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國立聯合大學電資學院

金腦獎參賽作品

主題名稱

以單晶片實現循環伒安儀

參賽者：吳漢寧、廖國宏、高嘉言

指導教授：賴瑞麟

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目錄

第一章 研究背景、動機與目的 ...........................................錯誤! 尚未定義書籤。

1-1 研究背景 ..................................................................................................... 3

1-2 研究動機與目的 .......................................................................................... 3

1-3 研究現況 ..................................................................................................... 4

1-4 研究貢獻 ..................................................................................................... 4

第二章 文獻探討 ..................................................................錯誤! 尚未定義書籤。

第三章 研究流程 ..................................................................錯誤! 尚未定義書籤。

3-1 系統方塊圖 ................................................................................................ 6

3-2 Zigbee 介紹 .................................................................................................. 8

3-3 實驗材料 .................................................................................................. 10

3-4 實驗方法與步驟 ....................................................................................... 11

第四章 研究內容 ..................................................................錯誤! 尚未定義書籤。

4-1 讀出電路設計 .......................................................................................... 13

4-2 電源電路設計 ........................................................................................... 14

4-3 Zigbee 與 MCU 系統 ................................................................................. 16

4-4 循環伒特安培法(Cyclic Voltammetry, CV) ................................................. 17

第五章 結論與建議 ................................................................................................. 6

5-1 結論 .......................................................................................................... 19

5-2 未來展望 .................................................................................................. 19

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第一章 研究背景、動機與目的

1-1 研究背景

電化學是一門研究電和化學反應的科學。其中包含電解質與電極

的研究，也就是電極和電解質界面上的電化學行為。一般認為電化學

乃起源於 1791 年伽伐尼發表"動物電"現象後，到了十九世紀下半葉，

Nernst 又導出了參與電極反應的物質濃度和電極電勢間的關係式，即

著名的 Nernst 公式。1923 年德拜和休克爾提出強電解質稀溶液靜電

理論，更大大促進了電化學在理論探討和實驗方法方面的發展。在電

化學中，以應用電化學原理所延伸的各種電化學分析法，更是重要的

分析方法。其反應的進行，可於三元電解槽系統中進行。所謂三元電

極即指工作電極、輔助電極與參考電極。

1-2 研究動機與目的

在目前日常生活中，我們隨處可見各種化學檢測來幫助我們了解

待測物的資訊，如水質檢測、電解質溶液檢以及血糖濃度檢測。在學

術上將它稱為分析化學，在分析化學中有許許多多的檢測方法，其中

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有一門重要的方法是為電化學分析，電化學分析可以做醣類分析、胺

基酸分析以及重金屬分析等等。

1-3 研究現況

關於循環伒安儀，學術界方面有許多研究也是從事進行循環伒安

的研製與改良，或者是以電化學分析法去分析各種物質，藉以瞭解其

特性。循環伒安儀已經到達商用等級，國內外廠商均有生產，供各個

單位進行研究。但商用循環伒安儀價格昂貴，體積較大難以移動，小

型可攜式的循環伒安儀有其需求性。

1-4 研究貢獻

本研究的主要貢獻為將以往傳統的循環伒安儀的缺點，如體積龐

大、價格昂貴等等，給予改善，利用自製的讀出電路與電源模組將體

積大幅度地縮小，如此一來，將系統的可攜性提高許多。而以上元件

的價格總和相較於傳統的循環伒安儀也低廉許多。在軟體方面，使用

NI 公司的 Labview 軟體來設計人機介面與程式，給予使用者相當的便

利性。

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第二章 文獻探討

1.” 吳宗桓, “應用於生化成測器之可攜帶循環伒安式恆電位儀設計與實現,”國立台南大學, 2009.”。

「在”訊號擷取”與”感測物質”之間有做不同的更換；在”訊號擷取”部

分，我們採用”zigbee”作為與 PC 之間的傳輸，而在”感測物質”部分，

我們感測物為” 磷酸鹽緩衝溶液(PBS)”、”葡萄糖溶液”、” 尿酸”。」

2.”曾琬婷, “鎳大環錯鹽聚合膜修飾電極應用於燃料電池之觸媒特性研究” 國立台南師範學院, 2009.

「在此論文中，多次提及”在現性”與”穩定度”，讓學生在設想實驗時；

對於這兩點，在”資料數據擷取比對”、與”時間紀錄前後差異性”之

中，有更加警慎」。

3. 簡裕峰, 羅筠然, “利用電化學合成P 型半導體--碘化銅(CuI)光感測器的製作,” 臺灣國際科學展覽會, 2004.

「此論文中有介紹許多的化學製程方法，雖本論文之化學藥劑並無利

用此論文方法中的方式來製作，但以後也可從此方向發展，並且在製

程上的想法也可以自行加以改造，讓學生在化學製成方向上，有比較

大略的思考。」

4. 郭豔如, “可拋棄式奈米白金碳墨修飾電極電化學偵測之研究,” 國立交通大學, 2009.

「”碳墨電極的印刷方式”與”干擾物的測試”，在”干擾物測試”因目前

無此需求，但之後可以在這方面實驗做嘗試，而碳墨電極方面的知

識，讓本實驗順利的往此方面前進。」

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第三章 研究流程

3-1 系統方塊圖

本系統主要區分為六個部份，分別為量測溶液、電極、讀出電路、

電源電路、資料擷取模組、人機介面。在系統中我們可以區分兩個主

要類別，前端和後端，前端包含量測溶液、電極、讀出和電源電路，

後端則是資料擷取模組與人機介面這兩個部份。在前端的量測溶液為

系統要測試的反應物，本研究以葡萄糖(Glucose 200mg/dL)、水(RO

H2O)、緩衝溶液(PBS pH=7.2)作為反應物。電極方面使用碳電極，其

中包含了輔助電極、參考電極以及工作電極。讀出電路為自行設計之

訊號處理電路，可以將訊號傳送至工作電極上並從中擷取反應後的訊

號。在電源模組方面，採用 MEANWELL 的直流交換式電源供應器搭

配穩壓 IC NS LM317 與 NS LM337 的電源電路提供讀出電路所需之電

壓。。最後在人機介面上利用 NI Labview 軟體設計的前置面板和程式。

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圖 3-1 系統架構圖

3-2 Zigbee 介紹

ZIGBEE 與其他規格之比較

ZigBee 是一種新的短距離無線通訊標準，具有感測器、設備、資產追蹤設備的資料

通訊方法的技術標準。可以運用電池進行供電之用，並提供設備的低資料傳輸率和低負

載週期管理，提供構建可靠但成本可承受的網路骨幹，的確是最適用於無線感測網路的

技術。不過，尚有其它業者及組織也相繼提出與之相仿的訴求標準，包括：極為簡化架

構、成本更為便宜的 Z- Wave，以及經由 Bluetooth 技術所發展出來的 Bluetooth Lite 架

構。

因為無線感測器網路尚處於起飛階段，在真正具有主流趨勢的標準還確定之前，各家廠

商仍有機會競爭以自有標準一較高下。然而也因為目前 ZigBee 無法滿足無線感測網路

領域涵蓋各個層面的多樣化需求且應用範圍太廣，不太容易以單一標準適用於所有類型

的空間環境，因此有可能在短期之內，無線感測網路領域仍舊保持多種標準並用並存的

狀態。以下表 5 為目前三大規格之比較。

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ZIGBEE 系統應用發展

ZigBee 無線感測網路的應用範圍非常廣闊，例如:

（1）氣象環境監測，如大氣壓力量測等[20] 。

（2）農漁牧業相關監測，如土壤濕度等 [19][20][21] 。

（3）水表、電表及瓦斯量表的量測[22] 。

（4）門禁安全監控[23]。

（5）人體心跳、溫度及血壓等監測[24]。

（6）環境光度、溫度及濕度等監測[18][19][20][21]。

（7）照明或其他家電開關控制[18]。

（8）企業及工廠環境監控[26]。

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3-3 實驗材料

市售血糖式片

以市售的血糖試片中的兩個碳電極作為參考電極和工作電極，如

圖 4-1 我們已試片下方較粗的為工作電極，較細的為參考電極。

圖 4-1 網印碳電極

磷酸鹽緩衝溶液(PBS)

在本實驗中我們以磷酸鹽來配置緩衝溶液，分別有 PH=4、

PH=7.4、PH=8 去進行掃描，藉以觀察不同的結果。

葡萄糖溶液

葡萄糖溶液可模擬人類血液中的血糖，對於糖尿病患者，可以幫

助血糖濃度分析，我們是以 200mg/dl 的濃度去做掃描。

尿酸

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尿酸是一種含有碳、氮、氧、氫的雜環化合物，為人體的生理參

數之一，我們希望透過各種電化學分析的掃描，來了解尿酸的特性。

3-4 實驗方法與步驟

在開始實驗之前，我們必須確定整個系統是有搭起來的，必須注

意是否有:

1. MEANWELL 的直流交換式電源供應器連接至 LM317&LM337 電源

電路上。

2. 將 LM317&LM337 電源電路調節至讀出電路所需的電壓後，連結至

讀出電路上。

3. 將讀出電路連接至試片的轉接頭上並插入試片。

4. 將讀出電路上訊號輸入端連接至 MCU 的訊號輸出端。

5. 將讀出電路上訊號輸出端連接至 Zigbee 的訊號輸入端。

6. 檢查 PC 的 R232 是否正常運作。

確定以上步驟沒有問題後，即可開始實驗。

http://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E7%A2%B3http://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E6%B0%AEhttp://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E6%B0%A7http://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E6%B0%ABhttp://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E6%9D%82%E7%8E%AF%E5%8C%96%E5%90%88%E7%89%A9

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實驗步驟主要有二:

1. 將所需量測的溶液滴入試片當中。

2. 開啟 Zigbee

在程式開始執行後，訊號便會藉由 MCU並透過讀出電路傳送到工作

電極上，使其與待測物產生反應。同時，在另一方面，讀出電路也會

將截取到的訊號經由 Zigbeer經 RS232 傳回 PC 上，使用者可以觀察到

電化學反應後的變化。

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第四章 研究內容

4-1 讀出電路設計

讀出電路其主要功能為提供電極適當工作條件，並將訊號擷取

出來，設計上以簡潔扼要為重點，圖 5 中共有四個運算放大器，分

別是控制放大器(control amplifier, CA)、OPA 減法器、OPA 緩衝器

(OPA buffer)與轉阻放大器(transimpedance amplifier, TIA)。透過虛短

路特性使控制放大器提供工作電位給於工作電極，並提供電流路徑給

於輔助電極使其與工作電極形成迴路。由於參考電極接在緩衝器之輸

入端，運算放大器所輸入阻抗無窮大，故而不會有電流流過參考電

極，確保不因此而影響到參考準位，參考電極則透過 OPA 虛短路與

大地電位同步。OPA 減法器則是為了無法輸出負電壓的關係，而循環

伒安法須在負電位與正電位之間來回掃描，所以先將掃描訊號提升準

位，在使用 OPA 減法器將正電壓位移至需要的準位。透過此電路可

以在電極與溶液上得到與循環伒安儀上相同之掃描訊號，並且以固定

放大倍率將訊號轉換進入後端進行訊號分析。

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圖 3-2 讀出電路示意圖

4-2 電源電路設計

本電源電路主要是採用LM317&LM337三端子可調整穩壓 IC。

LM117/LM317 的輸出電壓範圍是 1.2V 至 37V，負載電流最大為

1.5A。它的使用非常簡單，僅需兩個外接電阻來設置輸出電壓。此外

它的線性調整率和負載調整率也比標準的固定穩壓器好。

LM117/LM317 內置有過載保護、安全區保護等多種保護電路。通常

LM117/LM317 不需要外接電容，除非輸入濾波電容到 LM117/LM317

輸入端的連線超過 6 英寸（約 15 公分）。使用輸出電容能改變瞬

間反應速率。調整端使用濾波電容能得到比標準

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三端穩壓器高的多的漣波抑制比。LM117/LM317 夠有許多特殊的用

法。比如把調整端懸浮到一個較高的電壓上，可以用來調節高達數百

伒的電壓，只要輸入輸出電壓差不超過 LM117/LM317 的極限就可以

了。當然還要避免輸出端短路。另外也可以把調整端接到一個可程式

的電壓上，實現可程式的電源輸出。

圖 3-3 LM317 正電源電路

圖 3-4 LM337 負電源電路

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4-3 Zigbee 與 MCU 系統

在本系統中我們使用 MCU控制 DA轉換器，將數位訊號轉換成類比

訊號，接著將訊號傳送至讀出電路控制 RE、CE上的電位，接著在試

片上滴上待測溶液，此時 控制迴路形成，當掃描電位到達其反應臨

界點時，將會有相對於溶液濃度的電流產生，此時訊號透過讀出電路

上的放大電路進行訊號放大，並透過 MCU將訊號進行 讀取，接著將

其訊號轉換成通訊格式透過 Zigbee進行無線傳輸，接著使用另一個

Zigbee進行無線接收，透過電腦端的軟體界面將資料進行解碼並於人

機 界面上顯示長期趨勢。

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4-4 循環伒特安培法(Cyclic Voltammetry, CV)

在循環伒安法中，是指將在未攪動的溶液中的靜態工作電極

(Workingelectrode)加一線性電位掃瞄所組成，以一個三角波型式的電

位所激發。這個循環的激發電位會重複好幾次，在轉向發生時的電位

稱之切換電位。一個實驗中選用的切換電位範圍，是取一個或多個分

析物，由擴散控制的氧化或還原所發生之處。隨分析物組成的不同，

初始掃描的方向可以如所示之負的或是正的，往更負電位的掃描稱之

為前掃瞄，而當往相反方向掃描時，則稱之為逆掃描。循環伒安法具

有的實驗比較簡單，可以得到的訊息數據較多，並且可以進行理論方

面的研討等特點。它是電化學測量中經常使用的一種重要方法。在研

討電化學特性時，最初所使用的方法往往是循環伒安法。在循環伒特

安培法中，重要的參數有:陰極波峰電位(Epc)，陽極波峰電位(Epa)，

陰極波峰電流(Ipc)，陽極波峰電流(Ipa)。對一個可逆的電極反應，陽

極和陰極波峰電流大約會相等，而波峰電位的差值為 0.0592/n，此處

n 為是所参與半反應中的電子數。圖 2-9 為典型可逆氧化還原的循環

伒安圖，由圖上顯示初始電位為掃描方向是往正電位前進，當掃描一

開始後會產生一微小的陽極電位，當電位掃描至 b 點時因為陽極發生

氧化反應，所以陽極電流快速增加到 c 點，此時有一氧化電位 Epa。

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在 d 點時轉換掃描方向朝負電位進行逆掃描，此時發生陰極的還原反

應，所以在 f 點時有一還原電位 Epc。

圖 2-9 典型的循環伒安圖(CV 圖)

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第五章 結果與討論

5-1 結論

綜合理論與結果，本研究實現了一簡易型可攜電化學分析儀，並

驗證了其功能性，惜因設備精度關係，部分結果未盡完善，也由於未

能以高價電化學分析儀掃描成果進行比來能校準系統。除持續改良缺

點外，未來仍可朝向多功能與增進分析性、縮小體積與使用方便性等

方向持續研究，以期能提供低價物美的方案，協助生醫感測元件的研

製。

5-2 未來展望

本研究仍然有許多發展性，未來希望依然能夠朝向以低價格，體

積小這個方向努力，並繼續提高精準度，以期望達到不亞於高價電化

學分析儀的成果。在具體方面，初步規劃以 MCU 作為基礎，去做各

種量測訊號的運算以及輸入輸出，希望達到更為精準的效果，並能夠

搭配良好的人機介面與程式，給使用者帶來便利。