TW202138800A

TW202138800A - 氣體感測裝置及其製造方法

Info

Publication number: TW202138800A
Application number: TW109112507A
Authority: TW
Inventors: 王詩涵; 張逸儒; 黃少盈
Original assignee: 國立雲林科技大學
Priority date: 2020-04-14
Filing date: 2020-04-14
Publication date: 2021-10-16

Abstract

本發明關於一種氣體感測裝置之製造方法，包括下列步驟：混合至少一金屬氧化物、一奈米碳材及一導電聚合物形成一複合材料；提供一設有一電極組之基板；將該複合材料設於該基板上並導通於該電極組之間。本發明另提供一種利用前述製造方法之氣體感測裝置，包括：該基板，設有導通於該電極組之間之該複合材料，該電極組供連接一測量裝置以測量該複合材料之電訊號。

Description

氣體感測裝置及其製造方法

本發明係有關於一種氣體感測裝置及其製造方法。

造成空氣污染之主因包括工廠廢氣及車輛廢氣等，其污染物質包括硫氧化物、氮氧化物、臭氧及懸浮顆粒等。其中，氮氧化物與臭氧及懸浮顆粒之形成密切相關，因此氮氧化物之濃度成為室外空氣品質的重要指標之一。

常見的二氧化氮傳感器之類型包括電化學、光學及金屬氧化物半導體傳感器等。其中電化學傳感器因需填充電解質，封裝不易且穩定性不佳而不利於長期使用；光學傳感器之體積大且維修成本高；金屬氧化物半導體傳感器雖具有靈敏度高、反應時間短及穩定性佳等優點，然而，習知之金屬氧化物半導體傳感器通常需於高溫環境下操作且對感測氣體之選擇性不佳，存在亟待改善之缺弊。

因此，有必要提供一種新穎且具有進步性之氣體感測裝置及其製造方法，以解決上述之問題。

本發明之主要目的在於提供一種氣體感測裝置及其製造方法，該氣體感測裝置具有結構簡單、易於製造、可於室溫下操作及選擇性佳等優點。

為達成上述目的，本發明提供一種氣體感測裝置之製造方法，包括下列步驟：混合至少一金屬氧化物、一奈米碳材及一導電聚合物形成一複合材料；提供一設有一電極組之基板；將該複合材料設於該基板上並導通於該電極組之間。

為達成上述目的，本發明另提供一種利用前述製造方法之氣體感測裝置，包括：該基板，設有導通於該電極組之間之該複合材料，該電極組供連接一測量裝置以測量該複合材料之電訊號。

以下僅以實施例說明本發明可能之實施態樣，然並非用以限制本發明所欲保護之範疇，合先敘明。

請參考圖1至4，其顯示本發明之一較佳實施例，本發明之氣體感測裝置1之製造方法包括下列步驟：

步驟S1：混合至少一金屬氧化物、一奈米碳材及一導電聚合物形成一複合材料12；步驟S2：提供一設有一電極組11之基板10；步驟S3：將該複合材料12設於該基板10上並導通於該電極組11之間。藉此，該氣體感測裝置1之製造方法及結構簡單。

該製造方法另預先結合該奈米碳材與該導電聚合物之單體為一中間產物，再混合該中間產物與該至少一金屬氧化物為該複合材料12；於該中間產物中，該奈米碳材之重量百分率介於0.5%至30%，該奈米碳材與該導電聚合物可較均勻地混合，穩定度佳而不易相互分離。於本實施例中，另混合該導電聚合物之單體、該奈米碳材及一氧化劑以聚合形成該中間產物，該氧化物可引發該導電聚合物之單體與該奈米碳材產生氧化聚合反應，藉此，該奈米碳材與該導電聚合物係化學性地相結合，結構穩定性佳。於其他實施例中，該導電聚合物亦可聚合後再與該奈米碳材及該至少一金屬氧化物相互摻混。於該複合材料12中，該中間產物之重量百分率介於0.05%至50%；該中間產物較佳具有一多孔結構(如圖3所示)，該至少一金屬氧化物散布於該多孔結構中(如圖4所示)，藉此該複合材料12具有較多可吸附氣體之空間，靈敏度佳。

詳細說，該至少一金屬氧化物係選自氧化錫、二氧化鈦、氧化鋅、氧化銅、氧化鐵及氧化鎢至少其中一者，用於吸、脫附氣體以產生電訊號之改變。該導電聚合物係選自聚苯胺(Polyaniline, PANI)、聚吡咯(Polypyrrole, PPy)及聚噻吩(Polythiophene, PT)至少其中一者，提供自由電子並增加該複合材料12之導電性。該奈米碳材係選自奈米碳管、石墨烯、富勒烯及碳奈米纖維至少其中一者。該至少一金屬氧化物、該奈米碳材及該導電聚合物包括至少一P型半導體及至少一N型半導體，可形成PN接面(p-n junction)使該複合材料12於室溫下操作時之電訊號增強。於本實施例中，該基板10為一氧化鋁板，該電極組11為附接於該基板10之指叉型電極；該複合材料12於該基板10上形成一薄膜，該薄膜可與二氧化氮產生氧化還原反應，比表面積大、結構簡單、輕薄且易於生產。於其他實施例中，該基板亦可為一塑膠基板，該電極組為附接於該塑膠基板之碳電極。

本發明另提供一種利用前述製造方法之氣體感測裝置1，包括：該基板10，設有導通於該電極組11之間之該複合材料12，該電極組11供連接一測量裝置以測量該複合材料12之電訊號。於本實施例中，該至少一金屬氧化物為氧化鎢，對二氧化氮之選擇性較佳；該導電聚合物為聚苯胺；該奈米碳材為奈米碳管，可增加該複合材料12之導電率及感測材料之比表面積，藉此，該複合材料12可於室溫下與二氧化氮進行氧化還原反應，選擇性及靈敏度佳。然，該至少一金屬氧化物、該導電聚合物及該奈米碳材亦可依需求選自其他材料。該氣體感測裝置1之操作溫度介於10至100度之間，較佳介於20至80度之間，可於室溫下使用且偵測靈敏度高。較佳地，該氣體感測裝置1於室溫下對二氧化氮氣體之偵測極限介於3至15ppb，靈敏度高。當該二氧化氮之濃度不大於250ppm時，該氣體感測裝置1之反應時間及回復時間皆不長於170秒，吸、脫附速度快而可快速感測。其中，該反應時間為該氣體感測裝置1於待測氣體通入後到達電阻值改變量之90%並達穩定所需之時間；該回復時間為該氣體感測裝置1與該待測氣體反應後之電阻值回復至未與該待測氣體反應前之電阻值改變量之90%並達穩定所需之時間。

S1~S3:步驟 1:氣體感測裝置 10:基板 11:電極組 12:複合材料

圖1為本發明一較佳實施例之立體圖。圖2為本發明一較佳實施例之流程圖。圖3為本發明一較佳實施例之中間產物之掃描式電子顯微鏡影像。圖4為本發明一較佳實施例之複合材料之掃描式電子顯微鏡影像。

1:氣體感測裝置

10:基板

11:電極組

12:複合材料

Claims

一種氣體感測裝置之製造方法，包括下列步驟：混合至少一金屬氧化物、一奈米碳材及一導電聚合物形成一複合材料；提供一設有一電極組之基板；將該複合材料設於該基板上並導通於該電極組之間。
如請求項1所述的氣體感測裝置之製造方法，另預先結合該奈米碳材與該導電聚合物之單體為一中間產物，再混合該中間產物與該至少一金屬氧化物為該複合材料。
如請求項2所述的氣體感測裝置之製造方法，其中該中間產物具有一多孔結構，該至少一金屬氧化物散布於該多孔結構中。
如請求項2所述的氣體感測裝置之製造方法，其中於該中間產物中，該奈米碳材之重量百分率介於0.5%至30%。
如請求項2所述的氣體感測裝置之製造方法，其中於該複合材料中，該中間產物之重量百分率介於0.05%至50%。
如請求項1所述的氣體感測裝置之製造方法，其中該至少一金屬氧化物係選自氧化錫、二氧化鈦、氧化鋅、氧化銅、氧化鐵及氧化鎢至少其中一者。
如請求項1所述的氣體感測裝置之製造方法，其中該奈米碳材與該導電聚合物係化學性地相結合。
如請求項3所述的氣體感測裝置之製造方法，其中另混合該導電聚合物之單體、該奈米碳材及一氧化劑以聚合形成該中間產物；於該中間產物中，該奈米碳材之重量百分率介於0.5%至30%；於該複合材料中，該中間產物之重量百分率介於0.05%至50%；該至少一金屬氧化物係選自氧化錫、二氧化鈦、氧化鋅、氧化銅、氧化鐵及氧化鎢至少其中一者；該導電聚合物係選自聚苯胺(Polyaniline, PANI)、聚吡咯(Polypyrrole, PPy)及聚噻吩(Polythiophene, PT)至少其中一者；該奈米碳材係選自奈米碳管、石墨烯、富勒烯及碳奈米纖維至少其中一者；該至少一金屬氧化物、該奈米碳材及該導電聚合物包括至少一P型半導體及至少一N型半導體；該奈米碳材與該導電聚合物係化學性地相結合；該複合材料於該基板上形成一薄膜，該薄膜可與二氧化氮產生氧化還原反應；該基板為一氧化鋁板，該電極組為附接於該基板之指叉型電極。
一種利用如請求項1至8任一項所述的氣體感測裝置之製造方法之氣體感測裝置，包括：該基板，設有導通於該電極組之間之該複合材料，該電極組供連接一測量裝置以測量該複合材料之電訊號。
如請求項9所述的氣體感測裝置，其操作溫度介於10至100度之間。