緒論

第一章 緒論 1.1 前言

由於現今科技的不斷進步，使得人類的生活過得比以前舒適且方便，但是相 對於高速發展的生活體驗，也為人體帶來許多不可知的傷害，其中肝臟疾病是現 代社會中常見需要重視的一種疾病。肝臟疾病是肝臟因病毒、藥物、酒精或是代 謝異常引起的發炎症狀，一般稱為肝炎（Hepatitis）。肝炎的原因可能不同，依照 表現症狀不同，又分慢性肝炎及急性肝炎二種。世界上有一百多種肝臟疾病，其 中常見肝病包含病毒性肝炎[1, 2]、自身免疫肝炎、酒精性肝炎、藥物性肝炎、其 它毒藥導致的肝炎及猛爆性肝炎。根據衛生署統計，表 1-1 中顯示國人在 102 年 的死亡統計[3]中，惡性腫瘤(29%)佔據多年國人死亡原因首位，惡性腫瘤中又以 肺癌、肝癌及直腸癌佔據前三名[3]，分佈比例如圖 1-1。除惡性腫瘤外，慢性肝 病及肝硬化(3.1%)也位居國人十大死因中的第九位，根據這些統計數據可得出國 人在 102 年受到肝臟疾病影響所死亡的人數大約有一萬三千人。所以透過這些統 計數據提醒國人應該對肝臟疾病提升注重程度，尤其肝臟是人體唯一沒有痛覺神 經分佈的沉默器官，時常會忽略對肝臟的照顧，進而使肝臟逐漸惡化。以往進行 肝功能檢測必須透過抽血檢驗各項數值，但是檢驗時間長，無法應用在即時監控 上，所以發展非侵入式檢測技術提供給病人做自我監控或是提供給醫生做藥物控 制，一方面可以提升醫療效率，一方面可以減少醫療資源的浪費，是極有潛力與 發展性的技術。

圖 1-1 死亡原因分佈比例圓餅圖

2 為何。第一種氣體感測器開發出來至今已經約有九十餘年，最初 Riken-Keiki Co.

發展氣體感測器是為了應用於採礦時預防警報用，相關氣體感測器發展如表 1-2。

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Principle Analyte(Measurand) Typical sensor Conductometric Resistance/Conductance Tin oxide gas sensor Potentiometric Voltage/e.m.f Ion selective FET

Capacitive Capacitance/Charge Polymeric humidity sensor Amperometric Current Electrochemical sensor Calorimetric Heat/Temperature Pellistor

Gravimetric Mass Piezoelectric or SAW sensor

Optical Path length/Absorption Infra-red detector

Resonant Frequency Surface-plasmon-resonance

sensor

Fluorescent Intensity Fiber-optic

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1.3 研究動機與目的

每當媒體播報亦有人死於猛爆性肝炎時，大多數是因為民眾平常沒有到醫院 檢查肝的狀況作定期身體檢查，而肝又是沉默的器官，民眾並無法輕易地察覺到 身體的問題，且肝無法為身體發出警訊，而當器官真正出問題時已經錯過治療的 黃金時段了，表 1-4 為 Shimamoto C 等人研究指出患有肝臟疾病的患者與一般 健康的正常人其呼氣中所含的氨濃度是不同的[6]，一般正常人所呼出的濃度大 約小於 0.3ppm，而肝臟有所損傷或是有疾病則會超過 0.7ppm 以上，所以研究一 個可以隨身攜帶的氨氣感測器可以警示人體氨濃度是否超標，藉此警示民眾並提 醒民眾前往醫院進行記一語詳細檢查，因此研究並開發可靠的氨氣感測器對人體 的健康及安全是首要之急。

表 1-4 氨呼氣濃度狀態

狀態 呼氣氨濃度

健康人 < 0.3 ppm

慢性肝炎病患 > 0.7 ppm

肝衰竭病患 1 ~ 5 ppm

本研究目的在於改進目前氨氣氣體感測器，使用有機 P 型導電聚合物塗佈 於氧化鋅奈米線表層形成有機/無機 P-N 異質接面奈米線，使用陣列式奈米孔洞 的陽極氧化鋁(Anodic Aluminum Oxide, AAO)薄膜為模板製作氧化鋅(Zinc Oxide，

ZnO)奈米線，有機導電聚合物採用聚三己基噻吩(Poly(3-hexylthiophene)，P3HT) 作為 P 型半導體，結合形成 PN 接面元件，最後通以氨氣進行量測。進一步探討 PN 接面元件的元件特性。

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1.4 研究流程與架構

本研究將探討目前有機氣體感測器性能與材料特性，並針對其技術上所遭 遇的瓶頸進行解決方案的探討， 嘗試發展出以物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition, PVD)- 熱 蒸 鍍 (Thermal Deposition) 及 射 頻 磁 控 濺 鍍 (RF Magnetron Sputter)於銦錫氧化物(Indium Tin Oxide，ITO)導電膜上製備鋁薄膜進行陽極處理，

製成陣列式奈米孔洞的陽極氧化鋁(Anodic Aluminum Oxide, AAO)薄膜為模板，

並使用以原子層沉積(atomic layer deposition, ALD)分別沉積氧化鋅(Zinc Oxide，

ZnO)進入 AAO 模板與 ITO 玻璃基板上形 ZnO 奈米線與 ZnO 薄膜作為 N 型半導 體 ， 最 後 再 以 旋 轉 塗 佈 法 塗 佈 有 機 導 電 聚 合 物 聚 三 己 基 噻 吩 (Poly(3-hexylthiophene)，P3HT)作為 P 型半導體，結合形成 PN 接面元件，最後通以氨氣 進行量測。實驗流程的設計目標以達到低耗能、微小化、靈敏度高與低成本的氣 件，最後利用掃描式電子鏡(Scanning Electron Microscope, SEM)、X 光繞射分析 儀(X-ray diffractometer, XRD)、霍爾電性量測(Hall Effect)及氣體感測設備(Gas-sensing device)檢測其材料組成及結構組織。

論文第四章為實驗結果與討論，針對研究過程中的各步驟進行 SEM 形貌 分析，並且在完成氣體感測元件後做氣體測量作探討。分別探討不同製作參數 對元件的影響，並以氨氣為測量氣體，比較不同濃度、不同的操作溫度對於元 件的感測性能的差異。

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論文第五章與第六章分別為結論與未來展望，是針對本研究的結果提出結 論，並列出尚待修正問題及未來所要改善目標與展望。

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1961 年，Weissbart 與 Ruka[9]提出固態電解質氣體感測器。1962 年，Seiyamat[10]

首先成功的利用氧化鋅(ZnO)來偵測氣體含量，其主要原理是氧離子在半導體材 料表面從事吸附或被吸附反應時，會牽引材料內部的電子或釋放電子，進而造成 材料整體電阻改變，此後這種檢測方式漸漸的被廣泛應用。1968 年，費加洛(Figaro) 公司首先將半導體式可燃性氣體感測器實用化。1974 年，電化學式氣體感測器 實用化。1975 年， Lundstrom 等人首次提出了以鉑(Pd)金屬為閘極(gate)的 MOSFFT 作為感測氫氣的氣體感測器[11]。1999 年，由 Jing Kong 等人[12]發現，

具有半導體特性之單壁奈米碳管吸附 NO2或是 NH3氣體分子時，其電阻會有明 顯之上升與下降，近年來被廣泛進行研究當中。在 2000 年之後，氣體感測器進 入了半導體製程的年代，金屬氧化物半導體氣體感測器被大量研究，其中以蕭基 特二極體形式最常被人研究[13]，由於其構造簡單，所以常以不同材料作為元件 改進之研究，包含氮化鎵(GaN)[14-19]，矽(Si)[20, 21]，碳化矽(SiC)[22, 23]，氧 化鋅(ZnO)[24-26]，奈米碳管(Carbon nanotube)[27]，石墨烯(Graphene)[28]等。

2.1.2

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。