TW202041855A - 氧化鋅奈米柱酸鹼感測器及其製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明為一種氧化鋅奈米柱酸鹼感測器及其製造方法，該氧化鋅奈米柱酸鹼感測器包括一氧化鋅奈米柱感測元件及一參考電極，該氧化鋅奈米柱感測元件及一參考電極分別電性連接至一數據收集裝置；本發明透過氧化鋅奈米柱感測元件以及該參考電極對待測溶液感測得出電位差數據，以該電位差數據能得出酸鹼感測結果，由於氧化鋅奈米柱感測元件的接觸待測溶液的面積大，具有高靈敏度與可重複使用的優點，如搭配無線傳輸裝置時還可具有及時監控的效果。

Description

氧化鋅奈米柱酸鹼感測器及其製造方法

本發明係關於一種酸鹼感測器及其製造方法，特別是關於一種利用氧化鋅奈米柱作為感測元件的酸鹼感測器及其製造方法。

近年來感測器網路的發展越來越被重視，其應用之廣泛如：氣體感測器、光感測器、壓力感測器等，可協助人們更快速方便的完成工作，如物流業者可用以快速分類貨物、賣場可用以掌控貨架商品數量、養殖業則可以用來監測水質環境。

氧化鋅為N型半導體，具有較大的激子束縛能和寬能帶的半導體特性，相當具有作為電子元件的潛力，同時又具有成本低廉、高安全性及材料性質穩定等優點，氧化鋅薄膜雖可作為酸鹼感測元件，但以氧化鋅薄膜所製成的酸鹼感測元件卻具有靈敏度較低的缺點。

本發明提出一種氧化鋅奈米柱酸鹼感測器及其製造方法，其中所使用之氧化鋅奈米柱感測元件具有良好的重複使用性，且相較於薄膜式之氧化鋅，氧化鋅奈米柱具有更好的結晶品質及更高的靈敏度，搭配無線傳輸系統時可應用於遠端酸鹼值監測，有著低成本、簡便快速及即時顯示數值等優點。

為達上述目的，本發明提供一種氧化鋅奈米柱酸鹼感測器，包含有：一氧化鋅奈米柱感測元件、一參考電極以及一數據收集裝置。

其中該感數據收集裝置包含有：一運算放大器、一電路板以及一電源供應器。

其中該氧化鋅奈米柱感測元件及該參考電極電性連接至該運算放大器，該運算放大器及該電源供應器電性連接至該電路板；當該氧化鋅奈米柱感測元件及該參考電極浸泡至一待測溶液中時，該電路板及該運算放大器能夠測量該氧化鋅奈米柱感測元件及該參考電極之間的電位差而獲得一用於計算酸鹼感測結果的電位差數據。

本發明之另一態樣是一種氧化鋅奈米柱酸鹼感測器的製造方法，其步驟如下：首先形成一氧化鋅晶種層於一玻璃基板上；再形成一氧化鋅奈米柱於該氧化鋅晶種層上，藉此獲得氧化鋅奈米柱感測元件；接著將該參考電極與該氧化鋅奈米柱感測元件分別電性連接至該運算放大器，該運算放大器及該電源供應器以電性連接至該電路板；當該氧化鋅奈米柱感測元件及該參考電極浸泡至一待測溶液中時，該電路板及該運算放大器能夠測量該氧化鋅奈米柱感測元件及該參考電極之間的電位差而獲得一用於計算酸鹼感測結果的電位差數據。

其中該氧化鋅晶種層係利用射頻磁控濺鍍的方式形成於該玻璃基板上，且該氧化鋅奈米柱係利用水熱法的方式形成於該氧化鋅晶種層上。

本發明之氧化鋅奈米柱酸鹼感測器具有良好的重複使用性，且相較於氧化鋅薄膜鋅，本發明中的氧化鋅奈米柱具有更好的結晶品質、更大的表面體積比，並因此獲得改善了氧化鋅薄膜感測器靈敏度不佳的效果。

本發明之一態樣是提供一種氧化鋅奈米柱酸鹼感測器，其係以氧化鋅奈米柱作為酸鹼感測元件，其具有高靈敏度及可重複使用的優點。

本發明之另一態樣是一種氧化鋅奈米柱酸鹼感測器的製造方法，其中氧化鋅奈米柱感測元件可藉由水熱法製得，故製成簡單且成本低廉。

請參照圖1本發明之氧化鋅奈米柱酸鹼感測器示意圖，本發明提供一種氧化鋅奈米柱酸鹼感測器，包含有：一氧化鋅奈米柱感測元件110、一參考電極120以及一數據收集裝置130。

其中該數據收集裝置130包含有：一運算放大器131、一電路板132以及一電源供應器133。

其中該氧化鋅奈米柱感測元件110及該參考電極120以電性連接至該運算放大器131，該運算放大器131及該電源供應器133以電性連接至該電路板132。

請參照圖2本發明之較佳實施例之氧化鋅奈米柱無線酸鹼感測器示意圖，本實施例為利用本發明之氧化鋅奈米柱酸鹼感測器搭配一無線感測系統以達到無線監控之效果，本實施例包含一感測器終端模組100及一感測器接收端模組200。

其中該感測器終端模組100包含該氧化鋅奈米柱感測元件110、該參考電極120、該數據收集裝置130以及一無線訊號發射器140。

其中該氧化鋅奈米柱感測元件110及該參考電極120以電性連接至該數據收集裝置130，該數據收集裝置130以電性連接至該無線訊號發射器140。

其中該感測器接收端模組200包含一無線訊號接收器210及一使用者介面220。

其中該無線訊號接收器210以電性連接至使用者介面220。

其中該無線訊號發射器140以無線訊號連接該無線訊號接收器210。

請參照圖2及圖3，於本較佳實施例中，該感測器終端模組100中的該數據收集裝置130經由氧化鋅奈米柱感測元件110及參考電極120收集一待測溶液300的電性數據20次並取平均後，再進行電位判斷並輸出相關數據給該無線訊號發射器140發送無線訊號。

請參照圖4本發明之較佳實施例中使用者介面及無線訊號接收器的程式流程圖，於本較佳實施例中，該使用者介面220於程式開始後先判斷是否連接該無線訊號接收器210，若判斷為否，則要求使用者重新連接埠，若判斷為是，則開始接收該無線訊號接收器210從該無線訊號發射器140所接收的數據，再判斷接收的數據所代表的酸鹼值並顯示予使用者。

請參照圖1、圖5a及圖5b，本發明提供一種氧化鋅奈米柱酸鹼感測器的製造方法，首先取一玻璃基板111以丙酮、甲醇及去離子水進行清洗，再將該玻璃基板111放入射頻磁控濺鍍系統的腔體中，將氬氣和氧氣通入該腔體中並控制腔體內的工作壓力達到1.1×10^-2 torr，再以100W的工作瓦數濺鍍氧化鋅靶材15分鐘，該玻璃基板111上即形成約100nm厚的氧化鋅晶種層112。

以水熱法之方式於該氧化鋅晶種層112上成長一氧化鋅奈米柱113，詳細步驟是以硝酸鋅與六亞甲基四胺配成0.025M的水溶液，將鍍有該氧化鋅晶種層112的該玻璃基板111放入裝有該水溶液的壓力釜中，並將該壓力釜放入烘箱以90℃維持6小時，再取出鍍有該氧化鋅晶種層112的該玻璃基板111以去離子水清洗後放入烘箱烘乾，最後將鍍有該氧化鋅晶種層112的該玻璃基板111以高溫管爐400℃退火30分鐘，該氧化鋅晶種層112上方即形成該氧化鋅奈米柱113並製得該氧化鋅奈米柱感測元件110。

將該參考電極120及該氧化鋅奈米柱感測元件110電性連接至該該運算放大器131，該運算放大器131及該電源供應器133以電性連接至該電路板132，其中該參考電極120之材質為鉑。

請參照圖6本發明之較佳實施例中感測器終端模組電路示意圖，本實施例為利用本發明之氧化鋅奈米柱酸鹼感測器搭配一無線感測系統以達到無線監控之效果，於本實施例中，該運算放大器131為AD623，該電路板132為Arduino Uno Rev3開發板，並將該運算放大器131的6腳電性連接至該電路板132的A0端子，將該運算放大器131的5腳電性連接至該電路板132的3.3V電壓源，將該運算放大器131的7腳電性連接至該電路板132的5V電壓源，該運算放大器131的2腳電性連接至該氧化鋅奈米柱感測元件110，該運算放大器131的3腳及4腳一同電性連接該參考電極120及該電路板132的接地(GND)，最後再使用Arduino IDE撰寫開發板程式於Arduino Uno Rev3開發板中，並將該電源供應器133電性連接至該電路板132，即完成該參考電極120、該氧化鋅奈米柱感測元件110與該數據收集裝置130之間的電性連接。

其中該無線訊號發射器140於本實施例中為同時具有接收與發送訊號功能的Xbee無線傳輸模組，並將該無線訊號發射器140的發送腳位(TX)電性連接至該電路板的Arduino Uno 2腳位，將該無線訊號發射器140的接收腳位(RX)電性連接至該電路板的Arduino Uno 3腳位，將該無線訊號發射器140的參考電極腳位(GND)電性連接至該電路板的接地(GND)，將該無線訊號發射器140的供電腳位(5V)電性連接至該電路板的5V電壓源，即完成該數據收集裝置130與該無線訊號發射器140間的電性連接。

將一無線訊號接收器210電性連接至一使用者介面220。

其中該無線訊號接收器210於本實施例中為同時具有接收與發送訊號功能的Xbee無線傳輸模組，該使用者介面220為一裝有由Visual Studio 2017撰寫好C#介面程式的電腦，並將該無線訊號接收器210以USB序列埠電性連接至該使用者介面220。

最後將無線訊號發射器140與無線訊號接收器210以無線訊號連接，本實施例中所使用的無線訊號為具有低速短距離傳輸功能的藍蜂(ZigBee)無線網路協定。

請參照圖5a及圖5b本發明中氧化鋅奈米柱感測元件的電子顯微鏡圖，本發明中所製造的氧化鋅奈米柱113具有約65nm的直徑寬及1.65μm的長度，由於該氧化鋅奈米柱113具有高的表面體積比，可有助於改善酸鹼感測器的靈敏度。

請參照圖7本發明中氧化鋅奈米柱感測元件的X光繞射分析圖，本發明中所製造的氧化鋅奈米柱113經X光繞射儀分析後得知，該氧化鋅奈米柱113符合氧化鋅的纖鋅礦結構(Wurtzite structure)，且根據衍射峰(002)的峰值強度與半高寬判斷，本發明所製造的氧化鋅奈米柱113比起氧化鋅薄膜具有更好的結晶品質，可以改善酸鹼感測器的靈敏度。

請參照圖8本發明中氧化鋅奈米柱感測元件的光致發光光譜分析圖，本發明中所製造的氧化鋅奈米柱113經光致發光光譜分析儀分析後得知，該氧化鋅奈米柱113的發光波段在380nm處有一放射峰值，該放射峰值的強度結果顯示本發明中所製造的氧化鋅奈米柱113比起氧化鋅薄膜具有更好的結構強度及更好的結晶品質，可以改善酸鹼感測器的靈敏度，另一個約於580nm處的峰值則是由於氧化鋅中的氧空缺及鋅間隙造成的結構所產生的峰值。

請參照圖9本發明中氧化鋅奈米柱感測元件的電位響應圖，本發明中的氧化鋅奈米柱感測元件110及參考電極120浸泡於pH4、pH6、pH7、pH8、pH10的緩衝溶液中30秒進行電位測定，從測定結果中可以看出本發明於不同pH值中皆能穩定輸出相對應的響應電壓。

請參照圖10本發明中氧化鋅奈米柱感測元件的靈敏度比較圖，本發明中的氧化鋅奈米柱感測元件110及參考電極120浸泡於pH4、pH6、pH7、pH8、pH10的緩衝溶液中進行靈敏度測定，從測定結果中可以看出本發明之氧化鋅奈米柱感測元件的靈敏度為44.56mV/pH，高於氧化鋅薄膜製作而成的感測元件的靈敏度34.82mV/pH，數據結果說明了擁有較大的表面體積比及較好的結晶品質有助於改善酸鹼值的感測靈敏度。

請參照圖11本發明中氧化鋅奈米柱感測元件的重複性測試圖，本發明中的氧化鋅奈米柱感測元件110及參考電極120浸泡於pH4、pH6、pH7、pH8、pH10的緩衝溶液中進行重複性測試，測試結果表明本發明的氧化鋅奈米柱感測元件110在浸泡於酸性或鹼性溶液之後，再回中性(pH7)溶液中都可以恢復原本的準位電壓，證實了本發明中的氧化鋅奈米柱感測元件110具有良好的重複使用性及再現性，擁有可多次重複使用的優點。

10:可撓式基板 100:感測器終端模組 110:氧化鋅奈米柱感測元件 111:玻璃基板 112:氧化鋅晶種層 113:氧化鋅奈米柱 120:參考電極 130:數據收集裝置 131:運算放大器 132:電路板 133:電源供應器 140:無線訊號發射器 200:感測器接收模組 210:無線訊號接收器 220:使用者介面 300:待測溶液

圖1為本發明之氧化鋅奈米柱酸鹼感測器示意圖 圖2為本發明之較佳實施例之氧化鋅奈米柱無線酸鹼感測器示意圖。 圖3為本發明之較佳實施例之數據收集裝置及無線訊號發射器的程式流程圖。 圖4為本發明之較佳實施例之使用者介面及無線訊號接收器的程式流程圖。 圖5a及圖5b為本發明中氧化鋅奈米柱感測元件的電子顯微鏡圖。 圖6為本發明之較佳實施例中感測器終端模組電路示意圖。 圖7為本發明中氧化鋅奈米柱感測元件的X光繞射分析圖。 圖8為本發明中氧化鋅奈米柱感測元件的光致發光光譜分析圖。 圖9為本發明之氧化鋅奈米柱感測元件的電位響應圖。 圖10為本發明之氧化鋅奈米柱感測元件的靈敏度比較圖。 圖11為本發明之氧化鋅奈米柱感測元件的重複性測試圖。

111:玻璃基板

112:氧化鋅晶種層

113:氧化鋅奈米柱

Claims (7)

1. 一種氧化鋅奈米柱酸鹼感測器，包含有： 一氧化鋅奈米柱感測元件； 一參考電極；以及 一數據收集裝置； 其中該數據收集裝置包含有： 一運算放大器； 一電路板；以及 一電源供應器； 其中該氧化鋅奈米柱感測元件及該參考電極電性連接至該運算放大器，該運算放大器及該電源供應器以電性連接至該電路板； 當該氧化鋅奈米柱感測元件及該參考電極浸泡至一待測溶液中時，該電路板及該運算放大器能夠測量該氧化鋅奈米柱感測元件及該參考電極之間的電位差而獲得一用於計算酸鹼感測結果的電位差數據。
2. 如申請專利範圍第1項的氧化鋅奈米柱酸鹼感測器，其中該氧化鋅奈米柱具有一玻璃基板，該玻璃基板上具有一氧化鋅晶種層，該氧化鋅晶種層上具有一氧化鋅奈米柱。
3. 如申請專利範圍第2項的氧化鋅奈米柱酸鹼感測器，其中該氧化鋅奈米柱具有氧化鋅的纖鋅礦結構。
4. 如申請專利範圍第1項的氧化鋅奈米柱酸鹼感測器，其中該數據收集裝置可連接一無線感測系統，達到無線監控之效果。
5. 一種氧化鋅奈米柱酸鹼感測器的製造方法，包含： 形成一氧化鋅晶種層於一玻璃基板上； 形成一氧化鋅奈米柱於該氧化鋅晶種層上，藉此獲得氧化鋅奈米柱感測元件； 將一參考電極與該氧化鋅奈米柱感測元件分別電性連接至一運算放大器； 將該運算放大器及一電源供應器電性連接至一電路板； 當該氧化鋅奈米柱感測元件及該參考電極浸泡至一待測溶液中時，該電路板及該運算放大器能夠測量該氧化鋅奈米柱感測元件及該參考電極之間的電位差而獲得一用於計算酸鹼感測結果的電位差數據。
6. 如申請專利範圍第5項的氧化鋅奈米柱酸鹼感測器的製造方法，其中該氧化鋅晶種層係利用射頻磁控濺鍍的方式形成於該玻璃基板上。
7. 如申請專利範圍第5項的氧化鋅奈米柱酸鹼感測器的製造方法，其中該氧化鋅奈米柱係利用水熱法的方式形成於該氧化鋅晶種層上。

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