TWI768488B - 氣體感測裝置 - Google Patents

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一種氣體感測裝置，包含一表面聲波傳感器及一氣體感測單元。該表面聲波傳感器包括一鉭酸鋰壓電基板及一換能件單元，該換能件單元設置在該鉭酸鋰壓電基板，且具有一第一換能件及一與該第一換能件間隔設置的第二換能件。該氣體感測單元設置於該鉭酸鋰壓電基板，且位於該第一換能件及該第二換能件間，其中，該氣體感測單元包括一由氧化鋅構成的氣體感測層及多個呈陣列排列且被該氣體感測層包埋的金屬件。本發明氣體感測裝置適用於偵測硫化氫且具有高偵測靈敏度。

Description

氣體感測裝置
本發明是有關於一種感測裝置，特別是指一種氣體感測裝置。
表面聲波傳感器可做為感測元件而被大量地應用於各式感測裝置中，例如氣體感測裝置、液體感測裝置及生物感測裝置等。表面聲波傳感器的優點在於敏感度高、體積小且製程上易與半導體製程整合而能被大量生產製造。現有的表面聲波傳感器包含一塊壓電基板、兩個位於該壓電基板且間隔設置的換能件，及一個位於該等換能件之間的感測件。該表面聲波傳感器的感測機制在於透過待測物與該感測件作用而改變該表面聲波傳感器原有表面聲波的共振頻率，再透過比較感測前後的中心共振頻率的差異來得到偵測結果。
另一方面，近年來空汙問題日益嚴重，現有技術會利用包括表面聲波傳感器的氣體感測裝置來偵測空氣中對環境及人體有害的氣體分子，例如硫化氫。然而，當硫化氫在大氣中的濃度很低時會難以被偵測。因此，如何提高氣體感測裝置對大氣中硫化氫的偵測靈敏度是極為重要的課題。
因此，本發明的目的，即在提供一種用於偵測硫化氫且對硫化氫有高偵測靈敏度的氣體感測裝置。
於是，本發明氣體感測裝置，包含一表面聲波傳感器及一氣體感測單元。
該表面聲波傳感器包括一鉭酸鋰壓電基板及一換能件單元，該換能件單元設置在該鉭酸鋰壓電基板，且具有一第一換能件，及一與該第一換能件間隔設置的第二換能件。
該氣體感測單元設置於該鉭酸鋰壓電基板，且位於該第一換能件及該第二換能件間，其中，該氣體感測單元包括一由氧化鋅構成的氣體感測層，及多個呈陣列排列且被該氣體感測層包埋的金屬件。
本發明的功效在於：透過該氣體感測單元與該表面聲波傳感器的相互作用，尤其是該氣體感測單元具有呈陣列排列且被該氣體感測層包埋的該等金屬件，藉此使該氣體感測層的表面積增加，進而使該氣體感測裝置對硫化氫具有高偵測靈敏度。
參閱圖1及圖2，為本發明氣體感測裝置的一第一種實施態樣，適用於感測硫化氫，包含一表面聲波傳感器1，及一氣體感測單元2。
該表面聲波傳感器1包括一個鉭酸鋰壓電基板11，及一個換能件單元12。該換能件單元12設置在該鉭酸鋰壓電基板11，並具有一個第一換能件121，及與該第一換能件121間隔設置的一個第二換能件122，且該第一換能件121及該第二換能件122皆為指叉型換能件。該第一換能件121具有多條換能線123，且每一換能線123的線寬例如但不限於5 μm至100 μm，相鄰的兩換能線123的間距例如但不限於5 μm至100 μm，在該第一種實施態樣的一些具體實施例中，每一換能線123的線寬為10 μm，相鄰的兩換能線123的間距為10 μm。該第二換能件122具有多條換能線124，且每一換能線124的線寬例如但不限於5 μm至100 μm，相鄰的兩換能線124的間距例如但不限於5 μm至100 μm，在該第一種實施態樣的一些具體實施例中，每一換能線124的線寬為10 μm，相鄰的兩換能線124的間距為10 μm。在本發明的另一些實施態樣中，也可以是該第一換能件121及該第二換能件122的其中一者為指叉型換能件。
其中，該鉭酸鋰壓電基板11的材料為純度99.9%的鉭酸鋰，該鉭酸鋰壓電基板11例如鉭酸鋰單晶壓電基板。在該第一種實施態樣中，該鉭酸鋰壓電基板11為36°YX鉭酸鋰單晶壓電基板(廠牌為昇美達；尺寸為4吋)。
該第一換能件121及該第二換能件122的材料例如但不限於鋁、銅、鉬、銀、鎢、鉑，在該第一種實施態樣中，該第一換能件121與該第二換能件122的材料是以純度99.9%的鋁為例說明。該第一換能件121及該第二換能件122的製備方式，例如但不限於利用黃光微影程序並搭配蝕刻程序，於該鉭酸鋰壓電基板11的表面形成具有特定圖案的第一換能件121及該第二換能件122，該特定圖案例如但不限於指叉型圖案。該黃光微影程序及蝕刻程序的製程條件沒有特別限制，可使用任何現有的黃光微影程序及蝕刻程序的製程工藝製備該第一換能件121及該第二換能件122。例如但不限於，在本發明的一些具體例中，在該黃光微影程序中使用的光阻附著劑為六甲基二矽氮烷(hexamethyldisilazane，HMDS)，光阻劑的廠牌型號為景明化工股份有限公司的AZ1500。
該氣體感測單元2設置於該鉭酸鋰壓電基板11，且位於該第一換能件121及該第二換能件122間並用以感測硫化氫。該氣體感測單元2包括一氣體感測層21及多個呈陣列排列且被該氣體感測層21包埋的金屬件22。
呈陣列結構的該等金屬件22的作用在於使該氣體感測層21的表面積增加。該等金屬件22的材料例如但不限於鋁、銅、鉬、銀、鎢、鉑，在該第一種實施態樣中，該等金屬件22的材料是以純度99.9%的鋁為例說明。
該等金屬件22的製備方法，例如但不限於利用黃光微影程序並搭配蝕刻程序，於該鉭酸鋰壓電基板11的表面形成該等呈陣列排列的金屬件22，該黃光微影程序與該蝕刻程序為本發明相關技術領域的習知技術，故在此不再贅述。
該氣體感測層21的製備方法，例如但不限於利用濺鍍程序，在該第一種實施態樣中，該氣體感測層21的製備方法是以射頻磁控濺鍍(RF magnetron sputtering，以下簡稱RF)為例說明，並將氧化鋅於該鉭酸鋰壓電基板11上形成該氣體感測層21。該射頻磁控濺鍍的實施方式及製程條件為本發明技術領域的習知技術，於本發明中無需特別限制，只要無損該氣體感測裝置對硫化氫的偵測靈敏度即可。以下針對該第一種實施態樣的一些具體例中該射頻磁控濺鍍的製程條件進行說明，該射頻磁控濺鍍的靶材是選用純度為99.9%的氧化鋅靶材、濺鍍功率為80 W、氬氣的流量為30 sccm、氧氣的流量為1.5 sccm及濺鍍的環境壓力為10 mT，透過上述條件製備出的該氣體感測層21的氧化鋅晶粒尺寸為13.25 nm，而該氣體感測層21的中心線平均粗糙度(Ra)為4.4 nm。
參閱圖3，為本發明氣體感測裝置的一第二種實施態樣。該第二種實施態樣與該第一種實施態樣不同之處在於：為使該氣體感測裝置對硫化氫具有更高的偵測靈敏度，在該第二種實施態樣中，每一金屬件22具有一沿垂直於該鉭酸鋰壓電基板11的方向延伸貫穿的穿孔221。
在本發明的一第三種實施態樣中，其氣體感測裝置的結構與該第一種實施態樣的氣體感測裝置的結構相同，差別在於：在該第三種實施態樣中，為使該氣體感測裝置對硫化氫具有更高的偵測靈敏度，該氣體感測層21是以高功率脈衝磁控濺鍍(High power impulse magnetron sputtering，以下簡稱HiPIMS)製備而成。該高功率脈衝磁控濺鍍的實施方式及製程條件為本發明技術領域的習知技術，於本發明中無需特別限制，只要無損該氣體感測裝置對硫化氫的偵測靈敏度即可。以下針對該第三種實施態樣的一些具體例中該高功率脈衝磁控濺鍍的製程條件進行說明，該高功率脈衝磁控濺鍍的靶材是選用純度為99.9%的鋅靶材、濺鍍功率為80 W、氬氣的流量為70 sccm、氧氣的流量為20 sccm及濺鍍的環境壓力為40 mT，透過上述條件製備出的該氣體感測層21的氧化鋅晶粒尺寸為11.76 nm，而該氣體感測層21的中心線平均粗糙度(Ra)為11.6 nm。
在本發明的一第四種實施態樣中，其氣體感測裝置的結構與該第二種實施態樣的氣體感測裝置的結構相同，差別在於：在該第四種實施態樣中，該氣體感測層21是以高功率脈衝磁控濺鍍(High power impulse magnetron sputtering，以下簡稱HiPIMS)製備而成。該高功率脈衝磁控濺鍍的相關說明如上所述，在此不再贅述。
本發明將就以下實施例來作進一步說明，但應瞭解的是，所述實施例僅為例示說明之用，而不應被解釋為本發明實施之限制。
實施例1至4
實施例1及3的氣體感測裝置的結構是如上述第一種實施態樣所述，而實施例1與實施例3的差別在於氣體感測層21是分別使用RF及HiPIMS製備而成。實施例2及4的感測裝置的結構是如上述第二種實施態樣所述，而實施例2與實施例4的差別在於氣體感測層21是分別使用RF及HiPIMS製備而成。在該實施例1至4中，是使用如上所述的氣體感測裝置分別對濃度範圍為100 ppb至1000 ppb的硫化氫進行檢測，並得到對應的中心共振頻率差值(Δ f)，如表1及表2所示。
比較例1
比較例1的氣體感測裝置與實施例1的氣體感測裝置的差別在於，比較例1的氣體感測單元2不具有多個呈陣列排列的金屬件22(如圖4所示)。
比較例2
比較例2的氣體感測裝置與實施例3的氣體感測裝置的差別在於，比較例2的氣體感測單元2不具有多個呈陣列排列的金屬件22。
[評價項目]
中心共振頻率差值
將上述的氣體感測裝置分別放置於濃度範圍為100 ppb至1000 ppb的硫化氫環境下進行感測，並利用一頻率偵測器(廠牌Agilent；型號E5062A)量測上述的氣體感測裝置在偵測前(未吸附硫化氫)及偵測後(吸附硫化氫)的中心共振頻率，以計算中心共振頻率差值Δ f。中心共振頻率差值Δ f越大，代表氣體感測裝置對硫化氫的偵測靈敏度越高。
表1
  實施例 比較例
1 2 1
壓電基板 鉭酸鋰 鉭酸鋰 鉭酸鋰
氣體感測層的製備方法 RF RF RF
金屬件 有 有 無
穿孔 無 有  
Δ f(Hz) 100 ppb 2337 2612 1968
200 ppb 2475 2800 2025
400 ppb 2612 3093 2250
600 ppb 2800 3225 2418
800 ppb 3093 3431 2612
1000 ppb 3225 3675 2800
表2
  實施例 比較例
3 4 2
壓電基板 鉭酸鋰 鉭酸鋰 鉭酸鋰
氣體感測層的製備方法 HiPIMS HiPIMS HiPIMS
金屬件 有 有 無
穿孔 無 有  
Δ f(Hz) 100 ppb 5281 6175 3300
200 ppb 6175 7762 4125
400 ppb 7087 8768 4537
600 ppb 7875 9918 5431
800 ppb 8662 10350 6325
1000 ppb 9343 12506 7043
參閱表1的中心共振頻率差值Δ f，比較該氣體感測層21同樣是以射頻磁控濺鍍(RF)製備而成的實施例1至2與比較例1，實施例1及2的氣體感測裝置因氣體感測單元2具有多個呈陣列排列的金屬件22，所以在進行氣體感測時產生較大的中心共振頻率差值Δ f，證明實施例1及2的氣體感測裝置對硫化氫具有較高的偵測靈敏度。較佳地，實施例2的氣體感測裝置更因該等金屬件22具有穿孔221，使該氣體感測層21因包埋該等金屬件22而具有較大的表面積(相較於沒有包埋該等金屬件22)，進而使實施例2的氣體感測裝置對硫化氫具有更高的偵測靈敏度。反觀比較例1的氣體感測裝置則因氣體感測單元2不具有該等金屬件22，所以在進行氣體感測時產生較小的中心共振頻率差值Δ f，顯示比較例1的氣體感測裝置對硫化氫的偵測靈敏度較低。
參閱表2的中心共振頻率差值Δ f，比較該氣體感測層21同樣是以高功率脈衝磁控濺鍍(HiPIMS)製備而成的實施例3至4與比較例2，實施例3及4的氣體感測裝置因氣體感測單元2具有多個呈陣列排列的金屬件22，所以在進行氣體感測時產生較大的中心共振頻率差值Δ f，證明實施例3及4的氣體感測裝置對硫化氫具有較高的偵測靈敏度。較佳地，實施例4的氣體感測裝置更因該等金屬件22具有穿孔221，使該氣體感測層21因包埋該等金屬件22而具有較大的表面積(相較於沒有包埋該等金屬件22)，進而使實施例4的氣體感測裝置對硫化氫具有更高的偵測靈敏度。反觀比較例2的氣體感測裝置則因氣體感測單元2不具有該等金屬件22，所以在進行氣體感測時產生較小的中心共振頻率差值Δ f，顯示比較例2的氣體感測裝置對硫化氫的偵測靈敏度較低。
值得一提的是，較佳地，在實施例3及4的氣體感測裝置中，透過高功率脈衝磁控濺鍍(HiPIMS)製備出的該氣體感測層21因具有較粗糙的表面，進而使在進行氣體感測時產生更大的中心共振頻率差值Δ f，表示實施例3及4的氣體感測裝置對硫化氫具有更高的偵測靈敏度。
表3
氣體感測裝置 實施例4
偵測氣體 NO 2 SO 2 CO NH 3 CH 4 H 2S
濃度(ppm) 1 1 1 1 1 1
Δ f(kHz) 0.433 0.524 0.604 0.641 0.657 12.506
參閱表3，為使用實施例4的氣體感測裝置對不同種類的氣體進行偵測，從表3的中心共振頻率差值Δ f可以看出在相同濃度的不同氣體中，實施例4的氣體感測裝置對偵測硫化氫具有較高的中心共振頻率差值Δ f，也就是說，實施例4的氣體感測裝置對硫化氫具有較高的選擇性。
參閱圖5，為使用實施例4的氣體感測裝置對不同濃度的硫化氫進行偵測而得到的中心共振頻率差值Δ f與時間的關係圖，當使用實施例4的氣體感測裝置對不同濃度的硫化氫進行偵測時，實施例4的氣體感測裝置的中心共振頻率在每次偵測結束後皆能回復至偵測前的中心共振頻率，表示實施例4的氣體感測裝置具有較佳的可回復性，且能重複使用。
綜上所述，本發明氣體感測裝置透過該氣體感測單元2與該表面聲波傳感器1的相互作用，尤其是該氣體感測單元2具有呈陣列排列的該等金屬件22，藉此使該氣體感測層21的表面積增加，進而使該氣體感測裝置對硫化氫具有較高的偵測靈敏度，此外，本發明氣體感測裝置對硫化氫具有高的選擇性，且可重複對硫化氫進行偵測，故確實能達成本發明的目的。
惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。
1········ 表面聲波傳感器 11······ 鉭酸鋰壓電基板 12······ 換能件單元 121····· 第一換能件 122····· 第二換能件 123····· 換能線 124····· 換能線 2········ 氣體感測單元 21······ 氣體感測層 22······ 金屬件 221····· 穿孔
本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是一俯視示意圖，說明本發明氣體感測裝置的一第一種實施態樣； 圖2是一剖視示意圖，說明該第一種實施態樣的氣體感測單元； 圖3是一剖視局部放大圖，說明本發明氣體感測裝置的一第二種實施態樣的氣體感測單元； 圖4是一俯視示意圖，說明一不具有多個金屬件的氣體感測裝置；及 圖5是一數據圖，說明本發明實施例4的氣體感測裝置在對不同濃度的硫化氫進行偵測後的中心共振頻率回復曲線。
1········ 表面聲波傳感器 11······ 鉭酸鋰壓電基板 12······ 換能件單元 121····· 第一換能件 122····· 第二換能件 123····· 換能線 124····· 換能線 2········ 氣體感測單元 21······ 氣體感測層 22······ 金屬件

Claims (8)

  1. 一種氣體感測裝置，包含： 一表面聲波傳感器，包括 一鉭酸鋰壓電基板， 一換能件單元，設置在該鉭酸鋰壓電基板，且具有一第一換能件，及一與該第一換能件間隔設置的第二換能件；及 一氣體感測單元，設置於該鉭酸鋰壓電基板，且位於該第一換能件及該第二換能件間，其中，該氣體感測單元包括一由氧化鋅構成的氣體感測層及多個呈陣列排列且被該氣體感測層包埋的金屬件。
  2. 如請求項1所述的氣體感測裝置，其中，每一金屬件具有一沿垂直於該鉭酸鋰壓電基板的方向延伸貫穿的穿孔。
  3. 如請求項1所述的氣體感測裝置，其中，該氣體感測層是以射頻磁控濺鍍製備而成。
  4. 如請求項1所述的氣體感測裝置，其中，該氣體感測層是以高功率脈衝磁控濺鍍製備而成。
  5. 如請求項1所述的氣體感測裝置，其中，該鉭酸鋰壓電基板為鉭酸鋰單晶壓電基板。
  6. 如請求項5所述的氣體感測裝置，其中，該鉭酸鋰壓電基板為36°YX鉭酸鋰單晶壓電基板。
  7. 如請求項1所述的氣體感測裝置，其中，該第一換能件及該第二換能件中至少一者為指叉型換能件。
  8. 如請求項7所述的氣體感測裝置，其中，該指叉型換能件具有多條換能線，且相鄰的換能線的間距為5 μm至100 μm，每一換能線的線寬為5 μm至100 μm。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101587099A (zh) * 2008-05-21 2009-11-25 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 表面声波感测器的制作方法
TW201132973A (en) * 2010-03-24 2011-10-01 Univ Feng Chia Method of manufacturing gas sensor and structure thereof (II)
US20120051976A1 (en) * 2002-06-06 2012-03-01 Rutgers, The State University Of New Jersey Multifunctional biosensor based on zno nanostructures
TWI427290B (zh) * 2009-05-13 2014-02-21 Nat Univ Tsing Hua 一種氣體偵測裝置及其方法
TWM555946U (zh) * 2017-10-13 2018-02-21 Yang zheng fu 氣體感測器

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120051976A1 (en) * 2002-06-06 2012-03-01 Rutgers, The State University Of New Jersey Multifunctional biosensor based on zno nanostructures
CN101587099A (zh) * 2008-05-21 2009-11-25 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 表面声波感测器的制作方法
TWI427290B (zh) * 2009-05-13 2014-02-21 Nat Univ Tsing Hua 一種氣體偵測裝置及其方法
TW201132973A (en) * 2010-03-24 2011-10-01 Univ Feng Chia Method of manufacturing gas sensor and structure thereof (II)
TWM555946U (zh) * 2017-10-13 2018-02-21 Yang zheng fu 氣體感測器

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