2.1 感測元件工作原理
對於本實驗所做的 CO2固態微型微感測元件的主要原理是外界 CO2 與殘留在固態電解質(PVA·KHCO3)的水，起化學反應而產生碳酸(H2CO3) 對 PVA 產生酸化作用進一步影響了固態電解質(PVA·KHCO3)裡面的氫離 子平衡濃度，當氫離子濃度開始增加，會在濺鍍氧化铱薄膜(SIROF) 表面與固態電解質(PVA·KHCO3)的介面之間發生電化學反應同時電荷 重新分佈，因此電場產生變化，進而影響過渡金屬氧化物氧化铱的表 面費米能階在能帶上的位置，所以造成氧化铱電位的改變。理論上要 是我們可以把未受到氫離子(H+)影響的氧化铱薄膜電極拿來當作參考 電極與另一邊受到氫離子(H+)影響的氧化铱薄膜電極當作感測電極來 互相比較其電位，將可以得到一個相對於氫離子(H+)開路電位( Poten -tial Difference)的輸出。這種輸出可認定為二氧化碳產生的 H+濃度 梯度與兩個氧化铱薄膜電極接觸所引起的。
2.2 氣體感測機制
我們可由以下的化學反應式來看看 CO2氣體與固態電解質跟氧化 铱薄膜電極三者間層層的關係。
K1 K2 K3
CO2(aq) + H2O ÅÆ CO2 (H2O) + H2CO3 ÅÆ H+ + HCO3- ÅÆ 2H+ + CO32-
因為我們在 PVA 裡面加入碳酸鹽 KHCO3，有緩衝液般的作用。可以使 得 PVA 裡面的氫離子濃度能達到穩定的狀態，所以整個反應式還有 KHCO3的參與。反應方程式如下：
KHCO3 K+ + HCO3
綜合以上的平衡關係式我們可以得到ㄧ些資訊 :
(1) 碳酸鹽(KHCO3)濃度會影響著 CO2對 PVA 層的酸化程度。
(2) CO2透過 PVA 層到達感應層會造成反應電位的反應時間。
若以電化學觀點來看此種感測器會與ㄧ般的濃度電池相類似。我們
第二章 原理
運作的。我們將兩個氧化銥電極一起併入電解質中，將其中ㄧ個加以覆 化銥的組成成份可分為非晶態 (amorphous)、多晶態 (polycrystall -ine)、單晶態 (single crystalline)的三種薄膜型態。三種都具有不 同的組成結構跟電性差異。本實驗室所採用的製備氧化銥薄膜方式是反 應式濺鍍氧化銥薄膜(SIROF，sputtered iridium oxide film)，本實 驗是以非晶態氧化銥薄膜為主，因為它是具有微通道跟夾層水分子等結
IrO2(active region)
Potential difference
IrO2( reference region) Electrolyte
第二章 原理
由於有論文指出氧化銥薄膜在不同酸鹼溶液下會有不同的挾入離 子方式，而本實驗所採用的固態電解質為弱酸性(2mM KHCO3 + 0.06mM PVA)。所以此挾出離子是以 H+的機制為主較為恰當。其反應方程式如下 Æ在酸性環境下：
(藍黑色導體) IrO2․H2O + H+ + e- ÅÆ Ir(OH)3 (無色絕緣體)
在這裡我們主要是利用其中ㄧ個氧化銥來來當作參考電極；另ㄧ個氧化 銥來當作感測電極，所以在量測兩微電極間的電位差(ΔΠ)來對二氧化 碳對數值做圖，會發現兩者有正比的關係式存在。我們可由此關係式來 求得二氧化碳氣體濃度。再者，我們可從本實驗室已畢業的學長盧兆晴 的氧化銥電位式二氧化碳感測元件的論文中所推導的理論式中摘錄其 中來做解釋。
根據所推論的結果我們可以得到以下關係式
dΔΠ/dpH = dΔΠ/dlog[H+] = dΔΠ/dln[k[H+]] = RT/F 其中，R = 8.3147 J/K‧mole
T = 298 K
F = 96493 Coulomb
所以在經由換算我們可以得到 RT/F ≒ 59 mV / pH
而由 Serveringhaus 所定義出來的感測度 S(sensitivity) = ΔpH/ΔlogpCO2
我們也可以從之應用在 CO2與 KHCO3之間的相互作用上，最後可以得到的 理論感測度式為
S = ΔpH / ΔlogpCO2 = 1
再者，經由假設 dlog[%] = βdlogpCO2 所以可以推得
dΔΠ/dpH = dΔΠ/dlogpCO2 = βdΔΠ/dlog[%]
所以我們可以由上式知道 dΔΠ/dlog[%]確實與 dΔΠ/dpH 有正比的關 係。而且我們還可以從比例常數 β 來判斷所做的二氧化碳感測器與理 論值的偏離數值。根據理論上來考慮，當 β 值越近似於 1，表示感測器 暴露於二氧化碳氣體時，固態電解質的酸鹼度變化越大；換句話說，所 做出來的二氧化碳感測器靈敏度越佳。
2.4 濺鍍五氧化二鉭薄膜對感測元件的影響性
氧化銥是ㄧ種可以讓離子與電子通同時通過的薄膜氧化物，即是所 謂的等價氧化物。本實驗正是利用這種雙載子注入特性來完成感測二氧 化碳的實驗。已經知道 H+會影響氧化銥的電位變化，所以當二氧化碳進 入感測元件時會先通過固態電解質薄膜，並經過ㄧ系列酸化反應後，氫 離子成功的被挾入到氧化銥薄膜層與固態電解質間的介面處。然後藉由 氫離子濃度變化進而影響過渡金屬氧化物氧化銥表面費米能階在能帶 中的位置，因此我們可以量測到氧化銥電位的變化。但是氧化銥這種具 有可以讓離子與電子同時通過的特性卻會對氧氣產生反應。當氧氣接觸 到氧化銥薄膜時會發生電子得失現象，即是所謂的氧化還原反應。這樣 的反應機制對於我們所希望能準確的偵測二氧化碳氣體的想法相悖。因 此我們考慮使用ㄧ種單向性的薄膜--五氧化二鉭。五氧化二鉭是ㄧ種絕 緣體，只有離子可以通過。所以在氧化銥薄膜上面再濺鍍一層五氧化二 鉭，當氧氣進入感測元件時會通過固態電解質層而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。我們 可由圖 Figure 2.2 圖解說明來看，更可以了解其反應機制。