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研究生:王太祺
研究生(外文):TAI-CHI WANG
論文名稱:石英晶體微天平與表面聲波元件在氣體感測上之應用
論文名稱(外文):Quartz crystal microbalance and surfaceacoustic wave devices for gas detection
指導教授:陳永裕陳永裕引用關係
指導教授(外文):Yung-yu Chen
口試委員:陳永裕
口試委員(外文):Yung-yu Chen
口試日期:2015-07-16
學位類別:碩士
校院名稱:大同大學
系所名稱:機械工程學系(所)
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2015
畢業學年度:103
語文別:中文
論文頁數:81
中文關鍵詞:石英晶體微天平表面聲波共振器氣體感測器石墨烯
外文關鍵詞:gas sensorSAW resonatorquartz crystal microbalanceGraphene
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石英晶體微天平與表面聲波元件具有高靈敏度、體積小與製程容易等優點,現已被廣泛地應用在各式感測器的開發,因此本論文旨在利用石英晶體微天平與表面聲波元件發展可於室溫下量測甲苯與一氧化碳之氣體感測器。
在石英晶體微天平的實驗中,首先使用旋轉塗佈法將初始頻率為10.245 MHz之石英振盪器鍍上以不同材料改質之石墨烯感測膜,再將其分別量測甲苯、一氧化碳、乙烯、乙醇、丙酮氣體,藉此挑選出對甲苯反應好,但對其他氣體反應差之感測膜材料。由測試結果可得知由PVK(polyvinylcarbazole)改質之石墨烯材料對甲苯有最好的靈敏度,且與其他氣體反應之靈敏度皆低於甲苯。說明了此感測膜用於石英晶體微天平可有效感測甲苯,並比較超音波噴塗與旋轉塗佈之效益,最後可得知超音波噴塗法在感測膜塗佈上優於旋轉塗佈法。
在表面聲波元件的實驗中首先設計與製造以128°YX鋰酸鈮為基材、中心頻率為145 MHz之二埠表面聲波共振器,並設計放大電路來驅動表面聲波元件,使其能正常激振,再使用超音波噴塗將石墨烯感測材料塗佈至表面聲波元件作為一氧化碳的感測膜。並使用網路分析儀來量測不同厚度之感測膜的插入損失,最後使用製作完成之表面聲波感測器量測濃度1000 ppm之一氧化碳,藉由三次通氣體量測與回復之循環,以測試感測器的回覆性和靈敏度。結果顯示,反應靈敏度為0.56 kHz,且三次循環也在0.56 kHz上下,由實驗結果可知此感測器擁有良好的重覆性與反應速度。
Quartz crystal microbalance (QCM) and surface acoustic wave (SAW) devices are widely utilized in various sensing applications due to their several advantages, including high sensitivity, small size, and simple fabrication. Therefore, the thesis aims to apply QCM and SAW devices to develop the toluene (C7H8) and carbon monoxide (CO) gas sensors which can operate at room temperature.
In the experiment of quartz crystal microbalance, the graphene sensing film is modified with different materials and then is deposited on the quartz oscillator whose resonance frequency is 10.245 MHz with the spin-coating method. The quartz crystal microbalance gas sensors are tested with toluene, carbon monoxide, ethylene, ethanol, and acetone gases for choosing a more suitable sensing film whose reaction with toluene is better but with other gases is poor. Measurements show the graphene sensing film modified by PVK (polyvinylcarbazole) is a better candidate. Moreover, compared with spin-coating, the graphene sensing film by ultrasonic spray coating shows better sensing performances.
In the experiment of surface acoustic wave devices, the two-port SAW resonators with central frequency of 145 MHz are fabricated based on Y128˚X LiNbO3 substrates. The amplifier circuit is well designed to construct a dual delay line configuration for eliminating the environmental fluctuations. The ultrasonic spray is applied to deposit the PVK-modified graphene films on surface acoustic wave devices. Finally, the surface acoustic wave sensors are tested with the 1000 ppm carbon monoxide gas. Three-cycle measurement shows the CO sensor has a good recovery and short response time.
摘要 I
Abstract III
目錄 V
圖目錄 VIII
表目錄 XII
符號說明 XIII
第一章 導論 1
1-1 研究動機 1
1-2 文獻回顧 2
1-3 本文簡介 5
第二章 石英微天平甲苯感測模組之製作與實驗 8
2-1 石英晶體微天平 8
2-1-1 感測原理 8
2-1-2 壓電效應 9
2-2 石墨烯感測材料製備與分析 10
2-2-1 石墨烯感測材料改質方法 10
2-2-2 拉曼光譜分析 12
2-2-3 熱重分析儀量測 12
2-2-4 石墨烯材料塗佈方法 13
2-3 改質石墨烯測試 13
2-4 超音波噴塗測試 15
第三章 表面聲波感測模組之製作與量測 30
3-1 表面聲波元件 30
3-1-1 感測原理 30
3-1-2 壓電基材選用 31
3-1-3 電極設計 32
3-2 微機電製程 33
3-3 表面聲波元件量測 34
3-4 表面聲波振盪器 36
3-4-1 放大電路設計 37
3-4-2 雙延遲線系統 37
3-4-3 雙延遲線系統穩定性測試 39
第四章 表面聲波感測模組之氣體感測實驗 50
4-1 表面聲波元件感測膜塗佈 50
4-2 塗佈上感測膜之表面聲波元件量測 51
4-3 不同密度感測層之一氧化碳氣體量測 51
4-4 不同濃度之一氧化碳氣體量測 52
4-5 甲苯氣體量測 52
第五章 結論與未來展望 62
5-1 結論 62
5-2 未來展望 63
參考文獻 64
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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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