氣體檢測傳感器及應(yīng)用案例 《傳感器技術(shù)與應(yīng)用》課件

1、第11章 氣體檢測傳感器及應(yīng)用案例11.1 熱傳導式氣體傳感器11.2 接觸燃燒式氣體傳感器11.3 氧化鋯氧氣傳感器11.4 恒電位電解式氣體傳感器11.5 伽伐尼電池式氣體傳感器11.6 半導體氣敏傳感器11.7 氣敏傳感器的應(yīng)用案例返回主目錄第11章 氣體檢測傳感器及應(yīng)用案例 隨著社會文明的不斷進步，煤炭、化工、電力企業(yè)的快速開展，及時、準確地對易燃、易爆、有毒、有害氣體進行監(jiān)測、預(yù)報和自動控制已成為當前首要解決的問題。目前對氣體的檢測主要是對氣體成分檢測,它包括確定氣體的化學組成和各種成分的相對含量兩局部內(nèi)容。氣體成分檢測的方法很多，常用的主要有電化學式、熱學式、光學式及半導體氣敏式等

2、等。其中，電化學式又有恒電位電解式、伽伐尼電池式、氧化鋯濃差電池式等幾種；熱學式又有熱傳導式、接觸燃燒式等幾種；光學式又有紅外吸收式等。下面介紹幾種常用的氣體成分檢測傳感器。一、熱傳導檢測原理 熱傳導是同一物體各局部之間或互相接觸的兩物體之間傳熱的一種方式，不同物質(zhì)其導熱能力是不一樣的，通常用導熱系數(shù)的大小來表示物質(zhì)導熱能力的強弱。下表是常見氣體的導熱系數(shù) 對于多種氣體組成的混合氣體，隨著成分含量的不同，其導熱能力將會發(fā)生變化。如混合氣體中各種氣體成分彼此之間無相互作用，實驗證明混合氣體的導熱系數(shù)可近似用下式表示： 式中：i混合氣體中第i種氣體成分的導熱系數(shù)； Ci混合氣體中第i種氣體成分的體

3、積百分含量。 假設(shè)混合氣體中只含有兩種氣體，那么第一種氣體的百分含量與混合氣體的導熱系數(shù)之間的關(guān)系可寫為 上式說明兩種氣體組分的導熱系數(shù)差異越大，測量的靈敏度越高。(11-1)(11-2)二、熱傳導檢測器熱傳導檢測器是把混合氣體導熱系數(shù)的變化轉(zhuǎn)換成電阻值變化的部件，它是熱傳導傳感器的核心部件,又稱為熱導池。圖11-1 熱導池結(jié)構(gòu)示意圖 圖11-1是熱導池的一種結(jié)構(gòu)示意圖。它是由金屬制成的圓柱形氣室，氣室的側(cè)壁上有分析氣體的進出口，氣室中央裝有根細的鉑或鎢熱電阻絲。 電阻絲通以電流后產(chǎn)生熱量，并向四周散熱，當熱導池內(nèi)通入待分析氣體時，電阻絲上產(chǎn)生的熱量主要通過氣體進行傳導，熱平衡時，即電阻絲所產(chǎn)

4、生的熱量與通過氣體熱傳導散失的熱量相等時，其電阻值也維持在某一數(shù)值。 電阻值的大小與所分析混合氣體的導熱系數(shù)存在對應(yīng)關(guān)系。氣體的導熱系數(shù)愈大，說明導熱散熱條件愈好。熱平衡時電阻絲的溫度愈低，電阻值也愈小。這就實現(xiàn)了把氣體的導熱系數(shù)的變化轉(zhuǎn)換成電阻絲電阻值的變化。 根據(jù)分析氣體流過檢測器的方式不同，熱傳導檢測器的結(jié)構(gòu)可以分為直通式、擴散式和對流擴散式三種。圖11-2(a)為擴散式結(jié)構(gòu)，它的特點是反響緩慢，滯后較大，但受氣體流量波動影響較??；圖11-2(b)為目前常用的對流擴散式結(jié)構(gòu)，氣體由主氣路擴散到氣室中，然后由支氣路排出，這種結(jié)構(gòu)可以使氣流具有一定速度，并且氣體不會產(chǎn)生倒流。圖11-2 熱傳

5、導檢測器的結(jié)構(gòu)三、測量電路 熱傳導式氣體傳感器通常采用電橋作為測量電路。它又有單電橋和雙電橋之分。圖11-3為熱傳導氣體傳感器中常用的單電橋測量電路。圖11-3 單電橋測量電路 電橋由四個熱導池組成,每個熱導池的電阻絲作為電橋的一個橋臂電阻。R1、R3的熱導池稱為測量熱導池，通入被測氣體；R2、R4的熱導池稱為參比熱導池，氣室內(nèi)充入測量的下限氣體。 當通過測量熱導池的被測組分含量為下限時，由于四個熱導池的散熱條件相同，四個橋臂電阻相等，因此電橋輸出為零。當通過測量熱導池的被測組分含量發(fā)生變化時，R1、R3電阻值將發(fā)生變化，電橋失去平衡，其輸出信號的大小反映了被測組分的含量多少。 單電橋電路結(jié)構(gòu)

6、簡單，但輸出信號受電源電壓的波動以及環(huán)境溫度的變化影響比較大。采用雙電橋電路可以較好地解決這些問題。 以下圖11-4是熱傳導式氣體傳感器中使用的雙電橋測量電路原理圖。為測量電橋，它與單電橋電路相同，其輸出電壓ucd的大小反映了被測組分的含量。為參比電橋，R5、R7的熱導池中密封著測量上限的氣體, R6、R8的熱導池中密封著測量下限的氣體，其輸出的電壓uhg是一固定值。圖11-4 雙電橋測量電路 電橋采用交流電源供電，變壓器兩個副邊提供的兩個電壓是相等的。ucd與滑線電阻A、C間的電壓uAC之差 加在放大器輸入端，信號經(jīng)放大后驅(qū)動可逆電機轉(zhuǎn)動，從而帶動滑線電阻滑動觸點C向平衡點方向移動。當ucd

7、=uAC，即 =0時，電機停止轉(zhuǎn)動，系統(tǒng)到達平衡，平衡點C的位置反映了混合氣體中被測組分的含量。11.2 接觸燃燒式氣體傳感器 接觸燃燒式氣體傳感器是煤礦瓦斯檢測的主要傳感器。 接觸燃燒式氣體傳感器的優(yōu)點是：對于可燃性氣體爆炸下限以下濃度的氣體含量，其輸出信號接近線性；每個氣體成分的相對靈敏度與相對分子質(zhì)量或分子燃燒熱成正比；對不可燃性氣體沒有反響，只對可燃性氣體有反響；不受水蒸氣的影響； 接觸燃燒式氣體傳感器的缺點是：儀器工作溫度較高，外表溫度一般在300400之間,而在內(nèi)部可到達700800；對氫氣有引爆性；元件易受硫化物，鹵化物及砷、氯、鉛、硒等化合物的中毒影響；易受高濃度可燃性氣體的破

8、壞。一、根本工作原理 由于低于下限爆炸濃度的易燃氣體接觸這種被催化物覆蓋的傳感器外表時會發(fā)生氧化反響而燃燒，故稱做接觸燃燒式傳感器，又稱作催化燃燒式傳感器。傳感器工作溫度在高溫區(qū)，目的是使氧化作用加強。 接觸燃燒式傳感器由加熱器、催化劑和熱量感受器三局部組成。它有兩種結(jié)構(gòu)形式：一種是用裸鉑絲作氣體成分傳感器件，催化劑涂在鉑絲外表，鉑絲線圈本身既是加熱器，又是催化劑，同時還是熱量感受器。另一種是用載體作為氣體成分傳感器，催化劑涂于載體上，鉑絲線圈不起催化作用，而僅起加熱和熱量感受器的作用。 線圈是用純度99.999%的鉑絲繞制而成，線徑為0.0070.25mm，20時的阻值約為58。鉑絲線圈的作

9、用是通以工作電流后，將傳感器工作溫度加熱到瓦斯氧化的起始溫度(450左右)。圖11-5 接觸燃燒式氣敏元件結(jié)構(gòu) 目前廣泛使用的接觸燃燒式氣體傳感器是第二種結(jié)構(gòu)形式，氣敏元件主要由鉑絲、載體和催化劑組成，其結(jié)構(gòu)如圖11-5所示。 對溫度敏感的鉑絲，當瓦斯氧化反響放熱使溫度升高時,其阻值增大，以此來檢測瓦斯的濃度。 載體是用氧化鋁燒結(jié)而成的多孔晶狀體，本身沒有活性，對檢測輸出信號沒有影響，其作用是保護鉑絲線圈，消除鉑絲升華，保證鉑絲的熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性，承載催化劑，使催化劑形成高度分散的外表，提高催化劑的效用。 催化劑多采用鉑、鈀或其他過渡金屬氧化物，其作用是促使接觸元件外表的瓦斯氣體發(fā)生氧化反

10、響。在催化劑的作用下，瓦斯中的主要成分沼氣與氧氣在較低的溫度下發(fā)生強烈的氧化反響(無焰燃燒)，反響化學式為(11-3) 實際應(yīng)用中，往往將氣體敏感元件和物理結(jié)構(gòu)完全相同的補償元件放入防爆罩內(nèi)，如圖11-6所示。防爆罩由銅粉燒結(jié)而成，其作用是隔爆，限制擴散氣流，以削弱氣體對流的熱效應(yīng)。圖11-6 接觸燃燒式氣敏傳感器結(jié)構(gòu) 如果氣體溫度低，而且是完全燃燒時，引起鉑絲電阻值的變化量可表示為：式中：R氣體傳感器的阻值變化量； 氣體傳感器的電阻溫度系數(shù)； T氣體燃燒引起的溫度上升值； H氣體燃燒所產(chǎn)生的熱量； C氣體傳感器的熱容量; m氣體濃度； Q氣體的分子燃燒熱； A常數(shù)。(11-4) 當氣體傳感器

11、的材料、形狀和結(jié)構(gòu)決定后，假設(shè)被測氣體的種類也固定，那么傳感器的電阻變化量R與被測氣體濃度m成正比，即 二、測量電路 接觸燃燒式氣體傳感器根本測量電路也是電橋電路。其測量電路結(jié)構(gòu)如圖11-7所示。圖11-7 根本測量電路 這種傳感器可以檢測空氣中的許多種氣體或汽化物，包括甲烷、乙炔及氫氣等，但是它只能測量含有一種易燃氣體的濃度或混合氣體的濃度，而不能分辨其中單獨的化學成分。實際應(yīng)用接觸燃燒式氣敏傳感器時，人們感興趣的是易燃危險氣體是否存在，檢測是否可靠，而不管其氣體內(nèi)部成分如何。因此該種傳感器以滿足人們對易燃易爆氣體的檢測要求。 接觸燃燒式傳感器具有響應(yīng)速度快、重復(fù)性好、精度高,并且不受周圍溫

12、度和濕度變化的影響等優(yōu)點。另外，傳感器元件容易被硅化物、硫化物和氯化物所腐蝕，在氧化鋁外表造成永久性的損壞。氧化鋯氧氣傳感器一、檢測原理 氧化鋯(ZrO2)是一種具有氧離子導電性的固體電解質(zhì)。純潔的氧化鋯一般是不導電的，但當它摻入一定量(通常為15%)的氧化鈣CaO(或氧化釔Y2O3)作為氧化劑，并經(jīng)高溫焙燒后，就變?yōu)榉€(wěn)定的氧化鋯材料，這時被二價的鈣或三價的釔置換，同時產(chǎn)生氧離子空穴，空穴的多少與摻雜濃度有關(guān)，并在較高的溫度下，就變成了良好的氧離子導體。 氧化鋯氧氣傳感器測量氧含量是基于固體電解質(zhì)產(chǎn)生的濃差電勢來測量的，其根本結(jié)構(gòu)如圖11-8所示。在電極上發(fā)生的電化學反響如下：電池正極 電池負

13、極 圖11-8 氧化鋯氧氣傳感器結(jié)構(gòu)濃差電動勢的大小可由能斯特方程表示，即式中： E濃差電池的電動勢； P1待測氣體的氧分壓。 R理想氣體常熟；P0參比氣體的氧分壓； T氧化鋯固態(tài)電解質(zhì)溫度；F法拉第常數(shù)； n參加反映的電子數(shù)n=4 根據(jù)道爾頓分壓定律，有(11-8)式中：C0參比氣體中的氧含量； C1待測氣體中的氧含量。 (11-7)因此，式(11-7)可寫為(11-9) 由上式可知，假設(shè)溫度T保持某一定值，并選定一種氧濃度的氣體作參比氣體通常選空氣，因為空氣中的氧含量為常數(shù)，那么被測氣體的氧含量就可以用氧濃差電勢來表示，測出濃差電勢，便可知道被測氣體中的氧含量。如溫度改變，即使氣體中氧含量

14、不變，輸出的氧濃差電勢也要改變，所以氧化鋯氧氣傳感器均有恒溫裝置，以保證測量的準確度。二、氧化鋯氧氣傳感器探頭氧化鋯氧氣傳感器探頭結(jié)構(gòu)如圖11-9所示。它的主要部件是氧化鋯管。圖11-9 氧化鋯氧氣傳感器探頭結(jié)構(gòu)示意圖 被測氣體(如煙氣)經(jīng)陶瓷過濾器流經(jīng)氧化鋯管的外部，參比氣體(空氣)從探頭的另一端進入氧化鋯管的內(nèi)部。氧化鋯管的工作溫度是在650850之間，并且測量時溫度需恒定。為此，在氧化鋯管的外圍裝了加熱電阻絲，管內(nèi)部裝了熱電偶，用來檢測管內(nèi)溫度，并通過溫度調(diào)節(jié)器調(diào)整加熱絲電流的大小，使氧化鋯管的溫度恒定。 氧化鋯氧氣傳感器輸出的氧濃差電勢與被測氣體氧濃度之間為對數(shù)關(guān)系，而且氧化鋯電解質(zhì)濃

15、差電池的內(nèi)阻很大，所以對后續(xù)的測量電路有特別的要求，不僅要進行放大，而且還要求放大器的輸入阻抗要高，還要具有非線性補償?shù)墓δ堋?1.4 恒電位電解式氣敏體傳感器恒電位電解式氣體傳感器是一種濕式氣體傳感器，它通過測定氣體在某個確定電位電解時所產(chǎn)生的電流來測量氣體濃度。一、測量原理當電極與電解質(zhì)溶液的界面保持一定電位進行電解時，由于電解質(zhì)內(nèi)的工作電極與氣體進行選擇性的氧化或復(fù)原反響，那么在比照電極上發(fā)生復(fù)原或氧化反響，使電極的設(shè)定電位發(fā)生變化，從而實現(xiàn)氣體濃度的檢測。傳感器的輸出是一個正比于氣體濃度的線性電位差。電解電流和氣體濃度之間的關(guān)系如下式表示：(11-10)式中：I電解電流； n每1mol

16、氣體產(chǎn)生的電子數(shù)； F法拉第常數(shù)； A氣體擴散面積； D擴散系數(shù)； 擴散層的厚度。 C電解質(zhì)溶液中電解的氣體濃度； 因?qū)σ粋€確定的傳感器來說，它的n、F、A、D及都是固定的數(shù)值，所以電解電流與氣體濃度成正比。即為比例系數(shù)。二、恒電位電解式氣體傳感器結(jié)構(gòu) 下面以CO氣體檢測為例來說明這種傳感器的結(jié)構(gòu)。恒電位電解式氣體傳感器的根本結(jié)構(gòu)及測量電路如圖11-10所示。圖11-10 恒電位電解式氣體傳感器結(jié)構(gòu) 在容器內(nèi)的相對兩壁安置工作電極和比照電極，其內(nèi)充滿電解質(zhì)溶液，容器為一密閉結(jié)構(gòu)。在工作電極和比照電極之間加以恒定電位差而構(gòu)成恒壓電路。透過隔膜(多孔聚四氟乙烯膜的CO氣體在工作電極上被氧化，而在比

17、照電極上O2被復(fù)原，于是CO被氧化而形成CO2。氣體與電極之間的氧化復(fù)原反響方程式可用式(11-11)式(11-13)來描述。氧化反響 (11-11) 復(fù)原反響 (11-12) 總反響方程 (11-13) 在這種情況下，CO分子被電解，通過測量作用電極與比照電極之間流過的電流，也就是測量流過電阻R兩端的電壓Uo，即可得到CO的濃度。11.5 伽伐尼電池式氣體傳感器一、伽伐尼電池式氣體傳感器的檢測原理 伽伐尼電池式氣體傳感器與上述恒電位電解式傳感器一樣，通過測量電解電流來檢測氣體濃度，但由于傳感器本身就是電池，因此不需要由外界施加電壓。 這種傳感器主要用于O2的檢測，檢測缺氧的儀器幾乎都使用這種

18、傳感器，它還可以測定可燃性氣體和毒性氣體。伽伐尼電池式氣體傳感器的電解電流與氣體濃度的關(guān)系，與恒電位電解式氣體傳感器的計算公式(11-10)相同。 下面以O(shè)2檢測為例來說明這種傳感器的構(gòu)造和測量原理,它的根本結(jié)構(gòu)及測量電路如圖11-11所示。圖11-11 伽伐尼電池式氣體傳感器結(jié)構(gòu) 在塑料容器內(nèi)安置厚為1030 ，透氧性好的聚四氟乙烯隔膜，靠近該膜的內(nèi)面設(shè)置工作電極(鉑、金、銀等貴重金屬)，在容器中其他內(nèi)壁或容器內(nèi)空間設(shè)置比照電極(鉛、鎘等離子化傾向大的賤金屬)，用KOH、KHCO3作為電解質(zhì)溶液。 氧氣通過隔膜溶解于隔膜與工作電極之間的電解質(zhì)溶液的薄層中，當此傳感器的輸出端接上負載電阻R形成

19、閉合回路時，在工作電極上發(fā)生氧氣的復(fù)原反響，而在比照電極上發(fā)生氧化反響，其反響方程式如下所示。 復(fù)原反響 (11-14) 氧化反響 (10-15) (11-16) 總反響方程 (11-17) 由于氧化復(fù)原反響，在電路中有電流流動，該電解電流與氧氣濃度成比例關(guān)系。此電流在負載電阻R的兩端產(chǎn)生電壓Uo，只要把Uo測量出來就知道被測氧氣的濃度。半導體氣敏傳感器所謂半導體氣敏傳感器是指利用半導體氣敏器件同氣體接觸，造成半導體性質(zhì)變化，借此來檢測特定氣體的成分或測量其濃度的傳感器總稱。 半導體氣敏器件種類很多，按照半導體變化的物理特性，可分為電阻型和非電阻型兩大類。 電阻型半導體氣敏器件是利用它接觸氣體

20、時，它的阻值發(fā)生變化來檢測氣體的成分或濃度； 非電阻型半導體氣敏器件是利用其它參數(shù)，如二極管伏安特性或場效應(yīng)管的閾值電壓變化來檢測被測氣體的。常見的半導體氣敏器件如表11-2所示。 用半導體氣敏器件組成的氣敏傳感器主要用于工業(yè)上的天然氣、煤氣，石油化工等部門的易燃、易爆、有毒、有害氣體的監(jiān)測、預(yù)報和自動控制等。一、電阻型半導體氣敏傳感器 電阻型半導體氣敏器件是利用氣體在半導體外表的氧化和復(fù)原反響導致其阻值變化原理而制成的器件。 目前用于氣體檢測的半導體材料，N型有SnO2、ZnO、TiO等，P型有MoO2、CrO3等。當氧化型氣體吸附到N型半導體上，復(fù)原型氣體吸附到P型半導體上時，那么使半導體

21、載流子減少，電阻值增大。當復(fù)原型氣體吸附到N型半導體上，氧化型氣體吸附到P型半導體上時，那么使載流子增多，半導體電阻值減少。根據(jù)這一特性，可以從阻值的變化得知吸附氣體的種類和濃度。圖11-12給出了氣體接觸到N型半導體時所產(chǎn)生的阻值變化情況。由圖可知，器件在空氣中加熱4分鐘后阻值根本不變。圖11-12 N型氣敏元件吸附氣體時阻值變化圖 這是因為空氣中的含氧量是恒定的，因此氧的吸附量也是恒定的。假設(shè)氣體濃度突然發(fā)生變化，其阻值也將變化。實驗證明，半導體吸附氣體的時間一般不超過1分鐘。二、電阻型半導體氣敏器件的分類電阻型半導體氣敏器件一般由敏感元件、加熱器和外殼三局部組成。按其結(jié)構(gòu)可分為燒結(jié)型、薄

22、膜型和厚膜型三種。 1燒結(jié)型燒結(jié)型氣敏器件的外形結(jié)構(gòu)如圖11-13(a)所示。它是將一定的敏感材料SnO2、ZnO及摻雜劑Pt、Pb等用水或粘合劑調(diào)和均勻，經(jīng)研磨后以膏狀物滴入模具內(nèi)，埋入加熱絲和鉑電極，用700900的傳統(tǒng)制陶方法進行燒結(jié)而成。燒結(jié)型器件制作方法簡單，器件壽命長。但由于燒結(jié)不充分，器件機械強度不高，電極材料較貴重，電性能一致性較差，因此應(yīng)用受到一定限制。 2薄膜型薄膜型氣敏器件的外形結(jié)構(gòu)圖10-13(b)所示。它的制作方法是首先處理襯底片玻璃石英式陶瓷；焊接電極，然后采用蒸發(fā)或濺射方法在石英基片上形成一薄層氧化物半導體薄膜(其厚度約在100nm以下)而成。 3厚膜型厚膜型氣敏

23、器件的外形結(jié)構(gòu)圖11-13(c)所示。它是將氣敏材料如SnO2、ZnO與一定比例的硅凝膠混合制成能印刷的厚膜膠，再把厚膜膠用絲網(wǎng)印刷到事先裝有鉑電極的氧化鋁Al2O3基片上，在400800的溫度下燒結(jié)12小時制成。圖11-13 電阻型半導體氣敏器件結(jié)構(gòu) 這些器件全部附有加熱器，它的作用是將附著在敏感器件外表上的塵埃、油霧等燒掉，加速氣體的吸附，從而提高器件的靈敏度和響應(yīng)速度。加熱器的溫度一般控制在200400左右。 氣敏器件中的加熱器通常有兩種，一種是直熱式，另一種是旁熱式。 圖11-14所示是直熱式氣敏器件的結(jié)構(gòu)及符號。 直熱式氣敏器件的管芯體積一般都很小，加熱絲直接埋在金屬氧化物半導體材料

24、中燒結(jié)而成的，并且加熱絲兼做一個測量電極。該結(jié)構(gòu)制造工藝簡單，本錢低、功耗小，可以在高電壓回路下使用。其缺點是熱容量小，易受環(huán)境氣流的影響；測量電路和加熱電路之間相互影響；加熱絲在加熱時產(chǎn)生脹縮，容易造成與材料接觸不良的現(xiàn)象。 國產(chǎn)QN型和日本費加羅TGS#109型氣敏傳感器都采用這種結(jié)構(gòu)。圖11-15所示是旁熱式氣敏器件的結(jié)構(gòu)及符號，它是將加熱絲放置在一個陶瓷管內(nèi)，管外涂有梳狀金電極作為測量電極，在金電極外涂上SnO2等材料。 旁熱式結(jié)構(gòu)的氣敏器件克服了直熱式的缺點，使測量極和加熱極分開，而且加熱絲與氣敏材料不接觸，防止了測量回路和加熱回路的相互影響，降低了環(huán)境溫度對器件加熱溫度的影響；所以

25、這種結(jié)構(gòu)器件的穩(wěn)定性、可靠性都比直熱式器件要好。 國產(chǎn)QMN5型和日本費加羅TGS#812、813型等氣敏傳感器均采用這種結(jié)構(gòu)。 非電阻型氣敏元件是利用特定材料的MOS二極管電容電壓特性以及MOS場效應(yīng)管(MOSFET)的閾值電壓特性隨某些氣體的濃度變化而變化的原理制成的氣敏元件。 1MOS二極管氣敏元件的結(jié)構(gòu)及測量原理MOS二極管氣敏元件的結(jié)構(gòu)如以下圖11-16(a)所示。它是在P型半導體硅片上，利用熱氧化工藝技術(shù)生成一層厚度約為50100nm的二氧化硅(SiO2)層，然后在其上面蒸發(fā)一層鈀(Pd)金屬薄膜，作為電極M，P型硅作為另一個電極而構(gòu)成的元件。由于SiO2層電容Ca固定不變，而Si

26、和SiO2界面電容Cs是外加電壓的函數(shù)，其等效電路如圖10-16(b)。圖11-16 MOS二極管結(jié)構(gòu)和等效電路 由等效電路可知，總電容C也是兩極電壓的函數(shù)。其函數(shù)關(guān)系稱為該類MOS二極管的CU特性，如圖11-16(c)曲線a所示。由于鈀金屬對氫氣(H2)特別敏感，當鈀吸附了H2以后，會使鈀的功函數(shù)降低，導致MOS二極管的CU特性向低電壓方向平移，如圖11-16(c)中虛線b所示。根據(jù)這一特性就可用于測定H2的濃度。 2MOS場效應(yīng)管氣敏元件的結(jié)構(gòu)及測量原理 鈀MOS場效應(yīng)管(PdMOSFET)的結(jié)構(gòu)如圖11-17所示。由于Pd對H2有很強的吸附性，當H2吸附在G(Pd)柵極上時，會引起Pd的

27、功函數(shù)降低。 由MOSFET工作原理可知，當柵極(G)、源極(S)之間加正向偏壓UGS，且UGSUT(閾值電壓)時，那么在柵極氧化層下面聚集了大量的電子形成導電溝道，這個溝道稱作N型溝道，它將源極和漏極連接了起來。圖11-17 鈀MOS場效應(yīng)管結(jié)構(gòu) 此時，假設(shè)在源(S)、漏(D)極之間加電壓UDS，那么源極和漏極之間就有電流(IDS)通過。IDS隨UDS和UGS的大小而變化，其變化規(guī)律即為MOSFET的輸出伏安特性。當UGSUT時，MOSFET的N型溝道未形成，故漏極與源極之間無電流，即IDS=0。閾值電壓UT的大小除了與襯底材料的性質(zhì)有關(guān)外，還與鈀金屬和半導體之間的功函數(shù)有關(guān)。PdMOSFET氣敏元件就是利用H2在鈀柵極上吸附后引起閾值電壓UT下降這一特性來檢測H2濃度的。 3半導體氣敏傳感器的應(yīng)用范圍