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胡森瑞 12/20/2017 M.E.M.S.

甲烷感測器 氣體感測器的在日常生活中正漸漸普及,但由於甲烷仍是一種危險且不穩 定的工業氣體,氣體感測器的需求在工業建設以及類似的高危險環境逐漸的提 高了。甲烷是一種無色無味的氣體,且在室溫環境下,甲烷只要達到 50,000 ppm 就會燃燒。

Methane Molecular Level

Methane Sources

在這種情況下,氣體感測器就成了一個安全工作環境的重要設備。為了適應各 式各樣的工作環境,每個氣體感測器的材質、作工、以及敏感度都會有些微的 改良。不過,幸運的是,基本的氣體傳感器能輕易的被製造並適應各式環境。 兩篇於近期發表的文章曾在 IEEE Sensors Journal 上對兩種不同材質的傳感器做 了比較;他們分別是 Suleyman Ozcelik 以及他的同仁所著作的 “Titanium Dioxide Thin Films as Methane Gas Sensors”(二氧化鈦薄膜製成的甲烷感測器)還有 Ali Mosahebfard 及其同仁所著作的”High Sensitive, Room Temperature Methane Gas Sensor Based on Lead Sulfide Colloidal Nanocrystals” (硫化鉛膠體奈米結晶製成的 高敏感度室溫甲烷感測器)。在這兩篇文章裡,作者們均認為更加有效且適用於 低溫的感測器非常的重要,也對這個問題的解決方式提出了不同的見解,為未 來的研究提供了堅固的墊腳石。以下的文章將會針對上述的兩篇文章做出比 較,藉此加強讀著們對於甲烷傳感器的理解。


硫化鉛製的傳感器主要是以大約四十奈米大小的膠體奈米晶體和量子點來 運行。一般來說,感測器都是用二氧化錫或氧化鋅製成。這些傳感器不但成本 低且高度敏感,但是只能用於大約 60 度或以上的高溫環境。與此比較,硫化鉛 奈米晶體的結構比起一般的材質更佳。像這種的膠體奈米產品通常都是用在太 陽能電池、LED、和鐳射器裡;換言之,這是膠體奈米晶體第一次被用在感應器 體上。

Colloidal Nanocrystal Structure

Real Colloidal Nanocrystal

這種的感測器的製作程序並不需要使用昂貴的 C.V.D.(化學氣相沉積)技術。 由於感測器的敏感度取決於它對電流的阻力,電路的極性並不會影響感測器的 敏感度。在製作的過程中,硫化鈉和硝酸鉛會在 2-巰基乙醇的幫助下溶解在離 子水裡,且在這個階段只有純氮氣會用於抑制氧化。接著,硫化鉛將會被滴鑄 在電路板上,並以氣流通於大約三百奈米寬的電路通道。然後,這個電路板將 會在 X 光繞射以及其他檢驗程序下進行品質測驗。經過測試後的傳感器成品將 能檢測包含甲烷、氧氣、乙醇、和一氧化碳的多種氣體,同時也能在更複雜的 環境下經過以下的化學反應檢測甲烷氣體: 𝐶𝐻4 + 2𝑂2− → 𝐶𝑂2 + 2𝐻2 𝑂 + 2𝑒 −


在室溫(攝氏 20 度)下,這種傳感器能感應到 10,000 ppm 的甲烷濃度,並且 會在溫度提升的同時變得更加敏感。在研發開始的時候,初代的感測器有 46.7%的檢測率,而經過了三個月的測試,感測器的誤差率也成功地下降到了 3%。不過,在高於約攝氏 80 度的

Sub-straight Layout

Detection Rate of Other Gases

環境下,感測器的效能將會開始上升。總而言之,這種感測器的製作方法成功 的做出了能適用於低溫的甲烷感測器,最重要的是,這種方法完全不需要用到 而昂貴的 C.V.D.技術。 與此同時,使用二氧化鈦製作感測器的研究團體也向著降低成本和提升效能的 目標努力著。由於二氧化鈦有著非常低的電阻率和驅動功率,它能夠輕易地感 應到低濃度的甲烷。基於這種對甲烷的高敏感性,二氧化鈦常被用於製作氣體 感應及電子光學方面的儀器。除了甲烷,傳感器也能感應到一氧化碳、乙醇、 和氧氣等氣體,但是由於這些氣體的濃度一般來說非常的低,所以會在反應期 間被


Grain Size vs Temperature

Surface Roughness Visualization

在製作這種傳感器的過程中,二氧化鈦會先以磁控濺射技術在高氬環境下被製 作成 n 型反應物的薄膜。在濺射過程中,感應板會被放置於 45 度角的斜面上並 以每分鐘 5 圈的頻率旋轉,藉此保證二氧化鈦能平均的覆蓋整個感應板。接 著,X 光射線將被用於檢測薄膜的品質。再來,感應膜板會依其感應度被擴張 或縮小,用改變接觸面積的方式調整膜板的敏感度。氧化金屬膜的電阻率會因 二氧化鈦的粒徑大小而改變;換言之,溫度越低,二氧化鈦的粒徑越大,膜板 的電阻率越低。在這個實驗中,相關膜板溫度係數的數據是從攝氏 500 度逐漸 下降到 100 度的環境下採集的:溫度越高,膜板越粗糙,且降低了膜板的敏感 度。接著,白金將會作為迴路的連結器被鑲嵌到感應器上。經過測試,這種高 度壓縮的膜板並未在變溫情況下碎裂,而且能在攝氏 50 度的環境下檢測到 16% 濃度的甲烷。在攝氏 200 度的環境下,這種感測器在檢測甲烷時有高達 96%的 準確率。同時,Ozcelik 的研究團隊還特別強調,這種傳感器經過高度變溫後僅 需兩分鐘的時間便能恢復正常。Ozcelik 的團隊認為,在未來的幾年,這種高使 用壽命且穩定的二氧化鈦傳感器將會助長傳感器的普及。


Temperature vs. Gas Concentration

Sensitivity vs. Temperature

上述的兩個研究都為了提升傳感器的效能和降低成本做出了不同的解釋。 不過,雖然他們使用了不同的技術和材料,最終的產品卻都是使用高密度反應 物的膜板來偵測甲烷。硫化鉛製傳感器的技術所使用的是一種已知技術的再利 用,同時也是硫化鉛奈米晶體第一次被用於感應器的製作。而二氧化鈦製傳感 器則是對現有的傳感器進行改良,但仍需依賴甲烷和氧氣間的反應和它們產生 的電子來觸發迴路。二氧化鈦傳感器是使用傳統的濺射技術製造的,而硫化鉛 則是使用一種純化學的製作技巧所做成的,因此大幅降低製作成本。硫化鉛傳 感器能在室溫感應到濃度達到 10,000 ppm 的甲烷;反之,二氧化鈦感測器能在 攝氏 50 度的高溫環境下感測到 100-1000 ppm 的甲烷。由於硫化鉛感測器的感 應度在攝氏 40 度以上幾乎沒有用處,我們可以合理的認為硫化鉛感測器較為適 合一般家用,而適用於各種溫度的環境的二氧化鈦傳感器則更適合複雜且高危 險的工業環境。這兩種傳感器都是屬於低成本,高效能的儀器。雖然我們目前 還不能預測哪一種材質製作的傳感器會對市場產生比較大的影響,但無庸置疑 的是,這兩種傳感器的研究都對科學的發展做出了重大的貢獻。


Works Cited

Comert, B., Akin, N., Donmez, M., Saglam, S., & Ozcelik, S. (2016). Titanium Dioxide Thin Films as Methane Gas Sensors. IEEE Sensors Journal, 16(24), 8890-8896. doi:10.1109/jsen.2016.2619860

Mosahebfard, A., Jahromi, H. D., & Sheikhi, M. H. (2016). Highly Sensitive, Room Temperature Methane Gas Sensor Based on Lead Sulfide Colloidal Nanocrystals. IEEE Sensors Journal, 16(11), 4174-4179. doi:10.1109/jsen.2016.2546966

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