TWI676793B - 具有雙功能性電極對與紫外激活三元奈米複合材料之可攜式氣體感測裝置 - Google Patents

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林鶴南
Heh Nan Lin
廖泰杉
Tai Shan Liao
呂文忠
Wen Chung Lu
陳煜杰
Yu Chieh Chen
桑庫儒 薩欽 庫馬
Sunkuru Sachin Kumar
朱昌珮
Chang Pei Chu
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國立清華大學
National Tsing Hua University
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Abstract

本發明揭露一種可攜式氣體感測裝置，具有以氧化鋅(ZnO)奈米線、金屬氧化物(例如氧化銅(CuxO))及貴金屬(例如黃金)的奈米材料組成的三元奈米複合材料，作為吸附氣體分子的感測薄膜，以提高氣體吸附能力及感測靈敏度。由感測裝置的發光二極體射出之紫外光，照射在感測薄膜上，使氣體分子吸附與脫附快速達成平衡。感測薄膜所在的矽晶片上，也具有感測及加熱兩組電極，可降低環境濕度對氣體感測的干擾。

Description

具有雙功能性電極對與紫外激活三元奈米複合材料之可攜式氣體感測裝置
本發明是有關於一種具有雙功能性電極對與紫外激活三元奈米複合材料之可攜式氣體感測裝置。
隨著工業的發展，環境污染問題越來越嚴重，因此應用於環境檢測的氣體感測器也逐漸受到重視。由於有害氣體只要濃度在數十到數百ppb便會影響人體健康，因此對低濃度氣體能有靈敏反應的感測器便越發重要。因此，開發出可偵測低氣體濃度的感測器極具市場價值。
為了開發新穎的氣體感測器，本發明使用金屬氧化物奈米材料(例如二氧化錫、二氧化鈦、氧化鋅等等)。金屬氧化物奈米材具有高表面體積比、良好的化學穩定性，且因奈米材料的結構缺陷而具有半導體特性。當氣體分子被吸附在金屬氧化物奈米材料的表面時，使奈米材料的導電性產生很大變化。
氧化鋅為其中一種可用於氣體感測的金屬氧化物奈米材料，可形成奈米線、奈米柱、奈米帶等一維奈米結構，具有氧空缺(oxygen vacancy)及鋅間隙(zinc interstitial)兩種缺陷而產生自由電子，因此氧化 鋅奈米材料在無摻雜的情況下為N型半導體。
氧化性氣體分子被吸附在奈米材料表面，並捕捉內部自由電子，而使氣體分子形成負離子，並使得奈米材料產生空乏層(depletion layer)，因此自由電子減少，奈米材料導電度會下降(亦即電阻上升)。還原性氣體的特性則是相反，其氣體分子被吸附在奈米材料表面，使奈米材料導電度上升(亦即電阻下降)。
氣體分子除了被吸附在奈米材料表面之外，也會由奈米材料表面脫附。當氣體分子的吸附與脫附達成平衡時，在不同的氣體濃度環境中，氣體分子在奈米材料表面吸附比率也不同，使得奈米材料的等效電阻值不同，因此由其等效電阻變化的比率可以得知奈米材料附近環境的氣體濃度。
氣體分子在常溫下的脫附速率較慢。因此在氣體感測時，提高脫附速率以快速達成平衡，可以提高感測速率及靈敏度。提高脫附速率的方法有兩種，一種為提高奈米材料的工作溫度(約攝氏數百度)，使氣體分子的脫附速率大幅提升，缺點是奈米材料較易老化。另一種方法為以光線照射奈米材料，使奈米材料內部產生電子及電洞，氧化性氣體的氣體分子以負離子形態吸附在奈米材料表面，電洞可將氣體負離子中性化並自奈米材料表面脫附，此種方式也稱為光活化(photo-activation)模式。以氧化鋅奈米材料為例，其能隙為3.37eV，故必須照射紫外光來幫助氣體分子自氧化鋅奈米材料表面脫附，也稱為紫外光激活模式。
紫外光激活模式使奈米材料內部產生的電子與電洞很容易地在奈米材料中再結合。本發明為了降低其再結合率，在氧化鋅奈米結構的表面在成長另一種不同材質的奈米結構，例如半導體、金屬氧化物或貴金屬。由於另一種奈米結構與原先氧化鋅奈米結構的能帶結構不同，且電 子與電洞各自往不同材料移動，因此可降低電子與電洞的再結合率。亦即，增強了奈米材料的脫附氣體分子能力，使吸附與脫附快速達成平衡，也大幅提升氣體感測的靈敏度。
因此，本發明揭露一種氣體感測裝置，包括：一基板；一三元複合材料薄膜，設置於該基板上且由貴金屬粒子、氧化銅奈米材料及氧化鋅奈米材料組成；一發光二極體，設置於該三元複合材料薄膜上方且與該三元複合材料薄膜相距一距離而存有一侷域空間，該發光二極體用以射出一紫外光；二感測電極，設置於該三元複合材料薄膜與該基板之間且連接該三元複合材料薄膜，用以當該三元複合材料薄膜受該紫外光照射且該侷域空間之一待測氣體被該三元複合材料薄膜吸附時，感測該三元複合材料薄膜之電阻值；以及一處理器，電性連接於該二感測電極，用以依據該電阻值計算該待測氣體的一濃度。
又按照一主要技術的觀點來看，本發明還揭露一種使用一氣體感測裝置感測一待測氣體的濃度的方法，其中該氣體感測裝置包括一感測薄膜，且該感測薄膜在進行氣體感測前，所測得之電阻值為R0，該方法包括：在時間T時，測得該感測薄膜之電阻值為R；求得△R/R0，其中△R=R-R0；依據一查表法，取得該待測氣體在該時間T時的一濃度。
本發明亦揭露一種氣體感測裝置，包括：一感測薄膜，具一上表面，用以吸附一氣體分子；一電阻感測裝置，電連接於該感測薄膜，用以感測該感測薄膜之一電阻值；以及一處理器，電性連接於該電阻感測裝置，且依據該電阻值計算該氣體分子的一濃度，其特徵在於該感測薄膜包括：一氣體分子吸附材料，用以吸附該氣體分子；一吸附增強材料，用以增強該感測薄膜吸附該氣體分子之能力；以及一吸附再增強材料，用以再增強該感測薄膜吸附該氣體分子之能力。
本發明亦揭露一種氣體感測裝置，包括：一感測薄膜，具一上表面，用以吸附一氣體分子；一電阻感測裝置，電連接於該感測薄膜，用以感測該感測薄膜之一電阻值；一加熱片，設置於該感測薄膜附近，用以加熱該感測薄膜而使該上表面之一上方空間具一特定濕度；以及一處理器，電連接於該電阻感測裝置，且依據該電阻值計算該氣體分子的一濃度。
本發明亦揭露一種氣體感測裝置，包括：一感測薄膜，具一上表面，用以吸附一氣體分子；一電阻感測裝置，電連接於該感測薄膜，用以感測該感測薄膜之一電阻值；一光活化裝置，設置於該上表面上方，用以光活化該上表面，俾增進該感測薄膜脫附該氣體分子，使吸附與脫附快速達成平衡；以及一處理器，電連接於該電阻感測裝置，且依據該電阻值計算該氣體分子的一濃度。
10‧‧‧可攜式氣體感測裝置
100‧‧‧基板
101‧‧‧感測薄膜
102‧‧‧第一電極
103‧‧‧第二電極
104‧‧‧紫外發光二極體
105‧‧‧第三電極
106‧‧‧第四電極
200‧‧‧管控處理系統
201‧‧‧處理器
202‧‧‧第一數位類比轉換器
203‧‧‧第二數位類比轉換器
204‧‧‧第一類比數位轉換器
210‧‧‧放大增益鑑別演算模組
211‧‧‧加熱演算模組
212‧‧‧電阻變化率△R/R0演算模組
213‧‧‧△R/R0轉換濃度演算模組
301‧‧‧發光二極體電流驅動模組
302‧‧‧加熱驅動模組
303‧‧‧放大增益鑑別變換模組
304‧‧‧電阻感測信號電路前置模組
305‧‧‧放大增益選擇電路
306‧‧‧開關
307‧‧‧溫溼度感測模組
308‧‧‧無線傳輸模組
309‧‧‧天線
400‧‧‧智慧型裝置
401‧‧‧畫面
第1圖：為本發明的可攜式氣體感測裝置示意圖；第2圖：為本發明氣體感測裝置之操控資料應用在智慧手機或其他智慧型手持裝置400示意圖；第3圖：為單元、二元與三元之三種不同奈米材料在相同濃度NO2氣體感測的等效電阻變化率之比較示意圖；第4圖：為本發明之三元奈米材料感測薄膜以電子顯微鏡所觀察的結構圖；第5圖：為本發明之三元奈米材料感測薄膜對感測相同濃度NO2氣體相對於濕度變化的等效電阻變化率示意圖；第6圖：為本發明之加熱電極相對於不同電壓時的基板之溫度變化示意圖；
本發明的可攜式氣體感測裝置使用包括以氧化鋅奈米線加上金屬氧化物如氧化銅(CuxO)，及貴金屬如黃金(Au)三種奈米材料組成的三元奈米複合材料製為吸附氣體分子的感測膜。除了更加促進電子與電洞分離外，其空乏層也會隨之變大。而貴金屬粒子成為電子聚集處，可促進吸附氣體分子，因此提高氣體感測的靈敏度，可更增強奈米材料的吸附能力。貴金屬包括金、銀、釕、銠、鈀、鋨、銥及/或鉑。
本發明的可攜式氣體感測裝置利用紫外光激活感測膜的三元奈米複合材料，以幫助氣體分子自三元奈米複合材料表面脫附，快速達成吸附與脫附平衡，提高感測速率及靈敏度。
本發明的可攜式氣體感測裝置根據溫溼度感測器的量測結果，在經過加熱演算模組的分析及運算後，決定感測膜周圍的預期溫度及溼度值，然後利用加熱電極適應性地對感測膜加熱以達到預期溫度及溼度值，提高氣體感測之靈敏度。
本發明的可攜式氣體感測裝置利用感測電極獲取氣體分子對感測膜中三元奈米複合材料所造成之等效電阻值的變化比例，並據以演算得到感測膜周圍的氣體分子濃度。
本發明的可攜式氣體感測裝置以放大增益選擇電路的控制開關適應性地調整等效電阻值的放大增益，增加氣體感測的靈敏度及準確度。
值得注意的是，本發明的可攜式氣體感測裝置的感測膜除了使用包括以氧化鋅奈米線加上金屬氧化物及貴金屬三種奈米材料組成的三元奈米複合材料以外，也可使用氧化銅/氧化鋅奈米線所組成的二元奈米複合材料以感測氣體。
請參考第1圖，其為本發明的具有雙功能性電極對與紫外激活奈米複合材料之可攜式氣體感測裝置10，包括裝置在基板100表面上由三元奈米複合材料組成之感測薄膜101以及管控處理系統200。感測薄膜101的表面可吸附周圍環境待測氣體分子，以裝設於感測薄膜101下方、由第一電極102與第二電極103所組成的第一對電極測量感測薄膜101由於吸附在其表面上的氣體分子所形成的等效電阻值及變化，此等效電阻值及變化由管控處理系統200分析而得到該氣體分子的特性。
管控處理系統200包括處理器201，處理器201以匯流排電性連接第一數位類比(D/A)轉換器202以控制其輸出，使發光二極體(LED)電流驅動模組301根據該輸出，驅動設置於感測薄膜101上方且與感測薄膜101相距一距離而存有一侷域空間的紫外發光二極體104，以紫外光照射感測薄膜101，以活化感測薄膜101，提高感測薄膜101感測等效電阻值的速率及靈敏度。
由於周圍環境的溫度及溼度對以奈米複合材料所組成之感測薄膜101來量測氣體分子改變其等效電阻值的影響很大，因此本發明的氣體感測裝置10設置加熱電極或微加熱片，當氣體感測裝置10周圍環境的溫度或濕度超過一閥值時，處理器201啟動加熱驅動模組302，以加熱電極或微加熱片將基板100與感測薄膜101及其周圍環境略微加熱，當紫外發光二極體104以紫外光照射且激發感測薄膜101時，使感測薄膜101上方的侷域空間溫度小幅上升，使濕氣及水分子離開感測區，以增加反應速率與穩定度，進一步提高感測的靈敏度。
加熱演算模組211將處理器201讀取由溫溼度感測模組307所量測到感測薄膜101週邊環境的溫度與濕度加以分析及計算，根據其結果透過匯流排適應性地控制第二數位類比(D/A)轉換器203的電壓輸出，使 加熱驅動模組302根據該輸出驅動位於感測薄膜101下方、且由第三電極105與第四電極106所組成的第二對電極，對其上方的感測薄膜101及下方的基板100提供熱能。其中第三電極105與第四電極106可由微型加熱片取代，此微型加熱片可設置於基板100與感測薄膜101之間，基板100下方或適當空間。
由於溫溼度感測器307不斷將感測薄膜101周圍溼度及溫度的量測結果傳送至加熱演算模組211，以持續調整加熱電極(第三電極105與第四電極106)對感測薄膜101之施加的熱量，因此可以使控制感測薄膜101周圍維持在有利的特定環境溼度及溫度，以降低溼度對量測感測薄膜101之等效電阻值的影響。
為了對感測薄膜101均勻的加熱及獲取感測薄膜101的等效電阻值，第一電極102與第二電極103及第三電極105與第四電極106平均地設置在感測薄膜101及基板100之間的四個方向上。例如，第一電極102與第二電極103沿X軸方向(未示出於第1圖)之兩端配置，而第三電極105與第四電極106沿Y軸方向(未示出於第1圖)之兩端配置。另一方面，感測薄膜101在氣體感測裝置10內的配置方式，使周圍環境的待測氣體分子能在感測薄膜101上表面的空間流動，而被感測薄膜101所吸附。
第一電極102與第二電極103將其所量測到由於吸附在感測薄膜101表面上的氣體分子所形成感測薄膜101的等效電阻值之感測信號，送至放大增益鑑別變換模組303。放大增益鑑別變換模組303包括放大器、被動元件網路、放大增益選擇電路305、開關306以及處理器201中的放大增益鑑別演算模組210。
前述的感測信號進入放大增益鑑別變換模組303，在經過電阻感測信號電路前置模組304的前置處理後，被傳送至放大增益鑑別變換模 組303的輸入埠，並由放大器加以放大，經過放大增益鑑別變換模組303的輸出埠送到與其電性連接之處理器201中的第一類比數位(A/D)轉換器204，轉換為數位化的數據，供處理器201中的放大增益鑑別演算模組210決定開關306的開路及閉路，進行適應性地調整放大增益選擇電路305的增益，以優化感測信號，提供後續演算及分析的良好條件，提高本發明的氣體感測裝置10的感測靈敏度及準確性。
放大增益鑑別變換模組303針對感測薄膜101不同的感測信號進行處理，以決定開關306的開路及閉路，其步驟包括：
(1)當處理器201之類比數位轉換器204讀取之感測信號所對應的等效電阻值為低電阻時，放大增益鑑別演算模組210控制放大增益選擇電路305之開關306為開路狀態；
(2)當處理器201之第一類比數位轉換器204讀取之感測信號所對應的等效電阻值落在最大臨界值及最小臨界值構成的一臨界範圍時，放大增益鑑別演算模組210開始進行演算：處理器201連續讀取5筆感測信號，並比較每相鄰兩筆感測信號，若相鄰兩筆感測信號所對應的等效電阻值為往上遞增，而且該連續讀取5筆的最後1筆感測信號所對應的等效電阻值高於最大臨界值時，處理器201的放大增益鑑別演算模組210控制放大增益選擇電路305之開關306為閉路狀態，使放大增益增大，而能夠讀取更大等效電阻值；反之，若相鄰兩筆感測信號所對應的等效電阻值為往下遞減，而且該連續讀取5筆的最後1筆感測信號所對應的等效電阻值低於最小臨界值時，處理器201的放大增益鑑別演算模組210控制放大增益選擇電路305之開關306為開路狀態，使放大增益減小，而能夠讀取更低的等效電阻值。
(3)但如果該連續讀取5筆的最後1筆感測信號所對應的等效電阻值都不在此臨界範圍時，處理器201的放大增益鑑別演算模組210控制 放大增益選擇電路305之開關306維持在原先閉路或開路的狀態。
經過前述步驟，放大增益鑑別變換模組303對不同氣體濃度及不同環境下所量測的感測信號之增益調整得以優化，有利於後續處理器201對氣體濃度所造成感測薄膜101之等效電阻值的變化率及濃度轉換的演算及分析，進而提高本發明的氣體感測裝置10的感測靈敏度及準確性。
為了對感測信號所對應的等效電阻值演算及分析，進而決定感測氣體的特性，本發明的氣體感測裝置10在處理器201配置電阻變化率△R/R0演算模組212與△R/R0轉換濃度演算模組213，其中R0為預設在處理器201內的感測薄膜101之內部等效電阻值，處理器201於時間T讀取感測信號的對應等效電阻值R，處理器201內的電阻變化率△R/R0演算模組212將R與R0相減得到△R=R-R0並儲存在記憶體(未示出)，處理器201內的△R/R0轉換濃度演算模組213內建有對應待測氣體不同濃度之電阻變化率△R/R0值列表，以及與各個△R/R0值對應之待測氣體濃度值，因此△R/R0轉換濃度演算模組213可依據前述△R/R0值，利用查表法演算出待測氣體的濃度值。
此外，處理器201設置無線傳輸模組308，如藍芽模組或WI-FI模組以及天線309，可以將溫溼度感測模組307所感測到的環境溫度與濕度值、以及演算所得待測氣體的電阻變化率△R/R0、氣體濃度及氣體濃度對時間變化圖等，傳送給智慧手機或其他智慧型裝置400，使前述資料可以二維座標方式顯示於智慧手機或其他智慧型裝置400的畫面401上，如第2圖所示。
更進一步，智慧手機或其他智慧型裝置400可以配置類似△R/R0演算模組212與△R/R0轉換濃度演算模組213的演算模組，氣體感測裝置10所量得感測信號之對應的等效電阻值傳送給智慧手機或其他智慧型裝置400，智慧手機或其他智慧型裝置400再加以演算，將其結果顯示於智慧 手機或其他智慧型裝置400的畫面401上。
另一方面，使用者可以在智慧手機或其他智慧型裝置400的畫面401上設定及顯示氣體感測裝置10之操作參數，如感測薄膜101上方的感測區的溫度、濕度、紫外發光二極體104的電流值以及待測氣體的電阻變化率，並透過無線傳輸模組308將前述操作參數傳送至氣體感測裝置10，使氣體感測裝置10的處理器201依據接收到的操作參數，來調整發光二極體電流驅動模組301以及加熱驅動模組302，以及控制氣體感測裝置10的測試。
請參考第3圖，其為驗證本發明採用之黃金粒子/氧化銅/氧化鋅奈米線組成的三元奈米複合材料之感測薄膜相對於其他不同奈米材料感測膜之相同NO2氣體濃度的電阻變化率比較圖。由第3圖可知，在NO2氣體相同的濃度情況下，以氧化鋅(ZnO)奈米線所組成之一元奈米材料感測膜所偵測之電阻變化率約320%，以氧化銅(CuxO)/氧化鋅(ZnO)奈米線所組成之二元奈米複合材料之感測薄膜所偵測之電阻變化率約386%，而本發明採用之黃金(Au)粒子/氧化銅(CuxO)/氧化鋅(ZnO)奈米線三元奈米複合材料之感測薄膜所偵測之電阻變化率約447%。很明顯的，在相同的NO2氣體濃度下，本發明採用之三元奈米複合材料之感測薄膜所偵測之電阻變化率大於氧化銅/氧化鋅奈米線的二元奈米複合材料之感測膜，並更大於氧化鋅奈米線的一元材料感測膜。也就是說，本發明採用之三元奈米複合材料之感測薄膜具有最高的電阻變化率之偵測靈敏度。
請參考第4圖，其為本發明由黃金粒子/氧化銅/氧化鋅奈米線所組成之三元奈米複合材料之感測薄膜101的電子顯微鏡結構圖。第4圖的黃金粒子/氧化銅/氧化鋅奈米線的成分百分比約為2：18：80。
請再參考第2圖及第5圖，第5圖為驗證本發明之氣體感測裝置10在相同NO2氣體濃度，對感測區不加熱與些微加熱的情況下，不同濕度 相對於等效電阻變化率之示意圖，其中圓形點所形成的曲線為感測區不加熱時的感測薄膜101之等效電阻變化率，方形點所形成的曲線為感測區些微加熱時的感測薄膜101的等效電阻變化率。由第5圖可知，在感測區不加熱的情況下，電阻變化率會隨著濕度增加而大幅增加，亦即感測薄膜101的等效電阻變化率在不同濕度時有很大變化；反之，在感測區被些微加熱的情況下，雖然所感測的等效電阻變化率降低，但是對於相同濃度的NO2氣體而言，等效電阻變化率不會隨著濕度增加而大幅變化，亦即感測薄膜101所感測的等效電阻變化率在不同濕度時相對穩定。因此，在本發明中，利用加熱電極或微加熱片加熱感測區，在紫外發光二極體104激發感測區的待測氣體與感測薄膜101進行反應時，感測區的侷域空間溫度小幅上升，比環境溫度高約攝氏幾十度以內，可以讓濕氣快速離開感測區，避免三元奈米複合材料之感測薄膜101上方水膜變厚而降低感測薄膜101在量測等效電阻值時因濕度變化而產生的誤差，進而增加量測穩定度及準確度。
請參考第6圖，其為應用在本發明的氣體感測裝置10所使用之三元奈米複合材料之加熱電極在施加不同電壓時，所量測到的基板100之溫度變化示意圖，以驗證加熱電極在施以不同電壓時可造成感測區侷域空間溫度上升，以驅離溼氣水分子。
本發明的可攜式氣體感測裝置使用包括以氧化鋅(ZnO)奈米線加上金屬氧化物如氧化銅(CuxO)，及貴金屬如黃金(Au)三種奈米材料組成的三元奈米複合材料作為吸附氣體分子的感測薄膜，可提高氣體感測的靈敏度，可更增強奈米材料的吸附能力，並且避免工作環境之濕度改變對感測所造成的干擾。
此外，本發明的可攜式氣體感測裝置利用紫外光照射三元奈米複合材料的感測薄膜，以提高感測速率及靈敏度。本發明的可攜式氣 體感測裝置根據溫濕度感測器的量測結果、啟動加熱電極對感測薄膜周圍環境加熱，並控制感測薄膜周圍環境的溼度及溫度，以降低溼度對量測等效電阻值的影響。本發明以放大增益選擇電路的控制開關適應性地調整等效電阻值的放大增益，更增加量測等效電阻值的靈敏度。
實施例
1.一種氣體感測裝置，包括：一基板；一三元複合材料薄膜，設置於該基板上且由貴金屬粒子、氧化銅奈米材料及氧化鋅奈米材料組成；一發光二極體，設置於該三元複合材料薄膜上方且與該三元複合材料薄膜相距一距離而存有一侷域空間，該發光二極體用以射出一紫外光；二感測電極，設置於該三元複合材料薄膜與該基板之間且連接該三元複合材料薄膜，用以當該三元複合材料薄膜受該紫外光照射且該侷域空間之一待測氣體被該三元複合材料薄膜吸附時，感測該三元複合材料薄膜之電阻值；以及一處理器，電性連接於該二感測電極，用以依據該電阻值計算該待測氣體的一濃度。
2.如實施例1所述之氣體感測裝置，其中該基板為一矽基板，且該氣體感測裝置更包括：二加熱電極，設置於該三元複合材料薄膜與該基板之間，用以受一加熱驅動模組之一電力而提升該三元複合材料薄膜之一周圍環境的溫度。
3.如實施例1或2所述之氣體感測裝置，其中該加熱驅動模組電性連接於該處理器，該處理器包括一溫濕度感測模組，用以感測該周圍環境的該溫度或濕度，當該溫度或該濕度超過一閥值時，該處理器啟動該加熱驅動模組而加熱該基板及該三元複合材料薄膜。
4.如實施例1至3中任一實施例所述之氣體感測裝置，其中該二感測電極沿X軸方向之兩端配置，且該二加熱電極沿Y軸方向之兩端配置。
5.如實施例1至4中任一實施例所述之氣體感測裝置，其中該氣體感測裝置更包括：一電流驅動模組，電性連接於該發光二極體；一加熱驅動模組，電性連接於該二加熱電極；一電阻感測信號電路前置模組，電性連接於該二感測電極；以及一放大增益選擇電路，具一輸入埠及一輸出埠，該輸入埠電性連接於該電阻感測信號電路前置模組，且該處理器包括：一第一數位類比(D/A)轉換器，電性連接於與該電流驅動模組，用以控制該電流驅動模組的輸出；一第二數位類比(D/A)轉換器，電性連接於該加熱驅動模組，用以控制該加熱驅動模組的輸出；以及一第一類比數位(A/D)轉換器，電性連接於該輸出埠，用以接收該放大增益選擇電路的輸出信號。
6.如實施例1至5中任一實施例所述之氣體感測裝置，其中該貴金屬粒子選自由金、銀、釕、銠、鈀、鋨、銥及鉑所組成的群組其中之一，且該氧化銅奈米材料及該氧化鋅奈米材料為一一維奈米材料。
7.一種使用一氣體感測裝置感測一待測氣體的濃度的方法，其中該氣體感測裝置包括一感測薄膜，且該感測薄膜在進行氣體感測前，所測得之電阻值為R0，該方法包括：在時間T時，測得該感測薄膜之電阻值為R；求得△R/R0，其中△R=R-R0；依據一查表法，取得該待測氣體在該時間T時的一濃度。
8.如實施例7述之方法，其中該氣體感測裝置更包括一處理器、一電阻感測信號電路前置模組以及一放大增益選擇電路，該處理器包括電性連接於該放大增益選擇電路的一開關之一類比數位(A/D)轉換器、以及電性連接於該放大增益選擇電路的一增益鑑別演算模組，其中該方法還包括：(1)當該A/D轉換器在時間T的一讀取電阻值為一低電阻時，該開關處於一開路狀態；(2)當該A/D轉換器在時間T的該讀取電阻值位於由一最大臨界值及一最小臨界值構成的一臨界範圍內時，該增益鑑別演算模組開始接收連續5筆 讀取電阻值，並比較相鄰兩筆的該讀取電阻值，其中當該連續5筆讀取電阻值為往上遞增時，且最後1筆讀取電阻值高於該最大臨界值時，使該開關處於一閉路狀態，以讀取更高的讀取電阻值；以及當該連續5筆讀取電阻值為往下遞減時，且最後1筆讀取電阻值低於該最小臨界值時，使該開關處於該開路狀態，以讀取更小的讀取電阻值；以及(3)當該A/D轉換器在時間T的該讀取電阻值不在該臨界範圍內時，使該開關維持該開路狀態或該閉路狀態。
9.如實施例7或8所述之方法，其中該氣體感測裝置更包括一處理器以及一放大增益選擇電路，其中該處理器包括：一溫濕度感測模組，用以量測該感測薄膜周圍的溫及濕度；一第一類比數位(A/D)轉換器，用以接收該放大增益選擇電路所輸出的一讀取電阻值；以及一增益鑑別演算模組，用以控制該放大增益選擇電路的一開關，其中：當該讀取電阻值為一低電阻值時，使該開關為一開路狀態，當該讀取電阻值位於一最大臨界值及一最小臨界值構成的一臨界範圍內時，使該增益鑑別演算模組開始接收連續5筆的該讀取電阻值，並比較每相鄰兩筆的該讀取電阻值，其中：當該連續5筆的讀取電阻值為往上遞增時，且最後1筆的該讀取電阻值高於該最大臨界值時，使該開關為一閉路狀態，以讀取更大的該讀取電阻值；以及當該連續5筆的讀取電阻值為往下遞減時，且最後1筆的該讀取電阻值低於該最小該臨界值時，使該開關為一開路狀態，以讀取更小的該讀取電阻值；以及當該讀取電阻值不在該臨界範圍內時，使該開關維持原先的該開路狀態或該閉路狀態。
10.如實施例7至9中任一實施例所述之方法，更包括以該處理器計算一等效電阻所對應之該待測氣體的分子濃度值的一演算方法，該演算方法包括使用一△R/R0演算模組與一△R/R0轉換濃度演算模組：利用該△R/R0演算模組得到一電阻值差△R=R-R0，演算得出該△R/R0；利用該△R/R0轉換 濃度演算模組根據該比值，演算得出對應之待測氣體濃度值，建立各該複數比值與各該複數測氣體濃度值的對應表；以及利用一查表法根據各該複數比值由該對應表得到對應的待測氣體濃度值。
11.如實施例7至10中任一實施例所述之方法，其中該氣體感測裝置更包括一無線傳輸模組，其中該無線傳輸模組用以將或該感測薄膜所在的一環境溫溼度值、該待測氣體的該比值以及該待測氣體濃度值發送至一智慧型裝置，以及該智慧型裝置用以將複數操控參數回傳至該氣體感測裝置，以進行相對應測試。
12.一種氣體感測裝置，包括：一感測薄膜，具一上表面，用以吸附一氣體分子；一電阻感測裝置，電連接於該感測薄膜，用以感測該感測薄膜之一電阻值；以及一處理器，電性連接於該電阻感測裝置，且依據該電阻值計算該氣體分子的一濃度，其特徵在於該感測薄膜包括：一氣體分子吸附材料，用以吸附該氣體分子；一吸附增強材料，用以增強該感測薄膜吸附該氣體分子之能力；以及一吸附再增強材料，用以再增強該感測薄膜吸附該氣體分子之能力。
13.一種氣體感測裝置，包括：一感測薄膜，具一上表面，用以吸附一氣體分子；一電阻感測裝置，電連接於該感測薄膜，用以感測該感測薄膜之一電阻值；一加熱片，設置於該感測薄膜附近，用以加熱該感測薄膜而使該上表面之一上方空間具一特定濕度；以及一處理器，電連接於該電阻感測裝置，且依據該電阻值計算該氣體分子的一濃度。
14.一種氣體感測裝置，包括：一感測薄膜，具一上表面，用以吸附一氣體分子；一電阻感測裝置，電連接於該感測薄膜，用以感測該感測薄膜之一電阻值；一光活化裝置，設置於該上表面上方，用以光活化該上表面，俾增進該感測薄膜脫附該氣體分子，使吸附與脫附快速達成平衡；以及一 處理器，電連接於該電阻感測裝置，且依據該電阻值計算該氣體分子的一濃度。
惟，上述所揭露之圖式、說明，僅為本發明之較佳實施例，大凡熟悉此項技藝人士，依本案精神範疇所作之修飾或等效變化，仍應包括在本案發明申請專利範圍內。

Claims (12)

  1. 一種氣體感測裝置，包括：一基板；一三元複合材料薄膜，設置於該基板上且由貴金屬粒子、氧化銅奈米材料及氧化鋅一維奈米材料組成；一發光二極體，設置於該三元複合材料薄膜上方且與該三元複合材料薄膜相距一距離而存有一侷域空間，該發光二極體用以射出一紫外光；二感測電極，設置於該三元複合材料薄膜與該基板之間且連接該三元複合材料薄膜，用以當該三元複合材料薄膜受該紫外光照射且該侷域空間之一待測氣體被該三元複合材料薄膜吸附時，感測該三元複合材料薄膜之電阻值；以及一處理器，電性連接於該二感測電極，用以依據該電阻值計算該待測氣體的一濃度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的氣體感測裝置，其中該基板為一矽基板，且該氣體感測裝置更包括：二加熱電極，設置於該三元複合材料薄膜與該基板之間，用以受一加熱驅動模組之一電力而提升該三元複合材料薄膜之一周圍環境的溫度。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的氣體感測裝置，其中該加熱驅動模組電性連接於該處理器，該處理器包括一溫濕度感測模組，用以感測該周圍環境的該溫度或濕度，當該溫度或該濕度超過一閥值時，該處理器啟動該加熱驅動模組而加熱該基板及該三元複合材料薄膜。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的氣體感測裝置，其中該二感測電極沿X軸方向之兩端配置，且該二加熱電極沿Y軸方向之兩端配置。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的氣體感測裝置，其中該氣體感測裝置更包括：一電流驅動模組，電性連接於該發光二極體；一加熱驅動模組，電性連接於該二加熱電極；一電阻感測信號電路前置模組，電性連接於該二感測電極；以及一放大增益選擇電路，具一輸入埠及一輸出埠，該輸入埠電性連接於該電阻感測信號電路前置模組，且該處理器包括：一第一數位類比(D/A)轉換器，電性連接於與該電流驅動模組，用以控制該電流驅動模組的輸出；一第二數位類比(D/A)轉換器，電性連接於該加熱驅動模組，用以控制該加熱驅動模組的輸出；以及一第一類比數位(A/D)轉換器，電性連接於該輸出埠，用以接收該放大增益選擇電路的輸出信號。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的氣體感測裝置，其中該貴金屬粒子選自由金、銀、釕、銠、鈀、鋨、銥及鉑所組成的群組其中之一，且該氧化銅奈米材料為一一維奈米材料。
  7. 一種使用一氣體感測裝置感測一待測氣體的濃度的方法，其中該氣體感測裝置包括一感測薄膜，且該感測薄膜在進行氣體感測前，所測得之電阻值為R0，該方法包括：在時間T時，測得該感測薄膜之電阻值為R；求得ΔR/R0，其中ΔR=R-R0；依據一查表法，取得該待測氣體在該時間T時的一濃度。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的方法，其中該氣體感測裝置更包括一處理器、一電阻感測信號電路前置模組以及一放大增益選擇電路，該處理器包括電性連接於該放大增益選擇電路的一開關之一類比數位(A/D)轉換器、以及電性連接於該放大增益選擇電路的一增益鑑別演算模組，其中該方法還包括：(1)當該A/D轉換器在時間T的一讀取電阻值為一低電阻時，該開關處於一開路狀態；(2)當該A/D轉換器在時間T的該讀取電阻值位於由一最大臨界值及一最小臨界值構成的一臨界範圍內時，該增益鑑別演算模組開始接收連續5筆讀取電阻值，並比較相鄰兩筆的該讀取電阻值，其中當該連續5筆讀取電阻值為往上遞增時，且最後1筆讀取電阻值高於該最大臨界值時，使該開關處於一閉路狀態，以讀取更高的讀取電阻值；以及當該連續5筆讀取電阻值為往下遞減時，且最後1筆讀取電阻值低於該最小臨界值時，使該開關處於該開路狀態，以讀取更小的讀取電阻值；以及(3)當該A/D轉換器在時間T的該讀取電阻值不在該臨界範圍內時，使該開關維持該開路狀態或該閉路狀態。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該氣體感測裝置更包括一處理器以及一放大增益選擇電路，該處理器包括：一溫濕度感測模組，用以量測該感測薄膜周圍的溫度及濕度；一第一類比數位(A/D)轉換器，用以接收該放大增益選擇電路所輸出的一讀取電阻值；以及一增益鑑別演算模組，用以控制該放大增益選擇電路的一開關，其中：當該讀取電阻值為一低電阻值時，使該開關為一開路狀態，當該讀取電阻值位於一最大臨界值及一最小臨界值構成的一臨界範圍內時，使該增益鑑別演算模組開始接收連續5筆的該讀取電阻值，並比較每相鄰兩筆的該讀取電阻值，其中：當該連續5筆的讀取電阻值為往上遞增時，且最後1筆的該讀取電阻值高於該最大臨界值時，使該開關為一閉路狀態，以讀取更大的該讀取電阻值；以及當該連續5筆的讀取電阻值為往下遞減時，且最後1筆的該讀取電阻值低於該最小該臨界值時，使該開關為一開路狀態，以讀取更小的該讀取電阻值；以及當該讀取電阻值不在該臨界範圍內時，使該開關維持原先的該開路狀態或該閉路狀態。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之方法，更包括以該處理器計算一等效電阻所對應之該待測氣體的分子濃度值的一演算方法，該演算方法包括使用一△R/R0演算模組與一△R/R0轉換濃度演算模組：利用該△R/R0演算模組得到一電阻值差△R=R-R0，在一段量測時間內的複數時間點，演算得出該電阻值差與該第一次讀取電阻值的一比值△R/R0；利用該ΔR/R0轉換濃度演算模組根據該比值，演算得出對應之待測氣體濃度值，建立各該複數比值與各該複數測氣體濃度值的對應表；以及利用一查表法根據各該複數比值由該對應表得到對應的待測氣體濃度值。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中該氣體感測裝置更包括一無線傳輸模組，其中該無線傳輸模組用以將該感測薄膜所在的一環境溫溼度值、該待測氣體的該比值以及該待測氣體濃度值發送至一智慧型裝置，以及該智慧型裝置用以將複數操控參數回傳至該氣體感測裝置，以進行相對應測試。
  12. 一種氣體感測裝置，包括：一感測薄膜，具一上表面，用以吸附一氣體分子；一電阻感測裝置，電連接於該感測薄膜，用以感測該感測薄膜之一電阻值；以及一處理器，電性連接於該電阻感測裝置，且依據該電阻值計算該氣體分子的一濃度，其特徵在於該感測薄膜包括：一氣體分子吸附材料，用以吸附該氣體分子，該氣體分子吸附材料為氧化鋅一維奈米材料；一吸附增強材料，用以增強該感測薄膜吸附該氣體分子之能力；以及一促進電子與電洞分離材料，用以增強該感測薄膜感測該氣體分子之能力。
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