第一章 緒論
1.2 感測器簡介
1.2.2 吸附原理
由於表面原子的反應性增加，導致周圍之氣相分子被吸引而附著在半導體表面上之 現象稱為吸附作用。吸附雖可分為物理性吸附(physical adsorption)以及化學性吸附 (chemosorption)，但在固態表面與氣體分子藉由電子的交換形成鍵結之前，其反應的第 一個步驟就是物理性吸附。
一、物理性吸附
物理性吸附是指固體表面與氣體分子間以凡得瓦力(van der Waals' force)相結合，此 種結合為交互作用中最弱的一種鍵結。由於氣體分子在附著於固體表面時並未進行分解， 蓋程度(fractional of coverage) 無關， 之關係如式(1.3)所示[24]：
(1.3) 當吸附達穩定狀態時，可由式(1.2)與式(1.3)獲得Langmuir isotherm 之關係式[25]：
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( ) (1.4) 在極低之氣體分壓下，Langmuir isotherm 依然遵守亨利定律(Henry’ slaw)[24]，即
(1.5) 此時表面之覆蓋率正比於吸附氣體之分壓。
由於亨利定律並不適用在較低之溫度下，因此Brunauer 等人[24]提出五種不同的吸 附模式，如圖1.4 所示，用以說明各種吸附狀態，此形式亦稱為
Brunauer-Emmett-Teller(BET)isotherm。
圖 1.4 物理等溫吸附之實驗曲線：(a)單層的吸附現象之 Langmuir 等溫吸附曲線, (b)多層 吸附現象之 BET 等溫吸附曲線,(c)當吸附劑與吸附質之間的相互作用力很弱時會出現此 種等温線,(d) 多孔吸附劑發生多分子層吸附時會出現有此種等温線(e) 發生於多分子層 吸附，有毛细凝聚現象[24].
二、化學性吸附
化學性吸附可藉由Lennard-Jones[26]所提出之模型予以解釋，其位能與原子間距離 之關係如圖1.5[27]所示。在圖1.5中之(a)為吸附氣體之能量與固體表面之間距離之關係曲 線，當吸附氣體分子與固體表面相距某一特定距離時，有最小之能量Qp，相當於物理性 之吸附能。而(b)則代表氣體分子在解離為兩個原子時，其能量與距離X之關係曲線，Edis 代表當X=∞時所需之分解能。從圖1.5 中可知，最低之分解能出現在X較小之位置，相 當於化學性之吸附能。而由(a)與(b)相交處所得之Ea則代表氣體分子從物理性吸附開始轉
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變為化學性吸附所需之能量。而脫附時所需之能量則為Q+Ea。物理性吸附為一種放熱較 低且非活化的過程，一般而言，每個氣體分子所需吸附能約僅0.2eV。而化學性吸附則 為一種活化過程，其活化能可藉由熱或者光能所提供。由圖1.5亦可得知，由物理性吸附 轉變為化學性吸附所需之能量比之由氣態分子直接進行化學性吸附小。因此，大部分化 學性吸附反應皆是由氣體分子先進行物理性吸附後，再轉而變為化學性吸附。
化學性吸附能 Q 與表面覆蓋率呈反比，此現象可由下述三種因素所解釋：
(一) 非均勻性之固體表面：若固體表面存在有較高能量的吸附位置，則這些位置將率先 被氣體分子佔據。當覆蓋率增加時，氣體分子才會佔據較低能量之位置，因此Q值 隨覆蓋率增加而降低。
(二) 固體表面與吸附氣體之間的排斥作用：氣體分子吸附時，愈多氣體分子吸附，則分 子之間之排斥作用會隨著吸附的氣體分子增多而增強，但化學吸附能則否。
(三) 表面電荷層的形成。
圖 1.5 吸附劑與吸附質系統之能量可視為是吸附質與表面之間距離的函數：(a)無解離之 吸附能 (b)解離後之吸附能[8].
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各式吸附式氣體感測之工作原理與實例如下表:
表 1.1 氣體感測器之工作原理與實例
原 理 現 象 實 例
物理吸附
原理：吸附水分子引起質子導電 對象：濕度
材料：親水性高分子、多孔性陶瓷
電阻式濕度感測器
原理：吸附水分子引起靜電容量變化 對象：濕度
材料：疏水性高分子、多孔性陶瓷
電容式濕度感測器
原理：吸附氣體引起重量變化
對象：濕度、CO2、O2、NH3 等氣體 材料：具各種官能機之高分子
石英震盪子氣體感測器
化學吸附
原理： 吸附氣體引起半導體電子或空穴 ( vacancy) 濃度變化
對象：可燃性氣體、NO2 等
材料：有機、無機半導體（SnO2、鈦鈣礦 型氧化物）
半導體氣體感測器
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