臺灣博碩士論文加值系統

本論文提出一新穎式CMOS-MEMS氣體感測器電磁場催化機制，有別於傳統的指叉狀電極氣體感測器，著重在感測材料以及添加物的研究。吾人透過標準CMOS-MEMS製程所製作之尖端電極結構，搭配磁性SnO2/Fe3O4感測材料方式，藉由內部尖端電極產生高電場搭配外部磁場，進行電磁場耦合催化。
本文研究重點可分為高電場催化、磁場催化、電磁場耦合催化對氣體感測器靈敏度探討。電場催化方式為施加電壓6V~30V於兩端尖端電極，透過間距8.5m尖端電極產生高電場效應，催化感測材料以提升氣體感測零敏度，其靈敏度提升1.72倍；另一方面，透過改變磁場催化強度與角度，磁場施加的角度由垂直旋轉至水平，感測靈敏度亦會隨之上升，其靈敏度在6 Gauss的催化條件下，相較於無磁場環境，靈敏度提升了1.94倍；最後透過內部尖端電極產生高電場搭配外部磁場產生電磁場耦合催化，氣體感測靈敏度有效提升氣體感測器靈敏度至0.68 %/ppm，相較於30V電場催化(無磁場)，其靈敏度提升2.62倍。
從研究結果發現藉由電磁場耦合催化能提高感測元件對氣體偵測的靈敏度，其適用作為於低功率消耗、高靈敏度的CMOS-MEMS氣體感測器。

In this research, we proposed a novel electromagnetic coupling-catalyst of CMOS-MEMS gas sensor. The conventional gas sensor with finger type electrode enhances the sensitivity by sensing material. A new gas sensor with the tip-type electrode achieve high electric field in a standard CMOS process. The sensing material SnO2/Fe3O4 coated on sensing structure was catalyzed by Electromagnetic coupling.
The research focus on electric field catalysis, Magnetic-catalysis and Electromagnetic coupling-Catalyst. We apply 6V~30V on each tip-type electrode which the distance between the tip-type electrodes is 8.5m. The sensitivity of proposed monoxide sensor with electric field catalysis is 1.72 times higher than the sensitivity of gas sensor without electric field catalysis. On the other hand, when the magnetic field and electric field are parallel, the sensitivity would increase. The sensitivity of sensors can be 1.94 times higher than the sensitivity of gas sensor without magnetic-catalyst. Staying electromagnetic coupling field, the highest sensitivity of gas sensor 0.68 %/ppm is obtained and is 2.62 times higher than the sensitivity of gas sensor under 30 V electric field catalysis.
The experimental measurement shows a new approach of gas sensing enhancement with electromagnetic coupling catalyst, and it is applicable for an ultra-low power CO sensor with high sensitivity.

目錄

摘要 I
Abstract II
謝誌 III
目錄 IV
表目錄 VII
圖目錄 VIII
第一章 緒論 1
1-1 研究動機與目的 1
1-2 研究方法與內容 3
1-3 論文架構 4
第二章 電磁場催化CMOS-MEMS氣體感測技術 5
2-1 電磁場催化機制 6
2-2 二氧化錫性質與晶體結構 10
2-3 二氧化錫氣體偵測機制 13
2-3-1 氣體吸附機制 13
2-3-2 氣體偵測模型 16
2-4 溶膠凝膠法製備二氧化錫薄膜 17
2-4-1 溶膠凝膠法(Sol-gel method) 17
2-4-2 多孔隙結構 21
2-4-3 二氧化錫摻雜磁性材料 23
2-5 CMOS-MEMS製程及設計規範 24
2-5-1 CMOS-MEMS製程 24
2-5-2 TSMC 0.35µm 2P4M CMOS-MEMS製程 25
第三章 實驗流程與製作 29
3-1 磁性感測材料製備 30
3-1-1 實驗藥品 31
3-1-2 共沉法製備四氧化三鐵 31
3-1-3 溶膠凝膠法製備磁性二氧化錫 32
3-2 氣體感測晶片設計與後製程 34
3-2-1 尖端電極感測晶片 34
3-2-2 晶片後製程實驗 36
3-3 電磁場催化一氧化碳氣體量測 39
3-3-1 電磁場效應之氣體量測電路 39
3-3-2 類比數位轉換程式設計 40
3-3-3 氣體量測系統與量測規劃 43
第四章 實驗結果與討論 46
4-1 尖端電極晶片後製程與塗佈結果 46
4-2 高電場催化於氣體靈敏度影響 49
4-3 磁場催化於氣體靈敏度影響 52
4-3-1 磁場強度於氣體靈敏度影響 52
4-3-2 磁場角度度於氣體靈敏度影響 55
4-4 電磁場耦合催化強度與角度探討 57
第五章 結論 59
5-1 研究成果 59
5-2 未來展望 62
參考文獻 63

表目錄

表 3-1 實驗藥品資料表 31
表 3-2 氣體量測設備列表 43
表 5-1 不同催化條件綜合比較 60

圖目錄

圖 2-1矽與砷化鎵的電子飄移速度與電場大小的關係圖(實線為電子飄移速度，虛線為電洞飄移速度) 6
圖 2-2 針尖計算示意圖 7
圖 2-3邊界元素法針尖計算示意圖 8
圖 2-4二氧化錫的單位晶胞之結晶結構圖。Z= [100] 12
圖 2-5 Double Schottky Mode 14
圖 2-6材料暴露於還原性氣體中變化圖 15
圖 2-7 MCM-41 的結構示意圖 21
圖 2-8中孔結構形成示意圖 [26] 22
圖 2-9 CMOS-MEMS設計流程[35] 26
圖 2-10 CMOS-MEMS設計規範部分示意圖[35] 26
圖 2-11 CMOS-MEMS製程剖面圖 27
圖 2-12以PAD開啟定義元件區域示意圖 28
圖 2-13 MEMS後製程之結構釋放剖面圖 28
圖 2-14非等向與等向性乾蝕刻示意圖 28
圖 3-1 量測實驗流程圖 30
圖 3-2 四氧化三鐵製備流程 32
圖 3-3 磁性二氧化錫製備流程 33
圖 3-4 尖端電極層次與尺寸 34
圖 3-5 尖端電極感測晶片佈局圖 35
圖 3-6 後製程流程 37
圖 3-7 後製程示意圖 38
圖 3-8鋁線打線機與PCB接腳晶片轉接板 39
圖 3-9電磁場效應之氣體量測電路 40
圖 3-10類比數位轉換程式時序圖 42
圖 3-12 量測時序圖 44
圖 3-13 高電場催化量測架構圖 45
圖 3-14 電磁場耦合催化量測架構圖 45
圖 4-1 晶片未去除光阻顯微鏡圖 46
圖 4-3 磁性二氧化錫塗佈前後SEM圖 48
圖 4-4磁性二氧化錫塗佈前後顯微鏡圖 48
圖 4-5 高電場催化與氣體靈敏度關係圖 50
圖 4-6 施加電壓與氣體感測靈敏度關係圖 50
圖 4-7 針尖電場與外加磁場方向示意圖 52
圖 4-8實驗儀器架設圖 53
圖 4-9 不同磁場強度對氣體濃度反應關係圖 53
圖 4-10 不同磁場強度對感測靈敏度關係圖 54
圖 4-11旋轉平台治具 55
圖 4-12 磁場與電場夾角( )示意圖 56
圖 4-13不同旋轉角度對感測靈敏度的關係圖 56
圖 4-14 電磁場耦合催化對氣體濃度反應關係圖(6 Gauss磁場催化) 57
圖 4-15 無磁場催化與6 Gauss磁場催化搭配不同電場強度催化對感測靈敏度關係 58

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