1303310 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種氣體感測裝置，特別是指一種用 於檢測還原性氣體（特別是氫氣）且運用氣致色變 (gasochromic)材料之氣體感測裝置。 【先前技術】 氣體感測裝置係用於檢測環境或製程中特定氣體之存 ❿ *及含量，而目前常見之氣體感測裝置(特別是氫氣感測器) 的類型S要有電化學式（electr〇chemical)、固態電解式（s〇仙 electrolysis)、半導體式（semic〇nduct〇r)等。電化學式氣體感 測器係將待測氣體溶解於電化學槽之液態電解質中，而發 生乳化還原反應並產生電流或電壓的變化，以藉此偵測氣 體。電化學式氣體感測器雖可於室溫下偵測，但由於所使 用之液態電解質大多為腐蝕性強的強酸或強鹼，而不易保 存，並縮短使用壽命（約1〜2年)。 • 固態電解式氣體感測器是以固體離子導體（solid ionic conductor)作為電解質，再加上陰、陽極材料所組成。此固 態電解式氣體感測器是利用濃淡電池的原理，也就是利用 兩電極之氣體濃度的不同而產生一電位差，假若一電極的 氣體濃度為已知，則可由涅斯特（Nernst)方程式求得另一電 極所曝露之氣體濃度。目前已有許多專利揭示此類型之氣 體感測器，例如，台灣專利公告第14436〇及561258號以 及美國專利公告第4,908，118、4,976,991、5,453,172號。以 台灣專利公告第56丨258號為例，係揭示—種固態電解質式 1303310 氣體感測元件，如圖"斤示，其包含··一固態電解質基材 別、-放置於該固態電解質基材20上之陰極21，及一放置 於該固態電解質基材20上之陽極22，該陽極η之表面具 有-感測材料23 ’該感測材料23係含有氧化鈷，及選擇性 地含有金和接著劑。 ，半=體式氣體感測器主要係利用金屬氧化物作為感測 材料，精由金屬氧化物表面吸附氣體之含量多寡所產生之 電阻變化，來監測該氣體感測器周圍的氣體濃度變化，可 參考台灣專利公開公報第200411171及2〇〇5〇86〇1號以及台 灣專利公告第546476、586007 Am〇455號。參閱圖2, 此種半導體式氣體感測器之配置方式如台灣專利公告第 1220455號所示，其係包含—基板％、_社電極3卜一 對下電極32、-電阻加熱器33、三氧化鎢層34、—觸媒層 35及稷數個訊號導線36。上述之電化學式、固態電解質式 及半導體式氣體感測器主要是利用電位、電流或電阻的變 化原理作為信號的輸出，通常需要在感測元件上通電輸入 電流才能作用。此等習知之氣體感測器在常溫下的靈敏度. 不高，通常需要於感測元件上加裝電熱板，再加溫至2〇〇〇c 以上才能有效使用，如此不僅使得習知氣體感測器之構造 欠知複雜，也讓刼作成本增加，且於高溫及通電之環境下 ’對於還原性氣體-氫氣，其爆炸漠度範圍很廣泛（4〜8〇%) ，而可能於實際應用時產生爆炸之安全顧慮。 美國專利公告第4,661，32G號揭示—種氣體感測器，其 係包含—第一層合物裝置及一光學袭置，該第一層合物裝 6 1303310 置係具有-用於吸收或解離氫氣之第—催化金屬層及一第 二固體金屬氧化物層’該光學裝置是用於偵測固體金屬氧 化物受到氫氣還原反應後之光吸收的變化。該第一催化金 屬層係由免、翻等所製成，該第二固體金屬氧化層是由氧 化鎢、氧化翻、氧化欽、氫氧化銥或氧化飢等所製成。此 f利之具體例係如圖3及圖4所示。於圖3中，該裝置4〇 疋由催化金屬層4〇1及一固體金屬氧化物層所構成 ’且該裝置4G係放置於—殼體41内，該光源42ι及該光 谓測器422是裝設於該中央訊號站42内。圖3之氣體感測 為係運用光穿透率的變化來備測氣體，也就是藉由以下路 ^來測試該裝置4G内之固體金屬氧化層402之穿透率：讓 來自光源421之光線經由光纖43而傳導至殼體41内之裝 置4〇内，接著光線再穿透該裝置40,並經由光纖43而傳 導至光偵測器422,如此即可測得穿透率。圖4之氣體感測 器係運用光反射率的變化㈣測氣體，同樣地藉由上述之 路後而測得該固體金屬氧化€ 402之反射率。此專利雖已 述及利用該固體全屬_ & 至屬虱化物層402之光吸收變化來偵測氣 —仁於况明書内無法得知實際應用之靈敏度及效率。此 卜由上述之備測方法應可推知此專利之裝置40的製備將 =影響_結果，但於此專财並未詳細敘述該裝置之 衣備方式’如此亦可能會影響實際應用之成效。 由上述可知，1 #、 如何咬計一製備簡單且於常溫下可與欲 、測乳體發生反應之元件，並在將其運甩至氣體感測裝置 才’可有效提昇靈敏度及偵測效率，對於目前業界而言， 1303310 仍存在一極大之需求及改善空間。 【發明内容】 環境下:作本:二目二即在提供-種可於常溫或高溫 卞之還原性氣體=速有效檢測環境 裝置。 又化以及具備_度之氣體感測 ;疋本I明氣體感測器適用於感測一還 該氣體感測裝置包合一呈古夕 礼體’ ^ 匕3具有一多孔性反應膜之反應元件、 一提供-光線之光源產生元件一用於接收由該反應元件 所傳出的光線之檢測元件及二分別將該反應元件與該光源 產生元件及該檢測元件連接之導光元件。該多孔性反應膜 含有-氣致色變材料及一催化劑，該二導光元件分別將該 光原產生元件所產生之光線傳導至該反應元件，以及將該 反應元件所傳出的光線傳導至該檢測元件。 為了有效提昇習知氣體感測器之靈敏度及偵測效率， % 本^明之氣體感測裝置利用一具有一多孔性反應膜之反應 元件，並藉由增加該多孔性反應膜與欲偵測之還原性氣體 的有效接觸面積及質傳速率，使得欲偵測氣體可以更有效 地於該多孔性反應膜内之催化劑的輔助催化下，與該氣致 色變材料進行氧化還原反應。又，由於習知氣體感測器一 般需要在感測元件上通電輸入電流才能作用，因此本發明 之氣體感測裝置利用光學穿透率或反射率的變化原理，因 而不需要通電輸入電流，即可在常溫或高溫下檢測氣體的 濃度變化。 1303310 【實施方式】 本發明之氣體感測裝置適用於感測一 •原性氣體係例如氯氣、一氧化碳、乙醇或甲烧;體二 本發明之具體例中，該還原性氣體為氫氣。 本發明之氣體感測裝置包含-具有一多孔性反應膜之 反應元件、一用以提供光線之光源產生元件、一接收由該 反應元件所傳出之光線之檢測元件，以及二分別將該反應 Φ 70件與該光源產生元件及該檢測元件連接之導光元件。 一「由該反應元件所傳出之光線」一詞係表示當光源產 生疋件所產生之光線由該導光元件傳導至該反應元件時， 此入射光線會選擇性地穿透該反應元件或由該反應元件所 反射，接著再透過另一導光元件傳送至該檢測元件。 該反應元件中之多孔性反應膜係含有一氣致色變材料 及一催化劑，且可依實際需要製作為單層或多層結構。較 佳地，該多孔性反應膜為雙層結構，係具有一含有該氣致 • 色變材料之多孔性氣致色變層，以及一形成於該多孔性氣 致色變層上且由該催化劑所構成之催化劑層；或者選擇性 地’ U亥夕孔性反應膜為單層結構’且其所含之催化劑係分 散於該氣致色變材料中。 較佳地，該反應元件更具有一基材，且該多孔性反應 膜係形成於該基材上。而於本發明之一具體例中，該反應 元件係具有一基材及一形成於该基材上之多孔性反鹿膜， 該多孔性反應膜具有一形成於該基材上之多孔性氣致色變 層及一形成於該多孔性氣致色變層上之催化劑層。於本發 9 1303310 明之另一具體例中，該反應元件 樣具有—基材及一形成 於該基材上之多孔性反應膜， u么晚 向该夕孔性反應膜則由一氣 致色受材料及一催化劑所構成，日#皮 /Γ稱庾且該催化劑係分散於該氣 致色變材料中。 另需注意的是，當本發明之氣體感測褒置為一穿透式 氣體感測裝置時，該反應元件中之基材必須為可讓光線穿 透之材料，例如透明或半透明狀之基材，較佳地，該基材 係由玻璃、石英、高分子材料或陶究材料所製成。當本發 明之氣體感測裳置為-反射式氣體感測裝置時，該反應元 件中之基材則無透光要求之限制，而可為透明、半透明或 不透明之基材’較佳地，讀·其LJL J么丄 平1地4基材係由玻璃、石英、高分子 材料、陶瓷材料或金屬材料所製成。 «亥夕孔性反應膜中之氣致色變材料及催化劑的選擇可 依據實際需要進行，但不論如何，在將該多孔性反應膜曝 露於充滿還原性氣體之環境時，還原性氣體首先會在催化 劑之催化反應下而分解著味盾J7：.七协7 鮮座生原子或離子，接著再經由擴散 作用而與該氣致色變材料進行還原反應，進而讓該氣致色 ’遣材料產生顏色的變化。若此時將該多孔性反應膜移至未 ，在有還原性氣體之環境中’則該氣致色變材料將會進行 氧化反應’並使其變回原本的顏色。 本么明孔體感測裝置之多孔性反應膜中之氣致色變材 料係透過氧化還原反應而具有變色能力之材料，較佳地， 該氣致色變材料係選自於由下列所構成之群組：金屬氧化 物、金屬、金屬合金1間嵌入化合物(intercalated 10 1303310 compound)、有機化合物以及此等之一組合。例如，該金屬 氧化物可為氧化錫、氧化鈦、氧化鎢、氧化鉬、氧化釩、 氧化鎳或此等之一組合，該金屬可為鈀（Pd)、釓（Gd)或此等 之一組合，該金屬合金可為鎮鈦合金、鎮鐵合金、鎂姑合 金、鎮猛合金、鎂鎳合金、鎂鑭合金或此等之一組合，該 價間後入化合物可為普魯士藍類似物（Prussian blue analogs) 、金屬六氰基高鐵酸鹽（metal hexacyanoferrate，此金屬可 為鐵、銘、錄、飽、翻、銅、辞、絡、鈦、錯、銦、銘或 釕等）或此等之一組合，而有機化合物可為聚吡咯 (polypyrrole)、聚苯胺（polyaniline)、紫菁（viologen)、聚嗔 吩（polythiophene)、酜菁（phthalocyanine)或此等之一組合。 更佳地，該氣致色變材料為一金屬氧化物，而於本發明之 一具體例中，該氣致色變材料為氧化鎢。 本發明氣體感測裝置之多孔性反應膜中之催化劑為任 何可催化還原性氣體之催化劑，較佳地，該催化劑是選自 於由下列所構成之群組：貴重金屬、金屬合金、金屬化合 物以及此等之一組合。例如，該貴重金屬可為翻、纪、金 、釕或锇等，該金屬合金可為纪銀合金、纪鎳合金、纪鎮 合金等，該金屬化合物可為氮化鉬（Mo2N)、碳化鉬（Mo2C) 、硫化鉬（MoS2)、硫化鉬鎳（NiMoS)、硫化鉬鈷（C0M0S)、 鉻酸銅（CuCr204)、氧化鐵（Fe304、Fe203)、氧化鎳鎂 (NixMgl_xO)、氧化辞（ZnO)、氧化鈮（Nb205)、氧化銅（Cu〇） 等。更佳地，該催化劑為一貴重金屬，於本發明之一具體 例中，該催化劑是鉑。而於本發明之另一具體例中，該催 1303310 化劑為I巴。 本發明氣體感測裝置之反應元件的製 知方式進行，而於本發明之一具體例中，該 孔性反應膜可運用以下兩種方法進行製備： 之夕
[方法一]該多孔性反應膜為雙層結構，也就是具有該多 性氣致色變層及該催化劑層：將—鑛膜液 該基材上，再於適當溫度下進行加熱處理而形成 該多孔性氣致色變層，該鐘膜液是由含有該氣致 色變材料之溶液及-形成孔洞之物質所構成。接 著，再利用物理鍍膜方法或化學鍍膜方法，將該 催化劑塗佈於該多孔性氣致色變層上，以形成該 催化劑層。 Λ [方法二]該多孔性反應膜為單層結構，也就是含有該氣致 色變材料及分散於該氣致色變材料中之催化劑： 將-鍍膜液塗佈於該基材上，再於適當溫度；進 行加熱處理而形成該多孔性氣致色變層，該鍍膜 液是由含有該氣致色變材料I該催化劑之溶液及 一形成孔洞之物質所構成。 於上述兩種製備方法中，該形成孔洞之物質主要係用 於讓該反應膜具有多數個孔洞，較佳地，該形成孔洞之物 質是選自於由下賴構成之群組：界面活性劑、嵌段共聚 高分子（block C〇P〇lymer)、奈米高分子、溶劑及此等之一組 合。例如，該界面活性劑可為十二院續酸納（SDS)、十六燒 基三甲基漠化銨（CTAB)或聚乙烯乙二醇異辛賴（Trit〇n χ_ 12 1303310 100)等，該嵌段共聚高分子可為聚氧乙烯聚氧丙烯醚嵌段共 聚物（Pluronic P123 或 Pluronic F127，BASF)等，該，奈米高 分子可為奈米聚苯乙烯（PS)或奈米聚曱基丙烯酸曱酯 (PMMA)等等，該溶劑可為乙醇、丙醇、異丙醇、丁醇、正 己烷、正庚烷或正辛烷等等。更佳地，該形成孔洞之物質 為界面活性劑及溶劑之一組合、奈米高分子或喪段共聚高 分子。而於本發明之一具體例中，該形成孔洞之物質為十 二烷磺酸鈉及正己烷。於本發明之另一具體例中，該形成 孔洞之物質為奈米聚苯乙烯球。 較佳地，上述[方法一]及[方法二]中之加熱温度係介於 80°C 至 500°C 之間。 於上述[方法一]之多孔性氣致色變反應層及[方法二]之 多孔性反應膜可運用以下方法進行塗佈：旋轉塗佈（spin coating)法、浸沾式塗佈（dip coating)法、刷式塗佈（brush coating)法、刮刀塗佈（blade coating)法、滾筒塗佈（roller coating)法、喷霧塗佈（spray coating)法、靜電喷霧塗佈 (electrostatic spray coating)法、無電鑛(electroless deposition)法、電鍵（electrodeposition)法及化學液相沉積 (chemical solution deposition)法等。 上述[方法一]中之催化劑層可運用以下方法進行鍍膜： 無電鍍法、電鍍法、化學氣相沉積法、物理氣相沉積 (physical vapor deposition)法及濺鍍（sputtering)法等。 該光源產生元件所產生之光線的波長範圍可依據實際 使用需要進行調整’較佳地，該波長範圍為300〜1050 nm。 13 1303310 該檢測元件可依據實際需要進行變化及調整，較佳地 ’该檢測元件是選自於由下列所構成之群組··分光光譜儀 (spectrophotometer)、色差儀（c〇1〇r meter)、反射率計 (refleCt〇meter)、光電管（Phototube)及光二極體（phot〇di〇de) 。而於本發明之一具體例中，該檢測元件為分光光譜儀。 選擇性地，該氣體感測裝置更包含一連接於該檢測元 件之數據分析處理及控制元件，其用途在於進階處理光譜 數據進一步作為資料轉換或儀器控制使用。 又遥擇性地’該氣體感測裝置更包含一連接於該檢測 7Ό件之警報元件，其用途在於當所偵測氣體超過一定濃度 日寸，將會發出警報，或者進一步關閉用於控制氣體進入之 流量閥。 本發明之氣體感測裝置内的二導光元件分別將該光源 產生兀*件所產生之光線傳導至該反應元件，以及將該反應 兀件所傳出的光線傳導至該檢測元件。較佳地，經由該導 光元件傳導至該反應元件的光線與該反應元件之多孔性反 應膜之間的夹角必須大於0。，以利於測量該反應元件之光 穿透率或反射率的變化值，而於本發明之一具體例中，該 光線與該反應元件之多孔性反應膜之間的夾角為90。。該二 導光元件與該反應元件之間的配置可依據實際需要進行變 化調整，例如，可將該反應元件直接安裝或形成於一導光 元件之一端上，整合製作成可攜式的裝置’而便於移動及 攜帶使用。 本發明之氣體感測裝置可直接放置於欲偵測之環境中 14 1303310 ’以有效偵测環琦φ Η 成 一育 疋否3有逛原性氣體。此外，依據該 一導光元件之設晋# $ , ^ 位置，本發明之氣體感測裝置可為光穿 透式氣體感消彳I f ^ J我置或疋先反射式氣體感測裝置。當本發明 之氣體感測裝置為# #、泰4 士 马先牙透式時，該光源產生元件所提供的 光線會經由一導光元件傳導至該反應元件，接著可選擇以 下兩種方式之其中_方式進行安裝使用··⑴該反應元件的 基材端面向上述將來自該光源產生元件的光線傳導至該反 應元件之，光元件，·及⑺該反應元件的基材端背向上述導 光元件I後δ亥反應元件所穿透的光線再經由另一導光元 件傳導至邊檢測兀件，如此即可檢測該反應元件之光穿透 率變化。而當本發明之氣體感測裝置為光反射式時，光線 同樣、、二由導光元件傳導至該反應元件，接著可選擇以下 兩種方式之其中-方^進行安裝使用··⑴該反應元件的基 材翊面向上述將來自該光源產生元件的光線傳導至該反應 兀件之導光元件；及（2)該反應元件的基材端背向上述導光 元件，隶後5亥反應元件所反射的光線再經由另一導光元件 傳導至該檢測元件，如此即可檢測該反應元件之光反射率 變化。 有關本發明之前述及其他技術内容、特點與功效，在 以下配合茶考圖式之詳細說明令，將可清楚的呈現。 在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說 明内容中，類似的元件是以相同的編號來表示。 <實施例> 反應元件之製備 15 1303310 [製備例1]多孔性反應膜為雙層結構（由氣致色變層及催 化劑層所組成）且形成孔洞之物質為奈米聚苯 乙烯球 將12 mL之異丙醇（由台灣聯工化學公司製造，品名 為iso-propyl alcohol)及3 mL之醋酸（由台灣聯工化學公 司製造，品名為acetic acid)予以混合作為一溶劑。再於 該溶劑中加入1 g之六氯化鎢（由美國Aldrich公司製造， 品名為tungsten chloride)，接著以超音波震盪10分鐘使 六氯化鎢完全溶解，而製得一前驅物。於該前驅物中加入 0.1 mL之過氧化氳，並充分混合均勻後製得W03溶液。 於上述之W03溶液中加入奈米聚苯乙烯球[利用苯乙 稀與陰離子起始劑過硫酸_(KPS，potassium persulfate) ，並以無乳化聚合（emulsion-free polymerization)方式製造 ，其直徑約為50 nm，每毫升W03溶液加入30 mg之奈 米聚苯乙烯球]，再以超音波震盪而使其混合均勻，而製 得一鍍膜液。接著利用旋轉塗佈機（由台灣汎達科技公司 製造，型號為PM490，轉速4000 rpm塗佈時間20 sec)， 將該鍍膜液均勻塗佈於一玻璃基板（由台灣伸球企業有限 公司製造，型號為A41，其大小為2.5 cmx5.0 cm)上，然 後再以400°C之溫度煆燒1小時，以去除奈米聚苯乙烯 球，並形成一多孔性W03層（即為氣致色變層，厚度約為 200 nm)。再利用離子錢鍍機（ion sputter coater，由日本 Hitachi公司製造，型號為E-1010)，將鉑金屬濺鍍於該多 孔性W03層上，以形成一鉑金屬層（即為催化劑層，厚度 16 1303310 、、、勺為5 nm)，如此即製得該製備例1之反應元件（其結構如 固所示，元件編號1為該反應元件、11為玻璃基材 12為多孔性反應膜、121為氣致色變層及122為催化劑層
[製備例2】多孔性反應膜為雙層結構且形成 為十二烧基續酸納及正己烧 該製備例2之製備方式與該製備例丨的方式相同， 其不同處是在每毫升W〇3溶液中加入25 mg之十二烷基 磺酸鈉（由美國Aldrich公司製造，品名為 ,deCyisulfate)及0·2 mL之正己院（由台灣聯工化學公司 製造，品名為n-hexane) ’以及熱處理之溫度為8〇。〇，最 後亦製得該製備例2之反應元件(其結構同樣如圖5所示) 〇 [製備例3]多孔性反應膜為單層結構（催化劑分散於該氣
致色變材料中）且形成孔洞之物質為奈米聚苯 乙烯球 該製備例3之製備方式與該製備例丨的方式相同， 其不同處是在每毫升W〇3溶液中加入〇.2 mL之氯化把溶 液2.8 mL之異丙醇與〇.2 mL之鹽酸作為溶劑，並於 此溶劑申加入0.1 g之氯化鈀（由美國Aldrich公司製造， 品名為palladium chloride)而製得]及3〇 mg之奈米聚苯乙 烯球，接著亦於4〇〇。(：之溫度下進行熱處理，最2亦製 得該製備例3之反應元件（其結構如圖6所示，元件編號 1為該反應元件、：Π為玻璃基材及12為多孔性反應膜）。 17 1303310 [製備例4]多孔性反應膜為單層結構且形成孔洞之物質 為十二烷基磺酸鈉及正己烷 該製備例4之製備方式與該製備例1的方式相同， 其不同處是在每毫升W03溶液中加入0.2 mL之氯化鈀溶 液[以2·8 mL之異丙醇與0.2 mL之鹽酸作為溶劑，並於 此溶劑中加入0.1 g之氯化把（由美國Aldrich公司製造， 品名為palladium chloride)而製得]，以及2.5 mg之十二 烧基績酸納（由美國Aldrich公司製造，品名為sodium dodecylsulfate)及0.2 mL之正己烧（由台灣聯工化學公司 製造，品名為n-hexane)，且熱處理之溫度為80°C，最後 亦製得該製備例4之反應元件（其結構同樣如圖6所示）。 二、氫氣感測裝置之組裝 [實施例1]穿透式氫氣感測裝置（利用製備例2之反應元 件） 如圖7所示之方式進行組裝，該實施例1之穿透式 氫氣感測裝置包含由製備例2所製得之反應元件1、一作 為光源產生元件之鴒燈光源2(由美國Ocean Optics公司 製造，型號為DT-Mini，其波長範圍為200〜1100 nm)、一 作為檢測元件之分光光譜儀3(由美國Ocean Optics公司 製造，型號為Mini-D2T)及二作為導光元件之光纖4(由美 國Ocean Optics公司製造，型號為P200與P50)。 [實施例2】穿透式氳氣感測裝置（利用製備例4之反應元 件） 除了將該製備例2之反應元件置換為該製備例4之 18 1303310 反應元件之外，該實施例2之其餘元件皆與該實施例i相 同，而組裝方式則如圖8所示。 [實施例3】反射式氫氣感測裝置（利用製備例2之反應元 件） 如圖9所示之方式進行組裝，該實施例3之反射式 氫氣感測裝置包含由製備例2所製得之反應元件1、/作 為光源產生元件之鶴燈光源2(由美國〇cean Optics公司 製造，型號為DT-Mini，、其波長範圍為2〇〇〜lioo疆）、〆 作為檢測元件之分光光譜儀3(由美國0cean 〇ptics公司 製造，型號為Mini-D2T)及二作為導光元件之光纖4(由美 國Ocean Optics公司製造，型號為R400)。 [實施例4]反射式氫氣感測裝置（利用製備例4之反應元 件） 除了將該製備例2之反應元件置換為該製備例4之 反應元件之外，該貫施例4之其餘元件皆與該實施例3相 同，而組裝方式則如圖10所示。 〈比較例〉 [比較例1]穿透式氫氣感測裝置（反應膜為雙層結構） 1·反應元件之製備：比較例1之反應元件的製備方 式係依據該製備例2之製備方式，但不同處在於 该W〇3溶液中未加入十二烷基磺酸鈉及正己烷， 且所製得之反應膜並非為多孔性，最後同樣製得 該比較例1之反應元件。 2·穿透式氳氣感測裝置之組裝：使用上述之反應元 19 1303310 件，並依據實施例1之方式進行組裝，而獲得該 比較例1之穿透式氫氣感測裝置（其結構同樣如圖 7所示）。 [比較例2]穿透式氫氣感測|置（反應臈為單層結構） 1 · 反應元件之製備：t卜耘， 車乂例2之反應元件的製備方 <係依據該製備例4之製備方式，但不同處在於 该WO3洛液中未加入十二烧基石黃酸納及正己烧， _ J"所製#之反應膜並非為多孔性，最後同樣製得 該比較例2之反應元件。 2·穿透式氫氣感測裝置之組裝：使用上述之反應元 件，亚依據實施例2之方式進行組裝，而獲得該 t匕較例2之穿透式氫氣感測裝置(其結構同樣如圖 8所示）。 [比較例3]反射式氫氣義測裝置（反應膜為雙層結構） 1·反應凡件之製備：比較例3之反應元件的製備方 • 式係依據該製備例2之製備方式，但不同處在於 該WO3溶液中未加入十二烷基磺酸鈉及正己烷， 且所製得之反應膜並非為多孔性，最後同樣製得 該比較例3之反應元件。 2·反射式氫氣感測裝置之組裝：使用上述之反應元 件，並依據實施例3之方式進行組裝，而獲得該 比較例3之反射式氫氣感測裝置（其結構同樣如圖 9所示）。 [比較例4】反射式氫氣感測裝置（反應膜為單層結構） 20 1303310 1·反應元件之製備··比較例4之反應元件的製備方 式係依據该製備例4之製備方式，但不同處在於 该WO3 >谷液中未加入十一烧基石黃酸納及正己烧， 且所製得之反應膜並非為多孔性，最後同樣製得 該比較例3之反應元件。 2 ·反射式氫氣感測裝置之組裝：使用上述之反應元 件’並依據貫施例4之方式進行組裝，而獲得該 比杈例4之反射式氫氣感測裝置（其結構同樣如圖 10所示）。 <測試〉 I·反應元件之反應膜的表面觀察：利用掃描式電子顯 微鏡進行製備例1〜4與比較例1、2之反應元件内之 反應膜的表面觀察。比較例丨及製備例i、2觀測所 得之SEM圖分別如圖u⑷、⑻及⑷所示，而比較 例2及製備例3、4觀測所得之SEM圖分別如圖 12(a)、（b)及（c)所示。 II·穿透式氫氣感測裝置於不同波長下之穿透率變化： 分別將實施例1及2之穿透式氫氣感測裝置放置於 一常溫環境下，並以間歇操作方式通入不同氫氣濃 度之氳/氮混合氣體，並於300〜1000 nm之波長下檢 測該反應元件的穿透率變化。實施例丨所測得之結 果如圖13所示，實施例2所測得之結果如圖14所 示。 m.於7〇〇 nm之波長下之穿透率或反射率的變化：分別 21 1303310 將實施例1〜4及比較例卜4之氫氣感測裝置放置於 常溫環境下，並以間歇操作方式通入氫氣濃度約為 卜20 mol%之氫/氮混合氣體，接著於7〇〇麵之波長 下檢測該反應元件的穿透率或反射率變化。實施例 1〜4所測付之結果分別如圖15、16、17及18所示， 比較例1〜4所測得之結果分別如圖19、2〇、21及22 所示。此外，為便於比較，實施例1、2及比較例i 、2利用以下公式計算於不同氫氣濃度下之響應時間 • 常數（單位為sec) : T/T〇=a+be—kt (T/TQ表示相對穿透 率，k表示響應時間常數，t表示時間，a及b為迴 歸常數）。而實施例3、4及比較例3、4則利用以下 公式計算於不同氫氣濃度下之響應時間常數（單位為 sec) : R/R〇 = a+be_kt (R/R〇表示相對反射率，k矛示 響應時間常數，t表示時間’ a及b為迴歸常數）。给 施例1、2及比較例1、2之計算結果整理於下表工 鲁 中，而實施例3、4及比較例3、4之計算結果整理 於下表2中。 22 1303310 表1 k(sec) 比較例1 實施例1 比較例2 實施例2 h2=i°/〇 17.3 6.2 198.5 42.1 H2=3% 9.1 3.4 75.0 33.4 H2=5% 10.1 2.4 67.7 23.8 H2=7% 6.2 1.7 41.2 26.9 h2=io% 6.6 1.9 36.3 18.2 H2=15% 7.9 1.8 19.0 15.2 H2=20% 6.1 1.1 21.8 7.7 表2 k(sec) 比較例3 實施例3 比較例4 實施例4 H2=l% — 7.6 —— 35.0 H2=3% — 5.9 35.6 29.2 H2=5% — 3.3 40.0 23.5 H2=7°/〇 — 1.5 48.3 19.0 h2=io% 3.8 1.1 36.3 7.6 H2=15°/〇 1.8 1.2 32.8 9.5 H2=20% 1.9 0.6 24.9 4.8
<結果> I. 反應膜之表面觀察：由圖11(a)〜(c)之比較可知，製 備例1、2之反應膜的表面皆為多孔性結構，而比較 23 例1之反應膜的表面並未有多孔性結構。同樣地， 由圖12(a)〜(C)可知，製備例3、4之反應膜的表面皆 為多孔性結構，而比較例2之反應膜的表面並未有 夕孔性結構。由此可證明，本發明之反應元件内的 多孔性反應膜確實形成有多數個孔洞。 Π·穿透式氫氣感測裝置於不同波長下之穿透率變化比 較：由圖13及14可發現，不論是實施例工或2，當 氧氣濃度增加時，相對穿透率皆會隨著降低，如此 表示該反應元件内之多孔性反應膜的氣致色變材料 會因氫氣濃度的增加，而使得被還原的程度增加， 同時使變色程度增加，導致光線的穿透率降低。由 上述内容亦證明，本發明之氫氣感測裝置確實可用 於偵測環境中之氫氣。 III·於700 nm之波長下之穿透率或反射率的變化比較·· ⑴穿透式氫氣感測裝置··由圖15、16與圖19、2〇 進行比較，可發現實施例！、2之穿透式氯氣感 測裝置在偵測到氫氣時，相對穿透率會大幅地 降低，而反觀比較例1、2之穿透式氫氣感測裝 置則僅有小幅度的變化，顯見實施例丨、2之氫 氣感測裝置確實具有較佳之靈敏度。再由表工 之結果可知，實施例！、2之響應時間常數遠較 比較例1、2之響應時間常數為低，如此亦證明 實施例1、2之氫氣感測裝置確實具有較佳之偵 測效率。因此，更證明本發明之穿透式氯氣感 24 1303310 測器藉由該具有多孔性反應膜之反應元件，確 實可在常溫下快速且有效提昇氫氣感測裝置之 靈敏度及偵測效率。 (2)反射式氫氣感測裝置··由圖17、18與圖21、22 之比較同樣亦發現，實施例3、4之相對反射率 有大幅度的變化，而比較例丨、2卻僅有小幅變 化，顯見實施例3、4之氫氣感測裝置確實具有 參 較佳之靈敏度。又由表2之結果可知，實施例3 、4之響應日守間常數較比較例34之響應時間 常數為低，亦證明實施例3、4之氫氣感測裝置 確實具有較佳之偵測效率。因此，更證明本發 明之反射式氫氣感測器藉由該具有多孔性反應 膜之反應元件，確實可在常溫下快速且有效提 幵鼠氣感測裝置之靈敏度及偵測效率。 由上述比較可知，無論是作為穿透式或反射式 φ 氫氣感測器，本發明由於利用具有一多孔性反應膜 之反應元件，所以可在常溫下快速且有效提昇氣體 感測裝置的靈敏度及偵測效率。 綜上所述，本發明之氣體感測裝置利用具有一多孔性 反應膜之反應元件，並同時運用氣致色變材料與還原性氣 體之氧化還原反應，以及氣致色變材料在變色後對於光吸 收度的全化，而在常溫或咼溫環境及無須通入電流下，便 可快速且有效提昇偵測效率及靈敏度。此外，本發明之氣 體感測裝置可依實際需要設計為穿透式或反射式氣體感測 25 1303310 裝置’並可選擇性地將該反應元件直接安裝或形成於該導 ^ 端上，整合製作成可攜式的裝置，而便於移動 及攜帶使用。 淮以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不 f以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發㈣請專利 耗圍及|明况明内容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍 屬本發明專利涵蓋之範圍内。 【圖式簡單說明】
圖1是一示意圖，說明習知固態電解式氣體感測器之 結構； 圖2是一示意圖，說明習知半導體式氣體感測器之結 構； 圖3是一示意圖，說明習知氣體感測器之具體例的設 置方式；
圖4是一示意圖，說明習知氣體感測器之另一具體例 的設置方式； 一圖5是一示意圖，說明本發明之氣體感測裝置中之反 應凡件的具體例； 一圖6疋一示意圖，說明本發明之氣體感測裝置中之反 應元件的另一具體例； 圖7是一示意圖，說明本發明之穿透式氣體感測裝置 之一具體例，· 圖8是一示意圖，說明本發明之穿透式氣體感測裝置 之另一具體例； 26 1303310 圖9是—示意圖，說明本發明之反射式氣體感測 之一具體例； 圖10是—示意圖，說明本發明之反射式氣體感測裝 之另一具體例； ，11⑷〜(C)是一 SEM圖，⑷為比較们之反應膜的表 面形態’ (b)為製備例！之反應膜的表面形態，及⑷為製備 例2之反應膜的表面形態； ^ 12⑷〜⑷是一 SEM圖’⑷為比較例之之反應膜的表 面形態’（b)為製備例3之反應膜的表面形態，及⑷為製備 例4之反應膜的表面形態； 圖13為一曲線圖，說明本發明之穿透式氣體感測裝置 之一具體例在不同波長及不同氫氣濃度下之相對穿透率的 變化； 圖14為一曲線圖，說明本發明之穿透式氣體感測裝置 之另一具體例在不同波長及不同氳氣濃度下之相對穿透率 的變化； 圖15是一曲線圖，說明本發明之穿透式氣體感測裝置 之一具體例於700 nm之波長及不同氫氣濃度下之相對穿透 率的變化； 圖16是一曲線圖，說明本發明之穿透式氣體感測裝置 之另一具體例於7〇〇 nm之波長及不同氫氣濃度下之相對穿 透率的變化； 圖17是一曲線圖’說明本發明之反射式氣體感測裝置 之一具體例於700 nm之波長及不同氫氣濃度下之相對反射 27 1303310 率的變化； 圖18是一曲線圖，說明本發明之反射式氣體感測裝置 之另一具體例於700 nm之波長及不同氫氣濃度下之相對反 射率的變化； 圖19是一曲線圖，說明比較例1之穿透式氣體感測裝 置於700 nm之波長及不同氳氣濃度下之相對穿透率的變化 ， 圖20是一曲線圖，說明比較例2之穿透式氣體感測裝 置於700 nm之波長及不同氫氣濃度下之相對穿透率的變化 圖21是一曲線圖，說明比較例3之反射式氣體感測裝 置於700 nm之波長及不同氫氣濃度下之相對反射率的變化 ;及 圖22是一曲線圖，說明比較例4之反射式氣體感測裝 置於700 nm之波長及不同氫氣濃度下之相對反射率的變化 【主要元件符號說明】 1…… •…反應元件 122 ···· 11…… …·基材 **·*·* …光源產生元件 12…·· •…多孔性反應膜 3 ....... 12卜· •…氣致色變層 4 ....... …導光元件 28