氢气被广泛认为是21世纪绿色能源。然而，由于氢气具有较宽的爆炸范围（4%-75%）和较低的点火能量（0.02 mJ），在生产运输、储存和使用过程中存在爆炸危险。需要一种实时高性能的氢气传感器，以实现长期稳定和快速准确地监测氢气浓度变化，确保安全。众所周知，氢气的热导率是氩气的十倍。不同热导率的氢（氩）混合气从热源交换不同的热量，导致工作元件温度变化；这个热信号通过传感器的工作元件转换为电信号，进而标定氢气浓度。因此热导式传感器具有结构简单、无需复杂的催化反应等优点。它们能够以极低功耗快速、持久地检测广泛浓度范围内的氢气变化。

目前已报道热导式氢气传感器，然而现有传感器的应用已经受到固有尺寸和功耗的限制。氢气管道运输的全球化和复杂应用场景的微型化趋势，需要研减小传感器的功耗，并使其适于更小空间。此外，为了实现热导式传感器加热元件和基底之间的热解耦，设计可靠的加热结构也一直存在挑战。以前传感器中热量大多传输至基底，从而增加其功耗，降低其使用寿命和响应能力。这些严重阻碍了下一代高性能微型集成气体传感器的发展和应用。

针对这一问题，夏明岗教授团队研制了一种超低功耗（3.32微瓦）直流热导式氢气传感器，如图（a）。该传感器通过光刻技术设计制备，包含两个悬空的独立工作元件（蛇形DCⅠ/桥形DCⅡ）。通过形状设计出高表面积-体积比的纳米线，提高了其灵敏度，缩短了其响应时间；借助结构工程设计以及硅的选择性湿法刻蚀实现了工作元件与基底之间的几乎完全热解偶，从而将工作元件产生的焦耳热最大程度地用于气体换热，为实现氢气传感器的超低功耗、极稳定检测提供了一种建构范例。另外，采用直流加热偏置条件下的交流开尔文法精确实时测量工作元件的电阻变化，以最小化各种噪声的影响，如图（b）。该传感器在器件尺寸（~6×6毫米）、线性气体响应（~99.99%）、测量范围（0.075%-10%）和稳定重复操作（>30,000次循环）等方面性能出色，如图（c-e）。此外，该装置具有大规模微集成的潜力，并给其他气体敏感催化剂提供一个铂基热耦合悬空平台，为多功能复合超灵敏超低功耗气体传感器的研发铺平道路。

图（a）热导式氢气传感器结构原理示意图；（b）桥元件交流开尔文法测试电路图；（c）桥元件的氢气浓度响应曲线；（d）桥式元件在不同氢气浓度下的线性气体响应曲线；（e）传感器经30000次循环的长期耐受性，图示测试开始和结束时各进行的10次循环。

该研究成果以“Ultra-Low-Power, Extremely Stable, Highly Linear-Response Thermal conductivity Sensor based on a Suspended device with Single Bare Pt Nanowire”为题，发表在传感器方向顶刊《美国化学会传感器》（ACS Sensors）上。西安交通大学物理学院博士生吴梓鹏和张旭东为论文的共同第一作者，夏明岗教授为论文的通讯作者。该研究获到了国家自然科学基金、CMC快速支持项目等项目的支持。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssensors.4c01111