氧化鋅氣體感測裝置之氣體感測表現分析

如2.3.1 所述，氣體感測裝置之表現注重 4S「速度(speed)、靈敏度(sensitivity)、

選擇性(selectivity)、穩定性(stability)」，而本小節將針對本實驗的氧化鋅氣體感測

之下降幅度減少，與未通入含有乙醇之空氣下的電阻更為接近，此電阻變化的形式 約16000 ppm，並且於濃度高的區間(1000 ppm 以上)，此氣體感測裝置之平衡電阻 與乙醇濃度(Cethanol)之間呈指數關係，其關係式為：

子吸附平衡狀態，接下來，以該實驗中使用之奈米線之形狀似於圓柱形之結構作為 計算基礎，將氧離子吸附造成的電子空乏區之深度與金屬氧化物本身的導電性做 連結，而得出通入還原性氣體時，其導電度變化(change of conductance, ΔG)與時間 之關係：

能看出實際之動力學表現，因此，應以導電度變化探討濃度與反應時間之關係。根

能因此可得到較快速的反應與回復。 成 此現 象之原因 為晶粒合併(grain coalescence)、晶粒界面變化(grain-boundary alteration)、孔隙度變化(porosity modification)等³⁸。

以僅通入乾燥空氣為出發點，至通入含有設定濃度(X ppm)之乙醇的乾燥空氣，

醇蒸汽於本實驗中應以物理吸脫附為主、可能僅有少數之氣體感測位置為化學吸

組指叉狀設計的氣體感測裝置中，有其中兩組之平衡電阻差距不大，而另一組則是 與其他兩組約有一個數量級的差距，且此平衡電阻數量級較大之氣體感測裝置於 通入高濃度乙醇蒸氣(2000 ppm 以上)時，平衡電阻隨濃度變化的趨勢較緩和。

本實驗之製程中有許多因素可能造成不同氣體感測裝置之間存在電阻相異達 數個數量級，例如：於噴霧法時所沉積的硝酸鋅的量與均勻度與環境溫度、濕度、

超音波震盪器的狀態等皆有關，因此不同次實驗中所製備的硝酸鋅膜就會有差異，

此外，於空氣下產生的微電漿的狀態亦有可能會受到環境中濕度、壓力等些微差異 而有所不同，其對硝酸鋅膜之處理效果自然也會不同。於章節4.2.1 中比較了不同 次的沉積並進行空氣電漿處理後的膜的表面形貌，推測在噴霧法進行沉積時主要 會形成兩種不同的結構，一為直接汽化沉積的較連續且平坦的形貌，另一為液滴附 著於表面後才乾燥形成的圓圈狀結構，且此圓圈狀結構中存在奈米等級的樹枝狀 結構；此兩種不同之微結構，以含有奈米等級樹枝狀結構之圓圈狀結構的比表面積 較大，而連續、平坦的微結構之比表面積較小，當比表面積小時，其可與環境中氣 體進行反應之表面比率減少，而使靈敏度降低¹¹⁴。於圖4.20 中的三個不同氣體感 測裝置之平衡電阻對不同濃度乙醇蒸汽之感測表現，以平衡電阻數量級較大之氣 體感測裝置之平衡電阻隨濃度變化的趨勢較緩和，也就是其靈敏度較低，以此特性 推測其微結構應以連續相之沉積膜為主，而比表面積較大之微結構，雖然其氧化鋅 之間的接面電阻較高、整體之電阻較高，不過可能因其有較多的表面可與環境中之 氣體分子進行反應，而最終於通入還原性氣體(乙醇蒸汽)時之平衡電阻數量級較小，

且具較高的靈敏度。不過，即便三個氣體感測裝置之平衡電阻上略微不同，其於氣 體感測上與濃度關係的趨勢仍相同。

0 100 200 300 400 500 1100 1200 1300 1400 1500 1600 100

1000 10000 100000

R (M  )

time (s)

0 2000 4000 6000 8000 10000

c o n ce n trat io n (p p m)

圖4.15 通入含有不同濃度乙醇的空氣時之電阻變化。

100 1000 10000

10 100 1000 10000 100000

R

(M  )

0 5 10 15 20 25 30

data points

fitting line (based on conductance)

 G/  G

(-)

time (s)

data points

fitting line (based on resistance)

R/ R

(-)

圖 4.17 分別以電阻與導電度變化作為氣體感測時動力學分析之數據點與迴歸線。

上圖為以電阻變化作為分析依據，下圖為以導電度變化作為依據。

0 4000 6000 8000 10000 12000

1000

0 20 40 60 80 100 120 140

concentration (ppm)

0 5000 10000 15000 20000

concentration (ppm)

圖4.19 於乾燥或潮濕空氣下之氣體感測表現比較。上圖為於乾燥空氣下，下圖為

表4.7 通入含有不同濃度乙醇的空氣時之反應時間比較

濃度 (ppm)

τres (s)

以電阻變化進行迴歸之結果 以導電度變化進行迴歸之結果

103 13.72 17.6

820 4.31 5.81

2490 3.55 6.86

9130 2.22 10.15

16500 1.06 6.63

表4.8 通入含有不同濃度乙醇的空氣後之回復時間比較

濃度 (ppm)

τres (s)

以電阻變化進行迴歸之結果 以導電度變化進行迴歸之結果

103 - -

820 2.77 5.50

2490 9.79 8.96

9130 32.8 7.18

16500 51.3 8.47