TWI706126B - 氣體感測裝置及氣體感測系統 - Google Patents

Abstract

一種氣體感測裝置包括殼體、蓋體以及氣體感測模組。殼體具有容置空間。蓋體設置於殼體上。蓋體具有頂面、底面和氣體通道。底面面向容置空間。氣體通道與容置空間相連通。氣體通道具有第一開口與第二開口。第一開口位於頂面。第二開口位於底面。第一開口之面積大於第二開口之面積。一種氣體感測系統包括二個前述氣體感測裝置，且其中一個氣體感測裝置設置有過濾模組。

Description

氣體感測裝置及氣體感測系統

本發明係關於一種氣體感測裝置及氣體感測系統，特別是一種具有增強氣流的擴散能力之氣體感測裝置及氣體感測系統。

在人類居住的環境中以及可能發生爆炸、火災或毒性等其他危險的環境中，需要氣體感測裝置以偵測可能產生潛在危險的目標氣體的濃度。氣體感測裝置必須具有能對如一氧化碳、氮氧化物、二氧化硫、硫化氫、二氧化碳、氫氣、磷化氫、臭氧等目標氣體之濃度及其變化產生可靠回應的靈敏度。

現行的氣體感測器之感測機構為環境氣流以自然擴散的方式進入氣體感測器中。然而，流經氣體感測器周圍區域的氣體易受氣流擴散性不佳或環境氣場等影響，使得進入氣體感測器內的待測氣體量不足，造成氣體感測器的靈敏度與精準度下降，導致氣體感測器無法應用於偵測環境中之低濃度目標氣體。

本發明在於提供一種氣體感測裝置及氣體感測系統，藉由蓋體具有第二開口之直徑小於第一開口的直徑的結構，調整蓋體周圍的局部流場，從而增加經由第一開口與第二開口進入氣體感測裝置的氣體量。

本發明所揭露的氣體感測裝置，包括殼體、蓋體以及氣體感測模組。殼體具有容置空間。蓋體設置於殼體。蓋體具有頂面、底面和氣體通道。底面面向容置空間。氣體通道與容置空間相連通。氣體通道具有第一開口與第二開口。第一開口位於頂面。第二開口位於底面。第一開口之面積大於第二開口之面積。氣體感測模組設置於容置空間中。

本發明所揭露的氣體感測系統，包括載體、第一氣體感測裝置以及第二氣體感測裝置。第一氣體感測裝置設置於載體上。第一氣體感測裝置具有如前述之氣體感測裝置之結構。第二氣體感測裝置設置於載體上。第二氣體感測裝置具有如前述之氣體感測裝置之結構。第二氣體感測裝置更包含過濾模組。過濾模組包含固定結構與選擇性濾材。固定結構設置於蓋體且位於容置空間中。選擇性濾材設置於固定結構中，且選擇性濾材遮蔽第二開口。

本發明在於提供一種氣體感測裝置，藉由蓋體具有第二開口之直徑小於第一開口的直徑的結構，調整蓋體周圍的局部流場，從而增加經由第一開口與第二開口進入氣體感測裝置的氣體量。如此一來，隨著進入氣體感測裝置的氣體量提升，本發明之氣體感測裝置偵測氣體濃度的靈敏度和精準度也可得到提升。

以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。在下文及圖式中，相似的元件以相同的符號表示。

請參照圖1A、圖1B及圖2，圖1A係為根據本發明第一實施例所繪示之氣體感測裝置剖面圖。圖1B係為根據本發明第一實施例所繪示之氣體感測裝置部分放大圖。圖2係為根據本發明第一實施例所繪示之氣體感測裝置立體圖。如圖1A所示，本發明第一實施例之氣體感測裝置10包括殼體15、蓋體11以及氣體感測模組12。殼體15具有容置空間150。蓋體11設置於殼體15上。

在本發明之第一實施例中，殼體15為圓柱狀。在其他實施例中，殼體15可為方柱狀、多邊形柱狀等形狀。殼體15和蓋體11的結構尺寸僅為示例，例如在圖1A中，為左右寬度較寬的圓柱結構，本發明不限於此。

在本發明之第一實施例中，蓋體11包含頂面110、底面112和氣體通道111。底面112面向容置空間150，氣體通道111與容置空間150相連通。氣體通道111具有第一開口1101與第二開口1102，第一開口1101位於頂面110，第二開口1102位於底面112。詳細來說，氣體通道111更具有斜坡面113、壁面114和第三開口1103。斜坡面113之一邊連接頂面110，斜坡面113之相對另一邊連接壁面114之一邊。第三開口1103位於斜坡面113與壁面114之交界。壁面114遠離斜坡面113之一邊連接底面112。底面112之中心為連通容置空間150之第二開口1102。換句話說，底面112與水平面平行且以第二開口1102為中心擴展，但不以此為限。於本發明其他實施例中，第二開口1102可不位於底面112之中心，且底面112可不與水平面平行。第二開口1102之直徑D2可等於或小於第三開口1103之直徑D3(D2≦D3)，圖1A實施例為直徑D2等於直徑D3。在一些實施例中，當直徑D2小於直徑D3時，壁面114呈現一斜坡面。

請參照圖2，如圖2所示，蓋體11具有頂面110、第一開口1101、第二開口1102。第一開口1101之面積大於第二開口1102之面積(水平面截面積)。第二開口1102之直徑D2小於第一開口1101的直徑D1(D2>D1)。再者，第二開口1102之中心於第一開口1101之正交投影與第一開口1101之中心重疊，因此蓋體11具有倒錐形或Ｖ字的斜坡結構。斜坡面113和水平面的角度θ為14度。在其他實施例中斜坡面113和水平面的角度可為14度至42度。也就是說，斜坡面113上任兩條法線L1、L2之交點O位於殼體15朝向蓋體11的方向Z上，且此交點O位於殼體15外(繪示於圖15)。回到圖1A，藉由蓋體11具有第二開口1102之直徑D2小於第一開口1101的直徑D1的結構，調整蓋體11周圍的局部流場，從而增加經由第一開口1101與第二開口1102進入氣體感測裝置10的容置空間150的氣體量。

在本發明之第一實施例中，頂面110、第一開口1101、第二開口1102、第三開口1103之形狀為圓形。在其他實施例中，頂面110、第一開口1101、第二開口1102、第三開口1103之形狀可為如橢圓形、梯形、方形、矩形等之四邊形、多邊形或其他幾何形狀。

在本發明之第一實施例中，如圖1A和圖1B所示，氣體感測模組12包含工作電極1200、第一輔助電極1201、參考電極1202、第二輔助電極1203、第一間隔物122、第二間隔物123、第三電解液吸濕膜124、第四電解液吸濕膜125、電解液127和電解液槽121。工作電極1200、第一輔助電極1201、參考電極1202、第二輔助電極1203統稱為電化學感測電極120。工作電極1200設置在第二開口1102和第一輔助電極1201之間。第一間隔物122位於工作電極1200與第一輔助電極1201之間，且第一間隔物122電性連接工作電極1200與第一輔助電極1201(此處電性連接藉由第一電解液吸濕膜122-1所吸取的電解液127達成，電解液127中所含的電解質（electrolyte）在水溶液狀態可以產生自由離子而導電)，第一間隔物122包含第一電解液吸濕膜122-1和第一防水膜122-2。第二間隔物123位於第一輔助電極1201與參考電極1202之間，且第二間隔物123電性連接第一輔助電極1201與參考電極1202，第二間隔物123包含第二電解液吸濕膜123-1和第二防水膜123-2。第三電解液吸濕膜124位於第二輔助電極1203與參考電極1202之間。第三電解液吸濕膜124用以使第二輔助電極1203與參考電極1202電性連接。第四電解液吸濕膜125設置在第二輔助電極1203和電解液槽121之間。電解液127容置於電解液槽121內。電解液槽121內填充有吸濕膜(未繪出)。電解液槽121頂面暴露吸濕膜用以與第二輔助電極1203連接，整體而言，電化學感測電極120位於電解液槽121之上，彼此物理性與電化學連接。在其他實施例中可不包含第一輔助電極1201和第二間隔物123。藉由上述之工作電極1200、第一輔助電極1201分別提供電訊獨立之電流值和電壓值，經由微處理器進行運算，即可獲得待測氣體中目標氣體之濃度。

在本發明之第一實施例中，圖1A所示，工作電極1200包含金屬材料以及多孔材料。金屬材料可為三元複合金屬或單原子金屬。三元複合金屬或單原子金屬承載在多孔材料上，多孔材料作為載體。在其他實施例中，多孔材料承載在疏水高分子片材上。在一實施例中，多孔材料具有零維(粒子或原子)或二維奈米結構，多孔材料可為碳所組成之多孔材料，如微米尺寸之碳載體、石墨烯(graphene)、摻雜石墨烯(doped graphene，摻雜氮或磷或硼等元素)、多壁奈米碳管(multi-walled carbon nanotube)、單壁奈米碳管(single-walled carbon nanotube)等。在一實施例中，三元複合金屬之結構為奈米線結構，並且三元複合金屬奈米線為核殼結構，一種金屬為核心，另外兩種金屬依序包覆該核心，三元複合金屬奈米線散佈於多孔材料上，三元複合金屬係選自由鉑、鈀、鈷、銀、錫、銅、鎳、金、釕所構成的任意三種金屬所組合而成之群組，例如金屬鉑鈷銀(PtCoAg)、鉑錫銀(PtSnAg)、鉑鈀鎳(PtPdNi)等。在一實施例中，一種或多種單原子金屬散佈於多孔材料上，單原子金屬包含鉑、鈀、鈷、銀、錫、銅、鎳、金、釕的任意一種金屬。在一實施例中，工作電極1200之結構包含多孔材料以及承載在多孔材料上由單種金屬材料構成的金屬顆粒。金屬顆粒的粒徑約為1Å或為單原子金屬顆粒。金屬顆粒包含多個單金屬顆粒零星散佈在多孔材料上，多個單金屬顆粒可由同一種金屬元素所構成。金屬元素可選自鉑、鈀、鈷、銀、錫、銅、鎳、金、釕中的任意一種金屬。在另一實施例中，金屬顆粒包含多個且複數種單金屬顆粒，由不同種類的單原子金屬顆粒所構成，亦即至少兩種單金屬顆粒散佈於多孔材料上。金屬元素選自由鉑、鈀、鈷、銀、錫、銅、鎳、金、釕所組合成之群組至少其中之二者，例如：金原子與銀原子散佈或金原子與鈷原子散佈、鉑原子與鎳原子、銅原子與鈷原子、金原子與銅原子等。

由於奈米線或單原子結構的尺寸為奈米等級，因而具有較大的表面積，因此進行氧化還原之作用的反應速率越快。因此藉由包含奈米線之三元複合金屬或單原子結構金屬所形成之工作電極1200，可提高氣體感測裝置10之感測靈敏度與精準度，具有實現低濃度偵測極限(ppb等級)之功能。

在本發明之第一實施例中，第一輔助電極1201之材料與工作電極1200相同。第二輔助電極1203包含多孔碳材或鉑（Pt）等可導電材料。參考電極1202包含氯化銀（AgCl）、氯化汞（HgCl₂ ）、碳鉑（Pt/C）等可導電材料。在其他實施例中，第一輔助電極1201、參考電極1202和第二輔助電極1203可分別承載在不同之疏水高分子片材上。

在本發明之第一實施例中，如圖1B所示，第一間隔物122包含第一電解液吸濕膜122-1和第一防水膜122-2。第一電解液吸濕膜122-1設置在工作電極1200和第一防水膜122-2之間。第二間隔物123包含第二電解液吸濕膜123-1和第二防水膜123-2。第二電解液吸濕膜123-1設置在第一輔助電極1201和第二防水膜123-2之間。在其他實施例中，第二防水膜123-2可設置於兩個第二電解液吸濕膜123-1之間。第一防水膜122-2和第二防水膜123-2為穩定不透水的聚合物。第一電解液吸濕膜122-1至第四電解液吸濕膜125用於確保工作電極1200、第一輔助電極1201、參考電極1202和第二輔助電極1203與電解液接觸。第一電解液吸濕膜122-1、第二電解液吸濕膜123-1、第三電解液吸濕膜124至第四電解液吸濕膜125由電解液127可透過的親水非導電材料製成。各電解液吸濕膜之結構為多孔結構或是織物結構，起到通過毛細現象輸送電解液127的作用(請參見圖9，詳細內容會在下面相關段落中進行進一步說明)。各電解液吸濕膜從電解液槽121吸取電解液127，藉以保持各電解液吸濕膜含電解液的濕潤狀態。

在本發明之第一實施例中，如圖1A和圖1B所示，電解液槽121之底部中央設置具有一開孔1210，一栓塞126匹配插入開孔1210中以在電解液槽121灌入電解液127後將電解液槽121密封。電解液槽121內之電解液127依循方向T，藉由貫穿上下之通道16，依序通過第四電解液吸濕膜125、第二輔助電極1203、第三電解液吸濕膜124、參考電極1202、第二間隔物123、第一輔助電極1201、第一間隔物122、工作電極1200。通道16內具有做為燈芯之吸濕膜，起到通過毛細現象輸送電解液127的作用。電解液槽121位於殼體15之底部。電解液槽121提供之電解液127可以包含硫酸、過氯酸、離子液體等液態電解質。

在本發明之第一實施例中，圖1A所示過濾模組13包含固定結構130與選擇性濾材135。固定結構130設置於蓋體11且位於容置空間150中。選擇性濾材135設置於固定結構130中，且選擇性濾材135遮蔽第二開口1102。選擇性濾材135包含兩個片材以及金屬氧化物，此片材具有大量可供氣體穿過的孔洞。片材為疏水多孔高分子膜，例如PTFE、PVDF等。金屬氧化物設置於兩個片材之間(例如夾在兩片材之間)以遮蔽第二開口1102，如圖2所示。

選擇性濾材135包含金屬氧化物和做為黏著劑之疏水高分子膜。金屬氧化物包含具有β或γ晶相一維奈米結構。金屬氧化物包含二氧化錳(MnO₂ )、三氧化二錳(Mn₂ O₃ )、四氧化三錳(Mn₃ O₄ )或氫氧化氧錳(MnOOH)。例如，金屬氧化物包含β-MnO₂ 奈米線、γ-MnOOH奈米線。因此包含前述之二氧化錳、三氧化二錳、四氧化三錳或氫氧化氧錳(MnOOH)之選擇性濾材135可用於移除待測氣體中的臭氧(O₃ )。由於金屬氧化物的尺寸為奈米等級，因而具有較大的表面積，進而使得金屬氧化物在移除待測氣體中的干擾氣體時，有較好的去除效率。

疏水高分子之顆粒尺寸可為40μm至700μm。疏水高分子可包含過氟烷基化物(PFA)、聚四氟乙烯(PTFE)或聚氟化二乙烯(PVDF)。

在本發明之第一實施例中，由疏水高分子結合金屬氧化物所構成之選擇性濾材135具有孔洞。因此待測氣體通過選擇性濾材135時，干擾氣體被選擇性濾材135吸收分解，其他氣體可通過選擇性濾材135之孔洞而進入至容置空間150。圖1A所示，在本發明之第一實施例中，氣體感測裝置10可包含用以去除干擾氣體之過濾模組13，但不以此為限。在其他實施例中，若不需先移除會對量測結果產生干擾之干擾氣體，則氣體感測裝置10可不包含用以去除干擾氣體之過濾模組13。

在本發明之第一實施例中，氣體感測裝置10還包含導電結構14-1~14-4。4個導電結構14-1~14-4的一端設置在殼體15外部，導電結構14-1~14-4可視為接腳(pin)，另一端分別電性連接工作電極1200、第一輔助電極1201、參考電極1202和第二輔助電極1203，利用電線將工作電極1200連接導電結構14-1；第一輔助電極1201連接導電結構14-2；參考電極1202連接導電結構14-3；第二輔助電極1203連接導電結構14-4。氣體感測裝置10的電化學感測電極120藉由4個導電結構14-1~14-4獲得由外部提供偵測目標氣體濃度所需之電力，以及將電化學反應產生之電流傳送至微處理器(未繪示)以計算目標氣體濃度。計算出之氣體濃度可經由外接之顯示裝置(未繪示)提供給使用者參考。

由於二氧化氮(NO₂ )和臭氧(O₃ )的氧化電位極為相近，在進行二氧化氮或臭氧的濃度感測時，二氧化氮和臭氧會彼此干擾而影響量測精準度。因此在本發明之第一實施例中，如圖1A所示，為了區隔二氧化氮和臭氧，被過濾模組13去除之干擾氣體為臭氧，藉由去除臭氧來提高氣體感測系統感測二氧化氮濃度之精準度。前述氣體感測裝置10為待測氣體包含臭氧時之示例。在其他實施例中，特定氣體如一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物、硫氧化物、氮的氫化物、氨的氫化物、磷的氫化物、硫的氫化物、砷的氫化物、硼的氫化物、醇、醛、氫之不飽和或飽和烴蒸氣或鹵代烴時，可以選擇使用相應的金屬氧化物和相應的電解液來設計特定的氣體感測裝置10。

請參照圖3至圖12，圖3係為根據本發明第二實施例所繪示之氣體感測裝置剖面圖。圖4係為根據本發明第二實施例所繪示之氣體感測裝置分解圖。圖5係為根據本發明第二實施例所繪示之氣體感測裝置立體圖。圖6係為根據本發明第二實施例所繪示之蓋體示意圖。圖7係為根據本發明第二實施例所繪示之過濾模組示意圖。圖8係為根據本發明第二實施例所繪示之氣體感測模組剖面圖。圖9係為根據本發明第二實施例所繪示之氣體感測模組64疊層爆炸示意圖。圖10係為根據本發明第二實施例所繪示之內容器上座示意圖。圖11係為根據本發明第二實施例所繪示之內容器下座示意圖。圖12係為根據本發明第二實施例所繪示之殼體示意圖。

如圖3至圖5所示，本發明第二實施例之氣體感測裝置60包括蓋體61、內容器上座62、內容器下座63、氣體感測模組64、殼體65以及過濾模組66。氣體感測模組64和過濾模組66設置於蓋體61和內容器上座62之間，內容器上座62設置於內容器下座63上方，內容器下座63設置於內容器上座62和殼體65之間。在另一實施例中，氣體感測裝置60可不包括過濾模組66。圖4係為根據本發明第二實施例所繪示之氣體感測裝置60分解圖。蓋體61與殼體65結合為最外層殼體，內容器上座62與內容器下座63藉由第一卡固件625、第二卡固件631互相固定，並且中空處形成電解液槽121，密封件634防止電解液滲漏。氣體感測模組64位於內容器上座62和過濾模組66之間，過濾模組66固定於蓋體61之底面112。特別地，氣體感測模組64與電解液槽121由內容器上座62所區隔，只由連通口624貫通兩部分。圖5係為根據本發明第二實施例所繪示之氣體感測裝置60立體圖，蓋體61與殼體65結合為最外層殼體，藉由蓋體61具有第二開口1102之直徑D2小於第一開口1101的直徑D1以及斜坡面113的結構，可增強氣流從外部流動進入氣體感測裝置60內部。過濾模組66遮蔽第二開口1102，以過濾外部空氣且吸附特定氣體。

如圖3所示，在本發明之第二實施例中，殼體65和蓋體61之間具有容置空間650。內容器上座62、內容器下座63、氣體感測模組64以及過濾模組66位於容置空間650中。第二實施例中之蓋體61、殼體65和過濾模組66的結構與第一實施例之蓋體11、殼體15和過濾模組13的結構類似，因此不再贅述。圖6係為根據本發明第二實施例所繪示之蓋體61示意圖，第二開口1102之直徑D2小於第一開口1101的直徑D1(D2>D1)。

如圖7所示，在本發明之第二實施例中，過濾模組66之固定結構130具有可供空氣流通的多個孔，且選擇性濾材135由固定結構130夾持於該些孔中。固定結構130設置於蓋體61和氣體感測模組64之間。第二實施例中之過濾模組66材料與第一實施例之過濾模組13類似，因此不再贅述。

如圖8和圖9所示，本發明第二實施例之氣體感測模組64剖面圖以及氣體感測模組64之疊層爆炸示意圖，在氣體感測模組64之疊層爆炸示意圖中，其僅顯示各層的層疊關係，各層的尺寸僅為示意，不以此為限。本發明第二實施例之氣體感測模組64與第一實施例之氣體感測模組12結構類似，故不贅述相同之處，以下參考圖8和圖9進一步說明第二實施例之氣體感測模組64。氣體感測模組64中，疏水高分子層1200A設置在工作電極1200和過濾模組66之間(如碳黑所構成的工作電極1200的面朝下配置)，疏水高分子層1201A設置在第一防水膜122-2和第一輔助電極1201之間(如碳黑所構成的第一輔助電極1201的面朝下配置)，疏水高分子層1202A設置在參考電極1202和第三電解液吸濕膜124之間(如碳黑所構成的參考電極1202的面朝上配置)，疏水高分子層1203A設置在第三電解液吸濕膜124和第二輔助電極1203之間(如碳黑所構成的第二輔助電極1203的面朝下配置)。第二間隔物123還包含設置在第二防水膜123-2和參考電極1202之間的一第五電解液吸濕膜123-3。氣體感測模組64還包含分別對應於工作電極1200、第一輔助電極1201、參考電極1202、第二輔助電極1203的4個電極線(未繪示)。對應於工作電極1200之一第一電極線131(未繪示)設置在工作電極1200和第一電解液吸濕膜122-1之間，並且第一電極線131與工作電極1200電性連接。對應於第一輔助電極1201之一第二電極線132(未繪示)設置在第一輔助電極1201和第二電解液吸濕膜123-1之間，並且第二電極線132與第一輔助電極1201電性連接。對應於參考電極1202之一第三電極線133(未繪示)設置在參考電極1202和第二間隔物123的第五電解液吸濕膜123-3之間，且第三電極線133與參考電極1202電性連接。對應於第二輔助電極1203之一第四電極線134(未繪示)設置在第二輔助電極1203和第四電解液吸濕膜125之間，且第四電極線134與第二輔助電極1203電性連接。第一防水膜122-2、疏水高分子層1201A、第二防水膜123-2各具有第一貫通孔1221、第二貫通孔1201B以及第三貫通孔1231，而第一貫通孔1221、第二貫通孔1201B以及第三貫通孔1231中分別填充有第一貫通孔吸濕膜1222、第二貫通孔吸濕膜12011以及第三貫通孔吸濕膜1232。上述貫通孔吸濕膜係能將電解液127傳遞到不同層次。

如圖10所示，在本發明之第二實施例(圖3)中，內容器上座62具有一上槽620、一分隔層621與一下槽622，分隔層621設置在上槽620與下槽622之間，多個支撐塊626支撐分隔層621，支撐塊626提升結構剛性。氣體感測模組64設置在內容器上座62的上槽620內。上槽620的邊緣具有多個凹口623，且分隔層621具有連通口624。下槽622之表面上具有一第一卡固件625。第一電極線131至第四電極線134分別穿過多個凹口623，沿著內容器上座62之外邊緣以及內容器下座63之外邊緣向下延伸，然後連接到4個導電結構14-1~14-4。分隔層621的連通口624使電解液槽121內的電解液127可經由穿過連通口624之吸附物(未繪示)之毛細現象將電解液127移動至氣體感測模組12的第四電解液吸濕膜125，如同圖1B，電解液槽121內之電解液127依循方向T，藉由貫穿上下之通道16，將電解液127補充到各電解液吸濕膜。

如圖11所示，在本發明之第二實施例(圖3)中，內容器下座63包含一下座上槽630、用以與第一卡固件625匹配卡固的一第二卡固件631以及一凸起結構632。第二卡固件631位於下座上槽630面對內容器上座62的表面上。下座上槽630具有一密封孔633。電解液127通過密封孔633由外注入下座上槽630內，並藉由一密封件634將密封孔633密封。內容器上座62和內容器下座63所圍成的空間為電解液槽121。內容器上座62之下槽622和內容器下座63之下座上槽630相匹配而可接合成一體。

如圖12所示，在本發明之第二實施例(圖3)中，殼體65底部具有4個導電孔651以及用以與內容器下座63之凸起結構632相結合之通口部652。4個導電孔651分別對應可插入4個導電結構14-1~14-4。

請參照圖13A及圖13B，圖13A和圖13B係為根據本發明第一實施例(圖1A)和第二實施例(圖3)所使用之蓋體11|、61及殼體15、65與比較例所使用之蓋體及殼體之流場分佈圖。流場分佈中氣流速度為0.4 m/s至0.6m/s。氣流為自然風。氣流的流向為由右至左(如箭頭所示)。箭頭的長度代表氣流大小，箭頭較長代表氣流較強，箭頭較短代表氣流較弱。如圖13A所示，藉由蓋體11、61具有第二開口1102之直徑D2小於第一開口1101的直徑D1以及斜坡面113的結構，當氣流從右至左方流動通過氣體感測裝置10、60時，可在不需外加風扇的情況下，即可在第二開口1102之內外產生對流現象A。再者，固定結構130的中心部分使進入容置空間150、650之氣流擾動情況呈現迴旋分布B(環繞固定結構130的中心部分)，從而使氣流進一步向容置空間150、650中之氣體感測模組12、64移動，使得對流現象之效果得到進一步提升。在其他實施例中，也可不設置固定結構130的中心部分。因此氣體感測裝置10、60藉由蓋體11、61具有第二開口1102之直徑D2小於第一開口1101的直徑D1的結構，可增強氣體感測裝置10、60周圍之局部流場，從而增強氣流的擴散能力。相較之下，如圖13B所示，比較例之氣體感測裝置之蓋體具有非斜坡之結構，使得部分氣流於開口處流出，在開口處之內外無產生對流現象C(開口處的箭頭較短)。因此進入氣體感測裝置之氣體以擴散為主，由圖13B可知氣流擾動較為靜止，因而質傳效果較差。由圖13A和圖13B之結果，證實當蓋體11、61具有第二開口1102之直徑D2小於第一開口1101的直徑D1以及斜坡面113的結構時，可調整蓋體11、61周圍的局部流場，因此圖13A中，第二開口1102有較佳的對流現象，加上進入容置空間150、650之氣流擾動情況因為固定結構130的中心部分而呈現迴旋分布B，從而增加經由第一開口1101與第二開口1102進入氣體感測裝置10、60的氣體量。相較地，圖13B的開口部的氣流則呈現靜止的狀態C。

請參照圖14，圖14係為金屬氧化物和疏水高分子結合構成之選擇性濾材135之SEM圖。如圖14所示，在具有β或γ晶相一維奈米結構的金屬氧化物之間透過疏水高分子結合為整體以構成選擇性濾材135。金屬氧化物和疏水高分子的混合比例可為1:5至1:10（重量比分率）。

以下說明本發明過濾模組13之選擇性濾材135中，金屬氧化物與疏水高分子的比例（重量比分率）對於選擇性濾材135過濾效果之影響。於本發明第一實施例中，金屬氧化物MnO₂ 和疏水高分子PTFE之比例如下表1所示。

表1

	H1 (PTFE為625 μm)	H2 (PTFE為350μm)	H3 (PTFE為44 μm)
	MnO2:PTFE	去除效率	MnO2:PTFE	去除效率	MnO2 : PTFE	去除效率
MnO2微米球形顆粒 (對照組)	1:5	82 %	1:5	82 %	1:5	83 %
MnO2微米球形顆粒 (對照組)	1:10	83 %	1:10	82 %	1:10	85 %
MnO2微米球形顆粒(對照組)	1:15	63 %	1:15	60 %	1:15	68 %
β-MnO2奈米線(實施例)	1:5	93 %	1:5	95 %	1:5	96 %
β-MnO2奈米線(實施例)	1:10	95 %	1:10	96 %	1:10	100%
β-MnO2奈米線	1:15	75 %	1:15	76 %	1:15	84 %
	γ-MnOOH:PTFE	去除效率	γ-MnOOH :PTFE	去除效率	γ-MnOOH : PTFE	去除效率
γ-MnOOH奈米線(實施例)	1:5	74%	1:5	76%	1:5	78%
γ-MnOOH奈米線(實施例)	1:10	80%	1:10	81%	1:10	83%
γ-MnOOH奈米線	1:15	62%	1:15	63%	1:15	65%

如表1所示，疏水高分子PTFE的尺寸分別為625 μm（H1）、350μm（H2）、44μm（H3）。金屬氧化物MnO₂ 和疏水高分子PTFE的混合比例為1:5、1:10或1:15。相較於本發明部分實施例中β-MnO₂ 奈米線和疏水高分子PTFE之比例為1:5或1:10所構成之選擇性濾材135，MnO₂ 微米球形顆粒所構成之選擇性濾材為對照組。β-MnO₂ 奈米線和疏水高分子PTFE之比例為1:5或1:10所構成之選擇性濾材135之臭氧的去除效率皆大於90%。β-MnO₂ 奈米線和疏水高分子PTFE之比例為1:15所構成之選擇性濾材135之臭氧的去除效率大於75%。β-MnO₂ 奈米線和疏水高分子PTFE之比例為1:5或1:10所構成之選擇性濾材135之臭氧的去除效率優於MnO₂ 微米球形顆粒所構成之選擇性濾材。在一實施例中，選擇性濾材135以γ-MnOOH奈米線和疏水高分子PTFE為1:10的混合比例下，臭氧的去除效率皆大於80%。在一實施例中，選擇性濾材135以γ-MnOOH奈米線和疏水高分子PTFE為1:5的混合比例下，臭氧的去除效率皆大於70%。在一較佳實施例中，選擇性濾材135以β-MnO₂ 奈米線和疏水高分子PTFE為1:10的混合比例所構成(去除效率達100%)。β-MnO₂ 奈米線與γ-MnO2奈米線具有較大吸附面積與吸附效率(相較於顆粒狀)，此時，干擾氣體（臭氧）的去除效率大於99%。再者，由疏水高分子PTFE的尺寸和臭氧的去除效率之結果可知疏水高分子PTFE的尺寸越小，臭氧的去除效率越好。

請參照圖15，圖15係為根據本發明第三實施例的氣體感測系統50示意圖。如圖15所示，本發明第三實施例之氣體感測系統50包括載體20、第一氣體感測裝置30以及第二氣體感測裝置40。第一氣體感測裝置30設置於載體20上。第二氣體感測裝置40設置於載體20上。本發明第三實施例的第一氣體感測裝置30和第二氣體感測裝置40之結構相似於第一實施例之氣體感測裝置10(圖1A)或第二實施例之氣體感測裝置60(圖3)，故相同處不再贅述，以下僅對差異處進行說明。也就是說，圖15中的第一氣體感測裝置30和第二氣體感測裝置40是以第一實施例的氣體感測裝置10為例進行繪示，但是第三實施例的氣體感測系統50中的第一氣體感測裝置30和第二氣體感測裝置40可分別置換為第二實施例的氣體感測裝置60(未圖示)，第二氣體感測裝置40包含過濾模組13。以下以第一實施例的氣體感測裝置10為例進行描述，但不限於此。

在本發明之第三實施例中，載體20可為印刷電路板(PCB)塑膠基板。第一氣體感測裝置30不包含過濾模組，而第二氣體感測裝置40包含過濾模組13。

在本發明之第三實施例中，還包括電路（未圖示）、微處理器（未圖示）以及供電裝置（未圖示）。供電裝置可為電池。氣體感測系統50用低雜訊電路來進行數據收集、利用微處理器來演算自第一氣體感測裝置30與第二氣體感測裝置40收集到的數據，以及將演算後的數據利用視覺化軟體來進行數值展示，從而確定至少一種分析物的濃度（例如NO₂ 和/或O₃ ）。氣體感測系統50還可包括溫度偵測和/或濕度偵測元件。

以下說明本發明第三實施例之氣體感測系統50的氣體偵測流程。在本發明之第三實施例中，藉由第一氣體感測裝置30不包含過濾模組，因此可偵測到之待測氣體的濃度將包含可被過濾模組去除之干擾氣體的濃度。另一方面，由於第二氣體感測裝置40包含過濾模組13，因此可偵測到之待測氣體的濃度將不包含被過濾模組去除之干擾氣體的濃度，而是偵測到目標氣體的濃度。藉由將第一氣體感測裝置30所偵測到之待測氣體的濃度減去第二氣體感測裝置40所偵測到之目標氣體的濃度，可獲得被過濾模組去除之干擾氣體的濃度。因此，本發明第三實施例之氣體感測系統50具有準確感測干擾氣體的濃度和目標氣體的濃度之感測功能。

舉例來說，第一氣體感測裝置30偵測到之待測氣體包含二氧化氮和臭氧(R1=[NO₂ ]+[O₃ ])。第二氣體感測裝置40偵測到之待測氣體包含二氧化氮(R2=[NO₂ ])，不包含臭氧(被過濾模組13吸附)。換句話說，第二氣體感測裝置40可偵測目標氣體二氧化氮的濃度。藉由將第一氣體感測裝置30所偵測到之二氧化氮和臭氧的總濃度，扣除第二氣體感測裝置40所偵測到之二氧化氮的濃度，即可獲得臭氧的濃度(R1-R2=[NO₂ ]+[O₃ ]-[NO₂ ]=[O₃ ])。亦即，採取電訊號扣抵的方式，得到目標氣體的濃度訊號。

請參照圖16，圖16係為本發明之包含過濾模組13之第二氣體感測裝置40之濃度偵測圖，橫軸為時間(秒)，縱軸為感測器顯示濃度(ppb)。如圖16所示，在通入濃度為400 ppb之臭氧期間，第二氣體感測裝置40之量測結果沒有特殊的波動。這是因為臭氧完全被過濾模組13吸收分解。由圖16之結果可知第二氣體感測裝置40的偵測結果不受到通入之臭氧的影響。因此，圖16顯示過濾模組13具有優異的臭氧吸收效果。

圖17係為根據本發明第三實施例的氣體感測系統50，測得電流隨時間變化的曲線圖。為了確認本發明之獲得氣體感測系統50之靈敏度，首先以零級空氣產生器和稀釋氣體產生器產生含有不同臭氧濃度值之氣體。將含有臭氧之氣體通入氣體感測系統50獲得相應電流值。同時以臭氧氣體分析儀對氣體進行分析，以再次確定臭氧濃度值。結果請參照圖17，圖17係為根據本發明第二實施例的氣體感測系統50，測得電流隨時間變化的曲線圖。如圖17所示，左邊的縱軸為氣體感測系統50測得的電流值(μA)。右邊的縱軸則為臭氧氣體分析儀（Ecotech serinus 10）測得的臭氧的濃度值(ppb)。橫軸為時間(秒)。由氣體感測系統50測得的電流值相應於臭氧氣體分析儀測得的臭氧的濃度值，所測得的電流值(實線)貼近實際臭氧濃度，可獲得氣體感測系統之靈敏度可達0至100ppb。由圖17之臭氧濃度量測結果可知本發明的氣體感測系統之結構雖不複雜，仍可測得ppb等級濃度的臭氧，具有偵測ppb等級的能力。

請參照圖18，圖18係為根據本發明第三實施例的氣體感測系統50所測得之二氧化氮濃度值圖。如圖18所示，縱軸為本發明之氣體感測系統50測得的二氧化氮濃度值，橫軸為商用之氣體感測器測得的二氧化氮濃度值。結果如圖18所示，例如：座標點(180.0, 181.2)代表商用之氣體感測器測得的二氧化氮濃度為180.0ppb；本發明之氣體感測系統50測得的二氧化氮濃度為181.2ppb。量測曲線可作出回歸曲線關係式y=0.9658x+2.7175，斜率為0.9658非常接近斜率1(代表X=Y)，可知本發明的氣體感測系統50之二氧化氮偵測效果可和商用之氣體感測器的程度類似，所以本發明已具備足夠之可靠度，達到商業化的要求。

綜合以上所述，本發明之氣體感測裝置及氣體感測系統藉由蓋體具有第二開口之直徑小於第一開口的直徑的以及斜坡面結構，調整蓋體周圍的局部流場，從而增加經由第一開口與第二開口進入氣體感測裝置的氣體量。如此一來，隨著進入氣體感測裝置的氣體量提升，本發明之氣體感測裝置偵測氣體濃度的靈敏度和精準度也可得到提升。再者，氣體感測裝置及氣體感測系統藉由包含三元複合金屬之奈米結構的工作電極或包含單金屬顆粒的工作電極和包含金屬氧化物之奈米結構的過濾模組之設置，可高靈敏度與精準度，實現低濃度偵測極限。此外，氣體感測裝置及氣體感測系統可用於長期的環境監測。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

10:氣體感測裝置 11:蓋體 12:氣體感測模組 13:過濾模組 14-1~14-4:導電結構 15:殼體 16:通道 20:載體 30:第一氣體感測裝置 40:第二氣體感測裝置 50:氣體感測系統 60:氣體感測裝置 61:蓋體 62:內容器上座 63:內容器下座 64:氣體感測模組 65:殼體 66:過濾模組 110:頂面 111:氣體通道 112:底面 113:斜坡面 114:壁面 120:電化學感測電極 121:電解液槽 122:第一間隔物 122-1:第一電解液吸濕膜 122-2:第一防水膜 123:第二間隔物 123-1:第二電解液吸濕膜 123-2:第二防水膜 123-3:第五電解液吸濕膜 124:第三電解液吸濕膜 125:第四電解液吸濕膜 126:栓塞 127:電解液 130:固定結構 131:第一電極線 132:第二電極線 133:第三電極線 134:第四電極線 135:選擇性濾材 150:容置空間 620:上槽 621:分隔層 622:下槽 623:凹口 624:連通口 625:第一卡固件 626:支撐塊 630:下座上槽 631:第二卡固件 632:凸起結構 633:密封孔 634:密封件 650:容置空間 651:導電孔 652:通口部 1101:第一開口 1102:第二開口 1103:第三開口 1200:工作電極 1200A:疏水高分子層 1201:第一輔助電極 1201A:疏水高分子層 1201B:第二貫通孔 1202:參考電極 1202A:疏水高分子層 1203:第二輔助電極 1203A:疏水高分子層 1210:開孔 1221:第一貫通孔 1231:第三貫通孔 1222:第一貫通孔吸濕膜 1232:第三貫通孔吸濕膜 12011:第二貫通孔吸濕膜

圖1A係為根據本發明第一實施例所繪示之氣體感測裝置剖面圖。 圖1B係為根據本發明第一實施例所繪示之氣體感測裝置部分放大圖。 圖2係為根據本發明第一實施例所繪示之氣體感測裝置立體圖。 圖3係為根據本發明第二實施例所繪示之氣體感測裝置剖面圖。 圖4係為根據本發明第二實施例所繪示之氣體感測裝置分解圖。 圖5係為根據本發明第二實施例所繪示之氣體感測裝置立體圖。 圖6係為根據本發明第二實施例所繪示之蓋體示意圖。 圖7係為根據本發明第二實施例所繪示之過濾模組示意圖。 圖8係為根據本發明第二實施例所繪示之氣體感測模組剖面圖。 圖9係為根據本發明第二實施例所繪示之氣體感測模組疊層爆炸示意圖。 圖10係為根據本發明第二實施例所繪示之內容器上座示意圖。 圖11係為根據本發明第二實施例所繪示之內容器下座示意圖。 圖12係為根據本發明第二實施例所繪示之殼體示意圖。 圖13A和13B係為根據本發明第一實施例和/或第二實施例與比較例之流場分佈圖。 圖14係為金屬氧化物和疏水高分子結合為整體以構成選擇性濾材之SEM圖。 圖15係為根據本發明第三實施例的氣體感測系統示意圖。 圖16係為本發明之包含過濾模組之氣體感測裝置之濃度偵測圖。 圖17係為根據本發明第三實施例的氣體感測系統，測得電流隨時間變化的曲線圖。 圖18係為根據本發明第三實施例的氣體感測系統所測得之二氧化氮濃度值圖。

10:氣體感測裝置

11:蓋體

12:氣體感測模組

13:過濾模組

14-1~14-4:導電結構

15:殼體

16:通道

110:頂面

111:氣體通道

112:底面

113:斜坡面

114:壁面

120:電化學感測電極

121:電解液槽

122:第一間隔物

123:第二間隔物

124:第三電解液吸濕膜

125:第四電解液吸濕膜

127:電解液

130:固定結構

135:選擇性濾材

150:容置空間

1100:通道

1101:第一開口

1102:第二開口

1103:第三開口

1200:工作電極

1201:第一輔助電極

1202:參考電極

1203:第二輔助電極

Claims (12)

1. 一種氣體感測裝置，包括：一殼體，具有一容置空間；一蓋體，設置於該殼體上，該蓋體具有一頂面、一底面和一氣體通道，該底面面向該容置空間，該氣體通道與該容置空間相連通，該氣體通道具有一第一開口與一第二開口，該第一開口位於該頂面，該第二開口位於該底面，該第一開口之面積大於該第二開口之面積；以及一氣體感測模組，設置於該容置空間中；其中該氣體感測模組包含一工作電極、一第一輔助電極、一參考電極、一第二輔助電極、和一電解液槽，該第一輔助電極位於該工作電極與該參考電極之間，該參考電極位於該第一輔助電極與該第二輔助電極之間，該第二輔助電極位於該參考電極與該電解液槽之間，該工作電極包含一多孔材料以及承載在該多孔材料上的一奈米線結構，該奈米線結構為一三元複合金屬。
2. 如請求項1所述之氣體感測裝置，更包含一過濾模組，該過濾模組包含一固定結構與一選擇性濾材，該固定結構設置於該蓋體且位於該容置空間中，該選擇性濾材設置於該固定結構內，且該選擇性濾材遮蔽該第二開口，該選擇性濾材包含一金屬氧化物，該金屬氧化物具有一一維奈米結構。
3. 如請求項2所述之氣體感測裝置，其中該一維奈米結構為β或γ晶相一維奈米結構。
4. 如請求項3所述之氣體感測裝置，其中該金屬氧化物包含二氧化錳、三氧化二錳、四氧化三錳或氫氧化氧錳(MnOOH)。
5. 如請求項1所述之氣體感測裝置，其中該三元複合金屬選自由鉑、鈀、鈷、銀、錫、銅、鎳、金、釕所構成的任意三種金屬所組合而成之群組。
6. 如請求項5所述之氣體感測裝置，其中該三元複合金屬包含鉑鈷銀金屬(PtCoAg)、鉑錫銀(PtSnAg)、鉑鈀鎳(PtPdNi)。
7. 一種氣體感測裝置，包括：一殼體，具有一容置空間；一蓋體，設置於該殼體上，該蓋體具有一頂面、一底面和一氣體通道，該底面面向該容置空間，該氣體通道與該容置空間相連通，該氣體通道具有一第一開口與一第二開口，該第一開口位於該頂面，該第二開口位於該底面，該第一開口之面積大於該第二開口之面積；以及一氣體感測模組，設置於該容置空間中；其中該氣體感測模組包含一工作電極、一第一輔助電極、一參考電極、一第二輔助電極、和一電解液槽，該第一輔助電極位於該工作電極與該參考電極之間，該參考電極位於該第一輔助電極與該第二輔助電極之間，該第二輔助電極位於該參考電極與該電解液槽之間，該工作電極包含一多孔材料以及承載在該多孔材料上的多個單原子金屬顆粒，該些金屬顆粒由鉑、鈀、鈷、銀、錫、銅、鎳、金、釕其中之一所構成。
8. 一種氣體感測裝置，包括：一殼體，具有一容置空間；一蓋體，設置於該殼體上，該蓋體具有一頂面、一底面和一氣體通道，該底面面向該容置空間，該氣體通道與該容置空間相連通，該氣體通道具有 一第一開口與一第二開口，該第一開口位於該頂面，該第二開口位於該底面，該第一開口之面積大於該第二開口之面積；以及一氣體感測模組，設置於該容置空間中；其中該氣體感測模組包含一工作電極、一第一輔助電極、一參考電極、一第二輔助電極、和一電解液槽，該第一輔助電極位於該工作電極與該參考電極之間，該參考電極位於該第一輔助電極與該第二輔助電極之間，該第二輔助電極位於該參考電極與該電解液槽之間，該工作電極包含一多孔材料以及承載在該多孔材料上的多個第一金屬顆粒和多個第二金屬顆粒，該些第一金屬顆粒由鉑、鈀、鈷、銀、錫、銅、鎳、金、釕其中之一的單原子所構成，該些第二金屬顆粒由鉑、鈀、鈷、銀、錫、銅、鎳、金、釕其中之一的單原子所構成，且該些第二金屬顆粒與該些第一金屬顆粒由不同金屬所構成。
9. 一種氣體感測系統，包括：一載體；一第一氣體感測裝置，設置於該載體上，該第一氣體感測裝置具有如請求項1、5、7-8中任一項所載之氣體感測裝置之結構；以及一第二氣體感測裝置，設置於該載體上，該第二氣體感測裝置具有如請求項1、5、7-8中任一項所載之氣體感測裝置之結構，該第二氣體感測裝置更包含一過濾模組，該過濾模組包含一固定結構與一選擇性濾材，該固定結構設置於該蓋體且位於該容置空間中，該選擇性濾材設置於該固定結構中，且該選擇性濾材遮蔽該第二開口。
10. 如請求項9所述之氣體感測系統，其中該選擇性濾材包含一金屬氧化物，該金屬氧化物具有一一維奈米結構。
11. 如請求項10所述之氣體感測系統，其中該一維奈米結構為β或γ晶相一維奈米結構。
12. 如請求項10所述之氣體感測系統，其中該金屬氧化物包含二氧化錳、三氧化二錳、四氧化三錳或氫氧化氧錳(MnOOH)。

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