實驗裝置的架構

3.5-1 氫離子感測元件電化學系統

使用的測量儀器為 Keithley 617，因為本實驗設計的元件為電位

式元件，利用 Keithley 6011 Cable 線連接元件，對元件與甘汞參考電 極（SCE）之間電位差的量測。透過電腦的 Gpib 介面卡與 Keithley 617

連線，再使用Lab View 軟體所寫操作界面的程式，便可利用電腦讀 取紀錄數位資料。

測量氫離子感測電極的流程如下：

1. 打開水循環系統，水溫設定在 19℃，冰水在冰水機與雙層玻璃之 間循環，提供電極在恆溫的液態環境。

2. 使用甘汞電極（SCE）當標準電極，以 pH Meter Mettler Delta 350

測量待測溶液中的pH 值，pH 量測儀在酸性環境中使用，須對 pH=4.01 的標準溶液校正液作校正，在量測鹼性的環境，須對 pH=7.00 的標準液作校正，校正完後以 pH 量測儀當參考並改變待

第三章 實驗步驟

測溶液的pH 值至所需要的實驗條件。電位測量使用 Keithley Model 617 Programmable Electrometer，連接 Gpib 卡由電腦中 Lab View 軟體讀取紀錄數據。

3. 將氫離子感測元件接在電位計的正端，SCE 接在電位計的負端。

將氫離子感測元件、SCE 電極放入待測溶液中。並注意不要將 pH

量測儀也放入溶液中，因為量測儀可能會和感測元件互相干擾而 使量測的數據產生誤差。

4. 總結實驗量測所需的溶液有：pH＝4.01 標準液、pH＝7.00 標準液。

另外，在作酸鹼變化實驗時需要B-R 緩衝溶液（Britton Robinson Buffer Solution），成分有0.04M CH3COOH、0.04M H3BO3與 0.04M H3PO4，調配完成後溶液的 pH 應為 1.83 左右，若不為 1.83 則成份 比例可能有誤，另外我們使用鹼性溶液 0.2M KOH，以此兩種酸和 鹼來改變待測溶液的pH 值。

3.5-2 液態中氫離子感測電極穩定性的實驗

氫離子感測器對於固定 pH 值的待測溶液，在長時間測量下須具 備電位穩定性，否則此電極不適用。將完成的五氧化二鉭-氧化銥氫 離子感測器，放入pH＝4.00 溶液中，並打開循環水系統，使水溫維 持在19℃，開始紀錄於長時間下，氫離子感測電極對電位的穩定性，

第三章 實驗步驟

實驗裝置，如Fig. 3-8 所示。

3.5-3 感測元件電位的再現性

此一實驗可以驗證電極電位具有獨特性與再現性，我們準備 pH=4.00 與 pH=7.00 兩種溶液，一樣也是利用雙層玻璃與循環水系 統，來維持溫度的恆定。

首先，將五氧化二鉭-氧化銥電極放在 pH=4.00 待測溶液中，在

第一天先做酸性測量，接著再把電極放入中性pH=7.00 溶液中。第二 天再將五氧化二鉭-氧化銥電極放在 pH=4.00 待測溶液中，接著再把 電極放入pH=7.00 溶液中。重複此動作到第四天，觀測每一天所的量 到的電位，是否為固定的值，實驗裝置如Fig. 3-8 所示。

3.5-4 感測元件電位的線性工作區

氫離子感測器電位對於 pH 的反應，需有一固定的關係而不需校 正且關係盡量越簡單越好，此感測元件在理論上對於pH 之響應為簡 單的線性關係，此實驗將驗證這點，並觀察此線性區的範圍是否寬廣 而具有實用性，實驗流程如下：

1. 先準備 11 個燒杯，分別裝有 pH＝2.00、pH=3.00、pH=4.00 一直

第三章 實驗步驟

測量到pH＝12.00 的 Britton Robinson Buffer Solution。

2. 將五氧化二鉭-氧化銥電極放在 pH＝2.00 的 Britton Robinson Buffer Solution，待電極電位穩定後，記錄電極電位和 pH 值的關 係。重覆此步驟，直到 pH＝12.00。其實驗裝置，如 Fig. 3-9 所示。

3.5-5 感測元件電位的結構對量測時間之影響

理想的氫離子感測器對於固定 pH 值的待測溶液，須在長時間測 量下具備電位穩定性，否則此電極不良，因此我們將檢驗元件可於溶 液中連續量測的時間。分別使用邊界固定（邊緣以Epoxy 固定）和無 邊界固定的白金電極來製成元件，將完成的五氧化二鉭-氧化銥氫離 子感測器，放入pH＝4.00 標準溶液中，並打開循環水系統，使水溫 維持在19℃，開始紀錄於長時間下，氫離子感測電極對電位的穩定 性。

3.5-6 氫離子感測元件的儲存壽命

當氫離子感測器可以長時間測量後，我們亦想知道元件的壽命即 可於多少時間後還能量測得相同的電位值，所以本實驗將探討元件在 特定的保存環境中，能有多少的儲存壽命。

第三章 實驗步驟

將製作完成後的元件保存於真空中，並每隔十天取出量測計錄電 位值，重覆此步驟至實驗天數達兩個月。完成後，改以空氣保存的條 件儲放元件，每隔十天取出量測計錄電位值，重覆此步驟至實驗天數 達兩個月。

3.5-7 氫離子感測元件所需的平衡時間

此實驗將測試氫離子感測電極由空氣中放入溶液後，電位達到穩 定所需要的時間，此即元件達平衡的時間為元件性能的重要參數，時 間越短則越快提供我們正確的pH 值，則元件性能越好。實驗準備了 兩種結構的氫離子感測電極，分別為第一種改良前無邊界固定且氧化 銥薄膜三倍厚的元件，以及第二種改良後邊界固定（邊緣以Epoxy 固定）的元件。

並且我們在覆蓋氧化銥的五氧化二鉭薄膜結構，分別使用以下兩 種方式：第一種是以光罩遮蓋氧化銥薄膜以外的晶片部份再濺鍍五氧 化二鉭，以此製程做出來的五氧化二鉭為覆蓋在氧化銥上的丘狀薄 膜，第二種方式是以光罩只遮蓋氫離子電極的接點（為封裝時要以銀 膠連接的部份白金基板），此製程濺鍍的五氧化二鉭薄膜呈均勻狀分 佈。將這兩種製程的元件由空氣浸入溶液並量測記錄電極電位和pH

第三章 實驗步驟

3.5-8 氫離子感測元件對 pH 變化的反應時間

對於氫離子感測器所想要的另外一種用途是監測溶液中的 pH 值 是否維持固定，一旦pH 值改變後我們要求在短時間內得知 pH 值改 變量以及溶液的新pH 值，因此接下來的實驗將測量元件分別在酸性 和鹼性中對pH 變化所需的反應時間，實驗的架設如 Fig. 3-10。

讓蠕動幫浦帶動不同 pH 值的溶液滴在感測區，這感測區是由元 件感測膜與SCE 隔離膜的交界處所組成，藉由液體的表面張力會自 動在感測區形成一個裝有溶液的液腔，當需要變更不同pH 值的溶液 時，讓蠕動幫浦吸入一段空氣以用來隔開新舊兩段液體，而每次蠕動 幫浦所帶動的溶滴都會沖洗掉原有的液腔溶液，使氫離子濃度每次都 被改變一半，以計算得知假設pH 要由 7 改變至 4 反應峰值的 90%需 要6 秒的時間，所以此實驗架設可以做到快速更換溶液 pH 值的效 果，又不需要搬動元件而造成雜訊。

此裝置之缺點是無法準確控制溫度，另外，蠕動幫浦的溶液輸送

方式是藉由橡皮管和馬達齒輪的擠壓而夾帶溶液，所以幫浦帶動之間 的磨擦可能會產生靜電而影響量測訊號。

在背景溶液 pH＝7 下等到元件電位平衡後，注入酸性溶液(pH＝

4)經過五分鐘後再換回 pH＝7 的背景溶液至電位平衡，並重覆這個步

第三章 實驗步驟

驟三次，記錄電極電位和pH 值的關係。接著也是使用背景溶液 pH

＝7 下注入鹼性溶液(pH＝10)經過五分鐘後再換回背景溶液，並重覆 這個步驟三次。