中 華 大 學
碩 士 論 文
數位式光離子化檢測
Digital Photoionization Detector
系 所 別 : 電機工程學系碩士班 學號姓名 : M09801026 林建州 指導教授 : 王志湖 博士
中華民國 100 年 8 月
I
摘要 摘要 摘要 摘要
本論文主要研究目的在於研製可有效偵測揮發性有機化合物(Volatile Organic Compounds，VOCs)氣體之感測器，期望運用於半導體無塵室內監控環境空氣品 質，此感測器擁有可移動性監測與可結合可程式控制器(Programmable Logic Controller，PLC)之定點監測功能。
關鍵字：揮發性有機化合物氣體、感測器
II
ABSTRACT
This research aims to develop instruments which can be effective in the detection of volatile organic gaseous compounds used in semiconductors in clean room that achieve desired ambient air quality.
A portable monitor of volatile organic gaseous has been designed. It also combined 4mA to 20mA sensor interface for the PLC. The monitor can be used in fixed location monitoring.
Keywords：Volatile Organic Compounds, Sensors
III
致謝辭 致謝辭 致謝辭 致謝辭
首先，我要感謝我的指導教授，王志湖老師的細心指導，亦師亦友的陪伴我 們渡過這兩年的光陰，除了專業上的指導，王老師也時常給予我人生方向的建言，
使我受益良多。再來還要感謝田慶誠老師的指導，田老師教會我如何分析事物、
小心求證，這兩年多虧了兩位老師的指導，使我在各方面都有所成長。
再來我要感謝我的學長們，這兩年若沒有你們，可能也不會有今天的我。謝 謝江俊杰學長、鍾仁峯學長、莊青龍學長、陳金振學長、邱健榮學長、鄭權祐學 長、鄭名偉學長、顏子揚學長、戴仁倉學長、徐逸帆學長、林信成學長，以及我 的同學們王振芳、張佳偉、劉華智、古一喬、周佳龍、吳孟勤，再來是我的學弟 妹們洪文正、劉佳婷、李佩蓉、許靜宜、林建安，感謝你們這兩年來對我的幫助 與鼓勵。
最後我要感謝我最親愛的家人，你們是支持我走下去的唯一理由。
IV
目錄 目錄 目錄 目錄
摘要 ... I ABSTRACT ... II 致謝辭 ... III 目錄 ... IV 圖目錄 ... VI 表目錄 ... VIII
第一章 緒論... 1
1-1.研究動機與目的 ... 1
1-2.研究方法及步驟 ... 5
第二章 系統需求與架構 ... 9
2-1.系統需求 ... 9
2-2.系統需求分析 ... 9
2-3. 系統架構 ... 10
2-3-1.硬體架構 ... 10
2-3-2.軟體架構 ... 11
第三章 系統設計 ... 13
3-1.硬體設計 ... 13
3-1-1.Sensor to MCU... 13
3-1-2.Keyboard... 15
3-1-3.Voltage to Current Circuit ... 15
3-1-4.硬體整合 ... 16
3-2.軟體設計 ... 18
3-2-1.取樣設計 ... 18
3-2-2.校正功能設計 ... 18
第四章 綜合測試 ... 23
4-1.多點校正功能模擬 ... 23
4-2.感測器類比訊號輸出校正 ... 29
4-3.實際測試 ... 34
第五章 結論... 40
第六章 參考文獻 ... 41
V
附錄ㄧ.軟體操作方法 ... 42
VI
圖目錄 圖目錄 圖目錄 圖目錄
圖 1-2.1 研究步驟流程圖 ... 5
圖 1-2.2 PHOTO IONIZATION DETECTOR 結構圖 ... 6
圖 1-23 FLAME DETECTOR 結構圖 ... 7
圖 2-2.1 系統方塊圖 ... 10
圖 2-3-1.1 感測器前端訊號接收處理至處理器架構 ... 10
圖 2-3-1.2 按鍵輸入與顯示器輸出架構圖 ... 11
圖 2-3-1.3 輸出數位訊號轉換成電流訊號架構圖 ... 11
圖 2-3-2.1 軟體架構圖 ... 12
圖 3-1-1.1 MATCHING CIRCUIT ... 13
圖 3-1-1.2 PID-TECH ELECTRICAL CHARACTERISTICS ... 13
圖 3-1-1.3 MATCHING CIRCUI ... 14
圖 3-1-1.4 SIGNAL TO MCU ... 14
圖 3-1-1.5 非反相放大電路 ... 15
圖 3-1-2.1 鍵盤電路 ... 15
圖 3-1-3.1 DAC 電路圖 ... 16
圖 3-1-3.2 電壓轉電流電路 ... 16
圖 3-1-4.1 電路全圖 ... 17
圖 3-1-4.2 PCB 全圖 ... 17
圖 3-2-1.1 判別有效數值流程圖 ... 18
圖 3-2-2.1 初始值偏移示意圖 ... 19
圖 3-2-2.2 感測器特性曲線假設圖 ... 19
圖 3-2-2.3 多點校正示意圖 ... 20
圖 3-2-2.4 多點校正使用方法設計 ... 21
圖 4-1.1 根據表 4-1.1 繪製之 SENSOR 訊號特性曲線圖 ... 23
圖 4-1.2 感測器偵測到的電壓值落在 LINE1 ... 25
圖 4-1.3 感測器偵測到的電壓值落在 LINE2 ... 26
圖 4-1.4 感測器偵測到的電壓值落在 LINE3 ... 26
VII
圖 4-1.5 感測器偵測到的電壓值落在 LINE4 ... 27
圖 4-1.6 感測器偵測到的電壓值低於最小校正點... 28
圖 4-1.7 感測器偵測到的電壓值高於最大校正點... 29
圖 4-2.1 VOLTAGE-TO-CURRENT CIRCUITS ... 30
圖 4-2.2 DAC 流程圖 ... 30
圖 4-2.3 DAC 時序驗證 ... 31
圖 4-2.4 DAC 資料驗證 ... 31
圖 4-2.4 DAC 驗證 ... 32
圖 4-2.5 電流輸出量測 ... 32
圖 4-2.6 電壓輸入對電流輸出 ... 34
圖 4-3.1 校正測試系統圖 ... 35
圖 4-3.2 感測器裝置 ... 35
圖 4-3.3 感測器電壓對於氣體濃度變化 ... 36
圖 4-3.4 感測器濃度對電壓圖 ... 36
圖 4-3.5 以多點校正功能所校正的濃度曲線 ... 37
圖 4-3.6 自製 PID 感測器測試結果 ... 38
圖 4-3.7 市售 PID 感測器測試結果 ... 38
VIII
表目錄 表目錄 表目錄 表目錄
表 1-1.1 各業界所使用主要有機溶劑 ... 2
表 1-1.2 有機溶劑的容許濃度以及其對人體健康之危害 ... 3
表 1-2.1 PID 與 FID 比較 ... 8
表 4-1.1 感測器濃度對輸出電壓值對應表 ... 23
表 4-1.2 由程式觀看方程式運算結果 ... 24
表 4-2.1 電壓輸入對電流輸出 ... 33
表 4-3.1 多點校正濃度與電壓值 ... 37
1
第一章 第一章 第一章
第一章 緒論 緒論 緒論 緒論
本論文主要針對「揮發性有機化合物」氣體進行有效偵測，偵測規格可用於無塵 室等級並期望以相對低的價格成本來進行製作。
1-1.研究動機與目的
根據我國環保署公告訂定「揮發性有機物空氣污染管制及排放標準」[1]中，已明
確定義揮發性有機物(Volatile Organic Compounds，VOCs)，係指「在 1 大氣壓下，測 量所得初始沸點在攝氏 250 度以下有機化合物之空氣污染物總稱。但不包括甲烷、一 氧化碳、二氧化碳、二硫化碳、碳酸、碳酸鹽、碳酸銨、氰化物、硫氰化物等化合物。」
VOCs 的來源根據不同行業所使用的製程、材料、化學溶劑不同，所使用的主要 有機化溶劑也不同，歸類如下表 1-1.1。揮發性有機化合物暴露於大氣之中，對於人 體的健康危害相當大，尤其需長時間於此環境下工作的人員，例如無塵室人員、加油 站人員、油漆工人、收費站人員等等，皆會因為長期接觸揮發性的有機化合物而導致 健康傷害，其中有機溶劑的容許濃度以及其對人體健康之危害，整理如下表 1-1.2。
半導體元件製作的過程中，對於空氣品質的需求非常嚴謹，不容許空氣中有微粒 子的產生以免破壞製成。由於 VOCs 易產生在空氣中的微粒子，近年來半導體廠也開 始注意到 VOCs 對於製作晶圓的影響。根據研究，無塵室場外容許 VOCs 的濃度僅為 100ppb，對於場內黃光區更是要求 VOCs 必須低於 5ppb 以下的濃度，可見監控 VOCs 對於半導體產業的重要性。
本論文研究動機與目的即在於，以相對低的成本價格製作便攜式的 VOCs 偵測器，
除了可直接由顯示器顯示當前環境中之揮發性有機化合物濃度以外，並結合可輸出裝 置，用來連續監測空氣中的 VOCs 可對於環境中空氣品質進行維護。
2 表 1-1.1 各業界所使用主要有機溶劑
資料來源:張志成[2]
業界 主要使用有機溶劑
半導體 三氯乙烯、丙酮、甲苯
印刷電路板 三氯乙烷、氯化甲烷
端子、接點等 三氯乙烯、氟氯化物
影像管及零件 三氯乙烯、三氯乙烷、氟氯化物
鋁板加工 甲苯、氯化鉀烷、三氯乙烷
汽車零件 三氯乙烯、三氯乙烷、過氯乙烯
鐘錶零件 三氯乙烯、過氯乙烯
製藥 乙醇、氯化甲烷、醋酸丁酯
離型紙 甲苯、矽利康油
黏著膠帶 甲苯、MEK、醋酸乙酯、IPA
錄影、錄音帶 甲苯、MEK、MIBL、環已酮
包裝薄膜 醋酸乙酯、甲苯、TPA
樹脂加工 苯乙烯、三氯乙烷
合成皮革 甲苯、MEK、丙酮、醋酸乙酯
橡膠加工 甲苯、橡膠溶劑
PU 發泡 氟氯化物、氯化甲烷
洗毛、布之加工 過氯乙烯、氯化甲烷、帖烯
印刷 甲苯、醋酸乙酯、IPA、MEK
表面處理(上光加工) 甲苯、醋酸乙酯、IPA
塗料 甲苯、醋酸乙酯、IPA、MEK
絕緣紙、石棉板 甲苯、矽利康油
洗衣、洗淨業 過氯乙烯、氟氯化物
醫療機器 氟氯化物
難料業、斷熱材 甲苯、氟氯化物
3
表 1-1.2 有機溶劑的容許濃度以及其對人體健康之危害
物質名
勞動環境 容許濃度 爆炸界線濃度
分子量 健康危害
ppm mg/m3 Vol%
1.丙酮 785 1780 2.5~12.8 58.1 眼，皮膚的刺激作用，麻
醉，頭痛
2.異丁醇 50 150 1.7~10.9 74.1 麻醉作用，潮血斑
3.異丙醇 400 980 2.0~12.0 60.1 粘膜的刺激，麻醉作用
4.溶纖劑 200 740 90.1
5.溶纖劑醋酸 100 540 1.71~6.7 132.2 貧血
6.丁基溶纖劑 118.2 眼，呼吸器障害，麻醉作
用，內臟障害，血液變化
7.甲基溶纖劑 76.1 貧血，麻醉作用，視覺異常
8.二甲苯 100 435 1.1~7.0 106.2 貧血，白血球，紅血球的減
少，皮膚粘膜刺激
9.乙酸丁異酯 150 700 116.2 結膜炎，流淚及粘膜的刺激
10. 乙酸異丙 酯
250 950 1.8~7.8 102.1 眼和呼吸器的刺激
11.乙酸乙酯 400 1400 2.5~9.0 88.1 弱醉劑作用，呼吸困難
12.乙酸丁酯 150 710 1.2~15.0 116.0 眼的刺激，麻醉
13.乙酸丙酯 200 840 2.8~8.0 102.1 弱麻醉作用，呼吸困難
14.乙酸甲酯 200 610 3.1~16.0 74.0 眼發炎症，流淚，呼吸障
害，神經過敏
15.環己醇 50 200 100.2 刺激作用
16.環己酮 25 100 1.1~ 98.2
17.四氯乙烯 50 335 165.9 肝障害，麻醉作用，神經症
18.三氯乙烯 131.4 流淚，中樞神經的刺激，麻
醉
19.甲苯 100 375 1.27~6.75 92.1 頭痛，目眩，貧血
20.1-丁酮 74.1
21.2-丁酮 2.95~15.5 74.1
22.甲醇 200 260 6.0~36.5 32.0 視神經障害，頭痛，嘔吐，
痙攣，失明
4 資料來源:張志成[2]
23.甲基異丁 基酮
1.35~7.6 100.2 眼發炎症
24.甲基乙基 酮
100 410 1.8~11.5 72.1 粘膜刺激作用，麻醉作用
25.甲基丁基 酮
5 20 1.22~8.0 100.2 粘膜刺激作用
26.松節油 100 560 呼吸器官障害
27.正己烷 50 180 1.2~7.5 86.2 頭痛，目眩，嘔吐，失神
28.礦油精 1.1~6.0 頭痛，目眩，嘔吐，失神
29.甲醛 1 1.2 7.0~73.0 30.0 呼吸器障害，強刺激作用
30.甲氧基乙 醇
25 80 2.5~14.0 76.1 頭痛，皮膚炎，眼，鼻，喉
刺激
31.三氯乙烷 350 1900 133.5 頭痛，疲倦，中樞神經系統
衰弱
32.氯化甲烷 50 105 10.7~13.4 50.5 昏睡，噁心，胃痛，視力障
礙
33.1-丁醇 100 300 74.0 眼睛刺激作用，皮膚吸收
34.2-丁醇 100 305 74.0 刺激眼睛及皮膚
35.環己酮 25 100 1.4~9.4 98.1 吸入，皮膚接觸中度毒性
36.二氯甲烷 100 350 85.0 麻醉性
37.苯 5 16 1.5~8.0 78.1 可能之致癌物，可由呼吸及
皮膚進入人體
38.乙晴 40 70 ~4.4 41.1 倦怠，噁心，腹部疼痛
8 表 1-2.1 PID 與 FID 比較
Mete PID FID+GC
Range ppb~ppm ppb~ppm
Response Time 30Sec 25Min
Carrier Gas 不需要 He
燃料氣體 不需要 H2
Zero Gas 不需要 N2
Purge Gas 不需要 CDA
優點 1.不須使用危險氣體輔助
2.易製作成可攜式儀器
1.可鑑別 VOC 汙染物種，易確認汙 染來源。
缺點 1.無法分辨出 VOCs 種類，僅可測
得總量
1.製作價格昂貴，使用上須配置各 種危險氣體輔助
根據以上比較，可知採用 PID 的偵測技術較符合我們的設計需求。
9
第二章 第二章 第二章
第二章 系統需求與架構 系統需求與架構 系統需求與架構 系統需求與架構
2-1. 系統需求 系統需求 系統需求 系統需求
根據第一章的先期研究分析中可以知道採用 PID 的偵測技術較符合我們製作可攜 式裝置的需求，由於使用的環境我們鎖定在無塵室內，因此 VOCs 的濃度必須在 ppb 等級範圍內，並且為了方便操作與使用，結合液晶顯示器可在進行校正與觀測數值時 更加方便，綜合第一章的需求，我們可以歸類為以下三方面系統需求。
輸出顯示 輸出顯示 輸出顯示 輸出顯示:
1.平均 100 筆(或以上)PID sensor 資料後，輸出 0~200ppb 之數值。
2.各功能選單畫面。
輸出裝置 輸出裝置 輸出裝置 輸出裝置:
1. 0~200ppb 濃度(最小單位 10ppb)可對應輸出 4~20mA 之電流
校正功能 校正功能 校正功能 校正功能:
1.可直接校正補償濃度，可加減 0~1000ppb 值(最小單位 1ppb)。
2.具有多點校正功能。
2-2. 系統需求分析 系統需求分析 系統需求分析 系統需求分析
依照以上系統需求，可繪製以下方塊圖，圖 2-2.1 系統方塊圖。
2 1
2 1
5 6 7 8
4 3 2 1
2 2
1 1
2 1
2 1
2 1
2 1
14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
2 1
2 1
2 1
2
1
2 1
2 1
1 2
4 3
1
2
3
2 1
2 1
2 1
2 1
2 1
2 1
2 1
2
1
2 1
3 2
1 1 2
3
1
2 1
2
1 2 3 4 5
6 4 3 2 1
2 1
2 1 2
1 2
1
2
1
22
依照以上設計方式，可取得四條線性方程式，再根據當前所取得之電壓值，落在哪條 線性方程式範圍內，即可依照 3.7 式之方程式求得正確之氣體濃度值。
(ppb)
(mV)
24
由圖 4-1.1 可知特性為高次元曲線，若採用兩點線性校正，所求得之線性方程式與實 際值將誤差很大，此處我們可以使用區段連續漸進法逼近作為校正。
因此我們可以得到四條漸進線分別為 Span1-Span2、Span2-Span3、Span3-Span4、
Span4-Span5，根據 3.7 式可得四條漸進線方程式
Line1(Span1-Span2)= 0.0795x - 68.091 (4.1) Line2(Span2-Span3)= 0.0904x - 84.268 (4.2) Line3(Span3-Span4)= 0.4219x - 759.92 (4.3) Line4(Span4-Span5)= 0.5964x - 1198.2 (4.4)
接著我們使用程式來觀看經由程式所運算出來的數值如表 4-1-1.2 所示，此結果與理 論相符。
表 4-1.2 由程式觀看方程式運算結果
接著我們任取一數值看看使否落在特性曲線上，例如圖 4-1.2 感測器量測到電壓為 1.182V，其電壓值落在 Line1 特性曲線範圍上，經 Line1 方程式運算其結果濃度為 25ppb 符合特性曲線誤差範圍內。
斜率(m) 截距(b) Line1 0.079523 -68.0915 Line2 0.090416 -84.2676 Line3 0.421941 -759.916 Line4 0.596421 -1198.21
33 表 4-2.1 電壓輸入對電流輸出
電壓(V) 電流(m A) 電壓(V) 電流(m A) 電壓(V) 電流(m A)
0 0 2.1 8.4 4.2 16.8
0.1 0.4 2.2 8.8 4.3 17.2
0.2 0.8 2.3 9.2 4.4 17.6
0.3 1.2 2.4 9.6 4.5 18
0.4 1.6 2.5 10 4.6 18.4
0.5 2 2.6 10.4 4.7 18.8
0.6 2.4 2.7 10.8 4.8 19.3
0.7 2.8 2.8 11.2 4.9 19.7
0.8 3.2 2.9 11.6 5 20.1
0.9 3.6 3 12
1 4 3.1 12.4
1.1 4.4 3.2 12.8
1.2 4.8 3.3 13.2
1.3 5.2 3.4 13.6
1.4 5.6 3.5 14
1.5 6 3.6 14.4
1.6 6.4 3.7 14.8
1.7 6.8 3.8 15.2
1.8 7.2 3.9 15.6
1.9 7.6 4 16
2 8 4.1 16.4
電壓(V) 電流(m A)
50 55 60 65 70 75 80 85 90
-10 10 30 50 70 90 110 130 150 170 190 210 230 250
9-Jun 6-Jun 7-Jun 8-Jun
(ppb) (mV)
(Dynamic Dilution Calibrator) (PID Sensor顯示之數值)
(Dynamic Dilution Calibrator)
39
市售之 PID 感測器僅提供兩點校正，因此我們可藉由校正曲線與五天連續測試結果做 比較可知市售 PID 感測器誤差值約為±40ppb。
40
第五章 第五章
第五章 第五章 結論 結論 結論 結論
經比較自製 PID 感測器與市售 PID 感測器，可知其優點如下
1. 自製 PID 感測器誤差值比市售 PID 感測器減少約±20ppb
2. 製做價格約為市售 PID 感測器價格的七分之一
3. 擁有較好的校正功能
4. 擁有市售 PID 感測器所沒有的電流輸出功能
5. 未來擴充功能的靈活度較為優異
6. 可直接由 LCD 觀測濃度數據，不須連接至電腦軟體
根據以上結果，可知本論文結果符合設計要求，達成先前預期的低成本製作以及有效 偵測 VOCs 氣體。
41
第六章 第六章
第六章 第六章 參考文獻 參考文獻 參考文獻 參考文獻
[1] 行政院環境保護署，「揮發性有機物空氣污染管制及排放標準」，100 年 2 月
[2] 張志成，”固體吸附技術於工業空調除溼淨化之應用”，中國冷凍空調雜誌，
Page65-75， 1996 年六月
[3] Photoionization Sensor User’s Manual，Baseline-MOCON，2007 [4] TLC5615C, TLC5615I，Texas Instruments，2003
