雷射退火法改善鈉離子導體電解式二氧化碳感測器之研究

Abstract

化學感測器為微機電領域上的重要應用方向之一，而二氧化碳感測器對於室內空氣品質監控的應用日趨重要，電解質式二氧化碳感測器同時逐漸成為感測二氧化碳的主要方式之一。 本篇論文以微機電製程所製作之4 mm x 4 mm大小之感測器為主要研究元件，其包含碳酸鋰化合物 (Li2CO3) 為感測層、以及鈉超離子導體 (Na2Zr2Si2P3O12; NASICON) 為主要材料的電解質式二氧化碳感測器進行改良。在實驗過程中，設定一般之室內二氧化碳濃度以及對人體健康產生威脅之警戒濃度為主要的量測區間 (800~4500 ppm) ，以達到實用於室內二氧化碳濃度監控之目的。並以雷射退火法將感測器薄膜進行再結晶現象，透過改變鈉超離子導體之結晶邊界以及結晶大小，改善鈉超離子導體較為良好之導電性，因此獲得感測器解析度之改良效果。 在實驗結果中，將420 mJ之雷射能量、7雷射脈衝發數、1Hz脈衝頻率、第二次雷射退火之改良，以二氧化碳濃度區間1000~1700 ppm獲得39.62% 解析度之增加、以及1700~4500 ppm獲得103.38%解析度之增加為最佳實驗結果。並且在解析度獲得增加的同時，其數據之線性程度亦獲得增加。

This paper demonstrates the results of improvement of the sensor using laser annealing. A solid-state carbon dioxide (CO2) gas sensor based on NASICON solid electrolyte (Na2Zr2Si2P3O12) with a Li2CO3 auxiliary layer is fabricated by micromachining processes and the die size is 4 mm × 4 mm. In order to observe the sensor performance in the indoor CO2 concentration, the range of measurement of the CO2 concentration will be controlled in 700~4500 ppm. Re-crystalline by the heating of laser annealing changes the grain size and grain boundary of the NASICON layer, and the resolution of the sensor will be improved. There is the highest change of the sensor resolution when laser energy was controlled by 420 mJ, 1 Hz repetition rate, and 7 pulse number at the second time laser annealing. 39.62% resolution change in 1000~1700 ppm and 103.38% change in 1700~4500 ppm CO2 concentration can be observed.