第二章 原理
2.2 五氧化二鉭-氧化銥對氫離子感測電極的工作原理
我們在白金電極上鍍氧化銥薄膜，再鍍上一層五氧化二鉭薄膜。
此感測電極的工作原理如Fig. 2-2 所示，構造圖如 Fig. 2-3 所示。
1. 氧化銥薄膜：
氧化銥是一種過渡的貴金屬氧化物，具有抵抗待測溶液侵蝕的能 力又有低阻抗跟較快的氧化還原能力，因此可以用在pH 電極的感應 層上。本實驗是以非晶態氧化銥薄膜為主，若是以低功率（約30 W ~ 100 W 之間）、低基板溫度（略高於室溫）的條件下濺鍍時，所濺鍍 出來的氧化銥屬於非晶態（amorphous）的薄膜；若是濺鍍時基板溫 度加熱超過100℃ 以上，薄膜就會開始出現結晶態。氧化銥具有微 通道跟夾層水分子等結構的氧化物，在離子移出跟注入薄膜上面的有 較快的擴散速率。即擁有離子與電子導体的雙注入特性，遵守（2-3）
式的氧化還原反應式，改變自身費米能階（Fermi Level）造成電位改
變，因此可以測得待測溶液中氫離子濃度，反推得pH 值。
氧化銥薄膜在液體、空氣中或未完全氧化的情況下，容易跟氧
氣發生氧化反應，使得感測元件的電位不固定，因此我們選擇五氧化 二鉭當作保護層（Encapsulation）覆蓋在氧化銥薄膜上，五氧化二鉭 薄膜不僅可以隔絕氧氣對氧化銥的反應而且不影響氧化銥對氫離子
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濃度的感測。
2. 五氧化二鉭薄膜：
五氧化二鉭薄膜，為一種絕緣的陶瓷材料，具有良好的介電性質 以及抗酸鹼腐蝕性。因其介電性質的穩定性，且沒有鐵電材料的揮發 污染問題，而一直是受到高度重視的材料之一。在常溫下所濺鍍出來 的五氧化二鉭薄膜是非晶態，在基板溫度高於500℃時則轉變為多晶 態，在較高溫度下濺鍍出來的薄膜，其含氧量也會降低。當 Ar/O2 的
比例越高時，五氧化二鉭的濺鍍沈積速率就越快，薄膜的反射率就會 增加，金屬性變強，但如此薄膜的酸鹼感測特性就會變差。
五氧化二鉭為離子導体，對氫離子具有單一選擇性，即溶液中 只有氫離子可以通過Ta2O5薄膜，當氧氣接觸元件時會先到達五氧化 二鉭薄膜層，此時氧氣並不會與五氧化二鉭有電子得失現象。因此就 如同被抵擋在五氧化二鉭層外，便不能與氧化銥薄膜發生反應而改變 其電位。所以五氧化二鉭可以隔絕空氣中或是溶液中的氧氣，只讓氫 離子與氧化銥反應。
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3.白金電極：
白金是貴重金屬導體，不易受外界環境物質影響，發生化學反
應，所以非常適合當電子的傳導電極，故白金電極是對 IrO2‧H2O 提 供電子的傳輸。
對於一個理想的氫離子感測器，應具備三點特質：
1.感測器與參考電極的電位差具有穩定性：
由於氧化銥薄膜在液體中平衡態的行為，其電位對反應濃度的關 係是由Nernst 方程式所描述，根據(2-6) 式，可清楚知道氧化銥對待 測溶液pH 值變化成一穩定的線性關係，在室溫 298K 下，其斜率為 -59.05mV/pH，因此可知道當 pH 值固定時，氧化依具有一固定的電 位。
2.電位需具有再現性：
氧化銥在濺鍍後，其組成成分並非完全為氧化態（Ir4＋），價數位
於三價與四價間，即IrO2．H2O 和 Ir(OH)3，此組成比例決定費米能 階的位置，即氧化銥的電位值。
將五氧化二鉭完全覆蓋於氧化銥薄膜上，氧化銥便不會和空氣接
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觸，並會被五氧化二鉭薄膜所鈍化（passivation）而使表面的氧化銥 失去活性，此效果能隔離氧氣也能使氧化銥的氧化態/還原態固定在 濺鍍完成的初始狀態，費米能階的位置便不受影響。對氫離子作用而 改變氫離子感測電極電位的情況下，感測器對相同pH 值待測溶液，
因元件上氧化銥費米能階和環境溫度皆固定，電位應該具有再現性且 不隨時間變化。
3.材料不受化學溶液的侵蝕：
一般金屬氧化物，皆可進行如下的反應
MxOy＋2yH＋＋2ye－ ⇔ xM＋yH2O[24]
pH 感測器的材料必須能抵抗酸性物質的侵蝕，而本實驗選用的 五氧化二鉭與氧化銥材料都具有抵抗待測溶液侵蝕的能力，因此選為 感測器的保護層與篩選氫離子，其不受化學溶液的侵蝕，使元件能在 酸性與鹼性中正常工作，亦能使感測元件的壽命變長。