气体检测装置的制作方法

本案关于一种气体检测装置，尤指一种薄型、可携式、可进行气体监测的气体检测装置。

背景技术：

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，目前急需要如何监测去避免远离，是当前重视的课题。

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。

然而，可携式装置为现代人外出皆会携带的行动装置，因此将气体检测模块嵌设于可携式装置是十分受到重视，特别是目前的可携式装置的发展趋势为轻、薄又必须兼具高性能的情况下，如何将气体检测模块薄型化且组设于可携式装置内的应用，供以利用，是本案所研发的重要课题。

技术实现要素：

本案的主要目的是提供一种气体检测装置，为一薄型可携式装置，利用气体检测模块可随时监测使用者周围环境空气品质，且利用第一致动器得以快速、稳定地将气体导入气体检测模块内，不仅提升传感器效率，又透过隔腔本体的隔室设计，将第一致动器与传感器相互隔开，使传感器监测时能够阻隔降低了第一致动器的热源影响，不至于影响传感器的监测准确性，也能够不被装置内的其他元件(控制模块)影响，达到气体检测装置可随时、随地检测的目的，又能具备快速准确的监测效果，此外，具备有一微粒监测模块来监测周围环境的空气中含有微粒浓度，并提供监测信息传送到外部装置，可即时得到信息，以作警示告知处在环境中的人，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。

本案的一广义实施态样为一种气体检测装置，包含一本体，内部具有一腔室；一气体检测模块，设置于该腔室内，包含一传感器及一第一致动器，该第一致动器控制气体导入该气体检测模块内部，并经过该传感器进行监测；一微粒监测模块，设置于该腔室内，包含有一激光发射器、一第二致动器及一微粒传感器，该第二致动器控制气体导入该微粒监测模块内部，受该激光发射器所发射激光光束照射，以投射气体中光点至该微粒传感器表面检测气体中所含悬浮微粒的粒径及浓度；以及一控制模块，控制该气体检测模块、该微粒监测模块的监测启动运作，并将该气体检测模块及该微粒监测模块的监测数据予以进行转换成一监测数据储存，并能传送至一外部装置储存。

附图说明

图1A为本案气体检测装置的立体示意图。

图1B为本案气体检测装置的正面示意图。

图1C为本案气体检测装置的前侧示意图。

图1D为本案气体检测装置的右侧面示意图。

图1E为本案气体检测装置的左侧面示意图。

图2为图1BA-A剖面线视得的剖面示意图。

图3A为本案气体检测装置中气体检测模块相关构件的正面外观示意图。

图3B为本案气体检测装置中气体检测模块相关构件的背面外观示意图。

图3C为本案气体检测装置中气体检测模块相关构件的分解示意图。

图4A为本案气体检测模块第一致动器的分解示意图。

图4B为本案气体检测模块第一致动器的另一角度分解示意图。

图5A为本案气体检测模块第一致动器的剖面示意图。

图5B至图5D本案气体检测模块第一致动器的作动示意图。

图6为本案气体检测装置气体检测模块的气体流动方向立体示意图。

图7为本案气体检测装置气体检测模块的气体流动方向局部放大示意图。

图8为本案气体检测装置中微粒监测模块及控制模块的外观示意图。

图9为本案气体检测装置中微粒监测模块的剖面示意图。

图10为本案微粒监测模块中第二致动器相关构件的分解示意图。

图11A至图11C为本案微粒监测模块第二致动器的作动示意图。

图12为本案气体检测装置控制模块相关构件的控制作动示意图。

附图标记说明

1：本体

11：腔室

12：第一进气口

13：第二进气口

14：出气口

2：气体检测模块

21：隔腔本体

211：隔片

212：第一隔室

213：第二隔室

214：缺口

215：开口

216：出气孔

217：容置槽

22：载板

221：通气口

222：连接器

23：传感器

24：第一致动器

241：进气板

241a：进气孔

241b：汇流排孔

241c：汇流腔室

242：共振片

242a：中空孔

242b：可动部

242c：固定部

243：压电致动器

243a：悬浮板

2431a：第一表面

2432a：第二表面

243b：外框

2431b：组配表面

2432b：下表面

243c：连接部

243d：压电元件

243e：间隙

243f：凸部

2431f：凸部表面

244：绝缘片

245：导电片

246：腔室空间

3：微粒监测模块

31：通气入口

32：通气出口

33：微粒监测基座

331：承置槽

332：监测通道

333：光束通道

334：容置室

34：承载隔板

341：连通口

35：激光发射器

36：第二致动器

361：喷气孔片

361a：支架

361b：悬浮片

361c：中空孔洞

362：腔体框架

363：致动体

363a：压电载板

363b：调整共振板

363c：压电板

364：绝缘框架

365：导电框架

366：共振腔室

367：气流腔室

37：微粒传感器

38：第一隔室

39：第二隔室

4：控制模块

41：处理器

42：通信元件

43：电池

5：外部装置

6：供电装置

L：长度

W：宽度

H：高度

A：气流路径

C：有线介面

g：腔室间距

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。

请参阅图1A至图1E、图2，本案提供一种气体检测装置，包含一本体1、一气体检测模块2、一微粒监测模块3及一控制模块4。气体检测装置要形成一薄型可携式装置，因此外观结构设计需达到使使用者能好握不易掉落且具备携带的便利性，在本体1的外观尺寸上就需设计薄型化的长方形体，如此本案本体1之外观尺寸设计具有一长度L、一宽度W及一高度H，且依目前气体检测模块2、微粒监测模块3及控制模块4配置于本体1内最佳化的配置设计，本案为了符合最佳化配置设计，将本体1的长度L配置为92～102mm，长度L为97mm为最佳，宽度W配置为41～61mm，宽度W为51mm为最佳，以及高度H配置为19～23mm，高度H为21mm为最佳，如此是使使用者能好握不易掉落且具备携带便利性的实施设计。又本体1内部具有一腔室11，且设有第一进气口12及一第二进气口13及一出气口14与该腔室11连通。

又参阅图2、第3A至图3C所示，前述的气体检测模块2包含一隔腔本体21、一载板22、一传感器23及一第一致动器24。其中隔腔本体21设置于本体1的第一进气口12下方，并由一隔片211区分内部形成一第一隔室212及第二隔室213，隔片211具有一段缺口214，供第一隔室212及第二隔室213相互连通，又第一隔室212具有一开口215，第二隔室213具有一出气孔216，以及隔腔本体21底部设有一容置槽217，容置槽217供载板22穿伸置入其中定位，以封闭隔腔本体21的底部，而载板22上设有一通气口221，且载板22上封装且电性连接一传感器23，如此载板22组设于隔腔本体21下方，通气口221将对应于第二隔室213的出气孔216，且传感器23穿伸入第一隔室212的开口215而置位于第一隔室212内，用以检测第一隔室212内的气体，又第一致动器24则设置于第二隔室213中，与设置于第一隔室212内的传感器23隔绝，使得第一致动器24于作动时所产生的热源能够受隔片211阻隔，不去影响传感器23的检测结果，且第一致动器24封闭第二隔室213的底部，并控制致动产生一导送气流，再由第二隔室213的出气孔216排出，经过载板22的通气口221而将气体排出于隔腔本体21外。

请继续参阅图3A至图3C，上述的载板22可为一电路板，且其上具有一连接器222，连接器222供一电路软板(未图示)穿伸入连接，提供载板22电性连接及信号连接。

再请参阅图4A至图5A，上述的第一致动器24为一气体泵，包含有依序堆叠的一进气板241、一共振片242、一压电致动器243、一绝缘片244、一导电片245。进气板241具有至少一进气孔241a、至少一汇流排孔241b及一汇流腔室241c，上述的进气孔241a与汇流排孔241b其数量相同，于本实施例中，进气孔241a与汇流排孔241b以数量4个作举例说明，并不以此为限；4个进气孔241a分别贯通4个汇流排孔241b，且4个汇流排孔241b汇流到汇流腔室241c。

上述的共振片242，可透过贴合方式组接于进气板241上，且共振片242上具有一中空孔242a、一可动部242b及一固定部242c，中空孔242a位于共振片242的中心处，并与进气板241的汇流腔室241c对应，而设置于中空孔242a的周围且与汇流腔室241c相对的区域为可动部242b，而设置于共振片242的外周缘部分贴固于进气板241上则为固定部242c。

上述的压电致动器243，包含有一悬浮板243a、一外框243b、至少一连接部243c、一压电元件243d、至少一间隙243e及一凸部243f；其中，悬浮板243a为一正方型悬浮板，具有第一表面2431a及相对第一表面2431a的一第二表面2432a，外框243b环绕设置于悬浮板243a的周缘，且外框243b具有一组配表面2431b及一下表面2432b，并透过至少一连接部243c连接于悬浮板243a与外框243b之间，以提供弹性支撑悬浮板243a的支撑力，其中，至少一间隙243e为悬浮板243a、外框243b与连接部243c之间的空隙，用以供气体通过。此外，悬浮板243a的第一表面2431a具有凸部243f，凸部243f于本实施例中是将凸部243f的周缘且邻接于连接部243c的连接处透过蚀刻制程，使其下凹，来使悬浮板243a的凸部243f高于第一表面2431a来形成阶梯状结构。

又如图5A所示，本实施例的悬浮板243a采以冲压成形使其向下凹陷，其下陷距离可由至少一连接部243c成形于悬浮板243a与外框243b之间所调整，使在悬浮板243a上的凸部243f的凸部表面2431f与外框243b的组配表面2431b两者形成非共平面，亦即凸部243f的凸部表面2431f将低于外框243b的组配表面2431b，且悬浮板243a的第二表面2432a低于外框243b的下表面2432b，又压电元件243d贴附于悬浮板243a的第二表面2432a，与凸部243f相对设置，压电元件243d被施加驱动电压后由于压电效应而产生形变，进而带动悬浮板243a弯曲振动；利用于外框243b的组配表面2431b上涂布少量粘合剂，以热压方式使压电致动器243贴合于共振片242的固定部242c，进而使得压电致动器243得以与共振片242组配结合。此外，绝缘片244及导电片245皆为框型的薄型片体，依序堆叠于压电致动器243下。于本实施例中，绝缘片244贴附于压电致动器243之外框243b的下表面2432b。

请继续参阅图5A，第一致动器24的进气板241、共振片242、压电致动器243、绝缘片244、导电片245依序堆叠结合后，其中悬浮板243a的第一表面2431a与共振片242之间形成一腔室间距g，腔室间距g将会影响第一致动器24的传输效果，故维持一固定的腔室间距g对于第一致动器24提供稳定的传输效率是十分重要。本案的第一致动器24对悬浮板243a使用冲压方式，使其向下凹陷，让悬浮板243a的第一表面2431a与外框243b的组配表面2431b两者为非共平面，亦即悬浮板243a的第一表面2431a将低于外框243b的组配表面2431b，且悬浮板243a的第二表面2432a低于外框243b的下表面2432b，使得压电致动器243的悬浮板243a凹陷形成一空间得与共振片242构成一可调整的腔室间距g，直接透过将上述压电致动器243的悬浮板243a采以成形凹陷构成一腔室空间246的结构改良，如此一来，所需的腔室间距g得以透过调整压电致动器243的悬浮板243a成形凹陷距离来完成，有效地简化了调整腔室间距g的结构设计，同时也达成简化制程，缩短制程时间等优点。

图5B至图5D为图5A所示的第一致动器24的作动示意图，请先参阅图5B，压电致动器243的压电元件243d被施加驱动电压后产生形变带动悬浮板243a向下位移，此时腔室空间246的容积提升，于腔室空间246内形成了负压，便汲取汇流腔室241c内的空气进入腔室空间246内，同时共振片242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241c的容积，且因汇流腔室241c内的空气进入腔室空间246的关系，造成汇流腔室241c内同样为负压状态，进而通过汇流排孔241b、进气口241a来吸取空气进入汇流腔室241c内；请再参阅图5C，压电元件243d带动悬浮板243a向上位移，压缩腔室空间246，迫使腔室空间246内的空气通过间隙243e向下传输，来达到传输空气的效果，同时间，共振片242同样被悬浮板243a因共振而向上位移，同步推挤汇流腔室241c内的气体往腔室空间246移动；最后请参阅图5D，当悬浮板243a被向下带动时，共振片242也同时被带动而向下位移，此时的共振片242将使压缩腔室空间246内的气体向至少一间隙243e移动，并且提升汇流腔室241c内的容积，让气体能够持续地通过进气孔241a、汇流排孔241b来汇聚于汇流腔室241c内，透过不断地重复上述步骤，使第一致动器24能够连续将气体自进气孔241a进入，再由至少一间隙243e向下传输，以不断地汲取气体检测装置外的气体进入，提供气体给传测器23感测，提升感测效率。

请继续参阅图5A，第一致动器24其另一实施方式可透过微机电的方式使第一致动器24为一微机电系统气体泵，其中，进气板241、共振片242、压电致动器243、绝缘片244、导电片245皆可透过面型微加工技术制成，以缩小第一致动器24的体积。

请继续参阅图6及图7，当气体检测模块2嵌设于本体1的腔室11内时，此本体1在图例中为方便说明气体检测模块2的气体流动方向，特此将本体1在图例中予以透明化处理，以便说明，而本体1的第一进气口12对应于隔腔本体21的第一隔室212，本体1的第一进气口12与位于第一隔室212内的传感器23两者不直接对应，亦即第一进气口12不直接位于传感器23的上方，两者相互错位，如此透过第一致动器24的控制作动，让第二隔室213内开始形成负压，开始汲取本体1外的外部气体，并导入第一隔室212内，使得第一隔室212内的传感器23开始对于流过于其表面的气体进行监测，以检测本体1外的气体品质，而第一致动器24持续地作动时，监测完的气体将通过隔片211上的缺口214而导入第二隔室213，最后由出气孔216、载板22的通气口221排出于隔腔本体21之外，以构成一单向气体导送监测(如图6标示所指气流路径A方向)。

上述的传感器23可为气体传感器，包含一氧气传感器、一一氧化碳传感器、一二氧化碳传感器、一温度传感器、一臭氧传感器及一挥发性有机物传感器的至少其中之一或其组合而成的群组；或，上述的传感器23可为监测细菌、病毒及微生物的至少其中之一或其任意组合而成的群组。

由上述说明可知，本案所提供的气体检测装置，利用气体检测模块2可随时监测使用者周围环境空气品质，且利用第一致动器24得以快速、稳定地将气体导入气体检测模块2内，不仅提升传感器23效率，又透过隔腔本体21的第一隔室212与第二隔室213的设计，将第一致动器24与传感器23相互隔开，使传感器23监测时能够阻隔降低了第一致动器24的热源影响，不至于影响传感器23的监测准确性，此外，也能够不被装置内的其他元件影响，达到气体检测装置可随时、随地检测的目的，又能具备快速准确的监测效果。

再请参阅图1D、1E图、图8及图9所示，本案所提供的气体检测装置更具有一监测气体中微粒的微粒监测模块3，微粒监测模块3设置于本体1的腔室11内，包含一通气入口31、一通气出口32、一微粒监测基座33、一承载隔板34、一激光发射器35、一第二致动器36及一微粒传感器37，其中通气入口31对应本体1的第二进气口13，通气出口32对应本体1的出气口14，使气体得由通气入口31进入微粒监测模块3内部，而由通气出口32排出，又微粒监测基座33及承载隔板34设置于微粒监测模块3内部，使得微粒监测模块3内部空间借由承载隔板34定义出一第一隔室38与第二隔室39，且承载隔板34具有一连通口341，以连通第一隔室38与第二隔室39，以及第二隔室39与通气出口32连通，又微粒监测基座33邻设于承载隔板34，并容置于第一隔室38中，且微粒监测基座33具有一承置槽331、一监测通道332、一光束通道333及一容置室334，其中承置槽331直接垂直对应到通气入口31，监测通道332设置于承置槽331下方，并且连通承载隔板34的连通口341，又容置室334设置于监测通道332一侧，而光束通道333连通于容置室334及监测通道332之间，且光束通道33直接垂直横跨监测通道332，如此微粒监测模块3内部由通气入口31、承置槽331、监测通道332、连通口341、通气出口32构成一单向导送导出气体的气体通道，即如图9箭头所指方向的路径。

上述的激光发射器35设置于容置室334内，第二致动器36架构于承置槽331上，以及微粒传感器37电性连接于承载隔板34上，并位于监测通道332下方，如此激光发射器35所发射的激光光束照射入光束通道33中，光束通道33导引激光光束照射至监测通道332中，以对监测通道332内的气体中所含有的悬浮微粒照射，而悬浮微粒受光束照射后将产生多个光点，投射于微粒传感器37表面被接收，使微粒传感器37以感测出悬浮微粒的粒径及浓度。本实施例的微粒传感器为PM2.5传感器。

由上述可知，微粒监测模块3的监测通道332直接垂直对应到通气入口31，使监测通道332上方得以直接导气，不影响气流导入，且第二致动器36架构于承置槽331上，对通气入口31外气体导送吸入，如此得以加快气体导入监测通道332内，并透过微粒传感器37进行检测，提升微粒传感器37的效率。

请继续参阅图9，此外，前述的承载隔板34具有一外露部分342穿透延伸出微粒监测模块3外部，外露部分342上具有一连接器343，连接器343供电路软板穿伸入连接，用以提供承载隔板34电性连接及信号连接。其中，本实施例承载隔板34为一电路板，但不以此为限。

了解上述的微粒监测模块3的特点说明，以下就其第二致动器36的结构及作动方式作一说明:

请参阅图10、图11A至图11C，上述的第二致动器36为一气体泵，第二致动器36包含有依序堆叠的喷气孔片361、腔体框架362、致动体363、绝缘框架364及导电框架365；喷气孔片361包含了多个支架361a、一悬浮片361b及一中空孔洞361c，悬浮片361b可弯曲振动，多个支架361a邻接于悬浮片361b的周缘，本实施例中，支架361a其数量为4个，分别邻接于悬浮片361b的4个角落，但不此以为限，而中空孔洞361c形成于悬浮片361b的中心位置；腔体框架362承载叠置于悬浮片361b上，致动体363承载叠置于腔体框架362上，并包含了一压电载板363a、一调整共振板363b、一压电板363c，其中，压电载板363a承载叠置于腔体框架362上，调整共振板363b承载叠置于压电载板363a上，压电板363c承载叠置于调整共振板363b上，供施加电压后发生形变以带动压电载板363a及调整共振板363b进行往复式弯曲振动；绝缘框架364则是承载叠置于致动体363的压电载板363a上，导电框架365承载叠置于绝缘框架364上，其中，致动体363、腔体框架362及悬浮片361b之间形成一共振腔室366。

再请参阅图11A至图11C为本案的第二致动器36的作动示意图。请先参阅图9及图11A，第二致动器36透过支架361a使第二致动器36设置于微粒监测基座33的承置槽331上方，喷气孔片361与承置槽331的底面间隔设置，并于两者之间形成气流腔室367；请再参阅图11B，当施加电压于致动体363的压电板363c时，压电板363c因压电效应开始产生形变并同步带动调整共振板363b与压电载板363a，此时，喷气孔片361会因亥姆霍兹共振(Helmholtz resonance)原理一起被带动，使得致动体363向上移动，由于致动体363向上位移，使得喷气孔片361与承置槽331的底面之间的气流腔室367的容积增加，其内部气压形成负压，于第二致动器36外的空气将因为压力梯度由喷气孔片361的支架361a与承置槽331的侧壁之间的空隙进入气流腔室367并进行集压；最后请参阅图11C，气体不断地进入气流腔室367内，使气流腔室367内的气压形成正压，此时，致动体363受电压驱动向下移动，将压缩气流腔室367的容积，并且推挤气流腔室367内气体，使气体进入监测通道332内，并将气体提供给微粒传感器37，以透过微粒传感器37检测气体内的悬浮微粒浓度。

上述第二致动器36为一气体泵，当然本案的第二致动器36也可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361、腔体框架362、致动体363、绝缘框架364及导电框架365皆可透过面型微加工技术制成，以缩小第二致动器36的体积。

又再请参阅图8及图12所示，本案的控制模块4包含一处理器41及一通信元件42，处理器41控制通信元件42、气体检测模块2的传感器23、第一致动器24以及微粒监测模块3的微粒传感器的启动，并对传感器23及微粒传感器所检测结果予以进行转换成一监测数据储存，监测数据并能由通信元件42发送连结一外部装置5储存。外部装置5可以为云端系统、可携式装置、电脑系统、显示装置等其中之一，以显示监测数据及通报警示。其中通信元件42可透过有线传输或无线传输至外部装置5，有线传输方式例如：USB、mini-USB、micro-USB等其中之一的介面连接有线对外传输，本实施例中，如图1E所示标号所指的mini-USB的有线介面C来实施有线传输，无线传输方式例如：Wi-Fi模块、蓝芽模块、无线射频辨识模块、一近场通讯模块等其中之一的无线介面(内建于通信元件42)对外传输。此外，控制模块4进一步包括一电池43，以提供储存电能、输出电能，并能搭配外接一供电装置6来传导电能而接收电能来储存，使电能提供给处理器41，处理器41能提供给气体检测模块2及微粒监测模块3的电性及驱动信号。其中供电装置6得以有线传导方式或无线传导方式输送该电能给予电池43储存。

综上所述，本案所提供的气体检测装置，利用气体检测模块可随时监测使用者周围环境空气品质，且利用第一致动器得以快速、稳定地将气体导入气体检测模块内，不仅提升传感器效率，又透过隔腔本体的隔室设计，将第一致动器与传感器相互隔开，使传感器监测时能够阻隔降低了第一致动器的热源影响，不至于影响传感器的监测准确性，也能够不被装置内的其他元件(控制模块)影响，达到气体检测装置可随时、随地检测的目的，又能具备快速准确的监测效果，此外，具备有一微粒监测模块来监测周围环境的空气中含有微粒浓度，并提供监测信息传送到外部装置，可即时得到信息，以作警示告知处在环境中的人，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。

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。

虽然本实用新型已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本实用新型，任何本领域技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本实用新型的保护范围当以权利要求书所界定的为准。