臺灣博碩士論文加值系統

近年來，隨著科技的突飛猛進與環保意識抬頭，人們越來越重視環境與空氣污染的問題，使得氣體感測器的發展漸漸受到大眾的注意。為了改善傳統氣體感測器之昂貴、笨重與偵測耗時的缺點，近年來已有許多的研究專注於半導體材料薄膜氣體感測器的研發。本研究目的在研製短小輕薄的氣體感測器，來感測臭氣（H2S）和一般家用瓦斯，將此感測元件應用在日常生活中。

因為多晶態三氧化鎢(WO3)薄膜在氧化過程中為透明無色，且會在還原過程時變色，其具有寬廣的可見光譜吸收頻帶。在本實驗中，以磁控濺鍍法(R.F)濺鍍沉積三氧化鎢薄膜，再經由400℃、4小時的退火處理使薄膜轉變成多晶態，並添加微量的銥金屬微粒以改善此元件之感測靈敏度。並且我們分別探討此感測元件在不同薄膜厚度、不同工作溫度與添加催化劑後的感測靈敏度之變化特性，並討論其結果。

實驗結果顯示多晶態三氧化鎢薄膜會與臭氣、瓦斯產生作用而改變其電性，當工作溫度增加或感測氣體濃度改變時其電阻值也會相對的做出降低的反應。我們可以發現此微型感測器在對瓦斯的偵測上靈敏度較佳，當工作溫度在200℃，有添加催化劑銥的元件有較佳之靈敏度。

Recently, due to the wide-spreading consciousness of environmental protection and technological needs﹐more and more people begin to care for the problems of air and environmental pollution. Therefore, the study of gas sensor has been discussed gradually. However, there are some drawbacks of traditional gas sensors such as costs, heavy weight and time consuming and so many studies have been turned to focus on. semiconductor materials thin film gas sensor. Purpose of this research is to make a short､small､light and thin gas sensor to detect the H2S and general gas be used in our daily life.

In the process of oxidization, the Poly-WO3 film is transparent and colorless. Moreover, it also changes its color during reduction and presents broad seeable spectrum which is able to absorb the frequency band. In this study, the tungsten oxide（WO3）thin films is prepared by reactive RF magnetron sputter. The film is then stabilized by annealing in 400℃ of 4 hours and doped small amount of iridium to improve the sensitivity. The sensors were operated at the different thickness and working temperature to analyze the effect and added catalyst to test their differences and changes.

The result of experiment shows Polycrystalline WO3 Films is able to effect and change their electricity with H2S and gas. When working temperature increases or gas concentration changes, it makes the relative response. It is found the sensitivity of this sensor is better to detect gas. Also, when the working temperature is at 200℃ and the catalyst iridium is added, the sensor provides better sensitivity.

中文摘要 ……………………………………………………… I
英文摘要 ……………………………………………………… II
誌謝 ………………………………………………………… III
目錄 …………………………………………………………… IV
圖目錄 ………………………………………………………… Ⅶ

第一章 緒論 ………………………………………………… 1

第二章 文獻回顧 …………………………………………… 3
2.1 揮發性有機氣體感測器簡介 ……………………… 3
2.2 三氧化鎢薄膜感測性之相關研究 ………………… 5
2.3 三氧化鎢的物理特性 ……………………………… 8
2.3.1 結晶結構 ………………………………………… 8
2.3.2 半導體特性 ……………………………………… 9
2.4 影響感測靈敏度之因素 …………………………… 9
2.5 半導體氣體感測器之特徵 ………………………… 11
2.6 天然氣特性 ………………………………………… 12
2.7 硫化氫生成機制與簡介 ………………………… 12
2.7.1自然界中硫化氫的生成機制 …………………… 13
2.7.2硫化氫對生理之影響 ………………………… 14

第三章 原理 ………………………………………………… 16
3.1 氣體感測器之原理 ………………………………… 16
3.2三氧化鎢薄膜氣體感測原理 ……………………… 22
3.2.1 三氧化鎢之氣體感測性 ……………………… 23
3.2.2 Double Schottky Model ………………………… 27
3.2.3 催化劑之作用 ………………………………… 28
3.3 反應式射頻磁控濺鍍系統原理簡介 ……………… 30
3.4 循環伏安工作原理 ………………………………… 32
3.5 陣列型白金微電極晶片之製程 …………………… 33
3.5.1 薄膜沉積-化學氣相沉積 ………………………… 33
3.5.2 微影 ……………………………………………… 34
3.5.3 電子束蒸鍍 ……………………………………… 36
3.5.4 蝕刻 ……………………………………………… 36

第四章 實驗裝置及方法 …………………………………… 37
4.1 實驗器料 …………………………………………… 37
4.2 多晶態三氧化鎢氣體感測元件製作 ………………… 39
4.2.1 微電極晶片清洗 ………………………………… 39
4.2.2 濺鍍多晶態三氧化鎢薄膜 ……………………… 40
4.2.3 濺鍍銥 ………………………………………… 41
4.2.4 元件結構 ………………………………………… 41
4.3 元件封裝 …………………………………………… 42
4.4 感測氣體之形成 …………………………………… 43
4.4.1 臭氣(H2S) ……………………………………… 43
4.4.2 瓦斯(NG1) ……………………………………… 44
4.5 量測儀器及實驗裝置 ……………………………… 44
4.5.1 液態循環伏安電極量測 ………………………… 44
4.5.2 多晶態三氧化鎢薄膜對溫度的關係 …………… 46
4.5.3 多晶態三氧化鎢薄膜氣體感測器之靈敏度量測 … 46
4.6 感測氣體注射方式 ………………………………… 47

第五章 結果與討論 ………………………………………… 48
5.1 多晶態三氧化鎢薄膜循環伏安電位掃瞄 …………… 48
5.2 多晶態三氧化鎢薄膜對溫度的影響 ………………… 48
5.3 氣體感測靈敏度實驗 ……………………………… 49
5.3.1 多晶態三氧化鎢薄膜氣體感測器之靈敏度對
薄膜厚度變化關係 …………………………… 49
5.3.2多晶態三氧化鎢薄膜氣體感測器之靈敏度對溫度
變化關係 …………………………………… 50
5.4 多晶態三氧化鎢氣體感測器之靈敏度與添加催化劑
銥關係 ……………………………………………… 51
5.4.1 多晶態三氧化鎢氣體感測元件添加催化劑和未
加催化劑下對H2S之比較 …………………… 52
5.4.2多晶態三氧化鎢氣體感測元件添加催化劑和未
加催化劑下對瓦斯之比較 …………………… 52
5.5 濃度變化 …………………………………………… 53
5.5.1不同瓦斯(NG)濃度變化關係 …………………… 53
5.5.2不同CH4濃度變化關係 …………………………… 53

第六章 結論與未來展望 …………………………………… 55
6.1 結論 ………………………………………………… 55
6.2 未來展望 …………………………………………… 56

參考文獻 …………………………………………………… 57
圖表 ………………………………………………………… 62

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