硫化水素センサー

硫化水素（H2S）は、腐った卵を思わせる独特の悪臭を放つ有毒ガスです。^[1]俗称としては、下水ガス、悪臭ガス、沼ガス、肥料ガスなどがあります。^[2]このガスは、原油、天然ガス、温泉、特定の食品に自然に含まれています。自然界では、H2Sは、細菌の作用により、浄化槽や下水道で人や動物の排泄物などの有機物が分解される際に生じる一般的な副産物です。^[3]さらに、石油や天然ガスの採掘、精製、廃水処理、コークス炉、皮なめし工場、クラフト紙工場、埋立地などの活動や施設を通じて、工業的に大量に生産されています。^[4]

硫化水素センサーまたはH 2 _Sセンサーは、硫化水素を測定するためのガスセンサーです。^[5]

H ₂ S センサーは、スズ酸化物厚膜や金薄膜などの硫化水素に敏感な材料を使用したフィルム内の硫化水素の吸着と脱着によって引き起こされる抵抗の可逆的な変化によって動作する金属酸化物半導体(MOS) センサーです。電流応答時間は 25 ppb ～ 10 ppm で 1 分未満です。

MOS ベースのガス センサーにおけるガス検出の基本原理は、MOS の電気伝導率または抵抗率の変化に依存しています。MOS では、一般的な温度範囲と通常の大気条件下で動作し、大気中の酸素の存在により電子が枯渇した表面層が形成され、周囲の空気から酸素分子が吸着または化学吸着されます。最初に、表面層が空気にさらされると、O-2、O-、O2 などの酸素イオンが金属酸化物粒子に吸着され、バンド ベンディング効果と空間電荷場と呼ばれる空乏領域が生成されます。

特定のターゲットガス粒子が金属酸化物粒子の表面と接触すると、酸素アニオンと相互作用し、金属酸化物材料内の電子濃度が変化します。その結果、この変化によって導電性が変化し、定量化可能な電子応答信号が生成されます。金属酸化物ガスセンサーが採用する検出メカニズムは、表面へのイオンおよび種の吸着に関連しています。ガスセンサーが酸素にさらされると、吸着酸素粒子が形成され、酸素原子が金属酸化物の内部から電子を剥ぎ取ります。その後の一連の反応は、この吸着プロセスの速度論を示しています。

O2(ガス) ≒ O2 (吸収)、

O2(吸収)+e− ≡ O−2、(<100∘C)、

O−2+e−⇔2O− (100−300∘C)、

およびO−+e−⇔O2−(>300∘C)。

ガスセンサー上の化学吸着酸素イオンの組成は、動作温度に依存します。100 °C 未満の温度では O−2 イオンが優勢ですが、100 °C から 300 °C の範囲では O− イオンが優勢です。300 °C を超える温度では、化学吸着酸素イオンの優勢は O2− に変わります。

天然に存在する有害ガスは、酸化作用と還元作用に基づいて 2 つのグループに分類できます。NO2、NO、N2O、CO2 などのガスは酸化剤と見なされ、H2S、CO、NH3、CH4、SO2 は還元剤のカテゴリに分類されます。n 型 MO ガス センサーが酸化ガスにさらされると、ターゲット ガスは周囲の酸素イオンと相互作用し、センサーの表面で電子を捕獲します。この相互作用により、MOS 内の電子濃度が低下します。電子は n 型 MOS の主な電荷キャリアであるため、酸化ガスにさらされるとその伝導性が低下します。

対照的に、p 型 MOS ガスセンサーでは、正孔が主な電荷キャリアとして機能します。酸化ガスにさらされると、抽出された電子によって MOS 内の正孔濃度が増加します。その結果、酸化ガスの存在下では p 型 MOS の伝導性が増加します。図 1 は、n 型および p 型 MOS の検知メカニズムを示す概略図です。

このタイプのセンサーは、硫化水素の有毒性と腐食性のため、継続的に開発されてきました。

• H _{2 Sセンサーは}、燃料電池の水素供給ストリーム中の硫化水素を検出して触媒被毒を防ぎ、炭化水素燃料から硫黄を除去するために使用されるガードベッドの品質を測定するために使用されます。^[6] /-

• 2004年 - ナノ結晶SnO ₂ - Agセラミックウェーハセンサーが報告されました。^[7]

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