TWI374265B - Gas sensor - Google Patents
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TW4853FA 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種氣辦成 種利用氣體吸收材來改變平面=裔’ 士特別疋有關於 頻率之氣體感測器。 …感電谷共振器的共振 【先前技術】 為達到農產品之分時銷售、# 4、， 置蔬果農產品衛星工廠或加工包；鮮：”管制’設 執丄 裝工廠疋目月一大趨 勢。由於台灣農業為小面積耕秸 ν 只祈種型態，農業個體戶無法承 2選與分級設備之成本，故若要達到農產品分級化必須 ，由衛星玉廠分散成本。目前針對水果進行分級之案例較 =主要針對水果之甜度、大小、熟度與含水量等果實品 :條件進行分選與分級’主要彻之技術有影像色澤檢測 \、GC氣相沉積法、MRI核磁共振與IR紅外線光譜等。 這些技術所使用之設備不僅體積龐大且價格十分昂貴。 1比較便宜的技術係由人工使用甜度計等手持設備進行 貝】，但此種技術屬於破壞式檢測且需較多人力成本。 農產品經過分選後再進行裝箱保存或運銷等處理，為 到農產品分時銷售之管理架構’農產品之保存格外重 押。目前較先進之技術主要針對冷藏保鮮庫之環境進行監 二，^保存環境之溫度、濕度及二氧化碳濃度進行監 則4=存時間軸之部分主要利用人力紀錄為主。目前 〜針對早箱或單批蔬果儲存進行分時銷售管控之技術 13/4265
TW4853PA 或電子化技術。 龄來說，傳_做法缺點如下· /檢測設備_龐大。 一、设備價格昂貴。 三、需要較多人力成本 控。四、Μ針料践單歸㈣麵彳請時銷售管
【發明内容】 解决傳統做法的缺 果儲存進行分時銷 本發明係有關於一種氣體感測器 點，而具有至少如下優點： 一、體積小； 二、 價格便宜； 三、 製造簡單；
四、 大幅降低人力成本；以及 五、 能夠有效地針對單箱或單抵荷 售管控。 平面式電感電容共振器及氣體吸收材益：：感測器包括 振器包括電感電極及電容電極，且電 ：電感電容共 電極。氣體吸收材係與電容電極之至少—部電: 外，氣體感測器更可包括-介電材，盆：連接。此 氣體吸收材及該電容電極相連接。氣體吸二== 1374265
TW4853PA 體濃度的變化’改變平面式f感電容共㈣之共振頻率。 為讓本發明之上述内容能更日細易懂，下文特舉較佳 實施例’並配合所_式，作詳細說明如下： 【實施方式】 為了料傳統做法的諸項缺點，本發明提供—種氣體 感測益。氣體感測器包括平面今 式電感電容共振器及氣體吸 =。+面式電感電容共振器包㈣Μ 且電容電極係連接至電感電極。氣體吸】 之至少-部份相連接。氣體吸收 極 ^ ^ -V' ^ ^ ^ ^收材根據待测氣體濃度的變 化，改鍵千面式電感電容共振器之共振頻率。 氣體吸收材可視待測氣體的種類 收材’如乙烯氣體吸收材' —氣 +⑽虱體及 碳氣體吸收材等。舉例來說，U ^ _吸收材或二氧化 cyclopropene，1-MCP)可用作乙埽翁二丙烯 〇-methyl (Carbon Nano Tube，CNT)可用作乙嫌0收材，奈米碳官 化碳等氣體吸收材，活性碳則為常7魏碳或是二氧 氣體吸收材，高猛酸鉀則是會β及收㈣及㈣以作為 酸钟，可用作偵測乙稀的氣體吸收〜將之轉化成過猛 域中具有通常知識者可視實際需要’而適 氣體吸收材’上述僅為舉例說明。而氣調整使用不 平面式電感電容共振器使得本發明至小收材搭配簡易的 一、 體積小； 至-具有如下優點： 二、 價格便宜； 1374265
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TW4853PA 三、 製造簡單； 四、 大幅降低人力成本；以及 ' 五、能夠有效地針對單箱或單批蔬果儲存進行分時銷 v 售管控。 為使本發明更為清晰易懂，後述將例舉數個實施例進 一步說明。 第一實施例 • 請參照第1圖，其繪示依照本發明第一實施例的一種 氣體感測器之局部剖面吊意圖。氣體感測器10包括電感 電極110、電容電極120及氣體吸收材130。在本實施例 中，氣體吸收材130係設置在電感電極110與電容電極120 的下方，而與電容電極120部份相連接。設置於氣體吸收 材130上之電感電極110及電容電極120係分別形成電感 及電容，以做為平面式電感電容共振器中的共振元件。當 待測氣體濃度改變時，氣體吸收材130所吸附之待測氣體 ® 分子的量就會改變，而使得氣體吸收材130本身的介電常 數發生變化，進而改變電容值的大小。如此一來，平面式 電感電容共振器的共振頻率即隨之改變。吾人藉由偵測共 振頻率之改變即能得知待測氣體的濃度變化，而偵測共振 頻率之設備例如為向量式網路分析儀（Vector Network Analyzer，νΝΛ)。 一般來說，農產品成熟時會釋放出乙烯或二氧化碳等 氣體。當氣體感測器10應用於偵測農產品成熟與否時， 1374265
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TW4853PA 吾人能選擇適當的氣體吸收材130來使用。氣體吸收材可 分為氣體吸附材與氣體反應材。其中，氣體吸附材為其材 ： 料本身因其表面官能機特性之不同，使得特定之氣體可以 ·· 化學或物理吸附方式，吸附於氣體吸附材上。但材料基本 結構並不與氣體產生物理或化學反應。而氣體反應材因其 材料結構與特性，可與氣體產生化學反應導致其結構或化 性產生變化，例如材料受氣體影響產生氧化或還原反應 等。一般常見的氣體吸附材例如係選自卜曱基環丙烯、活 ❿ 性碳、氯化锆(ZrCl2)、幾丁聚醣、高猛酸鉀、帶有鈀金屬 之銀金屬之聚丙烯醯胺（Polyacrylic amide)高分子聚合物 及竹淬液所組成的族群中。氣體反應材例如係選自金屬氧 化物催化、鉑-氧化鈦複合物（Pt-Ti02)、鉑金化合物（Pt TMOSFET)、鉑-氧化錫複合物(Pt-Sn02)、奈米碳管及具有 銀離子（Ag+)之材料所組成的族群中。當然，所屬技術領域 中具有通常知識者可視實際需要，而適當的調整使用不同的氣 I 體吸收材，上述僅為舉例說明。 第二實施例 請參照第2圖，其繪示依照本發明第二實施例的一種 氣體感測器之局部剖面示意圖。第二實施例繪示之氣體感 測器20與第1圖繪示之氣體感測器10不同之處在於：氣 體感測器20更包括基板240,且基板240位於氣體吸收材 130的下方，用以設置氣體吸收材130。而第一實施例是 直接將氣體吸收材130做為基板來使用。而氣體感測器20 9 工374265
TW4853PA 作用原理及可選擇使用的氣體吸收材130與前述氣體感測 器10雷同’在此不予贅述。 4. 弟三實施例 請參照第3圖，其繪示依照本發明第三實施例的一種 氣體感測器之局部剖面示意圖。第三實施例繪示之氣體感 測器30與第1圖繪示之氣體感測器10不同之處在於：除 了有氣體吸收材130設置在電感電極11〇與電容電極120 鲁的下方之外，氣體感測器30更包括另一氣體吸收材350 ’ 且氣體吸收材350覆蓋於電容電極120上，增加了與電容 電極120連接的面積。本實施例的結構設計’由於在電容 電極120的周圍與下方有氣體吸收材350與130，因此可 同時偵測平面式電感電容共振器的上部與下部環境之氣 體濃度。當氣體吸收材350與130二者或其一所吸附之待 測氣體分子的量一發生改變，就可以改變電容值的大小， 進而使得平面式電感電容共振器的共振頻率改變來得知 待測氣體的濃度邊化’因此能夠增加氣體感測器3 〇的感 測性。 當然，在本實施例中，電容電極120的上下部分是分 別與氣體吸收材350、130相連接的，吾人也可以將氣體 吸收材130以基板2/0來取代之，此時僅有氣體吸收材35〇 將電容電極12〇覆蓋，而與電容電極12〇相連接，因此可 偵測平面式電感電容共振器的上部環境之氣體濃度。而氣 體吸收材35〇可利用印刷、物理鍍膜、化學錢_、電鑛或 1374265
TW4853PA 轉印等方式進行製作。 . 氣體吸收材350、130可為相同或不同的材料，例如 為前述氣體吸附材或氣體反應材，在此不予贅述。
請參照第4圖，其繪示依照本發明第四實施例的一種 氧體感測器之局部剖面示意圖。第四實施例繪示之氣體感 測器40與第3圖繪示之氣體感測器30不同之處在於：氣 體感測益40更包括基板240’且基板24Ό位於氣體吸收材 130的下方，用以設置氣體吸收材π〇。而第三實施例是 直接將氣體吸收材130做為基板來使用。 Μλλμμ. 請參照第5圖’其繪示依照本發明第五實施例的一種 氣體感測器之局部剖面示意圖。第五實施例繪示之氣體感 測器50與第3圖繪示之氣體感測器30不同之處在於：氣 體吸收材350並非直接覆蓋在電容電極120上，而是由介 電材560覆蓋在電容電極12〇上，氣體吸收材350再設置 於介電材560的上方。本實施例的詰構設計，由於在介電 材560的上下皆有氣體吸收封35〇與130，當氣體吸收材 350與130二者或其一所°及附之待測氣體分子的量一發生 改變’其本身的介電常數就會發生變化’進而使得與其連 接的介電材560的介電常數產生明顯的變化，由於介電材 560覆蓋在電容電極120上而與電容電極12〇連接，因此 1374265
TW4853PA & w電材560的介電常數發生變化時電容值就會跟著改 .變，進而使得平面式電感電容共振器的共振頻率改變，來 得知待測氣體的濃度變化。在本實施例中，由於氣體吸收 ’材350或130之介電常數微量的變化會使得與其連接的 介電材560之介電常數產生明顯的變化，因此可藉由介電 材560的設置來增加氣體感測器5〇的感測能力。介電材 560係選自乙烯醇類、聚乙烯胺、二氧化矽（si〇2)、二氧化 欽(Τι〇2)、氧化鋅(zn〇)及二氧化錫（Sn〇2)組成的族群中， • 所屬技術領域令具有通常知識者可視實際需要，而適當的調整 使用不同的介電材’上述僅為舉例說明。 當然’在本實施例中，介電材560的上下部分是分別 與氣體吸收材350、130相連接的，吾人也可以將氣體吸 收材130以基板240來取代之，此時僅有氣體吸收材350 設置在介電材560的上方並與介電材相連接，因此可偵測 平面式電感電容共振器的上部環境之氣體濃度。 請參照第12圖’其繪示係為依照本發明第五實施例 ® 的又一種氣體感測器之局部剖面示意圖。第12圖繪示之 氣體感測器200與第5圖繪示之氣體感測器50不同之處 在於：第5圖之氣體吸收材130於第12圖係以基板240 取代。此時僅有氣體吸收材350設置在介電材560的上方 益與介電材560相連接，因此可偵測平面式電感電容共振 器的上部環境之氣體濃度。 請參照第13圖，其繪示係為不同介電材之頻率變化 圖。以使用如第12圖之氣體感測器200為例，曲線131 〇 1374265
參 I
TW4853PA 係為無披覆介電材560之頻率變化曲線；曲線1320係為 彼覆乙烯醇類介電材560之頻率變化曲線；曲線1330係 1 為披覆聚乙烯胺介電材560之頻率變化曲線。吾人從第13 * 圖可看出披覆乙烯醇類介電材後之頻率變化相當地穩 定，不會產生頻飄的現象。因此，將進一步提高測量氣體 變化濃度的精確度。 第六實施例 • 請參照第6圖，其繪示依照本發明第六實施例的一種 氣體感測器之局部剖面示意圖。第六實施例繪示之氣體感 測器60與第5圖繪示之氣體感測器50不同之處在於：氣 體吸收材130係設置於基板240上，且介電材560上方並 沒有設置氣體吸收材350。藉由位於基板240上方的氣體 吸收材130介電常數的變化，使得與氣體吸收材130連接 的介電材560之介電常數一併發生改變，由於介電材560 係覆蓋在電容電極120上而與其相連接，因此當介電材560 ® 的介電常數發生變化時，電容值隨之而改變，進而使得平 面式電感電容共振器的共振頻率改變，來得知待測氣體的 濃度變化。 第七實施例 請參照第7圖，其繪示依照本發明第七實施例的一種 氣體感測器之局部剖面示意圖。第七實施例繪示之氣體感 測器70與第5圖繪示之氣體感測器50不同之處在於：氣 13 1374265 • »
TW4853PA 體感測器70更包括基板240,且基板240位於氣體吸收材 ‘ 1的下方，用以設置氣體吸收材13〇。而第五實施例是 直接將氣體吸收材130做為基板來使用。 ♦ 前述電感電極110及電容電極12〇例如係以印刷、物 理鍍膜、化學鍍膜、電鍍或轉印等方式進行製作。電感電 極110及電容電極120之形狀可視設計需求而不同。舉例 來說，電感電極1 ίο例如係為平面螺旋狀，而電容電極120 例如係為平面對稱指叉狀、平面對稱矩形或單一平面電 極。下述將分別以第8圖至第10圖繪示進一步說明。 "月參照第8圖，其繪示第一種平面式電感電容共振器 之示意圖。於第8圖繪示之平面式電感電容共振器80中， 刚述電感電極110於第8圖係以電感電極uofi)表示， 而電容電極120係以電容電極120 (1)表示。電感電極 lio(i)係為平面螺旋狀，而電容電極12〇(1)係為平面對稱 鲁指叉狀。由於電容電極120(1)為平面對稱指叉狀，因此吾 人了將其視為多個單一電容並聯。如此一來，電容電極12〇 (1)之等效電容值即能大幅地提高。 ，參照第9圖，其繪示第二種平面式電感電容共振器 之示意圖。於第9圖繪示之平面式電感電容共振器9〇中， 則述電感電極110於第9圖係以電感電極noci)表示， 而電容電極120係以電容電極12〇 (2)表示。平面式電感 電容共振器90與前述第8圖繪示之平面式電感電容共振 器80不同之處在於：電容電極12〇(2)係為平面對稱矩形。 1374265
TW4853PA 。。請參照第10圖，其繪示第三種平面式電感電容共振 、=之：意圖。於第10圖繪示之平面式電感電容共振器100 , 則述電感電極110於第10圖係以電感電極110 (1) 表示’而電容電極120係以電容電極120(3)表示。平面 ^電感電容共振器100與前述第8圖繪示之平面式電感電 谷共振器80不同之處在於：電容電極120(3)係為單一平 面電極。 φ M當然，第8圖至第10圖所繪示的平面式電感電容共 振器s 了使用在别述之所有實施例中，所屬技術領域中且 有通¥知識者可視實際需要，而適當的調整使用不同的平面 式電感電容共振器，搭配不同的實施例組合，上述僅為舉 例說明。 δ月參照第11圖，其繪示係為共振頻率隨時間改變之 示意圖。為方便說明起見，第u圖係以青木瓜為例進行 測試’使用如第8圖之平面式電感電容共振器，採用第三 鲁實施例中的氣體感測器30,其中所使用的氣體吸收材為帶 有把金屬之銀金屬之聚丙烯醯胺高分子聚合物，用以量測 乙烯氣體，由第11圖中可以說明共振頻率的變化情形。 由於青木瓜會隨著時間增加而逐漸成熟，因此將釋放出乙 烯氣體。而氣體吸收材吸收乙烯氣體分子，使得平面式電 感電谷共振器之電容值改變，進而造成平面式電感電容共 振器之共振頻率將隨著時間而逐漸下降。 本發明上述實施例所揭露之氣體感測器，其氣體吸收 材可視待測氣體的種類選擇不同的氣體吸附材或氣體反 15 1374265
• I
TW4853PA 應材。此外，電容電極的設計方式可視設計需求選擇平面 對稱指叉狀、平面對稱矩形或單一平面電極等等。上述實 ' 施例揭露之氣體感測器不僅體積小且價格便宜。此外，上 £ 述實施例揭露之氣體感測器的製造相當簡單，如將其應用 於農產品的檢測分類上，將大幅降低人力成本。再者，吾 人利用上述氣體偵測器對單箱或單批蔬果進行偵測即能 有效地判斷個別農產品的成熟狀況，進而達到對單箱或單 批蔬果儲存進行分時銷售管控的目的。 ® 綜上所述，雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上， 然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通 常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍内，當可作各種 之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請 專利範圍所界定者為準。 【圖式簡單說明】 第1圖繪示依照本發明第一實施例的一種氣體感測 器之局部剖面示意圖。 ® 第2圖繪示依照本發明第二實施例的一種氣體感測 器之局部剖面示意圖。 第3圖繪示依照本發明第三實施例的一種氣體感測 器之局部剖面示意圖。 第4圖繪示依照本發明第四實施例的一種氣體感測 器之局部剖面示意圖。 第5圖繪示依照本發明第五實施例的一種氣體感測 器之局部剖面示意圖。 16 X只 1374265
TW4853PA 六實施例的一種氣體感硎 七實施例的一種氣體感測 第6圖繪示依照本發明第 器之局部剖面示意圖。 第7圖繪示依照本發明第 裔之局部剖面示意圖。 示第一種平面式電感電容共振器之示意圖 圖4不第二種平面式電感電容共振器之示意圖 10圖緣示第三種平面式電感電容共振器之示意
第11圖繪示係為共振頻率隨時間改變之示意圖。 第12圖♦不係為依照本發明第五實施例的又一種氣 體感測器之局部剖面示意圖。 第13圖!會示係為不同介電材之頻錢化圖。 【主要元件符號說明】 10、20、30、40、50、60、70、200 :氣體感測器 11〇、110 (1广電感電極 120、120 (1)、12〇 (2)、12〇 (3):電容電極 130、350 :氣體吸收材 240 =基板 560 :介電材 80、90、1G0 :平面式電感電容共振器 ：i
Claims (1)
1374265 年丨’月丨3日修正本丨 ^55 2011/12/13_151 申復 & 修正 十、申請專利範圍： 1. 一種氣體感測器，包括： 一平面式電感電容共振器，包括： 一電感電極；及 一電容電極，係連接至該電感電極；以及 一氣體吸收材，係與該電容電極之至少一部份相連 接；
一介電材，係與該氣體吸收材及該電容電極相連接； 其中該氣體吸收材根據一待測氣體濃度的變化，改變 該平面式電感電容共振器之一共振頻率。 2. 如申請專利範圍第1項所述之氣體感測器，其中 該電容電極係設置於該氣體吸收材上，而與該氣體吸收材 相連接。 3. 如申請專利範圍第1項所述之氣體感測器，其中 該氣體吸收材係覆蓋於該電容電極上，而與該電容電極相 連接。
4. 如申請專利範圍第1項所述之氣體感測器，更包 括： 一基板’用以設置該氣體吸收材。 5. 如申請專利範圍第2項所述之氣體感測器，更包 括： 另一氣體吸收材，係覆蓋於該電容電極上而與該電容 電極相連接。 18 1374265 2011/12/13」5*申復&修正 6.如申請專利範圍第i項所述之氣體感測器，其中 該介電材係選自乙烯醇類、聚乙烯胺、二氧化矽（Si〇2)、 二氧化鈦(Ti〇2)、氧化鋅(Zn0)及二氧化錫（Sn〇2)組成的族 群中。 7·如申請專利範圍第1項所述之氣體感測器，更包 括： 一基板，用以設置該電容電極，且該介電材係覆蓋於 該電容電極上，該氣體吸收材設置於該介電材上。 8. 如申請專利範圍第i項所述之氣體感測器，更包 括： 一^板，用以設置該氣體吸收材，且該電容電極係設 置於該氣體吸收材上，該介電材係覆蓋於該電容電極上。 9. 如申請專利範圍第8項所述之氣體感測器，更包 括： 另一氣體吸收材，係設置於該介電材上。 10. 如申請專利範圍第1項所述之氣體感測器，其中 該氣體吸收材係為氣體反應材。 U.如申請專利範圍第10項所述之氣體感測器，其 中該氣體反應材係選自金屬氧化物催化、鉑-氧化鈦複合物 (Pt-Tl〇2)、翻金化合物(PtTMOSFET)、鉑-氧化錫複合物 (Pt_Sn〇2)、奈米碳管（Carbon Nano Tube，CNT)及具有銀離 子(Ag )之材料所組成的族群中。 12.如申請專利範圍第1項所述之氣體感測器，其中 該氣體吸收材係為氣體吸附材。 1374265 2011/12/13^51 申復 & 修正 13. 如申請專利範圍第12項所述之氣體感測器，其 中該氣體吸附材係選自1-曱基環丙浠（1-methyl cyclopropene，1-MCP)、活性碳、氯化錯(ZrCl2)、幾丁 聚醋' 高猛酸钟、帶有纪金屬之銀金屬之聚丙烯醯胺（Poly acrylic amide)高分子聚合物及竹淬液所組成的族群中。 14. 如申請專利範圍第1項所述之氣體感測器，其中 該電容電極係為一單一平面電極。 15. 如申請專利範圍第1項所述之氣體感測器，其中 該電容電極係為平面對稱指叉狀。 16. 如申請專利範圍第1項所述之氣體感測器，其中 該電容電極係為平面對稱矩形。 17. 如申請專利範圍第1項所述之氣體感測器，其中 該電感電極係為平面螺旋狀。 18. 如申請專利範圍第1項所述之氣體感測器，其中 該氣體吸收材係為乙烯氣體吸收材。 19. 如申請專利範圍第1項所述之氣體感測器，其中 該氣體吸收材係為一氧化碳氣體吸收材。 20. 如申請專利範圍第1項所述之氣體感測器，其中 該氣體吸收材係為二氧化碳氣體吸收材。 20
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