根本化学NAP-50A 分析报告.PDF

技术机密，控制传播       根本化学 NAP-50A 分析报告 逆向分析无法检测乙炔气体的原因  郑锐   | 2014年10月25日  1. 金属氧化物半导体气体传感器检测甲烷的工作原理 金属氧化物半导体气体传感器（Metal Oxide Semiconductor gas sensor）是由日本科 学家青山哲郎（Seiyama）和田口尚义（Taguchi）于 1962 年发明的。田口尚义创立的 Figaro Gas Sensors 费加罗公司，生产的 （Taguchi Gas Sensor, TGS）半导体气敏传感器是 该领域全球最大的供应商。 金属半导体氧化物（MOS）材料做成的气敏检测元件的检测原理是：在一定条件（温度） 下，被测气体到达半导体表面，与吸附在半导体表面的氧，发生化学反应的过程中伴随电荷转 移，引起半导体电阻的变化，通过测量半导体电阻的变化实现对气体的检测。 甲烷是特别稳定的四面体结构，碳氢键能为 412.5kJ/mol，破坏碳氢键需要很大能量，正 常情况下，甲烷气体除燃烧外不易发生其他化学反应。SnO2 是一种宽隙的 N 型半导体，简单 来说即是容易向外部贡献电子的材料，吸附氧在 SnO - 材料表面被氧化为 O (ad)，O (ad)， 2 2 O2-(ad)三种吸附态，如图 1 所示。 图 1. 吸附氧在 SnO2 材料表面被氧化原理图 该过程吸附了表层材料导带内的电子，使载流子浓度变小，耗尽层增加，导电性下降，传 感元件的电阻值较大；当材料暴露在甲烷中时，甲烷将于材料表面的吸附氧反应，使表面的氧 浓度降低，被吸附的电子又被释放回导带中使导带性上升。高温时，甲烷还会进一步和 SnO2 材料内部的晶格氧发生反应，生成 CO2 和水蒸气，以及中间体 CH 或 CH O，新形成的表面 n n 氧空位成为施主而失去电子，表面势垒降低，通过导带供出电子，使材料导电性进一步上升， 传感元件的电阻值显著降低，电阻的变化量与甲烷的浓度直接相关。 为保证传感元件的电阻值显著变化，即传感器有足够灵敏度，一般有三种处理方法： 1) 将 SnO2 材料做成表面接触面积最大的多孔氧化物层，使表面反应造成电阻变化最大； 页 1  2) 将传感器运行在“热”状态，使甲烷和 SnO2 材料内部的晶格氧发生反应，这对提高 反应速率和降低湿度的干扰也是必须的； 3) 采用掺杂催化剂来增强对甲烷的灵敏度，选择性以及稳定性。掺杂贵金属 Pd 和 Pt 能 够提高 SnO 检测甲烷的灵敏度，原因是 SnO 表面吸附的 O2-(ad)随温度上升而逐渐 2 2 脱离，温度高于 170℃后，吸附量显著减少。若材料中掺杂了氯化钯（PdCl2 ），则 Pd2+将起到“储存点”的作用，不断向材料表面提供 O2-(ad)，提高元件灵敏度。而 Pt 则会促进氢和氧的分解，增加 O2-(ad)浓度，加快反应速率。