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研究生： 廖仁瑞
Liao, Ren-Ray
論文名稱： 微機電技術製作之白金觸媒反應系統的研發
Development of Microfabricated Pt Catalyst and Temperature Sensors for A Micro Gas Reactor
指導教授： 呂宗行
Leu, Tzong-Shyng
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 航空太空工程學系
Department of Aeronautics & Astronautics
論文出版年： 2002
畢業學年度： 90
語文別： 中文
論文頁數： 96
中文關鍵詞： 溫度感測器 、白金 、觸媒反應 、微機電
外文關鍵詞： Catalyst, MEMS, Temperature sensor, Platinum
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    • 　　隨著高科技產業的發展，對於微衛星及微飛機等小型飛行載具的需求及其功能的要求也相對的提高，因此研發微小的能量供應器已是刻不容緩的工作。而觸媒燃燒反應以高活性的觸媒表面，提供燃氣在低溫及低當量比的狀態下氧化、釋熱，由於其降低反應活化能的特性，使其成為近年來倍受各界矚目且一致認為最有潛力的燃燒技術。
    本研究以氫氣與氧氣在白金觸媒平板上的放熱反應作為能量的來源，配合微機電技術將白金薄膜電阻製作於基材為玻璃的晶片上，以此為反應所需的觸媒及溫度量測元件，並與蝕刻出微流道的上蓋板結合成微反應系統，便可利用感測器得知反應系統管道內溫度變化的劇烈程度。
    　　利用流量來控制微管道內反應氣體的流速以進行實驗，當晶片預熱溫度為400℃時，燃氣於管道入口附近即產生釋熱反應，並隨著流速增加，反應溫度亦隨之上升，最高溫可達498℃。本文對實驗所得數據進行分析但所得推論仍需更多的實驗來加以證明與探討。

    　　Due to booming development of MEMS technology, it is clamant to develop mini-scale power supply systems because the requirement of powerful micro-satellite and micro air vehicle are increasing. As we know, the catalysis from the active surface makes the chemical reaction alive in low temperature and lean fuel conditions. Therefore, the micro catalyst reaction is recognized by more and more people to be the most potential micro-scale combustion technology.
    In this thesis, the catalysis from reaction of hydrogen and oxygen on Pt film is the power source of micro reactors, which designed and fabricated by MEMS technology. The Pt thin film resistors, which fabricated on glass substrate, are used to be the catalyst and temperature sensors. After bonding this chip with the glass base channel etched by BOE, the reactor is already to making tests.
    　　The velocity of reaction gas in channel is controlled by gas flow rate. When the preheat temperature of reaction chip is 400℃,the reaction is displacement near the inlet of channel. The reaction temperature is increasing with increase of flow velocity, and the highest temperature of the reactor is 498℃.However the conclusion in this thesis must have more experiments and disputations to prove the suppositions.

    目錄 中文摘要……………………………………………………………………I 英文摘要……………………………………………………………………II 致謝………………………………………………………………………III 目錄………………………………………………………………………IV 表目錄……………………………………………………………………VIII 圖目錄………………………………………………………………………IX 第一章 緒論………………………………………………………… 1 1-1 前言…………………………………………………………………… 1 1-2 簡介微機電系統……………………………………………………… 4 1-3 研究動機與目的……………………………………………………… 5 1-4 文獻回顧……………………………………………………………… 6 第二章 實驗設計與原理……………………………………………………9 2-1-1 觸媒反應器設計原理……………………………………………… 9 2-1-2 氫氧觸媒反應原理………………………………………………… 10 2-2 微溫度感測器………………………………………………………… 12 2-2-1 鉑熱電阻感測器原理與設計……………………………………… 13 2-2-2 電阻溫度係數……………………………………………………… 13 2-2-3電阻值的計算與設計……………………………………………… 14 第三章 微反應系統設計與實驗架構……………………………………17 3-1 簡介…………………………………………………………………… 17 3-2 光罩設計與製作……………………………………………………… 18 3-2-1 反應晶片A………………………………………………………… 18 3-2-2 反應晶片B………………………………………………………… 20 3-3 實驗機構設計與實驗方法…………………………………………… 22 3-3-1 流量控制系統……………………………………………………… 22 3-3-2 氣體混合系統……………………………………………………… 22 3-3-3 溫度量測系統……………………………………………………… 23 3-3-4 對衝流實驗………………………………………………………… 24 3-3-5 微管道觸媒反應測試……………………………………………… 24 第四章 材料與製程方法………………………………………………… 26 4-1 簡介…………………………………………………………………… 26 4-2 白金觸媒管道製程簡介……………………………………………… 26 4-2-1晶片清潔…………………………………………………………… 28 4-2-2 微影製程…………………………………………………………… 29 4-2-3 金屬層沉積………………………………………………………… 31 4-2-3-1物理氣相沉積…………………………………………………… 32 4-2-3-2 化學氣相沉積…………………………………………………… 32 4-2-4 金屬層剝離………………………………………………………… 34 4-2-5 熱處理……………………………………………………………… 34 4-2-6 微管道蝕刻………………………………………………………… 35 4-2-6-1 乾式蝕刻………………………………………………………… 35 4-2-6-2 濕式蝕刻………………………………………………………… 36 4-2-7 晶片接合…………………………………………………………… 37 4-2-7-1 陽極接合………………………………………………………… 37 4-2-7-2 熱融合接合……………………………………………………… 38 4-2-7-3 矽晶片接合……………………………………………………… 38 第五章 實驗結果與討論………………………………………………… 41 5-1 觸媒反應晶片製作…………………………………………………… 41 5-2 對衝流實驗結果與分析……………………………………………… 42 5-2-1 實驗一……………………………………………………………… 43 5-2-2 實驗二……………………………………………………………… 45 5-2-3 實驗三……………………………………………………………… 45 5-3 微流道觸媒燃燒實驗………………………………………………… 48 5-4 觸媒性質探討………………………………………………………… 50 第六章 結論與未來展望 ………………………………………………… 51 6-1 結論…………………………………………………………………… 51 6-2 未來展望……………………………………………………………… 54 參考文獻…………………………………………………………………… 55 表目錄 表 1-1 觸媒於燃燒的應用………………………………………………… 8 表 4-1 一般常見接合技術的比較………………………………………. 40 表5-1 對衝流在停滯點前後的熱對流系數(h)與熱通量(q) ……………47 圖目錄 圖2-1觸媒反應示意圖……………………………………………………58 圖2-2 觸媒反應程序示意圖………………………………………………59 圖2-3 反應速率、控制系統與溫度關係圖………………………………60 圖2-4 熱電偶溫度感測器示意圖…………………………………………61 圖 2-5 片電阻示意圖……………………………………………………62 圖3-1-1 反應晶片光罩Mask A1…………………………………………63 圖3-1-2 反應晶片光罩Mask A2…………………………………………64 圖3-1-3 反應晶片光罩Mask A3…………………………………………65 圖3-2-1 反應晶片光罩Mask B1…………………………………………66 圖3-2-2 反應晶片光罩Mask B2…………………………………………67 圖3-2-3 反應晶片光罩Mask B3…………………………………………68 圖3-3 微反應系統實驗設備………………………………………………69 圖3-4 燃氣混合器示意圖…………………………………………………70 圖3-5 白金溫度感測器定電流驅動電路與放大電路……………………71 圖3-6 白金溫度感測器溫度校正配置圖…………………………………72 圖3-7 對衝流示意圖………………………………………………………73 圖3-8 對衝流實驗元件相對位置圖………………………………………74 圖3-9 微管道觸媒反應實驗………………………………………………75 圖4-1 微反應系統晶片製作流程…………………………………………76 圖4-2燒結前後感測器的性能……………………………………………79 圖4-3 矽晶片－玻璃陽極接合技術示意圖………………………………80 圖4-4 玻璃－玻璃熱融合接合技術示意圖………………………………81 圖4-5 矽晶片—矽晶片陽極接合技術示意圖……………………………82 圖4-6 矽晶片—矽晶片熱融合接合技術示意圖…………………………83 圖5-1白金溫度感測器製程結果…………………………………………84 圖5-2微管道蝕刻所產生的結晶物………………………………………85 圖5-3微管道蝕刻所產生的結晶物………………………………………85 圖5-4蒸鍍白金於微管道…………………………………………………85 圖 5-5微反應晶片A………………………………………………………85 圖5-6 對衝流實驗一………………………………………………………86 圖 5-7 對衝流在不同流速、高度時的造成的溫度變化分佈……………87 圖5-8 流速為170 cm/sec，對衝流高度為 1mm，預熱溫度為500℃時，白金觸媒上的熱對流係數分佈……………………………………88 圖 5-9 流速為170 cm/sec，對衝流高度為 1mm，預熱溫度為500 ℃時，白金觸媒上的Nusselt number 分佈……………………………89 圖5-10 不同濃度的燃氣在不同預熱溫度與流速下反應的溫度變化…90 圖5-11 對衝流實驗三……………………………………………………91 圖5-12 平板預熱溫度為500℃、流速為170cm/sec、濃度為0.3、對衝 流高度為1mm，反應進行時白金觸媒溫度感測器陣列上的溫度分 佈…………………………………………………………………92 圖 5-13 當ψ=1 時，氫氧觸媒反應於預熱的微管道內，不同流速下的溫 度分布情況………………………………………………………93 圖 5-14 白金觸媒在S.E.M.下的影像……………………………………94 圖 5-15-1 白金觸媒成分分析(X-ray E.D.S)結果：亮點………………94 圖 5-15-2 白金觸媒成分分析(X-ray E.D.S)結果：暗點………………95 圖5-16 本研究所製作之各式微反應晶片……………………………96

    參考文獻
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    下載圖示 校內：立即公開
    校外：2002-08-05公開
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