[发明专利]气体传感器

说明书

技术领域

本发明涉及气体传感器领域。具体地，本发明涉及场效应气体传感器领域以及在包括氢或含氢物质的气体中对至少一种非含氢物质的检测。

背景技术

在例如汽车内燃机、发电装置、区域性供热装置、汽轮机和室内供热设施中的燃烧过程通常会导致物质——诸如氮氧化物、碳氢化合物和一氧化碳(CO)——的排放，尤其是如果该过程既没有被优化又没有被控制。在燃烧过程中空气的缺乏或过量会导致要么燃料燃烧不完全要么燃烧动力性(kinetics)缓慢，这导致未完全氧化的碳氢物类(species)和CO被留在废气或烟道气体中。通常，燃烧过程还导致生成氮氧化物以及释放燃料束缚的(fuel-bound)氮氧化物和硫氧化物，这些物质的排放通常通过燃烧后处理——例如催化转化和湿式洗涤——来降低。

优化并控制燃烧过程以及任何燃烧后处理以降低排放需要在废气或烟道气体中监测并确定特定的气态物质，诸如CO、NO、NO₂。然而，现有的关于这种监测和确定的选择非常有限，由于所关注的过程中的恶劣条件，例如高温、振动、腐蚀性环境。大多数固态气体传感器在恶劣条件下不能运行，或者面临长期稳定性的问题。作为一个实例，在废气再循环(Exhaust Gas Recirculation)(EGR)这个专门应用中，目前还没有令人满意的用于控制废气再循环的摄氧传感器(intake oxygen sensor)。当前用于废气或烟道气体氧浓度评估的通用废气氧(Universal Exhaust Gas Oxygen)(UEGO)传感器不能承受所遇到的条件。其他类型的传感器技术需要气体在被提供至传感器之前被取样、冷却和/或过滤，诸如基于电化学电池的传感器技术。基于固体电解质的传感器十分昂贵，并且对于大多数所关注的目标物质不能提供用于例如废气后处置(after-treatment)系统的控制所需的精度。已开发出的多种光学传感器也十分昂贵，且当将该传感器的激光束引导至期望位置时会遭受不期望的空间波动(也被称为“光束晃动(beam wobble)”或“指向不稳定(pointing instability)”)，以及长期稳定性的问题。

利用场效应设备的气体传感器有希望被用于从高温或恶劣环境过程中测量重要的废气/烟道气体组分或其他气体成分，例如，在US7053425中公开的传感器设备。场效应气敏设备的基础设计也在例如Savage，S.M.et al.Mater.Sci.Forum，353-356(2001)，pp.747-752中给出。

通常，基于晶体管的场效应气体传感器中的传感机制通过以下方式来实现：电压被施加在源极接触和漏极接触之间，并导致电流流过沟道区。一种能够与所关注的物质相互作用以使得从栅极到半导体的电场根据该相互作用而改变的材料被用作该设备的栅极接触，并且被置于沟道区上方的绝缘层的顶部。从该栅极接触到该半导体的电场进而调制沟道中的电流。作为一个实例，如果该场效应气体传感器被用于检测H2气，则该栅极接触被选择为便于氢分子在其表面上的解离吸附(dissociative adsorption)，产生快速地扩散穿过该金属栅极接触的氢原子，以氧化物表面上的极化羟基(hydroxyl(-OH)groups)的形式在金属/绝缘体界面(interface)处被吸收。该界面处的该极层(polar layer)改变了来自该接触的电场。从而改变了穿过该沟道的电流，使得电流的改变反映该界面处的氢覆盖，这直接地与周围氢浓度相关。因此，这种场效应设备可以提供一个好的平台，用于在涉及高温过程和腐蚀性气氛的应用中检测多种气态物质。

然而，由于金属接触/绝缘体界面处氢的化学吸收作用以及所生成的羟基极化层，从该平台开发出的传统的场效应传感器设备全都固有地对氢和特定的含氢物类敏感。因此，用这些传统类型的场效应设备检测非含氢物类(例如O₂、CO、NO、NO₂、SO₂)会严重地遭受对氢和含氢物类的交叉敏感度问题。因此，用这种场效应传感器检测非含氢物类的可能性非常有限，因为在上述应用中(例如在燃烧过程中)存在氢和/或含氢物类。

因此，在本领域中需要如下的气体传感器设备，其用于在会遇到高温、振动和恶劣环境的诸多专门应用中对包括氢或含氢物质的气体中的非含氢物质进行监测和量化。

发明内容

本发明的一个目标是提供用于在气体中检测非含氢物质的改进的装置。

本发明的另一目标是提供如下的装置，其用于改进当包括氢或含氢物质的气体中检测至少一种非含氢物质时的信噪比。