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研究生:鄭宇利
研究生(外文):Yu-Li Cheng
論文名稱:表面聲波感測器應用於氣相層析儀之定量分析
論文名稱(外文):Quantitative Analysis of Gas Chromatography Using SAW Detectors
指導教授:鄭湘原
指導教授(外文):Syang-Ywan Jeng
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:電子工程研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
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:72
中文關鍵詞:表面聲波氣相層析定量分析
外文關鍵詞:quantitative analysisSurface acoustic wavegas chromatography
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現今表面聲波元件(SAW)已被廣泛地應用在各通訊系統領域中,作為頻率選取與雜訊抑制的濾波器件;此外,表面聲波元件具有體積小、穩定性佳、靈敏度高等特性,適合作為感測器件使用,藉由不同壓電基材的選用,可應用在不同的感測領域中。
本論文即以ST-切向之石英基材所製作之表面聲波元件為感測器件,透過振盪電路的設計以完成表面聲波感測器之製作;並搭配發展成熟之氣相層析(GC)技術以進行定量分析之研究。本論文針對三個子題包括「操作條件的確立」、「標準氣相層析儀(GC/FID)之定量實驗」、「GC/SAW之定量實驗」來進行研究。
實驗結果成功對五種氣體濃度進行驗證,包括乙醇、丙酮、丁酮、苯及甲苯氣體,證明了表面聲波感測器搭配氣相層析技術能具有穩定之定量檢測能力。


Surface acoustic wave (SAW) devices have been used as filters in modern communication systems. In addition, the advantages of SAW devices, such as small size, high stability and high sensitivity, make them suitable for sensor applications. By choosing different piezoelectric substrates, SAW devices can be applied in different fields of sensing.
In this thesis, the SAW devices with ST-cut quartz were used as the vapor sensors. The SAW sensor was realized based on a feedback oscillation circuit for quantitative analysis in gas chromatography (GC). Three topics including “the optimization of the experimental condition”, “quantitative analysis of GC/FID” and “quantitative analysis of GC/SAW” are under investigation in this study.
The experimental results successfully complete the quantitative calibration for five different organic vapors including ethyl alcohol, acetone, butanone, benzene and toluene. The GC/SAW system is verified for quantitative detection in organic vapors.


章節目錄
中文摘要 I
Abstract II
致謝 III
章節目錄 IV
圖目錄 VI
表目錄 VIII

第一章 IX
第二章 X
第三章 XI
第四章 XII
第五章 XIII

第一章 序論 1
1-1 前言 1
1-2 研究動機與目的 1
第二章 理論分析 3
2-1 氣相色層分析 3
2-1-1 氣相層析基本概念 3
2-1-2 層析峰線的形狀 8
2-1-3 定量分析 9
2-2 表面聲波元件原理 12
2-2-1 壓電效應 12
2-2-2 表面聲波原理 13
2-2-3 表面聲波元件之電氣參數 15
2-2-4 表面聲波感測器之感測原理 18
第三章 感測系統設計與製作 20
3-1 表面聲波元件的製作 20
3-1-1 表面聲波元件參數設計與製程 20
3-1-2表面聲波元件封裝與頻率響應量測 21
3-2 表面聲波感測器之製作 24
3-2-1 表面聲波振盪器的設計 25
3-2-2 表面聲波振盪器之實作 25
3-2-3 振盪器穩定性測試 27
3-3 待測氣體樣品的取樣 28
3-4 GC/SAW感測系統架構設計 29
第四章 實驗結果與討論 31
4-1 GC/SAW定量實驗架構 31
4-2 GC定量實驗結果與分析 31
4-2-1 實驗條件的選擇 32
4-2-2 GC/FID定量實驗 34
4-2-3 GC/SAW定量實驗 43
4-3 實驗結果探討 52
第五章 結論與未來展望 55
5-1 結論 55
5-2 未來展望 56
參考文獻 57


圖目錄
圖2-1 毛細管柱之外觀與內部 5
圖2-2 毛細管柱的分類 5
圖2-3 熱導偵測器架構示意圖 7
圖2-4 火焰離子偵測器架構示意圖 8
圖2-5 層析圖譜 8
圖2-6 層析峰拖尾程度計算-a、b值示意圖 10
圖2-7 正壓電效應示意圖 13
圖2-8 逆壓電效應示意圖 13
圖2-9 (a)聲波能量與縱深距離之關係;(b)雷利波之波動形式示意圖 14
圖2-10 延遲型表面聲波元件及表面聲波之傳遞過程 15
圖2-11 ST-quartz基板沿x-軸傳遞之表面波 (a)其延遲溫度係數隨切面角度之變化關係;(b)其機電耦合係數隨切面角度之變化關係 18
圖2-12 表面聲波感測器氣體感測原理示意圖 19

圖3-1 表面聲波元件製作流程示意圖 21
圖3-2 封裝基座與元件鎊線封裝 21
圖3-3 封裝帽蓋與完成封裝之實體圖 22
圖3-4 雙埠S網路示意圖 23
圖3-5 網路分析儀校正板示意圖 23
圖3-6 表面聲波元件頻率響應量測結果 24
圖3-7 回授式表面聲波振盪電路架構與巴克豪森準則 25
圖3-8 放大器電路測試板與開路增益量測結果 26
圖3-9表面聲波振盪器實體圖與頻譜量測結果 26
圖3-10 表面聲波振盪器穩定性測試結果 27
圖3-11 待測氣體樣品之取樣方式示意圖 28
圖3-12 氣相層析儀(China Chromatography 2000) 30

圖4-1 GC/SAW定量實驗架構圖 31
圖4-2 不同載氣流速實驗結果 33
圖4-3 不同層析管柱溫度實驗結果 34
圖4-4 不同濃度下乙醇氣體之層析結果與其檢量線之製備 36
圖4-5 檢量線驗證實驗-乙醇氣體 37
圖4-6 不同濃度下丙酮氣體之層析結果與其檢量線之製備 38
圖4-7 檢量線驗證實驗-丙酮氣體 38
圖4-8 不同濃度下丁酮氣體之層析結果與其檢量線之製備 39
圖4-9檢量線驗證實驗-丁酮氣體 39
圖4-10 不同濃度下苯氣體之層析結果與其檢量線之製備 40
圖4-11 檢量線驗證實驗-苯氣體 41
圖4-12 不同濃度下甲苯氣體之層析結果與其檢量線之製備 42
圖4-13 檢量線驗證實驗-甲苯氣體 42
圖4-14 不同濃度下乙醇氣體之層析結果與其檢量線之製備 44
圖4-15 檢量線驗證實驗-乙醇氣體 44
圖4-16 不同濃度下丙酮氣體之層析結果與其檢量線之製備 45
圖4-17 檢量線驗證實驗-丙酮氣體 46
圖4-18 不同濃度下丁酮氣體之層析結果與其檢量線之製備 47
圖4-19 檢量線驗證實驗-丁酮氣體 47
圖4-20 不同濃度下苯氣體之層析結果與其檢量線之製備 48
圖4-21 檢量線驗證實驗-苯氣體 49
圖4-22 不同濃度下甲苯氣體之層析結果與其檢量線之製備 50
圖4-23 檢量線驗證實驗-甲苯氣體 50
圖4-24 「後半峰面積_ 10% 峰高處」示意圖(左)與其檢量線製備之依據(右) 51


表目錄
表2-1 常用偵測器選用不同種類載氣之優缺點 4
表2-2 TCD與FID之比較 6
表2-3 常用壓電基板材料參數 17

表3-1 表面聲波元件設計參數 20
表3-2 本論文中各待測樣品之Antoine Coefficient 29
表3-3 本論文之GC/SAW感測系統架構 30

表4-1 載氣流量實驗條件列表 32
表4-2 層析管柱溫度實驗條件列表 33
表4-3 各種待測氣體樣品之理論濃度 35
表4-4 GC/FID定量實驗條件列表 35
表4-5 檢量線驗證結果-乙醇氣體 37
表4-6 檢量線驗證結果-丙酮氣體 38
表4-7 檢量線驗證結果-丁酮氣體 40
表4-8 檢量線驗證結果-苯氣體 41
表4-9 檢量線驗證結果-甲苯氣體 42
表4-10 GC/SAW定量實驗條件列表 43
表4-11 檢量線驗證結果-乙醇氣體 45
表4-12 檢量線驗證結果-丙酮氣體 46
表4-13 檢量線驗證結果-丁酮氣體 47
表4-14 檢量線驗證結果-苯氣體 49
表4-15 檢量線驗證結果-甲苯氣體 50
表4-16 GC/FID與GC/SAW之「峰高」製備檢量線之相關係數比較 54


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