基于优化设计的互指式钯纳米膜的室温氢传感器：结构与性能

《International Journal of Hydrogen Energy》：Room-temperature hydrogen sensor based on optimized interdigitated palladium nanofilm: Structure and performance

氢传感器通过优化IDE几何结构提升性能，S3传感器响应率提高96.7%，检测限20ppm，兼具高选择性、长期稳定性和宽温湿度适用性，机理源于Pd结晶度提升与IDE电流路径增强的协同效应。

　　

王帅|穆海宝|建家卓|王云峰|邓思宇|赖泽凯|周金明|张冠军

西安交通大学电气工程学院，中国西安，710049

摘要

在能源系统中检测痕量级氢气具有重要意义。本研究提出了一种通过几何设计指状电极来优化钯纳米薄膜氢传感器的性能策略，这种方法不同于传统的材料改性方法。采用光刻和磁控溅射技术制备了具有相同面积但指状电极宽度/间距不同的传感器（S3/S10/S50：3/10/50 μm）。优化后的S3传感器对5000 ppm H₂的响应提高了96.7%，检测限为20 ppm，并且在室温下具有更快的响应动力学。该传感器还表现出优异的选择性、长期稳定性（30天内信号波动小于2.63%），以及在25–85°C和20–80%相对湿度下的可靠运行性能。多尺度分析表明，性能的提升源于钯晶体质量的改善以及精细指状电极结构所实现的更密集、更高效的电流路径，为高性能氢传感器的设计提供了理论基础。

引言

准确量化氢气（H₂）浓度对于能源系统的安全监控至关重要，从检测氢储存和运输中的微小泄漏[[1], [2], [3]]到通过电气设备中的溶解气体分析识别初期故障[[4], [5], [6]]。因此，能够进行痕量级测量并具备计量溯源性的传感技术进步至关重要[[7,8]]。常用的氢气检测方法包括气相色谱（GC）[9]、X射线发射光谱（XES）[10]、光学方法[[11], [12], [13]]、电化学传感器[14,15]以及基于电阻的传感器[[16], [17], [18], [19]]。其中，使用钯（Pd）及其合金等贵金属的传感器具有明显的优势，如高氢选择性、室温操作以及不依赖氧气的功能。这些特性使它们特别适合在复杂环境中检测氢气泄漏以及在变压器油中分析溶解的氢气[[18], [19], [20]]。基于钯的传感器的工作原理依赖于钯氢化物（PdH_x的可逆形成，这一反应会转化为可测量的电阻变化或光学性质变化，从而确定氢气浓度[[21], [22], [23]]。

先前的研究已经探索了多种方法，包括元素掺杂[[24], [25], [26], [27]]、结构化沉积[[28,29]]和尺寸优化[[30,31]]来调整和改善H₂传感器的性能。其中，Pd材料的尺寸优化是影响传感器相对灵敏度和响应速度的关键因素之一。通常通过制备零维Pd纳米颗粒、一维Pd纳米线以及二维Pd纳米薄膜作为氢敏感材料来提高传感器性能[[31], [32], [33], [34], [35], [36], [37], [38]]。这些材料大多被应用于串联电极（SE）、并联电极（PE）和指状电极（IDE）结构中。制备各种纳米结构的目的是增加材料的比表面积，合理的材料结构设计可以提升传感器的性能[[39,40]]。

近年来，在钯纳米材料的尺寸优化方面取得了显著进展。Ni等人通过在SE上沉积Pd纳米颗粒，并通过调整Pd颗粒的覆盖率，在50～2500 ppm的氢浓度范围内实现了快速响应。结果表明，覆盖率较低的传感器具有更高的H₂灵敏度[[34]]。邱等人使用3D指状电极和Pd纳米颗粒制备了一种电容式氢传感器。这种3D指状电极结构在室温下对20,000 ppm H₂的响应率为61.94%，并且对氧气干扰具有出色的抗干扰能力[[41]]。韩国科学技术院和釜山国立大学的研究人员利用物理气相沉积和精密光刻技术制备了并联结构的Pd纳米线阵列用于氢气检测。该设计成功抑制了PdH_x的相变，实现了宽浓度范围（0.1%–10%）内的无滞后响应[[19,42,43]]。Lee等人研究了Pd薄膜厚度对氢气传感电阻滞后行为和灵敏度的影响，并发现通过减小Pd薄膜厚度可以抑制表面剥落现象并提高灵敏度[[44]]。Tian等人利用MEMS技术制备了基于PdNi纳米薄膜的电阻式氢传感器，不同厚度的薄膜显著提高了传感器的响应性能[[30]]。虽然上述研究主要集中在优化传感材料本身的形态和尺寸（例如纳米颗粒、纳米线），但往往忽略了电极的几何设计，尤其是指状电极（IDE），因为它们对电流分布和有效相互作用体积有重要影响。本研究打破了这一传统，证明了通过对IDE本身进行战略性几何优化，同时保持连续Pd纳米薄膜的固有特性，可以显著提升氢气传感性能。

本研究采用了一种不同于传统材料改性的方法，提出了一种专注于Pd纳米薄膜IDE微纳制造的优化策略。通过光刻和物理气相沉积（PVD）技术制备了一系列具有不同指状电极间距和宽度的传感器，并系统地评估了它们在0–5000 ppm氢浓度范围内的性能，评估了电极参数对响应重复性、响应时间、灵敏度和检测限的影响。通过微观和宏观尺度分析阐明了其背后的机制。因此，本研究为高性能、室温工作、痕量级氢传感器的设计提供了理论和实践框架。

部分内容摘录

气体传感器制备

标准梳状指状电极（IDE）常用于气体传感器。其主要参数包括指状电极间距（Sf）、指状电极宽度（Wf）和指状电极对数（Nf）。IDE的周期性交替结构（优化的指状电极宽度与间距比为1:1）能够产生高密度的电场区域，显著增加气体分子与敏感材料之间的相互作用概率[[46]]。

材料表征结果

如图3(b)所示，S3传感器的表面形态证实了光刻-溅射工艺的高制造一致性。指状电极的宽度和间距均为约3 μm，边缘清晰且无毛刺。Pd纳米薄膜均匀覆盖了IDE指状电极和基底，没有微裂纹或针孔缺陷，证明了磁控溅射薄膜的高质量。EDS映射结果如图3(c)–(f)所示。

结论

为满足能源系统中对准确快速氢气检测的需求，本研究提出了一种基于指状电极（IDE）几何设计的性能优化策略，这种方法不同于传统的材料改性方法。主要研究结果总结如下：1)

具有相同敏感面积但IDE几何结构不同的氢传感器（S3、S10、S50，指状电极宽度/间距分别为3 μm、10 μm和50 μm）

CRediT作者贡献声明

王帅：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，研究，数据管理，概念构思。穆海宝：撰写 – 审稿与编辑，监督，概念构思。建家卓：撰写 – 审稿与编辑。王云峰：方法学研究，数据管理，概念构思。邓思宇：方法学研究，数据管理。赖泽凯：研究。周金明：研究。张冠军：方法学研究，研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。