声学研究所研发——秒级响应的新型声表面波氢气传感器

氢能是一种二次能源，它是通过一定的方法利用其它能源制取的，而不像煤、石油、天然气可以直接开采。氢能是公认的清洁能源，作为低碳和零碳能源正在脱颖而出。

氢能源被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，人类对氢能源应用自200年前就产生了兴趣，到20世纪70年代以来，世界上许多国家和地区就广泛开展了氢能源研究。

近日，声学研究所与南开大学合作，将微纳声表面波器件技术与钯镍纳米线氢敏材料相结合，提出并研制了一种秒级响应的新型声表面波氢气传感器。提升了传感器的响应速度。

氢气传感器在常温下对氢气非常敏感且具有很好的选择性，可以作为检测环境中氢气浓度的传感器，出于生产生活中对安全的要求，快速、灵敏、准确的氢气传感器是十分必要的，能够及时避免爆炸发生的可能性。

氢气由于其燃烧效率高、产物无污染等优点 ,与太阳能、核能一起被称为三大新能源。作为一种新能源 ,氢气在航空、动力等领域得到广泛的应用;同时,氢气作为一种还原性气体和载气,在化工、电子、医疗、金属冶炼,特别在军事国防领域有着极为重要的应用价值。

但氢气分子很小,在生产、储存、运输和使用的过程中易泄漏,由于氢气不利于呼吸,无色无味,不能被人鼻所发觉,且着火点仅为 585 ℃,空气中含量在 4%～75%范围内 ,遇明火即发生爆炸 ,故在氢气的使用中必须利用氢气传感器对环境中氢气的含量进行检测并对其泄漏进行监测。

氢气传感器的选择性、安全性、稳定性、灵敏度以及输出信号弱等问题 ,已经得到不同程度的解决。实现氢气传感器的常温工作 ,不仅提高了氢气传感器的安全性 ,而且 ,降低能耗 ,将是今后研究工作的重点。可以通过以下 3种途径实现氢气传感器的常温工作：

1)发展光纤型氢气传感器 ,但必须解决其输出信号弱、使用寿命短以及高成本等问题;

2)制备纳米级的氢敏材料 ,由于氢敏材料对氢气的响应究其根本来说是一种表面作用 ,而纳米材料具有很大的比表面积 ,增加了接触响应的表面积 ,而且 ,纳米材料的粒径小 ,缩短响应时间 ,提高了响应性能;3)积极开发新的氢敏材料。

声表面波是沿物体表面传播的一种弹性波。声表面波是英国物理学家瑞利在19世纪80 年代研究地震波的过程中偶尔发现的一种能量集中于地表面传播的声波。1965年，美国的怀特和沃尔特默发表题为“一种新型声表面波声——电转化器”的论文，取得了声表面波技术的关键性突破，能在压电材料表面激励声表面波的金属叉指换能器IDT的发明，大大加速了声表面波技术的发展，使这门年轻的学科逐步发展成为一门新兴的、声学和电子学相结合的边缘学科。

声表面波器件利用声一电换能器的特征对压电材料基片表面上传播的声信号进行各种处理，并完成各种功能的固体器件。它是利用半导体平面工艺在压电材料基片表面制作出叉指状的金属电极(称作叉指换能器IDT),电极接上交变电压即可在基片表面激发出声表面波(SAW),电信号可藉此声表面波传递。

声表面波器是近代声学中的表面波理论、压电学研究成果和微电子技术有机结合的产物。所谓SAW，是在压电固体材料表面产生和传播、且振幅随深入固体材料的深度增加而迅速减小的弹性波。与沿固体介质内部传播的体声波(BAW)比较，SAW有两个显著特点：一是能量密度高;二是传播速度慢。根据这两个特性，人们研制出具有不同功能的SAW器件，而且可使这些不同类型的无源器件既薄又轻。

新闻来源：中国科学院声学研究所

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