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研究生: 翁丁文
Ting-Wen Weng
論文名稱: 基於光譜晶片的微型氣體量測系統之開發與驗證
Development and Validation of Micro Gas Measurement System Based on Spectro-Chip
指導教授: 柯正浩
Cheng-Hao Ko
口試委員: 柯正浩
Cheng-Hao Ko
徐勝均
Sheng-Dong Xu
沈志霖
Ji-Lin Shen
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 自動化及控制研究所
Graduate Institute of Automation and Control
論文出版年: 2023
畢業學年度: 111
語文別: 中文
論文頁數: 67
中文關鍵詞: 光譜晶片微型氣體量測系統微型光譜儀氣體感測量子點
外文關鍵詞: Spectro-chip, Micro gas measurement system, Micro spectrometer, Gas detection, Quantum dot
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  • 隨著科技的發展進步,人類的生活品質也隨著之愈加便利。然而,科技的進步帶來了許多好處,但也付出了環境污染的代價,其中影響範圍最廣的為空氣污染莫屬。為了解決此問題,氣體感測技術不斷的發展,現今氣體檢測的方法有很多種,其中光學式氣體感測器設備龐大且十分昂貴,致使難以達到大量場域的廣設。

    本研究利用光譜晶片開發了微型氣體量測系統並且進行氣體感測實驗,其原理是利用光在薄膜表面發生干涉,再由微型光譜儀取得光譜訊號。在進行氣體感測驗證實驗時,開發了四種不同材料的薄膜,包括量子點、氧化鋅、二氧化鈦和三氧化鎢。利用儀器科學中心的氣體檢測平台對這四種薄膜進行氣體感測驗證,其中為了方便控制系統且分析光譜儀的訊號,同時也開發了即時追蹤干涉光譜位移的系統,以便能有效率地取得實驗數據。

    本研究測量了薄膜在密封腔體中通入氣體後的干涉光譜。量測中發現量子點薄膜對溫度及濕度變化而造成光譜移動的反應,其中水氣的吸附導致干涉光譜的峰值向更長的波長方向移動。本研究根據結果建立了溫度和濕度的檢量線,結果顯示量子點的波峰波長移動與相對濕度有很強的相關性(R2 > 0.95),此發現證實了目前光學系統可以正常運作。


    With the advancement of technology, the quality of human life has significantly improved, providing increased convenience. However, this progress has cause environmental pollution, with air pollution being the most pervasive and widespread issue. To address this problem, gas sensing technology has been continuously evolving. Currently, there are various methods for gas detection, but optical gas sensors are often large and expensive, making it challenging to deploy them extensively in different field settings.

    In this study, a micro gas measurement system was developed using Spectro-chip, enabling gas sensing experiments. The principle relied on the interference of light on the surface of thin films, with the spectral signals obtained using a micro spectrometer. During the gas sensing validation experiments, four different thin film materials were developed, including quantum dots, zinc oxide, titanium dioxide, and tungsten trioxide. These films were subjected to gas sensing validation using the gas detection platform at the Taiwan Instrument Research Institute. To facilitate system control and analyze the spectrometer’s signals, a realtime tracking system for interference spectrum displacement was also developed, allowing for efficient acquisition of experimental data.

    The measurement involved capturing the interference spectrum of the thin films when
    gases were introduced into a sealed chamber. It was observed that the quantum dot film exhibited spectral shifts in response to changes in temperature and humidity, with water vapor adsorption causing the peak of the interference spectrum to shift towards longer wavelengths. The analysis revealed a strong correlation (R2 > 0.95) between the wavelength shift of the quantum dot peak and the relative humidity. This finding confirms the proper functioning of the current optical system.

    致謝 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I 摘要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II ABSTRACT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III 目錄 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV 圖目錄. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI 表目錄. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VIII 第一章 緒論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1 前言 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1 1.2 研究動機 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1 1.3 論文架構 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 2 第二章 文獻回顧. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2.1 常見的氣體危害· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 3 2.2 感測器· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 3 2.3 吸收光譜法 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 4 2.4 化學發光法 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 5 2.5 差分吸收光譜法· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 7 第三章 光學干涉原理及應用. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 3.1 光的反射及折射· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 9 3.2 薄膜吸附氣體之光干涉原理 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 10 第四章 實驗方法與步驟 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 4.1 薄膜 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 17 4.1.1 量子點薄膜 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 17 4.1.2 氧化鋅薄膜 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 20 4.1.3 二氧化鈦薄膜 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 21 4.1.4 三氧化鎢薄膜 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 22 4.2 氣體測試 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 23 4.2.1 光學追蹤系統 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 23 4.2.2 儀器科學中心實驗架設 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 26 4.3 V 型架構 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 32 4.3.1 V 型架構介紹· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 32 4.3.2 架構優化 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 34 第五章 結果分析與討論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 5.1 氣體吸附實驗結果 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 36 5.1.1 量子點薄膜 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 37 5.1.2 氧化鋅薄膜 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 38 5.1.3 二氧化鈦薄膜 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 40 5.1.4 三氧化鎢薄膜 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 42 5.2 溫度與濕度對薄膜的影響· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 44 5.2.1 溫度變化對二氧化鈦薄膜的影響 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 44 5.2.2 溫度變化對三氧化鎢薄膜的影響 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 45 5.2.3 溫度變化對氧化鋅薄膜的影響 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 45 5.2.4 溫度及濕度變化對量子點薄膜的影響 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 46 5.2.5 建立溫度及濕度的檢量線 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 49 第六章 結論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 參考文獻 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

    [1] Y. S. Najjar et al., “Gaseous pollutants formation and their harmful effects on health and environment,” Innovative Energy Policies, vol. 1, no. 1, 2011.
    [2] J. S. Gaffney and N. A. Marley, “The impacts of combustion emissions on air quality and climate–from coal to biofuels and beyond,” Atmospheric Environment, vol. 43, no. 1, pp. 23–36, 2009.
    [3] W. H. Organization, Air quality guidelines: global update 2005: particulate matter, ozone, nitrogen dioxide, and sulfur dioxide. World Health Organization, 2006.
    [4] A. Faustini, R. Rapp, and F. Forastiere, “Nitrogen dioxide and mortality: review and meta-analysis of long-term studies,” European Respiratory Journal, vol. 44, no. 3, pp. 744–753, 2014.
    [5] G. Hoek, R. M. Krishnan, R. Beelen, A. Peters, B. Ostro, B. Brunekreef, and J. D. Kaufman, “Long-term air pollution exposure and cardio-respiratory mortality: a review,” Environmental Health, vol. 12, no. 1, pp. 1–16, 2013.
    [6] P. Huangfu and R. Atkinson, “Long-term exposure to no2 and o3 and all-cause and respiratory mortality: A systematic review and meta-analysis,” Environment International, vol. 144, p. 105998, 2020.
    [7] H. Kinoshita, H. Türkan, S. Vucinic, S. Naqvi, R. Bedair, R. Rezaee, and A. Tsatsakis, “Carbon monoxide poisoning,” Toxicology Reports, vol. 7, pp. 169–173, 2020.
    [8] R. W. Atkinson, B. K. Butland, H. R. Anderson, and R. L. Maynard, “Long-term concentrations of nitrogen dioxide and mortality: a meta-analysis of cohort studies,” Epidemiology (Cambridge, Mass.), vol. 29, no. 4, p. 460, 2018.
    [9] D. E. Williams, “Electrochemical sensors for environmental gas analysis,” Current
    Opinion in Electrochemistry, vol. 22, pp. 145–153, 2020.
    [10] E. Gorbova, F. Tzorbatzoglou, C. Molochas, D. Chloros, A. Demin, and P. Tsiakaras, “Fundamentals and principles of solid-state electrochemical sensors for high temperature gas detection,” Catalysts, vol. 12, no. 1, p. 1, 2022.
    [11] Y. Sun, Z. Zhao, K. Suematsu, P. Li, W. Zhang, and J. Hu, “Moisture-resisting acetone sensor based on mof-derived zno-nio nanocomposites,” Materials Research Bulletin, vol. 146, p. 111607, 2022.
    [12] T. Hang, J. Wu, S. Xiao, B. Li, H. Li, C. Yang, C. Yang, N. Hu, Y. Xu, Y. Zhang
    et al., “Anti-biofouling nh3 gas sensor based on reentrant thorny zno/graphene hybrid
    nanowalls,” Microsystems & Nanoengineering, vol. 6, no. 1, p. 41, 2020.
    [13] T. Hyodo, T. Hiura, K. Nagae, T. Ueda, and Y. Shimizu, “Effects of catalytic combustion behavior and adsorption/desorption properties on ethanol-sensing characteristics of adsorption/combustion-type gas sensors,” Journal of Asian Ceramic Societies, vol. 9, no. 3, pp. 1015–1030, 2021.
    [14] S. Müller, A. Zimina, R. Steininger, S. Flessau, J. Osswald, and J.-D. Grunwaldt, “High stability of rh oxide-based thermoresistive catalytic combustion sensors proven by operando x-ray absorption spectroscopy and x-ray diffraction,” ACS Sensors, vol. 5, no. 8, pp. 2486–2496, 2020.
    [15] T. Aldhafeeri, M.-K. Tran, R. Vrolyk, M. Pope, and M. Fowler, “A review of methane gas detection sensors: Recent developments and future perspectives,” Inventions, vol. 5, no. 3, p. 28, 2020.
    [16] P. Nebiker and R. Pleisch, “Photoacoustic gas detection for fire warning,” Fire Safety Journal, vol. 36, no. 2, pp. 173–180, 2001.
    [17] C. Massie, G. Stewart, G. McGregor, and J. R. Gilchrist, “Design of a portable optical sensor for methane gas detection,” Sensors and Actuators B: Chemical, vol. 113, no. 2, pp. 830–836, 2006.
    [18] S. O'keeffe, C. Fitzpatrick, and E. Lewis, “An optical fibre based ultra violet and visible absorption spectroscopy system for ozone concentration monitoring,” Sensors and Actuators B: Chemical, vol. 125, no. 2, pp. 372–378, 2007.
    [19] Y. Wang, S.-H. Fan, and S.-L. Wang, “Chemiluminescence determination of nitrogen
    oxide in air with a sequential injection method,” Analytica Chimica Acta, vol. 541, no. 1-2, pp. 129–134, 2005.
    [20] W. Zhang, F. Yang, J. Xu, C. Gu, and K. Zhou, “Sensitive carbon monoxide gas sensor based on chemiluminescence on nano-au/nd2o3–ca3nd2o6: Working condition optimization by response surface methodology,” ACS Omega, vol. 5, no. 32, pp. 20 034–
    20 041, 2020.
    [21] G. Dooly, E. Lewis, C. Fitzpatrick, and P. Chambers, “Low concentration monitoring of exhaust gases using a uv-based optical sensor,” IEEE Sensors Journal, vol. 7, no. 5, pp. 685–691, 2007.
    [22] A. Al-Jalal, W. Al-Basheer, K. Gasmi, and M. S. Romadhon, “Measurement of low concentrations of no2 gas by differential optical absorption spectroscopy method,” Measurement, vol. 146, pp. 613–617, 2019.
    [23] M. Sauer, J. Hofkens, and J. Enderlein, Handbook of fluorescence spectroscopy and imaging: from ensemble to single molecules. John Wiley & Sons, 2010.
    [24] U. Platt, D. Perner, A. M. Winer, G. W. Harris, and J. N. Pitts Jr, “Detection of no3 in the polluted troposphere by differential optical absorption,” Geophysical Research Letters, vol. 7, no. 1, pp. 89–92, 1980.
    [25] D. Perner and U. Platt, “Detection of nitrous acid in the atmosphere by differential optical absorption,” Geophysical Research Letters, vol. 6, no. 12, pp. 917–920, 1979.
    [26] U. Platt, D. Perner, and H. Pätz, “Simultaneous measurement of atmospheric ch2o, o3, and no2 by differential optical absorption,” Journal of Geophysical Research: Oceans, vol. 84, no. C10, pp. 6329–6335, 1979.
    [27] Leeds University, “Differential optical absorption spectroscopy (doas) research,” Online, [Accessed: July 2, 2023]. [Online]. Available: https://john-plane.leeds.ac.uk/research/lower-atmosphere/doas/
    [28] I.-F. Wang, “Development of micro spectrum analyzer for thin film thickness measurement based on optical interference,” Master’s Thesis, National Taiwan University of Science and Technology, Graduate Institute of Automation and Control, 2022.
    [29] H. Fu, Y. Jiang, J. Ding, J. Zhang, M. Zhang, Y. Zhu, and H. Li, “Zinc oxide nanoparticle incorporated graphene oxide as sensing coating for interferometric optical microfiber
    for ammonia gas detection,” Sensors and Actuators B: Chemical, vol. 254, pp. 239–247,
    2018.
    [30] J. Liu, Y. Sun, and X. Fan, “Highly versatile fiber-based optical fabry-pérot gas sensor,” Optics Express, vol. 17, no. 4, pp. 2731–2738, 2009.
    [31] X. Jiaqiang, C. Yuping, L. Yadong, and S. Jianian, “Gas sensing properties of zno nanorods prepared by hydrothermal method,” Journal of Materials Science, vol. 40,
    pp. 2919–2921, 2005.
    [32] H.-T. Wang, B. Kang, F. Ren, L. Tien, P. Sadik, D. Norton, S. Pearton, and J. Lin, “Hydrogen-selective sensing at room temperature with zno nanorods,” Applied Physics Letters, vol. 86, no. 24, p. 243503, 2005.
    [33] Z. Fan and J. G. Lu, “Gate-refreshable nanowire chemical sensors,” Applied Physics Letters, vol. 86, no. 12, p. 123510, 2005.
    [34] M. Liang and L.-H. Guo, “Application of nanomaterials in environmental analysis and monitoring,” Journal of Nanoscience and Nanotechnology, vol. 9, no. 4, pp. 2283–
    2289, 2009.
    [35] E. Comini, “Metal oxide nano-crystals for gas sensing,” Analytica Chimica Acta, vol. 568, no. 1-2, pp. 28–40, 2006.
    [36] K. Sawicka, A. Prasad, and P. Gouma, “Metal oxide nanowires for use in chemical
    sensing applications,” Sensor Letters, vol. 3, no. 1-2, pp. 31–35, 2005.
    [37] M. Takács, D. Zámbó, A. Deák, A. E. Pap, and C. Dücső, “Wo3 nano-rods sensitized
    with noble metal nano-particles for h2s sensing in the ppb range,” Materials Research
    Bulletin, vol. 84, pp. 480–485, 2016.
    [38] S. Li, P. Lin, L. Zhao, C. Wang, D. Liu, F. Liu, P. Sun, X. Liang, F. Liu, X. Yan et al., “The room temperature gas sensor based on polyaniline@ flower-like wo3 nanocomposites and flexible pet substrate for nh3 detection,” Sensors and Actuators B: Chemical, vol. 259, pp. 505–513, 2018.

    無法下載圖示 全文公開日期 2025/08/17 (校內網路)
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