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第 37 卷 第 5 期                    王文等： 基于声表面波的氢气传感器                                           759


                                                               其基本原理如图 1 所示。相对于传统痕量气体检测
             1 引言
                                                               技术，SAW气体传感器具有快速、高灵敏、小型化与
                 作为一种新兴能源载体和化工原料，氢气具有                          低功耗等优点，广泛应用于环境、公共安全以及突
             来源广泛、清洁环保、可循环利用等一系列优点，对                           发性应急事件处置等领域中痕量气体的快速监测
             推进节能减排、调整能源产业结构和应对全球气候                            与预警。将 SAW 技术应用于氢气传感，始于 20 世
             变化有重要意义。但是氢气易燃易爆，其空气含量                            纪 80 年代初意大利学者 D’Amico 等          [17] ，将延迟线
             在 4%∼75% 范围内极易发生爆炸。因此，快速与高                        型的 SAW 传感器件结构与钯金属薄膜相结合，利
             灵敏的氢气传感技术在氢气开发利用中的安全防                             用金属钯膜对氢气的催化吸附引起对声表面波传
             护问题上扮演着极为重要的角色。典型的氢气传感                            播的质量负载与声电耦合效应，初步实现了对氢气
             技术包括催化、热导、电化学、电阻式及光学方法                     [1] ，  的有效检测。众多研究表明，只用一层金属钯膜作
             各有其优缺点。催化法的工作原理是利用可燃性气                            为敏感膜，传感器的灵敏度并不理想。为改进钯基
             体在催化剂表面与氧气反应来进行测量                   [2−5] ，可稳     传感器的性能，有学者尝试对钯膜进行掺杂改性，以
             定、快速检测浓度在 4% 以内的氢气，但其选择性较                         改善钯膜的敏感性。Jakubik等           [18]  采用双层敏感薄
             差，易受抑制剂影响，且需较高的工作温度，难以                            膜，上层为金属钯，下层为酞菁化合物。酞菁化合物
             满足氢能应用领域极高的安全与可靠性要求。热导                            作为有机半导体，其质量和电导特性的改变对SAW
             法是基于各种气体热导率的不同来实现对目标气                             属性的影响非常明显，尤其是导电效应。实验结果
             体分子识别与测量         [6] ，该方法在大量程(1%∼100%)            显示：在对 0.5% 浓度的氢气进行检测时，传感响应
             范围内可实现较为快速 (< 20 s) 的氢气传感，但该                      时间为 18 s，响应大小为 1 kHz；在对 4% 浓度的氢
             方法依然需要加热高温工作条件。电化学法通过在                            气进行检测时，响应时间为42 s，响应大小为3 kHz。
             两电极处产生的电子转移实现气体测量                   [7−8] ，这种     另外，有学者通过研究 SAW 传感器件结构，以提升
             方法广泛应用于氧气以及氢气等各种氧化还原性                             传感器的响应特性，如 Yamanaka 等             [19]  设计了球
             气体的检测之中。基于电化学氢气传感器可在常温                            形传感器，通过增加延迟时间来检测氢气浓度，实
             下工作，且有着广域的测量范围(5 ppm∼100%)。然                      现了较为快速与高灵敏的氢气检测。迄今为止，虽
             而，电化学氢气传感器通常体积较大，难以实现小型                           然在 SAW 氢气传感器研究领域取得了较好的研究
             与微型化，系统集成要求难度较高，特别是电化学传                           成果，但仍然亟需从气敏薄膜材料的合成与制备等
             感器的响应速度较慢，通常在数十秒以上，难以满足                           方面着手，以满足氢气检测中快速、高灵敏的应用
             氢气的快速监测要求。电阻式氢气传感器可大致包                            需求。
             括以半导体金属氧化物为敏感材料的氢气传感器
                                                                                        ஊܸ٨
             和以金属为敏感材料的氢气传感器                [9−12] ，但均需高
             温工作环境 (400 C∼800 C)，且选择性较差。利用
                                    ◦
                            ◦
             某些材料与氢气反应产生光学化质变化的原理，也                                                  ඡஐᘙᒛ
             可以实现对氢气浓度的检测             [13−16] 。与其他方式相                            ԍႃఃʹ
             比，光学传感的优势在于传感器件结构无源，安全且
                                                                         图 1  声表面波气体传感器原理图
             可靠。但是光源部件的应用导致其体积较大，系统
                                                                 Fig. 1 The scheme picture of SAW based gas sensor
             复杂且成本较高。
                 相对于上述现有氢气传感技术，一种声表面波                              本文结合金属钯对氢原子的特异选择性反应，
             (Surface acoustic wave, SAW) 氢气传感技术引起             探讨了采用钯镍 (Pd-Ni) 合金薄膜与钯铜 (Pd-Cu)
             人们极大的研究兴趣。SAW 气体传感器的基本思                           纳米线作为气敏材料的氢气传感器的响应特性，通
             想是将气敏材料的特异选择性与声表面波的快速
                                                               过对气敏材料制备方法及参数的优化，实验研制了
             响应相结合，在 SAW 传播路径上沉积具有特异选
                                                               两种沉积不同钯基气敏材料的氢气传感器件，并结
             择性的气敏薄膜材料，通过气敏材料气体吸附所导
                                                               合双通道差分振荡器结构，对所研制的传感器件性
             致的质量负载或者导电率变化作用于传播声波，并
                                                               能包括灵敏度及响应时间等进行了评测，以确定快
             引起 SAW 速度变化，进而结合振荡器等电路结构
                                                               速与高灵敏的氢气检测方法。
             以频率电信号实现对目标气体分子的识别与测量，
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