研究人員發(fā)明了一種高精度的新型氫氣傳感器

科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，蝴蝶翅膀上絢麗多彩的顏色一般由色素色、結(jié)構(gòu)色和某些混合色形成。結(jié)構(gòu)色是一種由翅膀鱗片的特殊結(jié)構(gòu)而形成的光學(xué)現(xiàn)象，其光子學(xué)納米結(jié)構(gòu)，可使外來光線發(fā)生不同的折射、干涉、繞射，然后反射出部份特殊光頻率的光線從而產(chǎn)生燦爛的金屬光澤。據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)的一組研究人員由此獲得靈感，發(fā)明了一種高精度的新型氫氣傳感器。這款傳感器可以在室溫下工作，有望在氫燃料工業(yè)儲(chǔ)存等領(lǐng)域獲得應(yīng)用，這項(xiàng)研究還有望推動(dòng)非侵入性醫(yī)療診斷新技術(shù)的發(fā)展。

這種傳感器由沉積在芯片表面的微小空心球制成，球體之間的最大間隙約為2微米

氫能源作為一種很有前途的可再生清潔能源，在世界范圍內(nèi)獲得了廣泛重視，人們利用大型基礎(chǔ)設(shè)施來儲(chǔ)存越來越多的氫氣。不過，由于這種氣體極易燃燒，因此需要高精度的傳感器來檢測(cè)空氣中泄露的微量氫氣。目前的商用氫氣傳感器通過金屬氧化物層與氫相互作用時(shí)電阻的變化來檢測(cè)氫氣。然而，這類氫氣傳感器通常需要超過150℃的溫度才能工作，而且，它們對(duì)其它類型的氣體也很敏感，這限制了其工業(yè)應(yīng)用。

中空TiO2微殼結(jié)構(gòu)的SEM圖像

皇家墨爾本理工大學(xué)的Sabri和Kandjani研究團(tuán)隊(duì)采用了一種更為復(fù)雜的方案，擯棄加熱條件，利用光輔助來探測(cè)氫氣。他們的靈感來自于一些蝴蝶翅膀上有序排列的小凸起圖案，這些圖案非常有利于翅膀吸收光線。為了模仿這種結(jié)構(gòu)，研究人員設(shè)計(jì)了一種光子晶體納米結(jié)構(gòu)，制造了一種空心TiO2納米球晶格，并將其沉積在電子芯片上。然后，他們?cè)谄骷贤糠罅艘粚逾佲Z復(fù)合材料，以增強(qiáng)其靈敏度。

低溫氫氣傳感器

在光線照射激發(fā)下，傳感器的表面會(huì)使氫氣和氧氣發(fā)生反應(yīng)生成水。水改變了傳感器的電阻，從而實(shí)現(xiàn)空氣中氫含量的精確測(cè)量。這款傳感器的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)是它可以在室溫下工作，測(cè)量濃度范圍覆蓋10~40000 ppm。當(dāng)氫氣濃度高到有爆炸危險(xiǎn)時(shí)，它可以及時(shí)發(fā)出警報(bào)。此外，這款傳感器可以區(qū)分氫氣和其它氣體，選擇性超過93%。

這款傳感器采用成熟的工藝制造，因此該團(tuán)隊(duì)有信心實(shí)現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)，以將其拓展到氫燃料電池等廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。此外，通過檢測(cè)胃腸道疾病患者呼吸中產(chǎn)生的氫氣，可以實(shí)現(xiàn)非侵入性診斷和監(jiān)測(cè)。因此，這款傳感器憑借卓越的微量氫氣檢測(cè)能力，還可以用于非侵入性醫(yī)療診應(yīng)用。

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