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，且特别是有关于一种粒子感测装置及具有所述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。悬浮微粒是指微粒与液滴的混合物，用以作为空气污染的指标。其中，由于直径小于等于10微米的细颗粒物可通过喉咙与鼻子而进入肺部，现今将悬浮微粒2.5与悬浮微粒10定义为影响人体健康的主要指标。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(fineparticles)，而悬浮微粒10(particulatematter10，pm10)是指大气中直径小于等于10微米的可吸入粗颗粒物(inhalablecoarseparticles)。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離。结果是，悬浮微粒会使得空气品质和能見度产生严重的恶化。

悬浮微粒除了会吸附大量的有毒及有害物质，之外，研究显示悬浮微粒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所示的电容式粒子感测器。图1为现有的电容式粒子感测器的示意图。请参照图1，此电容式粒子感测器100具有：第一指叉电极110与第二指叉电极120。第一指叉电极110具有：多个第一电极指112与连接这些第一电极指112的第一连接电极114。在第一指叉电极110的一端具有第一连接接口114a，用以输入/输出信号。

第二指叉电极120具有：多个第二电极指122与连接这些第二电极指122的第二连接电极124。在第二指叉电极120的一端具有第二连接接口124a，用以输入/输出信号。

当悬浮微粒进入到第一电极指112与第二电极指122之间的间隙时，由于改变了第一电极指112与第二电极指122之间的介电常数，所以，使得电容值也随之造成改变。以此，可进行悬浮微粒的量测。

然而，现有的电容式粒子感测器100，对于环境的温度、空气中的水气等极为敏感。换言之，电容式粒子感测器100所量测到的电容值(理论上应只有悬浮微粒造成的影响)，通常会包含温度与水气的影响；因此，还需要额外地对于所述量测到的电容值，进行温度与湿度的校正。另外，现有的电容式粒子感测器100，对于粒子的尺寸没有辨识能力，只能相对地量测粒子数量的增减。

技术实现要素：

本发明提供一种粒子感测装置，具有能够辨识悬浮微粒的尺寸的能力，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，包括：基板以及至少一粒子感测元件。基板具有凹槽，在凹槽的底部具有通孔，此通孔贯穿基板的底部。粒子感测元件设置于基板，其中，粒子感测元件可包括：第一电极对以及第二电极对。第一电极对设置于基板的内部，第一电极对的两个第一子电极分别邻近凹槽的两侧设置，所述两个第一子电极之间具有第一间距。第二电极对设置于基板的内部，第二电极对的两个第二子电极分别邻近凹槽的两侧设置，所述两个第二子电极之间具有第二间距，其中，第一间距小于第二间距，且第一电极对较第二电极对接近通孔。

本发明的电子设备包括：装置本体以及粒子感测装置。粒子感测装置电性结合于装置本体。粒子感测装置包括：基板以及至少一粒子感测元件。基板具有凹槽，在凹槽的底部具有通孔，此通孔贯穿基板的底部。粒子感测元件设置于基板，其中，粒子感测元件可包括：第一电极对以及第二电 极对。第一电极对设置于基板的内部，第一电极对的两个第一子电极分别邻近凹槽的两侧设置，所述两个第一子电极之间具有第一间距。第二电极对设置于基板的内部，第二电极对的两个第二子电极分别邻近凹槽的两侧设置，所述两个第二子电极之间具有第二间距，其中，第一间距小于第二间距，且第一电极对较第二电极对接近通孔。

在本发明的一实施例中，粒子感测装置可更包括：第三电极对，设置于基板的内部，第三电极对的两个第三子电极分别邻近凹槽的两侧设置，所述两个第三子电极之间具有第三间距，其中，第二间距小于第三间距，且第二电极对较第三电极对接近通孔。

在本发明的一实施例中，粒子感测装置可更包括：第四电极对，设置于基板的内部，第四电极对的两个第四子电极分别邻近凹槽的两侧设置，所述两个第四子电极之间具有一第四间距，其中，第三间距小于第四间距，且第三电极对较第四电极对接近通孔。

在本发明的一实施例中，第一间距可为2.5微米，第二间距可为10微米，第三间距可为50微米，第四间距可为100微米。

在本发明的一实施例中，粒子感测装置可更包括：空气泵，设置于通孔的下方。

在本发明的一实施例中，粒子感测元件可为多个，多个粒子感测元件沿着基板的设定方向进行排列。

在本发明的一实施例中，凹槽的剖面形状包括：v字型、u字型或阶梯型。

在本发明的一实施例中，粒子感测装置可以被内嵌于电子设备的装置本体中。

在本发明的一实施例中，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，利用三维堆迭式的电极的设计，通过在三维空间设置多个电极对，可达成粒子大小判断，并进行空气中的悬浮微粒的浓度(density)的量测。并且，可达成微型化的具有粒径大小的辨别能力的粒子感测装置。另外，粒子感测装置的制作容易，且可容易地与大部分的可携式电子设备进行整合。

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，并配合所附图式作详细说明如下。

附图说明

图1为现有的电容式粒子感测器的示意图。

图2a为本发明一实施例的粒子感测装置的立体示意图。

图2b为图2a的粒子感测装置沿着剖面线a-a的剖面示意图。

图2c为本发明又一实施例的粒子感测装置的剖面示意图。

图3为悬浮微粒没有进入到电极对之间的状态下，所量测的电容值的示意图。

图4为悬浮微粒进入到电极对之间的状态下，所量测的电容值的示意图。

图5为本发明一实施例的粒子感测装置的上视图，显示悬浮微粒进入到粒子感测元件内的状态。

图6为图5的粒子感测装置的剖面示意图。

图7为本发明又一实施例的粒子感测装置的剖面示意图。

图8为本发明再一实施例的粒子感测装置的剖面示意图。

图9为本发明一实施例的电子设备的示意图。

图10为本发明又一实施例的电子设备的示意图。

附图标记说明

100：电容式粒子感测器

110：第一指叉电极

112：第一电极指

114：第一连接电极

114a：第一连接接口

120：第二指叉电极

122：第二电极指

124：第二连接电极

124a：第二连接接口

200、202、204、206、420：粒子感测装置

210：基板

212：凹槽

212a：通孔

220：粒子感测元件

222：第一电极对

222a：第一子电极

224：第二电极对

224a：第二子电极

226：第三电极对

226a：第三子电极

228：第四电极对

228a：第四子电极

230：空气泵

300：子电极

400、402：电子设备

410：装置本体

430：电性连接元件

a-a：剖面线

cair、cdust：电容值

d：设定方向

d1：第一间距

d2：第二间距

d3：第三间距

d4：第四间距

p、p1、p2：悬浮微粒

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图2a为本发明一实施例的粒子感测装置的立体示意图。图2b为图 2a的粒子感测装置沿着剖面线a-a的剖面示意图。图2a与图2b显示了悬浮微粒p尚未进入粒子感测装置的情况。请参照图2a与图2b，粒子感测装置200可包括：基板210以及至少一粒子感测元件220。基板210具有凹槽212，在凹槽212的底部具有通孔212a，此通孔212a贯穿基板210的底部。

粒子感测元件220设置于基板210，其中，粒子感测元件220可包括：第一电极对222以及第二电极对224。第一电极对222设置于基板210的内部，第一电极对222的两个第一子电极222a分别邻近凹槽212的两侧设置，所述两个第一子电极222a之间具有第一间距d1。第一间距d1为对应第一电极对222位置的凹槽212宽度。第二电极对224设置于基板210的内部，第二电极对224的两个第二子电极224a分别邻近凹槽212的两侧设置，所述两个第二子电极224a之间具有第二间距d2，其中，第一间距d1小于第二间距d2。第一电极对222较第二电极对224接近通孔。第二间距d2为对应第二电极对224位置的凹槽212宽度。

如图2a与图2b所示的粒子感测装置200中，可利用三维堆迭(threedimensionalstacking)的技术，来制作第一电极对222与第二电极对224。如此，可利用第一电极对222来量测尺寸接近于第一间距d1的悬浮微粒，且利用第二电极对224来量测尺寸接近于第二间距d2的悬浮微粒，因而，能够辨识两种不同尺寸的悬浮微粒。

并且，由于第一电极对222与第二电极对224都设置于基板210的内部，所以，可保护第一电极对222与第二电极对224，避免受到外界温度变化(高温)或水气侵蚀的破坏。由于第一电极对222与第二电极对224不会裸露在基板210的外部，如此一来，可避免电极氧化及受到刮除的情况，可大幅提升粒子感测装置200的元件稳定度。并且，由于减少了外界温度变化或水气的影响，粒子感测装置200的感测稳定度较高，可省去后续对于电容值的量测数据的校正步骤(即，减去来自外界温度变化或水气对于电容值的影响的计算步骤)。

图2c为本发明又一实施例的粒子感测装置的剖面示意图。图2c与图2b相同的元件，标示以相同的元件符号，在此不予以重述相同的内容。请参照图2c，此粒子感测装置202可更包括：第三电极对226，设置于基 板210的内部，第三电极对226的两个第三子电极226a分别邻近凹槽212的两侧设置，所述两个第三子电极226a之间具有第三间距d3，其中，第二间距d2小于第三间距d3。第二电极对224较第三电极对226接近通孔。第三间距d3为对应第三电极对226位置的凹槽212宽度。再者，粒子感测装置202还可包括：第四电极对228，设置于基板210的内部，第四电极对228的两个第四子电极228a分别邻近凹槽212的两侧设置，所述两个第四子电极228a之间具有一第四间距d4，其中，第三间距d3小于第四间距d4。第三电极对226较第四电极对228接近通孔。第四间距d4为对应第四电极对228位置的凹槽212宽度。

请参照图2c，在此粒子感测装置202中，具有第一电极对222～第四电极对228。如此，可利用第一电极对222来量测尺寸接近于第一间距d1的悬浮微粒，利用第二电极对224来量测尺寸接近于第二间距d2的悬浮微粒，利用第三电极对226来量测尺寸接近于第三间距d3的悬浮微粒，且利用第四电极对228来量测尺寸接近于第四间距d4的悬浮微粒；因而能够辨识四种不同尺寸的悬浮微粒。在本发明的实施例中，电极对的数量仅为举例，并非用以限制本发明。所属技术领域中具有通常知识者，可根据设计需要，来适当地设定电极对的数量、以及电极对的两个子电极之间的间距，以对于多种不同尺寸的悬浮微粒进行量测。

在本发明的一实施例中，第一间距d1可为2.5微米，第二间距d2可为10微米，第三间距d3可为50微米，第四间距d4可为100微米。如此，可量测不同范围尺寸的悬浮微粒。

并且，请再参照图2c，粒子感测装置202还可包括：空气泵230，设置于通孔212a的下方。利用空气泵230的设置，在进行悬浮微粒的量测时，利用空气泵230经由通孔212a对于凹槽212进行抽气，则可以加快悬浮微粒落入第一电极对222到第四电极对228的任一者之间的速度；另外，也可利用空气泵230，对于凹槽212进行清洁，也就是，从通孔212a向凹槽212进行排气，以使悬浮微粒排出凹槽212，如此，可达到自我清洁的功能。

请继续参照图2a，粒子感测元件220可为多个，多个粒子感测元件220沿着基板210的设定方向d进行排列。通过设置多个粒子感测元件220， 而可以大面积地对于悬浮微粒进行感测，提升悬浮微粒的感测的灵敏度。

图3为悬浮微粒没有进入到电极对之间的状态下，所量测的电容值的示意图。图4为悬浮微粒进入到电极对之间的状态下，所量测的电容值的示意图。请先参照图3，在一对子电极300之间，没有悬浮微粒进入的状况下，可量测到在干净空气的状态之下的电容值cair。再者，请参照图4，当悬浮微粒p进入到所述对子电极300之间时，可量测到的电容值为cdust。设定空气中的悬浮微粒p的浓度为dparticles，悬浮微粒p的填充因数(fillingfactorincapacitor)为γdust，悬浮微粒p的介电常数为εr，dust。上述多个参数之间，会满足以下的式(1)与式(2)，

cdust＝[γdust·εr，dust+(1-γdust)]·cair......(1)

经由上述式(1)，可推知以下的式(2)

也就是说，通过量测到的电容值cair与cdust，以及已知的悬浮微粒p的介电常数εr，dust，可计算出悬浮微粒p的填充因数γdust，且所述悬浮微粒p的填充因数γdust是正比于悬浮微粒p的浓度dparticles。如此一来，可通过本发明的实施例的粒子感测装置200、202等，来进行悬浮微粒p的浓度(density)的量测。

图5为本发明一实施例的粒子感测装置的上视图，显示悬浮微粒进入到粒子感测元件内的状态。图6为图5的粒子感测装置的剖面示意图。

请参照图5与图6，当悬浮微粒p进入到凹槽212中，落在对应于第二子电极224a的位置时，可观察到所述两个第二子电极224a之间的电容值会产生显着变化，就可依此判断，所述悬浮微粒p的粒径会接近第二间距d2的尺寸，例如，10微米。并且，通过上述图3与图4所说明的式(1)与式(2)的内容，则可得知空气中悬浮微粒p的浓度。

在另一状况中，若当悬浮微粒p1(如图8的虚线所示)进入到凹槽212 中，落在对应于第一子电极222a的位置时，可观察到所述两个第一子电极222a之间的电容值会产生显着变化，就可依此判断，所述悬浮微粒p1的粒径会接近第一间距d1的尺寸，例如，2.5微米。同样地，通过上述图3与图4所说明的式(1)与式(2)的内容，则可得知空气中悬浮微粒p1的浓度。

值得注意的是，两个第一子电极222a对于悬浮微粒p1的量测、与两个第二子电极224a对于悬浮微粒p的量测，可以是同时进行的状态；也就是说，粒子感测装置202可以同时量测两种不同尺寸的悬浮微粒p1(即pm2.5)、p(即pm10)。由于，粒子感测装置202具有第一电极对222～第四电极对228，所以，可同时量测四种不同尺寸的悬浮微粒。

图7为本发明又一实施例的粒子感测装置的剖面示意图。图8为本发明再一实施例的粒子感测装置的剖面示意图。在上述的实施例中，粒子感测装置200、202的凹槽212的剖面形状是v字型。然而，在图7所示的粒子感测装置204中，凹槽212的剖面形状也可以是u字型；在图8所示的粒子感测装置206中，凹槽212的剖面形状也可以是阶梯型。

通过凹槽212的形状设计，可以提升不同尺寸的悬浮微粒的筛选精确度。举例而言，如图8所示的阶梯状的凹槽212，由于在各个电极对之间具有阶梯差(step)，悬浮微粒p1可良好地卡合于两个第一子电极222a之间；悬浮微粒p可良好地卡合于两个第二子电极224a之间；悬浮微粒p2可良好地卡合于两个第三子电极226a之间，所以，可以提升不同尺寸的悬浮微粒的筛选的精确度。所述粒子感测装置206可良好地对于悬浮微粒p、p1、p2进行同时检测，可得到不会相互干扰的三个量测讯号。当然，图8中仅绘示三种悬浮微粒p、p1、p2的状况，若同时存在两个第四子电极228a可量测的尺寸的悬浮微粒时，则可同时进行四种尺寸的悬浮微粒的量测。

图9为本发明一实施例的电子设备的示意图。请参照图9，电子设备400包括：装置本体410以及粒子感测装置420。粒子感测装置420电性结合于装置本体410。

粒子感测装置420可以采用如上述的图2a～图2b所示的粒子感测装置200、图2c所示的粒子感测装置202、图7所示的粒子感测装置204、 与图8所示的粒子感测装置206的任一个，在此不予以重述相同的内容。在图9的电子设备400中，粒子感测装置420是被内嵌于电子设备400的装置本体410中；例如，如图9的局部放大图所示，可看到，粒子感测装置420是被设置在装置本体410的通用串列汇流排(usb)的插槽的侧壁上。

电子设备400以是任何可携带式电子装置，如智慧型手机、平板电脑、笔记型电脑、虚拟实境显示器、穿戴式电子装置(如智慧手环、智慧眼镜)等等。详细而言，本发明实施例的粒子感测装置420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，智慧手环上所整合的本发明的实施例的粒子感测装置420，可利用电容式感测作用，来即时地(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420，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)。

图10为本发明又一实施例的电子设备的示意图。在本发明的一实施例中，电子设备402可更包括：电性连接元件430，粒子感测装置420是经由电性连接元件430，而外接于电子设备402的装置本体410上。电性连接元件430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10所示的电子设备402，可以利用外接的方式来使用粒子感测装置420；当不须使用粒子感测装置420时，即可卸除所述粒子感测装置420。通过上述外接式的设计方式，可以大幅提升粒子感测装置420与装置本体410之间的搭配使用的弹性度与自由度。

本发明实施例的粒子感测装置200～206、420能够使用多个电极对(第 一～第四电极对222～228)，对于不同尺寸的悬浮微粒进行感测，具有辨识悬浮微粒的大小的能力。并且，粒子感测装置200～206、420能够容易地被结合到任何可携带式电子装置中，使用者可以通过可携带式电子装置(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，至少具有以下的优点：通过在三维空间设置多个电极对，可达成粒子大小判断(具有粒径辨识能力)，并进行空气中的悬浮微粒的浓度的量测。并且，粒子感测装置的电极对是设置于基板的内部，所以，可提升粒子感测装置的元件稳定度及感测稳定度，避免受到外界的温度变化或水气的影响。再者，粒子感测装置的制作容易，可容易进行微型化，且可与大部分的可携式电子设备进行整合。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。