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，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，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，由一個與電解質(zhì)接觸的兩個電極組成。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)機理是：當(dāng)傳感器暴露于氫氣中時，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，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)時間短及在室溫下工作等優(yōu)點而受到廣泛研究，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。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，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)一步推動了氫經(jīng)濟的發(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。