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應用於低濃度氫氣檢測之矽奈米元件感測系統設計與整合

為了解決ac dc電壓換算的問題，作者張先佑 這樣論述：

本論文使用鈀(Palladium, Pd)修飾於閘極之矽奈米帶(silicon nanobelt, SNB)場效型電阻(field-effect resistor, FER)，進行低濃度(1~100 ppm)氫氣感測，並使用類比電路進行訊號過濾與放大以增進訊雜比(signal-to-noise ratio, SNR)，並整合後端演算法快速準確地辨識濃度以達到穿戴式氣體感測應用標準。在元件設計方面，研究選用鈀為氣體感測材料並沉積為元件的閘極，其功函數約為5.22~5.68 eV，此數值會隨氫氣濃度變化而改變，當氫氣吸附並擴散進入鈀奈米顆粒形成功函數較低(4.7~4.8 eV)之氫化鈀 (PdH

x)時，n-型場效型電阻通道之空乏層寬度(depletion width, Wdep)隨著功函數下降而變薄，造成通道電流增加。本研究基於上述功函數模型進行元件摻雜參數最佳化之設計，增加響應與提高系統訊雜比。由於感測低濃度目標氣體，鈀奈米顆粒結構必須足夠微小(< 3~5 nm)才能產生明顯的功函數變化，且元件表面鈀覆蓋率必須足夠高(> 40%)才能有效調控通道阻值變化。因此本研究控制原子層化學氣象沉積(atomic layer chemical vapor deposition, ALD)的循環數(Cycle)來達到以上需求。為實現焦耳熱(Joule heating, JH)選擇性沉積，施體摻雜

濃度由源極、感測通道到汲極的分布分別為高、低及高摻雜(n+ / n- / n+)。因此元件在施加電壓後，偏壓會集中於通道n-區域使元件局部溫度上升，讓n-閘極區域沉積速率快於其他部位，實現選擇性沉積。在元件電性方面，由於摻雜濃度不均，在擬合JH溫度時，容易因汲極引發能障下降(drain-induced barrier lowering, DIBL)造成預估偏差，因此本論文也提出特殊的擬合方式克服此誤差。另外，單晶矽元件在高電場會出現離子衝擊(impact ionization)，造成汲極端溫度不易受控制且破壞通道晶格結構，因此本文討論施加交流電(alternating current, AC)

的元件特性，以減低直流(direct current, DC)電場所造成之負面影響。此外，元件再進行感測時會使用聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane, PDMS)製作之腔體覆蓋以避免環境汙染並同時加速氣體反應進行及節省氣體樣本用量。在電路系統方面，為實現穿戴式裝置，本文使用微控制器(microprocesser, MPU) Arduino®製作類比電路嵌入式系統，系統架構包含惠斯通電橋(Wheatstone Bridge)、脈衝寬度調變(pulse width modulation, PWM)、整流器(rectifier)、儀表放大器(instrumental amplif

ier, IA)以及高階數主動式低通濾波器(high-order active low-pass filter, HOALPF)。差動感測訊號經由儀表放大器放大輸入訊號以符合MPU電壓讀取精度，並以高共模拒斥比(common-mode rejection ratio, CMRR)的放大特性以及濾波器消除系統雜訊提高訊雜比實現高精度穿戴式裝置讀取系統，透過印刷電路板(PCB)布局製作出公分級嵌入式電路系統。在後端演算法方面，本研究提出計算感測訊號斜率，來鑑別不同目標氣體濃度；感測訊號經過濾波放大後以最小平方法進行線性回歸計算區間斜率(回歸區間約30秒)，並記錄區間最大值按照鈀-氫滲透理論換算成對

應濃度，並將濃度資料經藍芽協定傳至智慧型手機APP顯示，完成穿戴式無線傳輸系統架構。斜率鑑別法可有效克服傳統電流對照法無法消除之基線飄移(Baseline Drift)以及晶格膨脹造成之電流飄移等，消除量測誤差的不利因素以提高感測準確度，同時大幅縮短感測時間並減少所需氣體樣本數量。本研究整合奈米感測器、電路系統和演算法完成可攜式氣體感測系統，並實現1~100 ppm氫氣感測，奠定人體呼氣檢測小腸菌叢增生(Small Intestinal Bacteria Overgrowth, SIBO)的基礎。本非侵入式(non-invasive)系統實現定點照護(point of care)和物聯網(In

ternet of Things, IoT)等應用，並可透過陣列式多材料結構結合機器學習進行多樣本之複雜檢測，滿足未來智慧醫療的需求。

以有機金屬化學氣相沉積之氧化鎵鋅磊晶膜研製氣體感測器及其特性之研究

為了解決ac dc電壓換算的問題，作者吳旻儒 這樣論述：

本研究成功利用有機金屬化學氣相沉積系統在藍寶石基板上生長氧化鎵鋅ZnGa2O4薄膜，並將其製作成氣體感測器，研究發現ZnGa2O4 氣體感測器對 NO氣體有較佳反應。首先分析ZnGa2O4氣體感測器對NO之感測機制；接著利用高溫爐管退火，藉以減少薄膜中之氧空缺，以能提升氣體響應，同時，比較退火前與不同溫度下退火之薄膜對氣體感測的特性，訂出特定退火溫度下感測器元件特性最佳參數。同時也將分析感測器最理想操作溫度以及工作電壓；最後調整磊晶參數改變薄膜表面形貌，得到感測及現為15ppb之NO的ZnGa2O4氣體感測器。本研究第一部分為ZnGa2O4氣體感測器之基本特性分析，給定2V偏壓量測其電流，並

換算成感測器電阻，在常溫常壓下對分別注入NO、CO、CO2 、SO2四種氣體進行量測，發現ZnGa2O4 氣體感測器對NO有較大的反應，且感測器之氣體響應與氣體濃度為線性關係；並且探討ZnGa2O4 氣體感測器和NO氣體之間的感應機制，發現氣體感應主要發生於薄膜表面，薄膜表面的外在表面能帶，吸引空氣中的氧氣，使氧氣吸附於懸浮鍵，注入NO氣體後，NO會和這些氧負離子反應，造成感測器阻值的變化，因此，若要提升氣體響應，首先會希望降低感測器的初始導電電流。研究第二部分，為了降低初始導電電流，利用高溫爐管以700、800、900 oC之溫度對薄膜進行退火處理。發現隨著退火溫度上升，元件的初始導電電流大

幅降低，並針對上述三種條件進行NO氣體的量測，但僅有700oC下退火之薄膜對NO氣體的氣體響應明顯提升，800、900 oC的薄膜對於NO氣體響應則沒有明顯改善，推測是表面形貌造成。因此，再利用掃描式電子顯微鏡以及原子力顯微鏡對上述薄膜表面進行分析，分析後發現在700oC之薄膜有最小的表面晶粒，且表面粗糙度也僅比未退火情況小一些，代表薄膜表面之外在表面能帶增加且初始導電電流降低，因此700oC之薄膜有最好之氣體響應。第三部分將最佳化感測器操作溫度以及工作偏壓，由於薄膜表面在常溫時表面往往會被水分子所佔據，將影響氣體響應情況，因此希望利用較高的操作溫度來提升氣體感測器的感測特性。研究中分別將感測

器操作於25、100、150、200、250、300oC六種不同操作溫度，發現操作在300oC時ZnGa2O4感測器對於NO有最佳之氣體響應以及最短的反應時間，原因除了上述的水分子影響以外，也和表面的氧負離子有關，在較高溫度時表面的氧負離子主要以O-為主，O-本身活性極強，因此，感測器對NO的氣體響應明顯增加。接著探討將感測器操作於2、5、10、12、15V對於氣體感測特性之影響，發現在5V時，感測器對NO之氣體響應改善不明顯，當偏壓大過5V後，感測器對NO之氣體響應則開始下降，這是因為偏壓增大時會讓初始導電電流增加，而薄膜表面的外在表面能帶有限，導致當偏壓過高時，感測器對NO之氣體響應衰減。

考慮到功耗以及反應時間，最終仍選擇以2V為操作偏壓。第四部份調整了磊晶參數後，得到表面晶粒更小的ZnGa2O4薄膜，並進行NO氣體量測，研究發現氣體響應和表面晶粒大小呈現反相關，和第二部分的結果相呼應，並利用此薄膜進行更低濃度的NO量測，感測極限達到15 ppb，且對於NH3、NO2、CO2、CO、SO2幾乎不反應，代表經過上述最佳化後的ZnGa2O4氣體感測器，已經具有應用於生醫感測器的潛力。