氫氣傳感器有哪幾種類型

氫氣傳感器相比較于其他的傳感器，在很多領(lǐng)域并沒有很常見。但是氫氣傳感器在其特定領(lǐng)域（如氫氣濃度測量）也有著很大的應(yīng)用。氫氣傳感器是一種檢測氫氣并產(chǎn)生與氫氣濃度成正比的電信號的傳感器裝置。氫氣傳感器比傳統(tǒng)的氫氣檢測方法（氣相色譜儀、質(zhì)譜儀）有幾種優(yōu)點(diǎn)，包括成本低、尺寸小、響應(yīng)快。本文的目的是介紹氫氣傳感器的三種類型，并對其進(jìn)行簡單分析。

1催化燃燒型傳感器

催化燃燒型傳感器的工作原理是可燃?xì)怏w與催化傳感器表面的氧反應(yīng)釋放熱量。利用敏感元件、補(bǔ)償元件及固定電阻構(gòu)成電橋，可燃?xì)怏w催化燃燒所產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到被包裹的鉑線圈上，使線圈的電阻升高，從而引起傳感信號的橋路中電壓發(fā)生變化且與氣體濃度成正比，這一原理可用于檢測包括氫氣在內(nèi)的任何可燃?xì)怏w。

催化燃燒型傳感器的歷史比較悠久，1923年Jones利用裸鉑絲提出了第一個(gè)催化燃燒型傳感器，并首次用于礦山中的甲烷檢測。裸鉑絲傳感元件結(jié)構(gòu)簡單，制作容易，抗毒能力強(qiáng)，但是工作溫度較高使得器件升華，使用壽命大大縮小。為了進(jìn)一步提高催化傳感器的性能，1959年Baker利用鉑絲圈上涂加載體和催化劑制備催化傳感器，首次提出pellistor的概念。這種催化元件，通常采用直徑為10～50μm的金屬Pt嵌在有耐火材料作為載體的金屬Pd催化劑內(nèi)，隨著催化燃燒的進(jìn)行，溫度升高導(dǎo)致Pt金屬絲的電阻升高，從而作為信號輸出。盡管隨后許多科研工作者進(jìn)行了提高傳感性能的研究，但是催化燃燒式傳感器的結(jié)構(gòu)和催化原理并沒有發(fā)生明顯改變，一直應(yīng)用到今天。

隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，科研工作者們主要通過優(yōu)化傳感器件和改進(jìn)催化劑的制備和修飾技術(shù)來提高催化元件的靈敏度、降低功耗、小型化及批量生產(chǎn)。

圖1催化燃燒式氫氣傳感器結(jié)構(gòu)示意

2電化學(xué)型傳感器

電化學(xué)型氫氣傳感器的工作原理是氫氣與傳感電極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)引起電荷傳輸或電學(xué)性質(zhì)的變化，傳感器通過檢測化學(xué)信號的變化實(shí)現(xiàn)氫氣濃度檢測。電化學(xué)型傳感器可以分為兩大類：電流型和電壓型。

（1）電流型電流型氫氣傳感器在商業(yè)應(yīng)用中比較常見，其通過對氫氣進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生與氫氣濃度成正比的電流。

圖2電流型氫氣傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

（2）電壓型電壓型氫氣傳感器與電流型氫氣傳感器的不同之處在于，它們最好在零電流下工作，測量數(shù)值是感應(yīng)電極和參考電極之間的電位差或電動(dòng)勢。電壓型氫氣傳感器的結(jié)構(gòu)類似于電流型氫氣傳感器，由一個(gè)與電解質(zhì)接觸的兩個(gè)電極組成。這些電極通常由稀有元素如鈀、鉑、金或銀制成。常用固體質(zhì)子傳導(dǎo)電解質(zhì)，包括氧化鋁、磷硅玻璃、氫化鈉等。

3電阻型傳感器

電阻型氫氣傳感器的感應(yīng)機(jī)理是：當(dāng)傳感器暴露于氫氣中時(shí)，氫氣的吸附和滲透會改變傳感器中氫敏材料的電阻，并且當(dāng)氫氣從氫敏材料中脫離時(shí)，氫敏材料的電阻會再次發(fā)生改變。電阻式氫傳感器主要分為半導(dǎo)體金屬氧化物型和非半導(dǎo)體型（即金屬或合金型）兩種類型。

（1）半導(dǎo)體金屬氧化物型半導(dǎo)體金屬氧化物型氫氣傳感器包括具有半導(dǎo)體特性的金屬氧化物層（通常是摻雜的氧化錫、氧化鋅、氧化鎢），該金屬氧化物層沉積在加熱器上，從而將該層的溫度升高至工作溫度（500℃）。

圖3半導(dǎo)體金屬氧化物型氫氣傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

（2）非半導(dǎo)體型非半導(dǎo)體型傳感器一般采用金屬納米材料作為氫敏材料，尤其是基于鈀（Pd）的電阻式氫氣傳感器因工藝簡單、成本低、靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短及在室溫下工作等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛研究，被認(rèn)為是目前最先進(jìn)的氫氣傳感系統(tǒng)。室溫下Pd與氫氣進(jìn)行可逆反應(yīng)，從而形成電阻率高于Pd的氫化鈀（PdHx）。通過檢測基于Pd傳感器的電阻信號，實(shí)現(xiàn)氫氣的定量檢測。

4光學(xué)型傳感器

光學(xué)型氫氣傳感器利用光學(xué)變化來檢測氫氣，根據(jù)工作原理的不同，通常分為光纖氫氣傳感器、聲表面波氫氣傳感器、光聲氫氣傳感器3類，其中光纖氫傳感器具有本質(zhì)安全性、耐腐蝕、適合遙感、抗電磁干擾等突出優(yōu)勢，已成為研究的熱點(diǎn)。光纖氫氣傳感器是利用光纖與氫敏材料結(jié)合，當(dāng)氫敏材料與氫氣反應(yīng)之后，光纖的物理特性改變從而導(dǎo)致光纖中透射光的光學(xué)特性發(fā)生變化。通過檢測與輸出光相對應(yīng)的物理量的變化來測量氫氣濃度。

圖4光纖氫氣傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)語

總之，不同類型氫氣傳感器具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，仍然存在未開發(fā)的領(lǐng)域和關(guān)鍵挑戰(zhàn)。新興氫氣傳感器的發(fā)明和使用，也進(jìn)一步推動(dòng)了氫經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。新興氫氣傳感器的前景非常廣闊，但是我們目前還需要花更多的時(shí)間去提高該傳感器的性能方面的要求，來滿足我們更多的需求。