微粒检测装置的制作方法

微粒检测装置
【技术领域】
1.本案关于一种微粒检测装置，尤指一种方便携带能够随时随地即时监测空气品质的微粒检测装置。


背景技术：

2.现代人对于生活周遭的气体品质的要求愈来愈重视，例如一氧化碳、二氧化碳、挥发性有机物(volatile organic compound，voc)、pm2.5、一氧化氮、一氧化硫等等气体，甚至于气体中含有的微粒，都会在环境中暴露并影响人体健康，严重的甚至危害到生命。因此环境气体品质好坏纷纷引起各国重视，目前如何监测去避免远离，是当前急需重视的课题。
3.如何确认气体品质的好坏，利用一种气体传感器来监测周围环境气体是可行的，若又能即时提供监测信息，警示处在环境中的人，能够即时预防或逃离，避免遭受环境中的气体暴露造成人体健康影响及伤害，利用气体传感器来监测周围环境可说是非常好的应用，并可以为方便携带的微型装置，能够随时随地即时监测空气品质，是本案所研发的主要课题。


技术实现要素：

4.本案的主要目的是提供一种微粒检测装置，借由一谐振器及一压电致动器所构成一可携式微型的微粒检测装置，并以压电致动器实施导气输送至谐振器内，并通过谐振器检测出筛选需求直径微粒的质量与浓度，能够随时随地即时监测空气品质，让人体了解吸入气体的气体品质。
5.本案的一广义实施态样为一种微粒检测装置，包括：一谐振器，包含有一箱体、一驱动板、一压电振动器及一微粒传感器，其中该箱体包含一采样腔室、一空气入口及一防水透气膜，该防水透气膜贴附封盖于该空气入口，供以阻挡外部气体中所含粒径大于或等于一筛选值的一大颗粒物进入，其中外部气体由该空气入口导入该采样腔室，且气体中所含粒径小于该筛选值的一微小颗粒物得以进入该采样腔室，该驱动板架构于该采样腔室底部，其上具有至少一通道气孔，该压电振动器封装于该驱动板上，该微粒传感器封装于该压电振动器上，该微粒传感器至位置对应到该空气入口，并与该空气入口保持一间隔距离，其中当该驱动板提供该压电振动器的驱动电源及操作频率，让该压电振动器产生谐振频率变化，而该微粒传感器的表面采集该气体中所含该微小颗粒物沉降，以检测出该气体中所含该微小颗粒物的微粒直径、质量与浓度；以及一压电致动器，密封接合于该谐振器的一侧，用于将外部气体由该空气入口导入该采样腔室中，并使气体流经该微粒传感器，其后依序通过该通道气孔及该压电致动器而被导送出装置之外。
【附图说明】
6.图1为本案微粒检测装置外观示意图。图2a为本案微粒检测装置以微型泵实施导气操作的剖面示意图。
图2b为本案微粒检测装置以鼓风型微型泵实施导气操作的剖面示意图。图2c为本案微粒检测装置以鼓风型微机电微型泵实施导气操作的剖面示意图。图2d为本案微粒检测装置以微机电微型泵实施导气操作的剖面示意图。图3a为本案微粒检测装置的微型泵正面视得分解示意图。图3b为本案微粒检测装置的微型泵背面视得分解示意图。图4a为本案微粒检测装置的微型泵剖面示意图。图4b至图4d为图4a中微型泵实施导气作动示意图。图5a为本案微粒检测装置的鼓风型微型泵正面视得分解示意图。图5b为本案微粒检测装置的鼓风型微型泵背面视得分解示意图。图6a为本案微粒检测装置的鼓风型微型泵剖面示意图。图6b至图6c为图6a中鼓风型微型泵实施导气作动示意图。图7a为本案微粒检测装置的鼓风型微机电微型泵剖面示意图。图7b至图7c为图7a中鼓风型微机电微型泵实施导气作动示意图。图8a为本案微粒检测装置的微机电微型泵剖面示意图。图8b至图8c为图8a中微机电微型泵实施导气作动示意图。【符号说明】
7.1：谐振器11：箱体111：采样腔室112：空气入口113：防水透气膜12：驱动板121：通道气孔13：压电振动器14：微粒传感器2：压电致动器2a：微型泵21a：进流板211a：进流孔212a：汇流排槽213a：汇流腔室22a：共振片221a：中空孔222a：可动部223a：固定部23a：压电驱动件231a：悬浮板232a：外框233a：支架
234a：压电元件235a：间隙236a：凸部24a：第一绝缘片25a：导电片26a：第二绝缘片27a：腔室空间2b：鼓风型微型泵21b：喷气孔片211b：悬浮片212b：中空孔洞22b：腔体框架23b：致动体231b：压电载板232b：调整共振板233b：压电板24b：绝缘框架25b：导电框架26b：共振腔室27b：导气组件承载座28b：通气空隙29b：气流腔室2c：鼓风型微机电微型泵21c：出气基座211c：压缩腔室212c：贯穿孔22c：第一氧化层23c：喷气共振层231c：进气孔洞232c：喷气孔233c：悬浮区段24c：第二氧化层241c：共振腔区段25c：共振腔层251c：共振腔26c：第一压电组件261c：第一下电极层262c：第一压电层263c：第一绝缘层
264c：第一上电极层2d：微机电微型泵21d：进气基座211d：进气孔22d：第三氧化层221d：汇流通道222d：汇流腔室23d：共振层231d：中心穿孔232d：振动区段233d：固定区段24d：第四氧化层241d：压缩腔区段25d：振动层251d：致动区段252d：外缘区段253d：气孔26d：第二压电组件261d：第二下电极层262d：第二压电层263d：第二绝缘层264d：第二上电极层
【具体实施方式】
8.体现本案特征与优点的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。
9.如图1、图2a至图2d所示，本案提供一种微粒检测装置，包括：一谐振器1、一压电致动器2。谐振器1包含一箱体11及一驱动板12、一压电振动器13及一微粒传感器14。箱体11包含一采样腔室111、一空气入口112及一防水透气膜113，防水透气膜113贴附于空气入口112。采样腔室111连通空气入口112，而驱动板12架构于采样腔室111内。防水透气膜113阻挡外部气体中所含粒径大于或等于一筛选值的大颗粒物进入。外部气体由空气入口112导入该采样腔室111，气体中所含粒径小于该筛选值的微小颗粒物得以进入采样腔室111，其中微粒粒径的该筛选值为等于或小于10(μm)。而驱动板12架构于采样腔室111底部，其上具有至少一个通道气孔121。压电振动器13封装于驱动板12上。微粒传感器14封装于压电振动器13上。微粒传感器14的位置对应到空气入口112，并与空气入口112保持一间隔距离。当驱动板12提供压电振动器13的驱动电源及操作频率，让压电振动器13产生谐振频率变化，而微粒传感器14的表面采集该气体中所含微小颗粒物沉降，以检测出气体中所含微小颗粒物的微粒直径、质量与浓度。当然，谐振器1的采样腔室111的导气引流可借由压电致动器2来
实施实现，而压电致动器2密封接合于谐振器1的一侧，当压电致动器2受驱动致动时，使装置外部的气体由空气入口112导入采样腔室111内，根据谐振器1的压电谐振频率的变化，再由微粒传感器14采集气体中所含微粒沉降，来确定空气中所含有的微粒其大小、粒径及浓度，被导入的气体通过驱动板12的通道气孔121而被导送出谐振器1外，最后再经由压电致动器2排出装置之外。于本实施例中，压电振动器13为一石英芯片，但不以此为限。于本实施例中，微粒传感器14可为但不限为pm10传感器、pm2.5传感器或pm1传感器，用于检测气体中所含微粒的质量与浓度。
10.上述的压电致动器2可以是多种型态的微型气体导送结构，如图2a所示的微型泵2a结构，如图2b所示的鼓风型微型泵2b结构，如图2c所示的鼓风型微机电微型泵2c结构，或者，如图2d所示的微机电微型泵2d结构。至于，上述的微型泵2a、鼓风型微型泵2b、鼓风型微机电微型泵2c及微机电微型泵2d相关结构及实施导气输出操作，以下予以说明。
11.如图3a、图3b及图4a所示，上述的微型泵2a由一进流板21a、一共振片22a、一压电驱动件23a、一第一绝缘片24a、一导电片25a及一第二绝缘片26a依序堆叠组成。上述的进流板21a具有至少一进流孔211a、至少一汇流排槽212a及一汇流腔室213a，进流孔211a供导入气体，进流孔211a对应贯通汇流排槽212a，且汇流排槽212a汇流到汇流腔室213a，使进流孔211a所导入气体得以汇流至汇流腔室213a中。于本实施例中，进流孔211a与汇流排槽212a的数量相同，进流孔211a与汇流排槽212a的数量分别为4个，并不以此为限，4个进流孔211a分别贯通4个汇流排槽212a，且4个汇流排槽212a汇流到汇流腔室213a；上述的共振片22a通过接合方式组接于进流板21a上，且共振片22a上具有一中空孔221a、一可动部222a及一固定部223a，中空孔221a位于共振片22a的中心处，并与进流板21a的汇流腔室213a对应，而可动部222a设置于中空孔221a的周围且与汇流腔室213a相对的区域，而固定部223a设置于共振片22a的外周缘部分而贴固于进流板21a上；上述的压电驱动件23a接合于共振片22a上并与共振片22a相对应设置，包含有一悬浮板231a、一外框232a、至少一支架233a、一压电元件234a，其中悬浮板231a为正方形型态可弯曲振动，外框232a环绕设置于悬浮板231a之外侧，支架233a连接于悬浮板231a与外框232a之间，以提供弹性支撑悬浮板231a的支撑力，以及一压电元件234a贴附于悬浮板231a的一表面上，用以施加电压以驱动悬浮板231a弯曲振动，又悬浮板231a、外框232a与支架233a之间构成至少一空隙235a，用以供气体通过，且悬浮板231a贴附压电元件234a的表面的相对的另一表面为一凸部236a；如此进流板21a、共振片22a、压电驱动件23a、第一绝缘片24a、导电片25a及第二绝缘片26a依序堆叠组合，而压电驱动件23a的悬浮板231a与共振片22a之间需形成一腔室空间27a，腔室空间27a可利用于共振片22a及压电驱动件23a之外框232a之间的空隙填充一材质形成，例如：导电胶，但不以此为限，以使共振片22a与悬浮板231a之间可维持一定深度形成腔室空间27a，进而可导引气体更迅速地流动，且因悬浮板231a与共振片22a保持适当距离使彼此接触干涉减少，促使噪音产生可被降低。
12.为了了解上述微型泵2a提供气体传输的输出作动方式，请继续参阅图4b至图4d所示，请先参阅图4b，压电驱动件23a的压电元件234a被施加驱动电压后产生形变带动悬浮板231a向下位移，此时腔室空间27a的容积提升，于腔室空间27a内形成了负压，便汲取汇流腔室213a内的气体进入腔室空间27a内，同时共振片22a受到共振原理的影响被同步向下位移，连带增加了汇流腔室213a的容积，且因汇流腔室213a内的气体进入腔室空间27a的关
系，造成汇流腔室213a内同样为负压状态，进而通过进流孔211a及汇流排槽212a来吸取气体进入汇流腔室213a内；请再参阅图4c，压电元件234a带动悬浮板231a向上位移，压缩腔室空间27a，同样的，共振片22a被悬浮板231a因共振而向上位移，迫使同步推挤腔室空间27a内的气体往下通过间隙235a向下传输，以达到传输气体的效果；最后请参阅图4d，当悬浮板231a回复原位时，共振片22a仍因惯性而向下位移，此时的共振片22a将使压缩腔室空间27a内的气体向间隙235a移动，并且提升汇流腔室213a内的容积，让气体能够持续地通过进流孔211a及汇流排槽212a来汇聚于汇流腔室213a内，通过不断地重复上述图4b至图4d所示的微型泵2a提供气体传输作动步骤，使微型泵2a能够使气体连续自进流孔211a进入进流板21a及共振片22a所构成流道产生压力梯度，再由间隙235a向下传输，使气体高速流动，达到微型泵2a传输气体输出的作动操作。
13.请参阅图5a及图5b所示，上述的鼓风型微型泵2b包含一喷气孔片21b、一腔体框架22b、一致动体23b、一绝缘框架24b及一导电框架25b。其中喷气孔片21b为可挠性的材料制作，包含一悬浮片211b、一中空孔洞212b，悬浮片211b为可弯曲振动，中空孔洞212b形成于悬浮片211b的中心位置，以供气体流通；上述的腔体框架22b承载叠置于喷气孔片21b上，致动体23b承载叠置于腔体框架22b上，包含一压电载板231b、一调整共振板232b及一压电板233b，压电载板231b承载叠置于腔体框架22b上，调整共振板232b承载叠置于压电载板231b上，以及压电板233b承载叠置于调整共振板232b上，以接受电压而驱动压电载板231b及调整共振板232b产生往复式地弯曲振动，且调整共振板232b位于压电板233b与压电载板231b之间，作为两者之间的缓冲物，可调整压电载板231b的振动频率，以及调整共振板232b厚度大于压电载板231b厚度，且调整共振板232b厚度可变动，借此调整致动体23b的振动频率，又绝缘框架24b承载叠置于致动体23b上，导电框架25b承载叠置于绝缘框架24b上，以及致动体23b与腔体框架22b、悬浮片211b之间定义一共振腔室26b，如此喷气孔片21b、腔体框架22b、致动体23b、绝缘框架24b及导电框架25b依序对应堆叠，且喷气孔片21b可以固设一导气组件承载座27b内，促使鼓风型微型泵2b承置定位于导气组件承载座27b内支撑定位，因此鼓风型微型泵2b在悬浮片211b及导气组件承载座27b的内缘之间定义出一通气空隙28b，以供气体流通，以及喷气孔片21b与导气组件承载座27b的底面间形成一气流腔室29b，气流腔室29b通过喷气孔片21b的中空孔洞212b，连通致动体23b、腔体框架22b及悬浮片211b之间的共振腔室26b，如此通过控制共振腔室26b中气体的振动频率，使其与悬浮片211b的振动频率趋近于相同，可使共振腔室26b与悬浮片211b产生亥姆霍兹共振效应(helmholtz resonance)，俾使气体传输效率提高。
14.为了了解上述鼓风型微型泵2b提供气体传输的输出作动方式，请参阅图6b所示，当压电板233b向远离导气组件承载座27b的底面移动时，压电板233b带动喷气孔片21b的悬浮片211b以远离导气组件承载座27b的底面方向移动，使气流腔室29b的容积急遽扩张，其内部压力下降形成负压，吸引鼓风型微型泵2b外部的气体由通气空隙28b流入，并经由中空孔洞212b进入共振腔室26b，使共振腔室26b内的气压增加而产生一压力梯度；再如图6c所示，当压电板233b带动喷气孔片21b的悬浮片211b朝向导气组件承载座27b的底面移动时，共振腔室26b中的气体经中空孔洞212b快速流出，挤压气流腔室29b内的气体，并使汇聚后的气体以接近白努利定律的理想气体状态快速且大量地喷出导入导气组件承载座27b底部。是以，通过重复图6b及图6c的动作后，得以压电板233b往复式地振动，依据惯性原理，排
气后共振腔室26b内部气压低于平衡气压会导引气体再次进入共振腔室26b中，如此控制共振腔室26b中气体的振动频率与压电板233b的振动频率趋近于相同，以产生亥姆霍兹共振效应，俾实现气体高速且大量的传输。
15.请参阅图7a、图7b至图7c所示，上述的鼓风型微机电微型泵2c包含一出气基座21c、一第一氧化层22c、一喷气共振层23c、一第二氧化层24c、一共振腔层25c及一第一压电组件26c，皆以半导体制程制出。本实施例半导体制程包含蚀刻制程及沉积制程。蚀刻制程可为一湿式蚀刻制程、一干式蚀刻制程或两者的组合，但不以此为限。沉积制程可为一物理气相沉积制程(pvd)、一化学气相沉积制程(cvd)或两者的组合。以下说明就不再予以赘述。
16.上述的出气基座21c，以一硅基材蚀刻制程制出一压缩腔室211c及一贯穿孔212c；上述的第一氧化层22c以沉积制程生成叠加于出气基座21c上，并对应压缩腔室211c部分予以蚀刻去除；上述的喷气共振层23c以一硅基材沉积制程生成叠加于第一氧化层22c，并对应压缩腔室211c部分蚀刻去除形成多个进气孔洞231c，以及在对应压缩腔室211c中心部分蚀刻去除形成一喷气孔232c，促使进气孔洞231c与喷气孔232c之间形成可位移振动的悬浮区段233c；上述的第二氧化层24c以沉积制程生成叠加于喷气共振层23c的悬浮区段233c上，并部分蚀刻去除形成一共振腔区段241c，并与喷气孔232c连通；上述的共振腔层25c以一硅基材蚀刻制程制出一共振腔251c，并对应接合叠加于第二氧化层24c上，促使共振腔251c对应到第二氧化层24c的共振腔区段241c；上述的第一压电组件26c以沉积制程生成叠加于共振腔层25c上，包含有一第一下电极层261c、一第一压电层262c、一第一绝缘层263c及一第一上电极层264c，其中第一下电极层261c以沉积制程生成叠加于共振腔层25c上，再以第一压电层262c以沉积制程生成叠加于第一下电极层261c的部分表面上，而第一绝缘层263c以沉积制程生成叠加于第一压电层262c的部分表面，而第一上电极层264c以沉积制程生成叠加于第一绝缘层263c的表面上及第一压电层262c未设有第一绝缘层263c的表面上，用以与第一压电层262c电性连接。
17.为了了解上述鼓风型微机电微型泵2c提供气体传输的输出作动方式，如图7b至图7c所示，通过驱动第一压电组件26c带动喷气共振层23c产生共振，促使喷气共振层23c的悬浮区段233c产生往复式地振动位移，得以吸引气体通过多个进气孔洞231c进入压缩腔室211c，并通过喷气孔232c再导入共振腔251c，通过控制共振腔251c中气体的振动频率，使其与悬浮区段233c的振动频率趋近于相同，可使共振腔251c与悬浮区段233c产生亥姆霍兹共振效应(helmholtz resonance)，再由共振腔251c排出集中气体导入压缩腔室211c，并经过贯穿孔212c形成高压排出，实现气体高压传输，并能提高气体传输效率。
18.又如图8a、图8b及图8c，上述的微机电微型泵2d包含一进气基座21d、一第三氧化层22d、一共振层23d、一第四氧化层24d、一振动层25d及一第二压电组件26d，皆以半导体制程制出。本实施例半导体制程包含蚀刻制程及沉积制程。蚀刻制程可为一湿式蚀刻制程、一干式蚀刻制程或两者的组合，但不以此为限。沉积制程可为一物理气相沉积制程(pvd)、一化学气相沉积制程(cvd)或两者的组合。以下说明就不再予以赘述。
19.上述的进气基座21d以一硅基材蚀刻制程制出至少一进气孔211d；上述的第三氧化层22d以沉积制程生成叠加于进气基座21d上，并以蚀刻制程制出多个汇流通道221d以及一汇流腔室222d，多个汇流通道221d连通汇流腔室222d及进气基座21d的进气孔211d之间；上述的共振层23d以一硅基材沉积制程生成叠加于第三氧化层22d上，并以蚀刻制程制出一
中心穿孔231d、一振动区段232d及一固定区段233d，其中中心穿孔231d形成位于共振层23d的中心，振动区段232d形成位于中心穿孔231d的周边区域，固定区段233d形成位于共振层23d的周缘区域；上述的第四氧化层24d以沉积制程生成叠加于共振层23d上，并部分蚀刻去除形成一压缩腔区段241d；上述的振动层25d以一硅基材沉积制程生成叠加于第四氧化层24d，并以蚀刻制程制出一致动区段251d、一外缘区段252d以及多个气孔253d，其中致动区段251d形成位于中心部分，外缘区段252d形成环绕于致动区段251d之外围，多个气孔253d分别形成于致动区段251d与外缘区段252d之间，又振动层25d与第四氧化层24d的压缩腔区段241d定义出一压缩腔室211c；以及上述的第二压电组件26d以沉积制程生成叠加于振动层25d的致动区段251d上，包含一第二下电极层261d、一第二压电层262d、一第二绝缘层263d及一第二上电极层264d，其中第二下电极层261d以沉积制程生成叠加于振动层25d的致动区段251d上，第二压电层262d以沉积制程生成叠加于第二下电极层261d的部分表面上，第二绝缘层263d以沉积制程生成叠加于第二压电层262d的部分表面，而第二上电极层264d以沉积制程生成叠加于第二绝缘层263d的表面上及第二压电层262d未设有第二绝缘层263d的表面上，用以与第二压电层262d电性连接。
20.为了了解上述微机电微型泵2d提供气体传输的输出作动方式，如图8b至图8c所示，通过驱动第二压电组件26d带动振动层25d及共振层23d产生共振位移，导入气体由进气孔211d进入，经汇流通道221d汇集至汇流腔室222d中，通过共振层23d的中心穿孔231d，再由振动层25d的多个气孔253d排出，实现该气体的大流量传输流动。
21.综上所述，本案所提供一种微粒检测装置，借由一谐振器及一压电致动器所构成一可携式微型的微粒检测装置，并以压电致动器实施导气输送至谐振器内，通过谐振器内的压电振动器在运作时，其压电谐振频率得变化以及微粒检测器来检测空气中微小颗粒物的粒径及浓度，能够随时随地即时监测空气品质，极具产业利用性及进步性。