奈米孔洞氧化鋁與壓電陶瓷之複合結構在溼度感測上之表現

Abstract

在此實驗中，為了解決陶瓷濕度感測器缺乏可逆性的問題，著重於氧化鋁吸附水分子的能力是否會受試片振動而影響，使得氧化鋁在高溼度受振動情況下，得到與低溼度相似的性質。我們利用壓電陶瓷平板與奈米孔洞氧化鋁層式複合結構來達到此目的，藉由選擇此複合結構兩個不同邊界條件之共振頻率，進而使此模型產生振動，嘗試驅散附著在氧化鋁表面的水分子。實驗中所採用的奈米孔洞陽極氧化鋁其孔洞大小範圍約介於35奈米至65奈米之間，將其應用在濕度感測上之研究，將前述複合結構之邊界狀態分為兩類為試片四邊自由與試片四邊固定之邊界條件，分別將其以選擇的兩個共振頻率與更高的三個頻率(300 kHz、600 kHz及900 kHz)進行振動並量測其阻抗值。在相對濕度60%至相對濕度90%下，隨壓電共振頻率增加，在相同量測頻率下對應的阻抗值也隨之增加，此情形在低頻較明顯，此乃由於濕度感測機制在量測頻率為低頻及高頻時主導的機制不相同之原因，在低頻的量測頻率之下為離子積聚效應，吸附之水層與電極間之間的離子將會不均勻地分佈於電極和水層之間;在高頻的量測頻率之下為電荷傳輸機制，吸附於孔洞氧化鋁表面之電荷（H+/H3O+）可經由吸附的水層傳遞，溼度越高電荷傳遞越容易進而阻抗下降。此兩種機制共同組合成其溼度感測能力來源。當此複合結構振動而破壞表面吸附之水層，使得吸附之水層與電極之間的離子更不均勻分布，電荷傳遞更加困難，具體反應在柯爾圖(Cole-Cole plot)及波得圖(Bode plot)的量測頻率處於低頻時，阻抗有明顯增加的現象。以五個壓電振動頻率來看，以頻率300 kHz進行振動時造成的相同量測頻率得到的阻抗值增加最為明顯，而並非以此結構的共振頻率或最高的頻率900 kHz振動有最顯著效果。當此複合結構系統振動時連帶吸附的水層振動，當此水層達到一振動幅度最大的狀況，此現象類似於多個水分子與水分子之間鍵結的共振，能量最能有效地由水分子吸收，則可能造成的水分子之間鍵結的破壞最為顯著，使得吸附之水層與電極間之間的離子極不均勻分布，電荷的傳遞極為困難，在柯爾圖及波得圖上所表現出來的即是相同低量測頻率下阻抗值有最明顯變大趨勢。在適當的環境下，包含外加施予的振動頻率、所處的濕度範圍及量測頻率範圍，可使得在高濕度的振動情況下其濕度感測結果趨近於無振動時低濕度的結果。在此簡介一用以擬合之等效電路元件，稱之為恆定相元素(constant phase element, CPE)， 在實驗中其主要物理意義為電極與吸附水層間分布不均勻的情況，其主導的量測頻率範圍主要為低頻，通常為起始量測頻率(50 Hz)至1 kHz的範圍，CPE的影響劇烈表示介面間電荷不均勻分布情況嚴重，此為振動所造成的效果，當量測頻率來到高頻時，CPE影響變弱，因此兩者在高頻時有類似的重疊情形。最後在濕度感測敏性的結果可得知，使用低頻的量測頻率(200Hz~1 kHz)有較佳量測結果。