研究動機與目的

第一章緒論

1.2 研究動機與目的

由於在現在的新聞報導上，時常看到很多因酒精而誤了自己或別人一生的案例層出不窮，不管是酒駕或是因酒精情緒失控做出了危害社會的事情，給這社會造成了莫大的負擔，想信每個人看了也都憤憤不平，因此我們特別想要研究設計感測器對酒精的反應，此類金屬氧化物感測器具有製程簡單且成本低廉、穩定性高、回應速度快、高靈敏度、壽命長等優勢，在未來極具發展的潛力。

本實驗設計的感測器，是將外界環境中預測量的物質之物理或化學變化量轉換成電性變化表出圖表的裝置，上電極使用 ITO 玻璃電鍍金(Au) ，下電極使用了塗上兩層的氧化鎳(NiO)做為半導體層，一樣旋轉塗佈在 ITO 玻璃上，組裝好之後放置於不同的環境中做量測，我們主要針對不同濃度的酒精(

C

₂

H

₅

OH

)去做感測實驗，比較在不同 RTA 溫度和酒精濃度之下進行分析，找出R

_et

、R

_s

、𝑓

_char

和𝑓

_t

等值，並計算出電容值和靈敏度，分析圖形以及數據在不同酒精濃度之下的差異和趨勢，並介由判別圖形上量測數據的走向來達到分辨不同酒精濃度的目標。

3 第二章實驗方法

2.1 實驗藥品

【表 1】實驗相關藥品

編號圖示中文名稱英文名稱化學式分子量備註

1 氨水 ^Amonium

Hydroxide

NH4OH 35.05

－

2 去離子水 Deionized Water H2O 18.01

－

3 醋酸鎳 Nickel(II)Acetate

Tetrahydrate

Ni(CH3OO)24H2O 248.84 97%

4 聚乙二醇 Polyethlene Glycol HO(CH₂CH₂O)_nH (n：聚合度)

600 PEG600

4

5 無水乙醇 ^Ethanol ^C²^H⁵^OH 46.07 99.5wt%

6 正丁醇 n-Buty Alcohol CH3CH2CH2CH2OH 74.1 99.9%

7 丙酮 ^Acetone ^CO(CH³⁾² ^58.08 ^95%

8 異丙醇 Isopropanol C₃H₃O 61.0 95%

5 2.2 實驗分析儀器

【表 2】實驗相關儀器

編號圖示設備名稱設備用途

1 超音波震盪槽

(Ultrasonic Cleaners)

主要功能在於將溶液中，未完全溶解之溶質振盪使其完全溶解。儀器型號 D150h，製造廠商 DELTA。

2 電子天平儀

(Electronic Balance)

用於量測及調配藥品劑量

3 高溫爐(Furnace) 主要功能是高溫熱處理，其溫度範

圍：室溫～1200℃。儀器型號 RI-45，製造廠商 RISEN。

4 烘箱(Oven) 烘烤或預熱及去除多餘水分，也常

用於乾燥物體、清潔物體等。

6

7

8 旋轉塗佈機

(Spin Coater)

主要功能為將樣品離心運轉，以達到散撥液體及樣本之均勻塗佈。轉速及加速度必須根據所需之薄膜厚度來設定，且須液體黏度及樣本材料而改變。儀器型號 SP-M1-S，

製造廠商力丞儀器。

9 快速熱退火爐

(Rapid Thermal Processing)

快速昇溫退火，溫控精準，但一次一片，產出比較慢一點，可以通特殊氣體，進行反應。儀器型號 MILA-5000，製造廠商 ULVAC。

8 2.3 實驗方法

2.3.1 實驗步驟流程圖

【圖 1】實驗步驟流程圖

9

2.3.2 氧化銦錫玻璃(ITO)基板之清洗

氧化銦錫玻璃(Indium Tin Oxide,簡稱為 ITO)基板在移動及切割的過程中，表面容易沾附粒子、油脂、有機與無機物質等雜質，而這些污染物的吸附會降低 ITO 與其他結構間的接面品質，增大元件串聯電阻的阻抗，為了提升品質與性能，在進行塗佈或濺鍍前 ITO 必須經過一定的清潔，其清洗步驟如下：

1. 使用玻璃切割機將 ITO 基板切割成實驗所需 20×20

²

面積。

2. 將 ITO 基板浸泡在丙酮(Acetone,ACE)中，以超音波震盪器震盪 30 分鐘，清除表面的油泥積碳等。

3. 將 ITO 基板浸泡在異丙醇(Iso-proponal,IPA)中，以超音波震盪器震盪 20 分鐘，以去除基板表面可能殘留油漬。

4. 將 ITO 基板浸泡在去水酒精中，以超音波震盪器震盪 30 分鐘，

以除去表面的異丙醇。

5. 將 ITO 基板浸泡在去離子水中(De-ionized Water,DI-Water)，以超音波震盪器震盪 30 分鐘。

6. 觀察玻璃基板表面有無水漬殘留，有則重複步驟 1-4。

7. 以氮氣槍吹乾玻璃基板後，置入烤箱 50℃烘乾 30 分鐘。

8. 最後將 ITO 基板一邊貼上隔熱膠帶製作我們要的電極塗佈區。

10

2.3.3 製備氧化鎳溶液

製作氧化鎳固態電荷傳輸介質應用於液態感測器電路中，考量利用溶膠-凝膠法可製備出孔徑大小一致且成膜均勻的氧化鎳薄膜，並加入具有塑膜性與穩定性的聚乙二醇（PEG 600）當分散劑，增加溶膠與基版的覆膜性，以其適當的長鏈式分子結構分散包裹溶凝膠粒，形成三度空間隔離保護膜避免溶凝膠粒直接團聚，在後續高溫結晶處理時，可以得到高比表面積的薄膜。

實驗流程：

1. 體積比 2 比 1 的乙醇(34ml)與正丁醇(17ml)，加入適量的 PEG 600(5.5g)，室溫超音波震盪 30 分鐘充分混和(如圖 2)

【圖 2】經均勻混合後的乙醇(34ml)與正丁醇(17ml)以及 PEG 600(5.5g)

11

2. 接續溶入醋酸鎳(6.221g)以配成所需濃度的前驅液，繼續於室溫超音波震盪 30 分鐘(如圖 3)。

【圖 3】接續溶入醋酸鎳(6.221g)經充分混合後

3. 於室溫緩慢滴入適量的氨水(4ml)於混和液中，過程可觀察到翠綠色溶液逐漸變成藍綠色，最後變成透明藍色的溶膠(如圖 4)，經由文獻可以得知醋酸鎳已同時完成水解與聚合反應形成氫氧化鎳(Ni(OH)

₂

)溶膠，在室溫超音波震盪 30 分鐘後，靜置 24 小時陳化，形成穩定均勻的覆膜液。

【圖 4】接續滴入適量的氨水(4ml)於混和液中經充分混合後

12

4. 使用陳化 24 小時的溶膠，旋塗在 ITO 導電玻璃上，每一層經過 200℃焦化 1 小時，重複數次以獲得所需薄膜之厚度。

2.3.4 氧化鎳電極薄膜製作

1.將 NiO 溶液滴入 ITO 玻璃上，以旋轉塗佈機第一階段轉速 800rpm/

20s 及第二階段轉速 4000rpm/20s 。

2.取出後放置烤箱，進行第一階段升溫 90 分鐘，第二階段恆溫 200℃

一小時。

3.取出後在已覆有一層焦化過 NiO 層上滴入第二層的 NiO 溶液，進行第二次的旋轉塗佈，第一階段轉速 800rpm/ 20s 及第二階段轉速 4000rpm/20s。

4.取出後一樣再次放入烤箱，進行第二次的焦化第一階段升溫 90 分鐘，第二階段恆溫 200℃一小時。

5.完成前面步驟後，接續把樣本一次一片放進快速熱退火爐(RTA)，

進行燒結取出後(如圖 5)，再放入第二片，即完成氧化鎳光電極薄膜。

13

【圖 5】氧化鎳電極薄膜實體和結構圖

2.3.5 快速熱退火爐(RTA)之操作

1. 將快速熱退火爐之電源打開暖機 1 小時，才可使用。

2. 設定目標溫度及升溫時間

3. 將試片放入載台後進入退火爐內，將機台後面的黑閥緩慢轉開抽真空。

4. 按住 PB1 鍵持續 2~3 秒機器便會開始照設定的來升溫

5. 等待降溫完成後，將黑閥關閉並且將銀閥慢慢打開來洩真空。

6. 當壓力變回室壓後即可將載台退出退火爐並取出試片

膠帶旋轉塗佈法氧化鎳薄膜旋轉塗佈法氧化鎳薄膜

ITO 導電薄膜

14

2.3.6 半導體薄膜電極 LCR 量測

1. 將製作好的電極薄膜樣品平放於量測平台上，將膠帶區之膠帶撕去，改貼上銅箔膠帶，再利用由電性量測機台連接出的探針，接觸到樣品銅箔膠帶的一端，先測量是否呈現導電玻璃之特性。

2. 將一片乾淨之 ITO 導電玻璃，以鍍金機鍍上黃金薄膜，並在一邊貼上銅箔膠帶。

3. 確定導電玻璃的特性後，將製作好的電極薄膜與第二步驟鍍好之黃金薄膜相結合，將其中一根探針移動到具有氧化鋅之銅箔膠帶，探針外層在包覆ㄧ層絕緣膠帶以防兩根探針直接接觸在一起造成短路妨礙量測，另一根探針移動到黃金薄膜上之銅箔膠帶(如圖 6)。

【圖 6】氧化鎳電極與黃金箔膜電極組裝示意圖

15

4.接著我們取出圓形的兩面式藥盒，使用載物的那面，將圓形的上下兩部分分別由上往下大約 0.5cm 處剪ㄧ個弓形掉，之後再平面部分由上往下剪ㄧ個約 13mm×16mm 的矩形(如圖 7)。

【圖 7】使用藥盒自製簡易間隔器具

5.最後將第三步驟組裝好之兩電極中間安插入製作好之藥盒，其主要目的是為了讓兩電極間產生空隙，間隔距離大約 0.7mm。若是進行電性量測則接上電化學感測儀，進行感測實驗則接上 LCR 測試器(如圖 8)。

【圖 8】LCR 量測裝置圖

16 第三章實驗數據與分析

3.1 公式推導

【圖 9】Nyquist-plot 各素值點標示圖

𝐑

_𝐞𝐭

:electron transfer resistance 是半圓的直徑，計算時起始的最低點扣掉R

_s

及是R

_et

值。

𝐑

_𝐬

:起始內建電阻值，通常是量測儀器與待測物間導線的電阻，希望越小越好。

𝒇

_𝒕

:為曲線半圓的起始點的頻率，也就是R

_et

稱為轉折點頻率F

_t

。 𝒇

_{𝐜𝐡𝐚𝐫}

:當𝑍

_im

達到最高峰值的頻率，也就是半圓的最頂點的頻率，被稱

為𝑓

_char

。

𝛚

_𝐦𝐚𝐱

:為 Nyquist-plot 圖中半圓最高點時的頻率(𝑓

_char

)乘以 2Ω 所得之值，也可以視為τ 之倒數

17

【圖 10】液態感測元件電路

𝐙

_𝐰

: Warburg impedance，在低頻部分的電化學阻抗。

LCR 量測電容計算公式:

C = _R ¹

et ω _max

𝛕值計算:

τ = _ω ¹

max = _2𝜋𝑓 ¹

char

【圖 11】液態感測元件 I-V 圖

靈敏度計算公式:

^∆R

R ₀ = ^R ^測量濃度 _R ^−R ^{DI Water}

DI Water

，實驗設計為在欲計算

濃度之 I-V 圖取 3V 和 5V 的時的電阻值來作為參考，R

₀

是以 DI Water 下的電阻值為基準，∆R則是欲測量濃度電阻值與R

₀

值的差

C

R ^et Z ^w

R ^s

18

19

3.2.1 RTA150℃下不同酒精濃度的比較

(一)

RTA

150℃下 Bode-plot 不同酒精濃度的比較

【圖 12】RTA150℃下不同酒精濃度之比較 Bode-plot

(二) 酒精濃度 0.5% Nyquist-plot

0 1000 2000 3000 4000 5000

rta150 0.5%

Z''

【圖 13】RTA150℃下酒精濃度 0.5% Nyquist-plot R_et = 3.81K ω_max= _R¹

20

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

rta150 1%

Z''

【圖 14】RTA150℃下酒精濃度 1% Nyquist-plot R_et = 5.536K ω_max = _R¹

【圖 15】RTA150℃下酒精濃度 30% Nyquist-plot R_et = 8.51K ω_max= _R¹

etC 𝑓_char = 167K 1048.76K =_8.51K×C¹

21

【圖 16】RTA150℃下酒精濃度 90% Nyquist-plot R_et = 19.52K ω_max = _R¹

22

(六) Nyquist-plot 不同酒精濃度比較

【圖 17】RTA150℃下不同酒精濃度之比較 Nyquist-plot

(七) RTA 150℃下的數據表格整理

【表 4】RTA 150℃下不同酒精濃度之比較表

酒精濃度 R_et(KΩ) R_s(Ω) f_t(Hz) f_char(KHz) C(pF) τ(us)

0.5% 3.81 34 1330 420 99.3 0.37

1% 5.536 64.78 1328 265 108.5 0.6

30% 8.51 35.72 1060 167 111 0.94

90% 19.52 28.85 1060 133 61.3 1.19

23

3.2.2 RTA400℃下不同酒精濃度的比較

(一) RTA400℃下 Bode-plot 不同酒精濃度的比較

【圖 18】RTA400℃下不同酒精濃度之比較 Bode-plot

(二) 酒精濃度 0.5% Nyquist-plot

0 1000 2000 3000 4000 5000

rta400 0.5%

Z''

【圖 19】RTA400℃下酒精濃度 0.5% Nyquist-plot R_et = 3.97K ω_max= _R¹

24

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 rta400 1%

Z''

【圖 20】RTA400℃下酒精濃度 1% Nyquist-plot R_et = 6.58K ω_max= _R¹

【圖 21】RTA400℃下酒精濃度 30% Nyquist-plot R_et = 10.75K ω_max = _R¹

etC 𝑓_char = 133K 835.24K =_10.75K×C¹

25

【圖 22】RTA400℃下酒精濃度 90% Nyquist-plot

R_et = 18.25K ω_max = _R¹

26

(六)Nyquist-plot 不同酒精濃度比較

【圖 23】RTA400℃下不同酒精濃度之比較 Nyquist-plot

(七) RTA 400℃下的數據表格整理

【表 5】RTA 400℃下不同酒精濃度之比較表

酒精濃度 R_et(KΩ) R_s(Ω) f_t(Hz) f_char(KHz) C(pF) τ(us)

0.5% 3.97 39.54 1328 333.6 120.2 0.47

1% 6.58 29.67 1060 211 114 0.75

30% 10.75 18.67 1060 133 111 1.19

90% 18.25 29.01 1055 132 66.07 1.20

27

3.2.3 在相同酒精濃度下不同 RTA 溫度之比較

【表 6】在相同酒精濃度下不同 RTA 溫度之比較表 酒精 0.5%

RTA 溫度 R_et(KΩ) R_s(Ω) f_t(Hz) f_char(KHz) C(pF) τ(us)

150 3.81 34 1330 420 99.3 0.37

400 3.97 39.54 1328 333.6 120.2 0.47

酒精 1%

RTA 溫度 R_et(KΩ) R_s(Ω) f_t(Hz) f_char(KHz) C(pF) τ(us)

150 5.536 64.78 1328 265 108.5 0.6

400 6.58 29.67 1060 211 114 0.75

酒精 30%

RTA 溫度 R_et(KΩ) R_s(Ω) f_t(Hz) f_char(KHz) C(pF) τ(us)

150 8.51 35.72 1060 167 111 0.94

400 10.75 18.67 1060 133 111 1.19

酒精 90%

RTA 溫度 R_et(KΩ) R_s(Ω) f_t(Hz) f_char(KHz) C(pF) τ(us)

150 19.52 28.85 1060 133 61.3 1.19

400 18.25 29.01 1055 132 65.6 1.20

28

3.2.4 固定 RTA 溫度下不同酒精濃度與 DI water 之 I-V 圖比較 (一) I-V 曲線在 RTA150℃下不同酒精濃度的比較

【圖 24】在 RTA150℃下不同酒精濃度的比較 I-V 圖

(二) I-V 曲線在 RTA300℃下不同酒精濃度的比較

【圖 25】在 RTA300℃下不同酒精濃度的比較 I-V 圖

29

(三) I-V 曲線在 RTA400℃下不同酒精濃度的比較

【圖 26】在 RTA400℃下不同酒精濃度的比較 I-V 圖

30

3.2.5 靈敏度在不同 RTA 溫度下的比較

(一) 在 3V 和 5V 時酒精濃度 1%下不同 RTA 溫度之靈敏度比較

【圖 27】在 3V 和 5V 時酒精濃度 1%下不同 RTA 溫度之靈敏度比較圖

【表 7】在 3V 和 5V 時酒精濃度 1%下不同 RTA 溫度之靈敏度數據表

RTA 溫度

電壓為 3V 時的 R(KΩ)

電壓為 3V 時的靈敏度^𝛥𝑅_R

電壓為 5V 時的 R(KΩ)

電壓為 5V 時的靈敏度^𝛥𝑅_R

150 12.39 0.85 4.43 1.34

300 13.88 0.60 5.09 0.77

400 12.28 0.40 4.44 0.18

31

(二) 在 3V 和 5V 時酒精濃度 10%下不同 RTA 溫度之靈敏度比較

在文檔中 RTA效應對P型NiO薄膜在酒精感測上之研究 (頁 9-0)

第一章 緒論

1.2 研究動機與目的

C

H

OH

et

s

char

t

3

第二章 實驗方法

2.1 實驗藥品

4

5

2.2 實驗分析儀器

6

7

8

2.3 實驗方法

9

2

10

11

2

12

13

膠帶 旋轉塗佈法氧化鎳薄膜 旋轉塗佈法氧化鎳薄膜

ITO 導電薄膜

14

15

16

第三章 實驗數據與分析

3.1 公式推導

𝐞𝐭

s

et

𝐬

𝒕

et

t

𝐜𝐡𝐚𝐫

im

char

𝐦𝐚𝐱

char

17

𝐰

C = R 1

et ω max

τ = ω 1

max = 2𝜋𝑓 1

char

∆R

R 0 = R 測量濃度 R −R DI Water

DI Water

0

0

C

R et Z w

R s

18

19

RTA

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

第一章緒論

_et

_s

_char

_t

第二章實驗方法

²

₂

膠帶旋轉塗佈法氧化鎳薄膜旋轉塗佈法氧化鎳薄膜

第三章實驗數據與分析

_𝐞𝐭

_s

_et

_𝐬

_𝒕

_et

_t

_{𝐜𝐡𝐚𝐫}

_im

_char

_𝐦𝐚𝐱

_char

_𝐰

C = _R ¹

et ω _max

τ = _ω ¹

max = _2𝜋𝑓 ¹

^∆R

R ₀ = ^R ^測量濃度 _R ^−R ^{DI Water}

₀

₀

R ^et Z ^w

R ^s