表 1-1 不同聲波感測器之比較 ... 5 第二章 研究方法及原理
表 2-1 加速度規的其他應用 ... 29 第三章 儀器裝置及藥品
表 3-1 注入系統的比較 ... 37 表 3-2 層析管柱的比較 ... 39 表 3-3 壓電式加速度規 (型號 2550AM1-10) 尺寸與規格 ... 43 第四章 研究結果與討論
表 4-1 火柴與沖天炮的元素分析 ... 73
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第一章 緒論
1-1 研究目的
利用微型哨式偵測器結合加速度規感測器 [1-4] 作為聲波偵測器，應用於 氣相層析儀，成功開發出一種能應用在氣相層析儀的新型偵測方法。
本實驗的研究目的：
(一) 以自製的氣體採集裝置快速地收集爆炸物燃燒後所產生的氣體，具有製作 簡單、成本便宜、體積小的優點，並且能直接以 GC 注射針抽取樣品氣體 進行分析。
(二) 微型哨式偵測器利用空氣柱共鳴的原理，藉由聲波頻率的滯留時間與變化 量來定性與定量。
(三) 微型哨式偵測器結合加速度感測器，利用聲音的產生即為哨子本身有振動 ，故量測氣體經哨式偵測器所產生的聲音振動，而且不受限於氣體種類，
便能偵測待測物。
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1-2 分析物介紹
受限於國內的法律限制，攻擊性武器彈藥的取得不易，取而代之，我們從 傳統市場中購入了火柴與沖天炮，取部分火柴與沖天炮內的粉末並燃燒，點燃 或爆炸的瞬間產生氣體，作為我們實驗的待測氣體來源。
1-2-1 安全火柴
火柴由火柴頭、火柴桿以及火柴盒三大部分所組成，火柴頭的主要成分為 氧化劑、易燃物和粘合劑等等。火柴桿大多浸入磷酸銨的松木條加工而成，靠 近火柴頭的一端塗佈有少量的石蠟。火柴盒的側面主要是由磷、玻璃粉、粘合 劑所調製塗刷而成。
如果把紅磷與氧化劑分開，不僅較為安全，而且所用化學物質無毒性，稱 之安全火柴 [5]，其火柴頭上主要含有氯酸鉀 (KClO3)、硫磺 (S) 和粘合劑等等。
火柴盒兩邊的摩擦面主要是由紅磷 (P)、三硫化二銻 (Sb2S3) 和粘合劑所組成。
點火柴時，火柴頭和火柴盒側面摩擦發熱，導致紅磷起火燃燒，紅磷燃燒放出 的高溫高熱使得氯酸鉀分解釋放出氧氣，氧氣與硫產生劇烈的燃燒反應，最終 使得火柴被點燃了。
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1-2-2 傳統沖天炮
沖天炮主要組成包括推進劑 (propellant)、爆炸藥 (explosive material) 以及 煙火藥 (pyrotechnics) 等三部分，煙火藉由推進劑燃燒產生之大量氣體推送至高 空中，再經由爆炸劑放熱反應提供高能高熱，最終煙火藥中的各種金屬鹽類發 生反應，放出不同顏色的光。推進劑的組成大多以碳、氫、氧、氮為主，爆炸 劑含有大量的無機物質，煙火藥則為金屬鹽類及其混合物。
一般而言，反應速率以炸藥最為迅速，其反應時間僅數微秒 (μs) 即可完成，
反應後產生氣態生成物；推進劑的反應速率次之，其反應時間從數毫秒 (ms) 到 數秒 (s)，且反應過程中不斷地釋出大量氣體，以達推送之功用；煙火藥的反應 速率較慢，其反應時間從數毫秒 (ms) 至數秒 (s)，而反應後的產物大多為固態 生成物。
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1-3 哨式偵測器
在氣相層析法中所被使用的偵測器種類非常多，其中就屬質譜為相當熱門 的偵測器之一，因為具有較高的靈敏度，而且觀察質譜圖便可以得知待測物的 組成；除此之外，還有火焰離子偵測器 (flame ionization detector, FID) [6-9]、熱 傳導偵測器 (thermal conductivity detector, TCD) [10-12]、電子捕捉偵測器
(electron capture detector, ECD) [13,14] 亦常被使用作為氣相層析儀的偵測器。
近年來，本實驗室提出的偵測器為一種微型哨式偵測器，已經發表相關論 文，並成功地應用在氣相層析儀 [15,16]。
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Wave type Sensitivity/noise Sm
Gas (g) or liquid (l)
operation Robustness Fabrication
complexity Application
Rayleigh High/low g High
Low, planar,
metal on crystal
Gas, voltage
APM Low/ moderate g + 1 Moderate
Low, planar,
metal on crystal
Gas, biochemical, viscosity, density, sound speed
Lamb High/moderate g + 1 Low/moderate High,
planar on crystal
Gas, biochemical
STW High/low g + 1 High
Low, planar,
metal on crystal
Gas,
Love High/low g + 1 High
Moderate, planar,
thin film on metal on crystal
Gas,
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1-4-1 表面聲波特性
表面聲波是由英國物理學家 Lord Rayleigh 在 1885 年的研究中所發現：地 震現象指出固體的波動除了剪波與縱波外，還存在著另一形式的波動，沿著表 面傳遞，稱之表面聲波 (surface acoustic wave) [47]，並且以波動數學理論證明其 現象，故又稱為 Rayleigh wave。Rayleigh wave 有 90 % 的能量集中在表面，並 隨著深度衰減。但是當時 Rayleigh 的研究結果並沒有引起實務發展上的迴響。
直至 1965 年，美國加州柏克萊分校的學者 R. M. White 以及 F. M. Voltmer 開 發出指叉狀換能器 (interdigital transducer, IDTs) [48,49]，成功產生表面聲波訊號 後，表面聲波才開始應用於感測元件以及通訊領域上。
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1-4-2 表面聲波感測器原理
表面聲波感測器是一種建立於高頻機械震盪器基礎上的傳感元件，操作範 圍廣 (10 MHz ~ 3 GHz)、體積小，而且製程上容易與半導體技術整合，適合大 量生產製造，進而提升了表面聲波元件的實用性；良好的訊號/雜訊比，亦有助 在資料的取得與分析上，免除後續繁雜的數據轉換處裡過程。
表面聲波傳感器的設計有兩條延遲線 (delay line)，利用一條的延遲線塗佈 一層有導電性的薄膜，而另一條的延遲線不塗佈任何膜，保持惰性。當氣相層 析儀中的待測物由分析管柱分離出來時，由鍍有吸收膜的延遲線吸收，兩條延 遲線输出訊號的频率產生差值，進而產生訊號，因為兩條延遲線在同一塊基體 上，而且性能完全相同，又在相同的環境條件下使用了沒有鍍層的延遲線做為 參考，補償溫度、壓力和其他因素等等引起的頻率偏差，其靈敏度與選擇性則 由鍍上的吸收膜材質不同而有所差異。
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