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研究生:盧慧卿
研究生(外文):Lu,Hui-Ching
論文名稱:微型電阻式感測元件偵測揮發性有機物之研究
論文名稱(外文):Microelectrode substrate for resistance sensor detection volatile organic compounds research
指導教授:張章平
學位類別:碩士
校院名稱:國防大學理工學院
系所名稱:應用化學碩士班
學門:工程學門
學類:化學工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2010
畢業學年度:98
語文別:中文
論文頁數:101
中文關鍵詞:揮發性有機物化學電阻式陣列感測元件奈米碳管高分子複合材料
外文關鍵詞:volatile organic compounds(VOCs)chemiresistive sensor arraycarbon nanotube(CNT)polymer composites
相關次數:
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本研究運用微機電技術於矽晶基板製成微型化高分子與奈米碳管複合材料之化學氣體感測陣列。感測元件藉著高分子與奈米碳管複合材料薄膜具有可逆之膨潤特性使電阻產生改變用以偵測各種不同之氣體。將16種高分子與奈米碳管複合薄膜塗佈於感測陣列,偵測6種不同濃度之揮發性有機物。感測元件具有偵測揮發氣體之特性,且反應隨濃度呈線性關係。高分子與奈米碳管複合材料之化學電阻感測陣列偵測分析能力是因高分子與化學氣體間之作用力。將偵測及研究化學氣體之數據資料綜整歸納,可對氣體實施定性及定量分析。
此外,運用導電原子力顯微鏡掃描高分子對奈米碳管導電路徑之表面型態圖像,瞭解高分子與奈米碳管複合薄膜吸脫附後之回復影響。最後,將實驗數據以主成分分析法,用以辨識化學氣體。
In this study, we have developed a miniature polymer/carbon nanotube composite base chemical gas sensor array on silicon wafer microelectrode substrate using micromachining technology. The sensors are polymer/carbon nanotube composite films, which swell reversibly and cause a resistance change upon exposure to wide various of gases. Sixteen polymer-carbon nanotute composite films were deposited into the sensor array and exposed to six volatile organic compounds(VOCs) at different concentration levels. The sensors were able to uniquely detect these gas vapors and demonstrated a linear response to concentration levels. Therefore, a series of chemiresistive sensor arrays of polymer-carbon nanotube composite to detect analyte depend on the interaction between the polymer and chemical gases. It is used for detecting and examining the chemical gases, and sum up the electricity data for the qualitative and quantitative analysis of gases.
In addition, a conductive type atomic force microscopy(AFM) was used for the mapping of polymer into carbon nanotube condutive network matrix, while for studing the tensoresistance effect of polymer/carbon nanotube composite film. Finally, the post processed data was then subjected to a principal component analysis(PCA), a pattern recognition technique, for chemical agent discrimination.
誌謝 ii
摘要 iii
ABSTRACT iv
目錄 v
表目錄 viii
圖目錄 ix
1.緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機 2
1.3 研究目的 6
2.文獻回顧 7
2.1 電子鼻 7
2.2 感測氣體分類 9
2.3 氣體感測器偵測原理 10
2.3.1 觸媒燃燒型氣體感測器 10
2.3.2 場效電晶體式氣體感測器(FET) 11
2.3.3 金屬氧化物半導體型氣體感測器 12
2.3.4 固態電解質型氣體感測器 12
2.3.5 石英晶體微量天平感測器 13
2.3.6 感測器作用原理 14
2.4 電阻式感應器 16
2.5 高分子複合材料 16
2.6 導電碳材 18
2.7 陣列式感測器 21
2.8 主成份分析法 23
2.9 化學電阻感測反應靈敏度 24
2.10 複合材料感測薄膜的分子作用 26
2.11 溶解度參數理論(Solubility Parameter) 27
2.12 分子模擬 30
3.實驗 33
3.1 實驗藥品器材 33
3.2 實驗儀器設備 34
3.3 研究方法 35
3.4 半導體製程矽晶基材 36
3.5 奈米碳管製備 37
3.6 選用十六種功能性高分子結構 38
3.7 奈米碳管/高分子感測薄膜製程 41
3.8 氣體感測實驗條件 43
3.9 氣體感測之數據分析 44
3.10 六種VOCs結構及基本參數 45
3.11 氣體在不同溫度下之濃度值 47
4.結果與討論 48
4.1 不同濃度感測薄膜之比較 48
4.2 感測薄膜靈敏趨勢之比較 51
4.3 感測薄膜靈敏度之比較 52
4.4 感測薄膜長時間反應穩定度探討 60
4.5 感測薄膜再現性誤差值探討 61
4.6 以主成分分析法辨識6種VOCs 65
4.7 不同比例高分子混摻製膜靈敏度之效能比較 66
4.8 紅外光譜濃度檢測 69
4.9 低濃度VOCs檢測 74
4.10 最低極限濃度探討 77
4.11 分子模擬驗證感測效能 79
4.12 溶解度參數驗證感測效能 85
4.13 原子力顯微鏡探討薄膜感測機制探討 90
5.結論 92
參考文獻 94
自傳 101
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1. 3.黃炳照,“固態電解質電化學氣體感測器”,化學,第五十九卷,第二期,第207-217頁,2001。
2. 3.黃炳照,“固態電解質電化學氣體感測器”,化學,第五十九卷,第二期,第207-217頁,2001。
3. 4.劉文華,“揮發性有機物廢棄之處理技術與應用實務”,化工技術,第七卷,第六期,第242-243頁,1999。
4. 4.劉文華,“揮發性有機物廢棄之處理技術與應用實務”,化工技術,第七卷,第六期,第242-243頁,1999。
5. 13.黃福全、王鵬堯、石東生、劉英莉,“勞工工作活動、時間與有害氣體偵測自動連續監測設備研發”,勞工安全衛生研究季刊,第17卷,第2期,第175-189頁,2009。
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7. 20.周淑芬、陳建源,“免疫感測器之技術發展及其應用”, 化學,第五十九卷,第二期,第263-271頁,2001。
8. 20.周淑芬、陳建源,“免疫感測器之技術發展及其應用”, 化學,第五十九卷,第二期,第263-271頁,2001。
9. 23.吳朗、沈季燕、沈煜棠,“表面聲波SAW化學感測器”,化學,第五十九卷,第二期,第279-286頁,2001。
10. 23.吳朗、沈季燕、沈煜棠,“表面聲波SAW化學感測器”,化學,第五十九卷,第二期,第279-286頁,2001。
11. 24.蔡嬪嬪,“化學微感測器氣體微感測器”,微機電系統電子月刊,第二卷,第四期,第63-66頁,1996。
12. 24.蔡嬪嬪,“化學微感測器氣體微感測器”,微機電系統電子月刊,第二卷,第四期,第63-66頁,1996。
13. 27.林智汶,“有機材料氣體感測器之應用”,化工技術,第八卷,第二期,第136-144頁,2000。
14. 27.林智汶,“有機材料氣體感測器之應用”,化工技術,第八卷,第二期,第136-144頁,2000。
15. 38.駱永建、杜景順,“微陣列式氣體感測器”,化工技術,第十二卷,第七期,第175-193頁,2004。