氢气传感器有哪几种类型

氢气传感器相比较于其他的传感器，在很多领域并没有很常见。但是氢气传感器在其特定领域（如氢气浓度测量）也有着很大的应用。氢气传感器是一种检测氢气并产生与氢气浓度成正比的电信号的传感器装置。氢气传感器比传统的氢气检测方法（气相色谱仪、质谱仪）有几种优点，包括成本低、尺寸小、响应快。本文的目的是介绍氢气传感器的三种类型，并对其进行简单分析。

1催化燃烧型传感器

催化燃烧型传感器的工作原理是可燃气体与催化传感器表面的氧反应释放热量。利用敏感元件、补偿元件及固定电阻构成电桥，可燃气体催化燃烧所产生的热量传导到被包裹的铂线圈上，使线圈的电阻升高，从而引起传感信号的桥路中电压发生变化且与气体浓度成正比，这一原理可用于检测包括氢气在内的任何可燃气体。

催化燃烧型传感器的历史比较悠久，1923年Jones利用裸铂丝提出了第一个催化燃烧型传感器，并首次用于矿山中的甲烷检测。裸铂丝传感元件结构简单，制作容易，抗毒能力强，但是工作温度较高使得器件升华，使用寿命大大缩小。为了进一步提高催化传感器的性能，1959年Baker利用铂丝圈上涂加载体和催化剂制备催化传感器，首次提出pellistor的概念。这种催化元件，通常采用直径为10～50μm的金属Pt嵌在有耐火材料作为载体的金属Pd催化剂内，随着催化燃烧的进行，温度升高导致Pt金属丝的电阻升高，从而作为信号输出。尽管随后许多科研工作者进行了提高传感性能的研究，但是催化燃烧式传感器的结构和催化原理并没有发生明显改变，一直应用到今天。

随着MEMS技术的发展，科研工作者们主要通过优化传感器件和改进催化剂的制备和修饰技术来提高催化元件的灵敏度、降低功耗、小型化及批量生产。

图1催化燃烧式氢气传感器结构示意

2电化学型传感器

电化学型氢气传感器的工作原理是氢气与传感电极发生电化学反应引起电荷传输或电学性质的变化，传感器通过检测化学信号的变化实现氢气浓度检测。电化学型传感器可以分为两大类：电流型和电压型。

（1）电流型电流型氢气传感器在商业应用中比较常见，其通过对氢气进行电化学反应，从而产生与氢气浓度成正比的电流。

图2电流型氢气传感器结构示意图

（2）电压型电压型氢气传感器与电流型氢气传感器的不同之处在于，它们最好在零电流下工作，测量数值是感应电极和参考电极之间的电位差或电动势。电压型氢气传感器的结构类似于电流型氢气传感器，由一个与电解质接触的两个电极组成。这些电极通常由稀有元素如钯、铂、金或银制成。常用固体质子传导电解质，包括氧化铝、磷硅玻璃、氢化钠等。

3电阻型传感器

电阻型氢气传感器的感应机理是：当传感器暴露于氢气中时，氢气的吸附和渗透会改变传感器中氢敏材料的电阻，并且当氢气从氢敏材料中脱离时，氢敏材料的电阻会再次发生改变。电阻式氢传感器主要分为半导体金属氧化物型和非半导体型（即金属或合金型）两种类型。

（1）半导体金属氧化物型半导体金属氧化物型氢气传感器包括具有半导体特性的金属氧化物层（通常是掺杂的氧化锡、氧化锌、氧化钨），该金属氧化物层沉积在加热器上，从而将该层的温度升高至工作温度（500℃）。

图3半导体金属氧化物型氢气传感器结构示意图

（2）非半导体型非半导体型传感器一般采用金属纳米材料作为氢敏材料，尤其是基于钯（Pd）的电阻式氢气传感器因工艺简单、成本低、灵敏度高、响应时间短及在室温下工作等优点而受到广泛研究，被认为是目前最先进的氢气传感系统。室温下Pd与氢气进行可逆反应，从而形成电阻率高于Pd的氢化钯（PdHx）。通过检测基于Pd传感器的电阻信号，实现氢气的定量检测。

4光学型传感器

光学型氢气传感器利用光学变化来检测氢气，根据工作原理的不同，通常分为光纤氢气传感器、声表面波氢气传感器、光声氢气传感器3类，其中光纤氢传感器具有本质安全性、耐腐蚀、适合遥感、抗电磁干扰等突出优势，已成为研究的热点。光纤氢气传感器是利用光纤与氢敏材料结合，当氢敏材料与氢气反应之后，光纤的物理特性改变从而导致光纤中透射光的光学特性发生变化。通过检测与输出光相对应的物理量的变化来测量氢气浓度。

图4光纤氢气传感器结构示意图

结语

总之，不同类型氢气传感器具有各自的优缺点，仍然存在未开发的领域和关键挑战。新兴氢气传感器的发明和使用，也进一步推动了氢经济的发展。新兴氢气传感器的前景非常广阔，但是我们目前还需要花更多的时间去提高该传感器的性能方面的要求，来满足我们更多的需求。