Studier av MISiCFET-gassensorers detektionsmekanism

Forskningsprojekt, 2006 – 2008

Fälteffektsensorer med katalytiska metallstyren, MISiCFET-sensorer, baserade på kisel och kiselkarbid har kommersialiserats som läcksöknings-instrument och i s.k. elektroniska näsor. Kiselkarbidbaserade MISiCFET-sensorer kan användas vid höga temperaturer och i korrosiva miljöer. Dessa testas för närvarande inom kompetenscentret S-SENCE vid Linköpings universitet i projekt tillsammans med bilindustrin (Volvo Technology, Volvo Cars samt Ford) för styrning av SCR, (selektiv katalytisk reduktion av kväveoxider med ammoniak), och som en kallstartsensor som tål vattenstänk, vilket bildas i avgaserna vid kallstart. Vidare testas kiselkarbidsensorerna för styrning och reglering av mindre värmepannor där dagens instrument är för dyra (tillsammans med Vattenfall, Nibe och Applied Sensor). Dessa applikationer ställer höga krav på sensorerna: hög känslighet (t.ex. < 10 ppm av NH3 och NO), hög selektivitet (t.ex. detektion av endast NH3 i dieselavgaser som också innehåller kväveoxider (NO + NO2) och kolväten), snabb respons (< 1 s) och att sensorerna måste klara 10 000 h i bilavgaser respektive 2 år i rökgaser. Detaljerad kunskap om sensor-mekanismen skapar förutsättningen för att skräddarsy sensorer som klarar dessa krav. Det är idag känt att gaser sönderdelas och reagerar med t.ex. syre på de katalytiska metallytorna i MISiCFET-sensorerna. Väte tränger igenom metallfilmen eller diffunderar på metallytan och adsorberar i form av dipoler eller laddningar på oxidytan i kontakt med metallfilmen. Det är okänt vilka atomer eller molekyler på oxidytan som väte adsorberar på. Med kunskap om detta kan den optimala oxidytan för selektiva, snabba sensorer med hög känslighet konstrueras. I porösa metallfilmer vet man också att väteatomer eller protoner diffunderar ut på oxidytan som är exponerad i porerna. Ammoniak kräver trippelpunkter i form av metall/oxid/gas för att detekteras. Mycket lite är känt om de molekyler som är inblandade i ammoniakresponsen. Men med denna kunskap har man förutsättningarna för att tillverka sensorer och som t.ex. håller 10 000 h i dieselavgaser och som har tillräckligt hög selektivitet för ammoniak. Med DRIFT (diffus reflektans infraröd Fourier transform) spektroskopi kan man identifiera molekyler. Man kan skilja på molekyler som är bundna till oxid eller metall och molekyler som finns i gasfas. Det är möjligt att analysera pulver av kiseldioxid med Pt eller Ir partiklar på ytan av oxidkornen. Dessa är lämpliga modellsystem för den aktiva delen av MISiCFET-sensorerna. Med den utrustning som finns på Chalmers är det möjligt att göra analyser vid olika temperaturer under gasexponering. Realistiska analyser kan göras som kan ge svar på vilka molekyler som ger upphov till gasresponsen vid de olika intressanta temperaturerna i relevanta gasatmosfärer. Resultaten är intressanta också ur katalyssynpunkt. Till exempel är SCR ett mycket hett område för tillfället eftersom mycket stränga lagkrav för utsläpp av kväveoxider kommer inom en nära framtid. Projektet kommer att generera kunskaper som troligen är mycket intressanta även inom detta område. Målgruppen för de resultat som projektet väntas generera är i första hand företag som tillverkar sensorer samt olika använare av sensorer. De sökande har f.n. direktkontakt med två lämpliga företag men även nya företagsbildningar är möjliga. Projektledarna är ofta inbjudan talare på konferenser vilket ger god spridning av vetenskapliga resultat till den akademiska världen såväl som industrin.