化學感測器

1-1.　化學感測器簡介與種類

化學感測器（Chemical sensors）[1-4]顧名思義是偵測各種化合物之各種感測器，或用化合物當辨識元以偵測光、電、熱、磁及放射線之各種感測器，而特別用來偵測各種生化物質之化學感測器特稱為生化感測器（Biosensors）。如圖1-1所示，化學感測器主要利用偵測化合物或待測物質（如中子及α、β粒子）之特性如質量／壓力，電化學，光感應，磁感應，與半導體作用力，生化特性及溫度／熱等變化，以推算樣品中各種待測化合物之含量（定量）與種類（定性）。用於偵測化合物之質量或壓力變化的化學感測器有壓電晶體感測器（Piezoelectric crystal sensors, PZ）及表面聲波感測器（Surface acoustic wave (SAW) sensors）。應用化合物電化學反應之化學感測器稱為電化學感測器（Electrochemical sensors）。利用化合物與半導體作用力之化學感測器稱為半導體感測器（Semiconductor sensors）。應用化合物光感應的化學感測器稱為光學感測器（Optical Sensors），而利用具有生化辨識物質偵測生化物質（如葡萄糖及抗體）或有關化合物之化學感測器稱為生化感測器（Biosensors）。利用化合物熱反應或偵測溫度之化學感測器稱為熱／溫度感測器（Thermal／Temperature sensors），以及偵測化合物磁性之磁化學感測器（Magnetic chemical sensors）。

化學感測器常用在現場偵測（Field detection）成為現場化學感測器，依現場不同，現場化學感測器如圖1-2所示，常見的有(1)環境汙染化學感測器（Chemical sensors for environmental pollution）以現場偵測環境中空氣及水質中之有機及無機汙染物，(2)醫學生化感測器（Medical biochemical sensors）以現場偵測病人之血液及身體中生化物質（如血氧，葡萄糖及抗體），(3)輻射化學感測器（Radiation chemical sensors）以用化學物質變化現場偵測各種輻射線（如α、β及γ射線）及中子，(4)溫度化學感測器以現場偵測化學物質溫度，(5)光及電磁波化學感測器以現場偵測環境中光波（如UV／VIS、IR及X光）及電磁波（如超音波及聲波），(6)毒氣化學感測器（Toxic chemical sensors）以現場偵測洩漏的煤氣與各種化學毒氣（如光氣和芥子氣），及(7)微化學感測器（Micro-chemical sensors）用微感測晶片以偵測危險環境（如原子爐及高溫環境）現場中之有害化學物質及放在病人體內外以現場偵測病人體內之生化物質含量。

1-2.　化學感測器基本結構與元件

本節將介紹一般化學感測器之基本結構並介紹其主要的元件如感測元件（Sensing element（含基板（Substrate）及辨識元（Recognition element）））、能轉換器（Transducer）或偵測器（Detector）、電流／電壓放大器（I/V Amplifier,如運算放大器度（OPA（Operational amplifier）））、類比／數位轉換器（Analog/Digital converters）及微電腦或單晶微電腦（One-chip microcomputer）輸入／輸出界面訊號收集及處理系統（Microcomputer I/O interfaces for signal acquisition and processing）。

1-2.1.　化學感測器基本結構

化學感測器主要包括感測元件（Sensing element）、能轉換器／偵測器（Transducer/Detector）、光／電源（Light source/Electric power）及訊號收集／數據處理／顯示（Signal acquisition/Data processing/Display）系統等四大部分。

如圖1-3所示，感測元件（Sensing element）主要含基板（Substrate）及辨識元（Recognition element）。感測元件之基板通常為晶片或電極，光纖及半導體所構成，而辨識元（如酵素及抗體）則是用來和待測物分子（如葡萄糖與抗原）結合以改變基板上之光強度或電壓或電流或振盪頻率，通常辨識元是附加在基板表面所塗的高分子膜（如PVC膜）或高感應膜（如壓電晶體膜）上面。

能轉換器／偵測器（Transducer/Detector）部分為偵測因待測物分子和辨識元結合所改變的光強度或電壓或電流或振盪頻率，能轉換器（Transducer）可將化學（如待測物濃度或重量）訊號轉換成光或電流／電壓／頻率訊號，或從一能量形式（如光能或熱能）先變成另一形式能量（如電流或電壓），然後再用一偵測器（如電流計或電位計）偵測此新的形式能量（如電壓）。能轉換器為化學感測器必要之偵測元件。能轉換器將在下一節中詳細介紹。

訊號／數據收集／顯示（Signal acquisition/Data processing/Display）系統則如圖1-3所示，包括訊號放大器（如電流／電壓放大器），顯示器，類比／數位轉換器（A/D），繼電器（Relay）及微電腦等部分。訊號放大器最常見的電流／電壓轉換放大器為運算放大器（Operational amplifier, OPA），可將電壓訊號放大或將電流訊號轉換放大成電壓訊號。圖1-3之DP1~DP3分別為電流，電壓及數位／影像顯示器。類比／數位轉換器（A/D）可為類比－數位轉換器（ADC（Analog/Digital converter））將化學感測器電流／電壓轉換放大器出來的電壓類比訊號轉換成可輸入微電腦中做數據處理之數位訊號，亦可為微電腦控制感測器之數位-類比轉換器（DAC（Digital/Analog converter））以將電腦數位指令轉成類比電壓以控制感測器。

繼電器（Relay）為一選擇性系統，常見在化學感測器中，如圖1-3中電壓訊號要進入A／D轉換器或電壓顯示器就可用繼電器來控制，而微電腦可用來控制繼電器，繼電器在多頻道化學感測器中常做頻道選擇之用。因運算放大器（OPA），類比／數位轉換器（A/D）及繼電器（Relay）幾乎在各種化學感測器中都可見，故在本節1-2.3至1-2.5小節分別介紹此三元件。而微電腦在化學感測器中為縮小其體積常用單晶微電腦（One-chip microcomputer）。在本章1-3節將簡單介紹現在常用之單晶微電腦。

1-1.　化學感測器簡介與種類

化學感測器（Chemical sensors）[1-4]顧名思義是偵測各種化合物之各種感測器，或用化合物當辨識元以偵測光、電、熱、磁及放射線之各種感測器，而特別用來偵測各種生化物質之化學感測器特稱為生化感測器（Biosensors）。如圖1-1所示，化學感測器主要利用偵測化合物或待測物質（如中子及α、β粒子）之特性如質量／壓力，電化學，光感應，磁感應，與半導體作用力，生化特性及溫度／熱等變化，以推算樣品中各種待測化合物之含量（定量）與種類（定性）。用於偵測化合物之質量或壓力變化的化學感測器有壓電晶體感...

第一章　化學感測器導論
1-1. 化學感測器簡介與種類
1-2. 化學感測器基本結構與元件
1-3. 單晶微電腦
1-4. 微電腦輸入／輸出界面訊號收集及處理系統
1-5. 化學感測器市場及發展
第二章　壓電晶體化學感測器-質量感測器(I)
2-1. 質量感測器與壓電晶體簡介
2-2. 壓電晶體化學感測器簡介
2-3. 氣體壓電晶體感測器
2-4. 液體壓電晶體感測器
2-5. 多頻道壓電晶體感測器及電腦物種分析法
2-6. 電化學石英壓電晶體微天平感測器（EQCM Sensor）
第三章　表面聲波化學感測器-質量感測器（II）
3-1. 聲波及聲波感測器簡介
3-2. 表面聲波化學感測器簡介
3-3. 表面聲波氣體感測器
3-4. 液體表面聲波化學感測器
3-5. 多頻道表面聲波化學感測器及SAW電腦物種分析法
第四章　光化學感測器
4-1. 光化學感測器及光偵測器簡介
4-2. 光纖化學感測器
4-3. 紅外線衰減全反射化學感測器
4-4. 液晶及物質呈色光化學感測器
4-5. 螢光化學感測器
4-6. X光化學感測器
4-7. 雷射光源和雷射光化學感測器
4-8. 煙霧光化學感測器
4-9. 化學發光化學感測器191
第五章　電化學感測器
5-1. 電化學感測器簡介
5-2. 電位式電化學感測器
5-3. 電流式電化學感測器
5-4. 電阻式化學感測器
5-5. 導電式化學感測器
5-6. 電容式化學感測器
第六章　半導體化學感測器
6-1. 半導體與半導體化學感測器簡介
6-2. 金屬氧化物半導體化學感測器
6-3. 非金屬氧化物半導體化學感測器
6-4. 二極體感測器
6-5. 電晶體感測器
第七章　表面電漿共振感測器
7-1. 表面電漿共振波
7-2. 表面電漿共振感測器結構及應用
7-3. 表面電漿共振生化感測器264
第八章　生化生物感測器
8-1. 生化感測器簡介
8-2. 酵素催化型生化感測器
8-3. 免疫親合型生化感測器
8-4. 非酵素／非免疫型生化感測器
8-5. 熱生化感測器
8-6. 非侵入式生化感測器
第九章　熱化學感測器
9-1. 熱化學感測器簡介
9-2. 熱電偶／熱電堆溫度感測器
9-3. 熱阻體溫度感測器
9-4. 電阻式溫度感測器
9-5. 半導體IC晶片溫度感測器
9-6. 光纖溫度感測器
9-7. 紅外線溫度感測器
9-8. 熱敏化學感測器
第十章　磁化學感測器和磁感測器
10-1. 磁性物質
10-2. 磁感測器
10-3. 磁化學感測器
10-4. 超導量子干涉磁感測元件
第十一章　環境汙染現場化學感測器
11-1. 環境汙染簡介
11-2. 空氣汙染現場化學感測器
11-3. 水汙染現場化學感測器
11-4. 強毒性有機汙染物生物感測器
第十二章　毒氣現場化學感測器
12-1. 毒氣簡介
12-2. 光氣現場感測器
12-3. 芥子氣現場感測器
12-4. 神經毒氣現場感測器
12-5. 橙劑（落葉）毒氣現場感測器
12-6. 半導體瓦斯（煤氣）感測器
12-7. 可攜式多種毒氣感測器
第十三章　核輻射化學感測器
13-1. 核輻射簡介
13-2. 氣體離子化放射線感測器
13-3. 放射線閃爍偵測器
13-4. 放射線半導體偵測器
13-5. 放射線劑量計
13-6. 中子化學感測器
13-7. 微中子／正子閃爍偵測器
第十四章　微機電及微化學／生化感測器晶片
14-1. 微機電技術（MEMS）及微晶片簡介
14-2. 化學感測器晶片
14-3. 生化感測器晶片
第十五章　奈米晶體化學感測器
15-1. 奈米晶體及量子點簡介
15-2. 奈米晶體氣體化學感測器
15-3. 奈米晶體離子化學感測器
15-4. 奈米晶體生化感測器
參考文獻
索引

第一章　化學感測器導論
1-1. 化學感測器簡介與種類
1-2. 化學感測器基本結構與元件
1-3. 單晶微電腦
1-4. 微電腦輸入／輸出界面訊號收集及處理系統
1-5. 化學感測器市場及發展
第二章　壓電晶體化學感測器-質量感測器(I)
2-1. 質量感測器與壓電晶體簡介
2-2. 壓電晶體化學感測器簡介
2-3. 氣體壓電晶體感測器
2-4. 液體壓電晶體感測器
2-5. 多頻道壓電晶體感測器及電腦物種分析法
2-6. 電化學石英壓電晶體微天平感測器（EQCM Sensor）
第三章　表面聲波化學感測器-質量感測器（II）
3-1. 聲波及聲波感測器簡介
3-2. 表面...