mos管检测氢气浓度是根据

通常根据氢气与半导体反应的场所是在表面还是内部，将半导体型传感器分为表面控制型和体控制型；根据测量半导体的物理量是电阻还是晶体管参数，也可将传感器分为电阻型和非电阻型。

电阻型半导体传感器主要以金属氧化物作为氢敏材料，根据气敏机理的吸附-脱附机理，传感器首先对空气中的氧气进行吸附，这是一个由物理吸附到化学吸附的过程。在一定条件下氧夺取氢敏材料表面电子并产生一种晶格氧，材料表面电子减少，就会产生空间电荷区，使能带弯曲，使得电导率下降。当传感器吸附氢后，氢会夺取表面晶格氧，生成水，同时释放电子，使导带弯曲程度减弱。随着氧缺位的增加，半导体表面的电导增大，从而造成半导体电阻阻值减小。这两种过程不可逆，在一定温度和氢气氛围下达到稳态平衡，化学吸附氧离子达到一平衡值，从而决定了氧化物的电导。根据电阻率大小与氢气浓度之间的函数关系，就可以测出空气中氢气浓度。然而，单一的金属氧化物制得的传感器通常存在对还原性气体的选择性较差、灵敏度不高的缺点，通常用氧化物或贵金属掺杂的方式提高传感器对氢气的选择性。

非电阻型半导体传感器主要用肖基特（金属-半导体）二极管或MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）作氢敏材料，一般检测气体引起的电容或势垒等非电阻电学量的变化。肖基特二极管通常以金属Pd或Pb作正极，用禁带较宽的n型半导体SiC、GaN等材料作负极。传感器与氢气接触后，氢气通过催化金属分解为氢原子，扩散到金属与半导体的界面处，在偏置电压下发生极化，使肖基特势垒降低。根据二极管两端电压变化就可以确定氢气浓度。

以n型MOSFET为例，通常用金属Pd作MOSFET的栅极电极。根据MOS管的结构特点，可将其电容视为氧化层电容和耗尽层电容的串联，MOS电容与栅压关系称为MOS管的C-V特性。当栅源电压大于阈值电压（开启电压）时，源漏之间就会产生n型反型沟道，使源漏两极导通。对于实际的阈值电压，还要考虑金属与半导体的功函数，抵消接触电势差的影响。当氢气经栅极吸附会使金属Pd的功函数降低，表面能带向下弯曲，阈值电压也将相应降低，所需施加的栅源电压与栅极接触氢气前的电压比，也会降低。于是MOS电容的C-V特性曲线向负栅压方向平移，根据这个特性能够测量氢气浓度。

在水电解过程中，由于隔膜并不能绝对阻隔氢气和氧气相互渗透，特别是在氢与氧两侧压力相差大的情况下，又因为电解液是不断循环的，在分离器里，氢气、氧气和电解液是很难达到完全分离，所以工业上用水电解法制得的氢气里含有杂质氧，一般在0.5%以下。又由于制氢过程是气液共存的,所以氢气中还存在饱和含水量。这些杂质的存在，对于现代工业生产和科学研究是很不适应的。例如半导体材料硅的生产，对氢气中的含氧量要求在5ppm以下，含水量要求露点在 -50℃以下，不然的话，氧会溶解在硅里,改变单晶硅的电阻率,甚至导致导电类型的改变。又如金属高温热处理、粉末冶金、微电子电路、光导元件、化学合成等生产过程中,如果氢气中含有少量的氧或水分，那么高温下会使原材料发生氧化,这是因为高温下金属能直接与氧化合，也能夺取水中的氧形成氧化物，这将严重影响材料的质量。随着生产的发展和技术的进步,氢气的应用范围已越来越广泛工艺过程对氢的纯度要求也将越来越高。工业上纯化水电解氢的方法主要是催化脱氧加吸附干燥,纯氢中的杂质残含量<1ppm,露点可达-80℃，已能满足许多部门的需要，所以本章主要讲述此法。

当原料氢中各种组分较多，又对产品氢纯度要求很高时,可采用变压吸附法(见第一章及本章降压再生)钯合金膜扩散法、低温吸附法、金属无机膜分离法、金属氢化物法等,把多种杂质同时去除。

第一节催化脱氧

一、催化脱氧的原理

催化脱气就是利用催化剂(俗名触媒)使氢和存在于气体中的杂质氧发生化学反应而生成水,从而达到除掉杂质氧的目的:

为什么催化剂能够加快氢和氧之间的反应呢？目前虽然还没有彻底弄清楚原因，但人们认为：这与催化剂本身能大量吸附溶解气体的性质有关，因为当催化剂吸附溶解了大量气体之后，等于把气体浓缩了，这就增加了氢氧分子相互碰撞进行化学反应的机会，而当一些氢、氧分子发生了化学反应，放出热量使温度升高，又反过来促进其它氢、氧分子进行化学反应。

氢与氧的催化反应几乎都在催化剂表面进行，所以要加快反应速度就得增加催化剂的表面积，使氢与氧在催化剂表面有良好的接触条件；另外则要求气体能迅速地扩散到催化剂表面,增加氢与氧之间的接触机会，这就是要提高气体的流速。催化脱氧的气体流速,通常用空间速度来表示，所谓空间速度就是单位体积的催化剂，在单位时间里所能处理的气体体积，它的单位为“m3气体/m3催化剂·h“”简化为h。提高氢气的空间速度对催化脱氧有利，但气流流速不能无限加快，不能使氢与氧在催化剂表面还没有来得及反应就被气流冲走了，所以每一种催化剂都有一个适当的空间速度。

二、催化剂及其性能

脱氧催化剂活性最高的大多是元素周期表中第Ⅷ类展性重金属元素，如钯(Pd)、铂(Pt)、银(Ag)、镍-铬(Ni-Cr)、铜(Cu)等。把这些金属元素附在多孔性物质上，常用的载体有浮石、硅藻土、活性氧化铝、分子筛、硅胶、活性炭、碳纤维半导体粉末等；制作的方法有：机械混合、浸渍、共同沉淀、离子交换等方法。所制得的催化剂必须有合适的形状,巨大的表面积，足够的机械强度，良好的化学稳定性和耐热性。常用的氢气脱氧催化剂有以下几种：

1）0603型铜催化剂

它是用氧化铜附在在硅藻土上，制成直径6x6mm的颗粒，堆比重~1kg/L,工作温度为200~250℃，空间速度为3000~5000/h，当初含氧量为<1%时，脱氧后残含氧量<10ppm。该催化剂在使用前,应该用氢气或氢、氮混合气以3000/h的空速进行活化还原处理，当还原气出口温度升至200℃后,残含氧量达到所规定的纯度时即可投入使用。

它还可用于去除电解氧中杂质氢，反应式为：

脱氢时工作温度为200~250℃,气体空速为2000~3000/h，脱氢能力可根据需要而有所不同，残含氢量可达到<1ppm。

2) 651型镍铬催化剂

它是用镍、铬附在多孔性物质上,制成直径5x5mm的颗粒,堆比重为1.1~1.2kg/L，工作温度为50~100℃空间速度为5000~8000/h，当初含氧量<3%时，脱氧后残含氧量<5ppm。该催化剂在使用前，应该用氢气在200℃下，以3000~5000/h的空速进行活化还原4~5小时，当出口氢中含氧量达到要求，即可投入使用。活化后的催化剂呈黑色且有光泽遇空气要燃烧，长期不用时应充水或充氨保护,短期不用时，应保持气气正压，防止倒吸空气。如果原料气中存在碱雾、酸雾SO2、H2S、CO、NO2、NO等杂质，均会影响催化剂活性。

---