臺灣博碩士論文加值系統

以RF濺鍍的方式，在白金電極上先後鍍上氧化銥薄膜與五氧化二鉭薄膜。利用五氧化二鉭薄膜只對氫離子具有單一選擇性，只能讓氫離子穿過薄膜的性質，將五氧化二鉭薄膜完全覆蓋住氧化銥薄膜，使的氧化銥薄膜只能對氫離子進行氧化還原反應，改變本身的費米能階。而由Nernst方程式可知道氧化銥的電位與溶液中的pH值成線性關係，所以可由此原理製作出五氧化二鉭-氧化銥氫離子感測電極。所製作出來的五氧化二鉭-氧化銥氫離子感測電極，改進了裸露氧化銥薄膜的氫離子感測電極，容易被其他氧化還原物質給影響的缺點。本電極具有良好的電位穩定性和重覆性的優點。
再以兩支五氧化二鉭-氧化銥氫離子感測電極為架構，製作出電位式二氧化碳感測元件。在感測實例中，兩支電極被含水及碳酸根離子的固態電解質給覆蓋住。其中一支電極用epoxy覆蓋使的不與外界接觸，視為有著固定電位的標準電極，而另一支電極是會隨著固態電解質中的氫離子濃度改變電位的感測電極，由兩支電極的電位差會因感應到二氧化碳而改變。本元件對二氧化碳具有快速感應的能力，元件的電位差對濃度也有著線性且可逆的關係。

A new H+-sensing Electrode based on sputtered Ta2O5 and IrO2 thin film. The mechanism is that only H+ can pass through Ta2O5 film. To insulate IrO2 film from intruding by other ions, IrO2 film was covered with Ta2O5 film. And the Fermi level of IrO2 film can be varied from the interaction of H+ in the electrolyte. By Nernst's equation, we can see that the potential of IrO2 film can be varied with pH value of the electrolyte.
And then, we made a potentiometric CO2 sensor based on two Ta2O5-IrO2 electrodes. Both Ta2O5-IrO2 electrodes were connected and covered by water contained, bicarbonate doped poly( vinyl alcohol ). One of the electrodes was shielded with an epoxy layer. When the device was exposed to gaseous mixed of CO2, the potential difference between these two electrodes indicated the containment of CO2 in the measurand. This CO2 sensor was a rapid response device. The response to CO2 concentration was linear and reversible.

第一章 緒論 …………………………………..………………..……1
1.1 氫離子感測電極 ………………………………………………………….1
1.2 二氧化碳感測元件 …………………………………………………….3
第二章 原理 ……………………………………………………………7
2.1 氧化銥電極的反應機制 ……………………………………………….7
2.1-1 Nernst 方程式 …………………………………………………..7
2.1-2 固、液相介面的電荷交換行為 …………………………………8
2.2 五氧化二鉭-氧化銥氫離子感測電極的工作原理 ………..………...12
2.3 五氧化二鉭-氧化銥二氧化碳感測元件工作原理 ………….………...16
第三章 實驗裝置及方法 ……………………………………………19
3.1 濺鍍系統 ……………………………………………………………….19
3.2 以反應式濺鍍法成長五氧化二鉭 …………………………………….19
3.2-1 背景氣體壓力與成分 ……………………………………………20
3.2-2 溫度對濺鍍薄膜的影響 …………………………………………21
3.2-3 濺鍍功率與靶材 …………………………………………………22
3.3 元件和電極的製作 …………………………………………………….23
3.3-1 白金微電極的製作 ………………………………………………23
3.3-2 晶片的清潔 ………………………………………………………23
3.3-3 濺鍍遮罩的製作 …………………………………………………24
3.3-4 濺鍍氧化銥薄膜及五氧化二鉭薄膜 ……………………………24
3.3-5 電位式二氧化碳感測元件的製作 ………………………………25
3.3-6 五氧化二鉭-氧化銥氫離子感測電極的製作 ……………………..27
3.4 實驗裝置的架構 ……………………………………………………….28
3.4-1 元件電性量測系統 ………………………………………………28
3.4-2 氣體流量系統 ……………………………………………………28
3.4-3 電化學系統 ………………………………………………………28
3.5 氫離子感測電極的穩定性實驗 …………………………………...30
3.5-1 氫離子感測電極電位長時間測量的穩定性 ………………………30
3.5-2 氫離子感測電極電位和pH值的關係 …………………………….30
3.5-3 改變溶液中含氧量的實驗 ………………………………………31
3.5-4 五氧化二鉭-氧化銥電極的照光實驗 …………………………...31
3.5-5 循環伏安實驗 ……………………………………………………31
3.6 二氧化碳感測元件實驗 ……………………………………………….31
3.6-1 元件中五氧化二鉭對氧氣的隔絕性 ……………………………31
3.6-2 感測高流量二氧化碳實驗 ………………………………………32
3.6-3 快流量二氧化碳感測 ……………………………………………32
第四章 結果與討論 …………………………………………………33
4.1 液態中氫離子感測電極的穩定性實驗 ………………………………….33
4.1-1 氫離子感測電極在液態中長時間電位的穩定性實驗 ……………33
4.1-2 氫離子感測電極電位和pH值的關係與電位的重覆性 ………….34
4.1-3 改變溶液中含氧量的實驗 ………………………………………35
4.1-4 五氧化二鉭氧化銥氫離子感測電極的照光實驗 …………………36
4.1-5 循環伏安實驗 ……………………………………………………36
4.2 二氧化碳感測元件實驗 …………………………….…………………37
4.2-1 感測元件中五氧化二鉭對氧氣的隔絕性實驗 ………….….…..38
4.2-2 高流量二氧化碳感測實驗 ……………………………….….…..38
4.2-3 快流量二氧化碳感測實驗 ……………………………….….…..39
第五章 結論 .……………………………………………………..…..42
參考文獻 ……………….……………………………………………..45
圖目錄
Fig.3.1 濺鍍系統裝置圖 ….…………….…………………………..……………49
Fig.3.2 氧化銥濺鍍系統 …….……………………….………………..…………50
Fig.3.3 五氧化二鉭濺鍍系統 ….…………………………………...……………51
Fig.3.4 白金電極晶片側視結構圖 …….……….………………………..………52
Fig.3.5a 不鏽鋼濺鍍遮罩 …………………….……………….………………..…53
Fig.3.5b 在顯微鏡的晶片下放入不鏽鋼遮罩俯視圖 ……………………….……53
Fig.3.6a 五氧化二鉭-氧化銥之二氧化碳感測元件封裝圖 …….……...………..54
Fig.3.6b 五氧化二鉭-氧化銥氫離子感測電極封裝圖 ………………..………....54
Fig.3.7 氫離子感測電極與二氧化碳感測元件實物大小 ……………..….……55
Fig.3.8 高流量感測二氧化碳裝置圖 …………………….……….…….………56
Fig.3.9 測量氫離子感測電極之電位和pH值關係的實驗裝置 ..………..…....57
Fig.3.10 液態循環伏安實驗裝置圖 ……………………………….…….………58
Fig.3.11 電極在液態中的電位穩定性與對氧的阻隔性裝置圖 ….…………...59
Fig.3.12 暗室中氦氖雷射對Ta2O5-IrO2電極照射實驗裝置圖 …………..…….60
Fig.3.13 二氧化碳感測元件中，Ta2O5薄膜對氧氣的阻隔性實驗裝置圖 …….61
Fig.3.14 快流量二氧化碳注射實驗 …………….…………………………..…...62
Fig.4.1 氫離子感測電極在液態中長時間電位的穩定性實驗結果圖…..………63
Fig.4.2 氧化銥氫離子感測電極電位對pH值的關係實驗結果圖 ………...…..64
Fig.4.3 五氧化二鉭-氧化銥氫離子感測電極電位對pH值的關係結果圖……. 65
Fig.4.4 五氧化二鉭-氧化銥氫離子感測電極的重覆性實驗結果圖 …………. 66
Fig.4.5 氧氣對裸露氧化銥的電極之電位的影響實驗結果圖 ……………….. 67
Fig.4.6 五氧化二鉭薄膜在電極中對氧氣的阻隔實驗結果圖 ….…………….. 68
Fig.4.7 光對五氧化二鉭-氧化銥氫離子感測電極的干擾實驗結果圖………….69
Fig.4.8 五氧化二鉭-氧化銥氫離子感測電極的循環伏安圖 (一) .…………..7.0
Fig.4.9 五氧化二鉭-氧化銥氫離子感測電極的循環伏安圖 (二) .….……….7.1
Fig.4.10 氧化銥氫離子感測電極的循環伏安圖 …..…………………….……..…..2
Fig.4.11 氧氣對氧化銥二氧化碳感測元件影響實驗結果圖 …..…….………….73
Fig.4.12 五氧化二鉭薄膜在感測元件中對氧氣阻絕實驗結果圖 ……...……..…74
Fig.4.13 元件對高流量二氧化碳感測的重覆性實驗結果圖 ……………...…..…75
Fig.4.14 元件對快流量二氧化碳感測的重覆性實驗結果圖 ………………….…76
Fig.4.15 元件對二氧化碳感測響應時間實驗結果圖 ….………………...…….…77
Fig.4.16 元件對不同濃度的快流量二氧化碳感應實驗結果圖.………………….78

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