[发明专利]一种氢气传感器

说明书

技术领域

本发明涉及氢气探测技术领域，尤其是涉及一种氢气传感器。 

  

背景技术

氢气作为重要的还原气体和清洁能源正被广泛应用在化工，航空，医疗，石化，交通和能源等各个领域。作为清洁能源，氢气由于单位体积燃烧释放能量高而在燃料电池和发电技术上具有重大的应用价值。然而，当在空气中的含量高于可燃下限时（4％），氢气极易燃烧和爆炸。因此，通常需要使用氢气传感器来检测氢气是否泄漏。 

氢气传感器的关键在于氢敏材料的选择和制备。根据敏感材料的不同，现有的氢气传感器主要分为金属氧化物氢气传感器、金属氧化物半导体（MOS）氢气传感器，光纤氢气传感器和钯(Pd)阻氢气传感器等多种类式。但是，现有的多数金属氧化物氢气传感器因仅能检测不小于2％的H₂浓度，因此不能用作氢气（H₂）泄漏的报警装置。 

氢气与金属氧化物半导体材料的相互作用主要是基于表面吸附效应，因此具有大的比表面积的多孔金属氧化物半导体是良好的氢气敏感材料。与其它敏感材料相比，二氧化钛纳米管具有成本低，可重复使用，以及其电阻响应可快速复原而无滞后的特点，因此二氧化钛（TiO₂）纳米管作为氢敏材料曾经一度受到重视。 

TiO₂纳米管具有较大的比表面积和较强的吸附能力，因而表现出很高的氢敏感性。TiO₂纳米管阵列在遇到氢气后，其阻值发生明显的下降，在脱离该气体后，其阻值又能恢复到正常态。TiO₂纳米管表面对解离的H原子具有强烈的化学吸附作用，并使部分电荷从H转移到TiO₂管的导带，这就在TiO₂纳米管表面产生了一个电子的积聚层，导致纳米管电导的增加。当把H₂移除时，转移的电子又回到H原子上，TiO₂纳米管重新获得其原始电阻，导致TiO₂纳米管对氢气具有灵敏的电阻响应。 

虽然TiO₂纳米管阵列氢气传感器具有良好的敏感性和选择性，但仍需要较高的工作温度，从而限制了该类传感器的应用领域。 

现有的氢气传感器中，金属Pd作为氢敏材料也以各种形式被应用于氢气传感器。而在多种Pd阻氢气传感器中，基于新的“裂结”（break junction）敏感机理的Pd介观纳米线(mesowire)氢气传感器表现出最快的响应时间（约80ms）和很高的灵敏度。Pd介观纳米线并不是真正意义上的线结构，而是介观纳米点（约300*300*300nm）阵列。在吸收氢前，这些Pd介观纳米点处于断开状态，阻值很大，在吸收氢后，介观Pd纳米点膨胀而彼此连接，由此引起阻值减小（即所谓“裂结”）。这种结构的氢气传感器阻值变化和基于Pd薄膜的氢气传感器呈相反趋势。这种敏感机理在非连续的Pd薄膜传感器上也得到了验证，因此人们又将“裂结”原理延伸应用到非连续的Pd薄膜传感器上。将这种传感器的介观纳米点结构变得更小（约50*300*3nm），得到迄今为止报道的最快响应速度（约80ms）的氢气传感器。 

基于“裂结”原理的Pd介观纳米点氢气传感器工作原理和开关类似，Pd介观纳米点由于吸氢（释氢）后体积膨胀（收缩）而彼此连接（断开）。但是，受外界的污染，介观纳米点和衬底间的摩擦会减缓甚至使点的运动停止。此外，和衬底的粘着力不够也会导致点的脱落。其次，当采用石墨烯电极时，介观纳米点在石墨烯电极表面制备后需转移到氰基丙烯酸盐粘合剂覆盖的玻璃片上，制备工艺过程也较为复杂。再次，由于介观纳米点的数量很难控制，不易实现样品间均匀性，从而使得量产这种传感器成为一个问题。因此，在如何提高“裂结”原理的Pd电阻式氢气传感器的响应速率，可靠性和寿命等诸多方面仍然有许多关键问题有待解决。 

“裂结”原理的Pd电阻式氢气传感器备受关注不仅仅是因为其制作和封装工艺简单，还因为这种传感器的工作原理是能对Pd金属吸收氢后形成氢化物而引起的Pd阻值变化直接测量。Pd氢化物的形成是一个 的相变过程，引起晶格（体积）膨胀，从而使得Pd的阻值相应增加。晶格膨胀一直以来是阻碍Pd电阻式氢气传感器发展的障碍。例如，传感器循环工作在有氢和无氢的环境中时，Pd薄膜易起泡和从衬底上脱层，造成传感器寿命缩短。由于氢的吸收和释放过程而引起的薄膜表面形貌变化也影响传感器的重复性和可靠性。 

因此，现有技术中的氢气传感器需要进一步的改进。 

  

发明内容