氧化镍薄膜气体传感器性能提升

　　0　引言

　　近年来,由于环保意识的抬头,大众对于空气质量的要求日渐提升。而现代人处于室内环境的时间与日俱增,统计报告指出,一般人平均一生中有58-78%的时间待在室内,而在一天当中更有90%的时间是在室内环境渡过。室内建材在加工制造的过程中,所使用的许多化学物质,例如油漆、胶类及清洁剂所散发的挥发性有机化合物和室内装饰物及家俱所散发之甲醛,而这些污染物可能会引发呼吸道症状、呼吸道症状或刺激性症状等,通常这些症状都是进入建筑物后才发生,离开建筑物后症状就会减轻或消失,我们称为「病大楼症候群」[1]。由于甲醛高化学活性、高纯度、以及相当廉价,因而被广泛应用在工业生产建筑物材料及多数家用产品的化学原料[2, 3]。但建材及家具涂料会逐渐释放游离甲醛,人体如果接触过量甲醛,可能会引发呼吸道或皮肤发炎、刺激眼睛,甚至可能致癌。根据美国国家职业安全卫生组织规定人们长期曝露甲醛浓度不得超过1ppm[4]。

　　传统甲醛的检测仪器是藉由光学感测方式(GC-MS)[5]对甲醛进行定量与测定。然而这种结合光学的量测方式很昂贵、耗时、复杂且不能实时得知甲醛曝露的含量。随着微机电系统(MEMS)技术跟微制造技术日趋成熟[6],不仅使组件体积大幅缩小,组件耗能也大量的减少除此之外,可批次制造,可节省材料与成本,感测组件的性能也能趋于一致更重要的是,其可积体化的特性,可将控制组件与感测材料整合于单一芯片上,实现微小快速的感测系统。

　　本文是利用MEMS方式制作传感器,以石英玻璃当作基材,利用白金在高温时热膨胀系数小的特性,其本身的电阻值来提供焦耳热,当作实验中的加热器,并以氧化镍作为感测层,使用白金作为电极量测感测层电阻的变化。研究中使用小型的环境测试箱检测箱内若存在甲醛气体,氧化镍薄膜层上导电度会增加,因而导致感测层电阻值降低,藉由观察感测层电阻值的差异性,就可得知感测气体在感测空间中的散布浓度情形。

　　1　气体传感器的设计与原理

　　1. 1　催化剂的作用

　　本研究所用的原理是利用感测层当催化剂,当甲醛气体靠近感测层时会发生催化反应,其化学反应式如下:

　　其反应发生时会产生蚁酸或者二氧化碳以及水,当氧化镍与甲醛发生反应后,会改变氧化镍本身电导率大小,我们可以从电性方面的改变的大小,求得待测气体的浓度大小。

　　1. 2　气体传感器设计

　　本研究选用白金当做微加热器是利用其耐高温以及物理现象稳定,且在高温时白金热膨胀系数小的特性。加热原理是利用金属本身的电阻值来提供焦耳热。当电流经过金属物体时,因金属物体本身有内部电阻,当电流通过金属时会对金属物体本身产生热,计算公式为P=V2/R,其中P为焦耳热、V为电压、R为电阻。图1显示微型传感器的设计图样,传感器结合加热装置与感测电极在同一层,微型加热器设计提供实时和精确的温度控制能力,且指叉式电极容易直接量测感测层的电性和电阻的改变,溅镀氧化镍尺寸小,增加与氧化镍的接触面积,氧化镍粒子有效的与甲醛发生反应,因而灵敏度和感测限度皆可提升。