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研究生: 劉峻任
Liu, Chun-Jen
論文名稱: 高感度奈米結構NOx氣體感測器特性之研究
Investigation of High Sensitivity Nanostructured NOx Gas Sensor
指導教授: 李欣縈
Lee, Hsin-Ying
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 理學院 - 光電科學與工程學系
Department of Photonics
論文出版年: 2017
畢業學年度: 105
語文別: 中文
論文頁數: 49
中文關鍵詞: 一氧化氮氣體感測器二氧化錫三氧化鎢
外文關鍵詞: NO gas sensors, SnO2 nanoparticles, WO3 nanoparticles
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  • 本論文主要研究二氧化錫(SnO2)/三氧化鎢(WO3)複合式奈米球之NOx氣體感測器,有別於一般單使用二氧化錫為感測層,因三氧化鎢材料對於二氧化氮(NO2)有良好的感測性質,可以克服NOx易受環境影響使得氣體在NO與NO2間轉換,造成感測器之穩定性受到干擾與衰減感測之情況。與傳統薄膜式氣體感測器相比,本研究藉由二氧化錫奈米球與三氧化鎢奈米球堆疊可以大幅提升感測表面積,並搭配催化金屬增加氣體反應靈敏度,以及利用矽基微加熱器作為感測器基板,可使元件操作於最佳工作溫度,研究不同二氧化錫奈米球與三氧化鎢奈米球混合比例及奈米球感測層進行不同溫度熱處理對氣體感測器之影響。
    本論文首先研究具單一奈米球結構感測層的氣體感測器,元件操作溫度為100 oC,以單一結構二氧化錫奈米球作為感測層時的氣體感測元件之響應度(Rg/Ra)於900、700、500及300 ppb一氧化氮濃度氣氛下分別為1.35、1.24、1.16及1.06。另以最佳比例0.25:1(重量比)的三氧化鎢與二氧化錫複合奈米球作為氣體感測器之感測層,以500 oC鍛燒處理此複合奈米球感測層,並使用薄金(Au)作為催化金屬,具金催化金屬之複合奈米球氣體感測器元件在操作溫度為250 oC下,於700、500、300及200 ppb一氧化氮濃度中,元件的響應度分別為1.77、1.56、1.31與1.20。實驗結果顯示,具複合式奈米球結構之感測器,無論響應度或量測極限皆明顯高於單一奈米球元件量測之結果,說明利用複合式奈米球結構所製作之氣體感測器不僅可有效改善感測響應特性,更可提升元件的量測極限濃度值達200 ppb。本實驗所開發之感測元件技術具有低成本高感度的優勢,同時亦具有低感測極限,未來可望應用至氣體感測相關元件之開發與應用。

    In this study, the layers of WO3/SnO2 complex nanoparticles, instead of pure SnO2 or WO3, were applied for sensing nitrogen oxide (NO) gas. the gas sensors with WO3:SnO2 (0.25:1) complex nanoparticle sensing layer in order to overcome the environmental impact of gas sensors, because the NO gas is easily reacted to form NO2 gas, the resulting NO gas sensors are seriously affected and degraded. Furthermore, by performing an annealing process at 500°C and then depositing a gold (Au) catalytic metal layer on the annealed WO3/SnO2 complex nanoparticles, the resulting NO gas sensors exhibited the sensing response of 1.77, 1.56, 1.31 and 1.20 under the NO gas concentration of 700 ppb, 500 ppb, 300 ppb, and 200 ppb, respectively. Moreover, the lowest detection limit of the NO gas sensors with Au covered WO3:SnO2 (0.25:1) complex nanoparticle sensing layer was also extended from 300 to 200 ppb compared with the NO gas sensors with pure SnO2 nanoparticle sensing layer.

    摘要 I Abstract Ⅲ 誌謝 X 目錄 XI 表目錄 XIV 圖目錄 XV 第一章 序論 1 1.1 前言 1 1.2 一氧化氮氣體感測的重要性 2 1.3 研究動機 3 第二章 理論基礎及文獻回顧 4 2.1 感測器介紹 4 2.1.1 電化學型感測器(Electrochemical Sensor)4 2.1.2 催化燃燒式感測器 (Catalytic Sensor) 4 2.1.3 紅外線型感測器(Infrared Sensor) 5 2.1.4 場效電晶體型感測器(Field-Effect Transistor Sensor) 5 2.1.5 金屬氧化物半導體型感測器(Metal Oxide Semiconductor Sensor) 5 2.2 感測材料介紹 6 2.2.1 二氧化錫(SnO2) 6 2.2.2 三氧化鎢(WO3) 6 2.3 氣體感測原理 7 2.4 摻雜對於氣體感測作用 9 2.4.1 內部摻雜 9 2.4.2 外部摻雜 10 第三章 實驗系統與量測 16 3.1 實驗材料 16 3.2 氣體感測量測系統及操作流程 16 3.3 感測層性質量測 18 3.3.1 膜厚與沉積速率量測 18 3.3.2 表面形貌分析 18 3.4 具單一奈米球結構感測層之NOx氣體感測器製作與量測 19 3.5 具複合奈米球結構感測層之NOx氣體感測器製作與量測 21 第四章 實驗結果與討論 27 4.1 具單一奈米球結構感測層之NOx氣體感測器量測 27 4.1.1 二氧化錫奈米球氣體感測器對一氧化氮之感測特性 27 4.1.2 三氧化鎢奈米球氣體感測器對二氧化氮之感測特性 28 4.2 具複合奈米球結構感測層之NOx氣體感測器量測 29 4.2.1 不同比例三氧化鎢/二氧化錫奈米球氣體感測器對一氧化氮之感測特性 29 4.2.2 三氧化鎢/二氧化錫(0.25:1)奈米球氣體感測器對一氧化氮之感測特性 30 4.2.3 具催化金屬金的三氧化鎢/二氧化錫(0.25:1)奈米球氣體感測器對一氧化氮之感測特性 31 4.2.4 鍛燒溫度與工作溫度對感測特性之影響 32 4.2.5 重複性與選擇性探討 33 第五章 結論 46 參考文獻 47

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