第二章 文獻回顧
2.1.2 氣體感測器種類
目前氣體感測器依照偵測方法分成這幾類：觸媒燃燒氣體感測器(Catalytic Combustion Gas Sensor)[29]、光纖氣體感測器(fiber-optic gas sensor)[30]、金屬氧 化物半導體氣體感測器(Metal Oxide Semiconductor Gas Sensor)、電化學氣體感測 器(Liquid Electrolyte Gas Sensor)、固態電解質氣體感測器(Solid State Electrolyte Gas Sensor)與表面聲波氣體感測器(Surface Acoustic Wave gas sensor)，目前則以 前三種氣體感測器最為常見，以下主要介紹常見的氣體感測器。
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2.1.2.1 觸媒燃燒氣體感測器
觸媒燃燒氣體感測器主要用於檢測可燃氣體，可燃氣體一般在到達燃點後才 會進行燃燒，但是在觸媒作用下，可燃氣體會以低於燃點溫度進行燃燒，這種現 象被稱為催化燃燒[31]。此種氣體感測器主要結構有觸媒感測元件、溫度補償元 件與鉑金屬微加熱器，觸媒感測元件依照所欲感測之氣體不同而改變，由於貴金 屬對氣體有優秀的催化作用，一般以 Pt/Pd 混和 TiO2[32]、SiO2[33]與 Fe2O3[34]
等材料作為觸媒感測元件，可對 H2[35, 36]、O2、CH4與煤氣[34]等進行檢測。這 些元件構成如圖 2-2 的惠思通電橋(Wheatstone bridge)電路，利用待測氣體吸附 於觸媒上時，氣體本身受到催化作用燃燒所釋放的熱量影響到微加熱器的電阻溫 度係數(Temperature Coefficient of Resistance，TCR)，改變了惠思通電橋的穩定電 流狀態並影響電阻值，藉由電阻值變化來偵測目前氣體濃度與種類，其變化是與 氣體濃度成正比。電阻值的計算以式 2 表示：
𝑅𝑇2 = 𝑅𝑇1[1 + 𝛼(𝑇2− 𝑇1)] 式 2 其中 RT1為初始溫度 T1的電阻，RT2為最終溫度 T2的電阻，α 為溫度係數(依材 料不同而改變)。
早期的觸媒燃燒氣體感測器必須保持高溫運作，溫度從 300oC 到 600oC 不 等，但近年來隨著感測器研究的進步與元件的微小化，藉由 UV-LED 活化觸媒表 面，使得目前感測器運作溫度可小於 100oC[32]，比起以往已經大幅降低運作功 耗，不過觸媒燃燒氣體感測器僅適合高濃度可燃性氣體是其本身的侷限。
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圖 2-1 觸媒燃燒氣體感測器；(A)結構示意圖；(B)元件 SEM 圖[36]
圖 2-2 觸媒燃燒氣體感測器惠思通電橋電路[36]
2.1.2.2 光纖氣體感測器
光纖氣體感測器是一個非常有潛力的感測器，相對於其他感測器大都採用電 阻或電位對濃度的改變來計算目前氣體濃度，在潮濕、腐蝕、強烈磁場或電場的 環境下，電子式感測器容易受到干擾導致元件失靈，進而影響感測器的可靠性及 穩定性，以光為介質的感測器可避免這種缺點，其最大優點就是不受電磁干擾 (Electromagnetic Interference，EMI)[37]，能運作作於極端的壓力、溫度及毒物環 境。
一般光纖氣體感測器依照感測方式分為數種，包括長週期光纖光柵(Long-period fiber grating，LPG)、光纖佈拉格光柵(Fiber Bragger Grating，FBG)、光纖
觸媒感測元件 白金
微加熱器
(A) (B)
溫度補償元件
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漸逝波(Evanescent wave)、螢光型與表面電漿共振(Surface Plasmon Resonance，
SPR)[38, 39]。最基本運作方式為改變披覆材料，當光線在光纖內藉由全反射通 過時，若待測氣體吸附在披覆材料上會產生螢光或是改變折射率，而加上了光柵 或是使用特定金屬引起表面共振都是為了使微小的光訊號放大，藉此改變來偵測 氣體種類與濃度。不同的披覆材料如 Ag 可以感測 H2S、SO2、Cl2，當 Ag 膜上 再加上一層聚矽氧烷(Polysiloxane)薄膜時可感測四氯乙烯[40]；WO3 可以感測 H2[30]；釕金屬混和物可以感測 O2[41]；聚苯胺 LB(Langmuir-Blodgett)膜可以感 測 NO2和 H2S 等[42]。此類型感測器缺點易受周圍光線之干擾、應答時間長、長 期穩定性較差、測量範圍窄等。
圖 2-3 光纖氣體感測器示意圖
圖 2-4 光纖氣體感測器量測方式[30]
2.1.2.3 金屬氧化物半導體氣體感測器
金屬氧化物半導體氣體感測器(Metal Oxide Semiconductor Gas Sensor，MOS)
11 參數，而電阻之間的變化程度可以靈敏度 S 來定義。靈敏度(Sensitivity)是指當元
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2𝑂2(𝑔𝑎𝑠)+ 2𝑒−(𝑀𝑂𝑆) → 2𝑂−(𝑀𝑂𝑆) 式 3
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件達穩定工作狀態時，輸出變化量與原始輸出量的比值[45]，其定義以式 4 表示：
其中 Rgas為 MOS 吸附待測氣體達飽和後穩定狀態下的電阻；R0為 MOS 初 始的電阻值。半導體氣體感測器對於低濃度氣體之訊號變化具有良好的靈敏度，
同時具有極好的重複性、可靠度、使用壽命長與耐腐蝕等優點；缺點是輸出訊號 與濃度成非線性變化、選擇性較差且不適合高濃度檢測。
圖 2-5 MOS 能障示意圖[46]