氢气传感器的工作原理与应用

氢气传感器的工作原理与应用

目前氢气传感器的工作原理主要有电化学(ELECTROCHEMICAL,原电池，燃料电池）、金属氧化物半导体（MOS）、催化燃烧催化珠(CATALYTIC BEAD)和热导原理（THERMAL CONDUCTIVITY，TCD）等。

氢气传感器采用氢敏感材料作为感测元件，例如铂、钯等。这些材料在氢气的作用下会发生物理或化学反应，产生一定的电信号，通过测量这个电信号的变化，可以间接地判断氢气浓度的大小。具体来说，当氢气接触到感测元件时，感测元件表面的氢气与材料中的氢原子之间发生反应，改变了材料的电性，从而产生了电信号。

热导氢气传感器工作原理是利用各种气体不同的热导系数，即具有不同的热传导速率来进行测量的。当被测气体以恒定的流速流入氢气传感器时，热导池内的铂热电阻丝的阻值会因被测气体的浓度变化而变化，运用惠斯顿电桥将阻值信号转换成电信号，通过电路处理将信号放大、温度补偿、线性化，使其成为测量值。 由于氢气的热导系数较高，一般测量氢气浓度的传感器和分析仪器都采用热导原理。 混合氢中，氢气的热导系数要显著高于其它气体，其它各种气体的热导系数较为接近。由于混合气体的热导系数具有叠加性质，混合氢的热导系数几乎由氢气来决定，因此采用热导氢气分析仪原理来测量混合氢中的氢气浓度是较为合适的。

MEMS工艺TCD-5880-P2RW快速响应氢气传感器是一种薄膜热电堆输出热导率传感器，与传统的热电偶计密切相关。它采用氮化硅封闭膜结构设计，具有高灵敏度和分辨率。 测量原理依赖于传感器敏感区域和环境之间的有效热阻的降低，这是由周围气体的热导率引起的。传感器标准安装在TO-5集管中，但也有不同的外壳（如LCC-20和KF-16和KF-40真空法兰中的封装）。 因此，它可以衡量： 气体分子的类型（热导率测量）和气体分子的压力（真空测量）。

MEMS工艺TCD-5880-P2RW快速响应氢气传感器工作原理：热导率气体传感器敏感芯片测量膜中心热电堆热结和芯片厚边缘冷结之间的热阻。这是通过使用电阻器加热器Rheat加热膜的中心来实现的。由此产生的中心温度升高由热电堆温度传感器测量。实际温度升高取决于膜中心和环境之间的有效热阻，这受到膜热阻、环境气体热阻、任何存在的气体流量和（通常可以忽略不计）发射辐射等因素的影响。

为了在使用TCD-5880气体传感器敏感元件测量时准确补偿环境温度变化，可以在热导率传感器芯片旁边安放一个2x2 mm的PT100铂电阻温度传感器（见图4.4）。这允许根据温度DIN B等级准确测量传感器芯片的温度。标准为100欧姆电阻器（0ºC时为100欧姆，灵敏度为0.39%/ºC），可选为0ºC下为100欧姆的Pt100。

所谓的"Roof硅盖"是粘在薄膜热点上的硅散热器，在距离薄膜100μm处形成散热器（见图4.5）。“硅盖”有两个应用。首先，热导率传感器周围的任何气流都被硅盖阻挡，无法到达热膜，因此传感器的对流量灵敏度大大降低。因此，在有流量的情况下进行测量时，硅盖选项很有趣。其次，附近的散热器将传感器可以测量的上部真空压力增加了大约3倍。因此，当将热导率传感器用作真空计传感器时，硅盖选项也可能引起人们的兴趣。