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引言 近年來,由于環(huán)保意識的抬頭,大眾對于空氣質(zhì)量的要求日漸提升。而現(xiàn)代人處于室內(nèi)環(huán)境的時間與日俱增,統(tǒng)計報告指出,一般人平均一生中有58-78%的時間待在室內(nèi),而在一天當(dāng)中更有90%的時間是在室內(nèi)環(huán)境渡過。室內(nèi)建材在加工制造的過程中,所使用的許多化學(xué)物質(zhì),例如油漆、膠類及清潔劑所散發(fā)的揮發(fā)性有機化合物和室內(nèi)裝飾物及家俱所散發(fā)之甲醛,而這些污染物可能會引發(fā)呼吸道癥狀、呼吸道癥狀或刺激性癥狀等,通常這些癥狀都是進入建筑物后才發(fā)生,離開建筑物后癥狀就會減輕或消失,我們稱為「病大樓癥候群」[1]。由于甲醛高化學(xué)活性、高純度、以及相當(dāng)廉價,因而被廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)建筑物材料及多數(shù)家用產(chǎn)品的化學(xué)原料[2, 3]。但建材及家具涂料會逐漸釋放游離甲醛,人體如果接觸過量甲醛,可能會引發(fā)呼吸道或皮膚發(fā)炎、刺激眼睛,甚至可能致癌。根據(jù)美國國家職業(yè)安全衛(wèi)生組織規(guī)定人們長期曝露甲醛濃度不得超過1ppm[4]。 傳統(tǒng)甲醛的檢測儀器是藉由光學(xué)感測方式(GC-MS)[5]對甲醛進行定量與測定。然而這種結(jié)合光學(xué)的量測方式很昂貴、耗時、復(fù)雜且不能實時得知甲醛曝露的含量。隨著微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)跟微制造技術(shù)日趨成熟[6],不僅使組件體積大幅縮小,組件耗能也大量的減少除此之外,可批次制造,可節(jié)省材料與成本,感測組件的性能也能趨于一致更重要的是,其可積體化的特性,可將控制組件與感測材料整合于單一芯片上,實現(xiàn)微小快速的感測系統(tǒng)。 本文是利用MEMS方式制作傳感器,以石英玻璃當(dāng)作基材,利用白金在高溫時熱膨脹系數(shù)小的特性,其本身的電阻值來提供焦耳熱,當(dāng)作實驗中的加熱器,并以氧化鎳作為感測層,使用白金作為電極量測感測層電阻的變化。研究中使用小型的環(huán)境測試箱檢測箱內(nèi)若存在甲醛氣體,氧化鎳薄膜層上導(dǎo)電度會增加,因而導(dǎo)致感測層電阻值降低,藉由觀察感測層電阻值的差異性,就可得知感測氣體在感測空間中的散布濃度情形。 1氣體傳感器的設(shè)計與原理 1. 1催化劑的作用 本研究所用的原理是利用感測層當(dāng)催化劑,當(dāng)甲醛氣體靠近感測層時會發(fā)生催化反應(yīng),其化學(xué)反應(yīng)式如下: 
其反應(yīng)發(fā)生時會產(chǎn)生蟻酸或者二氧化碳以及水,當(dāng)氧化鎳與甲醛發(fā)生反應(yīng)后,會改變氧化鎳本身電導(dǎo)率大小,我們可以從電性方面的改變的大小,求得待測氣體的濃度大小。 1. 2氣體傳感器設(shè)計 本研究選用白金當(dāng)做微加熱器是利用其耐高溫以及物理現(xiàn)象穩(wěn)定,且在高溫時白金熱膨脹系數(shù)小的特性。加熱原理是利用金屬本身的電阻值來提供焦耳熱。當(dāng)電流經(jīng)過金屬物體時,因金屬物體本身有內(nèi)部電阻,當(dāng)電流通過金屬時會對金屬物體本身產(chǎn)生熱,計算公式為P=V2/R,其中P為焦耳熱、V為電壓、R為電阻。圖1顯示微型傳感器的設(shè)計圖樣,傳感器結(jié)合加熱裝置與感測電極在同一層,微型加熱器設(shè)計提供實時和精確的溫度控制能力,且指叉式電極容易直接量測感測層的電性和電阻的改變,濺鍍氧化鎳尺寸小,增加與氧化鎳的接觸面積,氧化鎳粒子有效的與甲醛發(fā)生反應(yīng),因而靈敏度和感測限度皆可提升。  
2氣體傳感器制作方法 圖2為氣體傳感器的制作流程圖,電子束蒸鍍(electron-beam evaporation)50nm鉻當(dāng)白金之黏著層,蒸鍍200nm白金當(dāng)作加熱器。并利用微影技術(shù)定義出兩種電極,之后再用剝離( lift-off)制程方式,將未曝光的金屬部分用丙酮溶液移除,產(chǎn)生所需要的金屬層。 3結(jié)果為討論 3. 1微傳感器芯片 圖3中所示為微傳感器芯片,為量測方便和散熱,我們采用云母片當(dāng)作基材,云母片為具有晶體管散熱、避免短路、絕緣及低損失的熱阻功能。1、3為傳感器的感測電極, 2、4為傳感器的加熱電極。  
3. 2氣體傳感器SEM圖 圖4中顯示氧化鎳SEM圖,圖中(a)2000倍下的氧化鎳粒子(b)為100000倍下的氧化鎳粒子,圖中的顆粒尺寸約為225~115nm,厚度為0. 52μm。 3. 3微加熱器量測及指叉式電極對靈敏度之影響 圖5為白金電極為加熱電極時的加熱曲線圖,圖中可以發(fā)現(xiàn)消耗功率與溫度呈線性關(guān)系,當(dāng)功率加至5. 2W時,即可得到300℃的工作溫度。(ΔT/W)Power增加1W溫度改變量為57. 6℃。在氧化鎳厚度為0. 34μm,基材溫度為300℃的條件下,判別有無指叉式電極的差異。圖6為指叉式電極,靈敏度為0. 47 kohm/ppb,最小偵測限度為800ppb,而無指叉式電極之感測層,其靈敏度為0. 05 kohm/ppb,偵測限度約為1500ppb,由此可知指叉式電極有穩(wěn)定的工作溫度與良好的感測電極,產(chǎn)生較佳的靈敏度與小的偵測限度。  
3. 4基材溫度對氧化鎳氣體傳感器的影響 利用X光繞射儀(XRD)分析其薄膜結(jié)構(gòu)及結(jié)晶度,實驗在濺鍍時基板溫度100~300℃、工作壓力為0. 01torr、射頻功率為200W及氧氣、氬氣流量比為1: 1的情況下,比較基板溫度的影響。圖7顯示在不同基板溫度下濺鍍氧化鎳薄膜之X光繞射圖。在100~300℃的基板溫度范圍下沉積之氧化鎳薄膜為NiO(200)的繞射峰出現(xiàn),由此可知在此一溫度范圍內(nèi)濺鍍氧化鎳薄膜的擇擾取向為NiO(200)。圖中顯示隨著濺鍍時之基板溫度的升高,NiO(200)的繞射峰強度有逐漸增強的趨勢。圖中也指出,隨著基板溫度的提高氧化鎳薄膜NiO(200)繞射峰之半高寬值減少,表示薄膜之結(jié)晶性變好。因為高的基板溫度,附著于基板表面的粒子獲得較大的能量,使晶粒具有較大的動能可移動到能量較小的位置,形成較完美的結(jié)晶薄膜。結(jié)果顯示以反應(yīng)性濺鍍沉積氧化鎳薄膜時,提高其基板溫可有效的改善結(jié)晶結(jié)構(gòu),進而提高點測器的靈敏度。 圖8為改變傳感器操作溫度之感測性能圖,當(dāng)操作溫度升高,粒子獲得較大的能量,使粒子有較大的動能可移動到能量較小的位置,有助于改善薄膜的結(jié)晶性,結(jié)晶性的提高,降低薄膜的電阻率,提高傳感器的靈敏度,如圖中顯示操作溫度是100℃時,靈敏度為0. 028 kohm/ppb,操作溫度為200℃,靈敏度為0. 1 kohm/ppb,操作溫度為300℃,其靈敏度為0. 47 kohm/ppb,得知當(dāng)操作溫度較高時,得到較高的斜率,斜率愈高,電阻的變化較明顯,較易判別甲醛氣體的濃度變化。  
3. 5微氣體傳感器之選擇性 研究中采用甲醇、乙醇、苯等揮發(fā)性有機物在相同條件下,濃度變化對傳感器電阻影響,結(jié)果如圖9中顯示苯的檢測結(jié)果中,電阻并沒有明顯的改變;甲醇、乙醇則須在較高濃度才能讓氧化鎳產(chǎn)生反應(yīng)。乙醇的檢測靈敏度為0. 15kohm/ppb,甲醇的靈敏度為0. 2 kohm/ppb,遠低于對甲醛靈敏度為0. 47 ko-hm/ppb。由圖得知傳感器對甲醇、乙醇、最小偵測極限值約1300ppb,而對于甲醛的最小偵測極限值約800ppb,即開始反應(yīng),相差約500ppb,由上述可顯示氧化鎳(NiO)傳感器對甲醛有較好的感測效果。 
3. 6微氣體傳感器反應(yīng)時間與回復(fù)時間 在傳統(tǒng)甲醛濃度的檢測上,常需要耗費數(shù)小時到數(shù)天不等的時間,而傳感器則必需要求能實時偵測的能力。圖10(a)顯示氣體傳感器在甲醛濃度為3ppm,溫度為300℃的反應(yīng)時間只需70秒。圖10
(b)為其傳感器的甲醛濃度降為0ppm時,在溫度為300℃的回復(fù)時間約80秒左右,實驗證實此傳感器具有快速的反應(yīng)時間與回復(fù)性。
 
4結(jié)論 本研究利用MEMS技術(shù)成功地設(shè)計并制作出微型的半導(dǎo)體式甲醛氣體傳感器,研究結(jié)論如下所示: (1)本研究所設(shè)計制作之微型甲醛氣體傳感器,加熱電極與指叉式電極在同一層中,目的在給予一穩(wěn)定的熱源與實時的量測電阻的變化。氧化鎳薄膜是利用濺鍍沉積的方式形成感測層,并使用白金作為電極量測感測層電阻之變化。當(dāng)電壓作用到白金加熱板時,微加熱板溫度會逐漸上升。在300℃時,若環(huán)境內(nèi)有甲醛氣體存在時,氧化鎳薄膜層上導(dǎo)電度會增加,因而導(dǎo)致感測層電阻值之降低。在不同的甲醛氣體濃度下,可發(fā)現(xiàn)不同的感測層會有不同的電阻值輸出,此即為本微型甲醛氣體傳感器設(shè)計原理。 (2)本研究制作的微型加熱器,供給5. 2W可達到300℃的量測溫度。 (3)本研究制作的微型甲醛氣體傳感器,經(jīng)測試結(jié)果當(dāng)指叉式電極的膜厚為0. 34μm、工作溫度300℃,其靈敏度可達0. 47 kohm/ppb,最小偵測限度為800 ppb,可產(chǎn)生較佳的靈敏度與小的偵測限度。 (4)研究中分別使用甲醇、乙醇、苯、甲醛這四種揮發(fā)性有機化合物來對本傳感器的靈敏度做相互的比較,在相同溫度范圍之最小氣體偵測濃度,發(fā)現(xiàn)本研究之甲醛氣體傳感器對其他三種揮發(fā)性有機物氣體之靈敏度皆極為微小,可知本研究之甲醛氣體傳感器具有極高之氣體選擇性。 摘自：中國計量測控網(wǎng)
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