TWI530676B - 氣體感測器 - Google Patents

Description

氣體感測器

本發明係關於一種氣體感測器，尤指一種利用石墨烯薄膜的撓曲性，隨著該電極陣列高度、節距寬度而彎曲變化，達到感測特性最佳化以及降低偵測的極限的氣體感測器。

空氣中存在了許多會傷害人體的不良氣體，如一氧化碳、二氧化碳、甲烷、氨氣，目前已有許多相關石墨烯應用於氣體感測元件的研究，習知之電阻式氣體感測器的製作步驟為先沉積感測薄膜在基板上，再製作金屬電極的結構，使得感測薄膜面積較小，而且感測薄膜底層的感測材料也不能和待測氣體或蒸氣分子充分接觸，因此造成不夠靈敏以及會有較差偵測極限。另外，也有使用零維材料的奈米導電材料，但機械性能與形變量不足，使得帶測氣體吸附的靈敏度不足。

為了改善傳統氣體感測器的靈敏度以及偵測極限，本發明先在基板上完成金屬電極，再將感測薄膜轉印或沉積至電極上方，藉由機械強度強與可撓曲彎折特性的感測薄膜，使其隨著電極高度或節距寬度變化而彎曲，除了可提升改質結構的接觸面積外，也可增加與待測氣體的接觸面積，進而提升響應的靈敏度與降低偵測的極限。

本發明之目的為提供一電阻式氣體感測器，包含：一基板；一電極陣列，係形成於該基板的上表面，其高度為30nm至400nm；以及一石墨烯薄膜，披覆於該電極陣列上方；其中該石墨烯薄膜隨著該電極陣列高度而彎曲變化，使得該石墨烯薄膜表面積變大，增加對待測氣體的接觸面積。

該基板材質可為玻璃、陶瓷或塑膠。該電極陣列可為指叉狀、長條形或螺旋形，其材質由金、白金、銀、鉑、鈦、鈀、鋨、銥、銠或釕構成。該石墨烯薄膜為單層石墨烯或多層石墨烯，具有良好的機械強度強且可撓曲的特性，其中該石墨烯薄膜以轉印或旋轉塗佈的方式披覆於該電極陣列上方。

本發明之另一目的為提供一種電阻式氣體感測器，包含：一基板；一電極陣列，係形成於該基板的上表面，相鄰電極間具有第一寬度，每一電極具有第二寬度，該第一寬度與該第二寬度形成一節距，該節距寬度為40μm至900μm，以及一石墨烯薄膜，披覆於該電極陣列上方；其中該石墨烯薄膜隨著該電極陣列之該節距寬度而彎曲變化，使得該石墨烯薄膜表面積變大，增加對待測氣體的接觸面積。

該第一寬度為20μm至700μm，該第二寬度為20μm至200μm。該基板材質可為玻璃、陶瓷或塑膠。該電極陣列可為指叉狀、長條形或螺旋形，其材質由金、白金、銀、鉑、鈦、鈀、鋨、銥、銠或釕構成。該石墨烯薄膜為單層石墨烯或多層石墨烯，具有良好的機械強度強且可撓曲的特性，其中該石墨烯薄膜以轉印或旋轉塗佈的方式披覆於該電極陣列上方。

本發明之另一目的為提供一氣體感測器，包含：一基板；一電極陣列，係形成於該基板的上表面，其高度為30nm至400nm，相鄰電極間具有第一寬度，每一電極具有第二寬度，該第一寬度與該第二寬度形成一節距，該節距寬度為40μm至900μm；以及一石墨烯薄膜，披覆於該電極陣列上方；其中該石墨烯薄膜隨著該電極陣列高度、該節距寬度而彎曲變化，使得該石墨烯薄膜表面積變大，增加對待測氣體的接觸面積與降低偵測的極限。

上述該氣體感測器係用以偵測一待測氣體，該待測氣體可為氮氣(N₂)、乙烯(C₂H₄)、乙炔(C₂H₂)、氨氣(NH₃)、甲烷(CH₄)、甲醛(CH₂O)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO₂)、丙酮(C₃H₆O)、氮氧化物(NO_X)、硫化氫(H₂S)、氧化亞氮(N₂O)、氫氟碳化物(HFCs)、全氟碳化物(PFCs)、六氟化硫(SF₆)、二氧化硫(SO₂)或臭氧(O₃)等氣體。該第一寬度為20μm至700μm，該第二寬度為20μm至200μm。該基板材質可為玻璃、陶瓷或塑膠。該電極陣列可為指叉狀、長條形或螺旋形，其材質由金、白金、銀、鉑、鈦、鈀、鋨、銥、銠或釕構成。該石墨烯薄膜為單層石墨烯或多層石墨烯，具有良好的機械強度強且可撓曲的特性，其中該石墨烯薄膜以轉印或旋轉塗佈的方式披覆於該電極陣列上方。該石墨烯薄膜隨著該電極陣列高度、該節距寬度而彎曲變化。

本發明先於該基板上完成該電極陣列，再將單層或多層石墨烯以轉印或旋轉塗佈的方式披覆於該電極陣列上方形成導電薄膜結構，由於石墨烯機械強度高，具有良好的彎曲性，因此該石墨烯薄膜會隨著下方該電極陣列的高度(厚度)或該節距寬度變化而彎曲，可以獲得高比表面積 (單位體積的表面積)的特性。故本發明藉由調變該電極陣列的高度(厚度)、該節距寬度或者調變高度(厚度)與該節距寬度，使得該石墨烯薄膜表面積變大，以增加對待測氣體的接觸面積，因此該石墨烯薄膜表面可與待測氣體反應的官能基也變多了，亦即可修飾的官能基變多了，促進氣體吸附與擴散，進而提高氣體響應的靈敏度以達到感測特性最佳化與降低偵測極限。然而上述感測薄膜非限定於石墨烯，其他具有連續性、彈性以及導體特性的感測薄膜也可應用於本發明。

1‧‧‧氣體感測器

10‧‧‧基板

11‧‧‧上表面

20‧‧‧電極陣列

30‧‧‧石墨烯薄膜

h‧‧‧電極高度

w‧‧‧節距寬度

w1‧‧‧第一寬度

w2‧‧‧第二寬度

圖1為本發明一實施例氣體感測器結構示意圖。

圖2為本發明另一實施例之氣體感測器結構示意圖。

圖3為本發明之石墨烯薄膜結構彎曲示意圖。

圖4為本發明一實施例之響應(速度)靈敏度隨電極高度(厚度)變化的關係圖。

圖5為本發明一實施例之響應(速度)靈敏度隨電極間寬度變化的關係圖。

圖6為本發明另一實施例在不同電極參數下之響應(速度)靈敏度與待測氣體容量的關係圖。

圖7為本發明氣體感測器在不同電極參數下單位容積的響應變化。

配合以下圖式，進一步詳細說明本發明之氣體感測器的結構細節。首先，請參考圖1，圖1為本發明一實施例氣體感測器結構示意圖。如圖1所示，本發明所提供之一氣體感測器1包含一基板10、一電極陣列20以及一石墨烯薄膜30。

其中該基板10材質可為玻璃、陶瓷、或塑膠。該電極陣列20可為指叉狀、長條形或螺旋形，其材質可為金、白金、銀、鉑、鈦、鈀、鋨、銥、銠或釕等金屬。該石墨烯薄膜30可為單層或多層石墨烯，具有連續性、彈性與導體特性。

將該電極陣列20形成於該基板10的上表面11，每個電極高度(厚度)h為30nm至400nm，再將該石墨烯薄膜30以轉印或旋轉塗佈的方式披覆於該電極陣列20上方，由於該石墨烯薄膜30為二維結構並具有連續性、彈性與導體特性，因此，調變電極高度h(厚度)，該石墨烯薄膜30會隨著該電極陣列20的電極高度h(厚度)而彎曲變化，使得該石墨烯薄膜30表面積變大，增加了對待測氣體的接觸面積，所以該石墨烯薄膜30表面可與待測氣體反應的官能基也變多了，亦即可修飾的官能基變多了，促進氣體吸附與擴散，進而提高氣體響應的靈敏度以達到感測特性最佳化，並且該石墨烯薄膜30底層也能和待測氣體接觸，也可進而提升響應的靈敏度與降低偵測極限，可用以偵測氮氣(N₂)、乙烯(C₂H₄)、乙炔(C₂H₂)、氨氣(NH₃)、甲烷(CH₄)、甲醛(CH₂O)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO₂)、丙酮(C₃H₆O)、氮氧化物(NO_X)、硫化氫(H₂S)、氧化亞氮(N₂O)、氫氟碳化物(HFCs)、全氟碳化物(PFCs)、六氟化硫(SF₆)、二氧化硫(SO₂)或臭氧(O₃)等氣體。

請參考圖2，圖2為本發明另一實施例之氣體感測器結構示意圖。如圖2所示，本發明所提供之一氣體感測器1，在一玻璃基板10上表面11形成一指叉式金電極陣列20，相鄰金電極間寬度(以下簡稱第一寬度)為w1，每一金電極寬度(以下簡稱第二寬度)為w2，其中該第一寬度w1 為20μm至700μm，該第二寬度w2為20μm至200μm，該第一寬度w1與該第二寬度w2形成一節距寬度w，該節距寬度w為40μm至900μm，將一單層石墨烯薄膜30以轉印或旋轉塗佈的方式披覆於該電極陣列20上，調變該節距寬度w，使該石墨烯薄膜30隨著該節距寬度w而彎曲而變化，增加對待測氣體的接觸面積與表面官能基，進而提升響應的靈敏度與降低偵測極限，可用以偵測氮氣(N)、乙烯(C₂H₄)、乙炔(C₂H₂)、氨氣(NH₃)、甲烷(CH₄)、甲醛(CH₂O)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO₂)、丙酮(C₃H₆O)、氮氧化物(NO_X)、硫化氫(H₂S)、氧化亞氮(N₂O)、氫氟碳化物(HFCs)、全氟碳化物(PFCs)、六氟化硫(SF₆)、二氧化硫(SO₂)或臭氧(O₃)等氣體。

其中該基板10材質除了玻璃外，還可為陶瓷或塑膠。該電極陣列20還可為長條形或螺旋形，其材質還可為白金、銀、鉑、鈦、鈀、鋨、銥、銠或釕等金屬。由於單層的該石墨烯薄膜30很薄，因此也可層疊多層石墨烯形成該石墨烯薄膜30，一樣具有連續性、彈性與導體特性。

在另一實施例中，一氣體感測器1同圖2的結構，可調變該電極陣列20高度(厚度)h與該節距寬度w，該石墨烯薄膜30的可撓曲性質，使該石墨烯薄膜30隨著下方該電極陣列20高度(厚度)h與節距寬度w而彎曲變化，增加了對待測氣體與該石墨烯薄膜30的接觸面積，促進了氣體吸附與擴散，進而提高氣體響應的靈敏度，以達到感測特性的最佳化，可用以偵測氮氣(N₂)、乙烯(C₂H₄)、乙炔(C₂H₂)、氨氣(NH₃)、甲烷(CH₄)、甲醛(CH₂O)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO₂)、丙酮(C₃H₆O)、氮氧化物(NO_X)、硫化氫(H₂S)、氧化亞氮(N₂O)、氫氟碳化物(HFCs)、全氟碳化物(PFCs)、六氟化硫(SF₆)、二氧化硫(SO₂)或臭氧(O₃)等氣體。

因此，本發明之該氣體感測器1，在設計光罩時，先設計出具有不同第一寬度w1之指叉式金電極，第一寬度w1可為20μm、50μm、100μm、200μm、400μm或600μm，並利用黃光微影技術在玻璃基板或塑膠上完成金電極之圖形，再以蒸鍍的方式鍍上鉻作為黏著層，並鍍上不同金電極高度(厚度)，其高度(厚度)可為30nm、60nm、120nm、240nm或360nm，最後以丙酮去除光阻，完成電極製程。再於玻璃或塑膠基板上以單層石墨烯轉印或懸浮液旋轉塗佈的方式得到低電阻之導電薄膜結構，即形成本發明之該氣體感測器1。因此當利用該電極陣列20與該基板10間不同的高低使該石墨烯薄膜30產生彎曲形變，或是利用該第一寬度w1(相鄰電極間寬度)與該第二寬度w2(電極寬度)形成的該節距寬度w產生彎曲形變，故此一彎曲的該石墨烯薄膜30除了可提升改質結構的接觸面積外，也可增加與待測氣體的接觸面積，促進氣體吸附與擴散，進而提高氣體響應的靈敏度以達到感測特性最佳化與降低偵測的極限。

請參考圖3，圖3為本發明之石墨烯薄膜結構彎曲示意圖。如圖3所示，石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料。並且石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅硬的奈米材料，石墨烯內部的碳原子之間的連接很柔韌，於是當石墨烯薄膜30披覆於電極陣列20上時，其碳原子面會隨著該電極陣列20高度(厚度)h或節距寬度w彎曲而變形，獲得高比表面積特性，以增加對待測氣體的接觸面積。如圖中虛線所示，由於石墨烯的機械強度強可彎折的特性，當二維結構的石墨烯薄膜30彎曲變形時，六角型呈蜂巢晶格結構呈現變形而使表面積增加。

請參考圖4，圖4為本發明一實施例之響應(速度)靈敏度隨電極高度(厚度)變化的關係圖。如圖4所示，響應K=△R/R₀X100，表示在一定濃度的檢測氣體中的電阻與正常空氣中的電阻之差△R和正常空氣中的電阻R₀之比值，即為氣體感測器對待測氣體的敏感程度，響應K數值愈大代表敏感程度愈好。固定第一寬度w1為50μm以及第二寬度w2為20μm，通入容量為30μl的氨氣，調變金電極高度(厚度)h，可看出在時間200秒下，金電極高度(厚度)h為200nm時，其響應(速度)的靈敏度比金電極高度(厚度)h為100nm與30nm高。因此，比較金電極高度(厚度)h對感測的影響，可知當電極高度(厚度)h愈高時，其響應(速度)的靈敏度也愈高，顯示出氣體感測器之響應與金電極高度(厚度)h成正比。

請參考圖5，圖5為本發明一實施例之響應(速度)靈敏度隨電極間寬度變化的關係圖。如圖5所示，固定金電極高度(厚度)h為120nm以及第二寬度w2為20μm，通入容量為30μl的氨氣，調變電極間寬度(以下簡稱第一寬度)w1，可看出在時間200秒下，當第一寬度w1為200nm時，其響應(速度)的靈敏度比金電極高度(厚度)h為100nm與50nm高。因此，比較第一寬度w1對感測的影響，可知當第一寬度w1愈大時，其響應(速度)的靈敏度也愈高，顯示出氣體感測器之響應與第一寬度w1成正比。

請參考圖6，圖6為本發明另一實施例在不同電極參數下之響應(速度)靈敏度與待測氣體容量的關係圖。如圖7所示，通入容量為30μl~90μl的氨氣，在不同電極參數下，可看出在金電極高度(厚)h為360nm、第一寬度w1為600μm時為最佳組合，其響應(速度)的靈敏度最佳。

請參考圖7，圖7為本發明氣體感測器在不同電極參數下單 位容積的響應變化。如圖7所示，響應(%/μl)表示每微升單位下(作為單位濃度來比較)的響應變化量，固定電極高度(厚度)h，調變第一寬度w1，當第一寬度w1愈大時，其響應的靈敏度也愈高，可看出響應與第一寬度w1成正比。固定第一寬度w1，調變電極高度(厚度)h，當電極高度(厚度)h愈高時，其響應的靈敏度也愈高，可看出響應與電極高度(厚度)h成正比。

另，除了上述實施例所提及的氨氣(NH₃)外，也可用於偵測氮氣(N₂)、乙烯(C₂H₄)、乙炔(C₂H₂)、甲烷(CH₄)、甲醛(CH₂O)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO₂)、丙酮(C₃H₆O)、氮氧化物(NO_X)、硫化氫(H₂S)、氧化亞氮(N₂O)、氫氟碳化物(HFCs)、全氟碳化物(PFCs)、六氟化硫(SF₆)、二氧化硫(SO₂)、臭氧(O₃)或其它氣體。

故本發明藉由調變該電極陣列的高度(厚度)、該節距寬度或者調變高度(厚度)與該節距寬度，以增加對待測氣體的接觸面積，使該石墨烯薄膜表面可修飾的官能基變多，促進氣體吸附與擴散，進而提高氣體響應的靈敏度以達到感測特性最佳化與降低偵測極限。然而上述感測薄膜非限定於石墨烯，其他具有連續性、彈性以及導體特性的感測薄膜也可應用於本發明。

上列詳細說明係針對本發明之一可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本發明之專利範圍中。

1‧‧‧氣體感測器

10‧‧‧基板

11‧‧‧上表面

20‧‧‧電極陣列

30‧‧‧石墨烯薄膜

h‧‧‧電極高度

w‧‧‧節距寬度

w1‧‧‧第一寬度

w2‧‧‧第二寬度

Claims (11)

1. 一種氣體感測器，包含：一基板；一電極陣列，係形成於該基板的上表面，其高度為30nm至400nm；以及一石墨烯薄膜，披覆於該電極陣列上方；其中該石墨烯薄膜隨著該電極陣列高度而彎曲變化。
2. 如申請專利範圍第1項所述之氣體感測器，其中該基板材質為玻璃、陶瓷或塑膠。
3. 如申請專利範圍第1項所述之氣體感測器，其中該電極陣列材質由金、銀、鉑、鈦、鈀、鋨、銥、銠或釕構成。
4. 如申請專利範圍第1項所述之氣體感測器，其中該電極陣列為指叉狀、長條形或螺旋形。
5. 如申請專利範圍第1項所述之氣體感測器，其中該石墨烯薄膜為單層石墨烯或多層石墨烯。
6. 如申請專利範圍第1項所述之氣體感測器，其中該石墨烯薄膜以轉印或旋轉塗佈的方式披覆於該電極陣列上方。
7. 一種氣體感測器，包含：一基板；一電極陣列，係形成於該基板的上表面，其中相鄰電極間具有第一寬度，每一電極具有第二寬度，該第一寬度與該第二寬度形成一節距，該節距寬度為40μm至900μm；以及一石墨烯薄膜，披覆於該電極陣列上方； 其中該石墨烯薄膜隨著該電極陣列之該節距寬度而彎曲變化。
8. 如申請專利範圍第7項所述之氣體感測器，其中該第一寬度為20μm至700μm，該第二寬度為20μm至200μm。
9. 一種氣體感測器，包含：一基板；一電極陣列，係形成於該基板的上表面，其高度為30nm至400nm，相鄰電極間具有第一寬度，每一電極具有第二寬度，該第一寬度與該第二寬度形成一節距，該節距寬度為40μm至900μm；以及一石墨烯薄膜，披覆於該電極陣列上方；其中該石墨烯薄膜隨著該電極陣列高度、該節距寬度而彎曲變化。
10. 如申請專利範圍第9項所述之氣體感測器，其中該第一寬度為20μm至700μm，該第二寬度為20μm至200μm。
11. 如申請專利範圍第9項所述之氣體感測器，係用以偵測一待測氣體，該待測氣體為氮氣(N₂)、乙烯(C₂H₄)、乙炔(C₂H₂)、氨氣(NH₃)、甲烷(CH₄)、甲醛(CH₂O)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO₂)、丙酮(C₃H₆O)、氮氧化物(NO_X)、硫化氫(H₂S)、氧化亞氮(N₂O)、氫氟碳化物(HFCs)、全氟碳化物(PFCs)、六氟化硫(SF₆)、二氧化硫(SO₂)或臭氧(O₃)。