化學氣體的監測在戰場防護、工業安全、工業衛生、環境監控、醫療檢驗及生命保護有著相當重要的需求，現在已被公認為對人類生命和健康、維護國民生活品質以及促進其他技術發展之關鍵技術。在此研究中，因功能性高分子重複單位具有特殊官能基，對於化學氣體分子具有較佳吸附作用，因此，找尋一系列可溶性功能性高分子(functional polymer)及其衍生功能性聚合物。此可溶性高分子藉由與多壁奈米碳管併用來製成薄膜式功能性高分子/奈米碳管複合材料，來感測Dimethyl methylphosphonate（DMMP）、2-Bromoaceto-phenone（2BAP）、3,4,5-Trimethoxybenzylamine（345-TB）、Acetonitrile（AN）、Dichloromethane（DCM）等化學氣體。並以半導體製程技術來製作化學感測器基材，再將此奈米複合材料塗佈在元件之導線上，製成奈米碳管/高分子複合材料氣體感測晶片。複合材料吸附化學氣體後，高分子形成膨潤現象，造成複合材料導電路徑增長，電阻值便隨之增加。經由複合材料薄膜來對不同之化學氣體進行感測並量測電阻值之變化量後，發現不同氣體均具有一特定之感測反應特性。以主成份分析法分析後，發現研究中使用各種高分子與多壁奈米碳管形成複合材料感測薄膜，針對五種化學氣體感測結果，座標落點有明顯的區隔，有著相當高的辨識能力。

The feasibility of thin-film chemical sensors based on carbon nanotubes-functional polymer nanocomposite to reliably detect chemical gas has been studied. The sensors were exposed to mixtures of dimethyl-methyl-phosphonate(DMMP), 3,4,5-Trimethoxy- benzylamine (345-TB) , acetonitrile(AN) 、 2-Bromoacetophenone（2-BAP）、Dichloromethane（DCM）with air., respectively. Therefore, a series of nanocomposite sensor array was composed of more sensing functional polymers with multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs). The chemiresistive sensors array representing different polymer concentrations were constructed by depositing thin films of a carbon nanotubes-polymer nanocomposite onto golden electrodes on a wafer laminate substrate. The sensors are carbon nanotubes-polymer nanocomposite films, which swell reversibly and cause a resistance change upon exposure to a wide variety of chemical gas. Finally, The post processed data was then subjected to a principal component analysis, a pattern recognition technique, for chemical gas discrimination.

誌謝 I
摘要 II
ABSTRACT III
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 XI
1. 前言 1
1.1 研究動機 3
1.2 研究目的 5
1.3 文獻回顧 5
1.3.1 化學式氣體感測器 7
1.3.2 氣體感測器種類 8
1.3.2.1 色層分析儀及光譜儀 9
1.3.2.2 熱量式感測器 10
1.3.2.3 電阻式感測器 11
1.3.2.4 場效式感測器 12
1.3.2.5 電化學式感測器 13
1.3.2.6 壓電型感測器 14
1.3.2.7 光學式感測器 14
1.3.3 選擇研究感測器 16
1.3.4 複合材料薄膜導電機制 17
1.3.5 導電碳材的選擇：奈米碳管 17
1.3.6 高分子感測膜的選擇 23
1.3.7 溶解參數 25
1.3.8 線性溶合能量關係方程式 29
1.3.9 分子模擬 30
1.3.10 電阻靈敏度 31
1.3.11 溫度影響 31
1.3.12 濕度影響 33
1.3.13 主成份分析法 34
2. 實驗 36
2.1 實驗藥品器材 37
2.2 實驗儀器設備 38
2.3 電阻式化學氣體感測器材料及元件製作 39
2.3.1 元件製作流程（黃光微影製程） 39
2.3.2 多壁奈米碳管製備 40
2.3.3 功能性高分子之選擇 42
2.3.4 感測薄膜製備方法 45
2.3.5 不同方式製作薄膜之比較 46
2.3.5.1 一步驟(one step)薄膜製作方式 46
2.3.5.2 兩步驟(two step)薄膜製作方式 46
2.3.6 化學氣體感測實驗（化學氣體吸、脫附實驗） 47
2.3.7 化學氣體之簡介 49
3. 結果與討論 50
3.1 多壁奈米碳管製備 50
3.2 感測器基本特性探討 51
3.2.1 利用不同製備方式來製作多壁奈米碳管與高分子薄膜 51
3.2.2 利用不同濃度高分子溶液製備MWCNT/高分子複合材料薄膜進行感測比較 55
3.2.3 多壁奈米碳管/高分子複材薄膜感測化學氣體之吸脫附實驗 58
3.2.4 三種不同之吸、脫附反應結果探討 58
3.2.5 多壁奈米碳管/高分子複材薄膜感測化學氣體之連續吸脫附實驗 60
3.3 運用不同理論來預測及驗證氣體感測訊號之結果 61
3.3.1 以溶解度參數理論進行預測分析及比較之感測結果 61
3.3.2 以LSER方程式比較分子間作用來預測感測實驗結果 66
3.3.3 以分子模擬計算(B3LYP/6-31G* OPT Freq) 來預測實驗結果 69
3.4 不同濃度下之感測及最小偵測極限預測 72
3.4.1 不同氣體濃度對感測訊號之影響 72
3.4.2多壁奈米碳管/高分子感測膜感測不同化學氣體之最小濃度極限 73
3.5 探討八種高分子對五種化學氣體感測訊號並做分析及辨別 75
3.5.1 探討八種多壁奈米碳管/高分子複材薄膜感測五種化學氣體之間分子特性及吸附比較 75
3.5.2 八種高分子感測五種化學氣體之雷達圖比較 78
3.5.3 驗證主成份分析法能辨識各式不同氣體 82
4. 結論 84
5.未來研究方向 85
參考文獻 86

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