可为一发泡材的材质、一不织布的材质，或为一活性炭滤网及高效滤网 (HEPA)等。

气体传感器2、致动器3、微粒监测模块4设置于监测腔室11内。微粒监测模块4包含了一承载隔板41、一微粒监测基座42、一激光发射器43以及一微粒传感器44。承载隔板41设置于本体1，其一部分位于监测腔室11内，且具有一连通口411。微粒监测基座42设置于承载隔板41上，并具有一承置槽421、一监测通道422、一光束通道423以及一容置室424。承置槽421是直接对应于进气口12而设置，而监测通道422连通承置槽421。微粒传感器44设置于监测通道422内远离承置槽421的一端，使得承置槽421与微粒传感器44分别位于监测通道422的相反两端。光束通道423 连通于容置室424与监测通道422之间。于本案第一实施例中，光束通道423一端与监测通道422垂直相交并相通，另一端则连通容置室424，使得容置室424以及监测通道422分别连通光束通道423的两端。激光发射器43设置于容置室424内，并与承载隔板41电性连接。激光发射器43用以发射一激光光束通过光束通道423，并照射至监测通道422中，当监测通道422内的气体所含的悬浮微粒受到激光光束照射后会产生多个光点，光点会投射于微粒传感器44的表面，微粒传感器44借由量测光点监测出监测通道422中的气体所含有的悬浮微粒的粒径及浓度。监测结束后，气体将依序由连通口411以及本体1的出气口14排出于本体1外。于本案第一实施例中，微粒传感器44为PM2.5传感器，但不以此为限。于本案第一实施例中，气体传感器2 系为一挥发性有机物传感器，但亦不以此为限。

请继续参考图2，于本案第一实施例中，致动器3是设置于微粒监测模块4的承置槽421内，可透过启动致动器3使得本体1外的外部气体由进气口12导入监测腔室11内，并导引气体进入监测通道422来计算出气体所含有的悬浮微粒的粒径及浓度。此外，致动器3可高速喷出气体至微粒传感器44的表面，对微粒传感器 44的表面进行清洁作业，喷除沾附于微粒传感器44表面的悬浮微粒，借以维持微粒传感器44表面的清洁来维持其监测的精准度。

请参阅图3至图4C，本案第一实施例的致动器3为一气体泵，致动器3 包含有依序堆叠的喷气孔片31、腔体框架32、致动体33、绝缘框架34及导电框架35。喷气孔片31包含了多个连接件31a、一悬浮片31b及一中空孔洞31c。悬浮片31b可弯曲振动，而多个连接件31a邻接于悬浮片31b的周缘。于本案第一实施例中，连接件 31a其数量为4个，分别邻接于悬浮片31b的4个角落，但不此以为限。中空孔洞31c 形成于悬浮片31b的中心位置。腔体框架32承载叠置于悬浮片31b上，而致动体33 承载叠置于腔体框架32上，并包含了一压电载板33a、一调整共振板33b、一压电板 33c。其中，压电载板33a承载叠置于腔体框架32上，调整共振板33b承载叠置于压电载板33a上，而压电板33c承载叠置于调整共振板33b上。压电板33c供施加电压后发生形变以带动压电载板33a及调整共振板33b进行往复式弯曲振动。绝缘框架34 承载叠置于致动体33的压电载板33a上，而导电框架35承载叠置于绝缘框架34上。其中，致动体33、腔体框架32及该悬浮片31b之间形成一共振腔室36。其中，调整共振板33b的厚度大于压电载板33a的厚度。

请参阅图4A，致动器3透过连接件31a使致动器3设置于微粒监测基座 42的承置槽421的中。喷气孔片31与承置槽421的底面间隔设置，并于两者之间形成一气流腔室37。请接着参阅图4B，当施加电压于致动体33的压电板33c时，压电板 33c因压电效应开始产生形变并同部带动调整共振板33b与压电载板33a产生位移。此时，喷气孔片31会因亥姆霍兹共振(Helmholtz resonance)原理一起被带动，使得致动体33向远离承置槽421底面的方向移动。由于致动体33向远离承置槽421 底面的方向移动，使得喷气孔片31与承置槽421的底面之间的气流腔室37的容积增加，在其内部气压形成负压，致使致动器3外的空气因为压力梯度由喷气孔片31的连接件31a与承置槽421的侧壁之间的空隙进入气流腔室37并进行集压。最后请参阅图4C，当气体不断地进入气流腔室37内，使气流腔室37内的气压形成正压时，致动体33受电压驱动向承置槽421的底面移动，压缩气流腔室37的容积，并且推挤气流腔室37内空气，使气体进入监测通道422内。借此，微粒传感器44得以检测气体内的悬浮微粒浓度。

本案第一实施例中的致动器3为一气体泵，当然本案的致动器3也可为透过微机电制程的方式所制出的微机电系统气体泵。其中，喷气孔片31、腔体框架32、致动体33、绝缘框架34及导电框架35皆可透过面型微加工技术制成，借以缩小致动器3的体积。

请接着参阅图2及图5A，阀15包含一保持件151、一密封件152以及一位移件153。位移件153设置于保持件151及密封件152之间。保持件151、密封件152、位移件153上分别具有多个通孔151a、152a、153a。保持件151的多个通孔151a与位移件153的多个通孔153a相互对准，而密封件152的多个通孔152a与保持件151的多个通孔151a相互错位不对准。

请先参阅图5A，位移件153为一带电荷的材料，而保持件151为一具有两极性的导电材料。当位移件153与保持件151维持相同极性，位移件153朝密封件152靠近，构成阀15的关闭。请再参阅图5B，当位移件153与保持件151维持不同极性，位移件153朝保持件151靠近，构成阀15的开启。借由调整保持件151的极性使位移件153移动，以形成阀15的开启及关闭状态。

此外，阀15的位移件153可为一带磁性的材料，而保持件151为一可受控变换极性的磁性材料。当位移件153与保持件151维持相同极性时，位移件153 朝密封件152靠近，使阀15关闭；反之，当保持件151改变极性与位移件153不同极性时，位移件153将朝保持件151靠近，构成阀15开启。由以上叙述可以得知，借由通过调整保持件151的磁性，可使位移件153移动，来调整阀15的开启及关闭状态。值得注意的是，保持件151可由一处理器(未图示)来控制其磁极极性。

本案气体监测装置进一步包含一微处理器(未图示)，可将气体传感器2及微粒监测模块4的微粒传感器44所监测数据做演算处理输出。微粒监测模块4 的承载隔板41为一驱动电路板，并具有一连接器412，连接器412电性连接一微处理器，用以控制信号的输出与输入。微粒传感器44、致动器3、阀15、气体传感器2 皆电性连接承载隔板41。

当使用者需要监测吸入的气体信息时，本案气体监测装置得控制阀 15开启，促使气体经由进气口12或过滤通口13进入，此时位于监测腔室11的气体传感器2、微粒监测模块4便会开始对监测腔室11内气体进行监测，来计算出气体信息及其所包含的悬浮微粒的粒径及浓度。

此外，本案也可搭配过滤器A使用，让使用者将过滤器A塞于鼻子中，使使用者可以借助本装置进而得知过滤器A的过滤效果以及判断更换吸气滤网A2的时机。当使用者需要确认过滤器A的过滤效果及更换吸气滤网A2的时机时，仅需确认本案气体监测装置的进气滤网16的状态及更换进气滤网16的时机。在进行确认进气滤网16的更换时机时，本案气体监测装置关闭阀15，使进气口12呈现关闭状态，当致动器3作动后，本体1外部的气体将会由过滤通口13进入，此时进入监测腔室11 内的气体会被位于监测腔室11的气体传感器2以及微粒监测模块4的微粒传感器44 监测，并计算出气体信息及其所包含的悬浮微粒的粒径及浓度。微处理器将阀15 开启时，气体传感器2所监测的气体信息及微粒监测模块4的微粒传感器44所监测的悬浮微粒的粒径及浓度，与阀5关闭时所监测而得的气体信息与悬浮微粒的粒径及浓度作对比运算，即可得知进气滤网16的过滤效果。当对比运算结果达到一预设值时，即为进气滤网16的更换时机。由于过滤通口13内的进气滤网16与过滤器A的吸气滤网A2具有相同材质，故使用者即能判断更换气体监测装置的进气滤网16及过滤器A的吸气滤网A2的时机，以让配置于使用者鼻腔内的过滤器得以安全可靠的使用。

请参阅图6，本案气体监测装置的第二实施例的结构与作动方式大致上与第一实施例相同，不同处仅在于致动器3'的结构及作动方式，以下将就本案第二实施例的致动器3'的结构及作动方式作一说明。

接着请参阅图7A、图7B以及图8A，本案第二实施例的致动器3'为一气体泵，包括一进气板31'、一共振片32'、一压电致动器33'、一第一绝缘片34'、一导电片35'以及一第二绝缘片36'。进气板31'、共振片32'、压电致动器33'、第一绝缘片34'、导电片35'以及第二绝缘片36'是依序堆叠组合。

于第二实施例中，进气板31'具有至少一进气孔31a'、至少一汇流排槽31b'以及一汇流腔室31c'。汇流排槽31b'是对应进气孔31a'而设置。进气孔31a' 供导入气体，汇流排槽31b'引导自进气孔31a'导入的气体流至汇流腔室31c'。共振片32'具有一中空孔32a'、一可动部32b'以及一固定部32c'。中空孔32a'对应于进气板31'的汇流腔室31c'而设置。可动部32b'围绕中空孔32a'而设置，固定部32c' 设置在可动部32b'的外围。共振片32'与压电致动器33'共同形成一腔室空间37'于其之间。因此，当压电致动器33'被驱动时，气体会由进气板31'的进气孔31a'导入，再经汇流排槽31b'汇集至汇流腔室31c'。接着，气体再通过共振片32'的中空孔 32a'，使得压电致动器33'与共振片32'的可动部32b'产生共振以传输气体。

请续参阅图7A、图7B以及图8A，压电致动器33'包括一悬浮板33a'、一外框33b'、至少一支架33c'以及一压电元件33d'。于第二实施例中，悬浮板33a' 具有一正方形形态，并可弯曲震动，但不以此为限。悬浮板33a'具有一凸部33f'。于第二实施例中，悬浮板33a'的所以采用正方形形态设计，乃由于相较于圆形的形态，正方形悬浮板33a'的结构明显具有省电的优势。在共振频率下操作的电容性负载，其消耗功率会随共振频率的上升而增加，因正方形悬浮板33a'的共振频率较圆形悬浮板低，故所消耗的功率亦会较低。然而，于其他实施例中，悬浮板的33a' 形态可依实际需求而变化。外框33b'环绕设置于悬浮板33a'的外侧。支架33c'连接于悬浮板33a'以及外框33b'之间，以提供弹性支撑悬浮板33a'的支撑力。压电元件 33d'具有一边长，其小于或等于悬浮板33a'的一边长。且压电元件33d'贴附于悬浮板33a'的一表面上，用以施加驱动电压以驱动悬浮板33a'弯曲振动。悬浮板33a'、外框33b'与支架33c'之间形成至少一间隙33e'，用以供气体通过。凸部33f'凸设于悬浮板33a'的另一表面上。于第二实施例中，悬浮片33a'与凸部33f'为利用一蚀刻制程制出的一体成型结构，但不以此为限。

请参阅图8A，于第二实施例中，腔室空间37'可利用在共振片32'及压电致动器33'的外框33b'之间所产生的间隙填充一材质，例如导电胶，但不以此为限，使得共振片32'与悬浮板33a'之间可维持一定的深度，进而可导引气体更迅速地流动。此外，因悬浮板33a'与共振片32'保持适当距离，使彼此的接触干涉减少，噪音的产生也可被降低。于其他实施例中，可借由增加压电致动器33'的外框 33b'的高度来减少填充在共振片32'及压电致动器33'的外框33b'之间的间隙的中的导电胶厚度。如此，在仍可使得悬浮板33a'与共振片32'保持适当距离的情况下，致动器3'的整体组装不会因热压温度及冷却温度而影响导电胶的填充厚度，避免导电胶因热胀冷缩因素影响到腔室空间37'在组装完成后的实际大小。

请参阅图8B，于其他实施例中，悬浮板33a'可以采以冲压方式成形，使悬浮板33a'向外延伸一距离，向外延伸距离可由支架33c'成形于悬浮板33a'与外框33b'之间所调整，使在悬浮板33a'上的凸部33f'的表面与外框33b'的表面两者形成非共平面。利用于外框33b'的组配表面上涂布少量填充材质，例如：导电胶，以热压方式使压电致动器33'贴合于共振片32'的固定部32c'，进而使得压电致动器 33'得以与共振片32'组配结合，如此直接透过将上述压电致动器33'的悬浮板33a' 采以冲压成形构成一腔室空间37'的结构改良，所需的腔室空间37'得以透过调整压电致动器33'的悬浮板33a'冲压成形距离来完成，有效地简化了调整腔室空间37' 的结构设计，同时也达成简化制程，缩短制程时间等优点。

请回到图7A及图7B，于第二实施例中，第一绝缘片34'、导电片35' 及第二绝缘片36'皆为框型的薄型片体，但不以此为限。进气板31'、共振片32'、压电致动器33'、第一绝缘片34'、导电片35'以及第二绝缘片36'皆可透过微机电的面型微加工技术制程，使致动器3'的体积缩小，以构成一微机电系统的致动器3'。

接着，请参阅图8C，在压电致动器33'作动流程中，压电致动器33' 的压电元件33d'被施加驱动电压后产生形变，带动悬浮板33a'向远离进气板31'的方向位移，此时腔室空间37'的容积提升，于腔室空间37'内形成了负压，便汲取汇流腔室31c'内的气体进入腔室空间37'内。同时，共振片32'产生共振同步向远离进气板31'的方向位移，连带增加了汇流腔室31c'的容积。且因汇流腔室31c'内的气体进入腔室空间37'的关系，造成汇流腔室31c'内同样为负压状态，进而通过进气口31a'以及汇流排槽31b'来吸取气体进入汇流腔室31c'内。

再来，如图8D所示，压电元件33d'带动悬浮板33a'朝向进气板31' 位移，压缩腔室空间37'，同样的，共振片32'被悬浮板33a'致动，产生共振而朝向进气板31'位移，迫使同步推挤腔室空间37'内的气体通过间隙33e'进一步传输，以达到传输气体的效果。

最后，如图8E所示，当悬浮板33a'被带动回复到未被压电元件33d' 带动的状态时，共振片32'也同时被带动而向远离进气板31'的方向位移，此时的共振片32'将压缩腔室空间37'内的气体向间隙33e'移动，并且提升汇流腔室31c'内的容积，让气体能够持续地通过进气孔31a'以及汇流排槽31b'来汇聚于汇流腔室31c' 内。透过不断地重复上述图8C至图8E所示的致动器3'作动步骤，使致动器3'能够连续使气体高速流动，达到致动器3'传输与输出气体的操作。

接着，请回到参阅图7A及图7B，导电片35'的外缘凸伸一导电接脚 351'，以及从内缘凸伸一弯曲状电极352'，电极352'电性连接压电致动器33'的压电元件33d'。导电片35'的导电接脚351'向外接通外部电流，借以驱动压电致动器 33'的压电元件33d'。此外，第一绝缘片34'以及第二绝缘片36'的设置，可避免短路的发生。

综上所述，本案所提供的气体监测装置，用以监测气体通过进气滤网后的空气品质，提供使用者即时且准确的气体信息外，也提供使用者于鼻腔内塞配置的过滤器时所具有的滤网的过滤效果，以便使用者判断更换滤网的时机，提升安全使用的可靠性，极具利用性。

本案得由熟知此技术的人士任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱如附申请专利范围所欲保护者。